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Die Erfindung betrifft ein Filtermedium
zum Filtern von Fluiden einschließlich Luft.
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Die Erfindung entstand während Entwicklungsbemühungen in
Bezug auf das Steigern der Filterlebensdauer bei Filtern, die hohen
Staubkonzentrationen mit trockenen und/oder rußigen und/oder öligen Partikeln
ausgesetzt sind. Bei dem bekannten nicht-gewebten Faserfiltermedium
werden Nadelungstechniken verwendet, um die erforderliche Mediendicke
und -festigkeit zu erreichen. Während
des Nadelungsprozesses werden kleine Löcher in dem Medium gebildet.
Diese Nadellöcher,
die in filzigen oder anderen synthetischen Filtermaterialien gebildet
werden, unterstützen
das Eindringen von zuströmenden
und abgelösten
Partikeln. Diese Nadellöcher
verursachen Unregelmäßigkeiten
in der Filtermedienstruktur, weil sie relativ große Poren im
Vergleich zu denen der Bulkfasermatrix haben. Die großen Poren
stellen einen Weg mit niedrigem Widerstand für die Fluidströmung dar.
Weil kleinere Poren schneller durch sich ablagernde Partikel verstopfen,
steigt die Geschwindigkeit durch die größeren Nadellöcher entsprechend
an. Die Löcher,
die durch das Nadellochen erzeugt werden, und die ansteigende Geschwindigkeit
durch sie hindurch, erzeugen auf diese Weise Bedingungen für ein Eindringen
und ein erneutes Mitreißen
von Partikeln. Folglich können
sowohl nicht aufgefangene als auch abgelöste Staubpartikel durch die
Nadellöcher
in den Filter eindringen, was zu einer geringeren Wirksamkeit bzw.
Wirkungsgrad des Filters führt.
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Darüber hinaus erstrecken sich
in dem erwähnten
bekannten Faserfiltermedium die Fasern überwiegend senkrecht zur Strömungsrichtung
des Fluids durch das Filtermedium. Bei dieser Art der Ausrichtung
ist der Oberflächenbereich
für den
Partikelkontakt und das Verkleben mit den Fasern klein, während der
stirnseitige Oberflächenbereich
der Partikelanhäufungen
groß ist,
weil aufgefangene Staubpartikel sich übereinander aufbauen. Manchmal
bilden Staubpartikelgruppen Brücken
zwischen den Fasern. Solche Partikelgruppen und -brücken können sehr
einfach weggeblasen bzw. abgesprengt werden, insbesondere wenn sie
hohen Fluidströmungsgeschwindigkeiten
oder einem Pulsieren ausgesetzt sind. Die Partikel bilden Gruppen,
die Partikelbrücken
zwischen den Fasern bilden kön nen,
die die Strömung
durch das Medium blockieren und die Lebensdauer des Filters aufgrund
vorzeitigen Verschmutzens verkürzen.
Außerdem
sind solche Partikelgruppen und -brücken einer Instabilität und dem
genannten Wegblasen ausgesetzt, insbesondere in Bereichen nahe der Nadellöcher, durch
die die Luftgeschwindigkeit ansteigt. Durch diese Nadellöcher kann
eine höhere
Zahl von Partikeln hindurchtreten, was wegen des Ablösens und
erneuten Mitreißens
der Schmutzpartikel unerwünscht ist.
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Die Stabilität des Schmutzkuchens bzw. aus
Schmutz bestehenden Filterkuchens ist ein weiteres Problem bei bekannten
faserigen, nicht-gewebten Filtermedien. Weil solch ein Medium eine
sehr geringe Steifigkeit und einen sehr geringen Druckwiderstand
hat, kann der Schmutzkuchen, der sieh auf dem Filtermedium ausbildet,
sich leicht in Form punktförmiger
Bereiche ablösen
bzw. sich entfernen. Das genannte bekannte Nadeln von einem solchen
Medium verbessert die Steifigkeit und den Druckwiderstand im Vergleich
zu Air-Laid-Vliesstoffen bzw. luftgelegten Vliesstoffen, wobei dennoch
ein Bedarf an zusätzlicher
Stabilität
des verunreinigenden Staubkuchens besteht, um die Filterleistung
zu verbessern. Darüber
hinaus sind die genannten Nadellöcher
die Ursache für
die genannten großen
Poren, die eine ungleichmäßige Verteilung
des Staubkuchens, daß heißt große Krater
bzw. Trichter an den Poren, und eine Staubkuchenpratikelanhäufung und -brückenbildung
zwischen den Fasern in Bereichen zwischen solchen Nadellochporen
bewirken.
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Ein Filtermedienaufbau mit einem
aus dem Stand der Technik bekannten faserigen Filtermedium ist in der
US 4,353,723 A offenbart. Dieser Filtermedienaufbau weist ein Blatt
aus Filtermaterial auf, das aus einem gefalteten bzw. plissierten
Grundblatt gebildet ist, das eine Vielzahl von Fasern aufweist und
eine Vielzahl von Falten hat, die sich zwischen einem ersten und
einem zweiten Satz von Faltenspitzen erstrecken. Die Fasern sind
in zufälliger
Weise innerhalb des Grundblatts angeordnet, so daß eine große Menge
von Fasern zumindest teilweise senkrecht zur Fluidströmung durch
die Falten des Grundblatts verlaufen. Der bekannte Filtermedienaufbau
ist als nächstliegender
Stand der Technik anzusehen und führt zu den oben genannten Problemen betreffend
die Filterleistung.
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Ein Entwurf für das Verbessern der Filterleistung
ist für
ein faseriges Filtermedium bekannt, in dem die Fasern parallel zur
Fluidströmung
durch das Filtermedium ausgerichtet sind. Ein Beispiel eines Filtermedienaufbaus
entsprechend dieses Entwurfs ist in der DE 198 21 869 A1 offenbart.
Dieser Entwurf führt
aber dennoch zu einer Reihe von konstruktionstechnischen Zwängen. Für die Verwirklichung
muß ein
Bulkfiltermaterial mit speziell ausgerichteten Fasern vorgesehen
werden, wobei das Filtermaterial als solches im Filtermedienaufbau
in solcher Weise angeordnet werden muß, daß diese Fasern im wesentlichen
parallel zur vorherrschenden Strömungsrichtung
verlaufen.
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Der Lehre der vorliegenden Anmeldung
liegt das technische Problem zugrunde, einen Filtermedienaufbau
zu schaffen, der die Filterleistung, insbesondere in Bezug auf das
Auffangen von Partikeln, in Bezug auf die Filterlebensdauer und
in Bezug auf die Filterstabilität
verbessert.
