DE60128573T2 - Luftfiltrierungsanlage mit gefaltetem filtermaterial und verfahren - Google Patents

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Description

  • 1. Gegenstand der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Filterelementanordnung und ein Filtrationsverfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Filterelementanordnung zum Filtern von Materialpartikeln aus einem Gasstrom, z. B. einem Luftstrom. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzielung der gewünschten Entfernung von Materialpartikeln aus einem solchen Gasstrom.
  • Die Erfindung ist eine laufende Entwicklung der Donaldson Company Inc., of Minneapolis, Minnesota, dem Anmelder der Erfindung. Die Erfindung betrifft eine fortlaufende Technologieentwicklung, die sich z. T. auf die in den U.S. Patenten B24,720,292 ; Des 416,308 ; 5,613,992 ; 4,020,783 ; und 5,112,372 charakterisierten Themen bezieht.
  • Die Erfindung betrifft ferner Filter, die ein Substrat mit einer Feinfaserschicht bzw. einem Feinfaservlies aus Polymermaterialien, die mit einer verbesserten Umgebungsstabilität gegen Hitze, Feuchtigkeit, aggressive Materialien und mechanische Spannungen hergestellt werden können, enthalten. Solche Materialien können zur Bildung von feinen Fasern, wie z. B. Mikrofaser- und Nanofaser-Materialien mit verbesserter Stabilität und Festigkeit, verwendet werden. Bei einer Reduzierung der Fasergrösse bildet die Überlebensfähigkeit des Materials in wachsendem Maße ein Problem. Solche Feinfasern sind bei einer Vielzahl von Anwendungen nützlich. Bei einer Anwendung können Filterstrukturen unter Nutzung dieser Feinfasertechnologie hergestellt werden.
  • 2. Stand der Technik
  • Gasströme führen oft Materialpartikel mit sich. In vielen Fällen ist es wünschenswert, einige oder alle dieser Materialpartikel aus dem Gasstrom zu entfernen. Z. B., führen Eintrittsluftströme für Motore von Kraftfahrzeugen oder von Stromgeneratoren, Gasströme für Gasturbinen und Luftströmen zu verschiedenen Feuerungsanlagen oft Materialpartikel mit sich. Wenn die Materialpartikel den internen Arbeitsbereich der verschiedenen betroffenen Maschinen erreichen sollten, können sie diesen Maschinen beträchtlichen Schaden zufügen. Daher ist die Entfernung dieser Materialpartikel aus dem Gasstrom stromaufwärts von dem Motor, der Turbine, der Feuerungsanlage oder anderen betroffenen Geräten oft erforderlich.
  • US-A-5,672,399 beschreibt Filtermaterialien, die Substrate mit einem niedrigen Wirkungsgrad zwischen 1% und 10% gemäss ASTM-1215-89 enthalten. Jedoch beschäftigt sich das Dokument nicht mit temperatur- und feuchtigkeits- stabilen Faserstrukturen.
  • Das Dokument DE 299 07 699 beschreibt einen Filterbeutel für Staubsauger, der eine Schicht nicht-gewebter Fasern und eine Schicht eines Trägermaterials besitzt. Aus heutiger Sicht können der Wirkungsgrad des o. g. Filterbeutels und seine Standzeit verbessert werden. Der Filterbeutel dieses Dokuments ist nicht erhöhten Temperaturen und hoher Feuchtigkeit ausgesetzt.
  • Wenn anspruchsvollere Anwendungen für Filtermedien in Betracht gezogen werden, sind wesentlich verbesserte Materialien erforderlich, die den rigorosen Belastungen durch hohe Temperaturen 38°C–120°C (100°F–250°F) und oft 60°C–115°C (140°F–240°F) und bis zu 150°C (300°F), hohe Feuchtigkeit 10% bis 90% bis auf 100% relativer Luftfeuchte, hohe Strömungsgeschwindigkeiten sowohl von Gas als auch von Flüssigkeiten widerstehen können und Partikel im μm- und Unter-μm-Bereich (im Bereich von ungefähr 0,01 μm bis über 10 μm) abscheiden; und sowohl scheuernde als auch nicht scheuernde und sowohl aggressive als auch nicht-aggressive Partikel aus dem Fluidstrom abscheiden.
  • Demgemäss besteht eine wesentliche Nachfrage nach polymerischen Materialien, Mikro- und Nano-Faser-Materialien und Filterstrukturen, die verbesserte Eigenschaften für die Filterung von Strömen mit höherer Temperatur, höherer Feuchte, hoher Strömungsgeschwindigkeiten und der o. g. Materialpartikel im μm- und Unter-μm-Bereich besitzen.
  • Für die Abscheidung von Materialpartikeln sind zahlreiche Luftfilter- bzw. Gasfilter-Anordnungen entwickelt worden. Generell werden jedoch kontinuierlich Verbesserungen gesucht.
  • 3. Beschreibung der Erfndung
  • Erfindungsgemäss werden allgemeine Techniken der Auslegung, der Konstruktion und der Anwendung von Luftreinigungsanordnungen vorgeschlagen. Die Techniken schliessen sowohl bevorzugte Filterelementluslegungen und Konstruktionen als auch bevorzugte Anwendungsverfahren und Filterungsverfahren ein.
  • Generell betreffen die bevorzugten Anwendungen den vorteilhaften Gebrauch von Z-förmigen Filtermedia innerhalb eines Luftfilters, einschliesslich eines Verbundes aus einem Substrat und Feinfasern.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung eine Filterelementanordnung gemäss Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Filterung von Luft gemäss Anspruch 48. Bevorzugte Ausführungsformen der Filterelement-Anordnung und des Verfahrens zur Filterung von Luft sind in den anhängenden Ansprüchen angesprochen.
  • Die erfindungsgemässen Filtermedia besitzen mindestens eine Mikro- oder Nanofaserschicht in Verbindung mit einem Substratmaterial in einer mechanisch stabilen Filterstruktur. Diese Schichten gewähren gemeinsam eine exzellente Filterung, eine hohe Materialpartikelabscheidung und einen hohen Wirkungsgrad bei minimalem Strömungswiderstand, wenn ein Fluid, z. B. ein Gas oder eine Flüssigkeit, durch das Filtermedium strömt. Das Substrat kann in dem Fluidstrom stromaufwärts, stromabwärts oder in einer Zwischenschicht angeordnet sein. Der Faserstoff kann stromaufwärts, stromabwärts oder zu beiden Seiten eines Filtersubstrates angeordnet sein, unabhängig von der Filtergeometrie. Der Faserstoff wird üblicherweise an der stromaufwärtigen Seite angeordnet. Bei bestimmten Anwendungen kann jedoch eine stromabwärtige Anordnung nützlich sein. Bei gewissen Anwendungen ist eine doppelseitige Struktur nützlich. In den vergangenen Jahren haben zahlreiche Industrien grossen Wert auf die Verwendung von Filtermedia zur Filtrierung gelegt, d. h. die Entfernung unerwünschter Materialpartikel aus einem Fluid, z. B. Gas oder Flüssigkeit. Bei dem üblichen Filtrationsprozess werden Materialpartikel aus Fluidströmen entfernt, einschliesslich eines Luftstromes oder eines anderen Gasstromes oder eines Flüssigkeitsstromes, z. B. eines Hydraulikfluid-, eines Schmieröl-, eines flüssigen Brennstoff-, eines Wasser-Stromes oder anderer Fluid-Ströme. Diese Filtrationsprozesse erfordern die mechanische Festigkeit, die chemische und physikalische Stabilität der Mikrofasern und des Substratmaterials. Die Filtermedia können einem weiten Bereich unterschiedlicher Temperaturbedingungen, unterschiedlicher Feuchtigkeits-Bedingungen, mechanischer Schwingungen und Stösse und sowohl aggressiven und nicht-aggressiven als auch scheuernden oder nicht-scheuernden Material-Partikeln, die in dem Fluidstrom enthalten sind, ausgesetzt sein. Im normalen Betrieb ist der Filter üblicherweise Luft mit oder nahezu Umgebungsbedingungen oder leicht erhöhter Temperatur ausgesetzt. Der Filter kann höheren Temperaturen ausgesetzt sein, wenn der Motor abnormal betrieben wird, oder wenn der Motor nach längerem Betrieb abgeschaltet wird. Wenn die Motor nicht in Betrieb ist, strömt keine Luft durch den Filter. Der Filter erreicht dann schnell unter der Motorhaube herrschende Temperaturen. Ferner wird von den Filtermedia oft „Selbstreinigungs-Qualifikation" gefordert, wenn das Filtermedium entgegen der normalen Strömungsrichtung gerichteten Druckimpulsen (einer kurzen Umkehr der Strömungsrichtung, um an der Oberfläche abgelagerte Materialpartikel zu entfernen) oder anderen Reinigungsverfahren ausgesetzt wird, die abgelagerte Materialpartikel von der Oberfläche des Filtermediums entfernen können. Eine solche „Rückspülung" kann nach der Druckimpulsreinigung einen wesentlich verbesserten (d. h.) reduzierten Druckverlust ergeben. Nach der Druckimpuls-Reinigung ist der Wirkungsgrad der Materialpartikel-Abscheidung üblicherweise nicht verbessert, jedoch wird durch die Druckimpulsreinigung der Druckverlust des Filters reduziert, wodurch während des Filterbetriebes Energie gespart wird. Solche Filter können zur Wartung ausgebaut werden und in wässrigen oder nichtwässrigen Reinigungslösungen gereinigt werden. Solche Filtermedia werden oft durch Spinnen der Feinfasern und eine anschliessende Bildung eines vernetzten Gespinstes aus Mikrofasern auf einem porösen Substrat hergestellt. In dem Spinnprozess können die Fasern physikalische Bindungen untereinander eingehen, um die Fasermatte in eine integrierte Schicht zu vernetzen. Ein solches Material kann dann in das gewünschte Filterformat geformt werden, z. B. Patronen, flache Scheiben, Büchsen, Platten, Beutel und Taschen. In solchen Strukturen kann das Filtermedium weitgehend gefaltet, gerollt oder in anderer Weise auf einer Tragkonstruktion positioniert sein.
  • Die hier beschriebenen Filteranordnungen können in einem breiten Anwendungsbereich eingesetzt werden, z. B. in Staubabscheidern, Luftkompressoren, Motoren von Kraftfahrzeugen und Geländefahrzeugen, Gasturbinensystemen, Stromgeneratoren, z. B. Brennstoffzellen und anderen.
  • 4. Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Es zeigt:
  • 1 eine erfindungsgemässe typische mit einem elektrostatischen Emitter betriebene Spinnvorrichtung zur Herstellung von Feinfasern;
  • 2 die Vorrichtung gemäss 1 beim Einsatz zum Einspeisen von Feinfasern in die Feinfaserfertigung auf ein Filtersubstrat;
  • 3 eine Darstellung der typischen internen Struktur eines Trägermaterials und eine separate Darstellung des erfindungsgemässen Feinfasermaterials im Verhältnis zu kleinen, d. h., 2 μm- und 5 μm-Materialpartikeln;
  • 4–11 analytische ESCA-Spektren von Beispiel 13;
  • 12 die Beständigkeit des erfindungsgemässen 0,23 μm- und 0,45 μm-Fasermaterials von Beispiel 5;
  • 13–16 die verbesserte Temperatur- und Feuchtigkeits-Beständigkeit der Materialien von Beispiel 5 und 6 verglichen mit unmodifizierten in Nylon Copolymer Lösungsmitteln lösbaren Polyamiden;
  • 17–20 dass die Mischung von zwei Polymeren, einem Nylon Homopolymer und einem Nylon Copolymer nach einer Wärmebehandlung und kombiniert mit Additiven eines Ein-Komponenten-Materials keine erkennbaren Eigenschaften von zwei separaten Polymer Materialien zeigt, sondern ein kreuzvernetztes oder anderweitig chemisch verbundenes einphasiges Material zu sein scheint;
  • 21 eine schematische Darstellung eines Motorsystems, bei dem die erfindungsgemässen Luftreiniger verwendet werden können;
  • 22 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Filterelementes, die in dem System gemäss 21 eingesetzt werden kann;
  • 23 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teil eines Filtermediums (Z-förmigen Filtermediums), das in der Anordnung gemäss 22 einsetzbar ist;
  • 24 einen schematischen Querschnitt des Filterelementes gemäss 22 in einem Gehäuse installiert;
  • 25 eine fragmentarische vergrösserte schematische Ansicht einer Ausführungsform eines kompressiblen Dichtungselementes, das in einem Dichtungssystem für das Filterelement gemäss 22 eingesetzt ist;
  • 26 eine schematische perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Filterelementes, das in dem Motorsystem gemäss 21 einsetzbar ist;
  • 27 einen schematischen Querschnitt des in einem Gehäuse eingesetzten Filterelementes gemäss 26;
  • 28 eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer anderen Ausführungsform eines Filterelementes und eines Gehäuses, das in dem Motorsystem gemäss 21 einsetzbar ist;
  • 29 eine schematische Darstellung eines Gasturbinensystems, in dem erfindungsgemässe Filterelemente einsetzbar sind;
  • 30 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Filterelementes, das in Gasturbinenluft-Eintrittssystemen gemäss 29 einsetzbar ist;
  • 31 ein rückwärtiger Aufriss des Filterelementes gemäss 30, das in einem Rohrboden installiert ist und einen Vorfilter besitzt, der stromaufwärts von dem Filterelement gemäss 30 installiert ist;
  • 32 einen vergrösserten schematischen fragmentarischen Querschnitt 12-12 der Luftfilteranordnung gemäss 31;
  • 33 eine schematische Darstellung eines Lufteintrittssystems eines Mikroturbinensystems, in dem erfindungsgemässe Filterelemente einsetzbar sind;
  • 34 einen schematischen Querschnitt 14-14 gemäss 35 eines Filterelementes in einem zusammengebauten Zustand, das operativ eingesetzt ist, um Eintrittsluft in einem Gasturbinensystem zu reinigen;
  • 35 eine Seitenansicht in Explosionsdarstellung der Filteranordnung gemäss 34 in einem nicht-zusammengebauten Zustand;
  • 36 einen fragmentarischen schematischen Querschnitt, der das Filterelement abgedichtet in einem Filtergehäuse zeigt;
  • 37 eine schematische Darstellung eines Lufteintrittssystems eines Brennstoffzellensystems, in dem erfindungsgemässe Filterelemente einsetzbar sind;
  • 38 einen schematischen Querschnitt einer Filteranordnung, die in dem Brennstoffzellen-Lufteintrittssystem gemäss 37 einsetzbar ist; und
  • 39 einen schematischen Querschnitt einer anderen Ausführungsform einer Filteranordnung, die in dem Lufteintritt eines Brennstoffzellensystems einsetzbar ist.
  • 5. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • 5.A Mikrofaser- oder Feinfaser-Polymer-Materialien
  • Die Erfindung betrifft ein verbessertes Polymermaterial. Dieses Polymer besitzt eine verbesserte physikalische und chemische Beständigkeit. Die Polymer-Feinfasern (Mikrofasern und Nanofasern) können zu zweckentsprechenden Produktformen geformt werden. Die Fasern können einen Durchmesser von ungefähr 0,001 μm bis 10 μm, ungefähr 0,005 μm bis 5 μm und ungefähr 0,01 μm bis 0,5 μm haben. Nanofasern sind Fasern mit einem Durchmesser von weniger als 200 nm oder 0,2 μm.
  • Mikrofasern sind Fasern mit einem Durchmesser grösser als 0,2 μm, aber nicht grösser als 10 μm.
  • Diese Feinfasern können in Form einer verbesserten Mehrschicht-Mikrofilter-Mediumstruktur verarbeitet werden. Die erfindungsgemässen Feinfaserschichten enthalten eine Zufallsverteilung von Feinfasern, die zu einem vernetzten Gespinst bzw. Vlies miteinander verbunden werden können. Die Filterungsleistung wird im wesentlichen durch die Sperre der Feinfasern für die Materialpartikel erzielt. Strukturelle Eigenschaften der Steifigkeit, der Festigkeit und der Faltbarkeit sind durch das Substrat gegeben, an dem das Feinfaser-Vlies anhaftet. Das Feinfaser vernetzte Vlies besitzt wichtige Eigenschaften: Feinfasern in Form von Mikrofasern oder Nanofasern und relativ kleine Abstände zwischen den Fasern. Diese Abstände zwischen den Fasern in dem Vlies betragen ungefähr 0,01 μm bis ungefähr 25 μm oder oft ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 10 μm. Diese Filterprodukte enthalten eine Feinfaserschicht auf einem ausgewählten Substrat, z. B. einer Synthetik Schicht, einer natürlichen Schicht, oder einer Mischung aus natürlichem/synthetischem Substrat. Die Feinfasern tragen weniger als 5 μm und oft weniger als 3 μm zu der Dicke bei. Bei gewissen Anwendungen erhöhen die Feinfasern die Gesamtdicke der Feinfasern plus Substratfiltermedium um ungefähr 1 bis 10 oder 1 bis 5 Feinfaserdurchmesser. Im Betrieb können die Filter auftreffende Materialpartikel aufhalten, die zu dem Substrat oder durch die Feinfaserschicht strömen wollen, und nennenswerte Beladungen aufgefangener Partikel aufnehmen. Die Partikel aus Staub oder anderen zufälligen Partikeln bilden schnell einen Filterkuchen auf der Oberfläche der Feinfasern und gewährleisten einen hohen Anfangs- und Gesamt-Wirkungsgrad der Partikelabscheidung. Selbst bei relativ feinen Verunreinigungen, die eine Partikelgrösse von ungefähr 0,01 μm bis ungefähr 1,0 μm besitzen, besitzt das Filtermedium, das aus den Feinfasern besteht, eine sehr hohe Staubaufnahme-Kapazität.
  • Die hier beschriebenen Polymermaterialien haben eine wesentlich verbesserte Beständigkeit gegenüber den unerwünschten Effekten durch Hitze, Feuchtigkeit, hohen Strömungsgeschwindigkeiten, Rückspülung mit Druckimpulsen, betriebsbedingtem Verschleiss, Materialpartikel im unter μm-Bereich, Reinigung von Filtern im Betrieb und andere beanspruchende Bedingungen. Das verbesserte Betriebsverhalten der Mikrofasern und Nanofasern ist ein Ergebnis der verbesserten Eigenschaften des polymerischen Materials, aus dem die Mikrofasern oder Nanofasern geformt werden. Ferner besitzen die erfindungsgemässen Filtermedia, für die die erfindungsgemässen verbesserten polymerischen Materialien verwendet werden, zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften, einschliesslich eines höheren Wirkungsgrades, eines niedrigeren Strömungswiderstandes, einer höheren Beständigkeit (in Bezug auf Spannungen oder Umgebungsbedingungen), beim Auftreten scheuernder Materialpartikel und eine glatte äussere Oberfläche frei von losen Fasern oder Fäserchen. Die Gesamtstruktur des Filtermaterials ermöglicht insgesamt dünnere Filtermedia, wodurch eine verbesserte Filtermediafläche pro Volumeneinheit, eine reduzierte Geschwindigkeit durch die Filtermedia, verbesserte Filtermedia-Wirkungsgrade und reduzierte Strömungswiderstände ermöglicht werden.
  • Das Polymer kann ein Additiv- bzw. Anlagerings-Polymer oder ein Kondensations-Polymer oder eine Mischung oder ein Verschnitt aus beiden sein. Eine erfindungsgemässe bevorzugte Ausführungsform ist ein Polymer-Verschnitt, der ein erstes und ein zweites Polymer, aber unterschiedliche Polymere (unterschiedlich in der Polymerart, dem Molekulargewicht oder den physikalischen Eigenschaften) enthält und der bei erhöhten Temperaturen konditioniert bzw. wärmebehandelt ist. Der Polymer-Verschnitt kann reagieren und eine einzelne chemische Spezies bilden, oder er kann durch einen Wärme-Vergütungsprozess physikalisch zu einem verschnittenen Verbund kombiniert werden. Vergütung bedeutet eine physikalische Änderung, wie z. B. Kristallinität, Spannungsreduktion oder Ausrichtung. Bevorzugte Materialien sind chemisch in eine einzelne polymerische Spezies umgesetzt, so dass eine Differential Scanning Calorimeter Analyse ein einzelnes polymerisches Material zeigt. Ein solches Material kann, wenn es mit einem bevorzugten angelagerten Material kombiniert wird, eine Oberflächenbeschichtung aus dem angelagerten Material auf der Mikrofaser bilden, die Öl- und Wasser-abweisend ist oder andere zugeordnete verbesserte Beständigkeiten besitzt, wenn sie mit hoher Temperatur, hoher Feuchte und schwierigen Betriebsbedingungen beaufschlagt wird. Die Feinfasern dieser Materialgattung können einen Durchmesser von 0,01 μm bis 10 μm haben. Brauchbare Grössen schliessen 0,001 μm bis 2 μm, 0,005 μm bis 5 μm und 0,01 μm bis 5 μm ein, abhängig von der Verbindung, von dem Substrat und von der Anwendung. Solche Mikrofasern können eine glatte Oberfläche besitzen, die aus einer separaten Schicht des angelagerten Materials oder einer äusseren Beschichtung aus angelagertem Material besteht, die teilweise in der Polymer-Oberfläche gelöst oder legiert ist, oder beides. Bevorzugte Materialien für die Anwendung in dem verschnittenen polymerischen System schliessen ein: Nylon 6, Nylon 66, Nylon 6–10, Nylon (6-66-610) Copolymere und andere lineare im allgemeinen aliphatische Nylonverbindungen. Ein bevorzugtes Nylon-Copolymer-Harz (SVP-651) wurde durch die Endgruppen Titration auf sein Molekulargewicht hin analysiert. (J. E. Walz und G. B. Taylor, determination of the molecular weight of nylon, Anal. Chem. Vol. 19. Number 7, pp 448–450 (1947). Eine Durchschnitts-Molekular-Gewichtszahl (Mn) lag zwischen 21.500 und 24.800. Die Verbindung wurde mittels des Phasendiagramms der Schmelztemperatur der drei Nylonkomponenten bewertet: Nylon 6 ungefähr 45%, Nylon 66 ungefähr 20% und Nylon 610 ungefähr 25%. (Page 286, Nylon Plastics Handbook, Melvin Kohan ed. Hanser Publisher, New York (1995)).
  • Berichtete physikalische Eigenschaften von SVP 651 Harz sind:
    Eigenschaft Wert ASTM Method Dimension Typischer
    Relative Dichte D-792 – 1.08
    Wasser-Absorption D-570 % 2.5
    (24 Std. eingeweicht) Härte D-240 Shore D 65
    Schmelzpunkt (309) DSC °C (°F) 154
    Zugspannung bei Bruch D-638 MPa (kpsi) 50 (7.3)
    Dehnung bei Bruch D-638 % 350
    Biegekoeffizient (26) D-790 Mpa (kpsi) 180
    Spezifischer Widerstand D-257 ohm/cm 1012
  • Ein Polyvinylalkohol mit einem Hydrolyse-Wert von 87 bis 99,9 +% kann in einem solchen Polymersystem verwendet werden. Diese sind vorzugsweise kreuzvernetzt. Und sie sind bevorzugterweise kreuzvernetzt und mit nennenswerten Mengen Öl-abweisender und Wasser-abweisender Materialien kombiniert.
  • Eine andere erfindungsgemässe bevorzugte Ausführungsform betrifft ein einzelnes polymerisches Material, das mit einer Additivverbindung kombiniert ist, um die Lebensdauer der Fasern oder ihre betrieblichen Eigenschaften zu verbessern. Die in dieser Hinsicht brauchbaren erfindungsgemässen bevorzugten Polymere schliessen ein: Nylon Polymere, Polyvinyliden Chlorid Polymere, Polyvinyliden Fluorid Polymere, Polyvinylalkohol Polymere und insbesondere die genannten Materialien, wenn sie mit stark Öl-abweisenden und Wasser-abweisenden Additiven kombiniert sind, wodurch eine Mikrofaser oder Nanofaser erzeugt wird, bei denen die Additiv Materialien zu einer Beschichtung auf der Oberfläche der Feinfasern geformt sind. Wie bereits erwähnt sind Verschnitte gleichartiger Polymere, wie z. B. ein Verschnitt aus gleichartigem Nylon, gleichartigen Polyvinylchlorid Polymeren, und Verschnitte von Polyvinyliden Chlorid Polymeren erfindungsgemäss brauchbar. Ferner sind Polymer-Verschnitte oder -Legierungen unterschiedlicher Polymere ebenfalls Gegenstand der Erfindung. In dieser Hinsicht sind kompatible Mischungen von Polymeren bei der Herstellung von erfindungsgemässen Mikrofasermaterialien nützlich. Angelagerte Verbindungen, wie z. B. ein Fluor-Tensid, ein nichtionisches Tensid, Harze niedrigen Molekulargewichts (d. h.) tertiär Butylphenol Harz mit einem Molekulargewicht von weniger als ungefähr 3000 können verwendet werden. Das Harz ist gekennzeichnet durch eine oligomerische Bindung zwischen einem Phenol-Kern in Abwesenheit von Methylen-Brücken-Gruppen. Die Hydroxyl und die Tertiär-Butyl-Gruppen können sporadisch um die Ringe positioniert sein. Die Bindung zwischen Phenol-Kernen erfolgt immer als nächstes zu Hydroxyl-Gruppen, nicht sporadisch. In gleicher Weise kann das polymerische Material mit einem Alkohol-löslichen nichtlinearen polymerisierten Harz, das aus Bi-Phenol-A gebildet ist, kombiniert werden. Dieses Material gleicht dem o. g. Tertiär-Butylphenol-Harz dadurch, dass es durch oligomerische Bindungen gebildet wird, die direkt einen aromatischen Ring mit einem anderen aromatischen Ring, in Abwesenheit von Brückengruppen, wie z. B. Alkylen- oder Methylen-Gruppen verbinden.
  • Erfindungsgemässe bevorzugte Polymer-Systeme besitzen Haft-Eigenschaften, so dass sie, wenn sie mit einem Zellulose Substrat in Kontakt gekommen sind, mit ausreichender Festigkeit an dem Substrat anhaften, so dass sie sicher mit dem Substrat verbunden sind und Abblätterungs-Effekten durch eine Rückspülung mit Druckimpulsen oder anderen mechanischen Beanspruchungen widerstehen können. In einem solchen Zustand muss das Polymermaterial an dem Substrat haften bleiben, während es einer Rückspülung mit Druckimpulsen ausgesetzt ist, die weitgehend gleich den typischen Filterbedingungen ist, mit der Ausnahme, dass sie in umgekehrter Richtung durch die Filterkonstruktion erfolgt. Diese Anhaftung kann durch Lösungseffekte der Faserformation entstehen, wenn die Faserformation in Kontakt mit dem Substrat gebracht wird, oder durch die Nachbehandlung der Faserformation auf dem Substrat durch Wärme oder Druck. Jedoch scheinen bei der Bestimmung der Adhesion Polymereigenschaften, wie z. B. spezifische chemische Wechselwirkungen, wie z. B.: Wasserstoffbindung, Kontakt zwischen Polymer und Substrat, ob er oberhalb oder unterhalb Tg. stattfindet, und die Polymer Formulierung einschliesslich der Additiven, eine bedeutende Rolle zu spielen. Polymere, die zum Zeitpunkt der Adhesion durch ein Lösungsmittel oder Dampf weich gemacht worden sind, haben eine erhöhte Adhesionskraft.
