DE4036551C2 - Filterpatrone sowie deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Filterpatrone für Kraftfahrzeuge unter Verwendung von Fasern und de­ ren Herstellung.

Die Leistungskraft und Zuverlässigkeit von Motoren wird in entscheidendem Maße durch Verunreinigungen aller Art in Kraftstoffen und Schmiermitteln beein­ flußt, weshalb ständig die Filtration von Moto­ renöl, Verbrennungsluft, Kühlwasser und Kraftstoff vorgenommen wird. Hierbei gilt es einen Kompromiß zu finden zwischen der Lebensdauer vor der Verstop­ fung, der Filtrationsschwelle sowie dem der Patrone zur Verfügung stehenden Raum. Alle diese Filter ha­ ben den entscheidenden Nachteil, daß sich an be­ stimmten Stellen des Filtermaterials Löcher ausbil­ den, durch die dann größtenteils die beaufschlagte Flüssigkeit hindurchgepreßt wird, so daß sich des­ sen Durchmesser noch weiter vergrößert. Die Folge ist eine entscheidende Reduzierung der Filterwir­ kung.

Im Gegensatz zu den gebräuchlichen Papierfiltern lassen sich durch Filter aus einem Fasermaterial Verbesserungen in der Standzeit erreichen. Ein der­ artiger Filter ist in der Druckschrift DE-GM 70 04 484 beschrieben, bei dem ein Vlies zu einem Filter­ körper gewickelt ist. Durch Verwendung mikroporöser Materialien läßt sich eine sehr niedrige Filtrati­ onsschwelle erreichen, wie die Offenlegungsschrift DE-OS 22 44 811 offenbart. Ferner ist bekannt, Filter­ körper aus einem Fasermaterial als Träger für ein Absorptionsmittel zu verwenden (DE 14 86 804 B2).

Das DE-GM 89 11 978 zeigt eine Filterpatrone, bei der hohlzylindrische Scheiben aus einem Fasermate­ rial in axialer Richtung aufeinander gepreßt sind, die alternierend unterschiedliche Radien besitzen. Dadurch entsteht eine Auflockerung des äußeren Fil­ terbereiches, so daß die Poren in Durchflußrichtung eines radial nach innen strömenden Mediums in ih­ rem Durchmesser abnehmen. Als nachteilig erweist sich jedoch, daß sich der Porendurchmesser aus­ schließlich im Bereich des äußeren Randes der klei­ neren Scheiben ändert und im Filterkörper Hohlräume entstehen, die seine Wirkung beeinträchtigen. Somit wird weder die Filtrationsschwelle noch die Lebens­ dauer wesentlich verbessert.

Die Druckschrift DE 27 19 590 C2 beschreibt ein Ver­ fahren zur Herstellung zylindrischer Filterkörper aus Faservliesen, mit dem sich Gradienten in der Porengröße herstellen lassen. Dabei ist es zwingend erforderlich, daß ein Teil der Fasern aus zwei Kom­ ponenten besteht, die bei unterschiedlichen Tempe­ raturen schmelzen. Auch eine aus der DE-OS 29 47 743 bekannte Polytetrafluoräthylenstruktur umfaßt Mikrofasern, bei denen der Durchmesser der Zwi­ schenräume kontinuierlich über den Querschnitt va­ riiert. In beiden Fällen ist somit ein spezieller Werkstoff Voraussetzung, während sich Filter aus beliebigem Material nicht auf diese Weise fertigen lassen. Insbesondere sind die Werkstoffe nur be­ schränkt temperaturbeständig, so daß der Einsatz in Kraftfahrzeugmotoren ausgeschlossen ist. Zudem sind ihre Fasern ausgerichtet, so daß Umströmen ver­ stopfter Bereiche erschwert wird.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaf­ fung einer Filterpatrone für Kraftfahrzeuge zur Aufgabe gemacht, die auch nach längerem Gebrauch beste Filterwirkung zeigt.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß die Filterpatrone aus einer einheitlichen Ku­ chenmasse besteht unter Verwendung von Fasern aus beliebigem Material, die mit einem Bindemittel mit­ einander verbunden oder verschweißt sind, und zwi­ schen denen sich Poren ausbilden, die in einer Richtung (Durchflußrichtung) kleiner werden, wobei die Fasern Mikrofasern sind, die statistisch ver­ teilt sind und die Abnahme der Porengröße über den gesamten Filter kontinuierlich ist.