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Die vorliegende Erfindung stellt
eine einfache und effektive Lösung
für das
oben genannte und andere Filterprobleme bereit. Ein wünschenswerter
Aspekt ist, daß bei
der Erfindung das Nadeln und die dadurch im faserigen Filtermedium,
das nicht-gewebte Medium eingeschlossen, erzeugten Nadellöcher vermieden
werden. Dies vermeidet die genannten großen Poren in der Bulkfasermatrix
an den Nadellöchern,
was wiederum den genannten Weg des niedrigen Widerstands für die Fluidströmung und
die ansteigende Geschwindigkeit dadurch vermeidet, wodurch das genannte
Durchdringen von nicht aufgefangenen und abgelösten, erneut mitgerissenen
Staubpartikeln durch solche Nadellöcher verhindert, was andernfalls
eine geringere Filterwirksamkeit zur Folge hätte.
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Ein weiterer Aspekt ist, daß der Oberflächenbereich
der Partikelverklebung und des Kontakts mit den Fasern vergrößert ist
und der stirnseitige Bereich für
Staubpartikelgruppen und -brücken
zwischen Fasern verringert ist, was eine Blockierung der Strömung verhindert,
die ansonsten dadurch hervorgerufen würde, und wobei das Risiko eines
erneuten Mitreißens
verringert und ein stabilerer Filterprozeß bereitgestellt wird.
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Ein weiterer Aspekt ist, daß die Steifigkeit
und der Druckwiderstand des Filtermediums verbessert wird, wodurch
die Stabilität
des Schmutzkuchens erhöht wird.
Zusätzlich
ermöglicht
die Erfindung eine gleichmäßigere Verteilung
eines stabilen Staubkuchens einschließlich der Vermeidung der genannten
Krater, die ansonsten an den Nadellöchern ausgebildet würden, und
Schmutzpartikelgruppen und -brücken
zwischen den Fasern in Bereichen zwischen solchen Kratern, die in
Kombination mit der genannten erhöhten Steifigkeit und dem erhöhten Druckwiderstand
des Filtermediums die Stabilität
des Schmutzkuchens erhöhen.
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Die vorliegende Erfindung basiert
auf dem Gedanken eines verbesserten Verfahrens zum Filtern von Partikeln
in einem Fluid, das entlang einer gegebenen Strömungsrichtung durch ein Filtermedium
mit einer Vielzahl von Fasern strömt, einschließlich eines
verbesserten Verfahrens zum Verbessern des Auffangens und Aufhaltens
von Schmutzpartikeln durch die Fasern des Filtermediums. Ein Aspekt
ist, daß die
Methode in Kombination folgendes umfaßt: eine erhöhte Verweilzeit
der Partikel, die sich entlang der Fasern bewegen, um die Wahrscheinlichkeit
eines Kontakts von Faser und Partikel zu erhöhen und die Zeit dafür zu verlängern; ein
Erhöhen
der Brownschen Diffusionswahrscheinlichkeit der Partikel, die zu
den Fasern diffundieren; ein Steigern des Ausbreitens von, und gleichförmigen Beladens
mit, Partikeln entlang der Fasern; ein Verringern von Partikelanhäufung und
Partikelbrückenbildung
zwischen den Fasern, was ansonsten die Strömung blockieren würde und
die Instabilität
und ein erneutes Mitreißen
bewirken würde,
wenn dies hohen Strömungsgeschwindigkeiten
oder einem Pulsieren ausgesetzt würde. Die erhöhte Verweilzeit,
die verbesserte Brownsche Diffusion, die gesteigerte Ausbreitung
und Gleichförmigkeit
der Partikelbeladung sowie die Verringerung von Partikelanhäufung und
-brückenbildung
wird erreicht durch ein Ausrichten der Fasern parallel zur Fluidströmungsrichtung
in Kombination mit dem Bereitstellen von Fasern einer ausreichenden
Länge entlang
der Strömungsrichtung,
so daß die
Verweilzeit erhöht
wird, die Brownsche Diffusion verbessert wird, die Ausbreitung und Gleichförmigkeit
des Partikelbeladens erhöht
wird sowie die Partikelanhäufung
und -brückenbildung
verringert wird, alles im Vergleich zu und relativ zu Filtermedienfasern,
die sich senkrecht zur Fluidströmungsrichtung
erstrecken.
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Der Kontaktoberflächenbereich zwischen den Schmutzpartikeln
und ihren Gruppen bleibt groß und
der stirnseitige Bereich der Schmutzgruppen bleibt klein während des
mit Schmutz Beladens. Dies ist eine günstige Bedingung für einen
stabilen Filterprozeß.
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Ein wichtiger Vorteil der Erfindung
ist die höhere
Schmutzkapazität
bzw. -aufnahmefähigkeit
aufgrund der günstigen
Schmutzbeladung. Im genannten Stand der Technik sammelt sich Schmutz
auf den Fasern an und häuft
sich aneinander an und bildet auch lange und zerbrechliche Brücken zwischen
den Fasern, die die Fluidströmung
blockieren. In der vorliegenden Erfindung werden Schmutzpartikel,
die den Schmutzkuchen bilden, gleichförmiger und gleichmäßiger entlang
der gesamten Faserlänge
verteilt. Die Schmutzbeladung ist auf diese Weise nicht nur entlang
des sich in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung erstreckenden
Oberflächenbereichs,
sondern auch entlang einer sich entlang einer Ebene parallel zur
Strömungsrichtung
erstreckenden Faserlänge
gleichförmiger
und gleichmäßiger verteilt.
Diese Gleichmäßigkeit
der Schmutzverteilung entlang beider Ebenen liefert einen verringerten
Filterdruckabfall und eine gesteigerte Schmutzbeladungsfähigkeit.
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Ein weiterer wünschenswerter Aspekt ist, daß das obige
Verfahren die Steifigkeit und den Druckwiderstand des faserigen
Filtermediums, einschließlich
bei einer geringen Festigkeit, erhöht und die Stabilität des gleichmäßig verteilten
Schmutzkuchens, einschließlich
des Widerstands gegenüber
eines erneuten Mitreißens selbst
beim Aussetzen hoher Strömungsgeschwindigkeiten
oder einem Pulsieren, verbessert.
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Die vorliegende Erfindung stellt
einen Filtermedienaufbau bereit, der ein Blatt Filtermaterial umfaßt, das
eine Dickenausdehnung zwischen einander gegenüberliegenden ersten und zweiten
Seiten hat, um Partikel in der Fluidströmung dadurch entlang einer
Strömungsrichtung
senkrecht zum Blatt und der ersten und zweiten Seite und parallel
zu der Dickenausdehnung zu filtern. Das Blatt wird gebildet aus
einem inneren gefalteten Grundblatt mit einer Vielzahl von Fasern
und mit einer Vielzahl von Falten, die sich zwischen einem ersten
und zweiten Satz von Faltenspitzen erstrecken, wobei die Falten
parallel zur Strömungsrichtung
verlaufen, wobei der erste Satz von Faltenspitzen die erste Seite
des Blattes bereitstellt und der zweite Satz von Faltenspitzen die
zweite Seite des Blattes bereitstellt. Die Falten greifen ineinander
und sind ausreichend dicht gepackt, so daß das Fluid entlang der Strömungsrichtung
durch die Falten eher parallel dazu als zwischen den Falten und
dann quer dazu strömt.
