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Dokumentenidentifikation DE60021055T2 27.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001140319
Titel GEFALTETES FILTERELEMENT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES GEFALTETEN FILTERELEMENTS
Anmelder Cuno Inc., Meriden, Conn., US
Erfinder OLSEN, K., Daniel, North Branford, US
Vertreter Strohschänk und Kollegen, 81667 München
DE-Aktenzeichen 60021055
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.01.2000
EP-Aktenzeichen 009031758
WO-Anmeldetag 07.01.2000
PCT-Aktenzeichen PCT/US00/00438
WO-Veröffentlichungsnummer 0000040319
WO-Veröffentlichungsdatum 13.07.2000
EP-Offenlegungsdatum 10.10.2001
EP date of grant 29.06.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.2006
IPC-Hauptklasse B01D 29/21(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse B01D 27/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   B01D 46/52(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fluid-Filtervorrichtung und insbesondere ein gefaltetes Filterelement sowie ein Verfahren zur Herstellung eines gefalteten Filterelementes. Noch genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein gefaltetes Filterelement, das einen modifizierten W-Falten-Aufbau besitzt und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Filterelementes.

2. Stand der Technik

Filtration ist der Vorgang des Abtrennens von Teilchen oder Verschmutzungen aus einem Fluid (Flüssigkeit oder Gas) und kann dadurch bewerkstelligt werden, dass man das Fluid durch ein poröses Filtermedium strömen lässt, welches die Teilchen aufhält oder einfängt, während es das Fluid hindurch treten lässt. Eine derartige Fluid-Filterung wird in starkem Maße bei der Herstellung von polymeren Produkten, medizinischen Produkten, mineralogischen und metallurgischen Verfahren, der Raffinierung von Petroleum, der Wasserreinigung, der Kontrolle von Emissionen sowie bei der Herstellung von Getränken und Nahrungsmitteln verwendet.

Die herkömmlichsten Filtermedien können in zwei Breitekategorien eingeteilt werden, nämlich in Oberflächen-Filtermedien und in Tiefen-Filtermedien. Wie der Name besagt, hält das Oberflächen-Filtermedium die Verschmutzungen des Fluids an seiner Oberfläche fest. Beispiele für Oberflächenfiltermedien sind kalanderte schmelzgeblasene Materialien, Zellulose und/oder Papier, Membranen, gewebte Schirme, poröse Metalle und poröse nicht gewebte Materialien. Im Gegensatz hierzu erfasst ein Tiefen-Filtermedium die Verschmutzungen innerhalb des Mediums, d. h. zwischen einer stromaufwärts gelegenen Oberfläche und einer stromabwärts gelegenen Oberfläche des Mediums. Ein Beispiel für ein Tiefenfiltermedium ist ein harzgebundenes Filter.

Im Allgemeinen nimmt dann, wenn ein Fluid durch ein Filtermedium gedrückt und gefiltert wird, der Druckabfall über das Filtermedium, über die Zeit hinweg fortlaufend zu. Dieser Anstieg beruht auf der Ansammlung von Teilchen oder Verschmutzungen am Filtermedium, d. h. das Filtermedium wird zunehmend mit den Verschmutzungen beladen, die durch es eingefangen oder aufgehalten werden. Ein zunehmender Druckabfall über das Filtermedium bewirkt jedoch eine zunehmende Belastung der Einrichtungen (wie z. B. eines Gebläses oder einer Pumpe), die verwendet werden, um das Fluid durch das Filtermedium zu drücken. Da die Lebensdauer eines Filters im Allgemeinen durch einen maximal zulässigen Druckabfall definiert wird, hat zusätzlich eine geringere Zunahme des Druckabfalls eine längere Filter-Lebensdauer zur Folge.

Wenn ein Oberflächenfiltermedium verwendet wird, besteht ein Verfahren zur Minimierung des Druckabfalls über das Filtermedium darin, die zur Verfügung stehende Oberfläche des Filtermediums zu maximieren. Um die Oberfläche eines Oberflächenfilters zu erhöhen, wurden gefaltete Filtermedien entwickelt. Gefaltete Oberflächenfilter umfassen typischerweise ein relativ dünnes zelluloseartiges oder synthetisches Filtermedium, das in Art einer Ziehharmonika gefaltet wird, um eine Vielzahl von Falten zu bilden. Jede Falte besteht typischerweise aus zwei rechtwinkligen Wandbereichen, wobei die Faltlinien die Wandbereiche voneinander trennen.

Bei einem zylindrischen, gefalteten Filterelement erstrecken sich die kurzen Seiten der rechtwinkligen Wandelemente der Falten üblicherweise bezüglich der Achse des Filterelementes radial nach außen und ergeben somit die radiale Höhe der Falten, während sich die langen Seiten der rechtwinkligen Wandelemente der Falten sie zwischen den Enden des Filterelementes axial erstrecken. Die maximale Anzahl von vollständigen Falten (d. h. Falten, die sich zwischen dem inneren und dem äußeren Durchmesser des Filterelementes erstrecken) wird durch den Innenumfang des Filterelementes geteilt durch die Dicke der Falten bestimmt.

Wegen der radialen Geometrie der Falten in einem zylindrischen, gefalteten Filterelement besteht jedoch ein beträchtliches Ausmaß von Abständen zwischen den äußeren Spitzen der Falten. Um die Abstände zwischen den äußeren Spitzen der Falten zu minimieren, wurden Filterelemente verwendet, die größere Innendurchmesser und somit kleinere Faltenhöhen besaßen. Darüber hinaus wurden Spiral-Falten-Filter und „W"-Falten-Filter entwickelt, um den Faltenzwischenraum zu minimieren und noch mehr Filter-Oberflächenbereich zur Verfügung zu stellen.

Ein in W-Form gefaltetes Filterelement ist insofern mit einem standardmäßig gefalteten Filterelement vergleichbar, als es eine Vielzahl von Längsfalten umfasst, die in einer zylindrischen Konfiguration angeordnet sind. Das W-förmig gefaltete Filterelement umfasst jedoch auch relativ kurze Falten, die sich von dem äußeren Umfang des Filters zwischen den Falten mit Standardhöhe radial nach innen erstrecken. Die kurzen Falten haben die gleiche Höhe und treten mit gleichförmiger Frequenz um den Umfang des Filters herum auf, d. h. es befindet sich eine kurze Falte zwischen jeweils zwei Falten mit voller Länge. Beispiele von W-förmig gefalteten Filterelementen finden sich in den US-Patenten Nr. 2,627,350 (1953) für Wicks, Nr. 3,022,861 (1962) für Harms; Nr. 3,799,354 (1974) für Buckmann et al., und im Deutschen Patent Nr. 3,935,503 (1991) für Nick et al.. Die meisten W-förmig gefalteten Filter werden unter Verwendung von mit Hilfe von Nocken gesteuerten Faltmaschinen hergestellt, die nur sich wiederholende und gleichförmige Faltenmuster liefern, was zu kurzen Falten der gleichen Höhe führt und eine gleichförmige Frequenz ergibt.

Ein Problem, das bei der W-Falten-Konstruktion auftritt, besteht jedoch darin, dass die Faltendichte kleiner als die optimale Faltendichte ist und dass die kurzen Falten zur Achse des Filters hin wandern. Eine solche Wanderung ist unerwünscht, da sie ein Festkleben, Blockierungen, erhöhte Druckabfälle über das Filter, eine verkürzte Filterlebensdauer und eine Beschädigung des Filtermediums zur Folge haben kann.

Ein spiralig gefaltetes Filterelement ist mit einem standardmäßig gefalteten Filterelement insoweit vergleichbar, als es eine Vielzahl von Längsfalten aufweist, die in einer zylindrischen Konfiguration angeordnet sind. Bei einem spiralig gefalteten Filter sind jedoch die Enden der Falten umgerollt, um den Abstand zwischen benachbarten Faltenoberflächen in der Nähe eines Außendurchmessers des Filterelementes zu minimieren, so dass mehr Filteroberflächen-Bereich in einem Filter gleichen Durchmessers geschaffen werden kann. Beispiele von spiralig gefalteten Filtern finden sich in den US-Patenten 2,395,449, 2,401,222 und 2,420,414 (1946) für Briggs; sowie der Patentanmeldung WO-A-95/17945 und den US-Patenten Nr. 5,543,047 (1996) und 5,690,765 (1997) für Stoyell et al.

