DE69333430T2

DE69333430T2 - Filter, Methoden zur Herstellung eines Filters und Filtermethoden

Info

Publication number: DE69333430T2
Application number: DE69333430T
Authority: DE
Inventors: Richard C. Moravia Stoyell; Kenneth M. Jamiesville Williamson; Scott D. Dryden Hopkins; Stephen A. Cortland Geibel; Terry L. Marathon Wolff
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1992-11-06
Filing date: 1993-11-08
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2013-11-09
Also published as: KR100329140B1; CN1228349A; CA2148692A1; DE69334045T2; CN1228348A; EP1380331A1; EP1380331B1; CA2148692C; KR950704019A; DE4395947T1; CN1228347A; GB2288746A; DE69329118D1; EP0982061B1; DE69333430D1; CN1083285C; EP0667800A4; EP0667800B1; US7083564B2; GB2288746B

Description

Diese Erfindung betrifft Faltenfilterelemente und Verfahren zur Herstellung von Faltenfilterelementen.
Zylinderförmige Filterelemente mit sich radial erstreckenden Längsfalten gehören zu den häufigsten Arten von Filterelementen und werden zum Filtrieren unzähliger Fluide, i. e. Flüssigkeiten oder Gase, verwendet (in dieser Beschreibung schließt "Filtrieren" und "Filtration" die Entfernung von Teilchen, z. B. durch Sieben oder Abfangen in einem porösen Medium, und die Entfernung von Verunreinigungen, z. B. durch Ionenaustauscherharze oder Sorbentien, ein). In einem typischen zylinderförmigen Faltenfilterelement sind eine Mehrzahl von Falten um einen rohrförmigen Kern angeordnet, so dass ein Zylinder definiert wird. Bei Betrachtung im Querschnitt erstrecken sich die einzelnen Falten eines solchen Filterelementes radial vom Kern nach außen zur äußeren Peripherie des Filterelementes. Es ist gute Konstruktionspraxis, in einem zylinderförmigen Filterelement ausreichend Falten vorzusehen, so dass benachbarte Falten entlang dem Umfang des Kerns miteinander in Kontakt stehen. Wegen der radialen Geometrie der Falten nimmt jedoch notwendigerweise der Abstand zwischen benachbarten Falten mit dem Abstand vom Zentrum des Kerns zu. Folglich gibt es in einem typischen zylinderförmigen Faltenfilterelement viel ungenutzten Raum zwischen benachbarten Falten.
Es ist häufig nicht möglich, das Filterelement zu vergrößern, um den ungenutzten Raum zwischen benachbarten Falten zu kompensieren. In der heutigen Filterindustrie sind die Abmessungen von Filtergehäusen, in denen die Filterelemente eingeschlossen sind, weitestgehend standardisiert. Folglich ist es eine große Herausforderung für die Hersteller von Filtern, die Filterkapazität eines Filterelementes, i. e. die nutzbare Oberfläche, ohne Änderung der Außenabmessungen zu erhöhen, so dass es in vorhandenen Filtergehäusen verwendet werden kann.
Obwohl zylinderförmige Faltenfilterelemente sehr häufig sind, wurden sie üblicherweise nicht als Anschwemmfilter verwendet. Ein Anschwemmfilter ist eine Art von Filter, bei dem eine Aufschlämmung als Kuchen, der Anschwemmschicht genannt wird, auf die Außenseite einer nicht-gefalteten porösen Trägerstruktur, die Septum genannt wird, aufgebracht wird. Nach dem Aufbringen einer Anschwemmschicht auf das Septum wird ein zu filtrierendes Fluid durch die Anschwemmschicht und das Septum geleitet, wobei die Anschwemmschicht zum Filtrieren des Fluids dient. Faltenfilterelemente wurden nicht als Träger für Septa verwendet, weil die Falten zum Zusammenfallen neigen, wenn die Anschwemmschicht aufgebracht wird oder wenn das Fluid durch die Anschwemmschicht strömt.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Filter zum Abtrennen einer oder mehrerer Substanzen aus einem das Filter durchströmenden Fluid bereit, wie im Anspruch 1 definiert.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Filters bereit, wie im Anspruch 28 definiert.
Die 1 ist eine aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Filters. Die 2 ist eine Querschnittsansicht eines Abschnittes des Filters gemäß 1. Die 3 ist eine vergrößerte Schnittansicht einer der Falten gemäß 2. Die 4 ist eine schematische perspektivische Darstellung eines Abschnittes eines Filter-Kompositmaterials mit einem eingesetzten Streifen an einem Ende. Die 5. illustriert schematisch ein Verfahren, um Falten eines Filterelementes in einen übereinandergelegten Zustand zu bringen. Die 6 bis 11 sind schematische Ansichten, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung eines Filterelementes illustrieren. Die 12 und 13 sind schematische Ansichten, die ein anderes Verfahren und eine Vorrichtung zur Bildung eines Filterelementes illustrieren. Die 14 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer der Falten der 9. Die 15 ist eine Seitenansicht einer Faltvorrichtung. Die 16 ist eine Draufsicht der Faltvorrichtung gemäß 15. Die 17 ist eine Seitenansicht einer anderen Faltvorrichtung. Die 18 ist eine Seitenansicht einer anderen Faltvorrichtung. Die 19 bis 21 sind schematische Darstellungen, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zusammenbauen eines Filterelementes illustrieren. Die 22 ist eine aufgeschnittene perspektivische Darstellung eines anderen Filters. Die 23 ist eine Schnittansicht eines Anschwemmfilters. Die 24 ist eine Schnittansicht eines anderen Anschwemmfilters.
Die 1 illustriert eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Filters. Diese Ausführungsform ist im Allgemeinen zylinderförmig und beinhaltet ein Faltenfilterelement 10 mit einer Mehrzahl von Längsfalten 11. Ein zylinderförmiger Kern 20 kann koaxial entlang der inneren Peripherie des Filterelementes 10 angeordnet sein, und ein zylinderförmiger Korb oder eine Umhüllung 30 kann entlang der äußeren Peripherie des Filterelementes 10 angeordnet sein.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, hat jede Falte 11 zwei Schenkel 11a, die am Kopf 11b der äußeren Peripherie des Filterelementes 10 miteinander verbunden sind und die am Fuß 11c der inneren Peripherie des Filterelementes 10 mit einem Schenkel 11a einer benachbarten Falte 11 verbunden sind. Jeder Schenkel 11a hat eine innere Oberfläche 11d, die der inneren Oberfläche 11d des anderen Schenkels 11a derselben Falte gegenüberliegt, und eine äußere Oberfläche 11e, die der äußeren Oberfläche 11e eines Schenkels 11a einer benachbarten Falte gegenüberliegt. Wenn das Filterelement 10 so verwendet wird, dass Fluid radial durch das Element nach innen strömt, bilden die inneren Oberflächen 11d der Schenkel 11a die abstromseitige Oberfläche des Filterelementes 10, während die äußeren Oberflächen 11e die aufstromseitige Oberfläche des Filterelementes 10 bilden. Alternativ können bei einer Verwendung des Filterelementes 10, bei der Fluid radial nach außen durch das Element strömt, die inneren Oberflächen 11d bzw. die äußeren Oberflächen 11e die aufstromseitige bzw. abstromseitige Oberfläche des Filterelementes 10.
Wie in den Figuren gezeigt wird, stehen die einander gegenüberliegenden inneren Oberflächen 11d der Schenkel 11a jeder Falte 11 über im Wesentlichen die gesamte Höhe h der Schenkel 11a und der Falte 11 und über einen kontinuierlichen Bereich, der sich über einen signifikanten Abschnitt der axialen Länge des Filterelementes 10 erstreckt, in innigem Kontakt miteinander. Weiter stehen die einander gegenüberliegenden äußeren Oberflächen 11e der Schenkel 11a benachbarter Falten 11 über im Wesentlichen die gesamte Höhe h der benachbarten Falten 11 und der Schenkel 11a und über einen kontinuierlichen Bereich, der sich über einen signifikanten Abschnitt der axialen Länge des Filterelementes erstreckt, in innigem Kontakt miteinander. Hier wird die Höhe h der Falten 11 und der Schenkel 11a (gezeigt in 2) in einer Rich tung entlang der Oberflächen der Schenkel 11a gemessen und erstreckt sich von der inneren Peripherie zur äußeren Peripherie des Filterelementes 10. Der in den 2 und 3 illustrierte Zustand, in dem die Oberflächen der Schenkel 11a der Falten 11 in innigem Kontakt miteinander stehen und bei dem die Höhe h jeder Falte 11 größer ist als der Abstand zwischen der inneren und der äußeren Peripherie des Filterelementes 10 (i. e. [D – d]/2 in der 2), wird als übereinandergelegter Zustand bezeichnet. In dem übereinandergelegten Zustand können sich Falten beispielsweise bogenförmig oder winkelförmig oder in gerader nicht-radialer Richtung erstrecken, und es kann im Wesentlichen kein leerer Raum zwischen benachbarten Falten vorhanden sein, und praktisch das gesamte Volumen zwischen der inneren und der äußeren Peripherie des Filterelementes 10 kann von dem Filterelement 10 eingenommen und effektiv für die Filtration genutzt werden.
Da das Filterelement 10 aus einem Material mit endlicher Dicke t gebildet ist, sind die Falten 11 an den radial innen und außen gelegenen Enden der Falten 11, wo das Filterelement 10 zur Bildung der Falten 11 auf sich selbst gefaltet ist, etwas abgerundet. Folglich bilden sich an den radial innen gelegenen Enden der Falten 11 kleine dreieckige Lücken 11f zwischen den einander gegenüberliegenden inneren Oberflächen 11d benachbarter Schenkel 11a, und an den radial außen gelegenen Enden der Falten 11 bilden sich kleine dreieckige Lücken 11g zwischen den einander gegenüberliegenden äußeren Oberflächen 11e benachbarter Schenkel 11a. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Höhe dieser Lücken 11f und 11g, wie sie entlang der Höhe der Falten gemessen wird, jedoch vorzugsweise extrem klein. Die Höhe der dem Innendurchmesser des Filterelementes 10 benachbarten Lücken 11f beträgt vorzugsweise nicht mehr als ungefähr t und bevorzugter nicht mehr als ungefähr 1/2 t, wobei t die Dicke des das Filterelement 10 bildenden Materials ist, wie in 3 gezeigt. Die Höhe der dem Außendurchmesser des Filterelementes 10 benachbarten Lücken 11g beträgt vorzugsweise nicht mehr als ungefähr 4t und bevorzugter nicht mehr als ungefähr 2t. Je spitzer die Falten 11 sind, i. e. je weniger abgerundet ihre radial innen und außen gelegenen Enden sind, desto kleiner kann die Höhe der Lücken 11f und 11g sein und desto größer kann der Prozentsatz des Volumens zwischen der inneren und der äußeren Peripherie des Filterelementes 10 sein, der für die Filtration zur Verfügung steht.
Die einander gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Schenkel 11a der Falten müssen nicht über die gesamte axiale Länge des Filterelementes 10 in innigem Kontakt miteinander stehen, aber je länger der Bereich des innigen Kontaktes in axialer Richtung ist, desto besser wird der Raum zwischen der inneren und der äußeren Peripherie des Filterelementes 10 genutzt. Daher stehen benachbarte Schenkel 11a über einen kontinuierlichen Bereich, der sich vorzugsweise über mindestens ungefähr 50%, bevorzugter mindestens ungefähr 75%, am bevorzugtesten ungefähr 95 bis 100% der axialen Länge des Filterelementes 10 erstreckt, in innigem Kontakt.
Das Filterelement 10 weist ein Filtermittel und Drainagemittel, die an mindestens einer Seite, vorzugsweise der Aufstromseite, bevorzugter sowohl auf der Aufstrom- als auch auf der Abstromseite des Filtermittels angeordnet sind, auf. Das Drainagemittel verhindert, dass einander gegenüberliegende Oberflächen des Filtermittels miteinander in Kontakt kommen, und ermöglicht, dass Fluid gleichmäßig zu oder von im Wesentlichen allen Abschnitten der Oberfläche des Filtermittels strömt, wenn sich die Falten im übereinandergelegten Zustand befinden. Somit kann praktisch die gesamte Oberfläche des Filtermittels effektiv für die Filtration genutzt werden.
In der Ausführungsform der 1 umfasst das Filterelement 10 ein dreilagiges Komposit-Material aus einem Filtermittel 12, einem aufstromseitigen Drainagemittel in Form einer aufstromseitigen Drainagelage 13, die auf der aufstromseitigen Oberfläche des Filtermittels 12 angeordnet ist, und einem abstromseitigen Drainagemittel in Form einer abstromseitigen Drainagelage 14, die auf der abstromseitigen Oberfläche des Filtermittels 12 angeordnet ist. Aufstromseitige und abstromseitige Oberfläche können sich auf die äußere und innere Oberfläche beziehen, wenn das Filter einem radial nach innen gerichteten Fluidstrom ausgesetzt ist, oder auf die innere und äußere Oberfläche, wenn das Filter einem radial nach außen gerichteten Fluidstrom ausgesetzt ist.
Es gibt keine speziellen Einschränkungen hinsichtlich der Art des Filtermittels, das in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, und es kann entsprechend dem zu filtrierenden Fluid und den gewünschten Filtriereigenschaften ausgewählt werden. Das Filtermittel 12 kann zum Filtrieren von Fluiden wie Flüssigkeiten, Gasen oder Mischungen davon verwendet werden. Das Filter kann einen porösen Film oder eine Faserschicht oder Masse umfassen; es kann eine gleichmäßige oder eine abgestufte Porenstruktur und jedwede geeignete wirksame Porengröße aufweisen; es kann aus jedwedem geeigneten Material gebildet sein, wie natürlichem oder synthetischem Polymer, Glas oder Metall.
Das Filtermittel 12 kann eine einzelne Lage umfassen, oder es kann eine Mehrzahl von Lagen des gleichen Mittels bis zur gewünschten Dicke aufeinander angeordnet sein. Außerdem ist es möglich, dass das Filtermittel zwei oder mehr Lagen mit unterschiedlichen Filtriereigenschaften aufweist, wobei z. B. eine Lage als Vorfilter für die zweite Lage wirkt.
