DE69820812T2

DE69820812T2 - Mehrschichtenfilter aus Polymer und Glasfasern

Info

Publication number: DE69820812T2
Application number: DE1998620812
Authority: DE
Inventors: Michael John Cusick; Fred Lee Jackson; Charles F. Kern
Original assignee: Johns Manville International Inc
Current assignee: Johns Manville
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2018-04-15
Also published as: EP0878226B1; US5785725A; EP0878226A1; DE69820812D1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundfiltermedium und im Besonderen ein Filtrationsmedium einschließlich einer Stromauf-Polymerfeinfaserschicht, die in Kombination mit einer Stromab-Glasfaserfiltrationsschicht ein unerwartet hohes Schmutzrückhaltevermögen aufweist.
Filtrationsmedien enthalten gewöhnlich Stromaufschichten, die aus Fasern mit vergleichsweise grobem Durchmesser angefertigt sind, um die Filtrationsmedien mit einem erhöhten Schmutzrückhaltevermögen auszustatten, und Stromabschichten, die aus Fasern mit vergleichsweise kleinem Durchmesser hergestellt sind, um die Filtrationsmedien mit der gewünschten Filtereffizienz zu versehen. Die Stromaufschicht aus groben Fasern fängt die gröberen Partikel in dem zu filternden Gas- oder anderem Fluidstrom auf und hält sie zurück, so dass diese gröberen Partikel die feineren Öffnungen in der dichteren Feinfaserfiltrationsschicht nicht vorzeitig verstopfen und damit die Betriebsdauer der Filtrationsmedien herabsetzen.
Bei der Entwicklung eines Verbundfiltermediums dieses allgemeinen Typs wurden zur Bewertung vier unterschiedliche Prüfmuster des Verbundfiltermediums hergestellt. Ein erstes Verbundfiltermedium verfügte über eine Stromab-Filtrationsschicht bestehend aus vergleichsweise dünnen Glasfasern und eine den Schmutz zurückhaltende Stromaufschicht bestehend aus vergleichsweise groben Glasfasern. Ein zweites Verbundfiltermedium verfügte über eine Stromab-Filtrationsschicht bestehend aus vergleichsweise dünnen Glasfasern und eine den Schmutz zurückhaltende Stromaufschicht aus vergleichsweise dünnen Glasfasern. Ein drittes Verbundfiltermedium verfügte über eine Stromab-Filtrationsschicht bestehend aus vergleichsweise dünnen Glasfasern und eine den Schmutz zurückhaltende Stromaufschicht aus vergleichsweise groben Polymerfasern. Ein viertes Verbundfiltermedium verfügte über eine Stromab-Filtrationsschicht bestehend aus vergleichsweise dünnen Glasfasern und eine den Schmutz zurückhaltende Stromaufschicht aus vergleichsweise dünnen Polymerfasern. Beim Test mittels des unten ausführlich beschriebenen Planschichttestverfahrens hatte das erste Verbundfiltermedium ein Schmutzrückhaltevermögen von 51 g/m², das zweite Verbundfiltermedium ein Schmutzrückhaltevermögen von 59,5 g/m², das dritte Verbundfiltermedium ein Schmutzrückhaltevermögen von 29,7 g/m² und das vierte Verbundfiltermedium ein Schmutzrückhaltevermögen von 35,1 g/m². Aus diesen Tests ist ersichtlich, dass das dritte und das vierte Verbundfiltermedium mit den aus Polymerfasern hergestellten Schmutzrückhalteschichten nicht das Schmutzrückhaltevermögen erbringen, das für das Produkt gefordert wird. Statt jedoch das Konzept eines Einsatzes von Schmutz zurückhaltenden Stromauf-Polymerfaserschichten im Verbundfilter aufzugeben, wurde entschieden, für weitere Tests Taschenfilter aus dem dritten und vierten Verbundfiltermedium herzustellen.
Infolge von Verarbeitungsproblemen konnte kein Taschenfilter aus dem Prüfmuster des dritten Verbundfiltermediums mit der Schmutzrückhalteschicht aus groben Polymerfasern hergestellt werden. Das Verbundfiltermedium überstand nicht die Verarbeitung und das Heften, die für die Ausformung eines Taschenfilters erforderlich sind. Jedoch wurde das Prüfmuster des vierten Verbundfiltermediums mit der Schmutzrückhalteschicht aus dünnen Polymerfasern in die Form eines Taschenfilters gebracht und getestet. Bei den Tests ergab der aus dem vierten Verbundfiltermedium hergestellte Taschenfilter (Schmutzrückhalteschicht aus dünner Polymerfaser und Filtrationsschicht aus dünner Glasfaser) ein Schmutzrückhaltevermögen von 797 g, was beim unten beschriebenen Planschichttest zu einem Schmutzrückhaltevermögen von 102,7 g/m² äquivalent ist. Dieses Schmutzrückhaltevermögen lag um 67,6 g/m² höher als das Schmutzhaltevermögen von 35,1 g/m², das beim Planschichttest erhalten wurde. Das war ein unerwartetes Ergebnis, insbesondere im Vergleich mit dem zweiten Prüfmuster eines Verbundmediums, das im Planschichttest ein Schmutzrückhaltevermögen von 59,5 g/m² aufgewiesen und als Taschenfilter nur ein Schmutzrückhaltevermögen von 570 g ergeben hatte.
