DE60125052T2

DE60125052T2 - Spiralförmig gefaltete filterpatronen

Info

Publication number: DE60125052T2
Application number: DE60125052T
Authority: DE
Inventors: C. Thomas Madison PAUL; D. Scott Wilton WOFSY
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-09-15
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2021-09-13
Also published as: AU2001290769B2; WO2002022230A2; DE60125052D1; AU9076901A; WO2002022230A3; US6598749B2; WO2002022230A8; JP2004512926A; EP1322396B1; BR0113779A; US20020060183A1; EP1322396A2

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTER ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen der Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung mit Seriennr. 60/233,327, die am 15. September 2000 eingereicht wurde.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Fluidfiltriervorrichtungen und insbesondere spiralförmig gefaltete Filter mit einzigartigen Faltenkonfigurationen, die geringere Druckabfälle erzeugen als herkömmliche spiralförmig gefaltete Filter.
2. Allgemeiner Stand der Technik
Im Laufe der Jahre hat es bei der Gestaltung von zylindrischen gefalteten Filterpatronen Bemühungen zur Maximierung der Filtermedienmenge oder des Flächeninhalts gegeben, die in eine Filterpatrone mit einem gegebenen äußeren Durchmesser eingepasst werden können, ohne die Strömung oder die Filterlebensdauer nachteilig zu beeinflussen. In einer herkömmlichen radial gefalteten Filterpatrone wie derjenigen, die in US-Patentschrift Nr. 3,692,184 offenbart ist, ist die Filtermedienmenge, die in die Patrone geladen werden kann, durch die Anzahl von Falten begrenzt, die um den Patronenkern gepackt werden können. Folglich existiert ein bedeutender leerer Raum zwischen benachbarten Falten an dem äußeren Umfang des Filterelements.
Ein zylindrisches Filterelement mit einer radial verlaufenden W-Faltenkonfiguration wie das in US-Patentschrift Nr. 3,799, 354 offenbarte stellt eine Verbesserung gegenüber einem herkömmlichen radial gefalteten Filterelement dar. Die radiale W-Faltenkonfiguration stellt einen zusätzlichen Flächeninhalt um den äußeren Umfang des Filterelements bereit, indem relativ kurze Falten bereitgestellt werden, die von dem äußeren Umfang des Filterelements zwischen benachbarten Falten mit Standardhöhe radial nach innen verlaufen. Diese kürzeren Falten füllen den offenen Raum in der Nähe des äußeren Umfangs des Filterelements aus. Sie maximieren jedoch nicht die Filtermedienmenge, die innerhalb der Patrone angeordnet werden kann, da zwischen den Falten noch immer ein leerer Raum verbleibt. Die Konstruktion mit radialen W-Falten leidet auch insofern unter der Wirkung der Faltenwanderung, als sich die gekürzten Falten tendenzielle radial nach innen zu der Mittelachse des Filters bewegen. Diese Bewegung ist nicht wünschenswert, da sie die Sperrung, Blockierungen, erhöhte Druckabfälle über den Filter und eine reduzierte Filterlebensdauer bewirken und die Filtermedien beschädigen kann.
Ein spiralförmig gefaltetes Filterelement ist mit einem herkömmlichen radial gefalteten Filterelement insofern vergleichbar, als es mehrere Längsfalten aufweist, die in einer zylindrischen Konfiguration angeordnet sind. In einem spiralförmig gefalteten Filter werden die Enden der Falten jedoch verlängert, um den Abstand zwischen benachbarten Faltenflächen in der Nähe des äußeren Durchmessers des Filterelements zu minimieren. In diesem Fall ist die Faltenhöhe im Wesentlichen größer als der Abstand zwischen dem äußeren Umfang des Patronenkerns und dem inneren Umfang des Patronengehäuses. Folglich füllen die Falten an dem äußeren Umfang in einem herkömmlichen spiralförmig gefalteten Filter das überschüssige Volumen aus, das normalerweise den leeren Raum in einem radial gefalteten Filterelement repräsentieren würde.
Wenngleich sowohl die Gestaltung mit spiralförmigen Falten als auch die Gestaltung mit radialen W-Falten im Vergleich zu einer standardmäßigen radialen Faltenkonfiguration einen erhöhten Filterflächeninhalt bereitstellen, weist die spiralförmige Faltenkonfiguration nicht die Faltenwanderungsprobleme auf, die mit der radialen W-Faltenkonfiguration assoziiert werden. Im Vergleich zu Filtern mit radialen W-Falten stellen die eingerollten Falten eines spiralförmig gefalteten Filters jedoch weniger und weniger zugängliche radiale Strömungspfade in der Nähe des äußeren Durchmessers des Filters bereit. Diese Faktoren führen zu einem größeren Druckabfall über den Filter. Außerdem stellen die eingerollten Falten eines spiralförmig gefalteten Filters längere Strömungspfade und somit eine größere Wahrscheinlichkeit bereit, dass die Strömungspfade bei Anwendungen mit hoher Beladung oder mit großen kontaminierenden Teilchen blockiert werden. Dieser Zustand wird oft als Überbrücken bezeichnet und kann eine nachteilige Auswirkung auf die Filterlebensdauer haben.
Es ist auch herausgefunden worden, dass herkömmliche spiralförmig gefaltete Filterelemente schwieriger in ein zylindrisches Gehäuse einzusetzen sind als standardmäßige radial gefaltete Filterelemente, da die eingerollten Falten dazu neigen, vor dem Einsetzen in das Gehäuse gerade gebogen zu werden. Folglich kann das Filterelement entlang der inneren Fläche des Gehäuses einen Reibungswiderstand erfahren. Dies kann Beschädigungen an den Filtermedien verursachen und im Hinblick auf die Praxis die axiale Länge einer Filterpatrone mit einem spiralförmig gefalteten Filterelement einschränken.