  • Ein bedeutender Aspekt der Erfindung ist die Nutzung solcher in eine Filterstruktur geformter Mikrofaser- oder Nanofaser-Materialien In einer solchen Struktur werden die erfindungsgemässen Feinfasermaterialien auf einem Filtersubstrat geformt und mit dem Filtersubstrat durch Adhesion verklebt. Es können verwendet werden: Naturfaser- und Synthetik-Faser-Substrate, wie z. B. Vliesstoffe, nicht-gewebte Gespinste aus synthetischen Fasern und nicht-gewebte Gespinste aus Zellulose-Materialien, synthetischen Materialien und Glasfasern, nicht-gewebte und gewebte Glasfaserstoffen, siebartige Kunststoffmaterialien, sowohl strang-gepresst als auch gelocht, und UF und MF Membranen aus organischen Polymeren. Blattförmiges Substrat oder Zellulose-Vlies können dann zu einer Filterstruktur geformt werden, die in einem Fluidstrom, einschliesslich eines Luftstromes oder eines Flüssigkeitsstromes, angeordnet wird, um in dem Strom suspendierte Materialpartikel oder von dem Strom mitgeführte Materialpartikel aus dem Strom zu entfernen. Die Form und die Struktur des Filtermaterials sind eine Entscheidung des Konstrukteurs. Ein bedeutender Parameter des gefertigten Filterelementes ist seine Beständigkeit gegen die Einwirkungen von Hitze und Feuchtigkeit oder beidem. Ein Aspekt des erfindungsgemässen Filtermediums ist ein Test seiner Fähigkeit das Einweichen im warmen Wasser über längere Zeit zu überleben. Der Einweichtest kann wertvolle Informationen liefern hinsichtlich der Fähigkeit der Feinfasern, heisse feuchte Umgebungsbedingungen und die Reinigung des Filterelementes in einer wässerigen Lösung zu überleben, die beträchtliche Anteile starker Reinigungstenside und starker alkalischer Materialien enthalten kann. Vorzugsweise können die erfindungsgemässen Feinfasermaterialien ein Einweichen in heissem Wasser überstehen, wobei mindestens 30% und vorzugsweise 50% der auf der Oberfläche des Substrats geformten Feinfasern erhalten bleiben. Eine Erhaltung von mindestens 30%, vorzugsweise 50% der Feinfasern kann weitgehend die Wirksamkeit der Fasern ohne Verlust der Filterungskapazität oder erhöhten Gegendruck aufrecht erhalten. Besonders bevorzugt wird eine Erhaltung von mindestens 75%. Die Dicke der typischen Feinfaserfilterschicht liegt im Bereich von ungefähr des 1-fachen bis 100-fachen Faserdurchmessers mit einem Flächengewicht von ungefähr 0,1 μg–240 μg-cm–2.
  • Fluidströme wie z. B. Luft- und Gas-Strome führen oft Materialpartikel mit sich. Die Entfernung einiger oder aller Materialpartikel aus dem Fluidstrom ist erforderlich. Lufteintrittsströme für z. B.: Kabinen von Kraftfahrzeugen; Rechner-Laufwerke; Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen; Flugzeugkabinenlüftung; Reinraum-Lüftung; und Anwendungen, bei denen Filterbeutel, Schutzkleidung (barrier fabrics) und gewebte Materialien eingesetzt werden; und Motore von Kraftfahrzeugen führen oft Materialpartikel mit sich; auch Gasströme für Gasturbinen und Luftströme für die verschiedensten Feuerungsanlagen führen oft Materialpartikel mit sich. Bei Kabinenluftfiltern ist es wünschenswert, die Materialpartikel für das Wohlbefinden der Passagiere und/oder aus ästhetischen Gründen zu entfernen. Bei Luft- und Gas-Eintrittsströmen für Motore, Gasturbinen und Feuerungsanlagen ist es wünschenswert, die Materialpartikel zu entfernen, da die Materialpartikel den internen Arbeitsfunktionen der verschiedenen betroffenen Maschinen beträchtlichen Schaden zufügen können. In anderen Fällen können Produktionsgase für industrielle Prozesse oder Maschinen oder Abgase aus industriellen Prozessen oder Maschinen Materialpartikel mit sich führen. Bevor solche Gase durch verschiedene stromabwärtige Anlagen in die Atmosphäre abgeblasen werden können oder sollten, ist es wünschenswert, eine weitgehende Entfernung der Materialpartikel aus diesen Fluidströmen zu erreichen.
  • Ein allgemeines Verständnis einiger der grundlegenden Prinzipien und Probleme der Filterauslegung und Konstruktion ist durch die Betrachtung der folgenden Filtermedia zu erreichen: Oberflächen beladbare Filtermedia (surface loading media) und Tiefen beladbare Filtermedia (depth media). Jede dieser Filtermedia-Arten ist in der Vergangenheit umfangreich untersucht worden und hat breite Anwendung gefunden.
  • Spezielle Prinzipien die die beiden Filterarten betreffen, sind z. B. in U.S. Patent Nr. 5,082,476 ; 5,238,474 ; und 5,364,456 beschrieben.
  • Die Standzeit eines Filters ist üblicherweise durch eine gewählte Druckverlust-Grenze des Filters definiert. Der Druckanstieg durch den Filter definiert die Standzeit bei einem definierten Grenzwert für die jeweilige Anwendung oder die jeweilige Konstruktion. Da der Druckanstieg aus der Beladung resultiert, ist bei Systemen gleichen Wirkungsgrades eine längere Standzeit üblicherweise direkt mit einer höheren Kapazität verbunden. Wirkungsgrad ist die Neigung des Filtermediums Materialpartikel aufzufangen statt sie passieren zu lassen. Es ist offensichtlich, je wirksamer ein Filtermedium bei der Entfernung von Materialpartikeln aus einem Gasstrom ist, desto schneller wird das Filtermedium im allgemeinen die Standzeit-Druckdifferenz erreichen (unter der Annahme, dass andere Variablen konstant gehalten werden.
  • 5.A.1 Detaillierte Beschreibung bestimmter Zeichnungen
  • Die Mikrofasern oder die Nanofasern der Filtereinheit können durch ein elektrostatisches Spinnverfahren hergestellt werden. Eine geeignete Vorrichtung zur Herstellung der Fasern ist in 1 dargestellt. Diese Vorrichtung besitzt einen Vorratsbehälter 80, in dem die Feinfaser bildende Polymerlösung enthalten ist, eine Pumpe 81 und ein Emittergerät oder einen Emitter 40 der rotierenden Art, zu dem die Polymerlösung gepumpt wird. Der Emitter 40 besteht üblicherweise aus einer Rotationseinheit 41, einem rotierenden Teil 42 mit mehreren versetzten Löchern 44 und einer Welle 43 der den vorwärts gerichteten Teil 42 und die Rotationseinheit 41 miteinander verbindet. Die Rotationseinheit 41 speist die Polymerlösung durch die hohle Welle 43 in den vorwärts gerichteten Teil 42 ein. Die Löcher 44 sind um den Umfang des vorwärts gerichteten Teiles 42 verteilt. Alternativ kann der rotierende Teil 42 in einem Polymer-Reservoir eingetaucht sein und von dem Vorratsbehälter 80 und der Pumpe 81 gespeist werden. Der rotierende Teil 42 enthält dann Polymerlösung aus dem Vorratsbehälter; durch seine Rotation in dem elektrostatischen Feld wird ein Tropfen der Polymerlösung durch das elektrische Feld in Richtung auf das Sammelmedium 70 beschleunigt, wie unten beschrieben.
  • Gegenüber dem Emitter 40 ist mit Abstand zu ihm ein weitgehend ebenes Gitter oder Rost 60 angeordnet, auf dem das Sammelmedium 70 (d. h. ein Substrat oder ein kombiniertes Substrat) angeordnet ist. Durch den Rost 60 kann Luft gesaugt werden. Das Sammelmedium 70 ist über Rollen 71 und 72 geführt, die benachbart zu einander gegenüberliegenden Enden des Rostes 60 angeordnet sind. Ein elektrostatisches Hochspannungspotential ist zwischen dem Emitter 40 und dem Rost 60 mittels einer geeigneten elektrostatischen Spannungsquelle 61 und Verbindungen 62 und 63, die mit dem Rost 60 bzw. dem Emitter 40 verbunden sind, angelegt.
  • Im Betrieb wird Polymerlösung aus dem Vorratsbehälter 80 zu der Rotationseinheit 41 oder dem Reservoir gepumpt. Der vorwärts gerichtete Teil 42 rotiert, während Flüssigkeit aus den Löchern 44 austritt; oder aus einem Reservoir entnommen wird und von der äusseren Kante des Emitters in Richtung auf das Sammelmedium 70 strömt, das auf dem Rost 60 positioniert ist. Das elektrostatische Potential zwischen dem Rost 60 und dem Emitter 40 erteilt dem Polymermaterial eine Ladung, die bewirkt, dass von dem Emitter 40 austretende Flüssigkeit in dünnen Fasern austritt, die in Richtung auf den Rost 60 gezogen werden, wo sie ankommen und auf einem Substrat 12 (in den Zeichnungen nicht dargestellt) oder einer Auffangschicht (in den Zeichnungen nicht dargestellt) gesammelt werden. Im Fall des in Lösung befindlichen Polymers, verdampft das Lösungsmittel von den Fasern während ihres Fluges zu dem Rost 60; dadurch kommen die Fasern auf dem Substrat 12 oder der Auffangschicht 14 an. Die Feinfasern binden mit den Substratfasern ab, die als erstes auf dem Rost 60 aufgetroffen sind. Die Stärke des elektrostatischen Feldes wird eingestellt um sicher zu stellen, dass das Polymermaterial, wenn es von dem Emitter zu dem Sammelmedium beschleunigt wird, die Beschleunigung ausreicht, um das Polymermaterial in eine sehr dünne Mikrofaser- oder Nanofaser-Struktur zu überführen. Durch eine Erhöhung oder eine Erniedrigung der Vorschubgeschwindigkeit des Sammelmediums 70 können mehr oder weniger ausgestossene Fasern auf dem Sammelmedium 70 abgelagert werden, wodurch die Dicke jeder darauf abgelagerten Schicht gesteuert werden kann. Der rotierende Teil 42 kann zahlreiche günstige Positionen einnehmen. Der rotierende Teil 42 kann derart in einer Rotations-Ebene positioniert werden, dass die Rotationsebene senkrecht zur Oberfläche des Sammelmediums 70 ist, oder er kann in jedem beliebigen Winkel positioniert werden. Der rotierende Teil kann parallel oder geringfügig ausserhalb einer parallelen Position positioniert werden.
  • 2 ist eine allgemeine schematische Darstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung einer Feinfaserschicht auf einem blattfartigen Substrat oder Medium. In 2 wird das blattartige Substrat von einer Station 20 abgewickelt. Das blattförmige Substrat 20a wird dann zu einer Spleiss-Station 21 geführt, in der multiple Längen des Substrates für eine durchlaufende Bearbeitung gespleisst werden. Die durchlaufende Länge des blattartigen Substrats wird dann zu einer Feinfaserfertigungs-Station 22 geführt, die die Spinnvorrichtung gemäss 1 enthält. In der Feinfaserfertigungs-Station 22 formt die Spinnvorrichtung gemäss 1 die Feinfasern und legt die Feinfasern in einer Filtermediumschicht auf das blattartige Substrat. Nachdem die Feinfaserschicht auf dem blattartigen Substrat in der Faserfertigung gebildet worden ist, werden die Feinfaserschicht und das Substrat zu einer Wärmebehandlungs-Station 23 für eine entsprechenden Weiterbearbeitung geführt. Das blattartige Substrat mit der Feinfilterschicht wird dann in einem Wirkungsgrad-Monitor 24 getestet und falls erforderlich in einer Schneide-Station 25 abgeschnitten. Das blattartige Substrat mit der Faserschicht wird dann zu der entsprechenden Wickelstation geführt, um auf die entsprechende Rolle 26 oder 27 für eine weitere Verarbeitung aufgerollt zu werden.
  • 3 zeigt in Raster-Elektronen-Mikroskop-Aufnahmen das Verhältnis von typischen Staubpartikeln mit einem Durchmesser von ungefähr 2 μm und ungefähr 5 μm im Verhältnis zu der Porengrösse eines typischen Zellulose-Filtermediums und eines typischen Feinfaserfiltermediums. In 3A sind die 2 μm Partikel 31 und die 5 μm Partikel 32 in einem Zellulosemedium 33 mit Porengrössen, die um einiges grösser sind als die typischen Partikeldurchmesser, dargestellt. In starken Gegensatz dazu sind in 3B die 2 μm Partikel 31 ungefähr gleich gross oder grösser als die typischen Öffnungen zwischen den Fasern des Feinfaserrmediums 35, während die 5 μm Partikel 32 grösser sind als jede der Öffnungen des Feinfasermediums 35.
  • In der vorangegangenen Beschreibung der verschiedenen Aspekte des erfindungsgemässen polymerischen Materials enthalten die erfindungsgemässen Feinfasermaterialien sowohl Mikrofasern als auch Nanofasern, und die Beschreibung der Konstruktion der verwendbaren Filterstrukturen aus den erfindungsgemässen Feinfasermaterialien verhilft zum Verständnis der allgemeinen technologischen Prinzipien des Betriebes der Erfindung. Die folgende spezifischen exemplarischen Materialien sind Beispiele von Materialien, die zur Herstellung der erfindungsgemässen Feinfasermaterialien verwendet werden können und die folgenden Materialien erschliessen eine beste Betriebart. Die folgenden exemplarischen Materialien wurden unter Berücksichtigung der folgenden Eigenschaften und Prozess-Bedingungen hergestellt. Das Elektrospinnen von Fasern mit einem Durchmesser kleiner 10 μm wurde unter Verwendung einer elektrostatischen Kraft eines starken elektrischen Feldes durchgeführt, die als eine ziehende Kraft zum Strecken eines Polymerstrahles in einen sehr feinen Faden wirkt. In dem elektrostatischen Spinnprozess kann eine Polymerschmelze verwendet werden, Fasern kleiner als 1 μm werden jedoch am besten aus einer Polymer-Lösung hergestellt. Wenn die Polymermasse auf kleinere Durchmesser herunter gezogen wird, verdampft das Lösungsmittel und trägt damit zur Reduktion der Fasergrösse bei. Die Wahl des Lösungsmittels ist aus verschiedenen Gründen kritisch. Wenn das Lösungsmittel zu schnell trocknet, tendieren die Fasern dazu, flach und gross im Durchmesser zu werden. Wenn das Lösungsmittel zu langsam trocknet, wird das Lösungsmittel die geformten Fasern wieder auflösen. Daher ist die Abstimmung zwischen der Trocknungs-Geschwindigkeit und der Faserbildung kritisch. Bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten helfen grosse Abluftmengen die Bildung einer entflammbaren Atmosphäre zu verhindern und damit das Feuerrisiko zu reduzieren. Ein Lösungsmittel, das nicht entzündbar ist ist hilfreich. In einer Produktionsumgebung muss die Prozessausrüstung gelegentlich gereinigt werden. Sichere Lösungsmittel mit niedriger Giftigkeit minimieren das Risiko, dass die Arbeiter gefährlichen Chemikalien ausgesetzt werden. Elektrostatisches Spinnen kann mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,5 ml/min pro Emitter, einem Zielabstand von 8 inch, einer Emitterspannung von 88 kV, einer Emitter-Drehzahl von 200 upm und einer relativen Luftfeuchte von 45% durchgeführt werden.
  • Für eine gegebene Anwendung ist die Wahl des Polymersystems wichtig. Für Reinigungen mit Druckimpulsen kann eine extrem dünne Mikrofaserschicht helfen die Druckverluste zu minimieren und eine äussere Oberfläche für das Auffangen und die Wiederfreigabe von Materialpartikeln zu gewährleisten. Es wird eine dünne Faserschicht mit Durchmessern von weniger als 2 μm, bevorzugterweise von weniger als 0,3 μm, bevorzugt. Eine gute Adhesion zwischen den Mikrofasern oder den Nanofasern und den Substraten auf die die Mikrofasern oder Nanofasern aufgebracht werden ist wichtig. Wenn Filter aus einem Verbund bestehend aus einem Substrat und dünnen Mikro- und Nano-Faser-Schichten hergestellt werden, bilden diese Verbindungen ein exzellentes Filtermedium für die Selbstreinigung durch Druckimpulse. Die Reinigung der Oberfläche durch Druckimpulse entgegen der normalen Strömungsrichtung regeneriert das Filtermedium immer wieder. Da auf die Oberfläche eine grosse Kraft ausgeübt wird, können Feinfasern mit schlechter Adhesion zu den Substraten durch Druckimpulse entgegen der normalen Strömungsrichtung, die von dem Innenraum eines Filters durch ein Substrat zu den Feinfasern wirken, abgelöst werden. Daher ist eine gute Cohesion zwischen den Feinfasern und eine gute Adhesion zwischen den Substratfasern und den elektrostatisch gesponnenen Fasern für einen erfolgreichen Betrieb äusserst wichtig.
  • Produkte, die die o. g. Anforderung erfüllen, können aus Fasern aus verschiedenen Polymermaterialien hergestellt werden. Feinfasern mit guten Adhesionseigenschaften können aus Polymermaterialien wie z. B.: Polyvinyliden Chlorid, Polyvinyl Alkohol und Polymeren und Copolymeren einschliesslich verschiedener Nylonarten wie z. B.: Nylon 6, Nylon 46, Nylon 66 und Nylon 610 und Copolymeren davon hergestellt werden. Exzellente Fasern können aus PVDF hergestellt werden, jedoch sind dabei für die Herstellung ausreichend kleiner Faserdurchmesser chlorierte Lösungsmittel erforderlich. Nylon 6, Nylon 66 und Nylon 610 kann elektrostatisch gesponnen werden. Jedoch sind Lösungsmittel wie z. B. Ameisensäure, m-Cresol, tri-Fluor-Ethanol und Hexafluor-Isopropanol entweder schwierig zu handhaben oder sehr teuer. Bevorzugte Lösungsmittel schliessen ein: Wasser, Ethanol, Isopropanol, Aceton und N-Methylpyrrolidon infolge ihrer geringen Giftigkeit. Polymere, die mit solchen Lösungsmittel-Systemen kompatibel sind, sind ausführlich beurteilt worden. Wir haben gefunden, dass Fasern, die aus PVC, PVDC, Polystyren, Polyacrylnitril, PMMA, und PVDF hergestellt sind, zusätzliche Adhesionsmittel erfordern, um ausreichende strukturelle Eigenschaften zu erhalten. Wir haben auch gefunden, dass Polymere, die in Wasser, Ethanol, Isopropanol, Acethon, Methanol und Mischungen daraus gelöst sind, und erfolgreich zu Fasern geformt sind, exzellente Adhesionseigenschaften zu dem Substrat zeigen und dadurch ein exzellentes für Selbstreinigungsanwendungen geeignetes Filtermedium ergeben. Selbstreinigung durch rückströmende Druckimpulse oder Verdrillung ist nützlich, wenn das Filtermedium für sehr hohe Staubkonzentrationen eingesetzt wird. Fasern aus alkohollöslichen Polyamiden und Polyvinyl-Alkoholen sind für solche Anwendung erfolgreich verwendet worden. Beispiele für Alkohol lösliche Polyamide schliessen ein: Macromelt 6238, 6239 und 6900 von Henkel, Elvamide 8061 und 8063 von duPont und SVP 637 und 651 von Shakespeare Monofilament Company. Eine andere Gruppe Alkohol löslicher Polyamide ist Typ 8 Nylon, Alkoxy Alkyl modifiziertes Nylon 66 (Ref. Page 447, Nylon Plastics handbook, Melvin Kohan ed. Hanser Publisher, New York, 1995). Beispiele für Polyvinyl-Alkohol schliessen ein: PVA-217,224 von Kuraray, Japan und Vinol 540 von Air Products and Chemical Company.
  • Wir haben gefunden, dass Filter extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein können. Filter in der Saudi Arabischen Wüste können Temperaturen bis zu 66°C (150°F) oder höher ausgesetzt sein. Filter in Indonesien oder an der Golfküste der USA können hoher Feuchtigkeit oberhalb 90% relativer Luftfeuchte und hohen Temperaturen von 38°C (100°F) ausgesetzt sein. Oder sie können starker Regen ausgesetzt sein. Wir haben gefunden, dass Filter, die unter der Motorhaube von mobilen Geräten, wie z. B. PKW's, Lastwagen, Bussen, Traktoren und Baumaschinen, eingesetzt sind, hohen Temperaturen +93°C (+200°F) hoher relativer Luftfeuchte und anderen chemischen Belastungen ausgesetzt sind. Wir haben Testverfahren entwickelt, um die Überlebensfähigkeit von Mikrofasersystemen unter harten Bedingungen zu bewerten: Einweichen der Filtermediaproben in heisses Wasser von 60°C (140°F) für 5 Minuten oder Belastung der Filtermediumproben durch hohe Feuchtigkeit, hohe Temperaturen und Luftströmung.
  • 5.B Allgemeine Prinzipien der Luftreiniger-Konstruktion
  • Hier wird der Ausdruck „Luftreiniger" in Bezug auf ein System verwendet, das Materialpartikel aus einem Luftstrom entfernt. Der Ausdruck „Luftfilter" bezeichnet ein System, in dem die Entfernung von Materialpartikeln dadurch durchgeführt wird, dass die Luft, die die Materialpartikel mitführt, durch ein Filtermedium geführt wird. Der Ausdruck „Filtermedia" oder „Media" bezieht sich auf ein Material oder eine Kollektion von Materialien, die von der Luft durchströmt werden, wobei eine Ablagerung der Materialpartikel in oder auf dem Medium auftritt. Der Ausdruck „Oberflächen beladbares Medium" (surface loading media) oder „Sperrmedium" (barrier media) bezieht sich auf ein System, in dem die Luft durch das Medium strömt und die Materialpartikel hauptsächlich an der Oberfläche des Mediums abgelagert werden und einen Filterkuchen bilden statt einer Ablagerung in der Tiefe des Mediums.
  • Mit dem Ausdruck „Filterelement" ist hier allgemein ein Teil des Luftreinigers gemeint, der das Filtermedium enthält. Im allgemeinen ist ein Filterelement so konstruiert, dass es ein ausbaubarer und ersetzbarer, d. h., wartbarer Teil des Luftreinigers ist. D. h. das Filtermedium wird von dem Filterelement getragen und ist von dem restlichen Teil des Luftreinigers trennbar, so dass der Luftreiniger periodisch durch das Entfernen eines beladenen oder teilweise beladenen Filterelementes und das Ersetzen dieses Filterelementes durch ein neues oder gereinigtes Filterelement regeneriert werden kann. Vorzugsweise ist der Luftreiniger so konstruiert, dass das Entfernen und Ersetzen von Hand durchgeführt werden kann. Der Ausdruck „Beladen" oder Varianten davon beziehen sich in diesem Zusammenhang auf ein Filterelement, das eine ausreichende Zeit in Betrieb gewesen ist, so dass es eine nennenswerte Menge Materialpartikel eingefangen hat bzw. mit einer nennenswerten Menge Materialpartikel beladen ist. Während des normalen Betriebes erhöht sich in vielen Fällen das Gewicht eines Filterelementes infolge der Materialpartikelladung auf das zwei- oder dreifache (oder mehr) seines Anfangsgewichtes.
  • Im allgemeinen werden die Betriebsvorschriften für ein Luftreinigersystem entsprechend den Anforderungen des Herstellers des betroffenen Originalgerätes z. B. des Lastwagens oder anderer betroffener Geräte erstellt. Obwohl eine Vielzahl von Spezifikationen zu berücksichtigen sind, sind nachstehend die wichtigsten genannt:
    • 1. Motor-Luftbedarf (Auslegungsmenge)
    • 2. Anfangs-Strömungswiderstand
    • 3. Anfangs-Wirkungsgrad
    • 4. Durchschnitt- oder Gesamt-Widerstand während des Betriebes
    • 5. Gesamtwirkungsgrad
    • 6. Filterstandzeit bzw. Wartungsintervalle
  • Der Motor-Luftbedarf ist eine Funktion der Motorgrösse, d. h. des Hubraumes und der Drehzahl bei maximaler, voller oder Auslegungs- Last. Im allgemeinen ist es ein Produkt aus Hubraum und Auslegungsdrehzahl, modifiziert durch den volumetrischen Wirkungsgrad, ein Faktor, der andere Faktoren einbezieht, wie z. B.: Turbolader-Wirkungsgrad, Ansaugkanal-Wirkungsgrad etc. Im allgemeinen ist es eine Messung des Luftvolumens pro Zeiteinheit, die von dem Motor oder anderen betroffenen Systemen während des Auslegungsbetriebes oder bei Vollast benötigt wird. Während der Luftbedarf von der Drehzahl abhängt, wird die Luftanforderung für viele typische Lastwagenmotore in Abhängigkeit von der Auslegungsdrehzahl, oft 1800 upm oder 2100 upm, angegeben. Hier wird dieser Wert als „Auslegungs-Luftstrom" oder durch ähnliche Ausdrücke bezeichnet. Im allgemeinen können die Prinzipien, die hier beschrieben sind, auf Luftreinigeranordnungen angewendet werden, die in Systemen eingesetzt werden, die für den Betrieb in einem breiten Band von Nennleistungen oder Anforderungen ausgelegt sind, einschl., z. B. jene im Bereich von ungefähr 5 bis 17 m3/h (3 cubic feet/min (cfm) bis zu 10.000 cfm) oft 85 bis 850 m3/h (50 bis 500 cfm). Solche Geräte schliesen z. B. ein: kleine Gebrauchsmotore (Motorräder, Rasenmäher usw.) Kraftfahrzeugmotore, Motore für „Pickup Trucks", Motore für Geländefahrzeuge, Motore für Kleinlast-Kraftwagen und Lieferwagen, Motore für Busse, Motore für Schwerlast-Kraftwagen, Motore für Landwirtschaftsgeräte (z. B. Traktoren), Motore für Baugeräte, Motore für Bergwerksgeräte, Marinemotore, und eine Vielzahl von Generatormotore und in einigen Fällen Gasturbinen und Luftverdichter.
  • Der Luftreiniger-Gesamtwirkungsgrad ist üblicherweise das Verhältnis der von dem Luftreiniger zurück gehaltenen Materialpartikel-Menge im Verhältnis zu den „filterbaren" Materialpartikeln, die während des Betriebes in den Luftreiniger eintreten. Es wird üblicherweise auf Gewichtsbasis angegeben: wieviel Prozent der in den Luftreiniger gelangenden Materialpartikel im Normalbetrieb von dem Luftreiniger zurückgehalten werden. Es wird für viele Systeme auf Basis der SAE Standards bewertet und berichtet, deren Techniken generell in U.S. Patent 5,423,892 at Column 25, line 60–Column 26, line 59; Column 27, lines 1–40 beschrieben sind. Ein typischer Standard, der verwertet wird ist SAE J726.
  • Hinsichtlich des Wirkungsgrades der Motorhersteller und/oder der Gerätehersteller sind die Spezifikationen unterschiedlich, bei den Wirkungsgradanforderungen (entweder auf Basis von SAE J726 oder Feldtests) werden in vielen Fällen für den Gesamtbetrieb oft 99,5% oder höher, üblicherweise 99,8% oder höher verlangt. Bei typischen Fahrzeugmotoren mit einem Luftbedarf von 850 m3/h (500 cfm) oder höher sind spezifizierte Gesamtwirkungsgrad-Durchschnitte von 99,8% oder höher nicht unüblich.
  • Anfangswirkungsgrad ist der messbare Wirkungsgrad des Filters, bei der ersten Inbetriebnahme. Wie in U.S. Patent 5,423,892 at Column 27, lines 1–40, beschrieben, ist speziell bei Filtern mit konventionell gefaltetem Papier (Sperr-Art bzw. Oberflächen-Beladungs-Art) der Anfangswirkungsgrad üblicherweise wesentlich geringer als der durchschnittliche Gesamtwirkungsgrad während des Betriebes. Dies ist bedingt durch den „Filterkuchen" bzw. die Ablagerungen auf der Oberfläche eines solchen Filters während des Betriebes, die den Wirkungsgrad des Filters erhöhen. Der Anfangswirkungsgrad wird oft auch von dem Motorhersteller und/oder dem Fahrzeughersteller spezifiziert. Bei typischen Fahrzeugmotoren, die einen Luftbedarf von 850 m3/h (500 cfm) oder grösser haben sind spezifizierte Wirkungsgradwerte von 98% oder mehr (üblicherweise 98,5% oder mehr) üblich.
