DE3602153A1 - Process for winding particle filters - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Wickeln von Partikelfiltern für Gase, insbesondere Abgase, bei dem die Fasern um eine lösbare Wickelhilfe, z. B. Dorn gewickelt werden.The invention relates to a method for winding of particle filters for gases, especially exhaust gases which the fibers around a releasable winding aid, for. B. Thorn be wrapped.
Unter verschiedenen Methoden, Partikelfilter herzustellen, ist auch ein als Wickelkörper ausgebildeter Filter bekannt. Diese werden in verhältnismäßig dünnen, auf einem Stützkörper aufgewickelten Faserlagen verwendet und je nach Anwendung in mehreren oder wenigeren Stückzahlen eingesetzt, um die erforderliche Filteroberfläche zu erhalten.Using different methods to manufacture particle filters a filter designed as a winding body is also known. These are made in relatively thin, on one Support body wound fiber layers used and each after application in several or fewer quantities used to get the required filter surface receive.
Das mit Partikeln versetzte Gas, zum Beispiel Abgas aus Verbrennungsmotoren, strömt in Betrieb durch den Faserfilterkörper und den mit Durchbrüchen versehenen Stützkörper. Die im Gas enthaltenen Partikeln werden dabei an der Oberfläche der Filter festgehalten. Derartige Filter eignen sich nicht für Anwendungen, bei denen ein großes Partikelvolumen anfällt, wie beispielsweise aus den Abgasen von Fahrzeugmotoren. Für so einen Fall müßten entweder eine große Anzahl von Filtern verwendet werden oder die Filter müssen im Gebrauch öfters regeneriert werden.The gas mixed with particles, for example exhaust gas Internal combustion engines, flows through the operation Fiber filter body and the breakthrough Support body. The particles contained in the gas become held onto the surface of the filter. Such filters are not suitable for applications where a large Particle volume arises, such as from the exhaust gases of vehicle engines. In such a case, either a large number of filters are used or the Filters have to be regenerated frequently during use.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem Filter herstellbar sind, die eine große Filterkapazität aufweisen.The invention has for its object a method of to create with the filter can be produced that have a large filter capacity.
Die Aufgabe ist mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst, wobei beim Wickeln des Filters Lücken vorgesehen werden, die das Eindringen von Partikeln mit dem Gas in die inneren Bereiche des Filters ermöglichen. Auf diese Weise wirkt nicht nur die Oberfläche, sondern das gesamte Filtervolumen als Ablagerungsfläche für die im Gas enthaltenen Partikeln. Die Lücken müssen dabei so gestaltet sein, daß die Abgase mehrfache Umlenkungen erfahren und auf diese Weise Partikeln, die nicht an der Oberfläche bzw. den ersten Schichten festgehalten wurden, in tieferen Schichten festgehalten werden können.The task is with those characterized in claim 1 Features solved, with gaps when winding the filter be provided that the penetration of particles with the Allow gas into the interior of the filter. On this way not only the surface works, but that total filter volume as a deposit area for those in the gas contained particles. The gaps must be designed in this way be that the exhaust gases undergo multiple deflections and on this way particles that are not on the surface or the first layers were recorded, in lower layers can be captured.