Das Grundblatt hat eine vorgefaltete ebene Ausbildung, wobei die
Fasern im wesentlichen parallel dazu und im wesentlichen in einheitlicher
Richtung parallel zueinander verlaufen. Das Grundblatt hat eine
gefaltete Ausbildung, die ein Blatt bildet, bei dem die Fasern entlang
der Falten im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung verlaufen und
die Fasern um die Faltenspitzen herum im wesentlichen parallel zu
jeder entsprechenden Seite des Blattes und im wesentlichen senkrecht
zur Strömungsrichtung
verlaufen. Die Falten sind vorzugsweise miteinander verbunden, um
zu verhindern, daß das
Fluid dazwischen entlang der Strömungsrichtung
parallel zu den Blättern
hindurchströmt.
Die Verbindung der Falten mit den Fasern verbessert auch die Steifigkeit
und den Druckwiderstand des Blattes entlang der Dickenausdehnung.
Dadurch werden die oben genannten Nadellöcher vermieden, die durch das
Nadeln bedingt sind. Die erhöhte
Steifigkeit und der erhöhte
Druckwiderstand des Blattes entlang der Dickenausdehnung erhöht auch
die Stabilität
des Schmutzkuchens. Das Blatt kann als Filter mit hoher Kapazität oder als
Vorfilter verwendet werden, um die Gesamtwirksamkeit und -kapazität des Filters
zu erhöhen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
ist, daß es
der genannte Filtermedienaufbau dem genannten Grundblatt ermöglicht,
nicht genadelt und nicht gewebt zu sein und Sätze von unterschiedlichen Fasern
zu haben, einschließlich
unterschiedlicher Faserdurchmesser und Fasern mit verschiedenen
Oberflächenladungen
umfassend Fasern mit entgegengesetzter Polarität. Letztere sind wünschenswert,
um die Verwendung des bekannten triboelektrischen Effekts zu ermöglichen.
Ein solcher triboelektrischer Effekt ist insbesondere beim vorliegenden
Aufbau erwünscht,
weil die entgegengesetzt geladenen oder unterschiedlich geladenen
Fasern eine Vielzahl von elektrischen Feldstromlinien dazwischen
definieren, wobei diese Stromlinien im wesentlichen senkrecht zur
Strömungsrichtung
verlaufen und entlang der Strömungsrichtung
in einer Ebene parallel dazu so geschichtet sind, daß das Fluid
entlang dieser Ebene und senkrecht zu den Stromlinien strömt und fortlaufend
regelmäßig mehrere
Stromlinien quer kreuzt, wobei die Wahrscheinlichkeit eines triboelektrischen
Auffangens aufgrund der gesteigerten Anzahl von gekreuzten Stromlinien
erhöht
wird. Der triboelektrische Effekt ist insbesondere nützlich zum
Auffangen kleiner Partikel, die stromabwärts den Hauptfilter oder den
ersten Filter verstopfen können.
Ein weiterer Aspekt ist, daß der
vorliegende Filtermedienaufbau die Verwendung von sich unterscheidenden
Faserdurchmessern ermöglicht,
um die Wirksamkeit zu steigern.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung
ist, daß ein
Fluidfilteraufbau mit einer verlängerten
Lebensdauer vorgesehen ist, umfassend ein erstes und ein zweites
Filterelement. Jedes Filterelement hat ein gefaltetes Filtermedium
mit einer Vielzahl von Falten, die zwischen dem ersten und dem zweiten
Satz von Faltenspitzen verlaufen. Die Falten eines jeden Filterelements
sind im wesentlichen parallel zur Fluidströmungsrichtung angeordnet und
verlaufen entlang dieser Strömungsrichtung
zwischen den entsprechenden Faltenspitzen. Die Falten von einem
der Filterelemente sind beabstandet voneinander entlang einer Beabstandungsrichtung
quer zur Strömungsrichtung
angeordnet und definieren einen Querspalt dazwischen, durch den
Fluid entlang der genannten Strömungsrichtung
strömt.
Dieses Fluid dreht daran und strömt
quer durch die Falten dieses Filterelements. Die Falten des anderen
Filterelements sind aneinander gepackt und ohne Querspalt aneinander
gebunden und blockieren die Fluidströmung dazwischen. Das Fluid
strömt
entlang der Strömungsrichtung
durch diese Falten dieses anderen Filterelements eher parallel dazu
als quer dort hindurch.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
der Fluidfilteraufbau mit verlängerter
Lebensdauer ein Hauptfilterelement und ein Vorfilterelement. Das
Hauptfilterelement ist mit einem gefalteten Filtermedium versehen,
das eine Vielzahl von Falten hat, die zwischen dem ersten und dem
zweiten Satz von Faltenspitzen verlaufen. Die Falten verlaufen im
allgemeinen parallel zur Fluidströmungsrichtung und sind beabstandet
voneinander entlang einer Beabstandungsrichtung quer zu dieser Strömungsrichtung
angeordnet und definieren einen Querspalt dazwischen, durch den
Fluid strömt,
so daß Fluid
entlang der Strömungsrichtung
zwischen den Faltenspitzen des ersten Satzes und dann quer durch
die Falten und dann entlang der Strömungsrichtung zwischen den
Faltenspitzen des zweiten Satzes strömt. Das Vorfilterelement ist
benachbart und stromaufwärts vom
Hauptfilterelement angeordnet, kann, aber braucht nicht, mit diesem
verbunden sein und ist mit einem Blatt Filtermaterial versehen,
daß eine
Dickenausdehnung zwischen einander gegenüberliegenden ersten und zweiten
Seiten zum Filtern von Partikeln in der Fluidströmung dadurch entlang der Strömungsrichtung
ver tikal zu dem Blatt und der ersten und zweiten Seite und parallel
zu der Dickenausdehnung hat. Die zweite Seite ist benachbart zum
Hauptfilterelement angeordnet. Das Blatt wird gebildet durch ein
inneres gefaltetes Grundblatt, das aus einer Vielzahl von Fasern
besteht und eine Vielzahl von Falten hat, die zwischen dem ersten
und dem zweiten Satz von Faltenspitzen verlaufen. Die Falten des
Grundblatts verlaufen parallel zur Fluidströmungsrichtung. Der erste Satz
von Faltenspitzen des Grundblatts stellt die erste Seite des Blatts
bereit. Der zweite Satz von Faltenspitzen des Grundblatts stellt
die zweite Seite des Blatts bereit. Die Falten des Grundblatts greifen
ineinander und sind ausreichend dicht aneinander gepackt, so daß das Fluid
entlang der Strömungsrichtung
durch die Falten des Grundblatts eher parallel zu diesen Falten
als zwischen diesen Falten und dann quer dadurch strömt. Das
Grundblatt hat eine vorgefaltete ebene Ausbildung, wobei die Fasern
hauptsächlich
parallel dazu und hauptsächlich
in einer einheitlichen Richtung parallel zueinander verlaufen. Das Grundblatt
hat eine gefaltete Ausbildung, die das Blatt bildet, wobei die Fasern
entlang der Falten des Grundblatts im wesentlichen parallel zur
Strömungsrichtung
verlaufen und wobei die Fasern um die Faltenspitzen des Grundblatts
herum im wesentlichen parallel zu jeder entsprechenden Seite des
Blattes und im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen.