  • Strömungswiderstand ist die Druckdifferenz über einen Luftreiniger oder ein Luftreinigersystem während des Betriebes. Zu dem Strömungswiderstand tragen bei: das Filtermedium durch das die Luft geführt wird, die Grösse des Kanals durch den die Luft geführt wird, und Eigenschaften von Strukturen, gegen die oder um die die Luft geführt wird, wenn sie durch den Luftreiniger und in den Motor strömt. Bei Luftreinigern sind Grenzen des Anfangsströmungs-Widerstandes oft Teil der Spezifikationen und Anforderungen des Motorherstellers und/oder des Geräteherstellers. Dieser Anfangsströmungs-Widerstand würde die über dem Luftreiniger gemessene Druckdifferenz sein, wenn das System mit einem sauberen Luftfilter in Betrieb genommen wird und bevor nennenswerte Beladungen des Filters auftreten. Üblicherweise enthalten die Spezifikationen für jedes gegebene System eine Maximalbedingung für den Anfangsströmungs-Widerstand.
  • Im allgemeinen legen Motor- und Gerate-Hersteller ihre Geräte mit Spezifikationen für den Luftreiniger-Wirkungsgrad bis zu einem maximalen Srömungswiderstand aus. Wie in U.S. Patent 5,423,892 at Column 2, lines 19–29; and column 6, line 47, column 7, line 3 beschrieben, ist die Strömungs-Widerstandsgrenze für typische LKW-Motore ein Druckverlust von ungefähr 51–76 cm WS (20–30 inch of water), oft ungefähr 64 cm WS (25 inch of water); für KFZ-Verbrennungskraftmaschinen ein Druckverlust von ungefähr 51–64 cm WS (20–25 inch of water); für Gasturbinen ein typischer Druckverlust von ungefähr 13 cm WS (5 inch of water); und für industrielle Lüftungssysteme ein typischer Druckverlust von ungefähr 8 cm WS (3 inch of water).
  • Im allgemeinen sind einige der Hauptvariablen, die Luftreinigerauslegung betreffen, um Systeme zu entwickeln, die die Arten der oben beschriebenen Spezifikationen erfüllen, die folgenden:
    • 1. Filtermedium Typ, Geometrie und Wirkungsgrad;
    • 2. Luftreiniger-Form und -Struktur; und
    • 3. Filterelementgrösse.
  • Z. B., sind konventionelle Zellulosefiltermedia oder gleichartige Media im allgemeinen ein „Sperr"-Filter („barrier" filter). Ein Beispiel sind Papiermedia. Im allgemeinen erfolgt der Betrieb solcher Media durch Oberflächenbeladung, d. h. wenn Luft durch das Medium geführt wird, wirkt die Oberfläche des Mediums als eine Sperre oder ein Sieb, das verhindert, dass Materialpartikel durch das Medium strömen. Mit der Zeit baut sich ein Staubkuchen auf der Oberfläche des Mediums auf, der den Wirkungsgrad des Mediums erhöht. Im allgemeinen bestimmt die „Dichtigkeit" oder „Porosität" der Faserkonstruktion den Wirkungsgrad, insbesondere den Anfangswirkungsgrad des Systems. Mit der Zeit beeinflusst (erhöht) der Filterkuchen den Wirkungsgrad.
  • Im allgemeinen werden solche Media oft durch ihre Durchlässigkeit definiert oder spezifiziert. Der Durchlässigkeitstest für Media ist allgemein in U.S. Patent 5,672,399 at Column 19, lines 27–39 beschrieben. Im allgemeinen ist es die Mediumoberflächengeschwindigkeit (Luft), die erforderlich ist, einen 1,3 cm WS (0,50 inch) Strömungswiderstand über ein flaches Blatt des Referenzmaterials, Mediums oder Verbund zu induzieren. Die Durchlässigkeit, wie sie hier gebraucht wird, wird durch einen Frazier Perm Test gemäss ASTM D737, der hier mit eingeschlossen ist, ermittelt, z. B. unter Verwendung eines Frazier Perm Testers, handelsüblich von Frazier Precision Instrument Co., Inc., Gaithersburg, Md. Oder durch einen analogen Test.
  • Die Durchlässigkeit von Zellulose-Filtermedia, die in vielen Arten von Motorfiltern für Lastkraftwagen verwendet werden, die einen Auslegungs-Luftbedarf von 85 m3/h (50 cfm) oder mehr haben und deren Filter von der Donaldson Company hergestellt wurden, beträgt weniger als ungefähr 4,57 m/min (15 fpm), typischerweise ungefähr 3,96 m/min (13 fpm). Allgemein sind im Motorfiltermarkt Filter für solche Geräte eine grosse Vielfalt von Sperrmedia (barrier media/pleated media) mit einer Durchlässigkeit von weniger als 7,62 m/min (25 fpm) und üblicherweise irgendwo im Bereich von 3,05–7,62 m/min (10–25 fpm) von zahlreichen Filterelement-Herstellern in grossem Umfang verwendet worden.
  • Den Wirkungsgrad betreffend variieren die Prinzipien in Bezug auf die involvierten Media-Arten. Z. B. werden Zellulosefaser- oder ähnliche Sperrfilter-Media generell im Hinblick auf den Wirkungsgrad variiert, dadurch dass die allgemeine Gesamtporosität oder die Durchlässigkeit variiert wird.
  • 5.C Ein typisches System: Motor-Lufteintritts-System
  • 21 zeigt eine schematische Darstellung eines Motor-Lufteintritts-Systems 130. Das System 130 ist ein Beispiel für Systeme, in denen die erfindungsgemässen Luftreiniger-Anordnungen und Konstruktionen einsetzbar sind. 21 zeigt schematisch ein Gerät 131, z. B. ein Fahrzeug mit einem Motor 132 mit einem gewissen definierten Auslegungs-Luftbedarf, z. B. mindestens 63 m3/h (370 cfm). Das Gerät 131 kann ein Bus, ein Schwer-Lastkraftwagen, ein Geländefahrzeug, ein Traktor, oder eine Marineanwendung, z. B. ein Motorboot sein. Der Motor 132 treibt das Gerät 131 unter Verwendung eines Luft-Brennstoff-Gemisches an. Gemäss 21 wird der Luftstrom am Eintrittsbereich 133 in den Motor angesaugt. Ein optionaler Turbolader 134 ist in gestrichelten Linien dargestellt, der optional den Lufteinlass in den Motor 132 aufladen kann. Ein Luftreiniger 135 mit einem Filterpaket 136 ist stromaufwärts von dem Motor 132 und dem Turbolader 134 angeordnet. Im Betrieb wird im allgemeinen Luft in Richtung des Pfeils 137 in den Luftreiniger 135 und durch das Filtermediumpaket 136 angesaugt. Dort werden Materialpartikel und Verunreinigungen aus dem Luftstrom entfernt. Die gereinigte Luft strömt in Richtung des Pfeils in den Eintritt 133. Von dort strömt die Luft in den Motor 132, um das Fahrzeug 131 anzutreiben.
  • Bei Motorsystemen beträgt die Temperatur unter der Motorhaube während des Betriebes des Motors üblicherweise mindestens 49°C (120°F) und oft im Bereich von 60°C–100°C (140°F–220°F) abhängig von den Betriebsbedingungen. Die Temperatur kann den Betriebswirkungsgrad des Filterelementes nachteilig beeinflussen. Vorschriften über Abgase können den Strömungswiderstand des Motorabgassystems erhöhen, wodurch die Temperatur weiter erhöht wird. Wie nachstehend beschrieben wird, kann durch die Konstruktion des Filtermediums in Form eines Verbundes aus einem Sperrmedium und mindestens einer einzelnen Schicht und in einigen Fällen mehreren Schichten von „Feinfasern" die Leistungsfähigkeit (insbesondere der Betriebswirkungsgrad) des Filterelementes gegenüber dem Stand der Technik gemässer Filterelemente, die nicht aus solchen Filtermedia-Verbindungen gefertigt sind, verbessert werden.
  • 5.D Beispiele von Luftreinigern
  • 22 zeigt eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Filterpaketes 140. Das bevorzugte Filterpaket 140 besitzt ein Filtermedium 142 und ein Dichtungssystem 144. In bevorzugten Konstruktionen ist das Filtermedium 142 so ausgelegt, dass es Materialpartikel aus einem Fluid, z. B. Luft, die das Filtermedium 142 passiert, entfernt; das Dichtungssystem 144 ist so ausgelegt, dass es das Filterpaket 140 gemäss 8 und 9 gegen eine Seitenwand eines Gehäuses oder eines Kanals abdichtet.
  • Die Filtermedium-Packung 140 gemäss 22–25 ist in US Patent Nr. 6,190,432 allgemein beschrieben.
  • In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen ist das Filtermedium 142 für „Durchgangsströmung" konfiguriert. „Durchgangsströmung" bedeutet, dass das Filtermedium 142 in einer Filterkonstruktion 146 konfiguriert ist, die eine erste Strömungsfläche 148 (in der dargestellten Ausführungsform einem Eintrittsende entsprechend) und eine gegenüberliegende zweite Strömungsfläche 150 (in der dargestellten Ausführungsform einem Austrittsende entsprechend) besitzt, wobei die Fluidströmung in einer Richtung 152 durch die erste Strömungsfläche 148 eintritt und in der gleichen Richtung 154 durch die zweite Strömungsfläche 150 austritt. Beim Einsatz in einem Durchgangsfilter-Gehäuse tritt das Fluid im allgemeinen durch die Eintrittsöffnung des Gehäuses in einer Richtung ein, tritt in der gleichen Richtung in die Filterkonstruktion 146 durch die erste Strömungsfläche 148 ein, verlässt die Filterkonstruktion 146 in der gleichen Richtung durch die zweite Strömungsfläche 150, und verlässt das Gehäuse durch den Gehäuseaustritt in der gleichen Richtung.
  • In 22 sind die erste Strömungsfläche 148 und die zweite Strömungsfläche 150 als Planar und parallel zueinander dargestellt. Bei anderen Ausführungsformen können die erste Strömungsfläche 148 und die zweite Strömungsfläche 150 nicht-planar sein, z. B. kegelstumpfförmig. Ferner müssen die erste Strömungsfläche 148 und die zweite Strömungsfläche 150 nicht notwendigerweise parallel zueinander sein.
  • Im allgemeinen ist die Filterkonstruktion 146 eine Wickelkonstruktion. D. h., die Filterkonstruktion 146 besteht üblicherweise aus einer Filtermediumschicht, die vollständig und wiederholt um ein Zentrum gewickelt ist. Üblicherweise ist die Wickelkonstruktion eine Spule bei der eine Filtermediumschicht mehrmals um ein Zentrum gewickelt ist. In Anordnungen, in denen eine gewickelte Spulen-Konstruktion verwendet wird, ist die Filterkonstruktion 146 eine Rolle eines Filtermediums, üblicherweise eines durchlässigen Faltenfiltermediums.
  • 23 ist eine schematische perspektivische Darstellung, die die Operations-Prinzipien bestimmter in den erfindungsgemässen Filterkonstruktionen verwendeter bevorzugter Filtermedien demonstriert. In 23 ist eine Faltenkonstruktion 156 dargestellt. Vorzugsweise besitzt die Faltenkonstruktion 156 eine Faltenschicht 157 mit mehreren Falten 158 und ein Deckblatt 160. Die Ausführungsform gemäss 22 zeigt zwei Teile des Deckblattes 160: ein Blatt 160A (oberhalb der Faltenschicht 157) und ein Blatt 160B (unterhalb der Faltenschicht 157). Üblicherweise besitzt die in erfindungsgemässen Ausführungsformen bevorzugte Filtermedium-Konstruktion 162 eine Faltenschicht 157, die mit dem unteren Deckblatt 160B verbunden ist. Bei der Verwendung dieser Filtermedia-Konstruktion 162 in einer Wickelkonstruktion, wird sie üblicherweise um sich selbst gewickelt, so dass das untere Deckblatt 160B die Oberseite der Faltenschicht 157 abdeckt. Die Abdeckung der Faltenschicht 157 durch das Deckblatt 160 ist durch das Blatt 160A dargestellt. Es ist zu beachten, dass das Deckblatt 160A und das Deckblatt 160B das gleiche Blatt 160 sind.
  • Bei Verwendung dieses Typs der Mediumkonstruktion 162 bilden die Faltenkammern 158 vorzugsweise alternierende Scheitel 164 und Mulden 166. Die Mulden 166 und die Scheitel 164 teilen die Falten in eine obere Reihe und eine untere Reihe. Bei der speziellen Konfiguration gemäss 23 sind die oberen Falten der Faltenkammern 168 an ihrem stromabwärts gelegenen Ende 178 geschlossen, während die Faltenkammern 170 der unteren Reihe an ihrem stromaufwärts gelegenen Ende 181 geschlossen sind. Die Faltenkammern 170 sind durch ein erstes Saumband 172 verschlossen, das einen Teil des stromaufwärtigen Endes 181 der Falten zwischen dem gewellten Blatt 171 und dem zweiten Deckblatt 116B füllt. In gleicher Weise verschliesst ein zweites Saumband 174 das stromabwärts gelegene Ende alternierender Falten 168.
  • Bei der Verwendung eines Filtermediums in der Form der Filtermedium-Konstruktion 162 tritt während des Betriebes ungefiltertes Fluid, z. B. Luft, dargestellt durch einen schattierten Pfeil 176 in die Faltenkammern 168 ein. Die Faltenkammern 168 sind an ihren stromaufwärts gelegenen Enden 169 offen. Der ungefilterte Fluidstrom kann nicht durch die stromabwärts gelegenen Enden 178 der Faltenkammern 168 strömen, da ihre stromabwärts gelegenen Enden 178 durch das zweite Saumband 174 verschlossen sind. Dadurch ist der Fluidstrom gezwungen durch das gewellte Blatt 171 oder durch das Deckblatt 160 zu strömen. Beim Durchströmen des gewellten Blattes 171 oder des Deckblattes 160 wird der Fluidstrom gereinigt bzw. gefiltert. Der gereinigte Fluidstrom ist durch die nicht schattierten Pfeile 180 dargestellte. Das Fluid passiert dann die Faltenkammern 170 (deren stromaufwärts gelegene Enden 181 verschlossen sind um durch die stromabwärts gelegenen offenen Enden 184 der Faltenkonstruktion 156 zu strömen. In der dargestellten Konfiguration kann das ungefilterte Fluid durch das gewellte Blatt 171, das obere Deckblatt 160A oder das untere Deckblatt 160B in eine Faltenkammer 170 strömen.
  • Üblicherweise wird die Filtermediumkonstruktion 162 vorbereitet und dann gewickelt, um eine gewickelte Filtermediumkonstruktion 146 zu bilden. Wenn diese Art der Filtermediumkonstruktion gewählt wird, beinhaltet die Filtermediumkonstruktion 162 die Faltenschicht 157, die durch das Saumband 172 mit dem unteren Deckblatt 160B verbunden ist (wie in 23 dargestellt, aber ohne das obere Deckblatt 160A).
  • In 22 ist die zweite Strömungsfläche 150 schematisch dargestellt. In einem Teil 182 sind die Falten einschließlich der offenen Enden 184 und der geschlossenen Enden 178 dargestellt. Es ist zu beachten, dass der Teil 112 repräsentativ für die gesamte Strömungsfläche 150 ist. Aus Gründen der Klarheit und der Vereinfachung sind die Falten in den restlichen Teilen 183 der Strömungsfläche 150 nicht dargestellt. Draufsichten und Bodenansichten und auch Seitenansichten eines Filterpaketes 140, das üblicherweise in den hier beschriebenen Systemen und Vorrichtungen eingesetzt wird, sind in der gemeinsam anhängigen und gemeinsam zugeordneten U.S.-Patentanmeldung, Anmelde-Nr. 29/101.193 , Anmeldetag: 26 Februar 1999 mit dem Titel „Filterelement Having Sealing System" dargestellt.
  • 24 zeigt die Filterkonstruktion 146 in einem Gehäuse 186 eingebaut (das Teil eines Lufteinlasskanals in einen Motor, einen Turbolader oder einen Luftreinigers 179 sein kann). In der dargestellten Anordnung strömt Luft bei 187 in das Gehäuse 186 ein, durch die Filterkonstruktion 146 und bei 188 aus dem Gehäuse 186 aus. Wenn Filtermedium Konstruktionen der dargestellten Art wie die Filterkonstruktion 146 in einem Kanal oder einem Gehäuse 186 verwendet werden, ist ein Dichtungssystem 144 erforderlich um sicher zustellen, dass die Luft durch die Filtermedium Konstruktion 146 strömt und nicht an ihr vorbei.
  • Das dargestellte spezielle Dichtungssystem 144 besitz einen Rahmen 190 und ein Dichtungselement 192. Bei Verwendung dieser Art des Dichtungssystems 144 bildet der Rahmen 190 eine Trag- oder Stütz-Konstruktion, gegen die das Dichtungselement 192 zusammengedrückt werden kann, um eine Radialdichtung 194 mit dem Kanal oder dem Gehäuse 186 zu bilden.
  • Bei der in 24 dargestellten speziellen Ausführungsform besitzt der Rahmen 190 eine steife Erhebung 196, die von mindestens einem Teil der ersten Strömungsfläche 148 oder der zweiten Strömungsfläche 150 der Filterkonstruktion 146 aufragt. Bei der in 24 dargestellten speziellen Anordnung erstreckt sich die steife Erhebung 196 axial von der zweiten Strömungsfläche 150 der Filterkonstruktion 146 weg.
  • Die dargestellte steife Erhebung 196 besitzt ein Paar einander gegenüber liegender Seiten 198 und 102, die durch eine Stirnkante miteinander verbunden sind. Bei bevorzugten Anordnungen bildet die erste Seite 198 oder die zweite Seite 102 ein Trag- oder Stützelement für das Dichtungselement 102, so dass die Dichtung 194 zwischen der und gegen die ausgewählte Seite 198 oder 102 des Gehäuses oder des Kanals gebildet werden kann. Wenn diese Art der Konstruktion verwendet wird, ist die Erhebung 96 ein durchgehendes Element, das eine geschlossene Reifenkonstruktion 106 (22) bildet.
  • Wenn diese Art der Konstruktion verwendet wird, umgibt ein Gehäuse oder ein Kanal die Erhebung 196 und die Reifenkonstruktion 106 einschliesslich des Dichtungselementes 192, um die Dichtung 194 zwischen der und gegen die äussere Seite 102 der Erhebung 196 und einer inneren Oberfläche 110 des Gehäuses oder des Kanals zu bilden.
  • In der in 24 dargestellten speziellen Ausführungsform ist das Dichtungselement 192 auch mit der Stirnkante 104 der Erhebung 196 derart in Eingriff, dass das Dichtungselement 192 die Erhebung 196 von der äusseren Seite 102 über die Stirnkante 104 bis zur inneren Seite 198 überdeckt.
  • Gemäss 22 und 24 besitzt der Rahmen 190 ein Band, eine Schürze oder eine anhängende Lippe 107, die verwendet wird, um den Rahmen 190 an der Mediumkonstruktion 146 zu befestigen. Die anhängende Lippe 107 erstreckt sich von Querstreben 108 aus einem ersten Abstand abwärts.
  • Während des Betriebes von Rahmen 190 der hier dargestellten Art werden auf den Umfang des Rahmens 190 nach innen gerichtete Kräfte ausgeübt. Kreuzstreben 108 stützen den Rahmen. Mit dem Begriff „stützen” ist gemeint, dass die Kreuzstreben 108 verhindern, dass der Rahmen 190 unter Wirkung der auf den Umfang des Rahmens 190 ausgeübten Kräfte radial kolabiert.
  • Die Stirnkante 104 bildet eine Tragkonstruktion für das kompressible Dichtungselement 192. Das kompressible Dichtungselement 192 ist vorzugsweise so konstruiert und angeordnet, dass es ausreichend kompressibel ist, um zwischen der Stirnkante 104 des Rahmens 190 und der Seitenwand 110 eines Gehäuses oder eines Kanals zusammengedrückt zu werden. Wenn das Dichtungselement 192 ausreichend zwischen der Stirnkante 104 und der Seitenwand 110 zusammengedrückt wird, wird eine radiale Dichtung 194 zwischen dem Filtermediumpaket 140 und der Seitenwand 110 gebildet.
  • Eine bevorzugte Konfiguration des Dichtungselementes 192 ist in 25 dargestellt. Die Stirnkante 104 des Rahmens 190 bildet eine Wand oder Tragkonstruktion, zwischen der und gegen die eine radiale Dichtung 194 von dem kompressiblen Dichtungselement 192 gebildet werden kann. Das Zusammendrücken des kompressiblen Dichtungselementes 192 in dem Dichtungssystem 144 reicht vorzugsweise aus, um bei Einbau-Drücken von nicht grösser als 80 lbs, üblicherweise nicht grösser als 50 lbs, d. h. ungefähr 20–40 lbs eine radiale Dichtung zu bilden; diese Drücke sind niedrig genug, um einen bequemen Austausch von Hand zu gestatten.
  • Bei der in 25 dargestellten Ausführungsform besitzt das Dichtungselement 192 im Querschnitt eine stufenförmige Konfiguration, deren äussere Dimensionen (Durchmesser bei kreisförmigen Grundriss) von einem ersten Ende 112 zu einem zweiten Ende 113 hin abnehmen, um die gewünschte Dichtung zu erzielen. Bevorzugte Spezifikationen für das Profil der in 25 dargestellten speziellen Ausführungsform sind folgende: Polyurethan Schaumstoff mit mehreren (vorzugsweise mindestens 3) progressiv grösseren Stufen, die so konfiguriert sind, dass sie mit der Seitenwand 110 eine Grenzschicht und eine fluiddichte Dichtung bilden.
  • Das kompressible Dichtungselement 192 besitzt Oberflächen mit graduell zunehmenden Durchmessern, um mit der Seitenwand 110 eine Grenzschicht zu bilden. Im Detail, bei dem in 25 dargestellten Beispiel besitzt das kompressible Dichtungselement 192 drei Stufen 114, 115 und 116. Die Querschnittsdimensionen bzw. die Breite der Stufen 114, 115 und 116 vergrössern sich je weiter die Stufe 114, 115 und 116 von dem zweiten Ende 113 des kompressiblen Dichtungselementes 192 entfernt angeordnet ist. Der kleinere Durchmesser an dem zweiten Ende 113 gestattet eine leichte Einführung in einen Kanal oder ein Gehäuse. Der grössere Durchmesser an dem ersten Ende 112 gewährleistet eine druckdichte Dichtung.
  • Im allgemeinen kann das Filterpaket 140 so angeordnet und konfiguriert werden, dass es in einer Presspassung an der Seitenwand 110 des Gehäuses 186 oder des Kanals anliegt. In der in 24 dargestellten speziellen Ausführungsform ist das kompressible Dichtungselement 192 zwischen der Seitenwand 110 und der Stirnkante 104 des Rahmens 190 zusammengepresst. Nach der Kompression übt das kompressible Dichtungselement 192 eine Kraft gegen die Seitenwand 110 aus, da das kompressible Dichtungselement 192 versucht sich in seinen ursprünglichen Zustand auszudehnen, wird die radiale Dichtung 94 zwischen und gegen die Stirnkante 104 der Seitenwand 110 gebildet.
  • In Verbindung mit dem Filterpaket 140 ist eine Vielfalt von Gehäusen verwendbar. Bei der in 24 dargestellten speziellen Ausführungsform besitzt das Gehäuse 186 einen Körper oder ein erstes Gehäuseteil 118 und einen lösbaren Deckel oder zweites Gehäuseteil 120. Bei einigen Ausführungsformen ist das erste Gehäuseteil 118 an einem Objekt, z. B. einem Lastkraftwagen, befestigt. Das zweite Gehäuseteil 120 ist mittels einer Verriegelung 122 lösbar an dem ersten Gehäuseteil 118 befestigt.
  • In der in 24 dargestellten Ausführungsform ist das zweite Ende 150 des Filtermediumpaketes 140 mit dem daran befestigten Rahmen 190 und dem kompressiblen Dichtungselement 192 in das erste Gehäuseteil 118 eingesetzt. Das Filtermediumpaket 140 ist in einer Presspassung derart in das erste Gehäuseteil 118 eingesetzt, dass das kompressible Dichtungselement 192 zwischen der Stirnkante 104 des Rahmens 190 und der Seitenwand 110 des ersten Gehäusteils 118 zusammengepresst wird, um zwischen diesen eine radiale Dichtung zu bilden.
  • Während des Betriebes der in 24 dargestellten Ausführungsform tritt das Fluid in der Richtung 187 in den Eintrittsbereich 124 des zweiten Gehäuseteiles 120 des Gehäuses 185 ein. Das Fluid durchströmt die Filterkonstruktion 146. Während das Fluid die Filterkonstruktion 146 durchströmt, werden Verunreinigungen aus dem Fluid entfernt. Das Fluid verlässt das Gehäuse 185 im Austrittsbereich 128 in der Richtung 188. Das komprimierbare Dichtungselement 192 des Dichtungssystems 144 bildet eine radiale Dichtung 194, um zu verhindern, dass verunreinigtes Fluid aus dem Gehäuse 185 austritt, ohne die Filterkonstruktion 146 durchflossen zu haben.
  • 26 zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Filtermediumpaketes 130. In der dargestellten Konstruktion besitzt das Filterpaket 130 ein Filtermedium 132 und ein Dichtungssystem 134. Das Filtermedium 132 ist ausgelegt, um Verunreinigungen aus einem Fluid, z. B. Luft, zu entfernen, das durch das Filtermedium 132 strömt. Das Dichtungssystem 134 ist ausgelegt, um das Filtermedium 132 gegen ein Gehäuse oder einen Kanal abzudichten.
  • Die Konstruktion und die Geometrie der Filtermedium-Packung 130 gemäss 26–27 ist in U.S. Patent Nr. 6,190,432 beschrieben, mit der Ausnahme der nachstehend in Kapitel 5.H beschriebenen bevorzugten Medium-Rezepturen.
  • Bei speziellen bevorzugten Anordnungen ist das Filtermedium 132 in einer Filterkonstruktion 136 mit einer ersten Strömungsfläche 138 und einer gegenüber liegenden Strömungsfläche 140 konfiguriert.
  • Die Filterkonstruktion 136 kann zahlreiche Konfigurationen und Querschnitts-Formen haben. In der speziellen Ausführungsform gemäss 26 besitzt die Filterkonstruktion 136 einen nicht-kreisförmigen Querschnitt. Insbesondere besitzt die in 26 dargestellte Ausführungsform der Filterkonstruktion 136 einen unrunden oder „rennbahn-förmigen" Querschnitt. Mit dem Begriff „rennbahn-förmiger" Querschnitt ist gemeint, dass die Filterkonstruktion 136 ein erstes halbkreisförmiges Ende 141 und ein zweites halbkreisförmiges Ende 142 besitzt, die durch ein Paar gerader Segmente 143 und 144 miteinander verbunden sind.
  • In 26 sind bestimmte Teile 146 des Filtermediumpaketes 130 dargestellt, die die Falten einschliesslich der offenen und der geschlossenen Enden zeigen. Es ist offensichtlich, dass dieser Teil oder dieser Abschnitt 146 die gesamte Strömungsfläche 140 repräsentiert (sowie auch die erste Strömungsfläche 138). Zum Zwecke der Klarheit und der Vereinfachung sind die Falten nicht in den restlichen Teilen 149 der Strömungsfläche 140 dargestellt. Draufsichten und Unteransichten und auch Seitenansichten des Filterpaketes 130, das in den hier beschriebenen Systemen und Vorrichtungen einsetzbar ist, sind in der gemeinsam eingereichten und gemeinsam zugeordneten U.S.-Patentanmeldung, Anmelde-Nr. 29/101,193 , Anmeldetag: 26 Februar 1999 und betitelt „Filter Element Having Sealing System" beschrieben.
  • Wie bei der Ausführungsform gemäss 22 besitzt das Filtermediumpaket 130 ein Dichtungssystem 134. Bei bevorzugten Ausführungsformen besitzt das Dichtungssystem 134 einen Rahmen 148 und ein Dichtungselement 150.
