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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kombinationsfiltersystem zum
Filtrieren von Fluiden, insbesondere von Gasen, welches insbesondere
zum Filtrieren von Luft, die in die Fahrgastzelle eines Fahrzeugs strömt, dient.
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Allgemeiner Stand der Technik
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Kombinationsfiltersysteme
zum Filtrieren von Luft, die in die Fahrgastzelle eines Fahrzeugs
strömt, sind
bekannt. Derartige Filtersysteme umfassen typischerweise ein Partikelfiltermedium
mit einem saugfähigen
Filtermedium.
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In
dem Schriftstück
WO 95/26802 ist beispielsweise
ein Kombinationsfiltersystem offenbart, welches ein gefaltetes Filtermedium
aus elektretartig geladenem Faser/Vliesstoff sowie ein Kissen mit
Aktivkohlepartikeln umfasst. Obgleich das Aktivkohlepartikelkissen
in Abhängigkeit
von der Dicke und dem Kohlenstoffgehalt des Kissen eine gute Gaswirksamkeit
und/oder Gaskapazität
zeigt, verursacht die Anwendung eines derartigen Aktivkohlepartikelkissens
einen starken Druckabfall. Ein starker Druckabfall ist bei Filtersystemen
für Fahrzeugkabinen
nicht wünschenswert.
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In
dem Schriftstück
EP 383236 ist eine adsorbierende
Partikelschicht offenbart, die gemeinsam mit einer elektretartig
geladenen Schicht aus Faservliesstoff gefaltet ist. Ein derartiger
Kombinationsfilter weist zwar einen annehmbaren Druckabfall auf,
jedoch ist seine Lebensdauer begrenzt, d. h. der Filter muss häufig ersetzt werden.
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Es
ist daher erstrebenswert, Kombinationsfilter weiter zu verbessern,
um insbesondere die Lebensdauer eines derartigen Filters zu verlängern, ohne
dass es dabei zu einer unannehmbaren Verstärkung des Druckabfalls an einem
solchen Filter kommt. Ferner sollte der Filter, wenn er für eine Verwendung
in Kraftfahrzeugen bestimmt ist, vorzugsweise derart ausgelegt sein,
dass er den Sicherheitsbestimmungen, die für die Automobilindustrie gelten,
genügt.
Auch sollte der Kombinationsfilter vorzugsweise eine gleichwertige
oder verbesserte Filterleistung aufweisen. Darüber hinaus sollte der Kombinationsfilter
vorzugsweise auf eine kostengünstige
und einfache Weise hergestellt werden können, und sein Einbau in ein
Kraftfahrzeug zum Zwecke des Filtrierens gasförmiger Fluide, die in die Fahrgastzelle
eines solchen Kraftfahrzeugs gelangen, sollte ohne Schwierigkeiten
und auf wirkungsvolle Weise zu bewerkstelligen sein.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Kombinationsfilter zum Filtrieren
von Fluiden bereit, welcher Folgendes umfasst: eine Anordnung aus
Strömungskanal-Filtrationsmedien
und ein Filtrationsmedium mit adsorbierenden Partikeln, wobei die
Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
eine erste Fläche
und eine zweite Fläche
aufweist und aus mindestens einer strukturierten Filmschicht sowie
einer zweiten Schicht gebildet ist, wobei mindestens eine Fläche des
strukturierten Films, zumindest in Teilen, Strömungskanäle bildet und in mindestens
einem Abschnitt der Fläche,
welche die Strömungskanäle bildet,
große
Aspektverhältnisstrukturen
aufweist und wobei eine zweite Filmschicht, welche die zweite Schicht
der Strömungskanalschicht
umfasst, oder eine weitere Schicht, zumindest in Teilen, Fluidleitungen
durch die Strömungskanäle der Anordnung
begrenzt, wobei die Filmschichten elektrostatisch geladen sind und mehrere Öffnungen
zum Einlass durch die erste Fläche
und mehrere Öffnungen
zum Auslass durch die zweite Fläche
der Anordnung begrenzen; und das Filtrationsmedium mit adsorbierenden
Partikeln eine gefaltete Schicht aus adsorbierenden Partikeln umfasst
und wobei ein Kohlefiltrationsmedium an eine Fläche der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
angrenzt.
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Die
Kombinationsfilter gemäß der Erfindung
zeigen einen Druckabfall, die vorteilhafterweise gering ist. Darüber hinaus
zeigen die Kombinationsfilter gemäß der Erfindung eine verhältnismäßig geringe
Zunahme des Druckabfalls, wenn die Beladung des Filters im Laufe
seiner Lebensdauer steigt, wobei folglich dessen Lebensdauer lang
und dessen Kapazität
hoch ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht eines ersten strukturierten Films, der für die Bildung
der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
von Nutzen ist.
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2 ist
eine Seitenansicht eines zweiten strukturierten Films, der für die Bildung
der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
von Nutzen ist.
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3 ist
eine Seitenansicht eines dritten strukturierten Films, der für die Bildung
der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
von Nutzen ist.
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4 ist
eine Seitenansicht eines vierten strukturierten Films, der für die Bildung
der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
von Nutzen ist.
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5 ist
eine perspektivische Ansicht einer Anordnung aus einem Film mit
angepasster Formgebung und einer flachen Deckfilmschicht.
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5A ist
eine perspektivische Ansicht einer Anordnung aus einem Film mit
angepasster Formgebung und einer flachen Deckfilmschicht mit einer
zusätzlichen
funktionellen Schicht.
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6 ist
eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer Anordnung
aus Strömungskanal-Filtrationsmedien,
die aus der Anordnung der 5 gebildet
ist.
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7 ist
eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer Anordnung
aus Strömungskanal-Filtrationsmedien.
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8 ist
eine perspektivische Ansicht einer Filmschicht mit angepasster Formgebung
mit einer Stabilisierungsschicht aus Strängen.
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9 ist
eine perspektivische Ansicht einer Filmschicht mit angepasster Formgebung,
die mit einer flachen Deckfilmschicht eine Strömungskanalanordnung bildet.
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10 ist
eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform des Strömungskanal-Filtrationsmediums.
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11 ist
eine perspektivische Ansicht eines vierten strukturierten Films,
der für
die Bildung der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
von Nutzen ist.
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12 ist
eine schematische Darstellung des Kombinationsfilters.
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13 ist
eine schematische und vergrößerte Darstellung
eines gefalteten Filtrationsmediums mit adsorbierenden Partikeln.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein kombiniertes System aus Filtrationsmedien
bereit, welches zum Filtrieren von Fluiden dient und eine Anordnung
aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
sowie ein Filtrationsmedium mit adsorbierenden Partikeln umfasst.
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Das
Filtrationsmedium mit adsorbierenden Partikeln des Kombinationsfilters
ist gefaltet und befindet sich vorzugsweise zwischen zwei Halt gebenden
Schichten aus grobem Textilstoff. Bei dem Material aus grobem Textilstoff
kann es sich um einen beliebigen groben Verstärkungsstoff handeln, und zwar
sowohl um ein Gewebe als auch um einen Vliesstoff. Hinsichtlich
der Kosten und des Durchlässigkeitsgrads
werden im Allgemeinen grobe Vliesstoffe bevorzugt. Weiterhin handelt
es sich bei dem groben Textilstoffmaterial vorzugsweise um ein Polymer.
Ein grober Textilstoff aus Vliesmaterial wird im Allgemeinen zur
Verbesserung der Zugfestigkeitseigenschaften behandelt, wie beispielsweise
durch Thermoprägen,
Kalandrieren, schallunterstützte Verbindungsverfahren
oder durch Bindefasern. Typischerweise wird es sich bei dem groben
Textilmaterial um einen Spinnvliesstoff aus Polypropylen handeln.
Die Schicht mit adsorbierenden Partikeln kann weiterhin durch ein
netzartiges Flechtwerk verstärkt
sein. Dementsprechend wird das Filtrationsmedium mit adsorbierenden
Partikeln in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Schicht mit
adsorbierenden Partikeln umfassen, die mit einem netzartigen Geflecht,
welches sich zwischen zwei Halt gebenden Schichten aus grobem Textilstoff
befindet, verstärkt
ist.
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Die
Schicht mit adsorbierenden Partikeln des Filtrationsmediums mit
adsorbierenden Partikeln wird im Allgemeinen eine Dicke aufweisen,
die zwischen 1 mm und 5 mm beträgt,
vorzugsweise zwischen 1,5 und 3 mm. Das Filtrationsmedium mit adsorbierenden
Partikeln des Kombinationsfilters wird im Allgemeinen nicht elektrostatisch
geladen sein. Die gefaltete Schicht mit adsorbierenden Partikeln
des Filtrationsmediums mit adsorbierenden Partikeln wird im Allgemeinen
eine Faltenhöhe
aufweisen, die zwischen 5 und 30 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 10
und 20 mm, und sie wird im Allgemeinen eine Faltendichte aufweisen,
die zwischen 0,5 und 4 Falten pro cm beträgt, vorzugsweise zwischen 0,75
und 2,5 Falten pro cm.
