DE69334045T2

DE69334045T2 - Faltenfilter

Info

Publication number: DE69334045T2
Application number: DE69334045T
Authority: DE
Inventors: Richard C. Stoyell; Kenneth M. Williamson; Scott D. Hopkins; Stephen A. Geibel; Terry L. Wolff
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1992-11-06
Filing date: 1993-11-08
Publication date: 2007-01-25
Anticipated expiration: 2013-11-09
Also published as: JP3699475B2; US7083564B2; EP0667800A4; EP0982061A1; CN1067291C; DE4395947T1; EP0983954A1; EP1380331A1; WO1994011082A1; US7318800B2; CA2148692A1; CN1083285C; DE69329118D1; KR100329141B1; CN1083286C; CN1091052A; EP1380331B1; EP0667800B1; EP0982060A1; JP2001198425A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Faltenfilter.
Zylindrische Filterelemente mit sich in radialer Richtung erstreckenden Längsfalten gehören zu den gebräuchlichsten Arten von Filterelementen und werden zum Filtern zahlloser Fluide, d.h. Flüssigkeiten oder Gase, eingesetzt. (In der vorliegenden Anmeldung schließen die Begriffe "Filter" und "Filtration" durchweg sowohl die Entfernung von Partikeln, z.B. durch Sieben oder Zurückhalten im Inneren eines porösen Mediums, als auch die Entfernung von Verunreinigungen, z.B. durch Ionenaustauscherharze oder Sorptionsmittel, ein.) Bei einem typischen zylindrischen Faltenfilterelement sind mehrere Falten um einen röhrenförmigen Kern angeordnet, um einen Zylinder zu definieren. In einem transversalen Querschnitt gesehen erstrecken sich die einzelnen Falten eines derartigen Filterelements von dem Kern radial nach außen in Richtung der äußeren Peripherie des Filterelements. Es ist gute Konstruktionspraxis, ausreichend Falten in einem zylindrischen Filterelement zu haben, so dass benachbarte Falten einander entlang dem Umfang des Kerns berühren. Bedingt durch die radiale Geometrie der Falten vergrößert sich jedoch mit zunehmendem Abstand vom Zentrum des Kerns zwangsweise auch der Abstand zwischen benachbarten Falten. Folglich weist ein typisches zylindrisches Faltenfilterelement viel ungenutzten Raum zwischen benachbarten Falten auf.
Das Vergrößern eines Filterelements, um den ungenutzten Raum zwischen benachbarten Falten zu kompensieren, ist häufig nicht möglich. In der heutigen Filterindustrie sind die Abmessungen von Filtergehäusen, in denen die Filterelemente eingeschlossen sind, weitgehend standardisiert. Demnach liegt eine große Herausforderung an den Filterkonstrukteur darin, die Filtrationsleistung eines Filterelements, d.h. den nutzbaren Oberflächenbereich, zu erhöhen, ohne dabei dessen äußere Abmessungen zu verändern, so dass es in Verbindung mit bestehenden Filtergehäusen verwendet werden kann.
Obschon zylindrische Faltenfilterelemente allgemein sehr gebräuchlich sind, werden sie typischerweise bislang nicht als Vorschicht- oder Precoatfilter eingesetzt. Ein Precoatfilter ist eine Art von Filter, bei dem eine Aufschlämmung als Kuchen, Vorschicht oder Precoatschicht genannt, auf das Äußere einer nicht gefalteten, porösen Stützstruktur, Septum genannt, aufgebracht wird. Nach Aufbringen der Precoatschicht auf das Septum wird ein zu filterndes Fluid durch die Precoatschicht und das Septum hindurchgeleitet, wobei die Precoatschicht dazu dient, das Fluid zu filtern. Faltenfilterelemente wurden bisher nicht als Unterlagen für Septa eingesetzt wegen der Neigung der Falten, zu kollabieren, wenn die Precoatschicht aufgebracht wird oder das Fluid die Precoatschicht durchströmt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Filter bereit zum Filter zum Entfernen einer oder mehr Substanzen aus einem das Filter durchströmenden Fluid, wobei das Filter umfasst: ein zylindrisches Filterelement mit einer Längsachse, einer ersten und einer zweiten Endoberfläche, einem Innendurchmesser (d), einem Außendurchmesser (D) und einem Faltenkomposit, wobei das Faltenkomposit eine Mehrzahl von Füßen, Köpfen und Schenkeln aufweist, wobei die Schenkel an den Füßen und Köpfen verbunden sind, um eine Mehrzahl von Längsfalten zu definieren, die sich in einer gekrümmten, bogenförmigen, winkelförmigen oder geraden nicht-radialen Richtung erstrecken, wobei benachbarte Schenkel in Kontakt stehen und wobei jede Falte einen Schenkel mit einer Höhe (h) aufweist, die größer ist als (D-d)/2, wobei die Höhe in einer Richtung entlang dem Schenkel zwischen einem Fuß und einem Kopf gemessen ist, und wobei das Faltenkomposit ferner ein Filtermedium, eine Stromaufwärtsdrainagelage und eine Stromabwärtsdrainagelage aufweist, wobei das Filtermedium eine Stromaufwärtsoberfläche und eine Stromabwärtsoberfläche aufweist und wobei das Filtermedium frei von großen Oberflächendrainageirregularitäten ist, wobei die Stromaufwärtsdrainagelage entlang jedem Schenkel stromaufwärts der Stromaufwärtsoberfläche des Filtermediums (12) positioniert ist und wobei die Stromabwärtsdrainagelage entlang jedem Schenkel stromabwärts der Stromabwärtsoberfläche des Filtermediums positioniert ist, ein erstes und ein zweites Endelement, welche zu dem ersten und dem zweiten Ende des zylindrischen Filterelementes gedichtet sind, und eine um das Filterelement angeordnete Haltevorrichtung.
Die Höhe der Falten eines Filters gemäß vorliegender Erfindung ist viel größer als die eines konventionellen Filters gleichen Innen- und Außendurchmessers. Als eine Folge davon kann der zur Filtration nutzbare Oberflächenbereich eines Filters gemäß vorliegender Erfindung, der proportional der Faltenhöhe ist, deutlich vergrößert sein, was in einer längeren Lebensdauer resultiert.
Ein die vorliegende Erfindung verkörperndes Filter kann ein hohles Zentrum und eine zylindrische äußere Peripherie aufweisen. Es kann für Durchströmung von außen nach innen verwendet werden, wobei ein zu filterndes Fluid von der äußeren Peripherie durch das Filterelement in das hohle Zentrum strömt, oder es kann für Durchströmung von innen nach außen verwendet werden, wobei Fluid aus dem hohlen Zentrum durch das Filterelement zu der äußeren Peripherie strömt. Es kann auch als Precoatfilter verwendet werden.
1 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung eines Filters.
2 ist ein transversaler Querschnitt eines Teils des Filters von 1.
3 ist ein vergrößerter Querschnitt einer der Falten von 2.
4 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Teils eines Filterkomposits mit einem Einsatzstreifen an einem Ende.
5 zeigt schematisch ein Verfahren zum Überführen der Falten eines Filterelements in einen umgelegten Zustand.
6–11 sind schematische Darstellungen, welche ein Verfahren zum Bilden eines Filterelements und eine Vorrichtung hierfür illustrieren.
12 und 13 sind schematische Darstellungen, welche ein anderes Verfahren zum Bilden eines Filterelements und eine Vorrichtung hierfür illustrieren.
14 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer der Falten von 9.
15 ist eine Seitenansicht einer Faltvorrichtung.
16 ist eine Draufsicht auf die Faltvorrichtung nach 15.
17 ist eine Seitenansicht einer anderen Faltvorrichtung.
18 ist eine Seitenansicht einer weiteren Faltvorrichtung.
19–21 sind schematische Darstellungen, welche ein Verfahren zum Zusammenbau eines Filterelements und eine Vorrichtung hierfür illustrieren.
22 ist eine teilweise geschnittene perspektivische Darstellung eines anderen Filters.
23 ist ein Querschnitt eines Precoatfilters.
24 ist ein Querschnitt eines anderen Precoatfilters.
1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Filters gemäß vorliegender Erfindung. Diese Ausführungsform weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf und umfasst ein Faltenfilterelement 10 mit mehreren Längsfalten 11. Ein zylindrischer Kern 20 kann koaxial entlang der inneren Peripherie des Filterelements 10 angeordnet sein, und ein zylindrischer Käfig oder Umhüllung 30 kann entlang der äußeren Peripherie des Filterelements 10 angeordnet sein.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, weist jede Falte 11 zwei Schenkel 11a auf, welche an dem Kopf 11b der äußeren Peripherie des Filterelements 10 verbunden sind, und welche an dem Fuß 11c der inneren Peripherie des Filterelements 10 mit einem Schenkel 11a einer benachbarten Falte 11 verbunden sind. Jeder Schenkel 11a weist eine innere Oberfläche 11d auf, die der inneren Oberfläche 11d des anderen Schenkels 11a derselben Falte 11 gegenüberliegt, und eine äußere Oberfläche 11e, die der äußeren Oberfläche 11e eines Schenkels 11a einer benachbarten Falte 11 gegenüberliegt. Wenn das Filterelement 10 so verwendet wird, dass Fluid radial nach innen durch das Element strömt, bilden die inneren Oberflächen 11d der Schenkel 11a die Stromabwärtsoberfläche des Filterelements 10, während die äußeren Oberflächen 11e die Stromaufwärtsoberfläche des Filterelements 10 bilden. Im anderen Falle, wenn das Filterelement 10 so verwendet wird, dass Fluid radial nach außen durch das Element fließt, bilden die inneren Oberflächen 11d und die äußeren Oberflächen 11e die Stromaufwärtsoberfläche bzw. die Stromabwärtsoberfläche des Filterelements 10.
Wie in den Figuren gezeigt, befinden sich die gegenüberliegenden inneren Oberflächen 11d der Schenkel 11a jeder Falte 11 in innigem Kontakt miteinander über im Wesentlichen die gesamte Höhe h der Schenkel 11a und der Falte 11 sowie über einen kontinuierlichen Bereich, der sich über einen wesentlichen Teil der axialen Länge des Filterelements 10 erstreckt. Ferner befinden sich die gegenüberliegenden äußeren Oberflächen 11e der Schenkel 11a benachbarter Falten 11 über im Wesentlichen die gesamte Höhe h der benachbarten Falten 11 und Schenkel 11a sowie über einen kontinuierlichen Bereich, der sich über einen wesentlichen Teil der axialen Länge des Filterelements erstreckt, in innigem Kontakt miteinander. Hierbei ist die Höhe h (in 2 gezeigt) der Falten 11 und der Schenkel 11a gemessen in einer Richtung entlang den Oberflächen der Schenkel 11a und erstreckt sich von der inneren Peripherie zu der äußeren Peripherie des Filterelements 10. Der in den 2 und 3 dargestellte Zustand, in dem sich die Oberflächen der Schenkel 11a der Falten 11 in innigem Kontakt befinden, und bei dem die Höhe h jeder Falte 11 größer ist als der Abstand zwischen der inneren und der äußeren Peripherie des Filterelements 10 (d.h. [D-d]/2 in 2), wird als umgelegter Zustand bezeichnet. Im umgelegten Zustand können sich Falten beispielsweise bogenförmig oder winkelförmig oder in einer geraden, nicht radialen Richtung erstrecken, und es kann im Wesentlichen kein leerer Raum zwischen benachbarten Falten vorhanden und praktisch das gesamte Volumen zwischen der inneren und der äußeren Peripherie des Filterelements 10 von dem Filterelement 10 eingenommen sein und wirksam zu Filtrationszwecken genutzt werden.
Da das Filterelement 10 aus einem Material gebildet ist, welches eine endliche Dicke t aufweist, sind die Falten 11 an den radial inneren und äußeren Enden der Falten 11, wo das Filterelement 10 auf sich selbst zurückgefaltet ist, um die Falten 11 zu bilden, etwas gerundet. Als eine Folge davon bilden sich an den radial inneren Enden der Falten 11 kleine dreieckige Spalte 11f zwischen den gegenüberliegenden inneren Oberflächen 11d benachbarter Schenkel 11a, und an den radial äußeren Enden der Falten 11 bilden sich kleine dreieckige Spalte 11g zwischen den gegenüberliegenden äußeren Oberflächen 11e benachbarter Schenkel 11a. Gemäß vorliegender Erfindung ist jedoch die Höhe dieser Spalte 11f und 11g, gemessen entlang der Höhe der Falten, vorzugsweise außerordentlich gering. Die Höhe der an den inneren Durchmesser des Filterelements 10 angrenzenden Spalte 11f beträgt vorzugsweise nicht mehr als annähernd den Wert von t, mehr bevorzugt nicht mehr als annähernd den Wert von 1/2t, wobei t die Dicke des das Filterelement 10 bildenden Materials ist, wie in 3 gezeigt. Die Höhe der an den äußeren Durchmesser des Filterelements 10 angrenzenden Spalte 11g beträgt bevorzugt nicht mehr als annähernd den Wert von 4t, mehr bevorzugt nicht mehr als annähernd den Wert von 2t. Je schärfer die Falten 11, d.h. je weniger gerundet ihre radial inneren und äußeren Enden, desto kleiner kann die Höhe der Spalte 11f und 11g sein und desto größer kann das prozentuale Volumen zwischen der inneren und der äußeren Peripherie des Filterelements 10 sein, welches zu Filtrationszwecken zur Verfügung steht.
