DE60028973T2

DE60028973T2 - Kombinationsfiltersystem mit Filtermedium mit Strömungskanal und Adsorptionspartikelfiltermedium

Info

Publication number: DE60028973T2
Application number: DE60028973T
Authority: DE
Inventors: Nicolai Bochynek; Frank Koehler
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2020-10-12
Also published as: DE60132347D1; CA2423590A1; DE60132347T2; KR100763063B1; JP2004523337A; ATE383191T1; DE60028973D1; KR20030066638A; WO2002030548A1; EP1197255B1; EP1331983A1; AU2002211689A1; EP1331983B1; EP1197255A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kombinationsfiltersystem zum Filtern von Fluid, insbesondere von Gasen, insbesondere zum Filtern von Luft, die in eine Fahrgastkabine eines Fahrzeugs eintritt.
STAND DER TECHNIK
Kombinationsfiltersysteme zum Filtern von Luft, welche in die Fahrgastkabine eines Fahrzeugs eintritt, sind bekannt. Solche Filtersysteme umfassen typischerweise ein Partikelfiltermedium mit einem Adsorbtionsfiltermedium.
Zum Beispiel offenbart WO 95/26802 ein Kombinationsfiltersystem, das ein gefaltetes mit einem Electret geladenes Fiber-/Faser-Filtermedium und ein Aktivkohlepartikelpad aufweist. Obwohl das Aktivkohlepartikelpad eine gute Gasleistungsfähigkeit und/oder Gaskapazität, je nach der Dicke und dem Kohlenstoffgehalt des Pads aufweist, verursacht die Anwendung eines solchen Aktivkohlepartikelpads einen hohen Druckverlust. Ein hoher Druckverlust ist für Filtersysteme für Fahrzeugkabinen nicht wünschenswert.
EP 383236 offenbart eine Adsorptionspartikelschicht, die zusammen mit einer mit einem Electret geladenen Fiber-/Faserschicht gefaltet ist. Obwohl solch ein Kombinationsfilter einen akzeptablen Druckverlust aufweist, ist die Lebenszeit eines solchen begrenzt, d.h. der Filter muss häufig ausgewechselt werden.
Es ist von daher wünschenswert, Kombinationsfilter ferner zu verbessern, insbesondere die Lebenszeit von solch einem Filter zu erhöhen, ohne den Druckverlust eines solchen Filters bis auf ein unzumutbares Niveau zu erhöhen. Der Filter sollte außerdem für die Verwendung in Motorfahrzeugen vorzugsweise derart ausgestaltet sein, dass er den Sicherheitsbestimmungen der Automobilindustrie entspricht. Ferner sollte der Kombinationsfilter vorzugsweise die gleiche oder verbesserte Filterleistung aufweisen. Es ist darüber hinausgehend vorzuziehen, dass der Kombinationsfilter in einer kostengünstigen und einfachen Weise produziert werden sowie auf einfache Weise und effizient in einem Motorfahrzeug zum Zweck des Filterns von gasförmigen Fluid, die in die Fahrgastkabine eines solchen Motorfahrzeuges eintreten, installiert werden kann.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Kombinationsfilter zum Filtern von Fluid bereit, wobei dieser aufweist:
Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen und ein Adsorptionspartikelfiltermedium, wobei die Filtermediuamanordnung mit Strömungskanälen eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist und durch mindestens eine strukturierte Folienschicht und eine zweite Schicht gebildet ist, wobei die strukturierte Folienschicht eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, wobei mindestens eine Fläche der strukturierten Folie zumindest teilweise Strömungskanäle ausbildet und hohe Seitenverhältnisstrukturen über mindestens einen Teil der die Kanäle bildenden Fläche aufweist, und wobei eine die zweite Schicht aus der Strömungskanalschicht aufweisende zweite Folienschicht oder eine weitere Schicht zumindest teilweise Fluidströmungswege durch die Strömungskanäle der Anordnung definiert, wobei die Folienschichten elektrostatisch geladen sind und mehrere durch die erste Fläche offene Einlassöffnungen und mehrere durch die zweite Fläche offene Auslassöffnungen der Anordnung definiert; und wobei das besagte Adsorptionspartikelfiltermedium eine gefaltete Schicht aus Adsorptionspartikeln umfasst, und wobei das Adsorptionspartikelkohlefiltermedium an eine Fläche der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen angrenzt.
Die Kombinationsfilter gemäß der Erfindung weisen einen vorteilhaft geringen Druckverlust auf. Zusätzlich zeigen die Kombinationsfilter gemäß der Erfindung einen relativ geringen Anstieg des Druckverlustes in Bezug auf die Ladung des Filters über dessen Lebensdauer, und folglich eine lange Lebensdauer und eine hohe Kapazität.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht einer ersten strukturierten Folie, welche zweckdienlich ist, um die Filtermediuamanordnung mit Strömungskanälen auszubilden.
2 ist eine Seitenansicht einer zweiten strukturierten Folie, die zweckdienlich ist, um die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen auszubilden.
3 ist eine Seitenansicht einer dritten strukturierten Folie, die zweckdienlich ist, um die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen auszubilden.
4 ist eine Seitenansicht einer vierten strukturierten Folie, die zweckdienlich ist, um die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen auszubilden.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Folienumrisses und einer Anordnung mit einer flach abdeckenden Folienschicht.
5A ist eine perspektivische Ansicht eines Folienumrisses und einer Anordnung mit einer flach abdeckenden Folienschicht mit einer zusätzlichen Funktionsschicht.
6 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen, die aus der Anordnung von 5 ausgebildet ist.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines Umrisses der Folienschicht mit einer Stabilisierungsschicht aus Drähten.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines Umrisses einer Folienschicht mit einer ebenen Bedeckung aus einer Folienschicht, die eine Anordnung eines Strömungskanals ausbildet.
10 ist eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform des Filtermediums mit Strömungskanälen.
11 ist eine perspektivische Ansicht einer vierten strukturierten Folie, die zweckdienlich ist, um die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen auszubilden.
12 ist eine schematische Darstellung eines Kombinationsfilters.
13 ist eine schematische und vergrößerte Darstellung eines gefalteten Adsorptionspartikelfiltermediums.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein System eines Kombinationsfiltermediums zum Filtern von Fluid bereit, welches eine Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen und ein Adsorptionspartikelfiltermedium aufweist.
Das Adsorptionspartikelfiltermedium des Kombinationsfilters ist gefaltet und wird vorzugsweise zwischen zwei Gazeschichten gehalten. Das Material für die Gazeschichten kann jede Art von herkömmlicher verstärkter Gaze sein, gewebt oder nicht gewebt. Gaze aus nicht gewebtem Material wird im Allgemeinen daraufhingehend behandelt, die Dehnungseigenschaften zum Beispiel durch Thermoprägung, Kalandieren, Schalldämmung, Faserbindung oder dergleichen zu erhöhen. Ein typisches Gaze-Material ist ein durchlässiges Fasernetz aus Polypropylen. Die Adsorptionspartikelschicht ist ferner verstärkt durch eine netzartige Struktur. Entsprechend weist das Adsorptionspartikelfiltermedium in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Adsorptionspartikelschicht auf, die mit einem Geflecht verstärkt ist, das zwischen zwei Gazeschichten gehalten wird.
Die Adsorptionspartikelschicht des Adsorptionspartikelfiltermediums hat im Allgemeinen eine Dicke zwischen 1 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen 1,5 mm und 3 mm. Das Adsorptionspartikelfiltermedium des Kombinationsfilters ist im Allgemeinen elektrostatisch nicht geladen. Die gefaltete Adsorptionspartikelschicht des Adsorptionspartikelfiltermediums weist im Allgemeinen eine Faltenhöhe zwischen 5 und 30 mm auf, vorzugsweise zwischen 10 und 20 mm und besitzt im Allgemeinen eine Faltendichte zwischen 0.5 und 4 Falten pro cm, vorzugsweise zwischen 0,75 und 2,5 Falten pro cm.
