DE4002078C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs zur Herstellung eines als Faltenpack ausgebildeten Filtereinsatzes aus thermoplastisch verschweiß­ barem Faservliesstoff.

Solche Filtereinsätze, insbesondere als Luftfilter für Kraft­ fahrzeuge, bestehen üblicherweise aus einem in Zickzackfalten gelegten Filterwerkstoff, beispielsweise aus Papier oder Vliesstoff.

In Anlagen, bei denen eine dosierte Luftmenge benötigt wird, wie beispielsweise bei Fahrzeug-Klimaanlagen, ist es erforder­ lich, die Anzahl der Faltungen und die Faltentiefe in Abhän­ gigkeit von deren filtertechnischen Eigenschaften derart fest­ zulegen, daß der durch den Staubfilter bewirkte Druckabfall möglichst minimiert wird.

Bei der Herstellung wird zunächst der Faltenpack geformt, wobei die durch zickzackförmige Falten gebildeten Taschen an den Außenkanten mit einem festen Zusatzwerkstoff verklebt werden. Anschließend werden die einzelnen, so gebildeten Falten im Abstand zueinander eingeregelt, und dann wird dieser Filterpack in einem Rahmen eingesetzt.

Mit Hilfe von z. B. PUR-Weichschaumsystemen werden nunmehr die unteren Randkanten des so gebildeten Faltenpacks miteinander verbunden, so daß der Abstand der einzelnen Falten arretiert ist. Dieser Schaum dient gleichzeitig als Rahmung und als Dichtung, um später einen leckfreien Abschluß des in ein entsprechendes Gehäuse eingesetzten Filters zu erreichen.

Die so gefertigten Filtereinsätze besitzen zum Teil keine genügende Eigenstabilität und benötigen für den Einbau einen entsprechend aufwendigen Aufnahmerahmen.

Ein weiterer Nachteil besteht im Recycling der Filtereinsätze. Neben dem Filtermedium müssen Zusatzwerkstoffe, wie z. B. Klebstoffe und Rahmungen, mit entsorgt werden.

Für die bekannten Herstellungsverfahren sind mehrere Arbeits­ gänge erforderlich, z. B. Kleben mit Zusatzwerkstoffen, Schäumen oder auch Spritzgießen. Nachteilig ist auch, daß die flüssige Dichtmasse an den Außenkanten der Falten in der Form expan­ diert und reagiert, d. h. sie fließt auch in den Bereich unter dem eigentlichen Faltenpack und verschließt dadurch teilweise die An- oder Abströmöffnung, so daß der Faltenpack bezüglich des Druckabfalls nicht optimiert ist.

Aus DE-OS 21 37 309 ist ein Filter aus einem zickzackförmig gefalteten, mit Phenolharz imprägnierten Papierstreifen bekannt geworden, dessen Rahmen aus dem zusammengepreßten, durch das Kunstharz der Imprägnierung verfestigten Rand des Faltblocks besteht. Die Versteifung wird durch das Kunstharz erzielt, welches bereits als Imprägnierung im Faltblock vorhanden ist. Der Rahmen ist von vornherein dicht mit dem Filtermaterial verbunden, da er aus diesem Material besteht. Bei der Herstellung wird ein Filterpapierstreifen aus porösem Filterpapier mit Kunstharz getränkt, in eine Heiz- und Trocken­ vorrichtung und daran anschließend in eine Faltvorrichtung geführt. Der gefaltete Streifen wird anschließend in einer Schere in Faltblöcke zerschnitten, wobei der Schnitt entlang der Faltkanten läuft. Die Faltblöcke gelangen dann in eine kombinierte Preß- und Heizvorrichtung, in der der Rand des Faltblocks, dessen Falten auf den endgültigen Abstand zusammen­ geschoben sind, in Richtung senkrecht zur Flächenausdehnung des Faltblocks gepreßt und erwärmt wird, wobei die Erwärmung so hoch ist, daß das Kunstharz schweißfähig wird. Anschließend wird der zusammengepreßte Rand abgekühlt bis zur Verfestigung des Kunstharzes. Es wird auch erwähnt, den dazu erforderlichen Druck durch Preßrollen aufzubringen, zwischen denen man die zusammenzupressenden Randabschnitte abrollen läßt. Auf die Schwierigkeiten bei der Temperatursteuerung wird ausdrücklich hingewiesen und eine vorsichtige Handhabung empfohlen.