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Bei
den adsorbierenden Partikeln des Filtrationsmediums mit adsorbierenden
Partikeln kann es sich um beliebige bekannte aktiv adsorbierende
Partikel handeln, die dazu befähigt
sind, unerwünschte
Substanzen wie etwa unerwünschte
Gase oder Gerüche
aus einem Fluidstrom zu entfernen. Zu den adsorbierenden Partikeln,
die in dieser Erfindung verwendet werden können, gehören Aktivkohlepartikel, synthetische
Polymeradsorbentien, aktivierte Harze und Zeolithe. Im Allgemeinen
weisen die Partikel eine Größe auf,
die zwischen 0,01 und 2 mm beträgt,
vorzugsweise zwischen 0,05 und 1 mm. Die Partikel können durch
ein Bindemittel aneinander gebunden sein. Vorzugsweise handelt es
sich bei den adsorbierenden Partikeln, die in dieser Erfindung verwendet
werden, um Aktivkohlepartikel.
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Bei
dem Kombinationsfilter wird sich das Filtrationsmedium mit adsorbierenden
Partikeln im Allgemeinen stromabwärts des Strömungskanal-Filtrationsmediums befinden, d. h. das
zu filtrierende Fluid wird zuerst durch das Strömungskanal-Filtrationsmedium und danach durch das
Filtrationsmedium mit adsorbierenden Partikeln fließen.
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Die
Anordnung aus Strömungskanal- Filtrationsmedien
des Kombinationsfilters besteht vorzugsweise aus geladenen, geformten
Filmen, die derart in einer Waffelstruktur angeordnet sind, dass
Fluidströmungsleitungen
gebildet werden. Die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
umfasst ferner Filmschichten, wobei mindestens einige der Filmschichten
große
Aspektverhältnisstrukturen
wie etwa Rippen, Stiele, Fibrillen oder andere deutlich hervorstehende
Elemente, welche die Oberfläche
mindestens einer Fläche
des Filmschicht vergrößern, Aufweisen.
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Die
Filmschichten sind derart in einer Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
angeordnet, dass die äußeren Formen
der Filmschichten mehrere Einlassöffnungen zu Fluidleitungen,
die durch eine Fläche
der Anordnung hindurchführen,
begrenzen. Die Fluidleitungen können
durch eine einzige Filmschicht mit angepasster Formgebung, welche
eine Deckfilmschicht aufweist, begrenzt sein oder aber durch aneinander grenzende
Filmschichten mit angepasster Formgebung. Die Fluidleitungen weisen
weiterhin Auslassöffnungen
auf, welche es Fluiden ermöglichen,
in die Leitungen hinein und durch sie hindurch zu strömen, ohne
notwendigerweise durch eine Filterschicht mit Strömungswiderstand
zu fließen.
Die Fluidleitungen und Öffnungen der
Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
an sich werden durch einen oder mehrere Strömungskanäle begrenzt, die zumindest
in Teilen durch Filmschichten mit angepasster Formgebung gebildet
werden. Die Strömungskanäle entstehen
durch Erhebungen oder Grate in der Filmschicht mit angepasster Formgebung
und können
von beliebiger geeigneter Form sein, solange sie derart angeordnet
sind, dass in Verbindung mit einer angrenzenden Filmschicht Fluidleitungen
gebildet werden, die durch die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
führen.
Bei den Strömungskanälen kann
es sich beispielsweise um gesonderte, deutlich abgegrenzte Kanäle handelt,
die durch wiederholte Grate gebildet werden, oder um miteinander
verbundene Kanäle,
die durch Erhebungsstrukturen gebildet werden, handeln. Bei den
Strömungskanälen könnte es sich
ferner um isolierte Kanäle
(z. B. abgeschlossene Senken, die von Erhebungen der Graten umgeben
sind) handeln, welche gemeinsam mit einer weiteren Filmschicht mit
angepasster Formgebung eine Fluidleitung begrenzen (wobei z. B.
die Senken in den angrenzenden Filmschichten mit angepasster Formgebung
derart zurückgesetzt
sind, dass eine kontinuierliche gewundene Leitungsbahn durch die
Anordnung aus Filtrationsmedien entsteht).
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Vorzugsweise
werden mehrere der angrenzenden, entweder gesonderten oder miteinander
verbundenen Strömungskanäle der Anordnung
aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
(z. B. mehrere reihenförmig angeordnete
Strömungskanälen mit
einer gemeinsamen Filmschicht mit angepasster Formgebung) durch
eine Reihe von Erhebungen oder Graten begrenzt, die durch eine einzige
Filmschicht mit angepasster Formgebung gebildet werden. Diese angrenzenden
Strömungskanäle begrenzen
eine Strömungskanalschicht.
Die Erhebungen oder Grate in den Filmschichten mit angepasster Formgebung
können
durch eine ebene oder passend geformte Deckschicht stabilisiert
oder getrennt sein. Bei der Deckschicht handelt es sich um eine
Schicht, welche in die Erhebungen oder Grate, die sich auf einer
Fläche
der Filmschichten mit angepasster Formgebung befinden, eingreift
oder mit diesen in Kontakt ist. Die Erhebungen oder Grate auf der
gegenüberliegenden
Fläche
der Filmschicht mit angepasster Formgebung können ebenfalls mit einer Deckschicht
verbunden oder in Kontakt sein. Eine Deckschicht kann eine Filmschicht
mit angepasster Formgebung vollständig oder teilweise bedecken.
Wenn es sich bei der Deckschicht um eine ebene Filmschicht handelt,
begrenzen die Deckfilmschicht und die damit verbundene Filmschicht
mit angepasster Formgebung Fluidleitungen, welche zwischen den angrenzenden
Erhebungen oder Graten der Filmschicht mit angepasster Formgebung,
die in die Deckfilmschicht eingreift oder mit ihr in Kontakt ist,
verlaufen.
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Bei
der Deckschicht kann es sich weiterhin um eine funktionelle Schicht
wie etwa eine saugfähige Schicht,
eine Partikelfilterschicht oder eine Stabilisierungsschicht handeln,
wobei etwa an eine Reihe von Stabilisierungsfilamenten oder an einen
verstärkten
Vliesstoff zu denken wäre. 8 zeigt
eine Filmschicht mit angepasster Formgebung 40, welche
deutlich abgegrenzte stielartige Strukturen 46 aufweist,
die an den Erhebungen 44 der Filmschicht mit angepasster
Formgebung 40 mit Stabilisierungsfilamenten 42 in
Verbindung steht. Um als Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
dienen zu können,
müsste
die Ausführungsform
der 8 mit einer weiteren Filmschicht wie etwa einer
Deckfilmschicht oder einer weiteren Filmschicht mit angepasster
Formgebung verbunden werden. Wenn eine weitere Filmschicht mit angepasster
Formgebung mit der Filamentschicht 42 verbunden würde, würden die
Fluidleitungen aus den beiden Strömungskanalschichten der zwei
aneinandergrenzenden Filmschichten mit angepasster Formgebung gebildet
werden.
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Aneinandergrenzende
Strömungskanäle, z. B. 14 und 16 innerhalb
einer Strömungskanalschicht 20, welche
durch eine Filmschicht mit angepasster Formgebung 10 begrenzt
ist, können
vollkommen gleichartig sein, wie in 5 dargestellt
ist, oder sie können
verschiedenartig sein wie in der Darstellung in 9.
In 9 handelt es sich bei den aneinandergrenzenden
Strömungskanälen 24 und 26 der
Strömungskanalschicht 20 um
gesonderte Strömungskanäle, welche
die gleiche Höhe
aber unterschiedliche Breiten aufweisen. In 5 handelt
es sich bei den aneinandergrenzenden Strömungskanälen 14 und 16 der
Strömungskanalschicht 20 um
gesonderte Strömungskanäle, welche
die gleiche Höhe
und Breite aufweisen. Um die Herstellung zu erleichtern, sollte
vorzugsweise sämtliche
oder zumindest die Mehrheit der Erhebungen oder Grate, welche die
Strömungskanäle der Filmschicht
mit angepasster Formgebung bilden, im Wesentlichen die gleiche Höhe aufweisen.
Darüber
hinaus kann jede der aneinandergrenzenden Strömungskanalschichten 20 der Anordnung
aus Strömungskanal-Filtrationsmedien 30 dieselben
Strömungskanalmuster
(wie in 6 dargestellt ist) oder aber
unterschiedliche aufweisen. Die Strömungskanäle aneinandergrenzender Strömungskanalschichten
einer Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
können
aneinander ausgerichtet sein (wie z. B. in 6), oder
sie können
versetzt sein (z. B. im Winkel zueinander stehen wie in 7)
oder in einer Kombination daraus angeordnet sein. Die aneinandergrenzenden, übereinanderliegenden
Strömungskanalschichten
einer Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
werden im Allgemeinen aus einer einzigen Filmschicht mit angepasster
Formgebung gebildet, wobei die Strömungskanäle miteinander verbunden, gesondert
oder sogar gesondert und isoliert (d. h. sich nicht über die
gesamte Filmschicht mit angepasster Formgebung erstreckend) sein
können.