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Ein weiterer Aspekt in Kombination
mit dem genannten zweistufigen Fluidfilteraufbau ist, daß die Erfindung
ein wünschenswertes
Filterverfahren bereitstellt, das die Gleichmäßigkeit des Schmutzkuchens
auf dem Vorfilter durch Verringern von Partikelanhäufung und
Partikelbrückenbildung
zwischen den Vorfiltermedienfasern erhöht, was ansonsten die Strömung blockieren
und die Gleichmäßigkeit
verringern würde
und Instabilität
und erneutes Mitreißen
hervorrufen würde.
Dies wird erreicht durch Ausrichten der Fasern vorwiegend parallel
zur Strömungsrichtung,
um die Schmutzpartikel entlang der gesamten Länge der Fasern gleichförmiger aufzuladen,
im Vergleich zu und relativ zu Filtermedienfasern, die quer zur
Strömungsrichtung
verlaufen. Dies liefert eine Gleichmäßigkeit des Schmutzkuchens
auf dem Vorfilter entlang einer Ebene parallel zur Strömungsrichtung.
Die Gleichmäßigkeit
des Schmutzkuchens wird auch entlang einer Ebene quer zur Strömungsrichtung
durch Vermeiden der oben genannten Krater und Nadellöcher erreicht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische perspektivische Ansicht eines faserigen nichtgewebten
Filtermediums aus dem Stand der Technik.
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2 ist
eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses für das Medium
aus 1 nach dem Nadeln.
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3 ist
eine vergrößerte Ansicht
von Abschnitt 3-3 aus 2.
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4 ist
eine vergrößerte Teilansicht
eines Teils des Mediums aus 1.
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5 ist
eine Teilansicht eines faserigen nicht-gewebten Filtermediums.
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6 ist
eine vergrößerte Ansicht
von Abschnitt 6-6 aus 5.
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7 ist
eine vergrößerte schematische
Teilansicht eines faserigen nichtgewebten Filtermediums mit einer
Strömungsrichtungsausrichtung
gemäß der Erfindung.
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8 ist
eine Darstellung wie 7 und zeigt eine
alternative Ausführungsform.
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9 stellt
einen Filtermedienaufbau gemäß der Erfindung
dar.
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10 ist
eine vergrößerte Ansicht
von Abschnitt 10-10 aus 9.
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11 zeigt
einen zweistufigen Fluidfilteraufbau mit verlängerter Lebensdauer gemäß der Erfindung.
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12 ist
eine vergrößerte Ansicht
von Abschnitt 12-12 aus 11.
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13 zeigt
eine weitere Ausführungsform
eines zweistufigen Fluidfilteraufbaus mit verlängerter Lebensdauer gemäß der Erfindung.
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14 ist
eine Fotografie in 35-facher Vergrößerung, die das Entstehen eines
Schmutzkuchens auf bekannten Filtermedien, wie in 1 dargestellt,
zeigt.
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15 ist
eine Fotografie in 35-facher Vergrößerung, die das Entstehen eines
Schmutzkuchens auf einem Filtermedium gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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Stand der Technik
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1 zeigt
ein Blatt aus nicht-gewebtem faserigem Filtermaterial 20 gemäß dem Stand
der Technik. Bei nicht-gewebten Materialien werden üblicherweise
Nadelungstechniken verwendet, um die gewünschte Mediendicke und -festigkeit
zu erreichen. Während
des Nadelungsprozesses werden kleine Löcher 22 durchgehend
durch das Medium gebildet bzw. gestoßen. Wie in 2 gezeigt, wird ein synthetisches oder
filziges Filtermedium 24 zwischen Walzen 26 und 28 und
dann zwischen Platten 30 und 32 geführt, die
das Material an seinem Platz halten während des Herunterbewegens
der Spindel bzw. des Dorns 34, der eine Vielzahl von sich
tief nach unten erstreckenden Nadeln 36 hat, die durch
das Material 24 stoßen,
wie in 3 dargestellt, um die genannten
Nadellöcher 22 zu
bilden, wie in 4 dargestellt,
wonach das genadelte Blatt durch Ausgangswalzen 38 und 40 geführt wird.
Während
das Nadeln wünschenswert
ist, um das nicht-gewebte faserige Medium zusammenzuhalten und eine
gewünschte
Mediendicke und -festigkeit zu erhalten, ist ein Nachteil, daß die Nadellöcher im
Filtermedium Unregelmäßigkeiten
verursachen, weil sie im Vergleich zur Bulkfasermatrix relativ große Poren
sind. Die großen
Poren liefern einen Weg des niedrigen Widerstands für die Fluidströmung, z.B.
für die
Luftströmung.
Weil die Luftporen der verbleibenden Bulkfasermatrix schneller durch Schmutzpartikel
wie z.B. Staub verstopfen, steigt die Geschwindigkeit durch die
größeren Nadellöcher 22 entsprechend
wie in einem Venturi bzw. Trichter an. Die Folge ist, daß sowohl
die nicht aufgefangenen als auch die abgelösten, erneut mitgerissenen
Schmutzpartikel durch diese Nadellöcher 22 in den Filter
eindringen können,
was eine niedrigere Filterwirksamkeit mit sich bringt.
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5 zeigt
ein Filtermaterial 42 aus einem nicht-gewebten faserigen
Filtermedium gemäß dem Stand der
Technik, daß genadelt
sein kann aber nicht muß.
Die Fasern 44 in dem Blatt laufen überwiegend entlang oder parallel
zum Blatt, d.h. in horizontaler Links-Rechts-Ausrichtung in 5, und senkrecht zur Richtung der Fluidströmung wie
mit Pfleil 46 in 5 und 6 gezeigt. Der Oberflächenbereich der Fasern, der
für das
Verkleben und Auffangen der Schmutzpartikel 48 zur Verfügung steht,
liegt senkrecht zur Fluidströmungsrichtung 46. Die
Schmutzpartikel sammeln sich aufeinander an, wie z.B. bei Gruppe 50 gezeigt,
und bilden auch Partikelbrücken
zwischen den Fasern, wie z.B. bei 52 gezeigt. Die Schmutzpartikelgruppen
und -brücken
blockieren die Strömung
und verkürzen
die Lebensdauer des Filters, indem sie zu einer vorzeitigen Beschränkung und zu
Druckabfall führen.
Wenn das Filtermedienblatt 42 genadelt wird, liefern die
größeren Poren,
die durch die Nadellöcher 22 erzeugt
wurden, darüber
hinaus den genannten Weg des niedrigeren Widerstands und der höheren Geschwindigkeit,
insbesondere aufgrund eines schnelleren Verstopfens der kleineren
Poren bei benachbarten Bereichen zwischen den Nadellöchern, insbesondere
bei den Gruppen 50 und den Brücken 52. Die Folge
ist, wie oben erwähnt,
daß sowohl
die nicht aufgefangenen als auch die abgelösten, erneut mitgerissenen
Schmutzpartikel durch die Nadellöcher
in den Filter eindringen können.
