DE19541252C1 - Mehrschichtiges, voluminöses Filtermedium mit speichernder Wirkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein mehrschichtiges, voluminöses Filtermedium mit speichernder Wirkung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Speicherfilter besitzen vorrangig Bedeutung zur Abscheidung von Partikeln in niedrigen Konzentrationen aus der Luft. Bei der Gasreinigung treten hohe Anströmgeschwindigkeiten innerhalb der durchströmten Faserschichten auf. Nach Staubsättigung werden diese Filter meist weggeworfen. Diese nicht regenerierbaren Filtermedien werden zunehmend ergänzt durch neue, abreinigbare Materialkonstruktionen. Ziel dabei ist es, große Partikelmengen ohne Verstopfung der Poren einzulagern. Für abreinigbare, speichernde Filtermedien wird gleichzeitig eine Oberflächenwirkung gefordert. Die Haftkräfte zwischen Filtermedium und abgeschiedenen Partikeln sind so zu minimieren und die geometrische Anordnung der Partikel im Filtermedium ist so zu gestalten, daß die erforderliche Abreinigungsenergie gering ist.

Zur Partikelspeicherung genutzte Faserschichten oder Vliesstoffe sind meist sehr porös, wobei die mittleren Abstände der Fasern etwa das 3-9fache der Faserdurchmesser betragen und die Faseranordnung meist parallel zueinander und zum Filtermedienquerschnitt ist. Die Reinigung der Trägersubstanzen erfolgt innerhalb der durchströmten Faserschichten, indem die Partikel infolge verschiedener Effekte an die Faseroberflächen gelangen und dort durch Haftkräfte festgehalten werden. Als besonders wirkungsvoll gelten Filter, bei denen aus unterschiedlichen Materialien ein Filterpaket erzeugt wird, in dem die Schichten hintereinander angeordnet sind (DE-OS 39 40 264). Durch diesen Aufbau kann die Filterwirkung von der Anström- zur Ausströmseite beeinflußt werden, indem Porengröße, Porenanzahl usw. über den Querschnitt des Filters verändert werden. Die Herstellung dieser Strukturen ist jedoch sehr aufwendig. Zusätzlich sind die einzelnen Schichten des Filters meist nur durch Klemm- oder Klebestellen an den Randbereichen miteinander verbunden. Nachteil dieser Materialien ist, daß sie nach Erreichen eines vorgegebenen Druckverlustes in der Regel ausgetauscht und weggeworfen werden. Eine Abreinigung ist nicht möglich.

Weiterhin ist nach DE-OS 43 36 595 ein mehrschichtiger, voluminöser Filterstoff bekannt, bei dem zwischen zwei Maschenschichten senkrecht oder nahezu senkrecht stehende Polfalten angeordnet sind. Dieser Filterstoff für Gase und Flüssigkeiten ermöglicht, die Porengröße der einzelnen Schichten zwischen An- und Ausströmseite unterschiedlich zu gestalten und damit die Filterwirkung dünner Filterstoffe mit definierter Oberflächenfiltration zu schaffen. Die Ober- und Unterseite des Filterstoffes wird durch Maschen gebildet. Nachteil dieser Filterstoffe ist, daß die Anströmseite in Abhängigkeit von der Maschengröße im Vergleich zu anderen Filtermedien großporig ist und sich durch die Oberflächenstruktur ein festhaftender Filterkuchen bilden kann. Die Regenerierung ist nicht oder unter erschwerten Bedingungen möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Sortiment der Speicherfilter mit seinem Hauptnachteil der Nichtregenerierbarkeit durch ein kostengünstig hergestelltes voluminöses Filtermedium aus mehreren Faserschichten mit vorwiegend vertikaler Faser- oder Filamentanordnung und einem Porenanteil von über 95% zu ergänzen. Dabei soll neben einem hohen Filtratspeichervermögen durch große Faseroberflächen innerhalb der Vliesstoffe die Abreinigbarkeit gewährleistet werden. Das Filtermedium sollte universiell zur Abscheidung sowohl von Partikeln aus gasförmigen als auch flüssigen Trägersubstanzen einsetzbar sein, wobei Teilchen sowohl in der faserigen Oberfläche als auch in den weiteren Schichten sammelbar und abtrennbar sein sollten.

