DE4143237A1 - Filterelement zum filtern von gasen und/oder fluessigkeiten, insbesondere zum filtern der in den fahrgastraum eines kraftfahrzeuges einstroemenden luft - Google Patents

Filterelement zum filtern von gasen und/oder fluessigkeiten, insbesondere zum filtern der in den fahrgastraum eines kraftfahrzeuges einstroemenden luft

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DE4143237A1 DE19914143237 DE4143237A DE4143237A1 DE 4143237 A1 DE4143237 A1 DE 4143237A1 DE 19914143237 DE19914143237 DE 19914143237 DE 4143237 A DE4143237 A DE 4143237A DE 4143237 A1 DE4143237 A1 DE 4143237A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement zum Filtern von Gasen und/oder Flüssigkeiten, insbesondere zum Filtern der in den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges ein­ strömenden Luft, mit einer Elektret-Filterschicht, die aus einem Vliesmaterial besteht, und einem mit der Elekret-Filterschicht verbundenen Stützgitter zum Halten der Elektret-Filterschicht.
Bei Verwendung von Filtermaterialschichten, die aus Vliesstoffen bzw. Vliesmaterialien bestehen, muß im all­ gemeinen die Filtermaterialschicht durch ein für die zu filternde Strömung durchlässiges Stützgitter o. dgl. ge­ halten werden. Derartige netzförmige Stützgitter aus z. B. Kunststoffen sind bei Vlies-Filtermaterialschichten auch dann erforderlich, wenn dem Filterelement eine Wellen- oder Zickzackform gegeben wird, um die der Strö­ mung ausgesetzte Filterelement-Oberfläche zu vergrößern. Im allgemeinen werden derartige Filtermaterialschichten, bei denen es sich beispielsweise um ein Elektret han­ delt, mit dem Stützgitter mechanisch verbunden. Das auf diese Weise gebildete Filterelement wird derart in die zu filternde Strömung eingebracht, daß - in Strömungs­ richtung betrachtet - die Filtermaterialschicht vor dem Stützgitter angeordnet ist, die Filtermaterialschicht also von der Strömung gegen das Stützgitter gedrückt wird. Dadurch verringert sich das zur Filterung zur Ver­ fügung stehende Volumen der Filtermaterialschicht, was zu einer Reduktion der Speicherkapazität des Filter­ elementes führt. Bei einem wellen- oder zickzackförmig ausgebildeten Filterelement werden die beiden jeweils einen V-förmigen Filterelementbereich bildenden Flächen von der Oberfläche der Filtermaterialschicht gebildet. Da diese aus einem Vliesmaterial besteht, ragen einzelne Faserenden in den V-förmigen Bereich hinein und sorgen für Verwirbelungen in der Strömung, weshalb dem Grad der Faltung des Filterelementes Grenzen gesetzt sind, die einzelnen Filterelementabschnitte oder Faltabschnitte des Filterelementes also in einem vergleichsweise großen Winkel zueinander stehen.
Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 89 01 798.6 ist ein zickzackförmiges Filterelement bekannt, das eine Partikelfilterlage und eine - in Strömungsrichtung be­ trachtet - dahinter angeordnete Adsorberfilterlage auf­ weist. Die Partikelfilterlage besteht aus zwei Elektret- Filterschichten mit einem zwischen diesen beiden Schich­ ten angeordneten luftdurchlässigen netzförmigen Gitter. Hinter der in Strömungsrichtung hinteren der beiden Elektret-Filterschichten der Partikelfilterlage ist ein dünner flächiger Trägerkörper angeordnet, an dem Adsor­ berpartikel gebunden sind. Die Partikelfilterlage und die Adsorberfilterlage sind jeweils zickzackförmig ge­ faltet, wobei die einzelnen Falten ineinandergreifen, so daß der Trägerkörper der Adsorberfilterlage flächig an der zweiten Elektret-Filterschicht der Partikelfilter­ lage anliegt. Der dünne luftdurchlässige Trägerkörper der Adsorberfilterlage ermöglicht es, dem "Verbund" aus Partikelfilterlage und Adsorberfilterlage eine Plissie­ rung zu verleihen. Der Trägerkörper der Adsorberfilter­ lage weist also eine Formstabilität auf, weshalb das Volumen der in Strömungsrichtung zweiten Elektret- Filterschicht begrenzt ist. Während die erste Elektret- Filterschicht durch die anströmende Luft gegen das Stützgitter der Partikelfilterlage gedrückt wird, wird die zweite Elektret-Filterschicht gegen den dünnen Trägerkörper der Adsorberfilterlage gedrückt. Dabei ent­ stehen verdichtete Bereiche in den beiden Elektret-Fil­ terschichten, was die Aufnahmekapazität der Partikelfil­ terlage begrenzt.