Die Adsorptionspartikel des Adsorptionspartikelfiltermediums können alle gebräuchlichen Aktivadsorptionspartikel sein, die in der Lage sind, unerwünschte Substanzen wie unerwünschte Gase oder Gerüche aus einer Fluidströmung zu entfernen. Adsorptionspartikel, die im Zuge dieser Erfindung Verwendung finden, umfassen Aktivkohlepartikel, synthetische Polymer-Absorber, Aktivharze und Zeolithe. Im Allgemeinen weisen die Partikel eine Größe zwischen 0,01 und 2 mm auf, vorzugsweise zwischen 0,05 und 1 mm. Die Partikel werden durch einen Binder miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die Adsorptionspartikel, die im Zuge dieser Erfindung Anwendung finden, Aktivkohlepartikel.
Der Kombinationsfilter weist im Allgemeinen ein Adsorptionsfiltermedium auf, das sich auf der unteren Strömungsseite des Filtermediums mit Strömungskanälen befindet, d.h. das zu filternde Fluid passiert zunächst ein Filtermedium mit Strömungskanälen und dann das Adsorptionspartikelfiltermdium.
Die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen des Kombinationsfilters ist vorzugsweise umgeben von geladenen konturierten Folien, die in einer wabenartigen Struktur angeordnet sind, um Fluidströmungswege auszubilden. Die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen umfasst ebenso Folienschichten, wobei mindestens einige der Folienschichten hohe Seitenstrukturverhältnisse wie Rippen, Stengel, Fasern oder andere separate Protuberanzen aufweisen, die sich vom Oberflächenbereich von mindestens einer Seite der Folienschicht aus erstrecken.
Die Folienschichten sind in einer Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen mit den Umrissen der Folienschichten konturiert, wobei diese mehrere Einlassöffnungen in die Fluidwege auf einer Seite der Anordnung definieren. Die Fluidwege werden durch eine einzelne konturierte Folienschicht, die eine ebene Folienschicht umfasst oder durch angrenzende konturierte Folienschichten definiert. Die Fluidwege verfügen ferner über eine Auslassöffnung, die es dem Fluid gestattet, in und durch die Wege zu gelangen, ohne notwendigerweise eine Filterschicht mit einer geringen Widerstandsfähigkeit zu passieren. Die Fluidwege und Öffnungen der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen als solche werden durch einen oder mehrere Fluidkanäle definiert, die mindestens zum Teil durch die konturierten Folienschichten ausgebildet werden. Die Strömungskanäle werden durch Spitzen oder Erhöhungen in der konturierten Folienschicht erzeugt und können jede brauchbare Form einnehmen, so lange sie so angeordnet sind, dass sie Fluidwege in Verbindung mit einer angrenzenden Folienschicht durch eine Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen ausbilden. Zum Beispiel können die Strömungskanäle separate einzelne Kanäle sein, die durch wiederholte Erhöhungen oder miteinander verbundene Kanäle, die durch hügelartige Strukturen erzeugt werden, ausgebildet werden. Die Strömungskanäle können ebenso isolierte Kanäle sein (z.B. geschlossene Kerben, die von Spitzen oder Erhöhungen umgeben sind), welche zusammen mit einer ferner konturierten Folienschicht einen Fluidweg definieren (wobei z.B. die Kerben auf den angrenzenden konturierten Folienschichten dazu dienen, einen kontinuierlichen verschlungenen Pfad durch die Filtermediumanordnung herzustellen).
Mehrere angrenzende, entweder separate oder miteinander verbundene Strömungskanäle (z.B. eine Reihe von Strömungskanälen, die in einer Reihe ausgerichtet sind und sich eine gemeinsame Folienschicht teilen) der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen werden vorzugsweise durch eine Reihe von Spitzen oder Erhöhungen definiert, die aus einer einzelnen konturierten Folienschicht ausgebildet werden. Diese angrenzenden Strömungskanäle definieren eine Strömungskanalschicht. Eine Deckschicht ist eine Schicht, die verbunden oder in Kontakt mit den Spitzen oder Erhöhungen auf einer Seite der konturierten Folienschichten ist. Die Spitzen oder Erhöhungen auf der gegenüberliegenden Seite der konturierten Folienschicht können sich ebenso in Verbindung oder in Kontakt mit einer Deckschicht befinden. Eine Deckschicht bedeckt alle oder einen Teil der konturierten Folienschichten. Wenn die Deckschicht eine ebene Folienschicht ist, definieren die abdeckende Folienschicht und die dazugehörige konturierte Folienschicht Fluidwege zwischen angrenzenden Spitzen oder Erhöhungen der konturierten Folienschicht in Kontakt oder in Verbindung mit der abdeckenden Folienschicht.
Eine Deckschicht kann ebenso eine Funktionsschicht wie ein Adsorptions- oder Partikelfilter oder eine Stabilisierungsschicht wie eine Reihe von Stabilisierungsfasern oder verstärkten Fasern sein. 8 zeigt eine konturierte Folienschicht 40, die einzelne stielartige Strukturen 46 aufweist, die zu Stabilisierungsfasern 42 an den Spitzen 44 der konturierten Folienschicht 40 verbunden sind. Um als Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen zweckdienlich zu sein, müsste die Ausführungsform in 8 mit einer weiteren Folienschicht versehen werden, wie z.B. einer bedeckenden Folienschicht oder einer ferner konturierten Folienschicht. Wenn eine ferner konturierte Folienschicht mit der Faserschicht 42 verbunden wird, bilden sich aus den zwei Strömungskanalschichten der zwei angrenzenden konturierten Folienschichten die Fluidwege.
Angrenzende Strömungskanäle, z.B. 14 und 16, die in einer Strömungskanalschicht 20 durch eine konturierte Folienschicht 10 definiert werden, entsprechen alle denjenigen in 5 oder können davon verschieden sein, so wie in 9 gezeigt. In 9 sind die Strömungskanäle 24 und 26 der Strömungskanalschicht 20 separate Strömungskanäle, die alle die gleiche Höhe, jedoch unterschiedliche Breiten aufweisen. In 5 sind die angrenzenden Strömungskanäle 14 und 16 der Strömungskanalschicht 20 separate Strömungskanäle, die die gleiche Höhe und Breite auf weisen. In Bezug auf die Herstellungseignung sollten vorzugsweise alle oder mindestens die Mehrzahl der Spitzen und Erhöhungen, die die Strömungskanäle der konturierten Folienschicht ausbilden, im Wesentlichen die gleiche Höhe aufweisen. Ferner weist jede angrenzende Strömungskanalschicht 20 der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen 30 die gleiche Konfiguration der Strömungskanäle auf (wie in 6 gezeigt) oder können unterschiedlich sein. Die Strömungskanäle der angrenzenden Strömungskanalschichten einer Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen sollten außerdem gleichgerichtet (wie z.B. in 6) oder verschoben sein (z.B. an den entsprechend zueinander stehenden Winkeln wie in 7), oder eine Kombination desselben ausbilden. Die angrenzenden aufliegenden Strömungskanalschichten der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen sind im Allgemeinen aus einer einzelnen konturierten Folienschicht ausgebildet, wobei die Strömungskanäle miteinander verbunden, separat oder sogar einzeln und voneinander isoliert sein können (d.h. sie erweitern sich nicht über die gesamte konturierte Folienschicht). Mit Hilfe von Strömungskanälen, die sich über die gesamte konturierte Folienschicht ausdehnen, können sich diese Kanäle linear oder gewölbt ausweiten. Vorzugsweise sind die Strömungskanäle, die sich über die gesamten Strömungskanalschichten ausdehnen, im wesentlichen parallel und gleichgerichtet (6), sie können sich jedoch auch zueinander an divergierenden oder konvergierenden Winkeln befinden. Wenn die Filtermediumanordnung mit Strömungkanälen aus zylindrisch angeordneten Strömungskanalschichten ausgebildet wird, wie in 10 gezeigt, können diese Strömungskanalschichten aus einer einzelnen konturierten Folienschicht 60 mit einer optionalen Deckschicht 62 ausgebildet werden, die in einer Korkenzieher-ähnlichen oder spiralförmigen Anordnung um eine zentrale Achse 64 konfiguriert ist. Die konturierte Folienschicht ist vorzugsweise mit einer Deckschicht 62 verbunden, um während der Herstellung und bei Reibungskontakt mit den anderen Deckschichten 62a Stabilität zu gewährleisten.