Die aufstromseitige und/oder abstromseitige Drainagelage kann Bereiche einer einzelnen einheitlichen porösen Lage mit einem feinporigen mittleren Bereich, der als Filtermittel wirkt, und grobporigen aufstromseitigen und/oder abstromseitigen Bereichen, die als Drainagelagen wirken, sein. Die Drainagelagen sind jedoch vorzugsweise verschiedene Lagen, separat vom Filtermittel.
Die aufstromseitige und abstromseitige Drainagelage 13 und 14 können aus jedwedem Material bestehen, das geeignete Längsströmungseigenschaften, i. e. geeigneten Widerstand gegen Strömung durch die Lage in Richtung parallel zu ihrer Oberfläche, aufweist. Der Längsströmungswiderstand der Drainagelage ist vorzugsweise ausreichend niedrig, dass der Druckabfall in der Drainagelage geringer ist als der Druckabfall über das Filtermittel, wobei eine gleichmäßige Fluidverteilung entlang der Oberfläche des Filtermittels erreicht wird. Die Drainagelagen können eine Netz- oder Gitterstruktur oder eine poröse gewebte oder nicht-gewebte Lage sein.
Netz- und Gitterstrukturen (auch Netzwerke genannt) haben unterschiedliche Form. Für Hochtemperaturanwendungen kann eine metallische Netz- oder Gitterstruktur verwendet werden, während für Anwendungen bei niedrigeren Temperaturen eine polymere Netzstruktur besonders geeignet sein kann. Polymere Netzstrukturen haben die Form von gewebten und extrudierten Netzstrukturen. Es können beide Arten verwendet werden, aber extrudierte Netzstrukturen sind im Allgemeinen vorzuziehen, weil sie glatter sind und daher weniger Abrieb der benachbarten Lagen des Filter-Kompositmaterials bewirken. Eine extrudierte Netzstruktur kann einen ersten Satz paralleler Stränge und einen zweiten Satz paralleler Stränge, die den ersten Satz von Strängen unter einem Winkel schneiden, aufweisen. Extrudierte Netzstrukturen kön nen als symmetrisch oder nicht-symmetrisch klassifiziert werden. In einer symmetrischen Netzstruktur erstreckt sich keiner der Sätze von Strängen in der so genannten "Maschinenrichtung" der Netzstruktur, welche die Richtung ist, in der die Netzstruktur aus einer Vorrichtung zur Herstellung der Netzstruktur austritt. In einer nichtsymmetrischen Netzstruktur erstreckt sich einer der Sätze von Strängen parallel zur Maschinenrichtung. In der vorliegenden Erfindung ist es möglich, symmetrische oder nichtsymmetrische Netzstrukturen zu verwenden. Nicht-symmetrische Netzstrukturen haben einen etwas geringeren Längsströmungswiderstand pro Dicke als symmetrische Netzstrukturen. Daher kann bei einem gegebenen Längsströmungswiderstand eine nicht-symmetrische Netzstruktur dünner sein als eine symmetrische, so dass die Zahl der Falten in einem Filterelement 10, bei dem eine nicht-symmetrische Netzstruktur verwendet wird, größer sein kann als bei einem Filterelement gleicher Größe, bei dem eine symmetrische Netzstruktur verwendet wird. Andererseits haben symmetrische Netzstrukturen den Vorteil, dass sie bei der Herstellung eines Faltenfilterelementes 10 leichter zu verarbeiten sind.
Netzstrukturen können durch ihre Dicke und durch die Zahl der Stränge pro Inch charakterisiert werden. Diese Größen sind nicht auf bestimmte Werte eingeschränkt und können entsprechend den gewünschten Längsströmungseigenschaften der Netzstruktur und der gewünschten Festigkeit gewählt werden. Typischerweise hat die Netzstruktur eine Strangdichte von mindestens 10 Strängen pro Inch.
In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stehen einander gegenüberliegende Oberflächen der Falten in innigem Kontakt. Folglich werden die Stränge der Drainagenetzstruktur jedes Schenkels der Falten gegen die Stränge der Drainagenetzstruktur eines benachbarten Schenkels der Falten gedrückt. Wenn die Stränge der Netzstruktur auf zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen parallel zueinander sind, können die Stränge eine Tendenz zum „Ineinandergreifen" zeigen, i. e. ineinander passen, statt aufeinander zu liegen. Dies verschlechtert die Drainageeigenschaften der Netzstruktur und vermindert ihre Fähigkeit, Drainage für das Filtermittel bereitzustellen. Bei einer nicht-symmetrischen Netzstruktur ist darauf zu achten, dass die Stränge in Maschinenrichtung auf der dem Filtermittel gegenüberliegenden Seite der Netzstruktur statt auf der entgegengesetzten Seite liegen, um das Ineinandergreifen der Stränge zu verhindern, wenn das Filterelement 10 gefaltet wird. Bei einer symmetrischen Netzstruktur gibt es jedoch keine Stränge in Maschinenrichtung, so dass es keinen Unterschied macht, welche Oberfläche der Netzstruktur dem Filtermittel gegenüberliegt, und es ist weniger Sorgfalt beim Zusammenbauen des Filterelementes 10 erforderlich.
Unabhängig davon, ob eine Netzstruktur symmetrisch oder nicht-symmetrisch ist, können die Stränge der Netzstrukturen am Ineinandergreifen gehindert werden, wenn die Netzstrukturen wie folgt orientiert werden. Angenommen, der erste Satz von Strängen ist auf der zum Filtermittel gewandten Seite einer Netzstruktur und der zweite Satz von Strängen ist von dem Filtermittel durch den ersten Satz von Strängen getrennt, dann kann der zweite Satz von Strängen am Eingreifen gehindert werden, wenn die Falten im übereinandergelegten Zustand sind, wenn sich der zweite Satz von Strängen entlang von Linien erstreckt, welche die Längsachse des Filterelementes unter einem Winkel zwischen 0 und 90 Grad schneiden. Wenn der zweite Satz von Strängen sich entlang von Linien erstreckt, welche die Achse unter einem Winkel von 0 oder 90 Grad schneiden, i. e. wenn der zweite Satz von Strängen parallel oder senkrecht zur Achse des Filterelementes ist, kann der zweite Satz von Strängen eingreifen. Bei einem Winkel zwischen diesen Grenzen wird der zweite Satz von Strängen jedoch ohne Eingreifen aufliegen.
Wenn die Netzstruktur so orientiert ist, wenn die Falten 11 einen übereinandergelegten Zustand einnehmen, steht eine Oberfläche, die zu den zweiten Strängen der Netzstruktur auf einem Schenkel einer Falte tangential ist, in innigem Kontakt mit einer Oberfläche, die zu den zweiten Strängen der Netzstruktur eines benachbarten Schenkels tangential ist.
Spezielle Beispiele für geeignete extrudierte polymere Netzstrukturen sind die von Nalle Plastics (Austin, Texas) unter den Handelsnamen Naltex, Zicot und Ultraflo erhältlichen.
Netzstrukturen sind besonders geeignet als Drainagelagen, wenn das Filtermittel ein faseriges laid-down-Medium ist. Wenn das Filtermittel eine Membran ist, ist ein Gewebe oder ein Nonwoven für die Verwendung als Drainagelage geeigneter, weil ein Textil üblicherweise glatter als eine Netzstruktur ist und weniger Abrieb benachbarter Lagen des Filter-Kompositmaterials bewirkt. Ein Beispiel für ein geeignetes Nonwo ven zur Verwendung als Drainagelage ist ein Polyester-Nonwoven, das unter der Handelsbezeichnung Reemay 2011 von Reemay, Inc., vertrieben wird.
Die aufstromseitige und abstromseitige Drainagelage 13 und 14 können gleich oder verschieden aufgebaut sein. Es wurde festgestellt, dass der Druckabfall über das Filtermittel 12 am niedrigsten und die Lebensdauer des Filters am höchsten sein kann, wenn beide Drainagelagen 13 und 14 im Wesentlichen den gleichen Längsströmungswiderstand haben. Daher werden die Drainagelagen 13 und 14, unabhängig davon, ob sie aus dem gleichen Material bestehen, vorzugsweise so gewählt, dass sie im Wesentlichen den gleichen Längsströmungswiderstand haben. Wegen der Einfachheit der Herstellung ist es günstig, identische Materialien für beide Drainagelagen 13 und 14 zu verwenden, wodurch der gleiche Längsströmungswiderstand durch beide Drainagelagen sichergestellt ist.
Alternativ können die aufstromseitige und die abstromseitige Drainagelage 13 und 14 unterschiedliche Eigenschaften haben, und diese Eigenschaften können variiert werden, um einen gewünschten Effekt hervorzurufen. Wenn beispielsweise die Dicke des Filter-Kompositmaterials fixiert ist, z. B. um die Oberfläche des Filtermittels innerhalb einer Einhüllenden zu fixieren, kann die Dicke der aufstromseitigen Drainagelage größer sein als die Dicke der abstromseitigen Drainagelage. Das kann für einen größeren Kuchenraum auf der Aufstromseite des Filtermittels sorgen, aber es kann zu Abstrichen bei der gleichmäßigen Strömungsverteilung auf der Abstromseite des Filtermittels führen.
Das das Filterelement 10 bildende Filter-Kompositmaterial kann zusätzlich zum Filtermittel 12 und den Drainagelagen 13 und 14 weitere Lagen aufweisen. Um beispielsweise den Abrieb des Filtermittels durch Reibungskontakt mit den Drainagelagen zu verhindern, wenn sich die Falten während Druckfluktuationen des Fluidsystems, in welches das Filter eingebaut ist, ausdehnen und zusammenziehen, kann eine Pufferlage zwischen dem Filtermittel und einer oder beiden Drainagelagen angeordnet werden. Die Pufferlage besteht vorzugsweise aus einem glatteren Material als die Drainagelagen und hat eine höhere Abriebfestigkeit als das Filtermittel 12. Wenn die Drainagelagen beispielsweise aus einer extrudierten Netzstruktur aus Nylon gemacht sind, ist ein Beispiel für eine geeignete Pufferlage ein Polyester-Nonwo ven, wie das unter der Handelsbezeichnung Reemay 2250 von der Reemay Corporation vertriebene.
Die das Filterelement 10 bildenden Lagen können nach herkömmlichen Verfahren der Filterherstellung vor oder gleichzeitig mit dem Welligformen zu einem Komposit-Material geformt werden.
Beim Stand der Technik war es zur Sicherstellung der geeigneten Drainage in einem Filterelement mit eng beabstandeten Falten erforderlich, zur Schaltung von Drainagedurchgängen große Oberflächenirregularitäten, wie Rillen, in den Oberflächen der Falten zu bilden. Diese Rillen, die typischerweise nach einem Verfahren wie Prägen gebildet wurden, reduzierten das für die Filtration verfügbare Volumen eines Filterelementes stark. In der gegenständlichen Erfindung können die Drainagelagen selbst dann, wenn sie in innigem Kontakt miteinander stehen, adäquate Drainage bereitstellen, so dass große Oberflächenirregularitäten in den Falten nicht erforderlich sind. Daher kann jede der Lagen des das Filterelement 10 bildenden Filter-Kompositmaterials eine im Wesentlichen ebene Oberfläche haben.
Der Kern 20 stützt die innere Peripherie des Filterelementes 10 gegen Kräfte in radialer Richtung und hilft auch, dem Filter axiale Festigkeit und Steifigkeit gegen Biegen zu verleihen. Der Kern 20 kann eine herkömmliche Konstruktion sein und aus jedwedem Material bestehen, das ausreichende Festigkeit hat und mit dem zu filtrierenden Fluid kompatibel ist. Durch die Wand des Kerns 20 sind Öffnungen ausgebildet, um den Durchgang von Fluid zwischen der Außenseite und dem Zentrum des Kerns 20 zu ermöglichen.
Wenn das Filterelement 10 einem Fluidstrom von außen nach innen ausgesetzt wird, ist das Vorhandensein eines Kerns 20 üblicherweise zweckmäßig. In Abhängigkeit von den während der Filtration auf das Filterelement 10 einwirkenden Kräften kann es jedoch möglich sein, auf den Kern 20 zu verzichten. Wenn beispielsweise ein Fluidstrom durch das Filterelement 10 primär von innen nach außen gerichtet ist, können radial nach innen gehende Kräfte auf das Filterelement 10 fehlen oder so gering sein, dass ein Kern 20 unnötig wird, wodurch das Gewicht des Filters reduziert werden kann.
Ein erfindungsgemäßes Filter beinhaltet Mittel zum Halten der Falten des Filterelementes 10 in einem übereinandergelegten Zustand. In der gegenständlichen Ausführungsform umfasst dieses Mittel den äußeren Korb 30, der das Filterelement 10 umgibt. Der Korb 30 kann von herkömmlicher Bauart sein, mit darin ausgebildeten Öffnungen für den Fluiddurchgang. Das Material, aus dem der Korb 30 gemacht ist, kann auf Basis des zu filtrierenden Fluids und der Filtrierbedingungen gewählt werden.
Üblicherweise ist ein Filter gemäß der vorliegenden Erfindung an einem oder beiden Enden des Filterelementes 10 mit einer Endkappe 40 (von denen nur eine in der 1 gezeigt ist) versehen. Die Endkappen 40 können blinde oder offene Endkappen sein, und das Material, aus dem sie gebildet sind, sowie ihre Gestalt können gemäß den Filtrierbedingungen und den Materialien der Elemente, auf die die Endkappen aufgesetzt werden, gewählt werden. Vorzugsweise sind die Endkappen 40 an dem Filterelement 10 befestigt, aber sie können auch am Kern 20 oder am Korb 30 befestigt werden. Es können herkömmliche Techniken angewendet werden, um die Endkappen an dem Filterelement 10 zu befestigen, wie durch Verwendung eines Epoxy, durch Abdecken (wie beispielsweise in der US-PS 4 154 688 gelehrt) oder durch Reibungsschweißen.