Die Porosität wird vorzugsweise durch gleichzeitiges Wickeln mehrerer Faserstränge erreicht, die mit Abstand zueinander in Kreuzlagen gewickelt werden. Hierbei werden die Fasern einer nächsten Lage über mehrere Fasern der vorhergehenden Lage gelegt, ohne Knotenpunkte zu erzeugen. Das hat den Vorteil, daß eine Zwischenlage die beiden angrenzenden sich kreuzenden Faserlagen in einem Abstand, der in etwa der Faserstrangdicke entspricht, auseinanderhalten kann. Dieses wird in einer fertigungstechnikisch einfachen Art durch die Verwendung eines Ringfadenauges erreicht. Die Zahl der mit dem Ringfadenauge geführten Faserstränge richtet sich nach dem Durchmesser des Wickelkörpers und nach dem gewünschten Abstand zwischen den Fasersträngen. Jede Wickellage wird dabei ausschließlich aus nebeneinanderliegenden Fasern, d. h. ohne Verknotungen bestehen.The porosity is preferably achieved by simultaneous winding reached several strands of fiber, spaced apart be wrapped in cross layers. Here, the Fibers of a next layer over several fibers of the previous position without creating nodes. This has the advantage that an intermediate layer the two adjacent crossing fiber layers at a distance, which corresponds approximately to the fiber strand thickness, can tell apart. This is in one manufacturing technology simple type through the use a ring thread eye reached. The number of with the Ring strands guided fiber strands depends on the Diameter of the winding body and according to the desired one Distance between the fiber strands. Every wrap will exclusively from fibers lying next to each other, d. H. exist without knots.
Die Fasern verschiedener Lagen gleicher Orientierung werden dabei auf Luke gewickelt, um Porenkanäle zu vermeiden, die gradlinig die Wickelkörperwandung durchqueren. Es entstehen somit Zickzackkanäle, durch die das Gas mit Partikeln durchströmen kann und dabei sich immer wieder Partikeln ablagern können.The fibers of different layers with the same orientation are wound on hatch to close pore channels avoid the straight line of the winding body wall traverse. This creates zigzag channels through which particles can flow through the gas and thereby can deposit particles again and again.
Zum Beispiel bei rohrförmigen Filtern können mehrere Filter in einem Arbeitsgang gewickelt werden, indem ein entsprechend langer Filterkörper gewickelt und hintereinander in die Filterkörper aufgetrennt wird. Arbeitszeit und Materialverlust werden dabei reduziert.For example, tubular filters can have multiple filters be wrapped in one operation by a correspondingly long filter body and is successively separated into the filter body. Working time and material loss are reduced.
Die Faserstränge können aus vielen dünnen Elementarfäden zusammengefaßte Rovings sein, wobei der Querschnitt eines Elementarfadens vorzugsweise unter 10 µm dick ist. Ein derartiger Faserstrang hat den Vorteil, daß durch die Vielzahl von sehr dünnen Elementarfäden die Ablagerungsfläche für die Partikel stark erhöht wird. Deren Wirkung wird insbesondere dann spürbar, wenn die Faser locker gewickelt ist, so daß das Gas mit kleinen Partikeln auch durch Faserstränge strömen kann. Bei rohrförmigen Filtern wirkt sich in dieser Hinsicht auch ein größerer Durchmesser vorteilhaft aus.The fiber strands can consist of many thin filaments summarized rovings, the cross section of a Elementary is preferably less than 10 microns thick. A Such fiber strand has the advantage that Variety of very thin filaments Deposition area for the particles is greatly increased. Its effect is particularly noticeable when the Fiber is loosely wound, so that the gas with small Particles can also flow through fiber strands. At tubular filters also have an effect in this regard a larger diameter is advantageous.
Es ist aber auch möglich, als Faserstränge ein Garn aus dünnen, verdrillten Elementarfäden zu verwenden. Das Garn wirdrunden seinen auch im bewickelten Zustand annähern rund gehalten Querschnitt im Wickelkörper behalten, so daß die Bildung der Strömungskanäle zwischen Fasersträngen und Faserlagen besser zum Tragen kommen und durch die Wahl Garndicke reproduzierbar bestimmt werden können.However, it is also possible to use a yarn as fiber strands to use thin, twisted filaments. The yarn will round its even in the wound state keep round cross section in the winding body, see above that the formation of the flow channels between fiber strands and fiber layers come into play better and through the choice Yarn thickness can be determined reproducibly.
