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Dokumentenidentifikation DE69331102T2 22.08.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0655937
Titel TIEFFILTERPATRONE UND METHODE UND VORRICHTUNG ZU DEREN HERSTELLUNG
Anmelder Osmonics, Inc., Minnetonka, Minn., US
Erfinder SZCZEPANSKI, C., Joseph, Waconia, US;
AUNE, M., Thomas, Mound, US;
SCHNEIDER, J., Henry, Chino, US
Vertreter Strehl, Schübel-Hopf & Partner, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69331102
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.08.1993
EP-Aktenzeichen 939202750
WO-Anmeldetag 19.08.1993
PCT-Aktenzeichen PCT/US93/07924
WO-Veröffentlichungsnummer 0009404243
WO-Veröffentlichungsdatum 03.03.1994
EP-Offenlegungsdatum 07.06.1995
EP date of grant 07.11.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.08.2002
IPC-Hauptklasse B01D 29/11
IPC-Nebenklasse B01D 39/16   D04H 1/54   

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Tieffilter, und spezieller betrifft sie eine Tieffilterpatrone mit einem Filterelement einer Vielzahl im Wesentlichen zusammenhängender, diskreter Fasern, die aufgenommen werden, um eine im Wesentlichen rohrförmige Tieffilterpatrone herzustellen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer derartigen Filterpatrone.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Im Stand der Technik existieren verschiedene Prozesse und Vorrichtungen zum Herstellen von Tieffiltern mit einer Vielzahl im Wesentlichen zusammenhängender Fasern.

Bei dieser Technik werden Faserherstellvorrichtungen oder Fasererzeugungsvorrichtungen dazu verwendet, Fasern aus Kunstharzmaterial auf einen sich drehenden Sammeldorn hin zu sprühen, um zu Rohrkonfiguration ausgebildet zu werden. Während dieses Prozesses wirken Strahlen aus Luft oder anderen Gasen auf die Fasern ein, um derartige Fasern auf einen vergleichsweise feinen Durchmesser zu verfeinern und sie zur Aufnahmevorrichtung zu transportieren. Aus diesem allgemeinen Konzept entwickelten sich mehrere spezielle Prozesse.

Einer dieser Prozesse ist im für Lohkamp et al. erteilten US-Patent Nr. 3,825,379 und im für Harding et al. erteilten US-Patent Nr. 3,825,380 beschrieben. Beide offenbaren eine Prozess-Ziehvorrichtung oder eine Faserherstellvorrichtung mit einem Ziehkopf, der getrennte Kanäle für das Fasermaterial und die Verfeinerungsluft enthält. Während des Betriebs wird geschmolzenes, harzförmiges Fasermaterial durch kleine Löcher im Ziehkopf zu einer Aufnahmevorrichtung gedrückt und durch Luftströme verfeinert, die auf entgegengesetzten Seiten der Faser-Auslasslöcher positioniert sind. Die bei diesem Prozess genutzten Aufnahmeverfahren verfügen entweder über eine sich drehende Trommel, wie sie in diesen Patenten angegeben ist, um eine kontinuierliche Matte herzustellen, oder einen sich drehenden Dorn gemeinsam mit einer Andrückwalze zum Herstellen eines rohrförmigen Tieffilters. Dieser letztere Prozess ist ein nichtkontinuierlicher oder halbkontinuierlicher Prozess, bei dem die Durchmesser der Vielzahl von Fasern über die Gesamtheit des Elements konstant sind.

Ein zweiter Prozess ist beispielhaft im für Lin et al. erteilten US-Patent Nr. 4,20,864 angegeben. Dieses Patent offenbart eine Prozess-Ziehvorrichtung oder einen Düsenblock, der eine Vielzahl von Fasern zu einer sich drehenden Aufnahmevorrichtung liefert. Den Fasern sind verfeinernde Luftströme zugeordnet, die so wirken, dass sie die Fasern verfeinern, wenn diese zur Aufnahmevorrichtung laufen. Dieses Patent offenbart ebenfalls eine Andrückwalze zum Variieren des Drucks, der auf die sich auf dem sich drehenden Dorn ansammelnden Fasern ausgeübt wird, um ein Filter mit variierender Faserdichte herzustellen. Wie beim Prozess von Lohkamp et al. sowie Harding et al. ist der Durchmesser der einzelnen Fasern bei diesem Prozess über die Gesamtheit des Filterelements konstant. Jedoch ist dieser Prozess, im Gegensatz zu dem gemäß Lohkamp et al. sowie Harding et al., ein kontinuierlicher Prozess, bei dem die aufgenommenen Fasern kontinuierlich mittels der nichtzylindrischen Andrückwalze vom sich drehenden Dorn weggedrückt werden, um ein kernloses Tieffilterelement herzustellen.

Ein dritter spezieller Prozess ist durch die US-Patente Nr. 4,594,202 und 4,726,901, die beide für Pall et al. erteilt sind, repräsentiert. Ähnlich wie bei den oben beschriebenen Prozessen verfügt der Pall-Prozess über eine Faserherstellvorrichtung oder eine Faser-Ziehvorrichtung mit einer Vielzahl individueller Düsen, durch die das geschmolzene Faserharz zu einem Aufnahmedorn gedrückt wird. Ebenfalls ähnlich wie bei den anderen oben beschriebenen Prozessen offenbart dieser Prozess die Verwendung von Luft- oder Gasströmen zum Verfeinern der Fasern, wenn sie zum Aufnahmedorn laufen. Dieser Prozess unterscheidet sich von den oben beschriebenen Prozessen jedoch dadurch, dass er eine Einrichtung zum Variieren des Faserdurchmessers über die ganze radiale Abmessung des Filterelements, während für jedes Niveau der Faserdurchmesservarianz ein im Wesentliches konstantes Hohlraumvolumen aufrecht erhalten wird, offenbart. Pall et al. erzielen dies durch sequenzielles Ändern bestimmter, den Faserdurchmesser beeinflussender Parameter während des Aufnehmens der Fasern auf dem sich drehenden Dorn.

