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Die
vorliegende Erfindung betrifft Filterelemente im Allgemeinen und
im Besonderem ein kernloses Filterelement, d.h. ein Filterelement,
das über einem
einstückig
mit dem Filtergehäuse
verbundenen starren Trägerkern
positioniert werden kann und vom Trägerkern entfernt und ausgetauscht
werden kann, wenn das Filterelement abgenutzt oder verbraucht ist.
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Einige
Filterelemente weisen einen perforierten starren Trägerkern
auf, der von einem röhrenförmigen oder
zylindrischen faserigen Filtermedium umgeben ist. Unperforierte
starre Abschlusskappen aus Kunststoff oder Metall befinden sich
typischerweise an einander gegenüberliegenden
Enden des Filtermediums, und mindestens eine der Abschlusskappen
hat eine zentrale Öffnung,
durch die das Fluid in den inneren Hohlraum des Filterelements hinein
oder aus ihm heraus fließen
kann. Das Filterelement kann in einem Filtergehäuse angeordnet sein, wobei
die im Gehäuse
befindlichen Elementpositionierer (Fluid-Durchgänge) in der Öffnung/den Öffnungen
in den Abschlusskappen aufgenommen werden. In einigen Fällen ist
das Filtermedium in Falten gelegt, d.h. das Filtermedium ist mit
längs verlaufenden
Falten ausgebildet, die sich von einer Abschlusskappe zur anderen
erstrecken. Die Falten sorgen für
eine größere Oberfläche, die
mit dem zu filternden Fluid in Kontakt ist und erhöhen somit
die Partikelscheide-Effizienz des Filterelements. Das zu filternde
Fluid strömt
entweder durch das Filtermedium radial nach innen und dann durch
die Öffnung
in der Abschlusskappe nach außen,
oder durch die Öffnung
in der Abschlusskappe nach innen und dann durch das Filtermedium
radial nach außen.
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Der
Trägerkern
für das
Filterelement bietet im Allgemeinen eine Stütze für das in Falten gelegte Filtermedium,
es sind jedoch auch bestimmte Filtermedium-Strukturen entwickelt
worden, bei denen das Filtermaterial von so hoher Steifigkeit ist,
dass es sich selbst trägt.
Selbsttragende Filterelemente können relativ
dicke Mediumlagen, epoxidbeschichtete Stahlgitternetzlagen, tiefe
Nuten in der Außenfläche zur
Vergrößerung der
Oberfläche,
flache Faltengestaltungen und/oder einen hohen Harzgehalt erfordern;
all dies kann zu mehr Komplexität,
Zeit und Kosten bei der Fertigung des Filterelements führen. Deshalb
sind selbsttragende Filterelemente nicht für alle Filtrationsanwendungen
geeignet. Daher erfordern viele Anwendungen einen zentralen Trägerkern, der
das Filtermedium stützt.
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Filterelemente
mit einem zentralen Trägerkern
wurden typischerweise so gefertigt, dass der Kern einstückig mit
dem Gehäuse
verbunden ist, d.h. dass der Kern fest an dem umgebenden Filtermedium
befestigt ist, z. B. durch Befestigung an den einander gegenüberliegenden
Abschlusskappen (siehe z. B. Patentschrift US-A-4,033,881 und Patentschrift US-A-3,570,675).
Daher muss, wenn das Filterelement verstopft oder verbraucht ist,
das gesamte Element zusammen mit dem Trägerkern entfernt und ausgetauscht
werden. Viele faserige Filterelemente sind nicht dafür ausgelegt,
gereinigt und wiederverwendet zu werden und müssen daher an einem geeigneten
Ort, z. B. auf einer Mülldeponie,
entsorgt werden. Der Trägerkern
ist nicht leicht vom Filtermedium zu entfernen, so dass der Kern
gleichzeitig entsorgt wird. Diese beiden Bestandteile (Filtermedium und
Kern) nehmen wertvollen Platz auf den Mülldeponien ein. Zusätzliche
Entsorgungsprobleme können
sich ergeben, wenn der Trägerkern
aus einem nichtverbrennbaren Material, wie z. B. Metall, besteht,
was den Einsatz teurer Kompaktiermaschinen für eine ordnungsgemäße Entsorgung
erfordern kann. Darüber
hinaus sind mit dem Austausch-Filterelement Kosten (für Arbeit
und Material) verbunden, sowohl mit dem frischen Filtermedium als
auch mit dem Trägerkern,
insbesondere, wenn der Kern aus Metall ist.
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Bestimmte
Filterelemente wurden entwickelt bei dem Versuch, beim Austausch
des Filtermediums das verbrauchte Filtermedium vom Trägerkern
zu trennen (zu entfernen). Zu diesen "grünen" Filterelementen
gehört
zum Beispiel die Patentschrift US-A-5,476,585 von Mills, das einen
dauerhaften Metall-Trägerkern
in dem von einem entfernbaren, in Falten gelegten Filterelement
umgebenen Gehäuse beschreibt.
Eine spiralförmige
Hülle ist
um die Außenfläche des
Filtermediums herum angeordnet, um Widerstand gegen axial gerichtete
Kräfte
zu bieten. Abschlusskappenabschnitte am Filtermedium und am Kern
sind zusammen fluid abgedichtet und können abgetrennt werden, um
das verbrauchte Filtermedium vom Kern zu trennen. Die Patentschrift US-A-4,211,543
von Tokar et al. zeigt ebenfalls ein in Falten gelegtes Filtermedium
mit einer äußeren Verkleidung,
welche die äußeren Faltenscheitelpunkte der
Medien stützt.
Diese Referenz beschreibt auch, dass das Filtermedium auf eine konisch
geformte Sicherheitsbuchsenbaugruppe, die zuvor über einem starren Trägerkern
positioniert wurde, aufgeschoben werden kann.
