DE10361571A1

DE10361571A1 - Filtereinheit zur Filtrierung eines gasförmigen Fluids

Info

Publication number: DE10361571A1
Application number: DE2003161571
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Tudyka; Karin Gerlach
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2003-12-23
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2005-07-21

Abstract

Eine Filtereinheit zur Filtrierung eines gasförmigen Fluids umfasst ein anzuströmendes Filterelement, welches aus einem Keramikmaterial besteht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Filtereinheit zur Filtrierung eines gasförmigen Fluids nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Es sind Luftfilter bekannt, beispielsweise aus der DE 44 43 676 A1 , welche zur Filtrierung der in den Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges einströmenden Verbrennungsluft eingesetzt werden und ein Filterelement besitzen, das entweder aus Papier oder aus einem Kunststoffvlies gefertigt ist. Die Filterelemente derartiger Luftfilter besitzen eine nur geringe Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und sind darüber hinaus nur in einem geringen Maße druckstabil. Aus diesem Grund müssen die Filterelemente regelmäßig ausgetauscht werden. Da die Filterelemente nicht regenerierbar sind, müssen gebrauchte Filterelemente entsorgt und durch neue ersetzt werden.
Zur Verbesserung der Stabilität des Filterelementes können zwar Stützgerüste oder Stützstreben oder dergleichen vorgesehen sein, jedoch erfordern derartige Stützmaßnahmen einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand. Zum Schutz vor Feuchtigkeit sind die Filterelemente in einem Filtergehäuse aufgenommen, wobei die zuzuführende Verbrennungsluft beim Anströmen der Rohseite des Filterelementes mehrere Umlenkungen erfährt, was jedoch den Strömungswiderstand erhöhen kann.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, mit geringem Aufwand eine Filtereinheit zur Filtrierung eines gasförmigen Fluids feuchtigkeitsbeständig, druckstabil und regenerierbar auszubilden.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß bei einer Filtereinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1 und bei einem Verfahren zur Herstellung einer Filtereinheit mit den Merkmalen des Anspruches 10 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das Filterelement der erfindungsgemäßen Filtereinheit besteht aus einem Keramikmaterial, beispielsweise aus Aluminiumoxid, welches ohne zusätzliche Stützmaßnahmen in sich formstabil und auch druckstabil ist, so dass auf zusätzliche, die Stabilität erhöhende Maßnahmen wie Stützgerüste oder auch das Einarbeiten von Sicken in das Filterelement verzichtet werden kann. Das Keramikmaterial ist zudem unempfindlich gegen Feuchtigkeit; Feuchtigkeitsablagerungen auf der Oberfläche des Filterelementes beeinflussen die Filtrierwirkung nicht in signifikanter Weise. Außerdem kann das keramische Filterelement regeneriert werden, und zwar sowohl mechanisch, indem ein angelagerter Filterkuchen durch mechanische oder durch Druckbeaufschlagung abgestreift wird, als auch thermisch durch Verbrennen der im Gasstrom mitgeführten und am Filterelement angelagerten Partikel.
Insbesondere für eine thermische Regeneration des Filterelementes kann es zweckmäßig sein, Heizdrähte in die Wandung des Filterelementes einzubringen, welche bei Bedarf bestromt werden und hierdurch das Filterelement auf die gewünschte Regenerations- bzw. Abbrenntemperatur erhitzen. Die Heizdrähte können entweder in Form einzelner Drähte oder als Gitter bzw. Netz eingearbeitet werden, wodurch zusätzlich auch die mechanische Stabilität des Filterelementes verbessert wird. Die Heizdrähte können sowohl beim Fertigungsprozess des Filterelementes in die Wandungen eingegossen werden als auch auf eine Oberflächenseite der Wandung aufgebracht werden, beispielsweise durch Kleben.
Im Bereich mindestens einer Stirnseite ist zweckmäßig eine Einfassung am Filterelement vorgesehen, welche ebenfalls aus einem Keramikmaterial gefertigt ist. Da sowohl das Filterelement als auch die stirnseitige Einfassung aus einem Keramikmaterial gefertigt sind, treten bei einer Erwärmung der Filtereinheit, bestehend aus Filterelement und Einfassung, aufgrund des gleichen oder ähnlichen Wärmekoeffizienten keine thermischen Probleme als Folge unterschiedlicher Wärmeausdehnung auf. Bevorzugt bestehen das Filterelement und die Einfassung aus dem identischen Keramikmaterial.
Das Keramikmaterial des Filterelementes beeinflusst auch dessen Filtereigenschaften. Je nach verwendetem Keramikmaterial sowie je nach Herstellungsverfahren besitzt das Filterelement unterschiedliche Porengrößen, welche die Filtereigenschaften maßgeblich bestimmen. Durch das nachträgliche Aufbringen einer zusätzlichen Schicht auf die Oberfläche des Filterelementes, die beispielsweise mittels einer Sol/Gel-Technik hergestellt wird, lässt sich die Porengröße und lassen sich damit auch die Filtereigenschaften zusätzlich beeinflussen.
Das Filterelement weist vorteilhaft eine Mehrzahl zusammenhängender und in Form eines Sternes angeordneter Filterbahnen auf, welche radial von dem zu filtrierenden Medium anzuströmen sind. Das Filterelement ist gefaltet, wodurch sich die Filteroberfläche vergrößert. Die Sternform erlaubt eine gleichmäßige Anströmung des Filterelementes über 360°.