Obwohl jeder der oben beschrieben speziellen Prozesse für bestimmte Anwendungen im Wesentlichen akzeptierbar ist, weist jeder auch bestimmte Einschränkungen auf. Z. B. besteht eine Einschränkung beim Prozess gemäß Lohkamp et al. sowie Harding et al. darin, dass es ein nicht oder halbkontinuierlicher Prozess ist. Anders gesagt, wird ein Faserelement endlicher Länge dadurch hergestellt, dass eine Matte verfeinerter Fasern auf einem sich drehenden Dorn aufgebaut wird. Wenn das aufgenommene Fasermaterial die gewünschte Dicke erreicht, wird die Filterstruktur abgenommen und der Prozess wird erneut für das nächste Filterelement gestartet. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass die Fasermaterialien von einem gemeinsamen Verteiler ausgegeben werden. So sind die Eigenschaften der aufgenommenen Fasern, einschließlich der Faserdurchmesser, über die gesamte radiale Dicke des Filterelements im Wesentlichen identisch. Noch ferner beabsichtigt ein derartiger Prozess die Herstellung einer Filterstruktur auf einem gesonderten Kern, der Teil des Filterelements bleibt, wenn es vom Dorn abgenommen wird. Wenn kein derartiger Kern verwendet wird, existiert hinsichtlich des Faserdurchmessers, der dazu erforderlich ist, die Filterstruktur abzustützen, ohne dass sie zusammenfällt, eine deutliche Einschränkung. Dies wiederum beschränkt in notwendiger Weise den Mikrometerwert der sich ergebenden Faser oder die filterbare Teilchengröße.

Die Filterstruktur gemäß Lin et al. stellt eine Verbesserung gegenüber dem Prozess von Lohkamp et al. sowie Harding et al. dahingehend dar, dass es ein kontinuierlicher Prozess zum Herstellen einer kontinuierlichen Filterstruktur unendlicher Länge ist. Jedoch offenbart Lin et al., wie Lohkamp et al. sowie Harding et al. eine Filterstruktur, bei der die Fasern alle denselben Durchmesser haben. Ferner muss, da der Prozess gemäß Lin zum Herstellen eines kernlosen Tieffilterelements, d. h. eines Filters ohne getrennten Kern, konzipiert ist, der zentrale Teil des Filterelements aus einer Faser mit einem Durchmesser hergestellt werden, der ausreichend groß dafür ist, die Filterstruktur abzustützen. Dies beschränkt wiederum in notwendiger Weise den Mikrometerwert des Filters oder die filterbare minimale Teilchengröße.

Obwohl die Patente gemäß Pall et al. ein Tieffilterelement aus Fasern mit variierenden Durchmessern in Betracht ziehen, existieren mehrere Einschränkungen. Als Erstes ist der Prozess gemäß Pall et al. kein kontinuierlicher Prozess, sondern er muss für jedes hergestellte Filter wiederholt werden. Zweitens weisen zwar einige Filterelemente gemäß Pall et al. Fasern mit variierenden Durchmessern auf, jedoch zeigt der Prozess zum Herstellen derartiger Elemente Einschränkungen. Genauer gesagt, wird der Faserdurchmesser dadurch variiert, dass eine der mehreren Betriebsbedingungen des Faserherstellmechanismus sequenziell geändert wird. Immer dann, wenn eine derartige Änderung eingeführt wird, benötigt das System jedoch Zeit zum Reagieren auf eine derartige Änderung, bevor erneut ein Gleichgewicht erreicht wird. Der zeitliche Rahmen für die Reaktion ist proportional zum Ausmaß der Änderung. Da diese Änderungen während der Herstellung jedes einzelnen Filterelements eingeführt werden, ergibt sich ein weniger stabiler und stärker variabler Prozess. Ferner erfolgt der Wechsel von einer Faser eines Durchmessers auf eine solche eines anderen Durchmessers allmählich als zeitbezogener Übergang statt abrupt, so als würden die Fasern aus zwei oder mehr diskreten Fasern bestehen.

Demgemäß existieren zwar bekannte Verfahren zur Herstellung von Tieffiltern, jedoch zeigt jedes der Verfahren, sowohl die mit derartigen Verfahren hergestellten Erzeugnisse, Einschränkungen, die dazu tendieren, den weiten Anwendungsbereich von durch irgendeinen speziellen Prozess hergestellten Erzeugnissen einzuschränken. Demgemäß besteht in der Technik Bedarf an einem verbesserten, kosteneffizienten, kernlosen Tieffilterelement, genauer gesagt an einem Satz von Filterelementen mit einem großen Bereich von Mikrometerwerten und Filteranwendungen. Es besteht auch Bedarf an einem kontinuierlichen Verfahren und einer Vorrichtung zum Herstellen eines derartigen Filters.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Im Gegensatz zum Stand der Technik ist das erfindungsgemäße Tieffilter ein kernloses Tieffilter-Vlieselement, das vorzugsweise auf kontinuierlicher Basis hergestellt wird. Ferner ist das erfindungsgemäße Filterelement ein Element mit abgestuften Fasern, das mit Fasern verschiedener Durchmesser oder Fasern aus verschiedenen Materialien versehen ist. Die Fasern verfügen im zentralen Gebiet des Filters über Stützfasern mit Durchmessern, die ausreichend groß dafür sind, sich thermisch zu einer Struktur zu verbinden, die ausreichend stark dafür ist, den Rest des Filterelements zu stützen, so dass diese nicht einfällt. Ein derartiges Filterelement ist auch mit einer oder mehreren Schichten diskreter Filterfasern verschiedener Durchmesser, vorzugsweise Durchmessern, die kleiner als die Durchmesser der Stützfasern sind, versehen. Diese Filterfasern definieren die schließlichen Filtereigenschaften des Filters. Abweichend von bekannten kernlosen Strukturen können die Durchmesser dieser Filterfasern ziemlich klein und deutlich kleiner als die Faserdurchmesser sein, die dazu erforderlich sind, den zentralen Stützteil des Filterelements abzustützen. Auf den mindestens einen kleinen Faserdurchmesser-Querschnitt können dann, falls erwünscht, eine oder mehrere Schichten eines weiter variierten Faserdurchmessers folgen, um als Vorfilter oder dergleichen zum Herausfiltern größerer Teilchen zu wirken. Das Filterelement kann auch, falls erwünscht, mit gestufter Dichtestruktur realisiert werden.