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Die
Patentschrift US-A-5,211,846 von Kott et al. beschreibt das Vorsehen
von Umfangsriemen um die Außenfläche des
kernlosen Filterelements herum, um die zylindrische Form des Filtermediums
und die Trennung der Falten voneinander beizubehalten. Andererseits
beschreibt die Patentschrift US-A-5,413,712 für Gewiss et al. die Anbringung
eines (in Zickzackform) in Falten gelegten Filtermediums direkt über einem
starren Trägerkern
ohne äußere Hülle.
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Zwar
erlauben die Patente von Mills, Tokar, Kott und Gewiss offenbar,
dass das Filtermedium von einem dauerhaft am Filtergehäuse befestigten
Trägerkern
entfernt wird, man glaubt jedoch, dass es schwierig sein kann, das
Filtermedium über
dem Kern zu positionieren, insbesondere, wenn das Filtermedium in
Falten gelegt ist, weil die inneren Faltenscheitelpunkte gedehnt
oder gebogen werden können,
wenn das Filterelement eng über
dem Trägerkern
aufgenommen wird. Ferner erfordert das in Falten gelegte Filtermedium
eine gewisse Struktur, um die Falten in fester, eng aneinanderliegender
Beziehung zueinander zu halten, so dass "Verschiebungen", d.h. das Umklappen der Falten gegeneinander, verhindert
wird. Zwar lehren die Patente von Mills, Tokar und Kott, dass eine äußere Hülle um die
Falten herum vorgesehen ist, jedoch kann das Umhüllen der Außenfläche, insbesondere mit einer
schrauben- oder spiralförmigen
Hülle,
zeitaufwendig sein und erhebliche Mengen von Hüllenmaterial erfordern. Eine äußere Hülle kann
auch Probleme mit dem Erscheinungsbild bringen. Das Patent von Gewiss,
andererseits, sieht keine äußere Hülle vor
und ist daher möglicherweise
für viele
Anwendungen, bei denen ein erheblicher Druckabfall durch das Element
hindurch zu erwarten ist, nicht akzeptabel.
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Daher
glaubt man, dass die vorbekannten Konstruktionen für Filterelemente
kein Filterelement geboten haben, das einfach und leicht über einem Trägerkern
im Gehäuse
positioniert werden kann und vom Gehäuse entfernt werden kann, wenn
es verbraucht ist, und ausgetauscht werden kann, und das eine Filtermedium-Struktur
hat, welche die strukturelle Integrität der Falten im Gebrauch aufrechterhält, und
das relativ einfach und kostengünstig
hergestellt werden kann. Darüber
hinaus glaubt man, dass in der Industrie ein Bedarf an Filterelementen
besteht, die keine äußere Hülle um die
Falten herum haben, die nicht die Nachteile vieler der "selbsttragenden" Typen von Filterelementen
beinhalten und die leicht auf Mülldeponien
entsorgt werden können.
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Folglich
bietet die vorliegende Erfindung ein Filterelement zur abnehmbaren
Befestigung auf einem Trägerkern,
wobei das Filterelement umfasst: ein zylindrisches Filtermedium,
das eine Mittelachse begrenzt und Falten aufweist, die sich axial
von einem bis zum anderen Ende des Filtermediums erstrecken, wobei
die Falten radiale innere Faltenscheitelpunkte, radiale äußere Faltenscheitelpunkte und
gegenüberliegende,
sich zwischen den jeweiligen inneren Faltenscheitelpunkten und äußeren Faltenscheitelpunkten
erstreckende Seitenwände
aufweisen, die nach außen
hin offene Faltenhohlräume um
das Filterelement definieren, wobei eine radiale Innenfläche der
inneren Faltenscheitelpunkte, einen zentralen, sich axial erstreckenden,
zylindrischen Hohlraum innerhalb des Filtermediums definiert; zylindrische
Stützmittel,
umfassend eine Lage aus porösem,
faserigen, in dem zentralen Hohlraum angeordneten Filtermaterial,
wobei die Stützmittel
eine radiale Außenfläche aufweisen,
die mit den inneren Faltenscheitelpunkten so verbunden ist, dass
ein Fluid zwischen dem Filtermedium und dem Trägerkern hindurch fließen kann,
und eine erste und eine zweite unperforierte Abschlusskappe, die
jeweils einen ringförmigen
Scheibenabschnitt aufweisen, der jeweils fest mit dem einen und
dem anderen Ende des Filtermediums verbunden ist, wobei eine der
Abschlusskappen eine zentrale kreisförmige Öffnung zur Aufnahme des Trägerkerns
aufweist, und diese kreisförmige Öffnung einer
der Abschlusskappen einen Innendurchmesser aufweist, der im Wesentlichen
dem Innendurchmesser der Stützmittel
entspricht, und eine radial nach innen gerichtete, um ihre zentrale kreisförmige Öffnung verlaufende
Nut und einen elastischen, innerhalb der Nut und radial in der zentralen,
kreisförmigen Öffnung nach
innen zeigenden Dichtring zum Abdichten gegen den Trägerkern
aufweist.
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Ein
neues und einzigartiges Filterelement in einer solchen Anordnung
kann über
einem einstückig mit
dem Filtergehäuse
verbundenen starren Trägerkern
positioniert werden und kann leicht vom Trägerkern entfernt und ausgetauscht
werden, wenn das Filterelement verbraucht oder abgenutzt ist. Das
Filterelement weist ein Filtermedium mit einer Struktur, die ihre
strukturelle Integrität
während
des Gebrauchs beibehält,
ohne dass eine äußere Hülle notwendig
ist, und die relativ einfach und kostengünstig herzustellen ist, auf.