Die gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Schenkel 11a der Falten müssen nicht über die gesamte axiale Länge des Filterelements 10 in innigem Kontakt stehen; jedoch gilt, dass je größer die Länge in der Axialrichtung des Bereichs, in dem inniger Kontakt besteht, desto effektiver die Ausnutzung des Raum zwischen der inneren und der äußeren Peripherie des Filterelements 10. Deshalb stehen benachbarte Schenkel 11a über einen kontinuierlichen Bereich, der sich bevorzugt über mindestens circa 50 %, mehr bevorzugt über mindestens circa 75 % und besonders bevorzugt über circa 95–100 % der axialen Länge des Filterelements 10 erstreckt, in innigem Kontakt.
Das Filterelement 10 umfasst ein Filtermedium und an mindestens einer Seite, bevorzugt an der Stromaufwärtsseite, mehr bevorzugt sowohl an der Stromaufwärtsseite als auch an der Stromabwärtsseite des Filtermediums angeordnete Drainagemittel. Die Drainagemittel verhindern, dass gegenüberliegende Oberflächen des Filtermediums miteinander in Kontakt kommen und gestatten einen gleichmäßigen Fluss des Fluids zu oder von im Wesentlichen allen Bereichen der Oberfläche des Filtermediums, wenn die Falten im umgelegten Zustand sind. Somit kann praktisch der gesamte Oberflächenbereich des Filtermediums effektiv zur Filtration genutzt werden.
Bei der Ausführungsform nach 1 umfasst das Filterelement 10 ein dreilagiges Komposit von einem Filtermedium 12, Stromaufwärtsdrainagemitteln in Form einer an der Stromaufwärtsoberfläche des Filtermediums 12 angeordneten Stromaufwärtsdrainagelage 13 und Stromabwärtsdrainagemitteln in Form einer an der Stromabwärtsoberfläche des Filtermediums 12 angeordneten Stromabwärtsdrainagelage 14. Hierbei können sich die Stromaufwärtsoberfläche und die Stromabwärtsoberfläche auf die äußere und die innere Oberfläche beziehen, wenn das Filter einer radial nach innen gerichteten Fluidströmung unterworfen ist, oder auf die innere und die äußere Oberfläche, wenn das Filter einer radial nach außen gerichteten Fluidströmung ausgesetzt ist.
Hinsichtlich der Art des Filtermediums, welches für die vorliegende Erfindung zur Verwendung kommen kann, bestehen keine besonderen Beschränkungen, und es kann gemäß dem zu filternden Fluid und den gewünschten Filtrationseigenschaften gewählt werden. Das Filtermedium 12 kann zum Filtern von Fluiden, wie Flüssigkeiten, Gasen oder Mischungen hiervon, verwendet werden. Das Filter kann einen porösen Film oder eine faserige Schicht oder Masse umfassen; es kann eine gleichmäßige oder gradierte Porenstruktur und eine beliebige geeignete effektive Porengröße aufweisen; es kann aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise aus natürlichen oder synthetischen Polymeren, Glas oder Metall.
Das Filtermedium 12 kann eine einzelne Lage umfassen; es können jedoch auch mehrere Lagen des gleichen Mediums übereinander bis zum Erhalt einer gewünschten Dicke geschichtet werden. Weiterhin ist es möglich, dass das Filtermedium zwei oder mehr Lagen aufweist, welche unterschiedliche Filtrationseigenschaften besitzen, wobei z.B. eine Lage als Vorfilter für die zweite Lage fungiert.
Die Stromaufwärts- und/oder Stromabwärtsdrainagelagen können Bereiche sein von einer einzelnen unitären porösen Schicht mit einem feinporigen Zentrumsbereich, der als Filtermedium dient, und grobporigen Stromaufwärts- und/oder Stromabwärtsbereichen, die als die Drainagelagen dienen. Jedoch sind die Drainagelagen vorzugsweise distinkte, von dem Filtermedium getrennte Lagen.
Die Stromaufwärtsdrainagelage und die Stromabwärtsdrainagelage 13 und 14 können aus einem beliebigen Material sein, welches geeignete Längsströmungseigenschaften aufweist, d.h. einen geeigneten Widerstand gegenüber Fluidströmung durch die Lage in einer Richtung parallel zu ihrer Oberfläche. Der Längsströmungswiderstand der Drainagelage ist vorzugsweise gering genug, so dass der Druckabfall in der Drainagelage kleiner ist als der Druckabfall über das Filtermedium, wodurch sich eine gleichmäßige Fluidverteilung entlang der Oberfläche des Filtermediums einstellt. Die Drainagelagen können in Form von Netzen oder Gittern oder als poröse gewebte oder Nonwoven-Schicht vorliegen.
Netze und Gitter (auch Netzstrukturen genannt) werden in verschiedenen Formen hergestellt. Für Hochtemperaturanwendungen kann ein metallisches Netz oder Gitter verwendet werden, während für Anwendungen unter niedrigeren Temperaturen ein polymeres Netz besonders geeignet sein kann. Polymere Netzstrukturen werden als gewebte Netzstrukturen und extrudierte Netzstrukturen hergestellt. Beide Arten können zur Anwendung kommen, wobei jedoch extrudierte Netzstrukturen generell zu bevorzugen sind, da sie glatter sind und daher weniger Abrasion von benachbarten Lagen des Filterkomposits verursachen. Eine extrudierte Netzstruktur kann einen ersten Satz paralleler Stränge und einen den ersten Satz von Strängen in einem Winkel schneidenden zweiten Satz paralleler Stränge aufweisen. Extrudierte Netzstrukturen lassen sich in symmetrische oder nichtsymmetrische Netzstrukturen einteilen. Bei einer symmetrischen Netzstruktur erstreckt sich weder der erste noch der zweite Satz von Strängen in die sogenannte "Maschinenrichtung" der Netzstruktur, d.h. die Richtung, in der die Netzstruktur aus der Netzstrukturherstellungsmaschine austritt. Bei einer nichtsymmetrischen Netzstruktur verläuft einer der Sätze von Strängen parallel zu der Maschinenrichtung. Bei der vorliegenden Erfindung ist es möglich, symmetrische oder nichtsymmetrische Netzstrukturen zu verwenden. Nichtsymmetrische Netzstrukturen weisen im Vergleich zu symmetrischen Netzstrukturen einen etwas niedrigeren Widerstand gegenüber Längsströmung pro Dicke auf. Daher kann für einen gegebenen Längsströmungswiderstand eine nichtsymmetrische Netzstruktur dünner sein als eine symmetrische Netzstruktur, so dass die Anzahl von Falten eines Filterelements 10, welches eine nichtsymmetrische Netzstruktur verwendet, größer sein kann als die eines Filterelementes gleicher Größe, welches eine symmetrische Netzstruktur verwendet. Andererseits sind symmetrische Netzstrukturen vorteilhaft, weil man bei der Herstellung eines Filterelements 10 leichter mit ihnen arbeiten kann.
Netzstrukturen können charakterisiert werden durch ihre Dicke und die Anzahl der Stränge pro Inch. Diese Größen sind nicht auf bestimmte Werte beschränkt und können gemäß den gewünschten Längsströmungseigenschaften der Netzstruktur und der gewünschten Festigkeit gewählt werden. Typischerweise weist die Netzstruktur eine Maschendichte von mindestens 10 Strängen pro Inch auf.
Bei vielen Ausführungsformen befinden sich die gegenüberliegenden Oberflächen der Falten in innigem Kontakt. Als Folge werden die Stränge der Drainagenetzstruktur eines jeden Schenkels der Falten gegen die Stränge der Drainagenetzstruktur eines benachbarten Schenkels der Falten gepresst. Liegen die Stränge der Netzstruktur an zwei gegenüberliegenden Oberflächen parallel zueinander, können die Stränge eine Neigung zur "Verschachtelung", d.h. ineinander statt aufeinander zu liegen, zeigen. Dies verschlechtert die Drainageeigenschaften der Netzstruktur und vermindert ihr Vermögen, Drainage für das Filtermedium bereitzustellen. Bei einer nichtsymmetrischen Netzstruktur ist darauf zu achten, dass die Stränge in Maschinenrichtung auf der dem Filtermedium zugewandten, und nicht abgewandten Seite der Netzstruktur sind, um ein Verschachteln der Stränge beim Korrugieren des Filterelements 10 zu verhindern. Bei einer symmetrischen Netzstruktur dagegen gibt es keine Stränge in Maschinenrichtung, so dass es keine Rolle spielt, welche Oberfläche der Netzstruktur dem Filtermedium zugewandt liegt, wodurch beim Zusammenbau des Filterelements 10 weniger Sorgfalt aufgewendet werden muss.
Unabhängig davon, ob eine Netzstruktur symmetrisch oder nichtsymmetrisch ist, kann ein Verschachteln der Stränge der Netzstrukturen verhindert werden, wenn die Netzstrukturen wie folgt orientiert sind. Unter der Annahme, dass der erste Satz von Strängen sich auf der dem Filtermedium zugewandten Seite einer Netzstruktur befindet und der zweite Satz von Strängen durch den ersten Satz von Strängen von dem Filtermedium getrennt ist, kann ein Verschachteln des zweiten Satzes von Strängen bei sich in umgelegtem Zustand befindlichen Falten verhindert werden, wenn der zweite Satz von Strängen sich entlang von Linien erstreckt, die die Längsachse des Filterelements in einem Winkel zwischen 0 und 90 Grad schneiden. Verläuft der zweite Satz von Strängen entlang von Linien, die die Achse in einem Winkel von entweder 0 oder 90 Grad schneiden, d.h. wenn der zweite Satz von Strängen entweder parallel oder senkrecht zur Achse des Filterelements liegt, ist es dem zweiten Satz von Strängen möglich, zu verschachteln. Bei jedem Winkel zwischen diesen Grenzwerten liegt der zweite Satz von Strängen jedoch ohne Verschachtelung aufeinander.
Ist die Netzstruktur so orientiert, wenn die Falten 11 einen umgelegten Zustand einnehmen, dann befindet sich eine Oberfläche, die tangential zu den zweiten Strängen der Netzstruktur an jedem Schenkel einer Falte liegt, in innigem Kontakt mit einer Oberfläche, die tangential zu den zweiten Strängen der Netzstruktur eines benachbarten Schenkels liegt.
Als spezifische Beispiele für geeignete extrudierte polymere Netzstrukturen seien die von Nalle Plastics (Austin, Texas) unter den Handelsbezeichnungen Naltex, Zicot und Ultraflo erhältlichen genannt.
Netzstrukturen sind besonders geeignet als Drainagelagen, wenn das Filtermedium ein faseriges, umgelegtes Medium ist. Ist das Filtermedium dagegen eine Membran, so ist ein gewebtes oder Nonwoven-Textilmaterial besser geeignet zur Verwendung als Drainagelage, weil ein Textilmaterial üblicherweise glatter ist als eine Netzstruktur und weniger Abrasion benachbarter Lagen des Filterkomposits verursacht. Ein Beispiel für ein geeignetes Nonwoven-Textilmaterial zur Verwendung als Drainagelage ist ein unter der Handelsbezeichnung Reemay 2011 von der Reemay, Inc. erhältliches Nonwoven-Polyester-Textilmaterial.
Die Stromaufwärtsdrainagelage und die Stromabwärtsdrainagelage 13 und 14 können von gleicher oder unterschiedlicher Konstruktion sein. Es wurde gefunden, dass der niedrigste Druckabfall über das Filtermedium 12 und die längste Filterlebensdauer erhalten werden können, wenn beide Drainagelagen 13 und 14 im Wesentlichen den gleichen Längsströmungswiderstand aufweisen. Aus diesem Grund werden die Drainagelagen 13 und 14, unabhängig davon, ob sie aus dem gleichen Material hergestellt sind, bevorzugt so gewählt, dass sie im Wesentlichen den gleichen Widerstand gegenüber Längsströmung zeigen. Zur Erleichterung der Herstellung ist es günstig, für beide Drainagelagen 13 und 14 identische Materialien zu verwenden, wodurch der gleiche Längsströmungswiderstand durch beide Drainagelagen gewährleistet ist.
Alternativ können die Stromaufwärtsdrainagelage und die Stromabwärtsdrainagelage 13 und 14 unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, und diese Eigenschaften können variiert sein, um eine gewünschte Wirkung bereitzustellen. Wenn beispielsweise die Dicke des Filterkomposits festgelegt ist, etwa um den Oberflächenbereich des Filtermediums innerhalb einer Hülle unterzubringen, kann die Dicke der Stromaufwärtsdrainagelage größer sein als die Dicke der Stromabwärtsdrainagelage. Dies kann mehr Raum für Kuchen auf der Stromaufwärtsseite des Filtermediums bereitstellen, kann aber auch mit einer Einbuße an gleichmäßiger Strömungsverteilung auf der Stromabwärtsseite des Filtermediums verbunden sein.
Das das Filterelement 10 bildende Filterkomposit kann neben dem Filtermedium 12 und den Drainagelagen 13 und 14 weitere Lagen aufweisen. Beispielsweise kann zur Verhinderung von Abrasion des Filtermediums infolge reibenden Kontakts mit den Drainagelagen, wenn sich die Falten unter Druckschwankungen des Fluidsystems, in dem das Filter installiert ist, ausdehnen und zusammenziehen, eine Pufferlage zwischen dem Filtermedium und einer oder beiden Drainagelagen angeordnet sein. Die Pufferlage ist vorzugsweise aus einem glatteren Material als die Drainagelagen und weist eine höhere Abrasionsbeständigkeit auf als das Filtermedium 12. Wenn die Drainagelagen z.B. aus einer extrudierten Nylon-Netzstruktur hergestellt sind, kann als ein Beispiel für eine geeignete Pufferlage ein Polyester-Nonwoven-Textilmaterial genannt werden, z.B. das unter der Handelsbezeichnung Reemay 2250 von der Reemay Corporation vertriebene.
