DE69628752T2

DE69628752T2 - Direkt verbundenes filtermedium für fluide und träger, beide bestehend aus schmelzgeblasenem filtervlies

Info

Publication number: DE69628752T2
Application number: DE69628752T
Authority: DE
Inventors: D. Steven BARBOZA; S. Charles HOFFMAN; V. Clinton KOPP; J. Robert SCHMITT; C. Anthony SHUCOSKY
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1995-05-02
Filing date: 1996-04-10
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2016-04-11
Also published as: CA2219666C; JP2008036634A; IL118106A0; US5591335A; EP0830191B1; JPH11504853A; WO1996034673A1; US5733581A; JP4049812B2; CN1188422A; CN1346909A; CN1180148C; EP0830191A4; CA2219666A1; AU5389296A; JP4451902B2; US5681469A; CN1073868C; EP0830191A1; DE69628752D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen das Gebiet der Fluidfilterung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung schmelzgeblasene Fluidfiltermedien. Bei bevorzugten Formen ist das Filtermedium in zylindrischen Einweg-Filterkartuschen ausgeführt, in denen das Filtermedium in mindestens einer von mehreren ringförmig benachbarten schmelzgeblasenen Vliesfiltermediumschichten angeordnet ist. Diesbezüglich können die ringförmig benachbarten Schichten abgestufte Porengrößen/dichten aufweisen, um einen selektiven Fluidfiltereffizienzgradienten über die Tiefe der Filterkartusche hinweg zu erreichen (d. h. sogenannte "Tiefenfilterkartuschen").
STAND DER TECHNIK
Tiefenfilterkartuschen, die aus einer Vliesmasse eines schmelzgeblasenen Polymers gebildet sind, sind bekannt und haben eine weit verbreitete Verwendung in Fluidfilteranwendungen gefunden. Typischerweise werden derartige schmelzgeblasene Filterkartuschen hergestellt, indem ein Polymer durch Öffnungen extrudiert wird, die zu einer Schmelzblasdüse gehören, so dass Fasern gebildet werden, die zu einem rotierenden Formungsdorn geleitet werden. Während des Schmelzblasens wirkt ein Strom von Inertgas (z. B. Luft) auf die geschmolzenen Fasern, um die Fasern auf einen relativ feinen Durchmesser zu verfeinern und die verfeinerten Fasern willkürlich auf dem Formungsdorn zu verteilen. Im Laufe der Zeit bildet sich daher eine Masse aus willkürlich vermischten verfestigten Vliesfasern auf dem Formungsdorn. Eine gesteuerte axiale Bewegung der gebildeten Masse von schmelzgeblasenen Fasern im Verhältnis zu der Schmelzblasdüse ermöglicht daher, dass fortwährend eine zylindrische Filterkartusche von unbestimmter Länge gebildet wird.
Es ist bekannt, dass während des Schmelzblasens eine oder mehrere Verfahrensbedingungen im Zusammenhang mit der Schmelzblasdüse variiert werden können, um reagierend verschiedene Attribute der resultierenden schmelzgeblasenen Fasern hinsichtlich des Faserdurchmessers und/oder der Faserdichte und dadurch der Porengröße zu erreichen. Zum Beispiel ist in den U.S.-Patenten Nr. 3,904,798 und 3,801,400 ein Verfahren offenbart, durch das (i) die Temperatur des Polymers, (ii) die Geschwindigkeit der Polymerextrusion, (iii) die Geschwindigkeit der Rotation auf dem Formungsdorn, (iv) der Abstand zwischen der Schmelzblasdüse und dem Formungsdorn und/oder (v) das Gewicht einer Führungsrolle, die zu dem Formungsdorn gehört, verändert werden können, um die Dichte einer schmelzgeblasenen Faserschicht im Verhältnis zu einer zuvor schmelzgeblasenen benachbarten Schicht stufenweise zu ändern.
Die U.S.-Patente Nr. 4,594,202 und 4,726,901 offenbaren ein Verfahren, bei dem der Faserdurchmesser der schmelzgeblasenen Fasern steuerbar variiert wird, um im Wesentlichen konstante Porenvolumen für jedes Niveau von Faserdurchmesserabweichung über die radiale Dimension (Tiefe) der Filterkartuschen hinweg ohne wesentliche Faser-Faser-Bindung zu erreichen.
Bei Gebrauch muss eine Filterkartusche in der Lage sein, einem bedeutenden Druckabfall über ihre radiale Stärke hinweg standzuhalten (wobei dieser Druckabfall mit zunehmendem Einschluss von aus dem gefilterten Fluid entfernten Partikeln zunimmt). Um zu ermöglichen, dass die Filterkartusche Druckabfällen innerhalb der Konstruktionsgrenzwerte widersteht, ohne dass das Filtermedium zusammenbricht, ist nach herkömmlicher Praxis ein getrennter, perforierter röhrenförmiger Kern eingebaut worden, um den herum das Filtermedium angeordnet ist. (Siehe dazu die U.S.-Patente Nr. 3,933,557; 4,032,688 und 4,112,159.)
In der Technik ist ebenfalls vorgeschlagen worden, „kernlose" Tiefenfilterkartuschen zu bilden, die eine Masse von schmelzgeblasenen Vliesfasern enthalten. Zum Beispiel offenbart das U.S.-Patent Nr. 4,240,864 ein Verfahren, bei dem eine kernlose schmelzgeblasene Filterkartusche hergestellt werden kann, indem der Druck, der auf die sich auf dem Formungsdorn anhäufenden Fasern ausgeübt wird, variiert wird, so dass ein Filter mit variierender Mediendichte erhalten wird. Obwohl der Durchmesser der Fasern in den verschiedenen Schichten im Wesentlichen konstant ist, kann durch Variieren des Drucks auf die angehäuften Fasern von einem Bereich zum nächsten demgemäß eine Filterkartusche hergestellt werden, die einen innersten Bereich mit einer ausreichend hohen Dichte aufweist, um als ein einstückiger „Kern" zu dienen.
In jüngerer Zeit hat das U.S.-Patent Nr. 5,340,479 eine aus schmelzgeblasenen Fasern gebildete Tiefenfilterkartusche offenbart, die Stützfilamente in einem zentralen Bereich des Filters mit Durchmessern aufweist, die ausreichend groß sind, um sich zu einer Struktur thermisch zu binden, die stark genug ist, um den Rest der Filterstruktur ohne Zusammenbruch zu stützen. Dieser Bereich von Fasern mit relativ großem Durchmesser dient als einstückiger „Kern" für die restlichen angebenden Filterfasern mit relativ kleinem Durchmesser.
Während die oben beschriebenen Filterkartuschen bestimmte vorteilhafte Eigenschaften besitzen, werden noch einige Verbesserungen benötigt. Zum Beispiel wäre es insbesondere wünschenswert, wenn eine schmelzgeblasene Vliesfilterkartusche geschaffen werden könnte, bei der einer oder mehrere der ringförmigen Filterbereiche mit einer einstückigen Stützstruktur versehen wären. Des Weiteren wäre wünschenswert, dass eine derartige einstückige Stützstruktur die Form von fortlaufend erzeugten schmelzgeblasenen Stützfasern aufwiese, die einstückig zusammen angeordnet (d. h. vermischt) sind, wobei sich gleichzeitig schmelzgeblasene Filterfasern in einem oder mehreren der ringförmigen Filterbereiche befinden, so dass die Filtereigenschaften und Druckabfallgrenzwerte selektiv „konstruiert" werden könnten, um spezifischen Endgebrauchsandwendungen entgegenzukommen. Die vorliegende Erfindung ist auf die Erfüllung dieses Bedarfs ausgerichtet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Generell ausgedrückt, ist die vorliegende Erfindung in einem Filtermedium ausgeführt, das aus einer Masse aus schmelzgeblasenen Stütz- und Filtervliesfasern gebildet ist, die einstückig zusammen angeordnet sind. Die Stützfasern weisen, verglichen mit den Filterfasern, die einstückig mit diesen zusammen angeordnet sind, im Durchschnitt vergleichsweise größere Durchmesser auf. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Filtermedium in mindestens einem ringförmigen Bereich eines Filterelements, beispielsweise einer zylindrischen Einweg-Filterkartusche, angeordnet, die einen axial länglichen, mittleren hohlen Durchgang aufweist, der von dem Filtermedium umgeben ist.
