DE60303807T2

DE60303807T2 - Ein filterelement mit mehrschichtiger faltenabstützung enthaltendem filterelement

Info

Publication number: DE60303807T2
Application number: DE60303807T
Authority: DE
Inventors: A. Jeffrey Clinton LUCAS; Thomas C. Madison PAUL; John Farmington MORBY
Original assignee: Cuno Inc
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2002-09-26
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: WO2004028660B1; WO2004028660A1; CN100349638C; DE60303807D1; EP1554028A1; EP1554028B1; CN1684752A; AU2003275175A1; US20040060858A1; JP2006501058A; BR0314457A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung betrifft Fluid-Filtereinrichtungen und insbesondere gefaltete Filter, welche zumindest zwei stromabwärts liegende Tragschichten aufweisen, wodurch das Filterverhalten erhöht und die Strömung bzw. der Durchsatz verbessert wird.
2. Stand der Technik
Unter Filterung versteht man Verfahren zur Abtrennung von Teilchen oder Verschmutzungen aus einem Fluid (Flüssigkeit oder Gas), die dadurch bewerkstelligt werden können, dass man das Fluid durch ein poröses Filtermedium strömen lässt, welches die Teilchen anhält oder auffängt, während es das Fluid hindurchströmen lässt. Diese Fluidfilterung wird in sehr großem Maße bei der Herstellung von polymeren Produkten, medizinischen Produkten, bei der Verarbeitung von Mineralien und in der Metallorgie, bei der Raffination von Petroleum, der Reinigung von Wasser, bei der Kontrolle von Emissionen und bei der Zubereitung von Getränken und Lebensmitteln verwendet.
Über die Jahre hinweg wurden bei der Konstruktion von zylindrischen, gefalteten Filterpatronen Bemühungen unternommen, die Menge von Filtermedium oder den zur Verfügung stehenden Oberflächenbereich zu maximieren, die bzw. der in eine Filterpatrone passt, die einen gegebenen Außendurchmesser besitzt, ohne in nachteiliger Weise die Strömung oder die Filterlebensdauer zu beeinflussen. Gefaltete Filterelemente unterliegen Einschränkungen hinsichtlich der Strömungsrate und des Durchsatzes, die im Zusammenhang mit der maximalen Menge von Filtermedium stehen, die in eine vorgegebene Filterhülle gepackt werden kann. Es kann schwierig sein, Verbesserungen des Filterverhaltens zu erzielen, weil große vorgegebene und gut standardisierte Kunden-Basen vorhanden sind, bei denen ein übliches Filtergehäuse mit vorgegebener Konstruktion, vorgegebenen Abmessungen und vorgegebener Konfiguration verwendet werden, in dem die Filterelemente eingeschlossen sind und die nur ein oder mehrere Filterelemente mit einer spezifischen Größe zulassen. Eine Hauptherausforderung für Filterkonstrukteure besteht darin, die Filterkapazität eines Filterelementes, d.h. den nutzbaren Oberflächenbereich zu vergrößern, ohne die äußeren Abmessungen des Filterelementes zu verändern, so dass es in Verbindung mit existierenden Filtergehäusen verwendet werden kann.
Ein Verfahren zur Verbesserung der Filterströmung und des Durchsatzverhaltens von gefalteten Filterelementen besteht darin, die in dem Filter vorhandene Menge von Filtermedium zu vergrößern. Dies kann dadurch erzielt werden, dass man die Dicke sowohl des Filtermediums als auch des Faltenträgers und des Drainage-Mediums oder der Drainage-Materialien vermindert. Eine Verminderung der Dicke des Filtermediums verschlechtert jedoch möglicherweise die Rückhalteeigenschaften der Filtervorrichtung, d.h. die Absonderung von Teilchen durch Aussieben oder Einfangen innerhalb des Filtermediums. Darüber hinaus kann die Verwendung von zunehmend dünneren Trägern einen negativen Einfluss auf die Strömung und das Durchsatzverhalten dadurch haben, dass keine ausreichende Menge von Strömungswegen zur Verfügung gestellt wird.
Konstruktionsbemühungen, die auf eine Optimierung des Filterverhaltens gerichtet waren, führten zu verschiedenen Faltenkonstruktionen und Faltkonfigurationen, die auf einen vergrößerten Filterungsbereich beispielsweise durch modifizierte Faltgeometrien wie z.B. „spiralige" oder „mehrfach gefaltete" Konstruktionen zielten. Die Verwendung von spiraligen und mehrfach gefalteten Konstruktionen erfordert jedoch typischerweise die Verwendung eines kleineren Kerns, um die gewünschten Vorteile zu erzielen. Zwar ist ein kleinerer Kern nicht immer eine ernsthafte Beschränkung für Flüssigkeits-Anwendungsfälle, doch ist er eine ernsthafte Beschränkung bei Gas-Anwendungsfällen, bei denen Strömungsverluste durch einen kleineren Kern beträchtlich sein können.
Bei dem Stand der Technik entsprechenden Faltkonstruktionen ist bei einer standardmäßigen, radial gefalteten Filterpatrone, wie sie z.B. in der US-Patentschrift 3,692,184 für Miller, Jr. et al. beschrieben ist, die Menge von Filtermedium, die in die Patrone gepackt werden kann, durch die Anzahl von Falten begrenzt, die um den Patronenkern herum gepackt werden können. Folglich ist eine beträchtliche Menge von leerem Raum zwischen benachbarten Falten am äußeren Umfang des Filterelementes vorhanden. Demgemäß ist bei einer typischen, zylindrischen, gefalteten Filterpatrone um so mehr ungenutzter Raum zwischen benachbarten Falten vorhanden, je mehr der Abstand von der Mitte des Kerns zunimmt. Darüber hinaus sind die Falten am inneren Umfang stark zusammengedrückt, was aufgrund einer Kompression des Trägers die Strömung behindern kann.
Ein zylindrisches Filterelement, das eine sich radial erstreckende W-Faltkonfiguration besitzt, wie es in der US-Patentschrift 3,799,354 für Buckman et al. dargestellt ist, stellt eine Alternative zu einem standardmäßigen, radial gefalteten Filterelement dar. Die radiale W-Falten-Konfiguration minimiert den Faltenzwischenraum und liefert einen zusätzlichen Oberflächenbereich um den äußeren Umfang des Filterelementes dadurch, dass relativ kurze Falten vorgesehen werden, die sich vom äußeren Umfang des Filters zwischen jeweils zwei Falten mit Standardhöhe radial nach innen erstrecken. Die kurzen Falten haben die gleiche Höhe und treten mit einer gleichförmigen Frequenz um den Umfang des Filters herum auf, d.h. es ist immer eine kurze Falte zwischen jedem Paar von zwei eine volle Länge besitzenden Falten vorhanden. Diese kürzeren Falten nehmen den offenen Raum in der Nähe des äußeren Umfangs des Filterelementes ein, doch maximieren sie nicht die Menge des Filtermediums, das innerhalb der Patrone angeordnet werden kann, da noch immer ein gewisser freier Raum zwischen den Falten verbleibt. Ein Problem, das mit dem W-Falten-Aufbau verbunden ist, besteht darin, dass er weniger als die optimale Faltendichte aufweist. Der radiale W-Falten-Aufbau leidet auch unter dem Effekt der Faltenwanderung, da die verkürzten Falten die Tendenz besitzen, sich radial nach innen zur zentralen Achse des Filters hin zu bewegen. Diese Wanderung ist unerwünscht, da sie zu einem Verkleben, Blockierungen, einem erhöhten Druckabfall über dem Filter, einer verminderten Filterlebensdauer und einem verminderten Potential des Filtermediums führen kann.