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2-9 angegeben.

Vorteile der erfindungsgemäßen Vliesstoffverbundkonstruktionen sind der erhebliche Energieverlust der abzuscheidenden Teilchen in einer Oberflächenstruktur mit vorwiegend vertikaler Faser- bzw. Filamentanordnung zum Vliesstoffquerschnitt, z. B. einer Polfaltenschicht eines Vliesgewirkes an der Anströmseite, die Verringerung der Durchlässigkeit über der großporigen Maschenschicht durch die Einarbeitung einer spinnennetzartigen Faseranordnung, wie beispielsweise in den Fig. 1 bis 5 dargestellt, direkt über der linken Maschenseite sowie ein gutes Abreinigungsverhalten, da die großporigen, glatten aus rechten Maschen bestehenden Unterseiten der Einzelschichten alle in Ausströmrichtung orientiert sind und die Unregelmäßigkeit der fasrigen Oberflächenstruktur, wie z. B. der Polfalten des Vliesgewirkes, eine feste Anlagerung eines Filterkuchens verhindert. Diese Gestaltung gestattet eine fast vollständige Abreinigung des bestaubten Filtermediums. Die zur Abreinigung notwendige Druck- und Zugstabilität des Filtermediums wird in Abhängigkeit vom Bedarf durch Bindefaserzumischung und thermische Behandlung erreicht.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen die

Fig. 1 den schematischen Querschnitt einer Basisschicht mit einer aus Polfalten gebildeten Polschicht des erfindungsgemäßen Filtermediums,

Fig. 2 den schematischen Querschnitt eines mehrschichtigen Filtermediums mit zwei Polschichten gemäß Fig. 1, die durch Fasermaschen miteinander verbunden sind,

Fig. 3 den schematischen Querschnitt eines mehrschichtigen Filtermedium mit drei Polschichten gemäß Fig. 1, die mittels Fasermaschen miteinander verbunden sind,

Fig. 4 den schematischen Querschnitt eines mehrschichtigen Filtermediums mit zwei Polschichten gemäß Fig. 1, die mittels Faserpfropfen miteinander verbunden sind,

Fig. 5 den schematischen Querschnitt eines mehrschichtigen Filtermediums mit drei Polschichten gemäß Fig. 1, die durch Faserpfropfen miteinander verbunden sind,

Fig. 6 den schematischen Querschnitt einer weiteren Basisschicht mit einer aus abstehenden Einzelfasern gebildeten Polschicht für das erfindungsgemäße Filtermedium,

Fig. 7 den schematischen Querschnitt eines mehrschichtigen Filtermediums mit zwei Polschichten gemäß Fig. 6, die mittels Faserpfropfen miteinander verbunden sind,

Fig. 8 den schematischen Querschnitt einer weiteren Basisschicht mit einer Polschicht aus abstehenden Einzelfasern und einem Anteil Fasermaschen für das erfin­ dungsgemäße Filtermedium,

Fig. 9 den schematischer Querschnitt eines mehrschichtigen Filtermediums mit zwei Polschichten gemäß Fig. 8, die mittels Faserpfropfen miteinander verbunden sind,

Fig. 10 den schematischen Querschnitt durch ein mehrschichtiges Filtermedium mit drei Polschichten gemäß Fig. 1 und zusätzlich eingelagerten Flächengebilden.

Das erfindungsgemäße mehrschichtige, voluminöse Filtermedium mit Speicherwirkung besteht aus mehreren Schichten I, II, II, die aus übereinandergelegten Vliesstoffen gebildet sind, wobei jede Vliesstoffschicht I, II, III eine Faserpolschicht 2 aufweist. Die Fig. 1 zeigt die charakteristische Struktur eines für die Bildung eines mehrschichtigen Filtermediums verwendeten Vliesstoffes, bei dem die Polschicht 2 mit vorwiegend vertikaler Faser- bzw. Filamentanordnung einen geschlossenen Pol in Form von Polschlingen bildet und die Polschichten mittels aus Fasern 4 gebildeten Maschen 1 miteinander verbunden sind. Durch eine spinnennetzartige Faseranordnung in den Polschichten 2 wird der Durchlässigkeitsabfall des Filtermediums garantiert.

