DE69409964T2 - Flüssigkeitsfilter - Google Patents

Flüssigkeitsfilter

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft generell Wegwerffilter für Fluidströme und insbesondere eine Kombination gewebefreier Wattierungen, die eine auf einer homogenen Wattierungsschicht befestigte, hochbauschige Wattierungsschicht aufweisen, für die Beseitigung von Teilchen aus einem Luftstrom.
    • Erfindungshintergrund
  • Viele Materialien und Materialkombinationen sind als Filtermedium verwendet worden, um feste oder flüssige Teilchen aus Fluidströmen zu beseitigen. Die Fähigkeiten dieser Filtermedien richten sich nach drei Hauptkriterien: (1) dem Teilchenbeseitigungswirkungsgrad (das ist die Fähigkeit des Filtermediums, die Teilchen zu fangen und zurückzuhalten), (2) -dem Druckabfall für eine gegebene Fluidflußrate durch das Medium (der als Maß für die erforderliche Kraft dient, den Fluidstrom durch das Medium zu treiben) und (3) der Festhaltekapazität (das ist die Gesamtmenge der Teilchen, die durch das Medium zurückgehalten werden kann, bevor der Druckabfall so groß wird, daß das Medium gereinigt oder ersetzt werden muß.
  • Häusliche und kommerzielle Heiz-, Belüftungs- und Klimaanlagen (HVAC-Anlagen) haben mit einer großen Vielfalt von Teilchen zu tun, die Staub, Baumwollfasern und Pollen umfassen. Anhnliche Filteranlagen werden in industriellen Farbspritzkabinen verwendet, um Farbtröpfchen aus dem Abluftstrom zu sammeln. Staubsammelanlagen werden ebenso in Industriegebieten benutzt, um die in Herstellungsprozessen freiwerdenden Nebenprodukte zu erfassen, die in Luftströmen vorhanden sind. Selbstverständlich ist die Beseitigung solcher Teilchen in all diesen Anlagen aus Gründen der Gesundheit, des Komforts und der ästhetischen Anziehungskraft erwünscht.
  • Alle Filtermedien stützen sich entweder auf der Anziehungskraft zwischen den Filtermedien und den Teilchen oder auf die "Filterung durch physikalische Sperre", um die Teilchen aus dem Fluidstrom zu entfernen. Die Verwendung von Anziehungskräften schließen elektromechanische Kräfte als auch chemische Kräfte bzw. Haftkräfte ein. Ein Beispiel für die elektromechanischen Kräfte ist die elektrostatische Filterung, bei der die natürliche elektrische Ladung der Teilchen und die natürliche elektrische Ladung der Filtermedien so sind, daß die Teilchen von den Filtermedien angezogen und zurückgehalten werden. Ein Beispiel für die chemischen Kräfte bzw. Haftkräfte ist die Filterung von Farbtröpfchen aus einem Luftstrom, wobei die Farbtröpfchen an der Oberfläche der Filtermedien haften. Die Filterung durch physikalische Sperre benutzt Filtermedien mit Öffnungen, die ausreichend klein sind, um das Durchdringen der eine bestimmte Größe (größer als die Öffnungen) aufweisenden Teilchen durch die Filtermedien zu verhindern.
  • Bekannte Wegwerffilter sind derart ausgebildet, daß sie aus billigen Materialien bestehen, die das Auswechseln gestatten, wenn die Filter "schmutzig" sind (d.h., wenn der aufgrund der zurückgehaltenen Teilchen erhöhte Druckabfall eine unerwünschte Energieerhöhung erfordert, um den Fluidstrom durch das Filter zu treiben). Wegwerffilter weisen im allgemeinen vier Konstruktionen auf: (1) dicke Schichten (1,27cm bis 5cm [1/2" bis 2"]) aus stabilisierten, hochbauschigen, gewebefreien, faserigen Medien, (2) dünne Schichten (weniger als 1,6mm [1/16"]) aus stabilisierten, gewebefreien, faserigen Medien, die auf einem Metallmaschenmaterial ausgewalzt und dann mechanisch gefaltet werden, (3) dünne Schichten (weniger als 6,35mm [1/4"]) aus stabilisierten, gewebehaltigen oder gewebefreien, faserigen Medien, die angeheftet oder geklebt worden sind, um ein Filterelement zu bilden, das aus vielen Zellen besteht, und (4) gestapelte Schichten aus gedehntem Papier.
  • Die stabilisierten, gewebefreien, faserigen Materialien, die für die ersten drei vorstehenden Arten der Wegwerffiltermedien benutzt werden, werden im allgemeinen aus natürlichen und/oder künstlichen Fasern, wie Glas, Baumwolle, Polyester oder Propylen, hergestellt. Die einzelnen Fasern können entweder eine diskrete Stapellänge haben oder kontinuierliche Fäden sein. Das Stabilisierungsverfahren für diese Fasermedien sind im allgemeinen entweder mechanisch (beispielsweise Nadellochung), chemisch (unter Verwendung von Klebe- oder Bindemitteln) oder thermisch (unter Verwendung von Kunststoffmaterialien, die in einer Wattierung enthalten sind und geschmolzen werden, um den Rest der Fasern nach Kühlung des geschmolzenen Materials zu binden). Die stabilisierten, gewebten, faserigen Materialien bestehen im allgemeinen aus geschichteten Blättern aus künstlichen Fäden großen Durchmessers, die lose miteinander verwoben sind und damit ein Webblatt bilden.