Die Schmutzpartikelgruppen und -brücken in den Bereichen zwischen
den Nadellöchern
führen
darüber
hinaus zu Instabilität
und erneutem Mitreißen,
wenn man dies hohen Strömungsgeschwindigkeiten
oder einem Pulsieren aussetzt, z.B. zu Beginn der Filtertätigkeit
wie beispielsweise beim Starten eines Innenverbrennungsmotors und
der anfänglichen,
hohen Luftströmungsgeschwindigkeit
durch den Filter aus diesem Grund, und auch aufgrund der hohen Geschwindigkeit
durch den Venturieffekt beim Strömen
durch die Nadellöcher 22,
wenn das Medium genadelt ist.
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Vorliegende
Erfindung
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Durch die vorliegende Erfindung wird
eine einfache und effektive Lösung
für das
oben genannte und andere Probleme bereitgestellt. Die Erfindung
liefert eine Möglichkeit
zum Filtern von Partikeln in einem Fluid, das entlang einer Strömungsrichtung 46,
wie in 7 dargestellt, durch ein Filtermedium 60 mit
einer Vielzahl von Fasern 62 strömt. Dies verbessert das Auffangen
und das Aufhalten von Schmutzpartikeln 64 durch die Fasern 62 durch
Erhöhen
der Verweilzeit der Partikel, die sich entlang der Fasern bewegen,
um die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts zwischen Faser und Partikel
und die Zeit davon zu erhöhen,
durch erhöhen
der Brownschen Diffusionswahrscheinlickeit für Partikel, die zu den Fasern
diffundieren, durch Steigern des Ausbreitens von und des ebenen
Beladens mit Partikeln entlang der Fasern, und durch Verringern
von Partikelanhäufung
und Partikelbrückenbildung
zwischen den Fasern, was ansonsten die Strömung blockieren würde und Instabilität und erneutes
Mitreißen
hervorrufen würde,
wenn dies hohen Strömungsgeschwindigkeiten
oder einem Pulsieren ausgesetzt ist. Die erhöhte Verweilzeit, die verbesserte
Brownsche Diffusion, das gesteigerte Ausbreiten und die Gleichförmigkeit
der Partikelladung und die verringerte Partikelanhäufung und
-brückenbildung
werden alle einfach durch Ausrichten der Fasern 62 überwiegend
parallel zur Strömungsrichtung 46 in Kombination
mit dem Bereitstellen von Fasern 62 in ausreichender Länge entlang
der Strömungsrichtung 46 erreicht,
so daß die
Verweilzeit ansteigt, sich die Brownsche Diffusion verbessert, das
Ausbreiten und die Gleichförmigkeit
des Partikelbeladens sich steigern und die Partikelanhäufung und
-brückenbildung
verringert wird, alles im Vergleich zu und relativ zu Filtermedienfasern 44,
wie in 6 dargestellt, die senkrecht
zur Strömungsrichtung 46 verlaufen.
Vergleicht man die senkrechte Faserausrichtung aus 6 mit
der parallelen Faserausrichtung aus 7,
so kann man erkennen, daß die
senkrechte Faserausrichtung eine kürzere Zeit des Kontakts zwischen
Partikel und Faser, eine geringere Wahrscheinlichkeit der Diffusion,
größere Partikelbrücken und
ein ungleichmäßigeres
Beladen entlang der Faserlänge
liefert, wohingegen die parallele Faserausrichtung aus 7 eine größere Wahrscheinlichkeit einer
längeren
Zeit des Kontakts von Partikel und Faser, eine größere Wahrscheinlichkeit
der Diffusion von Partikel zur Faser, weniger Partikelbrückenbildung
zwischen den Fasern und ein gleichförmigeres Beladen entlang der
Faserlänge
liefert.
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Die parallele Ausrichtung aus 7 ermöglicht
die Verwendung eines nichtgewebten, nicht-genadelten Mediums, was
wünschenswert
ist. In einer Ausführungsform
sind die Fasern 62 dieselben, z.B. aus synthetischen Material
wie Polyester, und haben denselben Durchmesser. In einer anderen
Ausführungsform
werden zumindest ein erster und ein zweiter Satz von unterschiedlichen
Fasern verwendet. Letztere Alternative kann sich unterscheidende
Faserdurchmesser umfassen, um die Wirksamkeit zu steigern. In einer
weiteren Ausführungsform wird
eine triboelektrische Faserkombination verwendet, um einen triboelektrischen
Effekt zu liefern. Wie bekannt ist, sind die triboelektrischen Fasern
unterschiedlich geladen oder können
(bei der Anwendung) so werden. 8 zeigt
ein Filtermedium 66, das positiv geladene Fasern 68 hat,
wie z.B. aus Nylon, Seide, Baumwolle, Zellulose, Acryl, Polyethylen,
Polypropylen, Modacryl, sowie negativ geladene Fasern 70, wie
z.B. Chlorfaser. Die entgegengesetzt geladenen Fasern definieren
eine Vielzahl von elektrischen Feldstromlinien dazwischen und in
der wünschenswerten
Ausrichtung aus 8 verlaufen diese
Stromlinien im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung 46 und
sind entlang dieser Strömungsrichtung
in einer Ebene parallel dazu geschichtet, so daß das Fluid entlang dieser
Ebene und senkrecht zu den Stromlinien strömt und fortlaufend regelmäßig mehrere
Stromlinien quer kreuzt, was die Wahrscheinlichkeit eines triboelektrischen Auffangens
aufgrund der gesteigerten Zahl von gekreuzten Stromlinien im Vergleich
zu bekannten triboelektrischen Auffangtechniken erhöht.
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Der Filtermedienaufbau, dargestellt
in den 9 und 10,
wird durch ein Blatt 80 bereitgestellt, das eine Dickenausdehnung 82 zwischen
einander gegenüberliegenden
ersten und zweiten Seiten 84 und 86 zum Filtern von Schmutzpartikeln
in der Fluidströmung
dadurch entlang einer Strömungsrichtung 46 senkrecht
zu dem Blatt 80 und dem ersten und zweiten Seiten 84 und
86 und parallel zur Dickenausdehnung 82 hat. Das Blatt 80 wird
gebildet aus einem inneren gefalteten Grundblatt 88, das
eine Vielzahl von Fasern 90 aufweist und eine Vielzahl
von Falten 92, 94, etc. hat, die zwischen dem
ersten und dem zweiten Satz von Faltenspitzen 96 und 98 verlaufen.
Die Falten 92, 94 verlaufen parallel zur Strömungsrichtung 46.
Der erste Satz von Faltenspitzen 96 liefert die erste Seite
des Blattes 80. Der zweite Satz von Faltenspitzen 98 liefert
die zweite Seite 86 des Blattes 80. Eine der beiden Seiten
84 und 86 kann zusätzlich
eine dünne
Scrim-Schicht oder ähnliches umfassen,
wie mit den gestrichelten Linien 100 und 102 gezeigt.