Es wird vermutet, dass beim tatsächlichen Einsatz das Fluid (d. h. die Luft), das durch ein Filter gefiltert wird, in der Regel Hauptströmungskomponenten aufweisen kann, die das Filter nicht in einer Richtung senkrecht zur Stromauf-Hauptfläche des Filters durchdringen. Bei dem für die Bewertung der verschiedenen Prüfmuster eingesetzten Planschichttest durchdringt die Luft das Filtermedium in einer Richtung senkrecht zur Stromauffläche des Filtermediumprüfmusters. Hat das Fluid, das gefiltert wird, Hauptströmungskomponenten, die das Filter in spitzen Winkeln zur Stromauf-Hauptfläche des Filters durchdringen, dann kann das Schmutzrückhaltevermögen verändert werden, und in diesem Falle waren die Ergebnisse weit besser, als sie nach den Ergebnissen das Planschichttests erwartet wurden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Das fasrige Verbundfiltrationsmedium der vorliegenden Erfindung umfasst eine Stromaufschicht aus dünnen Polymerfasern zur Erhöhung des Schmutzrückhaltevermögens des Filtrationsmediums und eine Stromab-Glasfaservliesfiltrationsschicht zur Erhöhung der Filtrationseffizienz des Filtrationsmediums.
Die Stromaufschicht wiegt zwischen etwa 22 und 75 g/m² (2,0 –7,0 Gramm pro Quadratfuß) und enthält etwa 10 bis etwa 60 Gew.-% Polymermikrofasern mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen etwa 2,5 und etwa 4,5 μm, etwa 25 bis etwa 60 Gew.-% raumfüllende Polymerfasern mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen etwa 45 μm und etwa 160 μm (etwa 4 und etwa 14 Denier) und etwa 15 bis etwa 30 Gew.-% Polymerbinderfasern mit einem mittleren Durchmesser zwischen etwa 22,5 μm und etwa 45 μm (etwa 2 und etwa 4 Denier). Der anfängliche Druckabfall durch die Stromauf-Polymerfaserschicht hindurch ist kleiner als etwa 0,125 mbar (0,05 Zoll Wassersäule), und die mittlere Luftfiltrationseffizienz der Polymerfaserschicht ist kleiner als etwa 20%. Vorzugsweise sind die raumfüllenden Polymerfasern gekräuselt, um eine höhere Raumausfüllung zu erhalten.
Die Stromabschicht ist ein fasriges Vlies, das vorzugsweise aus flammenverfeinerten Glasfasern hergestellt wird, die an ihren Kreuzungspunkten durch einen Binder miteinander verbunden sind. Das Vlies wiegt zwischen etwa 13 und etwa 29 g/m² (etwa 1,2 und etwa 2,7 Gramm pro Quadratfuß), und der mittlere Durchmesser der Fasern im Vlies liegt im Bereich von etwa 0, 75 und etwa 1,0 μm (etwa 3, 0 × 10^–5 bis etwa 4,1 × 10^–5 Zoll). Das Vlies und die Mull- oder Trägerschicht haben zusammen ein Gewicht im Bereich von etwa 27 bis etwa 43 g/m² (etwa 2,5 bis etwa 4,0 Gramm pro Quadratfuß). Das fasrige Vlies und die Mull- oder Trägerschicht haben eine gemeinsame mittlere Luftfiltrationseffizienz von mindestens 80% bis etwa 95%, und der anfängliche Druckabfall über die Dicke des Vlieses und der Trägerschicht hinweg liegt im Bereich von nicht mehr als 0,375 mbar (0,15 Zoll Wassersäule) und vorzugsweise nicht mehr als 0,299 mbar (0,12 Zoll Wassersäule) bei den geringeren Effizienzgraden bis zu nicht mehr als 0,872 mbar (0,35 Zoll Wassersäule) und vorzugsweise bei nicht mehr als 0,623 mbar (0,25 Zoll Wassersäule) bei den höheren Effizienzgraden.