Das Filterelement beinhaltet keine Metallkomponenten, wodurch das
Element auf gewerblichen Mülldeponien,
z. B. durch biologischen Abbau oder Veraschung entsorgt werden kann.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist ein Trägerblech,
das eine innere zylindrische Trägerhülle aus
einem porösen,
faserigen Filtermedium umfasst, mittig in dem Filtermedium angeordnet
und hat eine Außenfläche, die
an die inneren Faltenscheitelpunkte angrenzt. Die Trägerhülle besteht
vorzugsweise aus einem nichtgewebten Polyester oder anderen Spinnvliesmaterial
und wird direkt mit den inneren Scheitelpunkten verklebt, zum Beispiel
durch einen Kleber, die in einer oder mehreren Perlen auf die Außenfläche der
Hülle oder
in einer Schicht über
die gesamte Oberfläche
der Hülle
aufgetragen wird. Die Trägerhülle erstreckt
sich vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Länge des
Filtermediums zwischen den Abschlusskappen und positioniert die
Falten fest zueinander, um strukturelle Integrität zu erreichen. Die Trägerhülle ermöglicht es
auch, das Filterelement leicht auf einen starren Trägerkern
aufzuschieben oder von ihm abzuziehen, ohne das in Falten gelegte
Medium zu beschädigen.
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Das
Filterelement der vorliegenden Erfindung ist auch relativ leicht
mit einer inneren Trägerhülle herzustellen.
Die Trägerhülle wird
vorzugsweise zunächst über einem
Dorn angeordnet, wobei sich die Seitenkanten der Trägerröhre überlappen.
Dann wird ein Kleber in einer oder mehreren Perlen auf der Außenfläche der
Trägerhülle oder
in einer Schicht über
die gesamte Oberfläche
aufgetragen. Dann wird das gewellte Filtermedium in zylindrischer
Form über der
Trägerhülle positioniert,
wobei die inneren Faltenscheitelpunkte haftend mit der Trägerhülle verbunden
werden. Dann werden die Seitenkanten des Filtermediums miteinander
verbunden, z. B. mit Hilfe eines Klebeandes. Dann werden die Abschlusskappen an
einander gegenüberliegenden
Enden des Filterelements positioniert, um zusätzliche strukturelle Integrität für das Filterelement
zu bieten und zu ermöglichen,
das Filterelement innerhalb der Elementpositionierer im Filtergehäuse anzubringen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Trägerblech ein oder mehrere Stützbänder um
den inneren Umfang des in Falten gelegten Filtermediums herum. Vorzugsweise
sind drei Bänder
vorgesehen, wobei sich ein Band nahe dem jeweiligen Ende des Filtermediums
befindet und das restliche Band ungefähr am Mittelpunkt des Filtermediums.
Die Bänder
umfassen jeweils ein vorzugsweise aus einem unperforierten Material,
wie z. B. Nylon, gebildeten Streifen, sie können jedoch auch aus faserigem
Filtermaterial, ähnlich
der Trägerhülle, gebildet
sein. Die Bänder
sind durch einen auf der Außenfläche der Bänder aufgetragenen
Kleber mit den inneren Faltenscheitelpunkten verklebt und können in
einem Kreisring oder in Spiral- oder Schraubenform um die inneren
Faltenscheitelpunkte herum verlaufen.
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In
jeder der beiden weiter oben beschriebenen Ausführungsformen bieten die innere
Trägerhülle oder
die Bänder
strukturelle Integrität
für die
Falten und ermöglichen
es, das Filterelement leicht unter Einsatz üblicher Techniken herzustellen.
Die Hülle oder
die Bänder
ermöglichen
ferner, das Filterelement leicht über einem einstückig mit
dem Filtergehäuse
verbundenen Trägerkern
zu positionieren und von dem Kern zu entfernen und auszutauschen, wenn
es abgenutzt oder verbraucht ist.
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Das
Filtermedium der vorliegenden Erfindung weist vorzugsweise eine
mehrschichtige Filtermedium-Struktur auf. Insbesondere hat das Filtermedium
vorzugsweise eine äußere tragende
Gitternetzschicht, eine klebende Gewebeschicht, eine Mikrofaser-Kapazitätsschicht
(Vorfiltrationsschicht), eine Mikrofaser-Filtrationsschicht und
schließlich
eine innere tragende Gitternetzschicht. All diese Schichten grenzen
aneinander und haben Flächenkontakt
miteinander. Die klebende Gewebeschicht ist vorzugsweise ein nichtgewebter
thermoplastischer Kunststoff auf Polyester-Grundlage, die die äußere tragende
Gitternetzschicht mit der Vorfiltrationsschicht verbindet und außerdem der
Faltenstruktur des Filtermediums strukturelle Integrität verleiht,
wenn das Filtermedium unter Druck steht. Diese bevorzugte Filtermedium-Struktur
kann auf einer Mülldeponie,
z. B. durch biologischen Abbau oder Veraschung, entsorgt werden.
Zwar wird hiermit eine bevorzugte Form der Filtermedium-Struktur
beschrieben, es dürfte
jedoch klar sein, dass das Filterelement auch mit anderen Arten
von in Falten gelegten Filtermedium-Strukturen verwendet werden kann, was
für den
Fachmann offensichtlich sein dürfte.
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Somit
bietet die vorliegende Erfindung ein Filterelement, das einfach
und leicht über
einem einstückig
mit dem Filtergehäuse
verbundenen Trägerkern
positioniert werden kann und leicht entfernt und ausgetauscht werden
kann, wenn das Filterelement verbraucht ist. Das Filterelement hat
eine Filtermedium-Struktur, welche im Gebrauch die strukturelle
Integrität
der Falten aufrechterhält
und relativ einfach und kostengünstig
herzustellen ist. Ferner ist das Filterelement aus biologisch abbaubaren
oder verbrennbaren Bestandteilen gebildet, die es ermöglichen,
das Filterelement relativ leicht ohne erhebliche Kosten, z. B. ohne
den Einsatz teurer Kompaktiermaschinen, auf gewerblichen Mülldeponien
zu entsorgen.
