DE4308390C2 - Verfahren zum Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern von in Fluiden vorkommenden Schwebstoffen, ein in diesem Verfahren verwendetes Filterelement und eine Fluidfiltervorrichtung - Google Patents
Verfahren zum Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern von in Fluiden vorkommenden Schwebstoffen, ein in diesem Verfahren verwendetes Filterelement und eine FluidfiltervorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern von
Partikulate in einem Fluid,
ein in diesem Verfahren verwendetes Filterelement und
eine Fluidfiltervorrichtung. In den letzten Jahren ist es
erforderlich geworden, Techniken zur
Reinigung von Gasen, z. B. Luft oder anderen Gasen, zur Reini
gung von Flüssigkeiten, z. B. Wasser, Öl, Reinigungsflüssigkei
ten, Bearbeitungsflüssigkeiten, d. h. Techniken zur Reinigung
der irdischen Umwelt einzusetzen.
Mit der Erfindung wird ein Verfah
ren zum elektrischen Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern von
Partikulaten in einem Fluid, einschließlich von in Abwasser
enthaltenen Farbstoffpartikeln in der Größenordnung von
Angström, ein in diesem Verfahren verwendetes Filterelement
und eine Fluidfiltervorrichtung angegeben.
Jedes mikroskopische Partikulat aus Staub in einem
Fluid ist elektrisch geladen und hat an der Grenzfläche zum
Fluid ein elektrisches Potential. Ein bekanntes Verfahren zum
Entfernen solcher Staubpartikel basiert auf der Verwendung ei
nes mit einem Zeta-Potential versorgten Filterelements, das
aus einem Filter besteht, das mit einem Pulver aus Bariumtita
nat beschichteten ist, das ein Eigenpotential hat, wenn kein
externes Potential angelegt wird; daher hat das Filter selbst
also ein Potential. Wenn dieses Filterelement verwendet wird,
strömt jedoch das Beschichtungsmaterial allmählich mit ab, so
daß das Potential des Filters allmählich verloren geht. Folg
lich ist die Einsatzzeit des Filters kurz. Demnach muß es häu
fig gewechselt werden. Dadurch steigen die Kosten.
Angesichts der oben beschriebenen Umstände hat der An
melder in dem offengelegten japanischen Gebrauchsmuster
3-98913 U1 eine neue Vorrichtung vorgeschlagen. Insbesondere
ist eine innere zylindrische Elektrode in einer äußeren zylin
drischen Elektrode angeordnet, die außerdem wie ein Behälter
des Grundkörpers der Vorrichtung wirkt. Die innere und die äu
ßere Elektrode befinden sich auf dem gleichen Potential und
sind in einem koaxialen Verhältnis zueinander angeordnet. Zwi
schen beiden Elektroden ist ein Zwischenraum ausgebildet,
durch den eine zu verarbeitende Flüssigkeit zirkuliert. Ein
Filter mit einer porösen metallischen Platte, die sich direkt
auf dessen Oberfläche befindet, ist in dem Zwischenraum ange
ordnet. Die poröse metallische Platte wird direkt elektrisch
geladen, um das Grenzflächenpotential (oder Zeta-Potential)
jedes Fremdpartikels in der zwischen der äußeren Elektrode,
der inneren Elektrode und der porösen Platte befindlichen
Flüssigkeit durch die Coulombsche Kraft anzuziehen, so daß die
Fremdpartikel koagulieren und gröbere Partikel bilden können.
Die gröberen Fremdpartikel werden von den Maschen des Filters
festgehalten, das hinter der porösen Platte angeordnet ist, um
die Fremdkörper aus dem Fluid auszufiltern. Bei dieser Vor
richtung wird das Potential zur Neutralisierung des Zeta-Po
tentials von außen angelegt, und daher geht das Potential auf
der Oberfläche des Filters selbst nach längerer Anwendung der
Vorrichtung nicht verloren.
Da jedoch bei dieser Vorrichtung das Fluid durch die
poröse metallische Platte in das Filter eingeleitet wird,
hängt die Menge des in das Filter einströmenden Fluids von der
Porosität der porösen Platte ab. Deshalb besteht eine Be
schränkung für die zu verarbeitende Menge. Außerdem wird bei
dieser Vorrichtung das Potential nur an die Oberfläche des
Filters angelegt, und daher werden radial vertiefte Abschnitte
des Filters nicht ausreichend elektrisch geladen. Daher ent
steht die bekannte Situation, daß Fremdpartikel sich mit ge
ringem Wirkungsgrad in radial vertieften Abschnitten des Fil
ters sammeln.
Ferner werden in der oben beschriebenen Vorrichtung die
radial vertieften Abschnitte des Filters nicht ausreichend
elektrisch geladen, und deshalb kann die Vorrichtung nur für
relativ große Partikel mit Abmessungen von etwa 10 µm verwen
det werden. Um Partikel mit kleineren Abmessungen koagulieren
zu lassen, ist es erforderlich, daß das Fluid mehrere Male
durch das Filter zirkuliert. Folglich ist die Verarbeitungs
zeit lang.
Wenn die oben beschriebene Vorrichtung verwendet wird
und der Wirkungsgrad, mit dem die Fremdpartikel zu gröberen
Partikeln koagulieren, erhöht werden soll, ist es außerdem die
einzig anwendbare Methode, die Spannung zum Aufladen des Fil
ters zu erhöhen. Insbesondere wenn beim elektrischen Auflade
verfahren mittels Gleichstrom die angelegte Spannung erhöht
wird, ist die Ladeelektrode von elektrolytische Korrosion be
troffen und ionisiert dadurch die metallische Elektrode. Wenn
z. B. eine Elektrode aus rostfreiem Stahl verwendet wird, ent
steht sechswertiges Chrom. Deshalb ist es schwierig, Abwasser
zu verarbeiten. Folglich bestehen Beschränkungen für die Erhö
hung der angelegten Spannung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein solches Verfah
ren zum elektrischen Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern von
Partikulaten in einem Fluid bereitzustellen, bei dem das zu
verarbeitende Fluid ungehindert in das Filter strömt und das
Fluid in großer Menge gefiltert werden kann, wobei das Verfah
ren ferner so ausgelegt sein soll, daß es eine hohe Fil
terwirkung bietet, ohne daß eine hohe Spannung angelegt werden
muß.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein solches
Verfahren zum elektrischen Aufladen, Koagulieren und Ausfil
tern von Partikulaten in einem Fluid bereitzustellen, bei dem
das Filter elektrisch tief geladen werden kann, um den Wir
kungsgrad, mit dem Fremdpartikel festgehalten werden, zu ver
bessern, d. h. das Verfahren soll in der Lage sein, mikroskopi
sche Fremdpartikulate in der Größenordnung von Angström, z. B.
Farbstoffpartikel, mit hohem Wirkungsgrad auszufiltern.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Filtere
lement bereitzustellen, das in jedem der in den beiden voran
gegangenen Absätzen beschriebenen Verfahren verwendet werden
kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Fluid
filtervorrichtung mit dem in dem vorangegangenen Absatz be
schriebenen Filterelement bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden mit
den in den Ansprüchen 1, 2, 7, 8 bzw. 11 angebenen Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
Um das Problem mit den oben genannten bekannten Techni
ken zu lösen, wurde das Prinzip des Verfahrens zum elek
trischen Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern von Partikulaten
in einem Fluid studiert und wiederholt Untersuchungen und Ex
perimente durchgeführt, die auf den bis dahin gemachten Erfah
rungen basieren. Als Ergebnis wurde ein neues Prinzip und ein
neues Gesetz gefunden, wie nachstehend beschrieben. Die Erfin
dung basiert auf der Grundlage dieser Erkenntnisse.
Das Prinzip des Verfahrens zum elektrischen Aufladen,
Koagulieren und Ausfiltern von Partikulaten in einem Fluid ist
so erschlossen, wie nachstehend beschrieben. In der elektro
chemischen Theorie besitzt jedes Partikulat in einem Fluid ein
Phasengrenzpotential aufgrund des Zeta-Potentials einer elek
trischen Doppelschicht an der Grenze zu dem Fluid. Die Cou
lombsche Kraft, die zu diesem Phasengrenzpotential beiträgt,
kommt zwischen den Partikulaten zur Wirkung. Die Partikulate
schweben also in dem Fluid, während sie sich gegenseitig ab
stoßen. Wenn eine bestimmte Form der externen Energie vor
liegt, um das Phasengrenzpotential zu neutralisieren oder zu
verringern, dann verringert sich die abstoßende Kraft aufgrund
der Coulombschen Kraft. Daraus ergibt sich, daß die intermole
kulare Anziehung, auch van-der-Waalssche Kraft genannt, die
als eine Eigenkraft zwischen den Partikulaten wirkt, stärker
wird als die abstoßende Kraft aufgrund der Coulombschen Kraft.
Folglich ziehen die Partikulate einander an und koagulieren,
wobei sie gröbere Partikulate bilden. Eine genaue Filterung
kann erreicht werden, indem die gröberen Partikel durch ein
Filter befördert werden, dessen Maschen so beschaffen sind,
daß die Partikel festgehalten werden. In diesem Fall, wo die
Maschen gröber ausgeführt sind, ist es weniger wahrscheinlich,
daß eine Verstopfung eintritt. Dadurch werden die Lebensdauer
des Filters verlängert und die Betriebskosten gesenkt.
Das Filtern ist bis zu dieser Stelle konzeptionell er
schlossen worden. Die Beziehungen zwischen den Parametern,
z. B. die Beziehung zwischen der angelegten Spannung, die als
eine externe Energiequelle wirkt, und der Menge der Energie,
die auf jedes Partikulat übertragen wird, und andere Parameter
sind noch nicht erschlossen worden. Deshalb ist es schwierig
gewesen, die wichtigen Faktoren beim Konstruieren der Vorrich
tung zu bewerten. Deshalb ist es schwierig gewesen, eine
Vorrichtung vorzuschlagen, die auf der Grundlage einer ein
heitlichen Theorie verbessert worden ist.
Im Rahmen der Erfindung wurden die folgenden Beziehun
gen zwischen diesen Parametern herausgefunden:
Wenn die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist, gilt:
G = K m f² a² / r² (1).
Wenn die angelegte Spannung eine Gleichspannung ist, gilt:
G = K m a² / r² (2)
wobei gilt: G ist die Gesamtenergie, die auf ein Partikulat
wirkt, K ist eine Konstante, m ist die Masse des Partikulats,
f ist die Frequenz des Wechselstroms, a ist eine Spannung oder
Amplitude, und r ist der Abstand zwischen den elektrischen La
deelektroden.
Die folgenden Bewertungen können auf der Grundlage die
ser allgemeinen Formeln durchgeführt werden. Wir erörtern zu
erst den Fall, wo die angelegte Spannung eine Wechselspannung
ist. Aus Gleichung (1) erkennt man folgendes: Wenn die anderen
Parameter konstant sind und wenn die Nasse m des Partikulats
verringert wird, d. h. wenn sich der Durchmesser des Partiku
lats verringert, verringert sich die Gesamtenergie G, die auf
das Partikulat wirkt. Dadurch wird es schwieriger, das Phasen
grenzpotential zu neutralisieren oder zu verringern. Daraus
kann man erkennen, daß Partikulate mit kleineren Abmessungen
schwerer koagulieren.
