DE2001509C3 - Hohlzylindrischer Filtereinsatz - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hohlzylindrischen Filtereinsalz aus einer perforierten oder porösen zylindrisehen Hülse mit einer faserigen oder unter Einlagerung von Fasermaterial aufgebrachten Wickelschicht aus lageweise sich kreuzenden Fäden, die Durchtrittskanäle von radial nach außen zunehmenden rautenförmigen Querschnitt bilden. Solche Filtereinsätze sind bekannt, wie beispielsweise die deutsche Offenlegungsschrift 1 187 229 zeigt

Bei Filtereinsätzen dieser Art war es allgemein üblich, die Zahl der rautenförmigen Durchtrittskanäle je nach dem gewünschten Filterungsgrad größer oder kleiner zu wählen. Das bedeutete in fertigungstechnischer Sicht einen erheblichen Nachteil insofern, als die Fadenwickelmaschine jeweils dementsprechend umgestellt werden mußte. Jede derartige Umstellung bedeutet aber einen Fertigungsausfall, und zwar insbeonsere so deswegen, weil nach einer Umstellung — vor allem bei sehr enger Wicklung — in der Regel noch eine Testfertigung erforderlich ist

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen hohlzylindrischen Filtereinsatz der bekannten Art anzugeben, der so ausgestaltet ist, daß bei seiner Herstellung unter gleichzeitiger Vergrößerung der Wirkungsbreite und des Filterdurchsatzes eine Testfertigung entfällt.

Gelöst wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch, daß unabhängig von dem gewünschten Filterungsgrad die Zahl der Durchtrittskanäle in jeder ihrer radialen Erstreckungsebenen nur etwa 3,16 je Zentimeter des Hülsendurchmessers beträgt.

Der erfindungsgemäßen Lösung stand ein eingewurzeltes fachmännisches Vorurteil entgegen, weil es seither nicht nur als praktisch, sondern sogar als unabdingbar galt, bei der Wahl der Dichte, mit der die Fäden zur Bildung der rautenförmigen Durchlässe gewickelt wurden, alsbald auch den gewünschten Filterungsgrad zu berücksichtigefl, d. h. die Zahl der Durchtrittskanäle bei erhöhten Anforderungen an den Rlterungsgrad höher zu wählen. Es sind keine Vorbilder bekannt von der herkömmlichen Bauweise in der erfindungsgemäßen Art abzuweichen und die Zahl der Durchtrittskanäle bezogen auf den Hülsendurchmesser — nicht nur unabhängig von dem gewünschten Filterungsgrad konstant beizubehalten, sondern diese Zahl — wie man ohne weiteres erkenat — überdies auch ungewöhnlich klein zu wählen.

Der durch die Erfindung gewährleistete technische Fortschritt besteht bereits in der Lösung der genannten Aufgabe und ist insoweit offensichtlich. Hinzu kommt daß bei dem erfmdungsgemäß verhältnismäßig großen mittleren Querschnitt der rautenförmigen Durchlaßkanäle gerade bei hoher Filterungsfeinheit der so nachteilige Einfluß, den die Fäden — ohne zum eigentlichen Filtrationseffekt wesentlich beizutragen — auf den FiI-terdurchsatz haben, erheblich geringer ist als bei den bekannten Anordnungen. Einzelheiten bezüglich dieser Zusammenhänge ergeben sich aus der folgenden ins Einzelne gehenden Beschreibung.

Um bei der erfmdungsgemäß gleichbleibenden und - bezogen auf den Hülsendurchmesser - verhältnismäßig ungewöhnlich geringen Anzahl der aus den sich kreuzenden Fäden gebildeten Durchtrittskanäle gleichwohl die Höhe des gewünschten Filterungsgrades einzustellen, kann die Art und die Menge des durch Aufrauhen des Fadenmaterials gewonnenen oder gesondert eingelegten Fasermaterials variiert werden. Zweckmäßig nimmt dabei die Menge des Fasermaterials nach außen hin ab.