Um ein Lecken von Fluid an den Enden des Filterelementes 10 zu verhindern, ist es zweckmäßig, eine gute Abdichtung zwischen den Endkappen 40 und den Endoberflächen des Filterelementes 10 zu erhalten, so dass das Fluid daran gehindert wird, durch die Endoberflächen des Filterelementes 10 zu treten. Es kann jedoch schwierig sein, gute Abdichtung zu erreichen, wenn das Filterelement 10 und die Endkappen 40 aus Materialien mit geringer Affinität zueinander bestehen. In solchen Fällen kann eine Einlage in Form eines Streifens aus einem Material mit guter Affinität zum Material der Endkappe in die Enden des Filterelementes 10 beim Welligformen eingelegt werden. Die 4 zeigt schematisch einen Abschnitt eines Filterelementes mit einer Einlage 15, die zwischen zwei der Lagen des Filter-Kompositmaterials mit eingefaltet ist. Wenn die Endkappen 40 angebracht sind, ermöglicht der Einsatz 15 eine gute Abdichtung zwischen den Enden des Filterelementes 10 und den Endkappen 40. Wenn die Endkappen beispielsweise aus einem Fluorpolymer sind, kann ein Streifen aus einem anderen Fluorpolymer, wie fluoriertem Ethylen-Propylen-Harz (FEP), in die Enden des Filterelementes 10 als Einlage 15 eingelegt sein. Die Einlage 15 muss nur breit genug sein, damit das Filtermittel mit der Endkappe verbunden wird, und daher erstreckt sie sich, wie in der 4 gezeigt, normalerweise nur über einen Teil der axialen Länge des Filterelementes 10. Eine typische Breite der Einlage 15 ist ungefähr 12,7 mm (0,5 Inch).
Das in der 1 illustrierte Filterelement 10 kann nach einer ganzen Reihe von Verfahren hergestellt werden. Bei einem Verfahren wird das Filter-Kompositmaterial zuerst welliggeformt, um eine welliggeformte Lage zu bilden, auf eine geeignete Länge oder Anzahl von Falten zugeschnitten und dann in Zylinderform gebracht. Die Längskanten der welliggeformten Lage werden dann mit herkömmlichen Mitteln miteinander dichtend verbunden, um ein zylinderförmiges Filterelement 10 zu bilden. Die Falten des Filterelementes 10 werden übereinandergelegt, wenn das Filterelement 10 in einen Korb 30 eingesetzt wird. Nachdem das Filterelement 10 in den Korb 30 eingepasst wurde, wird ein Kern 20 in die hohle Mitte des Filterelementes 10 eingesetzt, und dann werden Endkappen 40 an den Enden des Filterelementes 10 angebracht, um ein fertiges Filter zu erhalten.
Die 5 illustriert ein Verfahren zum Übereinanderlegen der Falten. Bei diesem Verfahren wird das Filterelement 10 der Länge nach in die Öffnung einer trichterförmigen Vorrichtung 60 eingeführt, die einen einem Korb benachbarten Ausgang (das linke Ende in der 5) hat. Wenn das Filterelement 10 in die Vorrichtung 60 geschoben wird, wird es gleichzeitig manuell oder maschinell verdreht, wodurch die Falten über- und aufeinander zu liegen kommen. Die Abmessungen der Vorrichtung 60 werden so gewählt, dass das Filterelement 10 am Ausgang einen Außendurchmesser hat, der genügend klein ist, dass das Filterelement 10 in den Korb 30 gleitet.
Es ist auch möglich, die Falten einer welliggeformten Lage 10 in einen übereinandergelegten Zustand zu bringen, ehe die Falten in Zylinderform gebracht werden. Beispielsweise kann die Lage, nachdem das Filter-Kompositmaterial zur Bildung einer im Wesentlichen ebenen, welliggeformten Lage durch eine Vorrichtung zum Welligformen geführt wurde, zwischen zwei ebenen Flächen gepresst werden, um die Lage flach zu machen und die Falten in den übereinandergelegten Zustand zu bringen. Die flachgemachte, welliggeformte Lage kann dann in Zylinderform gebracht werden, und die Enden der Lage werden zueinander abgedichtet, um ein zylinderförmiges Filterelement 10 zu bilden.
Es kann einfacher sein, die Falten des Filterelementes 10 übereinander zu legen, wenn am äußeren Scheitel der Falte ein glatter Radius, im Gegensatz zu einem scharfen Knift, vorhanden ist. Ein Verfahren zur Schaltung eines glatten Radius besteht darin, eine Wegwerf-Papierlage, die als Abziehpapier bezeichnet wird, während des Welligformens auf der Abstromseite des welliggeformten Filter-Kompositmaterials anzubringen. Das Abziehpapier wird Teil der Falten und schafft den gewünschten glatten Radius. Nach dem Beenden des Welligformens und ehe das Komposit-Material in Zylinderform gebracht wird, wird das Abziehpapier von dem Komposit-Material abgezogen. Das für das Abziehpapier verwendete Material ist nicht kritisch. Ein Beispiel für ein geeignetes Material ist glattes Papier. Die Dicke des Abziehpapierstreifens kann gemäß dem gewünschten Biegeradius des welliggeformten Komposit-Materials gewählt werden, wobei die Dicke der anderen Lagen des Komposit-Materials berücksichtigt wird.
Ein anderes Verfahren zur Herstellung des Filterelementes 10 erlaubt die Bildung von Falten, bei denen die benachbarten Schenkel leicht verschiedene Länge haben. Bei vielen Filterelementen, insbesondere solchen, die aus einem mehrlagigen Komposit-Material gebildet sind, ist es leichter und verlässlicher, das Filterelement in einen übereinandergelegten Zustand zu bringen, wenn die benachbarten Schenkel jeder Falte leicht verschiedene Länge haben. Solche Falten werden als Falten mit ungleichen Schenkeln bezeichnet.
Bevorzugte Ausführungsformen eines Faltverfahrens und einer Faltvorrichtung werden nun unter Bezugnahme auf die 6–11 beschrieben, welche einen Zyklus in einem Faltverfahren schematisch illustrieren. Wie in diesen Figuren gezeigt wird, werden Falten auf einem Träger, wie einem ebenen Falttisch 100, mit Hilfe eines Faltelementes und eines Abstreifelementes gebildet. Die Falten werden zwischen Flächen des Faltelementes und des Abstreifelementes gebildet, die gebogen sind oder sich in einem spitzen Winkel vom Falttisch 100 erstrecken, vorzugsweise in einem Winkel von wesentlich weniger als 90 Grad, bevorzugter in einem Bereich von etwa 15 Grad bis etwa 75 Grad, am bevorzugtesten im Bereich von Bereich von etwa 30 Grad bis etwa 60 Grad, z. B. 45 Grad. Das Faltelement kann beispielsweise ein keilförmiges Element sein, das als Faltkeil 101 bezeichnet wird, und das Abstreifelement kann eine dünne Platte sein, die als Abstreifmesser 102 bezeichnet wird. Der Faltkeil 101 kann in Bezug auf die Oberseite des Falttisches 100 gehoben und gesenkt sowie parallel dazu vorwärts und rückwärts bewegt werden, während das Abstreifmesser 102 in Bezug auf den Falttisch 100 gehoben und gesenkt werden kann. Der Einfachheit halber ist die Oberfläche des Falttisches 100 üblicherweise horizontal, aber eine horizontale Oberfläche ist nicht erforderlich.
Das zu faltende Material 103 kann durch jedwedes geeignete Mittel auf den Falttisch 100 gebracht werden, wie beispielsweise eine Rolle 104. Das Material 103 kann einlagig oder ein Komposit-Material aus einer Mehrzahl von Lagen, wie einem Filtermittel und einer oder mehreren Drainagelagen, sein. Die Lagen können zu einem Komposit-Material geformt werden, ehe auf der Rolle 104 gelagert wird, oder die einzelnen Lagen können auf separaten Rollen gelagert und gleichzeitig auf den Falttisch 100 geführt werden, so dass das Komposit-Material gebildet wird, wenn die Lagen gefaltet werden.
Wie in den Figuren gezeigt wird, sind die Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 und die hintere Fläche 102a des Abstreifmessers 102 (die Fläche, die dem Faltkeil 101 gegenüberliegt) beide in Bezug auf den Falttisch 10 um ähnliche, aber nicht notwendigerweise gleiche spitze Winkel geneigt. Weil sich diese Flächen im spitzen Winkel erstrecken oder gebogen sind, ermöglicht es das Verfahren, Falten mit benachbarten Schenkeln ungleicher Länge zu bilden.
Die 6 illustriert den Beginn eines Faltzyklus, an dem sich der Faltkeil 101 an einem Punkt A in der Figur befindet. In dieser Position ist die Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 von der hinteren Fläche 102a des Abstreifmessers 102 um einen vorbestimmten Abstand entfernt, der von der Höhe der zu bildenden Falten abhängt. Die untere Fläche des Faltkeils 101 ist in Reibungskontakt mit dem zu faltenden Material 103, und die untere Kante des Abstreifmessers 102 wird gegen das zu faltende Material 103 gedrückt, um es festzuhalten.
Der Faltkeil 101 wird dann vom Punkt A zum Abstreifmesser 102 in Richtung des Pfeils in der 7 bewegt, während die untere Fläche des Faltkeils 101 in Reibungskontakt mit dem zu faltenden Material 103 bleibt. Gleichzeitig wird das Abstreifmesser 102 stationär gehalten. Aufgrund des Reibungskontaktes zwischen dem Faltkeil 101 und dem zu faltenden Material 103 bewirkt die Bewegung des Faltkeils 101 hin zum Abstreifmesser 104, dass sich der zwischen dem Faltkeil 101 und dem Abstreifmesser 102 befindliche Teil des Materials 103 in Form einer Wölbung 105 von der Oberfläche des Falttisches 100 weg nach oben biegt.
Wenn der Faltkeil 101 noch näher zu dem Abstreifmesser 102 bewegt wird, beginnt sich die Wölbung 105 des zu faltenden Materials 103 zu einer Falte 11 zu falten, wie in der 8 gezeigt. Der Faltkeil 101 wird weiter bis zu einem Punkt B in der 9 bewegt, wo das Material 103 zwischen der Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 und der hinteren Fläche 102a des Abstreifmessers 102 zusammengedrückt wird, wodurch eine einzelne Falte 11 gebildet wird.
Das Abstreifmesser 102 wird dann von dem Falttisch 100 abgehoben und gleichzeitig im Uhrzeigersinn in den Figuren gedreht. Wenn das Abstreifmesser 102 nach oben geht, gleitet seine hintere Fläche 102a entlang der eben gebildeten Falte 11, wodurch die Falte 11 weiter gegen die Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 gedrückt wird. Wenn die hintere Fläche 102a des Abstreifmessers 102 über das obere Ende der Falte 11 hinaus geht, kann die hintere Fläche 102a des Abstreifmessers 102 mit der Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 in Kontakt kommen, wie in der 10 gezeigt. Das Abstreifmesser 102 wird dann abgesenkt, und seine hintere Fläche 102a gleitet entlang der Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 zwischen den Faltkeil 101 und die eben gebildete Falte 11, bis die untere Kante mit dem zu faltenden Material 103 in Kontakt kommt, wie in der 11 gezeigt. Während des Anhebens und Absenkens des Abstreifmessers 102 kann der Faltkeil 101 im Wesentlichen stationär gehalten werden.
Dann wird, während das Abstreifmesser 102 stationär gehalten wird, das seinerseits das Material 103 stationär hält, der Faltkeil 101 zum Punkt A zurückgeführt, um den Faltzyklus zu beenden. Der Weg des Faltkeils 101, wenn er sich vom Punkt B zurück zum Punkt A bewegt, ist so, dass die untere Fläche des Faltkeils 101 über dem zu faltenden Material 103 angehoben wird, so dass das Material 103 nicht zurückgezogen wird. Beispielsweise kann der Faltkeil 101 entlang einer Bahn mit geraden Seiten bewegt werden, wie sie als B-C-D-A in der 11 angegeben ist. Alternativ kann sich der Faltkeil 101 entlang einer gebogenen Bahn bewegen, wenn er vom Punkt B zum Punkt A geht. Nach der Rückkehr des Keils 101 zum Punkt A wird der obige Vorgang wiederholt.
Jedes Mal, wenn der in den 6–11 illustrierte Zyklus ausgeführt wird, wird eine neue Falte 11 gebildet, und sie wird von dem Abstreifmesser 102 nach rechts zu den schon vorhandenen Falten 11 bewegt, die sich in den Figuren auf der rechten Seite des Abstreifmessers 102 ansammeln. Die gesamte Gruppe der fertigen Falten 11 wird dann durch die Bewegung des Abstreifmessers 102 inkrementell nach rechts geschoben. Es kann jede gewünschte Anzahl von Falten gebildet werden, indem der oben beschriebene Zyklus entsprechend oft wiederholt wird. Die Gruppe geformter Falten kann geeignet vom Ende des Falttisches 100 weggerollt werden.
Die 12 und 13 sind schematische Illustrationen, die die Wirkungsweise einer Faltleiste 109 zeigen. Diese Figuren sind analog zu den 6–11, außer dass die Faltvorrichtung eine Faltleiste 109 aufweist, die sich durch einen Spalt 110 im Falttisch 100 auf und ab bewegt. In diesen Figuren wird, wenn sich der Faltkeil 101 vom Punkt A zum Punkt B zu bewegen beginnt, die Faltleiste 109 durch den Spalt 110 im Falttisch 100 und über die Oberfläche des Falttisches 100 vorgeschoben. Wenn die Faltleiste 109 über die Oberfläche des Falttisches 100 vorsteht, kommt sie mit dem Material 103 in Kontakt und zwingt es, sich ordentlich, z. B. ohne zu knittern, nach oben zu wölben. Die Oberkante der Faltleiste kann auch einen Kniff in das Material machen, welcher dann der Kopf oder der Fuß der Falte 11 werden kann. Wenn sich der Faltkeil 101 näher zum Punkt B bewegt, wird die Faltleiste 109 unter die Oberfläche des Falttisches 100 zurückgezogen, so dass sich der Faltkeil 101 über den Spalt 110 im Falttisch 100 bewegen kann. Im Übrigen ist der Faltvorgang wie in Bezug auf die 6–11 beschrieben.
