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Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines
gesinterten Metall-Vliesstoffes. Weiters betrifft die
Erfindung einen gesinterten Metall-Vliesstoff, den man mit diesem
Verfahren erhält. Ein derartiger gesinterter
Metall-Vliesstoff kann in Filtern und bei Strahlungsplatten-Brennern
verwendet werden.
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Unter einen Metall-Vliesstoff ist ein Vliesstoff zu
verstehen, der aus Metallfasern besteht, die einen Durchmesser
unter 100 Mikrometer, vorzugsweise unter 60 Mikrometer
besitzen, z.B. 25 um, 15 um, 2 um oder 1,5 um. Diese
Metallfasern besitzen rauhe Außenflächen, wobei sie im Vlies
wahllos verteilt und dadurch durchwachsen ineinander
eingreifen, daß nur ihre rauhen Außenflächen in einem
Reibungseingriff stehen. Ein Metall-Vliesstoff kann zwei oder mehrere
Schichten enthalten, wobei jede Schichte Metallfasern mit
etwa dem gleichen Durchmesser enthält, und wobei die
Durchmesser von verschiedenen Schichten nicht unbedingt einander
gleich sind. Unter einem Metall-Vliesstoff soll weiters ein
Metall-Vliesstoff verstanden werden, der mit ein oder
mehreren Drahtgeflechten verstärkt ist.
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Ein Metall-Vliesstoff kann mit einer Wirrvlies-Webber-
Vorrichtung (Rando-Feeder-Webber) erzeugt werden, die in
GB-1,190,844 geoffenbart ist.
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Dieser Metall-Vliesstoff kann gesintert werden oder auch
nicht, wobei jedoch bei dieser Erfindung das Metallvlies
gesintert werden muß. Mit dem Sintern wird an den
Kreuzungspunkten der einzelnen Fasern eine Verbindung hergestellt.
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Es ist bekannt, daß Metall-Vliesstoffe in Filtern Verwendung
finden. Die Porengröße stellt eines der wichtigsten Merkmale
eines Filters dar. Sie bestimmt die Größe der Teilchen, die
im Filter gefangen werden. Um eine bestimmte, begrenzte
Porengröße zu erhalten, wurde der Metall-Vliesstoff bisher
durch Pressen oder Rollen verdichtet. Diese herkömmlich
verdichteten Vliesstoffe besitzen jedoch einige Grenzen. Die
Dichte, d.h. ein Maß für die Kompaktheit (die richtige
Definition wird später gegeben), die einer bestimmten
Porengröße entspricht, ist sehr hoch. Dadurch entsteht ein relativ
hoher Druckabfall am Filter, oder es ist die Verwendung von
großen Filterflächen oder die Verwendung von Gebläsen und
Pumpen mit höherer Leistung erforderlich.
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Weiters ist bekannt, daß Metall-Vliesstoffe als Platten bei
Strahlungsplatten-Brennern verwendet werden. Diese Brenner
können eine genaue Verbrennung an einer Strahlungsplatte
besitzen, d.h. keine Flecken mit blauer Flamme oder keine
freie Flamme, mit einem thermischen Ausgang von bis zu
900 kW/m². Dies war bisher aber nur mit Vliesstoffen, die
eine begrenzte 0berfläche von etwa 40000 mm² oder weniger
besaßen (und dies nicht auf konstanter Basis), oder dann,
wenn die Verwendung von Oberflächen über 40000 mm² erwünscht
ist, mit einem thermischen Ausgang möglich, der auf 500 kW/m²
oder darunter begrenzt war. Dies stellt eine schwere
Beschränkung für die Anwendung dieser Brenner dar.
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Ein Gegenstand dieser Erfindung ist es, die Grenzen des
Stands der Technik zu mildern.
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Ein Gegenstand der Erfindung ist es, ein verfahren zum
Verdichten eines gesinterten Metall-Vliesstoffs zu liefern.
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Ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist es, einen
Metall-Vliesstoff zu liefern, der für die Verwendung in
Filtern geeignet ist und gemäß diesem Verfahren verdichtet
wurde.