  • Der Rahmen 148 hat eine nicht-kreisförmige Form, z. B. eine unrunde und insbesondere eine „Rennbahn" Form; er ist so angeordnet und konfiguriert, dass er an das Ende des Filtermediums 132 anbringbar ist. Insbesondere besitzt der Rahmen 148 ein Band oder eine Schürze oder eine anhängende Lippe 151, die im allgemeinen „rennbahn-förmig" geformt ist. Die anhängende Lippe 151 erstreckt sich von den Querstreben 152 ein Stück abwärts und wird zur Befestigung des Rahmens 148 an der Filtermediumpackung 130 verwendet.
  • Während des Betriebes wirken bei der dargestellten Anordnung nach innen gerichtete Kräfte auf den Umfang des Rahmens 148. Die nach innen gerichteten Kräfte, die gegen die halbkreisförmigen Ende 141 und 142 wirken können zur Folge haben, dass sich die geraden Segmente 143 und 144 biegen oder knicken. Die Querstreben 152 sind vorgesehen, um die Steifigkeit der Konstruktion zu gewährleisten und die geraden Segmente 143 und 144 zu -stützen. Wie aus 26 ersichtlich ist, bilden die dargestellten speziellen Kreuzstreben 152 ein Rahmensystem zwischen den einander gegenüberliegenden geraden Segmenten 143 und 144. Das Rahmensystem 154 enthält mehrere steife Streben 156, die vorzugsweise als einzelne Teile mit dem restlichen Teil des Rahmens 148 geformt sind.
  • Der Rahmen 148 ist analog zu dem Rahmen 90 konstruiert. D. h., der Rahmen 148 besitzt eine Stirnkante 158 (27). Bei bevorzugten Anordnungen dient die Stirnkante 158 als ein ringförmiger Dichtungsträger. In bevorzugten Systemen besitzt das kompressible Dichtungselement 150 eine Struktur, die analog ist zu der Struktur des kompressiblen Dichtungselementes 92 gemäss 5.
  • Vorzugsweise wird das Filtermediumpaket 130 in einen Kanal oder in ein Luftreinigergehäuse eingebaut. Das in 27 dargestellte Gehäuse besteht aus zwei Gehäuseteilen, einem Deckel 160 und einem Gehäuseelement 162. Der Deckel 160 bildet einen Lufteintritt 164, das Gehäuseelement 162 bildet einen Luftaustritt 166. Das Gehäuse beinhaltet ferner stromaufwärts vor dem Filtermediumpaket 130 eine Vorreinigeranordnung 167; eine solche Vorreinigeranordnung ist in U.S. Patent Nr. 2,887,177 und 4,162,906 beschrieben. In der dargestellten Alusführungsform ist die Vorreinigeranordnung 167 in dem Deckel 160 angeordnet. Der Deckel 160 besitzt einen Staubauswurf 168, der in dem Vorreiniger 167 angesammelten Staub auswirft.
  • Das kompressible Dichtungselement 150 ist zwischen der Seitenwand 170 und der Stirnkante 158 des Rahmens 148 zusammengepresst. Durch den Press-Sitz des Filterpaketes 130 ist das kompressible Dichtungselement 150 zwischen dem Rahmen 148 (speziell in der besonderen dargestellten Ausführungsform der Stirnkante 158) und der Seitenwand 170 zusammengepresst. Nach der Zusammenpressung übt das kompressible Dichtungselement 150 eine Kraft gegen die Seitenwand 170 aus, da das kompressible Dichtungselement 150 versucht, sich nach aussen in seinen Ausgangszustand auszudehnen; dadurch wird eine radiale Dichtung 171 mit der Seitenwand 170 gebildet.
  • Bevorzugte Rezepturen für Filtermedia 132 sind nachstehend in Kapitel 5.H beschrieben.
  • Eine weitere Filteranordnung 174 ist in 28 dargestellt. Mit Ausnahme bevorzugter Filtermedia-Rezepturen, die nachstehend in Kapital 5.H beschrieben sind, ist die Filteranordnung 174 im U.S. Patent Nr. 5,820.646 beschrieben.
  • Die Filteranordnung 174 enthält eine Filtermediumpackung 176, die von einer Plattenkonstruktion 178 gehalten und getragen wird. Die Filteranordnung 174 besitzt ferner ein Gehäuse 180 mit einem Gehäusekörper 181 und einem entfernbaren Deckel 182. Die Plattenkonstruktion 178 hält die Filtermediumpackung 176 dichtend in dem Gehäuse 180; sie ist aus dem Gehäuse entfernbar und wieder einsetzbar.
  • Die Filtermediapackung 176 enthält ein Faltenfiltermedium 184, das wie oben in Verbindung mit 23 beschrieben, konstruiert ist.
  • 5.E Ein typisches System: Gasturbinen-Lufteintritt
  • In 29 ist der Lufteintritt 200 eines Gasturbinensystems dargestellt. Luft wird in Richtung der Pfeile 201 in das Eintrittssystem 200 angesaugt. Das Lufteintrittssystem 200 besitzt mehrere Luftfilteranordnungen 202, die generell in einem Rohrboden 203 befestigt sind. In bevorzugten Systemen ist der Rohrboden 203 so konstruiert, dass er die Filteranordnungen 202 in einem Winkel relativ zu einer vertikalen Achse hält. Bevorzugte Winkel liegen im Bereich von 5–25° z. B. ungefähr 7°. Dadurch kann Flüssigkeit von den Filteranordnungen 202 ablaufen, wenn das System 200 nicht in Betrieb ist.
  • Die Luft wird in den Luftfilteranordnungen 202 gereinigt und strömt dann stromabwärts in Richtung der Pfeile 204 in die Gasturbine 205, wo sie zur Leistungserzeugung verwendet wird.
  • In 33 ist ein Beispiel eines Lufteintrittes 210 einer Mikroturbine schematisch dargestellt. Im allgemeinen sind Mikroturbinen kleinere Versionen von Gasturbinen, die üblicherweise für Stand-By-Generatoren verwendet werden. In einigen Fällen haben solche Mikroturbinen Abmessungen von ungefähr 24 inch × 18 inch und eine Leistung, die üblicherweise zwischen 30 kW und 100 kW liegt. Diese Systeme haben üblicherweise einen Luftstrom zwischen 1.700 und 17.000 m3/h (1000 cfm und 10.000 cfm).
  • Gemäss 33 wird eine Luftströmung in Richtung der Pfeile 212 in das Lufteintrittssystem 211 gesaugt. Das Lufteintrittssystem 211 besitzt eine Filteranordnung 213. Während die Luft durch die Filteranordnung 213 gesaugt wird, wird die Luft in der Filteranordnung 213 gereinigt und strömt dann in Richtung der Pfeile 214 stromabwärts in eine Gasturbine 215. Die Gasturbine 215 treibt dann üblicherweise einen elektrischen Generator, einen Fluidkompressor oder eine Fluidpumpe an. Wie unten erläutert, kann die Konstruktion der Filteranordnung in Form eines Verbundes bestehend aus einer Sperrfiltermediumschicht und mindestens einer und in einigen Fällen mehreren Schichten aus „Feinfasern" die Leistungsfähigkeit (insbesondere den Betriebswirkungsgrad) der Filteranordnung gegenüber dem Stand der Technik gemässen Filtern, die nicht aus solchen Filtermedienverbunden gefertigt sind, verbessern.
  • 5.F Filteranordnungs-Beispiele für Gasturbinen Systeme
  • 30–32 zeigt ein Beispiel einer Luftfilteranordnung 202, die in einem Lufteintrittssystem 200 oder 210 einer Gasturbine einsetzbar ist. Die Luftfilteranordnung 202 ist in Commonly Assigned U.S.-Patentanmeldung, Anmelde-Nr. 09/437,867 , Anmeldetag: 10 November 1999 beschrieben, ausgenommen die im nachstehenden Kapitel 5.H beschriebenen Filtermedia-Rezepturen. Im allgemeinen enthält die Luftfilteranordnung 202 ein erstes oder Primär-Filterelement 220 (30 und 32) und ein zweites Filterelement 222 (31 und 32), das als ein Vorfilter arbeitet. Mit dem Begriff „Vorfilter" ist ein Abscheider gemeint, der stromaufwärts von dem Haupt- bzw. Primär-Filterelement 220 angeordnet ist, und der grosse Partikel aus dem Gasstrom entfernt. Das Primär-Filterelement 220 und das Vorfilterelement 222 sind vorzugsweise in einer Hülse 224 befestigt, die lösbar in einer Öffnung 226 eines Rohrbodens montiert ist. Im allgemeinen wird Luft in das Lufteintrittssystem 200 gesaugt, strömt dann erst durch das Vorfilterelement 222 und danach durch das Primär-Filterelement 220. Nach dem Verlassen des Primär-Filterelementes 220 wird die Luft in die Gasturbine 205 geleitet.
  • Im allgemeinen ist das Filterelement 220 aus Falten- oder Z-Form-Filtermedium 230, wie oben in Verbindung mit 2 und 3 beschrieben, hergestellt. Es ist zu beachten, dass die Austrittsfläche 228 in 30 schematisch dargestellt ist. D. h. es ist nur ein Teil der Austrittsfläche 228 mit Faltenkanälen dargestellt. Es ist jedoch offensichtlich, dass in typischen Systemen die gesamte Austrittsfläche 228 Faltenkanäle besitzt.
  • Das Filterelement 220 besitzt ein erstes Ende 232 und ein gegenüberliegendes zweites Ende 234. In der in 30 dargestellten Anordnung entspricht das erste Ende 232 einer stromaufwärts gelegenen Eintritts-Strömungsfläche 227, während das zweite Ende 234 einer stromabwärts gelegenen Austritts-Strömungsfläche 228 entspricht. Die Durchgangsströmung gestattet es Gasen in einer Strömungsrichtung in das erste Ende 232 einzutreten und das zweite Ende 234 in der gleichen Strömungsrichtung zu verlassen. Durchgangsströmungssysteme können den Umfang der Turbulenzen in der Gasströmung reduzieren.
  • Das Filtermedium 230 kann ein Polyester-Synthetik-Medium, ein Medium aus Zellulose oder Verschnitten aus diesen Materialarten sein und mit Feinfasern behandelt sein.
  • Vorzugsweise ist das Vorfilterelement 222 eine Faltenkonstruktion 236, die aus mehreren einzelnen Falten 237 besteht. Die Falten 237 sind in einer Zick-Zack-Art angeordnet. Vorfilterelemente 222 haben üblicherweise einen kreisförmigen Querschnitt.
  • Das Vorfilterelement 222 ist für Durchgangsströmung konfiguriert. Mit anderen Worten, die Luft strömt durch das Vorfilterelement 222, indem sie an einer Eintrittsströmungsfläche 238 eintritt und an einer gegenüber liegenden Austritts-Strömungsfläche 239 austritt, wobei die Richtung der an der Eintrittsströmungs-Flache 238 eintretenden Fluidströmung die gleiche Richtung ist, wie die Richtung in der die Fluidströmung die Austrittsströmungsfläche 239 verlässt.
  • Spezielle bevorzugte Ausführungsformen haben mindestens 15 Falten 237, nicht mehr als 80 Falten 237 und üblicherweise 30–50 Falten 237. Die Faltenkonstruktion 236 ist aus einem Medium 240 hergestellt, das in Form von Falten 237 gefaltet ist, die um einen zentralen Kern 241 zentriert sind. Brauchbare Media-Arten 240 schliessen ein: Glasfasern, oder alternativ im Luftstrom abgelegte Media. Spezifische Eigenschaften brauchbarer Media 240 schliessen ein: ein trocken-gelegtes Filtermedium aus zufallsorientierten Polyesterfasern, die ein Gespinst mit einem Flächengewicht von 92–112 g/m3 (2,7–3,3 oz/yd3), einer freien Dicke (d. h., bei 0,002 psi Kompression) von 6,4–10,2 mm (0,25–0,40 inch); und einer Durchlässigkeit von mindestens 122 m/min (400 ft/min) bilden.
  • Im allgemeinen ist das Vorfilterelement 222 ausbaubar und austauschbar in die Hülse 224 einsetzbar. Die Hülse 224 ist in weiteren Details nachstehend beschrieben. In speziellen Systemen wird das Vorfilterelement 222 dadurch in der Hülse gehalten, dass Endspitzen des Filtermediums 240 gegen die Innenwand der Hülse 224 gedrückt oder gepresst werden.
  • Bei bevorzugten erfindungsgemässen Filteranordnungen 202 ist die Hülse 224 an dem Primärfilterelement 220 befestigt und umgibt das Primärfilterelement 220. Im allgemeinen dient die Hülse 224 dazu, das Primär-Filterelement 220 in dem Lufteintrittssystem 200 in Position zu halten. Vorzugsweise halten auch Hülsen 224 die Vorfilterelemente 222 stromaufwärts von dem Primärelement 220 in Position.
  • Wie in 30 und 31 ersichtlich ist, hat die Hülse 224 einen Querschnitt, der zu dem Querschnitt des Primärfilterelementes 220 passt. Die Hülse 224 besitzt eine Umgebungswand 244, die derart in eine Form gekrümmt ist, dass ein Umfangsring 245 entsteht. Die Hülse 224 ist vorzugsweise relativ zum Primärfilterelement 220 so orientiert, dass sie sich mindestens 30% über die axiale Länge des Primar-Filterelementes 220 erstreckt. In vielen typischen Anordnungen wird sich die Hülse 224 um mehr als 50% über die axiale Länge des Primärfilterelementes 220 erstrecken. Tatsächlich wird sich bei den meisten bevorzugten Anordnungen die Hülse 224 über mindestens die gesamte Länge (d. h. 100%) der axialen Länge des Primärfilterelementes 220 erstrecken. In vielen typischen Anordnungen wird die Hülse 224 einen Radius von mindestens 25,4 cm (10 inch) typischerweise 38,1 bis 76,2 cm (15–30 inch) und in einigen Fällen nicht grösser als 127 cm (50 inch) haben.
  • Die Hülse 224 ist vorzugsweise mit einem Dichtungssystem konstruiert und angeordnet, so dass das Primärfilterelement 220 derart am Rohrboden 203 befestigt werden kann, dass ein Bypass des Primärfilterelementes 220 verhindert wird. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt die Hülse 224 einen Dichtungselement-Druckflansch 246. Der Druckflansch 246 umgibt mindestens teilweise und in vielen Fällen vollständig die Umfangswand 244 der Hülse 224. Der Dichtungselement-Druckflansch 246 dient als ein Rückhalt, der das Dichtungselement 248 stützt, um eine Dichtung 250 zwischen dem Flansch 246 und dem Rohrboden 203 zu schaffen. Der Flansch 246 erstreckt sich radial von der Wand 244 der Hülse 224 und umgibt das Dichtungselement 248 vollständig. Der Flansch 246 erstreckt sich radial von der Wand 244 über einen Abstand der ausreicht, das Dichtungselement 248 zu stützen.
  • Ein Riegel oder eine Halteklammer 252 (30) erstreckt sich über eine Verbindungsstelle 254, um die Hülse 224 in ihrer Endposition zu befestigen. Vorzugsweise ist die Halteklammer auf eine dauerhafte Art an der Hülse 224 befestigt; z. B. durch Ultraschallschweissen.
  • Es wird auf 32 verwiesen. Es ist zu sehen, dass der Flansch 246 das Dichtungselement 248 an der axialen Seite 256 stützt. Das Dichtungselement 248 ist üblicherweise ein Dichtungsring 258. Der Dichtungsring 258 ist vorzugsweise durch einen Klebstoff zwischen dem Dichtungsring 258 und der Seite 256 des Flansches 246 an dem Flansch 246 befestigt. Der Dichtungsring 258 ist so an dem Flansch 246 positioniert, dass der Dichtungsring 258 die Wand 244 und das Primärfilterelement 220 vollständig umgibt.
  • Die dargestellte Anordnung enthält ferner ein System, die Hülse 224 an den Rohrboden 203 anzuklammern. In der dargestellten Ausführungsform besitzt das Klammersystem mehrere Riegel oder Klammern 260. Es sollten ausreichend Riegel oder Klammern 260 vorgesehen sein, um eine gute gasdichte Dichtung 250 zwischen dem Flansch 246 und dem Rohrboden 203 zu bilden, wenn die Hülse 224 operativ in dem Rohrboden 203 installiert ist; z. B. dargestellt sind vier Klammern 260. In 32 ist die Klammer 260 im Querschnitt dargestellt. Jede der Klammern 260 besitzt einen Hebel 261, eine Nase 262 und eine Platte 263. Die Platte 263 besitzt Öffnungen zur Aufnahme eines Befestigungselementes, wie z. B. eines Bolzens 264, um die Klammer 260 an dem Rohrboden 203 zu befestigen. Die Nase 262 dient dazu, einen Druck auf den Flansch 246 auszuüben und das Dichtungselement 248 gegen den Rohrboden 203 zu drücken. Der Hebel 261 dient dazu, die Nase 262 selektiv in Richtung auf den Rohrboden 203 und von dem Rohrboden 203 weg zu bewegen. Bei anderen Ausführungsformen kann die Klammer 260 von Hand angezogen werden, z. B. unter Verwendung von Flügelmuttern.
  • Bei einem typischen Betrieb beträgt der Gesamtdruckverlust durch die Filteranordnung 202 ungefähr 1,52 bis 4,05 cm WS (0,6–1,6 inch of water). Dabei sind sowohl das Primärfilterelement 220 als auch der Vorfilter 222 eingeschlossen. Üblicherweise beträgt der Druckverlust durch den Vorfilter 222 allein 0,51–1,52 cm WS (0,2–0,6 inch of water), während der Druckverlust durch das Primärfilterelement 220 allein ungefähr 1,02–2,54 cm WS (0,4–1,0 inch of water) beträgt.
  • Ein anderes Beispiel einer Luftfilteranordnung 213, die in dem System 304 oder dem System 302 einsetzbar ist, ist in 34–36 dargestellt. Die Luftfilteranordnung ist in der Commonly Assigned U.S.-Patentanmeldung, Anmelde-Nr. 09/593,257 , Anmeldetag 13 Juni 2000 beschrieben, mit Ausnahme der in Kapitel 5.H beschriebenen Filtermedia-Rezepturen.
  • 35 zeigt die Filteranordnung 213 in einer nicht zusammengebauten Explosionsdarstellung, während 34 die Filteranordnung 213 in einem zusammengebauten Zustand fertig für den Betrieb zeigt. Im allgemeinen enthält die Luftfilteranordnung 213 einen Feuchteseparator 270, eine Filteranordnung 272 und ein Filtergehäuse 274. Das Filtergehäuse 274 ist für den Betrieb üblicherweise in einem Rohrboden 276 befestigt. Vorzugsweise ist das Filtergehäuse 274 in dem Rohrboden 276 dadurch befestigt, dass das Gehäuse 274 mit dem Rohrboden 276 verschweisst ist, oder dass das Gehäuse 274 mit Bolzen an den Rohrboden 276 angeschraubt ist.
  • Eine Zugangstür 278 gewährleistet im zusammengebauten Zustand Zugang zu der Filteranordnung 213 und gestattet, dass Luft in das System 302 angesaugt wird. Generell ist die Zugangstür 278 so ausgelegt und konstruiert, dass sie zu dem jeweiligen Gehäuse des Systems, wie z. B. des Systems 302 gemäss 33 passt; die Zugangstür 78 wird in der Filteranordnung 213 installiert und gewährleistet Zugang zu der Filteranordnung, wenn sie eingebaut ist. Die Zugangstür 278 ist ferner so ausgelegt und kostruiert, dass sie den Lufteintritt in das System 210 ( 33) gestattet.
  • Die Zugangstür 278 besitzt vorzugsweise eine Strömungswiderstands-Anordnung 280. Im allgemeinen leitet die Strömungswiderstands-Anordnung 280 die Luftströmung in die Filteranordnung 213 in einer speziellen Richtung, um den Strömungswiderstand durch das System 203 zu reduzieren. Die Strömungswiderstands-Anordnung 280 unterstützt ferner die Geräuschdämpfung. Bei der in 34 dargestellten Ausführungsform ist die Strömungswiderstands-Anordnung 280 als eine Mehrzahl von Jalousien 282 dargestellt. Die Jalousien 282 unterstützen ferner den Schutz des Systems 210 vor dem Eintritt grosser Objekte und dem Eintritt von Feuchtigkeit in das System 302 (33). Die Jalousien 282 unterstützen ferner die Geräuschdämpfung.
  • Feuchtigkeit in der Eintrittsluft kann die Filteranordnung 272 beschädigen, d. h. sie kann zum Rosten der inneren Komponenten des Systems 302 beitragen. Um eine solche Beschädigung zu verhindern, besitzt die Filteranordnung Feuchtigkeitsseparatoren 270. Die Feuchtigkeitsseparatoren 270 separieren und sammeln die Feuchtigkeit des eintretenden Luftstroms, bevor es die Filteranordnung 272 erreicht. In einer Ausführungsform besitzt der Feuchtigkeits-Separator 270 mehrere ebene Gitter, z. B. Drahtgaze.
  • Im allgemeinen entfernt die Filteranordnung 272 Verunreinigungen aus dem eintretenden Luftstrom 212 (33) bevor der Luftstrom in den inneren Mechanismus des Systems 302 eintritt. Vorzugsweise ist die Filteranordnung 270 so konfiguriert, dass sie Durchgangsströmung direkt durch die Filteranordnung 277 gestattet, die an einer Eintrittsströmungsfläche 284 eintritt und an einer gegenüber liegenden Austrittsströmungsfläche 285 austritt, wobei die Strömungsrichtung des in die Eintrittsströmungsfläche 284 eintretenden Fluidstromes die gleiche Richtung hat wie der aus der Austrittsströmungsfläche 285 austretende Fluidstrom.
  • Die Filteranordnung 272 enthält eine Filtermediumpackung 286, die aus in einen Zylinder gerollten Faltenfiltermedium 288 geformt ist, wie oben in Verbindung mit 22 und 23 beschrieben. Das Filtermedium 288 kann ein Polyester-Synthetik-Medium, ein Medium aus Zellulose oder Verschnitte dieser Materialarten sein und mit einer Feinfaser- Beschichtung oder -Schicht behandelt sein. Bevorzugte Mediarezepturen sind nachstehend in Kapitel 5.H beschrieben.
  • Die dargestellte Filteranordnung 272 besitzt eine Zugmechanik 290. Die Zugmechanik 290 ist so konstruiert, dass sie einem Benutzer gestattet, die Filteranordnung 272 leicht aus dem Filtergehäuse 274 zu entnehmen. In der dargestellten Ausführungsform besitzt die Zugmechanik 290 einen Handgriff 292 und eine Haltemechanik 294 (34). Üblicherweise ist der Handgriff 292 ein Knopf 296. In der dargestellten Ausführungsform in 34 besitzt die Haltemechanik 294 einen an dem Knopf 296 befestigten Bolzen 298 und eine Mutter 299 am anderen Ende des Bolzens. Alternativ können die Zugmechanik und der Kern des Filtermediums eine integrierte Einheit sein.
  • Im allgemeinen ist das Filtergehäuse 274 so konstruiert, dass es die Filteranordnung 272 aufnehmen und halten kann und die Dichtung mit der Filteranordnung 272 gewährleistet. In der in 16 dargestellten Ausführungsform besitzt das Filtergehäuse 274 einen Übergangsbereich 302, der von einer Aussenwand 304 mit einem Winkel von mindestens 10°, vorzugsweise zwischen 10 und 210° und bevorzugterweise ungefähr 15° geneigt ist. Der Übergangsbereich 302 unterstützt die Dichtung der Filteranordnung 27, wie später detaillierter beschrieben wird.
  • Das Filtergehäuse 274 besitzt ferner einen Befestigungsflansch 306. Mit dem Befestigungsflansch 306 wird das Gehäuse 274 mittels einer Befestigungsanordnung (z. B. Bolzen) an dem Rohrboden 276 befestigt. Das Gehäuse 274 besitzt ferner eine Anschlag-Konstruktion 308. Die Anschlag-Konstruktion 308 positioniert die Filteranordnung 272 in dem Gehäuse 274, um zu verhindern, dass die Filteranordnung 272 zu weit in das Gehäuse 274 gestossen wird. Der Anschlag 308 unterstützt ferner die Gewährleistung einer einwandfreien Dichtung zwischen der Filteranordnung 272 und dem Gehäuse 274.
  • Die Anschlagkonstruktion 308 besitzt einen Anschlag 310. Vorzugsweise ragt der Anschlag 310 ein Stück von der Aussenwand 304 weg, das ausreicht zu verhindern, dass die Filteranordnung 272 an dem Anschlag vorbeigeschoben werden kann. Während des Betriebes ruht die Filteranordnung 272 auf einer Oberfläche 311 des Anschlags 310.
  • Die Filteranordnung 272 besitzt ferner einen Dichtungsring 312. Der Dichtungsring 312 dichtet die Filteranordnung 272 in dem Filtergehäuse 274 ab und verhindert dadurch, dass Luft zwischen der Filteranordnung 272 und dem Filtergehäuse 274 an der Filteranordnung 272 vorbeiströmt und in das System 302 eintritt. Dadurch wird sichergestellt, dass der Luftstrom im wesentlichen durch die Filteranordnung 272 geht. Bei der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der Dichtungsring 312 um den Umfang der radialen Kante der Filteranordnung 272. Bei der Ausführungsform besteht der Dichtungsring 312 aus geschlossenporigem Schaumstoff; natürlich kann der Dichtungsring 312 auch aus anderen geeigneten Materialien bestehen.
  • Während des Betriebes dichtet der Dichtungsring 212 eine Verbindungsstelle 314 zwischen der Filteranordnung 272 und dem Filtergehäuse 274 ab. Bei dem Einbau wird die Filteranordnung 272 in das Gehäuse 274 eingeführt, bis ein Ende 315 der Filteranordnung 272 an dem Anschlag 310 anliegt. Wenn die Filteranordnung 272 eingebaut wird, wird der Dichtungsring 312 im Übergangsbereich zwischen der Filteranordnung 272 und dem Gehäuse 274 zusammen gedrückt, so dass er die Verbindungsstelle 314 abdichtet.
  • Während des Zusammenbaus wird das Filtergehäuse 274 in den Rohrboden 276 geschoben, bis der Befestigungsflansch 306 des Filtergehäuses 274 an dem Rohrboden 276 anliegt. Als nächstes wird die Filteranordnung 272 in das Filtergehäuse 274 eingesetzt. Die Filteranordnung 272 wird in das Filtergehäuse 274 geschoben, bis das Ende 315 der Filteranordnung an dem Anschlag 310 anliegt. Der Dichtungsring wird teilweise zusammen gedrückt so dass die Filteranordnung 272 saugend in dem Filrergehäuse 274 gehalten wird.
  • Im Betrieb wird die Filteranordnung 213 gemäss 33 wie folgt verwendet: In dem System 302 zu filternde Luft wird in Richtung der Pfeile 212 in das Lufteintrittssystem 211 geführt. Die Luft strömt durch die Filteranordnung 272. Die Luft tritt an der Eintritts-Strömungsfläche 284 ein, strömt durch die Filterfaltenkonstruktion 288 und tritt durch die Austritts-Strömungsfläche 285 aus. Von dort wird die Luft in die Turbine 215 oder den Generator geführt.
  • 5.G Ein typisches System: Brennstoffzellen-Lufteintritt
  • In 37 ist ein Brennstoffzellen-Lufteintritt schematisch dargestellt. Wie in 37 dargestellt tritt atmosphärische oder Umgebungsluft 331 durch einen Lufteintritt 333 in eine Filteranordnung 332 ein. Vor dem Eintritt in die Filteranordnung 332 ist die atmosphärische Luft 331 schmutzige Luft, d. h. sie enthält zahlreiche physikalische (z. B. Materialpartikel) und chemische Verunreinigungen. Die Filteranordnung 332 ist so konstruiert, dass sie die zahlreichen Verunreinigungen aus der schmutzigen Luft entfernt, so dass aus der Filteranordnung 332 saubere Luft bzw. Reinluft 334 austritt. Die Reinluft 334 ist die Eintrittsluft für eine Brennstoffzelle 335, die zur Energieerzeugung verwendet wird.
