DE60100409T2

DE60100409T2 - Faserfiltermedien

Info

Publication number: DE60100409T2
Application number: DE60100409T
Authority: DE
Inventors: Tadeusz Stoughton Jaroszczyk; Stephen L. Madison Fallon; Daniel R. Madison Cady; Jeffrey S. Stoughton Morgan; Kent J. Oregon Kallsen; Jon S. Verona Wake
Original assignee: Fleetguard Inc
Current assignee: Cummins Filtration Inc
Priority date: 2000-03-16
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: AU1824701A; JP2001286713A; JP4614033B2; US6387144B1; AU772279B2; DE60100409D1; EP1136113A1; EP1136113B1; BR0101074A

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtermedium zum Filtern von Fluiden einschließlich Luft.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines faserigen nichtgewebten Filtermediums aus dem Stand der Technik.
2 ist eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses für das Medium aus 1 nach dem Nadeln.
3 ist eine vergrößerte Ansicht von Abschnitt 3-3 aus 2.
4 ist eine vergrößerte Teilansicht eines Teils des Mediums aus 1.
5 ist eine Teilansicht eines faserigen nicht-gewebten Filtermediums.
6 ist eine vergrößerte Ansicht von Abschnitt 6-6 aus 5.
7 ist eine vergrößerte schematische Teilansicht eines faserigen nichtgewebten Filtermediums mit einer Strömungsrichtungsausrichtung gemäß der Erfindung.
8 ist eine Darstellung wie 7 und zeigt eine alternative Ausführungsform.
9 stellt einen Filtermedienaufbau gemäß der Erfindung dar.
10 ist eine vergrößerte Ansicht von Abschnitt 10-10 aus 9.
11 zeigt einen zweistufigen Fluidfilteraufbau mit verlängerter Lebensdauer gemäß der Erfindung.
12 ist eine vergrößerte Ansicht von Abschnitt 12-12 aus 11.
13 zeigt eine weitere Ausführungsform eines zweistufigen Fluidfilteraufbaus mit verlängerter Lebensdauer gemäß der Erfindung.
14 ist eine Fotografie in 35-facher Vergrößerung, die das Entstehen eines Schmutzkuchens auf bekannten Filtermedien, wie in 1 dargestellt, zeigt.
15 ist eine Fotografie in 35-facher Vergrößerung, die das Entstehen eines Schmutzkuchens auf einem Filtermedium gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Stand der Technik
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.
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.
Vorliegende Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Tabelle mit Filterleistung
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.