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Noch ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist es, einen
Metall-Vliesstoff zu liefern, der für die Verwendung in
Strahlungsplatten-Brennern geeignet ist und gemäß dem
Verfahren verdichtet wurde.
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Gemäß einem Gesichtspunkt dieser Erfindung wird ein Verfahren
zur Bearbeitung eines gesinterten Metall-Vliesstoffs
geliefert, um einen homogen verdichteten Vliesstoff zu erhalten,
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der
Metall-Vliesstoff an sich isostatisch gepreßt und
vorzugsweise isostatisch kaltgepreßt wird.
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In P. Ducheyne, P. De Meester, E. Aernoudt, "Isostatisch
verdichtete, poröse Metallfaserbeschichtungen für das
Einwachsen in Knochen", Powder Metallurgy International, II
(1979), 3, Seite 115-119 (oder Chemical Abstracts, Band 91,
Nr.22, 26/11/79, Seite 390, Abstract Nr. 181415, Columbus,
Ohio, U.S.) wird ein ungesinterter Metall-Vliesstoff aus
Metallfasern isostatisch verdichtet und weiters dazu
verwendet, um das Einwachsen in Knochen zu unterstützen.
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Unter "isostatischem Pressen" wird verstanden, daß der Druck
mit einem Medium so übertragen wird, daß der Druck an jeder
Stelle der Oberfläche des zu behandelnden Körpers gleich ist,
wobei es sich in diesem Fall um einen Metall-Vliesstoff
handelt. Das Medium kann ein Gas, eine Flüssigkeit, ein
Filzmaterial, eine flexibele Membran oder eine Kombination aus
einer flexiblen Membran und einem Gas oder einer Flüssigkeit
sein. Ein Ölmedium ist für hohe Drücke (über 1000 bar, 1 bar
= 1 x 10&sup5; Pa) oder für kleine Flächen (unter 250000 mm²)
geeignet. Eine Kombination von Öl und Gummi und einem
Filzmaterial ist für kleinere Drücke und für größere Flächen
besser geeignet. Unter einem isostatischen Kaltpressen wird
verstanden, daß das gesamte Verfahren unter
Umgebungstemperatur abläuft.
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Unter "isostatischem Pressen des Metall-Vliesstoffs an sich"
wird verstanden, daß mit Ausnahme von Separatoren zwischen
dem Vliesstoff und
dem Druckmedium und möglicherweise einer
Halterung nur der Metall-Vliesstoff isostatisch gepreßt wird.
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Das unmittelbare Ergebnis einer isostatischen Pressung
besteht darin, daß das herkömmliche Endverdichten mit
Preßplatten oder das Walzen nicht mehr erforderlich sind.
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In den meisten Fällen ist das Ergebnis einer isostatischen
Pressung am Produkt leicht ersichtlich : ein gesinterter
Metall-Vliesstoff, der herkömmlich durch Walzen oder mit
Preßplatten verdichtet wurde, besitzt zwei flache oder obene
Oberflächen. Ein gesinterter Metall-Vliesstoff, der
isostatisch gepreßt wurde, besitzt im Gegensatz dazu nicht mehr
zwei vollständig flache oder ebene Oberflächen. Zumindest
eine Oberfläche besitzt geringe Dickeschwankungen, die ihr
ein rauhes oder stumpfes Aussehen verleihen.
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Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein
gesinterter Metall-Vliesstoff geliefert, der dadurch
gekennzeichnet ist, daß der Metall-Vliesstoff an sich isostatisch
gepreßt wird, wobei er vorzugsweise isostatisch kaltgepreßt
wird.
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Ein derartiger Metall-Vliesstoff besitzt eine
Durchlässigkeitsschwankung Pmax - Pmin/Pmax x 100, die unter 10 % liegt.
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Der Grund dafür, warum hier die Durchlässigkeitsschwankung an
Stelle der herkömmlicheren statistischen Größe s verwendet
wird, liegt darin, daß die Flammen bei einem
Strahlungsplatten-Brenner an den am meisten durchlässigen Bereichen des
Metall-Vliesstoffs auftreten. Schon eine Stelle, die
durchlässiger ist, genügt, um einen Fleck mit blauer Flamme
auszubilden. Damit sind die Extremwerte die geeigneten Werte, um
das Verhalten des Strahlungsplatten-Brenners zu bestimmen.