Die zylindrische Filterkartusche gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst demgemäß vorzugsweise mindestens einen ringförmigen Filterbereich, der einen mittleren, axial länglichen hohlen Durchgang umgibt, und ist einstückig aus den zusammen angeordneten Stützfasern mit relativ größerem Durchmesser und den Filterfasern mit relativ kleinerem Durchmesser gebildet. Eine Tiefenfilterkartusche gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher mit einem oder mehreren zusätzlichen Filterbereichen (wobei die zusätzlichen Filterbereiche jeweils mit einstöckig zusammen angeordneten Stützfasern versehen oder nicht versehen sein können) in ringförmiger Beziehung zueinander gebildet sein. Als Folge der schmelzgeblasenen Vliesfaserstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der mindestens ein Filterbereich aus Stützfasern mit relativ größerem Durchmesser besteht, die einstöckig zusammen mit Filterfasern mit relativ kleinerem Durchmesser angeordnet sind, kann eine Filterkartusche mit einem großen Bereich von „konstruierten" physikalischen Eigenschaften (z. B. hinsichtlich Filterung, Druckabfalltoleranz und dergleichen) geschaffen werden.
Weitere Gesichtspunkte und Vorteile dieser Erfindung werden unter Berücksichtigung der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen deutlicher.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, wobei gleiche Bezugsnummern in den verschiedenen FIGUREN gleiche Konstruktionselemente bezeichnen und:
1 eine schematische perspektivische Ansicht ist, die ein bevorzugtes Schmelzblassystem zur Herstellung der Filterkartuschen dieser Erfindung zeigt;
2A eine schematische Endansicht des in 1 gezeigten Schmelzblassystems ist;
2B eine schematische Endansicht eines alternativen Schmelzblassystems ist, das gemäß dieser Erfindung verwendet werden kann;
3 eine schematische Endansicht eines alternativen Schmelzblassystems zur Herstellung der Filterkartuschen dieser Erfindung ist;
4 eine schematische perspektivische Ansicht, teilweise im Querschnitt, ist, die eine exemplarische zylindrische Filterkartusche gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 eine schematische Darstellung ist, die die strukturelle Beziehung zwischen den zusammen angeordneten Stützfasern und Filterfasern gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6A–6F jeweils Mikrobilder von repräsentativen Abschnitten der Erfindungskartuschen IC1 bis IC6 sind, die in den folgenden Beispielen erhalten wurden, die die strukturelle Beziehung zwischen den schmelzgeblasenen, einstöckig zusammen angeordneten Stützfasern und Filterfasern zeigen;
7A–7C Diagramme sind, die jeweils der anfänglichen Partikelentfernungseffizienz, den Verstopfungsdaten und der turbidimetrischen Effizienz für die Filterkartuschen ensprechen, die gemäß Beispiel 1 getestet wurden;
8A–8C Diagramme sind, die jeweils der anfänglichen Partikelentfernungseffizienz, den Verstopfungsdaten und der turbidimetrischen Effizienz für die Filterkartuschen entsprechen, die gemäß Beispiel 2 getestet wurden;
9A–9C Diagramme sind, die jeweils der anfänglichen Partikelentfernungseffizienz, den Verstopfungsdaten und der turbidimetrischen Effizienz für die Filterkartuschen ensprechen, die gemäß Beispiel 3 getestet wurden;
10A–10C Diagramme sind, die jeweils der anfänglichen Partikelentfernungseffizienz, den Verstopfungsdaten und der turbidimetrischen Effizienz für die Filterkartuschen ensprechen, die gemäß Beispiel 4 getestet wurden; und
11A–11C Diagramme sind, die jeweils der anfänglichen Partikelentfernungseffizienz, den Verstopfungsdaten und der turbidimetrischen Effizienz für die Filterkartuschen ensprechen, die gemäß Beispiel 5 getestet wurden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Form einer Vorrichtung 10, die besonders dafür geeignet ist, eine Tiefenfilterkartusche FC gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen, ist schematisch in der beigefügten 1 dargestellt. Wie ersichtlich ist, umfasst die Vorrichtung 10 im Allgemeinen einen Formungsdorn, der aus einem Stück eines perforierten Rohrs 12 besteht (das schließlich den Kern der Filterkartusche FC bilden wird) und für eine axiale Bewegung und eine Rotationsbewegung (jeweils Pfeil A_a und A_r) mit Hilfe der schrägen Antriebsrollen 14a–14c gestützt wird. Obwohl nicht gezeigt, ist weiter unten ein weiterer Satz Rollen 14a–14c verwendet, die jedoch die äußere Fläche des Filtermediums auf dem Rohr 12 berühren. Eine Reihe von Schmelzblasdüsen 16a–16c, die von einem entsprechenden Extruder 18a–18c versorgt werden, ist parallel zu der axialen Bewegung (Pfeil A_a) des perforierten Rohrs 12 ausgerichtet, um Filterfasern sequenziell in Richtung des perforierten Rohrs 12 schmelzzublasen und dadurch jeweils mindestens drei ringförmige Bereiche Z₁–Z₃ der Filterkartusche FC zu bilden (siehe ebenfalls 4).
Die Schmelzblasdüsen 16a–16c sind in und an sich dahingehend herkömmlich, dass jede von ihnen über die Leitung 19 mit einem Strom von Druckfluid (z. B. Druckluft) versorgt wird, der auf die Faserschmelzeströme wirkt, die aus den entsprechenden Düsen abgegeben werden, um die einzelnen Fasern zu verfeinern und sie in Richtung des perforierten Rohrs 12 zu befördern. Die Extruder 18a–18c und/oder die Luftströme, die zu den jeweiligen Düsen 16a–16c gehören, können jedoch durch Messpumpen 20a–20c und Strömungsregler 21a–21c, die betriebsfähig an den Hauptregler MC₁ angeschlossen sind, individuell gesteuert werden. Daher können die Extruder hinsichtlich Temperatur, Polymer-Strömungsgeschwindigkeit und dergleichen gesteuert werden, während der Luftstrom hinsichtlich Druck, Strömungsgeschwindigkeit und dergleichen gesteuert werden kann, so dass jede beliebige Anzahl von Verfahrensbedingungen ausgewählt werden kann, um schmelzgeblasene Fasern des gewünschten Durchmessers zu erhalten. Diese Verfahrensbedingungen können von einer Bedienungsperson im Hauptregler MC₁, abhängig von der gewünschten Filterkartusche FC, die hergestellt werden soll, voreingestellt werden, so dass die verschiedenen ringförmigen Bereiche Z₁–Z₃ automatisch hergestellt werden können.