Da die Gesamtenergie G in dieser Formel in ein Verhält
nis gesetzt wird zum Quadrat der Frequenz f und zum Quadrat
der Spannung a, kann die neutralisierende Energie, die auf das
Partikulat wirkt, sich logarithmisch erhöhen, indem die Fre
quenz f und die Spannung a erhöht werden. Koagulation und Fil
terung von mikroskopischen Partikulaten kann dadurch erzielt
werden, daß die Spannung a oder die Frequenz f erhöht wird.
Wenn jedoch die Spannung a zu groß gewählt wird, kann
ein dielektrischer Durchschlag eintreten. Auch die Sicherheit
wirft Probleme auf beim Umgang mit der Vorrichtung. Insbeson
dere wenn die angelegte Spannung eine Gleichspannung ist, be
steht eine Tendenz zur elektrolytische Korrosion. Aus diesen
Gründen wird die obere Grenze der Spannung a vom elektrischen
Widerstand des Fluids bestimmt. Im Falle einer Wasserlösung
liegt die obere Grenze bei 25 V/cm. Bei Öl liegt die obere
Grenze bei 500 V/cm. Bei Luft liegt die obere Grenze bei etwa
10 000 V/cm.
Es bestehen ebenfalls Beschränkungen für die Erhöhung
der Frequenz f. Ein Experiment hat folgendes gezeigt. Wenn die
Frequenz 100 kHz überschreitet, verhält sich der Strom in er
ster Linie wie eine elektromagnetische Welle und wirkt sich
schädlich auf das Aufladen- Koagulieren und Ausfiltern aus.
Wenn die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist, wirken
aufgrund der Richtungsänderung der angelegten Spannung eine
anziehende und eine abstoßende Kraft abwechselnd auf das
Partikulat im Fluid. Daher kann die dabei wirkende Energie als
eine Schwingungsenergie definiert werden.
Als nächstes wird der Fall erörtert, wo die angelegte
Energie eine Gleichspannung ist. In diesem Fall ist die allge
meine Formel für die Gesamtenergie G mit der Gleichung (2) ge
geben. Gleichung (2) ist identisch mit Gleichung (1), außer
daß der Parameter f, auch Frequenz genannt, weggelassen ist.
In diesem Fall kann die Kraft, die auf das Partikulat wirkt
und die durch die Gesamtenergie G repräsentiert wird, als eine
Coulombsche Kraft definiert werden. Aus Gleichung (2) erkennt
man folgendes: Wenn die angelegte Spannung eine Gleichspannung
ist, kann der Wirkungsgrad nur verbessert werden, wenn die
Spannung a erhöht wird. Wenn die angelegte Spannung eine
Gleichspannung ist, ist es demnach wichtig, eine hohe Spannung
anzulegen. Um zu verhindern, daß die Ladeelektroden elektroly
tisch korrodieren, wenn eine so hohe Spannung angelegt wird,
sind die Ladeelektroden deshalb aus einem nichtmetallischen Ma
terial hergestellt.
Wenn die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist,
sind somit die Frequenz f und die Spannung a wichtige Fakto
ren, die die Gesamtenergie G bestimmen. Wenn die angelegte
Spannung eine Gleichspannung ist, ist andererseits die Span
nung a ein wichtiger Faktor. Außerdem muß der Abstand r der
Ladeelektroden, der auch ein wichtiger Faktor ist, der sich
auf die Gesamtenergie G auswirkt, erörtert werden. Wie man aus
den Gleichungen (1) und (2) erkennen kann, steht die Gesamt
energie G in umgekehrtem Verhältnis zum Quadrat des Abstands r
der Ladeelektroden, was mit dem allgemeinen Kenntnisstand in
der Theorie einer zwischen zwei Punkten wirkenden Kraft
übereinstimmt. Wie oben erwähnt, bestehen Beschränkungen für
die Erhöhung der Gesamtenergie G, wenn die Frequenz f und die
Spannung a erhöht werden. In diesem Fall ist es wichtig, die
Gesamtenergie G dadurch zu erhöhen, daß man den Abstand r zwi
schen den Ladeelektroden einstellt.
Theoretisch erhöht sich die Gesamtenergie G dadurch,
daß der Abstand r zwischen den Ladeelektroden verringert wird.
Dadurch verbessert sich wiederum der Wirkungsgrad, mit dem
Partikulate zu gröberen Partikeln koagulieren. Es bestehen je
doch Beschränkungen für die Verringerung des Abstands r, weil
es nämlich schwierig ist, die Vorrichtung herzustellen.
Statt den Abstand r zwischen den Ladeelektroden zu ver
ringern, wird erfindungsgemäß eine Filterschicht aus einem
leitenden Material ausgebildet. Diese Filterschicht selbst
wird als eine Ladeelektrode verwendet. Daraus folgt im wesent
lichen, daß der Abstand zwischen der Ladeelektrode und dem
Partikulat sich unbegrenzt nahe gegen Null bewegt. Wenn man
diese technischen Vorrichtungen kombiniert, können für die
Frequenz f und die Spannung a Werte aus normalen Bereichen ge
wählt werden. Dadurch kann der Grad der Freiheit, mit dem die
Vorrichtung konstruiert werden kann, vergrößert werden.
Es wurden auch allgemeine Formeln für die Gesamtenergie
unter Berücksichtigung der Temperatur t des Fluids erörtert
und dabei die folgenden Gleichungen abgeleitet. Wenn die ange
legte Spannung eine Wechselspannung ist, gilt:
G = K m f² a² t/r² (1′).
Wenn die angelegte Spannung eine Gleichspannung ist, gilt:
G = K m a² t/r² (2′)
wobei gilt: G ist die Gesamtenergie, die auf ein Partikulat
wirkt, K ist eine Konstante, m ist die Masse des Partikulats,
f ist die Frequenz des Wechselstroms, a ist eine Spannung oder
Amplitude, und r ist der Abstand zwischen den elektrischen La
deelektroden.
In den Gleichungen (1′) und (2′) sind die Frequenz f,
die Spannung a und der Abstand r zwischen den Ladeelektroden
die Konstruktionsfaktoren des mechanischen Aufbaus der Vor
richtung. Die Elemente, die durch das Fluid bestimmt werden,
sind die Masse m des Partikulats und die Temperatur t des
Fluids. Das heißt, wenn die Frequenz f, die Spannung a, der
Abstand r der Maschine konstant sind, kann die Gesamtenergie
sich erhöhen, wenn die Temperatur t des Fluids erhöht wird.
Daraus folgt, daß die Partikulate bereitwilliger koagulieren.
Ein Verfahren zum Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern
von Partikulaten in einem Fluid ist entwickelt worden auf der
Grundlage der bisher beschriebenen Theorie. Dieses neue Ver
fahren weist die folgenden Schritte auf: Anordnen einer elek
trischen Ladeelektrode in einem Durchgangsbereich, durch den
das Fluid hindurchströmt, wobei die Ladeelektrode aus einem
leitenden Material hergestellt ist, wobei die Ladeelektrode
außerdem wie eine Filterschicht wirkt und zylindrisch ist; Anordnen einer Gegen
elektrode im Durchgangsbereich gegenüber der Ladeelektrode;
Anlegen einer Gleichspannung zwischen der Ladeelektrode und
der Gegenelektrode, um die gesamte Filterschicht elektrisch
aufzuladen, so daß eine Coulombsche Kraft aufgrund der Gleich
spannung in voller Breite auf die Partikulate wirkt, die in
dem Zwischenraum zwischen der Ladeelektrode und der Gegenelek
trode im Fluid schweben, um die Partikulate koagulieren zu
lassen, wobei gröbere Partikel ausgebildet werden; und Hinein
drängen der gröberen Partikel in die Filterschicht mit der
Strömung des Fluids, so daß die Partikel durch die Filter
schicht strömen können, wodurch die Partikulate im Fluid aus
gefiltert werden.
Eine weitere erfindungsgemäße Methode weist folgende
Schritte auf: Anlegen einer Wechselspannung zwischen eine
elektrische Ladeelektrode und eine Gegenelektrode, um die ge
samte Filterschicht elektrisch aufzuladen; und Bewirken, daß
eine Schwingungsenergie, die von der Wechselspannung erzeugt
wird, in voller Breite auf die Partikulate wirkt, die in dem
Zwischenraum zwischen der Ladeelektrode und der Gegenelektrode
im Fluid schweben.
Die Filterschicht, die außerdem wie die Ladeelektrode
wirkt, kann verschiedene Formen haben. Es kann z. B. ein zylin
drisches Filter, das aus einem leitenden Material hergestellt
ist, verwendet werden. Ein Filter, bei dem ein leitendes Mate
rial koaxial angeordnet ist und das die Form eines Hohlbehäl
ters hat, kann auch verwendet werden. Ferner kann ein flaches
Filter, das aus einem leitenden Material hergestellt ist, ver
wendet werden. Dieses flache Filter kann in die Flüssigkeit in
einem vorher installierten Tank eingetaucht werden. Zusätzlich
dazu kann eine Filterschicht, die außerdem wie eine Ladeelek
trode wirkt, unter Verwendung eines leitenden Adsorptionsmit
tels ausgebildet sein.
Die Erfindung bietet außerdem ein Filterelement, das bei
dem oben beschriebenen Verfahren zum Aufladen, Koagulieren und
Ausfiltern von Fremdpartikulaten verwendet wird. Dieses Fil
terelement ist geeignet für die Unterbringung in einem Durch
gangsbereich, durch den ein zu filterndes Fluid strömt, um
Fremdpartikulate im Fluid auszufiltern, wobei das Filterele
ment folgendes aufweist: erste Filterschichten aus einem lei
tenden Material mit zahlreichen Hohlräumen, die das Fluid
durchlassen; zweite Filterschichten, die aus einem dielektri
schen Material oder einem Adsorptionsmittel bestehen und sich
mit den ersten Filterschichten abwechseln; ein oberes dichten
des Isolierpackteil und ein unteres dichtendes Isolierpack
teil, die das obere bzw. das untere Ende der ersten und zwei
ten Filterschichten abschließen, wobei die ersten Filter
schichten als elektrische Ladeelektroden verwendet werden, wo
durch das Filterelement radial tief elektrisch geladen wird.
Anstatt das gesamte Filterelement aus einer Filter
schicht auszubilden, die aus einem leitenden Material herge
stellt ist und die außerdem wie eine Ladeelektrode wirkt, kön
nen viele Filterschichten, die aus einer leitenden Schicht
hergestellt sind und außerdem als Ladeelektroden wirken, im
Gesamtaufbau des Filterelements ausgebildet sein. Filter
schichten, die aus einem leitenden Material hergestellt sind
und die außerdem als Ladeelektroden wirken, können sich mit
Filterschichten aus einem dielektrischen Material oder einem
Adsorptionsmittel abwechseln.
