DE4143237A1 - Filterelement zum filtern von gasen und/oder fluessigkeiten, insbesondere zum filtern der in den fahrgastraum eines kraftfahrzeuges einstroemenden luft - Google Patents
Filterelement zum filtern von gasen und/oder fluessigkeiten, insbesondere zum filtern der in den fahrgastraum eines kraftfahrzeuges einstroemenden luftInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Filterelement zum Filtern von
Gasen und/oder Flüssigkeiten, insbesondere zum Filtern
der in den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges ein
strömenden Luft, mit einer Elektret-Filterschicht, die
aus einem Vliesmaterial besteht, und einem mit der
Elekret-Filterschicht verbundenen Stützgitter zum Halten
der Elektret-Filterschicht.
Bei Verwendung von Filtermaterialschichten, die aus
Vliesstoffen bzw. Vliesmaterialien bestehen, muß im all
gemeinen die Filtermaterialschicht durch ein für die zu
filternde Strömung durchlässiges Stützgitter o. dgl. ge
halten werden. Derartige netzförmige Stützgitter aus
z. B. Kunststoffen sind bei Vlies-Filtermaterialschichten
auch dann erforderlich, wenn dem Filterelement eine
Wellen- oder Zickzackform gegeben wird, um die der Strö
mung ausgesetzte Filterelement-Oberfläche zu vergrößern.
Im allgemeinen werden derartige Filtermaterialschichten,
bei denen es sich beispielsweise um ein Elektret han
delt, mit dem Stützgitter mechanisch verbunden. Das auf
diese Weise gebildete Filterelement wird derart in die
zu filternde Strömung eingebracht, daß - in Strömungs
richtung betrachtet - die Filtermaterialschicht vor dem
Stützgitter angeordnet ist, die Filtermaterialschicht
also von der Strömung gegen das Stützgitter gedrückt
wird. Dadurch verringert sich das zur Filterung zur Ver
fügung stehende Volumen der Filtermaterialschicht, was
zu einer Reduktion der Speicherkapazität des Filter
elementes führt. Bei einem wellen- oder zickzackförmig
ausgebildeten Filterelement werden die beiden jeweils
einen V-förmigen Filterelementbereich bildenden Flächen
von der Oberfläche der Filtermaterialschicht gebildet.
Da diese aus einem Vliesmaterial besteht, ragen einzelne
Faserenden in den V-förmigen Bereich hinein und sorgen
für Verwirbelungen in der Strömung, weshalb dem Grad der
Faltung des Filterelementes Grenzen gesetzt sind, die
einzelnen Filterelementabschnitte oder Faltabschnitte
des Filterelementes also in einem vergleichsweise großen
Winkel zueinander stehen.
Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift 89 01 798.6 ist
ein zickzackförmiges Filterelement bekannt, das eine
Partikelfilterlage und eine - in Strömungsrichtung be
trachtet - dahinter angeordnete Adsorberfilterlage auf
weist. Die Partikelfilterlage besteht aus zwei Elektret-
Filterschichten mit einem zwischen diesen beiden Schich
ten angeordneten luftdurchlässigen netzförmigen Gitter.
Hinter der in Strömungsrichtung hinteren der beiden
Elektret-Filterschichten der Partikelfilterlage ist ein
dünner flächiger Trägerkörper angeordnet, an dem Adsor
berpartikel gebunden sind. Die Partikelfilterlage und
die Adsorberfilterlage sind jeweils zickzackförmig ge
faltet, wobei die einzelnen Falten ineinandergreifen, so
daß der Trägerkörper der Adsorberfilterlage flächig an
der zweiten Elektret-Filterschicht der Partikelfilter
lage anliegt. Der dünne luftdurchlässige Trägerkörper
der Adsorberfilterlage ermöglicht es, dem "Verbund" aus
Partikelfilterlage und Adsorberfilterlage eine Plissie
rung zu verleihen. Der Trägerkörper der Adsorberfilter
lage weist also eine Formstabilität auf, weshalb das
Volumen der in Strömungsrichtung zweiten Elektret-
Filterschicht begrenzt ist. Während die erste Elektret-
Filterschicht durch die anströmende Luft gegen das
Stützgitter der Partikelfilterlage gedrückt wird, wird
die zweite Elektret-Filterschicht gegen den dünnen
Trägerkörper der Adsorberfilterlage gedrückt. Dabei ent
stehen verdichtete Bereiche in den beiden Elektret-Fil
terschichten, was die Aufnahmekapazität der Partikelfil
terlage begrenzt.
