DE4106742A1 - Mikrofilter - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf verschiedene Verfahren
zur Herstellung eines Filters und nach diesen Verfahren
hergestellte Filter, die sich insbesondere durch Mikroporen
auszeichnen, deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist.
Es ist allgemein bekannt, daß der Verschmutzungsgrad
von Öl zu Schmierzwecken einen erheblichen Einfluß auf die
Lebensdauer von Maschinenelementen, wie z. B. Wälzlagern,
hat. Im Zusammenhang mit der Untersuchung der Lebensdauer
von Wälzlagern wurde herausgefunden, daß die
Lebensdauerfaktoren einer starken Abhängigkeit von der
Feinheit der Filter unterliegen, die zur Reinigung des Öles
eingesetzt werden. Aus den schematischen Darstellungen
entsprechend den Fig. 1 und 2 läßt sich der prinzipielle
Zusammenhang von Lebensdauerfaktoren (Fig. 1) und
Verschmutzungsgradienten (Fig. 2) der Filter in Abhängigkeit
von der Filterfeinheit ablesen. Lebensdauerfaktoren von 10
bis 13 lassen sich demnach nur erreichen, wenn die
Filterfeinheit unter dem Wert von ca. 5 µm liegt. Bei einer
Filterfeinheit von 8 µm ist dieser Wert schon auf den
Faktor 6 abgesunken. Oberhalb eines Wertes der
Filterfeinheit von 10 µm sinken die Lebensdauerfaktoren
nochmals auf Werte bis zu Faktor 2 ab (40 µm). Aus Fig. 2
wird ersichtlich, daß der Verschmutzungsgrad eines Filters
über der Zeit mit abnehmender Filterfeinheit zunimmt.
Während ein Filter mit einer Porenweite von 3 µm eine hohe
Standzeit aufweist, zeigen Filter mit größerer Porenweite
eine deutliche Tendenz zu höherer Verschmutzung.
Zur Erzielung von Mikrostrukturen sind bereits
verschiedene Vorschläge gemacht worden. Zur Herstellung von
Mikrostrukturen mit extremer Strukturhöhe und großem
Aspektverhältnis ist ein Verfahren (LIGA-Verfahren)
bekanntgeworden, bei dem durch Röntgenlithographie mit
Synchrotronstrahlung eine sogenannte Resiststruktur im
Kunststoff (z. B. Polymethylmethacrylat, PMMA) erzeugt wird
(DE 29 22 642 B1). Die erzeugte Resiststruktur wird
galvanisch mit einem Metall ausgefüllt. Die Resiststrukturen
werden entfernt, so daß ein Formeinsatz mit Formhohlräumen
entsteht. Diese Formeinsätze bilden stabile Mikroformen für
eine vielfache Herstellung von Kunststoffstrukturen durch
Abformung mit Gießharzen. Für den Fall, daß das Endprodukt
aus einer metallischen Mikrostruktur bestehen soll, stellen
die Kunststoffstrukturen lediglich ein Zwischenerzeugnis dar.
Durch eine weitere Galvanoformung und dem Herauslösen der
Kunststoffstruktur und nachfolgender Endbearbeitung erhält
man ein Verfahrenserzeugnis, das aus einer Metallplatte mit
Mikrostrukturen besteht. Derartige Mikrostrukturen aus
Kunststoff bzw. Metall können als Filter für verschiedene
Zwecke eingesetzt werden (W. Ehrfeld et al, Microfabrication
of Membranes with extreme Porosity and Uniform Pore Size,
Journal of Membrane Science, 36 (1988), 67-77).
Bei einem weiteren bekannten Verfahren (DE 37 04 546 C2)
wird eine Form für die Membran und eine Stützstruktur
hergestellt. Die Membran und die Stützstruktur
integrales Bauteil. Nach dem Befüllen und Ausformen werden
die Poren in der Membran durch partielles Durchstrahlen der
Membran und durch Entfernen der Bereiche mit einer erhöhten
Löslichkeit hergestellt. Hierzu wird ebenfalls ein Positiv-
Resistmaterial (PMMA) verwendet. Das partielle Durchstrahlen
erfolgt mit Röntgenstrahlung.
Mit den bekannten Verfahren lassen sich Filter
herstellen, bei denen die Verteilung und die
Querschnittsform der Poren der mikroporösen Membranen sehr
genau und ohne statistische Schwankungen nach einer frei
wählbaren Vorgabe bei einer sehr hohen Transparenz
vorgenommen bzw. gestaltet werden können. Diesen Vorteilen
steht vor allem der Nachteil gegenüber, daß die kleinste
Porenweite bei bisher praktisch ausgeführten
Filtermembranen bei 10 µm liegt. Die bisher erreichten,
größten Bearbeitungstiefen betragen etwa 0,6 mm.