  • Gemäss 37 tritt die atmosphärische Luft 331 als schmutzige Luft durch den Lufteintritt 333 des Gehäuses 336 in die Filteranordnung 332 ein und strömt zu der Schmutzluftseite 337 des Filterelementes 338. Während die Luft durch das Filterelement 338 zu der Reinluftseite 339 strömt, werden Verunreinigungen durch das Filterelement 338 entfernt, um gefilterte Reinluft 334 zu liefern. Die Reinluft 334 verlässt die Filteranordnung 332 des Gehäuses 336 und wird von dem Gerät 341 verwendet.
  • Die Filteranordnung 332 enthält ferner optional ein Geräuschdämpfungs-Element 342, um die Lautstärke und den Geräuschpegel, der von dem Gerät 341 ausgestrahlt wird, zu reduzieren oder zu unterdrücken. Das Geräusch-Dämpfungselement 342 kann in dem Gehäuse 336 angeordnet sein; bei einigen Ausführungsformen wird das Geräuschdämpfungs-Element 342 durch das Gehäuse 336 gebildet.
  • Das Gerät 341 enthält einen Kompressor 343, der Luft zu der Brennstoffzelle 335 liefert, die für ihre katalytische Reaktion gebraucht wird. Der Kompressor 343 strahlt Geräusche aus, üblicherweise in dem Bereich von 3 Hz bis 30.000 Hz, manchmal bis zu 50.000 Hz mit einem Schallpegel von 85 bis 110 dB in 1 m Entfernung. Das Dämpfungselement 342 reduziert den Schallpegel, der sich stromaufwärts von dem Kompressor 343 bewegt um mindestens 3 dB, üblicherweise um mindestens 6 dB und vorzugsweise um mindestens 25 dB.
  • Die Brennstoffzelle 335 verbraucht Wasserstoff-Brennstoff 345, erzeugt Leistung 347 und gibt als Abfallprodukte Wasser und Kohlendioxyd 346 ab. Im allgemeinen sind Brennstoffzellen Geräte, die aus zwei Elektroden (einer Anode und einer Kathode) bestehen, die einen Elektrolyt einschliessen. Ein Brennstoff der Wasserstoff enthält fliesst zu der Anode, wo die Wasserstoffelektronen freigesetzt werden und positiv geladene Ionen zurücklassen. Die Elektronen wandern durch einen externen Kreislauf, in dem die Ionen durch den Elektrolyt diffundieren. An der Kathode vereinigen sich die Elektronen mit den Wasserstoffionen und Sauerstoff, um Wasser und Kohlenstoffdioxyd als Abfallprodukte zu bilden. Eine übliche Sauerstoffquelle ist Luft. Um die kathodische Reaktion zu beschleunigen, wird of ein Katalyt verwendet. Katalyte, die oft in der Brennstoffzellen-Reaktion verwendet werden, sind z. B.: Nickel, Platin, Palladium, Kobalt, Cesium, Neodym, und andere seltene Erdenmetalle. Die Reaktionspartner in der Brennstoffzelle sind Wasserstoff-Brennstoff und ein Oxidationsmittel.
  • „Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen" arbeiten üblicherweise bei Temperaturen von ungefähr 70°C–100°C, manchmal bis zu 200°C. „Hochtemperatur-Brennstoffzellen" sind infolge ihrer höheren Betriebstemperatur üblicherweise nicht so empfindlich gegen chemische Verunreinigungen. Hochtemperatur-Brennstoffzellen sind jedoch empfindlich gegen Materialpartikel-Verunreinigungen und einige Arten der chemischen Verunreinigungen, somit profitieren Hochtemperatur-Brennstoffzellen von den erfindungsgemässen Filterungseigenschaften. Ein Typ der Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen wird allgemein als „PEM" bezeichnet, dieser Name ist begründet durch die Verwendung einer „proton exchange membrane". Beispiele verschiedener Arten von Brennstoffzellen, die in Verbindung mit der erfindungsgemässen Filteranordnung verwendet werden können, schliessen z. B. ein: U.S. Patent Nr. 6,110,611 ; 6,117,579 ; 6,103,415 und 6,038,637 . Zahlreiche Brennstoffzellen sind handelsüblich, z. B. von Ballard Power Systems, Inc. of Vancouver, Canada; International Fuel Cells of Connecticut; Proton Energy Systems, Inc. of Rocky Hill, CT; American Fuel Cell Corp. of Massachusetts; Siemens AG of Erlangen, Germany; Energy Partner, L. C. of Florida; General Motors of Detroit, MI; und Toyota Motor Corporation of Japan.
  • Die nachstehend beschriebenen Filteranordnungen entfernen Verunreinigungen aus der atmosphärischen Luft, bevor die Luft in dem Brennstoffzellen-Betrieb verwendet wird. Wie nachstehend erläutert wird, kann die Konstruktion der Filteranordnung in Form eines Verbundes aus einem Sperrfiltermedium und mindestens einer Schicht und in einigen Fällen mehreren Schichten aus „Feinfasern" die Leistungsfähigkeit (insbesondere den Betriebswirkungsgrad) der Filteranordnung verbessern. Die Feinfaser-Behandlung ist bei den meisten Filtergeometrien und Filterumgebungen vorteilhaft zur Verbesserung des Filterwirkungsgrades. Bei gewissen harten Umgebungsbedingungen mit einer Filtertemperatur über 49°C (120°F), wobei sowohl Niedrig-Temperatur- als auch Hochtemperatur-Brennstoffzellen betroffen sind, können die Feinfasern oft überleben und verlängerte Filterstandzeiten gewährleisten.
  • 5.H. Filteranordnungs-Beispiel für Brennstoffzellen-Lufteintritts-Systeme
  • 38 zeigt eine Filteranordnung 350, die in einem Lufteintrittssystem gemäss 37 für Brennstoffzellen einsetzbar ist. Die Filteranordnung 350 besitzt ein Gehäuse 352, das einen Eintritt 354 und einem Austritt 356 bildet. Schmutzige Luft tritt durch den Eintritt 354 in die Filteranordnung 350 ein und Reinluft tritt durch den Austritt 356 aus.
  • In dem Filtergehäuse 352 ist ein Filterelement 358 und ein Geräuschdämpfungs-Element 360 angeordnet. Das Dämpfungselement 360 besitzt einen ersten Resonator 361 und einen zweiten Resonator 362. Der erste Resonator 361 ist so ausgelegt, dass er Schwingungen von ungefähr 900 Hz dämpft und der zweite Resonator 362 ist so ausgelegt, dass er Schwingungen von ungefähr 550 Hz dämpft.
  • Das Filterelement 358 in 38 ist generell analog dem Filterelement 40 gemäss 22 konstruiert. D. h., es enthält ein Filtermediumpaket 364 aus einem Faltenfiltermedium 366 (wie in Verbindung mit 3 beschrieben), das zu dem Filterelement 358 gerollt ist.
  • Wenn das Filterelement 358 in Verbindung mit einem Durchströmungsgehäuse 352 verwendet wird, tritt Luft durch den Eintritt 354 des Gehäuses 352 in einer Richtung ein, tritt in der gleichen Richtung durch eine erste Strömungsfläche 368 in das Filterelement 358 ein, verlässt in der gleichen Richtung das Filterelement 358 durch eine zweite Strömungsfläche 370 und tritt auch in der gleichen Richtung durch einen Austritt 356 aus dem Gehäuse 352 aus.
  • Wie bei der Ausführungsform gemäss 22 und 24 wird durch das Zusammendrücken eines Dichtungsringes 374 zwischen einem Rahmen 376 und einer inneren Dichtungsfläche 378 des Gehäuses eine Radialdichtung 372 gebildet.
  • Die Filteranordnung 350 enthält vorzugsweise ferner einen Teil, der ausgelegt ist, um Verunreinigungen aus der Atmosphäre entweder durch Adsorption oder Absorption zu entfernen. Die hier verwendeten Begriffe „adsorbieren", Adsorption", „adsorbent", o. dgl. beinhalten die Anwendungen der Mechanismen sowohl der Absorption als auch der Adsorption.
  • Der Chemikalien entfernende Teil enthält üblicherweise sowohl physikalische als auch chemische Sorbtionsmittel, wie z. B. Trocknungsmittel (d. h. Materialien, die sowohl Wasser als auch Wasserdampf adsorbieren oder absorbieren) oder Materialien, die flüchtige organische Komponenten und/oder saure Gase und/oder basische Gase adsorbieren oder absorbieren. Die Ausdrücke „adsorbierendes Material", „Absorptions-Material", "adsorbatives Material", „absorbierendes Material", Absorptionsmaterial", „absorbatives Material" und alle Varianten davon schliessen alle Materialien ein, die chemische Verunreinigungen durch Adsorption oder Absorption entfernen. Geeignete adsorbierende Materialien sind z. B.: aktivierter Kohlenstoff, aktivierte Kohlenstoff-Fasern, imprägnierter Kohlenstoff, aktiviertes Aluminium, Molekular-Siebe, Ionenaustauscher-Harze, Ionenaustauscher-Fasern, Silica-Gel, Aluminium und Silicium. Alle diese Materialien können mit Materialien wie z. B. Kalium-Permanganat, Calcium Carbonat, Kalium Carbonat, Natrium Carbonat, Calcium Sulfat, Zitronensäure oder Mischungen davon kombiniert, beschichtet oder imprägniert werden. In einigen Ausführungsformen kann das adsorbierende Material mit einem zweiten Material kombiniert oder imprägniert werden.
  • Adsorbierendes Material schliesst üblicherweise Partikel- oder Granulat-Material ein und kann vorliegen als Körnchen, Perlen, Fasern, feines Pulver, Nanostrukturen, Nanoröhrchen und Aerogels; sie können als eine Beschichtung auf einem Basismaterial wie z. B. keramischen Perlen, monolitischen Strukturen, Papiermedia oder metallischen Oberflächen verwendet werden. Üblicherweise werden die adsorbierenden Materialien insbesondere Partikel oder Granulat-Materialien als ein Materialbett vorgesehen.
  • Alternativ können die adsorbierenden Materialien in eine monolitische oder unitäre Form umgeformt werden, wie z. B. als grosse Tabletten, Körner, Perlen, faltbare Strukturen oder Bienenwaben-Strukturen, die optional weiter geformt werden können. In mindestens einigen Fällen kann das umgeformte Adsorber-Material während der normalen oder erwarteten Standzeit der Filteranordnung seine Form weitgehend beibehalten. Das geformte Adsorber-Material kann aus einem rieselfähigen Partikel-Material kombiniert mit einem festen oder flüssigen Bindemittel geformt werden, das dann in einen nicht-rieselfähigen Artikel geformt wird. Das umgeformte Adsorbermaterial kann dann z. B. durch Giessen, Druckgiessen oder Strangdruckgiessen geformt werden. Umgeformte Adsorberartikel sind z. B. in U.S. Patent Nr. 5,189,092 (Koslow) und 5,331,037 (Koslow) beschrieben.
  • Der für die Herstellung umgeformter Partikel verwendete Binder kann trocken sein, d. h. er kann Pulver- und/oder Granulatform besitzen, oder der Binder kann eine Flüssigkeit, eine Lösung oder eine Dispersion sein. Spezielle Binder, wie z. B. feuchtigkeit-aushärtende Uretane und Materialien, die üblicherweise als „heißschmelzend" bezeichnet werden, können in einem Sprühprozess direkt auf das Adsorbermaterial aufgetragen werden. Bei einigen Ausführungsformen wird ein temporärer Binder einschliesslich einer Lösung oder einer Dispersion, der während des Formprozesses entfernt werden kann, verwendet. Geeignete Binder sind, z. B. Latex, mikrocrystalline Zellulose, Polyvinil Alkohol, Ethylenvinyl Acetat, Stärke, Carboxyl Methyl Zellulose, Polyvinylporrolidon, Dicalcium Phosphat Dihydrid und Natrium Silikat. Vorzugsweise enthält die Verbindung eines umgeformten Materials mindestens ungefähr 70 Gew.-% und üblicherweise nicht mehr als ungefähr 98 Gew.-% Adsorbermaterial. In einigen Fällen enthält das umgeformte Adsorbermaterial 85–95 Gew.-%, vorzugsweise ungefähr 90 Gew.-% Adsorbermaterial. Das umgeformte Adsorbermaterial enthält nicht weniger als ungefähr 2 Gew.-% Binder und nicht mehr als ungefähr 30 Gew.-% Binder.
  • Eine andere Ausführungsform eines geeigneten Adsorbermaterials zur Verwendung in dem Filterbereich zur Entfernung chemikalischer Verunreinigungen ist ein Adsorbermaterial, das einen Träger einschliesst. Z. B. können ein Sieb oder ein Baumwollstoff verwendet werden, um das Adsorber-Material und den Binder zu halten. Polyester oder andere geeignete Materialien können als Sieb oder als Baumwollstoff verwendet werden. Üblicherweise hat jeder Träger nicht mehr als ungefähr 50 Gew.-% des Adsorbermaterials und öfter 20–40 Gew.-% des gesamten Adsorbergewichts. Die Menge des Binders in dem umgeformten Adsorberartikel liegt üblicherweise im Bereich von ungefähr 10 bis 50% des gesamten Adsorbergewichts und die Menge des Adsorbermaterials liegt üblicherweise im Bereich von 20 bis 50% des gesamten Adsorbergewichts.
  • Der Chemikalien entfernende Teil kann starke basische Materialien zur Entfernung von sauren Verunreinigungen aus der Luft oder starke saure Materialien zur Entfernung von basischen Verunreinigungen aus der Luft oder beide enthalten. Vorzugsweise sind die basischen Materialien und die sauren Materialien voneinander entfernt, so dass sie sich nicht gegeneinander aufheben. Bei einigen Ausführungsformen kann das adsorbierende Material selbst das starke saure oder das starke basische Material sein. Beispiele für solche Materialien schliessen Materialien ein wie z. B.: Polymerpartikel, Aktivkohlemedia, Zeolite, Tone, Silica-Gele und Metalloxide. In anderen Ausführungsformen können die starken sauren Materialien und die starken basischen Materialien als Oberflächenbeschichtungen auf Trägern wie z. B. Granulat-Partikeln, Perlen, Fasern, feinen Pulvern, Nanorohren und Aerogels vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können die sauren und basischen Materialien, die die sauren und basischen Oberflächen bilden in mindestens einem Teil des Trägers vorhanden sein, dies kann z. B. durch eine Beschichtung oder eine Imprägnierung des Trägermaterials mit dem sauren oder dem basischen Material geschehen.
  • Sowohl basische als auch saure Materialien können in dem Chemikalien entfernenden Teil des Filterelementes vorgesehen sein. Es wird jedoch bevorzugt, dass die beiden Materialarten mit Abstand zueinander angeordnet werden, so dass sie nicht miteinander reagieren und sich nicht gegenseitig neutralisieren. Bei einigen Ausführungsformen können das basische Material und das saubere Material oder beide in Abstand von einem Adsorbermaterial, z. B. aktivierter Kohlenstoff, angeordnet sein.
  • Beispiele saurer Komponenten, die oft in der atmosphärischen Luft vorhanden sind, und die als Verunreinigungen für Brennstoffzellen betrachtet werden, schliessen ein: Schwefel-Oxide, Stickstoff-Oxide, Wasserstoff-Sulfide Wasserstoff-Chloride und flüchtige organische Säuren und nichtflüchtige organische Säuren. Beispiele basischer Materialien, die oft in der atmosphärischen Luft vorhanden sind und die als Verunreinigungen für Brennstoffzellen betrachtet werden schliessen ein: Amoniak, Amine, Amide, Natrium Hydroxide, Lithium Hydroxide, Kalium Hydroxide, flüchtige organische Basen und nichtflüchtige organische Basen.
  • In den PEM Brennstoff-Zellen findet die kathodische Reaktion unter sauren Bedingungen statt, d. h. das Vorhandensein von basischen Verunreinigungen ist unerwünscht. Ein Beispiel für ein bevorzugtes Material zur Entfernung basischer Verunreinigungen, wie z. B. Amoniak, ist ein Bett aus aktiviertem Kohlenstoff-Granulat imprägniert mit Zitronensäure.
  • Ein zweites Beispiel einer Filteranordnung, die in dem System gemäss 37 einsetzbar ist, ist in einem fragmentarischen Querschnitt in 39 als Filteranordnung 380 dargestellt. Die Filteranordnung 380 besitzt ein Gehäuse 382, das einen Eintritt 384 und einen Austritt 386 bildet. Schmutzige Luft tritt durch den Eintritt 384 in die Filteranordnung 380 ein und saubere Luft tritt aus dem Austritt 386 aus. Ein Geräuschdämpfungs-Element 388 enthält einen Resonator 390. Ein Filterelement 391 ist in dem Gehäuse 382 angeordnet; es ist analog zu dem Filterelement 358.
  • Das Filterelement 380 enthält ferner ein Adsorberelement 392. Das Adsorberelement 392 enthält zwischen Enden 394 und 395 eine zylindrische Masse aus Kohlenstoff 393. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Masse aus Kohlenstoff 393 hohl; eine kreisförmige Verlängerung 397 aus aktiviertem Kohlenstoff wird durch ein thermoplastisches Bindemittel zusammengehalten. Der Kohlenstoff 393 kann z. B. entsprechend der Beschreibungen in U.S. Patent Nr. 5,189,092 (Koslow) und 5,331,037 (Koslow) hergestellt werden. An dem ersten Ende 394 ist ein Dichtungssystem 396 angeordnet und an dem zweiten Ende 395 ist eine Kappe 398 angeordnet.
  • Das Dichtungssystem 396 bildet eine luftdichte Dichtung zwischen dem Adsorberelement 392 und einem Leitblech 401. Das Dichtungssystem 396 ist so konstruiert, dass es das Adsorberelement 292 gegen das Leitblech 401 abdichtet und unter normalen Bedingungen verhindert, dass Luft durch einen Bereich zwischen dem Absorberelement 392 und der Seitenwand des Gehäuses 382 strömt. Das Dichtungssystem 396 verhindert, dass Luft nicht durch den Kohlenstoff 393 des Adsorberelementes 392 strömt. Das Dichtungssystem 396 ist üblicherweise aus einem flexiblen, kompressiblen Material, z. B. Polyurethan, hergestellt.
  • Die Kappe 398 lenkt die aus dem Filterelement 358 austretende Luft um, so dass sie in das Adsorberelement 392 eintritt und durch den Kohlenstoff 393 strömt, statt axial durch die zylindrische Verlängerung des Kohlenstoffs 393 zu strömen. Luft aus dem Filterelement 391 trifft auf eine exponierte Oberfläche 402 der Kappe 398 und wird von ihrem „gradlinigen Strom" in einen Strom mit einer radialen Komponente umgelenkt. Die Kappe 398 besitzt eine Öffnung 404, die die Strömung von Luft durch die Kappe 398 gestattet, so dass die Luft den Kohlenstoff 393 erreichen kann. Zusätzlich zur Steuerung des Luftstromes dient die Kappe 398 zur Befestigung des Absorbermaterials 292 an dem Filterelement 391.
  • Das Adsorberelement 392 dient sowohl als Chemikalienentfernungsteil als auch als ein Element 388 zur Geräuschdämpfung. Andere Ausführungsformen von Adsorberelementen und Adsorbermaterialien können auch beide Funktionen haben: Entfernung der chemischen Verunreinigungen und Geräuschdämpfung.
  • 5.I Bevorzugte Filtermedium-Konstruktion für die oben beschriebenen Filterelemente
  • Eine Feinfaser-Filterkonstruktion besitzt eine zweischichtige oder mehrschichtige Struktur, bei der der Filter eine oder mehrere Feinfaserschichten enthält, die kombiniert oder durch ein oder mehrere Synthetik-, Zellulose oder Verschnitt-Gespinste voneinander getrennt sind. Ein anderes bevorzugtes Motiv ist eine Struktur mit Feinfasern in einer Matrix oder ein Verschnitt von anderen Fasern.
  • Wir glauben, dass wichtige Eigenschaften der Faser- und Mikrofaserschichten in der Filterstruktur auf der Temperaturbeständigkeit, der Feuchte-Beständigkeit und der Lösungsmittel-Beständigkeit beruhen, insbesondere wenn die Mikrofaser Feuchtigkeit oder einem Lösungsmittel bei erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird. Ferner betrifft eine zweite wichtige Eigenschaft des erfindungsgemässen Materials die Adhesion des Materials zu einer Substratstruktur. Die Mikrofaserschicht-Adhesion ist eine wichtige Eigenschaft des Filtermaterials. Sie gewährleistet, dass das Material hergestellt werden kann, ohne dass die Mikrofaserschicht von dem Substrat abgelöst wird; die Mikrofaserschicht plus Substrat kann zu einer Filterstruktur einschliesslich Faltenmaterial, Rollenmaterial und anderen Strukturen ohne nennenswerte Schichtenablösung verarbeitet werden Wir haben gefunden, dass der Verfahrensschritt des Heizens während des Fertigungsprozesses, bei dem die Temperatur erhöht wird auf eine Temperatur gleich oder nahe an aber gerade unter der Schmelztemperatur eines Polymermaterials, üblicherweise niedriger als die niedrigste Schmelztemperatur, die Adhesion der Fasern zueinander und zu dem Substrat wesentlich verbessert. Bei Temperaturen gleich oder oberhalb der Schmelztemperatur kann die Feinfaser ihre faserige Struktur verlieren. Es ist ferner schwierig, die Heizleistung zu regeln. Wenn die Faser über längere Zeit ihrer Kristallisations-Temperatur ausgesetzt wird, ist es ebenfalls möglich, dass sie ihre faserige Struktur verliert. Eine sorgfältige Wärmebehandlung hat auch die Polymer-Eigenschaften verbessert, die aus der Bildung der äusseren Additivschichten resultiert, da die Additivmaterialien an die Oberfläche wandern und Wasser-abstossende oder Öl-abstossende Gruppen auf der Faseroberfläche freilegen.
  • Das Kriterium für Leistungsfähigkeit ist, dass das Material in der Lage sein muss, verschiedene Betriebstemperaturen intakt zu überstehen, d. h. Temperaturen von 60°C, 71°C, 130°C und 150°C (140°F, 160°F, 270°F und 300°F) abhängig vom Betrieb und dabei einen Filterwirkungsgrad von 30%, 50%, 80% oder 90% behält. Ein alternatives Kriterium für Leistungsfähigkeit ist, dass das Material in der Lage sein muss verschiedene Betriebstemperaturen intakt zu überstehen, d. h. Temperaturen von 60°C, 71°C, 130°C und 150°C (104°F, 160°F, 160°F, 270°F und 300°F) während einer Zeitperiode von 1 Stunde oder 3 Stunden abhängig vom Endbetrieb und dabei 30%, 50%, 80% oder 90% der effektiven Feinfasern in einer Faserschicht behält. Das Überleben bei diesen Temperaturen ist wichtig bei niedriger Feuchte, hoher Feuchte und in mit Wasserdampf gesättigter Luft. Die erfindungsgemässen Mikrofasern und das erfindungsgemässe Filtermaterial werden als feuchtigkeitswiderstandsfähig betrachtet, wenn das Material ein Einweichen bei einer Temperatur von mehr als 71°C (160°F) während einer Zeit von mehr als 5 Minuten den Wirkungsgrad aufrecht erhält. In gleicher Weise wird das erfindungsgemässe Mikrofilter- und Filter-Material als Lösungsbeständig betrachtet, wenn das Material Kontakt mit einem Lösungsmittel, wie z. B. Ethanol, einem Kohlenwasserstoff eines hydraulik Fluids oder eines aromatischen Lösungsmittels für eine Zeitperiode für mehr als ungefähr 5 Minuten bei 21°C, (80°F) überlebt und einen Wirkungsgrad von 50% beibehält.
  • Die erfindungsgemässen Feinfasermaterialien können in einer Vielzahl von Filteranwendungen eingesetzt werden, einschliesslich Druckimpuls reinigbarer und nicht-Druckimpuls reinigbarer Filter, d. h. Filter für: Staubabscheidungs-Systeme; Lufteintritts- und Ansaug-Systeme von: Gasturbinen und Motoren, Hochleistungsmotoren und Motoren von leichten Nutzfahrzeugen; Kabinenluft von Kraftfahrzeugen und Geländefahrzeugen; Eintrittsluft von Computerlaufwerken; Abluft von Fotokopierern zur Tonerentfernung; und Heizungs-Lüftungs- und Klima-Anlagen von Geschäfts- und Wohn-Gebäuden. Papierfilterelemente sind umfangreich verwendete Formen von Oberflächen beladbaren Filtermedia. Im allgemeinen enthalten Papierfilterelemente dichte Matten aus Zellulose, Synthetiks oder anderen Fasern, die quer zu einem Gasstrom angeordnet sind, der Materialpartikel mit sich führt. Das Papier ist im allgemeinen so ausgelegt, dass es für die Gasströmung durchlässig ist und gleichzeitig eine ausreichend kleine Porengrösse und geeignete Porosität besitzt, um die Durchströmung von Partikeln, die grösser sind als eine gewählte Korngrösse, zu verhindern. Wenn die Gase (Fluide) durch das Filterpapier strömen, wirkt die stromaufwärtige Seite des Filterpapiers durch Diffusion und Abscheidung, um Partikel ausgewählter Grösse aus dem Gas- (Fluid-) Strom aufzufangen und zurück zuhalten. Die Partikel werden an der stromaufwärtigen Seite des Filterpapiers als Staubkuchen angesammelt. Im Laufe der Zeit beginnt der Staubkuchen auch als Filter zu wirken, wodurch der Filterwirkungsgrad erhöht wird. Dies wird manchmal als „Reifung" bezeichnet, d. h. die Entwicklung eines Filterwirkungsgrades, der grösser ist als der Anfangswirkungsgrad.
  • Eine einfache Filterkonstruktion, wie die oben beschriebene, hat zwei Arten von Problemen. 1., ein relativ einfacher Einriss, d. h. ein Zerreissen des Papiers, führt zu einem Ausfall des Systems. 2., an der stromaufwärtigen Seite des Filters lagern sich sehr schnell Materialpartikel als ein dünner Staubkuchen oder eine Schicht an, wodurch der Druckverlust erhöht wird. Zahlreiche Methoden wurden angewendet, um die „Lebensdauer" von Oberflächen beladenen Filtersystemen, wie z. B. Papierfilter, zu erhöhen. Eine Methode ist, das Filterpapier in einer Faltenkonstruktion vorzusehen, so dass die Oberfläche, auf die der Gasstrom auftrifft, relativ zu einer flachen, nicht gefalteten Konstruktion grösser ist. Obwohl dies die Filterlebensdauer erhöht, ist es jedoch weitgehend beschränkt. Aus diesem Grund sind Oberflächenbeladene Media hauptsächlich bei Anwendungen zu finden, bei denen relativ niedrige Geschwindigkeiten durch das Filtermedium auftreten, im allgemeinen nicht höher als ungefähr 20–30 ft/min, üblicherweise im Bereich von ungefähr 3,05 m/min (10 ft/min) oder weniger. Mit dem Begriff „Geschwindigkeit" ist in diesem Zusammenhang die Durchschnittsgeschwindigkeit durch das Filtermedium (d. h., der Volumenstrom pro Flächeneinheit des Filtermediums) gemeint.
  • Im allgemeinen wird, wenn die Luftströmungsgeschwindigkeit durch das Faltenpapiermedium erhöht wird, die Lebensdauer des Filters um einen Faktor, der proportional ist zum Quadrat der Geschwindigkeit, reduziert. D. h., wenn ein Oberflächen-beladenes Faltenpapier-Filtersystem als Materialpartikelfilter für ein System verwendet wird, das nennenswerte Luftströme benötigt, ist ein Filtermedium mit einer relativ grossen Oberfläche erforderlich. Z. B. hat ein typisches zylindrisches Faltenpapier-Filterelement für einen Dieselmotor eines Schwerlastkraftwagens einen Durchmesser von ungefähr 22,9–38,1 cm (9–15 inch) und eine Länge von ungefähr 30,5–61 cm (12–24 inch) und Falten mit einer Tiefe von ungefähr 2,54–5,51 cm (1–2 inch). D. h. die filternde Oberfläche des Filtermediums (eine Seite) beträgt üblicherweise 2,79–27,9 m2 (30–300 sqft).
