DE3602154A1 - Partikelfilter fuer abgase - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Partikelfilter für
Abgase, bestehend aus einem Wickelkörper aus
temperaturbeständigen Fasern.
Unter den verschiedenen Filterkonstruktionen, wie aus
Keramikschaum, Fasermatten, Drahtgestrick und als
Wickelkörper haben die letzteren gegenüber den
vorherstehenden Varianten den Vorteil, daß das Verhältnis
der Filterbaugröße zur Filterwirkung günstiger, d.h.,
geringer ist als bei Filtern anderer Konstruktionen.
Um diesen Vorteil besonders deutlich zu machen, müssen
Fasern mit Elementarfasern möglichst geringer Faserdicke,
im Bereich von einigen µm verwendet werden. Weiterhin ist
auf eine möglichst lockere Bewicklung zu achten, die eine
Tiefenfiltrierung von Partikeln erlaubt.
Ein derartiger Wickelkörper besitzt aber keine ausreichende
Steifigkeit, die einen Einsatz des Wickelkörpers als Filter
ohne Stützeinrichtung erlaubt. Aus Wickelkörpern bestehende
Filter werden daher, wie aus der DE-PS 30 07 642 bekannt,
auf Stützrohren aufgewickelt, die mit Durchgangsöffnungen
versehen sind.
Bei der bekannten Einrichtung strömen die Abgase im Betrieb
des Filters in radialer Richtung in das Filterrohr ein und
verlassen es in axialer Richtung. Die im Abgas enthaltenen
Partikel werden dabei am Wickelkörper festgehalten. Es hat
sich jedoch gezeigt, daß aufgrund der unterschiedlichen
Strömungskonfigurationen zwischen Filtermaterial und
Stützkörper sich die Abgase unregelmäßig ablagern. Der
Abscheidegrad des Filters wird hierdurch stark
beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Filter der
eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die
dem Filtermaterial eigene Filterwirkung möglichst voll
genutzt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1
gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Hierbei dient ein Teil der Fasern, nämlich die Hilfsfasern,
neben der Funktion als Filter, als Gerüst für den
Wickelkörper, so daß von Stützkörpern abgesehen werden kann.
Es entfällt damit jede Beeinträchtigung des Abscheidegrades
des Filters.
Durch eine damit erreichbare homogene Struktur baut sich
im Betrieb ein homogenes Strömungsfeld auf, das eine
gleichmäßige Ablagerung der Partikel durch den gesamten
Filter ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Filters liegt
darin, daß ein einheitlicher Filter herstellbar ist, der
je nach Bedarf entweder in der einen oder in der anderen
Richtung durchströmbar ist.
Als Grundfasern können Rovings oder Garne aus Keramik,
Quarz, Silizium, Glas oder ähnlichen temperaturbeständigen
Materialien sein. Wobei die Elementarfäden der Rovings oder
Garne äußerst kleine Querschnitte haben können, so daß eine
Erhöhung der Wirkfläche des Filters durch die Wahl
entsprechend dünner Elementarfäden bewirkt werden kann.
Die Elementarfäden der Grundfasern haben vorzugsweise einen
Durchmesser von höchstens 10 µm, vorzugsweise unter 7 µm.
Als Hilfsfaser kann vorzugsweise Stahldraht verwendet
werden, der je nach Art der Verwendung bzw. Mengenverhältnis
im Filterkörper einen Durchmesser von 0,1 bis 0,7 mm hat. Die
Drahtdicke verhält sich dabei umgekehrt proportional zum
Verhältnis der Drahtmenge zur Grundfasermenge im
Filterkörper. Die Grundfasern und die Hilfsfasern können
nach verschiedenen Mustern kombiniert werden.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist der im wesentlichen
aus Grundfasern bestehende Filterkörper mit den Hilfsfasern
versetzt. Dieses kann dadurch geschehen, daß die Hilfsfasern
zusammen mit den Grundfasern in einem Arbeitsgang gewickelt
werden, in dem je nach gewünschtem Mengenverhältnis eine
Hilfsfaser und mehrere Grundfaserstränge gleichzeitig
verwickelt werden. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige
Verteilung von Hilfsfasern innerhalb des Filterkörpers. Es
ist aber auch möglich, die Verteilung der Hilfsfasern
beliebig zu wählen, indem zum Beispiel an den Außenschichten
mehr Hilfsfasern eingebracht werden als in der Innenschicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung befinden
sich die Hilfsfasern im wesentlichen an den Oberflächen
des Filterkörpers, wobei zwischen den beiden Lagen mit
Hilfsfasern vorwiegend Grundfasern vorgesehen sind. Hierbei
lassen sich die Hilfsfasern entweder wickeln, oder in der
Form eines Netzwerkes verwenden.
Diese Ausführung hat den Vorteil, daß die Hilfsfasern die
Grundfasern verankern, die nämlich aufgrund ihres
reduzierten Querschnittes und gegebenenfalls aufgrund ihrer
Porosität zumindest an der Oberfläche reißen können.