Was die Strömungskanäle, die
sich über
die gesamte Filmschicht mit angepasster Formgebung erstrecken, betrifft,
so können
diese Kanäle
sich geradlinig oder in Kurven erstrecken. Vorzugsweise sich die
Strömungskanäle der aneinandergrenzenden, übereinanderliegenden
Strömungskanalschichten
im Wesentlichen parallel und aneinander ausgerichtet (6),
wobei sie aber auch in auseinandergehenden oder zusammenlaufenden
Winkeln angeordnet sein könnten.
Wenn die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
aus zylindrisch angeordneten Strömungskanalschichten
gebildet ist, wie in 10 dargestellt ist, können diese
Strömungskanalschichten
aus einer einzigen Filmschicht mit angepasster Formgebung 60 gebildet sein,
welche korkenzieher- oder schraubenartig um eine Mittelachse 64 herum
angeordnet, wobei möglicherweise
auch eine Deckschicht 62 vorhanden ist. Die Filmschicht
mit angepasster Formgebung ist vorzugsweise mit einer Deckschicht 62 verbunden,
die während
des Herstellungsvorgangs für
Stabilität
sorgt, und sie befindet sich in Reibungskontakt mit weiteren Deckschichten 62a.
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Paare
von Filmschichten mit angepasster Formgebung können einander gegenüberliegen,
wobei die einander zugewandten Schichten mit ihren jeweiligen Erhebungen
ineinandergreifen, wie in 7 dargestellt ist,
oder sie können
durch eine oder mehrere Deckschichten getrennt sein, wie in den 5, 6 und 10 dargestellt
ist. Wenn die Filmschichten mit angepasster Formgebung 31 ohne
eine dazwischenliegende Filmschicht in Kontakt sind, wie in 7 dargestellt
ist, winden sich die Fluidleitungen zwischen den angrenzenden kreuzenden
Strömungskanälen wie
beispielsweise 34 und 35 der Filmschichten mit
angepasster Formgebung 31 hindurch.
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Die
Strömungskanäle sorgen
für kontrollierte
und geordnete Fluidströmungsleitungen,
die durch die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
hindurchführen.
Die Oberfläche,
welche zu Filtrationszwecken zur Verfügung steht, wird durch die
verfügbare
Oberfläche
der Strömungskanäle sowie
die Anzahl und die Länge
dieser Strömungskanäle innerhalb
der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
bestimmt. Anders ausgedrückt,
handelt es sich dabei um die Eigenschaftsmerkmale der einzelnen
Filtrationsmedienschichten wie etwa die Länge der Strömungskanäle, die Anordnung der Kanäle und die
offenliegende Oberfläche
der einzelnen Schichten.
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Eine
einzige Schicht von Strömungskanälen, die
durch eine Filmschicht mit angepasster Formgebung gebildet wird,
kann eine funktionelle Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfassen, wobei es jedoch bevorzugt wird, dass die funktionelle
Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
aus mehreren, übereinanderliegenden
Strömungskanalschichten
gebildet ist. Eine Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien,
die aus übereinander
gestapelten strukturierten Filmschichten mit angepasster Formgebung
gebildet ist, sorgt für
eine geordnete oder technisch gestaltete und mechanisch stabile
poröse
Struktur, ohne dass Schwankungen in der Porengröße und grobe Unregelmäßigkeiten auftreten
wie bei Filtervliesstoffen. Jedwede Schwankungen in der Porengröße oder
Unregelmäßigkeiten
werden auf Grundlage der Filtrationsanforderungen, für welche
der Kombinationsfilter letztlich ausgelegt ist, eingeplant und unter
Kontrolle gebracht. Daraus ergibt sich, dass die Fluidströmung eine
gleichmäßige Behandlung
erfährt,
wenn sie durch die Strömungskanäle der Anordnung
aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
fließt, wodurch
deren Filterwirkung verbessert wird. Im Allgemeinen verstärken die
Filmschichten mit angepasster Formgebung, welche die Strömungskanäle bilden,
das Strömungskanal-Filtrationsmedium
unter Bildung einer Form mit stabiler Struktur, aus welcher eine
Vielzahl selbstragender Anordnungen gebildet werden können.
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Die
Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
kann zu einer Vielzahl von Formen verarbeitet oder über Gegenstände gelegt
werden, ohne dass die Strömungskanäle dabei
eingedrückt
und verschlossen würden.
Die Filme mit angepasster Form werden elektrostatisch aufgeladen,
während
ihnen in Verbindung mit beliebigen daran befestigten Deckschichten
oder sonstigen Schichten diese Form verliehen wird. Diese als Schichtstoffe
ausgebildeten geladenen Filme mit angepasster Formgebung sind dadurch
gekennzeichnet, dass ihre Oberflächenspannung
mindestens +1 bis 1,5 kV, vorzugsweise mindestens +/–10 kV beträgt, wobei die
Messung näherungsweise
einen Zentimeter von der Filmoberfläche entfernt mittels eines
elektrostatischen Oberflächenvoltmeters
(ESVM) erfolgt, wie etwa mit dem Modell 341 Auto Bi-Polar ESVM,
erhältlich
bei Trek Inc., Medina, NY. Die elektrostatische Charge kann ein
Elektret umfassen, wobei es sich um ein Stück aus einem dielektrischen
Werkstoff handelt, das eine elektrische Ladung aufweist, die über einen
längeren
Zeitraum hinweg erhalten bleibt. Zu den aufladbaren Elektret-Werkstoffen gehören unpolare
Polymere wie etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) und Polypropylen.
Im Allgemeinen ist die Gesamtladung auf einem Elektret gleich null oder
nahe null, und dessen Felder werden nicht durch eine Gesamtladung,
sondern durch Ladungstrennung hervorgerufen. Durch geeignete Wahl
der Werkstoffe und Behandlungen kann ein Elektret derart ausgebildet werden,
dass es ein externes elektrostatisches Gebiet erzeugt. Ein derartiger
Elektret hat als elektrostatisch Analogon eines Permanentmagneten
angesehen werden.
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Mehrere
Verfahren werden gemeinhin angewendet, um dielektrische Werkstoffe
aufzuladen, wobei ein beliebiges dieser Verfahren zum Einsatz kommen
kann, um eine Filmschicht mit angepasster Formgebung oder weitere
Schichten, die in der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
verwendet werden, aufzuladen, einschließlich der Korona-Entladung,
des Erhitzen und Abkühlens
des Werkstoffs in Gegenwart eines geladenen Feldes, der Kontakt-Elektrifikation,
des Besprühens
des Gewebes mit geladenen Partikeln und des Befeuchtens oder Bespritzens
mit Wasserstrahlen oder Wassertröpfchenströmen. Darüber hinaus
kann die Ladungskapazität
der Oberfläche
durch Verwendung von Mischwerkstoffen oder ladungsverstärkenden
Zusätzen
verbessert werden. Beispiele für
Ladungsverfahren sind in den folgenden Patenten offenbart:
US-Patentschrift Nr. RE 30,782 ,
erteilt an van Turnhout et al.,
US-Patentschrift
Nr. RE 31,285 , erteilt an van Turnhout et al.,
US-Patentschrift Nr. 5,496,507 ,
erteilt an Angadjivand et al.,
US-Patentschrift
Nr. 5,472,481 , erteilt an Jones et al.,
US-Patentschrift Nr. 4,215,682 , erteilt
an Kubik et al.,
US-Patentschrift
Nr. 5,057,710 , erteilt an Nishiura et al. und
US-Patentschrift
Nr. 4,592,815 , erteilt an Nakao.
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Darüber hinaus
können
eine oder mehrere Schichten auch aktiv geladen werden, wie etwa
durch Verwendung eines Films mit einer metallisierten Oberfläche oder
Schicht auf einer Seite, an welche eine hohe Spannung angelegt ist.
Dies könnte
in der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt werden, dass eine
solche metallisierte derart angeordnet wird, dass sie an eine Schicht
mit angepasster Formgebung angrenzt, oder durch Aufbringen einer
Metallbeschichtung auf eine Schicht. Schichten des Strömungskanal-Filtrationsmediums,
welche solche metallisierten Schichten umfassen, könnten anschließend derart
montiert werden, dass sie in Kontakt mit einer elektrischen Spannungsquelle
sind, was dazu führt,
dass ein elektrischer Strom durch die metallisierten Medienschichten
fließt.
Beispiele für
aktive Ladevorgänge
sind in der
US-Patentschrift
Nr. 5,405,434 , erteilt an Inculet, offenbart.
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Eine
weitere verfügbare
Art der Behandlung besteht darin, fluorchemische Zusatzstoffe in
Form von Werkstoffzusätzen
oder Werkstoffbeschichtungen zu verwenden, welche sowohl die Fähigkeit
einer Filterschicht, Öl
und Wasser abzuweisen, als auch die Fähigkeit, ölhaltige Aerosole zu filtrieren,
verbessern können. Beispiele
für derartige
Zusatzstoffe finden sich in der
US-Patentschrift
Nr. 5,472,481 , erteilt an Jones et al., der
US-Patentschrift Nr. 5,099,026 , erteilt
an Crater et al. und der
US-Patentschrift
Nr. 5,025,052 , erteilt an Crater et al.