Die Filterschichten aus dem leitenden Material können
aus einem leitenden Material ausgebildet sein, das eine große
Oberfläche hat, z. B. Kohlefasern und Aktivkohle. Die Filter
schichten können z. B. dadurch ausgebildet werden, daß Schnüre
aus Kohlefasern auf eine Spule aufgewickelt werden oder ein
Tuch aus Kohlefasern in mehreren Schichten aufgewickelt wird.
Eine Filtervorrichtung unter Verwendung des Filterele
ments, die so aufgebaut ist, wie oben beschrieben, kann auf
weisen: einen äußeren Zylinder mit einem Eingang, durch den
ein zu filterndes Fluid eingeleitet wird; eine zentrale geer
dete Elektrode, die die Form eines Rohres hat, wobei die Elek
trode außerdem als ein Ausströmbereich für das gefilterte
Fluid wirkt, wobei die zentrale Elektrode die gleiche Polari
tät hat wie der äußere Zylinder; einen Zwischenraum, der zwi
schen dem äußeren Zylinder und der zentralen geerdeten Elek
trode ausgebildet ist; und ein Filterelement, das eine Filter
schicht aufweist, die außerdem als eine elektrische Ladeelek
trode wirkt. Die Filterschicht ist aus einem leitenden Mate
rial hergestellt und in dem Zwischenraum angeordnet. Eine
Spannung, die dem spezifischen Widerstand des Fluids ent
spricht, wird zwischen das Filterelement und jeweils den äuße
ren Zylinder und die zentrale geerdete Elektrode angelegt.
Zunächst wird das Prinzip des neuen Verfahrens zum Auf
laden, Koagulieren und Ausfiltern von Partikulaten in einem
Fluid, wenn die angelegte Spannung eine Wechselspannung ist,
beschrieben. Danach wird das Prinzip des Verfahrens, wenn die
angelegte Spannung eine Gleichspannung ist, beschrieben.
Da die angelegte Spannung ihre Polarität ändert,
schwingt jedes Partikulat in ständiger Wiederholung. Wenn die
Spannung a erhöht wird, erhöht sich die Amplitude der Schwin
gung jedes Partikulats. Wenn die Spannung a in einem bestimm
ten Maße steigt, wird sie stärker als die abstoßende Kraft der
Coulombschen Kraft, die zwischen den Partikulaten mit der
gleichen Polarität des Phasengrenzpotentials wirkt, so daß die
Partikulate einander sehr nahekommen. Eine starke intermoleku
lare Kraft wirkt zwischen den Partikulaten. Daraus ergibt
sich, daß die Partikulate koagulieren, um gröbere Partikel
auszubilden. Da die Wechselspannung eine Gleichspannungskompo
nente enthält, hebt diese Gleichspannungskomponente die Pha
sengrenzpotentiale der Partikulate auf. Dadurch wird die Ko
agulation und die Vergröberung der Partikulate gefördert.
Da die Frequenz f die Anzahl der Wiederholungen der
Schwingungen ist, ergibt sich folgendes: Wenn die Anzahl
steigt, werden die Phasengrenzpotentiale häufiger aufgehoben.
Wenn also die Frequenz f steigt, beschleunigt sich demnach die
Koagulation und die Vergröberung der Partikulate. Wenn die
Masse m sich verringert, ist es erforderlich, die Spannung a
oder die Frequenz f zu erhöhen. Insbesondere wenn Beschränkun
gen für die Spannung a vorhanden sind, ist es wichtig, die
Frequenz f zu erhöhen, um eine Energie zu erzielen, die not
wendig ist, um die Phasengrenzpotentiale aufzuheben.
Wenn der Abstand r zwischen den Elektroden sich verrin
gert, wird das elektrische Feld stärker, und die Energie, die
auf jedes Partikulat übertragen wird, steigt. Wenn jede Elek
trode ihren Abstand verringert, erhöht sich die Kraft, die das
Phasengrenzpotential des Partikulats aufhebt. Deshalb ist die
elektrische Ladeelektrode erfindungsgemäß aus einem leitenden
Material hergestellt. Daraus folgt im wesentlichen, daß der
Abstand zwischen den Elektroden sich unbegrenzt nahe gegen
Null bewegt. Beim Aufladen mittels Wechselstrom tritt die Ko
agulation im elektrischen Feld und in der Nähe der Ladeelek
trode ein. Koagulierte Partikulate werden mit der Strömung des
Fluids mitbefördert und sammeln sich auf der Oberfläche der
Filterschicht, wobei eine Kuchenschicht bzw. eine zusammenge
backene Nasse entsteht. Diese Kuchenschicht wirkt als eine
vorläufige Filterschicht. Dadurch wird verhindert, daß der
Grundkörper der Filterschicht verstopft. Außerdem wird die
Filtergenauigkeit verbessert.
Partikulate mit positiven Phasengrenzpotentialen werden
zu der geerdeten Elektrode hin angezogen, die eine negative
Elektrode ist, und zwar durch eine Coulombsche Kraft, und so
mit sammeln sich die Partikulate. Die positiven Phasengrenzpo
tentiale der Partikulate werden an der Oberfläche der geerde
ten Elektrode neutralisiert, so daß die Partikulate elektrisch
neutral werden. Die Partikulate ziehen sich durch intermoleku
lare Anziehung einander an, verbinden sich und koagulieren.
Die koagulierten Partikulate ohne Potential werden von der
Strömung des Fluids mitbefördert und sammeln sich an der Ober
fläche der Ladeelektrode, wobei eine Kuchenschicht entsteht.
Diese Kuchenschicht wirkt als eine vorläufige Filterschicht
ebenso wie bei der Aufladung mittels Wechselstrom.
Die geerdete Elektrode zieht immer die positiven Parti
kulate durch eine Coulombschen Kraft an, und deshalb neigt die
Oberfläche ständig zum Verstopfen. Folglich ist es erforder
lich, daß die Oberfläche gelegentlich gereinigt wird.
Andererseits werden Partikulate mit negativen Phasen
grenzpotentialen zu der Oberfläche der Filteroberfläche eines
positiven Potentials hin angezogen, das aus einem leitenden
Material hergestellt ist, und zwar durch eine Coulombschen
Kraft, und somit sammeln sich die Partikulate. Die Phasen
grenzpotentiale gehen an der Oberfläche der Filterschicht ver
loren. Die Partikulate ziehen durch die intermolekulare An
ziehung einander an, so daß sie koagulieren. Auf diese Weise
wird eine Kuchenschicht auf der Oberfläche der Filterschicht
ausgebildet. Das Fluid strömt durch die Hohlräume in der Ku
chenschicht und wird gefiltert. Partikulate mit negativen Pha
sengrenzpotentialen werden mit einem hohen Wirkungsgrad ausge
filtert, weil die Adsorptionsfilterung ebenfalls auf sie
wirkt, d. h. sie werden ständig zum positiven Potential der
Filterschicht hin durch eine Coulombsche Kraft angezogen und
sammeln sich dort.
Wenn die Ladeelektrode, die außerdem als eine Filter
schicht wirkt, aus einem nichtmetallischen leitenden Material
hergestellt ist, strömen keine schädlichen Metallionen wegen
elektrolytischer Korrosion aus. In diesem Fall kann eine ziem
lich hohe Spannung angelegt werden. Daher ist es möglich, die
angelegte Spannung bis zu dem Wert zu erhöhen, bei dem die
Neutralisierung des Phasengrenzpotentials mit hohem Wirkungs
grad erfolgt. Somit können selbst ultramikroskopische Parti
kel, z. B. Farbstoffpartikel in der Größenordnung von Ångström,
entfernt werden.
Wenn eine Wasserlösung verarbeitet wird und wenn eine
hohe Spannung angelegt wird, entsteht eine große Menge Wasser
stoffgas, das von der negativen Elektrode kommt, während eine
große Menge Sauerstoffgas entsteht, das von der positiven
Elektrode kommt, und zwar aufgrund der Elektrolyse der Wasser
lösung. Es müssen daher gesonderte Maßnahmen ergriffen werden,
um die Möglichkeit auszuschließen, daß das Mischgas aus Was
serstoff und Sauerstoff Feuer fängt und explodiert.
Ein spezifisches Beispiel für das Filterelement, das
auf der Grundlage des oben beschriebenen Prinzips aufgebaut
ist, filtert ein Fluid so, wie nachstehend beschrieben. Fremd
partikulate im Fluid, das in das Filterelement strömt, strömen
durch die Filterschicht, die außerdem wie die Ladeelektrode
wirkt, wobei die Filterschicht zahlreiche Hohlräume hat, die
das Fluid durchlassen. Wenn das Fluid durch die Filterschicht
strömt, werden Fremdpartikulate direkt durch eine Coulombsche
Kraft angezogen, die durch die Spannung erzeugt wird, die di
rekt an der Filterschicht anliegt, und werden in der Filter
schicht festgehalten. Das leitende Material ist in mehreren
Schichten über dem gesamten Filterelement oder in dem Element
ausgebildet. Deshalb wird die gesamte Filterschicht elektrisch
aufgeladen, oder ein großer Bereich der Filterschicht wird
elektrisch aufgeladen. Während des gesamten Vorganges des
Durchströmens des Fluids durch das Filter wirkt daher eine
starke Coulombsche Kraft auf das Fluid. Daher können Fremdpar
tikulate mit hohem Wirkungsgrad selbst in vertieften Abschnit
ten des Filters festgehalten werden. Da die Fremdpartikulate
durch die Coulombsche Kraft festgehalten werden, können die
Fremdpartikulate, die viel kleiner sind als die Maschen der
Filterschicht, die aus dem leitenden Material hergestellt ist,
mit hohem Wirkungsgrad festgehalten werden.
Zusätzlich zu der direkten Anziehung durch die Coulomb
sche Kraft hebt die Wirkung des elektrischen Feldes das Zeta
potential jedes Fremdpartikulats auf. Dadurch werden die Ko
agulation und die Vergröberung der Fremdpartikulate gefördert.
Daraus ergibt sich, daß die Filterschicht die Fremdpartikulate
besser festhalten kann.
Insbesondere wenn die Filterschicht, die außerdem wie
die Ladeelektroden wirkt, aus einem leitenden Material mit ei
ner großen Oberfläche hergestellt ist, z. B. Kohlefasern oder
Aktivkohle, tragen alle engen mikroskopischen Oberflä
chenabschnitte zur Funktion der Ladeelektrode bei. Folglich
können Fremdpartikulate in dem verarbeiteten Fluid mit hohem
Wirkungsgrad festgehalten werden. Außerdem kann eine große
Menge des Fluids mit hohem Wirkungsgrad verarbeitet werden,
weil im wesentlichen unzählige Zwischenräume, die das Fluid
durchlassen, zwischen den Fasern oder in der Aktivkohle ausge
bildet werden.