Zweckmäßig sind beide Stirnseiten des Filterelementes, also die Oberseite und die Unterseite, jeweils von einer scheibenförmigen Einfassung begrenzt. Die Anströmung des Filterelementes erfolgt üblicherweise radial von außen nach innen, so dass die Außenseite die Rohseite und der Innenraum des Filterelementes die Reinseite bildet. Das Fluid strömt das Filterelement radial von außen an, das gereinigte Fluid wird axial aus dem Innenraum abgeleitet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Filtereinheit zur Filtrierung eines gasförmigen Fluids wird in einem ersten Arbeitsschritt zunächst das keramische Filterelement hergestellt, wobei das Filtermaterial ein mit Bindemittel, insbesondere organisches Bindemittel, versetztes Keramikmaterial ist. Das Filterelement besteht entweder aus einem keramischen Papier, bei dem Keramikfasern mit Bindemittel versetzt und verpresst werden, oder aus einer keramischen Folie, bei dem ein Keramikpulver mit organischem Bindemittel versetzt und anschließend als Folie ausgezogen wird. Das keramische Papier oder die keramische Folie wird anschließend in einem zweiten Arbeitsschritt mit den Stirnseiten in einen keramischen Schlikker bzw. Brei getaucht bzw. eingebracht, anschließend wird der Schlicker ausgehärtet. In einem dritten Arbeitsschritt erfolgt dann das Brennen der gesamten Filtereinheit mit dem Filterelement und der stirnseitigen Einfassung in einem Brennofen. Bei diesem Prozess wird das Bindemittel, welches in dem Material des Filterelementes noch enthalten ist, entfernt und es wird ein ausschließlich keramisches und poröses Filtermedium erzeugt. Die stirnseitigen Einfassungen am Filterelement sind mit diesem dauerhaft und fest verbunden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines keramischen Filterelements zur Filtrierung eines gasförmigen Fluids,
2 eine Filtereinheit mit dem keramischen Filterelement und mit stirnseitigen Einfassungen, welche ebenfalls aus einem Keramikmaterial gefertigt sind,
3 eine Ansicht von oben auf die Filtereinheit gemäß 2,
4 eine schematische Ansicht einer Produktionsanlage zur Herstellung einer Keramikfolie für ein keramisches Filterelement, wobei in die Keramikfolie ein Heizdraht eingebracht wird.
In 1 ist ein Filterelement 1 dargestellt, welches eine Mehrzahl gefalteter und sternförmig angeordneter, zusammenhängender Filterbahnen 2 umfasst. Das Filterelement 1 besteht aus einem Keramikmaterial, beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder aus Zirkonoxid, Siliziumkarbid oder Siliziumoxid oder einem sonstigen Keramikmaterial. Die Filterbahnen 2 besitzen eine poröse Struktur, welche ein Durchströmen des zu filtrierenden, gasförmigen Fluids erlaubt und andererseits auszufilternde, im Fluidstrom mitgeführte Feststoffpartikel zurückhält. Das sternförmige Filterelement 1 wird zweckmäßig radial von außen nach innen von dem zu reinigenden Fluid angeströmt, der etwa zylindrische Innenraum bildet die Reinseite, aus der das gereinigte Fluid axial abgeleitet wird. Grundsätzlich kommt im Rahmen der Erfindung aber auch eine Durchströmung des Filterelementes in Gegenrichtung in Betracht, also radial von innen nach außen.
Das Filterelement kann im Prinzip zur Filtrierung beliebiger, gasförmiger Fluide eingesetzt werden. So kommt beispielsweise eine Verwendung als Luftfilter oder im Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit Brennkraftmaschine in Betracht.
In die Wandungen der Filterbahnen 2 können Heizdrähte eingelegt sein, welche für eine thermische Regeneration des Filterelementes 1 beheizt werden, wodurch das Filterelement auf Abbrenntemperatur für die angelagerten Partikel erwärmt wird. Es kann auch zweckmäßig sein, eine Wandung des Filterelementes, insbesondere die Rohseite, mit einer Beschichtung zu versehen, um die Reinigungseigenschaften zu beeinflussen, insbesondere die Porengröße, gegebenenfalls aber auch die katalytischen Eigenschaften.
In 2 ist das Filterelement 1 mit stirnseitigen Einfassungen 4 und 5 im Bereich der oberen und unteren Stirnseite dargestellt. Die Einfassungen 4 und 5 bestehen zweckmäßig ebenfalls aus einem Keramikmaterial, insbesondere aus dem gleichen Keramikmaterial wie auch das Filterelement 1, was den Vorteil bietet, dass bei einer Temperaturerhöhung aufgrund der gleichen Wärmedehnungseigenschaften keine thermischen Spannungen zwischen dem Filterelement 1 und den stirnseitigen scheibenförmigen Einfassungen 4 und 5 entstehen können. Da die Filtereinheit 3 mit dem Filterelement 1 und den Einfassungen 4 und 5 in einem gemeinsamen Arbeitsprozess mit mehreren, aufeinander folgenden Arbeitsschritten gefertigt wird, ist zum einen eine effektive Herstellung der Filtereinheit und zum anderen eine feste und dauerhafte Verbindung zwischen dem Filterelement und den Einfassungen gewährleistet.
Gemäß der Draufsicht nach 3 besteht das Filterelement 1 aus einer Mehrzahl von sternförmig in einem Kreis angeordneter Filterbahnen 2, wobei die obere Einfassung 4 und die untere Einfassung 5, welche jeweils scheibenförmig ausgebildet sind und eine zentrale Ausnehmung aufweisen, im Ausführungsbeispiel einen gemeinsamen Außendurchmesser, jedoch einen unterschiedlich großen Innendurchmesser besitzen.
In 4 ist in schematischer Weise eine Produktionseinrichtung 6 zur Herstellung einer Keramikfolie dargestellt, welche für ein keramisches Filterelement eingesetzt werden kann. Die Produktionseinrichtung 6 umfasst einen Vorratsbehälter 7, in welchem eine keramische Masse aufgenommen ist, die mit einem Bindemittel versetzt ist. Über ein Stellelement 8 kann die Dikke der aus dem Vorratsbehälter 7 austretenden Keramikmasse entsprechend der gewünschten Folienstärke eingestellt werden. Die Keramikfolie 9 wird in Pfeilrichtung 12 transportiert und im Bereich einer Trockenstation 10 getrocknet und hierdurch ausgehärtet.
Des Weiteren ist ein Heizdraht 11 vorgesehen, welcher spulenförmig aufgewickelt ist und der beim Austreten der Keramikmasse aus dem Vorratsbehälter 7 in die Folie 9 eingelegt wird. Die ausgehärtete Folie 9 enthält einen oder mehrere Heizdrähte.