Die axiale Bewegung der perforierten Röhre (und damit der schmelzgeblasenen Fasern, die sich jeweils in den ringförmigen Bereichen Z₁–Z₃ mit Hilfe des Betriebs der Schmelzblasdüsen 16a–16c ansammeln) wird durch die Drehzahl und den Winkel der schrägen Antriebsrollen 14a–14c gesteuert. Schließlich erstreckt sich jedoch ein rohrförmiger Abschnitt, der aus angesammelten schmelzgeblasenen Fasern aus den Düsen 16a–16c besteht und eine unbestimmte, jedoch vorherbestimmte Länge aufweist, axial über die Reihe von Düsen 16a–16c hinaus. Eine herkömmliche Schneidvorrichtung (z. B. eine motorbetriebene Säge MS, die für eine Hin- und Herbewegung befestigt sein kann) kann daraufhin manuell oder automatisch betrieben werden, um das längliche Stück zu trennen und dadurch eine Filterkartusche FC zu bilden. Auf diese Weise bildet die in 1 gezeigte Vorrichtung 10 sequenziell Filterkartuschen FC auf einer fortlaufenden Basis. Die Filterkartuschen FC können daraufhin in einem nachfolgenden Zuschneideverfahren (nicht gezeigt), auf eine endgültige Länge weiter getrennt werden.
Wichtig für die vorliegende Erfindung ist, dass die Vorrichtung 10 mit mindestens einer zusätzlichen Schmelzblasdüse 22a ausgestattet ist, die in radial beabstandetem Verhältnis zu einer kegelförmigen Sammel-/Förderwalze 23 angeordnet ist. Wie die Düsen 16a–16c weist die Düse 22a dahingehend eine herkömmliche Konstruktion auf, dass sie eine Vielzahl von Polymehrfaserschmelzeströmen abgibt, auf die ein Strom von Druckfluid (z. B. Luft) wirkt, der der Düse 22a über die Leitung 25 zugeführt wird. Der Betrieb des Extruders 24a, der die Düse 22a mit einem Schmelzefluss von Polymer versorgt, kann zusammen mit dem Fluidstrom, der zu der Düse 22a gehört, jeweils über die Regler 27a und 29a gesteuert werden, um Stützfasern mit einem relativ größeren Durchmesser, verglichen mit dem Durchmesser der von der Düse 16a gebildeten Filterfasern, zu erhalten. Die Regler 27a, 29a können betriebsfähig an einen Hauptregler MC₂ angeschlossen werden, so dass eine Bedienungsperson die erforderlichen Verfahrenssollwerte eingeben kann, um Stützfasern mit dem gewünschten Durchmesser zu erreichen.
Die Düse 22a ist im Verhältnis zu der Sammel-/Förderwalze 23 derart angeordnet, dass die verfeinerten Stützfasern, die daraus ausgegeben werden, auf der rotierenden äußeren Fläche der Walze 23 auftreffen und dadurch so befördert werden, dass sie dem Strom von Filterfasern zugeführt werden, der von den Düsen 16a und/oder 16b abgegeben wird, und zu der Oberfläche der Formungsfilterkartusche befördert werden, wie schematisch in 2A gezeigt. Durch Anordnen der Düse 22a in der in 2A gezeigten Weise sind daher die Stützfaserströme, die davon ausgehen, im Wesentlichen unbeeinträchtigt von dem Verfeinerungsluftstrom, der zu den Filterfaserströmen gehört, die von den Düsen 16a und/oder 16b ausgehen, und umgekehrt, mit anderen Worten, die Faserströme und ihre zugehörigen Verfeinerungsluftströme, die von der Düse 22a einerseits und den Düsen 16a, 16b andererseits ausgehen, werden mit Hilfe der Sammel-/Förderwalze 23, die zwischen den Düsen 22a und 16a, 16b angeordnet ist, gegenseitig abgeblockt oder voreinander „verhorgen", so dass eine korrekte Verfahrenssteuerung der jeweiligen Ströme erfolgen kann.
Eine alternative Anordnung der Düsen 22a und 16a ist schematisch in der beigefügten 2B gezeigt. Wie ersichtlich, sind die Düsen 22a und 16a im Wesentlichen in derselben Ebene, jedoch an gegenüberliegenden Seiten wie die Sammel-/Förderwalze 23 angeordnet – d. h. die Düsen 22a und 16a sind axial in gegenüberliegender Beziehung zueinander ausgerichtet. Bei einer derartigen Anordnung dient die Walze 23 vorteilhafterweise dazu, eine Unterbrechung des Faserstroms, der von der Düse 16a ausgeht, durch den Faserstrom, der von der Düse 23a ausgeht, mit Hilfe ihrer stromblockierenden Anordnung zu verhindern, wie oben unter Bezugnahme auf 2A beschrieben. Daher kann die Düse 22a gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen etwa 0° bis etwa 90° im Verhältnis zu einer horizontalen Ebene, die durch die Sammel-/Förderwalze 23 verläuft, abgewinkelt ausgerichtet sein. Wenn die in 2A dargestellte Ausführungsform verwendet wird, ist die Düse 22a insbesondere um etwa 45° im Verhältnis zu einer horizontalen Ebene, die durch die Sammel-/Förderwalze 23 verläuft, ausgerichtet.
Die Fasern, die von der Düse 22a abgegeben werden, weisen eine erhöhte Temperatur auf, so dass die Stützfasern über das Rotationssegment der Walze 23 hinweg in einem ausreichend geschmolzenen Zustand gehalten werden, bis sie dem Strom von Filterfasern zugeführt werden, der von den Düsen 16a und/oder 16b abgegeben wird. Auf diese Weise werden die Stützfasern den Filterfaserströmen, die von den Düsen 16a und/oder 16b ausgehen, daher in einem ausreichend geschmolzenen Zustand zugeführt, so dass sich mindestens einige der Stützfasern und der Filterfasern an ihren Schnittpunkten schmelzverbinden. Da die Stützfasern in einem ausreichend erweichten oder geschmolzenen Zustand gehalten werden, bedeutet dies, dass der Aufprall der Filterfasern im Spaltbereich zwischen der Walze 23 und der Filterkartusche, die daraufhin gebildet wird, verursacht, dass mindestens einige der Stützfasern und der Filterfasern an ihren jeweiligen Schnittpunkten in einem solchen Ausmaß miteinander schmelzverbunden werden, dass diese Stützfasern und Filterfasern beim Abkühlen einstückig verschmelzen. Diese Verschmelzung von mindestens einigen der Stütz- und Filterfasern ist sehr vorteilhaft, da angenommen wird, dass sie dazu beiträgt, dass Filterkartuschen eine verbesserte Fähigkeit aufweisen, bedeutenden Druckabfällen über ihre radiale Stärke hinweg standzuhalten. Falls gewünscht, kann die Sammel-/Förderwalze 23 durch äußere Mittel erhitzt werden, beispielsweise mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsheizvorrichtung und/oder mit Hilfe von erwärmtem Fluid (z. B. erwärmter Luft), das bzw. die zu der Walze 23 geleitet wird, wie schematisch durch die Heizvorrichtung 23a in 1 dargestellt, um die gewünschten, zumindest teilweise geschmolzenen Eigenschaften der Stützfasern zu erreichen, wenn sie zu den Filterfasern geleitet werden.
