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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Filterbeutel mit hoher Rückhaltekapazität.
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Die Filterbeutel werden insbesondere für das industrielle Filtern von Flüssigkeiten
verwendet. Sie werden in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt, wie beispielsweise der
chemischen Industrie, der Nahrungsmittelindustrie, dem Automobil- oder Flugzeugbau.
Zwei Haupteigenschaften charakterisieren ganz allgemein die Filterbeutel: die
Filtereffizienz und die Rückhaltekapazität.
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Die Filtereffizienz zeigt die Grösse der Partikel an, die vom Filterbeutel
zurückgehalten werden. Diese Grösse liegt im allgemeinen im Bereich von einigen
Mikrometern. Der Beutel hält alle diejenigen Partikel auf, deren Grösse ein bestimmtes Mass
übersteigt. Diese Effizienz gibt einen Hinweis auf die vom Filterbeutel erzielte
Filtrationsqualität.
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Die Rückhaltekapazität zeigt die Menge der Partikel an, die der Filterbeutel aufhalten
kann. Dieses Kennzeichen beeinflusst die Lebensdauer eines Beutels. Je grösser die
Rückhaltekapazität ist, desto länger ist die Lebensdauer des Beutels. Die Wechsel des
Filterbeutels sind also weniger häufig, ebenso wie die Eingriffe am Filter. Daher ist die
Wartung des Filters weniger kostenaufwendig.
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Ein bekanntes Verfahren, um die Rückhaltekapazität eines Filterbeutels zu erhöhen,
besteht darin, eine Vielzahl von Filtermaterial-Einlagen zu verwenden, die jeweils
nacheinander angeordnet sind. Ein Teil der herauszufilternden Partikel wird in jeder Einlage
zurückgehalten. Wenn die Einlagen identisch sind, wird der grösste Teil der Partikel durch die
erste Filtermaterial-Einlage aufgenommen, diejenige, die sich auf der fliessaufwärtigen Seite
befindet. Die anderen Einlagen, die weiter fliessabwärts angeordnet sind, filtern eine
Flüssigkeit, die bereits durch die erste Einlage von ihren Partikeln befreit ist.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, werden verschiedene Filtereinlagen aufeinander
geschichtet, und zwar so, dass die fliessaufwärtigen Einlagen die gröberen Partikel, die
fliessabwärtigen Einlagen dagegen die feineren Partikel herausfiltern. Die Porengrösse der
Filterelemente nimmt also von fliessaufwärts nach fliessabwärts ab.
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Dieser Filtertyp ist wirksam, wenn die zu filternden Partikel eine ziemlich breite
Grössenverteilung zeigen. Wenn diese Verteilung jedoch eng ist, bewirkt eine einzige
Filtermaterial-Einlage das Filtern: die fliessaufwärtigen Einlagen lassen die Partikel durch
und die fliessabwärtigen Einlagen filtern eine von ihren Partikeln bereits befreite Flüssigkeit.
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Das europäische Patent EP-0 306 231 beschreibt ein Filterelement, das eine deutliche
Erhöhung der Rückhaltekapazität eines Filters ermöglicht. Dieses Filterelement umfasst eine
Vielzahl von Einlagen aus einem filtrierenden Material, von denen mindestens eine Einlage
eine Öffnung aufweist, durch welche ein Teil der Flüssigkeit hindurchfliessen kann, ohne
gefiltert zu werden, und mindestens eine fliessabwärtige Einlage, die keine solche Öffnungen
besitzt. Eine Einlage aus Transportmaterial ist fliessabwärts von jeder Filtereinlage
vorgesehen, die Öffnungen enthält, und schliesslich ist eine Einlage aus weichem
vorfiltrierendem Material fliessaufwärts von der Vielheit der Filtereinlagen angeordnet.
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Dieses Filterelement macht es möglich, die Rückhaltekapazität eines Filters im
Verhältnis zu den weiter oben beschriebenen Filtern zu erhöhen, auch wenn die
Grössenverteilung der Partikel relativ eng ist. Seine Struktur ist jedoch relativ komplex.
Das Dokument FR 630 636 beschreibt einen Filter, insbesondere einen Ölfilter, der in
einem Blechbehälter eine Filtermaterial-Einlage besitzt, die so gefaltet ist, dass ein
konzentrisches Plissee gebildet wird, das heisst, die Einlage ist in der Weise gefaltet, dass sie
zylinderförmige, deutlich konzentrische Wände aufweist.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, ein Filterelement bereitzustellen, mit dem
eine Rückhaltekapazität erreicht werden kann, die im Verhältnis zu derjenigen, die im
obenerwähnten europäischen Patent beschrieben ist, noch gesteigert ist, selbst wenn die
Grössenverteilung der zu filternden Partikel eng ist, und dessen Struktur einfach herzustellen
ist.