Die US-PS 4,033,881 von Pall beschreibt Filterpatronen, die eine Vielzahl von Papierlagen-Filterblättern mit unterschiedlichen Porengrößen umfassen, wobei relativ starre Trag- und Drainage-Elemente vorgesehen sind, die eine größere Steifigkeit besitzen, als das Papier-Filtermedium. Gemäß diesem US-Patent „können geeignete blattartige äußere und innere Träger aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden und können beispielsweise die Form von perforierten Blättern oder Platten oder gewebten oder nicht gewebten oder extrudierten Geflechten aufweisen, die aus Kunststofffäden oder Extrusionen hergestellt sind" [Spalte 3, Zeilen 63–67]. Wie in diesem Patent weiterhin beschrieben wird, kann das extrudierte Kunststoffgeflecht in einer Vielzahl von Mustern vorgesehen werden, wozu auch offene Gewebemuster mit extrudierten Verknüpfungen mit gleichem Durchmesser in beiden Richtungen oder mit extrudierten Verknüpfungen, die in einer Richtung breiter sind als in einer anderen, sich in Längsrichtung oder kreuzweise oder umfangsmäßig zum Geflecht erstreckende Formrippen gehören [siehe allgemein US-Patent 4,033,881, Spalten 3 und 4].
Ein spiralförmiges gefaltetes Filterelement ist insoweit mit einem standardmäßigen gefalteten Filter vergleichbar, als es eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Falten umfasst, die in einer zylindrischen Konfiguration angeordnet sind. Bei einem spiralig gefalteten Filterelement sind jedoch die Enden der Falten umgerollt, um den Abstand zwischen benachbarten Faltenoberflächen in der Nähe des äußeren Durchmessers des Filterelementes zu minimieren, so dass mehr Filteroberflächenbereich in einem Filter mit gleichem Durchmesser vorgesehen werden kann.
Ein herkömmliches spiralig gefaltetes Filterelement ist in der US-Patentschrift 5,543,047 von Stoyell et al. beschrieben. Das spiralig gefaltete Filterelement dieses Patentes umfasst ein aus drei Schichten zusammengesetztes Filtermedium, das eine stromaufwärts liegende Drainage-Schicht, die relativ zum Filtermedium stromaufwärts angeordnet ist, und eine stromabwärts liegende Drainage-Schicht aufweist, die relativ zum Filtermedium stromabwärts angeordnet ist. Die Drainage-Schichten, die in diesem Patent beschrieben sind, „können die Form eines Maschengitters oder Siebes oder einer porösen, gewebten oder nicht gewebten Lage" [Spalte 5, Zeilen 52–53] besitzen. Dieses Patent beschreibt eine Drainage-Schicht, welche die Form eines extrudierten polymeren Maschengitters aufweist, das so ausgerichtet und konfiguriert ist, dass einander gegenüberliegende Oberflächen von benachbarten Falten miteinander über einen beträchtlichen Teil der Länge des Filterelements miteinander in engem Kontakt stehen.
Zusätzliche Patente, die sich auf spiralige gefaltete Filtervorrichtungen beziehen, sind das Nr. US-Patent 2,395,449 von Briggs, und das US-Patent Nr. 6,113,784 von Stoyell et al.
Eine weitere W-Falten-Konstruktion ist in dem US-Patent 6,315,130 von Olsen beschrieben.
Sowohl die spiralförmig gefalteten als auch die W-förmig gefalteten Konstruktionen führen zu Oberflächenfiltern mit vergrößertem Filter-Oberflächenbereich und die spiralig gefalteten Konstruktionen haben nicht die Falten-Wanderungsprobleme, die bei den W-Falten-Konstruktionen auftreten. Im Vergleich mit einem W-Falten-Filter führen die umgerollten Falten eines spiralig gefalteten Filters jedoch zu weniger und schwerer zugänglichen radialen Strömungspfaden in der Nähe des äußeren Durchmessers des Filters, was zu einem größeren Druckabfall über das Filter führt. Zusätzlich führen die umgerollten Falten eines spiralig gefalteten Filters zu längeren Strömungswegen und daher einer größeren Wahrscheinlichkeit, dass die Strömungswege bei Anwendungsfällen mit hoher Belastung oder einer Verschmutzung mit großen Teilchen blockiert werden.
Trotz der bis heute erfolgten Anstrengungen besteht weiterhin ein Bedarf für Filterkonstruktionen, die einen vergrößerten Filter-Oberflächenbereich, eine verbesserte Strömung bzw. einen verbesserten Durchsatz bei einer gegebenen Filterpatronengröße und -konstruktion besitzen und die gut geeignet sind, in eine lang gestreckte zylindrische Filterpatrone eingesetzt zu werden, und die überdies eine Faltenwanderung verhindern.
Die Druckschrift EP 0 470 485 beschreibt ein gefaltetes Filterelement, das sich in Längsrichtung erstreckende Falten aufweist, sowie ein Wickelelement, das um das Filterelement herum gewickelt ist. Das gefaltete Filterelement kann einen zusammengesetzten Aufbau mit ersten und zweiten extrudierten polymeren Maschenschichten und einer dazwischen angeordneten Filterschicht besitzen. Die Maschen können aus einem polymeren Material einschließlich Polyester, Polypropylen oder Polyamid hergestellt sein. Diese Druckschrift lehrt, dass ein extrudiertes, polymeres Maschengitter generell anderen Träger- und Drainage-Materialien einschließlich gewebten und nicht gewebten fasrigen Bändern und polymeren Geflechten vorzuziehen ist. Polymere Perlen können längs der stromabwärts liegenden Oberfläche der stromabwärts liegenden Trag- und Drainage-Schicht angeordnet sein. Diese Druckschrift lehrt auch ein Verfahren zum Anbringen von kontinuierlichen parallelen Vorsprüngen durch das Aufbringen eines heiß schmelzenden Klebers aus einem mehrere Öffnungen mit ungleichmäßigen Abständen aufweisenden Abgabekopf.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung ein Filterelement, wie es durch Anspruch 1 definiert ist.
Gemäß einem anderen Gesichtspunkt schafft die vorliegende Erfindung eine Filterpatrone gemäß Anspruch 12.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können vorteilhafte Filterelemente geschaffen werden, die ein verbessertes Filterverhalten einschließlich einer verbesserten Strömung für eine gegebene Patronengröße und Patronenkonstruktion aufweisen, wobei letzteres durch die Auswahl von Trägermaterialien erzielt wird, die in der Weise zusammenwirken, dass sie die Gesamtströmung verbessern.
Ein Filterelement, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, umfasst ein Filtermedium, einen stromaufwärtigen Faltenträger der stromaufwärts und in Berührung mit dem Filtermedium angeordnet ist, einen mehrschichtigen, stromabwärtigen Faltenträger, der stromabwärts vom Filtermedium angeordnet ist, einschließlich einer ersten stromabwärtigen Tragschicht und einer zweiten stromabwärtigen Tragschicht:

(a) Die erste stromabwärtige Tragschicht steht in Berührung mit dem Filtermedium und ist zwischen das Filtermedium und die zweite stromabwärtige Schicht eingefügt, wobei die erste stromabwärtige Tragschicht so hergestellt worden ist, dass die Punkte der Oberflächenberührung mit dem Filtermedium minimiert sind.
(b) Die zweite stromabwärtige Tragschicht steht in Berührung mit der ersten stromabwärtigen Tragschicht und ist so hergestellt, dass sie einen seitlichen Fluidstrom relativ zu dem mehrschichtigen, stromabwärtigen Faltenträger aufweist.