In einer Filtervorrichtung mit einem solchen Filterele
ment wird das zu verarbeitende Fluid vom Eingang her, der im
äußeren Zylinder ausgebildet ist, eingeleitet, und strömt
durch das Filterelement radial nach innen, wobei Fremdpartiku
late im Fluid entfernt werden. Das gefilterte Fluid verläßt
die Vorrichtung durch den Ausgang, der an einem Ende der
rohrähnlichen Elektrode ausgebildet ist, die außerdem wie die
geerdete Elektrode wirkt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand
der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine konzeptionelle Darstellung des Koagulati
onsvorgangs von Partikulaten, wenn eine Gleichspannung erfin
dungsgemäß angelegt wird;
Fig. 2 eine konzeptionelle Darstellung wie in Fig. 1,
wobei jedoch eine Wechselspannung angelegt wird;
Fig. 3 eine geschnittene perspektivische Ansicht eines
erfindungsgemäßen Filterelements;
Fig. 4 eine geschnittene Ansicht des Filterelements ge
mäß Fig. 3;
Fig. 5 (I) und (II) fragmentarische vergrößerte Ansich
ten von Modifikationen des Kerns des Filterelements gemäß Fig.
3 und 4;
Fig. 6 (I) eine Seitenansicht des Fadens, der eines der
Materialien der Filterschicht ist, die aus einem leitenden Ma
terial besteht;
Fig. 6 (II) eine Seitenansicht einer Schnur, die eines
der Materialien der Filterschicht bildet;
Fig. 6 (III) eine Vorderansicht eines Flachmaterials,
das eines der Materialien der Filterschicht bildet;
Fig. 6 (IV) eine perspektivische Ansicht eines Zylin
ders, aus dem eine erfindungsgemäße Filterschicht gebildet
werden kann;
Fig. 7 eine geschnittene Ansicht eines Filterelements
mit einer Vielzahl von Filterschichten aus einem leitenden Ma
terial;
Fig. 8 (I) einen horizontalen Schnitt eines weiteren
erfindungsgemäßen Filterelements;
Fig. 8 (II) einen vertikalen Schnitt des Filterelements
gemäß Fig. 8 (I);
Fig. 9 (I) einen horizontalen Schnitt eines weiteren
erfindungsgemäßen Filterelements;
Fig. 9 (II) einen vertikalen Schnitt eines Filterele
ments (I) gemäß Fig. 9 (I);
Fig. 10 (I) einen horizontalen Schnitt eines weiteren
erfindungsgemäßen Filterelements;
Fig. 10 (II) einen vertikalen Schnitt des Filterele
ments gemäß Fig. 10 (I);
Fig. 11 einen horizontalen Schnitt einer erfindungsge
mäßen Fluidfiltervorrichtung;
Fig. 12 einen vertikalen Schnitt der Fluidfiltervor
richtung gemäß Fig. 11;
Fig. 13 einen horizontalen Schnitt einer weiteren er
findungsgemäßen Fluidfiltervorrichtung;
Fig. 14 einen vertikalen Schnitt der Fluidfiltervor
richtung gemäß Fig. 13;
Fig. 15 einen horizontalen Schnitt einer weiteren er
findungsgemäßen Fluidfiltervorrichtung;
Fig. 16 einen vertikalen Schnitt der Fluidfiltervor
richtung gemäß Fig. 15;
Fig. 17 einen horizontalen Schnitt einer weiteren er
findungsgemäßen Fluidfiltervorrichtung;
Fig. 18 einen vertikalen Schnitt der Fluidfiltervor
richtung gemäß Fig. 17;
Fig. 19 einen horizontalen Schnitt einer weiteren er
findungsgemäßen Fluidfiltervorrichtung;
Fig. 20 einen vertikalen Schnitt der erfindungsgemäßen
Fluidfiltervorrichtung gemäß Fig. 19;
Fig. 21 einen horizontalen Schnitt einer weiteren er
findungsgemäßen Fluidfiltervorrichtung;
Fig. 22 einen vertikalen Schnitt der Fluidfiltervor
richtung gemäß Fig. 21;
Fig. 23 eine horizontale Ansicht des Endes einer Fil
tereinheit, die in einem Tank installiert ist, der bereits an
geordnet ist; und
Fig. 24 eine vertikale Endansicht der Filtereinheit ge
mäß Fig. 23.
Die Art und Weise, wie Partikulate durch das neue Ver
fahren zum Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern von Partikula
ten zu gröberen Partikeln koagulieren, wird nachstehend mit
Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt den Vorgang der Koagulation und der Ver
gröberung von Partikulaten bei einer Aufladung mittels Gleich
strom. X ist eine elektrische Ladeelektrode. Y ist eine geer
dete Elektrode. Die Ladeelektrode X ist aus einem leitenden
Material hergestellt, das mit zahlreichen Hohlräumen versehen
ist, durch die das Fluid strömt. Die Ladeelektrode X wirkt au
ßerdem wie eine Filterschicht.
Partikulate 101 und 102 haben ein positives Phasen
grenzpotential. Eine abstoßende Kraft, die durch eine Coulomb
sche Kraft erzeugt wird, wirkt zwischen den Partikulaten 101
und 102, wie durch die Pfeile 103 angezeigt wird. Wenn die
Gleichspannung zwischen die Ladeelektrode X und die geerdete
Elektrode Y angelegt wird, um ein elektrisches Feld auf die
Partikulate 101 und 102 auszuüben, werden diese zu der geerde
ten Elektrode Y mit einem negativen Potential aufgrund der
Coulombschen Kraft in die Richtungen hin angezogen, die durch
die Pfeile 104 bzw. 105 angezeigt werden. Sie sammeln sich auf
der Oberfläche der geerdeten Elektrode Y. Das positive Poten
tial der Partikulate 101 und 102 wird durch das negative Po
tential der geerdeten Elektrode Y neutralisiert, und die Par
tikulate ziehen dann durch die intermolekulare Kraft einander
an, die mit dem Pfeil 108 angezeigt wird. Sie koagulieren
also, wie durch 110 angezeigt wird. Die Partikulate, die auf
diese Weise zu gröberen Partikeln koaguliert sind, werden mit
der Strömung des Fluids mitgeführt, die durch 111 angezeigt
wird, und bewegen sich zur Ladeelektrode X hin. Danach sammeln
sich die Partikel auf der Oberfläche der Ladeelektrode X, wie
durch 112 angezeigt wird.
Andererseits werden die Partikulate 201 und 202 mit ne
gativem Phasengrenzpotential angezogen durch das positive Po
tential der Ladeelektrode X und sammeln sich auf der Oberflä
che der Ladeelektrode X. Das negative Phasengrenzpotential der
Partikulate 201 und 202 wird neutralisiert durch das positive
Potential der Ladeelektrode X. Die Partikulate 201 und 202,
die gegenwärtig elektrisch neutral sind, koagulieren durch die
intermolekulare Kraft 203 und sammeln sich auf der Oberfläche
der Ladeelektrode X.
Auf diese Weise sammeln sich die Partikulate 101, 102
mit positivem Phasengrenzpotential und die Partikulate 201,
202 mit negativem Phasengrenzpotential alle auf der Oberfläche
der Ladeelektrode X, während sie zu gröberen Partikeln koagu
lieren. Ob das Phasengrenzpotential jedes Partikulats, das in
einem Fluid schwebt, positiv oder negativ ist, hängt ab von
der Art des Fluids und auch von der Art des Fremdpartikulats.
Häufig sind Partikulate mit positivem Phasengrenzpotential und
Partikulate mit negativen Phasengrenzpotential vermischt.
Die koagulierten Partikulate an der Oberfläche der La
deelektrode x dringen in die Ladeelektrode X ein mit der Strö
mung des Fluids, wobei die Ladeelektrode außerdem wie eine
Filterschicht wirkt. Abschnitte der koagulierten Partikulate
setzen sich an der Oberfläche der Elektrode X ab und erzeugen
dabei eine Kuchenschicht 112. Koagulierte Partikulate, die
daraufhin in die Filterschicht oder in die Ladeelektrode X
strömen, strömen durch die Kuchenschicht, die an der Oberflä
che der Ladeelektrode X ausgebildet wird, wobei die Partiku
late vorläufig ausgefiltert werden. Die Partikulate, die dann
in die Filterschicht oder in die Ladeelektrode x eindringen,
strömen durch die Maschen der Filterschicht und dringen tief
in die Filterschicht ein. Wie 113, 114, 115 und 116 zeigen,
wird die Korngröße der koagulierten Partikulate, die durch die
Maschen strömen, nach und nach kleiner. Die Filterschicht oder
die Ladeelektrode X ist aus einem leitenden Material herge
stellt und vollständig elektrisch aufgeladen. Deshalb erzeugen
die koagulierten Partikulate, die durch die Filterschicht
strömen, eine Kuchenschicht auch in der Filterschicht. Dies
trägt zu einer Verbesserung der Filtergenauigkeit bei.
Auf diese Weise koagulieren die Partikulate schließlich
und werden durch die Filterschicht ausgefiltert, ganz gleich,
ob das Phasengrenzpotential jedes Partikulats positiv oder ne
gativ ist. Wie oben erwähnt, werden Partikulate mit positivem
Phasengrenzpotential ständig zur geerdeten Elektrode Y hin an
gezogen, die eine negative Elektrode ist, und die Partikulate,
die auf der Oberfläche der geerdeten Elektrode Y koaguliert
und vergröbert worden sind, werden mit der Strömung des Fluids
zur Ladeelektrode X hin mitgeführt. Einige Partikulate bewegen
sich jedoch nicht von der Oberfläche der geerdeten Elektrode Y
weg, sondern verbleiben an der Oberfläche und kontaminieren
somit die Oberfläche der geerdeten Elektrode Y. Deshalb ist es
erforderlich, die Oberfläche der geerdeten Elektrode Y regel
mäßig zu reinigen.
Fig. 2 zeigt den Vorgang der Koagulation und des Ver
gröberns der Partikulate bei Aufladung mittels Wechselstrom.
Ebenso wie bei dem oben beschriebenen Aufladen mittels Gleich
strom ist X eine elektrische Ladeelektrode und Y eine geerdete
Elektrode. Da die Polarität beim Aufladen mittels Wechselstrom
ständig wechselt, verändern sich die Potentiale und die Pola
ritäten der Elektroden ständig.
Bei Aufladung mittels Wechselstrom wirkt eine Kraft
zwischen den Partikulaten 301 und 302 derartig, daß sich der
Abstand zwischen ihnen durch die Schwingungsenergie verrin
gert, die durch die Frequenz und die Spannung der Ladestrom
versorgung bestimmt wird, unabhängig von den Polaritäten der
Phasengrenzpotentiale der Partikulate 301 und 302. Wenn der
Abstand zwischen den Partikulaten unter einen bestimmten Wert
abfällt, erhöht sich die intermolekulare Kraft plötzlich. Das
führt dazu, daß die intermolekulare Anziehung größer wird als
die abstoßende Kraft, die durch eine Coulombsche Kraft erzeugt
wird, wodurch die Partikulate koagulieren. Wie durch 303 ange
zeigt wird, koagulieren demzufolge Partikulate in Positionen,
die von der Ladeelektrode X und von der geerdeten Elektrode Y
entfernt sind. Da die Wechselspannung eine Gleichspannungskom
ponente enthält, werden die Phasengrenzpotentiale der in der
Nähe befindlichen Partikulate neutralisiert.
Die koagulierten Partikulate werden mit der Strömung
des Fluids mitgeführt, bewegen sich zu der gefilterten Schicht
oder der Ladeelektrode X hin und werden ausgefiltert, wobei
Kuchenschichten an und in der Oberfläche der Filterschicht
entstehen, ebenso wie bei Aufladung mittels Gleichstrom.