Zwar schaffen sowohl die spiralig gefalteten als auch die W-förmig gefalteten Filterelemente Oberflächen-Filter mit vergrößerter Filteroberfläche, doch haben die spiralig gefalteten Konstruktionen nicht das Falten-Wanderungsproblem, das bei den W-förmig gefalteten Konstruktionen auftritt. Im Vergleich zu einem W-förmig gefalteten Filter liefern die umgerollten Falten eines spiralig gefalteten Filters jedoch weniger und schwieriger zugängliche radiale Strömungspfade in der Nähe des äußeren Durchmessers des Filters, was zu einem größeren Druckabfall über das Filter führt. Zusätzlich bewirken die umgerollten Falten eines spiralig gefalteten Filters längere Strömungspfade und daher eine vergrößerte Möglichkeit, dass die Strömungspfade bei Anwendungsfällen mit einer hohen Belastung oder einer Verschmutzung mit großen Teilchen blockiert werden.

Darüber hinaus ist es schwieriger, spiralig gefaltete Filter in einen zylindrischen Käfig einer Patronenbaueinheit einzusetzen, die das Filterelement umschließt, da die umgerollten Falten die Tendenz besitzen, sich gerade zu strecken, bevor sie in den Käfig eingesetzt werden. Das Einsetzen eines spiralig gefalteten Filterelementes in einen Käfig ist mit einem Reibungswiderstand verbunden, der zu einer Beschädigung des Filtermediums führen und in praktischer Hinsicht die axiale Länge einer Filterpatrone begrenzen kann, bei der ein spiralig gefaltetes Filterelement Verwendung findet.

Somit besteht weiterhin ein Bedarf für ein Filterelement, das im Vergleich zu einem spiralig gefalteten Filter eine vergrößerte Filteroberfläche ergibt und vermehrte radiale Strömungswege am äußeren Durchmesser des Filters aufweist, und das einfach in einen lang gestreckten, zylindrischen Käfig eingeschoben werden kann. Es besteht auch ein Bedarf für einen gefalteten Filteraufbau, der eine Faltenwanderung verhindert.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft ein Filterelement gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Filterelementes gemäß Anspruch 24.

Ein Filterelement, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, besitzt eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Falten, die sich radial nach außen erstreckende primäre Falten und sich radial nach innen erstreckende sekundäre Falten umfassen, wobei wenigstens eine sekundäre Falte zwischen zwei benachbarten primären Falten angeordnet ist. Jede primäre Falte hat eine vorbestimmte radiale Höhe und jede sekundäre Falte hat eine radiale Höhe, die kleiner ist, als die radiale Höhe einer jeden primären Falte, und die sich von der radialen Höhe wenigstens einer anderen sekundären Falte unterscheidet.

Es hat sich gezeigt, dass ein Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Zunahme von Filteroberfläche, eine größere Gesamt-Filterdichte zwischen Innen- und Außenumfang des Filterelementes und eine erhöhte Anzahl von radialen Strömungspfaden aufweist, die am äußeren Umfang des Filters zur Verfügung stehen. Ein Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung schafft auch eine verbesserte Abstützung zwischen den Falten, um die Wahrscheinlichkeit einer Faltenwanderung und eines Festklebens zu vermindern.

Gemäß einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung besteht das Filterelement vorzugsweise aus einem gefalteten Verbundstoff, der ein Filtermedium und wenigstens ein stromaufwärts liegendes Diffusionsmedium und ein stromabwärts liegendes Diffusionsmedium umfasst. Die Diffusionsmedien sorgen für eine Stützung des Filtermediums, helfen dabei, das Fluid in wirksamer Weise zu verteilen, und stellen sicher, dass Strömungskanäle, die zwischen und innerhalb der Falten ausgebildet sind, nicht mit Verschmutzungen gefüllt und blockiert werden. Gemäß einem zusätzlichen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist der gefaltete Verbundstoff des Filterelementes wärmegehärtet, um die Wahrscheinlichkeit der Faltenwanderung und Verklebung zusätzlich zu vermindern.

Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Patronenbaueinheit, die einen zylindrischen Käfig, einen in dem zylindrischen Käfig koaxial angeordneten zylindrischen Kern und ein zylindrisches Filterelement umfasst, das, wie oben beschrieben, koaxial zwischen dem Kern und dem Käfig angeordnet ist. Die primären Falten des Filterelementes haben jeweils eine vorbestimmte radiale Höhe, die ungefähr gleich der Differenz zwischen dem Außenradius des Kerns und dem Innenradius des Käfigs ist.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Filterelementes gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet das Falten eines Filtermediums zur Ausbildung einer Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Falten, die primäre Falten und sekundärer Falten umfassen, wobei wenigstens eine sekundäre Falte zwischen zwei benachbarten primären Falten angeordnet ist, jede primäre Falte eine vorbestimmte Höhe besitzt und jede sekundäre Falte eine Höhe besitzt, die geringer ist, als die Höhe einer jeden primären Falte und die sich von der Höhe wenigstens einer anderen sekundären Falte unterscheidet. Gemäß einem Gesichtspunkt umfasst das Verfahren weiterhin das Schneiden des gefalteten Filtermediums auf eine gewünschte Länge und der Formung des abgeschnittenen Stücks des gefalteten Filtermediums zu einem Zylinder derart, dass sich die primären Falten radial nach außen und die sekundären Falten radial nach innen erstrecken.

Diese und andere Gesichtspunkte der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann noch klarer aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Damit der Fachmann, an den sich die vorliegende Beschreibung wendet, noch besser versteht, wie ein Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung aufzubauen ist, wird im folgenden eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelementes im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:

1 eine perspektivische Darstellung eines gefalteten Filterelementes gemäß der vorliegenden Erfindung,

2 eine perspektivische, teilweise weggeschnittene Darstellung einer Patronenbaueinheit, die das gefaltete Filterelement aus 1 umfasst, das zwischen einem inneren Kern und einer außen liegenden Käfigwand der Patronenbaueinheit aufgenommen ist, wobei ein Teil des Filterelementes aus dem Inneren des Käfigs herausgewickelt wiedergegeben ist,

3 eine vergrößerte Schnittansicht der Patronenbaueinheit aus 2 und

3a bis 3c Schnittansichten von Patronenbaueinheiten, die andere Beispiele von gefalteten Filterelementen gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In den 2 und 3, in denen gleiche Bezugszeichen ähnliche Strukturelemente der vorliegenden Erfindung bezeichnen, ist eine zylindrische Patronenbaueinheit 8 wiedergegeben, die ein gefaltetes Filterelement 10 umfasst, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Zusätzlich zum zylindrischen, gefalteten Filterelement 10 umfasst die Patronenbaueinheit 8 einen zylindrischen, inneren, perforierten Kern 12, der koaxial innerhalb des Filterelementes angeordnet ist, und eine zylindrische außen liegende, perforierte Käfigwand 14, die am Filterelement koaxial angeordnet ist. Gemäß 1 hat das hier beschriebene Filterelement 10 einen „modifizierten" W-Falten-Aufbau, der im Folgenden noch genauer beschrieben wird. Es hat sich gezeigt, dass ein solches Filterelement 10 zu einer zusätzlichen Filteroberfläche führt, wie sie für spiralig gefaltete Filter typisch ist, wobei eine Zunahme in der Anzahl der zur Verfügung stehenden radialen Strömungspfade des Filters an der außen liegenden Käfigwand 10 auftritt. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass ein solches Filterelement 10 zu einer größeren Gesamt-Filterdichte zwischen dem inneren Kern 12 und der außen liegenden Käfigwand 14 führt, wobei die größere Gesamtfilterdichte die zwischen den Falten vorhandene Abstützung verbessert und so die Wahrscheinlichkeit einer Faltenmigration und eines Festklebens vermindert.