Andererseits kann die Beladung mit Fasermaterial so getroffen werden, daß einige der inneren Fadenlagen kein Fasermaterial enthalten. Schließlich kann in besonderen Fällen auch die Einlagerung von Stützfasern zweckmäßig sein.

Bei dem neuen Filtereinsatz ist der Durchsatz gegenüber seither bekannten bis auf das 8fache und mehr erhöht Die mit einem genormten Testgerät bestimmte Lebensdauer ist um den Faktor 2 oder mehr verbessert. Die Herstellungskosten des Filters sind stark verringert Dabei ist der Filterungsgrad gegenüber gleichartigen Filtern nicht verändert

Der Filterungsgrad wird durch die zusätzliche Einfügung von Fasermaterial von genügender mechanischer Schichistärke bestimmt welches dem jeweils gewünschten Filterungsgrad angepaßt wird, oder es wird eine genügende Anzahl von Trägerfasern eingefügt wenn ein Gerüst aus aufgerauhten Fäden ohne zusätzlich eingefügtes Fasermaterial verwendet wird.

Diese Maßnahmen erlauben einen breiten Bereich bei der Wahl der tragenden Fäden, die für die rautenförmigen Durchtritte gebraucht werden. Sie können aus natürlichen oder synthetischen Fasern oder Glas oder Metall bestehen. Beispielsweise kann ein Faden aus einer einzigen Faser von großem Durchmesser bestehen, oder er kann aus einer Vielzahl von gekräuselten Stapelfasern hergestellt sein, die versponnen oder verzwirnt sind. Auch kann der Faden einen hohlzylindrischen oder einen beliebigen anderen Querschnitt aufweisen. Je nach den Reibungseigenschaften des Materials kann dieses Grate, Wulste oder andere Oberflächengestaltungen aufweisen, um seine Fähigkeit zu verbessern, die zusätzlich eingefügten Materialfasern festzuhalten. Die einzigen unbedingt nötigen physikali-

sehen Eigenschaften and eine genügende Flexibilität sind eine gewisse Reißfestigkeit, um das Aufspulen und tun genügea4 große Querschnittsflächen zu erreichen, während andererseits die verschiedenen Schichten des in die Bewicklung eingebrachten Filtermaterials einen Abstand voneinander behalten sollen. Wenn es sich um natürliches Garn oder ein zur Aufrauhung geeignetes synthetisches Garn handelt, kann diese Behandlung vorgenommen werden, jedoch haben die durch das Kämmen aus den Fäden hervorstehenden Fasern bei zusätzlich vorgesehenem Fasermatertal nicht die Aufgabe, als Filtermaterial zu dienen, sonders sollen lediglich mechanische Verstärkungen für das Filtermaterial bilden oder das.Filtermaterial mechanisch festhalten. Andererseits können aufgerauhte Fäden, die zur struktureilen Bildung des Filters dienen, auch als Fasermaterial zur Erzielung einer Filterwirkung dienen, wenn kein zusätzliches Fasermaterial verwendet wird, wenn aber die abstehenden Fasern durch Trägerfasern geschützt werden.

Es sei hier jedoch bemerkt, daß unabhängig von der besonderen Art des verwendeten Materials und von dessen besonderem physikalischem Aufbau das Garn oder Gespinst, welches den Körper des Filters bildet, nur ein Baugerüst darstellt, das praktisch nicht zu den Filterungseigenschaften des fertigen Filtereinsatzes beiträgt. Da sinngemäß die Fäden nur zur Bildung der mit rautenförmigen Durchtritten versehenen Struktur gebraucht werden, sollten sie in den jeweils größten möglichen Rautenformen aufgespult werden, wobei die Anzahl der Rauten in Umfangsrichtung niemals 3.16 cm des Innendurchmessers des Filtereinsatzes übersteigen soll. Es können bis herab zu 0,79 und sogar bis zu 0.39 Rauten je cm des Innendurchmessers gewählt werden, solange es nur möglich ist beispielsweise bei einem FiI-tereinsatz mit einem Innendurchmesser von 25.4 mm noch eine Raute auf dem Umfang unterzubringen.

