DE102016213565A1

DE102016213565A1 - Filter für die Separation von unerwünschten Bestandteilen aus einem Fluid-strom

Info

Publication number: DE102016213565A1
Application number: DE102016213565.1A
Authority: DE
Inventors: Tilo Köckritz; Andreas Popp; Gunter Böttcher
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden; KET Kunststoff- und Elasttechnik GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2018-01-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Filter für die Separation von unerwünschten Bestandteilen aus einem Fluidstrom, bei dem ein elastisch verformbares Basisfiltermaterial in Form eines Filtermaterialgerüsts oder einer Gitterstruktur, das mit polymeren Fasern, Drähten oder einer Struktur gebildet ist, an einem äußeren Rahmen befestigt ist. Dabei sind zusätzlich Verstärkungs- oder Funktionselemente, insbesondere mit einem anderen Material gebildeten Fasern oder Drähten, die infolge eines Energieeintrages ihre geometrische Form und/oder ihre Länge verändern stoff- oder formschlüssig mit dem Filtermaterialgerüst oder der Gitterstruktur verbunden, so dass eine Veränderung der geometrischen Gestalt und/oder der Größe von Poren bei einem Energieeintrag und der Beendigung des Energieeintrags erreichbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter für die Separation von unerwünschten Bestandteilen, insbesondere Partikeln aus einem Fluidstrom. Dabei kann es sich um einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom handeln.
Anhand der Filtration von Kühlschmierstoff soll der Stand der Technik beispielhaft dargelegt werden.
Die Filtration eines Kühlschmierstoffes ist die zentrale Aufgabe von Reinigungs- und Versorgungsanlagen. Dabei wird am Filtervlies ein sogenannter Filterkuchen aufgebaut, der entweder durch mechanisches Abstreifen bzw. über klassische Rückspülung üblicherweise teilweise entfernt wird. Ein wesentlicher Nachteil des mechanischen Abstreifens ist die Tatsache, dass Bestandteile des Feinschmutzes dadurch eher stärker in das Vlies hinein gedrückt werden und zu einer weiteren Erhöhung des Filterwiderstandes und der damit verbundenen Druckerhöhung bzw. Durchflussreduzierung führen. Bei der Rückspülung wird der Vorteil einer entsprechenden Filterfeinheit zum Nachteil, da hierdurch das Reinigen der Poren eher erschwert wird.
Nachteilig ist es bei derzeitigen Filtern, dass eine aufwändige Reinigung erforderlich ist, falls dies überhaupt möglich ist. Staubfilter können beispielsweise durch mechanisches Rütteln gereinigt werden oder teilweise per Wasserspülung, wenn dies das Filtermaterial erlaubt. Auf diese Weise werden die Filter allerdings nicht wieder vollständig sauber oder sie verstopfen teilweise eher bzw. werden nicht homogen über die gesamte Filterfläche gereinigt.
Mit der Erfindung soll ermöglicht werden, dass beim Einsatz jeglicher Industrie- sowie Verbraucherfilter die geforderte Filterwirkung, -feinheit sowie dessen Wirkungsgrad erhalten bleibt bzw. durch Reinigungsprozesse, wie z.B. Abstreifen, Abspülen oder Rückspülen einfach regeneriert werden kann. Zusätzlich soll die Funktionalität des Filtermaterials beispielsweise durch sensorische oder aktorische Funktionen ergänzt werden können, die den technischen Wirkungsgrad und die wirtschaftliche Effizienz deutlich steigern.
Kommerzielle Filter, wie sie beispielsweise im Bereich des Filterns von Kühlschmierstoff, Luft, Wasser und anderen Anwendungen eingesetzt werden, weisen eine begrenzte Lebensdauer auf, da sich die Poren oder Zwischenräume zwischen den Filtermaterialien durch die Verschmutzungen zusetzen und deren Wirkungsgrad und somit deren Lebensdauer verringern. Mehrfachfilter können z.B. durch Rückspülprozesse oder Abstreifen gereinigt und wieder eingesetzt werden, was aber zu Rüstzeiten führt oder im Bereich von Verbraucherprodukten im nicht kommerziellen Gebrauch nur schwer umsetzbar ist. Zusätzlich kann der Filterkuchen den Filter weiterhin verstopfen, da z.B. Staubpartikel zu festen Schichten agglomerieren.