Die das Filterelement 10 bildenden Lagen können mittels konventioneller Filterherstellungstechniken zu einem Komposit geformt werden, entweder vor oder gleichzeitig mit dem Korrugieren.
Zur Sicherstellung einer angemessenen Drainage bei einem Filterelement mit dicht benachbarten Falten war es beim Stand der Technik bisher notwendig, große Oberflächenirregularitäten, z.B. Rillen, in den Oberflächen der Falten auszubilden, um Drainagewege bereitzustellen. Diese Rillen, typischerweise hergestellt durch Verfahren wie z.B. Prägen, führten zu einer erheblichen Verminderung des Volumens eines Filterelementes, das zu Filtrationszwecken zur Verfügung steht. Gemäß vorliegender Erfindung können die Drainagelagen, selbst wenn sie in innigem Kontakt zueinander stehen, eine angemessene Drainage bereitstellen, so dass große Oberflächenirregularitäten in den Falten nicht notwendig sind. Daher kann jede der Lagen des das Filterelement 10 bildenden Komposits eine im Wesentlichen flache Oberfläche aufweisen.
Der Kern 20 stützt die innere Peripherie des Filterelements 10 gegen in der Radialrichtung wirkende Kräfte und hilft ferner dabei, dem Filter axiale Festigkeit und Steifigkeit gegen Biegen zu verleihen. Der Kern 20 kann konventionell ausgebildet sein und kann aus einem beliebigen Material hergestellt sein, welches ausreichende Festigkeit aufweist und welches mit dem zu filternden Fluid verträglich ist. Durch die Wandung des Kerns 20 sind Öffnungen ausgebildet, um den Durchgang von Fluid zwischen der Außenseite und dem Zentrum des Kerns 20 zu gestatten.
Wird das Filterelement 10 einer von außen nach innen gerichteten Fluidströmung ausgesetzt, ist das Vorhandensein eines Kerns 20 üblicherweise wünschenswert. In Abhängigkeit von den während der Filtration auf das Filterele ment 10 wirkenden Kräften kann es jedoch möglich sein, den Kern 20 wegzulassen. Wenn zum Beispiel die Fluidströmung durch das Filterelement 10 in der Hauptsache von dessen Innenseite nach dessen Außenseite gerichtet ist, so können radial einwärts auf das Filterelement 10 ausgeübte Kräfte nicht vorhanden oder so niedrig sein, dass ein Kern 20 entbehrlich wird, wodurch eine Gewichtsreduzierung des Filters möglich wird.
Ein Filter gemäß vorliegender Erfindung umfasst vorzugsweise Mittel zum Zurückhalten der Falten des Filterelements 10 in einem umgelegten Zustand. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfassen diese Mittel den äußeren Kä fig 30, der das Filterelement 10 umgibt. Der Käfig 30 kann konventionell ausgebildet sein mit darin ausgebildeten Öffnungen für den Durchtritt von Fluid. Das Material, aus dem der Käfig 30 hergestellt ist, kann auf Basis des zu filternden Fluids und der Filtrationsbedingungen gewählt werden.
Üblicherweise ist ein Filter gemäß vorliegender Erfindung mit Endkappen 40 (von denen in 1 lediglich eine gezeigt ist) an einem oder beiden Enden des Filterelements 10 ausgestattet. Die Endkappen 40 können blinde oder offene Endkappen sein und das Material, aus dem sie gebildet sind sowie ihre Gestalt kann gemäß den Filtrationsbedingungen und den Materialien der Teile, mit denen die Endkappen zu verbinden sind, gewählt werden. Vorzugsweise sind die Endkappen 40 am Filterelement 10 befestigt, sie können jedoch auch am Kern 20 oder am Käfig 30 befestigt sein. Zum Befestigen der Endkappen an dem Filterelement 10 können konventionelle Techniken Verwendung finden, so zum Beispiel mittels eines Epoxidharzes, durch sogenanntes Polycapping (wie beispielsweise in US-Patent Nr. 4 154 688 offenbart) oder durch Reibungsschweißen.
Um eine Leckage von Fluid an den Enden des Filterelements 10 zu verhindern, ist es wünschenswert, eine gute Abdichtung zwischen den Endkappen 40 und den Endoberflächen des Filterelements 10 zu erhalten, so dass eine Passage von Fluid durch die Endoberflächen des Filterelements 10 verhindert wird. Es kann sich jedoch als schwierig erweisen, eine gute Abdichtung zu erhalten, wenn das Filterelement 10 und die Endkappen 40 aus Materialien hergestellt sind, die eine unzureichende Affinität zueinander aufweisen. In solchen Fällen kann ein Einsatz in Form eines Streifens aus einem Material, welches gute Affinität zu dem Endkappenmaterial aufweist, in die Enden des Filterelements 10 einkorrugiert werden. 4 zeigt schematisch einen Teil eines Filterelements mit einem zwischen zwei der Lagen des Filterkomposits einkorrugierten Einsatz 15. Beim Befestigen der Endkappen 40 gestattet der Einsatz 15 die Erzeugung einer guten Abdichtung zwischen beiden Enden des Filterelements 10 und den Endkappen 40. Wenn zum Beispiel die Endkappen aus einem Fluorpolymeren hergestellt sind, so kann ein Streifen eines anderen Fluorpolymers, z.B. ein Fluorethylenpropylen-(FEP-)Harz, in die Enden des Filterelements 10 als der Einsatz 15 einkorrugiert werden. Der Einsatz 15 muss nur breit genug sein, um das Filtermedium an die Endkappe binden zu können, und aus diesem Grund erstreckt er sich, wie in 4 gezeigt, normalerweise nur über einen Teil der axialen Länge des Filterelements 10. Eine typische Breite für den Einsatz 15 sind circa 0,5 Inch.
Das in 1 gezeigte Filterelement 10 kann mittels vielfältiger Techniken hergestellt werden. Bei einer Technik wird das Filterkomposit zur Ausbildung einer korrugierten Schicht zunächst korrugiert, auf eine geeignete Länge oder geeignete Anzahl von Falten geschnitten und sodann in eine zylindrische Form gebracht. Die Längskanten der korrugierten Schicht werden sodann mittels konventioneller Mittel aneinander gesiegelt, um ein zylindrisches Filterelement 10 zu bilden. Sodann werden beim Einbringen des Filterelements 10 in den Käfig 30 die Falten des Filterelements 10 umgelegt. Nachdem das Filterelement 10 in den Käfig 30 eingebracht worden ist, wird ein Kern 20 in das hohle Zentrum des Filterelements 10 eingeführt und dann werden Endkappen 40 an den Enden des Filterelements 10 befestigt, um ein fertiggestelltes Filter zu bilden.
5 zeigt ein Verfahren zum Umlegen der Falten. Bei diesem Verfahren wird das Filterelement 10 der Länge nach in das Mundende eines trichterförmigen Werkzeugs 60 mit einem an einen Käfig angrenzenden Austrittsende (linkes Ende in 5) eingeführt. Beim Einschieben des Filterelements 10 in das Werkzeug 60 wird es gleichzeitig entweder manuell oder maschinell gedreht, wobei sich die Falten gegeneinander umlegen. Die Abmessungen des Werkzeugs 60 sind so gewählt, dass das Filterelement 10 an dem Austritt ei nen Außendurchmesser aufweist, der klein genug ist, um das Filterelement 10 in den Käfig 30 gleiten zu lassen.
Es ist auch möglich, die Falten einer korrugierten Schicht 10 in einen umgelegten Zustand zu bringen, bevor die Falten in eine zylindrische Form gebracht werden. Zum Beispiel kann die Schicht, nachdem das Filterkomposit zur Ausbildung einer im Wesentlichen planaren korrugierten Schicht durch einen Korrugator geleitet wurde, zwischen zwei flachen Oberflächen gepresst werden, um die Schicht flachzudrücken und zu bewirken, dass sich die Falten gegeneinander umlegen. Die auf diese Weise flachgedrückte korrugierte Schicht kann sodann in eine zylindrische Form gebogen und die Enden der Schicht können aneinander gesiegelt werden, um ein zylindrisches Filterelement 10 zu bilden.
Das Umlegen der Falten des Filterelements 10 kann leichter sein, wenn – im Gegensatz zu einer scharfen Abkantung – ein abgerundeter Radius am äußeren Faltenkopf vorhanden ist. Ein Verfahren zur Erzeugung eines abgerundeten Radius umfasst das Platzieren einer Wegwerf-Papierlage, als abziehbares Papier bezeichnet, an der Stromabwärtsseite des korrugierten Filterkomposits während des Korrugierens. Das abziehbare Papier wird Teil der Falten und erzeugt einen gewünschten abgerundeten Radius. Nach Beendigung des Korrugierens und bevor das Komposit zu einem Zylinder geformt wird, wird das abziehbare Papier von dem Komposit abgezogen. Das Material, welches für das abziehbare Papier verwendet wird, ist nicht kritisch. Ein Beispiel für ein geeignetes Material ist ein glattes Papier. Die Dicke des abziehbaren Papiers kann auf der Grundlage des gewünschten Biegeradius des korrugierten Komposits unter Berücksichtigung der Dicke der übrigen Lagen des Komposits gewählt werden.
Eine andere Technik zur Herstellung des Filterelements 10 gestattet die Bildung von Falten, wobei die benachbarten Schenkel etwas unterschiedliche Längen aufweisen. Bei vielen Filterelementen, speziell bei den aus einem Mehrlagenkomposit gebildeten, lässt sich das Filterelement einfacher und zuverlässiger in einen umgelegten Zustand bringen, wenn die benachbarten Schenkel jeder Falte etwas unterschiedliche Längen aufweisen. Derartige Falten werden als Falten mit ungleichen Schenkeln bezeichnet.
Bevorzugte Ausführungsformen eines Faltverfahrens und einer Vorrichtung hierfür werden nun unter Bezugnahme auf die 6–11 beschrieben, welche in schematischer Form einen Zyklus eines Faltverfahrens zeigen. Wie aus diesen Figuren ersichtlich, werden die Falten auf einer Unterlage, beispielsweise auf einem planaren Falttisch 100, mittels eines Faltgliedes und eines Abstreifgliedes gebildet. Die Falten werden zwischen Oberflächen des Faltgliedes und des Abstreifgliedes gebildet, welche gekrümmt sind oder sich in einem spitzen Winkel von dem Falttisch 100 weg erstrecken, vorzugsweise mit im Wesentlichen weniger als 90°, mehr bevorzugt innerhalb eines Bereichs von circa 15° bis circa 75°, besonders bevorzugt innerhalb eines Bereichs von circa 30° bis circa 60°, z.B. 45°. Beispielsweise kann das Faltglied ein keilförmiges Glied sein, welches als Faltkeil 101 bezeichnet wird, und das Abstreifglied kann eine dünne Platte sein, die als Abstreifmesser 102 bezeichnet wird. Der Faltkeil 101 lässt sich in Bezug auf die obere Oberfläche des Falttischs 100 anheben und absenken und parallel zu dieser vorwärts und rückwärts bewegen, während das Abstreifmesser 102 in Bezug auf den Falttisch 100 angehoben und abgesenkt werden kann. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit ist die Oberfläche des Falttischs 100 üblicherweise eben, wobei jedoch eine ebene Oberfläche nicht notwendig ist.
Das in Falten zu legende Material 103 kann dem Falttisch 100 mittels beliebiger geeigneter Mittel zugeführt werden, z.B. über eine Spule 104. Bei dem Material 103 kann es sich um eine einzelne Schicht oder Lage handeln oder um ein Komposit aus mehreren Lagen, beispielsweise ein Filtermedium und eine oder mehr Drainagelagen. Die Lagen können zu einem Komposit geformt werden, bevor sie auf der Spule 104 gelagert werden; oder die einzelnen Lagen können auf getrennten Spulen gelagert und dem Falttisch 100 gleichzeitig zugeführt werden, so dass das Komposit beim Falten der Lagen gebildet wird.
Wie in den Figuren gezeigt, sind sowohl die vordere Oberfläche 101a des Faltkeils 101 als auch die hintere Oberfläche 102a des Abstreifmessers 102 (die dem Faltkeil 101 gegenüberliegende Oberfläche) in Bezug auf den Falt tisch 100 in ähnlichen, aber nicht unbedingt gleichen spitzen Winkeln geneigt. Auf Grund dessen, dass diese Oberflächen sich in spitzen Winkeln erstrecken oder dass sie gekrümmt sind, lassen sich mit dem obigen Verfahren Falten bilden, die benachbarte Schenkel ungleicher Länge aufweisen.
6 zeigt den Beginn des Faltzyklus, wobei in der Figur der Faltkeil 101 an einem Punkt A steht. In dieser Position ist die vordere Oberfläche 101a des Faltkeils 101 von der hinteren Oberfläche 102a des Abstreifmessers 102 um einen vorgegebenen Abstand, welcher von der Höhe der zu bildenden Falten abhängig ist, entfernt. Die untere Oberfläche des Faltkeils 101 steht in Reibungskontakt mit dem zu faltenden Material 103, und die Unterkante des Abstreifmessers 102 wird gegen das zu faltende Material 103 gedrückt, um es festzuhalten.