Die Stützfaserdüse 22a kann alternativ im Verhältnis zur Filterfaserdüse 16a in der in 3 dargestellten Weise angeordnet werden. Wie gezeigt, kann die Stützfaserdüse 22a derart angeordnet werden, dass die Stützfasern, die daraus abgegeben werden, von dem Strom von Filterfasern mitgeführt werden, der aus der Düse 16a abgegeben wird. Bei dieser alternativen Düsenanordnung sind die Düsen 22a insbesondere im Wesentlichen in einem Winkel von 90° im Verhältnis zur Düse 16a angeordnet, befindet sich jedoch hinter derselben. Auf diese Weise werden die Stützfasern, die von den Düsen 22a ausgegeben werden, von den Filterfasern, die von der Düse 16a ausgegeben werden, mitgeführt und verschlingen sich eng in diese, so dass eine verschlungene Vliesmasse gebildet wird, die sowohl aus den Stützfasern als auch aus den Filterfasern besteht, wenn sie auf die Filterkartusche, die gebildet wird, trifft. Auch in diesem Fall werden die Stütz- und Filterfasern zu einem gewissen Grad thermogebunden, wie oben unter Bezugnahme auf 2A und 2B beschrieben.
Eine beispielhafte Tiefenfilterkartusche FC, die mit der oben unter Bezugnahme auf 1-3 beschriebenen Vorrichtung gebildet wird, ist in der beigefügten 4 gezeigt. Die in 4 dargestellte Filterkartusche FC umfasst drei ringförmige Filterbereiche Z₁–Z₃, die das mittlere perforierte Rohr 12 umgeben, da drei Düsen 16a– 16c in der Vorrichtung 10 verwendet wurden. Es können jedoch mehr oder weniger als drei Düsen 16a–16c verwendet werden, abhängig von den spezifischen Konstruktionsparametern der Filterkartusche. Daher können eine zusätzliche Düse 16d und ihr zugehöriger Extruder 18d sowie Regler 20d, 21d hinter der Düse 16c bereitgestellt werden, um einen vierten ringförmigen Filterbereich zu bilden. Die Verwendung von nur einer oder zwei der Düsen – beispielsweise der Düsen 16a und/oder 16b und ihrer jeweiligen zugehörigen Extruder 18a und 18b – kann ebenfalls praktiziert werden, um eine Filterkartusche zu bilden, die nur eine oder zwei entsprechende ringförmige Bereiche aufweist.
Ebenso können eine oder mehrere andere Düsen (z. B. die Düse 22b und ihre zugehörigen Extruder 24b und Regler 27b, 29b, wie in 1 gezeigt) in radial beabstandetem Verhältnis zu einer oder mehrerer der Düsen 16b–16c (und der Düse 16d, falls vorhanden) bereitgestellt sein, so dass andere ringförmige Bereiche mit Stützfasern mit relativ großem Durchmesser in ähnlicher Weise wie die, die von der Düse 22a und ihrem zugehörigen Extruder 24a bereitgestellt wird, vorgesehen werden können. Diese zusätzlichen Düsen 22b können ebenfalls so bereitgestellt werden, dass sie nicht stützende Fasern beispielsweise von einem anderen Polymer zusammen anordnen, um ein Fasergemisch in einem oder mehreren der ringförmigen Bereiche Z₁, Z₂ und/oder Z₃ zu erzielen. Die Düse 22b kann jedoch von demselben Extruder 24a versorgt werden wie die Düse 22a, so dass Stützfasern aus demselben Polymer gebildet werden. In jedem Fall können die Verfahrensbedingungen der Düse 22a und/oder 22b so gewählt werden, dass Stützfasern mit unterschiedlichem relativem Durchmesser gebildet werden. Daher kann zum Beispiel die Düse 22b so verwendet werden, dass Stützfasern gebildet werden, die im Vergleich zu den Stützfasern, die von der Düse 22a gebildet werden, und den Filterfasern, die von der Düse 16a gebildet werden, einen mittleren Durchmesser aufweisen.
Es ist ersichtlich, dass nur eine der Düsen 22a und 16a in 2A, 2B und 3 dargestellt ist, dass jedoch die obige Erörterung in Bezug auf diese FIGUREN ebenfalls in gleicher Weise auf die relative Ausrichtung der Düsen 22b und 16b-16d anwendbar ist.
Bei der oben erörterten Vorrichtung 10 ist der innerste ringförmige Bereich Z₁ jeweils aufgrund des Betriebs der Düse 16a und der Düse 22a mit Stützfasern mit relativ großem Durchmesser und Filterfasern mit relativ kleinem Durchmesser versehen. Jedoch können, wie oben erwähnt, einer odere mehrere der anderen Bereiche Z₂–Z₃ ebenfalls mit solchen Stützfasern mit relativ großem Durchmesser versehen sein. Eine schematische Darstellung der Faserstruktur, die den beispielhaften Bereich Z₁ bildet, ist in der beigefügten 5 gezeigt.
Die Filterfasern 30 mit relativ kleinem Durchmesser und die Stützfasern 32 mit relativ großem Durchmesser sind einstückig innerhalb des Bereichs Z₁ zusammen angeordnet – das heißt, die Filterfasern 30 und die Stützfasern 32 werden von ihren jeweiligen Düsen 16a und 22a schmelzgeblasen, so dass sie auf dem mittleren Rohr 12 derart auftreffen, dass sie sich miteinander vermischen. Daher soll der Begriff „einstückig zusammen angeordnet", wie er in der Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, aussagen, dass die Filterfasern 30 mit relativ kleinerem Durchmesser und die Stützfasern 32 mit relativ großem Durchmesser eng ineinander verschlungen sind. Die Filterfasern mit relativ kleinem Durchmesser und die Stützfasern mit großem Durchmesser können ebenfalls bis zu einem gewissen Grad thermoverschmolzen sein. Das heißt, wie oben kurz beschrieben, dass mindestens einige der Filterfasern mit mindestens einigen der Stützfasern an ihren jeweiligen Schnittpunkten thermoverschmolzen sein können.
Wie aus 5 ersichtlich, bilden die Stützfasern 32 mit relativ großem Durchmesser eine willkürliche Matrix von offenen Bereichen oder Freiräumen, die von einer verschlungenen Masse von Filterfasern 30 eingenommen werden. Dementsprechend stellt diese willkürliche Matrix von Freiräumen, die durch die Stützfasern 32 definiert wird, eine Netzstruktur zum Stützen der Filterfasern 30 bereit. Es wird angenommen, dass die Stützfasern 32 nicht wesentlich zu den Filtereigenschaften der Filterkartusche beitragen. Stattdessen wird angenommen, dass die Gesamtfiltereffizienz im Wesentlichen von der Masse von Filterfasern 30 bestimmt wird, die die Freiräume des Stützfasernetzes einnehmen. Jedoch wird angenommen, dass die Stützfasern im Wesentlichen zum Stützen der Filterfasern 30 gegen einen Zusammenbruch aufgrund von erhöhten Drücken beitragen, so dass ihre Filtereffektivität bei Gebrauch verlängert werden kann.
Vorzugsweise weisen die Filterfasern mit relativ kleinerem Durchmesser einen mittleren Durchmesser zwischen etwa 1 μm bis etwa 50 μm, und insbesondere zwischen etwa 1 μm bis etwa 40 μm auf. Die Stützfasern mit relativ größerem Durchmesser weisen vorzugsweise einen mittleren Durchmesser zwischen etwa 60 μm bis etwa 500 μm, und insbesondere zwischen etwa 80 μm bis etwa 300 μm auf. Die oben angegebenen Durchmesser der Filterfasern sind die mittleren Durchmesser innerhalb einzelner ringförmiger Bereiche der Filterkartusche. Filterkartuschenbereiche mit einem mittleren Filterfaserdurchmesser von mehr als etwa 20 μm erfordern das Vorhandensein von Stützfasern möglicherweise nicht. Wenn die Stützfasern mit relativ größerem Durchmesser jedoch im Filterkartuschenbereich vorhanden sind, umfassen sie vorzugsweise zwischen etwa 10 bis etwa 60 Gew.-%, insbesondere zwischen etwa 20 bis etwa 50 Gew.-% der Fasern, die den Filterbereich bilden, in dem diese Stützfasern verwendet werden.