Darüber hinaus weisen kommerzielle Filter eine geringe Variabilität auf, um beispielsweise die Filterleistung an die jeweiligen Erfordernisse anpassen zu können. Werden z.B. unterschiedliche Prozesse und Anlagen mit ein und derselben Filtereinheit verknüpft eingesetzt, müssen immer die Filter mit den höchsten Anforderungen eingesetzt werden, wie dies bei Staubluftfiltern mit unterschiedlichen Partikelklassen der Fall ist. Dies führt zu Produktivitätsverlusten.
Zusammenfassend werden die folgenden zu lösenden technischen Probleme adressiert:

– Justierbarkeit der Filterfeinheit in Abhängigkeit der Kontamination des Fluids bzw. in Abhängigkeit des Durchflusses des Spülmediums
– Anpassung des Filters an unterschiedliche Durchflussmengen sowie jeweilige zu separierende Partikelgrößen
– Hoher zeitlicher, technischer und finanzieller Aufwand für Reinigungs- und Rückspülprozesse bei Industriefiltern

Die Lösung dieser technischen Probleme bzw. eines Teiles dieser Probleme offenbart ein hohes Potential hinsichtlich des wirtschaftlichen Filtereinsatzes durch erhöhte Lebensdauern und hohe Funktionsstabilität sowie der Sicherung der Produktions-, Prozess- sowie Produktstabilität und Qualität
Zusätzlich können weitere Funktionalitäten integriert werden:

– Funktionsintegration in Filter, wie beispielsweise Sensoren und Aktoren zur Detektion des Verschmutzungsgrades des Filter oder des Mediums sowie zur aktiven Reinigung des Filters im eingebauten Zustand
– Funktionsintegration von Sensoren zur Detektion von Eigenschaften des Mediums, wie z.B. elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert u.a.
– Anpassung des Filters hinsichtlich gegebener Anforderungen, wie z.B. antibakterielle oder antimikrobioelle Wirkung oder Medienstabilität

Bisherige Filtermaterialien für die Industrie- und Verbraucherfilter basieren auf Filtern die aus Papier, Vliesen usw. bestehen und besitzen keine Funktionsintegration, wie eine Sensorik oder die Verstellbarkeit der Filterfeinheit für die Durchflusssteuerung oder Filterreinigung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Reinigung sowie eine verbesserte Anpassung an unterschiedliche Separationsbedingungen, bei denen Partikel aus einem Fluid separiert werden, zu ermöglichen und ggf. die Funktionalität eines Filters bzgl. einer Überwachung und/oder einer antimikrobiellen Wirkung zu erhöhen bzw. zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Filter, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Im Vordergrund steht dabei eine einfache und reproduzierbare Reinigung der Industrie- und Verbraucherfilter, wodurch die Nutzungsdauer deutlich verlängert, die Anlagenverfügbarkeit erhöht und die Wirtschaftlichkeit gesteigert werden kann. Zur weiteren Verbesserung der Filterreinigung kann die Filterfeinheit/Porengröße durch Energiezufuhr verändert werden. Die Verstellbarkeit der Filterfeinheit ist ebenso zur Justage des Filters insbesondere im Hinblick auf die zu filternden Partikelgrößen vorteilhaft.
Zusätzliche und integrierbare Funktionalitäten sind beispielsweise die sensorische Überwachung der Filtermaterialien bzw. des Füllgrades des Filters an sich. Darüber hinaus kann das eigentliche Filtermaterial an spezielle Anforderungen angepasst werden, wie dies beispielsweise bei der Forderung nach antibakterieller oder antimikrobieller Wirkung der Fall ist.
Das/die aufgezeigte(n) Probleme kann/können durch die Entwicklung von textilen Gebilden, wie insbesondere Geweben oder Vliesen für Filter mit einer speziellen Textur und Faser- oder Drahtanordnung, die durch Erreichung die beschriebenen Funktionalitäten ermöglichen.
Neben elektrischer Energie kann man auch mechanische Energie auf das Filtermaterial einwirken lassen, was zu einer Verschiebung und/oder Verformung von Poren führen kann.
