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Die vorliegende Erfindung betrifft
Luftfilter zur Entfernung fester Partikel (z. B. Staub) aus der Luft
oder anderen Gasen. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Luftfilterkörper neuer
Konstruktion und ein in solch einem Filterkörper enthaltenes Filterelement.
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Der Begriff "Luftfilter" wie hierin verwendet, umfasst im Sinne
dieser Erfindung nicht nur Filter für Luft sondern auch für andere
Gase.
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Eine der wichtigsten Anwendungen
für Luftfilter
ist gegenwärtig
das Reinigen der Luft, die an Verbrennungsmotoren und Luftverdichter
geliefert wird. Der gebräuchlichste
Typ eines Luftfilters, der für Maschinen
benutzt wird, ist der Papierfilter, der aus mehrfachen Schichten
von Papier oder anderen Fasern gebildet wird. Jedoch müssen die
durchgehenden Durchlässe,
die durch die mehrfachen Faserschichten ausgebildet werden, sehr
klein sein, damit der Filter kleine Partikel entfernt. Dies verursacht
einen relativ großen
Widerstand gegenüber
dem Luftfluss durch den Filter, wobei der Widerstand mit der Akkumulierung
von Schmutzpartikeln im Filter ansteigt. Ein solcher Widerstand
gegenüber
dem Luftfluss verringert nicht nur die Leistungsfähigkeit
des Systems, sondern übt
auch großen
Druck auf den Filter selbst aus, was zu einem Reissen des Filters
führen
kann. Zusätzlich
sind solche Filter im Allgemeinen schwierig zu reinigen und werden
folglich normalerweise nach einmaligem oder zweimaligem Gebrauch
weggeworfen. Weiterhin ist die schmutzhaltende Kapazität solcher
Filter sehr begrenzt, so dass die Filter häufig ersetzt werden müssen, insbesondere
wenn die Filter in einer sehr staubhaltigen Umgebung, wie in der
Wüste,
beim Bergbau oder im Straßenbau
etc., benutzt werden.
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Eine andere Art Filter, welcher für die Reinigung
der Luft, insbesondere in Anwendungen, die mit einem großen Luftfluss
verbunden sind, benutzt wird, ist der elektrostatische Abscheidungsfilter.
Dieser Filter umfasst beabstandete Elektroden, die gegensätzliche
elektrische Ladungen aufweisen, um Partikel in der Luft, die den
Raum zwischen den Elektroden passiert, zu einer der Elektroden anzuziehen.
Solche elektrostatischen Filter benötigen im Allgemeinen jedoch
verhältnismäßig große Abstände zwischen
den Elektrodenplatten, um einen Spannungsausfall zu verhindern und
entfernen folglich nicht alle Partikel (d. h. über einer vorbestimmten Teilchengröße) aus der
Luft, die durch den Filter fließt.
Ferner hört
der Abscheider im Falle einer Unterbrechung der Spannungsversorgung
auf zu arbeiten, und die Partikel werden durch ihn durchgehen. Außerdem benötigen solche
Filter im Allgemeinen verhältnismäßig viel Raum
für ihren
Aufbau und werden folglich zur Zeit meistens in großen Anlagen,
wie Kraftwerken, benutzt.
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Eine weitere Art Filter, welcher
als Scheiben- oder Spaltfilter bezeichnet wird, nachstehend als Scheibenfilter
bezeichnet, wird weithin für
das Entfernen fester Partikel aus Flüssigkeiten, wie aus dem Wasser
in einem Wasserbewässerungssystem,
verwendet. Diese Art Filter umfasst eine Vielzahl von Scheiben,
die in einem Stapel angeordnet sind und gerippte Kontaktflächen aufweisen,
die kleine Filterdurchlässe
zwischen den Kontaktflächen
benachbarter Scheiben ausbilden.
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Die Größen der Durchlässe bestimmen
die Größe der zurückgehaltenen
Partikel. Die Partikel, die solche Durchlässe blockieren, verbleiben
in ihnen und erhöhen
dadurch den Widerstand des Filters gegenüber dem Fluss der Flüssigkeit
durch diesen, bis die Partikel durch Reinigen, z. B. durch Rückspülung, entfernt
werden.