Unter Mikrofasern sind im Sinne der Erfindung Fa­ sern mit einer Länge von 100 bis 500 µm und einem Faserdurchmesser von etwa 5 bis 30 µm zu verstehen. Sie sind statistisch verteilt in der Filterpatrone angeordnet, werden über das Bindemittel oder Ver­ schweißung miteinander verbunden und raumfest abge­ stützt. Sie bilden Poren, deren Durchmesser, die Durchlässigkeit, Permeabilität und auch Dichte des Filtermaterials mitbestimmt. Die Poren werden in einer Richtung kleiner, so daß die Permeabilität sinkt und die Filterwirkung steigt. Die Richtung der Abnahme des Porendurchmessers ist die (spätere) Durchflußrichtung, was zur Folge hat, daß zunächst die größeren Teilchen festgehalten, die Feinteil­ chen hingegen später erst ausgefiltert werden. Der hieraus resultierende Vorteil ist die Vermei­ dung vorzeitiger Verstopfung der Oberfläche. Das Bindemittel, bei dem es sich vorzugsweise um Kunst­ harz handelt, stellt sicher, daß keine Relativbewe­ gung der Fasern gegeneinander möglich und somit die Ausbildung von durchgreifenden Löchern im Filterma­ terial vermieden wird. Man erhält eine einheitli­ chere und regelmäßigere Filtrationswirkung über den gesamten Arbeitszyklus. Durch die Änderung des Po­ rendurchmessers wird die Retentionskraft bezüglich der Fremdstoffe erhöht, so daß sich geringere Fil­ trationskosten ergeben. Des weiteren bleibt die Trübungsrate des Filtrationsmittels über den größ­ ten Teil der Lebensdauer konstant. Das Bindemittel schafft eine feste Struktur, die dem Differenzdruck besser stand hält. Derartige Filterpatronen sind für Kraftstoff, Schmiermittel, Luft und Kühlung und damit vielseitig einsetzbar. Das Filtermaterial zeigt gute Eigenschaften bei hydraulischer und thermischer Beanspruchung. Es ist inert gegenüber verschiedenen Kohlenwasserstoffen und damit weitge­ hend chemisch stabil. Die hohe Filtrationsqualität trägt erheblich zur Verminderung des abrasiven Ver­ schleißes bei, d. h. eine erhöhte Lebensdauer der Bauteile und die Vermeidung eines vorzeitigen Lei­ stungsabfalles sind die Folge.

In einer unter Sicherheitsaspekten vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, an derjenigen Stirn­ seite der Filterpatrone, an der sich die Poren mit dem kleinsten Durchmesser befinden, eine Membran anzubringen. Diese Maßnahme stellt sicher, daß das an dieser Stirnseite austretende, gefilterte Medium keine eventuell sich ablösende Partikel des Materi­ als der Filterpatrone mitführen kann, die andern­ falls in den Motor gelangen würden, wo sie Anlaß zu erheblichem Schaden geben könnten. Die Membran ver­ hindert deren Mitführung.

Die Form der Filterpatrone steht im Rahmen der Er­ findung grundsätzlich frei. Jedoch ist von Vorteil die Form eines Hohlzylinders, der dann in radialer Richtung vom zu filtrierenden Medium durchflossen wird. Werden die Poren mit geringem Durchmesser achsnah angeordnet, fließt das Medium von der Peri­ pherie in radialer Richtung zur Achse und wird dort abgesaugt.

Im Rahmen der Erfindung ist das Material der Fasern weitgehend beliebig. Es kann sich hierbei um Zellu­ lose, Glasfaser, Wolle, Acryl- oder Viskosefaser oder um Fasern aus Polypropylen und/oder Polyäthy­ len handeln.

Von den jeweils gewählten Materialien wird es ab­ hängen, welches Bindemittel einzusetzen ist. Als geeignet erweisen sich Melamin-, Phenol- und Poly­ styrolharz. Gewisse Fasern oder Fasergemische, zu denen solche aus Polypropylen und Polyäthylen zu zählen sind, werden miteinander verschweißt. Dort, wo sich die unter Umständen aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Fasern berühren, bildet sich bei Termperaturerhöhung eine Verschweißung aus. Die Porosität bleibt gewährleistet.