Das erfindungsgemäße Filter Material besteht im Wesentlichen aus einem polymeren bevorzugt dreidimensionalen Filtermaterialgerüst bzw. einer Gitterstruktur, das/die an einem Rahmen befestigt ist. Filtermaterialgerüst oder Gitterstruktur können bevorzugt mit Fasern, Drähten oder einer bevorzugt dreidimensionalen Struktur gebildet sein.
Das elastisch verformbare polymere Basisfiltermaterial kann entsprechend der genauen Anforderungen ausgewählt werden, wobei sich Silikon- oder Silikon enthaltende Werkstoffe im besonderen Maße für die Anwendung für ein Basisfiltermaterial eignen. Silikone verfügen über hervorragende Eigenschaften sowie Beständigkeit gegenüber vielen äußeren Einflüssen sowie Medien und lassen sich hinsichtlich spezieller Anforderungen (elektrische Leitfähigkeit, mechanische Eigenschaften wie Elastizitätsmodul und Dehnbarkeit, antimikrobakterielle Eigenschaften) modifizieren. Im Hinblick auf die Funktionsintegration in das Filtermaterial können entsprechend der mechanischen Belastungen bzw. in Abhängigkeit der sensorischen Anforderungen entsprechende Verstärkungs- und/oder Funktionselemente eingebracht sein. Verstärkungs- und/oder Funktionselemente sollten aus einem anderen Material in Form von Fasern oder Drähten gebildet sein und dabei infolge eines Energieeintrages ihre geometrische Form und/oder ihre Länge und/oder die geometrische Form der unverstärkten Filtergrundstruktur verändern und stoff- oder formschlüssig mit dem Filtermaterialgerüst oder der Gitterstruktur verbunden sein, so dass eine Veränderung der geometrischen Gestalt und/oder der Größe von Poren bei einem Energieeintrag und der Beendigung des Energieeintrags erreichbar ist.
Es kann elektrische Energie zu- und mit Verstärkungs- oder Funktionselementen in mechanische Energie gewandelt werden, wodurch eine Verformung des Basismaterialgerüsts oder der Gitterstruktur und dadurch wiederum eine Veränderung der geometrischen Gestalt und der freien Querschnittsfläche von Poren erreicht wird.
Eine verstärkende Wirkung und Nutzbarkeit als Sensor können beispielsweise Kohlenstoff- oder Metallfasern, die als unidirektionale Verstärkung in das Filtermaterialgerüst bzw. die Gitterstruktur eingebracht werden können, bieten. Diese Fasern oder Drähte verstärken das Filtermaterial entlang einer Längsrichtung und können zusätzlich auch als Sensorarray genutzt werden, indem die Veränderung des elektrischen Widerstands zwischen zwei parallel zueinander angeordneten und ausgerichteten Kohlenstoff- oder Metallfasern oder anderen aus einem elektrisch leitenden Werkstoff gebildeten Fasern, Drähten oder polymeren Strukturen überwacht werden können. Kohlenstoff- oder Metallfasern können also Verstärkungs- und Funktionselemente sein.
Benötigt man für die Anwendung keine zusätzliche verstärkende Wirkung der das Basismaterialgerüst oder die Gitterstruktur bildenden Fasern, Drähte oder Strukturen, könnten beispielsweise zwei unterschiedliche modifizierte polymere Strukturen erzeugt werden, wobei eine Richtung der Strukturen aus elektrisch modifziertem Basispolymer und die andere Richtung aus unmodifiziertem Basispolymer besteht.
Andere elektrisch leitende Fasern oder Drähte sollten an eine elektrische Spannungsquelle und ein Amperemeter, Voltmeter und/oder ein Gerät zur Messung des elektrischen Widerstandes angeschlossen sein, so dass Veränderungen der elektrischen Leitfähigkeit erfasst und ggf. für eine Veränderung der Poren innerhalb des Filtermaterialgerüsts oder der Gitterstruktur eingeleitet werden kann, wenn so beispielsweise eine zu große Verschmutzung des Filters erkannt worden ist und eine Reinigung durch einen Energieeintrag, der zur Veränderung der Poren führt, eingeleitet werden soll.