In einer Ausführungsform des Verbundfiltrationsmediums wird das fasrige Vlies aus Fasern mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen etwa 0,8 und 1,0 μm (etwa 3,3 × 10⁵ und 4,1 × 10^–5 Zoll) gefertigt. Das Vlies wiegt zwischen etwa 13 und etwa 24 g/m² (etwa 1,2 und etwa 2,2 Gramm pro Quadratfuß) und ist im Wesentlichen durchgehend gleich förmig in Dicke und Dichte. Das Vlies und die Mull- oder Trägerschicht wiegen zusammen zwischen etwa 27 und etwa 38 g/m² (etwa 2,5 und etwa 3,5 Gramm pro Quadratfuß) und haben eine gemeinsame mittlere Luftfiltrationseffizienz von mindestens 80% und vorzugsweise etwa 85%. Der anfängliche Druckabfall durch das Vlies und die Trägerschicht hindurch ist nicht größer als 0,375 mbar (0,15 Zoll Wassersäule) und vorzugsweise nicht größer als 0,299 mbar (0,12 Zoll Wassersäule). Vorzugsweise liegt die gemeinsame Dicke von Vlies und Trägerschicht in einem Bereich von etwa 0,2 bis 0,3 cm (etwa 0,08 bis etwa 0,12 Zoll).
In einer weiteren, höher effizienten Ausführungsform des Verbundfiltrationsmediums wird das fasrige Vlies aus Fasern mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen etwa 0,75 und 0,94 μm (etwa 3,0 × 10^–5 und 3,7 × 10^–5 Zoll) angefertigt. Das Vlies wiegt zwischen etwa 18 und etwa 29 g/m² (etwa 1,7 und etwa 2,7 Gramm pro Quadratfuß) und ist im Wesentlichen durchgehend gleichförmig in Dicke und Dichte. Das Vlies und die Mull- oder Trägerschicht wiegen zusammen zwischen etwa 32 und etwa 43 g/m² (etwa 3,0 und etwa 4,0 Gramm pro Quadratfuß) und haben eine gemeinsame mittlere Luftfiltrationseffizienz von mindestens 90% und vorzugsweise 95%. Der anfängliche Druckabfall durch das Vlies und die Trägerschicht hindurch ist nicht größer als 0,872 mbar (0,35 Zoll Wassersäule) und vorzugsweise nicht größer als 0,623 mbar (0,25 Zoll Wassersäule). Vorzugsweise liegt die Dicke von Vlies und Trägerschicht zusammen in einem Bereich von etwa 0,2 bis 0,3 cm (etwa 0,08 bis etwa 0,12 Zoll).
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Querschnitt durch das Verbundfiltrationsmedium der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Querschnitt durch ein Beutelfilter der vorliegenden Erfindung, der aus dem Verbundfiltrationsmedium der vorliegenden Erfindung hergestellt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie in 1 dargestellt ist, enthält das Verbundfiltermedium 20 der vorliegenden Erfindung eine Stromaufschicht 22 aus Polymerfasern und eine Stromabschicht 24 aus Glasfasern. Das zu filternde Gas tritt durch eine Stromauf-Hauptfläche 26 der Stromaufschicht 22 in das Verbundfiltermedium 20 ein und verlässt das Verbundfiltermedium 20 durch eine Stromab-Hauptfläche 28 der Stromabschicht 24. Eine Stromab-Hauptfläche 30 der Stromaufschicht 22 und eine Stromauf-Hauptfläche 32 der Stromabschicht 24 sind vorzugsweise verbunden oder auf andere Weise aneinander befestigt.
Die Stromaufschicht 22 aus Polymerfasern enthält etwa 10 bis etwa 60 Gew.-% Polymermikrofasern mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen etwa 2,5 und etwa 4,5 μm, etwa 25 bis etwa 60 Gew.-% raumfüllende Polymerfasern mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen etwa 45 μm und etwa 160 μm (etwa 4 und etwa 14 Denier) und etwa 15 bis etwa 30 Gew.-% Polymerbinderfasern mit einem mittleren Durchmesser zwischen etwa 22 μm und etwa 45 μm (etwa 2 und etwa 4 Denier). Die Anteile in Gewichtsprozent der raumfüllenden Polymerfasern zu den Polymerbinderfasern verhalten sich vorzugsweise wie etwa zwei zu eins. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Stromaufschicht etwa 40 Gew.-% Polymermikrofasern, etwa 40 Gew.-% raumfüllende Polymerfasern und etwa 20 Gew.