Genauer gesagt, umfasst der mehrschichtige, stromabwärtige Faltenträger eine erste stromabwärtige Tragschicht und eine zweite stromabwärtige Tragschicht. Die erste stromabwärtige Tragschicht liegt zwischen dem Filtermedium und der zweiten stromabwärtigen Tragschicht und ist so hergestellt, dass sie die Punkte der Oberflächenberührung mit dem Filtermedium minimiert, wodurch die Fluidströmung vom Filtermedium weg erhöht wird. Der erste stromabwärtige Träger besteht aus einem Material, das die Membran an möglichst wenigen Stellen berührt, um es so dem Fluid unabhängig davon, ob es flüssig oder gasförmig ist, zu ermöglichen, aus dem Filtermedium aus- und in die zweite stromabwärtige Tragschicht einzutreten, die sich unmittelbar darunter befindet. Geeignete Materialien zur Verwendung bei der Herstellung der ersten stromabwärtigen Tragschicht sind nicht gewebte Materialien, die durch eine hohe Luftdurchlässigkeit, geringe Dicke, hohe Festigkeit, kleinen Faserdurchmesser und/oder einen weichen Griff (feel) gekennzeichnet sind, um einen Abrieb des Filtermediums zu verhindern. Bevorzugte Beispiele für Materialien zur Herstellung der ersten stromabwärtigen Tragschichten sind Po lypropylen oder Polyester. Bei einer anderen Ausführungsform kann die erste stromabwärtige Tragschicht aus einem nicht gewebten Material hergestellt sein, das mit dem Filtermedium laminiert ist. Es ist jedoch allgemein bevorzugt, die erste stromabwärtige Tragschicht in einer nicht laminierten Position unmittelbar neben dem Filtermedium vorzusehen, wodurch die Strömung durch die erste Tragschicht und die Filtermedien beispielsweise um bis zu 3 % bis 5 % verbessert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung steht die zweite stromabwärtige Tragschicht in Berührung mit der ersten stromabwärtigen Tragschicht und ist so hergestellt, dass sie eine seitliche Fluidströmung erleichtert. Vorzugsweise ist die zweite stromabwärtige Tragschicht aus einem extrudierten, mit Öffnungen versehenen Film- bzw. Folien-Material und vorzugsweise eine mit Öffnungen versehenen Film- bzw. Folienmaterial hergestellt, das auf einer Seite wenigstens eine angeformte Rippe aufweist. Die wenigstens eine Rippe hält in vorteilhafter Weise einen Spalt aufrecht, wenn das gefaltete Filtermedium auf sich selbst umgefaltet wird, wodurch die seitliche Fluidströmung stark verbessert wird.
Es wurde unter anderem gefunden, dass ein Weglassen entweder der ersten oder der zweiten stromabwärtigen Tragschicht das Verhalten des Filters verschlechtert. Die erste stromabwärtige Tragschicht, die typischerweise aus einem nicht gewebten Material hergestellt ist, führt nicht zu einer optimalen seitlichen Strömung. In ähnlicher Weise würde die extrudierte, mit Öffnungen versehene Folie in nachteiliger Weise einen dichten Kontakt mit dem Filtermedium bewirken, wenn sie direkt an diesem angeordnet würde, wodurch der Fluidaustritt aus dem Filtermedium zu Öffnungsstellen eingeschränkt würde. Der zusätzliche Einsatz von Tragschichten bei dem Filteraufbau ermöglicht eine Vergrößerung in der Medienfläche ohne das auf andere Faltkonstruktionen, größere Geometrien oder sogar dünnere Träger zurückgegriffen werden muss, und dies trotz der Tatsache, dass die zusätzlichen Tragschichten zu einer zusätzlichen Dicke führen. Das relativ dünne Filtermedium ist für eine erhöhte Packungsdichte dadurch geeignet, dass die Falten enger zusammengedrückt werden, doch führt bei Systemen gemäß dem Stand der Technik die vergrößerte Fläche, die mit einer engen Packung verbunden ist, nicht zu einer erhöhten Strömung, weil die Trägermaterialien dicht aneinander geklemmt sind. Es wurde nun gefunden, dass dann, wenn mehrere stromabwärtige Tragschichten verwendet werden, wie dies in der vorliegenden Beschreibung offenbart wird, der größere Filterbereich in vorteilhafter Weise direkt zu einer verbesserten Strömung deswegen führt, weil der Transport von Fluid von den stromabwärtigen Schichten zum Kern nicht behindert wird. Selbst dann, wenn das Filterelement mit einem geringeren Filterbereich konstruiert ist, führt die Konstruktion gemäß der Erfindung zu einer verbesserten Strömungsrate und einer verbesserten Flussdichte, d.h. einer verbesserten Strömung pro Fläche.
Das Filtermedium kann eine Vielzahl von Formen annehmen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Gefaltete Filtermedien, die eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Falten aufweisen, können in vorteilhafter Weise in Filterelemente gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut werden. Die spezielle Faltengeometrie ist nicht kritisch in Bezug auf das bessere Verhalten, das gemäß der vorliegenden Erfindung erziel bar ist. Radiale Falten, W-Falten und spiralige Falten sind beispielhafte Faltengeometrien, die für eine Verwendung hier in Betracht kommen.
Die beschriebenen Filterelemente können in Filterpatronen, vorzugsweise zylindrischen Patronen verwendet werden, obwohl diese Filterelemente auch mit gleichem Vorteil mit nicht zylindrischen Filtereinrichtungen (ebenen Filtereinrichtungen) und nicht radialen Faltenkonstruktionen (Spiralfalten) verwendet werden können, um ein verbessertes Filterverhalten, beispielsweise durch eine vergrößerte Filtermediumsfläche und eine verbesserte Strömung zu liefern. Eine beispielhafte Filterpatrone gemäß der vorliegenden Beschreibung umfasst ein Filterelement, das eine Längsachse, einen äußeren Umfang und einen inneren Umfang aufweist. Das Filterelement umfasst typischerweise ein Filtermedium, einen stromaufwärtigen Faltenträger, der stromaufwärts von und in Berührung mit dem Filtermedium angeordnet ist, und einen mehrschichtigen, stromabwärtigen Faltenträger, der stromabwärts vom Filtermedium positioniert ist, sowie hier beschrieben. Beispielhafte Filterpatronen gemäß der vorliegenden Beschreibung umfassen auch typischerweise perforierte, vorzugsweise zylindrische Käfige, die den äußeren Umfang des Filterelementes umgeben, und einen perforierten, vorzugsweise zylindrischen Kern, der vom inneren Umfang des Filterelementes umgeben wird, das koaxial zwischen dem Kern und dem Käfig positioniert ist. Die Patronenbaueinheit ist koaxial im Käfig positioniert. Es ist erforderlich, die Enden des gefalteten Elementes abzudichten, um zu verhindern, dass eine Bypass-Strömung um die Ränder bzw. Kanten herum erfolgt. Wie dies aus dem Stand der Technik wohl bekannt ist, wird dies durch die Verwendung von Endkappen bewerkstelligt. Die Endkappe muss aus einem Material hergestellt sein, das zunächst einen flüssigen Zustand einnimmt, so dass es den Rand der gefalteten Struktur umhüllen kann, und dass dann aushärtet, um eine permanente Dichtung zu ergeben. Eine typische Methode, diese Dichtwirkung zu bewerkstelligen, ist die Verwendung eines wärmeschmelzenden Materials, wie z.B. Polypropylen, Polyethylen oder Polyester, das den geschmolzenen Zustand durch Erhitzen erreicht und beim Abkühlen aushärtet. Ein anderes Verfahren würde darin bestehen, ein thermisch härtendes Material, wie z.B. Epoxy oder ein thermoplastisches Material, wie z.B. Santopren zu verwenden, die sich zunächst in einem flüssigen Zustand befinden aber dann aushärten. Der Ausdruck „hart" wie er hier verwendet wird, ist relativ, da Santopren ein elastomeres Material ist. Es ist stark bevorzugt, dass die Endkappen auch den Käfig und den Kern einbetten, um dem Filter zusätzliche Steifigkeit und Festigkeit zu verleihen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden in einem gesonderten Schritt die Endkappen mit einem Adapterelement verklebt, das es ermöglicht, dass das Filter in verschiedene Gehäuse passt. Es ist jedoch auch allgemein bekannt, die Endkappen- und die Adapter-Funktion in einem einzigen Teil zu kombinieren.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden in einem getrennten Schritt die Endkappen mit einem Adapterelement so kombiniert, dass sie ein einziges Teil bilden, das es ermöglicht, das Filterelement einfacher in das Filtergehäuse einzupassen.
Die nicht zylindrischen Filtervorrichtungen und nicht radialen Konstruktionen ziehen in ähnlicher Weise Nutzen aus den mehrschichtigen Trägern der Erfindung sowohl in stromaufwärtigen als auch stromabwärtigen Positionen aufgrund der größeren Faltenkompression der stromaufwärts liegenden oder äußeren Umfangs-Falten. Ohne Einschränkung sind Filterelemente wie z.B. spiralig gefaltete Filterelemente mit umfasst, die eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Falten aufweisen, die so konstruiert sind, dass benachbarte Falten übereinander gelegt werden, um die Spiralfalten zu bilden, sowie Mehrschicht-Papierlagen-Filterpatronen, bei denen eine Vielzahl von Papierfilter-Blättern mit unterschiedlichen Porengrößen so angeordnet ist, dass in der Richtung des durch sie hindurchgehenden Fluidstroms die Porengröße abnimmt, und die in einer konzentrischen, gewellten, rohrförmigen Konfiguration für den durch sie hindurchgehenden Fluidstrom von einer Seite zur anderen ausgebildet sind, da diese in ähnlicher Weise Nutzen aus mehrschichtigen Trägern sowohl in der stromaufwärtigen als auch der stromabwärtigen Position ziehen, was auf der größeren Kompression der stromaufwärts liegenden oder am äußeren Umfang befindlichen Falten in der Spiralkonstruktion und der relativen Weichheit und daher Unfähigkeit beruht, hohen differentiellen Fluiddrücken ohne Reißen in Mehrschichten-Lagen-Aufbau zu widerstehen.