  • Die genannte, vierte Konstruktionsart besteht typischerweise aus einer Vielzahl von Schichten aus gedehntem Papier. Jede Schicht dieser Filterart ist aus einer kontinuierlichen Papierbahn gebildet, die wiederholt geschlitzt worden ist, so daß das Papier in einer Weise gestreckt werden kann, die der Streckung eines Metallsiebs ähnlich ist. Bei diesem Streckungsvorgang wird jeder diskrete Schlitz geweitet, so daß viele Öffnungen durch das Papier gebildet werden. Während der Streckung jeder Papierschicht werden die Papierstreifen zwischen den Schlitzen in natürlicher Weise gedreht, so daß eine dreidimensionale Struktur entsteht. Nach der Streckung wird jede Papierschicht mit Harz getränkt, um das Papier in der gestreckten Lage zu halten. Die Schichten aus gestrecktem Papier werden dann aufeinandergestapelt, so daß ein dreidimensionales Gebilde entsteht, das einen gewundenen Weg aus Öffnungen über die Stärke des Gebildes aufweist, wobei durch diese Öffnungen ein Luftstrom getrieben wird.
  • Die Auswahl einer besonderen Konstruktionsart hängt in typischer Weise von verschiedenen Faktoren ab, die Kostenüberlegungen und die Verwendung des Filteraufbaus einschließen.
  • Da die vorliegende Erfindung anfangs hinsichtlich der Verwendung in einer Abluftanlage einer Farbspritzkabine entwickelt wurde, sind die mit den bekannten Filtern in dieser Anlage verbundenen Probleme spezieller auf solche Anlagen gerichtet. Die erste Entscheidung, die für Filteranlagen für Farbspritzkabinen getroffen werden muß, ist die Art der zu benutzenden Filterstruktur. Filter aus gedehntem Papier sind typischerweise wegen der großen, einzelnen Öffnungen durch das Filter aus gedehntem Papier keine wirksamen Sperrfilter. Die Filter aus gedehntem Papier können jedoch bei Farbsperranwendungen wirksam sein, weil die Farbtröpfchen eine Hafteigenschaft haben. Der Kontakt eines Farbtröpfchens mit der Oberfläche des Papiers beim Durchströmen von Luft durch das Filter bewirkt, daß die Farbtröpfchen am Filter haften und im Filter zurückgehalten werden.
  • Der Hauptnachteil der Papierfilter in Farbsperranwendungen liegt in der Tatsache, daß die durch das Filter geführten Farbtröpfchen in einem sehr großen Größenbereich vorhanden sind. Abhängig von der Größe der Farbtröpfchen und der Farbart können die Farbtröpfchen trocknen und ihre Hafteigenschaft verlieren, bevor sie die Filtermedien berühren. In diesem Fall haften die festen Farbteilchen nicht am Papier, sondern sie werden vielmehr vom durch das Filter getriebenen Luftstrom durch die Filtermedien gestoßen. Bei dem Versuch zur Lösung dieses besonderen Problems verwenden bekannte Papierfilter eine dünne Schicht aus hochbauschiger, gewebefreier Wattierung als Endfilterungsstufe, um die getrockneten Farbtröpfchen zu fangen. Die Verwendung einer hochbauschigen, gewebefreien Wattierung für die Endstufe eines Filters aus gedehntem Papier unterscheidet sich von der Erfindung dadurch, daß die Papierendschicht tatsächlich den benutzbaren Flächenbereich der hochbauschigen Wattierung vermindert, weil der innige Kontakt zwischen Papier und der hochbauschigen Wattierung den Eingangsflächenbereich zur hochbauschigen Wattierung vermindert. Die Hauptvorteile bei der Benutzung von Filtern aus gedehntem Papier bestehen in der großen Größe der sich durch das Papier erstreckenden Öffnungen und dem gewundenen Weg, den der Luftstrom durch die Filtermedien nimmt. Die großen Öffnungen erlauben die Zurückhaltung bedeutender Farbtröpfchenmengen, bevor die Öffnungen aufgrund der Farbtröpfchensammlung verengt werden. Diese Verengung der Öffnungsgröße läßt den Druckabfall längs der Medien ansteigen, wobei die erforderliche Energie für das Durchtreiben der Luft durch die Filtermedien erhöht wird. Der gewundene Weg erhöht die Möglichkeit, daß Farbtröpfchen das Papier kontaktieren, so daß sie am Filtermaterial haften bleiben.
  • Während das Filter aus gedehntem Papier für eine vorteilhafte Verwendung im Bereich der Farbzurückhaltung sorgen, sind gewebefreie, faserige Filtermedien an eine große Vielfalt von Teilchenfilterungsanwendungen anpaßbar Bei der Produktion von gewebefreien Wattierungen aus künstlichen Fasern kann die Denier-Größe (der relative Durchmesser) der Fasern derart gewählt werden, daß die Größe der wirksamen Öffnungen durch die Wattierung und dabei die Wirksamkeit der Sperrfiltercharakteristik des Filters bestimmt werden. Je größer daher die Dernier-Größe der verwendeten Fasern ist, desto größer sind die wirksamen Öffnungsgrößen durch die Wattierung.