Praktisch jedes Polymer, das schmelzgeblasen werden kann, kann zur Bildung der Filterkartuschen FC gemäß dieser Erfindung verwendet werden. Derartige Polymere können zum Beispiel Polyolefine (z. B. Polymere und Kopolymere von Polyethylen, Polypropylen und dergleichen), Polyamide (z. B. Nylon-6, Nylon-6,6 und andere Nylons), Polyester (z. B. Polyethylenterephthalat, Polybutylenterephthalat, Polycyclohexylendimethylenterephthalat und dergleichen), Acetale, Fluorpolymere (z. B. Ethylenchlortrifluorethylen), Polyphenylensulfid, biologisch abbaubare Polymere (z. B. Poly(lactid)), Flüssigkristallpolymere, recycelte Polymere, Polyetheretherketon (PEEK), Polystyrene, Polymere von Vinylidenmonomeren, wie beispielsweise Vinylchlorid, Vinylacetat, Vinylidenchlorid und Acrylonitril) und Mischungen davon sein. Insbesonders werden die Polyolefine, Polyester und Nylons bevorzugt.
Die einzelnen Bereiche Z₁–Z₃ können aus Filterfasern bestehen, die aus demselben Polymer gebildet sind, oder sie können aus verschiedenen Polymeren gebildet sein, um das Ziel des Ingenieurs der Filterkartusche für bestimmte Endanwendungen zu erreichen. Ebenso können die Filterfasern 30 und die Stützfasern 32 aus demselben oder aus verschiedenen Polymeren gebildet sein oder sie können, wie gewünscht, aus verschiedenen Sclunelzfluss-Indizes desselben Polymers gebildet sein.
Ein weiteres Verständnis dieser Erfindung ergibt sich unter Bezugnahme auf die folgenden nicht beschränkenden Beispiele.
BEISPIELE
A. Allgemeine Informationen:
In den folgenden Beispielen wurde eine Reihe von Filterkartuschen, die als Erfindungskartuschen IC1 bis IC6 bezeichnet wurden, unter Verwendung einer Vorrichtung der Art, die im Wesentlichen der in 3 gezeigten entsprach, hergestellt, jedoch in der unten beschriebenen Weise modifiziert. Die Filterfasern wurden mit drei herkömmlichen 6 Zoll (152,4 mm) breiten Schmelzblasdüsen erzeugt, die 88 Polymeröffnungen mit einem Durchmesser von 0,015 Zoll (0,381 mm) und einstellbare Luftspalte umfassten. Die Düsen wurden parallel zum Stützkern der Filterkartusche ausgerichtet, wie in 1 gezeigt, um dadurch Filterkartuschen zu bilden, die drei ringförmige Bereiche eines Filtermediums umfassten. Die Filterfaser-Düsenluftspalteinstellungen betrugen bei der Düse des inneren, der Düse des mittleren der Düse des äußeren Bereichs jeweils 0,025, 0,030 und 0,035 Zoll (0,635, 0,762 und 0,889 mm).
Jeder Düse wurde geschmolzenes Polymer von einer unabhängig angetriebenen Messpumpe zugeführt. Jede Messpumpe wurde von einem 24/1-L/D-Extruder mit einem Durchmesser von 3/4 Zoll (19,05 mm) (Kilion Extruders, Inc., Modell KLB075) versorgt. Ebenfalls wurde den drei Düsen erwärmte Druckluft zugeführt, um die Fasern zu verfeinern und sie in Richtung des Stützkerns zu befördern. In den Beispielen wurden verschiedene Lufttemperaturen verwendet. Jedoch war die Lufttemperatur in allen Beispielen an allen drei Düsen dieselbe. Die Verfahrensvariablen der Luftströmungsgeschwindigkeit, Polymertemperatur und Polymerströmungsgeschwindigkeit wurden für jede Düse so gewählt, dass Filterfasern mit dem gewünschten Durchresser in den entsprechenden Filtermedienbereichen hergestellt wurde. Der Abstand von der Seite der Düse zum Stützkern (d. h. der Abstand, über den die Filterfasern verfeinert wurden und von den Luftströmen befördert wurden) wurde in allen Beispielen konstant bei 16 Zoll (406,4 mm) gehalten.
Die Stützfasern wurden durch einen einzigen 24/1-L/D-Extruder mit einem Durchmesser von einem Zoll (25,4 mm) (Rainville Company) erzeugt, der mit einer geeigneten Faserformungsdüse ausgerüstet war. Es wurden zwei verschiedene Düsenkonstruktionen, die unten beschrieben sind, zur Bildung der Stützfasern verwendet. Der Extruder wurde auf einer beweglichen Basis mit Höhen- und Winkeleinstellungen befestigt, die eine beträchtliche Flexibilität der Position der Düse im Verhältnis zu den Filterfaserströmen und der Kartusche bereitstellten. In den Beispielen wurden, wie unten beschrieben, verschiedene Düsenpositionen verwendet. In allen Beispielen wurde die Stützfaserdüse so positioniert, dass die Stützfasern direkt in die Filterfaserströme zwischen die Filterfaserdüsen und die Kartusche abgegeben wurden. Die Stützfaserdüse war um etwa 90° zu den Filterfaserströmen abgewinkelt und um einen ungefähren Abstand von etwa 9 Zoll (228,6 mm) über die Filterfaserströme erhöht. Die Stützfaserdüse war ebenfalls so positioniert, dass die Stützfasern dicht am Auslass der Filterfaserdüsen (d. h. mit einem Abstand von etwa 2 Zoll (50,8 mm) hinter den Filterfaserdüsen angeordnet) in die Filterfaserströme eintraten. Der Stützfaserdüse wurde erwärmte Druckluft aus derselben Quelle zugeführt, die die Filterfaserdüsen versorgte, daher wurde die Stützfaserdüse bei derselben Lufttemperatur betrieben wie die Filterfaserdüsen. Die Luft, die aus der Stützfaserdüse abgegeben wurde, diente sowohl dazu, die Stützfasern zu verfeinern, als auch dazu, diese Fasern in die Filterfaserströme zu befördern. Die Stützfasern wurden daraufhin mit Hilfe der Filterfaserströme zu der Kartusche geblasen. Die Verfahrensvariablen der Luftströmungsgeschwindigkeit, Polymertemperatur und Polymerströmungsgeschwindigkeit wurden so gewählt, dass Stützfasern mit dem gewünschten Durchmesser erhalten wurden.
Sowohl die Stütz- als auch die Filterfasern wurden auf dem perforierten Stützrohr gesammelt, das mit einer typischen Geschwindigkeit von etwa 250 U/min rotierte, und mit einer typischen Geschwindigkeit von etwa 19 Zoll (482,6 mm) pro Minute axial bewegt. Diese Geschwindigkeiten wurden wie notwendig während des Betriebs angepasst, um einen im Allgemeinen gleichmäßigen Kartuschenaußendurchmesser beizubehalten.