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Die Falten 92, 94,
etc. greifen ineinander ein und sind ausreichend dicht aneinander
gepackt, so daß das
Fluid entlang der Strömungsrichtung 46 eher
durch die Falten und parallel dazu als zwischen den Falten und dann
quer dadurch, wie bei üblichen
gefalteten Filtermediengestaltungen, strömt. Das Grundblatt 88 hat eine
vorgefaltete Ebene Ausbildung mit Fasern 90, die vorwiegend
parallel dazu und vorwiegend in gleicher Richtung parallel zueinander
verlaufen. Das Grundblatt 88 hat eine gefaltete Ausbildung
wie in den 9 und 10 gezeigt,
die ein Makroblatt 80 formt, bei dem die Fasern 90 entlang
der Falten 92, 94, etc. im wesentlichen parallel
zur Strömungsrichtung 46 verlaufen.
Die Fasern 90 verlaufen um die Faltenspitzen 96, 98 herum
im wesentlichen parallel zu jeder entsprechenden Seite 84, 86 des
Blattes 80 und im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung 46.
In einer bevorzugten Ausbildung sind die Falten 92, 94,
etc. miteinander verbunden, wie bei der Klebestelle 104 gezeigt,
um ein Strömen
des Fluids dazwischen in Richtung der Strömungsrichtung 46 parallel
zu den Falten 92, 94 zu verhindern. Das Verbinden
der Falten miteinander steigert den Druckwiderstand des Blattes 80 entlang
der Dickenausdehnung 82 und vermeidet die Notwendigkeit
von durch das Nadeln bedingten Nadellöchern.
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Das Blatt 80 kann als Filter
mit hoher Kapazität
oder als Vorfilter verwendet werden, um die Gesamtwirksamkeit und
-kapazität
des Filters zu erhöhen.
Die 11 und 12 zeigen
eine Ausführungsform
von letzterem, was ein zweistufiger Fluidfilteraufbau 110 mit
verlängerter
Lebensdauer zum Filtern von Partikeln in einer Fluidströmung dadurch
entlang der Strömungsrichtung 46 ist.
Der Aufbau umfaßt
ein erstes, stromaufwärts gelegenes
Filterelement, das durch ein Blatt 80 bereitgestellt wird,
und eine zweites, stromabwärts
gelegenes Hauptfilterelement 112. Das Filterelement 112 ist
ein gefaltetes Filterelement aus einem Medium (z.B. Papier) mit
einer Vielzahl von Falten 114, 116, etc., die
zwischen dem ersten und dem zweiten Satz von Faltenspitzen 118 und 120 verlaufen.
Die Falten eines jeden der Filterelemente 80 und 112 sind
im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung 46 angeordnet
und verlaufen entlang der Strömungsrichtung 46 zwischen
den entsprechenden Faltenspitzen. Die Falten von Filterelement 112 sind
beabstandet voneinander entlang einer Beabstandungsrichtung 122 quer
zur Strömungsrichtung 46 angeordnet
und definieren einen Querspalt 124 dazwischen, durch den
Fluid strömt.
Das Fluid strömt
quer durch die Falten 114, 116 des Filterelements 112,
wie mit den Pfeilen 126, 128 gezeigt. Die Falten
des Filterelements 80 sind, wie oben beschrieben, ohne
einen solchen Querspalt aneinander gepackt und blockieren die Fluidströmung dazwischen.
In dem stromaufwärts
gelegenen Filterelement 80 strömt das Fluid in Strömungsrichtung 46 durch
die Falten 92, 94 eher parallel dazu als quer
dort hindurch. Die Fluidströmung
durch die Falten 114, 116 des stromabwärts gelegenen
Hauptfilterelements
112 erfolgt im wesentlichen quer zur
Strömungsrichtung 46.
Die Fluidströmung
durch die Falten 92, 94 des stromaufwärts gelegenen
Vorfilterelements 80 erfolgt im wesentlichen parallel zur
Strömungsrichtung 46. In
den 11 und 12 sind
sowohl das Hauptfilterelement 112 als auch das Vorfilterelement 80 flache
ebene Platten.
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In einer weiteren Ausführungsform,
dargestellt in 13, ist sowohl das
Hauptfilterelement 112a als auch das Vorfilterelement 80a ringförmig ausgebildet
und die Strömungsrichtung 46a liegt
radial relativ dazu. Das Vorfilterelement 80a ist konzentrisch
zum Hauptfilterelement 112a angeordnet. In einer weiteren
Ausführungsform
können
die Filterelemente 80 und 112 konisch oder kegelstumpfförmig sein
oder andere erwünschte Formen
haben. In jedem Fall kann der Filtermedienaufbau 80 alleine
oder in Kombination mit anderen Filterelementen wie 112 verwendet
werden.
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Wenn das Blatt 80 als Vorfilter
verwendet wird, ist es vorzuziehen, wenn die Festigkeit des Grundblatts 88 in
einem Bereich von 1 % bis 10%, die Fasergröße der Fasern 80 in
einem Bereich von 0,1 bis 50 Denier, die Dickenausdehnung 82 des
Blattes 80 in einem Bereich von 2 bis 75 Millimetern und
das Verhältnis
der Geschwindigkeit der Fluidströmung
durch das Vorfilterelement 80 zu der Geschwindigkeit der
Fluidströmung durch
das Hauptfilterelement 112 in einem Bereich von 2 bis 25
liegt.
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Die Erfindung ermöglicht die Verwendung eines
nicht-gewebten, nicht-genadelten, faserigen Makrofiltermedienblatts,
das durch ein Grundblatt zum Filtern eines Fluids, einschließlich zum
Filtern von Gas oder Luft, mit einer gefalteten oder geriffelten
inneren Struktur gebildet ist. Solch ein Blatt 80 kann
als Filter mit hoher Kapazität
oder als Vorfilter verwendet werden, um die Gesamtwirksamkeit und
-kapazität
des Filters zu erhöhen.