Die 14 ist eine vergrößerte Ansicht einer Falte 11, die nach den in den 6–13 illustrierten Verfahren gebildet werden kann. Die Falte hat zwei Schenkel 11a', 11a'', von denen einer mit der Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 und der andere mit der hinteren Fläche 102a des Abstreifmessers 102 in Kontakt ist. Da die Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 in Bezug auf den Falttisch 100 um einen spitzen Winkel geneigt ist, kann die Länge L1 des mit der Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 in Kontakt stehenden Schenkels 11a' kürzer sein als die Länge L2 des benachbarten Schenkels 11a'' derselben Falte 11, wobei die Längen zwischen den Punkten gemessen werden können, wo das Material 103, das gefaltet wird, auf sich selbst zurückgefaltet wird. Wenn die Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 in Bezug auf die Oberfläche des Falttisches 100 um einen Winkel Θ, geneigt und die Dicke des zu faltenden Materials 103t ist, beträgt die Differenz zwischen den Längen L1 und L2 der benachbarten Schenkel 11a', 11a'' ungefähr L2 – L1 = 2t/tan Θ₁. Die Längendifferenz kann durch geeignete Wahl des Winkels des Faltkeils 101 auf einen gewünschten Wert gebracht werden. Aufgrund des Längenunterschieds können nach dem obigen Verfahren gebildete Falten leicht in einen übereinandergelegten Zustand gebracht werden.
Viele der Komponenten einer Faltvorrichtung zur Herstellung von Filtern sind denen der handelsüblichen Faltvorrichtungen vom Typ mit Schiebebalken ähnlich, wie einer Faltvorrichtung Modell Nr. 10148 von Chandler Machine Company, Ayer, Massachusetts. Das Falten erfolgt auf einem Falttisch 100, wie in den 15 und 16 gezeigt. Bei einer typischen Faltvorrichtung hat der Falttisch 100 zwei Abschnitte 100a und 100b, die relativ zueinander in horizontaler Richtung verschoben werden können, um zwischen den beiden Abschnitten einen Spalt gewünschter Größe zu bilden. Wenn die beweglichen Abschnitte 100a und 100b durch einen Spalt getrennt sind, kann die Faltleiste 109 in dem Spalt durch einen nicht dargestellten Antriebsmechanismus nach oben und unten bewegt werden, um den Faltvorgang zu unterstützen. Wenn die Faltleiste 109 nicht verwendet wird, lässt man die beiden Abschnitte 100a und 100b des Falttisches 100 aneinander stoßen, oder der Falttisch 100 kann in einem gemacht und die Faltleiste weggelassen sein.
In der Ausführungsform der 15, ist das Material, das gefaltet wird, ein Filter-Kompositmaterial 103 aus drei verschiedenen Lagen 103a, 103b, 103c, die von drei verschiedenen Rollen 104a, 104b, 104c zum Falttisch 100 geführt werden. Die Lagen 103a, 103b, 103c können aus dem gleichen oder aus verschiedenen Materialien sein. In diesem Beispiel ist das Material 103b auf der mittleren Rolle 104b ein Filtermittel, während die Materialien 103a und 103c auf der oberen und der unteren Rolle 104a bzw. 104c extrudierte Netzstrukturen sind, die als Drainagelagen für die aufstromseitige und die abstromseitige Oberfläche des Filtermittels 103b dienen.
Die Faltvorrichtung ist mit einem Balken ausgestattet, der im Allgemeinen L-förmigen Querschnitt hat und als Schiebebalken 111 bezeichnet wird. Der Schiebebalken 111 ist beweglich auf dem Falttisch 100 angeordnet, so dass er sich entlang einer geschlossenen Bahn bewegen kann, von der sich mindestens ein Teil parallel zur Oberfläche des Falttisches 100 erstreckt. In dieser Ausführungsform wird der Schiebebalken 111 durch einen Antriebsmechanismus 112 entlang einer vierseitigen, ge schlossenen Bahn bewegt, die durch die Punkte A'-B'-C'-D' in der 15 angegeben ist. Obwohl der Schiebebalken 111 in einer erfindungsgemäßen Faltvorrichtung nicht verwendet werden muss, dienen der Schiebebalken 111 und der ihm zugeordnete Antriebsmechanismus 112 als geeignete Mittel, einen Faltkeil 101 anzutreiben.
Der Faltkeil 101 ist mit Hilfe von Bolzen oder anderen geeigneten Mitteln fest mit dem Vorderende des Schiebebalkens 111 verbunden, so dass sich beide zusammen als einzelne Einheit bewegen. Der Faltkeil 101 hat eine Stirnfläche 101a mit einem konstanten spitzen Neigungswinkel Θ ₁ in Bezug auf die Oberfläche des Falttisches 100. Vorzugsweise hat zumindest die Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 eine Breite, die im Wesentlichen gleich oder größer als die Breite des Filter-Kompositmaterials 103 ist.
Wenn sich der Schiebebalken 111 entlang der Bahn A'-B'-C'-D' bewegt, bewegt sich der Faltkeil 101 entlang der Bahn A-B-C-D. Der Faltkeil 101 hat eine untere Fläche, die sich vorzugsweise parallel zum Falttisch 100 erstreckt. Wenn sich der Schiebebalken 111 entlang dem Schenkel D'-A' der Bahn bewegt, wird die untere Fläche des Faltkeils 101 in Reibungskontakt mit dem Filter-Kompositmaterial 103, das gefaltet wird, abgesenkt. Solange der Faltkeil 101 mit dem Filter-Kompositmaterial 103 in Reibungskontakt ist, kann die untere Fläche des Schiebebalkens 111 von dem Filter-Kompositmaterial 103 beabstandet sein, wenn sich der Schiebebalken 111 entlang dem Schenkel A'-B' bewegt. Mit anderen Worten, die untere Fläche des Schiebebalkens 111 muss nicht in einer Ebene mit der unteren Fläche des Faltkeils 101 sein. Der horizontale Hub des Schiebebalkens 111, i. e. die Distanz entlang dem Schenkel A'-B', kann angepasst werden, so dass die Höhe der Falten, die von der Hubhöhe abhängt, auf einen gewünschten Wert gesetzt werden kann. Wenn sich der Schiebebalken 111 entlang B'-C' hebt und entlang C'-D' rückwärts bewegt, geht der Faltkeil 101 entlang B-C und C-D, und die untere Fläche des Faltkeils 101 wird durch den Antriebsmechanismus 112 und den Schiebebalken 111 über dem Filter-Kompositmaterial 103 angehoben, so dass das Filter-Kompositmaterial 103 nicht vom Faltkeil 101 zurückgezogen wird.
Ein Abstreifmesser 102 ist drehbar an hin- und hergehenden Elementen befestigt, das üblicherweise als Schieber 113 bezeichnet werden. Die Schieber 113 sind an den entgegengesetzten Seiten des Faltkeils 101 angeordnet und werden durch den Antriebsmechanismus 114 entlang einer vertikalen Bahn angehoben und abgesenkt. Die zeitliche Abstimmung der Bewegung der Schieber 113 und des Schiebebalkens 111 sowie der Faltleiste 109 während des Betriebs dieser Ausführungsform kann durch eine herkömmliche mechanische oder elektrische Steuerung, die mit den jeweiligen Antriebsmechanismen 112, 114 gekoppelt ist, geregelt werden. Das Abstreifmesser 102 umfasst vorzugsweise eine dünne Klinge mit einer Breite, die im Wesentlichen gleich oder größer als die Breite des Filter-Kompositmaterials 103 ist. Das obere Ende des Abstreifmessers 102 ist an einem Balken befestigt, der als Abstreifbalken 115 bezeichnet wird und der durch einen Stift 116, der zwischen den beiden Schiebern 113 angeordnet ist, drehbar auf den Schiebern 113 gelagert. Das untere Ende des Abstreifmessers 102 erstreckt sich bis nahe an den Falttisch 100, so dass es das Komposit-Material 103 am Bewegen hindern kann, und das untere Ende des Abstreifmessers 102 kann verjüngt sein, um die Trennung der fertigen Falten von der Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 zu unterstützen. Der Abstreifbalken 115 wird in der Figur im Uhrzeigersinn durch ein nicht illustriertes Vorspannelement, wie eine Feder, vorgespannt, so dass das Abstreifmesser 102 in Richtung der Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 vorgespannt ist. Alternativ kann die Drehachse des Abstreifbalkens so gewählt werden, dass das Gewicht des Abstreifmessers ein Drehmoment im Uhrzeigersinn um die Stange auf das Abstreifmesser ausübt und dabei das Abstreifmesser in Richtung zum Faltkeil vorgespannt wird. Der Abstreifbalken 115 wird durch ein nicht illustriertes Stoppelement, wie einen Stift, daran gehindert, sich gegen den Uhrzeigersinn über die in der 15 gezeigte Position zu drehen.
In der illustrierten Ausführungsform ist die hintere Fläche 102a des Abstreifmessers 102, die der Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 gegenüberliegt, eben. Wenn sich das Abstreifmesser 102 in der in der 15 gezeigten Position befindet, hat die hintere Fläche 102a einen konstanten spitzen Neigungswinkel Θ₂ in Bezug auf die Oberfläche des Falttisches 100, der nahe dem Neigungswinkel Θ, der Stirnfläche 101a des Faltkeils 101 ist. Die Neigung der hinteren Fläche 102a des Abstreifmessers 102 kann etwas kleiner oder gleich sein, ist aber vorzugsweise etwas größer, z. B. etwa 5 Grad größer als die Neigung der Stirnfläche 101a des Faltkeils 101, so dass sich ein keilförmiger Raum zwischen dem Faltkeil 101 und dem Abstreifmesser 102 ergibt. Dieser keilförmige Raum unterstützt die Bildung von Falten mit ungleichen Schenkeln.
Die 17 illustriert einen Teil einer anderen Faltvorrichtung, die analog zu der in den 15 und 16 gezeigten Faltvorrichtung ist. Wie in der vorigen Ausführungsform ist ein Abstreifmesser 102 an einem Abstreifbalken 115 befestigt, der über eine Stange 116 an zwei Schiebern 113, die an entgegengesetzten Seiten eines Faltkeils 101 angeordnet sind, drehbar gelagert ist. In dieser Ausführungsform hat im Allgemeinen jeder Schieber L-Form, wobei sich ein erster Schenkel 113a von der Oberfläche des Falttisches 100 nach oben und ein zweiter Schenkel 113b im Allgemeinen parallel zum Falttisch 100 erstreckt. Der Abstreifbalken 115 ist an dem zweiten Schenkel 113b drehbar befestigt, so dass er in Bezug auf den Faltkeil 101 in der gleichen Position ist wie der Abstreifbalken 115 der Ausführungsform gemäß 15. Der erste Schenkel 113a jedes Schiebers 113 ist von der Stelle der Schieber 113 der 15 beabstandet, so dass die Bewegung der Faltleiste 109 nicht gestört wird. Die beiden Abschnitte 100a, 100b des Falttisches 100 sind voneinander getrennt, so dass einen Spalt 110 dazwischen gebildet wird, der groß genug ist, dass die Faltleiste 109 passieren kann. Die Faltleiste 109 kann mit Hilfe eines nicht dargestellten Antriebsmechanismus gehoben und abgesenkt werden, wie zuvor beschrieben. Die Faltleiste 109 hat eine Breite, die im Wesentlichen gleich oder größer als die Breite des Filter-Kompositmaterials 103 ist, das gefaltet wird. Der Aufbau und der Betrieb dieser Ausführungsform sind ansonsten analog zu denen der Ausführungsform der 15 und 16.
In den vorhergehenden Ausführungsformen sind die gegenüberliegenden Flächen des Faltkeils und des Abstreifmessers beide im Allgemeinen eben, so dass die Schenkel jeder Falte, die zwischen den gegenüberliegenden Flächen geformt wird, im Wesentlichen gerade sind. Wenn jedoch ein Faltenfilterelement in einen übereinandergelegten Zustand in einer zylinderförmigen Konfiguration gebracht wird, nehmen die einzelnen Falten im Allgemeinen eine gebogene Form an, wenn man sie im Querschnitt betrachtet, wobei sich jeder Schenkel einer Falte entlang einem Bogen von der inneren zur äußeren Peripherie des Filterelementes erstreckt. Es ist daher einfacher, die Falten eines Filterelementes übereinander zu legen, wenn die Falten zum Zeitpunkt der Faltenbildung mit einem gebogenen Profil geformt werden.
Die 18 illustriert eine andere Ausführungsform, die zur Bildung gebogener Falten, einschließlich gebogener Falten mit ungleichen Schenkeln, in der Lage ist. In dieser Ausführungsform sind die gegenüberliegenden Flächen 101a, 102a des Faltelemen tes 101 und des Abstreifmessers 102 zumindest in jenen Abschnitten gebogen, die während der Faltenbildung mit dem Filter-Kompositmaterial in Kontakt stehen. Obwohl eine ganze Reihe von Kurven, regelmäßige oder unregelmäßige, für die gegenüberliegenden Flächen geeignet sind, haben die Flächen in den illustrierten Ausführungsformen bogenförmige Gestalt. Das Faltelement 101 hat eine Stirnfläche 101a mit einem Krümmungsradius, der vorzugsweise kleiner ist als jener entlang der hinteren Fläche 102a des Abstreifmessers 102, so dass die beiden Fläche 101a, 102a durch einen Raum getrennt sind, dessen Größe mit zunehmendem Abstand von der Oberfläche des Falttisches 100 zunimmt. Dieser Raum unterstützt die Bildung von Falten mit ungleichen Schenkeln. In der illustrierten Ausführungsform ist das Abstreifmesser 102 drehbar an einem Schieber 113 montiert, der analog zum Schieber 113 der 15 ist, die beiden Abschnitte 100a, 100b des Falttisches 100 stoßen aneinander und die Faltleiste 109 befindet sich in nicht betriebsbereiter Position unter dem Falttisch 100. Die Faltenbildung unter Verwendung der Ausführungsform der 18 erfolgt im Wesentlichen auf die gleiche Art, wie sie in den 6-13 illustriert ist, beispielsweise wird ein Filter-Kompositmaterial zwischen den gebogenen Flächen 101a, 102a des Faltelementes 101 und des Abstreifmessers 102 zusammengedrückt, um Falten mit gebogenen Schenkeln, vorzugsweise ungleicher Länge, zu bilden, die leicht in einen übereinandergelegten Zustand in Zylinderform gebracht werden können.