Paare von konturierten Folienschichten werden miteinander beschichtet, wobei die zu beschichtenden Schichten sich miteinander an ihren entsprechenden Spitzen, wie in 7 gezeigt, verzahnen oder diese durch eine oder mehrere Deckschichten, wie in 5, 6 und 10 gezeigt, voneinander getrennt sind. Wenn die konturierten Folienschichten 31 ohne eine dazwischenliegende Folienschicht miteinander in Kontakt sind, so wie in 7 gezeigt, verweben sich die Fluidwege zwischen den benachbarten querverlaufenden Strömungskanälen, z.B. 34 und 35, der konturierten Folienschichten 31.
Die Strömungskanäle stellen festgelegte und geordnete Fluidströmungswege durch die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen bereit. Der gesamte Oberflächenbereich, der zum Zweck der Filtration vorhanden ist, wird bestimmt durch den zur Verfügung stehenden Oberflächenbereich der Strömungskanäle und der Anzahl und Länge dieser Strömungskanäle in der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen. Mit anderen Worten: Die Merkmale der einzelnen Filtermediumschichten wie die Länge der Strömungskanäle, die Konfiguration der Kanäle und der zu beschichtende Oberflächenbereich der einzelnen Schichten.
Eine einzelne Schicht aus Strömungskanälen, die mit einer konturierten Folienschicht versehen ist, weist eine funktionale Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen gemäß der vorliegenden Erfindung auf, vorzugsweise jedoch bilden mehrere aufliegende Strömungskanalschichten die funktionale Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen aus. Eine Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen mit aufeinander geschichteten konturierten Strukturfolienschichten stellt eine geordnete bzw. technisch ausgereifte und mecha nisch stabile Porenstruktur ohne Veränderlichkeit der Porengröße oder schwerwiegende Unregelmäßigkeiten der Filternetze aus Fasern bereit. Jede Veränderlichkeit der Porengröße oder Unregelmäßigkeiten sind geplant und kontrolliert und basieren auf den höchsten Filtrationsansprüchen, für welche der Kombinationsfilter entworfen wurde. Als ein Ergebnis unterliegt die Fluidströmung einer einheitlichen Behandlung, da sie durch die Strömungskanäle der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen verläuft, wodurch die Wirksamkeit des Filterns erhöht wird. Im Allgemeinen verstärken die konturierten Folienschichten, die die Strömungskanäle ausbilden, das Filtermedium mit Strömungskanälen, indem sie eine strukturell stabile Form ausbilden, die zu einer Vielzahl von selbst tragenden Konfigurationen ausgebildet werden kann.
Die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen wird angepasst an eine Vielzahl von Formen oder wird über Gegenstände gelegt, ohne die Strömungskanäle zu stauchen oder zu verschließen. Die konturierten Folien sind elektrostatisch geladen, obgleich diese in Verbindung mit allen anhaftenden Deckschichten oder anderen Schichten konturiert sind. Diese geschichteten, geladenen und konturierten Folien sind gekennzeichnet durch Oberflächenspannungen von mindestens +/–1,5 KV, vorzugsweise mindestens +/–10 KV, gemessen etwa einen Zentimeter von der Folienoberfläche durch einen elektrostatischen Oberflächen-Voltmeter (ESVM), wie z.B. ein Modell 341 Auto-Bipolar ESVM, das erhältlich ist über Trek Inc., Medina, NY. Die elektrostatische Ladung weist ein Electret auf, welches ein Teil eines dielektrischen Materials ist, das eine elektrische Ladung aufweist, die während längerer Zeitspannen anhält. Materialien, die durch ein Electret geladen werden können, umfassen nonpolare Polymere wie Polytetrafluoroethylen (PTFE) und Polypropylen. Im Allgemeinen beträgt die Nettoladung eines Electrets Null oder fast Null und seine Felder gehen zurück auf La dungstrennung und nicht auf eine Nettoladung. Mit Hilfe einer genauen Auswahl der Materialien und Behandlungen kann ein Electret so konfiguriert werden, dass es ein externes elektrostatisches Feld erzeugt. Solch ein Electret kann als elektrostatisches Gegenstück zu einem Permanentmagnet betrachtet werden.
Verschiedene Verfahren werden üblicherweise angewandt, um dielektrische Materialien zu laden, wobei jedes dieser Verfahren angewandt werden kann, um eine konturierte Folienschicht oder andere Schichten, die in einer Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen verwendet werden, zu laden, darin inbegriffen Koronarentladung, Erhitzen und Kühlen des Materials bei gleichzeitigem Vorhandensein eines geladenen Feldes, Kontaktelektrifizierung, Besprühen des Netzes mit geladenen Partikeln und Befeuchten oder Einwirken auf eine Oberfläche mit Wasserstrahlen oder Strömen aus Wassertropfen. Zusätzlich wird das Vermögen der Oberfläche, sich aufzuladen, durch die Verwendung von Misch-Materialien oder -Zusätzen, die die Ladung verbessern, erhöht. Beispiele für Ladeverfahren sind in den folgenden Patenten offenbart: US-Patentschrift Nr. RE 30,782 an van Turnhout et al., US-Patentschrift Nr. RE 31,285 an van Turnhout et al., US-Patentschrift Nr. 5,496,507 an Angadjivand et al., US-Patentschrift Nr. 5,472,481 an Jones et al., US-Patentschrift Nr. 4,215,682 an Kubik et al., US-Patentschrift Nr. 5,057,710 an Nishiura et al. und US-Patentschrift Nr. 4,592,815 an Nakao.
Zusätzlich können eine oder mehrere Schichten ebenso eine aktive Ladung aufweisen, wie zum Beispiel durch die Verwendung einer Folie mit einer Metalloberfläche oder -schicht auf einer Seite, auf die Hochspannung abgegeben wurde. Dies könnte in der vorliegenden Erfindung erreicht werden durch das zusätzliche Auftragen einer solchen Metallschicht, die an eine konturierte Schicht angrenzt oder das Auftragen einer Metallbedeckung auf eine Schicht. Filtermediumschichten mit Strömungskanälen, die solche Metallschichten aufweisen, können dann in Kontakt zu einer Quelle mit elektrischer Spannung angeordnet werden, was zu einer elektrischen Strömung durch die Schichten aus einem Metallmedium führt. Beispiele für aktive Ladungen sind in der US-Patentschrift Nr. 5,405,434 an Inculet offenbart.
Ein anderer gebräuchlicher Typus der Behandlung ist die Verwendung von fluorochemischen Zusätzen in Form von Materialzusätzen oder Materialbeschichtungen, welche die Fähigkeit einer Filterschicht, Öl und Wasser abzuweisen, erhöhen, sowie auch die Fähigkeit, ölige Aerosole zu filtern, verbessern. Beispiele für solche Zusätze sind in der US-Patentschrift Nr. 5,472,481 an Jones et al., in der US-Patentschrift Nr. 5,099,026 an Crater et al. und in der US-Patentschrift Nr. 5,025,052 an Crater et al. zu finden.
