DE60211504T2

DE60211504T2 - Filterelement mit gefalteten vlies aus metallfasern

Info

Publication number: DE60211504T2
Application number: DE60211504T
Authority: DE
Inventors: Willy Rome MARRECAU; Koen Wastijn; Geert Devooght
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Proventia Emission Control Oy
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: AU2002250884A1; DE60221241T2; DE60221241D1; US20040050023A1; JP4202760B2; JP4255693B2; EP1383990A2; KR20030079951A; ATE326620T1; KR100817623B1; US6991673B2; WO2002063145A2; DE60211504D1; JP4375965B2; US20040131511A1; EP1386064A2; EP1386065B1; US7267703B2; DE60215329D1; JP2004531368A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Filterelemente, die elektrisch regeneriert werden können. Insbesondere betrifft die Erfindung Filterelemente zum Filtern von Dieselabgasen.
Allgemeiner Stand der Technik
Dieselruss-Partikelfänger mit gefaltetem Metallfaservlies sind aus US-Patentschrift 5,709,722 bekannt. Dieselruss-Partikelfänger, die durch elektrisches Erwärmen des Filterelements selbst regeneriert werden können, sind aus US-Patentschrift 5,800,790 bekannt.
Die derzeit bekannten Filterelemente, die für die elektrische Regeneration geeignet sind, haben den Nachteil, dass der Großteil der Wärmeenergie, die durch Joule-Effekte aus elektrischer Energie erhalten und zum Erwärmen des Filterelements benutzt wird, aufgrund von Wärmeverlusten verloren geht.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es wurde herausgefunden, dass die Verluste von Wärmeenergie durch 3 Effekte verursacht werden:

1. Das Filtermedium, das die Wärmeenergie durch Joule-Effekte erzeugt, verliert Wärmeenergie durch Strahlung zum Beispiel auf das Filtergehäuse.
2. Wärmeenergie wird durch Konvektion verloren, die die Gase erwärmt, die während der Regeneration durch das Filtermedium strömen. Dieser Effekt ist viel größer, wenn der Streifen im Strom regeneriert wird.
3. Wärmeenergie wird aufgrund von Wärmeleitung verlo ren. wenn zum Beispiel das Filtermedium an das Gehäuse geschweißt ist, wird viel Wärmeenergie durch diesen Kontakt von dem Filtermedium auf das Gehäuse übertragen. Das Gehäuse wird durch diese Wärmeenergieleitung unnötig erwärmt.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein elektrisch zu regenerierendes Filterelement bereitzustellen, das einen reduzierten Wärmeenergieverlust aufweist.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe der Erfindung, eine Filtereinheit bereitzustellen, die mindestens zwei und möglicherweise mehr als zwei Filterelemente umfasst, wobei jedes Filterelement einzeln regeneriert wird. Solch eine Filtereinheit als Gegenstand der Erfindung kann in einem Dieselabgas-Filtersatz für ortsfeste Dieselmotoren oder für Dieselmotoren benutzt werden, die in Fahrzeugen wie Booten, Zügen oder anderen Motorfahrzeugen benutzt werden.
Der Begriff Filtersatz ist als ein Filtersystem zu verstehen, das in einem Gasstrom installiert ist oder darin verwendet wird. Es umfasst einen Gaseinlass, einen Gasauslass und mindestens eine Filtereinheit, die zwischen dem Einlass und dem Auslass installiert ist.
Ein Filterelement als Gegenstand der Erfindung umfasst ein gefaltetes Metallfaservlies. Dieses Metallfaservlies, das vorzugsweise gesintert ist, wird gemäß Faltlinien gefaltet, um eine Kante mit Faltöffnungen bereitzustellen. Das zu filternde Gas muss von einer Seite des Vlieses (Einströmungsseite) zu der anderen Seite des Vlieses (Ausströmungsseite) strömen, wobei es durch das Vlies hindurchströmen muss. Geeignete Faltöffnungen müssen geschlossen werden, um zu bewirken, dass das Gas durch das Metallfaservlies strömt, so dass Umleitungen von Gas von der Einströmungsseite zu der Ausströmunasseite ohne Strömen durch das Metallfaservlies verhindert werden.