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Die
Erfindung wird in den beigefügten
Zeichnungen beispielhaft schematisch dargestellt:
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1 eine
Seitenansicht von links eines gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung gebauten Filterelements; die Seitenansicht
von rechts ist kleiner;
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2 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht des Filterelements, im Wesentlichen
entlang der durch die Linien 2-2 von 1 beschriebenen
Ebene, die das Filterelement zwischen einander gegenüberliegenden
Elementpositionierern in einem Filtergehäuse angeordnet darstellt und
eine erste Ausführungsform
des Filterelements mit einer inneren Trägerhülle zeigt;
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3 ist
eine Querschnitts-Seitenansicht des Filterelements, im Wesentlichen
entlang der durch die Linien 3-3 von 2 beschriebenen
Ebene, die den Faltenabschnitt des Filterelements darstellt;
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4 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
einer der Abschlusskappen-Strukturen
des Filterelements von 2;
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5 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
der anderen Abschlusskappen-Struktur
von 2;
und
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6 ist
eine Querschnittskonfiguration eines Filterelements ähnlich 2,
die jedoch eine zweite Ausführungsform
des Filterelements mit inneren Mehrfach-Stützbändern darstellt.
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen, und zunächst auf die 1-3,
wird ein nach den Grundsätzen
der vorliegenden Erfindung gebautes Filterelement allgemein mit 10 angegeben.
Das Filterelement 10 ist dafür ausgelegt, innerhalb eines
Filtergehäuses
einer Filterbaugruppe positioniert zu werden und mindestens einen
Elementpositionierer des Filtergehäuses aufzunehmen. Ein Paar
Elementpositionierer ist in 2 mit 12 und 14 angegeben und
koaxial zueinander an einander gegenüberliegenden Enden des Filterelements
angeordnet.
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Jeder
Elementpositionierer hat einen zentralen Fluid-Durchgang 15 bzw. 16,
um das Fluid in das Filterelement hinein oder aus ihm heraus zu
leiten. Ein allgemein mit 18 angegebener perforierter Metall-Trägerkern
ist am Elementpositionierer 14 befestigt und erstreckt
sich zentral innerhalb des Filtergehäuses. Wie hier noch ausführlich beschrieben
wird, nimmt der Trägerkern 18 das
Filterelement 10 abnehmbar auf.
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Das
Filterelement 10 weist eine allgemein mit 20 angegebene
Filtermedium-Struktur auf, die vorzugsweise eine zylindrische Form
hat, wobei die einander gegenüberliegenden
Enden von Abschlusskappen 22, 24 umschlossen werden.
Eine bevorzugte Struktur für
das Filtermedium ist eine in 3 dargestellte
Mehrschichtstruktur. Diese Mehrschichtstruktur weist ein äußeres tragendes
Gitternetz 30 auf, das aus einem thermoplastischen Synthetikharzmaterial,
wie Nylon oder Polyester gebildet ist, welches gewebt oder extrudiert
sein kann. Für das äußere tragende
Gitternetz können
auch andere herkömmliche
thermoplastische Synthetikharzmaterialien eingesetzt werden, wie
dem Fachmann bekannt sein dürfte.
Auf jeden Fall sollte das tragende Gitternetz stark genug sein,
um dem Differenzdruck des Fluids quer durch das Filterelement standzuhalten.
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Eine
Mikrofaser-Kapazitätsschicht 31,
auch Vorfiltrationsschicht genannt, befindet sich innerhalb des äußeren tragenden
Gitternetzes 30. Die Vorfiltrationsschicht erhöht die Schmutzrückhaltekapazität des Filterelements
und ist vorzugsweise aus Borsilikat-Mikroglasfasern mit Acrylbinder
gebildet. Auch hier können
andere herkömmliche
Materialien für
die Kapazitätsschicht
verwendet werden, wie dem Fachmann bekannt sein dürfte.
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Zwischen
der Innenfläche
des äußeren tragenden
Gitternetzes 30 und unmittelbar an diese angrenzend und
der Außenfläche der
Vorfiltrationsschicht 31 befindet sich eine klebende Gewebeschicht 32.
Die klebende Gewebeschicht 32 umfasst vorzugsweise einen
nichtgewebten thermoplastischen Kleber auf Polyesterbasis. Der Kleber
ist wärmeempfindlich
und kann durch Wärme
aktiviert werden, um i) das äußere tragende
Gitternetz mit der Kapazitätsschicht
zu verbinden und ii) die Aufrechterhaltung von Form und struktureller
Integrität
der Falten nach dem thermischen Abbinden des Gewebes zu ermöglichen.
Das für
die vorliegende Erfindung bevorzugte Material des klebenden Gewebes
ist im Handel erhältlich
unter Modell-/Bezeichnungs-Nr. SH 4200 und SH 4275 bei Applied Extrusion
Technologies, Inc., Middletown, Delaware.
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An
die Innenfläche
der Kapazitätsschicht 31 grenzt
eine Mikrofaser-Filtrationsschicht 36 unmittelbar an. Die
Mikrofaser-Filtrationsschicht umfasst vorzugsweise dasselbe Material
wie die Vorfiltrationsschicht, zum Beispiel Borsilikat-Mikroglasfasern
mit Acrylbinder, jedoch mit feinerer Faser oder festerer Struktur
als die Vorfiltrationsschicht. Grundsätzlich definiert die Mikrofaser-Filtrationsschicht
die Filtrations-Effizienz des Filterelements, und diese ist im Allgemeinen
ungefähr
zehnmal höher
als die Filtrations-Effizienz der Vorfiltrationsschicht.