DE-PS 9 65 012 beschreibt ein Faltenfilter, dessen Faltenenden in Richtung der längsten Falte hin umgelegt sind derart, daß in diesem Zustand jedes Faltenende die benachbarte Falte überdeckt und in der Randpartie bereits ein flächenhafter Abschluß der Falten besteht. Ein Herstellungsverfahren wird nicht angegeben.

DE-OS 23 04 882 schlägt ein Verfahren zur Herstellung eines als Faltenpack ausgebildeten Filtereinsatzes aus thermoplastisch verschweißbarem Faservliesstoff vor, wobei man das flächige Filtermedium in einer Faltvorrichtung zunächst faltet und es dann bei einem eingestellten, definierten Faltenabstand durch. Einwirkung von Hitze auf die gesamte Vliesstoff-Fläche und anschließendes Abkühlen in seiner bestehenden Form bleibend fixiert. Anschließend stößt das verformte Filtermedium vor einen Anschlag, der es in seiner Zickzackform stapelt. Das gefaltete Filtermedium benötigt an den Randkanten einen Rahmen, um in einer Luftfilterzelle einsatzfähig zu sein. Lediglich die Zickzackform bedarf keiner weiteren Stützelemente.

Ausgehend vom letztgenannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für einen Filtereinsatz anzugeben, welches die genannten Nachteile nicht besitzt. Andere Werkstoffe als der des Filtermaterials selbst, z. B. Kunstharze als Imprägnierung, sollen weitgehend entbehr­ lich werden. Das Herstellungsverfahren soll weniger Arbeits­ gänge erfordern, und insbesondere soll dabei auf die flüssige Dichtmasse für die Außenkanten sowie auf eine separate Rahmung verzichtet werden können.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem gattungsgemäßen Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen aufgezeigt.

Der erfindungsgemäß hergestellte Filtereinsatz aus Vliesstoff ist als Faltenpack ausgebildet und in drei Koordinaten­ richtungen biegesteif. Durch die selbsttragende Ausführung werden das Handling und die Montage erleichtert wie auch die konstruktive Gestaltung der Aufnahmevorrichtung und die Applikation der Dichtung vereinfacht. Durch ein hohes Träg­ heitsmoment dieser Konstruktion lassen sich Flächenbelastungen, die durch den Druckanstieg im Filtermedium entstehen, gut kompensieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der beispielhaften dar­ gelegten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß hergestellten Filtereinsatz;

Fig. 2 die perspektivische, schematische Darstellung der Bestand­ teile des Filters und der Hilfsvorrichtung zu dessen Herstellung vor dem Zusammenfügen;

Fig. 2 a schematisch, in Draufsicht, das Erzeugen der Filterkanten.

Zunächst sei Fig. 1 betrachtet.

Das Vliesstoffmaterial muß sich mit sich selbst unter Zuführung von Energie verschweißen lassen können. Dies ermöglicht eine Verbindungsmethode zur Filtertaschenbildung ohne zusätzliches Medium, z. B. Klebstoff.

Die beiden zur Richtung der Falten 4 senkrecht verlaufenden Sei­ tenflächen bestehen aus Vliesstoff 1, der die Funktion eines Rahmens übernimmt. Dadurch wird kein zusätzlicher Werkstoff zur Bildung dieses Rahmens benötigt.

Jede Falte 4 des so fixierten, fertig konfektionierten Falten­ packs 2 ist an ihrer Außenkante seitlich in die gleiche Richtung umgeknickt und an den benachbarten Faltenkanten 3 eng anliegend und somit leckfrei fixiert. Durch das Umknicken und Überlappen aller benachbarten Falten 4 in eine Richtung wird eine geschlossene Seitenfläche erzeugt. Diese Fläche dichtet den Filter seitlich ab und verleiht ihm eine dreidimensionale Eigensteifigkeit.