US-Patentschrift Nr. 5,320,657 beschreibt ein zylindrisches Filterelement, das aus einem Filtermaterial besteht, das zwischen einer inneren und einer äußeren Umfangsfläche vor- und zurückgefaltet wird, um eine Reihe Längsfalten zu definieren. Die inneren Kanten von abwechselnden Falten befinden sich in einem geringeren Abstand von der Längsachse des Filterelements als die Kanten der anderen Falten, so dass das Filterelement mehrere kurze und lange Falten aufweist. Dies verringert die Einschränkung des Luftstroms, ohne die Kapazität des Filterelements zu opfern.
GB 725,066 beschreibt ein Filterelement, das aus einem perforierten Zentralrohr zusammengesetzt ist, um welches ein Filtermedium in Falten von mindestens zwei unterschiedlichen Tiefen – tief und untief – gefaltet wird. Die Falten sind derart angeordnet, dass sich untiefe Falten mit tiefen Falten abwechseln, wobei beide Faltenarten Wurzeln aufweisen, die an den inneren Umfang grenzen.
Noch ein weiteres Beispiel eines Filters mit variierender Faltenhöhe ist in US-Patentschrift Nr. 4,655,921 beschrieben und weist ein Filterpapier auf, das gefaltet ist, um rechteckig geformte Abschnitte zu bilden, um einen hohlen Zylinder zu bilden. Der Zylinder ist in mehrere Abschnittsbereiche unterteilt, wobei jeder Bereich einen gefalteten geformten Abschnitt aufweist.
Ein Beispiel eines herkömmlichen spiralförmig gefalteten Filterelements ist in US-Patentschrift Nr. 5,543, 047 an Stoyell et al. offenbart. Das spiralförmig gefaltete Filterelement von Stoyell et al. weist einen dreischichtigen Verbundstoff eines Filtermediums, eine stromaufwärts liegende Abflussschicht, die auf der stromaufwärts liegenden Fläche des Filtermediums angeordnet ist, und eine stromabwärts liegende Abflussschicht, die auf der stromabwärts liegenden Fläche des Filtermediums angeordnet ist. Die Falten des Filterelements weisen derartige Abmessungen auf und sind derart gestalt, dass praktisch das gesamte Volumen zwischen dem inneren und dem äußeren Umfang des Filterelements von den Falten ausgefüllt ist. Folglich besteht tendenziell ein hoher Grad an Faltenverdichtung und -dichte an dem inneren Umfang des Filterelements, das heißt, an den Wurzeln der Falten. Dies bewirkt einen sehr hohen Druckabfall in der Nähe des Kerns des Filters.
Insbesondere sind die Falten des Filterelements von Stoyell et al. derart konfiguriert, dass entlang des inneren Umfangs des Filterelements jeder Faltenschenkel an den benachbarten Faltenschenkel grenzt und die Höhe jeder Falte, die in einer Richtung entlang der Schenkel gemessen wird und von dem inneren Umfang an der Wurzel der Falte zu dem äußeren Umfang an dem Scheitel der Falte verläuft, größer als (D – d)/2 und kleiner als (D²-d²)/[4(d + 2t)] ist, wobei D und d jeweils der äußere Durchmesser und der innere Durchmesser des Filterelements an dem äußeren Umfang und dem inneren Umfang sind und t die Dicke jedes Faltenschenkels ist. Durch das derartige Dimensionieren der Falten stehen die gegenüberliegenden Flächen der Falten über im Wesentlichen die gesamte Höhe und axiale Länge der Faltenschenkel zueinander in Kontakt, wobei im Wesentlichen kein leerer Raum zwischen benachbarten Falten und insbesondere in dem Bereich des Kerns hinterlassen wird. In der Tat besteht der einzige verbleibende Raum bei dem Kern aus kleinen dreieckigen Spalten, die sich zwischen benachbarten Faltenwurzeln befinden. Folglich besteht durch das Filterelement ein relativ hoher Druckabfall.
Dementsprechend besteht im Stand der Technik ein Bedarf an einer spiralförmig gefalteten Filtergestaltung, welche den Flächeninhalt der Filtermedien erhöht und gleichzeitig einen geringeren Druckabfall über das Filterelement aufweist als die spiralförmig gefalteten Filterelemente des Standes der Technik und welches leichter in ein Trägergehäuse einzusetzen ist als die spiralförmig gefalteten Filterelemente des Standes der Technik.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen neuen und einzigartigen spiralförmig gefalteten Filter, der ein zylindrisches Filterelement mit einer Längsachse, einem äußeren Umfang, einem inneren Umfang und mehreren Längsfalten aufweist, die nah zueinander angeordnet sind. Jede der Falten weist ein Paar Schenkel auf und jeder der Schenkel weist eine Höhe auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Höhe eines ersten Schenkels einer ersten Falte größer als der radiale Abstand zwischen dem äußeren Umfang des Filterelements und dem inneren Umfang des Filterelements und ist auch größer als die Höhe eines benachbarten Schenkels einer benachbarten Falte.