Ein Filterelement gemäß der Erfindung umfasst ferner ein Filterelementgehäuse, das mindestens zwei Flanken umfasst. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird mindestens eine Seite jeder Flanke aus thermisch und elektrisch isolierendem Material bereitgestellt, so dass zu der Flanke eine thermisch und elektrisch isolierte Seite bereitgestellt wird.
Gemäß der Erfindung wird die Kante des gefalteten Metallfaservlieses zwischen den zwei thermisch und elektrisch isolierenden Seiten der Flanken derart befestigt, dass die Flanken mit diesen thermisch und elektrisch isolierenden Seiten der Flanken in Kontakt stehen.
Jede dieser Flanken umfasst ein thermisch und elektrisch isolierendes Gewebe und eine steife Materialschicht. Das thermisch und elektrisch isolierende Gewebe ist an einer Seite der steifen Materialschicht vorhanden und stellt somit zu der Flanke eine thermisch und elektrisch isolierende Seite bereit. Das Metallfaservlies wird zwischen den thermisch und elektrisch isolierenden Seiten beider Flanken befestigt, die eine Spannkraft auf die Kanten des Metallfaservlieses in eine Richtung ausüben, die im Wesentlichen parallel zu den Faltlinien ist, wobei die Flanken währenddessen die Faltöffnungen schließen, um Umleitungen zu verhindern.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird für jede Flanke ein thermisch und elektrisch isolierendes Gewebe, zum Beispiel eine keramische Textilschicht, von einer steifen Materialschicht gestützt, vorzugsweise von einer metallischen oder keramischen Platte oder Felge. Das Metallfaservlies wird zwischen den thermisch und elektrisch isolierten Seiten beider Flanken derart befestigt, dass diese Seiten der Flanken die Faltöffnungen schließen. Da das thermisch und elektrisch isolierende Gewebe die thermisch und elektrisch iso lierte Seite bereitstellt, tritt das thermisch und elektrisch isolierende Gewebe mit der Kante des Metallfaservlieses in Kontakt. Eine Spannkraft wird von den Flanken auf die Kanten des Metallfaservlieses in eine Richtung ausgeübt, die im Wesentlichen parallel zu den Faltlinien ist. Da das gefaltete Metallfaservlies eine ausreichende Knickfestigkeit aufweist, wird das gefaltete Metallfaservlies in das thermisch und elektrisch isolierende Gewebe gedrückt und stellt auf diese Weise eine Aussparung über der Kante des gefalteten Metallfaservlieses in dem thermisch und elektrisch isolierenden Gewebe der Flanken bereit.
Die Tiefe der Aussparung der Kante sollte mindestens ausreichen, um zu verhindern, dass sich das gefaltete Metallfaservlies zusammen mit dem zu filternden Gas bewegt. Dieses Phänomen wird "Durchblasen" genannt. Die Aussparung, die die Tiefe ist, über die das Metallfaservlies in das thermisch und elektrisch isolierende Gewebe gedrückt wird, ist vorzugsweise größer als 0,5 mm, kann jedoch im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegen. Im Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist ein thermisch und elektrisch isolierendes Gewebe als ein nicht gewebtes, gewebtes, geflochtenes Textilgewebe oder Maschengewebe zu verstehen und umfasst thermisch und elektrisch isolierende Fasern an der Oberfläche des Gewebes, die die Kante des Metallfaservlieses kontaktieren soll. Vorzugsweise besteht das gesamte Gewebe aus solchen thermisch und elektrisch isolierenden Fasern, jedoch kann auch eine Kombination aus thermisch und elektrisch isolierenden Fasern an den Seiten, die die Kante kontaktieren, mit Metallfasern an der gegenüberliegenden Seite benutzt werden. Solche thermisch und elektrisch isolierenden Fasern sind vorzugsweise keramische Fasern wie Fasern, die Al₂O₃ und/oder SiO₂ umfassen, wie zum Beispiel NEXTEL^®-Fasern.
Die Gewebedicke liegt vorzugsweise zwischen 3 bis 6 mm. Ein gewebtes oder nicht gewebtes Gewebe wird bevorzugt.