Bei dem neuen Verfahren zum Aufladen, Koagulieren und
Ausfiltern von Partikulaten verhalten sich die Partikulate im
Fluid so, wie oben beschrieben. Filterelemente und Fluidfil
tervorrichtungen, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Theorie gebaut worden sind, werden nachstehend beschrieben.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines erfin
dungsgemäßen Filterelements. Fig. 4 ist eine geschnittene An
sicht dieses Filterelements. Dieses Filterelement, allgemein
mit F bezeichnet, weist auf: einen Kern 2 mit zahlreichen Lö
chern 1 zum Durchlassen das Fluids, eine leitende Filter
schicht 3, die ausgebildet wird durch Wickeln von schnurförmi
gen oder fadenähnlichen Fasern auf den Kern 2, einen oberen
Ring 4 und einen unteren Ring 4. Die Ringe 4 sind am oberen
bzw. unteren Ende der Filterschicht 3 angeordnet und wirken
außerdem wie Dichtungsteile. Der Kern 2 und die Ringe 4 der
Isolierpackung sind aus Polypropylen oder einem anderen Kunst
harz hergestellt, das einen ausgezeichneten Widerstand gegen
Korrosion und chemische Widerstandsfähigkeit aufweist. Obwohl
der Kern 2 normalerweise aus einem Kunstharz hergestellt ist,
gilt folgendes: Wenn die Isolierung keine Probleme verursacht
und wenn das Filterelement F in eine Filtervorrichtung einge
bracht wird, kann der Kern 2 auch aus einem Metall hergestellt
werden. Der Kern 2 kann ein Zylinder sein, dessen Oberfläche
mit zahlreichen Löchern versehen ist, wie Fig. 5 (I) zeigt.
Als Alternative dazu kann der Kern 2 aus einem Netz bestehen,
wie in Fig. 5 (II) dargestellt ist.
Das leitende Fasermaterial der Filterschicht ist nicht
auf Kohlefasern beschränkt. Wie oben beschrieben, kann das fa
denähnliche (Fig. 6 (I)) oder schnurförmige (Fig. 6 (II)) Fa
sermaterial um den Kern 2 gewickelt sein. Wie Fig. 6 (III)
zeigt, kann ein Fasermaterial in der Form eines Tuches, eines
Netzes oder eines Flachmaterials auf den Kern 2 aufgewickelt
sein. Ferner kann ein Zylinder 5, wie in Fig. 6 (IV) darge
stellt, direkt ausgebildet sein, indem Kohlefasern oder dgl.
durch Zusammendrücken geformt werden, und dieser Zylinder 5
kann dann verwendet werden. Außerdem ist das Material der Fil
terschicht nicht auf leitende Fasermaterialien beschränkt.
Sintermetalle, leitende poröse Keramikmaterialien und Aktiv
kohle mit relativ großer Porosität können z. B. auch verwendet
werden. Die Maschen des Filterelements, das auf diese Weise
hergestellt wird, sind mit etwa 25 bis 50 µm festgelegt, was
größer ist als die Maschen des Filterelements, das in der be
kannten Vorrichtung verwendet wird, und viel größer ist als
die auszufilternden Fremdpartikel.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Filterelement, mit F gekenn
zeichnet. Bei diesem Filterelement sind die Filterschichten 3,
die außerdem als Ladeelektroden wirken, aus einem leitenden
Material hergestellt und wechseln sich mit Filterschichten A
und B ab. Die Filterschicht A besteht z. B. aus einem Adsorpti
onsmittel, z. B. Aktivkohle oder einem Ionenaustausch-Harz. Die
Filterschicht B kann aus einem dielektrischen Material unter
Verwendung dielektrischer Fasern bestehen. Die Filterschichten
3, die aus dem leitenden Material hergestellt sind, sind durch
ein leitendes Material (nicht dargestellt) miteinander elek
trisch verbunden und befinden sich auf dem gleichen Potential.
Der spezifische Aufbau der Filterschichten A und B ist nicht
auf den oben beschriebenen Aufbau beschränkt. Die Positionen
der Filterschicht des Adsorptionsmittels und der Filterschicht
des dielektrischen Materials können ausgetauscht werden. Fer
ner können die Filterschichten A und B beide aus einem Adsorp
tionsmittel oder einem dielektrischen Material hergestellt
sein.
Wenn man als nächstes Fig. 8 (I) und (II) betrachtet,
sieht man ein weiteres Filterelement, das dem Filterelement
gemäß Fig. 4 ähnlich ist, außer daß der Kern weggelassen wor
den ist. Das Element setzt sich völlig aus einer Filterschicht
3 aus einem leitenden Material zusammen, ebenso wie das Filte
relement gemäß Fig. 4.
Wenn man Fig. 9 (I) und (II) betrachtet, sieht man ein
Filterelement zum Wechseln. Dieses Filterelement, allgemein
mit F bezeichnet, weist auf: einen äußeren Zylinder 401, einen
inneren Zylinder 402, eine äußere Filterschicht 403, die auf
der inneren Oberfläche des äußeren Zylinders 401 ausgebildet
ist, eine innere Filterschicht 404, die auf der äußeren Ober
fläche des inneren Zylinders 402 ausgebildet ist, und ein Ad
sorptionsmittel 405, das den inneren Zwischenraum zwischen der
äußeren Filterschicht 403 und der inneren Filterschicht 404
ausfüllt und dabei ein auswechselbares Paket bildet. Der äu
ßere Zylinder 401 und der äußere Zylinder 402 sind jeweils aus
einer porösen Platte hergestellt, die aus einem leitenden Ma
terial hergestellt ist. Die Filterschichten 403 und 404 sind
aus einem leitenden Material hergestellt und haben eine be
stimmte Dicke.
Wenn man Fig. 10 (I) und (II) betrachtet, sieht man ein
weiteres Filterelement. Dieses Filterelement, allgemein mit F
bezeichnet, besteht aus einem koaxialen Hohlzylinder mit einem
äußeren Zylinder 401, einem inneren Zylinder 402, einer äuße
ren Filterschicht 403, die auf der inneren Oberfläche des äu
ßeren Zylinders 401 ausgebildet ist, und einer inneren Filter
schicht 404, die auf der äußeren Oberfläche des inneren Zylin
ders 402 ausgebildet ist. Der äußere Zylinder 401 und der in
nere Zylinder 402 sind jeweils aus einer porösen Platte herge
stellt, die aus einem leitenden Material hergestellt ist. Die
Filterschichten 403 und 404 sind aus einem leitenden Material
hergestellt und haben eine bestimmte Dicke. Ein Eingang 406
ist an der Oberfläche des oberen Endes des Filterelements F
ausgebildet. Ein kontaminiertes Fluid wird in den Zwischenraum
im Element F durch den Eingang 406 gedrückt. Das Fluid, das
durch den äußeren Zylinder 401 und den inneren Zylinder 402
geströmt ist, strömt nach draußen ab.
Die Filterelemente F, die so aufgebaut sind, wie oben
beschrieben, sind in Filtervorrichtungen angeordnet und werden
so verwendet. Fig. 11 und 12 zeigen den grundsätzlichen Aufbau
einer Filtervorrichtung mit einem Filterelement F, das ebenso
beschaffen ist, wie das Filterelement gemäß Fig. 3 und 4. Die
Filtervorrichtung weist einen äußeren Zylinder 7 und eine zen
trale geerdete Elektrode 9 auf. Der äußere Zylinder 7 ist aus
gestattet mit einem Eingang 6, durch den ein zu filterndes
Fluid eintritt. Die geerdete Elektrode 9 hat die Form eines
Rohres und wirkt außerdem wie ein Austrittsbereich für das ge
filterte Fluid. Die geerdete Elektrode 9 hat einen Ausgang 8
an ihrem unteren Ende. Das Element F ist in dem Zwischenraum
zwischen dem äußeren Zylinder und der zentralen geerdeten
Elektrode 9 untergebracht, wobei bewirkt wird, daß das Fluid
durch den Zwischenraum sich bewegt. Das Filterelement F ist
entfernbar in einer Position angeordnet, indem ein oberes Iso
lierpackteil 4 und ein unteres Isolierpackteil 4 mit einem
oberen Filterhalter 10 bzw. einem unteren Filterhalter 11
festgehalten wird. Die Halter 10 und 11 sind aus einem Iso
liermaterial hergestellt. Da die Isolierpackteile 4 am oberen
Ende bzw. am unteren Ende des Filterelements angeordnet sind,
kann die Bildung eines Zwischenraums zwischen dem oberen Fil
terhalter 10, dem unteren Filterhalter 11 und dem Filterele
ment F vollständig verhindert werden. Damit das Fluid die Vor
richtung durch den Ausgang 8 und durch die zentrale geerdete
Elektrode 9 verlassen kann, muß das Fluid durch das Filterele
ment F strömen. Der Eingang 6 ist in der Nähe des unteren
Teils des unteren Zylinders 7 ausgebildet. Eine Öffnung ist am
oberen Ende der geerdeten Elektrode 9 ausgebildet. Wenn das
Fluid vom Eingang 6 unter Druck, der von einer Pumpe oder dgl.
kommt, eintritt, strömt das Fluid durch das Filterelement F
nach oben, erreicht die Öffnung 12 am oberen Ende der zentra
len geerdeten Elektrode 9, strömt durch die geerdete Elektrode 9
und verläßt die Vorrichtung durch den Ausgang 8, der am un
teren Teil der geerdeten Elektrode 9 ausgebildet ist. Somit
besteht eine Umgehungsstrecke, auch Bypass genannt.
Der äußere Zylinder 7 und die zentrale geerdete Elek
trode 9 sind auf dem gleichen Potential. Dagegen wird an das
Filterelement F ein Potential angelegt. Zu diesem Zweck er
strecken sich Zuleitungen 14 von einer extern installierten
Ladestromversorgung 13. Eine der Zuleitungen 14 ist mit den
äußeren Zylinder 7 verbunden. Die andere wird in den äußeren
Zylinder 7 geführt, wobei sie elektrisch vom äußeren Zylinder
über einen Isolator 15 getrennt ist. Eine Ladefeder 16 wird
gegen die Oberfläche des Filterelements F gedrückt. Auf diese
Weise wird über die Feder 16 ein Potential auf das gesamte
Filterelement übertragen.
Die Art der angelegten Spannung und die Amplitude wer
den entsprechend gewählt, und zwar je nach Art des verarbeite
ten Fluids und je nach Art der zu entfernenden Fremdpartikel.
Es kann z. B. eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung von
0,1 bis 5 000 V/cm oder eine Kombination aus einer Gleichspan
nung und einer Wechselspannung verwendet werden. Jedes Parti
kulat in einem Fluid ist elektrisch positiv oder negativ auf
geladen, je nach Art des Fluids und je nach Art des Partiku
lats selbst. Ebenso variiert das Phasengrenzpotential oder das
Zeta-Potentials entsprechend dem spezifischen Widerstand des
Fluids. Deshalb ist es erforderlich, den Wert der Ladespannung
und die Polarität entsprechend der Art des Fluids und der Art
des Partikulats festzulegen. Das Vorzeichen kann zwischen po
sitiv und negativ unter Verwendung eines Schalters umgeschal
tet werden. Die Spannung kann mit einem Rheostat eingestellt
werden.