Es wird in Betracht gezogen, dass die Höhe des benachbarten Schenkels im Bereich von etwa fünfzig Prozent (50%) der Höhe des ersten Schenkels der ersten Falte bis etwa fünfundneunzig Prozent (95%) der Höhe des ersten Schenkels der ersten Falte liegt. Vorzugsweise ist das Filterelement ein Verbundstoff mit mehreren Materialschichten, die eine stromaufwärts liegende Abflussschicht, mindestens eine innere Filtrierschicht und eine stromabwärts liegende Abflussschicht aufweisen. Ein perforiertes Gehäuse umgibt den äußeren Umfang des Filterelements und ein perforierter Kern ist von dem inneren Umfang des Filterelements umgeben.
Es wird in Betracht gezogen, dass die Falten auf mehrere unterschiedliche Weisen gestaltet sein können. Zum Beispiel kann die Höhe eines zweiten Schenkels der ersten Falte der Höhe des ersten Schenkels der ersten Falte entsprechen. Als Alternative kann die Höhe eines zweiten Schenkels der ersten Falte kleiner sein als die Höhe des ersten Schenkels der ersten Falte, oder die Schenkel der benachbarten Falte können im Hinblick auf die Höhe gleich sein. Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Höhe eines zweiten Schenkels der benachbarten Falte größer sein kann als die Höhe des anderen Schenkels der benachbarten Falte.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Filter, der ein zylindrisches Filterelement mit mehreren Längsfalten aufweist, die in einer spiralförmigen Konfiguration nah zueinander angeordnet sind. Jede der Falten weist ein paar Schenkel auf und die Schenkel jeder Falte sind miteinander an einer Wurzel verbunden. Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Wurzeln von benachbarten Falten um den inneren Umfang des Filterelements radial voneinander beabstandet. Auch die benachbarten Schenkel von benachbarten Falten sind miteinander an einem Kamm verbunden und in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Kämme von benachbarten Falten um den äußeren Umfang des Filterelements radial voneinander beabstandet.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Filterpatrone, die ein zylindrisches Filterelement mit einer Längsachse, einem äußeren Umfang, einem inneren Umfang und mehreren Längsfalten aufweist, die in einer spiralförmigen Konfiguration nahe zueinander angeordnet sind. Jede der Falten weist ein paar Schenkel auf und die Schenkel jeder Falten sind an einer Wurzel miteinander verbunden, Ein perforiertes Gehäuse oder Geflecht umgibt den äußeren Umfang des Filterelements und ein perforierter Kern ist von dem inneren Umfang des Filterelements umgeben. Gemäß der vorliegenden Erfindung grenzen die Wurzeln von abwechselnden Falten an den perforierten Kern. Auch sind benachbarte Schenkel von benachbarten Falten an einem Kamm miteinander verbunden und in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung grenzen abwechselnde Kämme an das perforierte Gehäuse.
Diese und andere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden für den Durchschnittsfachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung zusammen mit den nachstehend beschriebenen Zeichnungen offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Damit der Durchschnittsfachmann des Fachgebiets, zu welchem die vorliegende Erfindung gehört, leichter versteht, wie die Filterpatronen der vorliegenden Erfindung hergestellt und benutzt werden können, werden bevorzugte Ausführungsformen davon nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben, in denen zeigen:
1 eine Übersicht im Teilquerschnitt einer gefalteten Filterpatrone, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und ein spiralförmiges, in W-Form gefaltetes Filterelement aufweist, welches einen perforierten Kern umgibt und innerhalb eines perforierten Gehäuses eingeschlossen ist;
2 eine Querschnittsansicht der spiralförmigen, in W-Form gefalteten Filterpatrone aus 1, welche die einzigartige Faltenkonfiguration davon darstellt, wobei die Faltenhöhen um den inneren Umfang des Filterelements in gleichmäßigen Abständen gestaffelt sind;
2b eine vergrößerte örtlich begrenzte Ansicht der spiralförmigen, in W-Form gefalteten Filterpatrone aus 2, welche die Abstandsbeziehung von benachbarten Faltenwurzeln an dem Kern der Filterpatrone darstellt;
2a eine Ansicht, die derjenigen aus 2b ähnlich ist, welche die Konfiguration der Falten eines herkömmlichen spiralförmig gefalteten Filterelements zeigt, wobei die Wurzeln von benachbarten Falten eng um den Kern der Filterpatrone gepackt sind;
3 eine Draufsicht eines Abschnitts eines Faltensatzes, der bei der Bildung der Filterpatrone aus 1 und 2 benutzt wird, wobei die relativen Höhen der abwechselnden Falten dargestellt werden;
4 eine Übersicht eines Abschnitts eines Faltensatzes, der bei der Bildung der Filterpatrone aus 1 und 2 benutzt wird, wobei die vielschichtige Verbundstoffstruktur des Faltensatzes dargestellt wird, die zum Beispiel eine Filtermedienschicht aufweist, die zwischen stromaufwärts und stromabwärts liegenden Vliesabflussschichten angeordnet ist;
5 eine Übersicht im Teilquerschnitt einer anderen gefalteten Filterpatrone, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und ein stufiges spiralförmig gefaltetes Filterelement aufweist, das einen perforierten Kern umgibt und innerhalb eines perforierten Gehäuses eingeschlossen ist;
6 eine Querschnittsansicht der gestuften spiralförmig gefalteten Filterpatrone aus 5, welche die einzigartige Faltenkonfiguration davon darstellt, wobei die Faltenhöhen um den inneren Umfang und den äußeren Umfang der Filterelemente gestaffelt sind;
6a eine vergrößerte örtlich begrenzte Ansicht der gestuften spiralförmig gefalteten Filterpatrone aus 6, welche die Abstandsbeziehung von benachbarten Faltenscheiteln an dem Gehäuse der Filterpatrone darstellt;
6b eine vergrößerte örtlich begrenzte Ansicht der gestuften spiralförmig gefalteten Filterpatrone aus 6, welche die Abstandsbeziehung von benachbarten Faltenwurzeln an dem Kern der Filterpatrone darstellt;
7 eine Draufsicht eines Abschnitts eines Faltensatzes, der bei der Bildung der Filterpatrone aus 5 und 6 benutzt wird, wobei die relativen Höhen der gestuften Faltenschenkel dargestellt werden; und
8 eine Übersicht eines Abschnitts eines Faltensatzes, der bei der Bildung der Filterpatrone aus 5 und 6 benutzt wird, wobei die vielschichtige Verbundstoffstruktur des Faltensatzes dargestellt wird, die eine Medienschicht aufweist, die zwischen einer Vliesabflussschicht und einer Maschenabflussschicht angeordnet ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche strukturelle Elemente und/oder Merkmale der vorliegenden Erfindung identifizieren, ist in 1 eine spiralförmig gefaltete Filterpatrone dargestellt, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung konstruiert ist und im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist.