Modifizierter W-Falten-Aufbau

Gemäß den 1 und 3 umfasst ein Filterelement 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Falten „P" und „s", von denen jede zwei miteinander verbundene Falten-Schenkel besitzt. Die Falten umfassen sich nach außen erstreckende, primäre Falten „P" und sich nach innen erstreckende sekundäre Falten „s1, s2, s3 ... s&agr;", wobei &agr; die tatsächliche Anzahl von sekundären Falten ist, wobei wenigstens eine sekundäre Falte zwischen zwei einander benachbarten primären Falten angeordnet ist. Es sei darauf hingewiesen, dass in den 1 und 3 die Falten „P" und „s" zu Darstellungszwecken mit größeren gegenseitigen Abständen wiedergegeben sind, als sie sie tatsächlich besitzen. Bei einem tatsächlichen Filterelement, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, sind die Falten näher beieinander angeordnet, so dass sich benachbarte Falten in der Nähe des Kerns 12 gegenseitig berühren, wodurch eine größere Menge von Filterstoff zwischen dem Kern und der Käfigwand 14 angeordnet ist.

Wie man insbesondere der 3 entnimmt, erstreckt sich jede primäre Falte „P" mit einer vorbestimmten Höhe „H", und die sekundären Falten „s1, s2, s3 ... s&agr;" besitzen jeweils eine Höhe „h1, h2, h3 ... h&agr;", die kleiner ist als die vorbestimmte Höhe „H". Mit anderen Worten, die Schenkel einer jeden sich radial nach innen erstreckenden, sekundären Falte „s" sind an Fußbereichen miteinander verbunden, die zwischen dem Scheitel und dem Fußbereich der benachbarten primären Falten „P" angeordnet sind. Jede sekundäre Falte „s1, s2, s3 ... s&agr;" besitzt auch eine radiale Höhe „h1, h2, h3 ... h&agr;", die von der radialen Höhe wenigstens einer anderen sekundären Falte verschieden ist.

Zusätzlich besitzt bei der speziellen dargestellten Ausführungsform eines Filterelementes 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, jede sekundäre Falte „s1, s2, s3 ... s&agr;" eine radiale Höhe „h1, h2, h3 ... h&agr;", die von jeder der radialen Höhe einer jeden anderen sekundären Falte verschieden ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass ein gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebautes Filterelement alternativ sekundär Falten aufweisen kann, von denen einige Sekundärfalten „s1, s2, s3 ... s&agr;" gleiche Höhen besitzen. In jedem Fall umfasst ein gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebautes Filterelement 10 Sekundärfalten „s1, s2, s3 ... s&agr;", die mit Höhen „h1, h2, h3 ... h&agr;" versehen sind, die kleiner sind als die vorbestimmte Höhe „H" der primären Falten „P" und die von den radialen Höhen wenigstens einer anderen sekundären Falte verschieden sind.

Die theoretisch vorbestimmte Höhe der primären Falten „P" ist gleich der Hälfte des Unterschiedes zwischen einem inneren und einem äußeren Durchmesser des Filterelementes 10. Vorzugsweise sind das Filterelement 10, der innere Kern 12 und die außen liegende Käfigwand 14 so dimensioniert, dass der innere Durchmesser des Filterelementes ungefähr gleich einem Außendurchmesser „dKern" des Kerns 12 und der Außendurchmesser des Filterelementes ungefähr gleich einem Innendurchmesser „dKäfigwand" der Käfigwand 14 ist. Demgemäß ist die theoretische vorbestimmte Höhe der primären Falten „P" vorzugsweise gleich ungefähr dem halben Unterschied zwischen dem Kern-Außendurchmesser „dKern" und dem Käfigwand-Innendurchmesser „dKäfigwand".

Berechnung der sekundären Faltenhöhen

Der modifizierte W-Falten-Aufbau, der hier beschrieben wird, führt zu einer konsistenten und optimalen Filterdichte zwischen dem Kern-Außendurchmesser „dKern" und dem Käfigwand-Innendurchmesser „dKäfigwand". Im allgemeinen werden eine theoretische Anzahl „&bgr;" der Sekundärfalten „s1, s2, s3 ... s&bgr;" und ihre individuellen Höhen „h1, h2, h3 ... h&bgr;" basierend auf der Faltendicke „t", den Kern-Außendurchmesser „dKern" und dem Käfigwand-Innendurchmesser „dKäfigwand" berechnet.

Zunächst ist, da sich nur die primären Falten „P" von der außen liegenden Käfigwand 14 zum inneren Kern 12 erstrecken, die theoretische Anzahl „n" der primären Falten „P" im allgemeinen durch die folgende Gleichung bestimmt:

Dann wird eine sekundäre Falte „s" für jede Durchmesseränderung „&Dgr;d" zwischen dem Kern-Außendurchmesser „dKern" und dem Käfigwand-Innendurchmesser „dKäfigwand" hinzugefügt. Die Durchmesseränderung „&Dgr;d" ist als Durchmesseränderung definiert, die erforderlich ist, um den Umfang um eine Faltendicke zu vergrößern, und ist im Allgemeinen durch die folgende Gleichung festgelegt:

Die Höhen „h1, h2, h3 ... h&bgr;" der sekundären Falten „s1, s2, s3 ... s&bgr;" können dann durch die folgenden Gleichungen bestimmt werden: h1 = [dKäfigwand – (dKern + 1t/&pgr;)]/2 h2 = [dKäfigwand – (dKern + 2t/&pgr;)]/2 h3 = [dKäfigwand – (dKern + 3t/&pgr;)]/2 ... h&bgr; = [dKäfigwand – (dKern + &bgr;t/&pgr;)]/2

Entsprechend hat eine theoretisch größte sekundäre Falte „s1" eine Höhe „h1", während eine theoretisch kürzeste sekundäre Falte „s&bgr;" eine Höhe „h&bgr;" besitzt. Die theoretische Gesamtzahl „&bgr;" von sekundären Falten „s" kann mit Hilfe der folgenden Gleichung berechnet werden: (dKäfigwand – dKern)&pgr;/t.

Als Beispiel sind die sekundären Faltenhöhen „h" eines Filterelementes 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet ist, in der folgenden Tabelle I dargestellt. Das in Tabelle I beschriebene, gefaltete Filterelement 10 ist zwischen einem inneren Kern 12 mit einem Außendurchmesser „dKern" von ungefähr 33,325 mm und einer außen liegenden Käfigwand 14 positioniert, die einen Innendurchmesser „dkätigwand" von ungefähr 62,36 mm besitzt. Das gefaltete Filterelement 10 umfasst Falten „P" und „s", von denen jede eine mittlere Faltendicke „t" von ungefähr 1,52 mm aufweist.

Somit haben die primären Falten „P" jeweils eine theoretische vorbestimmte Höhe ungefähr gleich 14,53 mm, wobei die theoretische Anzahl der primären Falten „P" ungefähr gleich 69 ist, und die Durchmesseränderung „

d" ist ungefähr gleich 0,49 mm. Die sich ergebenden Höhen „h" der sekundären Falten „s" und die theoretische Anzahl „&bgr;" der sekundären Falten „s" sind die folgenden:

Tabelle I Theoretische Höhe für jede sekundäre Falte

Das derart berechnete und in Tabelle I dargestellte Filterelement 10 hat somit eine theoretische Gesamtzahl von 106 Falten, nämlich 69 primäre Falten „P" und 37 sekundäre Falten „s". Es sei darauf hingewiesen, dass die Merkmale des gefalteten Filterelementes 10, wie sie in Tabelle 1 dargestellt sind, nur als Beispiel und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung zu verstehen sind.