  • Bei der Festlegung der geeigneten Öffnungsgröße für die Filtermedien muß die Charakteristik der "Flächenbeladung" berücksichtigt werden. Da die Teilchendichte im Luftstrom größer als im Luftstrom innerhalb der Medien ist, werden die Eintrittsflächen der Medien generell schneller als Stellen "beladen", die sich tiefer im Filter befinden. Diese Beladung beschränkt selbstverständlich die Öffnungsgröße und erhöht dabei den Druckabfall längs den Filtermedien. Wegen der Beladung dieser Eingansfläche wird ein Austausch der Filtermedien erforderlich (aufgrund des erhöhten Druckabfalls an der Eingangsfläche), ehe die ganzen Medien für das Auffangen der Teilchen aus dem Luftstrom benutzt worden sind.
  • Daher ist zu erkennen, daß ein Kompromiß zwischen größeren Öffnungsgrößen (die für einen geringeren Druckabfall, ein größeres Auffangvermögen und eine geringere Flächenbeladung sorgen) und kleineren Öffnungsgrößen (die für eine erhöhte Wirksamkeit bei der Entfernung der Teilchen über einen größeren Bereich der Teilchengröße sorgen) geschlossen werden. Während die Fasergröße als Teil des Kompromißes angepaßt werden kann, sind für die Vergrößerung der Auffangkapazität der Filtermedien ohne Kompromißzugeständnis bei der Entfernungswirksamkeit zusätzliche Verfahren verwendet worden. Vier bekannte, generelle Verfahren sind benutzt worden: (1) Auswalzen der Medien, (2) Anheften oder Ankleben der Medien in "Vielfachtaschen", (3) Vielfachstufenfilter und (4) Staubtrenner.
  • Bei dem ersten Verfahren werden die Filtermedien ausgewalzt, so daß der Flächenbereich des Filterelements vergrößert wird, während die Öffnungsgröße klein bleibt. Typischerweise ist eine dünnes Metallsieb mit den Filtermedien geschichtet, so daß ein Produkt gebildet wird, das mechanisch in eine Akkordeon"-Form ausgewalzt ist. Dieses Verfahren hat mehrere Nachteile. Erstens erhöhen sich die Kosten aufgrund des verwendeten Metallmaterials und der Schichtungs- und Auswalzschritte. Zweitens erhöhen sich die Sicherheitsrisiken während der. Handhabung des Metallsiebs aufgrund der scharfen Kanten dieses Siebs. Eine Vergrößerung der Austausch- und Recyclingprobleme wird durch die Kombination des Metalls mit anderem austauschbaren Faserstoffen hervorgerufen. Schließlich tritt ein Mangel an Zugfestigkeit bei dieser Filtermedienart auf.
  • Um das oben beschriebene, gefaltete Material zu verwenden, muß es durch einen externen Rahmen entsprechend gestützt werden. Im anderen Fall würde die Einwirkung der Zugkräfte senkrecht zu den Faltlinien der Filtermedien eine Abplattung der Faltungen ergeben. Dieser Mangel der Zugfestigkeit verhindert den Gebrauch dieser Filtermedien in denjenigen Anwendungen, in denen eine hohe Zugfestigkeit notwendig ist (beispielsweise eine kommerzielle Aufwickelrollen- HVAC-Filterung, bei der die Medien von einer Vorratsrolle über den Luftkanalbetrieb abgezogen und dann auf eine Sammelrolle aufgewickelt werden).
  • Das oben beschriebene, zweite Verfahren besteht darin, daß die Filtermedien in "Vielfachtaschen" eingeheftet oder eingeklebt werden, die zur Eingangsebene der Filter hin offen sind und die stromabwärts weisen. Die Nachteile dieses Verfahrens umfassen die höheren Herstellungskosten für die Erzeugung der "Vielfachtaschen" und die höheren Anfangskosten für die Benutzung zusätzlicher Leitungsrohre und zusätzlichen Raums für diese Filterart.
  • Das dritte Verfahren, das zur Verbesserung des Auffangvermögens der Medien verwendet wird, besteht in der Produktion eines Vielfachstufenfilters, in dem kontinuierliche, homogene Schichten aus gewebefreien, faserigen Wattierungen, die eine unterschiedlich wirksame Offenheit haben, aufeinandergestapelt sind. Dadurch entsteht ein Filtermedium, bei dem der Fluidstrom zunächst zu einer offerenen Schicht gelangt, die eine größere Dernier-Größe hat, um große Teilchen zu entfernen. Der Fluidstrom gelangt dann zu Schichten mit allmählich verminderter Offenheit, so daß die kleineren Teilchen zurückbleiben. Das sich ergebende Filter ist so wirksam wie diejenige Stufe, die die kleinsten Öffnungen hat, doch ist die Endstufe nicht der vollen Teilchenmenge ausgesetzt, so daß die Flächenbeladungswirkung verringert und die verwendbare Lebensdauer des Filters erhöht wird.