Im Hinblick auf 1 weist die Filterpatrone 10 der vorliegenden Erfindung ein verlängertes, spiralförmig und in W-Form gefaltetes Verbundstofffilterelement 12 mit mehreren Längsfalten 14 auf, welche einen zentralen perforierten Kern 20 umgeben und innerhalb eines perforierten äußeren Gehäuses 30 eingeschlossen sind. Der Kern 20 stützt den inneren Umfang des Filterelements 10 gegen Kräfte in die radiale Richtung und hilft auch dabei, dem Filter eine axiale Biegefestigkeit und -starrheit zu verleihen. Das Gehäuse 30 hält die Falten des Filterelements 10 in einer spiralförmigen Konfiguration. Es wird berücksichtigt, dass Mittel zum Zurückhalten der Falten bereitgestellt werden können, die nicht das Gehäuse 30 sind. Zum Beispiel kann ein Polymergeflecht oder Maschenmaterial benutzt werden, um die Falten um den äußeren Umfang des Filterelements zu halten. Endkappen 40 sind mit dem oberen und dem unteren Ende des Patronenelements betriebsbereit verbunden und können je nach der Filtrieranwendung, bei welcher die Filterpatrone 10 verwendet wird, offen (wie darge stellt) oder geschlossen sein.
Mit Bezug auf 4 weist jede Längsfalte 14 in dem verlängerten Filterelement 12 ein Paar Faltenschenkel L auf, die an einer Faltenwurzel R miteinander verbunden sind, die sich an oder in der Nähe des inneren Umfangs des Filterelements befindet, und jeder Faltenschenkel ist auch mit einem benachbarten Schenkel einer benachbarten Falte an einem Faltenkamm oder -scheitel C verbunden, der sich an oder in der Nähe des äußeren Umfangs des Filterelements befindet. Jede Falte weist eine Höhe, die der radialen Ausdehnung der Falte entspricht, und eine Faltenlänge auf, die der axialen Ausdehnung der Falte entspricht. Wie nachstehend in Ausführungsformen des spiralförmig gefalteten Filterelements der vorliegenden Erfindung ausführlicher erläutert werden wird, sind die Faltenhöhen in dem Filterelement nicht gleichmäßig. Folglich werden die Strömungseigenschaften der Patrone im Hinblick auf herkömmliche spiralförmig gefaltete Filterpatronen verbessert, bei denen alle Falten gleich hoch sind und innerhalb der Patrone eng gepackt sind.
Da außerdem die Höhen der Falten durch das Filterelement nicht gleichmäßig sind, ist herausgefunden worden, dass das Filterelement der vorliegenden Erfindung mit relativer Leichtigkeit axial in ein Trägergehäuse eingefügt werden kann, ohne die Faltenscheitel unter Reibung gegen die innere Fläche des Gehäuses zu ziehen. Folglich werden die Filtermedien während der Patronenanordnung nicht beschädigt.
Mit Bezug auf 4 weist jeder Faltenschenkel eine innere Fläche S_i, die der inneren Fläche S_i des anderen Schenkels in der gleichen Falte gegenüberliegt, und eine äußere Fläche S_e auf, die der äußeren Fläche S_e eines benachbarten Schenkels einer benachbarten Falte gegenüberliegt. Wenn das Filterelement 10 derart benutzt wird, dass Fluid radial nach innen durch das Filterelement strömt, das heißt, von dem Gehäuse 30 zu dem Kern 20, bilden die inneren Flächen der Faltenschenkel die stromaufwärts liegende Fläche des Filterelements 12. Wenn umgekehrt das Filterelement 12 derart benutzt wird, dass Fluid radial nach außen durch das Element strömt, das heißt, von dem Kern zu dem Gehäuse, definieren die inneren Flächen der Faltenschenkel die stromaufwärts liegende Fläche des Filterelements 12 und die äußeren Flächen der Faltenschenkel definieren die stromabwärts liegende Fläche des Filterelements 12.
Mit Bezug auf 3 weisen benachbarte Falten in dem Filterelement 12 unterschiedliche Faltenhöhen auf. Insbesondere weist eine erste Falte 14a Faltenschenkel L₁ und L₂ auf, die gleich hoch sind und eine gemeinsame Wurzel R_a benutzen. Eine zweite Falte 14b weist Faltenschenkel L₃ und L₄ auf, die gleich hoch sind und eine gemeinsame Wurzel R_b benutzen. Der Faltenschenkel L₂ von Falte 14a ist mit Faltenschenkel L₃ von Falte 14b an dem Faltenkamm C_a,b verbunden. Die Höhe der Faltenschenkel L₃ und L₄ ist geringer als die Höhe der Faltenschenkel L₁ und L₂. Gleichermaßen weist die Falte 14c Faltenschenkel L₅ und L₆ auf, wobei Faltenschenkel L₅ mit Faltenschenkel L₄ von Falte 14b an einem Faltenkamm C_b,c verbunden ist und die Faltensschenkel L₅ und L₆ eine gemeinsame Wurzel R_c benutzen.