Andere Werkstoffe, die für Verstärkungs- und/ oder Funktionselemente geeignet sind, sind beispielsweise elektrisch leitende Polymere, die elektrisch leitend beschichtet oder elektrisch leitende Partikel enthalten. Setzt sich der Filter zu bzw. erhöht sich die Verschmutzung des Filtermaterials, so ändert sich der elektrische Widerstand und der bestimmte elektrische Widerstand gibt eine Aussage darüber, wann der Filter gereinigt werden muss. So reduziert sich der elektrische Widerstand bei elektrisch leitenden Partikeln, bei elektrisch nicht leitenden Partikeln erhöht er sich dagegen.
Es kann auch eine elektrische Spannung an die Funktionselemente zur Ausbildung eines elektrischen Feldes angelegt werden, um eine antistatische Wirkung zu erreichen, mit der eine Freisetzung von unerwünschten Bestandteilen, insbesondere von Partikeln von der Oberfläche des Basismaterialgerüsts oder der Gitterstruktur und ggf. auch aus Poren erreichbar wird. Bevorzugt ist dabei eine elektrische Gleichspannung.
Zur Beeinflussung der geometrischen Gestalt und/oder Größe von Poren des Filtermaterialgerüsts oder der Gitterstruktur kann/können die Höhe, die Zeitdauer eines Energieeintrags und/oder der zeitliche Abstand zwischen Energieeinträgen gesteuert oder geregelt werden. Dies ist besonders bei einer dadurch erreichbaren Reinigung eines Filters vorteilhaft, da so die Größe der Porenveränderung und auch eine Frequenz, mit der eine Veränderung von Poren erreicht werden kann, gezielt beeinflusst werden können.
Da die Kohlenstoff- oder Metallfasern als Verstärkungs- und/oder Funktionselemente durch das aufgebrachte polymere bevorzugt dreidimensionale Filtermaterialgerüst quasi isoliert werden, sollte punktuell zusätzlich ein elektrisch leitfähiges Polymer eingesetzt werden, das vorteilhaft aus dem identischen Polymer des Filtermaterialgerüsts oder der Gitterstruktur besteht, um die Nutzung als Sensor zu ermöglichen und den elektrischen Kontakt der Verstärkungs- und Funktionselemente zum Fluid herzustellen. Hierbei kann beispielsweise ein Polymer, in dem elektrisch leitende Partikel, insbesondere Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) mit einem Anteil oberhalb der Perkolationsschwelle enthalten sind, eingesetzt werden. Alternativ können dementsprechend in das Basisfiltermaterial eingebrachte Kohlenstofffasern mittels einer Nachbehandlung von polymerem elektrisch isolierendem Polymer so befreit werden, dass ein elektrisch leitender Kontakt lokal definiert erreicht werden kann. Dabei kann polymerer Werkstoff an einer Oberfläche mechanisch, bevorzugt aber mit einem Energiestrahl, insbesondere einem Laserstrahl entfernt und in der Polymermatrix enthaltende elektrisch leitende Partikel oder CNTs soweit frei gelegt werden, dass eine elektrisch leitende Verbindung erreicht werden kann. Ebenso ist eine gewollte Drappierung der Kohlenstofffasern einsetzbar, um die Faser partiell außerhalb des Filtermaterialgerüsts (scaffold) bzw. der Gitterstruktur verlaufen zu lassen und somit die elektrisch isolierende Wirkung des Polymers zu umgehen.
Es können auch sensorisch wirkende Elemente zur Bestimmung des pH-Wertes, der Anwesenheit verschiedener Verunreinigungen bzw. Reaktionsprodukte (z.B. Nitrat im Kühlschmierstoff), der Konzentration des Fluides selbst und/oder der Konzentration von Additiven mit Fasern oder Drähten des Basisfiltermaterials stoff- und/oder formschlüssig verbunden sein.