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Ein derartiger Metall-Vliesstoff kann in Strahlungsplatten-
Brennern verwendet werden. Ein Metall-Vliesstoff, der für die
Verwendung in Strahlungsplatten-Brennern geeignet ist,
enthält Metallfasern, die einen Durchmesser unter 100
Mikrometer, vorzugsweise unter 60 Mikrometer, besitzen und Chrom,
Aluminium sowie stabilisierende Elemente enthalten, z.B.
Yttrium, Titan oder Niob. Beispiele von geeigneten
Legierungen sind FeCrAlY, FeCrAlNb, FeNiCrAlY und FeNiCrAlNb.
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Die Durchlässigkeit P wird in m³/h.m² ausgedrückt. Diese
Durchlässigkeit P kann wie folgt gemessen werden. Der Metall-
Vliesstoff wird in gleiche Quadrate geteilt, von denen jedes
eine Oberfläche von 2500 mm² besitzt. Um die Durchlässigkeit
eines jeden Quadrats zu bestimmen, werden zwei Halbzylinder,
von denen jeder einen Innendurchmesser von 35 mm besitzt,
miteinander ausgerichtet an beiden Seiten des
Metall-Vliesstoffs angeordnet. Ein Druckabfall von 1000 Pa wird an den
Metall-Vliesstoff angelegt, wobei die
Strömungsgeschwindigkeit der Luft gemessen wird. Diese Strömungsgeschwindigkeit
dividiert durch die Querschnittsfläche ergibt die
Durchlässigkeit P.
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Pmax ist die maximale Durchlässigkeit für ein Fluid, gemessen
an jeder Stelle entlang des Oberfläche des Vliesstoffs, Pmin
ist die minimale Durchlässigkeit für ein Fluid, gemessen an
jeder Stelle entlang der Oberfläche des Vliesstoffs.
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Der Grund dafür, warum das Verfahren gemäß dieser Erfindung
die Grenzen des Stands der Technik mildert, kann wie folgt
erläutert werden. Ein Metall-Vliesstoff, wie er
beispielsweise mit einem Wirrvlies-Webber-Gerät (GB-1,190,844) erzeugt
wird, ist vorzugsweise inhomogen, wenn er in Filtern oder
Strahlungsplatten-Brennern verwendet wird. Die
Gewichtsschwankungen pro Oberflächeneinheit können zu groß sein. Im
Gegensatz dazu verbessern ein Sintern und/oder Verdichten
durch herkömmliches Pressen oder Walzen die Homogenität
nicht.
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Die Erfinder haben nunmehr entdeckt, daß ein isostatisches
Pressen anstelle einer herkömmlichen Verdichtung die
Homogenität eines Metall-Vliesstoffs verbessert, und daß eine
verbesserte Homogenität zu besseren Eigenschaften des Metall-
Vliesstoffs führt, wenn dieser als Filter verwendet wird
(kleine Porengröße und kleiner Druckabfall), sowie zu
besseren Eigenschaften des Metall-Vliesstoffs führt, wenn
dieser in einem Strahlungsplatten-Brenner verwendet wird
(kleine Schwankung der Durchlässigkeit).
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Die Erfindung wird nun aus der folgenden Beschreibung und im
Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen besser
verständlich, in denen zeigt :
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Fig. 1 und 2 das Prinzip einer isostatischen Pressung ;
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Fig. 3 die Anordnung in einem Ölmedium ;
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Fig. 4 die Verwendung eines Filzmaterials als Preßmedium ;
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Fig. 5 das Verhältnis zwischen der Porengröße a und der
Dichte δ für einen bestimmten Faserdurchmesser ;
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Fig. 6 das Verhältnis zwischen der Porosität ε multipliziert
mit der Porengröße a und dem
Durchlässigkeitskoeffizienten k ; und
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Fig. 7 das Verhältnis zwischen dem Schmutzhaltevermögen F und
dem Durchlässigkeitskoeffizienten k.