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An
die Innenfläche
der Filtrationsschicht 36 grenzt eine innere tragende Gitternetzschicht 38 unmittelbar
an. Die innere tragende Gitternetzschicht 38 umfasst ebenfalls
vorzugsweise dasselbe Material wie die äußere tragende Gitternetzschicht 30,
zum Beispiel thermoplastisches Synthetikharzmaterial, das gewebt
oder extrudiert sein kann.
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Dicke
und Porosität
der weiter oben beschriebenen Schichten können in Abhängigkeit von der speziellen
Filtrationsanwendung variieren und können durch einfaches Experimentieren
bestimmt werden. Ferner, wie für
den Fachmann offensichtlich sein dürfte, ist die weiter oben beschriebene
bevorzugte Filtermedium-Struktur
eine verbrennbare oder biologisch abbaubare Struktur, so dass das
Filtermedium relativ leicht auf einer gewerblichen Mülldeponie
entsorgt werden kann. Die Filtermedium-Struktur 20 ist
zwar vorzugsweise in Form der weiter oben beschriebenen Mehrschichtstruktur
ausgebildet, es dürfte
jedoch für
den durchschnittlichen Fachmann offensichtlich sein, dass die Filtermedium-Struktur andere
bekannte Ein- oder Mehrschichtstrukturen haben kann.
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Auf
jeden Fall ist das Filtermedium 20 in Falten gelegt, d.h.
das Filtermedium weist axial verlaufende Falten auf, die sich von
der Abschlusskappe 22 zur Abschlusskappe 24 erstrecken.
Jede Falte hat einen radial äußeren Faltenscheitelpunkt
(offenes Ende), wie mit 50 angegeben, und einen radial
inneren Faltenscheitelpunkt (geschlossenes Ende), wie mit 52 angegeben.
Jede Falte weist außerdem
Seitenwände
auf, wie mit 54 und 56 dargestellt, die zusammen
mit den äußeren Faltenscheitelpunkten 50 und den
inneren Faltenscheitelpunkten 52 eine Reihe von radial
nach außen
hin offenen Faltenhohlräumen
am Umfang des Filterelements definieren. Das zylindrische, in Falten
gelegte Filtermedium definiert ferner einen zylindrischen Hohlraum,
der in 1 allgemein mit 58 angegeben ist, der
sich zentral innerhalb des Filterelements befindet. Die Techniken
zum Falten oder Wellen des Filtermediums sind konventioneller Art
und können
ein Formen mit der Hand oder ein Formen unter Verwendung einer Plissiermaschine einschließen.
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Um
dem in Falten gelegten Filtermedium Steifigkeit und strukturelle
Integrität
zu verleihen, ist innerhalb des zylindrischen Hohlraums des Filterelements
ein inneres Stützblech
angeordnet, das eine innere Trägerhülle, die
in den 2 und 3 mit 64 angegeben
ist, umfasst. Die innere Trägerhülle 64 umfasst
ein poröses,
faseriges Filtermedium, vorzugsweise aus einem nichtgewebten thermoplastischen
Synthetikharz, wie z. B. Polyester. Die innere Trägerhülle besteht
vorzugsweise aus einem Spinnvliesmaterial. Ein "Spinnvlies-"Material kann gefertigt werden, indem
extrudierte Filamente aus thermoplastischem Synthetikharz zu einer
Vliesmatte abgeschieden werden, während die Filamente in weicher oder
teilweise geschmolzener Form vorliegen. Die weichen Fasern haften
im Allgemeinen thermisch aneinander, d.h. sie verbinden sich durch
Schmelzen miteinander, und bilden nach dem Abkühlen eine einstückige Masse
aus einer nichtgewebten Filamentstruktur. Die innere Trägerhülle kann
auch aus Spinnvlies-Glasfasern gebildet sein, jedoch sind Polyester-Fasern
zu bevorzugen. Die Trägerhülle 64 hat vorzugsweise
eine Durchlässigkeit
von mindestens dem Zehnfachen der Durchlässigkeit des Filtermediums 10 und
beeinträchtigt
den Druckabfall durch das Filterelement hindurch nicht merklich.
Wie aus obigen Ausführungen
deutlich werden dürfte,
ist die Trägerhülle ebenfalls
vorzugsweise aus einem verbrennbaren oder veraschbaren Material
gebildet, ähnlich
dem Material, aus dem das Filtermedium besteht, so dass die Verbundstruktur
relativ leicht verascht oder auf einer gewerblichen Mülldeponie
entsorgt werden kann.
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Die
Trägerhülle 64 ist
zylindrisch oder röhrenförmig ausgebildet,
und die Außenfläche der
Trägerhülle ist
mit den inneren Faltenscheitelpunkten 52 der Falten verbunden.
Vorzugsweise ist die Trägerhülle 64 mit
den inneren Faltenscheitelpunkten 52 mittels eines herkömmlichen
Klebers verbunden, der als eine oder mehrere Perlen (auf dem Umfang
oder in Schraubenform aufgebracht) auf die Außenfläche der Trägerhülle aufgetragen werden kann,
oder alternativ durchgehend in einer Schicht über die gesamte Außenfläche der
Trägerhülle aufgetragen
werden kann. Eine Klebeschicht ist in 3 mit 65 angegeben.
Der Kleber klebt die inneren Faltenscheitelpunkte an die Trägerhülle, welche
die inneren Faltenscheitelpunkte zueinander fixiert und dem in Falten gelegten
Filtermedium Steifigkeit und strukturelle Integrität verleiht.
An den Stellen zwischen den Falten ist die Trägerhülle natürlich nicht mit dem Filtermedium
verbunden und befindet sich in einem Abstand von diesen. Die Enden
der Trägerhülle befinden
sich vorzugsweise in einem kleinen Abstand von den Enden des Filtermediums,
so dass der Kleber für
die Abschlusskappen sich leicht mit dem Filtermedium in Schichten
verbinden kann und die Abschlusskappen sicher mit den Enden des
Filtermediums verklebt werden können.