Wenn gemäß der Erfindung Flanken umfassend keramische Platten oder Felgen benutzt werden, um eine Filterelement als Gegenstand der Erfindung bereitzustellen, können die keramischen Platten oder Felgen durch Verwenden keramischer Materialien zum Beispiel basierend auf Al₂O₃ und/oder SiO₂ oder Glimmer erhalten werden, um diese Seite der Flanke bereitzustellen. Wenn die Flanken, auch gemäß der Erfindung, Metallplatten oder -felgen umfassen, wird vorzugsweise Edelstahl verwendet, um die Metallplatten oder -felgen bereitzustellen. Die Flanke kann aus einem Material bereitgestellt werden oder verschiedene Schichten umfassen, die durch verschiedene Materialien bereitgestellt werden. Im Allgemeinen und ebenfalls gemäß der Erfindung ist der Begriff „steifes Material" als ein unbiegsames Material zu verstehen, dem es bis zu einem gewissen Maße an Geschmeidigkeit oder Biegsamkeit mangelt und das die Eigenschaft aufweist, schwer biegsam zu sein, wie im Allgemeinen für keramische Platten oder Metallplatten bekannt ist.
Filterelemente, die Gegenstand der Erfindung sind, können ferner andere Elemente umfassen, um zusammen mit den oben erwähnten Flanken das Filterelementgehäuse zu bilden. Diese Elemente können ebenfalls thermisch oder elektrisch isolierend sein, um die Wärmeenergie zu reduzieren, die aufgrund von Strahlung von dem Metallfaservlies auf diese Elemente oder aufgrund des Erwärmens dieser Elemente aufgrund des Kontakts zwischen heißem Gas und dem Gehäuse verloren gegangen ist. Zum Beispiel kann ein durchlöchertes Metallsieb oder ein durchlässigeres, thermisch isolierendes Gewebe angewendet werden, um die Wärmeverluste aufgrund von Strahlung auf die benachbarten Filtereinheiten der Wand des Filtersatzes weiter zu reduzieren. Im Falle eines durchlässigeren, thermisch isolierenden Gewebes wird vorzugsweise ein mit einem SiO₂-Gitter gewobenes Gewebe benutzt.
Gemäß der Erfindung schließt die thermisch und elekt risch isolierende Seite der Flanken die Faltöffnungen, die geschlossen werden müssen, um Umleitungen von zu filterndem Gas zu verhindern. Diese Seiten fixieren das Metallfaservlies in seiner Position.
Solche Filterelemente weisen als Gegenstand der Erfindung mehrere Vorteile auf.
Der Wärmeenergieverlust aufgrund von Leitung wird verhindert, da die Seiten der Flanken, die zum Schließen der Faltöffnungen verwendet werden, thermisch isolierende Eigenschaften aufweisen. Das Metallfaservlies steht mit dem Filtergehäuse nur durch diese Seite in Kontakt. Die Faltung des Metallfaservlieses bewirkt ebenfalls eine Wärmestrahlung, die von einer Falte auf die benachbarten Falten abgestrahlt wird.
Da nur das Metallfaservlies mit elektrischem Strom versorgt werden muss, um das Vlies zu regenerieren, wird das Vlies von dem Filtergehäuse an seiner Kante durch die elektrisch isolierende Seite elektrisch isoliert.
Vorzugsweise muss das Metallfaservlies knickfest sein. Ein gesintertes und gefaltetes Metallfaservlies weist aufgrund der gefalteten Form eine recht hohe Knickfestigkeit auf, um eine Kante bereitzustellen.
Ferner wurde überraschenderweise herausgefunden, dass, wenn ein Filterelement als Gegenstand der Erfindung umfassend ein thermisch und elektrisch isolierendes Gewebe benutzt wird, um zum Beispiel Dieselabgas zu filtern, das mit Russpartikeln beladen ist, das Filterelement sogar nach dem Regenerieren selbst abdichtend arbeitet. Dies wird wie folgt erklärt:
Die Kante des Metallfaservlieses wird zwischen den thermisch und elektrisch isolierenden Seiten der Flanken befestigt oder gepresst.