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Zu diesem Zweck umfasst der vorgeschlagene Filterbeutel mit hoher
Rückhaltekapazität eine Einlage aus Filtermaterial, die so gefaltet ist, dass ein konzentrisches
Plissee entsteht, das heisst, die Einlage ist in der Weise gefaltet, dass sie zylinderförmige,
deutlich konzentrische Wände zeigt, dadurch gekennzeichnet, dass sie auch eine äussere
Umhüllung aufweist, in der das konzentrische Plissee untergebracht ist, und dadurch
gekennzeichnet, dass die Porosität der äusseren Umhüllung verschieden ist von derjenigen der
Einlage, die das konzentrische Plissee bildet, wobei der Porendurchmesser der das Plissee
bildenden Einlage grösser ist als derjenige der Umhüllung.
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Diese Anordnung einer Filtermaterial-Einlage ermöglicht eine sehr deutliche
Vergrösserung der aktiven Oberfläche des Filters im Verhältnis zu einem herkömmlichen
Filterbeutel. Diese Oberfläche bestimmt die Rückhaltekapazität des Filterbeutels. Die
erfindungsgemässe Faltung des Filtermaterials ermöglicht die gleichzeitige Verwendung der
gesamten Oberfläche der Filtermaterial-Einlage. Die zu filternde Flüssigkeit durchdringt nicht
mehrere Wände des konzentrischen Plissees, sondern läuft gleichzeitig durch die gesamte
Oberfläche des Filtermaterials. Hydraulisch gesehen sind die verschiedenen Wände also nicht
seriell angeordnet, sondern parallel.
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Die äussere Umhüllung ermöglicht einerseits, dass die Filtermaterial-Einlage ihre
konzentrische Plisseeform behält, wenn sie dem Druck der zu filternden Flüssigkeit
ausgesetzt ist. Andererseits zeigt diese äussere Umhüllung filtrierende Eigenschaften und
wirkt mit dem plissierten Einsatz so zusammen, dass die Leistung des Filterbeutels erhöht
wird. Die Funktionen von Rückhaltung und Effizienz sind damit voneinander unabhängig.
Aufgrund der äusseren Umhüllung und der unterschiedlichen Porosität kann das Plissee die
grössten Partikel in der zu filternden Flüssigkeit ebenso zurückhalten wie auch die grösste
Partikelmenge, während die äussere Umhüllung die Partikel mit kleinerem Durchmesser
zurückhalt. Die äussere Umhüllung bestimmt also die Effizienz des Filterbeutels, während mit
dem konzentrischen Plissee eine hohe Rückhaltekapazität gesichert werden kann.
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Zur besseren Filtration weisen sowohl das Filtermaterial, das das konzentrische Plissee
bildet, wie auch dasjenige, das die äussere Umhüllung bildet, eine Schutzschicht auf der
fliessaufwärtigen Seite, einen aktiven Teil in der Mitte und eine äussere Schicht auf der
fliessabwärtigen Seite auf, um die mechanische Festigkeit der gesamten Filtereinlage zu
gewährleisten.
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Die innere Schicht schützt den aktiven Teil, der im allgemeinen ziemlich spröde ist,
vor möglichen äusseren Einwirkungen. Der aktive Teil filtert die Flüssigkeit, während die
äussere Schicht diese Struktur mechanisch stützt.
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Der aktive Teil in der Mitte besteht vorteilhafterweise aus einem Vliesstoff aus
synthetischen Fasern, zum Beispiel aus Polypropylen.
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Um eine gute Rückhaltekapazität zu gewährleisten und sicherzustellen, dass die
Flüssigkeit das konzentrische Plissee auf seiner gesamten Oberfläche durchdringt, sind
vorzugsweise Zwischenlagen vorgesehen, um einen Raum zwischen zwei benachbarten
Plisseewänden aufrechtzuerhalten. Diese Zwischenlagen können zum Beispiel aus einem sehr
lufihaltigen Filz bestehen.