Gemäß Fig. 2 besteht das mehrschichtige Filtermedium beispielsweise aus zwei der in Fig. 1 dargestellten Vliesstoffe I, II, die so übereinander angeordnet und miteinander verbunden sind, daß die Polschichten 2/I und 2/II jeweils auf der Oberseite liegen und die einzelnen Anströmseiten des Filtermediums bilden. Die Fasermaschen 1/I und 1/II befinden sich jeweils an der Unterseite der einzelnen Vliesstoffschichten I, II. Die Verbindung der einzelnen Vliesstoffschichten I, II erfolgt in Fig. 2 mittels Maschen 3, die aus Fasern der Vliesstoffe I, II gebildet und unmittelbar über der Maschenschicht 1/II nur an der Unterseite des Filtermediums angeordnet sind. Die Anordnung der vorwiegend vertikal, d. h., 90° zum Querschnitt ausgerichteten Fasern oder Filamenten 4/I, 4/II in den Polschichten 2/I, 2/II weisen dabei an der Anströmseite des Filtermediums in fortlaufender Durchström- oder Anströmrichtung eine abnehmende Porengröße und/oder eine zunehmende Porenanzahl auf. Durch eine Verringerung des Faser- bzw. Filamentdurchmessers kann die abnehmende Porengröße und die zunehmende Porenanzahl über den Querschnitt des Filtermediums in Durchströmrichtung beeinflußt werden. Ebenso kann durch abnehmende Höhen der vertikalen Faser- bzw. Filamentanordnung eine abnehmende Porengröße in den einzelnen Vliesstoffschichten I, II erreicht werden.

Das in Fig. 3 gezeigte Filtermedium zeigt einen dreischichtigen Aufbau aus einer Kombination von Fig. 1 und Fig. 2 und entspricht im wesentlichen dem in Fig. 2 dargestellten Filtermedium. Alle drei Schichten I, II, in sind ebenfalls durch Fasermaschen 3 miteinander verbunden, die an der Unterseite des Filtermediums, direkt über der Maschenschicht 1/III, angeordnet sind.

Bei den in Fig. 4 und Fig. 5 dargestellten Filtermedium entspricht der Schichtaufbau dem in Fig. 2 bzw. 3 gezeigten Polschichten 2/I, 2/II bzw. 2/I, 2/II, 2/III gemäß Fig. 1. Lediglich die Art der Verbindung der einzelnen Schichten I, II, III miteinander ist im Gegensatz zu Fig. 2 und 3 eine andere. Während in Fig. 2 und 3 die Verbindung durch Fasermaschen 3 erfolgt, die nur an der Unterseite des Filtermediums liegen, sind in Fig. 4 bzw. 5 die Schichten I, II, in durch Faserpfropfen 5, die mittels geeigneter Widerhaken- oder Gabelnadeln von beiden Seiten in die darüber- bzw. darunterliegende Polschicht 2/I, 2/II eingebracht werden, ohne daß die Faserpfropfen 5 alle Polschichten 2/I, 2/II, 2/III vollständig durchdringen.

Das in Fig. 5 dargestellte mehrschichtige voluminöse Filtermedium mit einer Dicke von 20 mm besteht, von der Anströmseite aus betrachtet, beispielsweise aus folgenden Komponenten:

• - Vliesstoffschicht I gemäß Fig. 1 mit einer Dicke von 5 mm und einer groben Faserfeinheit
• - Vliesstoffschicht II entsprechend der Fig. 1 mit einer Dicke von 8 mm und einer mittleren Faserfeinheit
• - Vliesstoffschicht in gemäß Fig. 1 mit einer Dicke von 10 mm und einer geringen Faserfeinheit.