Für die Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Filters zur Reinigung von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, werden Fasern aus temperaturbeständigen Materialien verwendet, insbesondere Keramik, Silizium oder Glas. Derartige Fasern bilden einen weichen elastischen Filterkörper, der im allgemeinen nicht selbsttragend ist. Durch Einbringen von Hilfsfasern, wie Metall-, insbesondere Stahlfasern kann dem Wickelkörper eine ausreichende Steifigkeit gegeben werden, die dem Wickelkörper einen selbsttragenden Charakter geben. For the use of a manufactured according to the invention Filters for cleaning particles, in particular Soot particles, fibers are made of temperature-resistant Materials used, especially ceramics, silicon or glass. Such fibers form a soft one elastic filter body, which is generally not is self-supporting. By introducing auxiliary fibers, such as Metal, especially steel fibers can form the winding body sufficient rigidity to be given to the Give the winding body a self-supporting character.
Die Hilfsfasern können mit den übrigen Fasern mitgewickelt werden, so daß der Filterkörper gleichmäßig mit Hilfsfasern durchsetzt ist. Es ist aber auch möglich, die Hilfsfasern entweder gewickelt oder zu einem Netzwerk verarbeitet, vorzugsweise an den Oberflächen des Filterkörpers zu versehen. In jedem Fall dient das Hilfsfaserwickel- oder Netzwerk gleichzeitig als Filtermaterial, auf dem sich die Partikeln genauso wie bei den übrigen Fasern ablagern können.The auxiliary fibers can be coiled with the other fibers be so that the filter body evenly with auxiliary fibers is enforced. But it is also possible to use the auxiliary fibers either wound or processed into a network, preferably on the surfaces of the filter body Mistake. In any case, the auxiliary fiber winding or Network at the same time as a filter material on which deposit the particles in the same way as with the other fibers can.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung sind inThe invention is based on Embodiments explained in more detail. In the drawing are in
Fig. 1 ein erstes Beispiel, Fig. 1 shows a first example,
Fig. 2 ein Detail aus Fig. 1 und Fig. 2 shows a detail from Fig. 1 and
Fig. 3 ein zweites Beispiel schematisch dargestellt. Fig. 3 shows a second example schematically.
Das Verfahren kann mit jeder in der Wickeltechnik bekannten Methode durchgeführt werden. In Fig. 1 ist beispielsweise ein Fadenauge (10) mit drei nebeneinander angeordneten Fasersträngen (11) gezeigt, die um einen sich um die Achse drehenden Dorn (12) gewickelt werden. Die Faserstränge (11) werden dabei jeweils in Abständen (13) gehalten, so daß pro Wicklung eine Breite (14) bestrichen wird, die größer ist als die Summe der Durchmesser der drei Fasern.The method can be carried out using any method known in winding technology. In Fig. 1, a yarn eyelet (10) is for example shown with three adjacent fiber strands (11) which are wound around a rotating about the axis of mandrel (12). The fiber strands ( 11 ) are each held at intervals ( 13 ) so that a width ( 14 ) is coated per winding which is greater than the sum of the diameters of the three fibers.
Die erste Wickellage (15) ist in etwa im Winkel von 60° gelegt. Eine zweite Lage wird über Kreuz mit minus 60° gelegt. Die dritte Lage kann dann wiederum eine andere Orientierung erhalten, die weder der ersten noch der zweiten Lage entspricht. Wenn die dritte Lage auch 60°, wie die erste Lage gelegt werden soll, dann werden die Faserstränge jeweils auf Luke gegenüber der vorhergehenden auf Luke gleichorientierten Lage gelegt, wie es gestrichelt unter der Bezugsziffer (16) dargestellt ist.The first winding layer ( 15 ) is placed approximately at an angle of 60 °. A second layer is laid crosswise at minus 60 °. The third layer can then again have a different orientation, which neither corresponds to the first nor to the second layer. If the third ply is also 60 °, as the first ply is to be laid, then the fiber strands are placed on the hatch in relation to the previous ply on the same position, as shown in broken lines under the reference number ( 16 ).