Die Dicke 82 des Filtermediums entspricht der inneren Falten-
oder Riffeldicke. Das Medium behält
vorzugsweise seine Form, indem es bei 104 die Fasern an gegenüberliegenden
Stirnflächen
der Falten 94, 92 anbindet. Dies steigert den
Druckwiderstand des Mediums und erhöht seine Steifigkeit, so daß keine
zusätzliche
Versteifung bzw. Verstärkung
für das
Medium zum Erhalten seiner Gestalt nötig ist, obwohl zusätzliche äußere
Scrim-Schichten wie 100 und 102 optional hinzugefügt werden
können, wenn
dies gewünscht
ist. Das enge Packen der Falten und Anbinden bei 104 ist darüber hinaus
erwünscht,
um die Notwendigkeit von Nadellöchern
bedingt durch die bekannten Nadelungstechniken zu vermeiden, wodurch
Nadellöcher 22 vermieden
werden und die Filterwirksamkeit verbessert wird. Wenn gewünscht, können die
Bindungen 104 entfernt werden, wenn die Falten 92, 94 ausreichend
dicht gepackt sind. Die dicht gepackte, gefaltete innere Grundblattstruktur 88 hat
zur Folge, daß die
Mehrzahl der Fasern 90 in eine Richtung parallel zur Fluidströmung 46 ausgerichtet
ist, was die Vorteile einer längeren
Verweilzeit für
die Partikel, die sich durch das Medium bewegen, sowie einer verringerten
Partikelanhäufung
und -brückenbildung,
einem höheren
Widerstand gegen Zusammenbrechen bzw. Zusammenfallen und einer gesteigerten
Kapazität
und Wirksamkeit mit sich bringt. Die Faserausrichtung und der Filtermedienaufbau
ist darüber
hinaus wünschenswert,
weil es förderlich
ist für
die Verwendung von gemischten Fasern, einschließlich Fasern mit unterschiedlichem
Durchmesser und/oder Fasern mit unterschiedlicher Polarität, wobei
letztere noch wünschenswerter
sind, weil das einen gesteigerten triboelektrischen Effekt aufgrund
von Stromlinien liefert, die entlang der Strömungsrichtung geschichtet sind,
so daß das
Fluid vertikal zu den Stromlinien strömt und fortlaufend regelmäßig mehrere
Stromlinien quer kreuzt, was die Wahrscheinlichkeit eines triboelektrischen
Auffangens aufgrund der gesteigerten Zahl von gekreuzten Stromlinien
erhöht.
Der gesteigerte triboelektrische Effekt, über den herkömmlichen
triboelektrischen Mechanismus hinaus, ist brauchbar für das Auffangen
kleiner Partikel, die üblicherweise
einen stromabwärts
gelegenen Hauptfilter oder ersten Filter, wie 112, verstopfen.
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Die Erfindung ist insbesondere brauchbar
für das
Erhöhen
der Filterlebensdauer von Filtern, die hohen Staubkonzentrationen
mit trockenen und/oder rußigen
und/oder öligen
Partikeln ausgesetzt sind. Bei den bisherigen Ausgestaltungen wurden
Nadelungstechniken verwendet, um die erforderliche Mediendicke und
Festigkeit zu erreichen. Während
des Nadelungsprozesses werden Nadellöcher durch das Medium gestoßen. Solche
Nadellöcher,
die in filzigen oder anderen synthetischen Filtermaterialien ausgebildet
sind, führen
zum Eindringen von abgelösten
und erneut mitgerissenen Partikeln. Die Nadellöcher führen zu Unregelmäßigkeiten
in der Filtermedienstruktur, weil sie relativ große Poren
im Vergleich zur Bulkfasermatrix haben. Die großen Poren liefern einen Weg
des niedrigen Widerstands für
die Fluidströmung.
Weil die kleineren Poren in Bereichen seitlich zwischen den Nadellöchern schneller
von abgelagerten Partikeln verstopft sind, steigt die Geschwindigkeit durch
die größeren Nadellöcher entsprechend
an. Die Folge ist, daß sowohl
die aufgefangenen als auch die abgelösten, erneut mitgerissenen
Staubpartikel in den Filter durch diese Nadellöcher eindringen können, was zu
einer niedrigeren Filterwirksamkeit führt. Das Nadelstoßen ist
folglich unerwünscht,
weil es ideale Bedingungen für
ein erneutes Mitreißen
der Partikel erzeugt. Weil die Mehrzahl der Fasern in den bekannten
Ausgestaltungen senkrecht zur Strömungsrichtung angeordnet sind,
ist darüber
hinaus der Oberflächenbereich
für das
Verkleben von Partikeln klein, während
der stirnseitige Oberflächenbereich
für Partikelanhäufung größer ist.
Folglich können
Partikelgruppen und -brücken
einfach weggeblasen werden. In der vorliegenden Verbesserung, bei
der die Fasern hauptsächlich
parallel zur Strömungsrichtung
ausgerichtet sind, bleibt der Oberflächenbereich für den Kontakt
zwischen den Staubpartikeln und ihren Gruppen groß und der
stirnseitige Bereich der Staubgruppen bleibt klein während des
Staubbeladens. Dies ist eine günstige
Bedingung für
einen stabilen Filterprozeß.
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Der zweistufige Filteraufbau mit
verlängerter
Lebensdauer, der oben erwähnt
wurde, kann in einer Vielzahl von geometrischen Anordnungen vorgesehen
sein, um, wie gesagt, eine besonders hohe Schmutzhaltekapazität und lange
Lebensdauer in Hochkonzentrationsbereichen zu erreichen, z.B. in
staubigen Konstruktionsbereichen und/oder in öligen oder rußigen Umgebungen.
Der Hauptfilter 112 ist stromabwärts vom Vorfilter 80 angeordnet.
Der Hauptfilter ist aus einem gefalteten Filtermedium gefertigt,
das mit Zellulose mit einem möglichen
Gemisch von synthetischen Fasern wie Polyester imprägniert ist,
um die Formstabilität
zu gewährleisten,
wenn dies Feuchtigkeit, Wasser oder Schnee ausgesetzt ist. Das Medium
des gefalteten Hauptfilterelements 112 kann mit einer öligen Substanz
behandelt werden, um das Verstopfen durch rußige Partikel zu verhindern,
wie bekannt ist. Der stromaufwärts
gelegene Filter 80 ist aus einem nichtgewebten, nicht-genadelten
Filtermedium mit synthetischen Fasern aus vorzugsweise unterschiedlich
geladenen Materialien gefertigt, um den triboelektrischen Effekt
vollständig
auszunutzen und um, wie gesagt, einen gesteigerten triboelektrischen
Effekt zu erzeugen.
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Die Verringerung von weggeblasenen,
abgelösten
und erneut mitgerissenen Teilen der Schmutzpartikel ist ein entscheidender
Vorteil. Weil die Mehrzahl der Fasern vertikal zur Strömungsrichtung
angeordnet sind, ist im Stand der Technik der Oberflächenbereich
des Partikelverklebens klein, während
der stirnseitige Oberflächenbereich
von Partikelanhäufungen
in Ansammlungen und Partikelbrücken
groß ist.