Aus der Oberfläche der Elektret-Filterschichten ragen Faserenden heraus. Da die in Strömungsrichtung erste Elektret-Filterschicht der anströmenden Luft ausgesetzt ist und die V-förmigen Vertiefungen des zickzackförmigen Filterelementes bildet, verursachen die herausragenden Faserenden Verwirbelungen der Luft. Diese Kleinst-Luft­ strömungsverwirbelungen verschlechtern die strömungs­ technischen Eigenschaften des Filterelementes, was sich nachteilig auf die Luftfilterung auswirkt. Aufgrund dieser Luftverwirbelungen dürfen die Winkel, unter denen die beiden Seitenflächen einer V-förmigen Vertiefung des zickzackförmigen Filterelementes stehen, nicht zu klein sein, um sich nicht allzusehr auf den zu filternden Luftstrom auszuwirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter­ element mit verbesserten Filtereigenschaften zu schaf­ fen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Filterelement der eingangs genannten Art mit der Erfindung vorgeschla­ gen, das Stützgitter - in Strömungsrichtung des Gases und/oder der Flüssigkeit betrachtet - vor der Elektret- Filterschicht anzuordnen, wobei das Vliesmaterial der Elektret-Filterschicht zu der dem Stützgitter abge­ wandten Seite hin frei ausdehnbar ist.
Nach der Erfindung handelt es sich bei dem Stützgitter für das Vliesmaterial der Elektret-Filterschicht um die erste Komponente oder Schicht des Filtermaterials in Strömungsrichtung betrachtet. Das anströmende Gas bzw. die anströmende Flüssigkeit kommt also zunächst mit dem Stützgitter in Berührung und tritt nach dessen Durch­ strömung in die Elektret-Filterschicht ein. Das Vlies­ material der Elektret-Filterschicht ist dabei mit dem Stützgitter durch Verkleben, Verschweißen oder mecha­ nisch verbunden und wird demzufolge an dem Stützgitter gehalten. Eine weitere Besonderheit des erfindungsge­ mäßen Filterelementes besteht darin, daß sich die Elektret-Filterschicht zu der dem Stützgitter abge­ wandten Seite hin frei ausdehnen kann, wenn sie von dem Fluid (Gas oder Flüssigkeit) durchströmt wird. Mit dieser Ausdehnung verbunden ist eine Volumenvergrößerung der Elektret-Filterschicht, was wiederum zu einer erhöh­ ten Speicherkapazität des Filterelementes und damit zu großen Standzeiten führt. Denn aufgrund des vergrößerten Abstands der einzelnen Fasern, aus denen die Elektret- Filterschicht aufgebaut ist, ist um die Fasern herum mehr Platz zum Binden von Partikeln infolge der elek­ trischen Aufladung der Fasern. Erfindungsgemäß ist also hinter der Elektret-Filterschicht keine die Ausdehnung des Vliesmaterials begrenzende Schicht, Lage oder Kompo­ nente angeordnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Filterelement ist nicht mehr die Elektret-Filterschicht, sondern das Stützgitter die in Strömungsrichtung erste Lage. Aufgrund des luftdurch­ lässigen Stützgitters ist die Anzahl an Faserenden, die aus der der Fluidströmung ausgesetzten Oberfläche des Filterelementes herausragen, reduziert. Denn durch die Stege des Stützgitters werden eine Vielzahl der ab­ stehenden Faserenden des Vliesmaterials der Elektret- Filterschicht niedergehalten. Lediglich durch die Öffnungen des Stützgitters treten noch Faserenden aus; diese Enden ragen aber zu einem Bruchteil ihrer Längen aus der Stützgitter-Oberseite noch heraus. Damit