Das die Falten 4 bildende Vliesstoffmaterial 1 überlappt die entsprechende Knickkante 3 des benachbarten Faltenendes um das 1,5- bis 2,5-fache des Faltenabstandes 7. Bei kleineren Überlappungsraten ist eine versteifende, stabile Rahmung mit gleichzeitig leckfreier, überlappender Abdichtung der einzelnen Faltenzwischenräume nicht gewährleistet, d. h. es sind zu geringe bzw. keine Auflageflächen mehr vom Faltenende zur nächsten Falte vorhanden. Überlappungen über den Betrag 2,5x hinaus wirken sich nicht mehr entscheidend auf die Stabilität des Rahmens aus. Es müßten dann mehr als drei Falten verschweißt werden; hohe Schweißenergie und längere Kühlzeiten wären die Folge, ebenso ein Mehr an Materialverbrauch.

Das Verfahren zur Herstellung des Faltenfilter-Einsatzes ist in den Fig. 2 und 2a schematisch gezeigt. Zweckmäßig faltet man zuerst das flächige Filtermedium und erzeugt dann durch begrenztes Auseinanderziehen quer zur Faltung einen definierten Faltenkamm-Abstand 7. Als Material für den herzustellenden Faltenpack wählt man thermoplastisch verschweißbaren Faser­ vliesstoff. Nach dem Erzeugen des definierten Faltenabstandes 7 klemmt man die beiden herausragenden Endfalten 10 des gefalte­ ten Vliesstoffs 1 formschlüssig ein in der Faltengeometrie und -abmessung entsprechende, kammartige, ober- sowie unterseitig in die Faltung zangenartig eingreifende Profile 9, wobei man auf jeder Seite die parallelen Außenkanten 8 der Falten 4 um das 1,5- bis 2,5-fache des Faltenabstands 7 über die kammarti­ gen Profile 9 überragen läßt. Somit weist jedes kammartige Profil 9 im Einspannzustand überstehende Außenkanten 10 der Falten 4 auf.

Die kammartigen Profile 9 sind in den durch einen Doppelpfeil (Fig. 2) markierten Richtungen verschiebbar vorgesehen und bestehen aus Leisten, die mit kammartig angeordneten Zinken versehen sind, welche ineinandergreifen und parallele oder etwas geneigte Flanken aufweisen. Dadurch wird sichergestellt, daß die Faltenkanten formschlüssig eingespannt werden. Gleich­ zeitig bilden die Profile 9 eine Anschlagfläche bzw. ein Widerlager für den Andruck der Schweißvorrichtung 11.

Der Abstand der ober- und unterseitigen Profile 9 zueinander im eingespannten Zustand wird zweckmäßig gleich oder geringfügig kleiner gewählt als die Dicke des Filtermediums, also des Faservliesstoffs 1.

Gemäß Fig. 2a - die Laufrichtung ist mit "D" angegeben - legt man das beiderseits überstehende Vliesstoff-Material 10 jeweils mittels eines ersten, seitlich darauf einwirkenden Andruckele­ ments 11 um, bis das überstehende Material am benachbarten Faltenende anliegt, so daß sich die Kanten 10 überlappen, wobei man gleichzeitig mit über die Andruckelemente 11 zugeführter Energie die Überlappungszonen der umgelegten Außenkanten 10 thermisch verschweißt.

Mit weiteren Andruckelementen 12 werden dann die Schweißstellen bis zu deren Abkühlung aneinandergepreßt und fixiert. Zuletzt werden die kammartigen Profile 9 entfernt und das Faltenband abgelängt.

Jedes der beiden ersten Andruckelemente 11 wird mit einem Abstand, der von der Dicke des Filtermediums 1 und des benötigten Schweißdrucks abhängig ist, linear an den Kämmen 9 entlanggeführt, wobei es die überstehenden Außenkanten 10 seit­ lich umknickt.

Der Vorteil dieser Technik liegt in den dadurch nicht mehr so engen erforderlichen Schneidtoleranzen des Faltenpacks, bezogen auf Breite und Parallelität der Schnittkanten der Faltenenden. Bei heute bekannten Fertigungsmethoden müssen Faltenpacks, die leckfrei in vorgefertigten Rahmungen eingeklebt werden, sehr präzise geschnitten werden.