Zweckdienliche Polymere, die zum Zweck der Ausbildung einer strukturierten Folienschicht in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, umfassen Polyolefine wie Polyethylen und Polyethylen Kopolymere, Polypropylen und Polypropylen Kopolymere, Polyvinyliden Difluorid (PVDF) und Polytetrafluoroethylen (PTFE), sind jedoch nicht darauf beschränkt. Andere polymerische Materialien umfassen Azetate, Zellulose-Äther, Polyvinyl-Alkohole, Polysaccharide, Polyester, Polyamide, Poly(vinyl-Chloride), Polyurethane, Polyurea, Polykarbonate und Polystyren. Strukturierte Folienschichten können gegossen werden aus vulkanisierbaren Harzstoffen wie Acrylaten oder Epoxiden und durch Wege freier Radikale befördert werden, die chemisch, durch Hitzeeinwirkung, UV oder Elektronenbestrahlung vulkanisiert werden. Vorzugsweise werden die strukturierten Folienschichten aus polymerischem Material ausgebildet, welches in der Lage ist, mit dielektrischen Polymeren und mit Vermengungen wie Polyolefinen oder Polystyrenen geladen zu werden.
Polymerische Stoffe, die polymerische Verbindungen umfassen, können durch die Verschmelzung von weichmachenden aktiven Wirkstoffen oder antimikrobialen Wirkstoffen miteinander verschmolzen werden. Die Oberflächenveränderung einer Filterschicht kann erreicht werden durch Aufdampfung oder kovalente Veredelung oder Funktionalhälften unter Anwendung von Ionisierungsbestrahlung. Verfahren und Techniken für die Pfropfpolymerisation von zum Beispiel Monomeren auf Polypropylenen durch Ionsierungsbestrahlung sind in den US-Patentschriften 4,950,549 und 5,078,925 offenbart. Die Polymere können ebenso Zusatzstoffe enthalten, die der strukturierten polymerischen Schicht diverse Eigenschaften verleihen.
Die konturierten und abdeckenden Folienschichten weisen auf einer oder auf beiden Seiten strukturierte Oberflächen auf. Die hohen Seitenstrukturverhältnisse, die auf den konturierten Folien- und/oder abdeckenden Folienschichten angewendet werden, sind bei den bevorzugten Ausführungsformen im Allgemeinen Strukturen, bei denen das Verhältnis von der Höhe zum kleinsten Durchmesser oder der Breite größer als 0,1, vorzugsweise mindestens größer als 0,5, theoretisch bis unendlich ist, wobei die Struktur eine Höhe von mindestens etwa 20 Mikronen aufweist und vorzugsweise mindestens 50 Mikronen aufweist. Wenn die Höhe der hohen Seitenverhältnisstruktur mehr als 2000 Mikrone beträgt, kann es in der Folge schwierig sein, die Folie zu handhaben und es ist vorzuziehen, dass die Höhe der Strukturen weniger als 1000 Mikrone beträgt. Die Höhe der Strukturen beträgt auf jeden Fall mindestens etwa 50 Prozent oder weniger der Höhe der Strömungskanäle, vorzugsweise 20 Prozent oder weniger. Wie in den 1 bis 4 und 11 aufgezeigt, können die Strukturen auf den Folienschichten 1 die Form von aufrechten Stielen oder Ausbuchtungen besitzen, z.B. Pyramiden, Würfelecken, Sichelhaken, Pilzköpfe oder dergleichen; kontinuierliche oder diskontinuierliche Erhöhungen sein, z.B. rechteckige 3 oder v-förmige Erhöhungen 2 mit dazwischenliegenden Kanälen 5; oder Kombinationen daraus mit Ausbuchtungen aus Pilzköpfen 46, die in 11 auf der Rückseite der Folie 40 gezeigt werden. Diese Ausbuchtungen können regelmäßig sein, zufällig diskontinuierlich, sich parallel zueinander erstrecken oder sich an den sich überschneidenden oder nicht überschneidenden Kanten befinden und mit anderen Strukturen, wie verschachtelten Erhöhungen 4 oder Ausbuchtungen zwischen den Erhöhungen kombiniert sein. Im Allgemeinen können die hohen Seitenverhältnisstrukturen sich über die gesamte Folie oder nur über einen Bereich einer Folie 1 erstrecken. Befinden sich diese in nur einem Bereich der Folie, stellen die Strukturen einen Oberflächenbereich bereit, der mindestens 50 Prozent höher ist, als eine entsprechende ebene Folie, vorzugsweise mindestens 100 Prozent höher, im Allgemeinen bis zu 1000 Prozent höher oder mehr. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die hohen Seitenverhältnisstrukturen kontinuierliche oder diskontinuierliche Erhöhungen, die sich über einen wesentlichen Teil der konturierten Folienschicht an einer Kante der Konturen erstrecken, vorzugsweise achteckig (90 Grad) zu den Konturen der konturierten Folienschicht, wie in 5 und 6 aufgezeigt. Dies verstärkt die mechanische Stabilität der konturierten Folienschicht in der Anordnung mit Strömungskanälen (5) und der Filtermediumanordnung (6). Die Erhöhungen können sich im Allgemeinen in einem Winkel von etwa 5 bis 175 Grad zum Umriss befinden, vorzugsweise 45 bis 135, wobei die Erhöhungen im Allgemeinen nur aus einem signifikant gewölbten Bereich der konturierten Folie herausragen müssen.
Die strukturierten Oberflächen können mittels jedes bekannten Verfahrens zur Ausbildung einer Strukturfolie hergestellt werden, so wie die Verfahren, die in den US-Patentschriften Nr. 5,069,404 und 5,133,516, beide an Marantic et al.; 5,691,846 an Benson et al.; 5,514,120 an Johnston et al.; 5,158,030 an Noreen et al.; 6,175,030 an Lu et al.; 4,668,558 an Barber; 4,775,310 an Fisher; 3,594,863 an Erb oder 5,077,870 an Melbye et al. offenbart werden.
Die konturierten Folienschichten werden vorzugsweise mit einer hohen Seitenverhältnisstruktur über mindestens 50 Prozent von mindestens einer Seite, vorzugsweise mit mindestens 90 Prozent versehen. Abdeckende Folienschichten oder andere funktionale Folienschichten können ebenso aus diesen strukturierten Folien mit hohen Seitenverhältnissen ausgebildet werden. Im Allgemeinen sollten die gesamten Strömungskanäle strukturierte Oberflächen aufweisen, die 10 bis 100 Prozent ihres Oberflächenbereichs, vorzugsweise 40 bis 100 Prozent ausmachen.
Die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen der vorliegenden Erfindung beginnt mit den gewünschten Materialien, aus denen die Schichten hergestellt werden. Geeignete Schichten dieser Materialien mit der erforderlichen Dicke oder den erforderlichen Dicken werden mit den gewünschten hohen Seitenverhältnisoberflächen ausgebildet, wobei mindestens eine dieser Folienschichten konturiert ist und diese konturierte Folie dadurch stabilisiert ist, dass sie mit einer weiteren Deckschicht wie einer konturierten Schicht oder dergleichen verbunden ist, welche die Strömungskanäle ausbildet. Die Strömungskanalschichten, die die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen ausbilden, z.B. konturierte Folienschichten und Deckschichten, werden miteinander verbunden, mechanisch gehalten oder anderweitig in einer stabilen Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen gehalten. Die konturierten Folien- und Deckschichten werden miteinander verbunden, wie es in der US-Patentschrift Nr. 5,256,231 (Strangverbindung einer Folienschicht mit einer gewellten Schicht) oder in der US-Patentschrift Nr. 5,256,231 (durch Klebstoff oder Ultraschallverbindung von Spitzen an eine darunterliegende Schicht) offenbart ist oder durch Verschmelzung der äußeren Ecken, die die Einlass- und/oder Auslassöffnungen ausbilden. Wie in 5 gezeigt, ist eine konturierte Strukturfolie 10 mit einer ebenen bedeckenden Schicht aus einer Strukturfolie 11 an den Spitzen 12 auf einer Seite 13 der Strukturfolienschicht 10 verbunden. Eine oder mehrere dieser Strömungskanalschichten 20 werden dann gestapelt oder anderweitig geschichtet und in einer vorher festgelegten Struktur oder einem Verhältnis ausgerichtet, wobei optional zusätzliche Schichten 15 (5A) ein geeignetes Volumen von Strömungskanalschichten 20 in einer Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen 30, wie in 6 aufgezeigt, aufbauen. Das sich daraus ergebende Volumen der Strömungskanalschichten 20 wird dann durch Schneiden oder anderweitig konvertiert zu einer endgültigen Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen in einer gewünschten Dicke und Form. Jede gewünschte Behandlung kann, wie oben beschrieben, in jedem adäquaten Stadium des Herstellungsprozesses angewandt werden.