Die Vliesstoffschichten I, II und III sind durch Faserpfropfen 5 miteinander verbunden, die aus Fasern 4 der Polschichten 2/I, 2/II und 2/III gebildet sind. Die Faserpfropfen 5 sind beidseitig so angeordnet, daß sie von der außenliegenden Seite der Polschicht 2/I bzw. der außenliegenden Maschenschicht 1/III in die mittlere Polschicht 2/II reichen, ohne die Polschicht 2/II vollständig zu durchdringen. Die Vernadelung erfolgt mit einer geringen Stichdichte und verhindert, daß durchgängige Porenkanäle entstehen. Die Dicke des Filtermediums ist von oben nach unten hin abnehmend, da sich die abzuscheidende Partikelmenge verringert. Die Einstellung der Porenzahl und des Kanaldurchmessers erfolgt über den Faserdurchmesser, d. h., je kleiner der Faserdurchmesser desto höher die Porenzahl, desto geringer der Porenkanaldurchmesser. Der Porendurchmesser ist zusätzlich über die Einstellung der eingesetzten Nadelmaschine regulierbar. Die Faserpole der Basisgrundflächengebilde sind zur Anströmseite orientiert. In der Polfaserschicht 2/I kann somit bereits eine Oberflächenfiltration stattfinden und ein erheblicher Teil der Filterpartikel ausgeschieden werden.

In Fig. 6 ist eine andere Art einer Vliesstoffschicht IV gezeigt, die für die Bildung des erfindungsgemäßen mehrschichtigen Filtermediums eingesetzt werden kann. Diese Vliesstoffschicht IV besteht im Gegensatz zu der in Fig. 1 dargestellten Basisschicht 1, aus einem vernadelten Querfaservlies 6, bei dem die nachfolgend durch Nadeln entstandene Faserpolschicht 2/IV mit vorwiegend vertikaler Faser- bzw. Filamentanordnung aus abstehenden unverdrehten Einzelfasern 7 besteht, die in dem Faservlies 6 verankert sind. Für das erfindungsgemäße mehrschichtige Filtermedium werden zwei oder mehr Schichten IV, V übereinander angeordnet und miteinander verbunden, so wie es beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist. Die Verbindung der einzelnen Polschichten 2/IV und 2/V erfolgt wie in Fig. 4 bzw. 5 durch Einbringen von Faserpfropfen 12 auf beiden Seiten, die aus den Fasern der Faservliese 6/IV und 6/V gebildet sind, wobei die Faserpfropfen 12 wiederum nur bis in die darüber- bzw. darunterliegende Polschicht 2/IV bzw. 2/V reichen.

Fig. 8 zeigt ein nachgenadeltes, vermaschtes Querfaservlies als eine weitere Möglichkeit eines Vliesstoffes als Basisschicht VI mit einer Faserpolschicht 2/VI aus unverdrehten abstehenden Einzelfasern 9 auf der Oberseite und einem Anteil von Fasermaschen 10 auf der Unterseite der als Ausgangsschicht dienenden Querfaserlage 11. Der Schichtenaufbau gemäß Fig. 9 für das Filtermedium erfolgt analog dem in Fig. 7 gezeigten, wobei auch mehr als zwei Polschichten 2/VI, 2/VII angeordnet werden können. Anstelle der verbindenden Faserpfropfen 12 können auch verbindende Fasermaschen angeordnet werden, so wie es beispielsweise in Fig. 2 und 3 beschrieben ist.

Die Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein mehrschichtiges voluminöses Filtermedium mit einer Dicke von 25 mm, das von der Anströmseite aus betrachtet, aus beispielsweise folgenden Komponenten besteht:

• - eine Vliesstoffschicht I gemäß Fig. 1 mit einer Dicke von 10 mm und einer groben Faserfeinheit,
• - eine Sperrschicht 13 aus einem separat gefertigten textilen oder nichttextilen Flächengebilde, wie beispielsweise Wirbelvliesstoff, Spinnvlies, Gewebe, Gestrick, Gewirke oder dgl . . In diesem Flächengebilde können zusätzlich leitfähige Fasern oder Fäden eingearbeitet sein,
• - Vliesstoffschicht II gemäß Fig. 1 mit einer Dicke von 10 mm und einer mittleren Faserfeinheit,
• - Sperrschicht 14 aus einem zusätzlich gefertigten textilen oder nichttextilen Flächengebilde, wie beispielsweise Wirbelvliesstoff, Spinnvlies, Gewebe, Gestrick, Gewirke oder dgl.,
• - Vliesstoffschicht III gemäß Fig. 1 mit einer Dicke von 10 mm und einer geringen Faserfeinheit.