Claims

Filtereinheit zur Filtrierung eines gasförmigen Fluids, mit einem von dem gasförmigen Fluid anzuströmenden Filterelement (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) aus einem Keramikmaterial besteht.
Filtereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Keramikmaterial Aluminiumoxid Al₂O₃ verwendet wird.
Filtereinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Keramikmaterial ein Bindemittel, insbesondere ein organisches Bindemittel beigemengt ist.
Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die Wandung des Filterelements (1) Heizdrähte (11) eingebracht sind.
Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) eine Mehrzahl zusammenhängender und sternförmig angeordneter Filterbahnen (2) umfasst.
Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) im Bereich mindestens einer Stirnseite von einer Einfassung (4, 5) eingefasst ist, die aus einem Keramikmaterial gefertigt ist.
Filtereinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (1) und die Einfassung aus dem gleichen Keramikmaterial bestehen.
Verwendung der Filtereinheit (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Luftfilter in einem Kraftfahrzeug mit Brennkraftmaschine.
Verwendung der Filtereinheit (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Partikelfilter im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Brennkraftmaschine.
Verfahren zur Herstellung einer Filtereinheit (3) zur Filtrierung eines gasförmigen Fluids, mit den folgenden Verfahrensschritten: 1. Erzeugen eines keramischen Filterelements (1), wobei als Filtermaterial des Filterelements (1) ein mit Bindemittel versetztes Keramikmaterial eingesetzt wird, 2. Einbringen mindestens einer Stirnseite des Filterelements (1) in einen keramischen Schlicker zur Erzeugung einer stirnseitigen Einfassung (4, 5) und Aushärten des Schlikkers, 3. Brennen der aus Filterelement (1) und stirnseitiger Einfassung bestehenden Filtereinheit (3) in einem Brennofen.