Die vorliegende Erfindung geht von den Erkenntnissen
aus den eingangs geschilderten Gesetzmäßigkeiten zwischen
den Lebensdauerfaktoren und unterschiedlichen
Filterfeinheiten aus. Die ihr zugrunde liegende Aufgabe
besteht darin, geeignete Verfahren zur Herstellung von
Filtern und nach diesen Verfahren hergestellte Filter
bereitzustellen, die sich durch eine große Filterfeinheit
auszeichnen. Die Kosten für die Herstellung derartiger
Filter sollen nicht mit der zunehmenden Filterfeinheit
gleichermaßen ansteigen. Um die Eigenstabilität eines
Filters zu erhöhen, soll die Dicke der mikroporösen Schicht
erhöht werden.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Filters, bei
dem zunächst eine Membran aus einem durch energiereiche
Strahlung in seiner Löslichkeit veränderbaren Material
hergestellt wird und wobei anschließend ein partielles
Durchstrahlen der Membran mit energiereicher Strahlung
erfolgt und die durchstrahlten, eine erhöhte Löslichkeit
aufweisenden Bereiche unter Bildung von Mikroporen, deren
Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, entfernt werden,
wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch
gelöst, daß zwei Membranen aufeinandergelegt und bei
gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Mikroporen zu einem
Filter zusammengefügt werden, dessen wirksamer
Porenquerschnitt geringer als der Querschnitt der Mikroporen
der einzelnen Membranen ist. Mit der erfindungsgemäßen
Lösung werden im wesentlichen zwei entscheidende Vorteile
erzielt: Einerseits kann die Weite der Mikroporen einer
einzelnen Membran relativ groß sein. Dennoch entsteht durch
das vorgeschlagene Zusammenführen zweier Membranen ein
Filter, der sich durch eine Porenweite auszeichnet, die
weitaus geringer sein kann als die Weite der Mikroporen
jeder einzelnen Membran. Ganz entscheidend ist in diesem
Zusammenhang, daß die Absenkung der Porenweite des Filters
überraschenderweise nicht mit einem Anstieg der
Herstellungskosten verbunden ist. Ein überproportionaler Anstieg
der Herstellungskosten müßte aber in Kauf genommen werden, wenn
man - wie bisher - versuchen würde, mit nur einer Membran
auszukommen, um die Weite ihrer Mikroporen zu verringern.
Andererseits bringt die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Lösung den weiteren Vorteil mit sich, daß die
Eigenstabilität des Filters erhöht wird. Geht man z. B. von
einer Dicke einer Einzelmembran von ca. 0,2 mm aus, ergibt
sich eine Dicke eines kompletten Filters, die bei ca. 0,4 mm
liegt. Der Filter weist eine dementsprechend große
Eigenstabilität auf. Eine gesonderte Stützkonstruktion ist
daher nur in besonderen Ausnahmefällen erwünscht bzw.
erforderlich. Der gegenseitige Versatz der Mikroporen kann
entweder dadurch zustande kommen, daß gleiche Membranen
seitlich versetzt aufeinandergelegt werden oder daß
Membranen verwendet werden, die - bei äußerlich gleichen
Abmessungen - durch die Anordnung der Mikroporen voneinander
abweichen, bei denen also der seitliche Versatz der
Mikroporen bereits bei der Herstellung der Membran
mitberücksichtigt ist.
Bei einem nach dem vorstehend geschilderten Verfahren
hergestellten Filter, der so beschaffen ist, daß jede
Membran zusammen mit einer Stützstruktur und vorgebbarer
Geometrie ein integrales Bauteil bildet und die
Stützstrukturen Träger der Membranen bilden, ist es
besonders vorteilhaft, daß die Stützstrukturen zweier
Membranen ineinandergreifen, so daß die Membranen unter
gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Mikroporen aufeinanderliegen.
Die Stützstruktur erfüllt hierbei eine Doppelfunktion. Die
Stabilität des Filters wird erhöht und zusätzlich werden die
Membranen unter seitlichem Versatz ihrer Mikroporen
lagefixiert.
Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines
Filters, bei dem auf röntgenlithographischem Weg ein
Formeinsatz mit Formhohlräumen hergestellt wird und bei dem
durch Füllen mit Formmasse eine Membran mit Mikroporen,
deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, erzeugt
wird, besteht eine weitere erfindungsgemäße Lösung der
gestellten Aufgabe darin, daß zwei Formeinsätze mit
gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Formhohlräume zu
einer Form zusammengesetzt werden. Die zusammengesetzte
Form wird mit Formmasse gefüllt, so daß zwei Membranen unter
gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Mikroporen zu einem
Filter zusammengefügt werden. Dieser wird anschließend
entformt. Der wirksame Porenquerschnitt des Filters ist
geringer als der Querschnitt der Mikroporen der einzelnen
(fest zusammengefügten) Membranen. Als Formmasse kann ein
Gießharz auf Methacrylatbasis verwendet werden. Ein nach
diesem Verfahren hergestellter Filter zeichnet sich
ebenfalls durch eine geringe Porenweite bei großer
Eigenstabilität aus. Dieses weitere Verfahren nach der
Erfindung ist besonders für die Massenherstellung von
Filtern geeignet.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der gestellten
Aufgabe wird im Zusammenhang mit einem Verfahren
vorgeschlagen, das auf die Erzeugung einer metallischen
Filtermembran gerichtet ist. Bei diesem Verfahren zur
Herstellung eines Filters wird auf röntgenlithographischem
Weg ein Formeinsatz mit Formhohlräumen hergestellt. Dieser
wird mit Formmasse gefüllt. Nach dem Entformen und einer
nachfolgenden Galvanoformung entsteht eine metallische
Membran mit Mikroporen, deren Verteilung und Querschnitt
vorgegeben ist. Im Zusammenhang mit diesem Verfahren wird
erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zwei Membranen
aufeinandergelegt und unter gegenseitigem seitlichen Versatz
ihrer Mikroporen zu einem Filter zusammengefügt werden,
dessen wirksamer Porenquerschnitt geringer als der
Querschnitt der Mikroporen der einzelnen Membranen ist.
Diese erfindungsgemäße Lösung gelangt dann zur Anwendung,
wenn das Endprodukt aus einem metallischen Filter besteht.
Auch dieser Filter zeichnet sich durch seine geringe
Porenweite aus und verfügt über eine Eigenstabilität, die
naturgemäß über der eines Kunststoffilters liegt. Ein
metallischer Filter hat ferner den Vorteil, daß er in einem
weiten Temperaturbereich und in sehr unterschiedlichen
Medien eingesetzt werden kann.
Während bei dem vorstehend geschilderten Verfahren zwei
metallische Membranen zu einem Filter zusammengefügt werden,
befaßt sich eine weitere erfindungsgemäße Lösung mit der
Herstellung eines einstückigen metallischen Filters.