Die Justierbarkeit der Filterfeinheit erlaubt es, den Filter an die Anforderungen anzupassen. Das unidirektional beispielsweise mit Kohlenstofffasern verstärkte Basisfiltermaterial kann entlang der Faserausrichtung eine gesteigerte Festigkeit aufweisen. In orthogonaler Richtung dazu können die Eigenschaften des eigentlichen Basisfiltermaterials, bevorzugt des gewählten Polymers genutzt werden. Bringt man quer zur Faserausrichtung eine Schubkraft auf, verschieben sich die Ebenen der Verstärkungs- und Funktionselemente wie Fasern oder Drähte zueinander und die Feinheit verändert sich deutlich. Erfolgt kein Energieeintrag von außen mehr, geht der Filter in seinen Ausgangszustand zurück.
Dazu kann die Geometrie und Länge des polymeren Filtermaterialgerüsts bzw. der Gitterstruktur, das aus dem Basisfiltermaterial gebildet und die mit anderen Verstärkungs- und Funktionselementen wie Fasern, Drähten oder Aktoren verbunden sind, durch Beeinflussung der geometrischen Ausrichtung und/oder Verschiebung des polymeren Filtermaterialgerüsts bzw. der Gitterstruktur verändert werden, indem Zug- und/oder Schubspannungen auf die Funktions- oder Verstärkungselemente wirken, verändert werden. Dadurch kann eine Verschiebung der der polymeren Filtergrundstruktur, die aus dem Basisfiltermaterial gebildet sind, bereichsweise in einer und/oder mehreren Achsrichtungen erfolgen, was zu einer Veränderung der Poren führt. Dies können Veränderungen der geometrischen Form und der freien Querschnitte sein. Dies erfolgt ganz besonders bei dreidimensionalen Filtermaterialgerüsten bzw. Gitterstrukturen. Mit einer anderen Faser oder einem anderen Draht können mehrere Reihen und Spalten von Poren, die nebeneinander angeordnet sind erreicht werden. Es ist daher nur eine begrenzte Anzahl von anderen Fasern oder Drähten als Verstärkungs- oder Funktionselemente erforderlich.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, an der mit polymeren Fasern, Drähten oder Strukturen gebildeten Filtergrundstruktur bzw. den Verstärkungs- und Funktionselementen Aktoren zu befestigen, mit denen mechanische Spannungen bei einem Energieeintrag in die Aktoren erreicht werden können, die an den Fasern oder Drähten aus dem Basisfiltermaterial wirken und die Porengrößen und -geometrien verändern. Solche Aktoren können an äußeren Rändern eines Filters aber auch innerhalb des Filtermaterialgerüsts bzw. der Gitterstruktur angeordnet werden. Aktoren können auch in einzelnen Poren eines Filters angeordnet und mit der Filtergrundstruktur bzw. den Verstärkungs- und Funktionselementen verbunden sein. Als Aktoren können auch Elastomeraktoren, wie sie beispielsweise in DE 10 2008 039 757 A1 bzw. in DE 10 2012 016 375 A1 beschreiben sind, eingesetzt werden. Elastomeraktoren können dabei unidirektional in einer Achsrichtung bevorzugt parallel zu Fasern oder Drähte, die mit dem Basisfiltermaterial gebildet sind, ausgerichtet sein und durch Veränderung ihrer Länge und/oder Breite Einfluss auf die Porengröße und -geometrie nehmen, wenn eine elektrische Spannung an ihre Elektroden angelegt worden ist oder diese wieder abgeschaltet wurde. Durch die Höhe der jeweiligen elektrischen Spannung kann Einfluss auf den Grad der Größen- und Geometrieveränderung von Poren eines Filters genommen werden.
Die Optimierung der Filterreinigung basiert ebenfalls auf dem Prinzip der Justierbarkeit eines Filters. Besteht beispielsweise das Basisfiltermaterial aus Silikon oder es ist mit Silikon gebildet, was eine sehr hohe elastische Dehnfähigkeit aufweist, wird der Filter durch äußere Energie deformiert und die Verschmutzungen fallen ab. Dies wird begünstigt von der antiadhäsiven Oberfläche von Silikon, wodurch sich die Verschmutzungen sehr einfach und schnell lösen. Außerdem können die Deformationen zyklisch wiederholt werden, bis der gewünschte Abreinigungseffekt erreicht worden ist. Filter müssen für den Reinigungsprozess nicht mehr ausgebaut werden und ein zyklischer Reinigungsschritt könnte in die Anlagen- oder Produktsteuerung nach Ablauf bestimmter Zeitabstände oder nach Detektion eines erhöhten Verschmutzungsgrades integriert werden. Bei Luftfiltern von Staubsaugern könnte dies beispielsweise nach jedem Saugprozess durchgeführt werden, wodurch die Verunreinigungen abplatzen und direkt in ein Reservoir fallen. Auf diese Wiese kann der Saugkraftverlust reduziert bzw. vermieden werden.