Aus der Oberfläche der Elektret-Filterschichten ragen
Faserenden heraus. Da die in Strömungsrichtung erste
Elektret-Filterschicht der anströmenden Luft ausgesetzt
ist und die V-förmigen Vertiefungen des zickzackförmigen
Filterelementes bildet, verursachen die herausragenden
Faserenden Verwirbelungen der Luft. Diese Kleinst-Luft
strömungsverwirbelungen verschlechtern die strömungs
technischen Eigenschaften des Filterelementes, was sich
nachteilig auf die Luftfilterung auswirkt. Aufgrund
dieser Luftverwirbelungen dürfen die Winkel, unter denen
die beiden Seitenflächen einer V-förmigen Vertiefung des
zickzackförmigen Filterelementes stehen, nicht zu klein
sein, um sich nicht allzusehr auf den zu filternden
Luftstrom auszuwirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filter
element mit verbesserten Filtereigenschaften zu schaf
fen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Filterelement
der eingangs genannten Art mit der Erfindung vorgeschla
gen, das Stützgitter - in Strömungsrichtung des Gases
und/oder der Flüssigkeit betrachtet - vor der Elektret-
Filterschicht anzuordnen, wobei das Vliesmaterial der
Elektret-Filterschicht zu der dem Stützgitter abge
wandten Seite hin frei ausdehnbar ist.
Nach der Erfindung handelt es sich bei dem Stützgitter
für das Vliesmaterial der Elektret-Filterschicht um die
erste Komponente oder Schicht des Filtermaterials in
Strömungsrichtung betrachtet. Das anströmende Gas bzw.
die anströmende Flüssigkeit kommt also zunächst mit dem
Stützgitter in Berührung und tritt nach dessen Durch
strömung in die Elektret-Filterschicht ein. Das Vlies
material der Elektret-Filterschicht ist dabei mit dem
Stützgitter durch Verkleben, Verschweißen oder mecha
nisch verbunden und wird demzufolge an dem Stützgitter
gehalten. Eine weitere Besonderheit des erfindungsge
mäßen Filterelementes besteht darin, daß sich die
Elektret-Filterschicht zu der dem Stützgitter abge
wandten Seite hin frei ausdehnen kann, wenn sie von dem
Fluid (Gas oder Flüssigkeit) durchströmt wird. Mit
dieser Ausdehnung verbunden ist eine Volumenvergrößerung
der Elektret-Filterschicht, was wiederum zu einer erhöh
ten Speicherkapazität des Filterelementes und damit zu
großen Standzeiten führt. Denn aufgrund des vergrößerten
Abstands der einzelnen Fasern, aus denen die Elektret-
Filterschicht aufgebaut ist, ist um die Fasern herum
mehr Platz zum Binden von Partikeln infolge der elek
trischen Aufladung der Fasern. Erfindungsgemäß ist also
hinter der Elektret-Filterschicht keine die Ausdehnung
des Vliesmaterials begrenzende Schicht, Lage oder Kompo
nente angeordnet.
Bei dem erfindungsgemäßen Filterelement ist nicht mehr
die Elektret-Filterschicht, sondern das Stützgitter die
in Strömungsrichtung erste Lage. Aufgrund des luftdurch
lässigen Stützgitters ist die Anzahl an Faserenden, die
aus der der Fluidströmung ausgesetzten Oberfläche des
Filterelementes herausragen, reduziert. Denn durch die
Stege des Stützgitters werden eine Vielzahl der ab
stehenden Faserenden des Vliesmaterials der Elektret-
Filterschicht niedergehalten. Lediglich durch die Öffnungen
des Stützgitters treten noch Faserenden aus;
diese Enden ragen aber zu einem Bruchteil ihrer Längen
aus der Stützgitter-Oberseite noch heraus. Damit ragen
insgesamt weniger Faserenden in die V-förmigen Vertie
fungen des Filterelementes bei zickzackförmiger Ausge
staltung desselben hinein. Das wiederum bringt den Vor
teil mit sich, daß das Filterelement dichter gefaltet
werden kann, die einzelnen Filterelementabschnitte bzw.