Ansonsten erstreckt sich die Trägerhülle entlang
der gesamten axialen Länge
des Filtermediums.
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Das
Filterelement ist für
eine Fertigung mit Hilfe üblicher
Fertigungstechniken ausgelegt. Die innere Trägerhülle kann zum Beispiel um einen
Dorn gewickelt werden, wobei die Seitenkanten der Trägerhülle einander überlappen.
Obwohl dies nicht unbedingt notwendig ist, können die einander überlappenden
Seitenkanten durch Kleben aneinander befestigt werden. Dann kann
eine Klebemasse über
die Außenfläche der
Trägerhülle aufgetragen
werden, zum Beispiel als eine oder mehrere Perlen oder in einer
durchgehenden Schicht über
die gesamte Außenfläche der
Trägerhülle. Der
Kleber ist vorzugsweise ein handelsüblicher Kleber, zum Beispiel
ein Zwei-Komponenten-Urethan oder -Epoxid mit einem Katalysator,
der unter Wärmeeinwirkung
oder an der Luft aushärtet,
oder sie kann ein anderer handelsüblicher Kleber sein, zum Beispiel
ein Ein-Komponenten-Kleber aus unter Wärmeeinwirkung aushärtendem
Urethan oder Epoxid. Geeignete Kleber sind dem Fachmann wohlbekannt.
Das in Falten gelegte Filtermedium kann dann so angeordnet werden,
dass es die Trägerhülle in zylindrischer
Form umgibt. Die Seitenkanten des Filtermediums können aneinander befestigt
werden, zum Beispiel durch ein Klebeband oder einen Klebestreifen,
der entlang der aneinandergrenzenden Seitenkanten angebracht wird,
ebenfalls gemäß dem wohlbekannten
Stand der Technik. Die innere Trägerhülle ermöglicht es,
das vormontierte Filtermedium leicht (durch Abziehen) vom Dorn zu entfernen,
unter Beibehaltung seiner zylindrischen Form.
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Wie
in den 4 und 5 dargestellt, werden dann Abschlusskappen 22 und 24 auf
einander gegenüberliegenden
Enden des Filtermediums angebracht. Die Abschlusskappen sind vorzugsweise aus
einem herkömmlichen
Abschlusskappenmaterial gebildet, zum Beispiel einem Thermoplast,
wie Spritzguss-Nylon,
oder einem anderen Material, das verbrennbar und/oder biologisch
abbaubar ist und das leicht verascht oder auf einer Mülldeponie
entsorgt werden kann. Die Abschlusskappen werden mittels eines geeigneten
Klebers oder eines Verguss-Verbundmaterials
an die Enden des Filtermediums angeklebt. Vorzugsweise weisen beide
Abschlusskappen 22 und 24 unperforierte ringförmige Scheiben 68 bzw. 69 auf,
die gegen die Enden des Filtermediums 20 angeordnet sind.
Ein äußerer ringförmiger Flansch
erstreckt sich axial nach innen um den Umfang einer jeden Abschlusskappe
herum, teilweise entlang der Außenfläche des
Filtermediums. Insbesondere erstreckt sich der äußere ringförmige Flansch 70 auf
der Abschlusskappe 22 von der Scheibe 68 nach
innen, während
sich der äußere ringförmige Flansch 71 auf
der Abschlusskappe 24 von der Scheibe 69 nach
innen erstreckt. Jede Abschlusskappe weist außerdem eine zentrale Öffnung zur
Aufnahme eines Elementpositionierers des Filtergehäuses auf.
Insbesondere weist die Abschlusskappe 22 die zentrale Öffnung 72,
welche den Elementpositionierer 12 aufnimmt, auf, während die
Abschlusskappe 24 die zentrale Öffnung 73, welche
den Elementpositionierer 14 aufnimmt, aufweist. Wenn nur
ein Elementpositionierer vorhanden ist, kann eine der Abschlusskappen
natürlich
eine durchgehende ununterbrochene Scheibe ohne zentrale Öffnung sein.
Auf jeden Fall weist jede Abschlusskappe vorzugsweise einen inneren
ringförmigen
Flanschabschnitt 74 bzw. 75 auf, welcher die Öffnung in
der Abschlusskappe umgibt. Die ringförmigen Flansche erstrecken
sich ebenfalls axial nach innen, teilweise entlang der Innenfläche des
Filtermediums.
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Wie
zuvor schon erwähnt,
erstreckt sich die Trägerhülle nicht
ganz bis zu den Enden des Filtermediums, sondern endet vielmehr
an einer von den Enden des Filtermediums und auch vom inneren ringförmigen Flansch
der Abschlusskappe beabstandeten axialen Stelle. Durch den Abstand
der Trägerhülle von
den Enden des Filtermediums können
die Abschlusskappen leicht auf den Enden des Filtermediums positioniert
werden, und der Kleber kann die Abschlusskappen fest auf den Schichten
des Mediums befestigen. Die inneren ringförmigen Flansche auf den Abschlusskappen
haben vorzugsweise ungefähr
dieselbe radiale Dicke (0,769 mm (0,030 Zoll)) wie die Trägerhülle, so
dass eine im Wesentlichen bündige
und durchgehende Innenfläche
des Filtermediums gegeben ist.
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Jeder
innere Flansch 75, 75 auf den Abschlusskappen
hat außerdem
eine radial nach innen gewandte Nut, welche einen Elastomer-O-Ring 80 bzw. 82 aufnimmt.