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Im Hinblick auf eine einfache Anpassung an herkömmliche Filter umfasst der
erfindungsgemässe Filterbeutel ausserdem einen Ring, an dem das konzentrische Plissee
mittels seiner ganz aussen liegenden Wand befestigt ist und an dem gegebenenfalls auch eine
äussere Umhüllung befestigt ist. Ausserdem kann ein Bügel zum leichteren Einsetzen und
Herausnehmen des Filterbeutels vorgesehen sein.
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Die Erfindung schlägt auch ein Verfahren vor, das die Herstellung eines solchen oben
beschriebenen konzentrischen Plissees ermöglicht. Dieses Verfahren umfasst die folgenden
Stufen:
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- aus einer flachen Filtermaterial-Bahn, die aus einem oder mehreren Lagen besteht,
Ausschneiden eines Stanzlings mit deutlich gleichschenklig-dreieckiger Form,
wobei die Basis im Verhältnis zur Höhe relativ klein ist und die Spitze des
Dreiecks einen Zuschnitt in W-Form zeigt,
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- Faltung des Stanzlings entlang der Höhenlinie des Dreiecks,
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- Aufeinanderheften der zwei langen Dreieckseiten, zum Beispiel durch Nähen oder
Schweissen, wobei in Höhe der Dreiecksbasis eine Öffnung verbleibt,
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- aufeinanderfolgende Durchgänge der Dreiecksspitze durch die an der
Dreiecksbasis gebildete Öffnung, wobei am Ende jedes Durchgangs eine Falte
gebildet wird.
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Jedenfalls wird die Erfindung gut verständlich sein mit Hilfe der folgenden
Beschreibung mit Bezug auf die beigefügte schematische Zeichnung, die beispielhaft, aber
nicht erschöpfend ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Filterbeutels darstellt.
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Fig. 1 ist eine teilweise aufgeschnittene Perspektivzeichnung eines
erfindungsgemässen Filterbeutels,
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Fig. 2 ist ein halber Längsschnitt in vergrössertem Massstab des Beutels der
vorhergehenden Figur,
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Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Stanzlings, der es ermöglicht, den Innen-Einsatz der
Beutel der Fig. 1 und 2 zu realisieren,
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Fig. 4 zeigt schematisch das Falten des Stanzlings der vorhergehenden Figur, um
einen Innen-Einsatz eines erfindungsgemässen Beutels zu erhalten, und
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Fig. 5 zeigt diesen Innen-Einsatz, wenn das Falten ausgeführt worden ist.
Die Fig. 1 zeigt einen Filterbeutel, der eine äussere Umhüllung 2, einen Innen-
Einsatz 4, einen Ring 6 und einen Bügel 8 umfasst.
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Die äussere Umhüllung 2 ist durch einen deutlich zylinderförmigen runden Beutel
gebildet, der an einem seiner äusseren Enden offen und an seinem anderen Ende durch einen
deutlich halbkreisförmigen Boden 10 verschlossen ist.
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Diese äussere Umhüllung 2 ist aus einem aus drei Lagen gebildeten Filtermaterial
ausgeführt: eine innere Schutzschicht 12, einem aktiven Teil 14 und einer äusseren Schicht
16.
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Der aktive Teil 14 ist der filtrierende Teil der Umhüllung. Seine Porengrösse ist so
bestimmt, dass Partikel, deren Grösse eine gegebene Dimension übersteigt, nicht passieren
können. Er ist hergestellt aus einem Vliesstoff aus Polypropylenfasern. Selbstverständlich
kann anstelle des Polypropylen-Vliesstoffs jedes andere bekannte Filtermaterial verwendet
werden.
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Die innere Schutzschicht 12 dient zum Schutz des aktiven Teils 14 der Umhüllung vor
verschiedenen äusseren Einwirkungen, die diesen aktiven Teil 14 beschädigen könnten.
Die äussere Schicht 16 ist zum Beispiel aus den gleichen Fasern wie der aktive Teil 14
gebildet, die aber in anderer Weise zusammengesetzt sind. So kann diese Schicht 16 die
mechanische Festigkeit der gesamten Filtereinlage gewährleisten. Sie besitzt keine
filtrierenden Eigenschaften.
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Eine solche Struktur in drei Lagen ist dem Fachmann bereits bekannt.
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Der Innen-Einsatz 4 ist aus einem Filtermaterial realisiert, das ebenfalls aus drei Lagen
12, 14 und 16 gebildet ist. Dieses Material ähnelt demjenigen, das für die äussere Umhüllung
2 verwendet wird. Der einzige Unterschied besteht in der Porosität des aktiven Teils 14. Die
Poren dieses aktiven Teils haben beim Innen-Einsatz 4 vorzugsweise einen grösseren
Durchmesser als bei der äusseren Umhüllung 2.