Nachdem das Filter-Kompositmaterial gefaltet wurde, wird das gefaltete Filter-Kompositmaterial, das aus der Faltvorrichtung austritt, auf eine vorgeschriebene Länge oder eine vorgeschriebene Anzahl von Falten, die von den vorgesehenen Abmessungen des Filterelementes abhängt, zugeschnitten. Das gefaltete Filter-Kompositmaterial wird dann in Zylinderform gebracht, und die Längskanten des gefalteten Filter-Kompositmaterials werden mit herkömmlichen Mitteln miteinander abgedichtet, um eine zylinderförmige Faltenfilterpackung zu bilden. Die Falten der Filterpackung werden dann in einen übereinandergelegten Zustand gebracht, in welchem die gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Schenkel der Falten über einen wesentlichen Abschnitt der Höhe der Falten miteinander in Kontakt stehen. Da die Falten gebogene Schenkel und/oder ungleiche Schenkel haben, wird die Bildung der zylinderförmigen Faltenfilterpackung in einem übereinandergelegten Zustand sehr erleichtert.
Die 19–21 illustrieren ein geeignetes Verfahren, um das zylinderförmige Faltenfilterelement in den übereinandergelegten Zustand zu bringen. Ein herkömmlicher perforierter, zylinderförmiger Kern 20 wird auf einem Spannfutter 120 angeordnet, und ein zylinderförmiges Faltenfilterelement 10 wird locker über dem Kern 20 angeordnet, wie in der 19 gezeigt. Ein rohrförmiges Element 122 mit einem Innendurchmesser, der dem gewünschten Außendurchmesser des übereinandergelegten Filterelementes 10 entspricht, wird an das obere Ende des Filterelementes 10 gebracht und nach unten gedrückt, wie das der Pfeil in der 19 anzeigt. Die Falten des Filterelementes 10 werden vor dem Übereinanderlegen locker gepackt, und die Falten am oberen Ende des Filterelementes 10 können üblicherweise leicht zusammengedrückt werden, damit sie in das untere Ende des rohrförmigen Elementes 122 passen. Wenn das rohrförmige Element 122 über das Filterelement 10 nach unten gedrückt wird, werden die Falten des Filterelementes 10 übereinandergelegt, bis der Außendurchmesser des Filterelementes 10 zum Innendurchmesser des rohrförmigen Elementes 122 passt.
Wenn die gesamte Länge des rohrförmigen Elementes 122 über das Filterelement 10 gepasst wurde, werden das rohrförmige Element 122, das übereinandergelegte Filterelement 10 und der Kern 20 als einzelne Einheit von dem Spannfutter 120 entfernt und auf ein anderes Spannfutter 123 gebracht, wie in der 20 gezeigt. Dieses Spannfutter 123 hat einen unteren Basisteil 124, der einen oberen Basisteil 125 mittels einer Verbindungsstange 126 stützt. Der obere Basisteil 125 kann scheibenförmig sein und hat vorzugsweise einen Durchmesser, der kleiner als der Innendurchmesser des rohrförmigen Elementes 122, aber größer als der Innendurchmesser des übereinandergelegten Filterelementes 10 ist. Dann wird ein herkömmlicher perforierter, zylinderförmiger Korb 30 mit einem Innendurchmesser, der dem gewünschten Außendurchmesser des übereinandergelegten Filterelementes 10 entspricht, auf das rohrförmige Element 122 gebracht und in Richtung des Pfeils in der 19 nach unten gedrückt. Die Filterpackung 121 wird durch den oberen Basisteil 125 des Spannfutters 123 daran gehindert, sich nach unten zu bewegen, aber das rohrförmige Element 122 kann sich bewegen, so dass die auf den Korb 30 ausgeübte, nach unten gerichtete Kraft bewirkt, dass er über das übereinandergelegte Filterelement 10 gleitet und dabei das rohrförmige Element 122 verdrängt. Der Korb 30 wird nach unten geschoben, bis sein unteres Ende den oberen Basisteil 125 erreicht und das rohrförmige Element 122 vollständig von dem Filterelement 10 getrennt ist, wie in der 20 gezeigt. Die den Kern 20, das übereinandergelegte Filterelement 10 und den Korb 30 umfassende Anordnung kann dann vom Spannfutter 123 entfernt und der weiteren Verarbeitung zugeführt werden, wie dem Anbringen von Endkappen an einem oder an beiden Enden nach herkömmlichen Verfahren zum Anbringen von Endkappen.
Filterelemente gemäß der vorliegenden Erfindung haben einen weit größeren für die Filtration nutzbaren Oberflächenbereich als herkömmliche Faltenfilterelemente bei gleichem Innen- und Außendurchmesser. Beispielsweise ist für ein Filterelement mit Längsfalten, wie in den 2 und 3 gezeigt, der gesamte Oberflächenbereich A des Filterelementes gegeben durch die Formel A = 2 hNL (1)worin h die Höhe der Falten, N die Zahl der Falten in dem Filterelement und L die Länge der Falten, gemessen in axialer Richtung des Filterelementes, ist. In einem Faltenfilterelement, in dem benachbarte Falten entlang dem Innendurchmesser des Filterelementes in Kontakt stehen, ist die Zahl der Falten N ungefähr gegeben durch
worin t die Dicke des Komposit-Materials (Filtermittel + Drainagelagen + andere Lagen) ist.
In einem herkömmlichen Filterelement ohne übereinandergelegte Falten ist die Faltenhöhe gegeben durch die Formel
worin D der Außendurchmesser des Filterelementes und d der Innendurchmesser des Filterelementes ist.
Im Gegensatz dazu ist bei einem Filterelement mit übereinandergelegten Falten, wie in der 2 gezeigt, wo gegenüberliegende Oberflächen benachbarter Schenkel der Falten im Wesentlichen über die gesamte Faltenhöhe in innigem Kontakt stehen, die maximal erreichbare Faltenhöhe h_max ungefähr gegeben durch die Formel
In einem Filter mit übereinandergelegten Falten ist die Höhe der Falten geringer als die maximale Faltenhöhe h_max, beispielsweise wegen der Schwierigkeit, die Falten perfekt messerscharf zu falten. Die tatsächliche Faltenhöhe beträgt jedoch vorzugsweise mindestens 80%, bevorzugter mindestens 90% von h_max, so dass das Volumen zwischen Innen- und Außendurchmesser des Filterelementes optimal genutzt wird.
Unter Verwendung dieser Formeln ist es möglich, die Zunahme des von dem erfindungsgemäßen Filter bereitgestellten Filtrierbereiches zu berechnen. Für ein Filterelement mit der Länge L gleich 254 mm (10 Inch), einer Dicke t des Komposit-Materials von 4,445 mm (0,175 Inch), einem Innendurchmesser d von 30,5 mm (1,2 Inch) und einem Außendurchmesser D von 69,85 mm (2,75 Inch) ist die Zahl N der Falten, gegeben durch die Gleichung (2), gleich
Die Faltenhöhe bei einem herkömmlichen Filter und die maximale Faltenhöhe bei einem erfindungsgemäßen Filter sind durch die Gleichungen (3) bzw. (4) gegeben als
Wenn man diese Werte in die Gleichung (1) einsetzt, bekommt man die folgenden Oberflächenbereiche, wobei A_max der maximal mögliche Oberflächenbereich ist, der einer Faltenhöhe h_max entspricht: A(herkömmliches Filter) = 2 × 19,675 × 13 × 254 = 64967 mm2 (201,5 Inch2) Amax(übereinandergelegte Falten) = 2 × 31,47 × 13 × 254 = 207828 mm2 (322,14 Inch2)
In diesem Beispiel ist also der maximal mögliche Oberflächenbereich eines Filters gemäß dieser Erfindung, das übereinandergelegte Falten hat, ungefähr 60% größer als der Oberflächenbereich bei einem herkömmlichen Faltenfilter mit gleichen inneren und äußeren Abmessungen. Selbst wenn die tatsächliche Höhe der übereinandergelegten Falten nur 80% von h_max beträgt, ist der tatsächliche Oberflächenbereich des Filters noch 207 828 × 0,80 = 166 262 mm² (257,71 Inch²), was 28% höher ist.
Der vergrößerte Oberflächenbereich eines Filterelementes mit übereinandergelegten Falten gemäß der vorliegenden Erfindung erhöht die Lebensdauer des Filterelementes im Vergleich zu einem herkömmlichen Filterelement mit den gleichen inneren und äußeren Abmessungen.
Weiter bewirkt die Tatsache, dass die Falten im übereinandergelegten Zustand sind, dass die Falten gleichmäßig gestützt sind und dass konzentrierte Beladungen gleichmäßig über das Filterelement verteilt werden. Dies minimiert die Faltenbewegung und erhöht die Fähigkeit der Falten, Teilchen in pulsierenden Strömungssystemen zurückzuhalten. Wenn die Falten in einem übereinandergelegten Zustand sind, sind außerdem die Endoberflächen des Filterelementes extrem kompakt und bieten besseren Widerstand gegen Beschädigung des Filtermittels während des Anbringens der Endkappen an dem Filterelement.
Der Druckabfall ΔP über ein Faltenfilterelement mit aufstromseitigen und abstromseitigen Stütz- und Drainagelagen ist durch die folgende Gleichung gegeben: ΔP = (Keh + Km/2h)·(μQ/Nl) (5)worin
μ = absolute Viskosität des Fluids, das filtriert wird,
Q = Volumendurchsatz des Fluids
K_e = Längsströmungswiderstandsfaktor von Stütz- und Drainagematerial
K_m = Strömungswiderstandsfaktor des Filtermittels
h = Faltenhöhe
l = Faltenlänge in axialer Richtung des Filters
N = Zahl der Falten.
Wenn alle Faktoren außer der Faltenhöhe h in der Gleichung (5) konstant sind, ist der Druckabfall ΔP ein Minimum, wenn die Faltenhöhe durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird.
h = (Km/2Ke)1/2 (6)
In Fällen, in denen der Außendurchmesser des Filterelementes nach Belieben gewählt werden kann, kann also der Druckabfall ΔP über ein Filter gemäß der vorliegenden Erfindung minimiert werden, und die Effizienz des Filters kann maximiert werden, indem man den Außendurchmesser so wählt, dass die Faltenhöhe h die Gleichung (6) erfüllt.
Es können auch andere Mittel als ein Korb verwendet werden, um die Falten im übereinandergelegten Zustand zu halten. Beispielsweise kann der Korb durch eine Mehrzahl von nicht miteinander verbundenen Ringen ersetzt werden, die über das Filterelement 10 passen, so dass die Falten am Entfalten gehindert werden. Ein anderes geeignetes Mittel, um die Falten festzuhalten, ist ein flächiges Material, das mit ausreichender Spannung um das Filterelement gewickelt wird, dass die Falten daran gehindert werden, sich aus einem übereinandergelegten Zustand herauszubiegen. Die 22 ist eine aufgeschnittene Ansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der der Korb der 1 durch ein helixförmiges Umhüllungselement 50 ersetzt ist, das einen Streifen mit parallelen Seiten und aus einem flexiblen Material umfasst, der in einer Mehrzahl von Windungen helixförmig um das Filterelement 10 gewickelt ist. Das Umhüllungselement 50 kann aus jedwedem Material sein, das mit dem zu filtrierenden Fluid kompatibel ist. Wenn das Umhüllungselement 50 die äußere Peripherie des Filterelementes 10 vollständig umhüllt, ist das Umhüllungselement 50 vorzugsweise porös. In vielen Anwendungen ist ein poröses, polymeres Nonwoven-Material geeignet, das von Reemay Corporation unter der Handelsbezeichnung Reemay erhältlich ist. Es können auch Laminate des Reemay-Ma terials verwendet werden. Beispiele für andere geeignete Materialien sind Ölkartonpapier und Mylar-Film.
Das Umhüllungselement 50 kann ein relativ dünnes Material sein, von dem nicht erwartet wird, dass es großen Belastungen widersteht, so dass es primär geeignet ist, wenn das Filterelement 10 einer Strömung von außen nach innen ausgesetzt ist. In diesem Fall muss das Umhüllungselement 50 nur stark genug sein, dass es die Falten im übereinandergelegten Zustand hält und radial nach außen gerichteten Kräften widersteht, die während momentaner Umkehrungen der Strömungsrichtung von Fluid durch das Filterelement 10 auftreten. Alternativ kann die Umhüllung aus einem stärkeren Material bestehen, das den mit einer Strömung von innen nach außen verbundenen relativ größeren Belastungen widersteht. Die Spannung des Umhüllungselementes 50 kann gemäß den erwarteten Filtrierbedingungen gewählt werden.
Das Umhüllungselement 50 kann mit oder ohne Überlappungen zwischen benachbarten Windungen des Umhüllungselementes 50 um das Filterelement 10 gewickelt werden. Beispielsweise können benachbarte Windungen des Umhüllungselementes 50 im Wesentlichen ohne Überlappung aneinander stoßen, oder es ist durch Anwendung einer Überlappung möglich, mehrere Lagen des Umhüllungselementes 50 um das Filterelement 10 zu wickeln. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Schmutzkapazität des Filterelementes 10 im Vergleich zu der eines nicht umhüllten Faltenfilterelementes oder im Vergleich zu der eines von dem Umhüllungselement vollständig umhüllten Faltenfilterelementes stark erhöht werden kann, wenn das Umhüllungselement 50 nicht behinderte Öffnungen aufweist. Die Öffnungen können in dem Material des Umhüllungselementes 50 selbst ausgebildete Löcher sein, oder sie können zwischen benachbarten Windungen des Umhüllungselementes 50 verbleibende Zwischenräume sein. In der Ausführungsform der 22 ist das Umhüllungselement 50 so um das Filterelement 10 gewickelt, dass Öffnungen in Form eines helixförmigen Zwischenraumes 51 zwischen benachbarten Windungen bleiben.
Um zu verhindern, dass das Umhüllungselement 50 beladen wird, sollte die Größe der Öffnungen des Umhüllungselementes 50 ausreichend groß sein, damit praktisch alle in dem Fluid, das filtriert wird, enthaltenen Teilchen passieren können. Zudem ist der Gesamtbereich der Öffnungen im Allgemeinen weniger als 50% des gesamten Oberflächenbereichs der zylinderförmigen Oberfläche, die durch die Scheitel der Fal ten 11 des Filterelementes 10 definiert wird. Bevorzugter liegt der Gesamtbereich der Öffnungen im Bereich von etwa 6% bis etwa 30% des gesamten Oberflächenbereichs der durch die Scheitel der Falten 11 definierten Oberfläche.