ragen insgesamt weniger Faserenden in die V-förmigen Vertie­ fungen des Filterelementes bei zickzackförmiger Ausge­ staltung desselben hinein. Das wiederum bringt den Vor­ teil mit sich, daß das Filterelement dichter gefaltet werden kann, die einzelnen Filterelementabschnitte bzw. Faltabschnitte des Filterelementes also in einem spitze­ ren Winkel zueinander verlaufen können. Bei ansonsten gleichen Gesamtabmessungen des Filterelementes ver­ größert sich demzufolge die der Fluidströmung ausge­ setzte Oberfläche, wenn das Filterelement enger gefaltet ist. Insgesamt verbessern sich die Luftwiderstandseigen­ schaften des Filterelementes, da der gleiche Luftwider­ stand erst bei einer größeren Filteroberfläche erreicht wird. Eine größere Oberfläche bedeutet auch eine Volumenvergrößerung des Filtermaterials und damit eine größere Speicherkapazität.
Die erhöhte Speicherkapazität wird also bei dem erfin­ dungsgemäßen Filterelement zum einen dadurch realisiert, daß sich die Elektret-Filterschicht in der Fluidströmung frei ausdehnen kann und sich damit volumenmäßig ver­ größert; zur Speicherkapazitätsvergrößerung trägt aber auch bei, daß bei konstantem Luftwiderstand die Ober­ fläche und damit die Filtermaterialmenge vergrößert werden kann, da die Anordnung lediglich einer (einzigen) Elektret-Filterschicht hinter dem Stützgitter das Fil­ terelement strömungstechnisch verbessert.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist eine Deckschicht zum Zusammenhalten des Vliesmaterials vorge­ sehen, die an der dem Stützgitter abgewandten Seite des Vliesmaterials angeordnet ist und mit der Oberfläche der Elektret-Filterschicht insbesondere durch Verkleben ver­ bunden ist. Die Deckschicht stellt keine die Ausdehnung des Vliesmaterials begrenzende Lage dar; vielmehr ent­ fernt sich die Deckschicht in dem Maße von dem Stütz­ gitter bei fluiddurchströmtem Filterelement, wie sich das Vliesmaterial ausdehnt. Die Deckschicht hat ledig­ lich die Aufgabe, das Vliesmaterial zusammenzuhalten, damit sich einzelne Fasern aus der Elektret-Filter­ schicht bei durchströmtem Filterelement nicht ablösen können oder herausgerissen werden.
Vorzugsweise besteht die Deckschicht aus einem ver­ festigten Vliesmaterial. Die Verfestigung des Vlies­ materials kann durch die bekannten dazu vorgesehenen Be- und Verarbeitungsprozesse erfolgen. Insbesondere besteht die Deckschicht aus mehrfach thermisch miteinander ver­ bundene ungeordnet angeordnete (Stapel-)Fasern. Die Deckschicht weist eine größere (Reiß-)Festigkeit auf als die Elektret-Schicht, deren Vliesmaterial, wenn auch durch Vernagelung der Fasern in gewisser Weise ver­ festigt, gegenüber der Deckschicht vergleichsweise locker in sich verbunden ist. Das verfestigte Vliesmate­ rial hat jedoch keine Eigenformstabilität, d. h. die Auf­ rechterhaltung der zickzackförmigen Faltung des Filter­ elementes wird einzig und allein durch das Stützgitter gewährleistet.
Das Stützgitter, das Vliesmaterial der Elektret-Filter­ schicht und, sofern vorhanden, das verfestigte Vlies­ material der Deckschicht bestehen vorzugsweise jeweils aus Polypropylen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf Recycling-Vorgänge und -möglichkeiten vorteilhaft, da sämtliche Bestandteile aus demselben Material bestehen.