Die Vorrichtung zum Herstellen eines derartigen Filters verfügt über zwei oder mehr Faserzuführsysteme, die nebeneinander in einer Richtung parallel zur axialen Richtung des Aufnahmedorns beabstandet sind. Diese Zuführsysteme werden unabhängig angesteuert, so dass Fasern verschiedener Durchmesser oder aus verschiedenen Materialien oder Polymeren gleichzeitig hergestellt und zu einer Aufnahmevorrichtung gelenkt und so zu einem Filterelement hergestellt werden können. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind den Materialzuführkanälen unabhängige motorbetriebene Pumpen mit Verdrängung durch Druck zugeordnet, bei denen die Geschwindigkeit unabhängig und elektronisch steuerbar ist, um dadurch die Materialströmungsrate zu beeinflussen. Die Heizblöcke zum Erwärmen des Materials und zum Aufrechterhalten desselben auf einer vorbestimmten Temperatur der Vorrichtung werden ebenfalls durch geeignete Einrichtungen unabhängig erwärmt und gesteuert, wie dies auch für Mechanismen zum Liefern des Verfeinerungsgases gilt.

Der erfindungsgemäße Prozess ist ein kontinuierlicher Prozess, zu dem es gehört, dass zwei oder mehr unabhängig gesteuerte Faserabgabeeinrichtungen bereitgestellt werden und diese während der Herstellung eines Filterelements gleichzeitig betrieben werden, um ein Tieffilter mit Fasern mindestens zweier verschiedener Durchmesser oder aus zwei verschiedenen Materialien herzustellen.

Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes kernloses Tieffilter zu schaffen, das aus Fasern mit verschiedenen Durchmessern oder Fasern aus verschiedenen Materialien besteht.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Satz kernloser Tieffilterelemente mit verbessertem Mikrometerwert und so der Fähigkeit, einen größeren Bereich von Teilchengrößen zu filtern, zu schaffen.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein kernloses Tieffilter mit einer innersten Schicht aus Fasern eines ersten Durchmessers und einer oder mehreren äußeren Filterschichten aus Fasern mit Durchmessern unter dem ersten Durchmesser zu schaffen.

Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Tieffilter mit Fasern verschiedener Durchmesser zu schaffen, wobei die speziellen Faserdurchmesser so ausgewählt sind, dass für Filterabstützung als auch Filtervermögen gesorgt ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein kernloses Tieffilter aus Fasern aus verschiedenen Materialien zu schaffen.

Eine noch weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Tieffilters zu schaffen, bei denen mindestens zwei unabhängig gesteuerte Faserherstelleinrichtungen oder Faserabgabeeinrichtungen verwendet werden, die gleichzeitig arbeiten, um eine kontinuierliche Tieffilterpatrone herzustellen.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, die Beschreibung der bevorzugten und alternativen Ausführungsformen sowie die beigefügten Ansprüche ersichtlich.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm zum Veranschaulichen der Vorrichtung gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Draufsicht, der Aufnahmevorrichtung gesehen von der Faserquelle her.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Vorrichtung, bei der mehr als zwei unabhängige Faserzuführsysteme realisiert sind.

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines Tieffilterelements gemäß der Erfindung, das mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung, insbesondere einer Vorrichtung wie der gemäß der Fig. 1 hergestellt wurde.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie 5-5 in der Fig. 4.

Fig. 6 ist eine Schnittansicht ähnlich derjenigen der Fig. 5 für eine alternative Tieffilter-Ausführungsform, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist, insbesondere von einer Vorrichtung wie der gemäß Fig. 3.

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Zuführsystem für ein einzelnes Material mit zwei unabhängig gesteuerten Faserabgabeeinrichtungen dargestellt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM UND DES VERFAHRENS

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Tieffilter-Vlieselement, genauer gesagt, ein kernloses Tieffilterelement sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Elements. In der gesamten Beschreibung und den Ansprüchen wird der Begriff "kernlos" dazu verwendet, bestimmte Tieffilterelemente zu beschreiben. Solange nichts anderes angegeben ist, betrifft der Begriff "kernlos" ein Filterelement, das nicht mit einem gesonderten Stützkern versehen ist.