Faltabschnitte des Filterelementes also in einem spitze
ren Winkel zueinander verlaufen können. Bei ansonsten
gleichen Gesamtabmessungen des Filterelementes ver
größert sich demzufolge die der Fluidströmung ausge
setzte Oberfläche, wenn das Filterelement enger gefaltet
ist. Insgesamt verbessern sich die Luftwiderstandseigen
schaften des Filterelementes, da der gleiche Luftwider
stand erst bei einer größeren Filteroberfläche erreicht
wird. Eine größere Oberfläche bedeutet auch eine
Volumenvergrößerung des Filtermaterials und damit eine
größere Speicherkapazität.
Die erhöhte Speicherkapazität wird also bei dem erfin
dungsgemäßen Filterelement zum einen dadurch realisiert,
daß sich die Elektret-Filterschicht in der Fluidströmung
frei ausdehnen kann und sich damit volumenmäßig ver
größert; zur Speicherkapazitätsvergrößerung trägt aber
auch bei, daß bei konstantem Luftwiderstand die Ober
fläche und damit die Filtermaterialmenge vergrößert
werden kann, da die Anordnung lediglich einer (einzigen)
Elektret-Filterschicht hinter dem Stützgitter das Fil
terelement strömungstechnisch verbessert.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist eine
Deckschicht zum Zusammenhalten des Vliesmaterials vorge
sehen, die an der dem Stützgitter abgewandten Seite des
Vliesmaterials angeordnet ist und mit der Oberfläche der
Elektret-Filterschicht insbesondere durch Verkleben ver
bunden ist. Die Deckschicht stellt keine die Ausdehnung
des Vliesmaterials begrenzende Lage dar; vielmehr ent
fernt sich die Deckschicht in dem Maße von dem Stütz
gitter bei fluiddurchströmtem Filterelement, wie sich
das Vliesmaterial ausdehnt. Die Deckschicht hat ledig
lich die Aufgabe, das Vliesmaterial zusammenzuhalten,
damit sich einzelne Fasern aus der Elektret-Filter
schicht bei durchströmtem Filterelement nicht ablösen
können oder herausgerissen werden.
Vorzugsweise besteht die Deckschicht aus einem ver
festigten Vliesmaterial. Die Verfestigung des Vlies
materials kann durch die bekannten dazu vorgesehenen Be-
und Verarbeitungsprozesse erfolgen. Insbesondere besteht
die Deckschicht aus mehrfach thermisch miteinander ver
bundene ungeordnet angeordnete (Stapel-)Fasern. Die
Deckschicht weist eine größere (Reiß-)Festigkeit auf als
die Elektret-Schicht, deren Vliesmaterial, wenn auch
durch Vernagelung der Fasern in gewisser Weise ver
festigt, gegenüber der Deckschicht vergleichsweise
locker in sich verbunden ist. Das verfestigte Vliesmate
rial hat jedoch keine Eigenformstabilität, d. h. die Auf
rechterhaltung der zickzackförmigen Faltung des Filter
elementes wird einzig und allein durch das Stützgitter
gewährleistet.
Das Stützgitter, das Vliesmaterial der Elektret-Filter
schicht und, sofern vorhanden, das verfestigte Vlies
material der Deckschicht bestehen vorzugsweise jeweils
aus Polypropylen. Dies ist insbesondere im Hinblick auf
Recycling-Vorgänge und -möglichkeiten vorteilhaft, da
sämtliche Bestandteile aus demselben Material bestehen.