Schließlich ist noch von Vorteil, die Filterpatrone mit Methylsilikonharz zu imprägnieren. Es handelt sich hierbei um ein spezielles Silikonpolymer, das stark wasserabstoßend ist und zur Trennung und Ab­ scheidung des Wassers aus dem zu filtrierenden Me­ dium beiträgt. So kann beim Einsatz des Filtermate­ rials in der Kraftstoffleitung auf diese Weise eine Trennung und Abscheidung des Wassers vorgenommen werden. Außerdem verleiht die Imprägnierung eine außergewöhnliche Resistenz in einem großen Tempera­ turbereich und folglich eine Verlängerung der Le­ bensdauer.

Im folgenden wird ein Herstellungsverfahren für Filterpatronen von hohlzylindrischer Gestalt im einzelnen angegeben. Zunächst wird ein Brei aus Mi­ krofasern dadurch hergestellt, daß das Ausgangsma­ terial entsprechend zerkleinert und anschließend mit einer vorzugsweise aus Wasser bestehenden Flüs­ sigkeit vermischt wird, so daß ein Brei entsteht. Hierin wird ein mikroperforierter Dorn, dessen Form beliebig, jedoch bevorzugt zylindrisch oder kasten­ förmig von die Abnahme erleichternder, leicht koni­ scher Gestalt ist, eingetaucht und mit Unterdruck beaufschlagt. Die Folge ist, daß die breiartige Masse durch den als Saugkorb fungierenden Dorn an­ gesaugt wird. Entscheidend ist, daß sich aufgrund der Perforationen um den Dorn herum außenseitig ein Kuchen ausbildet, dessen Faserdichte und Dicke von der Eintauchdauer und der Stärke des Saugunterdruckes abhängig ist. Bei einem konstanten Unterdruck erhält man einen Kuchen, dessen Dichte im Hinblick auf den Radius unterschiedlich ist und nach außen hin zum Brei abnimmt, so daß im Ergebnis eine kon­ tinuierlich steigende Porosität nach außen hin ein­ tritt. Man erhält im Gegensatz zur Herstellung von Filz (hier erfolgt eine mechanische Strukturierung) eine dreidimensionale hydraulische Faserstrukturie­ rung.

Anschließend wird eine Trocknung des Kuchens da­ durch vorgenommen, daß er entweder in einen Wärme­ schrank eingebracht bzw. warme Luft über den Dorn durch den Kuchen geleitet wird. Schließlich erfolgt das Versetzen mit dem Bindemittel, wozu der Dorn mit dem Kuchen in das Bindemittel, bei dem es sich vornehmlich um ein Kunstharz, beispielsweise Mela­ min- oder Phenolharz handelt, eingetaucht wird, der Dorn mit Unterdruck beaufschlagt, so daß das Bin­ demittel den gesamten Kuchen durchsetzt. Anschlie­ ßend erhält man die Filterpatrone durch Aushärten des Bindemittels und Entfernen des Dornes. Hierbei ist der Begriff Aushärtung im Sinne der Erfindung weit auszulegen und umfaßt neben dem Trocknen alle Arten der Polymerisation, Polyaddition und Polykon­ densation. Entscheidend ist, daß sich das Bindemit­ tel mit den Fasern bleibend verbindet. Eine erfin­ dungsgemäße Filterpatrone ist damit entstanden.

In einem alternativen Herstellungsverfahren erfolgt die raumfeste Abstützung der Fasern gegeneinander durch Verschweißen sich berührender Fasern. Die hierzu notwendige Temperaturerhöhung kann durch Be­ aufschlagung mit Wasserdampf oder heißer Luft er­ zeugt werden. Der Einsatz von Bindemittel ist nicht zwingend erforderlich.

Zum Erhalt mehrerer Filterpatronen aus einem Kuchen ist eine Stückelung von Vorteil, sowie zur Erzie­ lung einer geometrisch gleichmäßigen Oberfläche in Form eines Zylinders, eine Bearbeitung der Außen­ fläche.