Falls ein thermisch und elektrisch isolierendes Gewebe benutzt wird, wird das Metallfaservlies aufgrund der Textilart des Gewebes bis zu einer bestimmten Tiefe in das Gewebe hineingedrückt. Unter normalen Umständen reicht diese Aussparung aus, um alle Lücken in dem Gewebe neben dem ausgesparten Teil des Metallfaservlieses zu schließen, so dass kein Gas das Metallfaservlies durch das thermisch und elektrisch isolierende Gewebe umgehen kann. Falls eine kleine Lücke in dem Gewebe nicht durch den ausgesparten Teil des Metallfaservlieses geschlossen wird, umgehen kleine Abgasmengen das Metallfaservlies durch diese Lücke. Der Russ, der in dem Abgas vorhanden ist, wird durch das Gewebe gefangen, wodurch die Lücke verschlossen wird. Wenn das Metallfaservlies nun regeneriert wird, wird das thermisch und elektrisch isolierende Gewebe nicht genug erwärmt, um den Russ zu verbrennen, der von dem Gewebe an der Lücke festgehalten wird. Somit wird das Umgehen von Gas durch das Gewebe verhindert, nachdem die Lücken aufgrund dieser Umleitung mit Russ gefüllt werden. Der Filter dichtet sich selbst ab.
In dem Schutzbereich der Erfindung ist mit Metallfaservlies ein Vlies gemeint, dass Metallfasern, vorzugsweise Stahlfasern, umfasst. Die Metall- oder Stahllegierung kann je nach dem Temperaturbereich ausgewählt werden, der von dem Metallfaservlies ausgehalten werden muss. Edelstahlfasern aus AISI-Legierungen der 300- oder 400-Serien oder Legierungen wie Inconel^® werden bevorzugt. Falls während der Regeneration hohen Temperaturen widerstanden werden muss, werden Legierungen umfassend Fe, Al und Cr wie Fecralloy^® bevorzugt. Die Fasern können durch jegliches derzeit bekannte Herstellungsverfahren wie Bündelziehen oder -rasieren erhalten werden. Faserdurchmesser zwischen 1 und 100 μm sollten benutzt werden, vorzugsweise zwischen 2 und 50 μm, zum Beispiel zwischen 12 und 35 μm wie 12, 17 und 22 μm. vorzugsweise wird das Vlies je nach der benutzten Legierung unter angemessenen Sinterbedingungen gesintert. Vorzugsweise können die Metallfasern durch Bündelziehen oder Spulenrasieren erhalten werden. Letzteres ist in WO97/04152 detaillierter beschrieben.
Auch können je nach den Partikeln, die zurückgehalten werden sollen, und/oder der Anwendung, für die das Filterelement benutzt werden soll, die Dicke, das Gewicht pro m², der Porendurchmesser und andere Vliesparameter gewählt werden.
Vorzugsweise umfasst das Metallfaservlies, das zum Bereitstellen des Filterelements als Gegenstand der Erfindung benutzt wird, unterschiedliche Schichten von Metallfasern. Jede Faserschicht umfasst Fasern mit einem bestimmten äquivalenten Durchmesser. Die besten Filterergebnisse werden erhalten, wenn eine Schicht mit den gröbsten Fasern der Einströmungsseite des Filterelements gegenüberliegt, wohingegen eine Schicht von Metallfasern mit den feinsten Fasern der Ausströmungsseite des Filters gegenüberliegt. Ein Beispiel eines solchen Metallfaservlieses ist ein Metallfaservlies mit einer Schicht aus Metallfasern mit einem äquivalenten Durchmesser von 35 μm und eine Schicht aus Metallfasern mit einem äquivalenten Durchmesser von 17 μm. Es ist möglich, eine Metallfaserschicht mit einem äquivalenten Durchmesser von 22 μm zwischen diesen zwei Schichten anzuordnen. Eine Porosität von mehr als 85 % wird bevorzugt, während das Gewicht pro Quadratmeter Vlies vorzugsweise geringer als 1.500 g/m² ist, zum Beispiel bei 1.450 g/m² liegt.
Der Begriff äquivalenter Durchmesser ist als der Durchmesser eines radialen Schnitts einer imaginären, runden Faser zu verstehen, der die gleiche Fläche aufweist wie der radiale Schnitt der in Betracht gezogenen Faser.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht das Metallfaservlies vorzugsweise aus nur einem Streifen des Fil termediums, das die Metallfasern umfasst. Am meisten bevorzugt ist der Streifen rechteckig. Alternativ kann das Metallfaservlies aus mehr als einem Streifen Filtermedium bestehen, das Metallfasern umfasst, deren Streifen zwischen den zwei Flanken des Filterelements befestigt sind, das Gegenstand der Erfindung ist.