Ausgangspunkt ist ein Verfahren zur Herstellung eines
Filters, bei dem auf röntgenlithographischem Wege ein
Formeinsatz mit Formhohlräumen hergestellt wird. Durch
Füllen mit Formmasse, Entformen und nachfolgender
Galvanoformung wird eine metallische Membran mit Mikroporen,
deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, erzeugt.
Bei diesem Verfahren werden erfindungsgemäß zwei
Formeinsätze mit gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer
Formhohlräume zu einer Form zusammengesetzt. Diese wird mit
Formmasse gefüllt. Nach der Entformung wird die erhaltene
Kunststoffstruktur galvanisch in eine Metallplatte
eingebettet. Die Kunststoffstruktur wird sodann aus dieser
Metallplatte durch geeignete Verfahren herausgelöst. Das mit
diesem Verfahren gewonnene Erzeugnis besteht aus einem
einstückigen, metallischen Filter, dessen Porenweite gering
ist. Stellt man sich, was nicht zutrifft, den Filter aus
zwei Einzelmembranen zusammengefügt vor, beträgt die
Porenweite lediglich einen Bruchteil der Porenweite jeder
(einzelnen) Membran.
Weitere, für die Erfindung wesentlichen Merkmale und die
daraus resultierenden Vorteile sind der nachfolgenden
Beschreibung mehrerer erfindungsgemäßer Verfahren zur
Herstellung eines Filters sowie die hiernach gewonnenen
Filter anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 3 und 4 einzelne Membranen;
Fig. 5 ein aus den Membranen nach den Fig. 3 und 4
zusammengesetzter Filter;
Fig. 6 und 7 weitere Membranen;
Fig. 8 ein aus den Membranen nach den Fig. 6 und 7
zusammengefügter Filter;
Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Filters;
Fig. 10 und 11 einzelne Membranen, die mit einer
Stützstruktur ein integrales Bauteil bilden;
Fig. 12 ein aus den Membranen nach den Fig. 10 und 11
zusammengesetzter Filter;
Fig. 13a bis 13d Verfahrensschritte zur Herstellung eines
Formeinsatzes und
Fig. 14a bis 14d Verfahrensschritte zur Herstellung eines
weiteren Formeinsatzes;
Fig. 15 eine aus zwei Formeinsätzen gebildete Form;
Fig. 16 die Form nach Fig. 15 bei ihrer Füllung mit
Formmasse;
Fig. 17 eine Kunststoffstruktur und
Fig. 18 eine von der Kunststoffstruktur nach Fig. 17
abgeleitete Metallplatte;
Fig. 19 bis 28 verschiedene Filterformen;
Fig. 29 und 30 zwei Ausführungsbeispiele eines Mikrofilters
mit Schwingungsgenerator für die Luftfahrt-,
Maschinenbau- und Automobilindustrie.
In Fig. 3 ist eine Membran 1 in stark vereinfachter
Darstellung in Draufsicht wiedergegeben. Die Membran 1 hat
eine Dicke von ca. 0,6 mm. Sie besteht aus Kunststoff, z. B.
einem Gießharz auf Methacrylatbasis, oder einem Metall,
z. B. Nickel. Die Membran 1 ist von Mikroporen 2 durchsetzt,
deren Verteilung und Querschnitt exakt vorgegeben ist. Die
Poren 2 weisen im vorliegenden Fall einen quadratischen
Querschnitt auf. Die Porenweite 3 der mikroporösen Membran
beträgt im vorliegenden Fall etwa 10 µm. Der gegenseitige
Abstand 4 (Stegbreite) der Mikroporen 2 voneinander liegt
bei ca. 5 µm.
Die Fig. 4 zeigt in ebenfalls stark vereinfachter
Abbildung eine zweite Membran 5, die gleichfalls von
Mikroporen 6 durchsetzt ist. Die Verteilung und der
Querschnitt dieser Mikroporen 6 entspricht prinzipiell
derjenigen der Mikroporen 2 der Membran 1. Die Membran 5
unterscheidet sich von der Membran 1 in einem wesentlichen
Merkmal: Die Mikroporen 6 der Membran 5 weisen gegenüber
den Mikroporen 2 der Membran 1 - zumindest in einer
Richtung - einen seitlichen Versatz auf.
Die Fig. 5 gibt einen Filter 7 in schematischer
Draufsicht wieder, der durch das Aufeinanderlegen der
Membranen 1 und 5 gebildet wurde. Im vorliegenden Fall
bildet die Membran 5 die Unterlage, während die Membran 1
oben aufliegt. Durch den seitlichen Versatz 8 der
Mikroporen 2 der Membran 1 gegenüber den Mikroporen 6 der
Membran 5 in beiden Richtungen (in der Zeichnung sind die
Mikroporen 6 gegenüber den Mikroporen 2 nach unten und
rechts versetzt) stellt sich ein wirksamer
Porenquerschnitt 9 des Filters 7 ein, der geringer als der
Querschnitt der Mikroporen 2 und 6 der einzelnen
Membranen 1 und 5 ist. Der wirksame Porenquerschnitt 9 ist
in Fig. 5 durch Schraffierung besonders vorgehoben. Der
Filter 7 hat eine Gesamtdicke von ca. 1,2 mm. Die
Porenweite 10 des Filters 7 liegt beispielsweise bei
ca. 3 µm. Für das Zusammenfügen der aufeinanderliegenden
Membranen 1 und 5, die den Filter bilden, stehen dem
Fachmann mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Es ist
möglich, die Membranen 1 und 5 durch gesonderte Klammern
zusammenzuhalten. Die Membranen 1 und 5 können aber auch in
einem gesonderten, rahmenförmigen Halter eingespannt sein.