Als Erstes wird auf die Fig. 1 Bezug genommen, die eine Vorrichtung veranschaulicht, die dazu verwendet wird, ein Tieffilterelement unendlicher Länge kontinuierlich herzustellen, wobei das Tieffilter aus mindestens zwei diskreten Sätzen thermisch gebundenen kontinuierlichen Fasermaterials mit verschiedenen Durchmessern oder aus verschiedenen Materialien besteht. Die bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung verfügt über einen motorbetriebenen Schneckenextruder 10, der von einer Quelle (nicht dargestellt) mit thermoplastischem Polymermaterial versorgt wird. Ein einzelner Extruder 10 kann für beide Zuführsysteme arbeiten, wie dargestellt, oder es können, wenn Fasern aus verschiedenen Materialien in Betracht gezogen werden, getrennte Extruder für jedes Zuführsystem vorhanden sein. Das spezielle thermoplastische Polymermaterial kann ein beliebiges unter einer Vielzahl von Kunstharzmaterialien sein, mit denen Fasern hergestellt werden können, wie sie bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Tieffilterelements verwendet werden. Obwohl die als Polypropylen bekannte Klasse von Polymermaterialien bevorzugt ist, können auch Polyester, Nylon, Polyurethane und andere Materialien verwendet werden. Innerhalb des Extruders 10 wird das Polymermaterial in den geschmolzenen Zustand erwärmt, wobei es dosiert wird und in eine erwärmte Zuführleitung 11 transportiert wird. Das Material wird in der Leitung 11 auf seiner Temperatur gehalten oder weiter erwärmt, und es wird schließlich in einen gemeinsamen Verteiler 12 eingespeist. Dann wird das erwärmte, geschmolzene Polymermaterial durch den Verteiler 12 zu zwei im Wesentlichen identischen Faserherstelleinrichtungen in Form zweier Faserzuführsysteme gelenkt, die durch die allgemeinen Bezugszeichen 14 und 16 veranschaulicht sind. Die Zuführsysteme 14 und 16 sind im Wesentlichen identisch, und jedes wirkt so, dass es eine oder mehrere im Wesentlichen kontinuierliche Fasern aus dem Harzmaterial herstellt und diese entlang einem vorbestimmten Weg zu einer Aufnahmeeinrichtung lenkt, wie dies unten detaillierter beschrieben wird.

Das Faserzuführsystem 14 verfügt über eine motorbetriebene Dosierpumpe 18 vom Zahnradtyp mit Druckverdrängung, die vom Verteiler 12 geschmolzenes Polymermaterial erhält und dieses zum Heizerblock 24 lenkt. Die Drehzahl des die Dosierpumpe 18 antreibenden Motors 19, und damit die Rate, mit der das Material durch die Pumpe 18 dosiert wird, wird durch eine geeignete Steuerungseinrichtung 20 elektronisch gesteuert.

Der Block 24 wird über eine Heizereinrichtung (nicht dargestellt) unabhängig beheizt. Eine derartige Heizereinrichtung und damit die Temperatur des Polymermaterials innerhalb des Blocks 24, wird durch die Temperatursteuerungseinrichtung 26 gesteuert. Der Block 24 ist mit mehreren Fasernabgabeeinrichtungen in Form mehrerer abnehmbarer Öffnungen 25, 25 und zugehöriger Gasverfeinerungsmechanismen 28, 28 versehen. Die Größe der Öffnungen 25, 25 kann nach Wunsch ausgewählt werden, um es zu unterstützen, eine gewünschte Fasergröße oder einen gewünschten Faserdurchmesser zu erzielen. Das geschmolzene Material wird den Düsen 25, 25 über Innenkanäle (nicht dargestellt) innerhalb des Blocks 24 zugeführt.

Die Faserverfeinerungsmechanismen 28, 28 sorgen für eine Anzahl von Gas- oder Luftströmen zum Verfeinern der aus den Düsen 25 austretenden Fasern auf in der Technik bekannte Weise. Die Gasverfeinerungsmechanismen 28, 28 können demgemäß von jedem in der Technik bekannten Design sein, einschließlich demjenigen, das im US-Patent Nr. 4,173,443 beschrieben ist.

Jedem der Verfeinerungsmechanismen 28, 28 sind eine Gasheizeinrichtung 28 und eine Gasversorgung 31 zugeordnet. Das Verfeinerungsgas wird von der Versorgung 31 über die Leitung 32 und geeignete Ventile und Regler zum Heizer 29 geliefert, wo seine Temperatur mittels der Temperatursteuerung 30 auf die gewünschte Temperatur angehoben oder abgesenkt wird. Dann wird das Gas vom Heizer 29 über die Leitung 34 zur Verfeinerungseinrichtung 28, 28 gespeist. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Fig. 1 werden die Mechanismen 28, 28 mit Verfeinerungsgas von einer gemeinsamen Versorgung und Steuerungseinrichtung versorgt. Jedoch wird in Betracht gezogen, dass jeder der Mechanismen 28, 28 mit gesondert gesteuerten Gasquellen versehen ist, wie es in der Fig. 7 dargestellt ist.

Das Faserzuführsystem 16 ist mit dem oben beschriebenen System 14 im Wesentlichen identisch. Genauer gesagt, verfügt das System 16 über einen Heizerkopf 38, der dem Kopf des Heizerblocks 24 entspricht, eine unabhängig angetriebene Dosierpumpe 36 mit Druckverdrängung, die der Dosierpumpe 18 entspricht, sowie einen Motor 39 und ein Pumpensteuerungselement 40, die den Elementen 19 und 20 entsprechen. Der Kopf 38 ist mit einer Anzahl von Düsen 42, 42 und einer Temperatursteuerungseinrichtung 41 entsprechend den Düsen 25, 25 und der Temperatursteuerung 26 des Systems 14 versehen. Das System 16 ist auch mit den Düsen 42, 42 zugeordneten Verfeinerungsmechanismen 44, 44 versehen. Diese Verfeinerungsmechanismen 44, 44 werden mit Verfeinerungsluft von einer Luftversorgung 45 über einen Heizer 48, ähnlich der Luftversorgung 31 und dem Heizer 29, versorgt. Für die Verfeinerungsluft sind in der Faserherstelleinrichtung 16 auch geeignete Leitungseinrichtungen 46 und 49 und eine Temperatursteuerungseinrichtung 50 vorhanden.