Im Bereich der Luft- oder Wasseraufbereitung spielt die Verschmutzung durch Bakterien eine wichtige Rolle. Filter die lange im Einsatz bleiben bilden häufig auch Anfälligkeiten für bakterielle Verschmutzungen. Die eingesetzten Polymere lassen sich im Herstellungsprozess antibakteriell modifizieren, wodurch die neuen Filterwerkstoffe diese Problematik lösen. Da beispielsweise Silikon eine gute Beständigkeit gegen viele Medien aufweist, könnten auch antibakterielle Substanzen, beispielsweise Silberpartikel beigefügt werden.
Zusammenfassung der Lösungsansätze für die beschriebenen Probleme:

– Filter basiert auf elastischen Polymeren, woraus die dreidimensionalen Filtermaterialgerüste bzw. Gitterstrukturen der Filter gefertigt werden
– Die geometrischen Strukturen, die mit Fasern oder Drähten gebildet sind, können entsprechend der Anforderungen angepasst werden (Kreis, Rechteck, Dreieck, ...)
– Mögliche Integration von zusätzlicher Adaptronik oder Aktorik

Möglichkeit der Nachrüstung in Bestandsanlagen gegeben

– Integration einer unidirektionalen Kohlenstofffaserverstärkung zur Anpassung an die mechanischen Anforderungen bzw. zur Steuerung der Wirkrichtung der Filterfeinheitsjustage
– Nutzung der integrierten Verstärkungs- und Funktionselemente wie Fasern oder Drähte als Sensoren zur Ermittlung des Grades der Filter- bzw. der Filtermedienverschmutzung
– Justierbarkeit der Filterfeinheit zur Steuerung der Durchflussmenge und Separationswirkung für unterschiedliche Partikelgrößen
– Verbesserung der Reinigung durch deformierbare Filter in Kombination mit antiadhäsiver Wirkung des Polymers
– Antibakterielle bzw. -mikrobielle Ausrüstung der Filter durch Polymermodifizierung

Mit der Erfindung sind adaptive Eigenschaftsänderungen von Filtern, Filtergeweben bzw. Filtervliesen zur Senkung der Rückspülzeiten für Permanentfilter, eine Erhöhung der Reproduzierbarkeit von Filterprozessen und Erhöhung der Prozesssicherheit beim Fertigungseinsatz des Filtrates, eine Erhöhung der Lebensdauer von Permanentfilter und damit eine Reduzierung der Materialkosten und der erforderlichen Energie, eine Senkung des Energiebedarfes durch Senkung des Druckabfalls und der benötigten Energie für den Betrieb von Pumpen oder Verdichtern, eine Einsparung von Fertigungszeit über die Reduzierung von Rückspülzeiten (bei gekoppelt abhängigen Prozessen z.B. Chemieindustrie), eine Abfallsenkung durch Lebensdauererhöhung von Filtern, eine Integration von Medien- und Prozessüberwachungssensorik in Filter, Filtergewebe bzw. Filtervliese sowie eine gezielte Anpassung der Filter an die jeweilige Anwendungen möglich.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Filters in einer Draufsicht;
2 drei unterschiedlich verformte Poren, wie sie bei einem erfindungsgemäßen Filter erreichbar sind;
3 drei Beispiele für Filtermaterialgerüste bzw. Gitterstrukturen, die bei einem erfindungsgemäßen Filter einsetzbar sind und
4 drei weitere Beispiele für Filtermaterialgerüste bzw. Gitterstrukturen, die bei einem erfindungsgemäßen Filter einsetzbar sind.