Eine Verbindung kann beispielsweise auch über verteilt
angeordnete, punktförmige Klebestellen erfolgen. Ferner ist
ein Verschweißen der Membranen 1 und 5 möglich. In jedem
Fall ist sicherzustellen, daß die Membranen 1 und 5 mit
Kontakt aufeinanderliegen und so miteinander verbunden sind,
daß eine Verschiebung der Mikroporen 2 und 6 der Membranen 1
und 5 ausgeschlossen ist.
Während die Mikroporen 2 und 6 des Filters 7 einen
quadratischen Querschnitt aufweisen, haben die in den
Fig. 6 und 7 in Draufsicht schematisch abgebildeten
Membranen 11 und 12 Mikroporen mit sechseckigem Querschnitt.
Durch Aufeinanderlegen der Membranen 11 und 12 entsteht
ein Filter 15, dessen wirksamer Porenquerschnitt 16 etwa
rautenförmig ist (Fig. 8).
Der in Fig. 9 schematisch in Draufsicht wiedergegebene
Filter 17 ist ebenfalls durch Aufeinanderlegen zweier
Membranen 18 und 19 gebildet. Am Beispiel dieses Filters 17
wird deutlich, daß die Verteilung und der Querschnitt der
Mikroporen 2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29, 51, 52 auf
einfachen geometrischen Mustern beruhen kann. Die
Mikroporen 20 und 21 sind kreisrunde Öffnungen mit einem
Durchmesser von ca. 10 µm. Die verbleibenden freien
Porenquerschnitte, die den wirksamen Porenquerschnitt 22
bilden, sind etwa linsenförmig ausgebildet. Es ist ohne
weiteres ersichtlich, daß durch Variation der Porenweite der
Mikroporen 20 und/oder 21 sowie des gegenseitigen seitlichen
Versatzes der wirksame Porenquerschnitt 22 des Filters 17
sehr einfach und wirkungsvoll verändert werden kann. Das
vorstehend gesagte gilt selbstverständlich auch für die
Filter 7 und 15.
In Fig. 10 ist in schematischer Darstellung eine
Membran 24 im Längsschnitt dargestellt. Die Membran 24
bildet zusammen mit einer Stützstruktur in Form von
Stegen 25 ein integrales Bauteil. Die Membran 24 weist
Mikroporen 26 auf, die z. B. quadratischen oder kreisrunden
Querschnitt haben können. Auch hier ist die Verteilung und
der Querschnitt der Mikroporen 26 vorgegeben.
Die Fig. 11 zeigt eine Membran 27, die, analog zur
Ausbildung der Membran 24, ebenfalls eine Stützstruktur in
Form von Stegen 28 aufweist. Die Membran 27 ist mit
Mikroporen 29 durchsetzt, deren Verteilung und deren
Querschnitt mit der Anordnung und Ausbildung der
Mikroporen 26 der Membran 24 übereinstimmt. In die
Oberfläche der Membran 27 sind längsgerichtete Nuten 30
eingearbeitet. Die Nuten 30 sind so angeordnet und bemessen,
daß die Stege 25 der Membran 24 in Eingriff gebracht werden
können. Die Mikroporen 26 der Membran 24 weisen gegenüber
den Mikroporen 29 der Membran 27 einen seitlichen Versatz 31
auf.
Die Fig. 12 zeigt in schematischem Längsschnitt einen
Filter 32, der durch Aufeinanderlegen der Membranen 24
und 27 bei gegenseitigem seitlichen Versatz 31 ihrer
Mikroporen 26 und 29 zusammengefügt wurde. Aus der Abbildung
ist ersichtlich, daß die Stege 25 (Stützstrukturen) in die
Nuten 30 der Membran 27 eingreifen. Durch das
Ineinandergreifen der Stützstrukturen beider Membranen 24,
27 wird eine sichere Verbindung zwischen den Membranen
hergestellt. Gleichzeitig wird die Lage der Mikroporen 26
zur Position der Mikroporen 29 fixiert. Dies ist darauf
zurückzuführen, daß die Verteilung und der Querschnitt der
Mikroporen 26 und 29 untereinander sowie ihre räumliche
Zuordnung zu den Stegen 25 bzw. 28 und den Nuten 30 fest
vorgegeben ist. Zur sicheren Verbindung der Membranen 24
und 27 können die Stege 25 relativ festsitzend in die
Nuten 30 eingeführt werden. Es ist jedoch auch möglich,
diese Verbindung unter Zuhilfenahme eines Klebemittels zu
bewerkstelligen.
Bei der Fertigung der Membranen 24 und 27 wird zunächst
eine Form für die Membran und die integrierte Stützstruktur
hergestellt. Nach dem Befüllen der Form mit einem geeigneten
Kunststoff und dem Ausformen werden die Mikroporen 26 und 29
durch partielles Durchstrahlen der Membranen mit
energiereicher Strahlung (Röntgenstrahlen) und durch
Entfernen der bestrahlten Bereiche, die eine erhöhte
Löslichkeit aufweisen, hergestellt.
Die Membranen 1 und 5, 11 und 12 und 18 und 19 sind
nach dem sogenannten LIGA-Verfahren hergestellt. Zur
Erläuterung einzelner Verfahrensschritte wird nachfolgend
auf die Fig. 13a bis 13d verwiesen. Zunächst wird ein auf
einer Grundplatte 91 aufgebrachter Kunststoff 33 (Resist)
einer Synchrotronstrahlung, die eine Maskenmembran 35 mit
einer Absorberstruktur 36 durchläuft, ausgesetzt. Nach dem
Herauslösen der bestrahlten Bereiche bleibt auf der
Grundplatte 91 eine Resiststruktur 37 stehen (Fig. 13b). Die
Resiststruktur 37 wird galvanisch von Metall 38 überzogen.