Wie in 2b dargestellt, stehen die Faltenwurzeln R_a und R_c der Falten 14a und 14c jeweils mit dem Kern 20 der Filterpatrone 10 an dem inneren Umfang des Filterelements 12 in Kontakt, während die Faltenwurzel R_b von Falte 14b von dem inneren Umfang des Filterelements 12 um einen radialen Abstand beabstandet ist, der ausreicht, um bei dem Kern der Filterpatrone eine Leerstelle V_i zu schaffen, die entlang der gesamten Länge des Filterelements 12 verläuft, wobei verhindert wird, dass benachbarte Faltenflächen einander über einen wesentlichen Abschnitt der Höhe der Falten kontaktieren. Diese Leerstelle wird um den gesamten inneren Umfang des Filterelements 12 gleichmäßig wiederholt, wie am besten aus 2 ersichtlich ist. Folglich sind entlang des inneren Umfangs des Filterelements 12 mehrere längs verlaufende Kanäle definiert. Diese Längskanäle verbessern den Abfluss durch den perforierten Kern der Filterpatrone. Folglich ist der Differenzdruckabfall über das Filterelement 10 geringer als der Differenzdruckabfall über ein herkömmliches spiralförmig gefaltetes Filterelement, bei dem alle Falten eine gleichmäßige Höhe aufweisen und eng um den Patronenkern gepackt sind, wie zum Beispiel in 2a dargestellt ist. In der spiralförmig gefalteten Filterpatrone aus 2a sind die einzigen Leerstellen an dem Patronenkern die kleinen dreieckigen Spalte G_i, die sich zwischen benachbarten Faltenwurzeln befinden.
Mit weiterem Bezug auf 2b, auf Grund der Leerstellen, die zwischen den Faltenwurzeln der längeren Falten in dem Filterelement 12 geschaffen worden sind, das heißt, der Leerstelle V_i zwischen den Faltenwurzeln R_a und R_c von jeweils Falte 14a und 14c, sind die Wurzeln dazu fähig, derart in die Höhe zu schießen, dass große offene Spalten G_e zwischen den Flächen S_e von benachbarten Faltenschenkeln entlang der gesamten Länge jeder der längeren Falten gebildet werden. Die offenen Spalte innerhalb der Faltenwurzeln der längeren Falten verbessern tendenziell die Strömungseigenschaften der Filterpatrone durch weiteres Verringern des Differenzdruckabfalls in der Nähe des Kerns des Filters. Demgegenüber liegen in einem herkömmlichen spiralförmig gefalteten Filterelement, bei dem die Falten alle gleich hoch sind und die Faltenwurzeln eng um den Kern der Patrone gepackt sind, wie zum Beispiel in 2a dargestellt, keine Spalte innerhalb der Wurzeln der Falten vor.
Mit Bezug auf 3 in Verbindung mit 2 weisen die längeren Falten in dem Filterelement 12, zum Beispiel die Falten 14a und 14c eine Höhe H auf, die vorzugsweise größer als (D – d)/2 ist, wobei D der Innen durchmesser des Gehäuses 30 ist und d der Außendurchmesser des Kerns 20 ist. Die kürzeren Falten in dem Filterelement, zum Beispiel Falte 14b, weisen eine Höhe h auf, die geringer ist als die Höhe der längeren Falten. Die kürzeren Falten können eine Höhe aufweisen, die geringer, gleich oder größer ist als (D – d)/2, solange die Höhe h der kürzeren Falten geringer ist als die Höhe H der längeren Falten. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis der Höhen der kürzeren Falten zu den Höhen der längeren Falten h/H etwa zwischen 50% bis 95%. Beispielsweise kann die Faltenhöhe H der längeren Falten etwa 0,830 Inch (21 mm) und die Faltenhöhe h der kürzeren Falten etwa 0,760 Inch (19 mm) betragen, so dass das Verhältnis der Faltenhöhe etwa 92% beträgt. Durch Versuche ist bestimmt worden, dass solch ein Verhältnis in einem Filter der Art, die in 1 und 2 dargestellt ist, optimale Strömungseigenschaften bereitstellt.
Mit Bezug auf 5 und 6 wird eine andere bevorzugte Ausführungsform der gefalteten Filterpatrone der vorliegenden Erfindung dargestellt, die im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 110 gekennzeichnet ist. Die Filterpatrone 110 weist ein gestuftes spiralförmig gefaltetes Filterelement 112 auf, das mehrere Längsfalten 114 aufweist, die einen zentralen perforierten Kern 120 umgeben und innerhalb eines perforierten äußeren Gehäuses 130 mit Endkappen eingeschlossen sind.