Soweit nicht anders angegeben, wurden sowohl die Filter- als auch die Stützfasern in den folgenden Beispielen aus einem Polypropylenhomopolymer-Material mit einer Schmelzeströmungsgeschwindigkeit bei der Zufuhr von 38 g/10 min und einer Dichte von 0,904 g/cm³ (Amoco Chemical Company, Grade 7956) gebildet. Das verwendete perforierte Stützrohr war ein spritzgegossener Polypropylen-Filterkern gemäß Industriestandard mit einem Außendurchmesser von 1,31 Zoll (33,27 mm) × einem Innendurchmesser von 1,09 Zoll (27,69 mm). Die Abmessungen der Beispielkartuschen betrugen 2,44 Zoll (61,98 mm) Außendurchmesser × 1,09 Zoll (27,69 mm) Innendruchmesser × 10 Zoll (284 mm) Länge.
Das mittlere Medienporenvolumen und die Luftdurchlässigkeit für die Erfindungskartuschen IC1 bis IC6 wurden wie folgt bestimmt:
Mittleres Medienporenvolumen: Das durchschnittliche Porenvolumen des Filtermediums in einer Kartusche, ausgedrückt als Prozentwert. Diese Eigenschaft wurde durch Messen der Abmessungen (Innendurchmesser, Außendurchmesser und Länge) und des Gewichts einer Probe des Filtermediums und unter Berechnung der Dichte der Probe bestimmt. Das mittlere Porenvolumen wurde daraufhin wie folgt berechnet:
wobei D_r die Dichte des Harzes (≈0,904 g/cm³) und D_m die Dichte des Mediums ist.
Luftdurchlässigkeit: Die Luftdurchlässigkeit einer fertiggestellten, unbenutzten Filterkartusche, ausgedrückt in Druckdifferenzialeinheiten bei einer spezifizierten Luftstromgeschwindigkeit. Diese Eigenschaft wurde bestimmt, indem Druckluft mit einer Geschwindigkeit von 2 Normalkubikfuß-Minute/10'' (3,2215 Nm³/h/254 mm) durch eine Kartusche strömte und gleichzeitig das Druckdifferenzial (ΔP in Zoll Wasser (Pascal)) in der Kartusche gemessen wurde. Die Strömungsrichtung verlief von innen nach außen, d. h. zuerst durch das perforierte Stützrohr und daraufhin durch das Filtermedium.
Das mittlere Medienporenvolumen, die Luftdurchlässigkeit und andere physikalische Eigenschaften der Erfindungskartuschen IC1 bis IC6 erscheinen unten in der Tabelle der physikalischen Daten.
B. Filterkartuschenleistungstest:
Die Filterleistung der Beispielkartuschen wurde unter Verwendung der Verfahren bewertet, die im Technischen Bericht Nr. 1903-T (1991) von Memtec America Corporation beschrieben sind (wobei der gesamte Inhalt desselben ausdrücklich durch Literaturhinweis hierin eingefügt ist). Die Testbeispiele wurden daraufhin analysiert, um die unten angegebenen Eigenschaften und Daten zu erhalten: Anfängliche Partikelentfernungseffizienz: Die anfängliche Partikelentfernungseffizienz jeder Testfilterkartusche wurde auf der Grundlage der Partikelgrößenalanyse der Einlass- und Auslassfluidproben bestimmt. Die Größe und Anzahl der Partikel wurde unter Verwendung eines elektronischen Partikelzählers (Coulter Electronics, Inc., Modell TAII) gemessen. Die Effizienz wurde als Beta-Verhältnis ausgedrückt und wie folgt berechnet:
wobei:
x = Partikelgröße in Mikrometer (μm);
β_x = Beta-Verhältnis bei Partikelgröße x;
I_x = Anzahl von Partikeln der Größe x in der Einlassprobe; und
O_x = Anzahl von Partikeln der Größe x in der Auslassprobe.
Die anfängliche Partikelentfernungseffizienz wurde grafisch als Diagramm des Beta-Verhältnisses in Abhängigkeit von der Partikelgröße dargestellt.
Verstopfungsdaten: Die Verstopfungsleistung jeder Kartusche wurde bewertet, indem der Differenzialdruck (ΔP) in der Kartusche überwacht und das Ergbnis alle 20 Minuten aufgezeichnet wurde. Die Verstopfungsdaten sind grafisch als Diagramm von ΔP in Abhängigkeit von der Betriebsdauer gezeigt.
Turbidimetrische Effizienz: Die turbidimetrische Effizienz jeder Kartusche wurde alle 20 Minuten auf der Grundlage von Trübungsmessungen der Einlass- und Auslassfluidproben bestimmt. Die. Trübung der Proben wurde unter Verwendung eines herkömmlichen Trübungsmessers (Hach Chemical Company, Modell 2100A) in nephelometrischen Trübungseinheiten (NTU) gemessen. Die turbidimetrische Effizienz wurde alle 20 Minuten wie folgt berechnet:
wobei
T; die Einlasstrübung ist und
T_o die Auslasstrübung ist.
Die Ergebnisse der turbidimetrischen Effizienz wurden daraufhin in Abhängigkeit von der Betriebsdauer aufgezeichnet.
BEISPIEL 1
Für dieses Beispiel 1 umfasst die Stützfaserdüse eine Reihe von neun Düsen, wobei die Konstruktion jeder Düse der Art entsprach, die im U.S.-Patent Nr. 3,543,332 offenbart ist. Jede Düse enthielt eine einzelne Polymeröffnung mit einem Durchmesser von 0,035 Zoll (0,889 mm) und drei Luftlöchern mit einem Durchmesser von 0,083 Zoll (2,108 mm). Die neun Düsen waren parallel zur Achse der Kartusche ausgerichtet und um einen Abstand von 18 Zoll (457,2 mm) beabstandet. Die Stützfaserdüse war so positioniert, dass Stützfasern in die volle Breite der Filterfaserströme abgegeben wurden, um eine Mischung von Stütz- und Filterfasern in jedem ringförmigen Bereich der Kartusche zu erzielen. Es wurde eine System-Lufttemperatur von 550°F (287,8°C) verwendet. Die Verfahrensbedingungen an jeder Düse zur Erzeugung einer Kartusche gemäß der vorliegenden Erfindung (Erfindungskartusche 1, als IC1 bezeichet) waren folgende:
Um die Wirkung der Stützfasern zu bewerten, wurde eine Kartusche vollständig aus Filterfasern (Kontrollkartusche 1, als „CC1" bezeichnet) unter den oben genannten Bedingungen hergestellt, außer dass die Stützfaserdüse nicht in Betrieb war. Die beiden Kartuschen wurden daraufhin nebeneinander unter denselben Testbedingungen auf ihre Leistung hin getestet. Die Ergebnisse dieses Tests erscheinen in den Diagrammen von 7A–7C, während ein Mikrobild der Faserstruktur von IC1 in 6A gezeigt ist.
BEISPIEL 2
Die Stützfaserdüse für dieses Beispiel 2 war eine herkömmliche 6 Zoll (152,4 mm) breite Schmelzblasdüse mit zwölf (12) Polymeröffnungen mit einem Durchmesser von 0,015 Zoll (0,381 mm) und einer Luftspalteinstellung von 0,050 Zoll (1,27 mm).
Die Stützfaserdüse war so positioniert, dass Stützfasern hauptsächlich im inneren Bereich und ein kleiner Anteil im mittleren Bereich des Filtermediums gesammelt wurden. Die Lufttemperatur betrug 500°F (260°C). Das Verfahren, die an jeder Düse verwendet wurden, um eine Kartusche gemäß der vorliegenden Erfindung (Erfindungskartusche 2, bezeichnet als „IC2") herzustellen, ist unten gezeigt:
Um die Wirkung der Stützfasern zu bewerten, wurde eine Kartusche vollständig aus Filterfasern (Kontrollkartusche 2, als „CC2" bezeichnet) unter den oben genannten Bedingungen hergestellt. Die beiden Kartuschen wurden daraufhin auf ihre Leistung hin getestet, wobei die Ergebnisse in den Diagrammen von 8A–8C dargestellt sind, während ein Mikrobild der Faserstruktur von IC2 in 6B gezeigt ist.