Die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen 30 wird vorzugsweise in ihre endgültige Form gebracht durch Schneiden der Anordnung mit einem Hitzdraht. Der Hitzdraht verschmilzt die entsprechenden Schichten im Zuge des Herausschneidens der endgültigen Filterform miteinander. Dieses Verschmelzen der Schichten geschieht an der äußersten Seite oder den äußersten Seiten des endgültigen Filters. Als solches verursachen mindestens einige der angrenzenden Schichten der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen eine mehr oder weniger hohe Verschmelzung oder Fixierung der entsprechenden Schichten. Die Geschwindigkeit des Hitzdrahtes kann beispielsweise abgeändert werden, um mehr oder weniger stark verschmolzene Bereiche zu erzeugen. Hitzdrähte können gerade oder gebogen sein, und somit Filter in einer unendlich hohen Anzahl von potenziellen Formen herstellen, inbegriffen rechteckige, gebogene, ovale Filter oder dergleichen. Hitzdrähte können außerdem verwendet werden, um die entsprechenden Schichten der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen zu verschmelzen, ohne die Filter zu schneiden oder zu trennen. Zum Beispiel kann ein Hitzdraht durch die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen schneiden und dadurch die Schichten miteinander verschmelzen, wobei die Teile an beiden Seiten des Hitzdrahtes zusammengehalten werden. Die Teile verschmelzen wieder, wenn sie abkühlen und erzeugen dadurch eine stabile Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung verwenden dünne flexible Polymer-Folien mit einer Dicke von 9 oder weniger als 200 Mikronen, vorzugsweise weniger als 100 Mikrone bis hinunter zu etwa 5 Mikronen. Dickere Folien sind möglich, erhöhen jedoch im Allgemeinen den Druckverlust, ohne zusätzliche Vorzüge gegenüber der Filtrationsleistung oder der mechanischen Stabilität zu gewährleisten. Die Dicke der anderen Schichten ist ebenfalls vorzugsweise geringer als 200 Mikrone, insbesondere weniger als 100 Mikrone. Die Dicke der Schichten, die die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen ausbilden, ist im Allgemeinen derart, dass kumulativ weniger als 50 Prozent des Querschnittsbereichs der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen an den Einlass- und Auslassöffnungen durch die Schichtmaterialien ausgebildet werden, vorzugsweise weniger als 10 Prozent. Die verbleibenden Anteile des Querschnittsbereiches bilden die Einlass- oder Auslassöffnungen aus. Die Spitzen oder Erhöhungen der konturierten Folie haben im Allgemeinen eine Mindesthöhe von etwa 1 mm, vorzugsweise mindestens 1,2 mm und insbesondere mindestens 1,5 mm. Wenn die Spitzen oder Erhöhungen größer als etwa 10 mm sind, werden die Strukturen instabil und die Effizienz recht niedrig, außer bei sehr langen Filtermediumanordnungen mit Strömungskanälen, die z.B. größer als 100 cm oder länger sind; die Spitzen oder Erhöhungen betragen daher vorzugsweise 6 mm oder weniger. Die Strömungskanäle weisen im Allgemeinen einen durchschnittlichen Querschnittsbereich von mindestens etwa 1 mm², vorzugsweise mindestens 2 mm² auf, wobei der minimale Querschnittsbereich mindestens 0,2 mm², vorzugsweise mindestens 0,5 mm² beträgt. Der maximale Querschnittsbereich wird bestimmt durch die relative erforderliche Filtrationseffizienz und beträgt im Allgemeinen etwa 1 cm² oder weniger, vorzugsweise etwa 0,5 cm² oder weniger.
Die Form der Strömungskanäle wird bestimmt durch die Umrisse der konturierten Folienschicht und die daraufliegende Deckschicht oder die angrenzende anhaftende konturierte Folienschicht. Im Allgemeinen können die Strömungskanäle jede denkbare Form einnehmen, z.B. glockenförmig, dreieckig, rechteckig oder in der Form unregelmäßig sein. Die Strömungskanäle einer einzelnen Strömungskanalschicht sind vorzugsweise im Wesentlichen parallel und kontinuierlich auf der konturierten Folienschicht angeordnet. Die Strömungskanäle dieses Typus auf angrenzenden Strömungskanalschichten können sich an den entsprechenden Kanten zueinander befinden. Diese Strömungskanäle der spezifischen Strömungskanalschichten können sich ebenso an den Kanten entsprechend der Seite der Einlassöffnung oder der Seite der Auslassöffnung der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen erstrecken.
Die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen ist vorzugsweise von der ersten zur zweiten Seite der Anordnung zwischen 8 und 35 mm dick. Es wurde festgestellt, dass vorhandene Sicherheitsbestimmungen für Motorfahrzeuge nicht eingehalten werden, wenn die Dicke weniger als 8 mm beträgt. Wenn die Größe 35 mm übersteigt, wird der Kombinationsfilter zu voluminös, um problemlos in das Gehäuse, das zu diesem Zweck in Motorfahrzeugen bereitgestellt wird, zu passen.
Die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen und das Adsorptionspartikelfiltermedium bilden den Kombinationsfilter in jeder herkömmlichen Weise aus. Zum Beispiel ist das Adsorptionspartikelfiltermedium mit der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen verleimt durch Verleimung der Faltspitzen des gefalteten Adsorptionspartikelfiltermediums mit der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen. Vorzugsweise jedoch werden die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen und das Adsorptionspartikelfiltermedium zusammengehalten durch ein Paar Streifen entlang der zwei entgegengesetzten Enden des Kombinationsfilters. Solche Streifen können an den Enden der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen und dem Adsorptionspartikelfiltermedium verleimt sein, wodurch beide im Kombinationsfilter zusammengehalten werden. Solche Streifen können aus jeder Art von Material hergestellt sein, wie zum Beispiel aus Kunststoff, und können rigide sowie auch flexibel oder komprimierbar sein. Gemäß einer besonderen Ausführungsform können die Streifen flexibel sowie auch komprimierbar sein, wie z.B. ein Streifen aus Schaum oder Fasern. Die Verwendung eines solchen Streifens hat den Vorteil, dass dieser als Versiegelung gegen das Gehäuse dient, in dem der Kombinationsfilter eingepasst wird.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden das Filtermedium mit Strömungskanälen und das Adsorptionspartikelfiltermedium zusammengehalten durch Bereitstellung eines Rahmens um die Peripherie des Kombinationsfilters. Solch ein Rahmen ist vorzugsweise mit den Enden des Filtermediums mit Strömungskanälen und denen des Adsorptionspartikelfiltermediums verleimt. Der Rahmen kann rigide sein und aus Kunststoff oder jedem anderen brauchbaren Material hergestellt sein. Vorzugsweise weist der Rahmen ein flexibles und komprimierbares Material auf, das sowohl als Rahmen als auch als Versiegelung dienen kann. Solche Materialien umfassen zum Beispiel Schaum und Fasermaterialien. Dank der Festigkeit und Stabilität der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen muss der Rahmen nicht rigide sein, und sogar ein recht flexibles Material wie Schaum kann als Rahmen verwendet werden.