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Der Innen-Einsatz 4 ist so gefaltet, dass ein rundes konzentrisches Plissee geformt
wird. Die Fig. 3 bis 5 erklären, wie dieses Plissee zustandekommt.
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Die Fig. 3 zeigt den Stanzling 18 des Innen-Einsatzes 4. Es handelt sich um ein
flaches Stück Filtermaterial, wie es oben beschrieben ist. Dieses Stück hat die Form eines
gleichschenkligen Dreiecks. Die Höhe 20 dieses Dreiecks, dargestellt als Strich-Punkt-Linie,
ist gross im Verhältnis zu dessen Basis 22. Die der Basis 22 gegenüberliegende Spitze des
Dreiecks ist ausgeschnitten und zeigt deutlich die Form eines abgerundeten W.
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Zur Herstellung des Innen-Einsatzes 4 wird der Stanzling 18 zuerst entlang der
Höhenlinie 20 zusammengefaltet, wie durch die Pfeile 24 gezeigt.
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Die Ränder 26 des Dreiecks, die nicht die Basis 22 bilden, werden dann zu einem
Stück aufeinandergeheftet, zum Beispiel, indem man sie vernäht oder verschweisst. Somit
erhält man einen deutlich konischen Beutel, der auf der Seite der Basis 22 eine Öffnung und
auf der ihr gegenüberliegenden Seite eine Spitze 28 umfasst.
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Der so erhaltene Beutel wird auf der Höhe der Basis 22 festgehalten und die Spitze 28
wird durch die Öffnung hindurchgeführt. Diese Spitze 28 kommt aus der Öffnung heraus und
wird bis zu der in Fig. 4 gezeigten Position geführt, wo in einem vorbestimmten Abstand zur
Öffnung eine Faltung ausgeführt wird.
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Dann wird die Spitze 28 erneut durch die Öffnung geführt, so dass sie in die in der
Fig. 4 gepunktet gezeigte Position gelangt.
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Dieser Arbeitsgang wird mehrmals wiederholt, bis man einen Einsatz erhält, wie er
(im Schnitt) in der Fig. 5 dargestellt ist.
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Der Rand der Öffnung, das heisst, die Basis 22, wird an den Ring 6 wie auch an die
äussere Umhüllung 2 genäht (oder auch verschweisst). Der Bügel 8 erlaubt ein leichteres
Einsetzen und Herausnehmen des Filterbeutels aus dem Filter, für den er bestimmt ist.
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Wenn man einen Innen-Einsatz 4 auf diese Weise ausführt, wird die aktive Oberfläche
des Filterbeutels sehr deutlich vergrössert. Im Verhältnis zu einem Beutel nach dem Stand der
Technik, der eine Form der äusseren Umhüllung 2 sehr ähnliche Form hat, aber keinen Innen-
Einsatz 4 enthält, kann die aktive Oberfläche zum Beispiel mit vier multipliziert werden.
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Der Filterbeutel ist zum Filtrieren von Flüssigkeit bestimmt, die feste Partikel enthält,
die aus der Flüssigkeit entfernt werden müssen. Bei diesem erfindungsgemässen Beutel
durchdringt die Flüssigkeit nicht nacheinander mehrere Filtermaterial-Schichten, wie es bei
den Filterbeuteln mit hoher Rückhaltekapazität nach dem Stand der Technik der Fall ist,
sondern sie passiert auf einmal die gesamte Oberfläche des Innen-Einsatzes 4. Die
verschiedenen Wände dieses Einsatzes sind, unter hydraulischem Gesichtspunkt, nicht seriell
eine nach der anderen angeordnet, sondern parallel zueinander.
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Die konische Form des Beutels, der zur Realisierung des Innen-Einsatzes 4 plissiert
wird, ermöglicht es, einen Raum zwischen zwei benachbarten Wänden, getrennt durch eine
Falte, zu schaffen. Allerdings haben Versuche gezeigt, dass es vorkam, dass zwei Wände
aufeinander liegen und dass dann die zu filternde Flüssigkeit diese Wände nicht durchdringt.
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Eine Lösung besteht darin, dass die Wände mit Hilfe von Zwischenlagen 30 (Fig.