  • Bei vielen Anwendungen, insbesondere jenen, bei denen eine relativ hohe Strömungsmenge erforderlich ist, wird eine alternative Filtermedia-Art eingesetzt, die manchmal generell als „Tiefen"-Filtermedium bezeichnet wird. Ein typisches Tiefen-Filtermedium enthält ein relativ dickes Gewirr aus faserigem Material. Tiefen-Filtermedia sind üblicherweise gekennzeichnet durch ihre Porosität, Dichte oder Anteil fester Bestandteile in %. Z. B. wäre ein 2–3% Feststoffmedium eine Tiefen-Mediummatte aus Fasern, die so angeordnet sind, dass ungefähr 2–3% des Gesamtvolumens Fasermaterial (Feststoff) und der Rest Luft- oder Gas-Raum ist.
  • Ein anderer gebräuchlicher Parameter zur Charakterisierung eines Tiefen-Mediums ist der Faserdurchmesser. Wenn der Feststoffanteil in Prozent konstant gehalten wir, aber der Faserdurchmesser (in seiner Grösse) reduziert wird, wird die Porengrösse bzw. der Zwischenraum zwischen den Fasern reduziert; d. h. der Filter wird wirksamer und wird effektiver kleinere Materialpartikel einfangen.
  • Ein typisches konventionelles Tiefenfiltermedium ist ein Tiefen-Medium mit relativ konstanter (oder einheitlicher) Dichte, d. h. ein System, bei dem der Fest-Stoffanteil des Filtermediums über seine Dicke weitgehend konstant bleibt. Mit „weitgehend konstant" ist in diesem Zusammenhang gemeint, dass nur relativ geringe Fluktuationen der Dichte, wenn überhaupt, über die Tiefe des Mediums auftreten. Solche Fluktuationen können infolge einer leichten Kompression einer äusseren in Eingriff stehenden Oberfläche durch einen Behälter, in dem das Filtermedium positioniert ist, auftreten.
  • Es sind Tiefenfiltermedia-Anordnungen mit sich graduell ändernder Dichte entwickelt worden. Einige dieser Tiefenfiltermedia-Anordnungen sind z. B. in U.S. Patent Nr. 4,082,476 ; 5,238,474 und 5,364,456 beschrieben. Im allgemeinen kann eine Tiefenfiltermedia-Anordnung dadurch charakterisiert werden, dass sie die „Beladung" mit Materialpartikeln weitgehend über ihr ganzes Volumen bzw. ihre ganze Tiefe ermöglicht. D. h. solche Tiefenmedia-Anordnungen sind dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einer grösseren Materialpartikelmenge beladen sind als Oberflächen beladene Systeme, wenn die Standzeit des Filters abgelaufen ist. Im allgemeinen jedoch handelt man sich mit solchen Tiefenfilteranordnungen den Nachteil einer Wirkungsgrad-Verschlechterung ein, da für eine nennenswerte Beladung ein relativ geringer Feststoffanteil des Filtermediums erforderlich ist. Tiefenmediasysteme mit sich graduell ändernder Dichte, wie die in den o. g. Patenten beschriebenen, wurden entwickelt, um brauchbare Wirkungsgrade und längere Standzeiten zu erzielen. Bei solchen Tiefenmedia-Anordnungen werden in einigen Fällen Oberflächen beladbare Media als „Polier"-Filter eingesetzt.
  • Eine erfindungsgemässe Filterkonstruktion besitzt eine erste Schicht aus einem durchlässigen Grobfasermedium oder Substrat mit einer ersten Oberfläche. Eine erste Schicht aus einem Feinfasermedium ist an der ersten Oberfläche der ersten Schicht aus einem durchlässigen Grobfasermedium befestigt. Vorzugsweise enthält die erste Schicht aus durchlässigem Grobfasermaterial Fasern mit einem Durchschnitts-Durchmesser von mindestens 10 μm, üblicherweise und vorzugsweise ungefähr 12 (oder 14) bis 30 μm. Ferner besteht die erste Schicht aus durchlässigem Grobfasermaterial vorzugsweise aus einem Medium, das ein Flächengewicht von nicht mehr als ungefähr 200 g/m2, vorzugsweise ungefähr 0,50–150 g/m2 und bevorzugterweise mindestens 8 g/m2 besitzt. Vorzugsweise ist die erste Schicht aus durchlässigem Grobfasermedium mindestens 12 μm (0,0005 inch), üblicherweise 15–500 μm (0,0006 bis 0,02) und bevorzugterweise ungefähr 25–800 μm (0,001–0,030 inch) dick.
  • In bevorzugten Anordnungen enthält die erste Schicht aus durchlässigem Grobfasermaterial ein Material, das, wenn es separat von dem Rest der Konstruktion in einem Frazier-Durchlässigkeits-Test bewertet würde, eine Durchlässigkeit von mindestens 1 m/min und typischerweise und vorzugsweise ungefähr 2–900 m/min zeigen würde. Wenn hier der Begriff Wirkungsgrad verwendet wird, und nichts anderes spezifiziert ist, ist der Wirkungsgrad gemäss ASTM-1215-89 gemessen mit 0,78 μm monodispersen Polystyren Kugelpartikeln bei 6,1 m/min (20 fpm), wie hier beschrieben, gemeint.
  • Vorzugsweise ist die Schicht aus Feinfasermaterial, die an der ersten Oberfläche der Schicht aus durchlässigem Grobfasermaterial befestigt ist, eine Schicht aus Nano- und Mikro-Fasermedia, deren Fasern einen Durchschnitts-Durchmesser von nicht grösser als ungefähr 2 μm, im allgemeinen und vorzugsweise nicht grösser als 1 μm und typischerweise und vorzugsweise Faserdurchmesser kleiner 0,5 μm und im Bereich von ungefähr 0,05 bis 0,5 μm haben. Ebenso vorzugsweise hat die erste Schicht aus Feinfasermaterial, die an der ersten Oberfläche der ersten Schicht aus durchlässigem Grobfasermaterial befestigt ist, eine Gesamtdicke, die nicht grösser als ungefähr 30 μm, vorzugsweise nicht grösser als 20 μm und bevorzugterweise nicht grösser als ungefähr 10 μm ist; und typischerweise und bevorzugterweise hat sie eine Dicke bis ungefähr des 1- bis 8-fachen (und bevorzugterweise nicht mehr als des 5-fachen) des durchschnittlichen Durchmessers der Feinfasern dieser Schicht.
  • Bestimmte bevorzugte erfindungsgemässe Anordnungen enthalten die allgemein beschriebenen Filtermedia in einer Gesamtfilterkonstruktion.
  • Einige bevorzugte Anordnungen für diese Anwendungen enthalten die Filtermedia in einer zylindrischen Faltenkonfiguration, in der sich die Falten generell in Längsrichtung erstrecken, in der gleichen Richtung wie die Längsachse der zylindrischen Konfiguration. Bei solchen Anordnungen kann das Filtermedium wie bei konventionellen Filtern in Endkappen eingebettet sein. Falls gewünscht können solche Anordnungen für typisch konventionelle Zwecke stromaufwärtige Hülsen und stromabwärtige Hülsen enthalten.
  • Bei einigen Anwendungen können erfindungsgemässe Media in Verbindung mit anderen Media-Arten verwendet werden, z. B. konventionellen Media, um die Gesamtfilterleistung oder die Standzeit zu verbessern. Z. B. können erfindungsgemässe Media mit konventionellen Media laminiert werden, um in Stapelanordnungen eingesetzt zu werden; oder in Mediastrukturen mit einem oder mehreren Bereichen konventionellen Media eingebaut werden (eine integrale Eigenschaft). Es kann für eine gute Beladung stromaufwärts von solchen Media eingesetzt werden; oder, es kann stromabwärts von konventionellen Media als ein „Polier"-Filter mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden.
  • Gewisse erfindungsgemässe Anordnungen können auch in Flüssigkeits-Filtersystemen verwendet werden, d. h. bei denen die auszufilternden Materialpartikel von einem Flüssigkeitsstrom mitgeführt werden. Ferner können gewisse erfindungsgemässe Anordnungen in Dunstabscheidern verwendet werden, z. B. Anordnungen zur Filterung feinen Dunstes aus Luft.
  • Erfindungsgemäss werden Verfahren zur Filterung vorgeschlagen. Die Verfahren schliessen im allgemeinen eine vorteilhafte Nutzung der beschriebenen Media zur Filterung ein. Wie aus den nachstehenden Beschreibungen und Beispielen ersichtlich ist, können die erfindungsgemässen Media spezifisch konfiguriert und konstruiert werden, um in vorteilhafter Weise relativ lange Standzeiten in relativ wirksamen Systemen zu erzielen.
  • Zahlreiche Filterkonstruktionen sind in Patenten vorgeschlagen, die zahlreiche Aspekte von Filterstrukturen und Strukturen, in denen die Filtermaterialien verwendet werden, beschreiben und beanspruchen. Engel et al. U.S. Patent Nr. 4,720,292 beschreibt eine Radialdichtungs-Konstruktion für eine Filteranordnung mit einer generell zylindrischen Filterelement-Konstruktion, bei der das Filterelement durch eine relativ weiche, gummiartige Endkappe mit einer zylindrischen, radial nach innen gerichteten Fläche abgedichtet ist. Kahlbaugh et al., U.S. Patent Nr. 5,082,476 beschreibt eine Filterkonstruktion mit einem Tiefen-Medium, das ein Schaumsubstrat mit Faltenkomponenten kombiniert mit dem erfindungsgemässen Mikrofasermaterial enthält. Stifelman et al., U.S. Patent Nr. 5,104,537 betrifft eine zur Filterung flüssige Media verwendbare Filterstruktur. In das Filtergehäuse eingespeiste Flüssigkeit strömt durch den Aussenraum des Filters in einen ringförmigen Innenkern und kehrt dann zur aktiven Verwendung in der Struktur zurück. Solche Filter sind äusserst nützlich zur Filterung von Hydraulik-Fluiden. Engel et al., U.S. Patent Nr. 5,613,992 zeigt eine typische Dieselmotor-Lufteintrittsfilterstruktur. Die Struktur erhält Luft aus dem externen Aspekt des Gehäuses, die Feuchtigkeit enthalten kann oder auch nicht. Die Luft strömt durch den Filter, während die Feuchtigkeit zum Boden des Gehäuses strömen kann und durch eine Drainage aus dem Gehäuse entfernt werden kann. Gillingham et al., U.S. Patent Nr. 5,820,646 beschreibt eine Z-Filterstruktur, die eine spezielle Faltenfilter-Konstruktion mit verschlossenen Kanäle verwendet, die einen Fluidstrom zwingt, durch mindestens eine Schicht eines Filtermediums auf einen „Z"-förmigen Strömungsweg zu strömen, um eine gute Filterleistung zu erzielen. Das in das Falten-Z-Form-Format geformte Filtermedium kann die erfindungsgemässen Feinfasermedia enthalten. Glen et al., U.S. Patent Nr. 5,853,442 beschreibt eine Schlauch- oder Gewebe-Filterkonstruktion mit Filterelementen, die die erfindungsgemässen Feinfaserstrukturen enthalten können. Berkhoel et al., U.S. Patent Nr. 5,954,849 zeigt eine Staubabscheider-Struktur, die für die übliche Behandlung von Luft mit hoher Staubbeladung verwendbar ist, um Staub aus einem Luftstrom abzuscheiden, nach der Bearbeitung eines Werkstückes, die eine erhebliche Staubbeladung der Umgebungsluft erzeugt. Schliesslich beschreibt Gillingham in, U.S. Design Patent Nr. 425,189 einen Plattenfilter unter Verwendung der Z-Filterkonstruktion Die folgende Materialien wurden unter Verwendung der folgenden Elektro-Spin-Prozess-Bedingungen hergestellt.
  • Die folgenden Materialen wurden entweder mit einem Rotations-Emitter-System oder mit einem Kapillar-Nadel-System hergestellt. Es hat sich gezeigt, dass beide Verfahren im wesentlichen die gleichen Fasermaterialien herstellen.
  • Unter Verwendung des jeweiligen Gerätes wurde im allgemeinen eine Faser hergestellt. Die Herstellung erfolgte mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,04 mm/min (1,5 mil/min) pro Emitter, einem Zielabstand von 20,3 cm (8 inch), einer Emitter-Spannung von 88 kV, einer relativen Luftfeuchte von 45% und bei dem Rotations-Emitter einer Drehzahl von 35 Upm.
  • 5.I.1 Beispiel 1: Einfluss der Fasergrösse
  • Feinfaserproben, die aus einem Copolymer aus Nylon 6, Nylon 66 und Nylon 610 und Nylon-Copolymer-Harz (SVP-651) hergestellt wurden, wurden durch Endgruppen-Titration in Bezug auf ihr Molekulargewicht analysiert. (J. E. Walz and G. B. Taylor, determination of the molecular weight of nylon, Anal. Chem. Vo. 19, Number 7, pp 448–450 (1947)). Das mittlere Molekulargewicht lag zwischen 21.500 und 24.800. Die Rezeptur wurde mittels des Phasendiagramms der Schmelztemperatur von Drei-Komponenten-Nylon: Nylon 6 ungefähr 45%, Nylon 66 ungefähr 20% und Nylon 610 ungefähr 25% bewertet. (Page 286, Nylon Plastics Handbook, Melvin Kohan ed. Hanser Publisher, New York (1995)). Die berichteten physikalischen Eigenschaften von SVP 651 Harz sind:
    Eigenschaft ASTM-Verfahren Dimension Typische Werte
    Relative Dichte D-792 – 1.08
    Wasser-Absorption (24 Std. eingeweicht) D-570 % 2,5
    Härte D-240 Shore D 65
    Schmelzpunkt DSC °C (°F) 154 (309)
    Zugspannung beim Bruch D-638 MPa (kpsi) 50 (7.3)
    Dehnung beim Bruch D-638 % 350
    Elastizitäts-Modul D-790 MPa (kpsi) 180 (26)
    Spezifischer Widerstand D-257 Ohm-cm 1012
  • Es wurden Fasern mit Durchmessern von 0,23 μm und 0,45 μm hergestellt. Die Proben wurden in Wasser mit Raumtemperatur eingeweicht, Luft-getrocknet und anschliessend wurde ihr Wirkungsgrad gemessen. Dickere Fasern degenerieren später und der Grad ihrer Degeneration war niedriger, wie aus dem Diagramm in 12 zu ersehen ist. Obwohl es nicht gewünscht ist, sich auf eine bestimmte Theorie zu beschränken, erscheint es, dass dünnere Fasern mit einem grösseren Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis anfälliger sind, durch Umgebungseinwirkungen zu degenerieren. Jedoch ergeben dickere Fasern kein so leistungsfähiges Filtermedium.
  • 5.I.2 Beispiel 2: Kreuzvernetzung von Nylonfasern mit Phenol-Harz und Epoxyd-Harz
  • Um die chemische Widerstandsfähigkeit von Fasern zu verbessern, wurde die chemische Kreuzvernetzung von Nylonfasern versucht. Copolyamide (Nylon 6, Nylon 66 und Nylon 610) wurden, wie früher beschrieben, mit Phenol-Harz, Georgia Pacific 5137, gemischt und zu Fasern gesponnen. Das Nylon-zu-Phenolharz-Verhältnis und die Schmelztemperatur der Verschnitte sind in der folgenden Tabelle dargestellt:
    Rezeptur Schmelztemperatur °C (°F)
    Polyamid: Phenol-Harz = 100:0 66 (150)
    Polyamid: Phenol-Harz = 80:20 43 (110)
    Polyamid: Phenol-Harz = 65:35 34 (94)
    Polyamid: Phenol-Harz = 50:50 18 (65)
  • Wir waren in der Lage, vergleichbare Fasern aus den Verschnitten herzustellen. Der 50:50-Verschnitt konnte durch Wärmebehandlung nicht kreuzvernetzt werden, da die Faserstruktur zerstört wurde. Die Wärmebehandlung des 65:35-Verschnitts für 12 Stunden unterhalb 90°C verbessert den chemischen Widerstand der resultierenden Fasern, so dass sie einer Auflösung in Alkohol widerstehen. Verschnitte von Polyamiden mit Epoxyd-Harz wie z. B. Epon 828 von Shell und Epi-Rez 510 können verwendet werden.
  • 5.I.3 Beispiel 3: Oberflächen Modifikation durch Fluor-Addidiv (Scotchgard®) Repellant
  • Alkohol mischbares Scotchgard® FC-430 und 431 der Firma 3M Company wurden dem Polyamid vor dem Spinnen zugegeben. Die Zugabemenge betrug 10% der Feststoffe. Die Zugabe von Scotchgard hat die Faserbildung nicht behindert. THC-Prüfstands-Tests zeigen, dass Scotchgard-ähnliche Repellent-Beschichtungen mit hohem Molekulargewicht die wasserabweisenden Eigenschaften nicht verbessern. Proben, denen Scotchgard zugefügt worden war, wurden, wie vom Hersteller vorgeschlagen für eine Dauer von 10 min bei 150°C (300°F) wärmebehandelt.
  • 5.I.4 Beispiel 4: Modifikation mit Kopplungsmitteln
  • Polymerische Filme wurden aus Polyamiden mit titanhaltigen Kopplungsmitteln von Kenrich Petrochemicals, Inc. geformt. Diese Kopplungsmittel schliessen ein: Isopropyl-Trisosteroyl-Titanat (KR TTS); Neopentyl (Diallyl) Oxytri (Dioctyl), Phosphat-Titanat (LICA12); Neopentyl (Diallyl) Oxy, tri(N-Ethylen Diamino) Ethyl Zirconat (NZ44). Die geformten Filme wurden in siedendem Wasser eingeweicht. Vergleichsproben ohne Kopplungsmittel verloren ihre Festigkeit unmittelbar, während Proben mit zugefügtem Kopplungsmittel ihre Form bis zu 10 min beibehielten. Diese Proben mit zugefügten Kopplungsmitteln wurden zu Fasern gesponnen (0,2 μm Fasern).
  • 5.I.5 Beispiel 5: Modifikation mit P-Tert-Butyl-Phenol-Polymer niedrigen Molekulargewichts
  • Oligomere von Para-Tert-Butyl-Phenol mit einem Molekulargewicht im Bereich von 400 bis 1100 wurden von der Fa. Enzymol International, Columbus, Ohio bezogen. Diese Polymere niedrigen Molekulargewichts sind in niedrigwertigen Alkoholen lösbar, wie z. B. Ethanol, Isopropanol und Butanol. Diese Polymere wurden bereits oben beschriebenen Co-Polyamiden zugegeben und ohne nachteilige Folgen zu 0,2 μm Fasern elektro-gesponnen. Einige Polymere und Addidive behindern den Elektrospinnprozess. Abweichend von dem in Beispiel 2 beschriebenen konventionellen Phenol-Harz haben wir gefunden, dass diese Polymergruppe den Faserbildungsprozess nicht beeinträchtigt.
  • Wir haben gefunden, dass diese Additivgruppe die Feinfasern vor einer nassen Umgebung schützt, wie in dem Diagramm zu sehen ist. 13–16 zeigt, dass Oligomere einen sehr guten Schutz bei 60°C (140°F) und 100% Feuchte bieten; und dass die Leistungsfähigkeit bei 71°C (160°F) nicht sehr gut ist. Wir haben dieses Additiv in einer Menge von 5% bis 15% des verwendeten Polymers zugegeben. Wir haben gefunden, dass sie die Fasern vor Einwirkungen hoher Feuchte bei 60°C (140°F) gleich wirksam schützen. Wir haben auch gefunden, dass die Leistungsfähigkeit verbessert wird, wenn die Fasern für kurze Zeit einer Temperatur von 150°C ausgesetzt werden.
  • Tabelle 1 zeigt den Einfluss der Temperatur und der Belastungszeit von Polyamid-Fasern mit 10% Additiven. Tabelle 1: Erhaltener Wirkungsgrad (%) nach Einweichen bei 60°C (140°F) Heizzeit
    Temperatur 1 min 3 min 10 min
    150°C 98.9 98.8 98.5
    98.8 98.9 98.8
    130°C 95.4 98.7 99.8
    96.7 98.6 99.6
    110°C 82.8 90.5 91.7
    86.2 90.9 85.7
  • Dies war ein überraschendes Ergebnis. Wir stellten bei dieser Spezies der Addidive eine dramatische Verbesserung der wasserabweisenden Eigenschaften fest. Um zu verstehen, wie diese Spezies der Additive wirkt, haben wir die Feinfasermatten mit Oberflächen-Analysetechniken (genannt ESCA) untersucht. Die in Tabelle 1 gezeigten Proben mit 10% Additiven wurden von der University of Minnesota mit ESCA analysiert, mit den in Tabelle 2 gezeigten Ergebnissen. Tabelle 2: Oberflächen Zusammensetzung (Polymer-zu-Additiv-Verhältnis) Heizzeit
    Temperatur 1 min 3 min 10 min
    150°C 40:60 40:60 50:50
    130°C 60:40 56:44 62:82
    110°C 63:37 64:36 59:41
    Keine Heizung 77:23
  • Anfangs schien es keinen Sinn zu machen, wenn Oberflächen-Konzentrationen der Additive festgestellt wurden, die doppelt so gross waren wie die Gesamt-Konzentration. Wir glauben jedoch, dass dies durch das Molekulargewicht der Additive erklärt werden kann. Das Molekulargewicht der Additive von ungefähr 600 ist viel kleiner als das der Wirt-Fasern, die den Polymer bilden. Da sie eine kleinere Grösse besitzen, können sie sich entlang verdampfender Lösungsmoleküle bewegen. D. h., wir erzielen eine höhere Oberflächenkonzentration der Additive. Eine weitere Behandlung erhöht die Oberflächenkonzentration der schützenden Additive. Jedoch hat eine Behandlung mit 150°C über 10 min die Konzentration nicht erhöht. Dies kann ein Anzeichen dafür sein, dass die Mischung von zwei Komponenten aus Copolyamid- und Oligomer-Moleküle so lange erfolgt, so lange langkettige Polymere Zeit haben, sich zu bewegen. Diese Analyse hat uns gezeigt, dass die geeignete Wahl der Nachbehandlungs-Zeit und der Temperatur die Leistungsfähigkeit erhöhen können, während eine zu lange Behandlung einen negativen Einfluss haben kann.
  • Wir haben die Oberfläche dieser mit Additiven beladenen Mikrofasern unter Verwendung von Analysetechniken, die „Time of Flight SIMS" genannt werden weiter untersucht. Bei dieser Technik wird der Gegenstand mit Elektronen beschossen und es wird beobachtet, was aus der Oberfläche herauskommt. Die Proben ohne Additive zeigten, dass durch die Elektronenbestrahlung organische Stickstoffspezies freigesetzt werden. Dies ist eine Indikation dafür, dass Polyamidspezies abgespaltet werden. Es zeigt ferner das Vorhandensein kleiner Mengen von Verunreinigungen wie z. B. Natrium und Silikon. Proben mit Additiven ohne Wärmebehandlung (23% Additiv-Konzentration an der Oberfläche) zeigen einen Hauptanteil von Spezies von T-Butyl Fragmenten und kleine aber eindeutige beobachtete Spitzen für Polyamide. Ferner wurden hohe Massenspitzen mit Massendifferenzen von 148 amu, entsprechend T-Butylphenol, beobachtet. Für die Probe, die 10 min. lang mit 150°C behandelt wurde (50% Additiv-Oberflächenkonzentration bei der ESCA Analyse), zeigen die Untersuchungen eine Dominanz von T-Butyl-Fragmenten und Spuren, wenn überhaupt, von Spitzen für Polyamide. Es zeigt keine Spitzen, die T-Butylphenol als ganzes und seinen Polymeren zugeordnet sind. Es zeigt ferner eine Spitze, die C2H3O-Fragmenten zugeordnet werden können.
  • Die ToF-SIMS-Analyse zeigt uns ferner, dass blosse Polyamid Fasern unter Ionenbestrahlung gebrochene Stickstoff-Fragmente von bestrahlten Polymer-Ketten und Verunreinigungen an der Oberfläche freisetzen. Additive ohne Wärmebehandlung zeigen eine unvollständige Beschichtung, was anzeigt, dass die Additive Teile der Oberfläche nicht decken. Die T-Butyl-Oligomere sind an der Oberfläche lose organisiert.
  • Wenn der Ionenstrahl auf die Oberfläche auftrifft, können ganze Moleküle zusammen mit labilen T-Butyl-Fragmenten freigesetzt werden. Additive mit Wärmebehandlung begünstigen die vollständige Abdeckung der Oberfläche. Zusätzlich sind die Moleküle dicht angeordnet, so dass nur labile Fragmente wie z. B. T-Butyl und möglicherweise CH=CH-OH freigesetzt werden und die ganzen T-Butyl-Phenol-Moleküle nicht freigesetzt werden. ESCA und ToF SIMS analysieren unterschiedliche Tiefen der Oberfläche. ESCA untersucht die Oberfläche tiefer, d. h. bis zu 100 Angström, während ToF-SIMS die Oberfläche nur bis zu einer Tiefe von 10 Angstrom untersuchen. Diese Analysen stimmen überein.
  • 5.I.6 Beispiel 6: Entwicklung von oberflächen-beschichteten Interpolymer
  • Typ 8 Nylon wurde ursprünglich entwickelt um lösbare und kreuzvernetzbare Harze für Beschichtungs- und Adhesiv-Anwendungen zu erzeugen. Diese Polymerart wird durch die Reaktion von Polyamid 66 mit Formaldehyd und Alkohol in Anwesenheit von Säure erzeugt (Ref. Cairns, T. L.; Foster, H. D.; Larcher, A. W.; Schneider, A. K.; Schreiber, R. S. J. Am. Chem. Soc 1949, 71, 651). Diese Polymerart kann elektro-gesponnen und kreuzvernetzt werden. Jedoch ist die Bildung von Fasern aus diesem Polymer der Bildung von Fasern aus Copolyamiden unterlegen und die Kreuzvernetzung kann schwierig sein.
  • Um Typ 8 Nylon herzustellen, wurde ein 10 Gallonen Hochdruck-Reaktor mit Materialien in folgendem Mischungsverhältnis beladen:
    Nylon 66 (duPont Zytel 101) 4,54 kg (10 pounds)
    Methanol 6,86 kg (15.1 pounds)
    Wasser 9,08 kg (2.0 pounds)
    Formaldehyd 5,45 kg (12.0 pounds)
  • Der Reaktor wird dann mit Stickstoff gespült und unter Druck auf mindestens 135°C aufgeheizt. Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, wird eine geringe Menge Säure: als Katalysator hinzugegeben. Die Säurekatalysatoren schliessen ein: Trifluoroacetic-Säure, Ameisensäure, Toluen-Sulfonsäure, Maleinsäure, Maleinsäureanhydrid, Phthalsäure, Phthalsäureanhydrid, Phosphorsäure, Zitronensäure und Mischungen davon. Nafion® Polymer kann auch als Katalysator verwendet werden. Nach der Zugabe des Katalysators lief die Reaktion bis zu 30 min. Zu diesem Zeitpunkt hat sich eine Viscose homogene Polymerlösung gebildet. Nach der spezifizierten Reaktionszeit wird der Inhalt des Hochdruckbehälters in ein Bad aus Methanol, Wasser und einer Base, wie z. B. Ammonium Hydroxid oder Natrium Hydroxid gegeben, um die Reaktion zu beenden. Wenn die Lösung ausreichend abgekühlt ist, wird die Lösung in deionisiertem Wasser niedergeschlagen. Es bildet sich ein flockiges Polymer-Granulat. Das Polymer Granulat wird dann zentrifugiert und vakuum getrocknet. Dieses Polymer ist löslich in Methanol, Propanol, Butanol und ihren Mischungen mit Wasser mit verschiedenen Anteilen. Das Polymer ist auch in Verschnitten verschiedener Alkohole lösbar.