Nach Entfernen der Grundplatte 91 und dem Herauslösen der
Resiststruktur 37 bleibt ein Formeinsatz mit
Formhohlräumen 40 übrig (Fig. 13d). Zur Herstellung eines
Filters werden die vorstehend erläuterten Verfahrensschritte
(Fig. 13a bis 13d) um gleiche Verfahrensschritte (Fig. 14a)
bis 14d) ergänzt. Diese ergänzenden Verfahrensschritte
dienen der Herstellung eines zweiten Formeinsatzes 41 mit
Formhohlräumen 42. Die Formhohlräume 42 weisen gegenüber den
Formhohlräumen 40 einen seitlichen Versatz 43 auf. Die zwei
Formeinsätze 39 und 41 werden, wie dies aus Fig. 15
schematisch ersichtlich ist, mit gegenseitigem seitlichen
Versatz 43 ihrer Formhohlräume 40 und 42 zu einer Form 44
zusammengesetzt. Die Form 44 wird im nächsten
Verfahrensschritt mit Formmasse, z. B. einem Gießharz,
gefüllt. Eine Angießplatte 45 mit mehreren
Angießbohrungen 46 dient der Formfüllung. Nach dem Entformen
liegt eine Kunststoffstruktur 47 vor, bei der es sich
bereits um das Endprodukt, d. h. einen Filter 48, handeln
kann. Dieser Filter 48 ist ein Kunststoffprodukt, das man
sich prinzipiell als aus zwei Membranen (mit Formmasse
gefüllte Formhohlräume 40 und 42) - einstückiges -
zusammengefügtes Bauteil vorstellen kann. Durch den
gegenseitigen seitlichen Versatz der Formhohlräume 40 und 42
weist der Filter 48 Mikroporen auf, die zwangsläufig
zueinander seitlich versetzt liegen. Der wirksame
Porenquerschnitt des Filters 48 ist daher geringer als der
Querschnitt der Mikroporen (das sind die in der
Kunststoffstruktur verbliebenen Hohlräume) der einzelnen
Membranen (mit Formmasse gefüllte Formhohlräume 40 und 42).
Für den Fall, daß das Endprodukt aus einem Filter 49
aus Metall bestehen soll, ist es erforderlich, die
Kunststoffstruktur 47 galvanisch in Metall einzubetten. Der
Filter 49 besteht aus einer einstückigen Metallplatte 50 mit
Mikroporen 51 und 52, die zueinander seitlich versetzt
liegend angeordnet sind und die - gesehen in
Durchflußrichtung - eine Tiefe aufweisen, die jeweils bis
zur Mitte der Metallplatte 50 reicht. Ergänzend sei vermerkt,
daß im Falle eines metallischen Filters 49, wie er in
Fig. 18 schematisch im Längsschnitt wiedergegeben ist, die
Kunststoffstruktur 47 (Fig. 17) lediglich ein
Zwischenprodukt darstellt. Die Kunststoffstruktur 47 wird
nach erfolgter Galvanoformung aus der Metallplatte 50 z. B.
auf chemischem Wege herausgelöst.
Mit den erfindungsgemäßen Filtern läßt sich eine
Vielfalt von Filterformen verwirklichen. Die möglichen
Außenabmessungen (z. B. kreisrund oder quadratisch) der
Filter können in einem Bereich von kleiner 1 mm bis zu
100 mm betragen. Ebenso groß ist der Bereich der möglichen
Dicken der Filter. Die kleinste Dicke kann im Mikrometer-
Bereich liegen, während die maximale Dicke bei ca. 1 mm
liegen kann. Die Wandstärken der Filter-Zwischenstege können
von einem Minimalwert von ca. 5 µm bis zu einer beliebig
großen Abmessung reichen. Das Material, aus dem die Filter
hergestellt werden, kann in weiten Bereichen temperatur- und
mediumunabhängig sein. Es lassen sich sehr hohe bis
praktisch unbegrenzte Stand- und Betriebszeiten erreichen.
Filter mit den Merkmalen nach der Erfindung sind einfach zu
reinigen. Die Reinigung kann automatisch durch Einwirkung
von Ultraschall, durch Rütteln, durch Magnetismus, durch
Gleichstrom oder durch Rückspülen erfolgen. Derartige Filter
haben ein geringes Volumen, arbeiten bei einem geringen
Gegendruck und haben eine große Eigenstabilität.
Den Fig. 19 bis 28 sind Beispiele für eine Vielfalt
möglicher Formgebungen zu entnehmen. Erfindungsgemäße Filter
können beispielsweise die Form eines scheibenförmigen
Doppelkegels 53 (Fig. 19) haben. Von dieser Grundform
abgeleitet ist ein Filter, der aus parallel geschalteten
Doppelkegeln 53 besteht, wie er in Fig. 27 schematisch
wiedergegeben ist. Beide Filterformen weisen eine große
Elastizität in Längsrichtung auf, so daß eine Reinigung
durch Rütteln sehr wirksam möglich ist. Geometrisch einfache
Grundformen sind den Fig. 21, 22, 25 und 26 zu entnehmen.
Die erfindungsgemäßen Filter können die Form eines
Zylinders 54, einer Platine 55, eines mehrschichtigen
Zylinders 56 oder eines mehrschichtigen Kegelstumpfes 57
haben. Die Grundform des in Fig. 23 abgebildeten Filters
besteht aus einer konzentrisch gewellten Platine 58. Die in
Fig. 28 skizzierte Zick-Zack-Form 59 eines Filters ist mit
der Ausbildung nach Fig. 23 vergleichbar. Beide Filterformen
zeichnen sich durch eine große Filteroberfläche aus. In
Längsrichtung weisen diese Filterformen eine große
Elastizität auf, so daß auch hier ein effektives Reinigen,
beispielsweise durch Rütteln, möglich ist. Auch die
Formgestaltungen, die den Filtern nach den Fig. 20 und 24
zugrunde liegen, sind miteinander verwandt. Die Form des
Filters nach Fig. 20 entspricht einem Spitzkegel 60, während
der Filter nach Fig. 24 die Form eines abgerundeten
Kegelstumpfes 61 aufweist.