Gesintertes Metallfaservlies weist eine gute Knickfestigkeit auf, wenn es einer mechanischen Belastung in eine Richtung ausgesetzt wird, die parallel zu der ebenen Fläche des Vlieses verläuft. Um die Knickfestigkeit zu verbessern, kann das Vlies mit sich vorzugsweise wiederholenden Wellenformen geriffelt sein, die eine Wellenlänge von vorzugsweise weniger als dem 5-fachen der Dicke des Vlieses aufweisen. Die Breite der Riffelung ist ebenfalls vorzugsweise geringer als das 5-fache der Dicke des Vlieses. Die Knickfestigkeit kann unter Umgebungsbedingungen um mehr als 50 % verbessert werden. Wenn das Vlies auf mehr als 600°C erhitzt wird, beträgt die Verbesserung der Knickfestigkeit immer noch mehr als 30 %.
Das Metallfaservlies, das zum Bereitellen eines Filterelements benutzt wird, das Gegenstand der Erfindung ist, umfasst mindestens zwei, jedoch möglicherweise mehr als zwei Kontaktkörper, die an dem Metallfaservlies angebracht, zum Beispiel daran geklemmt oder gesintert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Kontaktkörper ein Körper, der durch den elektrischen Schaltkreis mit elektrischem Strom versorgt wird, um das Filterelement zu regenerieren. Dieser Kontaktkörper verteilt den elektrischen Strom auf geeignete Art und Weise über die gesamte Fläche des Metallfaservlieses. Vorzugsweise sind diese Kontaktkörper Metallfolien, zum Beispiel Ni-Folien oder gewobene Metallmaschen, die an beiden Ende des Metallfaservlieses gesintert sind.
Wenn das Metallfaservlies derart gefaltet ist, dass beide Enden des Metallfaservlieses nahe zueinander angeordnet sind und jedes von ihnen einen Pol des elektrischen Stromkreises kontaktiert, muss besondere Sorgfalt getragen werden. Beide Kontaktkörper müssen voneinander isoliert werden. Dies kann durch Einführen einer oder mehrerer elektrisch isolierender Platten, zum Beispiel Glimmerplatten, zwischen beiden Kontaktkörper erreicht werden. Beide Kontaktkörper können mit diesen elektrisch isolierenden Platten mit Hilfe von Schrauben und Nuten oder dergleichen verbunden werden. Vorzugsweise werden die Kontaktkörper derart angebracht, dass die Kontaktkörper von dem Metallfaservlies in Stromabwärtsrichtung des Filterelements verlaufen.
Filterelemente als Gegenstand der Erfindung werden benutzt, um Filtereinheiten bereitzustellen. Mehrere Filterelemente können kombiniert, zum Beispiel übereinander gestapelt werden. Um Wärmeverluste zu vermeiden, werden die verschiedenen Filterelemente durch eine thermisch isolierende Schicht, zum Beispiel eine thermisch isolierende und thermisch resistente Textilschicht, zum Beispiel durch ein gewobenes SiO₂-Gewebe voneinander getrennt.
Die Filterelemente als Gegenstand der Erfindung können benutzt werden, um heiße Gase wie Abgase eines Dieselmotors mit innerer Verbrennung zu filtern. Mehrere Filterelemente oder Filtereinheiten, die die Filterelemente als Gegenstand der Erfindung umfassen, können parallel benutzt werden, zum Beispiel um mindestens ein Filterelement regenerieren zu können, durch das kein Gas strömt, um so die Wärmeverluste durch Konvektion zu reduzieren, wobei die anderen Filterelemente indessen den Gasstrom weiter filtern. Sie können in einer Serienschaltung befestigt werden, um den Gasstrom in verschiedenen Schritten zu filtern, zum Beispiel für verschiedene Partikelgrößen.
