DE10203745A1

DE10203745A1 - Filter mit zwei Schichten

Info

Publication number: DE10203745A1
Application number: DE2002103745
Authority: DE
Inventors: Ingo Schmude
Original assignee: Schmude H GmbH
Current assignee: Schmude H GmbH
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: DE10203745B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Filter mit einer aus feinkörnigem thermoplastischen Material gesinterten Feinschicht (3), die mit einer aus grobkörnigem thermoplastischen Material gesinterten Tragschicht (2) verbunden ist, wobei die Feinschicht (3) und die Tragschicht (2) an Verbindungsstellen (8) nur kleinflächig miteinander verbunden sind, wobei Poren (6) der Tragschicht (2) an der Verbindungsseite zwischen Tragschicht (2) und Feinschicht (3) unausgefüllt bleiben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filter mit einer aus feinkörnigem thermoplastischen Material gesinterten Feinschicht, die mit einer aus grobkörnigem thermoplastischen Material gesinterten Tragschicht verbunden ist, sowie das Herstellungsverfahren dieses Filters.
Diese Art von Filtern wird bekanntermaßen beispielsweise für Klimaanlagen - und Industriestaubfilter eingesetzt, wobei das zu filternde Durchströmmedium Luft eine bestimmte maximale Temperatur nicht überschreitet, so dass als Filterwerkstoffe thermoplastische Materialien, wie z. B. Polyethylen verwendet werden.

In der DE 42 11 529 A1 wird ein derartiges Filter beschrieben. Hierbei wird eine Tragschicht aus feinkörnigem ultrahochmolekularen Polyethylen durch Wärmeeinwirkung erstellt. Diese Tragschicht weist an ihrer Anströmoberfläche offene Poren auf und wird mit einer feinkörnigen Beschichtung versehen, die die Poren in deren Tiefe zu einem erheblichen Teil oder ganz ausfüllt.

Als nachteilig hinsichtlich des Strömungswiderstandes hat sich dabei erwiesen, dass die feinkörnige Beschichtung, die als Suspension aus Polytetraflouräthylen als bevorzugtem Material aufgebracht bzw. durch Sprühen oder Bürsten hergestellt wird, eine unregelmäßige Stärke ausbildet, die besonders in den ausgefüllten Poren den Strömungswiderstand des Filters erheblich beeinträchtigt. Durch die so ausgebildete unregelmäßige Oberfläche ist ein Reinigen derselben mit Nachteilen verbunden.

Ein weiterer wirtschaftlicher Nachteil ist in der Fertigung zu sehen, da unterschiedliche Werkzeugvorrichtungen und mehrere verschiedene Werkstoffe verwendet werden.

Aus der DE 197 33 018 ist ein weiteres Filter bekannt, bei dem auf eine Feinfilterschicht ein grobporiges Stützmaterial, das eine besondere Strukturform aufweist und aus einem anderen Material als die Feinfilterschicht besteht, aufgebracht und mit dieser in einem Vorgang gesintert wird. Nachträglich erfolgt eine Tränkung des Stützmaterials mit einem weiteren unterschiedlichen Werkstoff in einer weiteren Vorrichtung. Auch hierbei werden die verschiedenen Werkstoffe und unterschiedlichen Bearbeitungsschritte als nachteilig angesehen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Filter, der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der die o. g. Nachteile nicht mehr aufweist, wobei der Strömungswiderstand verringert und die Wirtschaftlichkeit des Filters und seines Herstellungsverfahrens erhöht werden.

Die Lösung besteht darin, dass die Feinschicht und die Tragschicht an Verbindungsstellen nur kleinflächig miteinander verbunden sind, wobei die Poren der Tragschicht an der Verbindungsseite zwischen Tragschicht und Feinschicht unausgefüllt bleiben.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Das Herstellungsverfahren ist in den Nebenansprüchen dargestellt.

Das Filter besteht aus zwei Schichten aus gesintertem thermoplastischen Material, wobei auf einer grobkörnigen dicken Tragschicht mit geringem Strömungswiderstand aus hochmolekularem thermoplastischen Material, vorzugsweise Polyethylen, eine Filterfeinschicht aus feinkörnigem höher molekularen thermoplastischen Material als das der Tragschicht, vorzugsweise Polyethylen, zur Anströmrichtung hin angeordnet ist. Die Feinschicht besitzt eine formgesinterte glatte Oberfläche, die die Anströmoberfläche des Filters bildet, in vorteilhafter Weise leicht zu reinigen ist und Verstopfungen verhindert. Die Dicke der Feinschicht wird äußerst gering ausgebildet, wodurch der Strömungswiderstand des Filters vorteilhaft positiv beeinflußt wird. Die Dicke der Feinschicht ist im wesentlichen konstant.