Auch das zusätzlich vorgesehene Kasermaterial kann bei der Wahl des Materials und seiner Eigenschaften weitgehend frei gewählt werden, wobei es allein nötig ist, daß es eine genügende mechanische Festigkeit aufweist, um den jeweils auftretenden Differenzdrücken zu widerstehen. Die mechanische Festigkeit der Faserschicht ist abhärgig von deren radialer Stellung innerhalb des Filtereinsatzes, von der Faser-Reißfestigkeit und der Stapellänge, ebenso wie von der jeweils verwendeten Materialmenge und der Art, in der diese aufgebracht wird und wie sie gestützt ist. Dementsprechend kann das Fasermaterial selbst ais der Vielzahl von erwähnten Materialien ausgewählt werden, die auch für den Gebrauch als tragende Fäden verwendbar sind, ausgenommen diejenigen Fälle, wo auf Grund spezieller Erfordernisse nur Glas oder Metall in Frage kommt. Weiter kann das Material auch von gleicher Materialbeschaffenheit wie die Trägerfasern oder aber von ihnen verschieden sein. Auch kann das Fasermaterial von t.item aufgerauhten Garn gebildet sein Obwohl es vorzugsweise in Form einer kontinuierlichen Bahn aufgebracht wird, kann es auch in Stapellänge zugeführt werden. Wenn Stapelfasern verwendet werden, sollten sie jedoch von genügender Länge sein, um den Mittehabstand zweier benachbarter rautenförmiger Durchtritte in Richtung der größten Ausdehnung dieser Durchtritte und bei einem Durchmesser zu überspannen, der um 6,3 mm größer ist als derjenige Durchmesser, bei welchem die erste Einfügung von Fasermaterial erfolgt. Jedoch sind auch Stapellängen des Fasermaterials, die gleich der Länge eines rautenförmigen Durchtritts plus 5,7 sun messen, vom Standpunkt genügender Länge zufriedenstellend, obwohl dann bei der Herstellung mehrerer Filtereinsätze ein größerer Toleranzbereich hinsichtlich des Filterungsgrads hingenommen werden muß.

Der neue Filtereinsatz kann auch eine zur Mantelfläche bin abnehmende Dichte des Filtermaterial aufveisen. Dies wird durch Verringerung der Dicke des aufgebrachten Fasermaterials erreicht, wie im weiteren noch eingehender beschrieben wird.

Wenn die Rautengröße des von den Fäden gebildeten Baugerüsts größer wird und die Stapellänge des zusätzlich eingebrachten Fasermaterials schließlich nicht mehr genügt, die rautenförmigen Durchtritte zu überdecken, ragen einige der Fasern des Fasermaterials freitragend aus dem Baugerüst heraus, wodurch ein Filtereinsatz erhalten wird, dessen Filtereigenschaften über seine gesamte Tiefe ausnutzbar sind.

Obwohl es möglich wäre, das Fasermaterial von Anbeginn des Aufspulens der Fäden an mit einzubringen, wird bei der Herstellung vorzugsweise derart vorgegangen, daß die Lage von Fasermaterial erst mit der Beendigung der ersten vollständigen Schicht von Fäden an aufgebracht wird. Besser noch ist es. wenn das Fasermaterial auf einem Durchmesser anfängt, der geringer ist als der Durchmesser derjenigen Dichtungen, die üblicherweise verwendet werden, um die Enden des Filters in Betrieb abzuschließen. Beispielsweise haben die im Durchmesser kleinsten Dichtungen, die üblicherweise auf einem genormten Filtereinsatz von 25,4 mm (1 Zoll) innendurchmesser verwendet werden, einen Außendurchmesser von 38 mm. Da eine Mindesttiefe von etwa 3.2 mm erforderlich ist, um noch innerhalb einer Dichtung von geringstem Durchmesser eine ausreichende Filterschicht zu bilden, wird in diesem Fall das Fasermaterial beginnend bei einem Durchmesser von 31,7 mm aufgebracht. Dieser Durchmesser sollte jedoch möglichst groß gehalten werden, da so eine Flüssigkeitsschicht zwischen der tatsächlichen Filterschicht und der durchlässigen KernhUlse geschaffen wird, die die Geschwindigkeits-Nebenwirkungen der Strömung gering halten, die dadurch entstehen, daß die Strömungsgeschwindigkeit in Richtung auf die Kernhülse zunimmt, durch die die Flüssigkeit abgeführt wird. Bei jenem Durchmesser ist die Weite der rautenförmigen Durchtritte noch relativ klein, jnd es existieren Fasermaterialien, die bei einer mindestens 3.2 mm dikken Schicht die Strömung aushalten und unverletzt bleiben, selbst wenn sie dabei einige Zeit Druckunterschieden von bis zu 3,88 atü ausgesetzt werden.