Bei diesem erfindungsgemäßen fünfschichtigen Filtermedium sind alle Schichten I, II, III, 13, 14 durch Maschen 15 verbunden, die jeweils aus Fasern der Polschichten 2/I, 2/II oder 2/III gebildet sind und an der unteren Seite mit des Filtermediums über der Maschenschicht 1/III der Vliesstoffschicht in angeordnet sind. Die Dicke der Basisvliesstoffe I, II und in wird dabei weitgehend beibehalten. Die zwischen der Schicht I und II bzw. II und III angeordneten zusätzlichen Sperrschichten werden in das Filtermedium mittels der gebildeten Fasermaschen 15 fest eingebunden.

Die Einstellung der Porenanzahl und des Kanaldurchmessers erfolgt wiederum über den Faserdurchmesser, d. h. je kleiner der Faserdurchmesser desto höher die Porenanzahl, desto geringer der Porenkanaldurchmesser. Der Porendurchmesser ist über die Maschineneinstellung regulierbar. Die Polschichten 2/I, 2/II und 2/III der Basisschichten I, II und III sind jeweils zur Anströmseite gerichtet. In der Polschicht I kann dadurch bereits eine Oberflächenfiltration stattfinden und ein erheblicher Teil der Teilchen abgeschieden werden.

Claims (9)

1. Mehrschichtiges, voluminöses Filtermedium mit speichernder Wirkung, bestehend aus mehreren Vliesschichten, die jeweils auf einer Seite eine Polschicht aufweisen, wobei mehrere Polschichten mit vorwiegend vertikaler Faser- oder Filamentanordnung zum Querschnitt des Filtermediums übereinander angeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß jede Polschicht (2) die Anströmseite für das zu filternde Medium bildet und daß in fortlaufender Durchström- oder Anströmrichtung die vertikale Faser- oder Filamentanordnung (4) der jeweiligen Polschicht (2) eine abnehmende Porengröße und/oder zunehmende Porenanzahl aufweist.

2. Mehrschichtiges Filtermedium nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die über den Querschnitt des Filtermediums in Durchströmrichtung abnehmende Porengröße und zunehmende Porenanzahl in den einzelnen Polschichten (2) durch abnehmende Faser- bzw. Filamentdurchmesser erreicht wird.

3. Mehrschichtiges Filtermedium nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die über den Querschnitt des Filtermediums in Durchströmrichtung abnehmende Porengröße durch abnehmende Höhen der vertikalen Faser- bzw. Filamentanordnung in den einzelnen Polschichten (2) erreicht wird.

4. Mehrschichtiges Filtermedium nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Polschichten (2) aus einem in Polfalten (2a) gelegten Längsfaservlies bestehen und die Polfalten (2a) durch Fasermaschen (1) miteinander verbunden sind.

5. Mehrschichtiges Filtermedium nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Polschichten (2) aus abstehenden unverdrehten Einzelfasern (7) bestehen, die in einer Querfaserlage (6) fest verankert sind.

6. Mehrschichtiges Filtermedium nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Polschichten (2) von einem vertikalen Faserpol (9) aus unverdrehten Einzelfasern auf der Oberseite und einem Anteil Fasermaschen (10) auf der Unterseite einer Querfaserlage (11) gebildet werden.

7. Mehrschichtiges Filtermedium nach Anspruch 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen jeweils zwei Vliesstoffschichten (I, II, III) ein zusätzliches textiles oder nichttextiles Flächengebilde (13; 14) mit Sperr- oder anderer Funktionswirkung angeordnet ist.

8. Mehrschichtiges Filtermedium nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Vliesstoffschichten (I, II, III) mit jeweils der Anströmseite zugewandter vertikaler Faser­ bzw. Filamentanordnung (4) unter weitgehender Beibehaltung ihres Ausgangsvolumens durch Vernadeln, Vermaschen, Übernähen, Verkleben oder dgl. verbunden sind.

9. Mehrschichtiges Filtermedium nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die zur Abreinigung notwendige Stabilität durch einen Anteil thermisch aktivierbarer Fasern und thermische Behandlung erreicht wird.