Obwohl dies nicht dargestellt ist, können mehr als 20 zusätzliche sekundäre Falten mit abnehmenden Höhen „h" zwischen 5,05 und 0,20 mm in die Tabelle I eingefügt werden. Sekundärfalten „s", die eine tatsächliche Höhe „h" unterhalb einer praktischen Minimalhöhe besitzen, sind jedoch in dem Filterelement nicht enthalten. Die praktische minimale Höhe von Falten hängt beispielsweise von den Fähigkeiten der Faltmaschine ab, die zum Falten des Filterelementes verwendet wird, sowie von der Dicke der Falten und dem Filtermaterial. Bei dem speziellen Beispiel des gefalteten Filterelementes aus Tabelle I ist die praktische minimale Höhe ungefähr gleich 5,08 mm. Demgemäß werden Sekundärfalten „s", die eine tatsächliche Höhe „h" von weniger als 5,08 mm besitzen, für eine Aufnahme in das Filterelement nicht in Betracht gezogen.

Faltverfahren

Das gefaltete Filterelement 10 der vorliegenden Erfindung kann mit Hilfe einer Vielzahl von Verfahrensweisen hergestellt werden. Im allgemeinen können jedoch die zu faltenden Filter- und Diffusionsmedien in getrennten Rollen bereitgestellt und gleichzeitig einer Faltmaschine zugeführt und zu einem Verbundkörper geformt werden, während die Schichten gefaltet werden. Nachdem der Filter-Verbundstoff gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet worden ist, wird der Filter-Verbundstoff erwärmt, so dass der Filter-Verbundstoff und insbesondere seine Diffusionsmedien 22, 24 wärmegehärtet werden.

Obwohl dies nicht dargestellt ist, wird der gefaltete, wärmegehärtete Filter-Verbundstoff, der aus der Faltmaschine austritt, dann auf vorgeschriebene Längen oder eine vorgeschriebene Anzahl von Falten zugeschnitten, die durch die beabsichtigten Abmessungen des Filterelementes 10 vorgegeben sind. Das Stück des gefalteten Filter-Verbundstoffs wird dann in eine Zylinderform gebracht und die Längskanten des gefalteten Filter-Verbundstoffes werden miteinander längs eines Saumes mit Hilfe herkömmlicher Mittel dicht verbunden, beispielsweise durch Ultraschallschweißen, um den gefalteten Filter-Verbundstoff in einer zylindrischen Form zu halten. Der zylindrische innere Kern 12 kann dann axial in das zylindrische Filterelement 10 eingesetzt werden und dass Filterelement und der Kern können axial in die zylindrische, außen liegende Käfigwand 14 eingesetzt werden, worauf die Endkappen 30 an den Enden des Filterelementes befestigt werden, um eine vollständige Filterbaueinheit 8 zu bilden, wie in 1 gezeigt.

Um ein Filterelement 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zu schaffen, das sekundäre Falten „s" mit unterschiedlichen radialen Höhen „h" besitzt, kann eine Faltmaschine verwendet werden, die voneinander unabhängig betätigte Faltklingen besitzt. Beispielsweise liefert die Karl Rabofsky GmbH, Berlin, Deutschland, servo-betätigte Faltmaschinen, die für die Herstellung eines Filterelementes gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Die US-Patente 4,465,213 und 4,465,214 beschreiben beispielhafte servo-betätigte Faltmaschinen. Insbesondere wurde jedoch die Rabofsky R 178PC Faltmaschine verwendet, um ein gefaltetes Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung zu erzeugen.

Ein Programm, das die Rabofsky R 178PC Faltmaschine anweist, das in Tabelle I exemplarisch dargestellte Filterelement herzustellen, ist in der folgenden Tabelle II wiedergegeben.

Tabelle II Programm zur Anweisung einer Rabofsky R178PC Faltmaschine zur Herstellung eines gefalteten Filterelementes gemäß der vorliegenden Erfindung
Fortsetzung von Tabelle II
Fortsetzung von Tabelle II

Wie Tabelle II zeigt, gibt das Programm die Bewegung einer oberen Klinge und einer unteren Klinge vor, um die Primärfalten „P" und die Sekundärfalten „s1, s2, s3 ... s&agr;" des hier beschriebenen Filterelementes 10 zu erzeugen. Wie ebenfalls gezeigt, wurde die in Tabelle I berechnete Reihenfolge der sekundären Falten „s" gemischt, um die Maschinenbefehle aus Tabelle II zu erzeugen. Das Mischen der sekundären Falten „s" erfolgt, um sicherzustellen, dass die größte Anzahl von primären und sekundären Falten „Ps", wie sie in Tabelle I theoretisch berechnet ist, tatsächlich in die vorbestimmten Abmessungen des zylindrisch geformten Filterelementes 10 passen kann.

Es sei darauf hingewiesen, dass jede der primären Falten „P" des gefalteten Filterelementes 10, wie in Tabelle I dargestellt, mit einer tatsächlichen Höhe „h" versehen worden ist, die kleiner ist als die theoretische Höhe der primären Falten „P", um das axiale Einführen des sich ergebenden Filterelementes 10 zwischen den Kern 12 und die Käfigwand 14 bei der Herstellung der Patronenbaueinheit 8 zu erleichtern. Bei den Maschinenbefehlen der Tabelle II ist daher die tatsächliche Höhe „H" der primären Falten „P" um 0,25 mm kleiner als die theoretische Höhe von 14,53 mm. Zusätzlich können als praktische Maßnahme einige der primären Falten „P" des Filterelementes 10 ausgelassen werden, um sicherzustellen, dass das Filterelement 10 zwischen den Kern 12 und die Käfigwand 14 passt. Dementsprechend wurden fünf der primären Falten „P" aus den Maschinenbefehlen der Tabelle II ausgelassen, so dass die tatsächliche Anzahl von primären Falten „P" gleich der theoretischen Anzahl „N" minus fünf ist.

Es sei auch darauf hingewiesen, dass jede der sekundären Falten „s" des in Tabelle I dargestellten gefalteten Filterelementes 10 mit einer tatsächlichen Höhe versehen worden ist, die kleiner ist als die theoretische Höhe „h". Bei den Maschinenbefehlen der Tabelle II ist daher die tatsächliche Höhe „h" einer jeden der sekundären Falten um 0,25 mm kleiner als die in Tabelle I dargestellte theoretische Höhe „h". Zusätzlich können einige der größten sekundären Falten „s" des Filterelementes 10 ausgelassen werden, um sicherzustellen, dass das Filterelement 10 zwischen den Kern 12 und die Käfigwand 14 passt. Somit wurden bei den Maschinenbefehlen der Tabelle II die sechs größten sekundären Falten „s1, s2, s3 ... s6" weggelassen. Da die sekundäre Falte „s6" eine tatsächliche Höhe „h6" gleich ungefähr 12,80 mm besitzt, wurde in diesem Fall empirisch gefunden, dass eine maximale Höhe der sekundären Falten „hmax" gleich ungefähr 12,80 mm sein sollte.

Das Filterelement 10 ist daher so gefaltet, dass es eine tatsächliche Anzahl „&agr;" von Sekundärfalten „s" gleich der theoretischen Zahl „&bgr;" minus der Anzahl „y" von Sekundärfalten aufweist, die eine Größe besitzen, die größer ist als die vorbestimmte maximale sekundäre Faltenhöhe „hmax" von ungefähr 12,80 mm und kleiner als die praktische minimale Faltenhöhe von ungefähr 5,08 mm. Alternativ zum Weglassen von primären und sekundären Falten des Filterelementes 10, um sicherzustellen, dass das Filterelement in die außen liegende Käfigwand 14 passt, kann die Faltendicke „t" geringfügig vergrößert werden, wenn die Falten berechnet werden, so dass weniger Falten erzeugt werden.

Es wurde weiterhin gefunden, dass die Höhen „h" der sekundären Falten „s" vorzugsweise nicht unter einer bevorzugten minimalen sekundären Faltenhöhe „hmin" liegen, um sicherzustellen, dass die kürzeren sekundären Falten ihre gefaltete Form beibehalten und sich nicht radial nach außen aus dem Filterelement 10 vorwölben. Demgemäß sollte „h" größer oder gleich „hmin" zusätzlich zu der Bedingung sein, dass es kleiner als „hmax" ist. Die minimale sekundäre Faltenhöhe „hmin" hängt im allgemeinen von der Faltendicke und den Möglichkeiten der Faltmaschine ab und kann auch von den speziellen Filter- und Diffusionsmedien abhängen, die zu dem Filterelement verarbeitet werden.