Sodann wird der Faltkeil 101 von Punkt A in Richtung des Pfeils in 7 auf das Abstreifmesser 102 zu bewegt, während die untere Oberfläche des Faltkeils 101 in Reibungskontakt mit dem zu faltenden Material 103 bleibt. Dabei wird das Abstreifmesser 102 ortsfest gehalten. Infolge des Reibungskontakts zwischen dem Faltkeil 101 und dem zu faltenden Material 103 bewirkt die Bewegung des Faltkeils 101 in Richtung des Abstreifmessers 102, dass der sich zwischen dem Faltkeil 101 und dem Abstreifmesser 102 befindliche Teil des Materials 103 von der Oberfläche des Falttischs 100 in Form einer Ausbauchung 105 nach oben gebogen wird.
Mit weiterer Annäherung des Faltkeils 101 an das Abstreifmesser 102 beginnt die Ausbauchung 105 in dem zu faltenden Material 103 sich in die Form einer Falte 11 zu legen, wie in 8 gezeigt. Der Faltkeil 101 wird weiter, bis zu einem Punkt B in 9 vorwärtsbewegt, an dem das Material 103 zwischen der vorderen Oberfläche 101a des Faltkeils 101 und der hinteren Oberfläche 102a des Abstreifmessers 102 zusammengedrückt wird, wodurch eine einzelne Falte 11 gebildet wird.
Sodann wird das Abstreifmesser 102 vom Falttisch 100 abgehoben und gleichzeitig im Uhrzeigersinn gedreht, bezogen auf die Figuren. Beim Nachobengehen des Abstreifmessers 102 gleitet seine hintere Oberfläche 102a entlang der soeben gebildeten Falte 11 und drückt dabei die Falte 11 weiter gegen die vordere Oberfläche 101a des Faltkeils 101. Wenn die hintere Oberfläche 102a des Abstreifmessers 102 über das obere Ende der Falte 11 hinaus ist, kann die hintere Oberfläche 102a des Abstreifmessers 102 die vordere Oberfläche 101a des Faltkeils 101 berühren, wie in 10 gezeigt. Sodann wird das Abstreifmesser 102 abgesenkt, und seine hintere Oberfläche 102a gleitet entlang der vorderen Oberfläche 101a des Faltkeils 101 zwischen den Faltkeil 101 und die soeben geformte Falte 11, bis die Unterkante mit dem zu faltenden Material 103 in Kontakt kommt, wie in 11 gezeigt. Beim Anheben und Absenken des Abstreifmessers 102 kann der Faltkeil 101 im Wesentlichen ortsfest gehalten werden.
Als nächstes, während das Abstreifmesser 102 ortsfest gehalten wird, wodurch seinerseits auch das Material 103 ortsfest gehalten wird, kehrt der Faltkeil 101 zu Punkt A zurück, um den Faltzyklus zu beenden. Der Pfad des Faltkeils 101 bei seiner Bewegung von Punkt B zurück zu Punkt A ist so, dass die untere Oberfläche des Faltkeils 101 über die Oberfläche des zu faltenden Materials 103 angehoben wird, so dass das Material 103 nicht zurückgezogen wird. Beispielsweise kann der Faltkeil 101 entlang einem Pfad mit geraden Seiten bewegt werden, wie mit B-C-D-A bezeichnet in 11 bezeichnet. Alternativ kann sich der Faltkeil 101 auf seinem Weg von Punkt B nach Punkt A auf einer bogenförmigen Bahn bewegen. Nach Rückkehr des Keils 101 zu Punkt A wiederholt sich der oben beschriebene Vorgang.
Jedesmal, wenn der in den 6–11 dargestellte Zyklus durchgeführt wird, wird eine neue Falte 11 gebildet und vom Abstreifmesser 102 nach rechts bewegt, um sie mit den Falten 11 zusammenzubringen, die bereits gebildet worden sind und die sich in den Figuren rechts von dem Abstreifmesser 102 ansammeln. Die ganze Gruppe fertiggestellter Falten 11 wird inkrementell durch die Bewegung des Abstreifmessers 102 nach rechts geschoben. Durch entsprechend häufiges Wiederholen des oben beschriebenen Zyklus kann eine beliebige Anzahl von Falten gebildet werden. Die Gruppe fertiggestellter Falten kann zweckmäßigerweise am Ende des Falttischs 100 abgerollt werden.
Die 12 und 13 sind schematische Darstellungen, welche die Arbeitsweise eines Abkantstabs 109 zeigen. Diese Figuren sind analog zu den 6–11, ausgenommen, dass die Faltvorrichtung ferner einen Abkantstab 109 aufweist, welcher durch einen Spalt 110 in dem Falttisch 100 auf und ab bewegt wird. Gemäß diesen Figuren wird der Abkantstab 109, wenn der Faltkeil 101 sich von Punkt A nach Punkt B zu bewegen beginnt, so geführt, dass er durch den Spalt 110 in dem Falttisch 100 hindurchtritt und über die Oberfläche des Falttischs 100 hinausragt. Wenn der Abkantstab 109 über die Oberfläche des Falttischs 100 hinausragt, berührt er das Material 103 und zwingt das Material 103 dazu, sich richtig, z.B. völlig runzelfrei, nach oben aufzubauchen. Mit der Oberkante des Abkantstabs kann auch eine Abkantung in dem Material ausgebildet werden, die zum Kopf oder Fuß der Falte werden kann. Mit zunehmender Annäherung des Faltkeils 101 an den Punkt B wird der Abkantstab 109 unter die Oberfläche des Falttischs 100 zurückgezogen, so dass der Faltkeil 101 über den Spalt 110 in dem Falttisch 100 hinweglaufen kann. Im übrigen läuft der Faltvorgang wie unter Bezugnahme auf die 6–11 beschrieben ab.
14 ist eine vergrößerte Darstellung einer Falte 11, die durch die in den 6–13 illustrierten Verfahren hergestellt werden kann. Die Falte weist zwei Schenkel 11a', 11a'' auf, von denen einer mit der vorderen Oberfläche 101a des Faltkeils 101 und der andere mit der hinteren Oberfläche 102a des Abstreifmessers 102 in Kontakt steht. Weil die vordere Oberfläche 101a des Faltkeils 101 in Bezug auf den Falttisch 100 in einem spitzen Winkel geneigt ist, kann die Länge L1 des mit der vorderen Oberfläche 101a des Faltkeils 101 in Kontakt stehenden Schenkels 11a' kürzer sein als die Länge L2 des benachbarten Schenkels 11a'' derselben Falte 11, wobei die Längen gemessen sein können zwischen den Punkten, an denen das zu faltende Material 103 auf sich selbst zurückgefaltet ist. Wenn die vordere Oberfläche 101a des Faltkeils 101 in Bezug auf die Oberfläche des Falttischs 100 um einen Winkel θ₁ geneigt ist, und die Dicke des zu faltenden Materials 103 "t" ist, dann ist die Differenz zwischen den Längen L1 und L2 benachbarter Schenkel 11a', 11a'' ungefähr L2 – L1 = 2t/tanθ₁. Der Längenunterschied kann durch geeignete Wahl des Winkels des Faltkeils 101 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Aufgrund des Längenunterschieds können nach dem obigen Verfahren gebildete Falten leicht in einen umgelegten Zustand überführt werden.
Viele der Komponenten einer Faltvorrichtung zur Herstellung von Filtern sind ähneln denjenigen von kommerziell verfügbaren Schubstab-Faltmaschinen, z.B. die von der Firma Chandler Machine Company, Ayer, Massachussetts, hergestellte Faltmaschine vom Typ Nr. 10148. Das Falten wird auf einem Falttisch 100 durchgeführt, wie in den 15 und 16 gezeigt. Bei einer typischen Faltmaschine weist der Falttisch 100 zwei Abschnitte 100a und 100b auf, die in Bezug zueinander in der horizontalen Richtung bewegt werden können, um zwischen den beiden Abschnitten einen Spalt von gewünschter Größe zu bilden. Wenn die beweglichen Abschnitte 100a und 100b durch einen Spalt getrennt sind, kann der Abkantstab 109 mittels eines hier nicht gezeigten Antriebsmechanismus in dem Spalt auf und ab bewegt werden, um den Faltvorgang zu unterstützen. Wird der Abkantstab 109 nicht eingesetzt, bringt man die beiden Abschnitte 100a und 100b des Falttischs 100 in Anlage miteinander, oder der Falttisch 100 kann aus einem Stück hergestellt und der Abkantstab weggelassen sein.
Bei der Ausführungsform von 15 ist das zu faltende Material ein Filterkomposit 103 aus drei verschiedenen Lagen 103a, 103b, 103c, die über drei verschiedene Spulen 104a, 104b bzw. 104c dem Falttisch 100 zugeführt werden. Die Lagen 103a, 103b, 103c können aus gleich- oder verschiedenartigen Materialien hergestellt sein. In diesem Beispiel ist das Material 103b auf der mittleren Spule 104b ein Filtermedium, während die Materialien 103a und 103c auf der oberen und unteren Spule 104a und 104c extrudierte Netzstrukturen sind, die als Drainagelagen für die Stromaufwärts- und Stromabwärtsoberflächen des Filtermediums 103b dienen.
Die Faltvorrichtung ist mit einem Stab ausgerüstet, der einen im Wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist und als Schubstab 111 bezeichnet wird. Der Schubstab 111 ist beweglich oben auf dem Falttisch 100 angeordnet derart, dass er sich entlang einem geschlossenen Pfad bewegt, von dem sich mindestens ein Teil parallel zur Oberfläche des Falttischs 100 erstreckt. In dieser Ausführungsform wird der Schubstab 111 mittels eines Antriebsmechanis mus 112 entlang einer vierseitigen geschlossenen Bahn getrieben, die in 15 durch die Punkte A'-B'-C'-D' angegeben ist. Obschon ein Schubstab 111 in der Faltvorrichtung nicht eingesetzt werden muss, dienen der Schubstab 111 und sein dazugehöriger Antriebsmechanismus 112 als zweckmäßige Mittel zum Antrieb eines Faltkeils 101.
Der Faltkeil 101 ist mittels Bolzen oder anderen geeigneten Mitteln fest an dem vorderen Ende des Schubstabs 111 gesichert, so dass die beiden Teile sich gemeinsam als eine einzige Einheit bewegen. Der Faltkeil 101 weist eine vordere Oberfläche 101a mit einem konstanten spitzen Neigungswinkel 81 bezogen auf die Oberfläche des Falttischs 100 auf. Vorzugsweise hat mindestens die vordere Oberfläche 101a des Faltkeils 101 eine Breite, die im Wesentlichen gleich oder größer ist als die Breite des Filterkomposits 103.
Wenn der Schubstab 111 sich entlang dem Pfad A'-B'-C'-D' bewegt, bewegt sich der Faltkeil 101 entlang dem Pfad A-B-C-D. Der Faltkeil 101 weist eine untere Oberfläche auf, die sich vorzugsweise parallel zu dem Falttisch 100 erstreckt. Während sich der Schubstab 111 entlang dem Abschnitt D'-A' des Pfades bewegt, wird die untere Oberfläche des Faltkeils 101 abgesenkt, so dass sie in Reibungskontakt mit dem zu faltenden Filterkomposit 103 tritt. Solange der Faltkeil 101 in Reibungskontakt mit dem Filterkomposit 103 steht, kann die untere Oberfläche des Schubstabs 111 von dem Filterkomposit 103 beabstandet sein, während sich der Schubstab 111 entlang dem Abschnitt A'-B' bewegt. Anders ausgedrückt: die untere Oberfläche des Schubstabs 111 muss nicht bündig mit der unteren Oberfläche des Faltkeils 101 sein. Der horizontale Hub des Schubstabs 111, d.h. die Weglänge entlang dem Abschnitt A'-B', lässt sich leicht einstellen, so dass die Höhe der Falten, die von der Hublänge abhängig ist, auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. Während der Schubstab 111 entlang dem Abschnitt B'-C' angehoben und entlang dem Abschnitt C'-D' rückwärts bewegt wird, bewegt sich der Faltkeil 101 entlang dem Abschnitt B-C und dem Abschnitt C-D, und die untere Oberfläche des Faltkeils 101 wird mittels des Antriebsmechanismus 112 und des Schubstabs 111 über das Filterkomposit 103 angehoben, so dass das Filterkomposit 103 nicht von dem Faltkeil 101 rückwärts gezogen wird.