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Jeder
O-Ring dichtet gegen den Elementpositionierer für das Gehäuse ab, um an beiden Enden des
Filterelements eine fluiddichte Dichtung zwischen dem Filterelement
und dem Filtergehäuse
vorzusehen. Während
die Elementpositionierer natürlich je
nach der speziellen Anwendung verschiedene Ausgestaltungen haben
können,
hat der in 4 dargestellte Elementpositionierer 12 eine
zylindrische Buchse oder einen Bund 84 mit einer glatten
Außenfläche, die
durch den O-Ring 80 der Abschlusskappe 22 abgedichtet
ist. Der Elementpositionierer 12 besitzt außerdem eine
nach außen
vorstehende Schulter 86 mit einer ebenen Innenfläche 88,
die an die Außenfläche 90 des
Flansches 72 anstoßen
kann, der O-Ring 80 ermöglicht
es jedoch, den Flansch 72 entlang der Buchse 84 an
einer beliebigen axialen Stelle zu positionieren und stets eine
ordnungsgemäße Abdichtung
zwischen dem Filterelement und der Abschlusskappe beizubehalten.
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Am
gegenüberliegenden
Ende des in 5 dargestellten Filterelements
hat der Elementpositionierer 14 vorzugsweise im Wesentlichen
dieselbe Struktur wie der Elementpositionierer 12, d.h.
eine zylindrische Buchse oder einen Bund 94 mit einer glatten
Außenfläche und
eine nach außen
vorstehende Schulter 96. Statt dass die O-Ring-Dichtung 82 direkt
gegen den Bund 94 abdichtet, kann die O-Ring-Dichtung 82 jedoch
gegen die Außenfläche des
zylindrischen inneren Trägerkerns 18 abdichten. Insbesondere
hat der innere Trägerkern 18 einen äußeren ringförmigen Flansch 100,
der vorzugsweise aus demselben Material wie der Trägerkern
(Metall) gebildet ist und an einem Ende, zum Beispiel durch Schweißen, an
diesem befestigt ist. Der innere Trägerkern 18 kann um
den ringförmigen
Flansch herum aufgenommen und innerhalb einer am inneren Ende 102 des
Flansches gebildeten ringförmigen
Rille positioniert werden. Die ringförmige Rille sorgt dafür, dass
die Außenfläche des
Flansches 100 im Wesentlichen mit der Außenfläche des
Kerns 18 bündig
ist. Der Flansch 100 seinerseits ist abgedichtet am Elementpositionierer 14 befestigt.
Insbesondere kann der Flansch 100 eine innere ringförmige Nut
haben, die einen Elastomer-O-Ring 106 aufnimmt. Der O-Ring 106 dichtet
gegen die Außenfläche des
Bundes 94 am Elementpositionierer 14 ab. Der Flansch 100 kann
zum Beispiel durch die Druckkraft des O-Rings 106 am Elementpositionierer 14 befestigt sein,
oder durch ein anderes Mittel, das es ermöglicht, den Trägerkern
vom Elementpositionierer zu entfernen. Natürlich kann der innere Trägerkern 18 auch
aus einem Stück
gebildet sein oder auf andere Weise dauerhaft am Elementpositionierer 14 befestigt
sein, wenn es die Anwendung erfordert, jedoch ermöglicht es
der abnehmbare Abschlussflansch 100 am Trägerkern,
vorhandene Filtergehäusekonstruktionen
mit dem kernlosen Filterelement nachzurüsten, sowie das Filterelement,
wenn nötig,
leicht zu entfernen und zu prüfen.
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Wie
weiter oben angegeben, besteht die Trägerröhre vorzugsweise aus Metall
und wird zu einem Zylinder geformt, indem die einander gegenüberliegenden
Seitenkanten eines perforierten Metallblechs zusammengebracht und
z. B. durch Schweißen
aneinander befestigt werden. Ein zweiter ringförmiger Flansch 108 ist
vorzugsweise aus demselben Material wie der Trägerkern (Metall) gebildet und
am anderen Ende des Kerns z. B. durch Schweißen befestigt. Der Trägerkern 18 kann
auch in einer inneren ringförmigen
Nut am zweiten ringförmigen
Flansch aufgenommen werden, so dass die Außenfläche des Trägerkerns im Wesentlichen mit
dem zweiten ringförmigen
Flansch bündig
ist. Der erste ringförmige
Flansch 100 und der zweite ringförmige Flansch 108 sorgen dafür, dass
der Trägerkern
glatte entfernt liegende Enden hat, damit er die Trägerhülle nicht
einklemmt oder zerreißt.
Glatte Enden können
jedoch auch durch Einsatz anderer Techniken vorgesehen werden, wie
z. B. durch Nachschlagen oder Einbördeln der Enden des Trägerkerns,
so dass eingerollte Kanten gebildet werden.
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Um
das Filterlement 20 im Filtergehäuse zu montieren, wird der
innere Trägerkern 18 zunächst am
Elementpositionierer 14 befestigt. Dann wird das Filterelement 20 über dem
Trägerkern 18 positioniert, wobei
die Abschlusskappe 24 zuerst über dem Trägerkern aufgenommen und über dem
Trägerkern
eingesetzt wird, bis der O-Ring 82 gegen den Flansch 100 abdichtet.
Aufgrund der glatten Innenfläche
der Trägerhülle 64 gleitet
das Filterelement 20 sanft und sauber über den inneren Trägerkern,
wobei die Trägerhülle als
Abstandshalter fungiert, um zu ermöglichen, dass die Abschlusskappe 24 leicht über den Trägerkern
hinaus gleitet. In montiertem Zustand grenzt die Trägerhülle 64 vorzugsweise
an den inneren Trägerkern 18 an
und umschließt
diesen eng, so dass der innere Trägerkern in Längs- und
Radialrichtung eine Stütze
für das
Filtermedium 20 bietet. Außerdem verhindert die Trägerhülle 64,
dass das in Falten gelegte Medium in direkten Kontakt mit dem inneren
Trägerkern
kommt und sich entlang des Trägerkerns
verfängt
oder verklemmt, wenn das Filterelement eingesetzt wird. Schließlich wird
der gegenüberliegende
Elementpositionierer 12 am Filterelement befestigt, wobei
die O-Ring-Dichtung 80 auf
der Abschlusskappe 22 gegen den Elementpositionierer 12 abdichtet.