Für das gefaltete Filterelement 10 aus Tabelle I wurde gefunden, dass eine bevorzugte minimale sekundäre Faltenhöhe „hmin" gleich 6,35 mm ist. Alle sekundären Falten „s", von denen eine Höhe „h" kleiner als „hmin" (aber größer als die praktische minimale Faltenhöhe von 5,08 mm) berechnet wurde, erhalten eine tatsächliche Höhe „hmin". Da die sekundären Falten „s33, s34, s35, s36 und s37" beispielsweise jeweils eine tatsächliche Höhe „h33, h34, h35, h36 Und h37" besitzen, die kleiner ist als die minimale Höhe „hmin" von 6,35 mm, erhalten sie während der Herstellung des gefalteten Filterelementes 10, wie in den Zeilen 15, 27, 39, 53 und 63 von Tabelle II gezeigt, alle eine Höhe gleich „hmin".

Gemäß Tabelle II sind die verbleibenden sekundären Falten „s7, s8, ... s32", wie sie in Tabelle I berechnet wurden, in ihrer Reihenfolge durchmischt und jede zwischen benachbarten Paaren von primären Falten „P" angeordnet. Die sekundären Falten „s" können zwischen den primären Falten „p" in zufälliger Weise oder in gleichförmiger Weise verteilt werden, um die größte Gesamtzahl von primären und sekundären Falten zu erzielen. In dem in Tabelle II gezeigten Beispiel wurden die sekundären Falten „s" zufällig gemischt. Alternativ können die sekundären Falten „s" zwischen den primären Falten „P" in gleichförmiger Weise angeordnet werden, so dass die gleichen Verteilungen von sekundären Faltenhöhen „h" beispielsweise alle 90° des Filterelementes 10 oder alle 45° wiederholt werden können.

Es ist klar, dass viele Abwandlungen der Verteilung und Anordnung der sekundären Falten „s" bezüglich der primären Falten „P" möglich sind, ohne vom Geist und Rahmen des hier beschriebenen Filterelementes 10 abzuweichen. Beispielsweise kann ein Filterelement 110 gemäß der vorliegenden Erfindung zwei sekundäre Falten „s" zwischen jedem Paar von benachbarten primären Falten „P" enthalten, wie in 3a gezeigt; ein Filterelement 210 gemäß der vorliegenden Erfindung kann zwei sekundäre Falten „s" zwischen jeweils zwei benachbarten primären Falten „P" umfassen, wie in 3b gezeigt; und ein Filterelement 310 gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine sekundäre Falte „s" zwischen jeweils zwei benachbarten primären Falten „P" umfassen, wie in 3c dargestellt. Zusätzlich kann, obwohl dies nicht dargestellt ist, ein Filterelement gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen jedem benachbarten Paar von primären Falten „P" eine variierende Anzahl von sekundären Falten „s" aufweisen. Auch hier sind wieder viele Variationen der Verteilung und Anordnung der sekundären Falten „s" bezüglich der primären Falten „P" möglich, ohne vom Geist und dem Umfang des hier offenbarten Filterelementes 10 abzuweichen.

Gemäß 2 sind am Anfang der Maschinenbefehle, d. h. in Zeile 1, und am Ende der Maschinenbefehle, d. h. in Zeile 65 Extrafalten vorgesehen, so dass ein Stück des gefalteten Filter-Verbundstoffes an den Extrafalten geschnitten und dann in eine Zylinderform gebracht werden kann. Die geschnittenen Extrafalten werden miteinander längs einer Naht dicht durch herkömmliche Mittel verbunden, um den gefalteten Filter-Verbundstoff in einer zylindrischen Form zu halten.

Vorteile von Filterelementen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet sind.

Es wurde gefunden, dass gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltete Filterelemente einen weit größeren Oberflächenbereich aufweisen, der für eine Filtration genutzt werden kann, als herkömmliche radial gefaltete Filterelemente, die die gleichen inneren und äußeren Durchmesser besitzen, wie z. B. BetaFine D®-Filter, die von Cuno, Incorporated, Meriden, CT, hergestellt werden. Allgemein wurde gefunden, dass ein Filterelement 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet ist, ungefähr 30% mehr Oberflächenbereich aufweist, als ein herkömmliches, streng radial gefaltetes Filterelement. Im Vergleich hierzu hat ein herkömmliches W-förmig gefaltetes Filterelement nur ungefähr 20% mehr Oberflächenbereich als ein herkömmliches, streng radial gefaltetes Filterelement.

Zusätzlich wurde gefunden, dass ein Filterelement 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, auch eine größere und konsistentere Filterdichte zwischen dem inneren Kern 12 und der außen liegenden Käfigwand 14 einer Patronenbaueinheit 8 zeigt, sowohl als herkömmliche W-förmig gefaltete Filter (die ein sich gleichförmig wiederholendes Muster von einer halben Falte zwischen zwei Paaren von ganzen Falten besitzen) als auch ein herkömmlich streng radial gefaltetes Filter, wie hier durch die Tabelle III gezeigt wird.

Tabelle III Theoretischer Vergleich von Falten-Dichten

In Tabelle III sind die theoretischen Faltendichten für ein herkömmlich gerade gefaltetes Filter, ein herkömmliches W-förmig gefaltetes Filter und ein Filterelement 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet ist, für eine gegebene Faltendicke „t", einen Kern-Außendurchmesser „dKern" und einen Innendurchmesser „dKäfgwand" der außen liegenden Käfigwand berechnet und miteinander verglichen. Die theoretischen Faltendichten sind gleich der Anzahl von tatsächlichen Falten, die bei jedem Filter möglich sind, geteilt durch die maximale Anzahl von theoretischen Falten, die an jedem Durchmesserintervall „D" vorgesehen werden kann, wobei „D" die Differenz zwischen „dKäfgwand" und „dKern" geteilt durch 10 ist. Die maximale Zahl von theoretischen Falten ist gleich dem Durchmesser an jedem Intervall multipliziert mit &pgr; und dividiert durch die Dicke „t" der Falten. Wie gezeigt, ergibt ein Filterelement 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, die größere und konsistentere Faltendichte zwischen dem inneren Kern 12 und der außen liegenden Käfigwand 14 im Vergleich mit einem herkömmlichen gerade radial gefalteten Filter und einem herkömmlichen W-förmig gefalteten Filter.

Die größere und konsistentere Filterdichte des hier beschriebenen Filterelementes 10 führt zu einer verbesserten Abstützung der Falten untereinander und einer gleichförmigeren Verteilung der Belastungen, die auf das Filterelement ausgeübt werden. Die größere und konsistentere Filterdichte minimiert daher die Faltenwanderung und das Faltenverkleben und erhöht die Fähigkeit der Falten, Teilchen in einem pulsierenden Strömungssystem zurückzuhalten.

Es hat sich gezeigt, dass Filterelemente, die gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet worden sind, eine größere Filterlebensdauer besitzen als herkömmliche gerade gefaltete Filterelemente, wie z. B. das BetaFine-D°-Filter. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass Filterelemente, die gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet worden sind, gegenüber spiralig gefalteten Filterelementen wie z. B. dem PolyPro-XL®-Filter, das von Cuno, Incorporated, Meriden, CT, hergestellt wird, Vorteile aufweisen. Insbesondere weist ein Filterelement 10 gemäß der vorliegenden Erfindung einen Gewinn hinsichtlich der Filterfläche und der Filterdichte auf, die ähnlich denen eines spiralig gefalteten Filterelementes sind, wobei eine Vergrößerung der Anzahl der radialen Strömungspfade des Filters erreicht wird, die an der außen liegenden Käfigwand 14 einer Patronenbaueinheit 8 zur Verfügung stehen, die das Filterelement 10 enthält. Zusätzlich kann ein Filterelement 10 gemäß der vorliegenden Erfindung einfacher in einen Käfig 14 eingesetzt werden, als ein spiralig gefaltetes Filterelement, dessen Falten umgerollt oder „spiralisiert" werden müssen, bevor sie in den Käfig eingesetzt werden.