Das Umhüllungselement 50 ist vorzugsweise so befestigt, dass ein Abwickeln von dem Filterelement 10 verhindert wird. Eine Methode des Befestigens des Umhüllungselementes 50 besteht darin, es durch ein Bindemittel, wie einen Schmelzkleber, das auf das Umhüllungselement 50 aufgebracht wird, wenn es um das Filterelement 10 gewickelt wird, am Filterelement 10 zu befestigen. Das Bindemittel kann auf das Umhüllungselement 50 in Form eines kontinuierlichen oder intermittierenden Stranges aufgebracht werden, der sich parallel zu den Kanten des Umhüllungselementes 50 um das Filterelement 10 erstreckt. Alternativ kann das Umhüllungselement 50, wenn es aus einem polymeren Material besteht, mit Hilfe eines heißen Rades, das entlang der Länge des Filterelementes 10 wandert, während sich das Filterelement 10 dreht, an das Filterelement 10 schmelzgebunden werden. Das Umhüllungselement 50 kann direkt am Filterelement 10 befestigt werden, oder es können, falls es Überlappungen zwischen benachbarten Windungen des Umhüllungselementes 50 gibt, die benachbarten Windungen direkt aneinander befestigt werden. Es ist auch möglich, das Umhüllungselement 50 um das Filterelement 10 zu wickeln, ohne dass die beiden direkt aneinander befestigt werden, und nur die den Endkappen 40 benachbarten Abschnitte des Umhüllungselementes 50 mit Hilfe der Endkappen 40 oder durch andere mechanischen Mittel, wie Crimpen, zu befestigen.
Ein Umhüllungselement 50 wird üblicherweise um ein zylinderförmiges Filterelement gewickelt, indem das Filterelement auf einen Dorn gebracht wird und der Dorn und das Filterelement gedreht werden, während das Umhüllungselement auf das Filterelement aufgebracht wird. Die Falten des Filterelementes können zum Zeitpunkt der Umhüllung durch Verwendung einer trichterförmigen Vorrichtung 60, wie der in der 5 illustrierten, in einen übereinandergelegten Zustand gebracht werden. Wenn der Dorn gedreht wird, kann die Vorrichtung 60 in Längsrichtung des Filterelementes vorgeschoben werden. Wenn die Falten aus dem Ausgang der Vorrichtung 60 austreten, sind sie im übereinandergelegten Zustand, und das Umhüllungselement 50 kann um die Falten in diesem Zustand gewickelt werden.
Das Umhüllungselement 50 ist nicht auf einen einzelnen Materialstreifen eingeschränkt. Beispielsweise kann das Umhüllungselement 50 zwei Streifen Material umfassen, die in einer Doppelhelix um das Filterelement 10 gewickelt sind. Alternativ kann das Umhüllungselement 50 statt helixförmig auch in Umfangsrichtung um das Filterelement 10 gewickelt werden.
Nachstehend ist eine Reihe von Faltenfilterelementen gemäß der vorliegenden Erfindung aufgelistet. Die Komponenten jedes Filterelementes sind von der Aufstromseite zur Abstromseite des Elementes aufgelistet.
In jedem der obigen Beispiele standen die gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Schenkel der Falten über die gesamte axiale Länge des Filterelementes in innigem Kontakt.
Die illustrierten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind für die Verwendung bei radialem Fluidstrom von außen nach innen durch das Filterelement gedacht. Es ist jedoch auch möglich, ein erfindungsgemäßes Filter für einen radialen Strom von innen nach außen zu verwenden. Ein zu filtrierendes Fluid, i. e. eine Flüssigkeit oder ein Gas, wird durch die übereinandergelegten Falten 11 des Filterelementes 10 des Filters geleitet. Das Fluid wird durch die aufstromseitige Drainagelage 13 entlang der gesamten aufstromseitigen Oberfläche des Filtermittels 12 verteilt, selbst auf die Bereiche des Filtermittels 12 tief in dem Filterelement 10, nahe dem Kern 20. Das Fluid geht dann durch das Filtermittel 12, wobei das Fluid filtriert wird und Teilchen auf oder in dem Filtermittel 12 abgelagert werden. Von der Abstromseite des Filtermittels 12 wird das filtrierte Fluid entlang der abstromseitigen Drainagelage 14 abgezogen, tritt in den perforierten Kern 20 ein und aus dem Filter aus.
Das Filter kann gereinigt werden, indem ein Reinigungsfluid in der entgegengesetzten Richtung durch das Filter geleitet wird. Das Reinigungsfluid kann ein Gas sein, das durch das Filter zurückgeblasen wird, oder es kann eine Flüssigkeit sein, die durch das Filter rückgespült wird. Beispielsweise kann eine Rückspülflüssigkeit, wie Wasser, vom Inneren des perforierten Kerns 20 durch die übereinandergelegten Falten 11 des Filterelementes 10 geleitet werden. Die Rückspülflüssigkeit wird von der abstromseitigen Drainagelage 14 entlang der gesamten abstromseitigen Oberfläche des Filtermittels 12 verteilt, selbst in den Bereichen des Filtermittels 12, die sich vom Kern 20 beabstandet, nahe dem Korb 30 oder der Umhüllung 50 befinden. Die Rückspülflüssigkeit geht dann durch das Filtermittel 12, wobei es Teilchen vom Inne ren des Filtermittels 12 und/oder von der aufstromseitigen Oberfläche des Filtermittels 12 abführt. Die Teilchen werden dann durch die aufstromseitige Drainagelage 13 gespült und mit der Rückspülflüssigkeit aus dem Filter ausgetragen. Das Verhältnis der Menge an Rückspülflüssigkeit, mit der das Filterelement durchgespült wird, zur Menge an Fluid, das durch das Filterelement filtriert wird, kann so viel wie etwa 10 und bevorzugter im Bereich von etwa 2 bis etwa 4 sein.
Während Filter, welche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen, in einer großen Anzahl von Anwendungen nützlich sind, ist eine besonders vorteilhafte Verwendung die als Anschwemmfilter. Ein Beispiel für ein Anschwemmfilter 130 ist in der 23 gezeigt und umfasst im Allgemeinen einen perforierten Kern 20 und ein übereinandergelegtes Filterelement 10, das denen des in der 1 gezeigten Filters ähnlich sein kann. Außerdem umfasst das Anschwemmfilter 130 eine Umhüllung 50, die als Septum zum Halten einer Anschwemmschicht 131 dient, und ein Schutzelement 132 zum Schutz der Anschwemmschicht 131 vor Erosion.
Um das Filterelement 10 und das Septum 50 vor radial gerichteten Kräften zu schützen, kann der Kern 20 jedwedes ausreichend starke, steife Material umfassen, das mit dem zu reinigenden Fluid kompatibel ist, wie zuvor beschrieben. Obwohl das Anschwemmfilter vorzugsweise einen perforierten Kern aufweist, kann der Kern auch weggelassen werden, beispielsweise wenn das Filterelement ausreichende strukturelle Integrität aufweist, um radial gerichteten Kräften ohne Kern zu widerstehen.
Das Filterelement 10 kann ein einlagiges oder ein mehrlagiges Komposit-Material sein und jedwedes geeignete Filtermittel sowie ein Drainagemittel und eine Pufferlage umfassen, wie zuvor beschrieben. Wenn das Anschwemmfilter beispielsweise für Aufbereitung von Nuklearkondensat verwendet werden soll, wo das zu reinigende Fluid Wasser ist, kann das Filterelement 10 ein sandwichartig zwischen einer aufstromseitigen Drainagelage und einer abstromseitigen Drainagelage angeordnetes Filtermittel aufweisen. Jede Drainagelage kann eine extrudierte Polypropylen-Netzstruktur aufweisen. Das Filtermittel schließt enthält ein Fasermaterial, das Fasern aus aromatischem Polyamid umfasst, wie die unter der Handelsbezeichnung Kevlar von DuPont de Nemours E. I. Co. erhältlichen, die fibrilliert und an ein Cellulose- oder ein polymeres Nonwoven-Substrat harzgebunden sind, das die Abstromseite des Mittels bildet. Die Porengröße des Filtermittels ist vorzugsweise ausreichend klein, dass das Filtermittel in der Lage ist, im Wesentlichen alle Teilchen im Anschwemmschichtmaterial aufzuhalten, so dass feine Teilchen in dem Anschwemmmaterial, die durch das Septum gehen, durch das Filtermittel zurückgehalten werden. Die Porengröße des Filtermittel kann auch ausreichend klein sein, um zusätzliche Feinteilchen in dem zu filtrierenden Fluid aufzuhalten, Feinteilchen, die zu klein sein können, um von der Anschwemmschicht 131 abgefangen zu werden.
Das Septum 50 umfasst vorzugsweise eine flexible, poröse Umhüllung, die um die äußere Peripherie des Filterelementes 10 gewickelt ist und diese vollständig bedeckt, wie zuvor beschrieben. Vorzugsweise ist das Septum 50 ausreichend stark, so dass es nicht nur als Träger für die Anschwemmschicht 131 dienen kann, sondern auch als Mittel, um das Filterelement 10 in einem übereinandergelegten Zustand zu halten, und zwar sowohl während der Filtration (wenn das Anschwemmfilter einem radial nach innen gerichteten Strom ausgesetzt ist) als auch während des Rückspülens (wenn das Anschwemmfilterelement einem radial nach außen gerichteten Strom ausgesetzt ist). Das Septum 50 ist vorzugsweise auch ausreichend stark, um radial nach außen gerichteten Drücken auf das Anschwemmfilter während des Rückspülens zu widerstehen. Üblicherweise liegen diese Drücke im Bereich von ungefähr 69,95 kPa (10 psi) bis ungefähr 699,5 kPa (100 psi).
Das Septum 50 wird vorzugsweise so gewählt, dass es eine solche Porengröße aufweist, dass es den Durchgang der meisten Teilchen in dem Anschwemmmaterial verhindern kann, wodurch sich ein Kuchen von Anschwemmmaterial auf der aufstromseitigen Oberfläche des Septums aufbauen kann. Wenn die kleinsten Teilchen in dem Anschwemmmaterial das Septum 50 passieren, können sie von dem Filterelement 10 aufgehalten werden, das eine sehr hohe Schmutzkapazität hat und daher nicht durch die feinen Teilchen verstopft wird. Da das Septum 50 nicht alle Teilchen in dem Anschwemmmaterial halten muss, kann es eine Porosität haben, die ermöglicht, dass es während einer langen Zeitdauer in Verwendung bleibt, ehe es gereinigt oder ersetzt werden muss.
Das Material, aus dem das Septum 50 hergestellt ist, hängt von den Eigenschaften des zu filtrierenden Fluids und des Anschwemmmaterials ab. Ein geeignetes Septum-Material ist beispielsweise eine gewebte Netzstruktur aus korrosionsbeständigem Metal, wie rostfreiem Stahl. Es ist eine ganze Reihe von Bindungen geeignet, darunter Kreuzbindung und Dutch Köperbindung, wobei die Kreuzbindung bevorzugt ist, weil sie dünner und daher leichter zu handhaben ist. In anderen Anwendungen kann das Septum eine polymere Netzstruktur oder ein polymeres Nonwoven sein. Bei der Aufbereitung von Nuklearkondensat ist ein bevorzugtes Material für das Septum eine Netzstruktur mit Kreuzbindung aus rostfreiem Stahl mit 120 × 180 × 0,1 mm (0,004 Inch) × 0,089 mm (0,0035 Inch).
Das Septum kann auf das Filterelement auf irgendeine Art aufgebracht werden, so dass alles Fluid, welches nach innen durch das Filterelement strömt, zuerst durch das Septum gehen muss. Vorzugsweise stützt sich das Septum auf das Filterelement und bevorzugter steht es mit dem Filterelement in direktem Kontakt. In der gegenständlichen Ausführungsform hat das Septum 50 die Form eines Streifens mit parallelen Seiten, der in einer Mehrzahl von Windungen über die ganze Länge des Filterelementes helixförmig um das Filterelement 10 gewickelt ist. Vorzugsweise überlappen benachbarte Windungen des Septums 50, um zu verhindern, dass das Anschwemmmaterial das Septum 50 umgeht. Das Ausmaß der Überlappung kann auf Basis der gewünschten Dicke des Septums 50 gewählt werden. Indem beispielsweise das Septum 50 mit einer Überlappung von 50% gewickelt wird, kann doppelte Dicke des Septums 50 um das Filterelement 10 bereitgestellt werden. Das Septum 50 muss nicht die Form einer helixförmigen Umhüllung haben, es könnte statt dessen beispielsweise in Richtung des Umfangs des Filterelementes 10 gewickelt sein. Eine helixförmige Umhüllung ist jedoch insofern vorteilhaft, als ein schmales Septum 50 zum Umhüllen eines Filterelementes 10 jedweder Länge verwendet werden kann. Ein geeignetes Schneideverfahren, wie Laser-Schneiden, kann angewendet werden um sicherzustellen, dass keine scharfen Kanten auf dem Septum-Streifen vorhanden sind.
Das Septum 50 wird vorzugsweise auf eine Art vom Bewegen abgehalten, die es am Abwickeln vom Filterelement während der normalen Verwendung und Handhabung hindert. Ein Verfahren der Befestigung des Septums 50 besteht darin, es an der äußeren Peripherie des Filterelementes 10 mit einem Bindemittel, wie einem Schmelzkleber, der auf die innere Oberfläche des Septums 50 aufgebracht wird, wenn es um das Filterelement 10 gewickelt wird, zu befestigen. Das Bindemittel kann auf das Septum 50 in Form eines kontinuierlichen oder intermittierenden Stranges aufgebracht werden, der sich parallel zu den Kanten des Septums 50 um das Filterelement 10 windet. Alternativ kann das Septum 50, wenn es aus einem polymeren Material besteht, mit Hilfe eines heißen Rades, das entlang der Länge des Filterelementes 10 wandert, während das Filterelement 10 gedreht wird, an das Filterelement 10 schmelzgebunden werden. Statt das Septum 50 direkt am Filterelement 10 zu befestigen, oder zusätzlich dazu, können im Falle von Überlappungen benachbarter Windungen des Septums 50 die benachbarten Windungen direkt, beispielsweise durch Schweißen oder Kleben, aneinander befestigt werden. In vielen Fällen ist es jedoch ausreichend, das Septum 50 um das Filterelement 10 zu wickeln, ohne dass die beiden direkt miteinander verbunden werden und ohne dass benachbarte Windungen des Septums 50 aneinander befestigt werden, und nur die den axialen Enden des Filterelementes 10 benachbarten Endabschnitte des Septums 50 durch Kleben, durch Fixieren des Septums 50 an den Endkappen oder durch ein anderes mechanisches Mittel, wie Klebeband oder Metallband, wie ein Band aus rosttreiem Stahl, festzuhalten.