-% Polymerbinderfasern. In einer bevorzugten Ausführungsform haben die Polymermikrofasern einen mittleren Durchmesser von etwa 3,5 μm, die raumfüllenden Polymerfasern einen mittleren Durchmesser von etwa 68 μm (etwa 6 Denier), und die Polymerbinderfasern einen mittleren Durchmesser von etwa 34 μm (etwa 3 Denier). Die Polymermikrofasern werden vorzugsweise aus einem Polymermaterial, wie z. B. Polypropylen, gefertigt, können aber aus anderen Polymermaterialien, einschließlich Polyester, Polyolefin und Polypropylensulfid, aber nicht nur daraus, hergestellt werden. Die raumfüllenden Fasern sind vorzugsweise aus Polyester erzeugte Polymerfasern, sie können aber aus anderen Polymermaterialien, einschließlich Polypropylen und Polyolefin, aber nicht nur daraus, hergestellt werden. Nicht vorzugsweise können die raumfüllenden Fasern aber auch aus Naturfasern oder anderen synthetischen Fasern hergestellt werden. Um den Raumfüllungsgrad der Stromaufschicht 22 und damit das Schmutzrückhaltevermögen der Stromaufschicht 22 zu erhöhen, können die raumfüllenden Polymerfasern gekräuselt werden. Vorzugsweise weisen die raumfüllenden Fasern zwischen etwa 4 und etwa 8 Windungen pro cm (etwa 10 und etwa 20 Windungen pro Zoll) und möglichst 6 Windungen pro Zentimeter (etwa 15 Windungen pro Zoll) auf. Die Binderfasern werden vorzugsweise mit einem Polyesterkern und einem Polyolefinmantel hergestellt, können aber aus anderen Polymermaterialien erzeugt werden, vorausgesetzt, die Erweichungspunkttemperatur der Binderfasern oder des äußeren Mantels der Binderfasern, soweit Verbundfasern verwendet werden, liegt unter den Erweichungspunkttemperaturen der Polymermikrofasern und der raumfüllenden Polymerfasern. Da die Erweichungspunkttemperatur der Polymerbinderfasern unter den Erweichungspunkttemperaturen der Polymermikrofasern und der raumfüllenden Fasern liegt, werden die Polymerfasern des Vlieses oder der Matte durch Erhitzen des Vlieses oder der Matte auf eine Temperatur, bei der die Oberflächen der Binderfasern klebrig werden, sowie durch anschließendes Abkühlen miteinander an ihren Berührungspunkten verbunden, und das Vlies ist mit beliebigen angrenzenden Schichten des Filtermediums verbunden.
Die Stromaufschicht 22 hat vorzugsweise ein Gewicht zwischen etwa 22 und etwa 75 g/m² (etwa 2,0 und etwa 7,0 Gramm pro Quadratfuß) und möglichst 54 g/m² (etwa 5,0 Gramm pro Quadratfuß). Der anfängliche Druckabfall durch die Stromaufschicht von der einen Hauptfläche zur anderen Hauptfläche ist etwa 0,125 mbar (0,05 Zoll Wassersäule) oder weniger. Die mittlere Luftfiltrationseffizienz der Stromaufschicht 22 liegt vorzugsweise zwischen etwa 5% und 20%.
Vorzugsweise ist das fasrige Vlies, das die Stromabschicht 24 des Verbundfiltrationsmediums 20 bildet, etwa 0,2 bis 0,3 cm (etwa 0,08 bis 0,12 Zoll) dick; es ist im Wesentlichen durchgehend gleichförmig in Dichte und Dicke und im Wesentlichen frei von makroskopischen Fehlstellen, die es Teilmengen einer Luft oder eines Gases erlauben würden, das Vlies weitgehend ungefiltert zu passieren. Mit dieser weitgehend gleichförmigen Dichte und Dicke sorgt das Vlies für ein gleichmäßiges oder weitgehend gleichmäßiges Filtrationsvermögen über seinen gesamten Oberflächenbereich hinweg.
Das Vlies wird aus Fasern gebildet, die vorzugsweise an ihren Berührungspunkten durch einen Binder miteinander verbunden sind. Der mittlere Durchmesser der Fasern, welche das Vlies bilden, liegt im Bereich von 0,75 bis 1,0 μm (3,0 × 10^–5 bis 4,1 × 10^–5 Zoll). Fasern mit einem mittleren Durchmesser von weniger als 0,75 μm (3,0 × 10^–5 Zoll) sind zu kurz und zerbrechlich, um das Vlies mit der für die meisten Anwendungen erforderlichen Integrität bereitzustellen. Fasern mit einem mittleren Durchmesser über 1,0 μm (4,1 × 10^–5 Zoll) sind im Durchmesser zu groß, um erforderliche mittlere Luftfiltrationseffizienzwerte bei den geringen Vliesgewichten des Verbundfiltrationsmediums 20 der vorliegenden Erfindung zu gewährleisten.