Das erfindungsgemäße Filterelement wird derart in der zu
filternden Fluidströmung eingesetzt, daß das Stützgitter
die erste von dem Fluid durchströmte und mit dem Fluid
in Kontakt kommende Schicht des Filterelementes ist. Auf
das Stützgitter folgen dann die Elektret-Filterschicht
und - sofern vorhanden - die Deckschicht. Zur Aufrecht
erhaltung der Fluidströmung dient eine dazu vorgesehene
Einrichtung, z. B. ein Gebläse o. dgl., das Luft durch das
Filterelement bläst. Dem Wort "Einrichtung" kommt im
Rahmen dieser Erfindung aber eine recht allgemeine Be
deutung zu. Mit Einrichtung sind sämtliche Vorrichtungen
und Umstände gemeint, die für eine das Filterelement
durchsetzende (Fluid-)Strömung sorgen. Letztendlich han
delt es sich auch bei einem mit dem erfindungsgemäßen
Filterelement ausgestatteten Fahrzeug um eine derartige
Einrichtung, da das Fahrzeug durch Bewegung Fahrtwind
erzeugt, der das Filterelement durchströmt.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei
spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen
zeigen:
Fig. 1 in Explosionsdarstellung den Schichtenaufbau
eines zickzackförmig gefalteten Filterelements,
Fig. 2 das Filterelement gemäß Fig. 1 im zusammenge
setzten Zustand mit unterhalb angedeutetem Fil
terrahmen,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Biegelinie des zick
zackförmigen Filterelementes, wenn dieses nicht
von einem Gas durchströmt wird, und
Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Biegelinie des gas
durchströmten Filterelementes.
Gemäß Fig. 1 weist das Filterelement 10 ein zickzackför
mig gefaltetes Kunststoff-Stützgitter 12, eine Vlies
materialschicht 14 als Elektret-Filterschicht und eine
Deckschicht 16 aus verfestigtem Vliesmaterial auf. Diese
drei Lagen sind in Strömungsrichtung 18 in der zuvor
beschriebenen Folge hintereinander angeordnet. Die
Vliesmaterialschicht 14 ist vergleichsweise dick und
recht locker; die Fasern aus vorzugsweise Polypropylen
hängen vergleichsweise lose zusammen. Demgegenüber ist
die Deckschicht 16 recht dünn; die Verbindung der vor
zugsweise ebenfalls aus Polypropylen bestehenden Fasern
der Deckschicht ist fest; weshalb es sich insoweit um
eine verfestigte Vliesmaterialschicht handelt, die je
doch keine Formstabilität aufweist. Die Zickzackform des
Filterelementes 10 wird also einzig und allein durch das
zickzackförmig gefaltete Stützgitter 12 bestimmt.
Während die Vliesmaterialschicht 14 mit dem Stützgitter
12 beispielsweise durch Verkleben verbunden ist, ist die
Deckschicht 16 mit der dem Stützgitter 12 abgewandten
Seite der Vliesmaterialschicht 14 verbunden. Im zusam
mengebauten Zustand weist das Filterelement 10 den in
Fig. 2 dargestellten Aufbau auf. Das Filterelement 10
weist im wesentlichen geradlinige Filterelementab
schnitte oder Faltabschnitte 20 auf, die von Biegelinien
22 unterbrochen sind. Jeweils zwei aufeinanderfolgende,
durch eine Biegelinie 22 voneinander getrennte Faltab
schnitte verlaufen spitzwinklig zueinander, so daß sich
V-förmige Erhebungen bzw. Vertiefungen 24 ergeben. Die
derart gebildete Oberfläche stellt die der in Richtung
des Pfeils 18 anströmenden Luft ausgesetzte Oberfläche
des Filterelementes 10 dar. Zu beiden Längsseiten des
Filterelementes 10 sind Zugbänder 26 angeordnet, die mit
den Längsseitenkanten des Filterelementes 10 verbunden
sind. Aufgrund seiner Zickzackform läßt sich das Filter
element 10 in Richtung des Doppelpfeils 28 der Fig. 2
dehnen bzw. stauchen. Die Dehnung des Filterelementes 10
wird begrenzt durch die sich bei Dehnung spannenden Zug
bänder 26; im gespannten Zustand verleihen die Zugbänder
26 dem Filterelement 10 Formstabilität, so daß die Zick
zackform des Filterelementes 10 aufrechterhalten bleibt.