Im Hinblick auf die Verwendung der erfindungsgemä­ ßen Filterpatronen wird vorgeschlagen, diese in ei­ nem Filtergehäuse im Abstand zu deren Wandung so anzuordnen, daß sie in Richtung auf die kleineren Bohrungen zu vom Medium durchströmt ist. Der Ab­ stand zum Gehäuse ist erforderlich, um einen unge­ störten Zu- und Abfluß zur Filterpatrone zu gestat­ ten.

Einer der entscheidenden Vorteile der Erfindung be­ steht darin, daß durch Öffnen des Filtergehäuses eine verbrauchte Filterpatrone entfernt und gegen eine neue ausgetauscht werden kann. Gegenüber den bekannten Spin-on-Filtern besteht der entscheidende Vorteil darin, daß bei der Wartung einzig die Fil­ terpatrone und nicht das gesamte Filter mit seinem Gehäuse auszutauschen ist. Spin-on-Filter bedeuten eine erhebliche Belastung der Umwelt, da im Filter­ gehäuse unvermeidlich Ölreste zurückbleiben und auch erhebliche Materialmengen zu beseitigen sind, da nicht nur das eigentliche Filtermaterial sondern auch das aus Stahl bestehende Filtergehäuse zu ent­ sorgen ist. Im Rahmen einer Wartung wird das Spin- on-Filtergehäuse geöffnet, die darin befindliche, verschmutzte Filterpatrone beseitigt und gegen eine neue ersetzt und anschließend wieder dicht ver­ schlossen. Das Filtergehäuse kann ständig wieder­ verwendet werden.

Hinsichtlich der Befestigung der Filterpatrone im Filtergehäuse sind verschiedene Möglichkeiten denk­ bar. Sicherzustellen ist, daß das über den Filter geleitete Medium vollständig die Filterpatrone durchdringt.

Bei einer hohlen zylindrischen Form läßt sich die Filterpatrone auf einen mit Öffnungen versehenen Dorn aufsetzen, der der Sammlung und der Aufnahme des die Filterpatrone verlassenden und bereits fil­ trierten Mediums dient.

Eine andere, sowohl bei zylindrischer als auch rechteckiger Form der Filterpatrone realisierbare Möglichkeit besteht darin, die Filterpatrone stirn­ seitig über Federn oder Elastomere festzuhalten und gleichzeitig abzudichten. Es greifen an einer Stirnseite die von den Federn oder Elastomeren her­ rührenden Kräfte an und drücken die Filterpatrone mit ihrer anderen, gegenüberliegenden Stirnfläche gegen einen Anschlag. Diese Methode der Anordnung erlaubt ein einfaches Wechseln der Filterpatrone und stellt das vollständige Erfassen des durchlau­ fenden und zu filtrierenden Mediums sicher.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Filterpatrone von hohlzylindrischer Gestalt

Fig. 2 einen Filter mit Gehäuse, Dorn und darauf angeordneter Filterpatrone

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Axialschnitt durch eine Filterpatrone (1). Sie be­ steht in ihrem grundsätzlichen Aufbau aus dem ei­ gentlichen Filtermaterial, welches gebildet wird aus den Mikrofasern (2) und dem Bindemittel (3). Dabei sind die Mikrofasern (2) so angeordnet, daß ihre Dichte in radialer Richtung nach außen hin ab­ nimmt, d. h. eine höhere Porosität aufweist.

Auf der inneren, zur Achse (4) der Filterpatrone (1) weisenden Fläche ist eine Membran (5) ange­ bracht, die sicherstellt, daß evtl. sich lösendes Filtermaterial nicht weggeschwemmt und in den zu filternden Flüssigkeitskreislauf gelangen kann.

Die angegebenen Pfeile (6) geben die Durchflußrich­ tung des zu filternden Mediums an. Die in radialer Richtung nach innen zu sich verringernde Porosität garantiert auch nach langandauerndem Gebrauch eine hohe Filterwirkung, da die größeren Partikel be­ reits auf der größeren Außenfläche festgehalten werden, so daß erst nach längerer Zeit ein Zusetzen des die feine Filtrierung vornehmenden achsennahen Bereiches erfolgen kann.