Ein praktisch ausgeführter Filter, bei dessen
Realisierung von der geometrischen Grundform eines
scheibenförmigen Doppelkegels 53 (Fig. 19) bzw. von parallel
geschalteten Doppelkegeln (Fig. 27) Gebrauch gemacht wird,
ist der vereinfachten Darstellung entsprechend Fig. 29 zu
entnehmen.
Die Abbildung zeigt einen zweistufigen Mikrofilter, der
in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 62 gekennzeichnet
ist. Die Abbildung gibt den Mikrofilter 62 im Querschnitt
wieder. Er besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen
Filtergehäuse 63, das an seiner Oberseite mit einem
Deckel 64 verschlossen ist. Der Deckel 64 ist, gesehen in
Draufsicht, etwa kreisrund. Ein Eingang 65 mündet, etwa
tangential gerichtet, in das Innere des Deckels 64 bzw. des
Filtergehäuses 63. Durch den Eingang 65 strömt Schmieröl.
Das Schmieröl durchströmt in einer rotierenden Bewegung
einen Ringkanal 66, der durch das Filtergehäuse 63 und ein
topfförmiges Zwischengehäuse 67 gebildet wird.
Der Deckel 64 ist mit einem Entlüftungskanal 68
versehen. Etwa auf der Höhe des unteren Endes des
Zwischengehäuses 67 ist in ein Auge 69 des Filtergehäuses 63
ein Permanentmagnet 70 eingeschraubt. Der Permanentmagnet
dient der Sammlung von groben Partikeln. Im Innenraum des
topfförmigen Zwischengehäuses, das nach unten geöffnet ist,
befindet sich ein Feinstfilter 71, der aus erfindungsgemäßen
Membranen in Form von parallel geschalteten Doppelkegeln 53
zusammengesetzt ist. Das obenliegende Ende 72 des
Feinstfilters 71 ist über einen Schwingungsgenerator 73 am
topfförmigen Zwischengehäuse 67 befestigt. Das untere
Ende 74 des Feinstfilters 71 mündet in einen Ausgang 75.
Durch den Schwingungsgenerator 73 wird den Membranen des
Feinstfilters 71 eine oszillierende Bewegung mit hoher
Frequenz aufgezwungen. Das in das Zwischengehäuse 67
einströmende Schmieröl passiert die Membranen des
Feinstfilters 71 und gelangt, von feinsten Schmutzpartikeln
gereinigt, zum Ausgang 75. Die oszillierende Bewegung der
Membranen des Feinstfilters 71 bewirkt, daß sich keine
Schmutzpartikel in den Mikroporen festsetzen können. Die
ständig in Bewegung gehaltenen Schmutzpartikel sinken
innerhalb des Zwischengehäuses 67 nach unten und gelangen in
einen kegelförmigen Sinkbereich 76 des Filtergehäuses 63.
Der Sinkbereich 76 endet in einem ringförmigen Sinkspalt für
die Mikropartikel. Über den ringförmigen Sinkspalt 77
gelangen die Mikropartikel in einen entleerbaren
Sinkbehälter 78. Dieser Sinkbehälter ist in einen
untenliegenden Stutzen 79 des Filtergehäuses 63
eingeschraubt und kann zur Entleerung entfernt werden. Beim
Entfernen des Sinkbehälters 78 wird die entstehende Öffnung
durch einen federbelasteten Kolben 80 verschlossen.
Der dargestellte und beschriebene Mikrofilter 62 mit
dem Schwingungsgenerator 73 und dem Feinstfilter 71 ist
insbesondere für die Reinigung von Schmieröl in der
Antriebstechnik vorgesehen. Als mögliche Anwendungsgebiete
kommen insbesondere Erzeugnisse der Luftfahrtindustrie, des
Maschinenbaus und der Automobilindustrie in Frage. Die
Anwendung ist jedoch keinesfalls auf diese technischen
Gebiete sowie das Fluid Schmieröl beschränkt. Es ist ferner
eine große Vielzahl konstruktiver Ausgestaltungen des
Mikrofilters 62 möglich, was allein aus der
Variationsvielfalt möglicher Filterformen (vgl. die
Beispiele nach den Fig. 19 bis 28) resultiert.
Die Fig. 30 zeigt in schematischer Darstellung im
Querschnitt eine weitere Möglichkeit der konstruktiven
Gestaltung eines Feinstfilters 81. Die hierbei verwendeten
Membranen 82 haben die Form von Ringen. Jeweils ein
außenliegender Ring 83 faßt zwei Membranen 82 paarweise
zusammen und übernimmt hierbei zusätzlich die Funktion eines
Abstandhalters. Mit ihren Innendurchmessern 84 sind die
Membranen 82 an einer zylindrischen Hülse 85 befestigt. Die
Hülse 85 ist mit einer Vielzahl von Bohrungen 86 versehen,
die jeweils in den Raum zwischen zwei paarweise angeordneten
Membranen 82 münden. Das zu reinigende Schmieröl dringt
durch die Membranen 82 und läuft über die Bohrungen 86 in
einen Innenraum 87 der Hülse 85. Von ihr aus gelangt es zum
selbst nicht dargestellten Ausgang 75. Am oberen und unteren
Ende der Hülse 85 sind Lenker 88 und 89 angelenkt. Die
Lenker 88 und 89 sind Bestandteil eines selbst nicht
abgebildeten Schwingantriebs, der dem Feinstfilter 81 in
seiner Gesamtheit eine schwingende Bewegung aufzwingt, die
im wesentlichen in Richtung des eingezeichneten
Doppelpfeils 90 verläuft. Die Vorteile dieser Anordnung sind
ohne weiteres zu ersehen. Die Mikropartikel werden zunächst
daran gehindert, sich an den Membranen 82 festzusetzen. Nach
Art eines Schwingförderers wird den Mikropartikeln eine
Förderbewegung aufgezwungen, die dazu führt, daß sich die
Mikropartikel schlußendlich in einer vorgegebenen Region
sammeln. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies der
Bereich, der sich an das linke untere Ende des
Feinstfilters 81 anschließt. Dies ist somit etwa die Zone,
in die der Doppelpfeil 90 eingezeichnet ist. In diesem
Bereich ist zweckmäßigerweise der entleerbare
Sinkbehälter 78 - analog zur Anordnung beim
Ausführungsbeispiel nach Fig. 29 - anzuordnen. Auch der
vorstehend beschriebene Feinstfilter zeichnet sich, da er
durch eine Rüttelbewegung von Mikropartikeln freigehalten
wird, durch eine sehr hohe Betriebszeit aus.