Verbundmaterial-Aufbau

Vorzugsweise umfasst das Filterelement 10 der vorliegenden Erfindung ein gefaltetes Verbundmaterial, das ein Filtermedium 20 und entweder ein stromaufwärts angeordnetes Diffusionsmedium 22 oder ein stromabwärts angeordnetes Diffusionsmedium 24 oder beide aufweist, wie am besten in 2 dargestellt. Hier beziehen sich die Ausdrücke „stromaufwärts" und „stromabwärts" auf die äußeren und inneren Oberflächen des Filterelementes 10, wenn das Filter einem radial nach innen gerichteten Fluidstrom ausgesetzt ist, oder auf die inneren und äußeren Oberflächen des Filters, wenn das Filterelement einem radial nach außen gerichteten Fluidstrom ausgesetzt ist.

Die Diffusionsmedien 22, 24 stützen das Filtermedium 20 und ermöglichen es dem Fluid, gleichförmig zu und im wesentlichen von allen Teilen der Oberfläche des Filtermediums 20 zu strömen, so dass tatsächlich die gesamte Oberfläche des Filtermediums in wirksamer Weise für eine Filtration genutzt werden kann. Vorzugsweise besteht das Filterelement 10 aus einem drei Schichten umfassenden Verbundstoff aus einem Filtermedium 20 und sowohl einem stromaufwärts angeordneten Diffusionsmedium 22 als auch einem stromabwärts angeordneten Diffusionsmedium 24.

Es gibt praktisch keine Einschränkungen hinsichtlich der Art des Filtermediums 20, das bei dem vorliegenden Filterelement 10 verwendet werden kann, und das Filtermedium kann entsprechend dem zu filternden Fluid und den gewünschten Filtereigenschaften ausgewählt werden. Das Filtermedium 20 kann verwendet werden, um Fluide, wie z. B. Flüssigkeiten, Gase oder Mischungen hiervon zu filtern und kann einem porösen Film oder eine faserige Lage oder Masse oder jegliche Kombination hiervon umfassen; das Filtermedium kann eine gleichförmige oder abgestufte Porenstruktur und jede geeignete, wirksame Porengröße aufweisen; es kann eine oder mehrere Schichten umfassen und kann aus irgendeinem geeigneten Material, wie z. B. einem natürlichen Material, einem synthetischen Polymer, Glas oder Metall hergestellt sein.

Gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besteht das Filtermedium aus einer oder mehreren Lagen von nicht gewebten thermoplastischen Mikrofasern. Die nicht gewebten thermoplastischen Mikrofasern können beispielsweise schmelzgeblasen, spunbonded, gekrempelt oder hydroverfilzt sein. Zusätzlich kann das Filtermedium kalendriert oder komprimiert sein, um seine Porosität weiter zu modifizieren. Für Filteranwendungen bei niedrigeren Temperaturen (d. h. unter 82,2°C) kann der Thermokunststoff beispielsweise Polypropylen sein, während für Anwendungsfälle mit höheren Temperaturen (d. h. oberhalb von 82,2°C) oder für eine chemische Kompatibilität mit anderen Fluiden der Thermokunststoff beispielsweise aus Nylon, Polyester oder schmelzverarbeitbaren Fluorpolymeren bestehen kann.

Das Filtermedium 20 kann eine einzige Schicht oder mehrere Schichten umfassen.

Darüber hinaus ist es möglich, dass das Filtermedium 20 zwei oder mehr Schichten umfasst, die unterschiedliche Filtereigenschaften besitzen (beispielsweise eine Schicht, die als Vorfilter für die zweite Schicht wirkt. Das Filtermedium besitzt vorzugsweise die Form eines Blattes im Gegensatz dazu, direkt auf das Diffusionsmedium schmelzgeblasen zu sein, beispielsweise, so dass die Schicht inspiziert werden kann, bevor sie in das Filter eingebaut wird. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von diskreten Lagen von Tiefenfilter-Medium die Qualitätskontrollen-Inspektion des Filtermediums erleichtert und die physikalischen Eigenschaften einer jeden Filterpatrone konsistenter macht. Die Überprüfung der Konsistenz der physikalischen Eigenschaften des Filtermediums führt zu einer einmaligen Möglichkeit, eine enge, genau definierte und optimierte Kontrolle über die Beseitigungseffizienz und Schmutzkapazität der sich ergebenden Filterpatrone zu erzielen.

Die Diffusionsmedien 22, 24 sind vorzugsweise vom Filtermedium 20 verschieden. Die stromauf und stromab angeordneten Diffusionsmedien 22, 24 können aus irgendeinem Material, wie z. B. einem Gitter, einem Schirm oder einer porösen gewebten oder nicht gewebten Lage hergestellt sein.

Gitter und Schirme (die auch als Netze bezeichnet werden) kommen in verschiedenen Formen vor. Für Anwendungsfälle mit hohen Temperaturen kann ein metallisches Gitter oder ein metallischer Schirm verwendet werden, während für Anwendungsfälle mit niedrigeren Temperaturen ein polymeres Maschengitter besonders geeignet sein kann. Polymere Maschengitter kommen in der Form von gewebten Maschengittern und extrudierten Maschengittern vor, wobei beide verwendet werden können. Spezifische Beispiele für geeignete, extrudierte polymere Maschengitter sind solche, die von Nalle Plastics, Austin, TX unter den Handelsnamen Naltex®, Zicot® und Ultraflo® zur Verfügung stehen. Andere Beispiele für geeignete extrudierte polymere Maschengitter sind solche, die von Applied Extrusion Technologies, Inc., Middletown, DE unter dem Handelsnamen Delnet® als extrudierte Polypropylen-Maschengitter zur Verfügung stehen, die mit verschiedenen Faser-Ausrichtungen extrudiert werden können.

Maschengitter sind besonders als Diffusionsmedien 22, 24 geeignet, wenn das Filtermedium 20 ein Medium aus abgelegten Fasern ist. Eine Diamant-Vernetzung, wie beispielsweise bei Naltex LWS® ist besonders für gefaltete Filteranwendungen geeignet, da sie ohne weiteres mit kleinen Faltenhöhen gefaltet werden kann, ihre Form nach dem Erwärmen gut beibehält und gute Fluid-Verteilungseigenschaften aufweist.

Wenn das Filtermedium 20 eine Membran ist, kann eine Lage aus einem gewebten oder nicht gewebten Stoff für eine Verwendung als Diffusionsmedium 22, 24 geeigneter sein, da ein Stoff üblicherweise glatter ist als ein Maschengitter und weniger Abrieb von benachbarten Schichten des Filterverbundstoffes bewirkt. Ein Beispiel für einen nicht gewebten Stoff für eine Verwendung als Diffusionsmedium ist ein nicht gewebter Stoff aus Polyester, der unter der Handelsbezeichnung Reemay 2011 von Reemay, Inc., Old Hickory, TN verkauft wird.

Die stromaufwärts und stromabwärts angeordneten Diffusionsmedien 22, 24 können den gleichen oder einen unterschiedlichen Aufbau besitzen. Alternativ können das stromaufwärts angeordnete und das stromabwärts angeordnete Diffusionsmedium 22, 24 unterschiedliche Eigenschaften besitzen, und diese Eigenschaften können verändert werden, um einen gewünschten Effekt zu erzielen. Wenn beispielsweise die Gesamtdicke des Filter-Verbundstoffes festgelegt ist, kann die Dicke des stromaufwärts angeordneten Diffusionsmediums 22 größer sein als die Dicke des stromabwärts angeordneten Diffusionsmediums.