Das erste Andruckelement 11 ist so gestaltet, daß gleichzeitig die benötigte Technik für die Einleitung der Energie zur thermischen Verschweißung integriert ist. Dadurch wird eine sehr kompakte und wirtschaftliche Bauweise möglich. Ein weiterer Vorteil ist, daß eine einzige Anordnung der beiden ersten Andruckelemente eine Faltenhöhenvariation des Faltenpacks 2 bis hinauf zu 100 mm ermöglicht.

Das in der genannten Weise noch nicht formbeständige Material wird bis zur Abkühlung durch weitere Andruckelemente 12 fixiert. Dadurch wird gleichzeitig eine Kalibrierung der Außenkontur, d. h. des Rahmens, erzeugt. Mehrere dieser letzten Andruckelement-Paare 12 lassen sich auch in Tandembauweise anordnen.

Die in die Falten greifenden Kämme der Profile 9 werden dann aus den Filtertaschen vertikal herausgezogen und der Filter­ pack 2 in einem weiteren Verfahrensschritt auf die Einbau­ länge zugeschnitten.

Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine kontinuierliche Faltenpackherstellung, und es läßt sich eine beliebig variable Faltenpacklänge darstellen.

Die Definition eines thermisch verschweißbaren Vliesstoffs ist für die vorliegende Erfindung sehr weit zu begrenzen. Es können Vliesstoffe verwendet werden, die zum Teil oder vollständig aus thermoplastischen Fasern bestehen, oder alle solche, die zur Verschweißung befähigten thermoplastischen Binder enthalten.

Im beanspruchten Verfahren erfolgt die Rahmung des Filterpacks ausschließlich mit dem verwendeten Filtermedium 1 ohne den Ein­ satz weiterer Werkstoffe. Durch die Umknickung der Außen­ kanten 10 des Filterpacks und die dadurch erzielte überlappende Abdichtung der einzelnen Faltenzwischenräume wird eine leckfreie, versteifende und stabile Rahmung des Faltenpacks 2 gewährleistet. Dieser Filtereinsatz besitzt dann oft bereits die geforderte Eigenstabilität.

Da eine zusätzliche Rahmung entfällt, läßt sich der zur Ver­ fügung stehende Einbauraum für die Minimierung des Druckabfalls freier gestalten.

Entscheidende Vorteile bringt der so gefertigte Filtereinsatz auch wegen der einfachen Entsorgung während eines Recyclingver­ fahrens. Der Einsatz besteht im wesentlichen nur aus einem definierten Werkstoff.

Die Verfahrenstechnik ist rationell und entspricht einer Online-Fertigung. Mit einer einzigen Kammgeometrie lassen sich unterschiedliche Faltenpack-Breiten realisieren. Damit sind die Voraussetzungen für eine wirtschaftliche Herstellungsweise gegeben. Dies gilt ebenso für das Anbringen der Dichtung, die im Verfahren direkt an die Außenfläche des Filterpacks umlau­ fend angeschweißt wird.

Im Rahmen einer Verfahrensvariante erhitzt man das erste Paar Andruckelemente 11 auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzbe­ reiches der bindefähigen Komponente des Vliesstoffs 1. Bei diesem Kontaktschweißverfahren dienen die Andruckelemente 11 als Schweißwerkzeug. Ein solches Verfahren ist bei dicken, mechanisch stark dämpfenden und im Schmelzbereich gering haftenden Faservliesstoffen vorzuziehen.

In einem alternativen Verfahrensschritt werden die umge­ knickten, überlappenden Faltenenden 10 mittels Andruckelemen­ ten 11 verbunden, die als Ultraschall-Sonotrode ausgebildet sind.

Vorteile dieser Variante sind extrem kurze Schweiß- und Kühl­ zeiten sowie materialschonende, nur punktuell auftretende hohe Temperaturen im Vliesstoff. Zweckmäßig wird man sie anwenden an mechanisch gering dämpfenden und im Schmelzbereich stark haftenden Vliesstoffen.