  • Der Hauptnachteil des beschriebenen Vielfachstufenfilters besteht darin, daß die Eingangsebene der ersten Schicht und die Verbindungsglieder zwischen den Schichten als Eingangsflächen wirken. und daher der Flächenbeladung ausgesetzt sind. Im Fall von Farbsperrfiltern, bei denen die Farbtröpfchen eine Hafteigenschaft haben, fängt sogar eine sehr offene, schon noch kontinuierliche Wattierung die meisten Farbtröpfchen in der Eingangsebene der ersten Wattierung auf, wobei eine Flächenbeladung dieser Wattierung erfolgt. Obwohl die Flächenbeladungswirkung durch die geschichtete Anordnung verringert wird, ist sie immer noch vorhanden.
  • Das letzte Verfahren der Vergrößerung eines Filtermediums ist im US-Patent 4443233 beschrieben, in der ein verbesserter Staubtrenner gezeigt ist. Gemäß diesem Patent wird eine Metallplatte in eine Form gebracht, die obere und untere Bereiche hat. Ein durch die Platten sfrömender Fluidstrom folgt gewundenen Richtungsänderungen. Während dieser Richtungsänderungen ändern große Farbtröpfchen (mit größerem Impuls) ihre Richtung nicht mit dem Fluidstrom, sondern setzen vielmehr ihre Bewegung gerade fort, bis sie die Platte berühren. Bei der Verwendung solcher Filter zur Entfernung von flüssigen Teilchen aus einem Luftstrom würde die Flüssigkeit auf der Platte kondensieren, und die Oberflächenspannung der Flüssigkeit würde diese auf der Platte zurückhalten.
  • Die Verwendung der Filtermedien für den Staubtrenner für feste Teilchen hat zwei Hauptnachteile. Erstens würden aufgrund der Verwendung einer Metallplatte hohe Kosten für das Material entstehen, wobei diese Metallplatte die Verwendung dieses Mediums als Wegwerffilter beschränkt. Zweitens ist die Fähigkeit der Platte zum Zurückhalten der festen Teilchen wegen der Begrenzungen der elektromechanischen Anziehungen minimal. Nachdem sich nur eine kleine Schicht aus festen Teilchen auf der Platte aufgebaut hat, würde die Kraft des an der Platte vorbeiströmenden Fluidstroms so groß werden, daß weitere Schichten nicht aufgebaut werden. Tatsächlich zeigt das Patent, daß es noch nötig ist, eine Endstufe aus einer gewebefreien Standardwattierung vorzusehen, um kleinere feste Teilchen zu fangen.
  • Zusätzlich würde diese Schicht aus der Standardwattierung ernstlich an der Flächenbeladungswirkung leiden, weil die Anwesenhett der Metallplatte wirklich den Flächenbereich der Wattierung aufgrund seines innigen Kontakts mit der Wattierung vermindert.
  • Die US-A-4740409 offenbart einen gewebefreien Stoff für Papiermaschinen mit Längsrichtungs- und Querrichtungsgliedern, die im wesentlichen ganz in derselben Ebene liegen, um buckelfreie, ebene Oberflächen zu erzeugen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Fluidfilter vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
  • - eine erste Schicht hochbauschiger, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung vorgesehen ist, wobei diese Schicht eine obere Fläche, eine untere Fläche, eine Länge, eine Breite und eine Stärke hat, die zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche gemessen ist,
  • - die erste Schicht eine Vielzahl voneinander getrennter Öffnungen aufweist, die vertikal durch die Schicht verlaufen und durch die Wände gebildet sind, die die Öffnungen voneinander trennen,
  • - diese Wände Seitenwände umfassen, die im wesentlichen senkrecht zur oberen Fläche der ersten Schicht stehen, und
  • - eine zweite Schicht hochbauschiger, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung vorgesehen ist, wobei diese Schicht eine obere Fläche, eine untere Fläche, eine Länge und eine Breite hat und wobei die obere Fläche der zweiten Schicht an die untere Fläche der ersten Schicht angrenzt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidfilters vorgesehen, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
  • - Vorsehen einer ersten Wattierungsschicht hochbauschiger, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung, wobei diese Schicht eine obere Fläche, eine untere Fläche, eine Länge und eine Breite hat,
  • - Schneiden einer Vielzahl paralleler, voneinander getrennter Schlitze durch die Stärke der ersten Schicht, wobei diese Schlitze nicht über die ganze Länge der Schicht verlaufen,
  • - Strecken der ersten Schicht in einer Richtung, die senkrecht zur Längsrichtung der Schlitze verläuft, um Öffnungen durch die Stärke der Schicht zu bilden,
  • - Befestigen der gestreckten Schicht in einem gedehnten Zustand und
  • - Inkontaktbringen der ersten Schicht mit einer zweiten Schicht hochbauschiger, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung.