12 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Kombinationsfilters. Wie in dieser Figur ersichtlich, umfasst der Kombinationsfilter 200 Rahmenteile 201, die aus einem Schaum hergestellt werden können und die an den Enden der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen 202 und den Enden des Adsorptionspartikelfiltermediums 203 verleimt sind. Wie aus 13 ersichtlich, ist das Adsorptionspartikelfiltermedium 203 gefaltet und weist Adsorptionspartikel 210 auf, die durch ein Geflecht 211 getragen werden. Die Adsorptionspartikelschicht wird zwischen zwei Gazeschichten 212 gehalten. In Bezug auf 12 und insbesondere auf die Verlängerung A, die in dieser Figur aufgezeigt wird, wird deutlich, dass die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen aus einem Stapel konturierter Folienschichten 204 hergestellt ist, die elektrostatisch geladen und die auf mindestens einer ihrer Seiten strukturiert sind. Die konturierten Folienschichten 204 definieren Strömungskanäle, die sich von einer Seite 205 zur entgegengesetzten Seite 206 erstrecken. Gebräuchlicherweise definiert die Seite 205 den Einlass und die Seite 206 den Auslass, für den das Kohlefiltermedium 203 bereitgestellt wird. Entsprechend tritt das ungefilterte Fluid an der Seite 205 ein und bewegt sich zunächst durch die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen und fließt dann durch das Kohlefiltermedium 203.
Der Kombinationsfilter der vorliegenden Erfindung ist insbesondere geeignet für die Verwendung in Fahrzeugen, insbesondere in einem Motorfahrzeug, um Luft, die in die Fahrgastkabine eines solchen Fahrzeugs eintritt, zu filtern.
Die folgenden Beispiele sollen ferner die Erfindung veranschaulichen, ohne dabei zu beabsichtigen, die Erfindung auf diese Weise einzuschränken.
BEISPIELE
Die Erfindung wird ferner beschrieben anhand der folgenden Beispiele und Testergebnisse:
Beispiel 1
Die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen eines Kombinationsfilters wurde hergestellt unter Anwendung des folgenden Verfahrens: Polypropylen-Harz wurde umgewandelt zu einer Strukturfolie unter Verwendung von standardisierten Extrudierungstechniken, indem das Harz auf einer Gießwalze mit einer mikrogefalzten Oberfläche extrudiert wurde. Die sich daraus ergebende Abgussfolie hatte eine erste glatte Hauptoberfläche und eine zweite strukturierte Hauptoberfläche mit in Längsrichtung angeordneten kontinuierlichen Merkmalen der Gießwalze. Die Merkmale auf der Folie bestanden in gleichmäßig verteilten ersten Primärstrukturen und dazwischenliegenden Sekundärstrukturen. Die Primärstrukturen lagen in einem Abstand von 150 Mikronen auseinander und wiesen einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, der an der Basis etwa 75 Mikrone hoch und etwa 80 Mikrone breit war (ein Höhen-/Breitenverhältnis von etwa 1) mit einer Seitenwandtrassierung von etwa 5°. Drei Sekundärstrukturen mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnitten, die an der Basis 25 Mikrone hoch und 26 Mikrone breit waren (Höhen-/Breitenverhältnis von etwa 1) wurden gleichmäßig zwischen den Primärstrukturen in Intervallen von 26 Mikronen verteilt. Die Basis-Folien schicht, aus der sich diese Merkmale erhoben, hatte eine Dicke von 50 Mikronen.
Eine erste Schicht einer Strukturfolie wurde in eine gefurchte konturierte Form gebracht und an ihren gebogenen Spitzen mit einer zweiten Strukturfolie verhaftet, um eine beschichtete Anordnung aus Schichten mit Strömungskanälen auszubilden. Das Verfahren umfasst im Allgemeinen die Herausbildung einer ersten Strukturfolie zu einem konturierten Blatt, welches die Folie ausbildet, so dass diese Folie bogenförmige Teile aufweist, die von den im Allgemeinen parallel ausgerichteten Ankerteilen in die gleiche Richtung hinausragen, wobei die im Allgemeinen parallel ausgerichteten Ankerteile der konturierten Folie mit einer zweiten zusätzlichen Schicht aus Strukturfolie mit den bogenförmigen Teilen der konturierten Folie, die aus der zusätzlichen Schicht herausstehen, verbunden sind. Dieses Verfahren wird durchgeführt durch Bereitstellen von ersten und zweiten erhitzten und gefurchten Elementen oder Walzen, wobei jedes Element oder jede Walze eine Achse aufweist und mehrere im Umfang ausgerichtete, im Allgemeinen axial hervorstehende Erhöhungen umfassen, die deren Peripherie definieren, wobei die Erhöhungen äußere Oberflächen und definierende Räume zwischen den Erhöhungen aufweisen, die so eingerichtet sind, dass sie Teile der Erhöhungen der anderen gefurchten Elemente in gegenseitigem Ineinandergreifen aufnehmen. Die erste Strukturfolie wird zwischen den ineinandergreifenden Erhöhungen geführt, wobei die gefurchten Elemente einander entgegengedreht sind.
Mit der gefurchten Vorrichtung, die auf diese Weise konfiguriert wurde, wurde die Strukturfolie beim Passieren der ineinandergreifenden Zähne der gefurchten Elemente bei einer Walzengeschwindigkeit von 5,3 rpm komprimiert und zwischen den Zahnrädern der oberen gefurchten Elemente gehalten. Während die erste Folie in den Zähnen der oberen gefurchten Elemente gehalten wurde, wurde die zweite Strukturfolie über die Peripherie der Walze gelegt und mit Ultraschall mit der Schicht verschweißt, die in den Zähnen der oberen gefurchten Elemente gehalten wurde. Das Verschweißen wurde zwischen der ersten und zweiten Folie an der obersten Fläche der Zähne der gefurchten Elemente durchgeführt, indem die Oberfläche der Zähne als Amboss dagegen fungierte, was ein Ultraschallhorn zur Wirkung brachte. Die dadurch entstandenen gefurchten Strömungskanäle waren 1,8 mm hoch mit einer Basisbreite von 2,5 mm.
Die Schichtanordnung mit Strömungskanälen wurde mit einem Electret geladen, indem es einem Hochspannungsfeld in einem Gitterlader gemäß des Verfahrens, das im Allgemeinen in der US-Patentschrift 3,998,916 (van Turnhout) beschrieben ist, ausgesetzt wurde. Eine Filtermediumanordnung wurde aus den geladenen Schichtanordnungen mit Strömungskanälen ausgebildet durch das Stapeln von Schichten aufeinander, wobei die Kanäle in allen Schichten mit Strömungskanälen in einer parallelen Ausrichtung gehalten wurden, so dass die Wände der Strömungskanäle in einem 90°-Winkel mit einer Ebene ausgebildet wurden, die durch die Phase der Einlassöffnung der Filtermediumanordnung (90° Einfallswinkel) ausgebildet wurde. Ein Stapel einer Filtermediumanordnung wurde umgewandelt zu einer stabilen Konstruktion einer Filtermediumanordnung mittels Durchschneiden des Stapels mit Hitzdraht, um Filter mit einer Tiefe von 10 mm herzustellen. Die Menge der Schmelze, die der Hitzdraht erzeugen konnte sowie der Schmierungsgrad des geschmolzenen Harzes wurden sorgfältig überprüft, damit diese nicht die Einlass- oder Auslassöffnungen der Filtermediumanordnung blockierten. Zusätzlich zu der Erzeugung der gewünschten Filtertiefe stabilisierte der Schneideprozess mittels des Hitzdrahtes außerdem die endgültige Anordnung, die nun eine robuste Struktur aufwies, die gegen ein Zusammenfallen geschützt war, indem die vorderen und hinteren Phasen der Schichtanordnungen mit den Strömungskanälen zusammenschmolzen und dadurch eine stabile Filtermediumanordnung ausbildeten. Für das System des Kombinationsfilters wurde eine Anordnung mit äußeren Abmessungen von 255 × 190 mm hergestellt.