Obwohl nicht abgebildet, kann der Elementpositionierer 12 in
eine abnehmbare Abschlusskappe des Filtergehäuses integriert werden.
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Das
Entfernen eines verbrauchten oder abgenutzten Filterlements aus
dem Gehäuse
geschieht in umgekehrter Reihenfolge des obigen Vorgangs, d.h. der
Elementpositionierer 12 wird vom Filterelement gelöst, und
das Filterelement wird vom inneren Trägerkern 18 abgezogen.
Auch hier kann das Filterelement sanft und leicht entfernt werden,
weil die Trägerhülle 64 leicht
auf dem inneren Trägerkern 18 gleitet.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wie in 6 dargestellt, kann
das Stützblech
für das
Filterelement 10 alternativ ein oder mehrere Stützbänder aufweisen,
die am Umfang um die Innenfläche
des Filtermediums im zylindrischen Hohlraum 58 herum verlaufen. 6 zeigt
zum Beispiel drei getrennte ringförmige Stützbänder 120, 122 und 124,
die in Abständen
voneinander um die Innenfläche
des Filtermediums herum angeordnet sind. Das Stützband 120 kann sich
nahe dem einen Ende des Filtermediums (nahe der Abschlusskappe 22)
befinden, das Stützband 124 kann sich
nahe dem anderen Ende des Filtermediums (nahe der Abschlusskappe 24)
befinden, und das Stützband 122 kann
sich zwischen dem Stützband 120 und
dem Stützband 124 ungefähr im Mittelpunkt
des Filtermediums befinden. Die beiden äußeren Stützbänder 120 und 124 befinden
sich vorzugsweise in einem Abstand von den Abschlusskappen des Filtermediums,
so dass das Fluid zwischen den äußeren Stützbändern und
den Abschlusskappen durch das Filtermedium hindurch fließen kann.
Das ermöglicht es
auch, die Abschlusskappen durch Kleben fest an den Enden des Filtermediums
zu befestigen, wie zuvor beschrieben.
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Die
Stützbänder sind
vorzugsweise aus einem unperforierten thermoplastischen Material,
z. B. Nylon, gebildet, oder können
aus einem faserigen Filtermaterial sein, wie es zuvor für die Trägerhülle beschrieben
wurde. Auch hier ist das Material vorzugsweise verbrennbar oder
biologisch abbaubar, so dass es leicht auf einer Mülldeponie
entsorgt werden kann. Ferner haben die Stützbänder vorzugsweise dieselbe
Dicke wie die zuvor beschriebene Trägerhülle (0,769 mm (0,030 Zoll))
und sind mit den inneren Faltenscheitelpunkten des Filtermediums
verbunden, z. B. durch Aufbringen einer Perle oder einer Klebeschicht
entlang der Außenfläche der
Bänder.
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Ebenso
wie die Trägerhülle verleihen
die Stützbänder den
Falten des Filterelements strukturelle Integrität und verhindern insbesondere,
dass sich die Falten relativ zueinander bewegen, so dass das Filterelement
seine zylindrische Form behält.
Die Stützbänder ermöglichen
auch, das Filterelement leicht über
dem inneren Trägerkern 18 zu
positionieren, da die Bänder
eine glatte Innenfläche
haben, die leicht über
den Kern geschoben werden kann und verhindert, dass die Falten in
direkten Kontakt mit dem Kern kommen. Die Bänder fungieren auch als Abstandshalter,
um zu ermöglichen,
dass die Abschlusskappe 24 über den Trägerkern hinaus gleitet, wenn
das Filterelement über
den Kern eingesetzt wird. Anzahl, Abstand und Breite der Stützbänder können je
nach der speziellen Anwendung gewählt werden und durch einfaches
Experimentieren bestimmt werden.
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Das
Filterelement kann weitgehend auf dieselbe Art und Weise wie zuvor
beschrieben montiert werden, wobei die Stützbänder um den Dorn herum angeordnet
werden und eine Klebeschicht auf die Außenfläche der Stützbänder aufgetragen wird und das
in Falten gelegte oder gewellte Filtermedium dann in Zylinderform
um die Bänder
herum angeordnet wird. Zwar sind die Stützbänder so beschrieben, dass sie
ringförmig
um die Innenfläche
des Filtermediums herum verlaufen, es liegt jedoch auch im Bereich
der vorliegenden Erfindung, ein oder mehrere Stützbänder spiral- oder schraubenförmig um
den Umfang der Innenfläche
des Filtermediums herum vorzusehen, solange das Stützband oder
die Stützbänder dem
Filtermedium ausreichende Stärke
und Integrität
verleihen.
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In
jeder der beiden weiter oben beschriebenen Ausführungsformen bietet die vorliegende
Erfindung ein neuartiges und einzigartiges Filterelement, das leicht über einem
mit einem Filtergehäuse
einstückig
geformten Trägerkern
positioniert und, wenn nötig,
vom Trägerkern
entfernt und ausgetauscht werden kann. Gemäß jeder der beiden weiter oben
beschriebenen Ausführungsformen
verleihen die Trägerhülle oder
das Stützband/die
Stützbänder dem
in Falten gelegten Filtermedium Integrität und Stärke, ohne dass eine das Filterelement
umschließende äußere Hülle erforderlich
ist, und sind leicht unter Einsatz üblicher Techniken herzustellen.
Schließlich
ist das Filterelement der vorliegenden Erfindung insbesondere aus
veraschbaren oder biologisch abbaubaren Bestandteilen konstruiert,
die auf einer gewerblichen Mülldeponie
entsorgt werden können.