Jeder Filter kann einzeln regeneriert werden, vorzugs weise einer nach dem anderen. Das Filterelement kann inline regeneriert werden, während das Gas weiterhin durch das Filterelement strömt, oder off-line, während verhindert wird, dass das Gas teilweise oder vollständig durch das Filterelement strömt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun detaillierter mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 schematisch eine allgemeine Ansicht einer Filtereinheit als Gegenstand der Erfindung darstellt;
2 schematisch eine vergrößerte Ansicht des Teils AA' der Filtereinheit aus 1 ist;
3 schematisch einen Abschnitt gemäß der Ebene BB' der Filtereinheit aus 1 darstellt;
4 schematisch eine Seitenansicht der Kontaktkörper eines Filterelements als Gegenstand der Erfindung darstellt;
5 schematisch eine Ansicht von alternativen Kontaktkörpern eines Filterelements als Gegenstand der Erfindung darstellt;
6, 7 und 8 schematisch einen Abschnitt gemäß der Ebene BB' einer alternativen Ausführungsform einer Filtereinheit als Gegenstand der Erfindung zeigen;
9 ein schalldämpferförmiges Dieselabgasfiltersystem zeigt, das verschiedene Filtereinheiten als Gegenstand der Erfindung umfasst.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
Eine bevorzugte Filtereinheit als Gegenstand der Erfindung ist in 1, 2 und 3 dargestellt.
Die Filtereinheit umfasst mehrere Filterelemente 11, die übereinander gestapelt sind. Sie weisen alle eine ringförmige Form auf. Ein durchlöchertes Metallrohr 12 ist im Inneren der inneren Öffnung 13 des Filterelements positioniert. Zwischen jedem Filterelement ist ein scheibenähnliches SiO₂-Filzmaterial 14 angeordnet, um die verschiedenen Filterelemente voneinander thermisch zu isolieren. An beiden Enden der Filtereinheit ist eine Metallplatte 15 an dem oberen und unteren Filterelement befestigt, zum Beispiel wie in 1 dargestellt, mittels einer Schraube 16, die die Platte zu dem Filterelement schiebt.
Zwischen dieser Platte 15 und dem oberen und unteren Filterelement ist ein weiteres scheibenähnliches SiO₂-Filzmaterial 14 angeordnet.
Wenn die Filtereinheit benutzt wird, strömt das zu filternde Gas vorzugsweise von der Außenseite der Filterelemente (durch den Pfeil 17 angezeigt) hinein, dann durch das Filtermedium 18 und durch die Durchbohrungen des Metallrohrs 12 zu dem restlichen Abgassystem, wie durch den Pfeil 19 angezeigt.
Wenn jedes Filterelement der vorliegenden Ausführungsform in Betracht gezogen wird, wird ein Metallfaservlies als Filtermedium 18 benutzt. Das „schmutzige" Gas strömt durch die Einströmungsseite 20 ein, dann durch das Metallfaservlies durch die Ausströmungsseite 21 des Metallfaservlieses zu dem Abgassystem. Das Metallfaservlies ist durch zwei Kontaktkörper 22 und 23 mit einem elektrischen Schaltkreis 24 verbunden, der das Metallfaservlies mit elektrischem Strom versorgt, um den in und auf dem Filtermedium eingefangenen Schmutz, zum Beispiel Russ, zu regenerieren. Das Metallfaservlies wird vorzugsweise derart gefaltet, dass die thermische Strahlungswärme, die während der Regeneration durch die Falten 25 erzeugt wird, auf die benachbarten Falten abstrahlt, wie durch die Pfeile 26 angezeigt wird. Eine bedeutende Reduzierung der elektrischen Energie wird mittels dieser Strahlungswärme erreicht, um die Verbrennung der gefilterten Partikel zu fördern und zu unterstützen.
Der Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform der Filterelemente wird in 2 dargestellt. Eine Flanke 28 des Filterelements umfasst eine steife Materialschicht 29, die eine Metallfelge ist, in der ein elektrisch und thermisch isolierendes Gewebe 30 angeordnet ist. Diese Gewebe 30 ist vorzugsweise ein filzartiges SiO₂-Material (zum Beispiel nicht gewobenes), das eine Dicke von etwa 3 mm aufweist. Die gefaltete Kante des Metallfaservlieses 18 wird zwischen zwei elektrisch und thermisch isolierte Seiten der Flanken gepresst, wie in 1 dargestellt. Bei der Befestigung wird das Metallfaservlies 18 in das Gewebe 30 über einer Tiefe 31 von etwa 1 mm gepresst. Diese Aussparung vermeidet die Durchblasung des Metallfaservlieses, wenn das Filterelement benutzt wird.