Bezugszeichen:
1 Membran
2 Mikroporen
3 Porenweite
4 Abstand
5 Membran
6 Mikroporen
7 Filter
8 Versatz
9 Porenquerschnitt
10 Porenweite
11 Membran
12 Membran
13 Mikroporen
14 Mikroporen
15 Filter
16 Porenquerschnitt
17 Filter
18 Membran
19 Membran
20 Mikroporen
21 Mikroporen
22 Porenquerschnitt
23 Membran
24 Membran
25 Stege
26 Mikroporen
27 Membran
28 Stege
29 Mikroporen
30 Nuten
31 Versatz
32 Filter
33 Kunststoff
34 Synchrotronstrahlung
35 Maskenmembran
36 Absorberstruktur
37 Restiststruktur
38 Metall
39 Formeinsatz
40 Formhohlräume
41 Formeinsatz
42 Formhohlräume
43 Versatz
44 Form
45 Angießplatte
46 Angießbohrung
47 Kunststoffstruktur
48 Filter
49 Filter
50 Metallplatte
51 Mikroporen
52 Mikroporen
53 Doppelkegel
54 Zylinder
55 Platine
56 Zylinder
57 Kegelstumpf
58 gewellte Platine
59 Zick-Zack-Form
60 Spitzkegel
61 abgeänderter Kegelstumpf
62 Mikrofilter
63 Filtergehäuse
64 Deckel
65 Eingang
66 Ringkanal
67 Zwischengehäuse
68 Entlüftungskanal
69 Auge
70 Permanentmagnet
71 Feinstfilter
72 oberes Ende
73 Schwingungsgenerator
74 unteres Ende
75 Ausgang
76 Sinkbereich
77 Sinkspalt
78 Sinkbehälter
79 Stutzen
80 Kolben
81 Feinstfilter
82 Membran
83 Ring
84 Innendurchmesser
85 Hülse
86 Bohrungen
87 Innenraum
88 Lenker
89 Lenker
90 Doppelpfeil
91 Grundplatte
2 Mikroporen
3 Porenweite
4 Abstand
5 Membran
6 Mikroporen
7 Filter
8 Versatz
9 Porenquerschnitt
10 Porenweite
11 Membran
12 Membran
13 Mikroporen
14 Mikroporen
15 Filter
16 Porenquerschnitt
17 Filter
18 Membran
19 Membran
20 Mikroporen
21 Mikroporen
22 Porenquerschnitt
23 Membran
24 Membran
25 Stege
26 Mikroporen
27 Membran
28 Stege
29 Mikroporen
30 Nuten
31 Versatz
32 Filter
33 Kunststoff
34 Synchrotronstrahlung
35 Maskenmembran
36 Absorberstruktur
37 Restiststruktur
38 Metall
39 Formeinsatz
40 Formhohlräume
41 Formeinsatz
42 Formhohlräume
43 Versatz
44 Form
45 Angießplatte
46 Angießbohrung
47 Kunststoffstruktur
48 Filter
49 Filter
50 Metallplatte
51 Mikroporen
52 Mikroporen
53 Doppelkegel
54 Zylinder
55 Platine
56 Zylinder
57 Kegelstumpf
58 gewellte Platine
59 Zick-Zack-Form
60 Spitzkegel
61 abgeänderter Kegelstumpf
62 Mikrofilter
63 Filtergehäuse
64 Deckel
65 Eingang
66 Ringkanal
67 Zwischengehäuse
68 Entlüftungskanal
69 Auge
70 Permanentmagnet
71 Feinstfilter
72 oberes Ende
73 Schwingungsgenerator
74 unteres Ende
75 Ausgang
76 Sinkbereich
77 Sinkspalt
78 Sinkbehälter
79 Stutzen
80 Kolben
81 Feinstfilter
82 Membran
83 Ring
84 Innendurchmesser
85 Hülse
86 Bohrungen
87 Innenraum
88 Lenker
89 Lenker
90 Doppelpfeil
91 Grundplatte
Claims (14)
1. Verfahren zur Herstellung eines Filters (7, 17, 32),
wobei zunächst eine Membran (1, 5, 11, 12, 18, 19, 23, 24,
27) aus einem durch energiereiche Strahlung in seiner
Löslichkeit veränderbaren Material (33) hergestellt wird und
wobei anschließend ein partielles Durchstrahlen der Membran
mit energiereicher Strahlung erfolgt und die durchstrahlten,
eine erhöhte Löslichkeit aufweisenden Bereiche unter Bildung
von Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29), deren
Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, entfernt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei
Membranen (1, 5, 11, 12, 18, 19, 23, 24, 27)
aufeinandergelegt und bei gegenseitigem seitlichen
Versatz (8, 31) ihrer Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26,
29) zu einem Filter (7, 17, 32) zusammengefügt werden,
dessen wirksamer Porenquerschnitt (9, 16, 22) geringer als
der Querschnitt der Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29)
der einzelnen Membranen (1, 5, 11, 12, 18, 19, 23, 24, 27)
ist.