In 1 ist eine Beispiel eines erfindungsgemäßen Filters gezeigt, bei dem ein Filtermaterialgerüst mit parallel zueinander ausgerichteten und in Abständen zueinander angeordneten Kohlenstofffasern 1, 2, als ein Beispiel für andere Fasern oder Drähte die stoff- und/oder formschlüssig mit dem das Filtermaterialgerüst bildenden Fasern oder Drähten aus dem Basisfiltermaterial, in diesem Fall Silikon, sowie dem Rahmen der Gitterstruktur 3 verbunden sind. Die unidirektionalen Kohlenstofffasern 1 im Randbereich besitzen eine höhere Filamentanzahl, da in diesem Bereich beispielsweise höhere mechanische Belastungen zu erwarten sind bzw. sich die Einleitungsstelle der mechanischen Energie insbesondere von Zug- oder Druckkräften die zur Deformation des Filtermaterialgerüsts bzw. der Gitterstruktur 3 führen, angeordnet ist. Die Kohlenstofffasern 1, 2 sind unidirektional ausgerichtet und können einmal eine Verstärkung eines Filtermaterialgerüsts 3 Aktoren und ggf. auch Sensoren als Verstärkungs- und/oder Funktionselemente bilden. Bei Nutzung als Aktoren können Zug- und/oder Schubspannungen an den Verstärkungs- und Funktionselementen wie Fasern oder Drähten des Filtermaterialgerüsts 2 wirken, die zu einer Verformung von Poren des Filtermaterialgerüsts 3 führen können, wie dies in den beiden unteren Darstellungen von 2 erkennbar ist. Mit den wirkenden Zug- und oder Schubspannungen kann eine Bewegung der das Filtermaterialgerüst 3 bildenden Filtergrundstruktur erreicht werden und bei dem in 2 gezeigten Filtermaterialgerüst 3 oder einer entsprechenden Gitterstruktur erfolgt eine Verformung der Poren von einem rechteckigen Querschnitt zu rhombenförmigen freien Querschnitten, wodurch die Geometrie und Größe der Poren beeinflusst werden kann.
Aus 1 kann man auch entnehmen, dass der elektrische Widerstand und/oder die elektrische Kapazität zwischen Kohlenstofffasern oder aus elektrisch leitfähigem Material gebildeten anderen Fasern 1, 2 bestimmt werden kann, was als Maß für eine Verschmutzung des Filters genutzt werden kann.
Neben Kohlenstofffasern können als andere Fasern oder Drähte aber auch Platinfasern oder Platindrähte eingesetzt werden, damit kann man beispielsweise das Redoxverhalten des Filters bzw. der Fasern bestimmen, und eine Aussage über eine mögliche mikrobielle Kontamination eines Fluids erhalten, wie dies beispielsweise bei einem Kühlschmierstoff der Fall sein kann.
In den Figuren nicht dargestellter Form können weitere Aktoren und/oder sensorisch wirkende Elemente an einem Filtermaterialgerüst 3 vorhanden oder daran fixiert sein, mit denen eine Beeinflussung der Poren des Filtermaterialgerüsts 3 bzw. einer Gitterstruktur oder eine Detektion verschiedener Parameter des jeweiligen Fluids und/oder des momentanen Filterzustands erreichbar ist.
Denkbar wäre dabei die Integration von piezoelektrischen, elektrostriktiven, magnetostriktiven Werkstoffen oder Formgedächtnislegierungen, die die zur Justage der Filterfeinheit und Reinigung notwendige Energie direkt im Filter nutzen können, wodurch zur Verformung des Filtermaterialgerüsts 3 bzw. einer Gitterstruktur notwendige Energie direkt im jeweiligen Wirkbereich wirken kann. Auf diese Weise könnte die Filterfeinheit lokal begrenzt verändert werden, wenn z.B. die Verschmutzung des Filters inhomogen geworden ist.
Die mit diesen Werkstoffen, insbesondere mit piezoelektrischen Werkstoffen gebildeten Elemente können aber auch mit Verstärkungs- und/oder Funktionselementen 1 verbunden sein und dabei eine Energiequelle bilden, mit denen mechanische in elektrische Energie gewandelt und die elektrische Energie dann an Verstärkungs- und/oder Funktionselementen 1, Aktoren oder Sensoren genutzt werden kann.