Entsprechend den oben erläuterten strukturellen Notwendigkeiten wurde eine Reihe von Filtereinsätzen mit 25,4 mm Innendurchmesser gewickelt, wobei jeweils acht rautenförmige Durchtritte am Umfang gebildet wurden und wobei Nominalwerte von 1 bis 350 μFilterungsvermögen erzeugt wurden. Diese Filter zeigten keinen Hinweis auf einen Durchbruch. Hierzu im Gegensatz erfordern die erwähnten älteren Filtereinsätze zwischen 8 und 39 rautenförmige Durchtritte am Umfang bei gleicher Abmessung, um das gleiche Ergebnis zu erzielen, wobei jedoch Durchbrüche bereits bei Differenzdrücken von 1,2 und 3,88 atü erfolgten.

Die wesentlichen Kosten solcher mit rautenförmigen Durchtritten gewickelter Filtereinsätze sind die Kosten für die Fäden und die Herstellungskosten. Im allgemeinen hängen sowohl die Bewicklungskosten wie auch die Menge der Fäden praktisch direkt von der Anzahl

der gebildeten rautenförmigen Durchtritte ab. Sinngemäß sind bei dem neuen Filtereinsatz die Kosten gegenüber der Bewicklung mit 39 rautenförmigen Durchtritten bei einem Innendurchmesser von 25,4 mm um etwa 80% und gegenüber der Bewicklung mit 13 rau- s tenförmigen Durchtritten bei gieuher Abmessung um etwa 40% verringert da die neuen Filtereinsätze bei einem Durchmesser von 25,4 mm höchstens 8 rautenförmige Durchtritte am Umfang aufweisen.

Da weiter das Volumen des Filtereinsatzes, das von der Strömung abgeschlossen ist sich etwa in gleicher Weise verändert sollte man erwarten, daß der Durchsatz bei gleichem Durckunterschied in entsprechender Weise umgekehrt zunimmt Demgemäß müßte gegenüber dem Filtereinsatz mit 39 rautenförmigen Durchtritten eine Erhöhung des Durchsatzes um einen Faktor 5 erreicht werden, wenn nicht der Durchsatz durch die Kernhülse behindert wird. Wie aus im folgenden noch gezeigten Versuchsergebnissen hervorgeht werden diese Verhältnisse jedoch nicht einmal bei einer Bewicklung mit 27 rautenförmigen Durchtritten am Umfang erreicht Aus den Versuchsergebnissen geht auch hervor, daß die Lebensdauer der Filtereinsätze proportional zu dem Gewinn an freier Durchtrittsfläche zunimmt wenn ein Gerüst mit größeren rautenförmigen Durchtritten verwendet wird. Weiter können noch größere Gewinne an Lebensdauer erzielt werden, wenn das Aufbringen des Fasermatenals oder das Aufrauhen derart gesteuert beispielsweise programmgesteuert ist. daß die Geschwindigkeit des Aufbringens zunehmend verringert wird, indem mit wachsendem Durchmesser des Filtereinsatzes während der Bewicklung das Fasermaterial so stark in seiner Dicke verringert wird, so daß eine gegenüber seitherigen Maßstäben übertrieben starke Abnahme der Dichte des Fasermaterials zur Mantelfläche hin erreicht wird.