Jedes der Zuführsysteme 14 und 16 kann eine Vielzahl diskreter, kontinuierlicher Fasern 51, 51 bzw. 52, 52 erzeugen, die von den Öffnungen 25, 25 und 42, 42 zur in den Fig. 1 und 2 dargestellten Faseraufnahmeeinrichtung 54 gelenkt werden. Die Aufnahmeeinrichtung 54 verfügt über einen zentralen, sich drehenden Dorn 55, der über eine Rotationseinrichtung 58 drehbar gelagert ist. Benachbart zum Dorn 55 und beabstandet von diesem ist ein Andrückwalzenelement 56 vorhanden, das um die Achse 57 drehbar ist. Während des Betriebs wird die Vielzahl von Fasern 51, 51 sowie 52, 52 zum sich drehenden Dorn 55 gelenkt und auf diesem auf eine in der Technik bekannte Weise aufgenommen. Die sich drehende Andrückwalze 56 tritt mit den auf den sich drehenden Dorn 55 aufgewickelten Fasern in Eingriff. Wenn sich ausreichend viele Fasern auf dem Dorn 55 aufgebaut haben, drückt die Andrückwalze 56 das fertiggestellte Faserelement 59 vom axialen Ende des Dorns 55 in der Richtung des Pfeils 53 (Fig. 2) weg, um ein kontinuierliches Faserelement 59 unendlicher Länge herzustellen. Die gesamte Aufnahmeeinrichtung 54 ist dem Fachmann bekannt, und sie kann derjenigen ähnlich sein, die im US-Patent Nr. 4,240,864 beschrieben ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Andrückwalze 56 konturiert, so dass sich ein Filterelement mit gestufter Dichte ergibt.

Die in der Fig. 1 dargestellte bevorzugte Vorrichtung verfügt über zwei unabhängige Filterzuführsysteme 14 und 16, die Fasern verschiedener Durchmesser oder aus verschiedenen Materialien herstellen können. Eine derartige Vorrichtung kann dazu verwendet werden, das Filterelement der Fig. 4 mit Fasern verschiedener Durchmesser oder aus verschiedenen Materialien herzustellen. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass die Vorrichtung eine Faserherstelleinrichtung bilden kann, die über ein oder mehrere zusätzliche unabhängige Filterzuführsysteme wie das in der Fig. 3 schematisch veranschaulichte System 15 verfügt. Bei der Vorrichtung der Fig. 3 können Fasern mit zusätzlichen Durchmessern oder Materialien zur Filterelementstruktur hinzugefügt werden, wie derjenigen, die in der Fig. 6 dargestellt ist. Die Anzahl der unabhängigen Faserzuführsysteme in der Vorrichtung ist durch das speziell gewünschte Filterelement vorgegeben.

Mit den Vorrichtungen der Fig. 1 bis 3 können Tieffilterelemente des durch die Erfindung in Betracht gezogenen Typs hergestellt werden. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass bestimmte Konstruktionskomponenten und/oder Betriebsbedingungen jeder der Faserherstelleinrichtungen 14 und 16 (Fig. 1) oder 14, 15 und 16 (Fig. 3) geändert oder gesteuert werden, um Fasern mit den gewünschten Faserdurchmessern oder anderen Eigenschaften oder Fasern aus verschiedenen Materialien herzustellen. Z. B. kann die Fasergröße in gewissem Ausmaß durch die Öffnungsgröße kontrolliert werden. Im Allgemeinen ist der Faserdurchmesser umso kleiner, je kleiner die Öffnung ist. Die Temperatur des Fasermaterials und der Druck, mit dem es durch die Öffnung gedrückt wird, haben ebenfalls Einfluss auf die Fasergröße. Im Allgemeinen führen, innerhalb bestimmter Grenzen, höhere Temperaturen und niedrigere Drücke zu kleineren Faserdurchmessern. Ferner können die Bedingungen des Verfeinerungsgases, einschließlich des Drucks, der Geschwindigkeit und der Temperatur eines derartigen Gases, dazu verwendet werden, die Größe und die Eigenschaften von Fasern zu kontrollieren. Im Allgemeinen führen erhöhter Druck, erhöhte Geschwindigkeit und erhöhte Temperatur des Verfeinerungsgases zu einem kleineren Faserdurchmesser.

Es sei auch darauf hingewiesen, dass auch bestimmte der Konstruktionskomponenten oder der Betriebsbedingungen innerhalb jeder der Faserherstelleinrichtungen 14, 15 oder 16 gesteuert werden können. Z. B. kann die Größe der Öffnungen 25, 25 eingestellt werden, um mit der Einrichtung 14 Fasern verschiedener Größen herzustellen. In ähnlicher Weise wird, wie es in der Fig. 7 dargestellt ist, in Betracht gezogen, dass eines oder mehrere der Faserzuführsysteme, wie das System der Fig. 7, mit einer oder mehreren individuellen Versorgungs- und Steuerungseinrichtungen 72 und 73 für das Verfeinerungsgas versehen werden. Jede dieser Einrichtungen 72 und 73 ist einem oder mehreren der Gasverfeinerungseinrichtungen zugeordnet, um die Größe und die Eigenschaften der sich ergebenden Fasern individuell zu kontrollieren.