Ein Abstreifmesser 102 ist mit hin- und herbeweglichen Gliedern, insgesamt als Gleitkörper 113 bezeichnet, drehbar verbunden. Die Gleitkörper 113 sind auf gegenüberliegenden Breitseiten des Faltkeils 101 angeordnet und werden entlang einem vertikalen Pfad mittels eines Antriebsmechanismus 114 angehoben und abgesenkt. Der zeitliche Ablauf der Bewegung der Gleitkörper 113 und des Schubstabs 111 sowie des Abkantstabs 109 während des Betriebs dieser Ausführungsform kann mittels einer konventionellen mechanischen oder elektrischen Steuer- und/oder Regeleinrichtung, die mit den jeweiligen Antriebsmechanismen 112, 114 gekoppelt ist, durchgeführt werden. Das Abstreifmesser 102 umfasst vorzugsweise eine dünne Klinge mit einer Breite, die im Wesentlichen gleich oder größer ist als die Breite des Filterkomposits 103. Das obere Ende des Abstreifmessers 102 ist an einem Stab gesichert, Abstreiferstab 115 genannt, welcher mittels zwischen den beiden Gleitkörpern 113 angeordneten Zapfen 116 an den Gleitkörpern 113 drehbar gehalten ist. Das untere Ende des Abstreifmessers 102 kommt in enge Nähe zu dem Falttisch 100, um das Komposit 103 an einer Bewegung hindern zu können, und das untere Ende des Abstreifmessers 102 kann verjüngt sein, um das Trennen fertiggestellter Falten von der vorderen Oberfläche 101a des Faltkeils 101 zu unterstützen. Der Abstreiferstab 115 ist in der Figur im Uhrzeigersinn durch ein nicht dargestelltes Vorspannglied, beispielsweise eine Feder, so vorgespannt, dass das Abstreifmesser 102 gegen die vordere Oberfläche 101a des Faltkeils 101 vorgespannt ist. Alternativ kann die Drehachse des Abstreiferstabs so gewählt sein, dass das Gewicht des Abstreifmessers ein rechtsdrehendes Moment um den Stab auf das Abstreifmesser ausübt und auf diese Weise das Abstreifmesser gegen den Faltkeil vorspannt. Der Abstreiferstab 115 wird an einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn über die in 15 gezeigte Position hinaus durch ein nicht gezeigtes Stopperglied, z.B. ein Stift, gehindert.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die hintere Oberfläche 102a des Abstreifmessers 102, die der vorderen Oberfläche 101a des Faltkeils 101 gegenüberliegt, planar. Wenn sich das Abstreifmesser 102 in der in 15 gezeigten Position befindet, weist die hintere Oberfläche 102a einen konstanten spitzen Neigungswinkel θ2 in Bezug auf die Oberfläche des Falttischs 100 auf, der dicht bei dem Neigungswinkel θ1 der vorderen Oberfläche 101a des Faltkeils 101 liegt. Die Neigung der hinteren Oberfläche 102a des Abstreifmessers 102 kann etwas kleiner oder gleich der Neigung der vorderen Oberfläche 101a des Faltkeils 101 sein, ist jedoch vorzugsweise etwas größer, z.B. circa 5° größer als diese, so dass zwischen dem Faltkeil 101 und dem Abstreifmesser 102 ein keilförmiger Raum entsteht. Dieser keilförmige Raum unterstützt die Ausbildung von Falten mit ungleichen Schenkeln.
17 zeigt einen Teil einer anderen Faltvorrichtung analog zu der in den 15 und 16 gezeigten Faltvorrichtung. Wie bei der vorangegangenen Ausführungsform ist ein Abstreifmesser 102 an einem Abstreiferstab 115 gesichert, welcher über einen Stab 116 von zwei auf einander gegenüberliegenden Breitseiten eines Faltkeils 101 angeordneten Gleitkörpern 113 drehbar gehalten ist. Bei dieser Ausführungsform weist jeder Gleitkörper 113 im Wesentlichen die Form eines "L" auf, mit einem ersten Schenkel 113a, der sich von der Oberfläche des Falttischs 100 nach oben erstreckt, und einem zweiten Schenkel 113b, der sich im Wesentlichen parallel zu dem Falttisch 100 erstreckt. Der Abstreiferstab 115 ist an den zweiten Schenkeln 113b drehbar angeordnet, so dass er sich am gleichen Ort in Bezug auf den Faltkeil 101 befindet wie der Abstreiferstab 115 der Ausführungsform nach 15. Der erste Schenkel 113a jedes Gleitkörpers 113 ist von dem Ort der Gleitkörper 113 von 15 beabstandet, um die Bewegung des Abkantstabs 109 nicht zu stören. Die beiden Abschnitte 100a, 100b des Falttischs 100 sind voneinander getrennt, um zwischen ihnen einen Spalt 110 zu bilden, der groß genug ist, um den Abkantstab 109 hindurchtreten zu lassen. Der Abkantstab 109 kann angehoben und abgesenkt werden mittels eines nicht gezeigten Antriebsmechanismus, wie bereits beschrieben. Der Abkantstab 109 weist eine Breite auf, die im Wesentlichen gleich oder größer ist als die Breite des zu faltenden Filterkomposits 103. Im übrigen sind Struktur und Arbeitsweise dieser Ausführungsform analog zu der Ausführungsform gemäß den 15 und 16.
Bei den vorangegangenen Ausführungsformen sind die gegenüberliegenden Oberflächen des Faltkeils und des Abstreifmessers beide im Wesentlichen planar, so dass die Schenkel jeder zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen gebildeten Falte im Wesentlichen gerade sind. Wenn jedoch ein Faltenfilter element in einer zylindrischen Konfiguration in einen umgelegten Zustand gebracht wird, nehmen die einzelnen Falten im Wesentlichen eine gekrümmte Gestalt an, im transversalen Querschnitt gesehen, wobei sich jeder Schenkel einer Falte entlang einem Bogen von der inneren zu der äußeren Peripherie des Filterelements erstreckt. Aus diesem Grund gestaltet sich das Umlegen der Falten eines Filterelementes leichter, wenn die Falten zum Zeitpunkt des Faltens mit einem gekrümmten Profil ausgebildet werden.
18 zeigt eine weitere Ausführungsform, mit der gekrümmte Falten hergestellt werden können, einschließlich gekrümmter Falten, die ungleiche Schenkel aufweisen. Bei dieser Ausführungsform sind die gegenüberliegenden Oberflächen 101a, 102a des Faltgliedes 101 und des Abstreifmessers 102 in mindestens den Bereichen gekrümmt, die beim Falten mit dem Filterkomposit in Kontakt kommen. Wenngleich eine Vielzahl von Krümmungen, regelmäßiger oder unregelmäßiger Art, für die gegenüberliegenden Oberflächen zur Anwendung kommen kann, haben bei den dargestellten Ausführungsformen die Oberflächen eine bogenförmige Gestalt. Das Faltglied 101 weist eine vordere Oberfläche 101a mit einem Krümmungsradius auf, der vorzugsweise kleiner ist als der entlang der hinteren Oberfläche 102a des Abstreifmessers 102, so dass die beiden Oberflächen 101a, 102a durch einen Raum getrennt sind, dessen Größe mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des Falttischs 100 zunimmt. Dieser Raum unterstützt die Ausbildung von Falten mit ungleichen Schenkeln. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Abstreifmesser 102 an einem Gleitkörper 113, der zu dem Gleitkörper 113 von 15 analog ist, drehbar angeordnet, die beiden Abschnitte 100a, 100b des Falttischs 100 liegen aneinander an, und der Abkantstab 109 wird in einer Außerbetriebstellung unterhalb des Falttischs 100 gehalten. Mittels der Ausführungsform nach 18 wird das Falten im Wesentlichen in der Weise durchgeführt, wie in den 6–13 dargestellt, wobei z.B. ein Filterkomposit zwischen den gekrümmten Oberflächen 101a, 102a des Faltgliedes 101 und des Abstreifmessers 102 zusammengepresst wird, um Falten mit gekrümmten Schenkeln zu bilden, vorzugsweise ungleicher Länge, die sich leicht in einen zylindrischen, umgelegten Zustand bringen lassen.
Nach dem Falten des Filterkomposits wird das Faltenfilterkomposit, welches aus der Faltvorrichtung austritt, auf eine vorgegebene Länge oder eine vorgegebene Anzahl von Falten zugeschnitten, die bestimmt wird von den geplanten Abmessungen des Filterelements. Das Faltenfilterkomposit wird sodann in eine zylindrische Gestalt gebracht, und die Längskanten des Faltenfilterkomposits werden durch konventionelle Mittel aneinander gesiegelt, um ein zylindrisches Faltenfilterpaket zu bilden. Die Falten des Filterpakets werden dann in einen umgelegten Zustand gebracht, bei dem die gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Schenkel der Falten über einen wesentlichen Teil der Höhe der Falten miteinander in Kontakt stehen. Weil die Falten gekrümmte und/oder ungleiche Schenkel aufweisen, wird die Überführung des zylindrischen Faltenfilterpakets in einen umgelegten Zustand erheblich erleichtert.
Die 19–21 zeigen ein geeignetes Verfahren zur Überführung des zylindrischen Faltenfilterelements in einen umgelegten Zustand. Ein konventioneller perforierter zylindrischer Kern 20 wird auf eine Spannvorrichtung 120 gesetzt und ein zylindrisches Faltenfilterelement 10 wird lose über den Kern 20 angeordnet, wie in 19 gezeigt. Ein röhrenförmiges Glied 122, dessen Innendurchmesser zu dem gewünschten Außendurchmesser des umgelegten Filterelements 10 korrespondiert, wird auf das obere Ende des Filterelements 10 gesetzt und nach unten gedrückt, wie durch den Pfeil in 19 zeigt. Die Falten des Filterelements 10 sind vor dem Umlegen lose gepackt, und die Falten am oberen Ende des Filterelements 10 lassen sich üblicherweise leicht zusammendrücken, so dass sie in das untere Ende des röhrenförmigen Gliedes 122 passen. Wenn das röhrenförmige Glied 122 über das Filterelement 10 nach unten gedrückt wird, werden die Falten des Filterelements 10 gegeneinander umgelegt, bis der Außendurchmesser des Filterelements 10 dem Innendurchmesser des röhrenförmigen Gliedes 122 entspricht.
Wenn die gesamte Länge des röhrenförmigen Gliedes 122 über das Filterelement 10 gebracht ist, werden das röhrenförmige Glied 122, das umgelegte Filterelement 10 und der Kern 20 als eine einzige Einheit von der Spannvorrichtung 120 entfernt und auf einer anderen Spannvorrichtung 123 angeordnet, wie in 20 gezeigt. Diese Spannvorrichtung 123 weist ein unteres Basisteil 124 auf, welches über einen Verbindungsstab 126 ein oberes Basis teil 125 trägt. Das obere Basisteil 125 kann scheibenförmig ausgebildet sein und weist vorzugsweise einen Durchmesser auf, der kleiner ist als der Innendurchmesser des röhrenförmigen Gliedes 122, aber größer als der Innendurchmesser des umgelegten Filterelements 10. Ein konventioneller perforierter zylindrischer Käfig 30, dessen Innendurchmesser zu dem gewünschten Außendurchmesser des umgelegten Filterelements 10 korrespondiert, wird dann oben auf das röhrenförmige Glied 122 gesetzt und in Richtung des Pfeils in 20 nach unten gedrückt. Eine Abwärtsbewegung des Filterpakets 121 wird durch das obere Basisteil 125 der Spannvorrichtung 123 verhindert, aber das röhrenförmige Glied 122 kann sich frei bewegen, so dass die auf den Käfig 30 ausgeübte Abwärtskraft dazu führt, dass dieser über das umgelegte Filterelement 10 gleitet und dabei das röhrenförmige Element 122 ersetzt. Der Käfig 30 wird solange nach unten gedrückt, bis sein unteres Ende das obere Basisteil 125 erreicht und das röhrenförmige Element 122 vollständig von dem Filterelement 10 getrennt ist, wie in 20 gezeigt. Die den Kern 20, das umgelegte Filterelement 10 und den Käfig 30 umfassende Anordnung kann sodann von der Spannvorrichtung 123 entfernt und einer Weiterbehandlung zugeführt werden, zum Beispiel der Installation der Endkappen an einem oder beiden Enden unter Anwendung konventioneller Techniken zum Verschließen von Enden.
Filterelemente gemäß vorliegender Erfindung weisen einen weit größeren zur Filtration zur Verfügung stehenden Oberflächenbereich auf als konventionelle Faltenfilterelemente bei gleichem Innen- und Außendurchmesser. Beispielsweise ergibt sich für ein Filterelement mit Längsfalten gemäß den 2 und 3 der Gesamtoberflächenbereich A des Filterelements aus der Formel A = 2hNL (1)wobei

h: die Höhe der Falten ist,
N: die Anzahl der Falten im Filterelement ist, und
L: die Länge der Falten ist, gemessen in der Axialrichtung des Filterelements.

Bei einem Faltenfilterelement, bei dem sich benachbarte Falten entlang dem inneren Durchmesser des Filterelements berühren, ergibt sich die Faltenanzahl N annäherungsweise aus
wobei

t: die Dicke des Komposits (Filtermedium + Drainagelagen + weitere Lagen) ist.

Bei einem konventionellen Filterelement ohne umgelegte Falten errechnet sich die Faltenhöhe aus der Formel
wobei

D: der Außendurchmesser des Filterelements ist und
d: der Innendurchmesser des Filterelements ist.

Demgegenüber ergibt sich für ein Filterelement mit umgelegten Falten wie in 2 gezeigt, wobei die gegenüberliegenden Seiten benachbarter Schenkel der Falten über im Wesentlichen die gesamte Faltenhöhe in innigem Kontakt stehen, die maximale Faltenhöhe h_max, die erzielt werden kann, annäherungsweise aus der Formel
Bei einem wirklichen Filter mit umgelegten Falten wird die Höhe der Falten kleiner sein als die maximale Faltenhöhe h_max, bedingt beispielsweise durch die Schwierigkeit, die Falten in perfekt messerscharfe Falten zu legen. Jedoch liegt die tatsächliche Faltenhöhe vorzugsweise bei mindestens 80 %, mehr bevorzugt bei mindestens 90 % von h_max, um das Volumen zwischen dem inneren und äußeren Durchmesser des Filterelements optimal auszunutzen.
Mittels dieser Formeln ist es möglich, den mit einem Filter gemäß vorliegender Erfindung erhaltenen Zuwachs an Filterfläche zu berechnen. Für ein Filterelement mit einer Länge L von 10 Inch, einer Kompositdicke t von 0,175 Inch, einem Innendurchmesser d von 1,2 Inch und einem Außendurchmesser D von 2,75 Inch folgt die Faltenanzahl N aus Gleichung (2) zu
Die Faltenhöhe für ein konventionelles Filter und die maximale Faltenhöhe für ein Filter gemäß vorliegender Erfindung ergeben sich aus den Gleichungen (3) bzw. (4) jeweils zu
Durch Einführung dieser Werte in Gleichung (1) erhält man die folgenden Oberflächenbereiche, worin A_max der maximal mögliche Oberflächenbereich korrespondierend zu einer Faltenhöhe von h_max ist: A(konventionelles Filter) = 2 × 0,775 × 13 × 10 = 201,5 in2 Amax(umgelegte Falten) = 2 × 1,239 × 13 × 10 = 322,14 in2.