Die Zugbänder 26 sind mit den Seitenkanten des Filter
elementes 10 über deren gesamte Länge verklebt oder
ultraschallverschweißt. Das derart aufgebaute Filter
element 10 wird in einen Filterrahmen 30 eingesetzt, der
in Fig. 2 lediglich angedeutet ist.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch das Filterelement 10 in
einer Biegelinie 22 mit sich beidseitig anschließenden
Faltabschnitten 20 dargestellt. Durch das luftdurchläs
sige Stützgitter 12 aus ebenfalls vorzugsweise Polypro
pylen ragen vereinzelt die Enden von Fasern der Vlies
materialschicht 14 heraus. Dieser Anzahl von Fasern, die
aus der dem anströmenden Medium ausgesetzten Filter
element-Oberfläche herausragen, ist wesentlich geringer
als in dem Fall, in dem die Vliesmaterialschicht 14
direkt der Strömung ausgesetzt wäre. Demzufolge können
die Faltabschnitte 20 wesentlich spitzwinkliger zueinan
der verlaufen, ohne daß sich die in die Vertiefung 24
hineinragenden Faserenden nennenswert auf Verwirbelungen
in der Strömung auswirken. Damit vergrößert sich sowohl
das Volumen an für die Filterung verfügbaren Vliesmate
rial als auch die Filterelement-Oberfläche.
Gemäß Fig. 4 weitet sich die Vliesmaterialschicht 14
auf, wenn das Filterelement gasdurchströmt ist. Durch
die Ausdehnung der Vliesmaterialschicht 14 in Richtung
von dem Stützgitter 12 weg vergrößert sich das zur Fil
terung verfügbare Volumen der Vliesmaterialschicht; da
mit vergrößert sich die Speicherkapazität des Filter
elements. Eine derartige Volumenvergrößerung der Vlies
materialschicht 14 ist aber nur dann möglich, wenn dem
Vliesmaterial die Möglichkeit gegeben wird, sich in
Strömungsrichtung auszudehnen. Die Deckschicht 16 be
einträchtigt diesen Prozeß wenn überhaupt kaum merklich;
vielmehr wird sie infolge der Volumenvergrößerung der
Vliesmaterialschicht 14 "mitbewegt", mit der Folge, daß
der Abstand der Deckschicht 16 vom Stützgitter 12 in
Strömungsrichtung 18 betrachtet vergrößert wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das oben beschriebene
und in den Figuren dargestellte Filterelement in der
nachfolgend beschriebenen Weise aufgebaut ist und aus
den unten angegebenen Teilen und Materialien besteht.
Als Material für die Stege des netzartigen Stützgitters
12 werden Fasern mit einem Durchmesser von ca. 0,45 mm
gewählt. Die Öffnungen des Stützgitters 12 sind diamant
förmig und etwa 3,6 × 4,1 mm groß. Die Dicke (Höhe) des
Stützgitters beträgt etwa 0,85 mm. Die Fasern bestehen
aus Polypropylen oder anderen Polymeren. Das Vlies
material der Elektret-Filterschicht 14 besteht aus ge
spaltenen Fasern von 10 bis 40 µm Durchmesser. Das
Basisgewicht des Vliesmaterials beträgt ca. 85 g/m2. Das
Vliesmaterial besteht aus vernagelten Fasern, die will
kürlich angeordnet sind. Die derart bearbeitete Vlies
materialschicht ist ca. 2,0 mm dick. Die Fasern bestehen
aus Polypropylen mit Elektret-Eigenschaften, die den
Fasern durch die bekannten Verfahren verliehen werden.