Diese und andere Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung ergeben sich noch deutlicher für den Durchschnittsfachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen, die auf die beigefügte Zeichnung Bezug nimmt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Damit der Durchschnittsfachmann, den die vorliegende Offenbarung anspricht, noch leichter versteht, wie die beschriebenen Filterelemente hergestellt und verwendet werden können, werden beispielhafte Ausführungsformen dieser Filterelemente im folgenden im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
1 eine teilweise weg geschnittene, perspektivische Ansicht einer Patronenbaueinheit, die ein gefaltetes Filterelement umfasst, das gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebaut und zwischen einem inneren Kern und einem äußeren Käfig der Patronenbaueinheit eingeschlossen ist, wobei ein Teil des Filterelementes aus dem Inneren des Käfigs heraus abgewickelt dargestellt ist,
2 eine perspektivische, teilweise auseinander gezogene Darstellung eines Teils eines beispielhaften Filterelementes, welche die Mehrschicht-Struktur dieses Elementes wiedergibt, und
3 eine schematische Querschnittsansicht, welche die Fluidströmung relativ zu einem beispielhaften Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung wiedergibt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden vorteilhafte Filterelemente, die ein überlegenes Filterverhalten zeigen, dadurch geschaffen, dass eine Auswahl von Tragschichten vorgesehen wird, die zusammenwirken, um die Strömung stark zu erhöhen. Beispielhafte Filterelemente gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen ein Filtermedium, einen stromaufwärtigen Faltenträger und einen mehrschichtigen, stromabwärtigen Faltenträger. Das Filtermedium kann eine Vielzahl von Formen annehmen, wie sie bekannt und im Stand der Technik üblich sind. Gefaltete Filtermedien, die eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Falten besitzen, können vorteilhaft in Filterelementen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die spezifische Faltengeometrie ist für das verbesserte Verhalten nicht kritisch, das gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann. Radiale Falten, W-Falten und spiralige Falten sind beispielhafte Faltengeometrien, die hier verwendet werden können.
Das Filtermedium ist typischerweise aus einer mikroporösen Filtermembran hergestellt, die eine Porengröße von ungefähr 0,1 μ bis ungefähr 10 μ besitzt. Die Porengröße wird typischerweise durch ein Blasenpunkt-Verfahren gekennzeichnet, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Filtermedium kann aus herkömmlichen Filtermaterialien wie z.B. expandiertem Teflon, Nylon, Polyethersulfon, Polyvinyldendifluorid und dergleichen hergestellt werden.
Die Auswahl eines stromaufwärtigen Faltenträgers gemäß der vorliegenden Erfindung ist für das Filterverhalten nicht kritisch und seine Auswahl hängt im allgemeinen von einer Reihe von Faktoren ab, wie z.B. von Anforderungen bezüglich der Fähigkeit des stromaufwärtigen Trägers, die Strömung unter Schmutzbelastung aufrecht zu erhalten, der erforderlichen chemischen Widerstandsfähigkeit des stromaufwärtigen Trägers und/oder von Gesichtspunkten, die mit möglichen Beschädigungen des Filtermediums in Verbindung stehen, die durch den stromaufwärtigen Träger verursacht werden können.
Der mehrschichtige, stromabwärtige Faltenträger umfasst eine erste stromabwärtige Trägerschicht und eine zweite stromabwärtige Trägerschicht. Die erste stromabwärtige Trägerschicht liegt zwischen dem Filtermedium und der zweiten stromabwärtigen Trägerschicht. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die erste stromabwärtige Trägerschicht unter Verwendung eines Materials hergestellt, das durch die herkömmliche Spunbond-, Spunlace-, Airlaid- oder Wetlaid-Verfahren hergestellt worden ist. Die erste stromabwärtige Trägerschicht wird so hergestellt, dass die Anzahl der Punkte, an denen ein Oberflächenkontakt mit dem Filtermedium auftreten kann, minimiert wird, wodurch der Fluidstrom vom Filtermedium weg erhöht wird. Insbesondere wird der erste stromabwärtige Träger aus einem Material hergestellt, das die Membran an möglichst wenigen Stellen berührt, so dass das Fluid unabhängig davon, ob es eine Flüssigkeit oder ein Gas ist, aus dem Filtermedium aus- und in die zweite stromabwärtige Trägerschicht eintreten kann, die unmittelbar darunter angeordnet ist.
Bevorzugte erste, stromabwärtige Trägerschichten werden aus Materialien wie z.B. Polyamid, Polypropylen oder Polyester hergestellt, beispielsweise Poly(ethylen-terephthalat) (PET), Poly(butylenterephthalat) (PBT), PTT oder Polyaramid. Ein bevorzugtes Material zur Verwendung bei der Herstellung der ersten stromabwärtigen Trägerschicht ist BBA Nonwoven Typar 3091 L, obwohl auch andere nicht gewebte Materialien, welche die Punkte des Oberflächenkontaktes mit dem Filtermedium minimieren, für eine Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind.
Die nicht gewebten Materialien können unter Verwendung von thermischen Bindeverfahren oder chemischen Bindern hergestellt werden. Geeignete Materialien für die Verwendung bei der Herstellung der ersten stromabwärtigen Trägerschicht sind durch eine hohe Luftdurchlässigkeit, geringe Dicke, hohe Festigkeit, kleinen Faserdurchmesser und/oder einen relativen weichen Griff gekennzeichnet, um Abrieb des Filtermediums zu verhindern. Bei manchen Anwendungsfällen kann es wünschenswert sein, der ersten stromabwärtigen Trägerschicht eine chemische oder Oxidations-Widerstandsfähigkeit zu verleihen, wie dies für den Fachmann offensichtlich ist, basierend auf den beabsichtigten Filteranwendungen.
Bei einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste stromabwärtige Trägerschicht ein nicht gewebtes Material, das mit dem Filtermedium durch Laminieren verbunden ist. Das Laminieren kann gemäß herkömmlichen Laminierverfahren durchgeführt werden, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Wie jedoch oben erwähnt, ist es allgemein bevorzugt, die erste, stromabwärtige Trägerschicht nicht laminiert unmittelbar neben dem Filtermedium anzuordnen, wodurch die Strömung durch die erste Trägerschicht und das Filtermedium um bis zu 3 % bis 5 % verbessert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung steht die zweite stromabwärtige Trägerschicht in Berührung mit der ersten stromabwärtigen Trägerschicht und ist so hergestellt, dass sie eine seitliche Fluidströmung erleichtert. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zweite stromabwärtige Trägerschicht aus einem extrudierten, mit Öffnungen versehenen Film- bzw. Folienmaterial und vorzugsweise aus einem mit Öffnungen versehenen Folienmaterial hergestellt, das auf einer Seite zumindest eine Rippe aufweist. Die wenigstens eine Rippe hält in vorteilhafter Weise einen Spalt aufrecht, wenn das gefaltete Filtermedium auf sich selbst umgefaltet wird, wodurch die seitliche Fluidströmung stark verbessert wird. Ein bevorzugtes Material zur Verwendung bei der Herstellung der zweiten stromabwärtigen Trägerschicht ist Delstar Delnet RC-0707-24P.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass ein Weglassen entweder der ersten oder der zweiten stromabwärtigen Trägerschicht das Verhalten des Filters verschlechtert. Wie oben erwähnt, sorgt die erste Trägerschicht, die typischerweise aus einem nicht gewebten Material hergestellt ist, nicht für einen optimalen seitlichen Fluss, während die extrudierte, mit Öffnungen versehene Folie in nachteiliger Weise einen unerwünschten, dichten Kontakt am Filtermedium bewirken würde, wenn sie direkt an ihm angeordnet würde, wodurch das Austreten von Fluid aus dem Filtermedium zu Öffnungspunkten eingeschränkt würde.
Um zu belegen, dass die Verwendung sowohl einer ersten als auch einer zweiten Trägerschicht bei der Filterkonstruktion zu einem verbesserten Luftströmungsverhalten führt, konstruierten die Erfindung neun Patronen, von denen drei Gruppen einer der folgenden drei Gruppen entsprechen:

Gruppe 1 (gemäß der Erfindung) sowohl mit einer ersten als auch mit einer zweiten stromabwärtigen Trägerschicht.
Gruppe 2 die erste stromabwärtige Trägerschicht ist weggelassen (nicht gewebtes Material)
Gruppe 3 die zweite stromabwärtige Trägerschicht ist weggelassen (extrudierte, mit Öffnungen versehene Folie).

Alle diese Faltungspakete wurden auf eine einheitliche Länge von 14,6 cm zugeschnitten, statt die Anzahl von Falten pro Faltenpaket konstant zu halten. Dies diente dazu, eine konstante Faltenkompression innerhalb des Paketes aufrecht zu erhalten und beseitigte eine Falten-Trennungszustand, der zu Endkappen-Fehlern führen kann.
Ein Luftströmungs- und ein Wasserströmungsratentest wurden unter Verwendung herkömmlicher Verfahren an den drei Patronen durchgeführt, von denen jede eine der drei Gruppen vertrat. Die effektive Filterfläche (EFA) wurde für jede der Patronen nach Abschluss des Tests gemessen. Die Analyse der Testergebnisse folgt. Die Ergebnisse für das Strömungsverhalten wurden ebenfalls auf EFA normalisiert.
Luftströmung
Der Luftströmungstest wurde bei Belüftungsbedingungen und bei 30 psig durchgeführt. Im Mittel verloren bei beiden Bedingungen die Patronen der Gruppen 2 und 3 30 % ihres Luftströmungs-Verhaltens im Vergleich zur Kontrollgruppe. Tabelle 1 zeigt den Luftstrom bei Belüftungsbedingungen und Tabelle 2 den Luftstrom bei 30 psig.
Tabelle 1

* EFA standard 11,0 ft² (1,022 m²)

Tabelle 2

* EFA standard 11,0 ft² (1,022 m²)

Wasserströmungsraten
Der Wasserströmungsratentest zeigte, dass die beiden Gruppen 2 und 3 eine mittlere Abnahme von 36 % der Wasserströmungs-Effizienz aufwiesen.
Tabelle 3

* EFA standard 11,0 ft² (1,022 m²)