Weiterhin ist die Feinschicht in einer Ausführungsform als Platte gefertigt, die von der Tragschicht getragen, stabilisiert und versteift wird. Die Verbindung der beiden Schichten erfolgt in kleinflächigen Verbindungsstellen beim Sintern, so dass die Poren der Tragschicht im Verbindungsbereich zur Feinschicht unausgefüllt bleiben, was sich vorteilhaft günstig auf den Strömungswiderstand des Filters auswirkt.

Bei Filtern, die Formteilstruktur aufweisen, beispielsweise von nicht ebener Gestalt, wie z. B. zylinder- oder teilkugelförmig sind, wird die Tragschicht von der Feinschicht wie von einer Haut umhüllt. Auch hierbei weist die Feinschicht in Anströmrichtung eine formgesinterte glatte Oberfläche auf, und die Poren der Tragschicht im Verbindungsbereich zur Feinschicht bleiben unausgefüllt.

Das Herstellverfahren eines solchen Filters in Plattenform sieht als erstes die Erstellung der Feinschicht durch Sintern vor. Dazu wird das thermoplastische Material in Pulverform mittels Dosierschlitten auf eine beheizbare Formplatte aufgebracht. Ein Dosierschlitten ist bei Herstellung von plattenförmigen Filtern wesentlich vorteilhafter als ein Rakel, denn er läßt das Pulver auf die Formplatte fallen, vermeidet vorteilhaft eine Verschiebung der Masse und ermöglicht somit die Erstellung vorteilhafter geringer Schichtstärken mit konstanter Dicke.

Die Dauer des Sintervorganges ist abhängig von der jeweiligen gewünschten Schichtstärke.

Danach wird in der gleichen Vorrichtung mittels Dosierschlitten das Pulver für die grobe Tragschicht auf die Feinschicht aufgetragen und gesintert.

Die Feinschicht erhält durch die Oberflächenbeschaffenheit der Formplatte eine entsprechend formgesinterte glatte Oberfläche.

Das Material der Feinschicht ist bei diesem Verfahren länger der Wärme ausgesetzt und sollte deshalb auch eine höhere Kornstabilität aufweisen.

Auch bei dem Herstellverfahren eines solchen Filters als Formteil wird zuerst die Feinschicht erstellt. Dieses erfolgt im Heiz- Ansinterverfahren durch Aufheizen der Form mit anschließendem Auftragen des feinen Pulvers im Überschuß. Abhängig von der gewünschten Schichtstärke wird nach vorgegebener Zeit der nicht versinterte Pulverüberschuß entfernt. Das grobkörnige Pulver für die Tragschicht wird danach bei Formteilen insbesondere mit ungünstigem Wandstärke-/Fließwegverhältnis mittels Vakuum in den Formhohlraum gesaugt. Dieses ergibt eine vorteilhafte gleichmäßige Füllung und Kornverteilung als das bisher übliche Rütteln. Weiterhin sind vorteilhafte unterschiedliche Wandstärken herstellbar, da beim Befüllen zunächst die von der Einfüllstelle entferntesten Bereiche gefüllt werden, sowie ein Verstopfen der Fließwege ausgeschlossen ist.

Somit ist durch die vorliegende Erfindung ein Filter geschaffen, dessen Strömungswiderstand erheblich reduziert ist, wie durch Meßwerte nachgewiesen wird. Es ergibt sich somit eine höhere Wirtschaftlichkeit beim Einsatz dieses Filters in Bezug auf den niedrigeren Leistungsverbrauch der Aggregate, die für die Durchströmung des Filters verwendet werden, sowie in Bezug auf die reduzierten Maßnahmen beim Herstellverfahren.