Somit ist in diesem Beispiel der maximal mögliche Filteroberflächenbereich eines Filters gemäß vorliegender Erfindung, welches umgelegte Falten aufweist, circa 60 % größer als bei einem konventionellen Faltenfilter mit den gleichen Innen- und Außenabmessungen. Selbst wenn die tatsächliche Höhe der umgelegten Falten nur 80 % von h_max beträgt, ergibt sich der tatsächliche Filteroberflächenbereich immer noch zu 322,14 × 0,80 = 257,71 in², was 28 % höher ist.
Der erhöhte Oberflächenbereich eines Filterelements mit umgelegten Falten gemäß vorliegender Erfindung verlängert die Nutzungsdauer des Filterelements gegenüber einem konventionellen Filterelement gleicher Innen- und Außenabmessungen.
Ferner: wenn die Falten in einem umgelegten Zustand vorliegen, führt dies dazu, dass die Falten gleichmäßig gestützt und Punktlasten gleichmäßig über das Filterelement verteilt werden. Dies minimiert Faltenbewegung und erhöht das Rückhaltevermögen der Falten für Partikel in einem System mit pulsierender Beaufschlagung oder Druckstoßbetrieb. Hinzu kommt, dass, wenn die Falten in einem umgelegten Zustand vorliegen, die Endflächen des Filterelements außerordentlich kompakt sind und größeren Widerstand gegen Beschädigung des Filtermediums während der Installation der Endkappen auf das Filterelement bieten.
Der Druckabfall ΔP über ein Faltenfilterelement mit Stromaufwärts- und Stromabwärts-Stütz- und Drainagelagen ergibt sich aus folgender Gleichung: ΔP = (Keh + Km/2h)·(μQ/N1) (5)wobei

μ: = absolute Viskosität des zu filternden Fluids
Q: = Volumendurchsatz des Fluids
K_e: = Längsströmungswiderstandsfaktor des Stütz- und Drainagematerials
K_m: = Strömungswiderstandsfaktor des Filtermediums
h: = Faltenhöhe
l: = Faltenlänge in Axialrichtung des Filters
N: = Anzahl der Falten

Wenn alle Faktoren in Gleichung (5) mit Ausnahme der Faltenhöhe h konstant sind, so ergibt sich der Druckabfall ΔP zu einem Minimum, wenn die Faltenhöhe h durch die folgende Gleichung ausgedrückt ist: h = (Km/2Ke)1/2 (6)
Demnach kann in Situationen, in denen der Außendurchmesser des Filterelements nach Belieben gewählt werden kann, der Druckabfall ΔP über ein Filter gemäß vorliegender Erfindung minimiert und die Effizienz des Filters maximiert werden, indem der Außendurchmesser so gewählt wird, dass die Faltenhöhe h der Gleichung (6) genügt.
Um die Falten in einem umgelegten Zustand zu halten, können auch andere Mittel als ein Käfig verwendet werden. Beispielsweise könnte der Käfig durch mehrere, nicht miteinander verbundene Ringe ersetzt werden, welche so über das Filterelement 10 gezogen werden, dass die Falten am Entfalten gehindert werden. Ein anderes geeignetes Mittel zum Zurückhaltung der Falten besteht aus einer Materialschicht, die mit einer Spannung um das Filterelement gewickelt wird, die ausreicht, um die Falten daran zu hindern, sich aus einem umgelegten Zustand wieder aufzurichten. 22 ist eine teilweise geschnittene Darstellung einer zweiten Ausführungsform gemäß vorliegender Erfindung, wobei der Käfig von 1 durch ein helikales Umhüllungsglied 50 ersetzt ist, welches einen parallelseitigen Streifen von einem flexiblen Material umfasst, der helixförmig in mehreren Windungen um das Filterelement 10 gewickelt ist. Das Umhüllungsglied 50 kann aus einem beliebigen Material sein, welches mit dem zu filternden Fluid verträglich ist. Wenn das Umhüllungsglied 50 die äußere Peripherie des Filterelements 10 vollständig einhüllt, ist das Umhüllungsglied 50 vorzugsweise porös. Für viele Anwendungen ist ein poröses polymeres Nonwoven-Material geeignet, welches unter der Handelsbezeichnung Reemay von der Firma Reemay Corporation erhältlich ist. Es können auch Laminate aus dem Reemay-Material Verwendung finden. Beispiele für andere geeignete Materialien sind Ölpapppapier und Mylar-Film.
Das Umhüllungsglied 50 kann ein relativ dünnes Material sein, welches nicht dafür gedacht ist, großen Spannungen standzuhalten, so dass es hauptsächlich zum Einsatz geeignet wäre, wenn das Filterelement 10 einer Durchströmung von außen nach innen ausgesetzt wird. In diesem Fall muss das Umhüllungsglied 50 nur stark genug sein, um die Falten in einem umgelegten Zustand zu halten und radial nach außen gerichteten Kräften standzuhalten, die während kurzzeitiger Umkehrungen der Strömungsrichtung des Fluids durch das Filterelement 10 auftreten. Alternativ kann die Umhüllung aus einem stärkeren Material gebildet sein, welches den relativ größeren Spannungen standhalten kann, die mit einer von innen nach außen gerichteten Strömung verbunden sind. Die Spannung des Umhüllungsglieds 50 kann gemäß den erwarteten Filtrationsbedingungen gewählt werden.
Das Umhüllungsglied 50 kann mit oder ohne Überlappung zwischen benachbarten Windungen des Umhüllungsglieds 50 um das Filterelement 10 gewickelt sein. Beispielsweise können benachbarte Windungen des Umhüllungsglieds 50 im Wesentlichen ohne Überlappung aneinanderstoßen, oder es können durch die Verwendung einer Überlappung mehrfache Lagen des Umhüllungsglieds 50 um das Filterelement 10 gewickelt werden. Es wurde jedoch gefunden, dass, wenn das Umhüllungsglied 50 unobstruierte Öffnungen enthält, die Schmutzkapazität des Filterelements 10 im Vergleich zu einem nicht umwickelten Faltenfilterelement oder im Vergleich zu einem von einem Umhüllungsglied vollständig umschlossenen Faltenfilterelement beträchtlich gesteigert werden kann. Bei den Öffnungen kann es sich um in das Material des Umhüllungsglieds 50 selbst eingearbeitete Löcher handeln, oder um zwischen benachbarten Windungen des Umhüllungsglieds 50 belassene Spalte. Bei der Ausführungsform von 22 ist das Umhüllungsglied 50 so um das Filterelement 10 gewickelt, dass Öffnungen in Form eines helikalen Spaltes 51 zwischen benachbarten Windungen bleiben.
Um eine Beladung des Umhüllungsglieds 50 zu verhindern, sollte die Größe der Öffnungen des Umhüllungsglieds 50 hinreichend sein, um den Durchtritt praktisch aller in dem zu filternden Fluid enthaltenen Partikel zu gestatten. Ferner ist die Gesamtfläche der Öffnungen im Wesentlichen kleiner als 50 % des gesamten Oberflächenbereichs der durch die Spitzen der Falten 11 des Filterelements 10 definierten zylindrischen Oberfläche. Mehr bevorzugt liegt die Gesamtfläche der Öffnungen in einem Bereich von circa 6 % bis circa 30 % des gesamten, durch die Spitzen der Falten 11 definierten Oberflächenbereichs.
Das Umhüllungsglied 50 ist vorzugsweise in einer Form gesichert, die verhindert, dass es sich vom Filterelement 10 loswickelt. Ein Verfahren zum Sichern des Umhüllungsglieds 50 besteht darin, es mittels eines Bindemittels an das Filterelement 10 anzuheften, beispielsweise mittels eines Heißschmelzklebers, der auf das Umhüllungsglied 50 aufgebracht wird, wenn es um das Filterelement 10 gewickelt wird. Das Aufbringen des Bindemittels auf das Umhüllungsglied 50 kann in Form einer durchgehenden oder unterbrochenen Raupe erfolgen, die spiralförmig um das Filterelement 10 parallel zu den Kanten des Umhüllungsglieds 50 verläuft. Alternativ, wenn das Umhüllungsglied 50 aus einem polymeren Material besteht, kann es durch eine Schmelzklebeverbindung an das Filterelement 10 gebunden werden mittels eines Heizrades, welches nach unten gerichtet entlang der Länge des Filterelements 10 läuft, während das Filterelement 10 rotiert wird. Das Umhüllungsglied 50 kann direkt mit dem Filterelement 10 verbunden sein oder, wenn sich benachbarte Windungen des Umhüllungsglieds 50 überlappen, können die benachbarten Windungen direkt miteinander verbunden sein. Es ist auch möglich, das Umhüllungsglied 50 um das Filterelement 10 zu wickeln, ohne die beiden direkt miteinander zu verbinden, und lediglich die an die Endkappen 40 angrenzenden Teile des Umhüllungsglieds 50 mittels der Endkappen 40 oder anderer mechanischer Mittel, z.B. durch Bördeln, zu sichern.
Ein Umhüllungsglied 50 wird üblicherweise um ein zylindrisches Filterelement gewickelt durch Anordnen des Filterelements auf einem Dorn und Rotieren des Dorns sowie des Filterelementes während des Aufbringens des Umhüllungsglieds auf das Filterelement. Während des Wickelvorgangs können die Falten des Filterelements mittels eines trichterförmigen Werkzeugs 60, wie dem in 5 gezeigten, in den umgelegten Zustand verformt werden. Beim Rotieren des Dorns kann das Werkzeug 60 in der Längsrichtung des Filterelements vorwärtsbewegt werden. Beim Austreten der Falten aus dem Werkzeug 60 be finden sie sich in einem umgelegten Zustand, und das Umhüllungsglied 50 kann um die in diesem Zustand befindlichen Falten herumgewickelt werden.
Das Umhüllungsglied 50 ist nicht auf einen einzelnen Materialstreifen begrenzt. Beispielsweise kann das Umhüllungsglied 50 zwei Materialstreifen umfassen, die als Doppelhelix um das Filterelement 10 gewickelt werden. Alternativ ließe sich das Filterelement 10 statt in helikaler Richtung auch in Umfangsrichtung mit dem Umhüllungsglied 50 bewickeln.
Nachfolgend sind einige Beispiele von Faltenfilterelementen gemäß vorliegender Erfindung angeführt. Für jedes Filterelement sind die Komponenten von der Stromaufwärts- zur Stromabwärtsseite des Elements gesehen angegeben.
In jedem der obengenannten Beispiele befanden sich die gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Schenkel der Falten über die gesamte axiale Länge des Filterelements in innigem Kontakt.
Die dargestellten Ausführungsformen gemäß vorliegender Erfindung sind für den Einsatz mit einer radialen Fluidströmung von außen nach innen durch das Filterelement gedacht. Es ist jedoch ebenfalls möglich, ein Filter gemäß vorliegender Erfindung für eine radiale Strömung von innen nach außen zu verwenden. Ein zu filterndes Fluid, d.h. eine Flüssigkeit oder ein Gas, wird durch die umgelegten Falten 11 des Filterelements 10 des Filters geleitet. Das Fluid wird durch die Stromaufwärtsdrainagelage 13 entlang der gesamten Stromaufwärtsoberfläche des Filtermediums 12 verteilt, wobei selbst jene Regionen des Filtermediums 12 erfasst werden, die tief im Inneren des Filterelements 10 in der Nähe des Kerns 20 liegen. Sodann passiert das Fluid das Filtermedium 12, wobei das Fluid gefiltert und Partikel auf oder im Inneren des Filtermediums 12 abgelagert werden. Auf der Stromabwärtsseite des Filtermediums 12 läuft das gefilterte Fluid entlang der Stromabwärtsdrainagelage 14 ab, tritt in das Innere des perforierten Kerns 20 ein und verlässt dann das Filter.
Das Filter kann gereinigt werden, indem ein Reinigungsfluid in der entgegengesetzten Richtung durch das Filter geleitet wird. Das Reinigungsfluid kann ein Gas sein, welches durch das Filter rückgeblasen wird, oder es kann eine Flüssigkeit sein, mit der das Filter rückgespült wird. Beispielsweise kann eine Rückspülflüssigkeit wie Wasser vom Inneren des perforierten Kerns 20 durch die umgelegten Falten 11 des Filterelements 10 geleitet werden. Die Rückspülflüssigkeit wird durch die Stromabwärtsdrainagelage 14 entlang der gesamten Stromabwärtsoberfläche des Filtermediums 12 verteilt, wobei selbst jene Regionen des Filtermediums 12 erfasst werden, die vom Kern 20 entfernt in der Nähe des Käfigs 30 oder der Umhüllung 50 liegen. Sodann passiert die Rückspülflüssigkeit das Filtermedium 12 und treibt die Partikel aus dem Inneren des Filtermediums 12 und/oder von der Stromaufwärtsoberfläche des Filtermediums 12 weg. Die Partikel werden sodann durch die Stromaufwärtsdrainagelage 13 gespült und mit der Rückspülflüssigkeit aus dem Filter ausgetragen. Das Verhältnis der durch das Filterelement gespülten Menge an Rückspülflüssigkeit zu der durch das Filterelement gefilterten Fluidmenge kann bei bis zu circa 10 liegen, mehr bevorzugt in einem Bereich von circa 2 bis circa 4.