BEISPIEL 3
Beispiel 2 wurde wiederholt, außer dass die Polymerströmungsgeschwindigkeit der Stützfaserdüse auf 27,4 g/min reduziert wurde, was den Stützfasergehalt in der Kartusche verringerte. Die resultierende Kartusche (Erfindungskartusche 3, als „IC3" bezeichnet) wurde in ihrer Leistung im Vergleich zu einer Kartusche getestet, die keine Stützfasern enthielt, jedoch Filterfasern enthielt, die unter denselben Bedingungen erzeugt wurden (Kontrollkartusche 3, als „CC3" bezeichnet). Die Ergebnisse erscheinen in den Diagrammen von 9A–9C, während ein Mikrobild der Faserstruktur von IC3 in 6C gezeigt ist.
BEISPIEL 4
Die Stützfaserdüse für dieses Beispiel 4 wurde so angeordnet, dass Fasern im inneren ringförmigen Bereich nur durch eine derartige Bewegung der Stützfaserdüse gesammelt wurden, dass sie sich auf einer Linie mit der inneren Filterfaserdüse befand. Auf der Grundlage von Zerlegung und Analyse der Kartusche, die erzeugt wurde, schien eine sehr kleine Menge Stützfasern im mittleren Bereich gesammelt worden zu sein. Jedoch wurde angenommen, dass der Anteil der Stützfasern im mittleren Bereich kleiner als in den vorherigen Beispielen war. Das Stützfaserpolymer war ein Polypropylenmaterial mit einer Schmelzeströmungsgeschwindigkeit von 12 Gramm pro 10 Minuten (Himont USA, Inc., Güteklasse PD 626). Es wurde eine Drucklufttemperatur von 500°F (260°C) verwendet. Die Verfahrensbedingungen an den Düsen waren folgende:
Die resultierende Kartusche (Erfindungskartusche 4, als „IC4" bezeichnet), wurde in ihrer Leistung im Vergleich zu einer Kartusche getestet, die unter Verwendung der Filterdüsenfaserbedingungen aus Beispiel 2 und 3 oben hergestellt wurde und keine Stützfasern enthielt (Kontrollkartusche 4, als „CC4" bezeichnet). Die Ergebnisse erscheinen in den Diagrammen aus 10A–10C, während ein Mikrobild der. Faserstruktur von IC4 in 6D gezeigt ist.
BEISPIEL 5
Die Verfahrensbedingungen von Beispiel 2 wurden wiederholt, außer dass die Polymerströmungsgeschwindigkeit der Stützfaserdüse auf 95,4 g/min erhöht wurde, wodurch der Stützfasergehalt vergrößert wurde. Die resultierende Kartusche (Erfindungskartusche 5, als „IC5" bezeichnet) wurde in ihrer Leistung im Vergleich zu einer anderen Kartusche der vorliegenden Erfindung getestet, die gemäß Beispiel 2 hergestellt wurde (Erfindungskartusche 6, als „IC6" bezeichnet), um die Wirkung verschiedener Stützfasergehalte zu bewerten. Die Ergebnisse erscheinen in den Diagrammen von 11A–11C, während jeweils ein Mikrobild der Faserstruktur von IC5 und IC6 in 6E und 6F gezeigt ist.
Die Ergebnisse der Leistungstests aus Beispiel 1–4 oben zeigen, dass die Kartuschen der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu Filterkartuschen, die keine einstöckig miteinander angeordneten Stütz- und Filterfasern aufweisen, eine verbesserte Langzeit-Filterleistung zeigen. Obwohl der Einschluss von Stützfasern eine etwas geringere anfängliche Partikelentfernungseffizienz zur Folge hat, verbessert sich die Entfernungseffizienz der Erfindungskartuschen, wenn das Druckdifferenzial mit der Zeit zunimmt, wie durch die turbidimetrische Effizienz und die Verstopfungsdaten gezeigt. Die stufenweise Zunahme des Differenzialdrucks ist eine Folge von Partikeln, die sich auf der Oberfläche und in der Tiefe des Filtermediums anhäufen. Wenn mehr und mehr Partikel durch den Filter entfernt werden, nimmt seine Effizienz zu.
Die Kontrollkartuschen zeigen bei zunehmendem Differenzialdruck ebenfalls eine erhöhte Effizienz, jedoch nur bis zu einem Punkt. Die Daten zeigen an, dass die Kontrollkartuschen einen Punkt des Differenzialdrucks erreichen, an dem die Effizienz ihren Spitzenwert erreicht und danach einen Abwärtstrend zeigt. Es wird angenommen, dass diese Abnahme der Effizienz das Ergebnis der Verformung des Filtermediums ist, was die Freigabe zurückgehaltener Partikel und/oder eine Kartuschenumgehung aufgrund der Trennung der Kartusche von der Filtergehäusedichtung verursacht.
Bei jedem der Beispiele 1–4 überschritt die Partikelentfernungseffizienz der Erfindungskartusche schließlich die der Kontrollkartusche und vergrößerte sich fortwährend bis zum Ende des Tests. Es wird angenommen, dass die verbesserte Langzeiteffizienz der Erfindungskartuschen aus der verbesserten Stärke resultiert, die von den Stützfasern bereitgestellt wird. Die Stützfasern scheinen die strukturelle Einheit des Filtermediums bei zunehmendem Differenzialdruck wirksam bis zu dem Grad zu bewahren, dass zurückgehaltene Verschmutzungen nicht aus der Kartusche freigegeben werden und/oder sich kein Umgehungszustand entwickelt. Als Folge davon wird die Zeitspanne verlängert, während der die Filterkartusche weiterhin auf wirksame Weise Partikel aus dem Fluidstrom entfernt und zurückhält. Diese Vorteile führen dadurch zu einer verbesserten Betriebsleistung und zu verringerten Betriebskosten für Benutzer von Filterkartuschen.
Die Testergebnisse von Beispiel 5 zeigen, dass bei unterschiedlichen Stützfasergehalten ähnliche Leistungsergebnisse erreicht werden.
Während die Erfindung in Verbindung mit der gegenwärtig als am praktischsten und bevorzugtesten angesehenen Ausführungsform beschrieben wurde, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform beschränkt werden soll, sondern es sollen vielmehr verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die im Bereich der angehängten Ansprüche enthalten sind, abgedeckt sein.

Claims

Filtermedium, das aus einer Masse aus schmelzgeblasenen Endlos-Stütz- und Filtervliesfasern besteht, wobei die Stützfasern, verglichen mit dem Durchmesser der Filterfasern, im Durchschnitt einen relativ größeren Durchmesser aufweisen, die Stützfasern mit dem relativ größeren Durchmesser eine willkürliche Matrix von offenen Bereichen abgrenzen und die Filterfasern einstückig zusammen mit den Stützfasern mit dem relativ größeren Durchmesser angeordnet sind, so dass sie physikalisch in der willkürlichen Matrix von offenen Bereichen angeordnet sind, die durch die Stützfasern abgegrenzt wird.
Filtermedium nach Anspruch 1, wobei die Stützfasern einen mittleren Durchmesser zwischen etwa 60 μm und etwa 500 μm aufweisen und die Filterfasern einen mittleren Durchmesser zwischen etwa 1 μm und etwa 50 μm aufweisen.