  • Ferner ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Filtern von Teilchen aus einem Fluidstrom vorgesehen, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
  • - Vorsehen einer ersten Schicht hochbauschiger, vliesartiger, fluiddurchlässi ger Wattierung, wobei diese Schicht eine obere Fläche, eine untere Fläche, eine Länge, eine Breite und eine Stärke hat, die zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche gemessen ist, und wobei diese Schicht eine Vielzahl getrennter Öffnungen aufweist, die vertikal durch die Schicht verlaufen und durch die eine Vielzahl von Wänden gebildet sind, die die Öffnungen voneinander trennen, und wobei diese Wände im Winkel zur oberen Fläche stehen,
  • - Inkontaktbringen einer oberen Fläche einer zweiten Schicht hochbauschiger, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung mit der unteren Fläche der ersten Schicht in der Weise, daß die obere Fläche der zweiten Schicht einen Boden für die Öffnungen in der ersten Schicht bildet,
  • - Anordnen der ersten Schicht und der zweiten Schicht im Fluidstrom in der Weise, daß die obere Fläche der ersten Schicht stromaufwärts gerichtet ist, wobei der Fluidstrom zu Beginn durch die obere Fläche der ersten Schicht und die Öffnungsbodenflächen, dann durch die Wände und das Material der zweiten Schicht und dann durch die untere Flächö der zweiten Schicht nach außen läuft.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Fluidfilters der vorliegenden Erfindung,
  • Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf ein Blatt aus Wattierungsmaterial und stellt den ersten Schritt zur Herstellung einer gedehnten Wattierung dar,
  • Fig. 3 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung eines folgenden Schritts bei der Herstellung der gedehnten Wattierung,
  • Fig. 4 zeigt einen Querschnitt längs der Linie 4-4 in Fig. 3,
  • Fig. 5 zeigt einen Querschnitt, der dem der Fig. 4 ähnlich ist, und
  • Fig. 6 zeigt ein schematisches Diagramm zur Darstellung eines Prozesses für die Herstellung des Fluidfilters der vorliegenden Erfindung.
  • In den Zeichnungen sind einander ähnliche oder entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen worden. In Fig. 1 weist ein generell mit 10 bezeichnetes Fluidfilter der vorliegenden Erfindung eine erste Schicht 12 einer stabilisierten, hochbauschigen, gewebefreien Wattierung auf, die so gedehnt ist, daß eine Vielzahl generell vertikaler Öffnungen 14 durch diese Schicht verlaufen. Eine zweite Schicht 16 aus einer kontinuierlichen, stabilisierten, gewebefreien Wattierung ist mit der ersten Schicht 12 kombiniert, wie nachstehend detaillierter beschrieben wird.
  • In Fig. 2 beginnt das bevorzugte Verfahren zur Bildung der ersten Schicht 12 mit Perforierungen 14 mit einer ersten, stabilisierten, gewebefreien Wattierung 12', die wiederholt über ihre ganze Stärke geschlitzt worden ist. Vorzugsweise sind Schlitze 18 in Reihen und Spalten derart gebildet, daß abwechselnde Spalten 20 der Schlitze 18 eine Schlitzversetzung gegenüber den benachbarten, abwechselnden Spalten 22 haben. Auf diese Weise werden abwechselnde, versetzte Reihen 24 und 26 der Schlitze 18 ebenfalls gebildet. Die Seitenkanten 28 und 30 der Wattierung 30 werden dann voneinander weggezogen, wie durch Pfeile 32 angedeutet ist, und zwar in Richtungen, die senkrecht zur Längsrichtung der Schlitze 18 verlaufen, so daß die gestrichelt gezeichnete Positionen 34 erreicht werden. Diese Dehnung öffnet oder dehnt die Wattierung an jedem Schlitz 18, um Öffnungen 14 zu bilden, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Vorzugsweise ist die Wattierung aus einem wärmehärtbaren, künstlichen Material solcher Art, daß die gedehnte Wattierung 12 erwärmt werden kann, um die Wattierung in die gedehnte Lage zu versetzen.
  • Um wieder auf die Fig. 1 zurückzukommen: die gedehnte Wattierung 12 weist eine obere Eingangsfläche 36 und eine untere Ausgangsfläche 38 auf. Die gedehnte Wattierung 12 ist an der oberen Fläche 40 der kontinuierlichen Wattierungsschicht 16 befestigt und ergibt damit ein zusammengesetztes Fluidfilter 10. Vorzugsweise ist die gedehnte Wattierung 12 auf die zweite Schicht 16 aufgeklebt oder aufgeschichtet, so daß die auf die obere Fläche 40 der zweiten Schicht 16 gerichtete Kraft eines Fluidstroms nicht die erste Schicht von der zweiten Schicht trennt.
  • In Fig. 4 zeigt der Querschnitt durch das Fluidfilter 10 die gedehnte Wattierung 12, die an der zweiten Wattierungsschicht 16 befestigt ist. Die Öffnungen 14 erstrecken sich von der Eingangsfläche 36 zur oberen Fläche 40 der zweiten Schicht 16. Pfeile 42 sollen den Fluidstrom durch das Fluidfilter schematisch darstellen. Die in den Pfeilen des Fluidstroms 42 gezeigten Teilchen stehen vor dem Durchgang durch das Filter 10.
  • Die Fig. 4 stellt ein "sauberes" Filter dar, in dem sich noch kein Teilchen auf den Flächen der Filter angesammelt hat. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, strömt der Fluidstrom zu Beginn direkt durch das Filter 10, durch die Öffnungen 14 und auch durch Wände 46 der gedehnten Wattierung 12 sowie eben falls durch die zweite Wattierungsschicht 15. Es ist zu erkennen, daß vertikale Seitenwände 48 der gedehnten Wattierungswände 46 sich nicht in der direkter Linie des einströmenden Fluidflußstroms befinden. Daher werden die Seitenwände 48 vor der direkten Einwirkung des einströmenden Luftstroms geschützt oder abgeschirmt, und der Luftstrom neigt zum "Abwaschen" der sich an den Seitenwänden 48 ansammelnden Teilchen.