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Zu
den Polymeren, die zur Bildung einer strukturierten Filmschicht
zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung von Nutzen sind, gehören Polyolefine
wie etwa Polyethylen und Polyethylen-Copolymere, Polypropylen und Polypropylen-Copolymere,
Polyvinylidendifluorid (PVDF) und Polytetrafluorethylen (PTFE), wobei
sich die Auswahl jedoch nicht auf die genannten Polymere beschränkt. Zu
den weiteren Polymerwerkstoffen gehören Acetate, Celluloseether,
Polyvinylalkohole, Polysaccharide, Polyester, Polyamide, Polyvinylchlorid,
Polyurethane, Polyharnstoffe, Polycarbonate und Polystyrol. Strukturierte
Filmschichten können
aus härtbaren
Harzwerkstoffen wie etwa Acrylaten oder Epoxyverbindungen gegossen
werden, wobei die Härtung radikalisch
mit chemischer Förderung
oder durch Einwirkung von Wärme,
UV-Strahlung oder Elektronenstrahlung erfolgen kann. Vorzugsweise
werden die strukturierten Filmschichten aus Polymerwerkstoffen gebildet, die
geladen werden können,
nämlich
aus dielektrischen Polymeren und Mischungen wie etwa Polyolefinen oder
Polystyrolen.
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Die
Polymerwerkstoffe einschließlich
der Polymermischungen können
durch Beimischung von Weichmachern oder antimikrobiellen Mitteln
in der Schmelze modifiziert werden. Die Oberfläche einer Filterschicht kann
durch Gasphasenabscheidung oder kovalente Pfropfung funktioneller
Gruppen unter Einsatz ionisierender Strahlung modifiziert werden.
Verfahren und Techniken zur Pfropfpolymerisation von Monomeren auf
Polypropylen, beispielsweise mittels ionisierender Strahlung, sind
in den
US-Patentschriften 4,950,549 und
5,078,925 offenbart. Die
Polymere können
ferner Zusatzstoffe enthalten, welcher der strukturierten Polymerschicht
verschiedenartige Eigenschaften verleihen.
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Die
Filmschichten mit angepasster Formgebung und die Deckfilmschichten
können
auf einer oder auf beiden Flächen
definierte strukturierte Oberflächen
aufweisen. Bei den großen
Aspektverhältnisstrukturen,
die auf den Filmschichten mit angepasster Formgebung und/oder den
Deckfilmschichten der bevorzugten Ausführungsformen zur Anwendung
kommen, handelt es sich um Strukturen, bei denen das Verhältnis der
Höhe zum geringsten
Durchmesser oder zur Breite größer als
0,1, vorzugsweise größer als
0,5 ist und theoretisch unendlich groß sein kann, wobei die Struktur
eine Höhe
von mindestens ungefähr
20 Mikrometern und vorzugsweise mindestens 50 Mikrometern aufweist.
Wenn die Höhe
der großen
Aspektverhältnisstruktur
mehr als 2.000 Mikrometer beträgt,
so kann dies die Handhabung des Films erschweren, weshalb die Höhe der Strukturen
vorzugsweise weniger als 1.000 Mikrometer beträgt. Die Höhe der Strukturen macht in
jedem Falle mindestens ungefähr
50 Prozent oder weniger der Höhe
der Strömungskanäle aus,
vorzugsweise 20 Prozent oder weniger. Wie in den 1 bis 4 und 11 dargestellt
ist, können
die Strukturen auf den Filmschichten 1 die Form von aufrechten
Stielen oder Vorsprüngen,
z. B. Pyramiden, Würfelecken,
J-Haken, Pilzköpfen
oder Ähnlichem;
kontinuierlichen oder unterbrochenen Grate; z. B. rechtwinkligen 3 oder
V-förmigen 2 Graten
mit dazwischenliegenden Kanäle 5;
oder Kombinationen daraus aufweisen. Pilzkopfvorsprünge 46 sind 11 dargestellt,
und zwar auf einer Filmträgerschicht 40.
Diese Vorsprünge
können
regelmäßig, zufällig, unterbrochen oder
mit weiteren Strukturen wie etwa Graten kombiniert sein. Die gratartigen
Strukturen können
regelmäßig oder
zufällig
unterbrochen sein, sich parallel zueinander erstrecken oder in sich überschneidenden
oder sich nicht überschneidenden
Winkeln angeordnet sein sowie mit weiteren Strukturen, die zwischen
den Graten angeordnet sind, kombiniert sein, wie etwa mit verschachtelten
Graten 4 oder Vorsprüngen.
Im Allgemeinen können
sich die großen
Aspektverhältnisstrukturen über die
Gesamtheit oder lediglich einen Teilbereich eines Films 1 erstrecken.
Wenn sie sich in einem Filmbereich befinden, sorgen die Strukturen
dort für
eine Oberfläche,
welche diejenige eines entsprechenden ebenen Films um mindestens
50 Prozent übertrifft,
vorzugsweise um mindestens 100 Prozent, im Allgemeinen um bis zu
1.000 Prozent oder mehr. In einer bevorzugten Ausführungsform
handelt es sich bei den großen
Aspektverhältnisstrukturen
um kontinuierliche oder unterbrochenen Grate, die sich über einen
wesentlichen Abschnitt der Filmschicht mit angepasster Formgebung
erstrecken, wobei sie gegenüber
der äußeren Form
der Filmschicht mit angepasster Formgebung in einem vorzugsweise
oktogonalen Winkel (90 Grad) angeordnet sind, wie in den 5 und 6 dargestellt
ist. Dies verstärkt die
mechanische Stabilität
der Filmschicht mit angepasster Formgebung in der Strömungskanalanordnung (5)
und der Filtrationsmedienanordnung (6). Die
Grate können
im Allgemeinen in einem Winkel von ungefähr 5 bis 175 Grad, vorzugsweise
von 45 bis 135, gegenüber
den äußeren Formen
angeordnet sein, wobei es im Allgemeinen ausreicht, wenn sich die
Grate über
einen in nennenswertem Ausmaße
gekrümmten Bereich
des Films mit angepasster Formgebung erstrecken.
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Die
strukturierten Oberflächen
können
mittels eines beliebigen bekannten Verfahrens zur Bildung eines
strukturierten Film hergestellt werden, wie etwa den Verfahren,
die in den
US-Patentschriften
Nr. 5,069,404 und
5,133,516 ,
beide erteilt an Marantic et al.;
5,691,846 ,
erteilt an Benson et al.;
5,514,120 ,
erteilt an Johnston et al.;
5,158,030 erteilt
an Noreen et al.;
5,175,030 ,
erteilt an Lu et al.;
4,668,558 ,
erteilt an Barber,
4,775,310 ,
erteilt an Fisher;
3,594,863 ,
erteilt an Erb oder
5,077,870 ,
erteilt an Melbye et al. offenbart sind.
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Die
Filmschichten mit angepasster Formgebung werden vorzugsweise mit
einer großen Aspektverhältnisstruktur
bereitgestellt, die sich über
mindestens 50 Prozent mindestens einer Fläche erstreckt, vorzugsweise über mindestens
90 Prozent. Deckfilmschichten oder weitere funktionelle Filmschichten
können
ebenfalls aus diesen Filmen mit großer Aspektverhältnisstruktur
gebildet sein. Im Allgemeinen sollten die Strömungskanäle insgesamt strukturierte
Oberflächen
aufweisen, die 10 bis 100 Prozent ihrer Oberfläche ausmachen, vorzugsweise
40 bis 100 Prozent.
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Für Anordnung
aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
der vorliegenden Erfindung werden zunächst die gewünschten
Werkstoffe benötigt,
aus denen die Schichten gebildet werden sollen. Geeignete Bögen aus diesen
Werkstoffen haben entweder bereits die erforderliche Dicke oder
diese Dickewerte werden durch Formung hergestellt, wobei auch die
angestrebten Oberflächen
mit großen
Aspektverhältnis
entstehen, woraufhin mindestens eine dieser Filmschichten einer
angepassten Formgebung unterzogen wird und dieser Film mit angepasster
Form stabilisiert wird, indem er beispielsweise an eine zusätzliche
Deckschicht oder eine Schicht mit angepasster Form angefügt wird,
wobei die Strömungskanäle gebildet
werden. Die Strömungskanalschichten,
welche die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
bilden, z. B. Filmschichten mit angepasster Formgebung und Deckschichten
können
miteinander verbunden oder auch mechanisch oder auf andere Weise
zusammengehalten werden, sodass eine stabile Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
entsteht. Der Film mit angepasster Formgebung und die Deckschichten
können
gemäß den Offenbarungen
in den
US-Patentschriften Nr.
5,256,231 (Extrusionsverbindung einer Filmschicht mit einer
geriffelten Schicht) oder Nr.