Das erfindungsgemäße Filterelement wird derart in der zu filternden Fluidströmung eingesetzt, daß das Stützgitter die erste von dem Fluid durchströmte und mit dem Fluid in Kontakt kommende Schicht des Filterelementes ist. Auf das Stützgitter folgen dann die Elektret-Filterschicht und - sofern vorhanden - die Deckschicht. Zur Aufrecht­ erhaltung der Fluidströmung dient eine dazu vorgesehene Einrichtung, z. B. ein Gebläse o. dgl., das Luft durch das Filterelement bläst. Dem Wort "Einrichtung" kommt im Rahmen dieser Erfindung aber eine recht allgemeine Be­ deutung zu. Mit Einrichtung sind sämtliche Vorrichtungen und Umstände gemeint, die für eine das Filterelement durchsetzende (Fluid-)Strömung sorgen. Letztendlich han­ delt es sich auch bei einem mit dem erfindungsgemäßen Filterelement ausgestatteten Fahrzeug um eine derartige Einrichtung, da das Fahrzeug durch Bewegung Fahrtwind erzeugt, der das Filterelement durchströmt.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 in Explosionsdarstellung den Schichtenaufbau eines zickzackförmig gefalteten Filterelements,
Fig. 2 das Filterelement gemäß Fig. 1 im zusammenge­ setzten Zustand mit unterhalb angedeutetem Fil­ terrahmen,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Biegelinie des zick­ zackförmigen Filterelementes, wenn dieses nicht von einem Gas durchströmt wird, und
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Biegelinie des gas­ durchströmten Filterelementes.
Gemäß Fig. 1 weist das Filterelement 10 ein zickzackför­ mig gefaltetes Kunststoff-Stützgitter 12, eine Vlies­ materialschicht 14 als Elektret-Filterschicht und eine Deckschicht 16 aus verfestigtem Vliesmaterial auf. Diese drei Lagen sind in Strömungsrichtung 18 in der zuvor beschriebenen Folge hintereinander angeordnet. Die Vliesmaterialschicht 14 ist vergleichsweise dick und recht locker; die Fasern aus vorzugsweise Polypropylen hängen vergleichsweise lose zusammen. Demgegenüber ist die Deckschicht 16 recht dünn; die Verbindung der vor­ zugsweise ebenfalls aus Polypropylen bestehenden Fasern der Deckschicht ist fest; weshalb es sich insoweit um eine verfestigte Vliesmaterialschicht handelt, die je­ doch keine Formstabilität aufweist. Die Zickzackform des Filterelementes 10 wird also einzig und allein durch das zickzackförmig gefaltete Stützgitter 12 bestimmt.
Während die Vliesmaterialschicht 14 mit dem Stützgitter 12 beispielsweise durch Verkleben verbunden ist, ist die Deckschicht 16 mit der dem Stützgitter 12 abgewandten Seite der Vliesmaterialschicht 14 verbunden. Im zusam­ mengebauten Zustand weist das Filterelement 10 den in Fig. 2 dargestellten Aufbau auf. Das Filterelement 10 weist im wesentlichen geradlinige Filterelementab­ schnitte oder Faltabschnitte 20 auf, die von Biegelinien 22 unterbrochen sind. Jeweils zwei aufeinanderfolgende, durch eine Biegelinie 22 voneinander getrennte Faltab­ schnitte verlaufen spitzwinklig zueinander, so daß sich V-förmige Erhebungen bzw. Vertiefungen 24 ergeben. Die derart gebildete Oberfläche stellt die der in Richtung des Pfeils 18 anströmenden Luft ausgesetzte Oberfläche des Filterelementes 10 dar. Zu beiden Längsseiten des Filterelementes 10 sind Zugbänder 26 angeordnet, die mit den Längsseitenkanten des Filterelementes 10 verbunden sind. Aufgrund seiner Zickzackform läßt sich das Filter­ element 10 in Richtung des Doppelpfeils 28 der Fig. 2 dehnen bzw. stauchen. Die Dehnung des Filterelementes 10 wird begrenzt durch die sich bei Dehnung spannenden Zug­ bänder 26; im gespannten Zustand verleihen die Zugbänder 26 dem Filterelement 10 Formstabilität, so daß die Zick­ zackform des Filterelementes 10 aufrechterhalten bleibt. Die Zugbänder 26 sind mit den Seitenkanten des Filter­ elementes 10 über deren gesamte Länge verklebt oder ultraschallverschweißt. Das derart aufgebaute Filter­ element 10 wird in einen Filterrahmen 30 eingesetzt, der in Fig. 2 lediglich angedeutet ist.