Unabhängig von den vorgenannten Verfahrensvarianten wird vorgeschlagen, als letzten, zusätzlichen Verfahrensschritt an den beiden Stirnseiten des Faltenpacks jeweils einen thermo­ plastischen Kunststoff-Folienstreifen 5 anzuschweißen, der exakt die Breite des Packs 2 besitzt oder umgreifend angeordnet ist. Diese Streifen haben die Aufgabe, die Stirnseiten in hori­ zontaler Richtung zu verstärken, so daß sie den Druck der Dichtung beim Zusammenfügen der Filterkassette aufnehmen können.

Alternativ hierzu gießt man vor dem Ablängen, an den künftigen Schnittstellen, jeweils mindestens eine Faltentasche mit einer bei Raumtemperatur aushärtenden Kunststoff-Hartmasse 6 aus. Zum Ablängen des Faltenpacks 2 wird diese dann in der Faltung mittig durchgetrennt. Die entstandene Schnittfläche bildet so eine winklige Außenseite des Faltenpacks 2, welche dessen Höhe aufweist. Die Konstruktion ist sehr dimensionsstabil.

Bezugszeichenliste

 1 gefalteter Vliesstoff
 2 konfektionierter Faltenpack
 3 umgelegte Faltenaußenkante
 4 Falte
 5 stirnseitige Kunststoff-Folie
 6 stirnseitige Kunststoff-Hartmasse
 7 Faltenabstand/Faltenkamm-Abstand
 8 noch nicht eingespannte Außenkante der Falten 4
 9 kammartige Profile
10 überstehende Außenkanten der Falten 4 im eingespannten Zustand
11 erstes Andruckelementenpaar
12 weiteres Andruckelementenpaar
D Durchlaufrichtung des gefalteten Vliesstoffs 1 während der Herstellung

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung eines als Faltenpack ausgebil­ deten Filtereinsatzes aus thermoplastisch verschweißbarem Faservliesstoff, wobei man das flächige Filtermedium in einer Faltvorrichtung zunächst faltet und es dann bei einem eingestellten, definierten Faltenabstand unter Zuführung von Energie und anschließendem Abkühlen in seiner bestehen­ den Form bleibend fixiert, dadurch gekennzeichnet,
daß man nach dem Verfahrensschritt des Erzeugens eines definierten Faltenabstandes (7) die beiden Außenkanten (8) des Faltenpacks formschlüssig einklemmt in der Faltengeometrie und -abmessung entsprechende, kammartige, ober- sowie unterseitig in die Faltung zangenartig eingreifende Profile (9), deren Abstand zueinander gleich oder geringfügig kleiner gewählt wird als die Dicke des Faservliesstoffs (1), wobei man auf jeder Längsseite das Filtermaterial um das 1,5- bis 2,5-fache des Faltenabstands (7) über die kammartigen Profile (9) überragen läßt;
daß man dieses, somit überstehende Material (10) beider­ seits jeweils mittels eines ersten seitlich darauf einwir­ kenden Andruckelements (11) umlegt, bis das überstehende Material (10) am benachbarten Faltenende anliegt, so daß sich die Kanten (8, 10) überlappen, wobei man gleichzeitig mit über die Andruckelemente (11) zugeführter Energie die Überlappungszonen thermisch verschweißt;
daß man durch weitere Andruckelemente (12) die Schweiß­ stellen bis zu deren Abkühlung aneinanderpreßt und fixiert, anschließend die kammartigen Profile (9) entfernt und den Faltenpack ablängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das erste Paar beiderseitige Andruckelemente (11) auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzbereichs der bindefähigen Komponente des Vliesstoffs (1) erhitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als erste beiderseitige Andruckelemente (11) Ultraschall- Sonotroden verwendet.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man als letzten, zusätzlichen Ver­ fahrensschritt an den Stirnseiten des Faltenpacks (2) jeweils einen thermoplastischen Kunststoff-Folienstrei­ fen (5) anschweißt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man vor dem Ablängen, an den künftigen Schnittstellen, jeweils mindestens eine Faltentasche mit einer bei Raumtemperatur aushärtenden Kunststoffmasse (6) ausgießt und die ausgehärtete Kunststoffmasse dann zum Ablängen in der Faltung mittig durchtrennt.