Filtermedium nach Anspruch 1 oder 2, wobei die willkürliche Matrix von offenen Bereichen, die von den relativ größeren Stützfasern bereitgestellt wird, sich in mindestens einer ringförmigen Zone befindet.
Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens einige der Stütz- und Filterfasern einstückig miteinander verschmolzen sind.
Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Stütz- und Filterfasern aus demselben oder einem unterschiedlichen Polymer gebildet sind.
Filtermedium nach Anspruch 5, wobei die Stütz- und/oder die Filterfasern aus einem Polymer gebildet sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyolefinen, Polyamiden, Polyestern, Acetalen, Fluorpolymeren, Polyphenylensulfiden, biologisch abbaubaren Polymeren, Flüssigkristallpolymeren, Polyetheretherketonen, Polystyrenen, Polymeren von Vinylidenmonomeren und Mischungen daraus besteht.
Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stützfasern zwischen etwa 10 und etwa 60 Gew.-% des Filtermediums ausmachen.
Fluidfilter, der das Filtermedium nach einem der Ansprüche 1–7 umfasst.
Filterkartusche, die ein zylindrisches Filterelement umfasst, das ein Filtermedium nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst, wobei die Stütz- und Filterfasern innerhalb mindestens einer ringförmigen Zone des Filterelements einstückig zusammen angeordnet sind.
Filterkartusche nach Anspruch 9, wobei das zylindrische Filterelement einen axial länglichen zentralen hohlen Durchgang umgibt.
Filterkartusche nach Anspruch 9 oder 10, die eine andere ringförmige Zone umfasst, die aus einer Masse aus schmelzgeblasenen Filtervliesfasern besteht, die, verglichen mit den Filterfasern in der mindestens einen ringförmigen Zone, eine andere Filtereigenschaft aufweisen.
Filterkartusche nach Anspruch 11, wobei die andere ringförmige Zone ebenfalls Stützfasern umfasst.
Filterkartusche nach Anspruch 12, wobei die Stützfasern der mindestens einen und der anderen ringförmigen Zone, verglichen miteinander, unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Filterkartusche mit mindestens einer ringförmigen Zone, die aus Stützfasern mit einem relativ größeren Durchmesser besteht, die einstückig zusammen mit Filterfasern mit einem relativ kleineren Durchmesser angeordnet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) Leiten von schmelzgeblasenen Fasern von einem Paar radial getrennter Schmelzblasdüsen zu einem rotierenden Dorn, so dass die schmelzgeblasenen Fasern von einer der Schmelzblasdüsen im Verhältnis zu den schmelzgeblasenen Fasern der anderen Schmelzblasdüse einstückig zusammen angeordnet sind, wenn sie den Formungsdorn erreichen; (b) Steuern des Paars Schmelzblasdüsen, so dass die schmelzgeblasenen Fasern von der einen Schmelzblasdüse, verglichen mit dem relativ kleineren Durchmesser der schmelzgeblasenen Fasern von den anderen Schmelzblasdüsen, einen relativ größeren Durchmesser aufweisen, und so dass die schmelzgeblasenen Fasern mit dem relativ größeren Durchmesser von der einen Düse ein willkürliches Netz von Freiräumen in der mindestens einen ringförmigen Zone abgrenzen, wobei die schmelzgeblasenen Fasern mit dem relativ kleineren Durchmesser einstückig zusammen mit den abgegrenzten Freiräumen angeordnet sind; und (c) Ermöglichen, dass sich die einstückig zusammen angeordneten Fasern von der einen und der anderen Schmelzblasdüse auf dem Formungsdorn ansammeln und dadurch die mindestens eine ringförmige Zone bilden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei Schritt (a) das Positionieren der einen Düse in beabstandetem Verhältnis zu der anderen Düse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die eine Düse axial gegenüberliegend der anderen Düse angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die eine Düse in Richtung eines rotierenden Formungsdorns, der anderen Düse allgemein gegenüberliegend, gerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die eine Düse in einem Winkel zwischen etwa 0° und etwa 90° im Verhältnis zu einer horizontalen Ebene ausgerichtet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die Fasern von der einen Düse in Richtung einer äußeren Fläche einer Sammel-Beförderungswalze ausgegeben werden, die die Fasern von der einen Düse in Kontakt mit Fasern bringt, die von der anderen Düse ausgegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 19, das das Erwärmen der Sammel-Beförderungswalze umfasst, um die Fasern, die von der einen Düse ausgegeben und auf der äußeren Fläche derselben getragen werden, in einem ausreichend geschmolzenen Zustand zu halten, bis sie in Kontakt mit den Fasern sind, die von der anderen Düse ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei die andere Düse schmelzgeblasene Fasern in Richtung eines Formungsdorns ausgibt und die eine Düse hinter der anderen Düse angeordnet ist, so dass die Fasern, die von der einen Düse ausgegeben werden, von den schmelzgeblasenen Fasern, die von der anderen Düse ausgegeben werden, mitgerissen werden, wobei die mitgerissenen Fasern von der einen und der anderen Düse gleichzeitig den Formungsdorn berühren, so dass die Masse aus schmelzgeblasenen, einstöckig zusammen angeordneten Stütz- und Filtervliesfasern gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei Schritt (b) derart ausgeführt wird, dass die Stützfasern einen mittleren Durchmesser zwischen etwa 60 μm und etwa 500 μm aufweisen, und wobei die Filterfasern einen mittleren Durchmesser zwischen etwa 1 μm und etwa 50 μm aufweisen.
Verfahen nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei Schritt (b) derart ausgeführt wird, dass die Stützfasern in einer Menge zwischen etwa 10 und etwa 60 Gew.-% vorhanden sind.
Vorrichtung zur Herstellung eines Filtermediums, die umfasst: (i) einen Formungsdorn; (ii) eine erste und eine zweite Schmelzblasdüse zur Ausgabe eines ersten und eines zweiten Stroms von schmelzgeblasenen Fasern in Richtung des Formungsdorns jeweils entlang eines ersten und eines zweiten Schmelzblaswegs; (iii) eine rotierbare Beförderungswalze, die zwischen dem Formungsdorn und der ersten Schmelzblasdüse in dem ersten Schmelzblasweg angeordnet ist, so dass bei Gebrauch der erste Strom von schmelzgeblasenen Fasern vor dem vorangehenden Dorn auf die Beförderungswalze auftrifft und die Beförderungswalze den ersten Strom schmelzgeblasener Fasern von dem zweiten Strom schmelzgeblasener Fasern im Wesentlichen blockiert, wobei (iv) die Beförderungswalze den ersten Strom schmelzgeblasener Fasern, der von der ersten Schmelzblasdüse ausgegeben wird, in Kontakt mit dem zweiten Strom schmelzgeblasener Fasern bringt, der von der zweiten Schmelzblasdüse ausgegeben wird, so dass der erste und der zweite Strom schmelzgeblasener Fasern auf dem Formungsdorn miteinander vermischt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei eine Vielzahl von ersten Schmelzblasdüsen im Wesentlichen in axialer Ausrichtung mit dem Formungsdorn bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, wobei eine Vielzahl von zweiten Schmelzblasdüsen bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, die einen Kontroller zum Steuern mindestens einer der ersten und der zweiten Schmelzblasdüse umfasst, um die Ausgabe schmelzgeblasener Fasern mit unterschiedlichem relativem Durchmesser daraus zu erreichen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wobei die Sammel-Beförderungswalze konisch geformt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 28, die eine Heizvorrichtung umfasst, die an die Sammel-Beförderungswalze angeschlossen ist.