5,256,231 (durch
Klebe- oder Ultraschallverbindung von Erhebungen mit einer Grundschicht)
oder durch Schmelzkleben der äußeren Kanten,
welche die Einlass- und/oder Auslassöffnungen bilden, miteinander
verbunden werden. Wie in
5 dargestellt ist, wird strukturierter
Film mit angepasster Formgebung
10 an eine ebene strukturierte
Filmschicht
11 gefügt,
und zwar dort, wo sich die Erhebungen
12 auf einer Fläche
13 der Filmschicht
mit angepasster Formgebung
10 befinden. Eine oder mehrere
dieser Strömungskanalschichten
20 werden
anschließend übereinander
gestapelt oder anderweitig schichtartig angeordnet und gemäß eines
zuvor festgelegten Musters oder Verhältnisses ausgerichtet, wobei
möglicherweise
zusätzliche
Schichten
15 (
5A) zum Einsatz kommen, um ein
geeignetes Volumen an Strömungskanalschichten
20 innerhalb
einer Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
30 aufzubauen,
wie in
6 dargestellt ist. Das sich daraus ergebende Volumen
an Strömungskanalschichten
20 wird
daraufhin in eine fertige Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
mit der gewünschten
Dicke und Form umgewandelt, und zwar durch Zerschneiden oder andere
Vorgänge.
Jedwede gewünschte
Behandlung gemäß der obigen
Beschreibung kann zu jedem beliebigen Zeitpunkt im Laufe des Herstellungsprozesses
zur Anwendung kommen.
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Der
Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien 30 wird
ihre endgültige
Form vorzugsweise durch Zerschneiden der Anordnung mit einem heißen Draht
verliehen. Der heiße
Draht verschmilzt die jeweiligen Schichten beim Zuschneiden der
endgültigen
Filterform miteinander. Dieses Verschmelzen der Schichten erfolgt
an der/den zuäußerst gelegenen
Fläche(n)
des Filterendprodukts. Auf diese Weise in das Verbinden der aneinandergrenzenden
Schichten der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien 30 vor
dem Heißdrahtschneiden
zumindest teilweise entbehrlich. Die Geschwindigkeit der Heißdrahtschneidevorrichtung
kann derart eingestellt werden, dass die jeweiligen Schichten mehr
oder weniger erweichen oder verschmelzen. Beispielsweise kann die Heißdrahtgeschwindigkeit
dahingehend variiert werden, dass Schmelzbereiche weiter oben oder
weiter unten entstehen. Die Heißdrähte könnten geradlinig
oder gekrümmt
sein, um Filter mit einer potentiell unbegrenzten Vielfalt an Formen
zu schaffen, einschließlich
rechteckiger, gebogener oder ovaler Formen, zum Beispiel. Ferner
könnten
Heißdrähte eingesetzt
werden, um die jeweiligen Schichten der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
zu verschmelzen, ohne dass die Filter zerschnitten und getrennt werden.
Beispielsweise könnte
ein heißer
Draht unter Verschmelzung der Schichten durch eine Anordnung aus
Strömungskanal-Filtrationsmedien
schneiden, wobei die Teile auf beiden Seiten des heißen Drahtes
zusammengehalten werden. Beim Abkühlen verschmelzen die Teile
wieder, wodurch eine stabile Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
entsteht.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung kommen biegsame Polymerfilm mit einer Dicke 9 von
weniger als 200 Mikrometer, vorzugsweise weniger als 100 Mikrometer,
zum Einsatz, wobei die Dicke auch nur ungefähr 5 Mikrometer betragen kann.
Dickere Filme sind möglich,
führen
aber im Allgemeinen zu einer Verstärkung des Druckabfalls, ohne
dass sie eine vorteilhafte Auswirkung auf die Filtrationsleistung
oder die mechanische Stabilität
hätten.
Die Dickewerte der anderen Schichten betragen gleichermaßen vorzugsweise weniger
als 200 Mikrometer, mit dem größten Vorzug
weniger als 100 Mikrometer. Die Dickewerte der Schichten, welche
die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
bilden, sind im Allgemeinen derart, dass an den Einlass- und Auslassöffnungen
insgesamt weniger als 50 Prozent der Querschnittsfläche der
Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
aus den Schichtwerkstoffen gebildet ist, vorzugsweise weniger als
10 Prozent. Die verbleibenden Abschnitte der Querschnittsfläche machen
die Einlassöffnungen
oder Auslassöffnungen
aus. Die Erhebungen oder Grate des Films mit angepasster Formgebung
weisen im Allgemeinen eine Mindesthöhe von ungefähr 1 mm,
vorzugsweise von mindestens 1,2 mm und mit dem größten Vorzug
von mindestens 1,5 mm auf. Wenn die Erhebungen oder Grate größer als
ungefähr
10 mm sind, werden die Strukturen instabil und der Wirkungsgrad
ist recht niedrig, außer
bei sehr lange Anordnungen aus Strömungskanal-Filtrationsmedien,
z. B. mit Längen
von 100 cm oder mehr, weshalb die Erhebungen oder Grate vorzugsweise
6 mm oder weniger messen. Die Strömungskanäle weisen im Allgemeinen über ihre
gesamte Länge
hinweg eine durchschnittliche Querschnittsfläche von mindestens 1 mm2, vorzugsweise von mindestens 2 mm2 auf, wobei die Mindestquerschnittsfläche vorzugsweise
mindestens 0,2 mm2, vorzugsweise mindestens
0,5 mm2 beträgt. Der Höchstwert der Querschnittsfläche wird
durch den erforderliche relative Filterwirkungsgrad festgelegt und beträgt im Allgemeinen
ungefähr
1 cm2 oder weniger, vorzugsweise ungefähr 0,5 cm2 oder weniger.
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Die
Form der Strömungskanäle wird
durch die äußere Form
der Filmschicht mit angepasster Formgebung sowie die Deckschicht
oder die angrenzend befestigte Filmschicht mit angepasster Formgebung
bestimmt. Im Allgemeinen kann der Strömungskanal jede beliebige geeignete
Form aufweisen, wie etwa glockenförmig, dreieckig, rechteckig,
oder er kann von unregelmäßiger Form
sein. Die Strömungskanäle einer
einzelnen Strömungskanalschicht
verlaufen vorzugsweise im Wesentlichen parallel und kontinuierlich über die
Filmschicht mit angepasster Formgebung. Auf angrenzenden Strömungskanalschichten
können
die Strömungskanäle dieser
Art indes derart zueinander angeordnet sein, dass die Winkel bilden.
Weiterhin können
diese Strömungskanäle spezifischer
Strömungskanalschichten
sich derart erstrecken, dass sie relativ zu der Einlassöffnungsseite
oder der Auslassöffnungsseite
der Anordnung aus Strömungskanal- Filtrationsmedien
Winkel bilden.
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Gemessen
von ihrer ersten Fläche
bis zu ihrer zweiten Fläche
ist die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
vorzugsweise 8 bis 35 mm dick. Es hat sich gezeigt, dass bei einer
Dicke von weniger als 8 mm geltende Sicherheitsbestimmungen für Kraftfahrzeuge
möglicherweise
nicht eingehalten werden. Wenn die Größe 35 mm überschreitet, könnte der
Kombinationsfilter zu sperrig werden, um ohne Schwierigkeiten in
das dafür
vorgesehene Gehäuse
im Kraftfahrzeug zu passen.
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Der
Kombinationsfilter kann auf jede beliebige Art und Weise aus der
Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
und aus dem Filtrationsmedium mit adsorbierenden Partikeln gebildet
werden. Zum Beispiel kann das Filtrationsmedium mit adsorbierenden
Partikeln mit dem Strömungskanal-Filtrationsmedium verklebt
werden, indem die Faltenspitzen des gefalteten Filtrationsmediums
mit adsorbierenden Partikeln an die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
geklebt werden. Vorzugsweise werden indes die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
und das Filtrationsmedium mit adsorbierenden Partikeln durch ein
Paar Streifen zusammengehalten, die über die gegenüberliegenden
Enden des Kombinationsfilters verlaufen. Solche Streifen können an
den Enden der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
sowie des Filtrationsmediums mit adsorbierenden Partikeln festgeklebt
werden, sodass beide für
einen Zusammenhalt innerhalb des Kombinationsfilters sorgen. Derartige
Streifen können
aus einem beliebigen Werkstoff wie beispielsweise Kunststoff hergestellt
sein, und sie können
sowohl steif als auch biegsam oder komprimierbar sein. Gemäß einer
besonderen Ausführungsform
können
die Streifen biegsam und komprimierbar, wie beispielsweise ein Streifen
aus Schaumstoff oder Vliesstoff. Die Verwendung eines solchen Streifens
wird sich dahingehend vorteilhaft auswirken, dass er auch als Abdichtung
gegen das Gehäuse,
in welches der Kombinationsfilter eingepasst wird, dienen kann.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
werden das Strömungskanal-Filtrationsmedium
und das Filtrationsmedium mit adsorbierenden Partikeln derart zusammengehalten,
dass ein Rahmen den Außenbereich
des Kombinationsfilters umgibt. Ein derartiger Rahmen wird vorzugsweise
an den Enden des Strömungskanal-Filtrationsmediums
und des Filtrationsmediums mit adsorbierenden Partikeln festgeklebt.