Bei der Filtervorrichtung dieser Bauart wird das zu
verarbeitende Fluid vom Eingang 6 her in die Filtervorrichtung
in der Nähe des unteren Teils des äußeren Zylinders 7 unter
Verwendung einer Pumpe oder dgl. hineingepumpt. Das Fluid, das
vom Eingang 6 kommt, strömt durch das Filterelement F nach
oben, erreicht die Öffnung 12 am oberen Ende der zentralen
geerdeten Elektrode 9, strömt nach unten in der geerdeten
Elektrode 9 und verläßt die Vorrichtung durch den Ausgang 8 am
unteren Teil der geerdeten Elektrode 9.
Da das Filterelement F vollständig aus einem leitenden
Fasermaterial besteht, z. B. Kohlefasern, ist das gesamte Ele
ment auf dem gleichen Potential. Fremdpartikulate im Fluid,
die durch das Filterelement strömen, werden direkt stark zum
Element F durch eine Coulombsche Kraft angezogen und durch die
Kohlefasern festgehalten, die das Filterelement F bilden. Da
Partikulate durch die Coulombsche Kraft angezogen werden, kön
nen Partikulate, die viel größer sind als die Maschen des Fil
terelements, z. B. schwarze Kohlepartikel mit einem Durchmesser
von etwa 0,1 µm und Farbstoffpartikel in der Größenordnung von
mehreren Angström, festgehalten werden. Weil die festgehalte
nen Partikulate viel kleiner sind als die Maschen, kann das
Filterelement für eine lange Zeit als eine Filterschicht wir
ken, ohne zu verstopfen. Diejenigen Partikulate, die elek
trisch zum Filterelement hin angezogen werden, befinden sich
auf dem gleichen Potential wie das Filterelement. Die elek
trisch geladene Schicht der anhaftenden Partikulate bildet
eine Filtermaterialschicht, auch Precoatschicht genannt, oder
eine Kuchenschicht. Daraus ergibt sich im wesentlichen, daß
die Maschengröße verringert wird. Die Filtergenauigkeit wird
verbessert. Diese Vorteile können auch erreicht werden, wenn
Aktivkohle verwendet wird.
Die Partikulate werden direkt durch die Coulombsche
Kraft angezogen. Außerdem hebt das elektrische Feld, das auf
die Partikulate wirkt, das Zeta-Potential der Partikulate auf.
Daraus ergibt sich, daß die intermolekulare Kraft die Koagula
tion und die Vergröberung der Partikulate fördert. Somit wer
den die Partikulate mit höherem Wirkungsgrad festgehalten.
Bei dem vorliegenden Beispiel der Fluidfiltervorrich
tung wirkt das gesamte Filterelement als eine Filterschicht
und außerdem als eine Ladeelektrode. Das Filterelement ist
vollständig auf dem gleichen Potential. Deshalb wird das Fluid
durch das Filterelement angezogen durch die Anziehungskraft,
die durch eine Coulombsche Kraft entsteht. Ferner besteht das
Filterelement aus Kohlefasern. Mikroskopisch betrachtet, sam
meln sich unzählige fadenähnliche Fasern in großer Nähe zuein
ander. Die Fasern üben elektrische Anziehungskraft auf Fremd
partikulate im Fluid aus, und zwar von ziemlich geringen Ent
fernungen aus. Folglich ist die Filtergenauigkeit sehr hoch.
Außerdem werden beinahe unzählige Zwischenräume, durch die das
Fluid strömt, zwischen den benachbarten Fasern ausgebildet.
Folglich kann eine große Menge des Fluids mit einem hohen Wir
kungsgrad verarbeitet werden.
Da Fremdpartikulate durch die Coulombsche Kraft festge
halten werden, können die Maschen des Filters viel größer sein
als die Abmessungen der Fremdpartikulate. Auf diese Weise er
zielt man eine Fluidfiltervorrichtung, die eine ausgezeichnete
Filtergenauigkeit hat, kaum verstopft und eine lange Lebens
dauer hat. Wenn das Filterelement nach einer langen Daueran
wendung verstopft ist, ist nichts weiter zu tun als das
Filterelement zu wechseln.
Wenn man Fig. 13 und 14 betrachtet, sieht man eine Fil
tervorrichtung mit der gleichen Art von Filterelement F wie
das Filterelement gemäß Fig. 7. Das Filterelement F dieser
Vorrichtung weist auf: Filterschichten 3 aus einem leitenden
Material, eine Filterschicht A, die sich zwischen den Filter
schichten 3 befindet, einen Kern 2 und eine Filterschicht B,
die sich zwischen der inneren Filterschicht 3 und dem Kern 2
befindet. Die Filterschicht 3 wirkt außerdem als Ladeelektro
den. Die Filterschicht A besteht aus einem Adsorptionsmittel,
z. B. Aktivkohle oder einem Ionenaustausch-Harz. Die Filter
schicht B ist aus dielektrischen Materialien hergestellt, z. B.
aus dielektrischen Fäden. Bei dieser Filtervorrichtung zieht
die Coulombsche Kraft, die durch die Filterschichten 3 erzeugt
wird, die außerdem als Ladeelektroden wirken, Fremdpartikulate
an. Gleichzeitig adsorbiert die Aktivkohle Fremdpartikulate
auf Molekularebene. Die dielektrische Substanz, die die Fil
terschicht B bildet, wird in einem elektrischen Feld pola
risiert und wirkt wie ein Kondensator. Daher verhält sich die
dielektrische Substanz wie eine Anzahl von Elektroden.
Fig. 15 und 16 zeigen ein praktisches Beispiel der Fil
tervorrichtung gemäß Fig. 11 und 12. In diesem Beispiel ist
eine elektrische Ladeplatte 17, die außerdem wie eine Trenn
platte wirkt, koaxial zwischen dem äußeren Zylinder 7 und den
Filterelement F angeordnet. Das obere Ende der Ladeplatte 17
wird durch eine Seitenströmungsverhinderungsplatte 18 gehal
ten. Das untere Ende ist mittels einem Isolator 19 an dem un
teren Zylinder 7 befestigt. Die Seitenströmungsverhinderungs
platte 18 ist aus einem Isoliermaterial hergestellt und wirkt
außerdem wie ein oberer Filterhalter. Diese Vorrichtung ist so
konstruiert, daß das Fluid, das vom Eingang 6 her eintritt,
der in der Nähe des oberen Teils des äußeren Zylinders 7 aus
gebildet ist, einmal nach unten über den Zwischenraum zwischen
dem unteren Zylinder 7 und der Ladeplatte 17 strömt, dann
durch das Element F nach oben strömt und die Öffnung 12 am
oberen Ende der zentralen geerdeten Elektrode 9 erreicht. Die
Seitenströmungsverhinderungsplatte 18 dient als Lagerung für
das obere Ende der Ladeplatte 17 und schließt den oberen Zwi
schenraum der Ladeplatte 17 ab; ansonsten würde das Fluid, das
von der oberen Position des oberen Zylinders her eintritt,
über die Ladeplatte 17 strömen und direkt in das Filterelement
F eindringen.
In dieser Fluidfiltervorrichtung wird das Fluid, das
aus der Nähe des oberen Teils des äußeren Zylinders 7 tangen
tial zum Zylinder 7 unter dem Druck der Pumpe in die Vorrich
tung eintritt, durch den Zwischenraum zwischen dem äußeren Zy
linder 7 und der Ladeplatte 17 befördert, während es im Zwi
schenraum kreist, wobei die Ladeplatte 17 außerdem wie eine
Trennplatte wirkt. Partikulate koagulieren zu gröberen Parti
keln. Die Koagulation wird gefördert durch die Zentrifugal
kraft und durch die Wirkung des elektrischen Feldes. Die grö
beren Partikel beruhigen sich. Bevor die Partikulate durch das
Filterelement F strömen, werden sie auf diese Weise vergrö
bert. Dadurch wird die Belastung des Filterelements F gerin
ger, und die Lebensdauer des Filterelements F verlängert.
In jedem der Beispiele wird nur ein Filterelement F
verwendet. Es können auch mehrere Filterelemente F verwendet
werden. Wenn man Fig. 17 und 18 betrachtet, so sind dort meh
rere Filterelemente F radial angeordnet. Dementsprechend sind
mehrere zentrale geerdete Elektroden 9 vorhanden. Der untere
Teil des Zwischenraums im oberen Zylinder 7 ist durch eine
Trennplatte 20 getrennt, um einen Sammelraum 21 auszubilden.
Die Ausgänge 8 an den unteren Enden der geerdeten Elektroden 9
sind mit dem Sammelraum 21 kommunizierend verbunden. Das ver
arbeitete Fluid sammelt sich im Sammelraum 21 und wird aus der
Filtervorrichtung über einen Sammelausgang 22 ausgestoßen, der
mit dem Sammelraum 21 kommunizierend verbunden ist. Die Fil
tervorrichtung mit diesem Aufbau ist geeignet, eine große
Menge zu verarbeitende Flüssigkeit zu filtern. Ein Befe
stigungsbolzen 23 dient dazu, das Filterelement F festzuziehen
und zu befestigen. Eine Befestigungsschraube ist mit 24 be
zeichnet.
Wenn man Fig. 19 und 20 betrachtet, sieht man eine Fil
tervorrichtung unter Verwendung des Filterelements F gemäß
Fig. 8. Diese Vorrichtung ist im wesentlichen in ihrem Aufbau
identisch mit der Vorrichtung gemäß Fig. 12. Diese Filtervor
richtung gemäß Fig. 19 und 20 hat eine Filterlagerungsplatte
407, die aus einem isolierenden Harz hergestellt ist. Die La
gerungsplatte 407 dient als Lagerung für das untere Ende der
Oberfläche des Filterelements F. Die Lagerungsplatte 407 wird
durch eine stoßdämpfende Feder 408 nach oben gedrückt, um das
Filterelement F festzuhalten. 409 ist ein O-Ring, der für
Dichtzwecke verwendet wird. Die Pfeile zeigen die Strömungs
richtung des Fluids an.
Wenn man Fig. 21 und 22 betrachtet, sieht man eine Fil
tervorrichtung mit dem Filterelement F gemäß Fig. 10, wobei
das Filterelement F die Form eines Hohlbehälters hat. In die
sem Beispiel wird ein kontaminiertes Fluid von einem Eingang
406 her, der am oberen Ende der Oberfläche des Elements F aus
gebildet ist, in den Zwischenraum im Filterelement F eingelei
tet. Das Fluid strömt dann durch eine innere Filterschicht 404
und verläßt das Element F über die Löcher, die in einem inne
ren Zylinder 402 ausgebildet sind. Als Alternative dazu strömt
das Fluid durch eine äußere Filterschicht 403 und verläßt das
Element F durch die Löcher, die in einem äußeren Zylinder 401
ausgebildet sind. Das gefilterte Fluid aus dem Filterelement F
strömt in einen Sammelraum 422 für gefiltertes Fluid durch
eine Ausgangsöffnung 421, die in einer Filterlagerungsplatte
420 ausgebildet ist, die aus einem Isolierharz hergestellt
ist. Die Lagerungsplatte 420 dient als Lagerung für die untere
Oberfläche des Elements F. Die Hohlräume 420 sind regelmäßig
voneinander beabstandet. Das Fluid strömt dann durch einen
Sammelausgang 22, der in der unteren Seitenwand des äußeren
Zylinders 7 ausgebildet ist und wird aus der Filtervorrichtung
ausgestoßen. Das Filterelement F ist auf einfache Weise mit
einer Befestigungsschraube 423 in der Filtervorrichtung befe
stigt.