  • Das so gebildete Alkoxy Alkyl modifizierte Typ 8 Polyamid wird in einer Ethanol/Wassermischung gelöst. Die Polymerlösung wird auf die in Barris U.S. Pat. No. 4,650,516 beschriebene Weise elektro-gesponnen. Die Viskosität der Polymerlösung neigt dazu, sich mit der Zeit zu erhöhen. Es ist allgemein bekannt, dass die Polymerviskosität einen entscheidenden Einfluss auf die Fasergrösse hat. Damit ist es schwierig den Prozess bei einer kontinuierlichen Produktion in kommerzieller Grösse zu regeln. Ferner bilden unter gleichen Bedingungen die Typ 8 Polyamiden nicht so wirksame Mikrofasern wie die Copolyamiden. Wenn jedoch die Lösung unter Zusatz eines sauberen Katalysators, wie z. B. Toluen Sulfonsäure, Maleinsäure Anhydrid, Trifluor Methan Sulfonsäure, Zitronensäure, Ascorbinsäure o. dgl. hergestellt ist, und die Fasermatten nach der Bildung der Fasern sorgfältig wärmebehandelt werden, haben die resultierenden Fasern eine sehr gute chemische Widerstandsfähigkeit (13). Während der Kreuzvernetzung muss darauf geachtet werden, dass die Faserstruktur nicht zerstört wird.
  • Wir haben ein überraschendes Ergebnis gefunden, wenn Typ 8 Polyamid (Polymer B) mit Alkohol lösbaren Copolyamiden verschnitten wird. Wenn 30 Gew.-% des Alkoxy Alkyl modifizierten Polyamids 66 durch Alkohol lösbare Copolyamide, wie z. B. SVP 637 oder 651 (Polymer A) oder Elvamide 8061 ersetzt werden, ergeben sich synergetische Effekte. Die Faserbildung des Verschnitts ist wirksamer als die Faserbildung der Komponenten alleine. Nach Einweichen in Alkohol zeigen Messungen des Filterwirkungsgrades eine Aufrechterhaltung des Filterwirkungsgrades von mehr als 98%; THC Prüfstandstests mit Typ 8 Polyamid allein zeigen vergleichbare Resultate. Diese Verschnittart zeigt, dass wir sowohl Vorteile einer wirksamen Faserbildung und excellenter Filtereigenschaften von Copolyamiden als auch Vorteile excellenter chemischer Widerstandsfähigkeit kreuzvernetzter Typ 8 Polyamide erzielen können. Aus den Alkohol-Einweichstests ergibt sich die starke Vermutung, dass nicht-kreuzvernetzbare Copolyamide an der Kreuzvernetzung teilgenommen haben, um 98% des Filterwirkungsgrades aufrecht zu erhalten.
  • DSC-Werte (17–20) von Verschnitten aus Polymer A und Polymer B sind nicht unterschiedlich von den DSC-Werten von Polymer A allein, nachdem sie bei 250°C wärmebehandelt wurden (voll Kreuzvernetzt) ohne ausgeprägte Schmelztemperatur. Dies lässt stark vermuten, dass Verschnitte von Polymer A und Polymer B voll integrierte Polymere bei der Kreuzvernetzung von Polymer B mit Polymer A sind. Dies ist eine vollständig neue Polyamid Klasse.
  • In gleicher Weise kann der Schmelz-Verschnitt von Poly (Ethylen Terephthalat mit Poly-(Butylen Terephthalat) gleiche Eigenschaften haben. Während des Schmelzprozesses bei Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur jeder Komponente tritt ein Ester-Gruppenaustausch auf und Interpolymere von PBT und PBT werden gebildet. Ferner ist unsere Kreuzvernetzungs-Temperatur niedriger als die Kreuzvernetzungstemperatur jeder einzelnen Komponente. Man würde nicht vermutet haben, dass ein Gruppenaustausch bei diesen niedrigen Temperaturen stattfindet. Daher glauben wir, dass wir eine neue Familie von Polyamiden durch den Lösungs-Verschnitt von Typ A und Typ B Polyamiden und die Kreuzvernetzung bei Temperaturen, die niedriger sind als die Schmelztemperatur jeder Komponente, gefunden haben.
  • Wenn wir 10 Gew.-% T-Butyl Phenol Oligomer (Additiv 7) zugegeben haben, haben wir nach einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur, die zur Kreuzvernetzung erforderlich ist, sogar bessere Resultate erzielt. Wir haben theorisiert, dass die Hydroxyl Funktionsgruppe des T-Butyl Phenol Oligomers an einer Reaktion mit dem Typ 8 Nylon-Funktionsgruppen beteiligt sein könnte. Wir haben gefunden, dass dieses Komponentensystem eine gute Faserbildung, verbesserte Widerstandsfähigkeiten gegenüber hohen Temperaturen und wasserabweisende Eigenschaften der Oberfläche der Feinfaserschichten gewährleistet.
  • Wir haben Proben aus Mischungen von Polymer A und Polymer B (Probe 6A) und andere Mischungen von Polymer A, Polymer B und Addiven (Probe 6B) hergestellt. Wir haben dann Fasern durch Elektrospinnen geformt. Die Fasermatte wurde dann 10 min einer Temperatur von 150°C (300°F) ausgesetzt und anschliessend die Oberflächenzusammensetzung mittels der ESCA Oberflächenanalyse bewertet: Tabelle der ESCA-Analyse der Proben 6A und 6B
    Zusammensetzung (Gew.-%) Probe 6A Probe 6B
    Polymer A 30 30
    Polymer B 70 70
    Additiv 7 0 10
    Oberflächen Zusammensetzung Ohne Wärme Mit Wärme Ohne Wärme Mit Wärme
    Polymer A&B (Gew.-%) 100 100 68.9 43.0
    Additiv 7 (Gew.-%) 0 0 31.1 57.0
  • ESCA liefert Informationen zur Oberflächenzusammensetzung, ausgenommen ist jedoch die Wasserstoffkonzentration. ESCA liefert Informationen über Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Da das Additiv 7 keinen Stickstoff enthält, können wir das Verhältnis von Stickstoff enthaltenden Polyamiden zu dem nicht Stickstoff enthaltenden Additiv durch Vergleich der Stickstoffkonzentration abschätzen. Zusätzliche qualitative Informationen stehen aus der Auswertung des 01 s-Spektrums der Bindungsenergie zwischen 535 und 527 eV zur Verfügung. Die C=O Bindung hat eine Bindungsenergie von ungefähr 531 eV und die C-O-Bindung hat eine Bindungsenergie von 533 eV. Durch den Vergleich der Höhen dieser beiden Spitzen kann man die relative Konzentration der Polyamide mit einer C=O Predominanz und der Additive mit nur C-O-Gruppen abschätzen. Polymer B besitzt eine C-O-Bindung, infolge der Modifikation und durch die Kreuzvernetzung nimmt die Konzentration von C-O ab. ESCA bestätigt, dass eine solche Reaktion stattgefunden hat, durch das Anzeigen einer relativen Abnahme von C-O-Bindungen. (Siehe 4 für eine nicht-wärme-behandelte Fasermischung aus Polymer A und Polymer B; und 5. Für eine wärmebehandelte Fasermischung aus Polymer A und Polymer B). Wenn Additiv 7 Moleküle auf der Oberfläche vorhanden sind, kann man mehr C=O-Bindung erwarten. Dies ist in der Tat der Fall, wie aus 6 und 7 ersichtlich ist. (6 für eine Fasermischung aus Polymer A und Polymer B und Additiv 7, wie gesponnen; und 7 für eine wärmebehandelte Fasermischung aus Polymer A, Polymer B und Additiv 7). 6 zeigt den Anstieg der C-O-Bindungen für Beispiel 7. Das Ergebnis stimmt mit der Oberflächen-Konzentration überein, die auf Basis des XPS Multiplex Spektrums gemäss 8 bis 11 ermittelt wurde.
  • Die T-Butyl Oligomer Moleküle wandern zur Oberfläche der Feinfasern und bilden eine wasserabweisende Schicht von ungefähr 50 Angström. Typ 8 Nylon besitzt Funktionsgruppen, wie z. B. -CH2OH und -CH2OCH3, von denen wir erwartet haben, dass sie mit -OH-Gruppen des T-Butyl Phenol reagieren. D. h. wir haben erwartet, weniger Oligomer Moleküle auf der Oberfläche der Faser zu finden. Wir haben festgestellt, dass unsere Hypothese nicht richtig war; wir haben festgestellt, dass die Oberfläche der Interpolymeren eine dünne Beschichtung besitzt.
  • Die Proben 6A und 6B und eine Wiederholung der oben beschriebnen Probe 5 sind auf einem THC-Prüfstand einer Temperatur von 71°C (160°F) und einer relativen Luftfeuchte von 100% ausgesetzt worden. In vorangegangenen Kapiteln wurden die Proben einer Temperatur von 60°C (140°F) und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100% ausgesetzt.
  • Unter diesen Bedingungen schützte T-Butyl Phenol die Terpolymer Copolyamide vor einem Verfall. Wenn jedoch die Temperatur auf 71°C (160°F) und eine relative Luftfeuchte von 100% erhöht wird, schützt das T-Butyl Phenol Oligomer die darunter liegenden Terpolymer Copolyamid-Fasern nicht so gut. Wir haben Proben bei 71°C (160°F) und 100% relativer Luftfeuchte verglichen: Tabelle: Erhaltener Feinfaser-Wirkungsgrad nach einer Belastung mit 71°C (160°F) und 100% relativer Luftfeuchte
    Probe nach 1 Std. nach 2 Std. nach 3 Std.
    Probe 6A 82.6 82.6 85.9
    Probe 6B 82.4 88.4 91.6
    Probe 5 10.1
  • Die Tabelle zeigt, dass die Probe 6B hilft bei der Belastung durch Temperaturen und hohe Luftfeuchte zu schützen.
  • Mehr überraschende Unterschiede zeigten sich, wenn wir Wassertropfen auf eine Fasermatte gaben. Wenn wir Tropfen dionisierten Wassers auf die Oberfläche von Probe 6A gaben, breiteten sich die Wassertropfen sofort über die Fasermatte aus und sie befeuchteten sogar das Substratpapier. Andererseits, wenn wir einen Wassertropfen auf die Oberfläche der Probe 6B gaben, bildete der Wassertropfen eine Perle und breitete sich nicht über die Oberfläche der Fasermatte aus. Wir haben die Oberfläche der Probe 6B durch die Addition von Polygomeren von P-T-Botyl-Phenol modifiziert, so dass sie wasserabweisend ist. Diese Produktart kann als Wasserdunst-Abscheider verwendet werden, da Wassertropfen die Oberfläche der Feinfaserschicht der Probe 6B nicht durchdringen.
  • Die Proben 6A und 6B und die bereits oben beschriebene Probe 5 wurden in einem Ofen eingesetzt, dessen Temperatur auf 160°C (310°F) eingestellt war. Die Tabelle zeigt, dass die beiden Proben 6A und 6B intakt blieben, während die Probe 5 schwer beschädigt wurde: Tabelle: Erhaltener Feinfaser Wirkungsgrad nach einer Belastung mit 160°C (130°F)
    Probe Nach 6 Std. Nach 72 Std.
    Probe 6A 100% 100%
    Probe 6B 100% 100%
    Probe 5 34% 33%
  • Während die Zugabe von Oligomer zu Polymer A allein die Hochtemperatur-Beständigkeit der Feinfasern verbessert, hat die Zugabe von Additiv 7 einen neutralen Effekt auf die Hochtemperatur-Beständigkeit.
  • Wir haben deutlich gezeigt, dass die Mischung von Terpolymer Copolyamid, Alkoxy Alkyl modifiziertem Nylon 66 und Oligomeren von T-Butyl Phenol zur Erzielung hervorragender Produkte, in dem sie die Feinfaserbeständigkeit unter schweren Umgebungsbedingungen durch verbesserte Herstellungsverfahren entweder mit der Mischung aus Terpolymer Copolyamid und T-Butyl Phenol Oligomer oder der Mischung aus Terpolymer Copolyamid und Alkoxy Alkyl modifiziertem Nylon 66 verbessert. Diese Zweikomponenten-Mischung ist auch einem Einkomponenten-System überlegen.
  • 5.I.7 Beispiel 7: Kompatibler Verschnitt von Polyamiden und Biphenol A Polymeren
  • Eine neue Art von Polymeren kann durch oxidative Kupplung von Phenolringen hergestellt werden (Pecora, A; Cyrus, W. US Patent 4,900,671 (1990) and Pecora, A; Cyrus, W.; Johnson, M. US Patent 5,153,298 (1992)). Von besonderem Interesse ist ein Polymer, das aus Biphenol A hergestellt ist und von der Fa. Enzymol Corp. vertrieben wird. Eine mit Sojabohnen-Peroxidase katalysierte Oxidation von Biphenol A kann von jeder Seite von zwei-OH Gruppen in Biphenol A starten. Abweichend von auf die Biphenol A basierendem Polycarbonat, das linear ist, bildet diese Biphenol A-Polymer-Art hyperverzweigte (hyperbranched) Polymere. Infolge ihrer hyperverzweigten Art können diese Polymere die Viskosität des Polymerverschnitts herabsetzen.
  • Wir haben festgestellt, dass diese Biphenol-A-Polymer-Art mit Polyamiden lösungsverschnitten werden kann. Der berichtete Hansen's Lösungsparameter für Nylon ist 18,6 (Page 317, Handbook of Solubility Parameters and other cohesion parameters, A. Barton cd., CRC Press, Boca Raton Florida, 1985). Wenn man den Lösungsparameter (page 61, Handbook of Solubility Parameters), berechnet, dann ist der berechnete Lösungsparameter 28,0. Bei dieser Differenz der Lösungsparameter würde man nicht erwarten, dass sie miteinander mischbar sind. Wir haben jedoch festgestellt, dass sie wohl miteinander mischbar sind und unerwartete Eigenschaften zeigen.
  • Ein 50:50–Verschnitt von Biphenol-A-Harz mit einem Molekulargewicht von 3.000 und Copolyamid wurde in einer Ethanollösung hergestellt. Die Gesamtkonzentration in der Lösung betrug 10%. Copolyamid allein würde einen Faserdurchmesser von 0,2 μm ergeben. Der Verschnitt ergab eine hohe Schicht aus Fasern von ungefähr 1 μM: Biphenol A mit einem Molekulargewicht von 7.000 ist nicht stabil mit Copolyamid und neigt dazu, niederzuschlagen.
  • Der DSC-Wert eines 50:50–Verschnittes zeigt das Fehlen einer Schmelztemperatur. Copolyamid hat eine Schmelztemperatur von ungefähr 150°C und Biphenol-A-Harz ist ein glasiger Polymer mit Tg ungefähr 100. Der Verschnitt zeigt keinen ausgeprägten Schmelzpunkt. Wenn die Fasermatte Temperaturen von 160°C ausgesetzt wird, lösen sich die Fasern auf. Dieser Verschnitt ergibt excellente Filtermedia für Anwendungszwecke, bei denen die obere Betriebstemperatur nicht sehr hoch ist, aber ein niedriger Druckverlust gefordert wird. Dieses Polymersystem kann nicht auf angemessene Weise kreuzvernetzt werden.
  • 5.I.8 Beispiel 8: Doppelrolle von Biphenol-A-Polymer als Lösungsmittel und als Feststoff in einem Verschnitt
  • Eine überraschende Eigenschaft von Biphenol-A-Polymer Verschnitt ist, dass Biphenol-A-Polymer in gelöster Form als Lösungsmittel agiert und das Polymer in fester Form als Feststoff agiert.
  • Wir haben festgestellt, dass die Doppelrolle von Biphenol-A-Polymer wirklich einzigartig ist:
  • Die folgende Rezeptur wurde hergestellt:
    Alkoxy Alkyl modifiziertes PA 66: Polymer B 180 g
    Bisphenol-A-Harz, (Mol. Gew. 3000): Polymer C 108 g
    Ethanol 190 Grade 827 g
    Azeton 218 g
    Deionisiertes Wasser 167 g
    Katalysator 9.3 g
  • Die Viskosität dieses Verschnittes betrug 32,6 centipoise mit Brookfield Viscosimeter gemessen. Die Gesamtpolymer-Konzentration betrug 19,2%. Die Viskosität von Polymer B mit 19,2% betrug über 200 centipoise. Die Viskosität des 12%-Polymer-B-Anteils allein in gleicher Lösung beträgt ungefähr 60 centipoise. Dies ist ein eindeutiges Beispiel dafür, dass Diphenol-A-Harz wie ein Lösungsmittel wirkt, da die Viskosität der Gesamtlösung niedriger war als erwartet. Resultierende Faserdurchmesser betrugen 0,157 μm. Wenn das Polymer B allein an der Faserbildung teilnimmt, würde die erwartete Fasergrösse kleiner als 0,1 μm sein. Mit anderen Worten, das Polymer C nimmt an der Faserbildung teil. Wir kennen keinen anderen Fall einer solch dramatischen Doppelrolle einer Komponente. Nach dem Einweichen der Probe in Ethanol wurde der Filterwirkungsgrad und die Fasergrösse gemessen. Nach dem Einweichen in Alkohol waren 83,6% des Filterwirkungsgrades erhalten geblieben und die Fasergrösse war unverändert. Dies weist darauf hin, dass das Polymer C an der Kreuzvernetzung teilgenommen hat und dabei wie ein festes Polymer agiert hat.
  • Eine andere Polymer-Losung wurde auf folgende Weise hergestellt:
    Alkoxy Alkyl modifiziertes PA 66: Polymer B 225 g
    Bisphenol-A-Harz, (Mol. Gew. 3000): Polymer C 135 g
    Ethanol 190 Grade 778 g
    Azeton 205 g
    Deionisiertes Wasser 157 g
    Katalysator 11,6 g
  • Die Viskosität dieses Verschnitts betrug 90,2 centipoise. Dies ist ein sehr niedriger Wert für ein 24%iges Festmaterial. Wiederum ist dies eine Anzeige dafür, dass Polymer C in der Lösung wie ein Lösungsmittel wirkt. Wenn sie jedoch in eine Faser elektro-versponnen werden, beträgt der Faserdurchmesser 0,438 μm. Eine 15%ige Lösung von Polymer B allein würde Fasern von ungefähr 0,2 μm erzeugt haben. Im Endstadium trägt Polymer C dazu bei, die Faser zu vergrössern. Dieses Beispiel zeigt erneut, dass diese verzweigte Polymerart im gelösten Zustand als Lösung agiert und im Endzustand als Feststoff agiert. Nach dem Einweichen in Ethanollösung blieben 77,9% des Filterwirkungsgrades erhalten und die Fasergrösse war unverändert.
  • 5.I.9 Beispiel 9: Entwicklung von kreuzvernetzten Polyamiden/Bisphenol-A-Polymer-Verschnitten
  • Es wurden drei verschiedene Proben durch die Kombination von Harzen, Alkoholen und Wasser hergestellt und 2 Stunden bei 60°C gerührt. Die Lösung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und der Katalysator wurde zu der Lösung hinzugegeben. Die Mischung wurde anschliessend weitere 15 min. gerührt. Danach wurde die Viskosität der Lösung gemessen und die Lösung zu Fasern gesponnen. Die folgende Tabelle zeigt diese Beispiele
    Rezeptur (9) Probe 9A Probe 9B Probe 9C
    Polymer B 8.4 12.6 14.7
    Polymer A 3.6 5.4 6.3
    Polymer C 7.2 10.8 12.6
    Ethanol 190 Grade 89.3 82.7 79.5
    Rezeptur (9) Probe 9A Probe 9B Probe 9C
    Isopropanol 23.5 21.8 21.0
    Deionisiertes Wasser 18.0 16.7 15.9
    Kathalysator 0.45 0.58 0.79
    Viskosität (centipoise) 22.5 73.5 134.2
    Fasergrösse (μm) 0.14 0.258 0.496
  • Wir haben festgestellt, dass dieser Verschnitt effizient Fasern erzeugt; er erzeugt ungefähr 50% mehr Fasermasse als die Polymer-A-Rezeptur. Ferner besitzen die resultierenden polymerischen Mikrofasern eine grössere chemische Widerstandsfähigkeit. Nach dem Einweichen in Alkohol behielt ein aus diesen Fasern hergestellter Filter mehr als 90% seines Filterwirkungsgrades; der Faserdurchmesser blieb unverändert, obwohl der von sich aus kreuzvernetzbare Polymer-Anteil nur 44% der festen Rezeptur beträgt. Diese drei Polymer-Rezepturen aus Co-Polyamid, Alkoxi Alkyl, modifiziertem Nylon 66 und Biphenol A erzeugen excellente Fasern mit einem chemisch widerstandsfähigen Material.
  • 5.I.10 Beispiel 10: Alkoxy Alkyl modifiziertes Co-Polymer von Nylon 66 und Nylon 46
  • In einem 37,9 l (10 gallon) Hochdruckreaktor wurde die folgende Reaktion durchgeführt und anschliessend die erzeugten Polymere analysiert. Nachdem die Reaktionstemperatur erreicht war, wurde der Katalysator hinzugefügt und eine Reaktionszeit von 15 Minuten abgewartet. Danach wurde die Polymer-Lösung abgekühlt, niedergeschlagen, gewaschen und getrocknet.
    Reaktor Charge (LB) Lauf 10A Lauf 10B Lauf 10C Lauf 10D Lauf 10E
    Nylon 4,6 (duPont Zytel 101) 10 5 5 5 5
    Nylon 6,6 (DSM Stanyl 300) 0 5 5 5 5
    Formaldehyd 8 10 8 10 8
    Deionisiertes Wasser 0,2 0,2 2 0,2 2
    Methanol 22 20 20 20 20
    Reaktions Temp. (°C) 140 140 140 150 150
    Tg (°C) 56.7 38.8 37.7 38.5 31.8
    Tm (°C) 241.1 162.3 184.9 175.4 189.5
    Reaktor Charge (LB) Lauf 10A Lauf 10B Lauf 100 Lauf 10D Lauf 10E
    Austauschgrad
    Alkoxy (Gew.-%) 11.9 11.7 7.1 11.1 8.4
    Methylol (Gew.-%) 0.14 0.13 0.14 0.26 0.24
  • Die DSC Analyse des aus Nylon 46 und Nylon 66 hergestellten Polymers zeigt eine Breite singuläre Schmelztemperatur, die niedriger ist als die Schmelztemperatur modifizierten Nylons 46 (241°C) oder modifizierte Nylons 66 (210°C). Dies ist ein Anzeichen dafür, dass während der Reaktion beide Komponenten zufällig entlang der Polymerkette verteilt werden. So glauben wir, dass wir ein zufälliges Copolymer aus Nylon 46 und Nylon 66 mit einer Alkoxy Alkyl Modifikation gewonnen haben. Diese Polymere sind in Alkoholen und Mischungen aus Alkohol und Wasser lösbar.
    Eigenschaft ASTM Nylon 6.6 Nylon 4.6
    Tm 265°C 295°C
    Zugfestigkeit D 638 13.700 8.500
    Dehnung bei Bruch D 638 15–80 60
    Bruchspannung D 638 8.000–12.000
    Biegefestigkeit D 790 17,8000 11,500
    Zugmodul × 103 psi D 638 230–550 250
    Izod Kerbschlagfähigkeit der Nut D 256A 0.55–1.0 17
    Biegetemp. bei 264 psi Biegelast D 648 158 194
    Beide sind hoch kristallin und nicht in üblichen Alkoholen lösbar Quelle: Modern Plastics Encyclopedia 1998
  • 5.I.11 Beispiel 11: Entwicklung eines Interpolymer aus Copolyamiden und Alkoxy Alkyl modifiziertem Nylon 46/66 Copolymer und Herstellung elektro-gesponnener Fasern
  • Die Proben der Läufe 10B und 10D wurden mittels oben beschriebener Verfahren zu Fasern gesponnen. Alkoxy Alkyl modifiziertes Nylon 46/66 (Polymer D) allein wurde erfolgreich gesponnen. Der Verschnitt von Polymer D mit Polymer A bringt zusätzliche Vorteile: eine effizientere Faserbildung und die Fähigkeit grössere Fasern zu bilden, ohne die Kreuzvernetzbarkeit des Polymer D zu opfern, wie aus der folgenden Tabelle ersichtlich ist:
    Polymer 10B Polymer 10D
    Allein 30 Gew.-% Allein 30 Gew.-%
    Polymer A Polymer A
    Fasergrösse (μm) 0.183 0.464 0.19 0.3
    Faser-Massenverhältnis 1 3 1 2
    Filter-Wirkungsgrad-Erhaltung (%) 87 90 92 90
  • Das Fasermassen-Verhältnis wird berechnet aus: (Gesamtlänge der Fasern × Querschnittsfläche). Filterwirkungsgrad-Erhaltung wird gemessen nach dem Einweichen der Filterprobe in Ethanol. Die Fasergrösse wurde durch das Einweichen in Alkohol nicht verändert.
  • 5.I.12 Beispiel 12: Kreuzvernetzte und elektro-gesponnene PVA
  • PVA-Pulver wurden von Aldrich Chemicals bezogen. Sie wurden entweder in Wasser oder einer 50:50 Mischung aus Methanol und Wasser gelöst. Sie wurden mit einem kreuzvernetzenden Agents und Toluen Sulfon Säure Katalysator vor dem Elektrospinnen gemischt. Die erzeugte Fasermatte wurde in einem Ofen während 10 Minuten bei 150°C kreuzvernetzt, bevor sie auf den THC-Prüfstand kam.
    Probe 12A Probe 12B Probe 12C Probe 12D
    PVA Hydrolyse 98–99 87–89 87–89 87–89
    Molgewicht 31,500–50,000 31,500–50,000 31,500–50,000 31,500–50,000
    PVA Konzentr. (%) 10 10 10 10
    Lösung Wasser Mischung Mischung (c) Mischung (d)
    Anderes Polymer Keine Keine Akrylsäure Cymel 385
    Andere Polymer/PVA 0 0 30 30
    Probe 12A Probe 12B Probe 12C Probe 12D
    (%)
    % Fasern erhalten THC 1 Std. 0 (a) 0 (a, b) 95 (b) 20 (b)
    % Fasern erhalten THC 3 Std 90 (a)
    • (a): Temperatur 71°C (160°F), 100% Feuchte
    • (b): Temperatur 60°C (140°F), 100% Feuchte
    • (c): Molekulargewicht 2000
    • (d): Melanin-Formaldehyd-Harz von Cytec
  • 5.I.13 Beispiel 13
  • Ein konventionelles Zellulose-Luftfilter-Medium wurde als Substrat verwendet. Dieses Substrat hat ein Flächengewicht von 32,3 kg pro 300 m2 (67 lb per 3000 ft2), eine Frazier Durchlässigkeit von 4,9 m/min (16 ft/min) bei einem Druckverlust von 1,3 cm WS (0,5 inch of water), eine Dicke von 0,3 mm (0,012 inch) und einen LEFS Wirkungsgrad von 41,6%. Eine Feinfaserschicht gemäss Beispiel 1 mit einem nominalen Faserdurchmesser von 0,2 μm wurde unter Nutzung des beschriebenen Prozesses auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Der resultierende Verbund hatte einen LEFS Wirkungsgrad von 63,7%. Nach einer Beaufschlagung nur der Substratprobe mit Luft von 60°C (140°F) und 100% relativer Luftfeuchte während einer Stunde, konnte die Probe abkühlen und trocknen. Sie hatte dann einen LEFS Wirkungsgrad von 36,5%. Nach der Behandlung mit Luft von 60°C (140°F) und 100% relativer Luftfeuchte während 1 Stunde konnte sich die Verbundprobe abkühlen und trocknen; sie hatte dann einen LEFS Wirkungsgrad von 39,7%. Bei Anwendung der beschriebenen mathematischen Formeln betrug der erhaltene Wirkungsgrad der Feinfaserschicht nach 1 Stunde Belastung 13%, die Zahl der erhaltenen wirksamen Feinfasern betrug 11%.