Das Ergebnis eines derartigen Wickelmusters ist in Fig. 2 als stark vergrößerter Ausschnitt dargestellt, wobei zur Vereinfachung der Darstellung die Fasern unterschiedlicher Orientierungen sich im rechten Winkel kreuzend gezeichnet sind. Durch die im Abstand und auf Luke gewickelten Fasern (20) bilden sich Porenkammern (21), die alle untereinander miteinander verbunden sind, aber keine die Filterwandung geradlinig durchquerende Öffnungen bilden. Ein Abgasstrom (22) wird daher zickzackförmig innerhalb dieser Kammern (21) bzw. Kanäle geführt, die einerseits groß genug sind, um die im Gas (22) enthaltenen Partikeln durchzulassen, und andererseits klein genug sind, um diese Partikel zu deren Weg durch den Filter (23) mit den Fasern (20) festhalten zu können. Die wirksame Filtrieroberfläche erstreckt sich somit auf die Oberfläche sämtlicher Faserstränge (11 bzw. 20) des Filterkörpers.The result of such a winding pattern is shown in FIG. 2 as a greatly enlarged detail, the fibers of different orientations being drawn at right angles to simplify the illustration. The fibers ( 20 ) wound at a distance and on the hatch form pore chambers ( 21 ), all of which are connected to one another, but do not form any openings crossing the filter wall in a straight line. An exhaust gas stream ( 22 ) is therefore guided in a zigzag shape within these chambers ( 21 ) or channels, which are large enough on the one hand to allow the particles contained in the gas ( 22 ) to pass through and on the other hand small enough to allow these particles to pass through them To be able to hold the filter ( 23 ) with the fibers ( 20 ). The effective filtering surface thus extends to the surface of all fiber strands ( 11 or 20 ) of the filter body.
Ein Faserstrang (11) besteht aus mehreren Elementarfäden (18), die gebündelt zu einem Faserstrang oder Roving (11) zusammengefaßt sind. Im Beispiel gemäß Fig. 2 bestehen die Faserstränge (20) aus zu einem Garn verdrillten Elementarfäden (24).A fiber strand ( 11 ) consists of several filaments ( 18 ) which are bundled together to form a fiber strand or roving ( 11 ). In the example according to FIG. 2, the fiber strands ( 20 ) consist of filaments ( 24 ) twisted into a yarn.
Bei einer lockeren Fadenführung sind die Elementarfäden (18 bzw. 24) nicht so dicht aneinander gepreßt, so daß Gase (22) auch durch einen Faserstrang (11 bzw. 20) hindurchströmen kann und damit kleinere Partikeln mit hineinziehen kann, die an Elementarfäden festgehalten werden. Hiermit erweitert sich die Filterwirkfläche auf die Oberfläche der Elementarfäden. With a loose thread guide, the filaments ( 18 or 24 ) are not pressed so close together, so that gases ( 22 ) can also flow through a fiber strand ( 11 or 20 ) and thus pull in smaller particles that are held on filaments . This extends the effective filter area to the surface of the filaments.
In Fig. 3 ist ein Beispiel gezeigt, bei dem ein rohrförmiger Filter 39 unter Verwendung eines Ringfadenauges 30 gewickelt wird. Das Ringfadenauge 30 hat sechs Bohrungen 31, durch die jeweils ein Faserstrang 32 geführt wird, die über Lenkrollen (33) geleitet sind.In Fig. 3, an example is shown in which a tubular filter is wound using an annular yarn eyelet 30 39. The ring thread eye 30 has six bores 31 , through each of which a fiber strand 32 is guided, which are guided over castors ( 33 ).
Die Zahl der gemeinsam zu wickelnden Faserstränge (32) richtet sich nach dem gewünschten Abstand (13, Fig. 1) zwischen den Fasersträngen (32) am Wickelkörper (39) und dem Durchmesser des Wickelkörpers (39).The number of fiber strands ( 32 ) to be wound together depends on the desired distance ( 13 , FIG. 1) between the fiber strands ( 32 ) on the winding body ( 39 ) and the diameter of the winding body ( 39 ).