Um die Widerstandsfähigkeit bezüglich der mechanischen Spannung aufgrund der Befestigung der verschiedenen Elemente übereinander durch die Schraube 16 zu verbessern, können mehrere Bolzen 35 an den oberen und den unteren Rand jedes Filterelements geschweißt werden. Wie in 1 und 2 dargestellt, kann um das Filterelement 11 eine durchlöcherte Metallplatte 39 vorhanden sein (aus Klarheitsgründen in den Figuren nur teilweise dargestellt).
Bezüglich der Kontaktkörper 22 und 23 der bevorzugten Ausführungsform, wie in 4 und 5 dargestellt, wurde ein feines Ni-Blech 36 an die Enden des Metallfaservlieses gesintert. Beide Kontaktkörper wurden zusammengebracht und mittels zweier Schrauben 38 und 39 an einer isolierenden Platte 37, zum Beispiel einer Glimmer-Platte befestigt. Um den elektrischen Kontakt zwischen dem Kontaktkörper 22 und der Schraube 38 und dem Kontaktkörper 23 und der Schraube 39 zu vermeiden, wurden zwei Glimmer-Bleche 40 zwischen den isolierenden Platten 37 und den Kontaktkörpern 22 und 23 eingefügt.
Ein alternativer Aufbau ist in 5 dargestellt. Ein identischer Aufbau wie in 4 wurde benutzt, wobei jedoch der Kontaktkörper 22 derart geformt ist, dass hinter der Schraube 38, die den Kontaktkörper 23 an der isolierenden Platte 37 befestigt, kein Material dieses Kontaktkörpers 22 vorhanden ist. Gleichermaßen ist der Kontaktkörper 23 derart geformt, dass hinter der Schraube 39, die den Kontaktkörper 22 an der isolierenden Platte 37 befestigt, kein Material dieses Kontaktkörpers 23 vorhanden ist. Mit Hilfe dieser Kontaktkörper kann die Benutzung von zwei Glimmer-Platten 40 vermieden werden, was die Konstruktion des Filterelements vereinfachen kann.
Ein alternativer Schnitt entlang BB' ist in 6 dargestellt. Das durchlöcherte Rohr weist in dieser Ausführungsform einen elliptischen Abschnitt auf. Auch hier wird das Metallfaservlies gemäß den Faltlinien gefaltet, was während der Regeneration die Strahlung von einer Falte zu einer anderen ermöglicht.
Ein weiterer alternativer Querschnitt eines Filterelements als Gegenstand der Erfindung wird in 7 dargestellt. Das Filterelement in dieser Ausführungsform umfasst zwei Metallfaservliesstreifen, die zusammen die gesamten Filtermedien des Filterelements bilden. Beide Metallfaservliesstreifen weisen jeweils an einem Ende zwei Kontaktkörper (22 und 23) auf, die mit einem geeigneten elektrischen Schaltkreis 24 verbunden sind.
Ein weiterer alternativer Querschnitt eines Filterelements als Gegenstand der Erfindung ist in 6 dargestellt. Das Filterelement umfasst einen Satz Metallfaservliesstreifen, die jeweils über eine Faltlinie 81 gefaltet werden. Alle Streifen sind nebeneinander befestigt. Jeder Metallfaservliesstreifen weist jeweils an einem Ende des Streifens zwei Kontaktkörper (22 und 23) auf. Die Kontaktkörper werden in Reihe positioniert und mit einem geeigneten elektrischen Schaltkreis 24 verbunden.
Wie in 9 dargestellt, kann ein zu filterndes Gas durch den in 9 dargestellten Einlass 91 in ein Schalldämpfersystem eintreten. Mehrere Filtereinheiten 92, die jeweils mehrere Filterelemente 93 umfassen, sind in dem schalldämpferähnlichen System vorhanden. Das zu filternde Gas strömt, wie durch den Pfeil 94 angezeigt, durch die Filtermedien jedes Filterelements und lässt die Filtereinheit 92 durch das durchlöcherte Rohr 95 in einer Sammelkammer 96 zurück. Durch einen Auslass 97 strömt das gefilterte Abgas weiter durch das Abgassystem, wie durch den Pfeil 98 angezeigt wird.