Das Hinzufügen von Tragschichten zur Filterkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Vergrößerung der Medienfläche ohne das auf verschiedene Faltkonstruktionen, größere Geometrien oder sogar dünnere Träger zurückgegriffen werden muss, obwohl die zusätzlichen Tragschichten effektiv die Dicke vergrößern. Das relativ dünne Filtermedium kann dadurch stärker gepackt werden, das die Falten dichter zusammengedrückt werden als bei dem Stand der Technik entsprechenden Systemen, bei denen die durch das enge Packen vergrößerte Fläche nicht zu einem vergrößerten Fluss führt, da die Trägermaterialien eng zusammengeklemmt worden sind. Wenn jedoch mehrfache stromabwärtige Tragschichten verwendet werden, wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist, wird ein verbessertes Filterverfahren beobachtet, nämlich eine verbesserte Strömungsrate und eine verbesserte Flussdichte (Strömung pro Fläche).
Die beschriebenen Filterelemente können in Filterpatronen verwendet werden, um ein verbessertes Filterverhalten, beispielsweise durch eine vergrößerte Medienfläche und eine verbesserte Strömung zu erzielen.
Eine beispielhafte Filterpatrone gemäß der vorliegenden Beschreibung umfasst ein Filterelement, das eine Längsachse, einen äußeren Umfang und einen inneren Umfang aufweist. Das Filterelement umfasst typischerweise ein Filtermedium, einen stromaufwärtigen Faltenträger, der stromaufwärts von und in Berührung mit dem Filtermedium angeordnet ist, und einen mehrlagigen, stromabwärtigen Faltenträger, der stromabwärts vom Filtermedium positioniert ist. Der mehrlagige, stromabwärtige Träger umfasst eine erste stromabwärts liegende Trägerschicht und eine zweite stromabwärts liegende Trägerschicht. Es wurde gefunden, dass es zwar zu bevorzugen ist, dass ein stromaufwärtiger Faltenträger vorhanden ist, doch ist seine Anwesenheit nicht für die günstigen Ergebnisse wesentlich, die gemäß der Erfindung erzielt werden.
Die erste stromabwärtige Trägerschicht steht in Berührung mit dem Filtermedium und ist zwischen das Filtermedium und die zweite stromabwärtige Schicht eingefügt, wobei die erste stromabwärtige Trägerschicht so hergestellt ist, dass die Punkte der Oberflächenberührung mit dem Filtermedium minimiert sind.
Die zweite stromabwärtige Trägerschicht steht in Berührung mit der ersten stromabwärtigen Trägerschicht und ist so hergestellt, dass sie einen seitlichen Fluidstrom relativ zu dem mehrere Schichten umfassenden stromabwärtigen Faltenträger erleichtert.
Die Filterpatronen gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen auch typischerweise einen perforierten Käfig, der den äußeren Umfang des Filterelementes umgibt, einen perforierten Kern, der vom inneren Umfang des Filterelementes umgeben wird und koaxial im Käfig angeordnet ist, sowie Endkappen, welche die Enden des perforierten Käfigs umschließen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen ähnliche Strukturelemente der vorliegenden Erfindung. In 1 ist eine Patrone mit einem gefalteten Filter gemäß der Erfindung dargestellt und allgemein mit den Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Die Filterpatrone 10 umfasst ein längliches, gefaltetes Filterelement 12, das eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Falten 14 aufweist, die einen zentralen, perforierten Kern 20 umgeben, der koaxial im Filterelement und einem perforierten äußeren Käfig 30 angeordnet ist, der das Filterelement koaxial umgibt. Der Kern 20 stützt den inneren Umfang des Filterelementes 12 gegen Kräfte in radialer Richtung ab und hilft dabei, den Filter axiale Festigkeit und Starrheit gegen ein Abbiegen zu verleihen. Der Käfig 30 hält die Falten des Filterelementes 10 vorzugsweise in einer radialen Faltkonfiguration zurück. Es ist möglich, andere Mittel als den Käfig 30 zu verwenden, um die Falten zurückzuhalten, wie z.B. ein polymeres Gewebe- oder Maschenmaterial, die verwendet werden können, um die Falten um den äußeren Umfang des Filterelementes 12 herum festzuhalten. Üblicherweise ist eine Patronenbaueinheit 10 an beiden Enden mit Endkappen ausgestattet. Die Endkappen 40 können entweder geschlossene oder offene Endkappen sein, und die Materialien, aus denen sie hergestellt sind und ihre Form werden in Abhängigkeit von den Filterbedingungen und den Materialien der Elemente gewählt, mit denen sie verbunden werden sollen.
Wenn das Filterelement 12 unter Bedingungen verwendet wird, bei denen das Fluid durch das Filterelement radial nach innen strömt, d.h. vom Käfig 30 zum Kern 20, dann bilden die inneren Oberflächen der Faltenschenkel die stromabwärtige Oberfläche des Filterelementes 12, während die äußeren Oberflächen der Faltenschenkel die stromaufwärtige Oberfläche des Filterelementes 12 bilden. Wenn umgekehrt das Filterelement 12 unter Bedingungen verwendet wird, bei denen das Fluid radial nach außen durch das Element strömt, d.h. vom Kern zum Käfig, dann definieren die inneren Oberflächen der Faltenschenkel die stromaufwärtige Oberfläche des Filterelementes 12 und die äußeren Oberflächen der Faltenschenkel definieren die stromabwärtige Oberfläche des Filterelementes 12. Genauer gesagt beziehen sich die Ausdrücke stromaufwärts und stromabwärts so, wie sie hier verwendet werden, auf die inneren und äußeren Oberflächen des Filterelementes 12, wenn das Filterelement einem radial nach außen gerichteten Fluidstrom unterworfen ist.
Das Filterelement 12 umfasst einen stromaufwärtigen Faltenträger 16, ein Filtermedium 18, einen mehrere Schichten umfassenden stromabwärtigen Träger, der eine erste stromabwärtige Trägerschicht 19 und eine zweite stromabwärtige Trägerschicht 22 umfasst. Die Auswahl eines stromaufwärtigen Faltenträgers 16 ist für das Filterverhalten nicht kritisch und seine Auswahl hängt im allgemeinen von einer Reihe von Faktoren ab, nämlich den Anforderungen, die an die Fähigkeit des stromaufwärtigen Trägers gestellt werden, die Strömung unter einer Schmutzbelastung aufrecht zu erhalten, sowie den Anforderungen hinsichtlich der chemischen Widerstandsfestigkeit des stromaufwärtigen Trägers und/oder in Bezug auf Bedingungen, die mit der Möglichkeit zusammenhängen, dass das Filtermedium durch den stromaufwärtigen Träger beschädigt wird.
Das Filtermedium 18 kann eine Vielzahl von Faltungsformen aufweisen, so dass das Filtermedium 18 radiale Falten, W-Falten oder spiralige Falten umfassen kann.
Es gibt keine speziellen Beschränkungen hinsichtlich der Art des Filtermediums 18, die in dem vorliegenden Filterelement 12 verwendet werden kann, und das Filtermedium kann entsprechend den zu filternden Fluid und der gewünschten Filtermerkmale ausgewählt werden. Das Filtermedium 18 kann verwendet werden, um Fluide wie z.B. Flüssigkeiten, Gase oder Mischungen hiervon zu filtern, und kann einen porösen Film oder eine poröse Folie oder eine fasrige Lage oder Masse oder irgendeine Kombination hiervon umfassen, kann eine gleichförmige oder abgestufte Porenstruktur und jede geeignete wirksame Porengröße besitzen; es kann eine oder mehrere Schichten umfassen; auch kann das Filtermedium aus irgendeinem geeigneten Material wie z.B. einem natürlichen Material, einem synthetischen Polymer, Glas oder Metall hergestellt sein.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht das Filtermedium aus einer oder mehreren Lagen von nicht gewebten thermoplastischen Mikrofasern. Die nicht gewebten thermoplastischen Mikrofasern können beispielsweise schmelzgeblasen, spunbond, spunlaced, gekrempelt oder hydrovernetzt sein. Zusätzlich kann das Filtermedium kalendriert oder komprimiert sein, um seine Porosität weiter zu modifizieren. Für Filteranwendungen bei niedrigeren Temperaturen (d.h. unter 80°C) kann das thermoplastische Material beispielsweise Polypropylen umfassen, während für Anwendungsfälle mit höheren Temperaturen (d.h. oberhalb von 80°C) oder für eine che mische Kompatibilität mit anderen Fluiden das thermoplastische Material beispielsweise Polyaramid, Nylon, Polyester oder schmelzverarbeitbare Fluoropolymere umfassen kann.
Das Filtermedium 18 ist typischerweise ein mikroporöses Filtermedium, das eine Porengröße von ungefähr 0,1 μ bis ungefähr 10 μ aufweist und ist im allgemeinen aus herkömmlichen Filtermaterialien wie z.B. expandiertem Teflon, Nylon, Polyethersulfon, Polyvinyldendifluorid und dergleichen hergestellt.