In dieser Filtervorrichtung sammeln sich die abgeschie
denen und koagulierten Partikulate in dem Hohlraum innerhalb
des Filterelements F. Das Verstopfen der Filterschicht kann
mit einem Vakuummesser festgestellt werden. Wenn der Pumpen
druck einen bestimmten Druck überschreitet, wird die Filter
schicht als verstopft angesehen. Das Element F wird daher er
setzt. Im vorliegenden Beispiel ist das Filterelement F als
ein Paket hergestellt. Das Filterelement, das im Grundkörper
der Filtervorrichtung angeordnet worden ist, kann leicht ge
löst werden, weil das Element nur mit einer Befestigungs
schraube 423 festgezogen und befestigt ist.
Wenn in dem vorliegenden Beispiel die Menge der abgela
gerten und koagulierten Partikulate im Filterelement F sich
vergrößert und dabei die Leistung des Filters sich verringert,
kann die Leistung einfach dadurch wiederhergestellt werden,
daß das Element F ausgewechselt wird. Außerdem kann das gelö
ste Element F, so wie es ist, weggeworfen werden. Das vorlie
gende Beispiel ist geeignet zum Filtern eines kontaminierten
Fluids, z. B. eines Maschinenöls oder einer Verarbeitungsflüs
sigkeit, die eine große Menge Pulver enthält. In dem vorlie
genden Beispiel lagern sich die koagulierten Partikulate nur
im Filterelement F ab; die Partikulate verbleiben nicht im
Grundkörper des Tanks. Folglich ist es nicht erforderlich, das
Innere des Tanks zu reinigen. Daher ist die Wartung leicht
durchzuführen.
In jedem der bisher beschriebenen Beispiele befindet
sich ein zylindrisch oder koaxial-zylindrisch ausgebildetes
Filterelement in einem Tank, der aus einem zylindrischen äuße
ren Zylinder 7 besteht. Die Erfindung kann auch für Tanks an
gewendet werden, die keine zylindrischen Tanks sind. Ferner
ist die Form des Filterelements nicht auf die zylindrische
Form beschränkt.
Wenn man als nächstes Fig. 23 und 24 betrachtet, sieht
man eine Einheitsfiltervorrichtung, die in einem kastenähnli
chen Tank, der bereits installiert ist, wenn die Filtervor
richtung verwendet wird, angeordnet werden soll. Diese Ein
heitsfiltervorrichtung hat eine flache Filterschicht 411, die
aus einem leitenden Material hergestellt ist, und eine poröse
Platte 412, die die Filterschicht hält. Die Filterschicht 411
wirkt außerdem wie eine elektrische Ladeelektrode. Die Filter
schicht 411 und die poröse Platte 412 sind übereinander ange
ordnet und sind außerdem an einer Seitenwand eines geschlosse
nen Tanks 413 angeordnet, um ein Fluid anzuziehen. Die poröse
metallische Platte 414, die als eine geerdete Elektrode dient,
befindet sich von der flachen Filterschicht 411 entfernt.
Diese Einheitsfiltervorrichtung ist in einem vorher angeordne
ten Tank angeordnet und und wird so verwendet.
Wenn die Einheitsfiltervorrichtung im Tank angeordnet
ist, der vorher installiert worden ist, und wenn das Fluid in
nerhalb des geschlossenen Tanks 413 über einen Ansaugkanal 415
angesaugt wird, der ausgebildet ist, um gefiltertes Fluid an
zuziehen, dann strömt das Fluid in die Richtung, die durch die
Pfeile in der Filtervorrichtung angezeigt ist, wobei die Par
tikulate im Fluid ausgefiltert werden. Insbesondere strömt das
kontaminierte Fluid im Tank durch die poröse metallische
Platte 414 und strömt dann durch die flache Filterschicht 411,
die außerdem wie eine Ladeelektrode wirkt, wobei die Partiku
late im Fluid entfernt werden. Das gefilterte Fluid, das in
den geschlossenen Tank 413 eingeleitet wird, wird über den An
saugkanal 415 nach draußen befördert. Das Fluid wird durch
eine Saugpumpe 416 gefördert. Der Saugdruck wird mit einem Va
kuummesser 417 kontrolliert.
Die Vorrichtung kann in einem Tank, der bereits instal
liert ist, angeordnet sein, wobei die obere Oberfläche des
Tanks offen ist. Die Filtervorrichtung kann eingebaut werden,
ohne daß ein vorher installierter Tank unwirtschaftlich wird.
Deshalb kann eine Filtervorrichtung mit wirtschaftlichen Ei
genschaften angeboten werden. Ferner kann Platz eingespart
werden, weil ein Tank, der für die Filtervorrichtung vorgese
hen ist, nicht benötigt wird. Außerdem setzen sich die koagu
lierten Partikulate im unteren Teil des Tanks ab, dessen obere
Oberfläche offen ist, und somit ist die Vorrichtung leicht zu
reinigen. Außerdem ist die Wartung der Vorrichtung leicht
durchzuführen.
Im vorliegenden Beispiel wird das gefilterte
Fluid durch eine Pumpe angesaugt, und deshalb verschleißt die
Pumpe nicht schnell. Außerdem ist es leicht, das erforderliche
Maß an Vakuum aufrecht zu erhalten. Die Pumpe erleidet keine
häufigen Defekte.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine
elektrische Ladeelektrode, die aus einem leitenden Material
hergestellt ist und außerdem wie eine Filterschicht wirkt, in
einem Durchgangsbereich, durch den ein Fluid strömt, das zu
filternde Partikulate enthält, zusammen mit einer Gegenelek
trode vorhanden, die gegenüber der Ladeelektrode angeordnet
ist. Eine Gleichspannung, eine Wechselspannung oder eine Kom
bination von beiden wird zwischen der Ladeelektrode und der
Gegenelektrode angelegt.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform be
steht die Filterschicht eines Filterelements vollständig aus
einem porösem leitenden Material mit zahlreichen Hohlräumen,
die das Fluid durchlassen. In einer weiteren erfindungsgemäßen
Ausführungsform hat ein Filterelement eine Vielzahl von Fil
terschichten, die aus einem leitenden Material hergestellt
sind.
In diesen erfindungsgemäßen Ausführungsformen können
das ganze oder ein beträchtlicher Teil des Filterelements
elektrisch aufgeladen werden. Das elektrische Feld kann so
hergestellt werden, daß es direkt radial tief in das Filtere
lement hineinwirkt. Selbst in tiefen Abschnitten des Filters
können Fremdpartikulate mit hohem Wirkungsgrad festgehalten
werden. Während des gesamten Vorganges der Filterung wirkt
ständig eine starke Coulombsche Kraft auf das Fluid, das immer
durch das Filter strömt, um die Fremdstoffe im Fluid anzuzie
hen. Die Anziehungskraft ist zurückzuführen auf die Coulomb
sche Kraft und ist sehr stark. Deshalb können Fremdpartiku
late, die viel größer sind als die Maschen, z. B. Farbstoffpar
tikel, mit einem hohen Wirkungsgrad festgehalten werden. Au
ßerdem können die Maschen, die viel größer sind als die Abmes
sungen der Fremdpartikulate, entsprechend gestaltet sein. So
mit kann eine Filtervorrichtung mit einer langen Lebensdauer,
die auch nach langer Daueranwendung nicht verstopft, erzielt
werden. Außerdem kann eine große Menge des Fluids verarbeitet
werden, weil die Maschen groß sind.
Mikroskopische Partikulate werden direkt durch eine
Coulombsche Kraft angezogen. Gleichzeitig koagulieren Fremd
partikulate und werden durch die Wirkung des elektrischen Fel
des vergrößert. Dadurch wird der Wirkungsgrad, mit dem Fremd
partikulate festgehalten werden, verbessert.
Wenn ein Filter, das die Form eines Hohlbehälters hat,
dadurch hergestellt wird, daß ein leitendes Material koaxial
angeordnet wird, das Filter herausnehmbar gestaltet ist und
das Filter als eine Filterschicht dient, die außerdem wie eine
elektrische Ladeelektrode wirkt, können die folgenden Vorteile
erzielt werden. Die abgeschiedenen, koagulierten Partikulate
setzen sich in dem Zwischenraum im Filterelement ab. Wenn die
Menge der abgesetzten Partikulate größer wird und sich dadurch
die Leistung des Filter verschlechtert, kann die Leistung des
Filters einfach dadurch wiederhergestellt werden, daß das Fil
terelement ausgewechselt wird. Außerdem kann das herausgenom
mene Filterelement F so, wie es ist, weggeworfen werden. Somit
ist die Vorrichtung für das Filtern eines kontaminierten
Fluids, z. B. eines Maschinenöls oder einer Verarbei
tungsflüssigkeit, geeignet, das eine große Menge staubförmiges
Material enthält, das bei einem Verarbeitungsvorgang entsteht.
Die koagulierten Partikulate lagern sich nur innerhalb der
Filterelemente ab; sie verbleiben nicht im Grundkörper des
Tanks. Dadurch ist es nicht erforderlich, das Innere des Tanks
zu reinigen. Außerdem ist die Wartung leicht durchzuführen.
Wenn ein flaches Filter, das aus einem leitenden Mate
rial hergestellt ist, als eine Filterschicht verwendet wird,
die außerdem wie eine Ladeelektrode wirkt, und diese Filter
schicht in die Flüssigkeit in einem vorher installierten Tank
eingetaucht wird, kann eine Filtervorrichtung so aufgebaut
sein, daß der vorher installierte Tank nicht unwirtschaftlich
wird. Somit kann eine Filtervorrichtung mit niedrigen Kosten
angeboten werden. Ferner ist ein getrennter Tank für die Fil
tervorrichtung nicht erforderlich. Dadurch wird der dafür
benötigte Platz eingespart.
Wenn die Filterschicht, die außerdem wie die Ladeelek
trode wirkt, aus einem leitenden Material mit einer großen
Oberfläche hergestellt ist, z. B. Kohlefasern und Aktivkohle,
können alle mikroskopischen Fasern, die sich eng nebeneinander
befinden, zur Funktion der Ladeelektrode beitragen, und somit
können Fremdpartikulate in einem verarbeiteten Fluid mit hohem
Wirkungsgrad festgehalten werden. Ferner kann eine große Menge
des Fluids mit hohem Wirkungsgrad verarbeitet werden, weil im
allgemeinen unzählige Zwischenräume, die das Fluid durchlas
sen, zwischen den Fasern vorhanden sind.