Claims

Filtermediumaufbau enthaltend ein Blatt (80) aus Filtermaterial, das eine Dickenausdehnung (82) zwischen einander gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten (84, 86) hat, um Partikel in einer Fluidströmung dadurch entlang einer Strömungsrichtung (46) senkrecht zum Blatt (80) und zur ersten und zweiten Seite (84, 86) und parallel zur Dickenausdehnung (82) zu filtern, wobei das Blatt (80) durch ein inneres gefaltetes Grundblatt (88) gebildet ist, das eine Vielzahl von Fasern (90) enthält und eine Vielzahl von Falten (92, 94) hat, die zwischen einem ersten und einem zweiten Satz von Faltenspitzen (96, 98) verlaufen, wobei die Falten (92, 94) parallel zur Strömungsrichtung (46) verlaufen, wobei der erste Satz von Faltenspitzen (96) die erste Seite (84) des Blattes (80) bereitstellt, wobei der zweite Satz von Faltenspitzen (98) die zweite Seite (86) des Blattes (80) bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Falten (92, 94) ausreichend dicht ineinandergreifen, so daß das Fluid entlang der Strömungsrichtung (46) eher durch die Falten (92, 94) parallel dazu als zwischen den Falten (92, 94) und dann quer dort hindurch strömt, wobei das Grundblatt (88) eine vorgefaltete ebene Ausbildung hat, bei der die Fasern (90) überwiegend parallel dazu und überwiegend in gleicher Richtung parallel zueinander verlaufen, wobei das Grundblatt (88) eine gefaltete Ausbildung hat, die das Blatt (80) bildet, wobei die Fasern (90) entlang der Falten (92, 94) im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (46) verlaufen und wobei die Fasern (90) um die Faltenspitzen (96, 98) herum im wesentlichen parallel zur jeweils entsprechenden Seite (84, 86) des Blattes (80) und im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung (46) verlaufen.
Filtermediumaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Falten (92, 94) miteinander verbunden sind, um ein Strömen von Fluid dazwischen entlang der Strömungsrichtung (46) parallel zu den Falten (92, 94) zu verhindern, wobei das Verbinden der Falten (92, 94) miteinander den Druckwiderstand des Blattes (80) entlang der Dickenausdehnung (82) steigert und durch das Nadeln bedingte Nadellöcher vermeidet.
Filtermediumaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundblatt (88) nicht gewebt ist und daß vorzugsweise das Grundblatt (88) nicht genadelt ist, wobei die Nadellöcher vermieden werden, die ansonsten durch das Nadeln erzeugt werden.
Filtermediumaufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt (80) eine flache ebene Platte ist oder daß das Blatt (80) ringförmig ausgebildet ist und die Strömungsrichtung (46a) radial relativ dazu ist.
Filtermediumaufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl von Fasern (90) zumindest einen ersten und einen zweiten Satz von unterschiedlichen Fasern enthält und daß vorzugsweise die Fasern des ersten Satzes einen anderen Durchmesser als die Fasern des zweiten Satzes haben, und/oder daß die Fasern des ersten und des zweiten Satzes eine triboelektrische Faserkombination enthalten, die triboelektrische Fasern (60, 70) enthalten, die für einen triboelektrischen Effekt sorgen, wobei die triboelektrischen Fasern (60, 70) eine Vielzahl von elektrischen Feldlinien dazwischen definieren, wobei die Feldlinien überwiegend senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufen, wobei die Feldlinien entlang der Strömungsrichtung (46) in einer Ebene parallel dazu geschichtet sind, so daß das Fluid entlang der Ebene und senkrecht zu den Feldlinien strömt und fortlaufend regelmäßig mehrere Feldlinien quer kreuzt, wobei die Wahrscheinlichkeit eines triboelektrischen Auffangens aufgrund der gesteigerten Zahl von gekreuzten Stromlinien erhöht wird.
Filtermediumaufbau nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt (80) ein erstes Filterelement (80) bildet, wobei der Filtermediumaufbau ferner ein zweites Filterelement (112) enthält, wobei das erste Filterelement (80) und das zweite Filterelement (112) in Kombination einen Fluidfilteraufbau (110) mit verlängerter Lebensdauer zum Filtern von Partikeln in einer Fluidströmung dadurch entlang der Strömungsrichtung (46) bilden, wobei das zweite Filterelement (112) ein gefaltetes Filtermedium mit einer Vielzahl von Falten (114, 116) enthält, die zwischen einem ersten und einem zweiten Satz von Faltenspitzen (118, 120) verlaufen, wobei die Falten (114, 116) im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung (46) angeordnet sind und entlang der Strö mungsrichtung (46) zwischen den entsprechenden Faltenspitzen (118, 120) verlaufen, wobei die Falten voneinander beabstandet entlang einer Beabstandungsrichtung (122) quer zur Strömungsrichtung (46) angeordnet sind und einen Querspalt (124) dazwischen definieren, durch den das Fluid strömt, so daß das Fluid entlang der Strömungsrichtung (46) zwischen den Faltenspitzen (118) des ersten Satzes und dann quer durch die Falten (114, 116) und dann entlang der Strömungsrichtung (46) zwischen den Faltenspitzen (120) des zweiten Satzes strömt.
Filtermediumaufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid entlang der Strömungsrichtung (46) durch die Falten (92, 94) des ersten Filterelements (80) eher parallel dazu als quer dazu strömt und daß das Fluid quer durch die Falten (114, 116) des zweiten Filterelements (112) strömt und vorzugsweise, daß die Fluidströmung durch die Falten (92, 94) des ersten Filterelements (80) im wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung erfolgt und daß die Fluidströmung durch die Falten (114, 116) des zweiten Filterelements (112) im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung erfolgt.
Filtermediumaufbau nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Filterelement (80) und das zweite Filterelement (112) flache ebene Platten sind oder daß das erste Filterelement (80a) und das zweite Filterelement (112a) ringförmig ausgebildet sind und die Strömungsrichtung (46a) radial relativ dazu ist, wobei das erste Filterelement (80a) konzentrisch zum zweiten Filterelement (112a) ist.
Filtermediumaufbau nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Filterelement (112) stromabwärts vom ersten Filterelement (80) angeordnet ist und vorzugsweise, daß das erste Filterelement (80) ein Vorfilterelement (80) und daß das zweite Filterelement (112) ein Hauptfilterelement (112) ist, wobei die zweite Seite (86) des Blattes (80) des Vorfilterelements (80) benachbart zum Hauptfilterelement (112) angeordnet ist.
Filtermediumaufbau nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialdichte des Grundblatts (88) des Vorfilterelements (80) in einem Bereich von 1 % bis 10% liegt und/oder daß die Fasergröße der Fasern (90) des Grundblatts (88) des Vorfilterelements (80) in einem Bereich von 0,1 bis 50 Denier liegt und/oder daß die Dickenausdehnung (82) in einem Bereich von 2 bis 75 Millimetern liegt und/oder daß 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.