Dadurch können
die Partikelgruppen leichter weggeblasen werden, weil die ablösende Kraft
proportional zur Fluidgeschwindigkeit und dem Oberflächenbereich
der Anhäufung
ist, der der Strömung
ausgesetzt ist. Richtet man statt dessen die Fasern parallel zur
Strömungsrichtung
aus, bleibt der Oberflächenbereich
des Kontakts zwischen den Staubpartikeln und ihren Gruppen groß und der
stirnseitige Bereich der Staubgruppen bleibt klein während des
Beladens mit Staub. Dies ist eine günstige Bedingung für einen
stabilen Filterprozeß,
weil eine längere
Zeit der Wahrscheinlichkeit eines Kontakts zwischen Faser und Partikel
und eine größere Wahrscheinlichkeit
der Diffusion zum Faseroberflächenbereich
vorgesehen ist, sowie eine gesteigerte Diffusionswahrscheinlichkeit,
eine verbesserte Schmutzbeladung entlang der Faserlänge und
ein gesteigertes Ausbreiten von und gleichförmiges Beladen mit Partikeln
entlang der Fasern, wobei Nadellöcher
und die genannten damit verbundenen Probleme vermieden werden und
wobei ein gesteigerter triboelektrischer Effekt vorgesehen ist, wenn
unterschiedlich geladene Fasern verwendet werden. Bei der vorliegenden
Ausgestaltung ist die Schmutzhaltekapazität im Vergleich zu den bekannten
Ausgestaltungen aufgrund des günstigen
Schmutzladeprozesses größer. Bei
den bekannten Ausgestaltungen kann der Schmutz sich auf den Fasern
ansammeln, so daß sich
Partikelbrücken
bilden, die die Fluidströmung
blockieren. Bei der vorliegenden Ausgestaltung wird der Schmutzpartikelkuchen
gleichförmiger
auf den gesamten Faseroberflächenbereich
verteilt. Aufgrund der gleichmäßigen Schmutzverteilung
verringert sich der Druckabfall und die Menge an Staub und anderem Schmutz,
der sich im Filter niederschlägt,
erhöht
sich vor dem abschließenden
Druckabfall.
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Ein weiterer Vorteil des offenbarten
Filtermedienaufbaus ist, daß der
Schmutzkuchen aufgrund der genannten hohen Steifigkeit und dem Druckwiderstand
stabil bleibt. Der Druckwiderstand des Mediums bei seiner niedrigen
Festigkeit ermöglicht
die Bildung eines gleichmäßig verteilten
und stabilen Schmutzkuchens, der nicht zusammenfällt, wenn er einem Pulsieren
der Strömung
und einer Vi bration des Filtersystems ausgesetzt ist. Aufgrund der
Gleichmäßigkeit
des inneren Schmutzkuchens im Vorfilter sind die Schmutzpartikel,
die in den Vorfilter eindringen, gleichförmig über den gesamten Bereich des
gefalteten Hauptfilterelements 112 verteilt, das stromabwärts vom
Vorfilter 80 angeordnet ist. Weil der Druckabfall seinen
niedrigsten Wert für
gleichmäßig verteilte
Partikel auf der Partikeloberfläche,
d.h. einen gleichmäßig dünnen Schmutzkuchen
erreicht, erreicht die Schmutzkapazität ihren Maximalwert.
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren zum Steigern der Stabilität des Schmutzkuchens auf Filtermedienfasern
in einem Filtermedium bereit, das Schmutzpartikel durch Ineinandergreifen
und Aneinanderpacken von Falten 92 und 94, vorzugsweise
durch Verbinden bei 104, filtert, um die Steifigkeit und den Druckwiderstand
des Blattes 80 entlang der Dickenausdehnung 82 zu
verbessern. Die Erfindung stellt darüber hinaus ein Verfahren zum
gleichförmigen
Verteilen der Fluidströmung über den
Bereich des Hauptfilterelements 112 nach dem Durchgang
durch das Vorfilterelement 80 bereit, indem die Gleichmäßigkeit
des Schmutzkuchens im Vorfilter 80 durch Verringern von
Partikelanhäufung
und Partikelbrückenbildung
zwischen den Vorfiltermedienfasern erhöht wird, was ansonsten die
Strömung
blockieren und die Gleichmäßigkeit
verringern würde
sowie Instabilität
und erneutes Mitreißen
zur Folge hätte,
und wobei statt dessen im Vorfilter die Fasern 62 in 7 oder 90 in 9 vorwiegend parallel zur Strömungsrichtung 46 ausgerichtet
sind, um die Schmutzpartikel gleichförmiger entlang der gesamten
Länge der
Fasern im Vergleich zu und relativ zu Filtermedienfasern abzuladen,
die senkrecht zur Strömungsrichtung
angeordnet sind.
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Weil die Fasern in der neuen Ausrichtung
parallel zur Strömungsrichtung
angeordnet sind, ist die Verweilzeit für die Schmutzpartikel verlängert, die
sich in der Nähe
der Faseroberfläche
bewegen. Dies verbessert das Auffangen kleiner Partikel, z.B. Dieselruß, an den
Fasern aufgrund von Diffusion und durch den triboelektrischen Effekt,
wenn unterschiedlich geladene Fasern verwendet werden, wobei der
Effekt wie oben erwähnt verbessert
ist. Die parallelen Fasern bilden kanalähnliche Wege, in denen eine
viskose Strömung
vorherrscht. In der viskosen Strömung
ist die Grenzschicht langsamer und relativ dick und auf diese Weise
haben mehr Partikel die Möglichkeit,
sich auf der Faseroberfläche
auf grund Brownscher Diffusion und aufgrund elektrostatischer Mechanismen
abzusetzen. Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Ausrichtung
erzeugen günstige
Bedingungen für
diese Mechanismen, die vorkommen bzw. durchlaufen werden.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt Testergebnisse
für den
Filteraufbau 110 aus 1. Der
Aufbau hatte eine Länge
von 175 Millimetern, eine Breite von 175 Millimetern und eine Höhe oder
Dicke 130 von 38 Millimetern. Die Dicke 82 des
Vorfilters 80 betrug 25 Millimeter und die Dicke 132 des
Hauptfilters 112 betrug 13 Millimeter. Die Strömungsgeschwindigkeit
betrug 85 m3/h (Kubikmeter pro Stunde).
Pa bedeutet Pascal. kPa bedeutet Kilopascal. g bedeutet Gramm. g/m2 bedeutet Gramm pro Quadratmeter. Die ersten
drei Zeilen in der Tabelle zeigen die Leistungsergebnisse für ein genadeltes
Medium mit senkrechten Fasern gemäß dem Stand der Technik, wie
in den 1 bis 6 dargestellt,
das stromaufwärts
vom Hauptfilterelement 112 anstelle des Vorfilters 80 eingesetzt
war. Die vierte Zeile listet die Leistung des Aufbaus 110 mit
dem Vorfilter 80 stromaufwärts vom Hauptfilterelement 112 auf.
Anzumerken ist die deutlich gesteigerte Staubhaltekapazität von 505,9 Gramm
gegenüber
der Staubhaltekapazität
der bekannten Ausgestaltung, bei der die erreichte höchste Staubhaltekapazität 378,3 Gramm
betrug.
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Tabelle mit
Filterleistung
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14 ist
eine mikrofotographische Aufnahme bei 35-facher Vergrößerung,
die s die Oberfläche
des zuletzt genannten Vorfilters gemäß Stand der Technik nach dem
Test zeigt. Hervorzuheben sind die sichtbaren Krater an den Nadellöchern, wie
z.B. 22 in den 1 und 4, und die Unregelmäßigkeit und die ungleichför mige Schmutzkuchenbeladung
entlang dieser Oberfläche. 15 ist eine mikrofotographische Aufnahme
bei 35-facher Vergrößerung des
vorliegenden Vorfilterelements 80, das in der vierten Reihe
der Tabelle aufgezeigt ist, nach dem genannten Test. Hervorzuheben
ist bei 15 die gleichmäßige, gleichförmig verteilte
Schmutzkuchenbeladung.