In dem Filterelement 112 weisen benachbarte Faltenschenkel unterschiedliche Faltenschenkelhöhen auf. Insbesondere, wie in 7 und 8 dargestellt, weist eine erste Falte 114a Faltenschenkel L₁ und L₂ auf, die an dem Faltenkamm Ca miteinander verbunden sind. Eine zweite Falte 114b weist Faltenschenkel L₃ und L₄ auf, die an dem Faltenkamm C_b miteinander verbunden sind. Der Faltenschenkel L₂ von Falte 114a ist mit dem Faltenschenkel L₃ von Falte 114b an der Wurzel R_a,b verbunden. Eine dritte Falte 114c weist Faltenschenkel L₅ und L₆ auf, die an dem Faltenkamm C_c miteinander verbunden sind. Der Faltenschenkel L₅ von Falte 114c ist mit dem Faltenschenkel L₄ von Falte 114b an der Wurzel R_b,c verbunden. Eine vierte Falte 114d weist Faltenschenkel L₇ und L₈ auf, die an dem Faltenkamm C_d miteinander verbunden sind. Der Faltenschenkel L₇ von Falte 114d ist mit dem Faltenschenkel L₆ von Falte 114c an der Wurzel R_c,d verbunden. Dieses gestufte Faltenscheitelmuster wird um das gesamte Filterelement 112 gleichmäßig wiederholt.
Es ist ersichtlich, dass die Höhe von Faltenschenkel L₁ der Höhe von Faltenschenkel L₅ entspricht und dass die Faltenschenkel L₂, L₄, L₆, und L₈ gleich hoch sind, während die Höhe von Faltenschenkel L₃ der Höhe von Faltenschenkel L₇ entspricht. Die Beziehung zwischen den Faltenschenkelhöhen kann gemäß dem Ausdruck H_1,5 < H_2,4,6,8 < H_3,7 ausgedrückt werden. Vorzugsweise ist die längste Faltenschenkelhöhe H_3,7 größer als (D – d)/2, wobei D der Innendurchmesser des Gehäuses 130 und d der Außendurchmesser des Kerns 120 ist. Dementsprechend weisen die kürzeren Faltenschenkel in dem Filterelement 112, das heißt, die Faltenschenkel L₁, L₂, L₄, L₅, L₆ und L₈ Faltenschenkelhöhen auf, die kleiner als, gleich oder größer als (D – d)/2 sind, solange die Höhen der kürzeren Falten kleiner als die Höhe der längsten Falten sind. Beispielsweise können die Höhen H_3,7 der längsten Falten etwa 0,830 Inch (21 mm) entsprechen, die Höhen H_2,4,6,8 der mittleren Falten können etwa 0,760 Inch (19 mm) entsprechen und die Höhen H_1,5 der kürzesten Falten können etwa 0,680 Inch (17 mm) entsprechen, wobei das Verhältnis von Faltenschenkelhöhen zu der längsten Faltenschenkelhöhe etwa 92% für die mittleren Faltenschenkel (H_2,4,6,8/H_3,7 = 0,92) und etwa 82% für die kürzesten Faltenschenkel (H_1,5/H_3,7 = 0,82) beträgt.
Wie in 6b dargestellt, kontaktieren die Faltenwurzeln R_a,b und R_c,d den Kern 120 der Filterpatrone 110 an dem inneren Umfang des Filterelements 112, während die Wurzel R_b,c von dem Kern 120 um einen ausreichenden radialen Abstand beabstandet ist, um einen Längskanal entlang des inneren Umfangs des Filterelements 112 zwischen den Faltenwurzeln R_a,b und R_c,d zu bilden. Gleichermaßen kontaktieren die Faltenkämme C_b und C_d das Gehäuse 130 der Filterpatrone 110 an dem äußeren Umfang des Filterelements 112, während die Faltenkämme C_a und C_c von dem Gehäuse 130 um einen ausreichenden radialen Abstand beabstandet sind, um einen Längskanal entlang des inneren Umfangs des Filterelements 112 zu bilden, wie den Längskanal, der zwischen den Faltenkämmen C_b und C_d ausgebildet ist. Folglich sind entlang des äußeren Umfangs des Filterelements 112 mehrere längs verlaufende Kanäle definiert, welche die radiale Strömung in das Filterelement durch das Gehäuse 130 verbessern, und entlang des inneren Umfangs des Filterelements 112 sind mehrere längs verlaufende Kanäle definiert, welche den Abfluss aus dem Filterelement durch den perforierten Kern 120 der Filterpatrone 110 verbessern.
Die spiralförmig gefalteten Filterelemente der vorliegenden Erfindung können mit Hilfe eines Verfahrens und einer Vorrichtung gebildet werden, die in der gemeinsam übertragenen US-Patentschrift Nr. 5,882,288 an Paul et al. dargestellt und beschrieben sind. Alternative Spiralverfahren, die im Stand der Technik bekannt sind, können ebenfalls verwendet werden.
Die spiralförmig gefalteten Filterelemente der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise als Verbundstoffstrukturen gebildet, welche ein Filtermedium und Abflussmaterialien auf sowohl der stromaufwärts als auch der stromabwärts verlaufenden Seite des Filtermediums aufweisen. Die Art des Filtermediums kann gemäß dem zu filternden Fluid und den gewünschten Filtriereigenschaften ausgewählt werden. Das Filtermedium kann ein poröser Film oder eine Faserschicht oder Masse sein. Es kann eine gleichförmige oder abgestufte Porenstruktur und jede beliebige angemessene wirksame Porengröße aufweisen und kann aus jedem beliebigen geeigneten Material gebildet werden, wie natürlichem oder synthetischem Polymer, Glas oder Metall. Das Filtermedium kann aus einer einzigen Materialschicht oder mehreren Schichten des gleichen Mediums bestehen, die aufeinander angeordnet werden, um eine gewünschte Dicke zu erhalten. Es wird auch in Betracht gezogen, dass das Filtermedium zwei oder mehrere Medienschichten mit unterschiedlichen Filtriereigenschaften aufweisen kann, wobei eine Schicht als ein Vorfilter für die andere Schicht dienen würde.