Anhand von Beispielen wird die Erfindung nachfolgend noch näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 einen vergrößerten Teilbereich eines Filters im Schnitt,
Fig. 2 die Aufbringung einer Filterfeinschicht mittels Dosierschlitten im Schnitt,
Fig. 3 ein Beispiel eines Vakuum-Füllprinzips für Filterformteile,
Fig. 4 eine graphische Darstellung von Durchflußmeßwerten unterschiedlicher Filter.
Fig. 1 zeigt einen vergrößerten Teilausschnitt eines Filters 1, welches aus einer grobkörnigen Tragschicht 2 und einer darauf angeordneten Feinschicht 3 besteht. Die Elemente der Tragschicht 2 sind relativ grobe Körner, die untereinander aufgrund ihrer Gestalt Hohlräume 5 und in den Randbereichen Poren 6 bilden. Dargestellt ist in Fig. 1 der Randbereich des Filters 1 mit der Anströmrichtung, die durch einen Pfeil markiert ist. Hierbei ist die Feinschicht 3 nur in Verbindungsstellen 8 mit der Tragschicht 2 verbunden. Die Poren 6 werden nicht ausgefüllt, da die Feinschicht 3 in konstanter Dicke ausgebildet ist. Bei plattenförmigen Filtern ist die Feinschicht 3 plattenförmig, bei anderen Formen überspannt sie die Tragschicht 2 hautähnlich, ohne die Poren selbst auszufüllen, wobei ihre Anströmoberfläche 7 vorteilhaft glatt ausgebildet ist.
Die grobe Tragschicht 2 und die Feinschicht 3 bestehen aus thermoplastischem Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyethylen, wobei das Material der Feinschicht 3 feinkörnig ist und eine höhere molare Masse aufweist als das grobkörnige der Tragschicht 2.
Die Herstellung und Verbindung von Feinschicht 3 und Tragschicht 2 erfolgt nach im folgenden beschriebenen Verfahren, für welches Fig. 2 die Herstellung einer Feinschicht 3, die den ersten Verfahrensschritt der Herstellung eines gesamten Filters 1 bildet, in einem Schnittbild darstellt. Ein Pulver 11 wird aus einem trichterförmigen Dosierschlitten 10 auf eine beheizbare Formplatte 13, deren Temperatur beim Beschichten deutlich unter der Sintertemperatur liegt, aufgebracht und bildet dabei eine vorteilhaft gleichmäßige dünne Pulverschicht 12. Mittels des Dosierschlittens 10 wird weiterhin eine Verschiebung der Masse der Pulverschicht 12 vorteilhaft vermieden. Durch eine glatte Oberflächenstruktur der Formplatte 13 bildet sich beim Sintervorgang der Pulverschicht 12 eine glatte Oberfläche derselben aus. Die Dauer des Sinterns ist abhängig von der gewünschten Schichtstärke. Nach vorgegebener Zeit wird eine zweite nicht dargestellte Pulverschicht als Tragschicht 2 mit dem Dosierschlitten auf die erstgesinterte Feinschicht 3 aufgetragen, wobei beide Schichten durch die Wärmeeinwirkung der Formplatte 13 miteinander verbunden werden und die zweite Pulverschicht ebenfalls gesintert wird.
Für den Fall von Filterformteilen zeigt Fig. 3 beispielhaft ein Vakuum-Füllprinzip einer beispielhaften Form, wobei ein Formkern 21 und eine Außenform 20 einen Formhohlraum 24 bilden. Das Pulver 11 wird in den Formhohlraum 24 eingesaugt, in dem dieser über einen Vakuumanschluß 22 evakuiert wird. Der Formhohlraum 24 und der Vakuumanschluß 22 sind durch einen Saugspalt 23 verbunden, der so ausgebildet ist, dass er kleiner als die zweifache Größe des kleinsten zu verarbeitenden Kornes ist.
Bei Formteilen weist die Formfläche bei Befüllung bzw. Auftrag des Pulvers Sintertemperatur auf.
Auch bei Formteilen wird zuerst die Feinschicht gesintert und danach die Tragschicht. Abhängig von einer gewünschten Schichtstärke wird nach vorgegebener Zeit der nicht versinterte Pulverüberschuss entfernt.
Das Vakuumfüllprinzip ist besonders bei Formteilen mit ungünstigen Wandstärke-Fließwegverhältnissen vorteilhaft aufgrund gleichermäßiger Füllung und Kornverteilung, da beim Befüllen zunächst die von der Einfüllstelle entferntesten Bereiche gefüllt werden, und ein Verstopfen der Fließwege hierbei nicht auftritt. Dadurch ist es auch vorteilhaft leicht möglich, unterschiedliche Wandstärken zu bilden.
Beim Vakuumfüllprinzip ist es außerdem möglich, entweder den Formkern 21 oder die Außenform 20 zu beheizen. Somit wird erreicht, dass die zuerst zu sinternde Feinschicht entweder innerhalb oder außerhalb eines Formteilfilters je nach Anströmrichtung angeordnet ist.
Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung von Strömungswiderständen von zwei Filtersystemen. Hierbei kennzeichnet das Bezugszeichen 31 die Kennlinie des Strömungswiderstandes eines Filtersystems dem Stand der Technik entsprechend und das Bezugszeichen 30 die Kennlinie des Strömungswiderstandes des erfindungsgemäßen neuen Filtersystems. Die waagerechte Achse des Koordinatensystems symbolisiert eine Druckdifferenz p zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsdruck des jeweiligen Filters, die senkrechte Achse eine Durchflußmenge ≙, die durch den jeweiligen Filter strömt. Eine bestimmte Durchflußmenge erzeugt in Abhängigkeit des Strömungswiderstandes eines Filters eine entsprechende Druckdifferenz. Je größer der Strömungswiderstand ist, je größer fällt die Druckdifferenz aus. Die in unterschiedlichen Versuchen ermittelten Meßwerte dazu ergeben jeweils die Kennlinien 30, 31 der Strömungswiderstände.
Es ist deutlich erkennbar, dass beispielsweise eine Durchflußmenge von 200 m³/m² h am Strömungswiderstand des Filters des Standes der Technik eine Druckdifferenz von 360 Pa erzeugt, wohingegen die gleiche Durchflußmenge am Strömungswiderstand des erfindungsgemäßen Filters eine Druckdifferenz von nur 100 Pa erzeugt. Somit wird anhand dieser durch Meßwerte ermittelten Kennlinien 30, 31 sehr deutlich, dass das erfindungsgemäße Filter einen erheblich reduzierten Strömungswiderstand aufweist.