Der Rahmen kann steif sein, und er kann aus Kunststoff oder einem
beliebigen anderen geeigneten Werkstoff hergestellt sein. Vorzugsweise
besteht der Rahmen aus einem biegsamen und komprimierbaren Werkstoff,
der sowohl als Rahmen als auch als Abdichtung dienen kann. Zu derartigen
Werkstoffen gehören
beispielsweise Schaumstoffe und Vliesstoffe. Dank der Steifigkeit
und Stabilität
der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
braucht der Rahmen nicht steif sein, und sogar ein recht biegsamer
Werkstoff wie etwa ein Schaumstoff kann als Rahmen Verwendung finden.
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In 12 ist
eine Ausführungsform
eines Kombinationsfilters dargestellt. Wie anhand dieser Figur ersichtlich
ist, umfasst der Kombinationsfilter 200 Rahmenabschnitte 201,
die aus Schaumstoff hergestellt und an den Enden der Anordnung aus
Strömungskanal-Filtrationsmedien 202 und
des Filtrationsmediums mit adsorbierenden Partikeln 203 festgeklebt
sind. Wie anhand von 13 ersichtlich ist, ist das
Filtrationsmedium mit adsorbierenden Partikeln 203 von
gefalteter Struktur und umfasst adsorbierende Partikel 210,
denen ein netzartiges Geflecht 211 als Träger dient.
Die Schicht mit adsorbierenden Partikeln wird zwischen zwei Schichten
aus grobem Textilstoff 212 gehalten. Unter erneuter Bezugnahme
auf 12 und insbesondere die Vergrößerung A, die in dieser Figur
dargestellt ist, wird deutlich, dass die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
aus einem Stapel von Filmschichten mit angepasster Formgebung 204,
welche elektrostatisch geladen und auf mindestens einer ihrer Seiten
strukturiert sind, hergestellt ist. Die Filmschichten mit angepasster Formgebung 204 begrenzen
Strömungskanäle, die
sich von einer Fläche 205 bis
zur gegenüberliegenden
Fläche 206 erstrecken.
Unter Einsatzbedingungen wird die Fläche 205 die Einlassöffnung begrenzen,
während die
Fläche 206 die
Auslassöffnung
begrenzt, an welcher das Kohlenstofffiltrationsmedium 203 bereitgestellt wird.
Dementsprechend wird das ungefilterte Fluid an der Fläche 206 eintreten
und zunächst
durch die Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
und dann durch das Kohlenstofffiltrationsmedium 203 strömen.
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Der
Kombinationsfilter der vorliegenden Erfindung ist besonders dazu
geeignet, in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Kraftfahrzeug,
verwendet zu werden, um die Luft, die in die Fahrgastzelle eines
solchen Fahrzeugs gelangt, zu filtrieren.
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Die
folgenden Beispiele dienen dazu, die Erfindung weiter zu erläutern, wobei
jedoch nicht beabsichtigt ist, die Erfindung dahingehend einzuschränken.
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Beispiele
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Die
Erfindung erfährt
durch die folgenden Beispiele und Prüfungsergebnisse eine weitergehende
Beschreibung.
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Beispiel 1
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Die
Anordnung aus Strömungskanal- Filtrationsmedien
eines Kombinationsfilters wurde unter Anwendung des folgenden Verfahrens
hergestellt: Aus Polypropylenharz wurde unter Anwendung standardmäßiger Extrusionstechniken
ein strukturierter Film gebildet, wobei das Harz auf eine Gießwalze mit
feingerillter Oberfläche
extrudiert wurde. Der erhaltene Gussfilm hatte eine erste, glatte
Hauptoberfläche
und eine zweite, strukturierte Hauptoberfläche, wobei letztere die in
Längsrichtung
angeordneten, kontinuierlichen Merkmale aufwies, die von der Gießwalze stammten.
Diese Merkmale auf dem Film bestanden aus Primärstrukturen mit gleichmäßigem Abstand
sowie dazwischen befindlichen Sekundärstrukturen. Die Primärstrukturen
wiesen Abstände
von 150 Mikrometer sowie einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt
auf, der ungefähr
75 Mikrometer hoch und am Ansatz ungefähr 80 Mikrometer breit war
(ein Höhe/Breite-Verhältnis von
ungefähr
1), wobei die Seitenwandneigung ungefähr 5° betrug. Drei Sekundärstrukturen
mit im Wesentlichen rechteckigen Querschnitten waren in gleichmäßen Abständen von
26 Mikrometer zwischen den Primärstrukturen
angeordnet, wobei die Höhe
der ersteren 25 Mikrometer und deren Breite 26 Mikrometer betrug
(Höhe/Breite-Verhältnis von
ungefähr
1). Die Grundfilmschicht, von welcher sich diese Merkmale erstreckten,
war 50 Mikrometer dick.
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Eine
erste Schicht des strukturierten Films in eine geriffelte äußere Form
gebracht und mit ihren abgerundeten Erhebungen derart an einem zweiten
strukturierten Film befestigt, dass ein Verbundschichtstoff mit Strömungskanälen entstand.
Bei diesem Verfahren wird im Allgemeinen der erste strukturierter
Film zu einem Bogen geformt, dessen äußere Gestalt derart beschaffen
ist, dass er abgerundete Abschnitte aufweist, die ausgehend von
Verankerungsabschnitten, welche im Allgemeinen in einem gewissen
Abstand zueinander parallel verlaufen, in die gleiche Richtung hervorstehen,
woraufhin die Verankerungsabschnitten des Films mit angepasster Formgebung,
welche im Allgemeinen in einem gewissen Abstand zueinander parallel
verlaufen, mit einem zweiten strukturierten Filmträgerschicht
verbunden werden, wobei die abgerundeten Abschnitte des Film mit
angepasster Formgebung ausgehend von der Trägerschicht hervorstehen. Dieses
Verfahren wird durchgeführt,
indem ein erstes und eine zweites Bauglied, wobei es sich auch um
Walzen handeln kann, bereitgestellt werden, wobei jedes dieser Bauglieder
oder jede dieser Walzen eine Achse sowie mehrere, entlang des Umfangs
in gewissem Abstand abgeordnete, sich im Allgemeinen axial erstreckende
Grate aufweist, die seinen Außenbereich
begrenzen, wobei die Grate außenliegende
Oberflächen
aufweisen und Hohlräume
begrenzen, die zwischen den Graten liegen und dafür geeignet
sind, Abschnitte der Grate des anderen geriffelten Bauglieds derart
aufzunehmen, dass es zu einer Quetschwirkung kommt. Der erste strukturierte
Film wird den Quetschgraten zugeführt, wobei die geriffelten
Bauglieder sich gegenläufig
drehen.
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Der
Strukturfilm wurde durch die Quetschzähne der geriffelten Bauglieder
geführt,
wobei die Riffelvorrichtung auf die oben genannte Weise angeordnet
war und die Walzengeschwindigkeit 5,3 U/min. betrug, bis er von
den Zähnen
des oberen Riffelbauglieds komprimiert und dazwischen festgehalten
wurde. Sobald der erste Film in den Zähnen des oberen Riffelbauglieds
festsaß,
wurde der zweite strukturierte Film über den Außenbereich der Walze gelegt
und mittels Ultraschall mit der Schicht, die von den Zähnen des
oberen Riffelbauglieds festgehalten wurde, verschweißt. Der
Schweißvorgang
zwischen dem ersten und dem zweiten Film erfolgte an der obengelegenen
Oberfläche
des Zahns des Riffelbauglied, wobei die Zahnoberfläche als
Amboss diente gegen welchen ein Ultraschallerzeuger zum Einsatz
gebracht wurde. Die auf diese Weise gebildeten geriffelten Strömungskanäle waren
1,8 mm hoch und am Ansatz 2,5 mm breit.
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Die
Strömungskanalschichtanordnung
wurde elektretartig geladen, indem sie in einer Ladevorrichtung mit
Netzbetrieb einem Hochspannungsfeld ausgesetzt wurde, und zwar mittels
des Verfahrens, dass in allgemeiner Weise in der
US-Patentschrift 3,998,916 (van Turnhout)
beschrieben ist. Aus den geladenen Strömungskanal schichtanordnungen
wurde eine Filtrationsmedienanordnung gebildet, indem die Schichten
derart übereinander
gestapelt wurden, dass die Kanäle
in sämtlichen
Strömungskanalschichten
parallel zueinander ausgerichtet blieben, woraufhin die Strömungskanalwände einen
90°-Grad-Winkel
mit der Ebene bildeten, die von der Einlassöffnungsphase der Filtermedienanordnung
aufgespannt wird (90°-Einfallswinkel).