Wenn die Anschwemmschicht auf das Anschwemmfilter aufgebracht und wenn das zu filtrierende Fluid durch das Anschwemmfilter geleitet wird, strömt Fluid radial nach innen durch das Anschwemmfilter und unterliegt dabei einem Druckabfall. Aufgrund des Druckabfalls wirkt eine radial nach innen gerichtete Kraft auf das Filterelement. Ein herkömmliches Faltenfilterelement mit sich radial erstreckenden Falten kann aufgrund dieser nach innen gerichteten Kraft zusammengedrückt werden oder zusammenfallen. Dieses Zusammendrücken bringt das Septum zum Knittern oder Knicken und dadurch reißt und bricht die Anschwemmschicht, was nicht wünschenswert ist. Da jedoch die Falten eines Anschwemmfilters 130, das diesen Aspekt der vorliegenden Erfindung verkörpert, im übereinandergelegten Zustand sind, kann das Septum 50 anfangs sehr straft um das Filterelement 10 gewickelt werden, ohne dass die Falten beschädigt werden. Je dichter das Filterelement 10 vor Begin der Filtration ist, desto kleiner ist das Ausmaß der Kompression des Filterelementes 10, des Septums 50 und der Anschwemmschicht 131 während der Filtration. Daher wird das Septum 50 vorzugsweise mit ausreichender Anfangsspannung um das Filterelement 10 gewickelt, so dass die Anschwemmschicht 131 unter den erwarteten Betriebsdrücken des Anschwemmfilters nicht reißt. Beispielsweise kann das Septum 50 unter Anwendung einer Spannung von bis zu etwa 52,5 N (30 Pfund) oder mehr pro cm (Inch) Breite um das Filterelement 10 gewickelt werden. Die Anfangsspannung des Septums 50 hängt von Faktoren wie der Art des Anschwemmfilters 130 und den Betriebsdrücken während der Filtration ab. Vorzugsweise wird das Septum 50 mit einer solchen Anfangsspannung gewickelt, dass die Kompression des Durchmessers des Anschwemmfilters 130 aufgrund des Druckabfalls über das Anschwemmfilter 130 während der Filtration nicht größer als ungefähr 5% ist. Das strafte Umwickeln des Filterelementes 10 mit dem Septum 50 komprimiert nicht nur das Filterelement 10 vor der Filtration, sondern verhindert auch die Bewegung der Falten während Fluktuationen des Druckes über das Precoat-Element – eine Bewegung, die das Reißen der Anschwemmschicht 131 bewirken könnte.
Obwohl benachbarte Schenkel der Falten des Filterelementes 10 in innigen Kontakt miteinander gedrückt werden, wenn die Falten im übereinandergelegten Zustand sind, kann das Fluid aufgrund des Vorhandenseins der Drainagelagen leicht entlang der aufstromseitigen und abstromseitigen Oberfläche des Filtermittels strömen. Daher beeinträchtigt das strafte Umwickeln des Filterelementes 10 mit dem Septum 50 das Filtriervermögen des Anschwemmfilters 130 nicht.
Das Septum 50 kann von einem Schutzelement 132 umgeben sein, welches als Strömungsrichter fungiert, um Turbulenzen in dem das Anschwemmfilter umgebenden Fluid am Erodieren der Anschwemmschicht 131 zu hindern. Das Schutzelement 132 stützt auch die Anschwemmschicht 131 während kurzer Perioden, während deren der radial nach innen gerichtete Strom durch das Anschwemmfilter 130 abnimmt oder gestoppt wird. Das Schutzelement 132 kann aus einer ganzen Reihe von Materialien bestehen, die ausreichend porös sind, dass das Anschwemmmaterial leicht durchtreten kann. Ein Beispiel für ein geeignetes Material für das Schutzelement 132 ist eine gewirkte polymere Netzstruktur, wie in der US-PS 4 904 380 geoffenbart, die nach verschiedenen Verfahren um das Septum 50 angeordnet werden kann. Beispielsweise kann sie die Form eines Netzstruktur-Streifens haben, der helixförmig um das Septum 50 gewickelt wird, oder sie kann die Form eines Ärmels haben, sich jeweils vollständig oder partiell über das Precoat-Element erstreckend.
Das Anschwemmfilter umfasst auch Endkappen, die an einem oder mehreren der Teile: Kern, übereinandergelegtes Filterelement und Septum auf jedwede geeignete Art angebracht werden können, wie zuvor beschrieben. Die Endkappen können verwendet werden, um die Enden des Septums 50 zu befestigen und dieses am Abwickeln zu hindern. Wenn die Enden des Septums 50 vor dem Anbringen der Endkap pen durch mechanische Rückhalteelemente, wie Band oder Steifen, festgehalten werden, können die Endkappen über den Rückhalteelementen angebracht werden. Obwohl das nicht gezeigt ist, können die Endkappen mit herkömmlichen Dichtungselementen ausgestattet sein, wie Dichtungen oder O-Ringe, um das Anschwemmfilter dichtend mit einem Filtrationssystem, in dem es verwendet werden soll, zu verbinden.
Das Anschwemmfilter kann weiter einen perforierten Korb oder ein ähnliches Element aufweisen, welches das Schutzelement 132 umgibt, um das Schutzelement 132 an seinem Platz zu halten und dem Anschwemmfilter zusätzlich Festigkeit zu verleihen. Dieser Korb hat Öffnungen, die vorzugsweise ausreichend groß sind, so dass der Strom des Fluids nicht behindert und kein signifikanter Druckabfall erzeugt wird. Der Korb kann eine herkömmliche Konstruktion und aus jedwedem Material, das mit dem zu filtrierenden Fluid kompatibel ist, hergestellt sein.
Ein Anschwemmfilter mit übereinandergelegten Falten ist einem herkömmlichen Faltenfilter vorzuziehen, weil es einen wesentlich größeren Oberflächenbereich als ein herkömmliches Faltenfilter mit denselben Innen- und Außenabmessungen hat. Das bedeutet, dass das Anschwemmfilter mit übereinandergelegten Falten eine längere Lebensdauer hat und feine Teilchen der Anschwemmschicht 131, die durch das Septum 50 treten, längere Zeit ohne Verschmutzung aufhalten kann.
Außerdem widerstehen die Falten, da sie im übereinandergelegten Zustand sind, besser Schädigungen aufgrund von Druckkräften, die erzeugt werden, wenn das Septum 50 um das Filterelement 10 gewickelt wird und wenn das Fluid durch die Anschwemmschicht 131 und das Anschwemmfilter 130 strömt. Diese Kräfte verteilen sich entlang dem Schenkel jeder übereinandergelegten Falte, statt am Kopf konzentriert zu werden, wie bei herkömmlichen, sich radial erstreckenden Falten. Folglich kann das Septum 50 straffer um ein übereinandergelegtes Filterelement 10 gewickelt werden, und das übereinandergelegte Filterelement 10 kann größeren Precoat-Druckdifterenzen ohne Beschädigung widerstehen als ein herkömmliches Faltenfilter.
Außerdem bewirkt die Tatsache, dass die Falten in einem übereinandergelegten Zustand sind, dass die Falten gleichmäßig gestützt werden und dass konzentrierte Beladungen gleichmäßig über das Anschwemmfilter verteilt werden. Das minimiert die Bewegung der Falten und erhöht deren Fähigkeit, Teilchen in Systemen mit pulsierender Strömung zurückzuhalten. Wenn die Falten in einem übereinandergelegten Zustand sind, sind zudem die Endoberflächen des Filterelementes außerordentlich kompakt und bieten während des Anbringens der Endkappen an den Enden der Filterpackung größeren Widerstand gegen Beschädigung.
Die Anschwemmschicht 131 wird üblicherweise auf das Septum 50 aufgebracht, nachdem das Anschwemmfilter in ein Filtrationssystem eingebaut wurde. Das Anschwemmmaterial kann entsprechend dem Fluid, das filtriert wird, gewählt werden, und ein Anschwemmfilter gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Verwendung mit einer speziellen Art von Anschwemmmaterial eingeschränkt. In einem System zur Kondensataufbereitung für ein Kernkraftwerk umfasst das Anschwemmmaterial häufig lonenaustauscherharze. Alternativ kann das Anschwemmmaterial jedwedes andere geeignete Material umfassen, wie Diatomeenerde. Die Dicke der Anschwemmschicht 131 hängt von den gewünschten Filtrationseigenschaften und/oder den lonenaustauschereigenschaften ab. Die Anschwemmschicht 131 kann nach jedwedem geeigneten Verfahren, wie den üblicherweise in bestehenden, Anschwemmfilter verwendenden Filtrationssystemen verwendeten Verfahren, auf das Septum 50 aufgebracht werden. Beispielsweise kann eine das Anschwemmmaterial enthaltende Aufschlämmung von außen nach innen durch das Anschwemmfilter 130 geleitet werden, bis sich ein ausreichender Kuchen auf dem Septum 50 und innerhalb des Schutzelementes 132 abgelagert hat.
Wenn die Anschwemmschicht 131 auf dem Septum 50 ist, kann das zu filtrierende Fluid, typischerweise eine Flüssigkeit, durch die Anschwemmschicht 131, das Septum 50 und das Filterelement 10 geleitet werden. Die Anschwemmschicht 131 kann sowohl dazu dienen, Teilchen zu entfernen, z. B. indem die Teilchen innerhalb der Anschwemmschicht 131 gehalten werden, als auch zur Entfernung von Verunreinigungen, z. B. durch lonenaustausch oder Sorption. Das Filterelement 10 kann zum Abfangen kleiner Teilchen der Anschwemmschicht 131, die sich aus der Anschwemmschicht 131 lösen und durch das Septum 50 gehen, dienen. Außerdem kann das Faltenfilterelement 10 mit seinem großen Oberflächenbereich eine ausreichend kleine Porengröße haben, um Feinteilchen aus dem zu filtrierenden Fluid zu entfernen, die ansonsten durch die Anschwemmschicht 131 und das Septum 50 ge hen. Das Faltenfilterelement kann also Porendimensionen haben, das kleiner als die der Anschwemmschicht oder des Septums ist.
Die Anschwemmschicht 131 kann vom Septum 50 durch Rückspülen entfernt werden, wenn sie erschöpft oder durch Teilchen so verstopft ist, dass der Druckabfall über das Septum 50 oder das Filterelement 10 inakzeptabel hoch wird. Das Rückspülen erfolgt dadurch, dass man ein Rückspülfluid, wie Wasser, durch das Anschwemmfilter in der zur Filtration entgegengesetzten Richtung, z. B. von innen nach außen, durch das Anschwemmfilter leitet, wie zuvor beschrieben. Das Schutzelement 132 ist ausreichend porös, so dass die Anschwemmschicht 131 leicht davon abgelöst und dann geeignet entsorgt werden kann. Aufgrund des Vorhandenseins der Drainagelagen kann das Rückspülfluid leicht entlang der aufstromseitigen und der abstromseitigen Oberfläche des Filtermittels strömen, selbst wenn das Septum 50 straft um das Filterelement 10 gewickelt ist. Folglich können der Durchsatz, der Druck und andere Parameter des Rückspülfluids während des Rückspülens jene sein, die üblicherweise bei herkömmlichen Anschwemmfiltern verwendet werden. Das Rückspülen kann in bestimmten Zeitintervallen durchgeführt werden, oder es kann durchgeführt werden, wenn der Druckabfall über das Anschwemmfilter 130 während des Filterns einen vorbestimmten Wert erreicht, der anzeigt, dass das Filterelement 10 oder das Septum 50 verstopft ist. Das Rückspülen dient nicht nur dem Entfernen der Anschwemmschicht 131 vom Septum 50, sondern reinigt auch das Filterelementes 10 durch Ablösen von Teilchen aus dem Filterelement 10. Nachdem die Anschwemmschicht 131 durch Rückspülen entfernt wurde, kann eine frische Anschwemmschicht 131 auf die gleiche Weise aufgebracht werden wie die ursprüngliche Anschwemmschicht 131, und das Precoat-Element kann wieder zum Filtrieren verwendet werden.
Ein nicht erfindungsgemäßes Precoat-Element ist nicht auf eines mit übereinandergelegten Falten eingeschränkt, und es ist möglich, das Septum um ein herkömmliches gefaltetes Element zu wickeln, das sich radial erstreckende Falten nicht im übereinandergelegten Zustand hat, wobei das Septum gegen die Falten gelegt ist und vorzugsweise direkt mit ihnen in Kontakt steht. Sich radial erstreckende Falten haben jedoch eine geringe Knickfestigkeit, und das Septum muss ziemlich locker um ein solches Faltenelement gewickelt werden, um ein Knicken zu verhindern. Folglich können die Falten während der Filtration Relativbewegungen machen oder als Reak tion auf die Druckdifferenz über die Anschwemmschicht zusammendrücken, was zu einer Verformung des Septums mit begleitendem Reißen der Anschwemmschicht führen kann. Dennoch kann in Anwendungen, in denen während der Filtration nur ein kleiner Druckabfall über das Anschwemmfilter auftritt und die Falten nur geringe Relativbewegung machen, das Septum mit ausreichend niedriger Spannung um das herkömmlich gefaltete Element gewickelt werden, dass ein herkömmlich gefaltetes Element als Precoat-Element verwendet werden kann.
Die 24 illustriert ein zweites, nicht erfindungsgemäßes Anschwemmfilter 140. Um die Schwäche der herkömmlichen, sich radial erstreckenden Falten zu überwinden, werden die Falten des Filterelementes 10 zu einer Mehrzahl von Gruppen 141 geformt, die jede eine Mehrzahl von Falten enthalten, und benachbarte Faltengruppen 141 sind durch keilförmige Stützelemente 142 getrennt. Ein Filterelement mit durch keilförmige Stützen gruppierten Falten ist detailliert in der US-PS 4 154 688 beschrieben. Das zweite Anschwemmfilter 140 umfasst weiter Endkappen und ein um das Filterelement 10 gewickeltes Septum 50, und es kann ein Schutzelement 132 einschließen, wie zuvor beschrieben. Zudem kann das zweite Anschwemmfilter 140 mit einer Anschwemmschicht versehen und rückgespült werden, wie zuvor beschrieben.