Der zweite Komponent des Kombinationsfilters, das Adsorptionspartikelfiltermedium, wurde auf folgende Weise hergestellt: Eine Adsorptionspartikelschicht wurde verwendet, bei der Aktivkohlepartikel an eine netzartige Struktur angeheftet waren. Dieses Netz wurde hergestellt aus Fäden aus Polypropylen oder einem ähnlichen Material, in das schwarze Pigmente eingebettet waren, so dass das Netz die gleiche Farbe aufwies wie die Aktivkohlepartikel. Das Netz hatte einen spezifischen dreidimensionalen Aufbau, wobei eine Basisstruktur aus Fäden mit einem Durchmesser von 0,2 mm, die senkrecht in einem Abstand zwischen den Fäden von etwa 7 mm angeordnet wurden, errichtet wurde, so dass ein Netzwerk aus Quadraten erzeugt wurde. Auf diese erste Schicht wurde eine zweite Schicht an einer Seite der ersten Struktur angeheftet, wobei zweite Fäden mit dem gleichen Durchmesser so angeordnet waren, dass sich diese innerhalb eines jeden Quadrates der Originalstruktur in einem Abstand von etwa 1 mm befanden, so dass die Gesamtstruktur eine Dicke von 0,4 mm erhielt. So wurde in verschiedenen zusätzlichen Schritten weiterverfahren, vorzugsweise in 3 bis 4 Schritten, wobei bei jedem Schritt ein kleineres Quadrat oberhalb des Originalquadrates erzeugt wurde. Bei allen Schritten wurden die zusätzlichen Schichten auf die vorherigen Schichten auf die gleiche Seite der Basisstruktur aufgelegt. Auf diese Weise wurde eine dreidimensionale Struktur erzeugt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform war die Anzahl der Fäden in eine Richtung größer als vergleichsweise in die andere senkrechte Richtung. Auf dieser dreidimensionalen netzartigen Struktur mit einer Gesamtdicke von etwa 1,8 mm wurden Aktivkohlepartikel befestigt, die eine Größenverteilung in einer Spanne von 0,3 bis 0,8 mm aufwiesen. Die einzelnen Fäden sowie die Kohlepartikel wurden an die Gesamtstruktur angeheftet durch Verwendung eines Harzes, vorzugsweise aus der Gruppe der Polyethurane. Dies führte zu einer Gesamtschicht, die das Netz und die Aktivkohlepartikel umfasste, mit einer Dicke von etwa 2 mm und einem Basisgewicht von 550 g/m², das Netz mit inbegriffen, und von 400 mg/m² nur mit der Aktivkohle. Die Partikel wurden angeheftet, so dass eine recht dichte Anordnung von Partikeln erzeugt wurde, die die netzartige Struktur in einer Weise bedeckte, dass diese kaum noch sichtbar war.
Ferner wurde ein Material aus Gaze verwendet, welches ein gesponnenes Polypropylen-Fasernetz aufwies mit einem Basisgewicht von 15 g/m². Die Adsorptionspartikelschicht mit dem dreidimensionalen Netz wurde zwischen die zwei Schichten aus Gazematerial gelegt, so wie es in 13 ersichtlich ist. Die Gazeschichten wurden mit den Adsorptionspartikeln verbunden durch Bestreichen mit einem Klebstoff, vorzugsweise aus der Polyethuran-Gruppe, bevor die drei Schichten laminiert wurden.
Das oben beschriebene Adsorptionspartikelfiltermedium wurde dann in einer allgemein bekannten Weise gefaltet, so dass eine Falthöhe von 20 mm erreicht wurde, wodurch die Gesamtabmessungen 255 × 190 mm ergaben. Dies führte zu 30 Falten mit einem Abstand von etwa 1,2 Falten pro cm. Dies führte zu einem Gesamtbereich des Materials aus Aktivkohle von 0,22 m².
Die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen mit einer Dicke von 10 mm wurde dann auf das Adsorptionspartikelfiltermedium aufgebracht, wobei dieses eine Dicke von 20 mm aufweist, so dass eine Konfiguration mit einer Gesamtdicke von 30 mm erhalten wurde. Diese Konfiguration wurde dann in einen Rahmen eingepasst. Für diesen Rahmen wurde ein Polyurethan-Schaum mit geschlossenen Zellen verwendet, der eine Höhe von 30 mm und eine Dicke von 6 mm aufwies. Auf einer Seite des Schaumes wurde ein doppelseitiges Klebeband mit einer Deckschicht aufgebracht, die dann sukzessive entfernt wurde. Der Schaum mit der Klebeschicht wurde dann auf die Konfiguration der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen und das Adsorptionspartikelfiltermedium aufgebracht, so dass ein Rahmen gebildet wurde. Der Rahmen wurde zusammengesetzt aus vier Teilen für jede der vier Seiten, alternativ jedoch kann auch ein einzelner Schaumstreifen mit einer Länge des Gesamtumfangs verwendet werden. Durch die Verwendung des Schaumes und aufgrund der Festigkeit der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen wurde eine stabile Konfiguration erreicht, ohne dass die zwei Filtermedien direkt miteinander verbunden waren. Gleichzeitig ist der Rahmen außerdem in der Lage, die Versiegelungsfunktion des gesamten Kombinationsfilters zu übernehmen.
Vergleichsbeispiel
Das Vergleichsbeispiel war eine gefaltete Konstruktion, die eine konventionelle Electret-Filterschicht verwendete, anstelle der Filtermediumanordnung. mit Strömungskanälen. Ein Laminat aus vier Schichten wurde erzeugt und anschließend gefaltet. Als Partikelfilter wurde Folgendes verwendet: Eine Gazeschicht, ähnlich derjenigen, die in Beispiel 1 verwendet wurde, und die ein gesponnenes Fasermaterial aufweist, das in einer bekannten Weise aus Fasern hergestellt war, die vielfach wärmeverbunden und zufällig angeordnet waren. Das Basisgewicht dieses gesponnenen Fasermaterials betrug 10 g/m². Das gesponnene Netz wurde kombiniert mit einem Fasermaterial des Electret-Filtermaterials, das aus elektrostatisch geladenen dielektrischen fibrillierten oder gespaltenen Fasern mit den typischen Abmessungen von 10 mal 40 Mikronen im Durchmesser bestand. Das Basisgewicht dieses Fasermaterials betrug etwa 40 g/m². Als Materialien für die Electret-Filterschichten können Produkte, die unter der Bezeichnung 3M Filtrete^TM der Minnesota, Mining and Manufacturing Company vertrieben werden, verwendet werden.
Die zwei anderen Schichten waren praktisch identisch mit den zwei Schichten aus Beispiel 1, nämlich die Adsorptionspartikelschicht, die oben beschrieben wurde, und die eine Dicke von 2 mm aufweist, auf der eine Gazeschicht in der gleichen Weise und unter Verwendung eines Klebstoffes aus der Polyurethan-Gruppe angeheftet wurde. Die zwei Konfigurationen, also die Electret-Filterschicht mit der zusätzlichen Gazeschicht auf der einen Seite und die Adsorptionspartikelschicht mit ihrer Gazeschicht auf der anderen Seite wurden dann aufeinander geschichtet, so dass die Electret-Filterschicht in direkten Kontakt zur Adsorptionspartikelschicht gebracht wurde, ohne dass dabei ein Klebstoff verwendet wurde. Entsprechend befanden sich die beiden Gazeschichten an den äußeren Oberflächen der Gesamtkonstruktion.
Diese Konfiguration wurde dann im wesentlichen auf die gleiche Weise gefaltet, wie es oben beschrieben wurde, wobei eine Falthöhe von 28 mm entstand und eine Gesamtgröße von 255 × 190 mm, was zu insgesamt 20 Falten führte, so dass der Gesamtbereich des aktiven Materials 0.21 m² im Vergleich zum Gesamtbereich aus Beispiel 1, bei dem dieser 0,22 mm² aufwies, betrug. Die gefaltete Konfiguration wurde dann in einen Rahmen eingepasst, vorzugsweise durch ein Injektionsabdruckverfahren.