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch das Filterelement 10 in einer Biegelinie 22 mit sich beidseitig anschließenden Faltabschnitten 20 dargestellt. Durch das luftdurchläs­ sige Stützgitter 12 aus ebenfalls vorzugsweise Polypro­ pylen ragen vereinzelt die Enden von Fasern der Vlies­ materialschicht 14 heraus. Dieser Anzahl von Fasern, die aus der dem anströmenden Medium ausgesetzten Filter­ element-Oberfläche herausragen, ist wesentlich geringer als in dem Fall, in dem die Vliesmaterialschicht 14 direkt der Strömung ausgesetzt wäre. Demzufolge können die Faltabschnitte 20 wesentlich spitzwinkliger zueinan­ der verlaufen, ohne daß sich die in die Vertiefung 24 hineinragenden Faserenden nennenswert auf Verwirbelungen in der Strömung auswirken. Damit vergrößert sich sowohl das Volumen an für die Filterung verfügbaren Vliesmate­ rial als auch die Filterelement-Oberfläche.
Gemäß Fig. 4 weitet sich die Vliesmaterialschicht 14 auf, wenn das Filterelement gasdurchströmt ist. Durch die Ausdehnung der Vliesmaterialschicht 14 in Richtung von dem Stützgitter 12 weg vergrößert sich das zur Fil­ terung verfügbare Volumen der Vliesmaterialschicht; da­ mit vergrößert sich die Speicherkapazität des Filter­ elements. Eine derartige Volumenvergrößerung der Vlies­ materialschicht 14 ist aber nur dann möglich, wenn dem Vliesmaterial die Möglichkeit gegeben wird, sich in Strömungsrichtung auszudehnen. Die Deckschicht 16 be­ einträchtigt diesen Prozeß wenn überhaupt kaum merklich; vielmehr wird sie infolge der Volumenvergrößerung der Vliesmaterialschicht 14 "mitbewegt", mit der Folge, daß der Abstand der Deckschicht 16 vom Stützgitter 12 in Strömungsrichtung 18 betrachtet vergrößert wird.
Beispiel
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das oben beschriebene und in den Figuren dargestellte Filterelement in der nachfolgend beschriebenen Weise aufgebaut ist und aus den unten angegebenen Teilen und Materialien besteht. Als Material für die Stege des netzartigen Stützgitters 12 werden Fasern mit einem Durchmesser von ca. 0,45 mm gewählt. Die Öffnungen des Stützgitters 12 sind diamant­ förmig und etwa 3,6 × 4,1 mm groß. Die Dicke (Höhe) des Stützgitters beträgt etwa 0,85 mm. Die Fasern bestehen aus Polypropylen oder anderen Polymeren. Das Vlies­ material der Elektret-Filterschicht 14 besteht aus ge­ spaltenen Fasern von 10 bis 40 µm Durchmesser. Das Basisgewicht des Vliesmaterials beträgt ca. 85 g/m2. Das Vliesmaterial besteht aus vernagelten Fasern, die will­ kürlich angeordnet sind. Die derart bearbeitete Vlies­ materialschicht ist ca. 2,0 mm dick. Die Fasern bestehen aus Polypropylen mit Elektret-Eigenschaften, die den Fasern durch die bekannten Verfahren verliehen werden. Die Verbindung zwischen Elektret-Filterschicht 14 und Stützgitter 12 erfolgt durch Verkleben mit einem Poly­ propylen-verträglichen Kleber. Als Materialien für die Elektret-Filterschichten kommen z. B. die unter den Be­ zeichnungen 3M Filtrete oder 3M SBMF von der Minnesota Mining Manufacturing vertriebenen Produkte in Frage.