  • In Fig. 5 ist ein Querschnitt durch denselben Teil des Filters 10 gezeigt, nachdem sich einige Teilchen angesammelt haben. Da das Filter 10 mit der Beseitigung der Teilchen aus dem Fluidstrom fortfährt, sammeln sich die gefangenen Teilchen auf der Eingangsfläche 36 der Wattierung 12 an; ebenfalls sammeln sie sich an denjenigen Teilen der oberen Fläche 40 der zweiten Schicht 16 an, die der direkten Einwirkung des Fluidstroms durch die Öffnungen 14 ausgesetzt sind Diese Ansammlung der Teilchen wird durch die Teilchenschicht 50 gezeigt und dient zur Sperrung der Durchlässigkeit der Wattierungen 12 und 16 für den Fluidfluß Da die Ansammlung der Teilchen in der Schicht 50 weitergeht, erhöht sich der Durchflußwiderstand für den Fluidfluß, so daß der Fuidflußstrom sich einen Weg geringeren Durchflußwiderstands sucht. Dabei wendet er sich und tritt in die Seitenwände 48 der Wattierungswand 46 ein. Da der Fluidstrom sich scharf wendet, neigen die Teilchen dazu, aufgrund des Teilchenimpulses in gerader Richtung weiterzuströmen, wobei sie auf die Teilchenschicht 50 fallen. Der gewendete Luftstrom, der eine viel geringere Teilchenkonzentration hat, wird dann durch die Wattierungswände 46 und diejenigen Teile der zweiten Schicht 16 gefiltert, die direkt unter den Wänden 46 liegen, bevor der Fluidstrom das Filter oder die untere Fläche 52 der zweiten Wattierung verläßt.
  • Es ist zu erkennen, daß dadurch die Öffnungen 14 fortfahren können, die Teilchenschichten anzufüllen, während sie immer noch das Durchströmen durch die Seitenwände der gedehnten Wattierung ohne eine bedeutende Erhöhung des Druckabfalls gestatten. Diese Kombination der gedehnten Wattierung und der kontinuierlichen Wattierung hat mehrere Vorteile. Erstens erhöhen die Seitenwände 48 der Wände 46 der gedehnten Wattierung den Gesamtfilterungsflächenbereich, der in ein vorgegebenes Volumen der Filtermedien aufgenommen werden kann, wobei die Flächenbeladungswirkung vermindert wird.
  • Zweitens garantiert die Benutzung der gedehnten Wattierung 12, daß mindestens ein bedeutender Teil des Flächenbereichs vor der direkten Einströmlinie des Teilchen-Luft-Stroms geschützt ist, wobei die der geschützten Fläche angebotene Teilchenkonzentration vermindert wird, und daß schließlich die nutzbare Lebensdauer des Filters 10 erhöht wird.
  • Da der Flächenbereich in direkter Einströmlinie des Luftstroms der gleichen Flächenbeladung wie bei den bekannten Filtermedien unterworfen ist, gestatten drittens die Seitenwände 48 den fortgesetzten Gebrauch des Filters hinter dem Punkt, bei dem bekannte Filtermedien zum Wegwerfen gezwungen würden. Da die Flächen in direkter Einströmlinie mit Teilchen beladen sind, erhöht sich der Fluidflußwiderstand, so daß der Luftstrom umgeleitet und einen Verlauf mit niedrigerem Widerstand durch die Seitenwände 48 nimmt. Der gewundene Weg durch das Filter 10 veranlaßt die Teilchen, sich auf den Teilchenschichten 50 statt auf den Seitenwänden 48 abzulagern. Dieser Ablagerungsvorgang erhöht das Rückhaltevermögen des Filters 10 ohne Erhöhung des Druckabfalls.
  • Schließlich unterscheidet sich das Filter 10 der vorliegenden Erfindung von anderen Filtermedien, die einen Luftstrom durch einen gewundenen Weg dadurch treiben (wie beispielsweise die mit gedehntem Papier arbeitende Farbsperrvorrichtung, die im Abschnitt "Erfindungshintergrund" beschrieben wurde), daß die bekannten Medien den Luftstrom von demjenig,en Material weglenken, das für das Auffangen der Teilchen vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung richtet den umgelenkten Luftstrom in Richtung auf die Filtermedien (die Wände 46).
  • In Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm offenbart, das ein Verfahren zur Herstellung des Fluidfilters der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein Vorratsrolle 53 gibt eine kontinuierliche Bahn der ersten Wattierung 12' an eine Schlitzmaschine 54 ab. Ein Förderband 56 zieht die Schlitzwattierung 12' zur Schlitzmaschine 54. Die Geschwindigkeitsunterschiede bewirken, daß die Wattierung 12 gestreckt wird und die Schlitze geöffnet werden, die durch die Schlitzmaschine 54 gebildet werden; dies wird nachstehend detaillierter beschrieben.