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Fig. 1 und 2 zeigen vereinfachte Darstellungen, in denen das
Prinzip der isostatischen Pressung eines Metall-Vliesstoffs
1 gezeigt wird. In Fig. 1 wird der Druck an einer Seite
aufgebracht, womit der Vliesstoff 1 nach der Behandlung eine
aufgerauhte Oberfläche besitzt. In Fig. 2 wird der Druck an
beiden Seiten aufgebracht, wobei der Vliesstoff 1 nach der
Behandlung zwei aufgerauhte Oberflächen besitzt (in beiden
Fig. ist die Rauhheit übertrieben dargestellt).
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Fig. 3 zeigt die Anordnung in einem Ölmedium. Zwei Metall-
Vliesstoffe 1 werden von einer rostbeständigen Stahlplatte 2
gehalten. Zwischen den beiden Metall-Vliesstoffen 1 und dem
Ölmedium 4 sind zwei flexible Separatoren 3 angeordnet, die
verhindern, daß die Vliesstoffe 1 mit Öl verschmutzt werden.
Derartige flexible Separatoren bestehen aus Kunststoff- oder
Gummifolien.
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In Fig. 4 handelt es sich beim Druckmedium um ein dickes
Filzmaterial 5. Der Vliesstoff 1 liegt zwischen diesem
Filzmaterial 5 und einer Halterung 2. Der Druck kann mit
einer herkömmlichen Druckplatte 6 aufgebracht werden.
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Eine isostatische Pressung an sich und besonders eine
isostatische Kaltpressung an sich sind in der Technik sehr
bekannt. Beispiele von früheren Druckschriften auf diesem
Gebiet sind US-A-1,863,854 und US-A-1,864,365.
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Die vorteilhaften Auswirkungen beim Anwenden der
isostatischen Pressung auf Filteraufbauten sind aus Fig.5 bis 7
leicht ersichtlich.
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Fig. 5 zeigt das Verhältnis zwischen der absolute Porengröße
a und der Dichte δ. Die absolute Größe a ist äquivalent der
mittleren Durchflußporengröße gemessen mit dem Blasenpunkt-
Dauerdruckversuch. Dieser Versuch kann mit einem
mikroprozessorgesteuerten Coulter -Porometer ausgeführt werden.
Weitere Einzelheiten über diesen Versuch finden sich in der
Veröffentlichung von R. De Bruyne : "Die Anwendung von
"medienfremden" Normen beim Aufbau und Prüfen von
Filtermedien", R & D Innovations in Filtration, Die zwölf besten
Veröffentlichungen aus einem zehnjährigen Wettbewerb,
organisiert von der Belgian Filtration Society, Seite 75-108.
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Die Dichte δ (0 ≤ δ ≤ 1) ist das Verhältnis der Masse des
Metall-Vliesstoffs zur Masse eins massiven Blocks, der das
gleiche Volumen wie der Metall-Vliesstoff besitzt und aus dem
gleichen Metall besteht. Der Wert der Porosität ε entspricht
1 - δ. Sowohl die Dichte δ als auch die Porosität können auch
in Prozent ausgedrückt werden.
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Die Kurve 7 von Fig. 5 zeigt das ideale Verhältnis zwischen
a und δ, d.h. jenes Verhältnis, bei dem der Vliesstoff
vollkommen homogen ist. Der schraffierte Bereich 8 entspricht
jenen Werten, die man mit einer isostatischen Pressung
erreichen kann, während der schraffierte Bereich 9 jenen
Werten entspricht, die man mit einer herkömmlichen
Verdichtung gemäß dem Stand der Technik erreichen kann.
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Nunmehr soll ein Bekipor -3A12 Vliesstoff als Beispiel
genommen werden. Dabei handelt es sich um einen Vliesstoff
aus rostbeständigem Stahl, der vier Lagen aufweist und ein
gewicht von etwa 850-950 g/m² besitzt.
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Um eine mittlere Durchflußporengröße a von 1 um zu erhalten,
muß der gesinterte Metall-Vliesstoff isostatisch auf eine
Dichte δ von etwa 50 % gepreßt werden, d.h. eine Porosität ε
von etwa 50 %.