Das schematisch in der Fig. 4 und im Schnitt in der Fig. 5 veranschaulichte Tieffilterelement 59 ist ein im Wesentlichen längliches Tieffilterelement, das kernlos ist und das mittels des erfindungsgemäßen kontinuierlichen Prozesses mit unendlicher Länge hergestellt werden kann. Die kernlose Art des Filterelements 59 beruht auf der Tatsache, dass der Filter durch die Andrückwalze 56 vom sich drehenden Dorn 55 weggedrückt wird, wobei der mittlere hohle Teile 60 des Filterelements 59 durch die Innenfläche des innersten Teils 61 verflochtener Fasern des Harzmaterials gebildet ist. Dies steht im Gegensatz zu einem Filterelement, bei dem die verflochtenen Fasern durch einen gesonderten, hohlen Stützkern gehalten werden, der aus Kunststoff oder dergleichen besteht.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Filterelement 59 ein längliches, im Wesentlichen rohrförmiges Element unendlicher Länge mit einem im Wesentlichen rohrförmigen Innenhohlraum 60 und einer im Wesentlichen zylindrischen Außenfläche 64. Das bevorzugte Element 59 der Fig. 4 und 5 beinhaltet auch einen Filterbereich aus einer Vielzahl im Wesentlicher kontinuierlicher, thermisch gebundender, verflochtener Fasern aus Kunstharzmaterial. Dieser Filterbereich verfügt über eine zentrale Stützzone 61 aus einer Vielzahl von Stützzonenfasern mit einem ersten Durchmesser sowie eine Filterzone 62 mit einer oder mehreren Filterebenen, von denen jede aus einer Vielzahl von Filtrierfasern mit einem zweiten oder mehreren Durchmessern besteht, die vom Durchmesser der Stützzonenfasern verschieden sind. Bei der Ausführungsform der Fig. 4 und 5 besteht die Filterzone 62 aus einer einzelnen Filterebene.

Die Stützzonenfasern der Fig. 4 und 5 verfügen über einen Durchmesser, der ausreichend groß dazu ist, für eine Abstützung des Filterelements während des Filterprozesses zu sorgen, und insbesondere die Filterzonenfasern abzustützen. Die Filterzonenfasern sollten ebenfalls von einer Größe sein, die die thermische Bindung derartiger Fasern aneinander erleichtert. Vorzugsweise sollte der Durchmesser derartiger Stützfasern größer als ungefähr 15 um sein, und er sollte zwischen ungefähr 15 und 50 um liegen. Am bevorzugtesten sollten derartige Durchmesser ungefähr 20 bis 40 um betragen. Die Filterzone des Elements 59 der Fig. 4 und 5 besteht aus einer einzelnen Filterebene, die mit der Bezugszahl 62 gekennzeichnet ist. Die Filterzonenfasern dieser Ebene 62 verfügen über einen Durchmesser, der durch die gewünschten Filtereigenschaften des Filterelements 59 bestimmt ist. Obwohl diese Filterfasern von beliebigem gewünschten Durchmesser sein können, zieht die bevorzugte Ausführungsform in Betracht, dass sie kleiner als die die Stützzone 61 bildenden Stützfasern sind und im Allgemeinen im Bereich von ungefähr 1 bis 15 um liegen. Bevorzugter weisen derartige Fasern einen Durchmesser im Bereich von ungefähr 1 bis 8 um auf. Bei Filterfaserdurchmessern in diesem Bereich kann ein kernloser Tieffilter hergestellt werden, der dazu in der Lage ist, Teilchen zu filtern, die viel kleiner als bei bekannten kernlosen Tieffiltern sind. Zusätzlich zur Variation des Faserdurchmessers kann auch die Dichte derartiger Fasern entsprechend dem Stand der Technik mittels der Andrückwalze variiert werden, wie es im US-Patent Nr. 4,240,864 angegeben ist.

In der Fig. 6 ist eine modifizierte Tieffilter-Konstruktion 65 veranschaulicht. Diese Konstruktion 65 unterscheidet sich von der in den Fig. 4 und 5 veranschaulichten durch die Anzahl von Schichten oder Ebenen in der Filterzone. Genauer gesagt, wird die Ausführungsform der Fig. 6 unter Verwendung einer Vorrichtung wie der der Fig. 3 hergestellt. Das Element 65 verfügt über eine hohle Mitte 66, eine zentrale Stützzone mit der Schicht 68 und eine Filterzone mit den zwei Filterebenen 69 und 70. Jede der Schichten 68, 69 und 70 besteht aus einer Vielzahl diskreter Harzfasern mit verschiedenen Durchmessern. Ähnlich wie bei der Stützschicht 61 der Ausführungsform der Fig. 4 und 5 weisen die Stützzonenfasern der Schicht 68 einen Durchmesser auf, der ausreichend groß dafür ist, die Filterzonenfasern abzustützen, so dass sie vorzugsweise einen Durchmesser über ungefähr 15 um oder von ungefähr 15-50 um aufweisen, am bevorzugtesten einen Durchmesser von ungefähr 20-40 um.

Ebenfalls ähnlich wie bei der Filterzone 62 in den Fig. 4 und 5 ist der Durchmesser der die Schichten 69 und 70 bildenden Faserelemente im Allgemeinen kleiner als der der Fasern der Stützzonenschicht 68. Vorzugsweise weisen die Filterfasern der Filterschicht 69 einen Durchmesser von ungeführ 1-15 um auf, während die Filterfasern der Filterschicht 70 einen Durchmesser aufweisen, der ungefähr 3-10 um größer ist, um als Vorfilter für die Filterschicht 69 zu wirken.

Zusätzlich zu einem kernlosen Tieffilterelement mit Fasern verschiedener Durchmesser können die Fasern auch aus verschiedenen Materialien bestehen. Z. B. könnten Fasern aus einem ersten Material wie Polypropylen oder Polyethylen dazu verwendet werden, die Stützzone 61 (Fig. 4 und 5) oder 68 (Fig. 6) herzustellen, während Fasern aus einem zweiten oder dritten Material wie Nylon oder Polyester dazu verwendet werden könnten, die Filterschichten 62 (Fig. 4 und 5) oder 69, 70 (Fig. 6) herzustellen.