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Viele Arten von Scheibenfiltern sind
bekannt und werden für
das Entfernen fester Partikel aus Wasser oder anderen Flüssigkeiten
benutzt. Beispiele sind in US-A-4661250, US-A-4740302 und US-A-5171433
beschrieben. Bekanntermaßen
sind solche scheibenförmigen
Filter, nachstehend als Scheibenfilter bezeichnet, jedoch meist
oder ausschließlich
für das
Entfernen von festen Partikeln aus Wasser oder anderen Flüssigkeiten,
und nicht von Staub oder anderen festen Partikeln aus der Luft oder
anderen Gasen benutzt worden.
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Entsprechend einer Aufgabe der vorliegenden
Erfindung wird ein Luftfilterkörper
zur Verfügung gestellt,
umfassend eine Vielzahl von Scheiben eines elektrisch isolierenden
Materials, welche in einem Stapel angeordnet sind und gerippte Kontaktflächen aufweisen, die
kleine Filterdurchlässe
zwischen den Kontaktflächen
benachbarter Scheiben ausbilden, wobei jede der Scheiben eine Elektrodenschicht
aufweist, die durch die jeweilige Scheibe von den Elektroden der
benachbarten Scheiben isoliert ist, wobei jede Elektrode elektrisch
mit einem elektrischen Anschluss an einem Rand der jeweiligen Scheibe
verbunden ist; und elektrische Leiter zur Verbindung der elektrischen
Anschlüsse
alternierender Scheiben mit einer Seite einer Spannungsquelle, und
der elektrischen Anschlüsse
der übrigen
alternierenden Scheiben mit der anderen Seite der Spannungsquelle.
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Wie nachfolgend beschrieben wird,
nutzt ein Luftfilterkörper,
welcher in Übereinstimmung
mit den vorstehenden Merkmalen konstruiert wurde, die Vorteile beider,
des Scheibenfilters und des elektrostatischen Abscheidungsfilters,
und kann folglich als ein „Hybrid"-Filter betrachtet
werden. Solch ein Filter weist ein hohes Partikelrückhaltevermögen auf,
da das elektrische Feld bewirkt, dass sich die meisten Partikel
auf den nicht gerippten Flächen
der Scheiben ansammeln und die kleinen Filterdurchlässe nicht
blockieren. Der Filter weist somit einen geringen Widerstand gegenüber dem
Luftfluss auf, nicht nur wenn der Filter verhältnismäßig sauber ist, sondern auch,
nachdem er eine verhältnismäßig große Menge
der aus der Luft entfernten festen Partikel angesammelt hat. Solch
ein Filter entfernt effektiv auch die Partikel bis hin zur kleinsten
Größe der Durchlässe. Weiterhin
wird im Falle des Ausfalls der Stromversorgung der Durchtritt der
festen Partikel durch den Filter durch die kleinen Filterdurchlässe blockiert,
wodurch ein Betrieb mit höherer „Störungssicherheit", z. B. verglichen
mit dem elektrostatischen Abscheidungsfilter, zur Verfügung gestellt
wird. Der Filterkörper
ist demnach also eine widerstandsfähige Konstruktion, die einen
verhältnismäßig zuverlässigen Betrieb
zur Verfügung
stellt.
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Ein weiterer Vorteil des neuen „Hybrid"-Filters ist, dass
er effektiver gereinigt werden kann, als z. B. Scheibenfilter. So
kann während
eines Reinigungsmodus die elektrische Spannung, die an die Anschlüsse der
Scheiben angelegt ist, umgekehrt werden, um die Partikel auf diese Weise
von den Kontaktflächen
der Filterkörperscheiben
wegzutreiben und ihre Entfernung während der Rückspülung der Scheiben zu verbessern.
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Die Erfindung stellt auch ein neues
Filterelement für
den Gebrauch in dem vorstehend beschriebenen Luftfilterkörper zur
Verfügung,
und eine neue Luftfiltervorrichtung, die den neuen Luftfilterkörper umfasst.