Alternativen zu dem oben genannten Vliesmaterial sind ein durch ein Schmelz-Blas-Verfahren hergestellter Vliesstoff oder Zirkular-Fasern mit einem Durchmesser von 1 bis 5 µm.
Die Deckschicht 16 besteht aus einem Spinnvlies (non­ woven spun bonded material), das aus mehrfach thermisch verbundenen willkürlich angeordneten Fasern nach be­ kannten Verfahren hergestellt ist. Das Basisgewicht dieses Spinnvlieses beträgt ca. 10-30 g/m2, vorzugs­ weise 17 g/m2. Die Verbindung der Deckschicht 16 mit der Elekret-Filterschicht 14 erfolgt mittels bekannter Kleber. Als Material für die Fasern der Deckschicht 16 kommen Polyester, Polyamid und vorzugsweise Polypropylen in Frage. Die Dicke der Deckschicht beträgt ca. 0,22 mm.
Die Zugbänder 26 bestehen aus demselben Material wie die Deckschicht und sind wie diese hergestellt.
Mit derartigen Stützgittern, Elektret-Filterschichten und Deckschichten lassen sich zickzackförmig gefaltete Filterelemente aufbauen, die bei einer Gesamtabmessung von 100 × 300 mm eine Faltabschnittlänge von 25 mm und eine Faltung, d. h. einen Abstand von Biegelinie zu Biegelinie von ca. 0,8-1,5 cm, vorzugsweise von 1,0 cm aufweisen. Ein V-förmiger Vertiefungs- oder Erhöhungs­ bereich des Filterelements ist also an seiner der Spitze abgewandten breiteren Stelle vorzugsweise 1,0 cm weit, wobei die Schenkellänge bzw. die Tiefe ca. 25 mm be­ trägt.
Ein derartiges Filterelement kann ca. 300 m3/h zu fil­ ternde Luft aufnehmen bzw. durchlassen. Der Druckabfall liegt in der Größenordnung von 120 Pa. Der neuartige Aufbau erlaubt eine Reduktion dieses Druckabfalls bis zu ca. 10-20% bei einer gleichzeitigen Vergrößerung der Filterfläche und der Filtermaterialmenge. Der Hauptvor­ teil, der daraus resultiert, ist in der vergrößerten Lebensdauer eines nach der Erfindung aufgebauten Filter­ elementes zu sehen.

Claims (6)

1. Filterelement zum Filtern von Gasen und/oder Flüs­ sigkeiten, insbesondere zum Filtern der in den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges einströmenden Luft, mit
  • - einer Elektret-Filterschicht (14), die aus einem Vliesmaterial besteht, und
  • - einem mit der Elektret-Filterschicht verbundenen Stützgitter (12) zum Halten der Elektret-Filter­ schicht,
dadurch gekennzeichnet,
  • - daß in Strömungsrichtung (18) des Gases und/oder der Flüssigkeit betrachtet das Stützgitter (12) vor der Elektret-Filterschicht (14) angeordnet ist und
  • - daß das Vliesmaterial der Elektret-Filterschicht (14) zu der dem Stützgitter (12) abgewandten Seite hin frei ausdehnbar ist.
2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Elektret-Filterschicht (14) an ihrer dem Stützgitter (12) abgewandten Seite mit einer Deckschicht (16) zum Zusammenhalten des Vliesmate­ rials verbunden ist.
3. Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Deckschicht (16) aus verfestigtem Vliesmaterial besteht.
4. Filterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Stützgitter (12), das Vliesmaterial der Elektret-Filterschicht (14) und die Deckschicht (16) aus demselben Material, insbesondere aus Poly­ propylen bestehen.
5. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stützgitter (12) wellen- oder zickzackförmig gefaltet ausgebildet ist.
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