Ein Beispiel für ein gefaltetes Filterelement 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, umfasst ein stromaufwärts angeordnetes Diffusionsmedium 22 aus Delnet®, einem extrudierten Polypropylen-Maschengitter, und einem stromabwärts angeordneten Diffusionsmedium 24 aus Typar T-135®, einem spingebondeten, nicht gewebten Polypropylen, das von Reemay Inc. geliefert wird. Ein weiteres Beispiel für ein gefaltetes Filterelement 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, umfasst ein stromaufwärts angeordnetes Diffusionsmedium 22 aus Naltex Symmetrical Filtration Netting LWS® 37-3821, einem extrudierten Polypropylen-Maschengitter, und ein stromabwärts angeordnetes Diffusionsmedium 24 aus Typar T-135®, einem spunbound, nicht gewebten Polypropylen.

Optimale Kombination von Gesamtfilterfläche und stromaufwärts angeordnetem Diffusionsmedium.

Es wurde gefunden, dass ein gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltetes Filterelement 10 nicht immer so ausgeführt werden sollte, dass es die größte Filterfläche besitzt, die zwischen einen Kern und eine außen liegende Käfigwand einer Patronen-Baueinheit passt. Gemäß Tabelle IV hat sich beispielsweise gezeigt, dass eine optimale Kombination aus Gesamt-Filterfläche und stromaufwärts angeordnetem Filtermedium 22 für ein Filterelement 10, das gemäß der Erfindung gefaltet ist, von der speziellen Art und den Größen der auszufilternden Verschmutzungen abhängt.

Tabelle IV Filterbereich in Abhängigkeit der stromaufwärts angeordneten Diffusionsschichten

Tabelle IV zeigt die Ergebnisse von Einmal-Durchlauf-Tests an verschiedenen Filterelementen, die gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet worden waren. Jeder Einmal-Durchlauf-Test wurde mit einer Strömungsrate von 11,4 Liter pro Minute mit Wasser durchgeführt, das zwischen 0,39 bis ungefähr 1,0 g Verschmutzungen pro 3,8 Liter Wasser enthielt. Es wurden zwei Standardverschmutzungen verwendet: 1–150 &mgr; Verschmutzung (ISO COARSE, A.T.D. 12103-1, A4, das von Powder Technologies, Inc., Brunsville, MN geliefert wird) und eine 0–10 &mgr; Verschmutzung (A.T.D. nominal 0–10 &mgr;, ebenfalls lieferbar von Powder Technologies, Inc.).

Alle getesteten Filterelemente waren gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet und umfassten ein Filtermedium 20 aus nicht gewebten, thermoplastischen Mikrofasern, ein stromabwärts angeordnetes Diffusionsmedium 24 aus Typar T-135® spunbound, nicht gewebten Polypropylen mit einem Außendurchmesser von ungefähr 63,5 mm und einer Länge von ungefähr 254 mm. Die Lebensdauer eines Filters wird für die in Tabelle IV dargestellten Tests definiert als die Verschmutzungsmenge, die sich ansammeln muss, damit der Druckabfall über dem Filter auf 138 kPa aufgrund der Verschmutzungsbelastung in den getesteten Filter anwächst.

Basierend auf den in Tabelle IV gezeigten Ergebnissen wurde z. B. gefunden, dass ein Filterelement 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet worden ist und ein Rating von 0,5 &mgr; für Filterverschmutzungen von 0–10 &mgr; aufweist, vorzugsweise eine Verbundstoff-Länge von wenigstens 2,74 m und eine stromaufwärts angeordnete Diffusionsschicht von 127 &mgr; Delnet® besitzt. Ein Filterelement 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet ist, aber Ratings von 0,5, 1,0 und 2,5 &mgr; für auszufilternde Verschmutzungsteilchen von 0–150 &mgr; besitzt, hat vorzugsweise jeweils eine Filter-Verbundstoff-Länge von nicht mehr als ungefähr 2,32 m und eine stromaufwärts angeordnete Diffusionsschicht 22 von 508 &mgr; Nalle LWS®. Darüber hinaus hat ein Filterelement 10, das gemäß der vorliegenden Erfindung gefaltet ist, und Ratings von 0.5, 10,0, 20,0 und 40,0 bis 70,0 &mgr; besitzt, für auszufilternde Verschmutzungsteilchen von 0–150 &mgr;, vorzugsweise jeweils eine Filter-Verbundstoff-Länge von nicht mehr als ungefähr 2,38 m und eine stromaufwärts angeordnete Diffusionsschicht 22 von 508 &mgr; Nalle LWS®.

Die Patronen-Baueinheit

Der zylindrische Kern 12 der Patronen-Baueinheit 8 stützt den inneren Umfang des Filterelementes 10 gegen Kräfte in der radialen Richtung ab und hilft auch, dem Filterelement axiale Festigkeit und Steifigkeit gegen ein Abbiegen zu verleihen. Der Kern 12 kann einen herkömmlichen Aufbau besitzen und kann aus irgendeinem Material bestehen, das eine ausreichende Festigkeit besitzt und mit dem zu filternden Fluid kompatibel ist. Öffnungen 26 sind durch den Kern hindurch ausgebildet, um das Hindurchtreten von Fluid zwischen der Außenseite und der Mitte des Kerns zu ermöglichen. Ein anderer Kern könnte einen spindelförmigen Schaft umfassen, oder es könnte auch ein Kern verwendet werden, der während der Herstellung entfernt werden kann. Die außen liegende Käfigwand 14 der Patronenbaueinheit 8 kann einen herkömmlichen Aufbau mit Öffnungen 28 besitzen, die in ihr ausgebildet sind, um den Durchgang von Fluid zu ermöglichen. Andere Käfige könnten erweiterbare Maschenhülsen, ein poröses extrudiertes Rohr oder eine aus einer Schnurr oder einem gewebten oder nicht gewebten Material bestehende Umwickelung sein. Das Material, aus dem die Käfigwand 14 besteht, kann in Abhängigkeit von dem zu filternden Fluid und den Filterungsbedingungen ausgewählt werden.

Üblicherweise wird eine Baueinheit 8 gemäß der vorliegenden Erfindung Endkappen 30 an einem oder beiden Enden aufweisen. Die Endkappen 30 können entweder verschlossene oder offene Endkappen sein und das Material, aus dem sie gebildet sind, und ihre Form können entsprechend den Filterbedingungen und den Materialien der Elemente ausgewählt werden, mit denen die Endkappen verbunden werden sollen. Vorzugsweise werden die Endkappen 30 am Filterelement 10 befestigt, doch können sie auch am Kern 12 oder an der Käfigwand 14 befestigt werden. Herkömmliche Verfahren können verwendet werden, um die Endkappen 30 an der Patronenbaueinheit 8 zu befestigen, so z. B. durch die Verwendung eines Epoxydharzes, durch Thermoverschweißung oder durch Reibverschweißung.

Obwohl das vorliegende erfindungsgemäße Filterelement 10 unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben und dargestellt wurde, ist offensichtlich, dass Abwandlungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang des erfindungsgemäßen Filterelementes abzuweichen, wie es durch die folgenden Ansprüche definiert ist.