Als Filtermedium wird ein gesintertes Metallfaservlies mit drei Schichten aus Edelstahlfasern benutzt. Eine erste Schicht umfasst 600 g/m² Fecralloy^®-Fasern mit einem äquivalenten Durchmesser von 17 μm. Eine zweite Schicht Fecralloy^®-Fasern wird auf die erste Schicht aufgebracht. Diese Schicht umfasst 250 g/m² Fasern mit einem äquivalenten Durchmesser von 22 μm. Eine dritte Schicht Fecralloy^®-Fasern wird auf die zweite Schicht aufgebracht, die einen äquivalenten Durchmesser von 35 μm aufweist. Diese dritte Schicht umfasst 600 g/m² Fasern.
Eine Russzurückhaltung von 91 % wurde unter Verwendung eines Edelstahlvlieses erreicht, das eine Porosität von 85 % aufwies.
Die Länge des Metallfaservlieses in den oben beschriebenen Ausführungsformen beträgt vorzugsweise 1.200 mm, während die Höhe des Metallfaservliesstreifens vorzugs weise zwischen 30 und 35 mm, zum Beispiel 33,75 mm liegt.
Der Russ wurde einer so genannten Tiefenfilterung unterzogen. Dies ist als die Tatsache zu verstehen, dass Russpartikel durch die gesamte Tiefe des Filters eingefangen werden.
Nur 1 Minute pro Element wurde benötigt, um die Filtereinheit zu regenerieren, während nur 750 W bis 1.500 W konsumiert wurden. Der Druckabfall über dem Filterelement wurde vor der Regeneration auf 100 mbar festgelegt.

Claims

Filterelement, umfassend ein gefaltetes Metallfaservlies, das entlang Faltlinien gefaltet wird und eine Kante mit Faltöffnungen bereitstellt, die geschlossen werden, um zu bewirken, dass Gas durch das Metallfaservlies strömt, wobei das Filterelement mindestens zwei Flanken umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jede Flanke ein thermisch und elektrisch isolierendes Gewebe und eine steife Materialschicht umfasst, wobei das thermisch und elektrisch isolierende Gewebe an einer Seite der steifen Materialschicht vorhanden ist und zu der Flanke eine thermisch und elektrisch isolierende Seite bereitstellt, wobei das Metallfaservlies zwischen den thermisch und elektrisch isolierenden Seiten beider Flanken befestigt ist, wobei die Flanken auf die Kanten des Metallfaservlieses in eine Richtung eine Spannkraft ausüben, die im Wesentlichen parallel zu den Faltlinien ist, wobei die Flanken die Faltöffnungen schließen.
Filterelement nach Anspruch 1, wobei das thermisch und elektrisch isolierende Gewebe ein keramisches Textilgewebe ist.
Filterelement nach Anspruch 1 bis 2, wobei die steife Materialschicht eine Metallplatte oder eine Metallfelge ist.
Filterelement nach Anspruch 1 bis 3, wobei das thermisch und elektrisch isolierende Gewebe eine Dicke von mehr als 3 mm aufweist, wobei die Dicke geringer als 6 mm ist.
Filterelement nach Anspruch 1 bis 4, wobei die Spannkraft eine Aussparung der Kante des Metallfaservlieses in dem thermisch und elektrisch isolierenden Gewebe bereitstellt, wobei die Aussparung eine Tiefe von mehr als 0,5 mm aufweist, wobei die Tiefe weniger als 2 mm beträgt.
Filterelement nach Anspruch 1 bis 5, wobei das Metallfaservlies aus Edelstahlfasern besteht.
Filterelement nach Anspruch 1 bis 6, wobei das Metallfaservlies geriffelt ist, wobei die Riffelungen sich wiederholende Wellenformen sind, die eine Wellenlänge von weniger als dem 5-fachen der Dicke des Metallfaservlieses aufweisen.
Filterelement nach Anspruch 1 bis 7, wobei das Filterelement mindestens zwei Kontaktkörper aufweist, wobei die Kontaktkörper an dem Metallfaservlies befestigt sind.
Filtereinheit, umfassend mindestens zwei Filterelemente nach Anspruch 1 bis 8, wobei die Filterelemente voneinander thermisch isoliert sind.
Benutzung eines Filterelements nach Anspruch 1 bis 8 zum Filtern von Dieselabgas.