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1 ist
eine Längsschnittansicht,
die eine in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruierte Ausführungsform eines Luftfilters
veranschaulicht;
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2 ist
eine vergrößerte schematische
Ansicht, die insbesondere den Aufbau des Luftfilterkörpers im
Filter von 1 veranschaulicht;
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3 ist
eine fragmentarische Perspektivansicht, welche die zwei Arten von
Filterscheiben veranschaulicht, die im Filterkörper von 2 umfasst sind;
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4a, 4b und 5a, 5b veranschaulichen
jeweils die zwei Arten von Filterscheiben im Filterkörper von 2;
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6 veranschaulicht
eine Weise, die Filterscheiben im Filterkörper von 2 herzustellen;
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und 7 veranschaulicht
die Weise, in der der Filterkörper
von 2 feste Partikel
aus der Luft entfernt.
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Beispielsweise ist der Filter, der
in 1 der Zeichnungen
veranschaulicht und hierin beschrieben ist, dem in der vorstehend
erwähnten US-A-4,661,250
beschriebenen Mehrfachscheibenfilter ähnlich, aber gemäß der vorliegenden
Erfindung verändert,
um ihn für
die Benutzung anzupassen, Staubpartikel oder andere verhältnismäßig kleine Partikel
aus der Luft oder anderen Gasen zu entfernen. Es versteht sich,
dass diese Art des Mehrfachscheibenfilters hierin nur beispielhaft
beschrieben ist und viele andere Arten von Filterausführungsformen erfindungsgemäß denkbar
sind.
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Der Filter, der in 1 veranschaulicht wird, umfasst ein zylindrisches
Gehäuse 2,
das einen in einer Kappe 4 ausgebildeten Einlass 3 aufweist,
die ein Ende des Gehäuses
schließt,
und einen Auslass 5, der in einer Stirnwand 6 ausgebildet
ist, die das gegenüberliegende
Ende des Gehäuses
schließt.
Innerhalb des Gehäuses
angeordnet ist ein Filterkörper,
der im Allgemeinen mit FB bezeichnet wird, welcher einen Stapel
ringförmiger
Filterscheiben umfasst, die jede mit einer zentralen Öffnung bzw.
Loch ausgebildet sind. Auf eine Scheibe ohne Loch 7 wirkt eine
Feder 8 ein, um das vordere Ende des Stapels zu schließen. Die
innere Oberfläche
von Gehäuse 2 ist
mit einer Vielzahl von sich axial erstreckenden, umlaufendbeabstandeten
Rippen 9 ausgebildet, so dass die Luft, die durch den Einlass 3 eingelassen wird,
gezwungen ist, in die ringförmige
Region um den Filterkörper
FB, radial zwischen die Kontaktflächen seiner Filterscheiben
und durch den Auslass 5 heraus zu fließen.
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Der Filterkörper FB umfasst einen Stapel
von zwei Arten Scheiben, im Allgemeinen mit 10 bzw. 20 bezeichnet,
in alternierender Beziehung im Stapel, wie insbesondere in 2 und 3 gezeigt. Der Aufbau der Filterscheibe 10 ist
insbesondere in 4a und 4b veranschaulicht, und der
Aufbau der Filterscheibe 20 ist insbesondere in 5a und 5b veranschaulicht.
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Wie in 4a und 4b gezeigt, umfasst die Filterscheibe 10 im
wesentlichen planare Flächen
auf ihren entgegengesetzten Seiten, wobei jede mit einer gewundenen
bzw. sinusförmigen
Rippe 11, 12 ausgebildet ist. Die Scheibe ist
aus elektrisch isolierendem Material, wie einem geeigneten Plastikmaterial, ausgebildet.
Sie umfasst eine Elektrodenschicht 13, die in der Scheibe
eingebettet ist, um von den benachbarten Scheiben des Stapels elektrisch
isoliert zu werden, mit Ausnahme von einem elektrischen Anschluss 14,
der mit der Elektrode verbunden ist und am inneren Rand 15 der
Scheibe exponiert ist. Die Elektroden 13 in den Scheiben 10 sind
auch im wesentlichen planar und erstrecken sich im wesentlichen über den
gesamten Bereich der zwei Flächen der
Scheibe, die mit den gewundenen Rippen 11, 12 ausgebildet
sind.