Die stromaufwärts oder stromabwärts verlaufenden Abfluss- oder Trägerschichten des Verbundstofffilterelements können aus jedem beliebigen Material mit geeigneten Abflusseigenschaften hergestellt werden. Zum Beispiel können die Abflussschichten in Form eines Maschengewebes oder Flechtwerks oder einer porösen gewebten Schicht oder Vliesschicht vorliegen. Maschengewebe und Flechtwerke liegen in verschiedenen Formen vor, einschließlich als Metallmaschengewebe, die oft für Filtrieranwendungen bei hohen Temperaturen benutzt werden, und Polymermaschengewebe, die in der Regel für Anwendungen bei niedrigeren Temperaturen benutzt werden. Polymermaschengewebe werden in Form von gewebten Maschengeweben und extrudierten Maschengeweben hergestellt. Beide Arten können verwendet werden. Es wird in Betracht gezogen, dass die stromaufwärts und stromabwärts liegenden Abflussschichten je nach der Filtrieranwendung aus dem gleichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden können.
Beispielsweise ist das spiralförmige, in W-Form gefaltete Filterelement aus 1 eine vielschichtige Verbundstoffstruktur, die mindestens eine Filtermedienschicht 15 aufweist, die von einer stromaufwärts liegenden Vliesabflussschicht 16 und einer stromabwärts liegenden Vliesabflussschicht 18 gestützt wird (siehe auch 4). Gleichermaßen ist das gestufte spiralförmig gefaltete Filterelement aus 5 eine vielschich tige Verbundstoffstruktur, die mindestens eine Filtermedienschicht 115 aufweist, die von einer stromaufwärts liegenden gewobenen Abflussschicht 116 und einer stromabwärts liegenden gewobenen Abflussschicht 118 gestützt wird (siehe auch 8). Alternativ kann je nach der Anwendung die stromaufwärts liegende Abflussschicht eine Vliesschicht: sein und die stromabwärts liegende Abflussschicht kann ein gewebtes Maschengewebe oder Geflecht sein.
Es wurden Tests durchgeführt, um den Differenzdruckabfall über drei verschiedene Patronenarten von 10 Inch auszuwerten, die gefaltete Filterelemente aufwiesen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltet waren. In jedem Fall wies die erfinderische Patrone eine spiralförmige, in W-Form gefaltete Konfiguration auf, wie in 2 dargestellt, und wurde mit einer Kontrollpatrone von 10 Inch verglichen, die ein Filterelement mit einer herkömmlichen spiralförmigen Faltenkonfiguration aufwies, wobei die Höhe jeder Falte die gleiche war, wie zum Beispiel in 2b dargestellt.
In dem ersten Fall wurden das erfinderische Filterelement und das herkömmliche spiralförmige Filterelement unter Verwendung einer Nylonmembran von 0,8 μ mit einem Freudenberg-Vliesmaschengewebe von 17 Gramm als das stromaufwärts liegende und stromabwärts liegende Trägermaterial gebildet. In dem zweiten Fall wurden das erfinderische Filterelement und das herkömmliche spiralförmige Filterelement unter Verwendung einer Nylonmembran von 0,65 μ mit einem Freudenberg-Vliesmaschengewebe von 17 Gramm als das stromaufwärts liegende Trägermaterial und ein asymmetrisches Delnet^®-Maschengewebe von 5 mil als das stromabwärts liegende Trägermaterial gebildet. In dem dritten Falle wurden das erfinderische Filterelement und das herkömmliche spiralförmige Filterelement unter Verwendung einer Nylonmembran von 0,65 μ mit einem Typar^®-T3091L-Vliesmaschengewebe als das stromaufwärts liegende Trägermate rial und ein asymmetrisches Delnet^®-Maschengewebe von 5 mil als das stromabwärts liegende Trägermaterial gebildet.
Die Tests wurden unter Verwendung von Wasser bei einer Temperatur von 25°C durchgeführt und die Gehäuseverluste wurden von den Differenzdruckablesungen subtrahiert. In jedem Fall wurden Daten unter Verwendung von 4 bis 6 Patronen für jede der drei unterschiedlichen Patronenkonstruktionsarten gesammelt. Aus diesen Daten wurde der Mittelwert gebildet und unten tabellarisch dargestellt.
Tabelle 1.0
Tabelle 2.0
Tabelle 3.0
Zusammenfassend war der Differenzdruckabfall ΔP über die spiralförmig gefaltete Filterpatrone der vorliegenden Erfindung bei Verwendung der gleichen Baumaterialien in allen drei Fällen geringer als der Differenzdruckabfall über eine herkömmliche spiralförmig gefaltete Filterpatrone.
Es wird in Betracht gezogen, dass die hierin offenbarten und in 2 und 6 beispielhaft dargestellten Faltenmuster der spiralförmig gefalteten Filterelemente variieren können, ohne die Wesensart oder den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel können die gekürzten Falten in dem Filterelement 12 zwischen benachbarten Paaren längerer Falten angeordnet werden und nicht zwischen benachbarten einzelnen Falten, wie dargestellt und beschrieben. In solch einem Fall würde das Faltenhöhenverhältnis (h/H) das gleiche bleiben, jedoch würde die Anzahl der kürzeren Falten in dem Filterelement abnehmen und der gesamte Flächeninhalt des Filterelements würde zunehmen. Nichtsdestotrotz würden mehrere Längskanäle in gleichmäßigen Abständen entlang des inneren Umfangs des Filterelements verlaufen, um den Abfluss durch den Kern der Filterpatrone zu verbessern, wodurch der Differenzdruckabfall über die Filterpatrone im Vergleich zum spiralförmig gefalteten Filterpatronen des Standes der Technik verbessert wird.