Claims

1. Filter mit einer aus feinkörnigem thermoplastischen Material gesinterten Feinschicht (3), die mit einer aus grobkörnigem thermoplastischen Material gesinterten Tragschicht (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinschicht (3) und die Tragschicht (2) an Verbindungsstellen (8) nur kleinflächig miteinander verbunden sind, wobei Poren (6) der Tragschicht (2) an der Verbindungsseite zwischen Tragschicht (2) und Feinschicht (3) unausgefüllt bleiben.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Feinschicht (3) eine höhere molare Masse und eine höhere Kornstabilität als das Material der Tragschicht (2) aufweist.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinschicht (3) an ihrer Anströmseite (7) eine formgesinterte glatte Oberfläche aufweist.

4. Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Feinschicht (3) weitgehend konstant ist.

5. Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinschicht (3) aus feinkörnigem höher molekularen thermoplastischen Werkstoff als derjenige der Tragschicht (2) und die Tragschicht (2) aus grobkörnigem hochmolekularen thermoplastischen Werkstoff bestehen.

6. Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoplastische Werkstoff Polyethylen ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Filters (1) in Plattenform gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Pulverschicht (12) aus einem feinkörnigen höher molekularen thermoplastischen Werkstoff als der der nachfolgenden Tragschicht (2) mittels eines Dosierschlittens (10) auf eine beheizbare Formplatte (13) zur Erstellung einer gesinterten Feinschicht (3) durch Wärmeeinwirkung aufgetragen wird, und dass danach ein weiterer Pulverschichtauftrag mittels Dosierschlitten (10) mit einem grobkörnigen hochmolekularen Material zur Erstellung einer gesinterten Tragschicht (2) durch Wärmeeinwirkung erfolgt.

8. Verfahren zur Herstellung eines Filters (1) als Formteil gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst eine Pulverschicht aus einem feinkörnigen höher molekularen thermoplastischen Werkstoff als der der nachfolgenden Tragschicht (2) im Überschuß auf eine vorgeheizte Form (20, 21) zur Erstellung einer im Heiß- Ansinterverfahren gesinterten Feinschicht aufgetragen oder mittels Vakuum aufgebracht wird, dass danach nach in Abhängigkeit von der gewünschten Schichtstärke vorgegebener Zeit der nicht versinterte Pulverüberschuß entfernt wird, und dass danach ein weiterer Pulverschichteintrag mittels Vakuum mit einem grobkörnigen hochmolekularen thermoplastischen Werkstoff zur Erstellung einer gesinterten Tragschicht erfolgt.