Die bevorzugten Fasern für das Vlies der Stromabschicht 24 sind flammenverfeinerte Glasfasern. Diese Fasern werden erzeugt durch Ziehen von fortlaufenden Primärglasfilamenten aus einem herkömmlichen Zuführbehälter oder Topf und Einbringen dieser fortlaufenden Primärglasfilamente in die Hochleistungsgasflamme eines Flammenverfeinerungsbrenners, z. B. eines Selas-Brenners, wo die fortlaufenden Filamente wieder erhitzt, verfeinert und zu Stapelfasern geringen Durchmessers oder Glasfasern endlicher Länge mit dem gewünschten Durchmesser aus dem oben angegebenen Durchmesserbereich geformt werden. Dann wird ein Binder auf die Fasern endlicher Länge gesprüht, und die Fasern werden z. B. auf einem laufenden Kettensammelförderer gesammelt, um ein Vlies zu formen. Üblich ist, dass das Vlies auf einer permeablen Trägerschicht 34, die auf dem Sammelförderer mitgeführt wird, gesammelt wird. Die permeable Trägerschicht 34 erleichtert beim Einsatz das Hantieren mit dem Vlies, erhöht die Integrität des Vlieses und wird, wie in 1 dargestellt ist, ein Teil des Endprodukts. Vorzugsweise läuft das Vlies mit oder ohne eine permeable Trägerschicht 34 dann zwischen Trocknungsrollen hindurch, die zumindest teilweise den Binder im Vlies aushärten. Die Trocknungsrollen haben einen ausgewählten Abstand voneinander, um die Dicke des Vlieses einzustellen.
Obwohl flammenverfeinerte Glasfasern bevorzugt sind, können andere Fasern, wie z. B. Glasfasern, die in Rotationsfaserbildungsprozessen erzeugt werden, und Polymerfasern zur Herstellung des Vlieses der Stromabschicht 24 verwendet werden. Die in dieser Beschreibung angegebenen Faserdurchmesser werden mit Hilfe eines Micronaire-Strömungswiderstandstests gemessen.
Der Binder, der zum Verbinden der Fasern des Vlieses der Stromabschicht 24 verwendet wird, ist üblicherweise ein Phenolbinder. Nicht eingefärbte Phenolbinder geben dem Vlies beim Aushärten jedoch eine gelbe oder bräunliche Färbung. Um dem Vlies eine weißes Aussehen zu geben und die flüchtigen Emissionen während des Verarbeitungsprozesses zu verringern, können Acryllatexbinder, Ethylvinylacetatbinder und Styrolbutadienbinder verwendet werden, um die Fasern des Vlieses miteinander zu verbinden. Vorzugsweise hat der Binder einen Gewichtsanteil zwischen etwa 10% und etwa 25% am Gesamtgewicht des Vlieses.
Wie oben besprochen wurde, erhöht die permeable Trägerschicht 34 beim Einsatz die Integrität des Verbundfiltrationsmediums 20, indem sie das Vlies verstärkt, trägt aber wenig oder nichts zur Filtrationseffizienz oder zum Schmutzrückhaltevermögen des Verbundfiltrationsmediums bei. Die Trägerschicht 34 ist ein permeable Schicht, wie z. B. ein leichter [z. B. 13–17 g/m² (0,4–0,5 Unzen pro Quadratyard)], nicht gewebter, offenmaschiger Mullstoff aus Polyester, Nylon, Glas oder ähnlichen Materialien, sie ist aber nicht darauf beschränkt.
Hinsichtlich ihres Gewichtes liegen die Vliese der Stromabschicht 24 des Verbundfiltermediums 20 zwischen etwa 13 bis etwa 29 g/m² (etwa 1,2 bis etwa 2,7 Gramm pro Quadratfuß). Die Vliese 24 und die Trägerschichten 34, die üblicherweise etwa 14 g/m² (etwa 1,3 Gramm pro Quadratfuß) wiegen, haben zusammen ein Gewicht im Bereich von etwa 27 bis etwa 43 g/m² (etwa 2,5 bis etwa 4,0 Gramm pro Quadratfuß) und weisen bei den geringeren Gewichten und niedrigeren mittleren Luftfiltrationseffizienzwerten einen anfänglichen Druckabfall über ihre Dicke hinweg von vorzugsweise nicht mehr als 0,299 mbar (0,12 Zoll Wassersäule) bis zu vorzugsweise nicht mehr als 0,872 mbar (0,35 Zoll Wassersäule) bei den höheren Gewichten und höheren mittleren Luftfiltrationseffizienzwerten auf. Die anfänglichen Druckabfallwerte durch die Vliese 24 werden vor jeglicher Schmutzablagerung an den Vliesen gemessen. Die mittleren Luftfiltrationseffizienzwerte der Vliese 24 des Verbundfiltrationsmediums 20 der vorliegenden Erfindung liegen im Bereich von mindestens 80% für die leichteren und gröberen Faservliese bis zu etwa 95% für die schwereren und feineren Faservliese.