Es sei darauf hingewiesen, dass die durch die Erfindung in Betracht gezogene Faserherstelleinrichtung nicht dazu in der Lage ist, Fasern mit genauem und konstantem Durchmesser herzustellen. Z. B. sind während der Herstellung von Fasern mit Durchmessern von ungefähr 15 um einige größer, während einige kleiner sind. Die meisten weisen jedoch ungefähr 15 um auf. Dasselbe gilt für die oben angegebenen Bereiche von Fasergrößern.

Nachdem die erfindungsgemäße Vorrichtung und die Struktur des Tieffilterelements im Einzelnen beschrieben wurden, können die allgemeine Funktion der Vorrichtung und des Verfahrens gemäß der Erfindung am besten wie folgt verstanden werden.

Als Erstes wird dem Extruder 10 in der Fig. 10 geschmolzenes Harzmaterial zugeführt, wo es auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird. Dieses Material wird dann zum Verteiler 12 gefördert, wo es zu jedem der Faserzuführsysteme 14 und 16 gelenkt wird. Bei dieser Konstruktion ist das dem System 14 zugeführte Material dasselbe, das dem System 16 zugeführt wird. So ist das die Fasern 51, 51 und 52, 52 bildende Material dasselbe. Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass, falls dies erwünscht ist, die Fasern 51, 51 sowie 52, 52 aus verschiedenen Materialien hergestellt werden können, wie die einen aus einem Polypropylen und die zweiten aus einem Polyester oder einem anderen Polymer. In einem derartigen Fall wäre für jedes der Systeme 14 und 16 ein gesonderter Extruder 10 vorhanden.

Die Vorrichtung der Fig. 1 ist so konzipiert, dass sie Fasern 51, 51 und 52, 52 mit zwei verschiedenen Durchmessern oder aus zwei verschiedenen Materialien herstellt. So kann die Vorrichtung der Fig. 1 dazu verwendet werden, das in den Fig. 4 und 5 dargestellte Tieffilterelement herzustellen. Um ein Tieffilterelement herzustellen, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist, das über mehr als zwei Schichten von Fasern mit verschiedenen Durchmessern verfügt oder aus Fasern aus mehr als zwei verschiedenen Materialien aufgebaut ist, wird ein drittes unabhängiges Faserzuführsystem 15, wie es in der Fig. 3 dargestellt ist, verwendet. Diese dritte Faserherstelleinrichtung 15 kann auch von einem gemeinsamen Extruder, ähnlich dem Extruder 10, versorgt werden, oder sie kann mit ihrem eigenen, getrennten, entsprechenden Extruder versehen sein.

Aufgrund der Tatsache, dass die Faserzuführsysteme 14 und 16 der Fig. 1 oder 14, 15 und 16 gemäß der Fig. 3 unabhängig gesteuert werden, können die verschiedenen Faktoren, die die Fasergröße beeinflussen, einschließlich der Temperatur, der Öffnungsgröße des Drucks, der Harzdurchsatzrate, der Bedingungen des Verfeinerungsgases usw. eingestellt und kontrolliert werden, um Fasern mit gewünschten Durchmessern herzustellen, um entweder als Stützfasern für einen kernlosen Tieffilter oder als Filtrier- oder Vorfiltrierfasern für die Filterebenen zu wirken.

Beim Herstellen des erfindungsgemäßen Tieffilters werden die Fasern 51, 51 sowie 52, 52 (Fig. 1) zum sich drehenden Dorn 55 gelenkt, so dass sie sich auf diesem ansammeln. Es sei darauf hingewiesen, dass die Fasern 51, 51 sowie 52, 52 entlang der axialen Länge zum Dorn 55 gelenkt werden. Wenn sich die Andrückwalze 56 in der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Position befindet, sind die Fasern 51, 51 normalerweise die gröberen Fasern oder diejenigen mit größerem Durchmesser, der dazu ausreicht, den Stützbereich des Filterelements 59 zu bilden. Wenn das Filterelement durch die Andrückwalze 56 axial entlang dem sich drehenden Dorn 55 in der Richtung 53 (Fig. 2) gedrückt wird, werden die Fasern 52, 52 auf die zuvor gesammelten Fasern 51, 52 aufgelegt und dort angesammelt, um dadurch die äußere oder Filterschicht zu bilden. Wenn andere Fasern mit weiteren, differierenden Durchmessern oder Materialien gewünscht sind, kann eine Faserabgabeeinrichtung zum Abgeben derartiger Fasern axial benachbart zur die Fasern 52, 52 erzeugenden Abgabeeinrichtung hinzugefügt werden.


Anspruch[de]

1. Tieffilter-Vlieselement (59; 65) mit einem generell rohrförmigen Element, das einen axial verlaufenden Innenhohlraum (6; 66) und einen Filterbereich aufweist, wobei der Filterbereich umfaßt:

eine zentrale Stützzone (61; 68), die eine den Innenhohlraum (60; 66) bildende Innenfläche aufweist und aus mehreren im wesentlichen kontinuierlichen, verflochtenen und thermisch gebundenen Stützzonenfasern (51) aus Kunstharzmaterial besteht, und

eine radial außerhalb der zentralen Stützzone angeordnete Filterzone (62; 69, 70) aus mindestens einer Filterlage besteht, die aus mehreren im wesentlichen kontinuierlichen verschlungenen Filterzonenfasern (52) aufgebaut ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Filterelement (59; 65) ein kontinuierlich gebildetes Element unbestimmter Länge ist und

daß die Stützzonenfasern (51) und die Filterfasern (52) diskrete Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern oder aus unterschiedlichen Materialien sind.

2. Filterelement nach Anspruch 1, wobei die Filtereigenschaften des Filterbereichs an jeder radialen Position im wesentlichen identisch über den gesamten Filterbereich sind.

3. Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, das kernlos ist.

4. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterzone eine erste Filterlage (69) und eine zweite Filterlage (70) umfaßt, die radial außerhalb der ersten Schicht (69) angeordnet ist und aus Filterfasern (52) besteht, die einen größeren Durchmesser haben als die die erste Lage (69) bildenden Filterfasern (52).

5. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterfasern (52) thermisch gebunden sind.

6. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit abgestufter Dichte.

7. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stützzonenfasern (51) einen Durchmesser von mindestens 15 um, vorzugsweise zwischen etwa 15 und 50 um, aufweisen.

8. Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterzonenfasern (52) einen kleineren Durchmesser als die Stützzonenfasern (51), vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 1 bis 15 um, haben.

9. Vorrichtung zum Herstellen eines kontinuierlichen, im wesentlichen rohrförmigen Tieffilter-Vlieselements (59; 65), umfassend

ein Faserzuführsystem, das gleichzeitig im wesentlichen kontinuierliche, geschmolzene diskrete Fasern (51, 52) aus Kunstharzmaterial erzeugt, diese Fasern verfeinert und sie in Bündeln längs bestimmter Wege fördert, und

eine Aufnahmeeinrichtung (54), die in diesen Wegen angeordnet ist und einen rotierenden Dorn (55) zur Aufnahme der Fasern (51, 52) unter kontinuierlicher Bildung des Filterelements,

dadurch gekennzeichnet, daß das Faserzuführsystem mindestens zwei unabhängig gesteuerte Faserzuführeinheiten (14, 16) umfaßt, die Fasern mit unterschiedlichen Durchmessern oder aus unterschiedlichen Materialien abgeben.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, mit einer Druckrolleneinrichtung (56), die mit dem Dorn (55) zusammenwirkt, um die aufgenommenen Fasern (51, 52) in Axialrichtung von dem Dorn abzustreifen und ein Filterelement (59; 65) unbestimmter Länge zu erzeugen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Faserzuführeinheiten (14, 16) unabhängig voneinander gesteuerte Harzmaterialpumpen (18, 36) umfassen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Faserzuführeinheiten (14, 16) Einrichtungen (20, 40) zum unabhängigen Steuern des Harzmaterialdurchsatzes umfassen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Faserzuführeinheiten (14, 16) im wesentlichen parallel zur Achse des Dorn (55) in Abstand voneinander angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Faserzuführeinheiten (14, 16) einzelne Faserabgabeeinrichtungen (25, 42) umfassen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Faserabgabeeinrichtungen (25, 42) Unabhängig voneinander gesteuerte mit Gas arbeitende Verfeinerungseinrichtungen (28, 44) enthalten.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Verfeinerungseinrichtungen (28, 44) an einem gemeinsamen Faserzuführsystem (71) vorgesehen sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei eine erste Faserzuführeinheit (14) so angeordnet ist, daß erste Fasern (51) in einer unmittelbar auf der äußeren Aufnahmefläche des Dorns (55) gebildeten Schicht aufgenommen werden.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei eine zweite Faserzuführeinheit (16) so angeordnet ist, daß zweite Fasern (52) unmittelbar radial außerhalb der von den ersten Fasern (51) gebildeten Schicht aufgenommen werden.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18 mit einer weiteren Faserzuführeinheit (15) zum Erzeugen einer weiteren im wesentlichen kontinuierlichen Faser aus Kunstharzmaterial mit einem weiteren Durchmesser, zum Verfeinern der weiteren Faser und zum Fördern dieser Faser in einem Bündel längs eines weiteren vorbestimmten Weges.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, wobei die Zuführeinheiten (14, 16) Einrichtungen (26, 41) zum unabhängigen Steuern der Temperatur des Harzmaterials umfassen.

21. Verfahren zum kontinuierlicher Herstellen eines im wesentlichen rohrförmigen Tieffilter-Vlieselements (59; 65), der folgende Schritte umfaßt:

gleichzeitiges Erzeugen von im wesentlichen kontinuierlichen, diskreten, geschmolzenen Fasern aus Kunstharzmaterial mittels eines Faserzuführsystems,

Fördern der Fasern in Bündeln längs bestimmte Wege zu einer Aufnahmeeinrichtung (54), und

Aufnehmen der Fasern an der Aufnahmeeinrichtung mit einem rotierenden Dorn (55),

dadurch gekennzeichnet, daß das Faserzuführsystem mindestens zwei Faserzuführeinheiten (14, 16) enthält, die unabhängig voneinander gesteuert werden, um mindestens zwei Fasern (51, 52) mit unterschiedlichen Durchmessern oder aus unterschiedlichen Materialien herzustellen.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Filterelement (59; 65) kontinuierlich von dem rotierenden Dorn (55) abgenommen wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, wobei erste Fasern (51) unter Bildung einer Schicht unmittelbar an der äußeren Aufnahmefläche des Dorns (55) und zweite Fasern (52) unmittelbar radial außerhalb der von den ersten Fasern (51) gebildeten Schicht aufgenommen werden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei die Faserzuführeinheiten (14, 16) eine erste und eine zweite Faserabgabeeinrichtung (25, 42) umfassen, die unabhängig voneinander gesteuert werden.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, wobei die Verfeinerung der Fasern (51, 52) unabhängig gesteuert wird.

26. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder Verfahren nach Anspruch 23, wobei die ersten Fasern (51) einen Durchmesser von mindestens 15 um, vorzugsweise zwischen etwa 15 und 50 um, haben.

27. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder Verfahren nach Anspruch 23, wobei die zweiten Fasern (52) einen kleineren Durchmesser als die ersten Fasern (51), vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 1 bis 15 um, haben.







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