Die Porengröße des Filtermediums 18 wird im allgemeinen durch Blasenpunkt-Tests charakterisiert, bei denen der Druck gemessen wird, der erforderlich ist, um entweder die erste Luftblase aus einer völlig benetzten Phaseninversionsmembran zu drücken (Anfangsblasenpunkt oder „IPP"), und den höheren Druck, der Luft aus der Mehrzahl der Poren über die gesamte Phaseninversionsmembran hinweg drückt (Gesamt-Schaum-Punkt oder „FAOP"). Die Verfahren zur Durchführung des Anfangs-Blasen-Punkt-Tests und des FAOP-Tests werden in der US-Patentschrift 4,645,602 diskutiert, deren Inhalt durch Bezugnahme hier mit aufgenommen wird. Das Verfahren für den Anfangs-Blasen-Punkt-Test und den üblicheren Mean Flow Pore-Test sind im einzelnen beispielsweise in ASTM F316-70 und ANS/ASTM F316-70 (1976 überarbeitet) beschrieben, deren Inhalt hier ebenfalls durch Bezugnahme mit aufgenommen wird. Die Blasen-Punkt-Werte für mikroporöse Phaseninversionsmembranen liegen im allgemeinen im Bereich von ungefähr 0,345 bar Überdruck bis ungefähr 6,895 bar Überdruck in Abhängigkeit von der Porengröße und dem Benetzungsfluid. Ein weiteres Porenmess-Verfahren ist in ASTM E1294 89 beschrieben, wo eine Methode zur Ermittlung der Porengröße durch Freigeben von Fluid aus den Poren der Membran und Messung der sich ergebenden Strömung erläutert wird. Dieses Verfahren wird verwendet, um die mittlere Strömungspore zu messen und ist ähnlich dem Verfahren, das verwendet wird, den Blasen-Punkt zu messen, und gibt den Anfangs-Blasen-Punkt als maximale Porengröße wieder.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt, ist die erste stromabwärtige Trägerschicht 19 zwischen dem Filtermedium 18 und der zweiten stromabwärtigen Trägerschicht 22 angeordnet. Bei einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste stromabwärtige Trägerschicht 19 unter Verwendung eines Spunbond-, Spunlace-, Airlaid- oder Wetlaid-Verfahrens hergestellt und so erzeugt, dass die Punkte der Oberflächenberührung mit dem Filtermedium 18 minimiert werden, wodurch der Fluidstrom weg vom Filtermedium 18 erhöht wird. Genauer gesagt, ist die erste stromabwärtige Trägerschicht 19 im allgemeinen aus einem Material hergestellt, welches das Filtermedium 18 in möglichst wenigen Punkten berührt, um es so dem Fluid unabhängig davon, ob es sich bei ihm um eine Flüssigkeit oder ein Gas handelt, zu ermöglichen, aus dem Filtermedium 18 aus- und in die zweite stromabwärtige Trägerschicht 22 einzutreten.
Der Fluidstrom durch die Filterelemente gemäß der vorliegenden Offenbarung ist schematisch in 3 dargestellt, in der die horizontalen Teile „H" den Fluidstrom durch die erste stromabwärtige Trägerschicht 19 weg vom Filtermedium 18 und zur zweiten stromabwärtigen Trägerschicht 22 hin zeigen. Die vertikalen Pfeile „V" zeigen den seitlichen Fluidstrom, der durch die physikalischen Eigenschaften der zweiten stromabwärtigen Trägerschicht 22 erleichtert wird. Der der zweiten stromabwärtigen Trägerschicht 22 zugeordnete seitliche Fluidstrom führt gefiltertes Fluid zum Austrittspunkt, der dem beispielhaften Filterelement 12 zugeordnet ist, d.h. zum Kern 20.
Die ersten stromabwärtigen Trägerschichten sind vorzugsweise aus Materialien wie z.B. Polyamid, Polypropylen oder Polyestern hergestellt, z.B. Poly(ethylenterephthalat) (PET), Poly(butylenterephthalat) (PBT), PTT oder Polyaramid. Ein bevorzugtes Material für die Verwendung bei der Herstellung der ersten stromabwärtigen Trägerschicht ist BBA Nonwoven Typar 3091 L, obwohl auch andere nicht gewebte Materialien, die die Berührungspunkte mit dem Filtermedium minimieren, für die Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Vorteilhafte Eigenschaften nicht gewebter Materialien, die bei der Herstellung der ersten stromabwärtigen Trägerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind eine geringe Faserstärke (d.h. ein niedrigerer Faserdurchmesser), ein niederes Basisgewicht (unter der Voraussetzung, dass eine adäquate Gewebefestigkeit beibehalten wird) und eine geringe Dicke. Wie jedoch oben erwähnt, ist ein Leitprinzip bei der Auswahl eines geeigneten Materials für die Herstellung der ersten stromabwärtigen Schicht die Minimierung der Berührungspunkte mit dem Filtermedium und ein hoher Strom durch die nicht gewebte Schicht, während gleichzeitig eine adäquate Festigkeit gegeben ist.
Die Fasern, die das nicht gewebte Material bilden, können mit Wärmeklebern oder chemischen Klebern miteinander verbunden werden. Geeignete Materialien für die Verwendung bei der Herstellung der ersten stromabwärtigen Trägerschicht sind im allgemeinen durch hohe Luftdurchlässigkeit, geringe Dicke, hohe Festigkeit, kleinen Faserdurchmesser und/oder relativ weichen Griff auszeichnen, um einen Abrieb des Filtermediums zu verhindern. Bei manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein, der ersten stromabwärtigen Trägerschicht eine chemische Widerstandsfähigkeit oder Oxidations-Widerstandsfähigkeit zu verleihen, wie dies für den Fachmann offenkundig ist, basierend auf der oder den beabsichtigten Filteranwendungen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die erste stromabwärtige Trägerschicht ein nicht gewebtes Material, das mit dem Filtermedium laminiert ist. Die Laminierung kann gemäß herkömmlicher Laminierverfahren durchgeführt werden, wie sie aus dem Stand der Technik wohl bekannt sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung steht die zweite stromabwärtige Trägerschicht in Berührung mit der ersten stromabwärtigen Trägerschicht und ist so hergestellt, dass sie einen seitlichen Fluidstrom erleichtert. Somit ist in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die zweite stromabwärtige Trägerschicht aus einem extrudierten, mit Öffnungen versehenen Film- bzw. Folienmaterial und vorzugsweise aus einem mit Öffnungen versehenen Film- bzw. Folienmaterial mit wenigstens einer auf einer Seite ausgebildeten Rippe hergestellt. Die wenigstens eine Rippe hält in vorteilhafter Weise einen Spalt aufrecht, wenn das gefaltete Filtermedium auf sich selbst umgefaltet wird, wodurch die seitliche Fluidströmung stark verbessert wird. Ein bevorzugtes Material zur Verwendung bei der Herstellung der zweiten stromabwärtigen Trägerschicht gemäß der vorliegenden Erfindung ist Delstar Delnet RC-0707-24P.
Viele verschiedene Filtervorrichtungen ziehen Nutzen aus den hier beschriebenen verbesserten Verhaltensattributen. Beispielsweise können sich die beschriebenen mehrschichtigen stromabwärtigen Trägerschichten als besonders nützlich bei Teflon-Filtermedien erweisen, die bei Luftanwendungen verwendet werden sowie bei hydrophoben PVDF-Filternmedien, die ebenfalls bei Luftanwendungen zum Einsatz kommen. Insbesondere Teflon-Membranen können mit einem nicht gewebten Träger als Teil des Herstellungsverfahrens laminiert werden.
Es ist weiterhin möglich, dass der beschriebene, mehrere Schichten umfassende, stromabwärtige Träger in vorteilhafter Weise bei einer nicht zylindrischen Filtereinrichtung zum Einsatz kommen kann. Beispielsweise ist es möglich, dass bei einer Filtervorrichtung, die einen mehrschichtigen, stromabwärtigen Träger umfasst, wie er hier beschrieben ist, und eine Geometrie aufweist, bei welcher der äußere und der innere Umfang im wesentlichen zueinander parallel sind, ein erhöhtes Filterverhalten durch Erhöhung der Filtermedien-Fläche und eine Verbesserung der Strömung bzw. des Durchsatzes erreicht wird. Tatsächlich ist zu erwarten, dass durch eine Verwendung des beschriebenen, mehrere Schichten umfassenden stromabwärtigen Trägers in einer im wesentlichen ebenen Filtereinrichtungs-Konfiguration der Fluidstrom (sowohl durch die Filtervorrichtung als auch seitlich relativ zur Filtervorrichtung) in vorteilhafter Weise trotz einer dichten Packung der in ihm befindlichen Falten aufrechterhalten wird.
Obwohl die Filterelemente und Filterpatronen der vorliegenden Beschreibung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen erläutert wurden, ist dem Fachmann ohne weiteres klar, dass Änderungen und Modifikationen an ihnen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.