Der Dorn besteht aus einem Dornkern (37), um den Hülsenelemente (38) herumgelegt sind. Die Faserstränge (32) werden auf die Hülsensegmente (38) aufgewickelt, indem der Dorn (37, 38) in Pfeilrichtung gedreht und das Ringfadenauge (30) in axialer Richtung verschoben.The mandrel consists of a mandrel core ( 37 ) around which sleeve elements ( 38 ) are placed. The fiber strands ( 32 ) are wound onto the sleeve segments ( 38 ) by rotating the mandrel ( 37 , 38 ) in the direction of the arrow and displacing the ring thread eye ( 30 ) in the axial direction.
Über die resultierende Geschwindigkeit, die sich aus der Kombinat der Drehgeschwindigkeit des Dornes und des Vorschubes des Fadenauges ergibt, wird der Wickelwinkel bestimmt. Die Winkel werden so gewählt, daß die Fasern jeder Lage sich mit den Fasern der anliegenden Fasern kreuzen.About the resulting speed resulting from the Combine the speed of rotation of the mandrel and the Feeding the thread eye results in the winding angle certainly. The angles are chosen so that the fibers each layer deals with the fibers of the adjacent fibers cross.
Ein weiterer zu beachtender Parameter ist der Faserzug während des Wickelvorganges. Je lockerer die Faser bzw. der Faserstrang geführt wird, desto weicher ist der Wickelkörper und desto lockerer liegt der Faserstrang und damit die Elementfäden. Bei lockerem Faserzug flachen sich dagegen die Faserstränge im Querschnitt ab, so daß auch die Kammern (21) flacher werden. Another parameter to consider is the fiber draw during the winding process. The looser the fiber or the fiber strand is guided, the softer the bobbin and the looser the fiber strand and thus the element threads. With loose fiber tension, however, the fiber strands flatten in cross section, so that the chambers ( 21 ) are flatter.
Zur Herstellung eines rohrförmigen Filters für Abgase wurde ein lösbarer Dorn (37, 38) von 5 cm Quermesser mit einer bestimmten Schub- und Drehgeschwindigkeit durch ein Ringfadenauge gezogen, das 12 Faserstränge führte. Jeder Faserstrang bestand aus ca. 6.000 7 µm dicken Elementarfäden aus Siliziumoxid, die zu Rovings zusammengebündelt waren. Die 12 Rovings wurden im Abstand von ca. 2 mm voneinander auf den Dorn gelegt. Die Rovings wurden in 45° Kreuzlagen gewickelt bis zu einer Wandstärkendicke des rohrförmigen Filters von etwa F5 mm. Im Wickelvorgang betrug der Faserzug/ Roving ca. 200 g.In order to produce a tubular filter for exhaust gases, a detachable mandrel ( 37 , 38 ) of 5 cm in cross knife was pulled through a ring thread eye with a certain pushing and rotating speed, which led 12 fiber strands. Each strand of fiber consisted of approximately 6,000 7 µm elementary filaments made of silicon oxide, which were bundled together to form rovings. The 12 rovings were placed on the mandrel at a distance of approx. 2 mm from each other. The rovings were wound in 45 ° cross layers up to a wall thickness of the tubular filter of approximately F5 mm. During the winding process, the fiber draw / roving was approximately 200 g.
Im Ergebnis konnte festgestellt werden, daß nach dem Abziehen des Wickelkörpers vom Dorn ein weicher, verformbarer Wickelkörper entstand, dessen Wandung zusammendrückbar war. Die Faserstränge lagen darin lose und mit Abständen voneinander, so daß von einem porösen Wickelkörper gesprochen werden konnte.As a result, it was found that after the Pulling the winding body from the mandrel a soft, deformable winding body was created, the wall was compressible. The fiber strands were loose in it and spaced apart so that from a porous Could be spoken.