Die Effizienzbewertungen für die Vliese, welche die Stromauf- und Stromabschichten 22 und 24 des Verbundfiltrationsmediums 20 der vorliegenden Erfindung bilden, beruhen auf dem folgenden Planschichttestverfahren. Ein Luftstrom von 2,8 Kubikmeter (100 Kubikfuß) pro Minute mit Mineralöltröpfchen von 0,3 bis 0,5 Mikrometer wird durch einen Abschnitt von 0,37 m² (vier Quadratfuß) des Vlieses geleitet. Um die Effizienz zu ermitteln, wird die Tröpfchenzahl im Luftstrom stromauf vom Vlies wird mit der Tröpfchenzahl im Luftstrom stromab vom Vlies verglichen. Die Anfangseffizienzbewertung für das Vlies ist die Effizienz, die zu Beginn des Testlaufs ohne Staubbelastung gemessen wird.
Beim Testablauf werden dem Vliesabschnitt Staubteilchen zugefügt, indem ein Luftstrom von 2,8 m³ (100 Kubikfuß) pro Minute, der die Staubteilchen enthält, durch einen Abschnitt von 0,37 m² (vier Quadratfuß) des Vlieses geleitet wird. Wenn der Druckabfall durch das Vlies hindurch 2,49 mbar (ein Zoll Wassersäule) erreicht, wird das Vlies als verstopft angesehen, und der Test ist abgeschlossen. Die Bewertung der mittleren Luftfiltrationseffizienz für das Vlies ist ein Mittelwert der gemessenen Luftfiltrationseffizienzwerte des Vlieses, die gemessen werden, wenn beim Test der Druckabfall durch das Vlies hindurch bestimmte Werte erreicht. Die zur Bestimmung der mittleren Luftfiltrationseffizienz des Vlieses ausgeführten Messungen werden ausgeführt: zu Beginn des Tests, zum Ende des Tests ( wenn der Druckabfall durch das Vlies hindurch 2,49 mbar (ein Zoll Wassersäule) beträgt) und dann, wenn die Staubbelastung des Vlieses Druckabfälle durch das Vlies hindurch erzeugt, die bei Werten von 25%, 50% und 75% im Bereich zwischen dem anfänglichen Druckabfall durch das Vlies und dem Enddruckabfall durch das Vlies von 2,49 mbar (ein Zoll Wassersäule) liegen. Der Begriff „mittlere Luftfiltrationseffizienz", wie er in dieser Beschreibung einschließlich der Ansprüche verwendet wird, ist der Mittelwert aus einer Reihe von Effizienzmessungen, die nach der Testmethode ausgeführt werden, die in diesem und dem unmittelbar vorhergehenden Abschnitt dargelegt wurde, und die zu Beginn des Tests, zum Ende des Tests und dann ausgeführt werden, wenn die Staubbelastung des Vlieses Druckabfälle durch das Vlies hindurch erzeugt, die bei Werten von 25%, 50% und 75% der Differenz zwischen einem anfänglichen Druckabfall durch das Vlies hindurch und dem Enddruckabfall durch das Vlies hindurch von 2,49 mbar liegen.
Diese Effizienzmessung beruht auf dem mechanischen Einfangen von Staubteilchen durch das Vlies und baut nicht auf den Effizienzwerten auf, die mit einem bestimmten Filtrationsmedium mittels einer elektrostatischen Ladung auf den Fasern des Filtrationsmediums, welche die in einem Luft- oder Gasstrom vorhandenen geladenen Staubteilchen anzieht und einfängt, oder durch Einsatz von Klebfallen, wie z. B. Ölen, an den Fasern des Vlieses, an denen die Staubteilchen im Luft- oder Gasstrom anhaften, erhalten werden können. Das „Staubhaltevermögen" eines Vlieses ist das Gewicht von Staubteilchen in Gramm, das für einen Abschnitt von 0,37 m² (zwei Fuß zum Quadrat) eines getesteten Vlieses einen über die Vliesdicke hinweg gemessenen Druckabfall von 2,49 mbar (ein Zoll Wassersäule) ergibt.
Die Dicken der in dieser Beschreibung vorgestellten Vliese wurden gemessen, indem ein Gewicht von 630 g und 0,093 m² (ein Fuß zum Quadrat) auf einen Abschnitt des Vlieses von 0,093 m² (ein Fuß zum Quadrat) gestellt und die Dicke des durch das Gewicht zusammengedrückten Vlieses gemessen wurde.