Die Keilstützen 142 des zweiten Anschwemmfilters 140 versteifen die Falten, so dass das Septum 50 straft um das Filterelement 10 gewickelt werden und das zweite Anschwemmfilter 140 großen Druckunterschieden widerstehen kann. Die Keilstützen 142 vermindern jedoch den verfügbaren Filtrationsbereich, so dass das zweite Anschwemmfilter 140 weniger bevorzugt ist als das erste Anschwemmfilter 130.

Claims

Filter, welches eine oder mehrere Substanzen aus einem das Filter durchströmenden Fluid entfernt, wobei das Filter umfasst: ein zylinderförmiges Filterelement (10) mit einer Längsachse, einem Innendurchmesser (d), einem Außendurchmesser (D) und einer Mehrzahl von Längsfalten zwischen den Durchmessern, wobei jede Falte (11) sich in einer gekrümmten, bogenförmigen, winkelförmigen oder geraden nicht-radialen Richtung erstreckt und einen Kopf (11b) an der äußeren Peripherie des Filterelementes, einen Fuß (11c) an der inneren Peripherie des Filterelementes und ein Paar Schenkel (11a) aufweist und wobei die Schenkel jeder Falte an dem Kopf der Falte miteinander verbunden sind und mit Schenkeln von benachbarten Falten an dem Fuß der Falte verbunden sind, wobei jede Falte eine Höhe (h) aufweist, die größer als (D – d)/2 und kleiner als ca. (D2 – d2)/[4(d + 2t)] ist, wobei t die Dicke eines Faltenschenkels ist, wobei die Höhe gemessen wird in einer Richtung entlang der Schenkel von dem Fuß zu dem Kopf und wobei (D2 – d2)/[4(d + 2t)] die maximale Faltenhöhe ist, die für ein Filterelement erzielt werden kann, bei dem die einander gegenüberliegenden inneren Oberflächen (11d) der Schenkel (11a) jeder Falte über die gesamte Höhe der Schenkel in innigem Kontakt miteinander stehen und die einander gegenüberliegenden äußeren Oberflächen (11e) der Schenkel von benachbarten Falten ebenfalls über die gesamte Höhe der benachbarten Falten in innigem Kontakt stehen.
Filter nach Anspruch 1, bei dem das Filterelement ferner eine erste und eine zweite Endoberfläche aufweist, wobei das Faltenfilterelement ein gefaltetes Komposit-Material mit einem Filtermittel, welches eine Aufstromseite und eine Abstromseite aufweist, einem stromauf der Aufstromseite des Filtermittels angeordneten aufstromseitigen Drainagemittel und einem stromab der Abstromseite des Filtermittels angeordnetem abstromseitigen Drainagemittel umfasst, wobei das Filter ferner ein erstes und ein zweites Endelement in gedichteter Anordnung zu der ersten bzw. zweiten Endoberfläche des Faltenfilterelementes umfasst, wobei wenigstens eines der Endelemente ein offenes Endelement umfasst.
Filter nach Anspruch 2, bei dem das aufstromseitige und das abstromseitige Drainagemittel im Wesentlichen den gleichen Längsströmungswiderstand aufweisen.
Filter nach Anspruch 2 oder 3, bei dem das aufstromseitige und das abstromseitige Drainagemittel identische Materialien umfassen.
Filter nach Anspruch 2, bei dem das aufstromseitige und das abstromseitige Drainagemittel unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
Filter nach Anspruch 5, bei dem das aufstromseitige Drainagemittel dicker ist als das abstromseitige Drainagemittel.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem das aufstromseitige Drainagemittel einen Längsströmungswiderstand aufweist, derart, dass der Druckabfall in dem aufstromseitigen Drainagemittel niedriger ist als der Druckabfall über das Filtermittel.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das aufstromseitige Drainagemittel und/oder das abstromseitige Drainagemittel eine gewebte oder nicht-gewebte Schicht umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das aufstromseitige Drainagemittel und/oder das abstromseitige Drainagemittel eine Netz- oder Gitterstrukturumfasst.
Filter nach Anspruch 9, bei dem die Netzstruktur einen Satz paralleler Stränge mit einer Strangdichte von wenigstens 10 Strängen pro 25,4 mm (1 Inch) aufweist, wobei die Drainagenetzstruktur eines Schenkels gegen die Drainagenetzstruktur eines benachbarten Schenkels gedrückt wird.
Filter nach Anspruch 9, bei dem die Netzstruktur eine extrudierte polymere Netzstruktur umfasst, welche einen ersten und einen zweiten Satz paralleler Stränge aufweist, wobei der erste Satz von Strängen zwischen dem Filtermittel und dem zweiten Satz von Strängen angeordnet ist und eine Strangdichte von wenigstens 10 Strängen pro 25,4 mm (1 Inch) aufweist, wobei die Drainagenetzstruktur eines Schenkels gegen die Drainagenetzstruktur eines benachbarten Schenkels gedrückt wird.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem das aufstromseitige Drainagemittel sowie das abstromseitige Drainagemittel eine Netzstruktur umfassen, welche einen Satz paralleler Stränge mit einer Strangdichte von wenigstens 10 Strängen je 25,4 mm (1 Inch) aufweist, wobei die Drainagenetzstruktur eines Schenkels gegen die Drainagenetzstruktur eines benachbarten Schenkels gedrückt wird.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das Filtermittel wenigstens ein erstes und ein zweites Filtermittel-Medium umfasst.
Filter nach Anspruch 13, bei dem das erste und das zweite Filtermittel-Medium unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
Filter nach Anspruch 14, bei dem das erste Filtermittel ein Vorfilter umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem jede Falte eine Höhe von wenigstens ca. 80% von (D2 – d2)/[4(d + 2t)] aufweist.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 16, bei dem das Filtermittel eine poröse polymere Membran umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 16, bei dem das Filtermittel ein Fasermaterial umfasst.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 18, bei dem das Filtermittel eine abgestufte Porenstruktur aufweist, welche einen Bereich mit feineren Poren und einen stromauf des Bereichs mit feineren Poren angeordneten Bereich mit gröberen Poren aufweist.
Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 19, bei dem das erste und das zweite Endelement eine erste und eine zweite Endkappe aufweisen, welche mit der ersten und der zweiten Endoberfläche des Filterelementes verbunden sind, wobei die erste und/oder die zweite Endkappe eine offene Endkappe ist.
Filterverfahren, umfassend das Hindurchleiten eines Fluids in einer Richtung durch die Falten eines Filters nach einem der Ansprüche 1 bis 20; und Hindurchleiten eines Reinigungsfluids in der Gegenrichtung durch die Falten des Filters.
Filterverfahren nach Anspruch 21, wobei das Hindurchleiten des Fluids in einer Richtung und das Hindurchleiten des Reinigungsfluids in der Gegenrichtung das Hindurchleiten des Fluids im Wesentlichen von außen nach innen und das Hindurchleiten des Reinigungsfluids im Wesentlichen von innen nach außen durch die Falten des Filterelementes beinhalten.
Filterverfahren nach Anspruch 21, wobei das Hindurchleiten des Fluids in einer Richtung und das Hindurchleiten des Reinigungsfluids in der Gegenrichtung das Hindurchleiten des Fluids im Wesentlichen von innen nach außen und das Hindurchleiten des Reinigungsfluids im Wesentlichen von außen nach innen durch die Falten des Filterelementes beinhalten.
Filterverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei das Hindurchleiten des Fluids in einer Richtung das Hindurchleiten einer Flüssigkeit in einer Richtung durch das Filterelement beinhaltet.
Filterverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei das Hindurchleiten des Fluids in einer Richtung das Hindurchleiten eines Gases in einer Richtung durch das Filterelement beinhaltet.
Filterverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei das Hindurchleiten des Reinigungsfluids das Hindurchleiten einer Rückspülflüssigkeit in der Gegenrichtung durch das Filterelement beinhaltet.
Filterverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, wobei das Hindurchleiten des Reinigungsfluids das Hindurchleiten eines Rückspülgases in der Gegenrichtung durch das Element beinhaltet.
Verfahren zur Herstellung eines Filters, umfassend: Welligformen eines Komposit-Materials mit einem aufstromseitigen Drainagemittel, einem Filtermittel und einem abstromseitigen Drainagemittel zum Bilden einer Mehrzahl von Falten, welche sich in einer gekrümmten, bogenförmigen, winkelförmigen oder geraden nicht-radialen Richtung erstrecken, wobei jede Falte einen Kopf, einen Fuß und ein Paar Schenkel aufweist und wobei die Schenkel jeder Falte an dem Kopf der Falte miteinander verbunden sind und mit Schenkeln von benachbarten Falten an dem Fuß der Falte verbunden sind; Anordnen der Mehrzahl von Falten zu einem zylinderförmigen Filterelement mit einer ersten und einer zweiten Endoberfläche und sich in Längsrichtung erstreckenden Falten, wobei die Höhe jeder Falte, gemessen in einer Richtung entlang der Schenkel, von der inneren Peripherie am Fuß bis zur äußeren Peripherie am Kopf, größer als (D – d)/2 und kleiner oder gleich ca. (D2 – d2)/[4(d + 2t)] ist, wobei D und d den Außendurchmesser bzw. den Innendurchmesser des Filterelementes an der äußeren Peripherie bzw. der inneren Peripherie bezeichnen, wobei (D2 – d2)/[4(d + 2t)] die maximale Faltenhöhe ist, die für ein Filterelement erzielt werden kann, bei dem die einander gegenüberliegenden inneren Oberflächen (11d) der Schenkel (11a) jeder Falte über die gesamte Höhe der Schenkel in innigem Kontakt miteinander stehen und die einander gegenüberliegenden äußeren Oberflächen (11e) der Schenkel von benachbarten Falten ebenfalls über die gesamte Höhe der benachbarten Falten in innigem Kontakt stehen, und wobei t die Dicke eines Faltenschenkels ist; Abdichten des ersten und des zweiten Endelementes zu der ersten bzw. zweiten Endoberfläche des Faltenfilterelementes, wobei wenigstens eines der Endelemente ein offenes Endelement umfasst; und Anordnen einer Haltevorrichtung um die Mehrzahl von Falten.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem das Welligformen des Komposit-Materials das Welligformen eines Komposit-Materials beinhaltet, welches ein zwischen einem der Drainagemittel und dem Filtermittel angeordnetes Puffermittel aufweist, um eine Mehrzahl von Falten zu bilden, wobei das Puffermittel eine höhere Abriebfestigkeit als das Filtermittel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, bei dem das aufstromseitige Drainagemittel und/oder das abstromseitige Drainagemittel eine Netzstruktur umfasst, und wobei das Anordnen der Falten das Drücken eines Netzstruktur-Drainagemittels eines Schenkels gegen ein Netzstruktur-Drainagemittel eines benachbarten Schenkels beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem das aufstromseitige Drainagemittel und/oder das abstromseitige Drainagemittel eine Netzstruktur umfasst, welche einen Satz von parallelen Strängen mit einer Strangdichte von wenigstens 10 Strängen je 25,4 mm (1 Inch) aufweist, und wobei das Anordnen der Falten das Drücken eines Netzstruktur-Drainagemittels eines Schenkels gegen ein Netzstruktur-Drainagemittel eines benachbarten Schenkels beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem das aufstromseitige Drainagemittel und/oder das abstromseitige Drainagemittel eine extrudierte polymere Netzstruktur umfasst, welche einen ersten und einen zweiten Satz von parallelen Strängen aufweist, wobei der erste Satz paralleler Stränge zwischen dem Filtermittel und dem zweiten Satz paralleler Stränge angeordnet ist und eine Strangdichte von wenigstens 10 Strängen pro 25,4 mm (1 Inch) aufweist, und wobei das Anordnen der Falten das Drücken eines Netzstruktur-Drainagemittels eines Schenkels gegen ein Netzstruktur-Drainagemittel eines benachbarten Schenkels beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, bei dem das aufstromseitige Drainagemittel sowie das abstromseitige Drainagemittel eine extrudierte polymere Netzstruktur umfassen, welche einen ersten und einen zweiten Satz von parallelen Strängen aufweist, wobei der erste Satz paralleler Stränge zwischen dem Filtermittel und dem zweiten Satz paralleler Stränge angeordnet ist und eine Strangdichte von wenigstens 10 Strängen pro 25,4 mm (1 Inch) aufweist, und wobei das Anordnen der Falten das Drücken eines Netzstruktur-Drainagemittels eines Schenkels gegen ein Netzstruktur-Drainagemittel eines benachbarten Schenkels beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 30 bis 33, bei dem das Drücken der Netzstruktur-Drainagemittel das Drücken der Stränge eines Netzstruktur-Drainagemittels eines Schenkels gegen die Stränge des Netzstruktur-Drainagemittels des benachbarten Schenkels beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, bei dem das Welligformen des Komposit-Materials das Formen jeder Falte mit einem ersten Schenkel und einem zweiten, längeren Schenkel beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 35, bei dem das Anordnen der Mehrzahl von Falten das Abdichten von Längskanten des Faltenfilter-Kompositmaterials zueinander beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 36, bei dem das Anordnen der Mehrzahl von Falten das Formen der Falten zu einer zylinderförmigen Konfiguration mit anschließendem Drehen der Falten beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 37, bei dem das Abdichten des ersten Endelementes zu der ersten Endoberfläche das Bedecken der ersten Endoberfläche mit einer ersten Endkappe umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 38, ferner umfassend das Anordnen der Mehrzahl von Falten um einen perforierten Kern herum.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 39, bei dem das Anordnen einer Haltevorrichtung das Anordnen eines perforierten Korbs um die Mehrzahl von Falten herum beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 39, bei dem das Anordnen einer Haltevorrichtung das Umhüllen des Filterelementes mit einem Umhüllungselement beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 41, bei dem das Anordnen des Umhüllungselementes das helixförmige Umwickeln des Filterelementes mit einem porösen Streifen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 42, bei dem das Anordnen der Falten das Formen des Filterelementes derart, dass es sich in Längsrichtung erstreckende Falten, jeweils mit einer Höhe von wenigstens ca. 80% von (D2 – d2)/[4(d + 2t)], aufweist, beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 43, ferner umfassend das Formen eines im Wesentlichen glatten Radius am Kopf jeder Falte.