Selbstverständlich ist es auch möglich, beide Ausführungen
zu kombinieren, d.h., Hilfsfasern an den Oberflächen des
Filterkörpers vorzusehen und zusätzlich Hilfsfasern durch
den Wickelaufbau der Grundfasern durchzuziehen.
Unabhängig vom jeweils gewählten Muster wird die
erforderliche Steifigkeit durch entsprechende Wahl der
eingebrachten Menge bzw. der Dicke der Hilfsfasern bestimmt
derart, daß der lediglich aus Grundfasern und- Hilfsfasern
bestehende Filterkörper für sich alleine, d.h., ohne
Stützelemente einsatzfähig ist. Die Hilfsfasern sind dabei
ein integraler Bestandteil des Filterkörpers bzw. des
Filtermaterials.
Der erfindungsgemäße Filter kann jede geometrische Form
annehmen, die im Wickelverfahren herstellbar ist. So ist
es möglich, den Filter sowohl platten- als auch rohrförmig
auszubilden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die
Fasern im Wickelkörper sich kreuzend gewickelt, wobei
insbesondere durch Verwendung eines offenen Wickelvorganges
Zwischenräume zwischen Fasersträngen geschaffen werden
können, die dem Wickelkörper eine für die Durchströmung
und Umlenkung des zu reinigenden Gases erforderliche
Porosität verleihen. Hierdurch können die Partikeln zum Teil
durch unterschiedliche Lagen strömen und sich innerhalb
des Wickelkörpers ablagern, wodurch eine Tiefenfilterwirkung
Dieser Effekt läßt sich durch Maßnahmen verstärken, die die
Verknotungen von sich kreuzenden Faser- bzw. Garnsträngen
vermindern. Es ist ferner vorteilhaft, wenn beim Wickeln
des Filters zumindest die Grundfasern locker geführt werden,
um eine entsprechende Porosität in den Filter einzubringen,
die eine Tiefenfilterwirkung herbeiführt.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein Detail aus Fig. 2 und
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel.
In Fig. 1 ist ein als Wickelkörper ausgebildeter,
plattenförmiger Filter (10) gezeigt, der aus Grundfasern
(11 und 12) aus Keramik, Glas oder ähnlichem
temperaturbeständigen Material und aus Hilfsfasern (13) aus
Stahl oder einem anderen temperaturbeständigen Metall
besteht. Die Grundfasern (11 und 12) sind Faserstränge, die
jeweils mehrere Elementarfäden (14) mit sehr kleinem
Durchmesser, im Bereich von einigen µm enthalten. Die
Elementarfäden (14) können dabei einen Roving bildend
parallel zueinander angeordnet oder zu einem Garn verdrillt
sein.
Die Hilfsfasern (13) sind Metalldrähte, die während des
Wickelvorganges der Grundfasern (11 und 12) mitgewickelt
werden und dadurch den Filter (10) in allen Schichten
durchsetzen. Durch Richtungswechsel der Fasern (11 bis 13)
in unterschiedlichen Lagen wird in Verbindung mit einer
offenen Wicklungstechnik, (d.h., daß nebeneinanderliegende
Fasern (11 bzw. 12) mit Abständen (15) voneinander gelegt
werden), eine Porosität im Wickelkörper erreicht, durch die
der Filter (10) eine Tiefenfilterwirkung erhält.
Die Entstehung der Porenkammern kann anhand der Fig. 2
verdeutlicht werden. Zur Vereinfachung sind in Fig. 2
(stark vergrößert) vier Faserlagen mit quer
zueinanderliegenden Fasern (110 bzw. 120) im Querschnitt
dargestellt. Die Grundfaserstränge (110 und 120) sind aus
Elementarfäden (140) gesponnene Garne. In den in Fig. 1
und 2 dargestellten Ausführungen werden im Wickelprozeß
drei Grundfasern gleichzeitig gewickelt, so daß sie in
einer Lage nebeneinander mit dem entsprechenden Abstand
(150) zu liegen kommen. Die Quergrundfasern (120) legen
sich jeweils in den verschiedenen Lagen auf die
Längsfasern (110) und bilden dabei Porenkammern (20),
wie es in der linken Hälfte der Fig. 2 dargestellt ist.
In Übergangsbereichen (210) (21 in Fig. 1) erfolgt ein
Lagenwechsel zwischen Fasern unterschiedlicher
Orientierung. In diesen Bereichen, den sogenannten
Knotenstellen (210) reduzieren sich die Faserabstände
verschiedener Lagen, so daß die Bildung von
Porenkammern gewissermaßen gehindert wird. Es ist daher
zweckmäßig, möglichst viele Fasern gleichzeitig beim
Wickelprozeß zu führen, um die Knotenpunkte (21 bzw.
210) zu reduzieren.