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Die gleiche mittlere Durchflußporengröße a von 1 um kann man
mit einer herkömmlichen Verdichtung des gesinterten Metall-
Vliesstoffs auf eine Dichte δ von 70 %, d.h. eine Porosität
ε von 30 %, erhalten. Das bedeutet, daß bei gleichen Werten
der Porengröße die isostatisch gepreßten Vliesstoffe poröser
als die herkömmlich verdichteten Vliesstoffe sind. Weiters
bedeutet dies, daß beim gleichen Wert der Porosität ε ein
isostatisch gepreßter Vliesstoff eine kleinere Porengröße a
als ein herkömmlich verdichteter Vliesstoff besitzen kann.
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Dies hat beträchtliche Folgen. Fig.6 zeigt das Verhältnis
zwischen der Porosität multipliziert mit der Porengröße ε.a
und dem Durchlässigkeitskoeffizienten k (nicht zu verwechseln
mit der Durchlässigkeit P). Dieses Verhältnis wurde
experimentell bestimmt mit :
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K = 0,033 x (ε.a)2,173
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(Die Maßstäbe in Fig. 6 sind nichtlinear). Ein (ε.a)-Wert von
50 entspricht einem Wert k von 160.10&supmin;&sup8; cm², während ein
(ε.a)-Wert von 30 einem Wert k von 53.10&supmin;&sup8; cm² entspricht.
Der Durchlässigkeitskoeffizient, den man mit einer
isostatischen Pressung erhält, ist das Dreifache des
Durchlässigkeitskoeffizienten, den man mit einer herkömmlichen
Verdichtung erhält.
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Wenn man die Darcy-Gleichung betrachtet, erhält man :
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Ausdrücke höherer Ordnung
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Dabei ist : ΔP der Druckabfall am Filter
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Q die Strömungsgeschwindigkeit
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H die Dicke des Filters
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A die Fläche des Filters
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u der Viskositätskoeffizient und
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k der Durchlässigkeitskoeffizient.
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Das bedeutet, daß ein Druckabfall an einem Vliesstoff gemäß
der Erfindung etwa dreimal niedriger als ein Druckabfall an
einem herkömmlich verdichteten Vliesstoff ist. Dieser
niedrige Druckabfall ermöglicht die Verwendung von kleineren
Flächen oder die Verwendung von Pumpen oder Gebläsen mit
geringerer Leistung.
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Andere Vorteile sind aus Fig. 7 ersichtlich. Fig. 7 zeigt das
Schmutzhaltevermögen F als Funktion des
Durchlässigkeitskoeffizienten k. Dieses Verhältnis wurde experimentell
bestimmt mit
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F = 3,48 k0,30
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(Beide Maßstäbe in Fig. 7 sind nichtlineare Maßstäbe) Das
Schmutzhaltevermögen F ist der Wert einer künstlichen
Verschmutzung, der dem Filterelement beigegeben werden kann,
bevor der Druckabfall bei einer konstanten Strömung
unannehmbar hoch wird. Beim Beispiel läßt der Vliesstoff gemäß der
Erfindung einen F-Wert von 16,0 mg/cm² zu, während der
herkömmlich verdichtete Vliesstoff einen F-Wert von 11,5 mg/cm²
zuläßt. Das bedeutet, daß diese Erfindung die Anzahl von
Stillständen herabsetzt und den durch diese Stillstände
verursachten Produktionsausfall vermindert.
Versuch 1
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In Tabelle 1 sind die Ergebnisse eines isostatischen
Druckversuchs zusammengefaßt, dem Metall-Vliesstoffe Bekipor -3A12
unterzogen wurden, die für die Verwendung in Filtern
vorgesehen sind. Beim Druckmedium handelte es sich um Öl. In den
Beispielen 1 bis 4 wurden die Vliesstoffe gesintert, bevor
der Vliesstoff isostatisch verdichtet wurde. In den
Beispielen 5 und 6 wurden die Vliesstoffe nicht gesintert. Sowohl
die Porengröße a als auch (a) wurden mit dem Blasenpunkt-
Dauerversuch gemessen.
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Um einen 3A12-Vliesstoff mit einer Porengröße von 1 um zu
erhalten, muß der isostatische Druck einen Wert zwischen 3000
und 3500 bar besitzen.