Claims

Filterelement (12), umfassend: ein Filtermedium (18); einen stromaufwärts liegenden Filtermedium-Träger (16), der stromaufwärts und in Kontakt mit dem Filtermedium angeordnet ist; und einen mehrschichtigen, stromabwärts liegenden Filtermedium-Träger (19, 22), der stromabwärts des Filtermediums angeordnet ist, wobei der mehrschichtige, stromabwärts liegende Träger eine erste, stromabwärts liegende Trägerschicht (19) und eine zweite, stromabwärts liegende Trägerschicht (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass: a) die erste, stromabwärts liegende Trägerschicht (19) mit dem Filtermedium (18) in Kontakt steht und zwischen dem Filtermedium und der zweiten, stromabwärts liegenden Schicht (22) angeordnet ist, wobei die erste, stromabwärts liegende Trägerschicht derart hergestellt ist, dass die Anzahl der Oberflächen-Berührungspunkte mit dem Filtermedium minimiert wird; und b) die zweite, stromabwärts liegende Trägerschicht (22) mit der ersten, stromabwärts liegenden Trägerschicht in Kontakt steht und derart hergestellt ist, dass eine laterale Fluidströmung relativ zum mehrschichtigen, stromabwärts liegenden Träger erleichtert wird, wobei die zweite, stromabwärts liegende Trägerschicht (22) einen extrudierten, mit Öffnungen versehenen Film umfasst, der Rippen aufweist.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (18) ein gefaltetes Filtermedium ist, das mehrere Falten (14) aufweist, die sich in einer Längsrichtung erstrecken.
Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sich longitudinal erstreckenden Falten (14) des gefalteten Filtermediums (18) aus der Gruppe bestehend aus radialen Falten, W-Falten und spiralförmigen Falten gewählt sind.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (18) eine mikroporöse Filtermembran ist, die eine Porengröße von etwa 0,1 μm bis etwa 10 μm aufweist.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (18) aus einem Material hergestellt ist, das aus der Gruppe bestehend aus Teflon, Nylon, Polyaramid, Polyvinyliden-Difluorid, Polyether-Sulfon und deren Kombinationen gewählt ist.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mehrschichtige, stromabwärts liegende Träger (19, 22) aus einer ersten, stromabwärts liegenden Trägerschicht und einer zweiten, stromabwärts liegenden Trägerschicht besteht.
Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste, stromabwärts liegende Trägerschicht (19) aus einem Vliesstoff hergestellt ist.
Filterelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff auf das Filtermedium (18) laminiert ist.
Filterelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vliesstoff aus einem Spun-Bond-, Spun-Lace-, Air-Laid- oder Wet-Laid-Material hergestellt ist.
Filterelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fließmaterial aus Polypropylen, Polyester oder Polyamid hergestellt ist.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der extrudierte, mit Öffnungen versehene Film (22) auf einer Seite Rippen aufweist.
Filterkartusche, umfassend ein Filterelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Filterelement (12) eine Längsachse, einen Außenumfang und einen Innenumfang aufweist; und die Filterkartusche (10) ferner einen perforierten Käfig (30), der den Außenumfang des Filterelements umgibt; eine perforierte Hülse (20), die vom Innenumfang des Filterelements umgeben wird; und Endkappen (40) umfasst, die beide Enden des perforierten Käfigs abschließen.
Filterkartusche nach Anspruch (12), dadurch gekennzeichnet, dass die perforierte Hülse (20) eine zylindrische Hülse ist, die koaxial innerhalb des Filterelements angeordnet ist, das ein zylindrisches Filterelement ist, wobei der Käfig (30) ebenfalls zylindrisch ist und koaxial um das zylindrische Filterelement herum angeordnet ist.