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Die zweite Art Filterscheibe 20,
wie in 5a und 5b veranschaulicht, ist ebenfalls
aus isolierendem Material ausgebildet, und weist die gleichen Maße wie Scheibe 10 auf.
In diesem Fall ist sie jedoch auf ihren entgegengesetzten, im wesentlichen planaren
Flächen
mit einer Vielzahl konzentrischer ringförmiger Rippen 21, 22,
die einen zunehmenden Durchmesser vom inneren Rand 25 zum äußeren Rand 26 aufweisen,
ausgebildet. Die Scheiben 20 umfassen auch eine Elektrodenschicht 23 planarer Form.
Die Elektrodenschicht 23 erstreckt sich im wesentlichen über den
gesamten Bereich der gerippten Fläche der Scheibe und ist elektrisch
von benachbarten Scheiben im Stapel isoliert. Ihr elektrischer Anschluss 24,
der elektrisch mit der Elektrodenschicht 23 verbunden ist,
ist auf der äußeren Fläche 26 der Scheibe
exponiert.
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Wie insbesondere in 3 gezeigt, weist jedes Paar der Kontaktflächen der
Scheiben im Stapel eine gewundene Rippe (11, 12)
der Scheibe 10 und eine ringförmige Rippe (21, 22)
der Scheibe 20 auf. Die Hauptteile der gewundenen Rippen 11, 12 erstrecken
sich im wesentlichen radial von ihren jeweiligen Scheiben aus, während die
ringförmigen
Rippen 21, 22 der Scheiben 20 sich kreisförmig um
die Scheibe erstrecken. Dementsprechend kreuzen die ringförmigen Rippen
die gewundenen Rippen im wesentlichen rechtwinklig, um kleine Filterdurchlässe zwischen den
Rippen auszubilden. Jeder solcher Filterdurchlässe weist eine Höhe auf,
die der Höhe
der gewundenen Rippen 11, 12 entspricht, eine
Länge,
die dem Abstand zwischen den gewundenen Rippen 11, 12 entspricht
und eine Breite, die der Dicke der ringförmigen Rippen 21, 22 entspricht.
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Der dargestellte Filter umfasst weiterhin
eine Gleichspannungsquelle 30, die elektrisch mit den Elektroden 13 und 23 der
Filterscheiben 10 bzw. 20 verbunden ist. Unser
Anschluss (z. B., „+") ist durch einen
elektrischen Leiter 31 mit den Anschlüssen 14 der Elektroden 13 in
den Scheiben 10 verbunden, und der andere Anschluss (z.
B., „–") ist durch einen elektrischen
Leiter 32 mit den Anschlüssen 24 der Elektroden 23 in
den Scheiben 20, die mit den Scheiben 10 alternieren,
verbunden.
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Wie in 1 gezeigt,
wird der elektrische Leiter 32 durch eine der sich axial
erstreckenden Rippen 9 getragen, die auf der inneren Fläche des
Gehäuses 2 ausgebildet
sind, so dass er alle Anschlüsse 24 auf
den äußeren Rändern der
alternierenden Scheiben einbindet. Der innere elektrische Leiter 31 ist
auf eine ringförmige
Rippe 33, die auf der End- bzw. Abschlussscheibe 7 ausgebildet
ist, und eine andere ringförmige
Rippe 34, die auf der inneren Oberfläche der Gehäusestirnwand 6 um
den Auslass 5 ausgebildet ist, gestützt, so dass der elektrische Leiter 31 die
Anschlüsse 14 auf
den inneren Rändern der übrigen alternierenden
Scheiben kontaktiert.
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6 veranschaulicht
einen Weg, die Elektroden innerhalb ihrer jeweiligen Scheiben anzuordnen.
So ist die Elektrode 13 zwischen zwei miteinander verbundenen
Scheibenabschnitten 10a, 10b sandwichartig angeordnet,
so dass die Elektrode vollständig
innerhalb der Scheibe eingebettet ist und nur ihr Anschluss 14 am
inneren Rand 15 der Scheibe exponiert ist. Die gleiche
Technik ist für
das Anordnen der Elektroden 23 innerhalb ihrer Scheiben
anwendbar. Andere Techniken sind auch anwendbar, beispielsweise
die Elektrodenschicht auf einen Scheibenabschnitt zu plattieren
und den anderen Abschnitt dann damit zu verbinden.