Eins stapelförmige
Filtrationsmedienanordnung wurde in eine stabil angeordnete Filtrationsmedienkonstruktion
umgewandelt, indem der Stapel derart mit einem Heißdraht zerschnitten
wurde, dass Filter mit einer Tiefe von 10 mm entstanden. Das Ausmaß des Schmelzvorgangs,
der durch den Heißdraht
hervorgerufen wurde, sowie das Ausmaß des Verschmierens des geschmolzenen
Harzes wurden sorgfältig
kontrolliert, sodass die Einlass- oder
Auslassöffnungen
der Filtrationsmedienanordnung nicht verstopft wurden. Über die
Herstellung der gewünschten
Filtertiefe hinaus stabilisiert der Heißdraht-Schneidevorgang auch
die gebrauchsfertige Anordnung dahingehend, dass durch das Verschmelzen
der vorder- und hinterseitigen Phasen der schichtartigen Strömungskanalanordnungen
eine stabilisierte Filtrationsmedienanordnung mit robuster, zusammenbruchfester Struktur
gebildet wurde. Für
das Kombinationsfiltersystem ist eine Anordnung mit den Außenmaßen von
255 × 190
hergestellt worden.
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Die
zweite Komponente des Kombinationsfilter, das Filtrationsmedium
mit adsorbierenden Partikeln, wurde folgendermaßen hergestellt: Es kam eine
Schicht mit adsorbierenden Partikeln zum Einsatz, in welcher Aktivkohlepartikel
auf einer netzartigen Flechtstruktur befestigt wurden. Dieses netzartige
Geflecht wurde aus Strängen
hergestellt, die aus einem Polypropylen oder einem ähnlichen
Werkstoff bestanden, in welchen schwarze Pigmente eingearbeitet
wurden, sodass das netzartige Geflecht die gleiche Farbe hatte wie
die Aktivkohlepartikel. Das netzartige Geflecht wies einen spezifischen
dreidimensionalen Aufbau auf, wobei eine Grundstruktur aus Strängen erstellt
wurden die einen Durchmesser von 0,2 mm aufwiesen und rechtwinklig zueinander
angeordnet wurden, wobei der Abstand zwischen den Strängen ungefähr 7 mm
betrug, sodass ein Netzwerk aus Quadraten entstand. Auf dieser Primärschicht
wurde eine Sekundärschicht
befestigt, und zwar auf einer Seite der Primärstruktur, wobei die Sekundärstränge von
gleichem Durchmesser derart angeordnet wurden, dass sie sich innerhalb
jedes der Quadrat der Ausgangsstruktur befanden, wobei ihr Abstand
ungefähr
1 mm betrug und eine Gesamtstruktur mit einer Dicke von 0,4 mm erhalten
wurde. Dies wurde in mehreren weiteren Schritten fortgesetzt, vorzugsweise
3 bis 4, wobei in jedem Schritt ein engeres Quadrat oberhalb des Ausgangsquadrats
hergestellt wurde. In sämtlichen
Schritte wurden die zusätzlichen
Schichten auf den vorhergehenden Schichten angeordnet, und zwar
auf der gleichen Seite der Grundstruktur. Auf diese Weise wurde
eine dreidimensionale Struktur erstellt. In einer bevorzugten Ausführungsform
war die Anzahl der Stränge in
einer Richtung höher,
verglichen mit der anderen, rechtwinklig dazu gelegenen. Auf diese
dreidimensionale netzartige Flechtstruktur, deren Gesamtdicke ungefähr 1,8 mm
betrug, wurden Partikel aus Aktivkohle befestigt, die eine Größenverteilung
innerhalb des Bereiches von 0,3 bis 0,8 mm aufwiesen. Sowohl die
einzelnen Stränge
als auch die Kohlenstoffpartikel wurden unter Verwendung eines Harzes,
das vorzugsweise aus der Gruppe der Polyurethane stammt, an der Gesamtstruktur
befestigt. Daraus ergab sich eine Gesamtschicht, welche das netzartige
Geflecht und die Aktivkohlepartikel umfasste und deren Dicke ungefähr 2 mm
betrug, während
das Grundgewicht bei 550 g/m2 einschließlich des
netzartigen Geflechts und bei 400 g/m2 für die Aktivkohle
allein lag. Die Partikel wurden derart befestigt, dass eine verhältnismäßig dichte
Partikelanordnung entstand, welche die netzartige Flechtstruktur
in einer Weise bedeckte, dass diese kaum sichtbar war.
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Darüber hinaus
wurde grober Textilstoff verwendet, welcher aus einem Spinnvliesstoff
mit einem Grundgewicht von 15 g/m2 bestand.
Die Schicht mit adsorbierenden Partikeln mit dem dreidimensionalen
netzartigen Geflecht wurde zwischen zwei Schichten des groben Textilstoffs
gegeben, wie in 13 dargestellt ist. Die Schichten
aus grobem Textilstoff wurden an der Schicht mit adsorbierenden
Partikeln befestigt, indem sie mit einem Klebstoff, der vorzugsweise
aus der Gruppe der Polyurethane stammt, beschichtet wurden, bevor die
drei Schichten zu einem Laminat verbunden wurden.
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Das
Filtrationsmedium mit adsorbierenden Partikeln gemäß der obigen
Beschreibung wurden daraufhin auf eine wohlbekannte Art und Weise
derart gefaltet, dass eine Faltenhöhe von 20 mm erzielt wurde,
wobei die Gesamtabmessungen 255 × 190 mm betrugen. Es entstanden
somit 30 Falten mit einem Abstand von ungefähr 1,2 Falten pro cm. Auf diese
Weise wurde eine Gesamtfläche
von 0,22 m2 an Aktivkohlematerial bereitgestellt.
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Die
Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
mit einer Dicke von 10 mm wurde anschließend auf das Filtrationsmedium
mit adsorbierenden Partikeln mit einer Dicke von 20 mm gelegt, sodass
eine Anordnung mit einer Gesamtdicke von 30 mm erhalten wurde. Diese
Anordnung wurde anschließend
in einen Rahmen eingefügt.
Für diesen
Rahmen wurde ein geschlossenzelliger Polyurethanschaum mit einer
Höhe von
30 mm und einer Dicke von 6 mm verwendet. Auf eine Seite des Schaums
wurde ein beidseitiges Klebeband mit einem Schutzstreifen aufgebracht,
wobei letzterer anschließend
entfernt wurde. Der Schaum mit der Klebstoffschicht wurde daraufhin
auf die Anordnung, welche aus der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien und
dem Filtrationsmedium mit adsorbierenden Partikeln bestand, aufgebracht,
sodass ein Rahmen hergestellt wurde. Der Rahmen wurde aus vier verschiedenen
Stücken
für jede
der vier Seiten aufgebaut, wobei aber alternativ dazu auch ein einziger
Schaumstreifen verwendet werden kann, dessen Länge dem gesamten Umfang entspricht.
Durch das Aufbringen des Schaums sowie aufgrund der Steifigkeit
der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
wurde ein stabiler Aufbau erzielt, ohne dass die beiden Filtrationsmedien
direkt miteinander verklebt werden müssen. Gleichzeitig ist dieser
Rahmen auch dazu befähigt,
eine Abdichtungsfunktion für
den gesamten Kombinationsfilter zu übernehmen.
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Vergleichsbeispiel
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Bei
dem Vergleichsbeispiel handelte es sich um eine gefaltete Konstruktion,
bei welcher anstelle der Anordnung aus Strömungskanal-Filtrationsmedien
ein herkömmlicher
Elektret-Filter zum Einsatz kam. Es wurde ein vierschichtiges Laminat
hergestellt und anschließend
gefaltet. Als Partikelfilter wurde Folgendes verwendet: Eine Schicht
aus grobem Textilstoff, welche denjenigen aus Beispiel 1 ähnlich war
und einen Spinnvliesstoff umfasste, der auf bekannte Art und Weise
aus mehrfach thermisch verbundenen und zufällig angeordneten Faser hergestellt
wurde, kam zum Einsatz. Das Grundgewicht dieses Spinnvliesstoffs
betrug 10 g/m2. Der Spinnstoff wurde mit
einem Vliesstoff aus Elektret-Filtermaterial kombiniert, wobei letzteres
aus elektrostatisch geladenen, dielektrischen, fibrillierten oder
aufgespaltenen Fasern mit den typischen Abmessungen von 10 mal 40
Mikrometer im Querschnitt bestand. Das Grundgewicht dieses Vliesstoffs
betrug ungefähr
40 g/m2. Als Werkstoffe für diese
Elektret-Filterschicht können
die Produkte, die unter der Bezeichnung 3M FiltreteTM von
der Firma Minnesota Mining and Manufacturing Company vertrieben
werden, verwendet werden.
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Die
anderen beiden Schichten waren praktisch identisch mit den beiden
Schichten des Beispiels 1, wobei es sich nämlich um die Schicht mit adsorbierenden
Partikeln gemäß der obigen
Beschreibung mit einer Dicke von 2 mm handelte, auf welcher ein
Schicht aus grobem Textilstoff in der gleichen Art und Weise unter Verwendung
eines Klebstoffs aus der Gruppe der Polyurethane befestigt wurde.