In einer hocheffizienten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht das fasrige Vlies 24 aus Fasern (vorzugsweise flammenverfeinerte Glasfasern) mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen 0,80 und 1,0 μm (etwa 3,3 × 10^–5 und 4,1 × 10^–5 Zoll). Das Vlies wiegt zwischen etwa 13 und etwa 24 g/m² (etwa 1,2 und etwa 2,2 Gramm pro Quadratfuß) und ist im Wesentlichen durchgehend gleichförmig in Dicke und Dichte. Das Vlies 24 und die Trägerschicht 34, die etwa 14 g/m² (etwa 1,3 g pro Quadratfuß) wiegt, wiegen zusammen zwischen etwa 27 und etwa 38 g/m² (etwa 2,5 und etwa 3,5 Gramm pro Quadratfuß) und haben eine mittlere Luftfiltrationseffizienz von mindestens 80% und vorzugsweise etwa 85%. Der anfängliche Druckabfall über die Dicke des Vlies 24 und der Trägerschicht 34 hinweg ist nicht größer als 0,375 mbar (0,15 Zoll Wassersäule) und vorzugsweise nicht größer als 0,299 mbar (0,12 Zoll Wassersäule). Vorzugsweise haben Vlies 24 und Trägerschicht 34 zusammen eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,2 bis 0,3 cm (etwa 0,08 bis etwa 0,12 Zoll), und üblicherweise haben sie ein gemeinsames Schmutzrückhaltevermögen von etwa 27 bis etwa 32 g/m² (etwa 10 bis etwa 12 Gramm/4ft²).
In der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit der höchsten Effizienz besteht das fasrige Vlies 24 aus Fasern (vorzugsweise flammenverfeinerten Glasfasern) mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen 0,75 und 0,94 μm (etwa 3,0 × 10^–5 und 3,7 × 10^–5 Zoll). Das Vlies 24 wiegt zwischen etwa 18 und etwa 29 g/m² (etwa 1,7 und etwa 2,7 Gramm pro Quadratfuß) und ist vorzugsweise im Wesentlichen durchgehend gleichförmig in Dicke und Dichte. Das Vlies 24 und die Trägerschicht 34, die üblicherweise etwa 14 g/m² (etwa 1,3 Gramm pro Quadratfuß) wiegt, wiegen zusammen zwischen etwa 32 und etwa 43 g/m² (etwa 3,0 und etwa 4,0 Gramm pro Quadratfuß) und haben eine mittlere Luftfiltrationseffizienz von mindestens 90% und vorzugsweise etwa 95%. Der anfängliche Druckabfall über die Dicke des Vlieses 24 und der Trägerschicht 34 hinweg ist nicht größer als 0,872 mbar (0,35 Zoll Wassersäule) und vorzugsweise nicht größer als 0,623 mbar (0,25 Zoll Wassersäule). Vorzugsweise haben Vlies und Trägerschicht 34 zusammen eine Dicke in einem Bereich von etwa 0,2 bis 0,3 cm (etwa 0,08 bis etwa 0,12 Zoll), und üblicherweise haben sie ein gemeinsames Schmutzrückhaltevermögen von etwa 27 bis etwa 32 g/m² (etwa 10 bis etwa 12 Gramm/4ft²).
Wie oben dargelegt wurde, kann das Vlies als Luft- oder Gasfiltrationsschicht des Verbundfiltrationsmediums 20 ohne die permeable Trägerschicht 34 verwendet werden. Jedoch ist gewöhnlich, wie in 1 dargestellt ist, die permeable Trägerschicht 34 mit der Stromabfläche des Vlieses verbunden, um das Vlies zu verstärken und dem Vlies eine größere Integrität zu geben. Das Vlies wird zwar vorzugsweise aus Glasfasern hergestellt, es können aber auch Polymer- oder andere Fasern, die normalerweise in einem fasrigen Filtrationsmedium verwendet werden, zur Herstellung des Vlieses eingesetzt werden.
2 zeigt das Verbundfiltermedium 20 der vorliegenden Erfindung, das in einem Taschenfilter 36 verwendet wird. Wie durch Pfeile dargestellt ist, gehen die Hauptströmungskomponenten des zu filternden Fluids durch die Stromauffläche 26 des Verbundfiltermediums 20 sowohl senkrecht zur Hauptfläche als auch unter spitzen Winkeln zur Hauptfläche der Stromaufschicht 22 des Verbundfiltermediums hindurch. Obwohl es in einem Taschenfilter 36 gezeigt ist, kann das Filtrationsmedium 20 der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von anderen Filtern, einschließlich von Beutelfiltern, Flachschichtfiltern und dergleichen, aber nicht nur dazu verwendet werden.
Das Verbundfiltermedium der vorliegenden Erfindung ist zwar vorrangig für Filtrationsanwendungen von Luft und anderem Gas vorgesehen, das Verbundfiltermedium 20 der vorliegenden Erfindung kann aber auch verwendet werden, um verschiedene Arten von Flüssigkeiten wie auch Gasen und Gasgemischen zu filtern.