Wenngleich die vorliegende Erfindung verkörpernde Filter für eine breite Vielfalt von Anwendungen Verwendung finden können, liegt eine besonders vorteilhafte Verwendung im Einsatz als Precoatfilter. Ein Beispiel eines Precoatfilters 130 ist in 23 gezeigt und umfasst im Wesentlichen einen perforierten Kern 20 und ein umgelegtes Filterelement 10, die ähnlich wie jene des in 1 gezeigten Filters ausgeführt sein können. Ferner umfasst das Precoatfilter 130 eine Umhüllung 50, die als Septum zum Tragen einer Precoatlage 131 dient, und ein Schutzglied 132 zum Schutz der Precoatlage 131 vor Erosion.
Zur Unterstützung des Filterelements 10 und des Septums 50 gegen radial gerichtete Kräfte kann der Kern 20 ein beliebiges, hinreichend starkes, steifes Material umfassen, welches mit dem zu reinigenden Fluid verträglich ist, wie bereits beschrieben. Zwar umfasst das Precoatfilter vorzugsweise einen perforierten Kern, jedoch kann der Kern auch weggelassen werden, beispielsweise in Fällen, wo das Filterelement ausreichende strukturelle Integrität aufweist, um den radial gerichteten Kräften ohne den Kern standzuhalten.
Das Filterelement 10 kann eine einzelne Lage oder ein mehrlagiges Komposit sein und kann ein beliebiges geeignetes Filtermedium sowie Drainagemittel und eine Pufferlage umfassen, wie bereits beschrieben. Wenn beispielsweise das Precoatfilter zur Aufbereitung von kerntechnischem Kondensat eingesetzt werden soll, wobei das zu reinigende Fluid Wasser ist, kann das Filterelement 10 ein Filtermedium umfassen, welches sandwichartig zwischen einer Stromaufwärtsdrainagelage und einer Stromabwärtsdrainagelage angeordnet ist. Jede Drainagelage kann eine extrudierte Polypropylen-Netzstruktur umfassen. Das Filtermedium umfasst vorzugsweise ein faseriges Medium, welches aromatische Polyamidfasern umfasst, wie beispielsweise unter der Handelsbezeichnung Kevlar von Du Pont de Nemours E.I. Co. erhältlich, die fibrilliert und an ein Zellulose- oder Nonwoven-Polymersubstrat harzgebunden sind, welches die Stromabwärtsseite des Mediums bildet. Die Porengröße des Filtermediums ist vorzugsweise hinreichend klein, damit das Filtermedium im Wesentlichen alle Partikel in dem Precoatmaterial einzufangen vermag, so dass jegliche feine Partikel in dem Precoatmaterial, die das Septum passieren, vom Filtermedium festgehalten werden. Die Porengröße des Filtermediums kann ferner hinreichend klein sein, um zusätzliche feine Anteile in dem zu filternden Fluid einzufangen, nämlich Feinanteile, die zu klein sein können, um von der Precoatlage 131 abgefangen zu werden.
Das Septum 50 umfasst vorzugsweise eine flexible poröse Umhüllung, die um die äußere Peripherie des Filterelements 10 gewickelt ist und diese vollständig bedeckt, wie bereits beschrieben. Vorzugsweise ist das Septum 50 hinreichend stark, so dass es nicht nur als Stützung für die Precoatlage 131 dienen kann, sondern auch als ein Mittel, um das Filterelement 10 in einem umgelegten Zustand zu halten, und zwar sowohl während der Filtration (wenn das Precoatfilter einer radial nach innen gerichteten Strömung ausgesetzt ist) als auch während des Rückspülens (wenn das Precoatfilterelement einer radial nach außen gerichteten Strömung unterworfen ist). Das Septum 50 ist ferner vorzugsweise ausreichend stark, um den radial nach außen gerichteten Drücken standzuhalten, die während des Rückspülens auf das Precoatfilter einwirken. Üblicherweise liegen diese Drücke in einem Bereich von circa 10 psi bis circa 100 psi.
Das Septum 50 ist vorzugsweise so gewählt, dass es eine solche Porengröße aufweist, die den Durchtritt des größten Teils der Partikel in dem Precoatmaterial verhindern kann und den Aufbau eines Kuchens aus Precoatmaterial auf der Stromaufwärtsoberfläche des Septums erlaubt. Wenn die kleinsten Partikel in dem Precoatmaterial das Septum 50 passieren, so können sie durch das Filterelement 10, welches eine sehr hohe Schmutzkapazität aufweist und infolgedessen nicht von den feinen Partikeln verstopft wird, aufgefangen werden. Da das Septum 50 nicht alle Partikel in dem Precoatmaterial halten muss, kann es eine Porosität haben, die seinen langfristigen Einsatz ermöglicht, bevor es gereinigt oder ersetzt werden muss.
Das Material, aus dem das Septum 50 hergestellt ist, hängt von den Eigenschaften des zu filternden Fluids und des Precoatmaterials ab. Beispielsweise ist ein geeignetes Septummaterial ein Netzgewebe aus korrosionsbeständigem Metall, z.B. Edelstahl. Es gibt eine Vielfalt von geeigneten Bindungen, einschließlich einer Quadratmaschengewebebindung und einer "Dutch"-Köperbindung, wobei von den beiden Bindungen die Quadratmaschenbindung bevorzugt wird, da sie dünner und infolgedessen leichter zu handhaben ist. In anderen Anwendungen kann das Septum eine polymere Netzstruktur oder ein polymeres Nonwoven-Textilmaterial sein. Zur Aufbereitung von kerntechnischem Kondensat ist ein bevorzugtes Material für das Septum ein 120 × 180 × 0,004 (Inch) × 0,0035 (Inch)-Quadratmaschengewebe aus Edelstahl.
Das Septum kann auf beliebige Weise auf das Filterelement aufgebracht werden, derart, dass das gesamte nach innen durch das Filterelement strömende Fluid zuerst das Septum passieren muss. Vorzugsweise liegt das Septum gegen das Filterelement an, und mehr bevorzugt steht es in direktem Kontakt mit dem Filterelement. In der vorliegenden Ausführungsform liegt das Septum 50 als ein Streifen mit parallelen Seiten vor, welcher helixförmig in mehreren Windungen über die gesamte Länge des Filterelements um das Filterelement 10 gewickelt ist. Um zu verhindern, dass das Precoatmaterial das Septum 50 umgeht, ist es bevorzugt, wenn benachbarte Windungen des Septums 50 überlappend sind. Der Grad der Überlappung kann auf der Grundlage der gewünschten Dicke des Septums 50 gewählt werden. Wird beispielsweise das Septum 50 mit einer Überlappung von 50 % gewickelt, so kann eine doppelte Dicke des Septums 50 um das Filterelement 10 bereitgestellt werden. Das Septum 50 muss nicht in Form einer helikalen Bewicklung vorliegen und könnte statt dessen beispielsweise in Umfangsrichtung des Filterelements 10 gewickelt sein. Allerdings ist eine helikale Umwicklung von Vorteil insofern, als ein Septum 50 von schmaler Breite verwendet werden kann, um ein Filterelement 10 von beliebiger Länge zu bewickeln. Es kann ein geeignetes Schneid verfahren, wie Laserschneiden, verwendet werden, um sicherzustellen, dass der Septumstreifen keine scharfen Kanten aufweist.
Eine Bewegung des Septums 50 wird bevorzugt in einer Weise verhindert, die dessen Loswickeln von dem Filterelement während der normalen Handhabung und des normalen Betriebs verhindert. Ein Verfahren zum Sichern des Septums 50 besteht darin, es mittels eines Bindemittels an der äußeren Peripherie des Filterelements 10 zu befestigen, beispielsweise mit einem Heißschmelzkleber, der auf die innere Oberfläche des Septums 50 aufgetragen wird, während es um das Filterelement 10 gewickelt wird. Das Bindemittel kann auf das Septum 50 in Form einer durchgehenden oder unterbrochenen Raupe auftragen werden, die spiralförmig parallel zu den Kanten des Septums 50 um das Filterelement 10 läuft. Alternativ, wenn das Umhüllungsglied 50 aus einem polymeren Material hergestellt ist, kann es durch eine Schmelzklebeverbindung an das Filterelement 10 gebunden werden mittels eines Heizrades, welches nach unten gerichtet entlang der Länge des Filterelements 10 läuft, während das Filterelement 10 rotiert wird. Liegt zwischen benachbarten Windungen des Septums 50 Überlappung vor, so können an Stelle von oder zusätzlich zu dem direkt mit dem Filterelement 10 verbundenen Septum 50 die benachbarten Windungen direkt miteinander verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen oder Kleben. In vielen Fällen ist es jedoch ausreichend, das Septum 50 um das Filterelement 10 zu wickeln, ohne die beiden direkt miteinander zu verbinden und ohne benachbarte Windungen des Septums 50 aneinander zu sichern, und lediglich die an die axialen Enden des Filterelements 10 angrenzenden Endbereiche des Septums 50 durch Kleben, durch Fixieren des Septums 50 an den Endkappen oder durch andere mechanische Mittel zu sichern, z.B. ein Klebeband oder ein Metallband, beispielsweise ein Edelstahlband.
Wenn die Precoatschicht auf das Precoatfilter aufgebracht ist und das zu filternde Fluid durch das Precoatfilter geleitet wird, strömt Fluid radial nach innen durch das Precoatfilter und erfährt dabei einen Druckabfall. Infolge des Druckabfalls wirkt eine radial nach innen gerichtete Kraft auf das Filterelement. Bei einem konventionellen Faltenelement mit sich in radialer Richtung erstreckenden Falten kann es infolge dieser nach innen gerichteten Kraft dazu kommen, dass es komprimiert wird oder kollabiert. Diese Kompression würde dazu führen, dass das Septum Runzeln oder Ausbeulungen bildet, und dies würde Rissbildung und Bruch der Precoatlage verursachen, was unerwünscht ist. Da jedoch die Falten eines diesen Aspekt der vorliegenden Erfindung verkörpernden Precoatfilters 130 aufeinander umgelegt sind, kann das Septum 50 anfänglich sehr straff um das Filterelement 10 gewickelt werden, ohne die Falten zu beschädigen. Je dichter das Filterelement 10 vor Beginn der Filtration, desto kleiner ist die auf das Filterelement 10, das Septum 50 und die Precoatschicht 131 während der Filtration wirkende Kompression. Deshalb wird das Septum 50 vorzugsweise mit einer ausreichenden anfänglichen Spannung um das Filterelement 10 gewickelt, so dass die Precoatlage 131 unter den zu erwartenden Betriebsdrücken des Precoatfilters keine Risse bildet. Beispielsweise kann das Septum 50 mit einer Spannung von bis zu circa 52,5 N (30 lb.) oder mehr pro Zentimeter (Inch) Breite um das Filterelement 10 gewickelt werden. Die anfängliche Spannung des Septums 50 ist abhängig von Faktoren, wie die Beschaffenheit des Precoatfilters 130 und die Betriebsdrücke während der Filtration. Vorzugsweise wird das Septum 50 mit einer solchen anfänglichen Spannung gewickelt, dass die Kompression des Durchmessers des Precoatfilters 130 infolge des Druckabfalls über das Precoatfilter 130 während der Filtration nicht mehr als circa 5 % beträgt. Straffes Bewickeln des Filterelements 10 mit dem Septum 50 bewirkt nicht nur eine Kompression des Filterelements 10 vor der Filtration, sondern verhindert auch eine Bewegung der Falten bei Druckschwankungen im Precoatelement, welche Bewegung Rissbildung der Precoatlage 131 verursachen könnte.
Selbst wenn benachbarte Schenkel der Falten des Filterelements 10 in innigen Kontakt miteinander gepresst werden, wenn sich die Falten in umgelegtem Zustand befinden, kann infolge des Vorhandenseins der Drainagelagen Fluid leicht entlang der Stromaufwärtsoberfläche und der Stromabwärtsoberfläche des Filtermediums fließen. Aus diesem Grund beeinträchtigt straffes Bewickeln des Filterelements 10 mit dem Septum 50 das Filtrationsvermögen des Precoatfilters 130 nicht.
Das Septum 50 kann von einem Schutzglied 132 umgeben sein, welches als Strömungsgleichrichter wirkt, um zu verhindern, dass Turbulenzen in dem das Precoatfilter umgebenden Fluid die Precoatlage 131 erodieren. Ferner stützt das Schutzglied 132 die Precoatlage 131 während kurzer Zeiträume, in denen die radial nach innen gerichtete Strömung durch das Precoatfilter 130 vermindert oder angehalten ist. Das Schutzglied 132 kann aus einer Vielfalt von Materialien hergestellt sein, die ausreichend porös sind, um das Precoatmaterial leicht durch sie hindurchtreten zu lassen. Ein Beispiel eines geeigneten Materials für das Schutzglied 132 ist ein polymeres Netzgestrick, wie in US-Patent Nr. 4 904 380 offenbart, welches unter Anwendung verschiedener Techniken um das Septum 50 herum angeordnet werden kann. Beispielsweise kann es in Form eines Netzstreifens als helikale Umhüllung um das Septum 50 gewickelt sein, oder es kann in Form einer Hülse vorliegen, wobei sich beide Formen entweder ganz oder nur teilweise entlang dem Precoatelement erstrecken können.