Claims (12)
1. Verfahren zum Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern
von Partikulaten in einem Fluid mit den Schritten:
Anordnen einer elektrischen Ladeelektrode in einem Durchgangsbereich, durch den das Fluid strömt, wobei die Lade elektrode aus einem leitenden Material hergestellt ist wobei die Ladeelektrode außerdem wie eine Filterschicht wirkt und zylindrisch ist;
Anordnen einer Gegenelektrode gegenüber der Ladeelek trode in dem Durchgangsbereich;
Anlegen einer Gleichspannung zwischen der Ladeelektrode und der Gegenelektrode, um die gesamte Filterschicht elek trisch aufzuladen, so daß eine Coulombsche Kraft, die durch die Gleichspannung erzeugt wird, großräumig auf die Par tikulate wirkt, die in dem Zwischenraum zwischen der Ladeelek trode und der Gegenelektrode im Fluid schweben, um die Parti kulate koagulieren zu lassen, wobei gröbere Partikel ausgebil det werden; und
Befördern der gröberen Partikel in die Filterschicht mit der Strömung des Fluids, so daß die Partikel durch die Filterschicht strömen können, wodurch die Partikulate im Fluid ausgefiltert werden.
Anordnen einer elektrischen Ladeelektrode in einem Durchgangsbereich, durch den das Fluid strömt, wobei die Lade elektrode aus einem leitenden Material hergestellt ist wobei die Ladeelektrode außerdem wie eine Filterschicht wirkt und zylindrisch ist;
Anordnen einer Gegenelektrode gegenüber der Ladeelek trode in dem Durchgangsbereich;
Anlegen einer Gleichspannung zwischen der Ladeelektrode und der Gegenelektrode, um die gesamte Filterschicht elek trisch aufzuladen, so daß eine Coulombsche Kraft, die durch die Gleichspannung erzeugt wird, großräumig auf die Par tikulate wirkt, die in dem Zwischenraum zwischen der Ladeelek trode und der Gegenelektrode im Fluid schweben, um die Parti kulate koagulieren zu lassen, wobei gröbere Partikel ausgebil det werden; und
Befördern der gröberen Partikel in die Filterschicht mit der Strömung des Fluids, so daß die Partikel durch die Filterschicht strömen können, wodurch die Partikulate im Fluid ausgefiltert werden.
2. Verfahren zum Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern
von Partikulaten in einem Fluid mit den Schritten:
Anordnen einer elektrischen Ladeelektrode in einem Durchgangsbereich, durch den das Fluid strömt, wobei die Lade elektrode aus einem leitenden Material hergestellt ist, wobei die Ladeelektrode außerdem wie eine Filterschicht wirkt;
Anordnen einer Gegenelektrode gegenüber der Ladeelek trode in dem Durchgangsbereich;
Anlegen einer Wechselspannung zwischen der Ladeelek trode und der Gegenelektrode, um die gesamte Filterschicht elektrisch aufzuladen, so daß eine Schwingungsenergie aufgrund der Wechselspannung großräumig auf die Partikulate wirkt, die in dem Zwischenraum zwischen der Ladeelektrode und der Ge genelektrode im Fluid schweben, um die Partikulate koagulieren zu lassen, wobei gröbere Partikel ausgebildet werden; und
Befördern der gröberen Partikel in die Filterschicht mit der Strömung des Fluids, so daß die Partikel durch die Filterschicht strömen können, wodurch die Partikulate im Fluid ausgefiltert werden.
Anordnen einer elektrischen Ladeelektrode in einem Durchgangsbereich, durch den das Fluid strömt, wobei die Lade elektrode aus einem leitenden Material hergestellt ist, wobei die Ladeelektrode außerdem wie eine Filterschicht wirkt;
Anordnen einer Gegenelektrode gegenüber der Ladeelek trode in dem Durchgangsbereich;
Anlegen einer Wechselspannung zwischen der Ladeelek trode und der Gegenelektrode, um die gesamte Filterschicht elektrisch aufzuladen, so daß eine Schwingungsenergie aufgrund der Wechselspannung großräumig auf die Partikulate wirkt, die in dem Zwischenraum zwischen der Ladeelektrode und der Ge genelektrode im Fluid schweben, um die Partikulate koagulieren zu lassen, wobei gröbere Partikel ausgebildet werden; und
Befördern der gröberen Partikel in die Filterschicht mit der Strömung des Fluids, so daß die Partikel durch die Filterschicht strömen können, wodurch die Partikulate im Fluid ausgefiltert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein zylin
drisches Filter, das aus einem leitenden Material hergestellt
ist, als die Filterschicht verwendet wird, die außerdem wie
die Ladeelektrode wirkt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Filter
verwendet wird, in dem ein leitendes Material koaxial angeord
net ist und das die Form eines Hohlbehälters hat, und wobei
das Filter so aufgebaut ist, daß es herausnehmbar ist und als
die Filterschicht verwendet wird, die außerdem wie die Lade
elektrode wirkt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein flaches
Filter, das aus einem leitenden Material hergestellt ist, als
die Filterschicht verwendet wird, die außerdem wie die Lade
elektrode wirkt, und wobei die Filterschicht in die Flüssig
keit eingetaucht ist, die in einem vorher installierten Tank
enthalten ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
die Filterschicht, die außerdem wie die Ladeelektrode wirkt,
ausgebildet ist unter Verwendung eines leitenden Adsorptions
mittels.
7. Filterelement, das geeignet ist, in einem Durch
gangsbereich angeordnet zu werden, durch den ein zu filterndes
Fluid strömt, um Fremdpartikulate im Fluid auszufiltern, wobei
das Filterelement aufweist:
eine Filterschicht, die aus einem leitenden Material mit zahlreichen Hohlräumen hergestellt ist, die das Fluid durchlassen;
ein oberes dichtendes Isolierpackteil und ein unteres dichtendes Isolierpackteil, die das obere bzw. das untere Ende der Filterschicht abschließen, wobei die Filterschicht als eine elektrische Ladeelektrode verwendet wird, wodurch die ge samte Filterschicht elektrisch aufgeladen wird.
eine Filterschicht, die aus einem leitenden Material mit zahlreichen Hohlräumen hergestellt ist, die das Fluid durchlassen;
ein oberes dichtendes Isolierpackteil und ein unteres dichtendes Isolierpackteil, die das obere bzw. das untere Ende der Filterschicht abschließen, wobei die Filterschicht als eine elektrische Ladeelektrode verwendet wird, wodurch die ge samte Filterschicht elektrisch aufgeladen wird.
8. Filterelement, das geeignet ist, in einem Durch
gangsbereich untergebracht zu werden, durch den ein zu fil
terndes Fluid strömt, um Fremdpartikulate im Fluid auszufil
tern, wobei das Filterelement aufweist:
erste Filterschichten, die aus einem leitenden Material mit zahlreichen Hohlräumen hergestellt sind, die das Fluid durchlassen;
zweite Filterschichten, die abwechselnd mit den ersten Filterschichten angeordnet sind und aus einem dielektrischen Material oder einem Adsorptionsmittel bestehen;
ein oberes dichtendes Isolierpackteil und ein unteres dichtendes Isolierpackteil, die das obere bzw. das untere Ende der ersten und der zweiten Filterschichten abschließen, wobei die ersten Filterschichten als elektrische Ladeelektroden ver wendet werden, wodurch das Filterelement radial tief elek trisch aufgeladen wird.
erste Filterschichten, die aus einem leitenden Material mit zahlreichen Hohlräumen hergestellt sind, die das Fluid durchlassen;
zweite Filterschichten, die abwechselnd mit den ersten Filterschichten angeordnet sind und aus einem dielektrischen Material oder einem Adsorptionsmittel bestehen;
ein oberes dichtendes Isolierpackteil und ein unteres dichtendes Isolierpackteil, die das obere bzw. das untere Ende der ersten und der zweiten Filterschichten abschließen, wobei die ersten Filterschichten als elektrische Ladeelektroden ver wendet werden, wodurch das Filterelement radial tief elek trisch aufgeladen wird.
9. Filterelement nach Anspruch 7 oder 8, wobei das lei
tende Material der Filterschicht oder Filterschichten ein lei
tendes Material mit einer großen Oberfläche ist, z. B. Kohlefa
sern oder Aktivkohle.
10 Filterelement nach Anspruch 9, wobei die Filter
schicht oder Filterschichten dadurch ausgebildet sind, daß
Schnüre aus Kohlefasern auf einer Spule aufgewickelt sind oder
Tücher aus Kohlefasern in mehreren Schichten aufgewickelt
sind.
11. Fluidfiltervorrichtung mit:
einem äußeren Zylinder mit einem Eingang, durch den ein zu filterndes Fluid eingeleitet wird;
einer zentralen geerdeten Elektrode, die die Form eines Rohres hat, wobei die Elektrode außerdem als ein Austrittsbe reich für das gefilterte Fluid wirkt, wobei die zentrale Elek trode die gleiche Polarität hat wie der äußere Zylinder;
einem Zwischenraum, der zwischen dem äußeren Zylinder und der zentralen geerdeten Elektrode ausgebildet ist;
einem Filterelement mit einer Filterschicht, die außer dem wie eine elektrische Ladeelektrode wirkt, wobei die Fil terschicht aus einem leitenden Material hergestellt ist, wobei das Filterelement in dem Zwischenraum angeordnet ist;
und wobei eine Spannung gemäß dem spezifischen Wider stand des Fluids zwischen dem Filterelement, einer Lade elektrode und dem äußeren Zylinder und der zentralen geerdeten Elektrode angelegt wird.
einem äußeren Zylinder mit einem Eingang, durch den ein zu filterndes Fluid eingeleitet wird;
einer zentralen geerdeten Elektrode, die die Form eines Rohres hat, wobei die Elektrode außerdem als ein Austrittsbe reich für das gefilterte Fluid wirkt, wobei die zentrale Elek trode die gleiche Polarität hat wie der äußere Zylinder;
einem Zwischenraum, der zwischen dem äußeren Zylinder und der zentralen geerdeten Elektrode ausgebildet ist;
einem Filterelement mit einer Filterschicht, die außer dem wie eine elektrische Ladeelektrode wirkt, wobei die Fil terschicht aus einem leitenden Material hergestellt ist, wobei das Filterelement in dem Zwischenraum angeordnet ist;
und wobei eine Spannung gemäß dem spezifischen Wider stand des Fluids zwischen dem Filterelement, einer Lade elektrode und dem äußeren Zylinder und der zentralen geerdeten Elektrode angelegt wird.
12. Fluidfiltervorrichtung nach Anspruch 11, wobei die
angelegte Spannung eine Gleichspannung oder eine Wechselspan
nung von 0,1 bis 5000 V/cm oder eine Kombination aus einer
Gleichspannung und einer Wechselspannung ist.
Applications Claiming Priority (1)
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JP2295992 | 1992-03-16 |
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DE4308390A Expired - Fee Related DE4308390C2 (de) | 1992-03-16 | 1993-03-16 | Verfahren zum Aufladen, Koagulieren und Ausfiltern von in Fluiden vorkommenden Schwebstoffen, ein in diesem Verfahren verwendetes Filterelement und eine Fluidfiltervorrichtung |
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