2. Filter nach Anspruch 1, wobei jede Membran (23, 24)
und eine Stützstruktur (25, 28, 30) mit vorgebbarer
Geometrie ein integrales Bauteil bilden, wobei die
Stützstrukturen (25, 28, 30) Träger für die Membranen (23,
24) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stützstrukturen (25, 28, 30) zweier Membranen (23, 24)
derart ineinandergreifen, daß die Membranen (23, 24) unter
gegenseitigem seitlichen Versatz (31) ihrer Mikroporen (26,
29) aufeinanderliegen.
3. Verfahren zur Herstellung eines Filters (48), wobei
auf röntgenlithograpischem Weg ein Formeinsatz (39) mit
Formhohlräumen (40) hergestellt wird und durch Füllen mit
Formmasse eine Membran (1, 5, 11, 12, 18, 19) mit
Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29, 51, 52), deren
Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, erzeugt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß zwei
Formeinsätze (39, 41) mit gegenseitigem seitlichen
Versatz (43) ihrer Formhohlräume (40, 42) zu einer Form (44)
zusammengesetzt und mit Formmasse gefüllt werden, so daß
zwei Membranen unter gegenseitigem seitlichen Versatz (43)
ihrer Mikroporen zu einem Filter (48), dessen wirksamer
Porenquerschnitt (9, 16, 22) geringer als der Querschnitt
der Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29) der einzelnen
Membranen ist, fest zusammengefügt und anschließend entformt
werden.
4. Verfahren zur Herstellung eines Filters (7, 17, 32,
39), wobei auf röntgenlithographischem Weg ein
Formeinsatz (39) mit Formhohlräumen (40) hergestellt wird
und durch Füllen mit Formmasse, Entformen und nachfolgender
Galvanoformung eine metallische Membran (1, 5, 11, 12, 18
19) mit Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21), deren Verteilung
und Querschnitt vorgegeben ist, erzeugt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei Membranen (1, 5,
11, 12, 18, 19) aufeinandergelegt und unter gegenseitigem
seitlichen Versatz (8, 31) ihrer Mikroporen (2, 6, 13, 14,
20, 21) zu einem Filter (7, 17, 32) zusammengefügt werden,
dessen wirksamer Porenquerschnitt (9, 16, 22) geringer als
der Querschnitt der Mikroporen der einzelnen Membranen ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Filters (49), wobei
auf röntgenlithographischem Weg ein Formeinsatz (39) mit
Formhohlräumen (40) hergestellt wird und durch Füllen mit
Formmasse, Entformen und nachfolgender Galvanoformung eine
metallische Membran mit Mikroporen, deren Verteilung und
Querschnitt vorgegeben ist, erzeugt wird, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei Formeinsätze (39,
41) mit gegenseitigem seitlichen Versatz (43) ihrer
Formhohlräume (40, 42) zu einer Form (44) zusammengesetzt,
mit Formmasse gefüllt und anschließend entformt werden und
die so erhaltene Kunststoffstruktur galvanisch in eine
Metallplatte (50) eingebettet und anschließend aus dieser
herausgelöst wird.
6. Filter nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei Membranen (1, 5,
11, 12, 18, 19, 23, 24, 27) aufeinandergelegt und bei
gegenseitigem seitlichen Versatz (8, 31) ihrer
Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29) durch Klammern,
punktförmiges Kleben, Verschweißen zu einem Filter (7, 17,
32) zusammengefügt werden.
7. Verwendung eines Filters (7, 17, 32, 48, 49) zur
Reinigung von Fluiden in der Antriebstechnik, insbesondere
in Erzeugnissen der Luftfahrtindustrie, des Maschinenbaus
und der Automobilindustrie.
8. Verwendung eines Filters (7, 17, 32, 48, 49)
innerhalb eines Mikrofilters (62).
9. Filter nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Mikrofilter (62)
Feinstfilter (71, 81) enthält, die aus Membranen (1, 5, 11,
12, 18, 19, 23, 24, 27) gefertigt sind.
10. Filter nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Feinstfilter (71,
81) einer oszillierenden Rüttelbewegung unterliegen.
11. Filter nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Feinstfilter (81)
eine Hülse (85) aufweist, an der ringförmige Membranen (82)
befestigt sind, die durch einen äußeren Ring (83) jeweils
paarweise zusammengefaßt sind.
12. Filter nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hülse (85) mit einer
Vielzahl von Bohrungen (86) versehen ist, die jeweils in den
Raum zwischen zwei paarweise angeordneten Membranen (82)
münden.
13. Filter nach Anspruch 11, dadurch
gekennzeichnet, daß an der Hülse (85)
Lenker (88, 89) eines Schwenkantriebs angelenkt sind.
14. Filter nach mindestens einem der vorhergehenden
Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Filter (7, 17, 32, 48, 49) die Form eines
Zylinders (54), einer Platine (55), eines mehrschichtigen
Zylinders (56) oder eines mehrschichtigen Kegelstumpfes (57)
haben.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4106742A DE4106742A1 (de) | 1990-03-03 | 1991-03-02 | Mikrofilter |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4006652 | 1990-03-03 | ||
DE4106742A DE4106742A1 (de) | 1990-03-03 | 1991-03-02 | Mikrofilter |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4106742A1 true DE4106742A1 (de) | 1991-09-05 |
Family
ID=25890732
Family Applications (1)
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Cited By (5)
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-
1991
- 1991-03-02 DE DE4106742A patent/DE4106742A1/de not_active Withdrawn
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US6857188B2 (en) | 1999-05-28 | 2005-02-22 | Emitec Gesellschaft Fuer Emissionstechnologie Mbh | Process for producing a particle filter |
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FR2894157A1 (fr) * | 2005-12-06 | 2007-06-08 | Commissariat Energie Atomique | Membrane permeable repoussant un ou plusieurs liquides |
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