Claims

Filter, der aufweist: ein zylindrisches Filterelement (12, 112) mit einer Längsachse, einem äußeren Umfang und einem inneren Umfang, der mehrere gekurvte Längsfalten (14, 114) aufweist, die nah zueinander angeordnet sind, so dass benachbarte Faltenflächen (S_i, S_c) miteinander in Stützkontakt stehen, wobei jede der Falten ein Paar Schenkel (L) aufweist, wobei die Schenkel jeder Falte an einer Wurzel (R) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wurzeln von benachbarten Falten in gleichmäßigen Abständen um den inneren Umfang des Filterelements radial voneinander beabstandet sind.
Filter nach Anspruch 1, wobei das Filterelement (12, 112) ein Verbundstoff mit mehreren Materialschichten ist, die eine stromaufwärts liegende Abflussschicht (16, 116), mindestens eine innere Filtrierschicht (15, 115) und eine stromabwärts liegende Abflussschicht (18, 118) aufweisen.
Filter nach Anspruch 1, der ferner ein perforiertes Gehäuse (30, 130), welches den äußeren Umfang des Filterelements (12, 112) umgibt, und einen perforierten Kern (20, 120) aufweist, der von dem inneren Umfang des Filterelements umgeben ist.
Filter nach Anspruch 1, wobei die benachbarten Schenkel (L) von benachbarten Falten (14, 114) an einem Faltenkamm (C) miteinander verbunden sind, und wobei die benachbarten Faltenkämme in gleichmäßigen Abständen um den äußeren Umfang des Filterelements radial voneinander beabstandet sind.
Filterpatrone (10), die aufweist: a) einen Filter nach einem der Ansprüche 1 oder 2; b) ein perforiertes Gehäuse (30, 130), das den äußeren Umfang des Filterelements (12, 112) umgibt; c) einen perforierten Kern (20, 120), der von dem inneren Umfang des Filterelements umgeben ist, wobei die Wurzeln (R) von abwechselnden Falten (14, 114) an den perforierten Kern grenzen; und d) mindestens eine Endkappe (40), welche das perforierte Gehäuse umschließt.
Filterpatrone nach Anspruch 5, wobei die benachbarten Schenkel (L) von benachbarten Falten (114) miteinander an einem Faltenkamm (C) verbunden sind, und wobei die abwechselnden Kämme an das perforierte Gehäuse (130) grenzen.
Filter nach Anspruch 1, wobei jede Falte (14, 114) eine radiale Höhe (H) aufweist und wobei benachbarte Falten in dem Filterelement (12, 112) ein relatives radiales Höhenverhältnis von etwa zwischen 50% und 95% aufweisen.
Filter nach Anspruch 7, wobei das relative radiale Höhenverhältnis von benachbarten Falten (14, 114) in dem Filterelement (12, 112) etwa 92% beträgt.
Filter nach Anspruch 8, wobei die Höhe (H) einer Falte (14, 114) in dem Filterelement etwa 0,830 Inch (21 mm) und die Höhe einer benachbarten Falte in dem Filterelement etwa 0,760 Inch (19 mm) beträgt.
Filter nach Anspruch 1, der ferner ein perforiertes Gehäuse (30, 130) aufweist, das einen äußeren Umfang des Filterelements (12, 112) umgibt.
Filter nach Anspruch 1, der ferner einen perforierten Kern (20, 120) aufweist, der von einem inneren Umfang des Filterelements (12, 112) umgeben ist.
Filter nach Anspruch 1, wobei jeder der Schenkel (L) eine Höhe (H) aufweist und wobei die Höhe eines ersten Schenkels einer ersten Falte (14, 114) größer als der radiale Abstand zwischen dem äußeren Umfang des Filterelements (12, 112) und dem inneren Umfang des Filterelements ist und auch größer als die Höhe eines benachbarten Schenkels einer benachbarten Falte ist.
Filter nach Anspruch 12, wobei die Höhe (H) des benachbarten Schenkels (L) der benachbarten Falte im Bereich von etwa fünfzig Prozent der Höhe des ersten Schenkels der ersten Falte bis etwa fünfundneunzig Prozent der Höhe des ersten Schenkels der ersten Falte liegt.
Filter nach Anspruch 12, der ferner ein perforiertes Gehäuse, das den äußeren Umfang des Filterelements umgibt, und einen perforierten Kern aufweist, der von dem inneren Umfang des Filterelements umgeben ist, wobei die Wurzel (R) der ersten Falte mit dem Kern (20, 120) in Kontakt tritt und die Wurzel der benachbarten Falte radial von dem Kern beabstandet ist.
Filter nach Anspruch 12, wobei die Höhe (H) eines zweiten Schenkels (L) der ersten Falte der Höhe des ersten Schenkels der ersten Falte entspricht.
Filter nach Anspruch 12, wobei die Höhe (H) eines zweiten Schenkels (L) der ersten Falte geringer als die Höhe des ersten Schenkels der ersten Falte ist.
Filter nach Anspruch 12, wobei die Schenkel (L) der benachbarten Falte bezüglich der Höhe gleich sind.
Filter nach Anspruch 12, wobei die Höhe (H) eines zweiten Schenkels (L) der benachbarten Falte größer als die Höhe des anderen Schenkels der benachbarten Falte ist.