Claims

Fasriges Verbundfiltermedium, umfassend: eine erste Stromaufschicht aus Polymerfasern, wobei die erste Stromaufschicht etwa 10 bis etwa 60 Gew.-% Polymermikrofasern mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen etwa 2,5 und etwa 4,5 μm, etwa 25 bis etwa 60 Gew.-% raumfüllende Polymerfasern mit einem mittleren Faserdurchmesser zwischen etwa 45 und etwa 160 μm (etwa 4 und etwa 14 Denier) und etwa 15 bis etwa 30 Gew.-% Polymerbinderfasern mit einem mittleren Durchmesser zwischen etwa 22 und etwa 45 μm (etwa 2 und etwa 4 Denier) enthält, wobei die Stromaufschicht ein Gewicht zwischen etwa 22 und etwa 75 g/m² (etwa 2,0 und etwa 7,0 Gramm pro Quadratfuß) hat, und eine zweite Stromabschicht, die ein Vlies aus Glasfasern umfasst, die an ihren Kreuzungspunkten durch einen Binder miteinander verbunden sind und die mit der ersten Stromaufschicht verbunden sind, wobei das Vlies ein Gewicht zwischen etwa 13 und etwa 29 g/m² (etwa 1,2 und etwa 2,7 Gramm pro Quadratfuß) hat, die Glasfasern einen mittleren Faserdurchmesser in einem Bereich von etwa 0,75 und etwa 1,0 μm (etwa 3,0 × 10^–5 bis etwa 4,1 × 10^–5 Zoll) haben und das Vlies eine mittlere Luftfiltrationseffizienz von mindestens 80 aufweist.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 1, wobei die erste Stromaufschicht einen anfänglichen Druckabfall über ihre Dicke hinweg von nicht mehr als etwa 0,125 mbar (0,05 Zoll Wassersäule) aufweist und die zweite Stromabschicht einen anfänglichen Druckabfall über ihre Dicke hinweg von nicht mehr als etwa 0,375 mbar (0,15 Zoll Wassersäule) aufweist.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 2, wobei die zweite Stromabschicht einen anfänglichen Druckabfall über ihre Dicke hinweg von nicht mehr als etwa 0,299 mbar (0,12 Zoll Wassersäule) aufweist.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 2, wobei die erste Stromaufschicht eine mittlere Luftfiltrationseffizienz im Bereich von etwa 5% bis etwa 20% und die zweite Stromabschicht eine mittlere Luftfiltrationseffizienz von etwa 85% hat.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 4, wobei die zweite Stromabschicht einen anfänglichen Druckabfall über ihre Dicke hinweg von nicht mehr als etwa 0,299 mbar (0,12 Zoll Wassersäule) aufweist.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 1, wobei die erste Stromaufschicht einen anfänglichen Druckabfall über ihre Dicke hinweg von nicht mehr als etwa 0,125 mbar (0,05 Zoll Wassersäule) und eine mittlere Luftfiltrationseffizienz im Bereich von etwa 5% bis etwa 20% aufweist und die zweite Stromabschicht eine mittlere Luftfiltrationseffizienz von mindestens 90 und einen anfänglichen Druckabfall über ihre Dicke hinweg von nicht mehr als etwa 0,872 mbar (0,35 Zoll Wassersäule) aufweist.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 6, wobei die zweite Stromabschicht einen anfänglichen Druckabfall über ihre Dicke hinweg von nicht mehr als etwa 0,623 mbar (0,25 Zoll Wassersäule) aufweist.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 6, wobei die zweite Stromabschicht eine mittlere Luftfiltrationseffizienz von etwa 95% hat.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 8, wobei die zweite Stromabschicht einen anfänglichen Druckabfall über ihre Dicke hinweg von nicht mehr als etwa 0,623 mbar (0,25 Zoll Wassersäule) aufweist.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 1, wobei die Polymermikrofasern aus Polypropylen hergestellt werden, die raumfüllenden Polymerfasern aus einem Polymermaterial hergestellt werden, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Polypropylen und Polyester besteht, und die Polymerbinderfasern einen Polyesterkern mit einem Polyolefinmantel aufweisen.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 10, wobei die raumfüllenden Polymerfasern zwischen etwa 4 und etwa 8 Windungen pro cm (etwa 10 und etwa 20 Windungen pro Zoll) aufweisen.
Fasriges Filtrationsmedium nach Anspruch 1, wobei die erste Stromaufschicht etwa 40 Gew.-% Polymermikrofasern, etwa 40 Gew.-% raumfüllende Polymerfasern und etwa 20 Gew.-% Polymerbinderfasern umfasst.
Fasriges Filtrationsmedium nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Polymermikrofasern einen mittleren Durchmesser von etwa 3,5 μm, die raumfüllenden Polymerfasern einen mittleren Durchmesser von etwa 68 μm (etwa 6 Denier) und die Polymerbinderfasern einen mittleren Durchmesser von etwa 34 μm (etwa 3 Denier) haben.
Verbundbeutelfilter, der ein fasriges Verbundfiltrationsmedium nach einem der Ansprüche 1–11 umfasst.