Fig. 2 zeigt einen Filter, der aufgebaut ist aus einer Filterpatrone (1), einen in diese koaxial eingreifenden Dorn (7) sowie ein Filtergehäuse (8) mit einer Einlaßöffnungen (9) aufweisenden Grund­ platte (10), die vom Dorn (7) durchgriffen wird. Der Dorn (7) ist mit Öffnungen (11) versehen, so daß sich folgender Kreislauf des zu filtrierenden Mediums ergibt:

Über die Einlaßöffnung (9) in der Grundplatte (10) gelangt das zu filtrierende Medium an die Außenwand der Filterpatrone (1). Sie wird in radialer Rich­ tung durchströmt, so daß sie über die Öffnungen (11) ins Innere des Dornes (7) gelangen wird, wo es in axialer Richtung in den Kreislauf zurückfließt. Diese aus Grundplatte (10), Filterpatrone (1) und Dorn (7) bestehende Einheit ist im Hinblick auf das zu filtrierende Medium nach außen hin abgeschlos­ sen. Die Filterpatrone (1) ist so angeordnet und an den Stirnseiten isoliert, daß das zu filtrierende Medium gezwungen ist, in radialer Richtung die Fil­ terpatrone (1) zu durchlaufen um zum Dorn (7) zu gelangen.

Der entscheidende Vorteil gegenüber den in ihrem Aufbau ähnlichen Spin-on-Filtern besteht darin, daß nicht der gesamte Filter ausgetauscht werden muß, sondern daß durch Öffnen des Filtergehäuses (8) die problemlos zu entsorgende Filterpatrone (1) heraus­ genommen und gegen eine neue ersetzt werden kann.

Im Ergebnis erhält man eine Filterpatrone, die auch nach langem Gebrauch eine hohe Filterwirkung auf­ weist und problemlos entsorgt werden kann.

Claims (11)

1. Filterpatrone für Kraftfahrzeuge, bestehend aus einer einheitlichen Kuchenmasse, unter Verwendung von Fasern aus beliebigem Material, die mit einem Bindemittel miteinander verbunden oder verschweißt sind, und zwischen denen sich Poren ausbilden, die in einer Richtung (Durchflußrichtung) kleiner wer­ den, wobei die Fasern Mikrofasern sind, die stati­ stisch verteilt sind, und die Abnahme der Poren­ größe über den gesamten Filter kontinuierlich ist.

2. Filterpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bindemittel Kunstharz ist.

3. Filterpatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß an derjenigen Stirn­ seite der Filterpatrone (1), an der sich die Poren mit dem kleinsten Durchmesser befinden, eine Mem­ bran (5) aufgebracht ist.

4. Filterpatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Form eines Hohlzylinders.

5. Filterpatrone nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Poren mit geringem Durchmesser achsennah angeordnet sind.

6. Filterpatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch das Fasermaterial Zellulose und/oder Glasfaser und/oder Wolle und/oder Acrylfa­ ser und/oder Viskosefaser und/oder Polypropylen und/oder Polyäthylen.

7. Filterpatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Imprägnierung aus Methyl­ silikon.

8. Verfahren zur Herstellung einer Filterpatrone nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Brei aus Mikrofa­ sern (2) hergestellt wird, hierin ein mikroperfo­ rierter Dorn eingetaucht und dann mit Unterdruck beaufschlagt wird, anschließend der auf dem Dorn entstandene Kuchen getrocknet und in ein Bad mit Bindemitteln (3) eingetaucht und der Dorn erneut mit Unterdruck beaufschlagt wird, bis schließlich nach dem Herausnehmen eine Aushärtung des Bindemit­ tels (3) vorgenommen und der Dorn entfernt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein Brei aus Mikrofasern (2) hergestellt wird, hierin ein mikroperforierter Dorn eingetaucht und dann mit Un­ terdruck beaufschlagt wird, anschließend der auf dem Dorn entstandene Kuchen getrocknet und die Fa­ sern an den Berührungsstellen durch Temperaturerhö­ hung miteinander verschweißt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Temperaturerhöhung durch Beaufschla­ gung mit Wasserdampf oder heißer Luft geschieht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch eine oberflächliche Bearbei­ tung und/oder Stückelung des Kuchens.