Mit den oben beschriebenen Probefiltern wurden die folgenden Vergleichsmessungen durchgeführt:
Die Leistungsfähigkeit wurde in Übereinstimmung mit der Testnorm DIN 71 460, Teil 1, gemessen. Die Messung der Leistungsfähigkeit wurde folgendermaßen durchgeführt: Ein Test-Grobstaub gemäß DIN ISO 5011 wurde entsprechend § 4.4 der DIN 71 460 eingebracht. Dieser Staub wurde mit Hilfe von Partikelzählern vor und nach dem Einlass in den zu testenden Filter gemessen. Die Partikelzähler sind in der Lage, Partikel verschiedener Partikelgrößen zwischen 0,5 und 15 Mikronen zu bestimmen. Das Zahlenverhältnis innerhalb dieser Partikel-Bandbreite ist dann die Leistungsfähigkeit in Prozent. Alle Bestimmungen nach DIN 71 460, § 1–4.4.2, wurden berücksichtigt. Es ist insbesondere von Bedeutung, dass die zu testenden Filter in der Größe und Konfiguration identisch sind, so wie es oben im Zuge der verschiedenen Beispiele erwähnt wurde. Ferner wurde der aufgefangene Staub für Beispiel 1 im Vergleich zum Vergleichsbeispiel bestimmt. Auch in diesem Fall wurden die Tests gemäß der Testnorm DIN 71 460, Teil 1, durchgeführt. Die Bestimmung wurde folgendermaßen vorgenommen: Alle Vorschriften aus DIN 71 460, Teil 1, welche für die Bestimmung von aufgefangenem Staub relevant sind, insbesondere § 6.3, wurden berücksichtigt. Die Messung wurde von Beginn an durchgeführt, bis der Druckverlust zu einer festgelegten Rate von 25, 50, 75 bzw. 100 Pa angestiegen war. Die Filter wurden vor und im Anschluss an den Test gewogen. Auch beim Wiegen wurde DIN ISO 5011 angewandt.
Die Gasleistungsfähigkeit wurde entsprechend der Testnorm DIN 71 460, Teil 2, bestimmt. Der zu testende Filter wurde in eine Testvorrichtung gemäß Anhang 1, Figur A.1, eingeführt. In diesem Fall wurde entweder N-Butan, SO₂ oder Toluol in gasförmigem Zustand in das System eingebracht. Die Temperatur und die Konzentration des zu testenden Materials wurden vor und nach dem Durchlaufen des Filters bestimmt.
Gleichzeitig wurde der Druckverlust gemessen. Die Konzentration des zu testenden Materials vor dem Ein tritt in den Filter ist C₁, die entsprechende Konzentration nach dem Durchlaufen des Filters ist C₂. Dies ist eine Zeitfunktion, bei der das zu testende Material den Filter passiert (C₂(t)), bei der die Konzentration vor dem Eintritt des zu testenden Materials in den Filter mit der Zeit konstant ist. Die Leistungsfähigkeit wurde dann bestimmt durch E(t) = (1 – C2(t) : C1) × 100%
Da der Filter typischerweise mit dem zu testenden Material geladen ist, sinkt die Leistungsfähigkeit mit der Zeit. Aus praktischen Gründen hat es sich als ausreichend erwiesen, die verschiedenen Gasleistungsfähigkeiten sofort nach dem Teststart, nachdem der Filter begonnen hat, das zu testende Material zu absorbieren (dies bedeutet die Gasleistungsfähigkeit nach 0 Minuten) sowie nach 5 Minuten zu bestimmen. Ferner muss die Strömungsrate berücksichtigt werden und aus praktischen Gründen wurden die Zahlen bei den zwei Raten 225 m³/h bzw. 450 m³/h gemessen.
Diese Tests wurden mit etlichen Proben durchgeführt, um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten; die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 ersichtlich. Tabelle 1 stellt einen Vergleich von Beispiel 1 mit dem Vergleichsbeispiel dar. Hierbei wird deutlich, dass der Druckverlust bei verschiedenen Strömungsraten von 225 m³/h bzw. 450 m³/h in Beispiel 1 geringfügig besser ist als im Vergleichsbeispiel. Ferner zeigen der Fraktionsabscheidegrad gemäß DIN 71 460, Teil 1, und die Gasleistungsfähigkeit nach DIN 71 460, Teil 2, dass diese Werte geringfügig unter den Werten des Vergleichsbeispieles liegen. Diese im Vergleichsbeispiel und im Beispiel 1 erhaltenen Werte liegen alle in einer akzeptablen Bandbreite.
Der Filter gemäß der Erfindung (Beispiel 1) weist jedoch eine im Wesentlichen verbesserte Aufnahmefähigkeit für den Staub auf, wie es aus Tabelle 2 ersichtlich ist. Demzufolge hatte das Vergleichsbeispiel bei einem Anstieg des Druckverlustes um 100 Pa, an dem der Filter ersetzt werden musste, nur 15 g Staub aufgenommen, während das Beispiel gemäß der Erfindung 40 g Staub aufnehmen konnte, wobei der Druckverlust nur um 35 Pa zunahm. Entsprechend hat der Filter gemäß der Erfindung eine Lebensdauer, die wesentlich länger ist als die des Vergleichsbeispiels.
Tabelle 1:
Tabelle 2:

Claims

Kombinationsfilter zum Filtern von Fluids, umfassend: eine Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen und ein Adsorptionspartikelfiltermedium, wobei die Filtermediumanordnung mit Strömungskanal eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist und durch mindestens eine strukturierte Folienschicht und eine zweite Schicht gebildet ist, wobei die strukturierte Folienschicht eine erste Fläche und eine zweite Fläche aufweist, wobei mindestens eine Fläche der strukturierten Folie zumindest teilweise Strömungskanäle bildet und hohe Seitenverhältnisstrukturen über mindestens einen Teil der die Kanäle bildenden Fläche aufweist, und wobei eine die zweite Schicht aus der Strömungskanalschicht aufweisende zweite Folienschicht oder eine weitere Schicht zumindest teilweise Fluidströmungswege durch die Strömungskanäle der Anordnung definiert, wobei die Folienschichten elektrostatisch geladen sind und mehrere durch die erste Fläche offene Einlassöffnungen und mehrere durch die zweite Fläche offene Auslassöffnungen der Anordnung definiert; und das Adsorptionspartikelfiltermedium eine gefaltete Schicht aus Adsorbtionspartikeln umfasst, und wobei das Adsorptionspartikelkohlefiltermedium an eine Fläche der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen angrenzt.
Kombinationsfilter nach Anspruch 1, wobei das Adsorptionspartikelfiltermedium an die zweite Fläche der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen angrenzt.
Kombinationsfilter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Adsorptionspartikelfiltermedium in eine netzartige Bahn eingebettete Adsorptionspartikel aufweist.
Kombinationsfilter nach Anspruch 3, wobei das Adsorptionspartikelfiltermedium ferner zwei Gazeschichten aufweist, und wobei das Geflecht zwischen den Gazeschichten lokalisiert ist.
Kombinationsfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Faltenhöhe des Kohlefiltermediums zwischen 5 und 30 mm beträgt.
Kombinationsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen eine Dicke von 8 bis 35 mm aufweist.
Kombinationsfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kombinationsfilter ferner mindestens zwei an gegenüberliegenden Enden des Adsorptionspartikelfiltermediums und der Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen angeheftete Streifen umfasst.
Kombinationsfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Adsorptionspartikelfiltermedium und die Filtermediumanordnung mit Strömungskanälen an ihrer Peripherie von einem Rahmen umgeben sind.
Kombinationsfilter nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Streifen oder der Rahmen einen Schaum umfassen/umfasst.
Kombinationsfilter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Adsorptionspartikel des Adsorptionspartikelfiltermediums Aktivkohlepartikel umfassen.
Verfahren zum Filtern eines Fluids, welches umfasst, dass das genannte Fluid durch einen wie in einem der Ansprüche 1 bis 10 definierten Kombinationsfilter geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Fluid ein gasförmiges Fluid ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei das Fluid zuerst durch das Fließkanalfiltermedium und dann durch das Adsorptionspartikelfiltermedium geleitet wird.
Fahrzeug, umfassend eine Fahrgastkabine und enthaltend einen wie in einem der Ansprüche 1 bis 10 definierten Kombinationsfilter zum Filtern von in die Fahrgastkabine eintretender Luft.