Das Abgas (22) wird auf diese Weise durch das lockere
Geflecht unter zahlreichen Umlenkungen durchströmen und die
Partikeln zum Teil mit in das Innere des Filters (10)
mitreißen. Im Verlauf des Strömungsweges durch den Filter
(10) treffen die Partikeln nacheinander auf Fasern (11 bis
13) und lagern sich dort ab. Die Filtrierung erfolgt daher
hier nicht an der Oberfläche des Filters, sondern das
gesamte Volumen bzw. die Summe der Oberflächen der Fasern
(11 bis 13) bzw. der Elementarfäden (14) trägt zur
Filtrierung der Gaspartikeln bei.
Um die Ablagerung der Partikel möglichst homogen im gesamten
Filter (10) zu verteilen, muß für ein homogenes Netzwerk
der Fasern im gesamten Filtervolumen gesorgt werden. Nachdem
die Grundfasern (11 und 12) den wesentlichen Anteil der
Filterwirkung ausmachen, werden diese in einer symmetrischen
Form gewickelt, während die Hilfsfasern (13) innerhalb der
Lücken (15) gelegt werden.
Die Möglichkeiten, die Hilfsfasern (13) im Filter zu
integrieren, sind vielseitig. Diese können homogen im
Wickelkörper integriert sein oder auch verstärkt in einer
Filterebene oder an den Oberflächen des Filters angebracht
sein.
In Fig. 3 ist bei einem rohrförmigen Filter (101) eine
Ausführung gezeigt, bei der die Hilfsfasern (141) am
Innenumfang und am Außenumfang des Rohrkörpers angeordnet
sind, während der Innenbereich des Filterrohres (101) nur
Grundfasern (111, 121) enthält.
Die Hilfsfasern (141) sind gemäß Fig. 3 zu einem Netzwerk
(30) verarbeitet. In diesem Fall wirken die Hilfsfasern
außen als Filtermaterial und zur Versteifung des
Wickelkörpers auch zum Schutz und zur Verankerung der
Oberflächengrundfasern. Insbesondere bei spröden und sehr
dünnen Grundfasern (111, 121) können diese durch Hantierung
usw., insbesondere an der Oberfläche des Wickelkörpers
leicht reißen.
Die Umfangshilfsfasern (141), die auch gewickelt sein
können, stellen keine Barriere, sondern vielmehr ein
Filterteil dar. Bei Bedarf können zusätzlich Hilfsfasern
im Grundfaser-Wickelkörper vorgesehen werden, etwa in der
Art wie in Fig. 1 dargestellt.
Filter der hier beschriebenen Art sind richtungsunabhängig,
so daß ein einheitlicher Filter für beide
Gasströmungsrichtungen hergestellt werden kann. Beim
rohrförmigen Filter (101) ist die Filterwirkung
beispielsweise die gleiche, gleichgültig ob das Gas von
innen nach außen oder von außen nach innen des Filterrohres
(101) gerichtet wird.
Claims (11)
1. Partikelfilter für Abgase, bestehend aus einem
Wickelkörper aus temperaturbeständigen Fasern, dadurch
gekennzeichnet, daß der Filter (10, 11) aus Grundfasern
(11, 12, 110 bzw. 111, 121), die im wesentlichen für
die Filterwirkung verantwortlich sind, und aus
Hilfsfasern (13, 130 bzw. 131) besteht, die zur
Versteifung des Wickelkörpers dienen.
2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Grundfasern (11, 12) Rovings oder Garne aus Keramik,
Glas oder anderen hochtemperaturfesten Materialien sind.
3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Grundfasern (11, 12) aus mehreren Elementarfäden (14)
von unter 100 µm, vorzugsweise unter 10 µm Dicke bestehen.
4. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hilfsfasern (14, 140) aus
hochtemperaturfesten Metallen, insbesondere Stahldraht
bestehen.
5. Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hilfsfasern (14, 140) aus 0,1 bis 0,7 mm dickem
Stahldraht oder Draht aus einem anderen
hochtemperaturfesten Metall bestehen.
6. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Filterkörper (10) mit
Hilfsfasern (14) durchsetzt ist.
7. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß Hilfsfasern (131) sich im
wesentlichen an den Oberflächen des Filterkörpers (101)
befinden.
8. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hilfsfasern (131) zu einem Netzwerk (30) verstrickt
sind.
9. Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fasern (11 bis 13) im
Wickelkörper (10) in sich kreuzenden Lagen gewickelt
sind.
10. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Grundfasern (11, 12) im Filter (10) möglichst wenig
Verknotungen (21) aufweisen.
11. Filter nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Filter (10) durch loses Wickeln der Grundfasern
(11, 12) eine lockere Struktur hat.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863602154 DE3602154A1 (de) | 1986-01-24 | 1986-01-24 | Partikelfilter fuer abgase |
EP86116939A EP0230579A1 (de) | 1986-01-24 | 1986-12-05 | Partikelfilter für Abgase |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19863602154 DE3602154A1 (de) | 1986-01-24 | 1986-01-24 | Partikelfilter fuer abgase |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3602154A1 true DE3602154A1 (de) | 1987-07-30 |
Family
ID=6292561
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863602154 Withdrawn DE3602154A1 (de) | 1986-01-24 | 1986-01-24 | Partikelfilter fuer abgase |
Country Status (1)
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