  • Eine zweite Vorratsrolle 58 gibt die zweite Wattierungsschicht 16 an einem Klebstoffbeschichter 60 vorbei ab, der Klebstoff auf die kontinuierliche zweite Wattierungsschicht aufträgt. Die zweite Wattierungsschicht 16 wird dann sofort mit der gedehnten Wattierung 12 am Förderband 56 in Kontakt gebracht, um die beiden Schichten miteinander zu verbinden.
  • Das Gebilde aus der gedehnten Wattierung 12 und der zweiten Wattierungsschicht 16 läuft dann durch einen Ofen 62, der den Klebstoff trocknet und die gedehnte Wattierung 12 in ihrer gestreckten Lage stabilisiert. Das fertige Fluidfilter 10 verläßt den Ofen 62 und wird auf einer Aufwickelrolle als Endverpackung gelagert.
  • Obwohl das oben beschriebene Herstellungsverfahren bevorzugt wird, sei darauf hingewiesen, daß andere Verfahren zur Bildung des Fluidfilters der vorliegenden Erfindung möglich sind.
  • Beispielsweise kann eine erste gewebefreie Wattierung in Vielfachstreifen geschnitten werden, mit denen eine zweite gewebefreie Wattierung beschichtet wird. Obwohl das Endresultat eher kontinuierliche Schlitze als einzelne Öffnungen in einer Schicht der Wattierung zeigen würde, würde es einen vertikalen Flächenbereich aufweisen, der gegen die direkte Einströmlinie der Teilchen in einem Luftstrom geschützt ist.
  • Ein zweites Verfahren würde das Entfernen (beispielsweise durch Schneiden mit einem Schneidwerkzeug oder dergleichen) von Material aus einer ersten gewebefreien Wattierung umfassen, um eine mit Öffnungen versehene Wattierung zu schaffen. Diese würde dann an einer zweiten Wattierung befestigt werden, so daß damit das Fluidfilter der vorliegenden Erfindung gebildet wäre.
  • Obwohl das Fluidfilter 10 der vorliegenden Erfindung in großer Vielfalt von Industrien und Anwendungen benutzt werden kann, hat der Erfinder das Filter 10 beim Beseitigen des Farbsprühnebels in Farbspritzkabinen erfolgreich angewandt. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, wird die obere Wattierung 12' aus 5cm (2") langen, auf Stapel geschnittenen Polyesterfasern der Dernier-Größe 40 hergestellt, wobei die Basisbahnstruktur nach dem Standardverfahren gebildet ist, das eine Garnette-Vorrichtung, eine Belüftungsvorrichtung und weitere in der Industrie bekannte Vorrichtungen benutzt.
  • Die erste Wattierung 12' wird dadurch stabilisiert, daß eine gesprühte Akryl-Latex-Emulsion verwendet wird, die auf die Bahn gesprüht und dann in einem mit Naturgas befeuerten Fließprozeßofen getrocknet wird. Die Wattierung 12 hat vorzugsweise ein Grundgewicht von 3kg/m² (1,0 Unze je Quadratfuß) und eine Stärke von etwa 3,175cm bis 3,81cm (1,25 bis 1,50 Zoll).
  • -Die Wattierung 12' wird dann in demjenigen Muster geschlitzt, das in Fig. 2 gezeigt ist; jeder Schlitz 18 ist dabei 7,61cm (3 Zoll) lang; der Abstand zwischen den in einer Spalte 20 oder 22 ausgerichteten Schlitze beträgt 1,9cm (0,75 Zoll), und der Abstand der Spalten der Schlitze 20 und 22 beträgt 1,9cm (0,75 Zoll).
  • Die Wattierung wird dann in einer Richtung gestreckt, die senkrecht zur Längsachse der Schlitze verläuft, so daß generell "fußballartige" Öffnungen 14 geschaffen werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Jede Öffnung 14 hat vorzugsweise eine Länge von etwa 6,35cm (2,5 Zoll) und eine Breite von etwa 3,175cm (1,25 Zoll).
  • Die in Fig. 1 gezeigte, kontinuierliche zweite Wattierungsschicht 16 ist aus 5cm (2") langen, auf Stapel geschnittenen Polyesterfasern der Dernier-Größe 6 gebildet, wobei diese Fasern ein Grundgewicht von 91,5 g/m² (0,3 Unzen je Quadratfuß) und eine Stärke von etwa 6,35mm (0,25") aufweisen. Die zweite Wattierung wird in derselben Weise wie die erste Wattierung 12 stabilisiert und mit der Bodenfläche der gedehnten ersten Wattierung in Kontakt gebracht. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird eine Akryl-Latex-Emulsion auf die zweite Wattierungsschicht 16 gesprüht, um die erste Wattierung 12 an die zweite Wattierung 16 anzukleben. Einzelne Tafeln verschiedener Länge und Breite können dann von der Aufwickelrolle 64 heruntergeschnitten werden.
  • In Laborekperimenten ist das zusammengesetzte Fluidfilter 10 mit den bekannten, kontinuierlichen Verbundbahnen der Dernier-Größen 40/6 verglichen worden; die Vergleichsergebnisse zeigen, daß die zusammengesetzte Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung viermal so viele Teilchen wie die bekannten Filter bei einer vorgegebenen Erhöhung des Druckabfalls zurückhalten, ohne das Auffangvermögen zu beeinträchtigen.