  • 5.I.14 Beispiel 14
  • Ein konventionelles Zellulose-Luftfilter-Medium wurde als Substrat verwendet. Dieses Substrat hat ein Flächengewicht von 32,3 kg pro 300 m2 (67 lb per 3000 ft2), eine Frazier Durchlässigkeit von 4,9 m/min (16 ft/min) bei einem Druckverlust von 1,3 cm WS (0,5 inch of water), eine Dicke von 0,3 mm (0,012 inch) und einen LEFS Wirkungsgrad von 41,6%. Eine Feinfaserschicht gemäss Beispiel 5 mit einem nominalen Faserdurchmesser von 0,2 μm wurde unter Nutzung des beschriebenen Prozesses auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Der resultierende Verbund hatte einen LEFS Wirkungsgrad von 96,0%. Nach einer Beaufschlagung nur der Substratprobe mit Luft von 71°C (160°F) und 100% relativer Luftfeuchte während 3 Stunden, konnte die Probe abkühlen und trocknen. Sie hatte dann einen LEFS Wirkungsgrad von 35,3%. Nach der Behandlung mit Luft von 71°C (160°F) und 100% relativer Luftfeuchte während 3 Stunden konnte sich die Verbundprobe abkühlen und trocknen; sie hatte dann einen LEFS Wirkungsgrad von 68,0%. Bei Anwendung der beschriebenen mathematischen Formeln betrug der erhaltene Wirkungsgrad der Feinfaserschicht nach 3 Stunden Belastung 58%, die Zahl der erhaltenen wirksamen Feinfasern betrug 29%.
  • 5.I.15 Beispiel 15
  • Ein konventionelles Zellulose-Luftfilter-Medium wurde als Substrat verwendet. Dieses Substrat hat ein Flächengewicht von 32,3 kg pro 300 m2 (67 lb per 3000 ft2), eine Frazier Durchlässigkeit von 4,9 m/min (16 ft/min) bei einem Druckverlust von 1,3 cm WS (0,5 inch of water), eine Dicke von 0,3 mm (0,012 inch) und einen LEFS Wirkungsgrad von 41,6%. Eine Feinfaserschicht aus einem Verschnitt aus Polymer A und Polymer B gemäss Beispiel 6 mit einem nominalen Faserdurchmesser von 0,2 μm wurde unter Nutzung des beschriebenen Prozesses auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Der resultierende Verbund hatte einen LEFS Wirkungsgrad von 92,9%. Nach einer Beaufschlagung nur der Substratprobe mit Luft von 71°C (160°F) und 100% relativer Luftfeuchte während 3 Stunden, konnte die Probe abkühlen und trocknen. Sie hatte dann einen LEFS Wirkungsgrad von 35,3%. Nach der Behandlung mit Luft von 71°C (160°F) und 100% relativer Luftfeuchte während 3 Stunden konnte sich die Verbundprobe abkühlen und trocknen; sie hatte dann einen LEFS Wirkungsgrad von 86,0%. Bei Anwendung der beschriebenen mathematischen Formeln betrug der erhaltene Wirkungsgrad der Feinfaserschicht nach 3 Stunden Belastung 96%, die Zahl der erhaltenen wirksamen Feinfasern betrug 89%.
  • 5.I.16 Beispiel 16
  • Ein konventionelles Zellulose-Luftfilter-Medium wurde als Substrat verwendet. Dieses Substrat hat ein Flächengewicht von 32,3 kg pro 300 m2 (67 lb per 3000 ft2), eine Frazier Durchlässigkeit von 4,9 m/min (16 ft/min) bei einem Druckverlust von 1,3 cm WS (0,5 inch of water), eine Dicke von 0,3 mm (0,012 inch) und einen LEFS Wirkungsgrad von 41,6%. Eine Feinfaserschicht aus Polymer A, Polymer B, T-Butyl-Phenol-Oligomer gemäss Beispiel 6 mit einem nominalen Faserdurchmesser von 0,2 μm wurde unter Nutzung des beschriebenen Prozesses auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Der resultierende Verbund hatte einen LEFS Wirkungsgrad von 90,4%. Nach einer Beaufschlagung nur der Substratprobe mit Luft von 71°C (160°F) und 100% relativer Luftfeuchte während 3 Stunden, konnte die Probe abkühlen und trocknen. Sie hatte dann einen LEFS Wirkungsgrad von 35,3%. Nach der Behandlung mit Luft von 71°C (160°F) und 100% relativer Luftfeuchte während 3 Stunden konnte sich die Verbundprobe abkühlen und trocknen; sie hatte dann einen LEFS Wirkungsgrad von 87,3%. Bei Anwendung der beschriebenen mathematischen Formeln betrug der erhaltene Wirkungsgrad der Feinfaserschicht nach 3 Stunden Belastung 97%, die Zahl der erhaltenen wirksamen Feinfasern betrug 92%.
  • 5.I.17 Beispiel 17
  • Ein konventionelles Zellulose-Luftfilter-Medium wurde als Substrat verwendet. Dieses Substrat hat ein Flächengewicht von 32,3 kg pro 300 m2 (67 lb per 3000 ft2), eine Frazier Durchlässigkeit von 4,9 m/min (16 ft/min) bei einem Druckverlust von 1,3 cm WS (0,5 inch of water), eine Dicke von 0,3 mm (0,012 inch) und einen LEFS Wirkungsgrad von 41,6%. Eine Feinfaserschicht aus kreuzvernetztem PVA mit Polyakryl-Säure gemäss Beispiel 12 mit einem nominalen Faserdurchmesser von 0,2 μm wurde unter Nutzung des beschriebenen Prozesses auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Der resultierende Verbund hatte einen LEFS Wirkungsgrad von 92,9%. Nach einer Beaufschlagung nur der Substratprobe mit Luft von 71°C (160°F) und 100% relativer Luftfeuchte während 2 Stunden, konnte die Probe abkühlen und trocknen. Sie hatte dann einen LEFS Wirkungsgrad von 35,3%. Nach der Behandlung mit Luft von 71°C (160°F) und 100% relativer Luftfeuchte während 2 Stunden konnte sich die Verbundprobe abkühlen und trocknen; sie hatte dann einen LEFS Wirkungsgrad von 83,1%. Bei Anwendung der beschriebenen mathematischen Formeln betrug der erhaltene Wirkungsgrad der Feinfaserschicht nach 2 Stunden Belastung 89%, die Zahl der erhaltenen wirksamen Feinfasern betrug 76%.
  • Figure 00890001
  • Figure 00900001
  • 6. Testverfahren
  • 6.1 Heisswassser-Einweichtest
  • Die Verwendung des Filterwirkungsgrades als Maß für die Zahl der Feinfasern, die wirksam und funktionell in der Struktur erhalten bleiben hat zahlreiche Vorteile gegenüber anderen möglichen Verfahren, wie z. B. der SEM-Bewertung:
    • – Die Filterwirkungsgradmessung bewertet eine Fläche von mehreren inch2 des Mediums, dadurch ergibt sich ein besserer Durchschnitts-Wert als aus der kleinen Fläche der SEM-Photomikrographs (üblicherweise kleiner als 6,45 × 10–4 cm2 (0,0001 inch2)).
    • – Die Filtrationsmessung quantifiziert die Zahl der Fasern, die in der Struktur funktionsfähig bleiben. Die Fasern, die verbleiben, aber miteinander verklumpt sind oder auf eine andere Weise in der geänderten Struktur existieren, werden nur durch ihre gemessene Effektivität und Funktionalität berücksichtigt.
  • Nichtsdestoweniger können bei Faserstrukturen, bei denen der Filterwirkungs-Grad nicht leicht gemessen werden kann, andere Verfahren verwendet werden, um den Anteil der verbleibenden Fasern zu messen und mit dem 50% Erhaltungskriterium zu bewerten.
  • Beschreibung:
  • Dieser Test ist ein beschleunigter Indikator für die Feuchtigkeits-Beständigkeit von Filtermedia. Der Test verwendet den LEFS Prüfstand zur Messung von Änderungen der Leistungsfähigkeit von Filtermedia nach dem Eindringen von Wasser. Die Wassertemperatur ist ein kritischer Parameter und wird gewählt in Abhängigkeit von der: Überlebensfähigkeits-Geschichte der zu untersuchenden Media, dem Wunsch die Testzeit zu minimieren, die Fähigkeit des Tests zwischen Media-Arten zu unterscheiden. Typische Wassertemperaturen sind 21°C, 60°C oder 71°C (70°F, 140°F oder 160°F).
  • Verfahren:
  • Eine Probe mit einem Durchmesser von 10,16 cm (4 inch) wird von dem Media abgeschnitten. Zur Berechnung der Materialpartikel Einfangfähigkeit der Testproben werden 0,8 im Latexkugeln als Test-Verunreinigungen in der LEFS Prüfstation verwendet, die mit 20 FPM betrieben wird (der LEFS Test ist im ASTM Standard F1215-89 beschrieben). Die Probe wird dann für 5 min. in destilliertes Wasser (üblicherweise bei 60°C (140 IF)) eingetaucht. Die Probe wird dann auf ein Trocknungsregal gelegt und bei Raumtemperatur getrocknet (üblicherweise über Nacht). Wenn die Probe trocken ist, wird sie nochmals in der LEFS Prüfstation auf ihren Wirkungsgrad hin getestet, unter den gleichen Bedingungen wie beim ersten Test.
  • Die vorangegangenen Schritte werden für das die Feinfasern tragende Substrat ohne die Feinfasern wiederholt.
  • Aus den o. g. Informationen kann man die nur durch die Feinfasern bedingte Wirkungsgrad-Komponente und den resultierenden Wirkungsgrad-Verlust infolge des Wasserschadens berechnen. Wenn der durch die Feinfasern bedingte Wirkungsgradverlust bestimmt ist, kann man den Betrag des erhaltenen Wirkungsgrades berechnen. Berechnung:
    Feinfaserschicht-Wirkungsgrad: Ei = Anfangs-Wirkungsgrad des Verbundes Es = Anfangs-Wirkungsgrad des Substrats Fg = Feinfaserschicht Fe = I – EXP(Ln(I – Ei) – Ln(I – Ex))
    Feinfaserschicht, erhaltener Wirkungsgrad: Fi = Anfangswirkungsgrad d. Feinfaserschicht Fx = Wirkungsgrad d. Feinfaserschicht nach dem Einweichen Fr = erhaltene Feinfasern Fr = Fx/Fi
  • Der Anteil der Feinfasern, die mit wirksamer Funktion erhalten bleiben, kann auch berechnet werden: % = log(I – Fx)/log(I – Fi)
  • Gut/Ausschuss-Kriterien: > 50% Wirkungsgraderhalt.
  • Bei den meisten industriellen Filter-Druckimpuls-Reinigungs-Anwendungen wird der Filter zufriedenstellend arbeiten, wenn mindestens 50% des Feinfaser-Wirkungsgrades erhalten bleibt.
  • 6.2 THC Prüfstand (Temperatur, Feuchte)
  • Beschreibung: der Zweck dieses Prüfstands ist die Feinfaserbeständigkeit gegenüber Einwirkungen von erhöhten Temperaturen und hoher Feuchte unter dynamischen Strömungsbedingungen zu evaluieren. Der Test ist vorgesehen, um extreme Betriebsbedingungen zu simulieren, z. B. von: Industriellen Filteranwendungen, Gasturbinen-Lufteintritts-Anwendungen oder Schwerlast-Motoren Lufteintrittsbedingungen. Intervallmässig werden Proben genommen, getrocknet und LEFS getestet. Dieses System wird meistens verwendet, um heisse feuchte Umgebungsbedingungen zu simulieren. Es kann aber auch verwendet werden, um heisse/kalte trockene Bedingungen zu simulieren:
    Temperatur –35°C bis 200°C (–31°F bis 390°F)
    Feuchte 0–100% relative Luftfeuchte (maximale Temperatur für 100% relative Luftfeuchte sind 310°C (590°F), die max. kontinuierliche Dauer dieser Bedingungen ist 16 Std.)
    Strömungs-Geschwindigkeit: 0,3 bis 10,7 m/min (1 bis 35 FPM)
  • Verfahren:
  • Eine Probe mit einem Durchmesser von 10,16 cm (4'')
    Wird von dem Medium abgeschnitten.
  • Zur Berechnung der Materialpartikel Einfangfähigkeit der Testproben werden 0.8 im Latexkugeln als Test-Verunreinigungen in der LEFS Prüfstation verwendet, die mit 20 FPM betrieben wird. Die Probe wird dann in den THC-Medium-Halter eingesetzt. Testzeiten können Minuten bis Tage sein, abhängig von den Testbedingungen. Die Probe wird dann auf ein Trockenregal gelegt und bei Raumtemperatur (üblicherweise über Nacht) getrocknet. Wenn die Probe trocken ist, wird ihr Wirkungsgrad wieder auf dem LEFS Prüfstand getestet, unter den gleichen Bedingungen wie beim ersten Test.
  • Die vorangegangenen Schritte werden für das die Feinfasern tragende Substrat ohne die Feinfasern wiederholt.
  • Aus den o. g. Informationen kann man die nur durch die Feinfasern bedingte Wirkungsgradkomponente berechnen und den resultierenden Wirkungsgradverlust infolge der Alkoholschädigung.
  • Wenn der Wirkungsgradverlust der Feinfasern bestimmt ist, kann man den Wert des Wirkungsgraderhaltes berechnen.
  • Gut/Ausschuss-Kriterium: > 50% Wirkungsgraderhalt.
  • Bei den meisten industriellen Filter-Druckimpulsreinigungs-Anwendungen wird der Filter zufriedenstellend arbeiten, wenn mindestens 50% des Feinfaserwirkungsgrades erhalten bleibt.
  • 6.3 Alkohol (Ethanol) Einweichtest
  • Beschreibung:
  • Der Test verwendet die LEFS Teststation, um Änderungen der Leistungsfähigkeit des Filtermediums nach dem Einweichen in Ethanol bei Raumtemperatur zu messen.
  • Verfahren:
  • Eine Probe mit einem Durchmesser von 10,16 cm (4'') wird von dem Medium abgeschnitten. Zur Berechnung der Materialpartikel-Einfangfähigkeit der Testproben werden 0,8 im Latexkugeln als Verunreinigung in der LEFS Prüfstation verwendet, die mit 20 FPM betrieben wird. Die Probe wird dann für 1 Minute in Alkohol eingeweicht.
  • Die Probe wird dann auf ein Trockenregal gelegt und bei Raumtemperatur getrocknet (üblicherweise über Nacht). Wenn die Probe trocken ist, wird ihr Wirkungsgrad nochmals in der LEFS Prüfstation unter den gleichen Bedingungen wie beim ersten Test. Die vorangegangenen Schritte werden für das die Feinfasern tragende Substrat ohne die Feinfasern wiederholt. Aus den o. g. Informationen kann man die nur durch die Feinfasern bedingte Wirkungsgradkomponente berechnen und den resultierenden Wirkungsgradverlust infolge der Alkoholschädigung. Wenn der Wirkungsgradverlust der Feinfasern bestimmt ist, kann man den Wert des Wirkungsgraderhaltes berechnen.
  • Gut/Ausschusskriterien: < 50% Wirkungsgraderhalt

Claims (42)

  1. Filterelementanordnung mit: (a) einer Luftfiltermedienpackung (140) mit einem Substrat, das einander gegenüberliegende erste und zweite Strömungsflächen (148, 150) aufweist, (b) dadurch gekennzeichnet, dass die Medienpackung (140) eine Vielzahl von Rillen (158) aufweist, wobei in der Medienpackung (i) jede der Rillen einen ersten Endbereich benachbart zu der ersten Strömungsfläche (148) und einen zweiten Endbereich benachbart zu der zweiten Strömungsfläche (150) aufweist, und (ii) ausgewählte Rillen in dem ersten Endbereich (169) geöffnet und in dem zweiten Endbereich (178) geschlossen sind und die verbleibenden Rillen in dem ersten Endbereich (181) geschlossen und in dem zweiten Endbereich (184) geöffnet sind, (c) und dadurch, dass das Substrat zumindest teilweise von einer Schicht bedeckt ist, die eine feine Faser aufweist mit einer Faser mit einem Durchmesser von etwa 0,01 bis 0,5 μm, wobei die Faser einen oder mehrere der folgenden Bestandteile aufweist: ein Polyvinylhalogenid, ein Polyvinylidenhalogenid, einen Polyvinylalkohol, ein Nylon umfassend ein anderes Nylon als einen aus einem zyklischen Laktam und einem C6-10-Diaminmonomer oder einem C6-10-Diacidmonomer gebildeten Copolymer und zudem umfassend ein harzartiges Additiv umfassend ein Oligomer mit einem Molekulargewicht von etwa 500 bis 3000 und einem aromatischen Charakter, wobei das Additiv in dem Nylon mischbar ist, ein Polyalkylenterephthalat, ein Polyalkylennaphthalat, ein Polyurethan, ein aromatisches Polyamid, ein Polybenzimidazol oder ein Polyarylat.
  2. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Polyvinylidenhalogenid Polyvinylidenchlorid umfasst.
  3. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Polyvinylidenhalogenid Polyvinylidenfluorid umfasst.
  4. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei der Polyvinylalkohol mit etwa 1 bis 40 Gew.-% eines Vernetzungsmittels vernetzt ist.
  5. Filterelementanordnung nach Anspruch 4, wobei der vernetzte Polyvinylalkohol unter Benutzung einer Polyacrylsäure mit einem Molekulargewicht von etwa 1000 bis 3000 vernetzt ist.
  6. Filterelementanordnung nach Anspruch 4, wobei der vernetzte Polyvinylalkohol unter Verwendung eines Melamin-Formaldehyd-Harzes mit einem Molekulargewicht von etwa 1000 bis 3000 vernetzt ist.
  7. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das eine Polyalkylenterephthalat ein Polyethylenterephthalat umfasst.
  8. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Nylon ein Nylonpolymer umfasst, mit einem Homopolymer mit wiederholten Einheiten, die von einem zyklischen Laktam abgeleitet sind.
  9. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Nyloncopolymer mit einem zweiten Nyloncopolymer kombiniert ist, wobei das zweite Nylonpolymer in Molekulargewicht oder Monomerzusammensetzung abweicht.
  10. Filterelementanordnung nach Anspruch 9, wobei das Nyloncopolymer mit einem zweiten Nylonpolymer kombiniert ist, wobei das zweite Nylonpolymer ein alkoxyalkylmodifiziertes Polyamid umfasst.
  11. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das zweite Nylonpolymer ein Nyloncopolymer umfasst.
  12. Filterelementanordnung nach Anspruch 11, wobei die Faser behandelt ist, um eine einzelne Polymer-Zusammensetzung zu bilden, entsprechend einem mit einem Differential-Scanning-Kalorimeter gemessenen Einphasenmaterial.
  13. Filterelementanordnung nach Anspruch 12, wobei das Copolymer und das zweite Polymer wärmebehandelt sind.
  14. Filterelementanordnung nach Anspruch 13, wobei das Copolymer und das zweite Polymer bis zu einer Temperatur unterhalb des niedrigeren Schmelzpunktes der Polymere wärmebehandelt ist.
  15. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Additiv ein Oligomer mit einer Phenolverbindung umfasst.
  16. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Additiv ein Oligomer mit tertiärem Butylphenol umfasst.
  17. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Additiv ein Oligomer mit Eisphenol A enthält.
  18. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Additiv ein Oligomer mit Dihydroxybiphenyl umfasst.
  19. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Additiv eine Mischung aus dem harzartigen Additiv und einem Fluorpolymer umfasst.
  20. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Additiv ein Fluorkohlenwasserstofftensid umfasst.
  21. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Additiv ein nichtionisches Tensid umfasst.
  22. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Polyurethan eine Mischung aus einem Polyurethanpolymer und einem Polyamidpolymer umfasst.
  23. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das Nylon einen Nylonhomopolymer, einen Nyloncopolymer oder Mischungen daraus umfasst.
  24. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das aromatische Polyamid ein Reaktionsprodukt eines Diaminmonomers und eines Poly(m-Phenylenisophtalamid) umfasst.
  25. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei das aromatische Polyamid das Reaktionsprodukt eines Diamins und eines Poly(p-Phenylenterephtalamid) umfasst.
  26. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, wobei der Polyarylatpolymer ein Kondensationspolymerisationsreaktionsprodukt zwischen Bisphenol-A und gemischten Phtalsäuren umfasst.
  27. Filterelementanordnung nach Anspruch 1, ferner umfassend: (a) ein Dichtungssystem mit einem Rahmenaufbau und einem Dichtungselement, (i) wobei die Rahmenanordnung eine Ausdehnung aufweist, die sich axial von einer der ersten oder zweiten Strömungsflächen erstreckt, (A) wobei die Ausdehnung eine Bandkonstruktion mit einer äußeren radialen Oberfläche aufweist, (ii) wobei das Dichtungselement von der Ausdehnung der Rahmenanordnung getragen wird, (A) wobei das Dichtungselement einen Polyurethanschaum mit einer Gussdichte von 224–352 kg/m3 (14–22 Pfd/Fuß3) umfasst, und (B) das Dichtungselement gegenüber zumindest der äußeren radialen Oberfläche ausgerichtet ist.
  28. Filterelementanordnung nach Anspruch 27, wobei: die Medienpackung und der Rahmenaufbau einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
  29. Filterelementanordnung nach Anspruch 27, wobei: (A) die Medienpackung und der Rahmenaufbau einen rennbahnförmigen Querschnitt aufweisen, (B) der Rahmenaufbau radial tragende Querstreben aufweist.
  30. Filterelementanordnung nach Anspruch 27, ferner umfassend: eine Plattenstruktur, wobei die Medienpackung innerhalb der Plattenstruktur angebracht ist.
  31. Filterelementanordnung nach Anspruch 27, ferner umfassend: einen von der ersten Oberfläche der Medienpackung vorstehenden Handgriff, wobei der Handgriff in seiner Größe angepasst ist, um eine menschliche Hand aufzunehmen.
  32. Filterelementanordnung nach Anspruch 27, ferner umfassend: (a) ein Kragenelement, das an der Medienpackung befestigt ist und diese umgibt, (i) wobei das Kragenelement bezüglich der Medienpackung ausgerichtet ist, um sich zumindest über 30% der axialen Länge des Medienpakets zu erstrecken, und (b) einen Dichtungselementdruckflansch, der zumindest teilweise das Medienpaket umgibt, (i) wobei der Dichtungselementdruckflansch sich radial von dem Kragenelement erstreckt und das Kragenelement komplett umgibt.
  33. Verfahren zum Luftfiltern, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Leiten von Luft durch ein Medienpaket (140) mit einer Geschwindigkeit von 8,5 bis 17.000 m3/h (5 bis 10.0000 cfm), wobei die Packung (140) ein Substrat mit ersten und zweiten einander gegenüberliegenden Strömungsflächen (148, 150) und eine Vielzahl von Rillen (158) aufweist, wobei in der Medienpackung (i) die Rillen einen ersten Endbereich benachbart zu der ersten Strömungsfläche und einen zweiten Endbereich benachbart zu der zweiten Strömungsfläche aufweisen, (ii) ausgewählte Rillen in dem ersten Endbereich (169) geöffnet und in dem zweiten Endbereich (178) geschlossen sind, und ausgewählte Rillen in dem ersten Endbereich (181) geschlossen und in dem zweiten Endbereich (184) geöffnet sind, (iii) die Medienzusammensetzung ein Substrat aufweist, das zumindest teilweise von einer Schicht bedeckt ist, die feine Fasern aufweist mit einer Faser mit einem Durchmesser von etwa 0,01 bis 0,5 μm, wobei die Faser einen oder mehrere der folgenden Bestandteile aufweist: ein Polyvinylhalogenid, ein Polyvinylidenhalogenid, einen Polyvinylalkohol, ein Nylon umfassend ein anderes Nylon als einen aus einem zyklischen Laktam und einem C6-10-Diaminmonomer oder einem C6-10-Diacidmonomer gebildeten Copolymer und zudem umfassend ein harzartiges Additiv umfassend ein Oligomer mit einem Molekulargewicht von etwa 500 bis 3000 und einem aromatischen Charakter, wobei das Additiv in dem Nylon mischbar ist, ein Polyalkylenterephthalat, ein Polyalkylennaphthalat, ein Polyurethan, ein aromatisches Polyamid, ein Polybenzimidazol oder ein Polyarylat.
  34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei das Verfahren einen Schritt des Leitens eines Stoßes von Luft durch die Medienpackung aufweist, um in der Packung gesammelte Partikel zu entfernen.
  35. Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Stoß in einer Richtung entgegen der Strömungsrichtung der Luft während des normalen Betriebs gerichtet ist.
  36. Verfahren nach Anspruch 33, wobei der Stoß mehr als 50% der Partikel in der Packung entfernt.
  37. Verfahren nach Anspruch 33, wobei: der Schritt des Leitens von Luft durch eine Medienpackung ein Leiten der Luft in eine Luftaufnahmeleitung eines Motors mit einer Geschwindigkeit an Motoreinlassluftströmung von etwa 85 bis 850 m3/h (50 bis 500 cfm) umfasst.
  38. Verfahren nach Anspruch 33, wobei: (a) der Schritt des Leitens von Luft durch eine Medienpackung ein Leiten von Luft durch ein Filterelement mit der Medienpackung und einem Dichtungssystem umfasst, wobei das Dichtungssystem eine Rahmenanordnung und ein Dichtungselement aufweist, wobei (i) die Rahmenanordnung eine Ausdehnung aufweist, die sich axial von einer der ersten oder zweiten Strömungsflächen erstreckt, (ii) das Dichtungselement von der Ausdehnung der Rahmenanordnung getragen wird, und (iii) das Dichtungselement eine radiale Dichtung zwischen und gegenüber der Ausdehnung und einer Durchführung in dem Motorlufteinlass bildet.
  39. Verfahren nach Anspruch 33, wobei: der Schritt des Leitens von Luft durch eine Medienpackung ein Leiten der Luft in eine Lufteinlassleitung eines Gasturbinensystems umfasst.
  40. Verfahren nach Anspruch 35, wobei: (a) der Schritt des Leitens von Luft in eine Lufteinlassleitung eines Gasturbinensystems ein Leiten der Luft in die Lufteinlassleitung des Gasturbinensystems umfasst, mit: (i) einem Rohrboden mit wenigstens einem einzelnen Durchgangsloch, (ii) einem Kragenelement, das durch das Loch entfernbar und ersetzbar befestigt ist, wobei die Medienpackung von dem Kragenelement gehalten wird, (iii) einem Flansch, der zumindest teilweise das Kragenelement umgibt, und (iv) einem Dichtungselement, das zwischen und gegen den Flansch und den Rohrboden gepresst ist, um dazwischen eine Dichtung zu bilden.
  41. Verfahren nach Anspruch 33, wobei: der Schritt des Leitens von Luft durch eine Medienpackung ein Leiten der Luft in einen Lufteinlass eines Brennstoffzellensystems mit einer Filteranordnung und einer stromabwärts angeordneten Brennstoffzelle umfasst.
  42. Verfahren nach Anspruch 41, wobei: (a) der Schritt des Leitens von Luft durch eine Medienpackung ein Leiten der Luft in den Lufteinlass des Brennstoffzellensystems mit der Filteranordnung stromaufwärts der Brennstoffzelle umfasst, wobei die Filterelementanordnung aufweist: (i) ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Einlass schmutzige Atmosphärenluft für die Filterelementanordnung aufnimmt und der Auslass saubere Luft von der Filterelementanordnung erhält; (A) wobei die Medienpackung im Betrieb innerhalb des Gehäuses installiert ist, (ii) ein Schallunterdrückungselement innerhalb des Gehäuses, wobei das Schallunterdrückungselement so aufgebaut und angeordnet ist, um zumindest 6 dB zu dämpfen, und die Brennstoffzelle eine Lufteinlassöffnung aufweist, wobei die Filteranordnung so aufgebaut und angeordnet ist, dass sie saubere Luft aus dem Auslass der Filteranordnung der Einlassöffnung der Brennstoffzelle zuführt.
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