Die Verbindung zwischen Elektret-Filterschicht 14 und
Stützgitter 12 erfolgt durch Verkleben mit einem Poly
propylen-verträglichen Kleber. Als Materialien für die
Elektret-Filterschichten kommen z. B. die unter den Be
zeichnungen 3M Filtrete oder 3M SBMF von der Minnesota
Mining Manufacturing vertriebenen Produkte in Frage.
Alternativen zu dem oben genannten Vliesmaterial sind
ein durch ein Schmelz-Blas-Verfahren hergestellter
Vliesstoff oder Zirkular-Fasern mit einem Durchmesser
von 1 bis 5 µm.
Die Deckschicht 16 besteht aus einem Spinnvlies (non
woven spun bonded material), das aus mehrfach thermisch
verbundenen willkürlich angeordneten Fasern nach be
kannten Verfahren hergestellt ist. Das Basisgewicht
dieses Spinnvlieses beträgt ca. 10-30 g/m2, vorzugs
weise 17 g/m2. Die Verbindung der Deckschicht 16 mit der
Elekret-Filterschicht 14 erfolgt mittels bekannter
Kleber. Als Material für die Fasern der Deckschicht 16
kommen Polyester, Polyamid und vorzugsweise Polypropylen
in Frage. Die Dicke der Deckschicht beträgt ca. 0,22 mm.
Die Zugbänder 26 bestehen aus demselben Material wie die
Deckschicht und sind wie diese hergestellt.
Mit derartigen Stützgittern, Elektret-Filterschichten
und Deckschichten lassen sich zickzackförmig gefaltete
Filterelemente aufbauen, die bei einer Gesamtabmessung
von 100 × 300 mm eine Faltabschnittlänge von 25 mm und
eine Faltung, d. h. einen Abstand von Biegelinie zu
Biegelinie von ca. 0,8-1,5 cm, vorzugsweise von 1,0 cm
aufweisen. Ein V-förmiger Vertiefungs- oder Erhöhungs
bereich des Filterelements ist also an seiner der Spitze
abgewandten breiteren Stelle vorzugsweise 1,0 cm weit,
wobei die Schenkellänge bzw. die Tiefe ca. 25 mm be
trägt.
Ein derartiges Filterelement kann ca. 300 m3/h zu fil
ternde Luft aufnehmen bzw. durchlassen. Der Druckabfall
liegt in der Größenordnung von 120 Pa. Der neuartige
Aufbau erlaubt eine Reduktion dieses Druckabfalls bis zu
ca. 10-20% bei einer gleichzeitigen Vergrößerung der
Filterfläche und der Filtermaterialmenge. Der Hauptvor
teil, der daraus resultiert, ist in der vergrößerten
Lebensdauer eines nach der Erfindung aufgebauten Filter
elementes zu sehen.
Claims (6)
1. Filterelement zum Filtern von Gasen und/oder Flüs
sigkeiten, insbesondere zum Filtern der in den
Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges einströmenden
Luft, mit
- - einer Elektret-Filterschicht (14), die aus einem Vliesmaterial besteht, und
- - einem mit der Elektret-Filterschicht verbundenen Stützgitter (12) zum Halten der Elektret-Filter schicht,
dadurch gekennzeichnet,
- - daß in Strömungsrichtung (18) des Gases und/oder der Flüssigkeit betrachtet das Stützgitter (12) vor der Elektret-Filterschicht (14) angeordnet ist und
- - daß das Vliesmaterial der Elektret-Filterschicht (14) zu der dem Stützgitter (12) abgewandten Seite hin frei ausdehnbar ist.
2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Elektret-Filterschicht (14) an ihrer
dem Stützgitter (12) abgewandten Seite mit einer
Deckschicht (16) zum Zusammenhalten des Vliesmate
rials verbunden ist.
3. Filterelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß die Deckschicht (16) aus verfestigtem
Vliesmaterial besteht.
4. Filterelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, daß das Stützgitter (12), das Vliesmaterial
der Elektret-Filterschicht (14) und die Deckschicht
(16) aus demselben Material, insbesondere aus Poly
propylen bestehen.
5. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Stützgitter (12)
wellen- oder zickzackförmig gefaltet ausgebildet
ist.
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