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Der beschriebene Filter entfernt
folglich die festen Partikel in der Luft sowohl durch eine mechanische
Filtrationstätigkeit
als auch eine elektrostatische Abscheidungstätigkeit. Die Luft, die durch
Einlass 3 eingelassen wird, wird durch die End- bzw. Abschlussscheibe
ohne Loch 7 zu der äußeren ringförmigen Region
zwischen dem Filterkörper
FB und der inneren Oberfläche
des Gehäuses 2,
durch die axialen Durchlässe,
die durch die axialen Rippen 9 ausgebildet werden, und
dann radial zwischen die Kontaktflächen der Filterscheiben 10, 20 im
Filterkörper FB,
und durch den Auslass 5 heraus geleitet. Die engen, vorstehend
beschriebenen Filterdurchlässe
zwischen den gewundenen Rippen 11, 12 der Filterscheiben 10,
und den ringförmigen
Rippen 21, 22 der Filterscheiben 20 verhindern,
dass feste Partikel im Luftstrom durch den Filterkörper FB
fließen.
Zusätzlich
zieht das elektrostatische Feld, das zwischen den negativ geladenen
Elektroden 13 in Scheiben 10 und den positiv geladenen
Elektroden 23 in Scheiben 20 ausgebildet wird,
die Schmutzpartikel zur Oberfläche der
Scheiben 20 an, wie in 7 gezeigt,
mit der Tendenz, sich auf den Einlassseiten der ringförmigen Rippen 21, 22 anzusammeln.
Die Partikel werden folglich entfernt, bevor sie die kleinen Filterdurchlässe erreichen,
und blockieren folglich nicht die Durchlässe, noch erhöhen sie
den Flusswiderstand durch die Durchlässe. Sollte es jedoch einen
Ausfall der Stromversorgung geben, werden die Filterdurchlässe die
Partikel wirkungsvoll daran hindern, den Auslass zu erreichen.
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Der Filter kann gereinigt werden,
wann immer es gewünscht
wird, indem Luft vom Auslass 5 in Richtung zum Einlass 3 geleitet
wird, wodurch der Filterkörper
FB rückgespült wird.
Zur selben Zeit, wenn der Filterkörper rückgespült wird, können die elektrischen Verbindungen
zu den Elektroden 13, 23 umgekehrt werden, so
dass das elektrostatische Feld, das durch diese Elektroden ausgebildet
wird, jetzt die Partikel von den Oberflächen abstößt, zu denen sie angezogen
worden waren, wodurch die Rückspülung des
Filterkörpers
verstärkt
wird.
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Die Luftzuführung, die für das Rückspülen des
Filters benutzt wird, kann von einer separaten Quelle komprimierter
Luft herrühren,
z. B. bereitgestellt von einem Behälter mit komprimierter Luft.
Der Filterkörper
kann auch gereinigt werden, indem er zuerst mit Dampf oder einem
Spray flüssiger
Tröpfchen rückgespült wird,
bevor er mit Luft rückgespült wird.
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Der dargestellte Filter stellt eine
widerstandsfähige
Konstruktion zur Verfügung,
ist zuverlässig
im Betrieb, entfernt effizient sogar kleine Teilchen aus der Luft,
stellt für
seine Größe eine
große Partikelrückhaltefähigkeit
zur Verfügung,
setzt dem Luftfluss durch den Filterkörper einen geringen Widerstand
entgegen, selbst wenn sich eine verhältnismäßig große Menge Schmutzpartikel angesammelt hat,
stellt einen ein Betrieb mit höherer „Störungssicherheit" im Falle eines Stromausfalls
zur Verfügung, und
ermöglicht
eine leistungsfähige
Reinigung des Filters, wann immer es gewünscht ist.
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Obwohl. die Erfindung für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
beschrieben worden ist, versteht es sich, dass dieses Ausführungsbeispiel
lediglich beispielhaften Charakter hat, so dass auch Variationen, Änderungen
und andere Anwendungen Gegenstand der Erfindung sind.