Das Precoatfilter umfasst ferner Endkappen, die an dem Kern und/oder dem umgelegten Filterelement und/oder dem Septum in beliebiger geeigneter Weise fixiert sein können, wie bereits beschrieben. Die Endkappen können dazu verwendet werden, die Enden des Septums 50 zu sichern und dessen Loswickeln zu verhindern. Wenn die Enden des Septums 50 vor Installation der Endkappen durch mechanische Rückhalteelemente gehalten werden, z.B. Streifen oder Bänder, können die Endkappen über die Rückhalteelemente aufgebracht werden. Obgleich hier nicht gezeigt, können die Endkappen mit konventionellen Dichtelementen, wie Dichtungsscheiben oder O-Ringen ausgestattet sein, um das Precoatfilter mit einem Filtrationssystem, in dem es eingesetzt werden soll, abdichtend zu verbinden.
Das Precoatfilter kann ferner einen perforierten Käfig oder ein ähnliches Glied umfassen, welches das Schutzglied 132 umgibt, um das Schutzglied 132 an Ort und Stelle zu halten und dem Precoatfilter zusätzliche Festigkeit zu verleihen. Der Käfig besitzt darin ausgebildete Öffnungen, die vorzugsweise ausreichend groß sind, um den Fluidfluss nicht zu behindern und keinen wesentlichen Druckverlust zu verursachen. Der Käfig kann eine konventionelle Konstruktion aufweisen und aus jedem Material hergestellt sein, welches mit dem zu filternden Fluid verträglich ist.
Ein Precoatfilter mit umgelegten Falten ist einem konventionellen Faltenfilter vorzuziehen, weil es einen viel größeren Oberflächenbereich aufweist als ein konventionelles Faltenfilter gleicher Innen- und Außenabmessungen. Dies bedeutet, dass das Precoatfilter mit umgelegten Falten eine längere Nutzungsdauer hat und feine Partikel der Precoatlage 131, die das Septum 50 passieren, über längere Zeiträume zurückhalten kann, ohne zu verschmutzen.
Ferner: weil die Falten umgelegt sind, zeigen sie besseren Widerstand gegen Beschädigung infolge der Druckkräfte, die beim Umhüllen des Filterelements 10 mit dem Septum 50 und beim Strömen des Fluids durch die Precoatlage 131 und das Precoatfilter 130 erzeugt werden. Diese Kräfte breiten sich entlang dem Schenkel jeder umgelegten Falte aus, anstatt sich an dem Kopf einer konventionellen, sich radial erstreckenden Falte zu konzentrieren. Infolgedessen kann das Septum 50 straffer um ein umgelegtes Filterelement 10 gewickelt werden, und das umgelegte Filterelement 10 kann größeren Precoatdruckunterschieden ohne Schädigung standhalten als ein konventionelles Faltenfilter.
Ferner: wenn die Falten in einem umgelegten Zustand vorliegen, führt dies dazu, dass die Falten gleichmäßig gestützt und Punktlasten gleichmäßig über das Precoatfilter verteilt werden. Dies minimiert Faltenbewegung und erhöht das Rückhaltevermögen der Falten für Partikel in Systemen mit pulsierender Beaufschlagung oder Druckstoßbetrieb. Hinzu kommt, dass, wenn die Falten in einem umgelegten Zustand vorliegen, die Endflächen des Filterelements außerordentlich kompakt sind und größeren Widerstand gegen Beschädigung des Filtermediums während der Installation der Endkappen auf die Enden des Filterpakets bieten.
Die Precoatlage 131 wird üblicherweise auf das Septum 50 aufgebracht, nachdem das Precoatfilter in einem Filtrationssystem installiert wurde. Das Precoatmaterial kann gemäß dem zu filternden Fluid gewählt werden, und ein Precoatfilter gemäß vorliegender Erfindung ist nicht auf die Verwendung mit einer bestimmten Art von Precoatmaterial begrenzt. Bei einem Kondensataufbereitungssystem für ein Kernkraftwerk umfasst das Precoatmaterial häufig Ionenaustauscherharze. Alternativ kann das Precoatmaterial ein beliebiges anderes geeignetes Material umfassen, beispielsweise Kieselgur. Die Dicke der Precoatlage 131 ist abhängig von den gewünschten Filtrationseigenschaften und/oder Ionenaustauschereigenschaften. Die Precoatlage 131 kann mittels eines beliebigen geeigneten Verfahrens auf das Septum 50 aufgebracht werden, z.B. solchen, wie sie gewöhnlich in bestehenden, mit Precoatfiltern arbeitenden Filtrationssystemen zur Anwendung kommen. Zum Beispiel kann eine das Precoatmaterial enthaltende Aufschlämmung von außen nach innen durch das Precoatfilter 130 geleitet werden, bis ein ausreichender Kuchen auf dem Septum 50 und innerhalb des Schutzglieds 132 aufgebaut ist.
Mit der Precoatlage 131 auf dem Septum 50 kann das zu filtrierende Fluid, typischerweise eine Flüssigkeit, durch die Precoatlage 131, das Septum 50 und das Filterelement 10 geleitet werden. Die Precoatlage 131 kann sowohl dazu dienen, Partikel zu entfernen, z.B. durch Zurückhalten der Partikel im Inneren der Precoatlage 131, als auch zur Entfernung von Verunreinigungen, z.B. durch Ionenaustausch oder Sorption. Das Filterelement 10 kann dazu dienen, kleine Partikel der Precoatlage 131 einzufangen, die sich von der Precoatlage 131 ablösen und das Septum 50 passieren. Ferner kann das Faltenfilterelement 10, mit seinem großen Oberflächenbereich, eine hinreichend kleine Porenweite haben, um Feinanteile aus dem zu filtrierenden Fluid zu entfernen, die andernfalls die Precoatlage 131 und das Septum 50 passieren würden. Das Faltenfilterelement kann also eine Porengröße aufweisen, die kleiner ist als die der Precoatlage oder des Septums.
Die Precoatlage 131 kann von dem Septum 50 durch Rückspülen entfernt werden, wenn sie erschöpft oder so mit partikulärem Material verstopft ist, dass der Druckabfall über das Septum 50 oder das Filterelement 10 inakzeptabel groß wird. Das Rückspülen wird durchgeführt, indem eine Rückspülflüssigkeit, z.B. Wasser, entgegengesetzt zur Filtrationsrichtung, z.B. von innen nach außen, durch das Precoatfilter hindurchgeleitet wird, wie zuvor beschrieben. Das Schutzglied 132 ist hinreichend porös, so dass sich die Precoatlage 131 leicht davon ablösen lässt und sodann in geeigneter Weise entsorgt werden kann. Auch hier sorgt das Vorhandensein der Drainagelagen dafür, dass das Rückspülfluid leicht entlang der Stromaufwärts- und Stromabwärtsoberflächen des Filtermediums fließen kann, selbst wenn das Septum 50 straff um das Filterelement 10 gewickelt ist. Demzufolge können Strömungsgeschwindigkeit, Druck und andere Parameter des Rückspülfluids während des Rückspülens die gleichen sein wie sie üblicherweise mit konventionellen Precoatfiltern zur Verwendung kommen. Das Rückspülen kann in festgelegten Zeitabständen erfolgen oder immer dann, wenn der Druckabfall über das Precoatfilter 130 während des Filtrationsbetriebs einen vorbestimmten Wert erreicht, der anzeigt, dass das Filterelement 10 oder das Septum 50 verstopft ist. Das Rückspülen dient nicht nur dazu, die Precoatlage 131 von dem Septum 50 zu entfernen, sondern auch zur Reinigung des Filterelements 10, indem Partikel aus dem Inneren des Filterelements 10 gelöst werden. Nach Entfernen der Precoatlage 131 durch Rückspülen kann eine frische Precoatlage 131 in der gleichen Weise wie die ursprüngliche Precoatlage 131 aufgebracht und das Precoatelement erneut zur Filtration eingesetzt werden.
Ein Precoatelement ist nicht auf ein solches beschränkt, welches umgelegte Falten aufweist, und es ist möglich, das Septum um ein konventionelles Faltenelement mit sich radial erstreckenden Falten, die sich nicht in einem umgelegten Zustand befinden, zu wickeln, wobei das Septum gegen die Falten anliegt, vorzugsweise die Falten unmittelbar berührt. Allerdings weisen radial verlaufende Falten eine niedrige Beulfestigkeit auf, und um ein derartiges Faltenelement muss das Septum ziemlich locker gewickelt werden, um Ausbeulen zu verhindern. Infolgedessen können die Falten während des Filtrationsbetriebs eine Relativbewegung erfahren oder können komprimiert werden infolge der Druckdifferenz über die Precoatlage, was zu einer Verformung des Septums und damit verbunden zu einer Rissbildung der Precoatlage führen kann. Dennoch kann es in Anwendungen, in denen lediglich ein kleiner Druckabfall über das Precoatfilter während der Filtration auftritt und die Falten einer geringen Relativbewegung unterworfen sind, möglich sein, das Septum mit einer ausreichend niedrigen Spannung um das in konventioneller Weise gefaltete Element zu wickeln, so dass ein konventionelles Faltenelement als Precoatelement verwendet werden kann.
24 zeigt ein zweites, nicht erfindungsgemäßes Precoatfilter 140. Um die Schwäche von konventionellen radial verlaufenden Falten zu überwinden, sind die Falten des Filterelements 10 in mehrere Gruppen 141 geformt, wobei jede Gruppe mehrere Falten enthält und benachbarte Gruppen 141 von Falten durch keilförmige Stützelemente 142 getrennt sind. Ein Filterelement mit durch Keilstützen gruppierten Falten ist ausführlich in US-Patent Nr. 4 154 688 beschrieben. Das zweite Precoatfilter 140 umfasst ferner Endkappen und ein um das Filterelement 10 gewickeltes Septum 50 und kann ein Schutzglied 132 aufweisen, wie bereits beschrieben. Ferner kann das zweite Precoatfilter 140 mit einer Precoatlage beschichtet und rückgespült werden wie bereits beschrieben.
Die Keilstützen 142 des zweiten Precoatfilters 140 versteifen die Falten derart, dass das Septum 50 straff um das Filterelement 10 gewickelt werden kann und das zweite Precoatfilter 140 großen Druckdifferenzen standhalten kann. Allerdings verringern die Keilstützen 142 die verfügbare Filterfläche, so dass das zweite Precoatfilter 140 weniger zu bevorzugen ist als das erste Precoatfilter 130.

Claims

Filter zum Entfernen einer oder mehrerer Substanzen aus einem das Filter durchströmenden Fluid, wobei das Filter umfasst: ein zylindrisches Filterelement (10) mit einer Längsachse, einer ersten und einer zweiten Endoberfläche, einem Innendurchmesser (d), einem Außendurchmesser (D) und einem Faltenkomposit, wobei das Faltenkomposit eine Mehrzahl von Füßen (11c), Köpfen (11b) und Schenkeln (11a) aufweist, wobei die Schenkel an den Füßen und Köpfen verbunden sind, um eine Mehrzahl von Längsfalten (11) zu definieren, die sich in einer gekrümmten, bogenförmigen, winkelförmigen oder geraden nicht-radialen Richtung erstrecken, wobei benachbarte Schenkel in Kontakt stehen und wobei jede Falte einen Schenkel mit einer Höhe (h) aufweist, die größer ist als (D-d)/2, wobei die Höhe in einer Richtung entlang dem Schenkel zwischen einem Fuß (11c) und einem Kopf (11b) gemessen ist, und wobei das Faltenkomposit ferner ein Filtermedium (12), eine Stromaufwärtsdrainageschicht (13) und eine Stromabwärtsdrainageschicht (14) aufweist, wobei das Filtermedium (12) eine Stromaufwärtsoberfläche und eine Stromabwärtsoberfläche aufweist und wobei das Filtermedium (12) frei von großen Oberflächendrainageirregularitäten ist, wobei die Stromaufwärtsdrainageschicht (13) entlang jedem Schenkel stromaufwärts der Stromaufwärtsoberfläche des Filtermediums (12) positioniert ist und wobei die Stromabwärtsdrainageschicht (14) entlang jedem Schenkel stromabwärts der Stromabwärtsoberfläche des Filtermediums (12) positioniert ist, ein erstes und ein zweites Endelement (40), welche zu dem ersten und dem zweiten Ende des zylindrischen Filterelementes (10) gedichtet sind, und eine um das Filterelement (10) angeordnete Haltevorrichtung (30).
Filter nach Anspruch 1, wobei jeder Schenkel eine Höhe aufweist und ein benachbarter Schenkel eine verschiedene Höhe aufweist.
Filter nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schenkel mit einer Höhe größer als (D-d)/2 ein erster Schenkel ist und wobei jede Falte einen zweiten Schenkel mit einer Höhe größer als (D-d)/2 aufweist, wobei die Höhe in einer Richtung entlang dem zweiten Schenkel zwischen einem Fuß und einem Kopf gemessen ist.
Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede Falte einen Kopf (11b) und einen ersten und einen zweiten Schenkel (11a), die an dem Kopf (11b) verbunden sind, aufweist.
Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei benachbarte Schenkel entlang einem wesentlichen Teil der Höhe der Schenkel in Kontakt stehen.
Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei benachbarte Schenkel im Wesentlichen entlang der gesamten Höhe der Schenkel in Kontakt stehen.
Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Filtermedium frei von großen Oberflächendrainageirregularitäten, einschließlich Drainagerillen, ist.
Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Filtermediumoberflächen im Wesentlichen flach sind.
Filter nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Haltevorrichtung einen um das Filterelement positionierten perforierten Käfig umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Haltevorrichtung ein das Filterelement umhüllendes Flachmaterial oder ein Umhüllungsglied umfasst.