Kombiniert man die Messwerte der Sensoren mit den Stellgrößen der Filtersteuerung innerhalb einer zugehörigen Steuerung inklusive Regelungslogik erhält man intelligente Filtermaterialien, die sich entsprechend der Anforderungen hinsichtlich der Feinheit und der Durchflussmenge regeln lassen, ihren Verschmutzungsgrad bestimmen und selbsttätig reinigen. Dies erlaubt eine deutliche Verlängerung der Filterlebensdauer, eine Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit sowie stabilere Nutzungsbedingungen.
Darüber hinaus kann das Basispolymer des Filtermaterialgerüsts 3 oder der Gitterstruktur elektrisch modifiziert werden, um z.B. antistatisch anhaftende Partikel mittels eines elektrischen Feldes abzustoßen. Hierfür wäre die Integration von elektrisch leitfähigen Partikeln in das Basispolymer denkbar.
In den 3 und 4 sind jeweils drei Beispiele für mögliche Ausbildungen eines Filtermaterialgerüsts 3 gezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008039757 A1 [0031]
DE 102012016375 A1 [0031]

Claims

Filter für die Separation von unerwünschten Bestandteilen aus einem Fluidstrom, bei dem ein elastisch verformbares Basisfiltermaterial in Form eines Filtermaterialgerüsts (3) oder einer Gitterstruktur, das mit polymeren Fasern, Drähten oder einer Struktur gebildet ist, an einem äußeren Rahmen befestigt ist, zusätzlich Verstärkungs- oder Funktionselemente (1, 2), insbesondere mit einem anderen Material gebildeten Fasern oder Drähten, die infolge eines Energieeintrages ihre geometrische Form und/oder ihre Länge verändern stoff- oder formschlüssig mit dem Filtermaterialgerüst (3) oder der Gitterstruktur verbunden sind, so dass eine Veränderung der geometrischen Gestalt und/oder der Größe von Poren bei einem Energieeintrag und der Beendigung des Energieeintrags erreichbar ist.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungs- oder Funktionselemente (1, 2) mit einem piezoelektrischen, elektrostriktiven, magnetostriktiven Werkstoff, einem Formgedächtnismetall, Metallfasern, -drähten und/oder Kohlenstofffasern gebildet sind und/oder damit als Energiequelle verbunden sind.
Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisfiltermaterialgerüst oder die Gitterstruktur aus oder mit Silikon gebildet ist, wobei das Silikon bevorzugt an der Oberfläche modifiziert ist und/oder zusätzlich eine antimikrobiell wirkende Substanz enthalten ist und/oder Verstärkungs- und/oder Funktionselemente (1, 2) mit Kohlenstofffasern oder Metallfasern, -drähten gebildet sind.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verstärkungs- oder Funktionselemente (1, 2) Kohlenstofffasern, Metallfasern oder Drähte, insbesondere, Edelstahlfasern, -drähte, Platinfasern oder -drähte in einem Abstand parallel zueinander angeordnet, mit den aus dem Basisfiltermaterial gebildeten Strukturen stoff- und/oder formschlüssig verbunden und an eine elektrische Spannungsquelle und ein Amperemeter, Voltmeter und/oder ein Gerät zur Messung des elektrischen Widerstandes oder zur Messung der elektrischen Kapazität angeschlossen sind.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sensorisch wirkende Elemente zur Bestimmung des pH-Wertes, der Anwesenheit verschiedener Verunreinigungen oder Reaktionsprodukte, insbesondere Nitrat in einem Kühlschmierstoff, der Konzentration des Fluides selbst und/oder der Konzentration von Additiven mit dem Basisfiltermaterialgerüst oder der Gitterstruktur stoff- und/oder formschlüssig verbunden sind.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beeinflussung der geometrischen Gestalt und/oder Größe von Poren des Filtermaterialgerüsts oder der Gitterstruktur die Höhe, die Zeitdauer eines Energieeintrags und/oder der zeitliche Abstand zwischen Energieeinträgen steuer- oder regelbar und somit eine flexible Anpassung an die geforderte Filterfeinheit in eine Filteranlage ohne Filterwechsel erreichbar ist.
Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an Funktionselemente eine elektrische Spannung zur Ausbildung eines elektrischen Feldes angeschlossen ist.