Versuch 2
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Bei einem zweiten Versuch wurde ein unverdichteter,
gesinterter 3A12-Vliesstoff mit einem isostatisch verdichteten,
gesinterten 3A12-Vliesstoff verglichen.
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Die Durchlässigkeit P wurde für beide Werte auf die selbe Art
gemessen, wie sie oben beschrieben wurde, wobei jedoch ein
Druckabfall von 200 Pa statt 1000 Pa angelegt wurde. Beim
Druckmedium handelte es sich um die Kombination einer
Tabelle 1 : isostatischer Druckversuch in einem Ölmedium
gesintert (ja/nein)
Gewicht (g/m²)
Dicke H (mm)
Porosität ε (%)
isostatischer Druck p (bar)*
Porengröße a (um)
* 1 bar = 1 x 10&sup5; Pa
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Gummimembran und Öl. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse
zusammen-gefaßt.
Tabelle 2 : isostatischer Druckversuch in einem Gummi/Öl-
Medium.
gesintert (ja/nein)
isostatischer Druck p(bar) 1bar=1x10&sup5;Pa
Mittelwert der Durchlässigkeit P (1/min.dm²)
Pmax-Pmin/Pmax x 100 (%)
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Tabelle 2 zeigt, daß eine isostatische Pressung die
Schwankung der Durchlässigkeit P wesentlich herabsetzt.
Versuch 3
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Vier gesinterte, herkömmlich verdichtete FeCrAlY-Vliesstoffe
wurden mit vier gesinterten, isostatisch verdichteten
FeCrAlY-Vliesstoffen verglichen. Der angelegte isostatische
Druck p betrug 50 bar (1 bar = 1x10&sup5; Pa). Der Druckabfall am
Vliesstoff betrug 1000 Pa. In Tabelle 3 sind die Ergebnisse
zusammengefaßt.
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Um diese Ergebnisse zu beurteilen, können wir folgende
Faustregel anwenden :
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Eine Durchlässigkeitsschwankung (= Pmax - Pmin/Pmax x 100)
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von 5 % entspricht einer Wärmeabgabe von 900 kW/m², eine
Durchlässigkeitsschwankung von 10 % einer Wärmeabgabe von 700
kW/m² und eine Durchlässigkeit von 20 % einer Wärmeabgabe von
500 kW/m², bevor die erste blaue Flamme auftritt, d.h. bevor
die Erzeugung von Stickoxiden 100 ppm überschreitet. Das
bedeutet, daß ein Vliesstoff gemäß der Erfindung eine größere
Wärmeabgabe mit einer richtigen Strahlungsplatten-Verbrennung
ermöglicht.
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Die Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Filteranwendung
begrenzt. Ein isostatisch verdichteter Vliesstoff kann zur
Filterung von Gas, Brennstoffen, Polymeren und anderen
Flüssigkeiten verwendet werden. Die Erfindung ist auch nicht
auf eine bestimmte Porengröße a von etwa 1 um beschränkt. Die
Erfindung kann dazu verwendet werden, um Metall-Vliesstoffe
zu erhalten, die für die Verwendung in Filtern geeignet sind,
die eine Porengröße a besitzen, die kleiner als 0,5 um ist,
z.B. 0,4 oder 0,3 um.
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Weiters ist die Erfindung nicht auf die geometrischen Form
der gesinterten Vliesstoffe beschränkt. Eine isostatische
Pressung kann sowohl bei flachen, gesinterten Vliesstoffen
als auch bei Vliesstoffen angewandt werden, die eine
zylindrische Form besitzen.
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Die isostatische Pressung kann nicht nur auf einen Metall-
Vliesstoff sondern auch auf verklebte Glasfaser-Vliesstoffe
und Metallschäume angewandt werden.
Tabelle 3 : Vergleich des Stands der Technik mit dieser Erfindung bei der Anwendung
auf Strahlungsplatten-Brenner
gesintert (ja/nein)
isostatisch verdichtet (ja/nein)
Gewicht (g/m2)
Dicke H (mm)
Fläche A (mm2)
Pmin (m3/hm2)
Pmax (m3/hm2)
Pmax - Pmin/Pmax (%)