Auf den zylindrischen Dorn wurde ein Netzwerk von 2 bis 3 mm Maschenweite aus 0,2 mm dickem Stahldraht umwickelt, wobei an den beiden Enden jeweils eine Hülse untergelegt wurde. Mit einem Draht wurde das Netzwerk jeweils an einem Ende um die Hülse verankert. Anschließend wurde im gleichen Wickelverfahren wie im Beispiel 1 Siliziumoxidfasern auf das Netzwerk aufgewickelt. Schließlich wurde um den Wickelkörper ein zweites Netzwerk gleicher Eigenschaften wie das erste um den Wickelkörper gelegt und an den Enden jeweils mit einer Schelle um die Hülse verankert. Dieser Filter hatte nach dem Herausziehen des Dornes eine Steifigkeit, die ausreichte, um den Filterkörper ohne zusätzliche Stützmaßnahmen zu verwenden bzw. einsetzen zu können. Filterversuche mit Abgasen von Verbrennungsmotoren haben ergeben, daß der Filter über den gesamten Querschnitt hinweg verteilt zurückgehaltene Rußpartikeln enthielt, einschließlich auf den Stahlfasern.A network of 2 to 3 mm was placed on the cylindrical mandrel Mesh size wrapped in 0.2 mm thick steel wire, whereby a sleeve was placed at both ends. With a wire, the network was at one end anchored around the sleeve. Then was in the same Winding process as in Example 1 silicon oxide fibers on the Network wound up. Finally, was around the bobbin a second network with the same characteristics as the first one placed the winding body and at the ends with a Anchored around the sleeve. This filter was after pulling out the mandrel a stiffness that was sufficient to the filter body without additional To be able to use support measures. Have filter tests with exhaust gases from internal combustion engines result in the filter across the entire cross section contained soot particles that were retained including on the steel fibers.
Mit einem Ringfadenauge für 12 auf den Umfang gleichmäßig verteilte Faserstränge aus 0,43 mm dickem Keramikgarn mit über 6.000 dünnen Elementarfäden wurde ein Filterkörper auf einem Dorn gemäß Fig. 3 gewickelt. Das Ringfadenauge führte gleichzeitig 4 regelmäßig zwischen den Garnführungen verteilte Stahldrähte von 0,5 mm Durchmesser. Die 16 Faserstränge wurden in einem Arbeitsgang in 24 Lagen in der Art wie im Beispiel 2 auf den Dorn gewickelt. Die Wanddicke des fertigen Wickelkörpers betrug ca. 3 mm.A filter body was wound on a mandrel according to FIG. 3 with a ring thread eye for 12 fiber strands made of 0.43 mm thick ceramic yarn with more than 6,000 thin elementary threads evenly distributed over the circumference. The ring thread eye simultaneously guided 4 steel wires of 0.5 mm diameter, regularly distributed between the yarn guides. The 16 fiber strands were wound onto the mandrel in 24 layers in the manner as in Example 2. The wall thickness of the finished package was approximately 3 mm.
Mit einem Faserzug von ca. 200 g pro Keramikfaser und ca. 300 g pro Stahlfaser erreichte der vom Dorn abgezogene Wickelkörper im Zusammenhang mit den anderen Verfahrensparametern eine ausreichende Steifigkeit, wobei das Keramikfasergeflecht eine lose, porenbildende Struktur hatte. Es konnte eine Tiefenfilterwirkung festgestellt werden, wobei eine in beiden möglichen Richtungen gleichmäßig wirkungsvolle Filterung durch den gesamten Filterquerschnitt beobachtet wurde.With a fiber draw of approx. 200 g per ceramic fiber and approx. The one pulled from the mandrel reached 300 g per steel fiber Bobbins related to the others Process parameters have sufficient rigidity, whereby the ceramic fiber braid has a loose, pore-forming structure would have. A depth filter effect was found be one in both possible directions equally effective filtering through the whole Cross section of the filter was observed.
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Also Published As
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