Wenn die Konstruktion mit großen rautenförmigen Durchtritten und mit aufgerauhten Fäden als strukturbildenden Fäden derart verwendet wird, daß die von den Fäden wegstehenden Fasern als Fasermaterial zur Erzielung einer Filterwirkung dienen, dann werden zusätzliche Trägerfasern verwendet. In diesem Fall sollten die Fasern des Fasermaterials mindestens etwas mehr als die Hälfte der größten Weite eines rautenförmigen Durchtritts überdekcen. Die erwähnten Trägeraus;

verwendet werden, wenn Fasenna-Stapelfasern verwendet wird und

lurch die Verminderung der Dik-,„ nicht wesentlich geändert wird. die Verwendung der Trägerfasern

Stapelfasern und dann, wenn die

Ga^verschieden allgemeinen mit einem Durchmesser

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erzeugende Fasermaterial, das andernfalls aus * Baugerüst bildenden Fäden frei herausragen und im Bereich des Mittelpunkts der rautenförmigen Durchtritte jeweils nicht unterstützt ware. Diese Trägerfasern bilden Tragestrukturen ar. den MittelpuXn, die zwischen etwa 1.43 mm und 14,3 mm varitoen und die ein Durchhängen des rasermatenals verhindern, das Fasermaterial örtlich fixieren und auch efne Mechanische Verbindung der Schichten des Fasermaterials verhindern, wodurch präzisere und besser reproduzierbare Filterungsgrade erreicht werden. Da die Trägerfasern von relativ kleinem Durchmesser smd, Sn sie praktisch kein Hindernis für die Strömung dar und können die offene Durchtrittsfläche der ohnehin großen rautenförmigen Durchtritte um nur einen unerheblichen Bruchteil verringern.

Zusätzlich können Bindemittel oder Adhasiva, soweit diese bei dem bestimmungsgemäßen Gebrauch des Filtereinsatzes beständig sind durch Aufsprühen oder durch Auftragen mit Walzen auf das eine Filterwirkung erzeugende Fasermaterial aufgebracht werden, um dieses zu verstärken und damit die Rlterschicht zu fixieren Werden thermoplastische Materialien verwendet, so können Walzen mit glatten oder gemusterten Mantelflächen verwendet werden, um die einzelnen Fasern des Fasermaterials miteinander zu verschweißen und um eine Verbindung mit den tragenden Fäden oder Stützfasern, soweit diese vorgesehen sind, zu erzielen.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   ί. Hohlzylindrischer Filtereinsatz aus einer perforierten oder porösen zylindrischen Hälse mit einer faserigen oder unter Einlagerung von Fasermaterial aufgebrachten Wickelschicht aus lagenweise sich kreuzenden Fäden, die Durchtrittskanäle von radial nach außen zunehmenden rautenförmigen Querschnitt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig von dem gewünschten Filterungsgrad die Zahl der Durchtrittskanäle in jeder ihrer radialen Erstreckungsebenen nur etwa 3,16 je Zentimeter des Hülsendurchmessers beträgt
2. 2. Hohlzylindrischer Filtereinsatz nach Anspruch

   1, dadurch gekennzeichnet daß der Höhe des gewünschten Filterungsgrades lediglich durch die Art und die Menge des durch Aufrauhen des Fadenmaterials gewonnenen oder gesondert eingelagerten Fasermaterials Rechnung getragen ist. *>
3. 3. Hohlzylindrischer Filtereinsatz nach Anspruch

   2, dadurch gekennzeichnet daß die Menge des Fasermaterials nach außen hin abnimmt
4. 4. Hohlzylindrischer Filtereinsatz nach Anspruch

   2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß einige der inneren Faäenlagen kein Fasermaterial enthalten.
5. 5. Hohlzylindrischer Filtereinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Einla gerung von Stützfasern.

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