1 und 2) im Abstand zueinander gehalten werden. Für diese Zwischenlagen 30 können
zahlreiche Ausführungen in Betracht gezogen werden. Die Erfindung schlägt vor, sie
ausgehend von einem sehr weichen und lufihaltigen Filz zu realisieren. Auf diese Weise
hindert die Zwischenlage nicht das Abfliessen der Flüssigkeit, und es besteht nicht die
Gefahr, dass sie den Innen-Einsatz 4 beschädigt.
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Wie weiter oben erwähnt, ist die Porosität des aktiven Teils 14 verschieden von
derjenigen des Innen-Einsatzes 4 und derjenigen in der äusseren Umhüllung 2. Die Poren im
Bereich der äusseren Umhüllung sind feiner.
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Auf diese Weise gelangt die mit den herauszufilternden Partikeln beladene Flüssigkeit
zunächst in den Innen-Einsatz, wo sie von ihren gröbsten Partikeln befreit wird, dann wird sie
durch die äussere Umhüllung gefiltert. Diese letztere bestimmt also die Effizienz des Filters,
während der Innen-Einsatz, der eine grosse Filtrationsfläche bietet, eine hohe
Rückhaltekapazität gewährleistet.
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Ein Zahlenbeispiel ist nachstehend angeführt. Die angegebenen Werte sollen eine
Vorstellung vermitteln und keinesfalls den Erfindungsbereich einschränken, der bei anderen
Anwendungen mit ganz verschiedenen Werten realisiert werden kann.
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Der plissierte Mittelteil des Filters wird also zum Beispiel mit fünf Falten ausgeführt.
Das ermöglicht die Vergrösserung der Rückhaltefläche um 380% im Verhältnis zu einem
Beutel mit gleichen Aussenabmessungen oder auch im Verhältnis zur äusseren Umhüllung.
Die Porengrösse des aktiven Teils, der zur Realisierung des konzentrischen Plissees
verwendet wird, beträgt nominal 10 um. Dieser aktive Teil besteht aus Polypropylenfasern.
Die äussere Umhüllung umfasst ebenfalls Polypropylenfasern in ihrem aktiven Teil,
aber hier beträgt die nominale Porengrösse 5 um.
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Eine Zwischenlage von 2,5 mm Dicke wird zur Trennung der verschiedenen
Filterwände verwendet. Die Porengrösse des Zwischenlagenmaterials ist sehr viel grösser als
diejenige des Filtermaterials des konzentrischen Plissees und der äusseren Umhüllung, da
dieses Zwischenlagenmaterial keine filtrierende Funktion besitzt. Die in diesem Beispiel
gewählte Porengrösse beträgt nominal 100 um.
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Mit einem solchen Filterelement beträgt die durchschnittliche Rückhaltekapazität 800 g
für ein Filterelement mit einem Aussendurchmesser von 180 mm und einer Länge von
850 mm. Dieses Ergebnis wird erzielt, wenn eine verschmutzende Substanz, die der Fachmann
unter dem Namen ACFTD kennt, in einer Konzentration von 30 mg/l und einem Durchsatz
von 3 m³/h und einem Druck-Endverlust von 1,2 bar eingesetzt wird. Der erzielte
Wirkungsgrad beträgt 98% bei 5 um.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, das
oben als bevorzugtes, aber nicht erschöpfendes Realisierungsbeispiel beschrieben wurde; sie
umfasst im Gegenteil alle Varianten davon.
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So ist zum Beispiel das Filtermaterial nicht notwendigerweise ein aus drei Lagen
bestehendes Material.
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Ebenso kann die Kreisform des Plissee modifiziert werden. Wenn der Stanzling des
Innen-Einsatzes nicht entlang einer, sondern entlang zwei oder drei "Höhenlinien" gefaltet
wird, kann der Querschnitt des Beutels dreieckig oder viereckig sein. Die Kreisform wird
bevorzugt, da sie den zur Zeit üblichen Filtern entspricht.
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Das Vorhandensein von Zwischenlagen führt zur Erzielung besserer Ergebnisse. Die
Figuren zeigen eine Form der Ausführung, bei der die Zwischenlage zwischen jeder zweiten
Falten angeordnet ist. Es ist vorstellbar, Zwischenlagen nach jeder Falte des Einsatzes
anzuordnen, oder auch nur eine einzige Zwischenlage vorzusehen, usw. Die Lösung der Wahl
hängt von der Grösse des Filterbeutels und auch vom Fluss durch diesen Beutel ab.