Die beiden Anordnungen, nämlich
die Elektret-Filterschicht mit der zusätzlichen Schicht aus grobem
Textilstoff auf der einen Seite und der Schicht mit adsorbierenden
Partikeln, die wiederum mit einer Schicht aus grobem Textilstoff
versehen war, auf der anderen Seite, wurden zu einem Laminat verbunden,
sodass die Elektret-Filterschicht ohne Verwendung eines Klebstoffs
in direkten Kontakt mit der Schicht mit adsorbierenden Partikeln
gebracht wurde. Dementsprechend befanden sich die beiden Schichten
aus grobem Textilstoff an den beiden außenliegenden Oberflächen der
Gesamtkonstruktion.
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Diese
Anordnung wurde anschließend
gefaltet, und zwar im Wesentlichen auf dieselbe Art und Weise wie
oben beschrieben, sodass die Faltenhöhe 28 mm betrug und die Gesamtabmessungen
255 × 190
mm, was einer Gesamtanzahl von 20 Falten und einer Gesamtfläche an aktivem
Material von 0,21 m2 entsprach, wobei letztere
mit der Gesamtfläche
aus Beispiel 1, nämlich
0,22 m2 vergleichbar war. Die gefaltete
Anordnung wurde daraufhin ein einen Rahmen eingefügt, und
zwar vorzugsweise mittels einen Spritzgießverfahren.
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Mit
den oben beschriebenen Versuchsfiltern wurden die folgenden vergleichenden
Messungen durchgeführt.
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Der
Wirkungsgrad wurde gemäß der Prüfnorm DIN
71 460, Teil 1 gemessen. Die Messung des Wirkungsgrades wird folgendermaßen durchgeführt: Ein
Teststaub der Stufe "grob" gemäß DIN ISO
5011 wird gemäß § 4.4 der
DIN 71 460 eingeführt.
Dieser Staub wird vor und nach seinem Durchgang durch den zu prüfenden Filter
einer Partikelzählung
mittels entsprechender Geräte
unterzogen. Derartige Partikelzähler
besitzen die Fähigkeit,
Partikel mit unterschiedlichen Partikelgrößen in einem Bereich von 0,5
bis mindestens 15 Mikrometer zu bestimmen. Das Verhältnis innerhalb
dieses Partikelbereichs liefert dann den Wirkungsgrad in Prozent.
Sämtlichen
Bestimmungen gemäß der DIN
71 460, §1-4.4.2
wurde Rechnung getragen. Es ist von besonderer Wichtigkeit, dass
die zu prüfenden
Filter dieselbe Größe und Anordnung
aufweisen, wie es oben für
die verschiedenen Beispiele aufgeführt wurde. Darüber hinaus
wurde der zurückgehaltene
Staub für
Beispiel 1 im Vergleich mit dem Vergleichsbeispiel bestimmt. Auch
in diesem Fall wurden die Prüfungen
gemäß der Prüfnorm DIN
71 460 Teil 1 durchgeführt.
Die Bestimmung wurde wie folgt durchgeführt: Sämtlichen Bestimmungen der DIN
71 460, Teil 1, wurde Rechnung getragen, wobei diese für die Bestimmung
des zurückgehaltenen
Staub relevant sind, insbesondere §6.3. Die Messung wurde vom
Beginn bis zur Zunahme des Druckabfalls mit den vorgegebenen Raten
von 25, 50, 75 beziehungsweise 100 Pa durchgeführt. Die Filter wurden vor
und nach der Prüfung
gewogen. Hinsichtlich der Wägung
kam auch die DIN ISO 5011 zur Anwendung.
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Der
Wirkungsgrad für
Gase wurde gemäß der Prüfnorm DIN
71 460, Teil 2, bestimmt. Der zu prüfende Filter wird in eine Prüfvorrichtung
gemäß den Anhangs
A, Figur A.1 eingefügt.
In diesem Fall wird die Prüfsubstanz,
bei der es sich entweder um N-Butan, SO2 oder
Toluol handelt, gasförmigem
Zustand in das System eingeleitet. Die Temperatur wird gemessen,
und die Konzentration der Prüfsubstanz
wird vor und nach dem Durchgang durch den Filter bestimmt. Gleichzeitig
wird der Druckabfall gemessen. Die Konzentration der Prüfsubstanz
vor dem Eintritt in den Filter ist C1, die
entsprechende Konzentration nach dem Durchgang durch den Filter
ist C2. Letztere in zeitabhängig, während die
Prüfsubstanz
durch den Filter strömt
(C2(t)), während die Konzentration vor
dem Eintritt der Prüfsubstanz
in den Filter über
die gesamte Zeit hinweg konstant bleibt. Der Wirkungsgrad wird daraufhin
folgendermaßen
bestimmt E(t) = (1 – C2(t):C1)·100%
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Da
der Filter typischerweise mit der Prüfsubstanz beladen wird, nimmt
der Wirkungsgrad mit der Zeit ab. In der Praxis hat es sich als
ausreichend erwiesen, die verschiedenen Wirkungsgrade für Gase unmittelbar nach
dem Beginn der Prüfung,
sobald der Filter begonnen hat, die Prüfsubstanz zu adsorbieren (dies
entspricht der dem Wirkungsgrad für dieses Gas nach 0 Minuten)
sowie den Gaswirkungsgrad nach 5 Minuten anzugeben. Darüber hinaus
muss die Flussrate berücksichtigt
werden, wobei die Messungen aus praktischen Gründen bei den beiden Raten 225
m3/h beziehungsweise 450 m3/h
erfolgten.
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Diese
Prüfungen
wurden mit einer Reihe von Proben durchgeführt, um eine Reproduzierbarkeit
zu gewährleisten,
und die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt. Tabelle
1 zeigt einen Vergleich zwischen Beispiel 1 und dem Vergleichsbeispiel.
Es ist ersichtlich, dass der Druckabfall bei den verschiedenen Flussraten
von 225 m3/h beziehungsweise 450 m3/h beim Beispiel 1 verglichen mit dem Vergleichsbeispiel
geringfügig
besser ist. Weiterhin zeigt die Auswertung des Fraktionsabscheidegrads
gemäß DIN 71
460, Teil 1, und des Wirkungsgrads gegenüber Gasen gemäß DIN 71
460, Teil 2, Ergebnisse, die geringfügig unter den Werten des Vergleichsbeispiels
liegen. Sämtliche
Werte, die für
das Vergleichsbeispiel und das Beispiel 1 erhalten wurden, liegen
im akzeptablen Bereich.
-
Aus
Tabelle 2 geht indes hervor, dass der Filter gemäß der Erfindung (Beispiel 1)
eine erheblich verbesserte Staubrückhaltefähigkeit aufweist. Während das
Vergleichsbeispiel bei einer Zunahme des Druckabfalls um 100 Pa,
bei welcher es erforderlich ist, den Filter zu ersetzen, lediglich
15 g Staub zurückgehalten
hatte, vermochte das Prüfexemplar
der Erfindung 40 g Staub zurückzuhalten,
was mit einem Druckabfall einherging, der lediglich um 35 Pa zugenommen
hatte. Dementsprechend wird der Filter gemäß der Erfindung eine Lebensdauer
haben, die erheblich länger
ist als diejenige des Vergleichsbeispiels. Tabelle 1
| | Beispiel
1 | Verglebeispichsiel |
| Druckabfall
(Pa) @ 225 m3/Std. | 58 Pa | 65 Pa |
| @
450 m3/Std. | 175 Pa | 185 Pa |
| Fraktionsabscheidegrad
(%) | 225
m3/Std. | 450
m3/Std. | 225
m3/Std. | 450
m3/Std. |
| 0,3
bis 0,5 μm | 70 | 58 | 76 | 70 |
| 0,5
bis 1,0 μm | 73 | 67 | 84 | 81 |
| 1,0
bis 2,0 μm | 79 | 77 | 94 | 93 |
| 2,0
bis 5,0 μm | 88 | 83 | 98 | 97 |
| 5,0
bis 10,0 μm | 91 | 84 | 99 | 99 |
| Wirkungsgrad
ggü. Gasen
(%) | 225
m3/Std. | 450
m3/Std. | 225
m3/Std. | 450
m3/Std. |
| n-Butan:
0 min. | 70 | 57 | 76 | 68 |
| n-Butan:
5 min. | 31 | 13 | 30 | 10 |
| SO2: 0 min. | 74 | 58 | 80 | 65 |
| SO2: 5 min. | 35 | 20 | 35 | 20 |
| Toluol:
0 min. | 75 | 68 | 83 | 75 |
| Toluol:
0 min. | 70 | 60 | 76 | 63 |
Tabelle 2
| Zurückgehaltener Staub
g | Druckabfall
Pa |
| | Beispiel
1 | Vergleichsbeispiel |
| | Absolut | ΔPa | Absolut | ΔPa |
| 0 | 58 | 0 | 65 | 0 |
| 5 | 62 | 4 | 72 | 7 |
| 10 | 65 | 7 | 87 | 22 |
| 15 | 69 | 11 | 105 | 40 |
| 20 | 73 | 15 | 138 | 73 |
| 25 | 78 | 20 | > 190 | > 125 |
| 30 | 83 | 25 | - | - |
| 35 | 88 | 30 | - | - |
| 40 | 93 | 35 | - | - |