Anspruch[de]
  1. Zylindrisches Filterelement (10), das folgende Bestandteile umfasst:

    eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Falten, die sich radial nach außen erstreckende Primärfalten (P) und sich radial nach innen erstreckende Sekundärfalten (S) aufweist, wobei wenigstens eine Sekundärfalte (S21, S18, ...) zwischen zwei benachbarten Primärfalten (P) angeordnet ist, wobei jede Primärfalte eine radiale Höhe (H) und jede Sekundärfalte eine radiale Höhe (h21, h18, ...) aufweist, die kleiner ist, als die radiale Höhe einer jeden Primärfalte und die von der radialen Höhe einer jeden anderen Sekundärfalte verschieden ist.
  2. Filterelement nach Anspruch 1, das eine oder zwei Sekundärfalten (S) umfasst, die zwischen jedem benachbarten Paar von Primärfalten (P) angeordnet sind.
  3. Filterelement nach Anspruch 1, das eine oder zwei Sekundärfalten (S) umfasst, die zwischen allen benachbarten Primärfalten (P) angeordnet sind.
  4. Filterelement nach Anspruch 1, bei dem die Anzahl von Primärtaften kleiner oder gleich als
    ist, wobei „dinner" gleich einem inneren Durchmesser des Filterelementes und „t" gleich einer Dicke der Falten ist.
  5. Filterelement nach Anspruch 1, bei dem die Anzahl „&bgr;" der Sekundärfalten kleiner oder gleich als
    ist, wobei „dinner" gleich einem inneren Durchmesser des Filterelementes, „douter" gleich einem äußeren Durchmesser des Filterelementes und „t" gleich einer Dicke der Falten ist.
  6. Filterelement nach Anspruch 5, bei dem die Sekundärfalten jeweils eine Höhe „h1, h2, h3, ... ha" besitzen, die ungefähr gleich h1 = [douter – (dinner + 1t/&pgr;)]/2 h2 = [douter – (dinner + 2t/&pgr;)]/2 h3 = [douter – (dinner + 3t/&pgr;)]/2 ... h&bgr; = [douter – (dinner + &bgr;t/&pgr;)]/2 ist.
  7. Filterelement nach Anspruch 5, bei dem die tatsächliche Anzahl von Sekundärfalten ungefähr gleich: &bgr; – y ist, wobei „y" gleich der Anzahl von Sekundärfalten ist, die eine Höhe „h" besitzen, die größer als eine vorbestimmte Sekundärfalten-Maximalhöhe ist plus der Anzahl der Sekundärfalten, die eine theoretische Höhe „h" besitzen, die kleiner als eine vorbestimmte praktische minimale Faltenhöhe ist.
  8. Filterelement nach Anspruch 1, bei dem jede Sekundärfalte eine radiale Höhe besitzt, die kleiner oder gleich einer vorbestimmten maximalen Sekundärfaltenhöhe ist.
  9. Filterelement nach Anspruch 1, bei dem jede Sekundärfalte eine radiale Höhe besitzt, die größer oder gleich einer bevorzugten minimalen Sekundärfaltenhöhe ist.
  10. Filterelement nach Anspruch 1, bei dem das Filterelement aus einem gefalteten Verbundstoff besteht, der ein Filtermedium und wenigstens ein stromaufwärts angeordnetes Diffusionsmedium und ein stromabwärts angeordnetes Diffusionsmedium umfasst.
  11. Filterelement nach Anspruch 12, bei dem das wenigstens eine Diffusionsmedium entweder ein extrudiertes Geflecht oder ein vliesartiges, nicht gewebtes Polymer umfasst.
  12. Filterelement nach Anspruch 10, bei dem wenigstens ein Diffusionsmedium einen thermoplastischen Kunststoff umfasst, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, zu der Polypropylen, Nylon, Polyester und Fluoropolymer gehören.
  13. Filterelement nach Anspruch 10, das ein stromaufwärts angeordnetes Diffusionsmedium und ein stromabwärts angeordnetes Diffusionsmedium umfasst, wobei das stromaufwärts angeordnete Diffusionsmedium ein extrudiertes Polypropylen-Geflecht und das stromabwärts angeordnete Diffusionsmedium ein vliesartiges, nicht gewebtes Polypropylen umfasst.
  14. Filterelement nach Anspruch 10, bei dem das Filtermedium einen thermoplastischen Kunststoff umfasst, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Polypropylen, Nylon, Polyester und Fluoropolymer umfasst.
  15. Filterelement nach Anspruch 10, bei dem das Filtermedium nicht gewebte Mikrofasern umfasst.
  16. Filterelement nach Anspruch 10, bei dem der gefaltete Verbundstoff durch Wärme verfestigt ist.
  17. Filterelement nach Anspruch 1 zum Filtern von Verschmutzungsteilchen, die nicht größer als ungefähr 10 &mgr; sind, wobei das Filterelement einen gefalteten Verbundstoff umfasst, der

    ein Filtermedium aus nicht gewebten, thermoplastischen Polypropylen-Mikrofasern,

    ein stromabwärts angeordnetes Diffusionsmedium aus vliesartigem, nicht gewebten Typar T-135®-Polypropylen, und

    eine stromaufwärts angeordnete Diffusionsschicht aus 127 &mgr;m starkem Delnet®.

    umfasst.
  18. Filterelement nach Anspruch 1 zum Ausfiltern von Verschmutzungsteilchen, die nicht größer als ungefähr 150 &mgr; sind, wobei das Filterelement einen gefalteten Verbundstoff umfasst, der

    ein Filtermedium aus nicht gewebten, thermoplastischen Polypropylen-Mikrofasern,

    ein stromabwärts angeordnetes Diffusionsmedium aus vliesartigem, nicht gewebtem Typar T-135®-Polypropylen, und

    eine stromaufwärts angeordnete, Diffusionsschicht aus 508 starkem Nalle LWS

    umfasst.
  19. Filterelement nach Anspruch 1, bei dem die unterschiedlichen radialen Höhen der Sekundärfalten zufällig verteilt sind.
  20. Patronenbaueinheit (8), die folgende Bestandteile umfasst:

    a) ein zylindrisches Gehäuse (14),

    b) einen zylindrischen Kern (12), der in dem zylindrischen Gehäuse koaxial angeordnet ist, und

    c) ein zylindrisches Filterelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  21. Patronenbaueinheit nach Anspruch 20, bei der jede Primärfalte (P) eine radiale Höhe (H) besitzt, die ungefähr gleich der Differenz zwischen einem Aussendurchmesser (dcore) des Kerns und einem Innendurchmesser (dcage) des Gehäuses ist.
  22. Patronenbaueinheit nach Anspruch 20, soweit dieser von Anspruch 4 abhängig ist, wobei die Anzahl von Primärfalten ungefähr gleich &pgr;dcore/t ist, wobei dcore = dinner gilt.
  23. Patronenbaueinheit nach Anspruch 20, soweit dieser von einem der Ansprüche 5 bis 7 abhängig ist, wobei die Zahl &bgr; der Sekundärfalten gleich &pgr;(dcage – dcore)/t ist, wobei dcage = douter und dcore = dinner gilt.
  24. Verfahren zur Herstellung eines Filterelementes (10), das folgende Schritte umfasst:

    Falten eines Filtermediums, so dass es eine Vielzahl von sich in Längsrichtung erstreckenden Falten aufweist, zu der Primärfalten (P) und Sekundärfalten (S) derart gehören, dass zumindest eine Sekundärfalte (S21, S18, ...) zwischen zwei benachbarten Primärfalten (P) angeordnet ist, wobei jede Primärfalte eine vorbestimmte Höhe (H) und jede Sekundärfalte eine Höhe (h21, h18, ...) besitzt, die kleiner ist als die Höhe einer jeden Primärfalte und von der Höhe einer jeden anderen Sekundärfalte verschieden ist, und

    Formen des gefalteten Filtermediums zu einem Zylinder derart, dass sich die Primärfalten radial nach außen und die Sekundärfalten radial nach innen erstrecken, wodurch sich alle Faltenhöhen in radialer Richtung erstrecken.
  25. Verfahren nach Anspruch 24, das weiterhin den Schritt umfasst, das gefaltete Filtermedium auf eine gewünschte Länge zuzuschneiden, bevor das zugeschnittene Stück zu dem besagten Zylinder geformt wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 24 oder 25 zur Ausbildung eines zylindrischen Filterelementes nach einem der Ansprüche 3 bis 6, 7 bis 10 oder 15.
  27. Verfahren nach Anspruch 24, das weiterhin das koaxiale Positionieren eines zylindrischen Kerns in dem zylindrischen Filterelement umfasst.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, das weiterhin das koaxiale Positionieren eines zylindrischen Gehäuseelementes um das zylindrische Filterelement herum umfasst.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem das Filtermedium so gefaltet ist, dass die vorbestimmte radiale Höhe der Primärfalten ungefähr gleich einer Differenz zwischen einem äußeren Radius des Kerns und einem inneren Radius des Gehäuses ist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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