  • Die Erfindung ist zwar in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben worden, aber es ist klar, daß viele Anderungen, Substitutionen und Ergänzungen möglich sind, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen. Es ist deshalb ein verbessertes Fluidfilter gezeigt und beschrieben worden, das mindestens alle oben angegebenen Aufgaben erfüllt.

Claims (10)

1. Fluidfilter, dadurch gekennzeichnet, daß
- eine erste Schicht hochvoluminöser, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung vorgesehen ist, wobei diese Schicht eine obere Fläche, eine untere Fläche, eine Länge, eine Breite und eine Stärke hat, die zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche gemessen ist,
- die erste Schicht eine Vielzahl voneinander getrennter Öffnungen aufweist, die vertikal durch die Schicht verlaufen und durch die Wände gebildet sind, die die Öffnungen voneinander trennen,
- diese Wände Seitenwände umfassen, die im wesentlichen senkrecht zur oberen Fläche der ersten Schicht stehen, und
- eine zweite Schicht hochvoluminöser, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung vorgesehen ist, wobei diese Schicht eine obere Fläche, eine untere Fläche, eine Länge und eine Breite hat und wobei die obere Fläche der zweiten Schicht an die untere Fläche der ersten Schicht angrenzt.
2. Fluidfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht eine Länge und eine Breite hat, die gleich denen der ersten Schicht sind, und daß die zweite Schicht an der ersten Schicht derart befestigt ist, daß ein integriert zusammengesetztes Filter gebildet wird.
3. Fluidfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen der ersten Schicht gleichmäßig über die Länge und Breite der Schicht verteilt sind.
4. Fluidfilter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen im wesentlichen die gleiche Größe aufweisen.
5. Fluidfilter nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wattierungen durch handgefertigte Fasern gebildet sind.
6. Verfahren zur Herstellung von Fluidfiltern, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Vorsehen einer ersten Wattierungsschicht hochvoluminöser, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung, wobei diese Schicht eine obere Fläche, eine untere Fläche, eine Länge und eine Breite hat,
- Schneiden einer Vielzahl paralleler, voneinander getrennter Schlitze durch die Stärke der ersten Schicht, wobei diese Schlitze nicht über die ganze Länge der Schicht verlaufen,
- Strecken der ersten Schicht in einer Richtung, die senkrecht zur Längsrichtung der Schlitze verläuft, um Öffnungen durch die Stärke der Schicht zu bilden,
- Befestigen der gestreckten Schicht in einem gedehnten Zustand und
- Inkontaktbringen der ersten Schicht mit einer zweiten Schicht hochvoluminöser, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung.
7. Verfahren zum Filtern von Teilchen aus einem Fluidstrom, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Vorsehen einer ersten Schicht hochvoluminöser, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung, wobei diese Schicht eine obere Fläche, eine untere Fläche, eine Länge, eine Breite und eine Stärke hat, die zwischen der oberen Fläche und der unteren Fläche gemessen ist, und wobei diese Schicht eine Vielzahl getrennter Öffnungen aufweist, die vertikal durch die Schicht verlaufen und durch die eine Vielzahl von Wänden gebildet sind, die die Öffnungen voneinander trennen, und wobei diese Wände im Winkel zur oberen Fläche stehen,
- Inkontaktbringen einer oberen Fläche einer zweiten Schicht hochvoluminöser, vliesartiger, fluiddurchlässiger Wattierung mit der unteren Fläche der ersten Schicht in der Weise, daß die obere Fläche der zweiten Schicht einen Boden für die Öffnungen in der ersten Schicht bildet,
- Anordnen der ersten Schicht und der zweiten Schicht im Fluidstrom in der Weise, daß die obere Fläche der ersten Schicht stromaufwärts gerichtet ist, wobei der Fluidstrom zu Beginn durch die obere Fläche der ersten Schicht und die Öffnungsbodenflächen, dann durch die Wände und das Material der zweiten Schicht und dann durch die untere Fläche der zweiten Schicht nach außen läuft.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht und die zweite Schicht generell eben sind und daß der Schritt des Anordnens der Schichten im Fluidstrom folgenden Schritt umfaßt: die Schichten werden derart ausgerichtet, daß die obere Fläche der ersten Schicht im wesentlichen senkrecht zum Fluidstrom steht, so daß der die Teilchen aufweisende Fluidstrom zuerst die obere Fläche der ersten Schicht und die Öffnungsbodenflächen berührt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Vorsehens der Materialschichten folgende Schritte umfaßt: ein Material wird mit einer Porosität vorgesehen, die derart angepaßt ist, daß Teilchen einer bestimmten Größe aus dem Fluidstrom gefiltert werden, und der Fluidstrom wird derart umgeleitet, daß er in das Material über die Seitenwandflächen der ersten Schicht eintritt, wenn die obere Fläche der ersten Schicht und die Öffnungsbodenflächen mit Teilchen verstopft sind, wobei der umgeleitete Fluidstrom weiter durch die Wände, dann durch die zweite Schicht und dann durch die untere Fläche der zweiten Schicht strömt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom ein Luftstrom ist und daß das fluiddurchlässige Material luftdurchlässig ist.
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