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Dokumentenidentifikation DE4106742A1 05.09.1991
Titel Mikrofilter
Anmelder Zahnradfabrik Friedrichshafen AG, 7990 Friedrichshafen, DE
Erfinder Rieger, Reinhard, 7990 Friedrichshafen, DE
DE-Anmeldedatum 02.03.1991
DE-Aktenzeichen 4106742
Offenlegungstag 05.09.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.09.1991
IPC-Hauptklasse B01D 67/00
IPC-Nebenklasse B01D 46/54   B01D 69/12   
IPC additional class // F01M 1/10  
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf verschiedene Verfahren zur Herstellung eines Filters sowie nach diesen Verfahren hergestellte Filter, die sich durch eine Porenweite im Mikrometerbereich auszeichnen. Zur Minimierung der Porenweite - bei akzeptablen Herstellkosten - werden bei den Filtern nach der Erfindung zwei Membranen aufeinandergelegt und bei gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Mikroporen zu einem Filter zusammengefügt. Ein derartiger Filter ist insbesondere zur Reinigung von Fluiden in der Antriebstechnik geeignet (Fig. 5).

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf verschiedene Verfahren zur Herstellung eines Filters und nach diesen Verfahren hergestellte Filter, die sich insbesondere durch Mikroporen auszeichnen, deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist.

Es ist allgemein bekannt, daß der Verschmutzungsgrad von Öl zu Schmierzwecken einen erheblichen Einfluß auf die Lebensdauer von Maschinenelementen, wie z. B. Wälzlagern, hat. Im Zusammenhang mit der Untersuchung der Lebensdauer von Wälzlagern wurde herausgefunden, daß die Lebensdauerfaktoren einer starken Abhängigkeit von der Feinheit der Filter unterliegen, die zur Reinigung des Öles eingesetzt werden. Aus den schematischen Darstellungen entsprechend den Fig. 1 und 2 läßt sich der prinzipielle Zusammenhang von Lebensdauerfaktoren (Fig. 1) und Verschmutzungsgradienten (Fig. 2) der Filter in Abhängigkeit von der Filterfeinheit ablesen. Lebensdauerfaktoren von 10 bis 13 lassen sich demnach nur erreichen, wenn die Filterfeinheit unter dem Wert von ca. 5 µm liegt. Bei einer Filterfeinheit von 8 µm ist dieser Wert schon auf den Faktor 6 abgesunken. Oberhalb eines Wertes der Filterfeinheit von 10 µm sinken die Lebensdauerfaktoren nochmals auf Werte bis zu Faktor 2 ab (40 µm). Aus Fig. 2 wird ersichtlich, daß der Verschmutzungsgrad eines Filters über der Zeit mit abnehmender Filterfeinheit zunimmt. Während ein Filter mit einer Porenweite von 3 µm eine hohe Standzeit aufweist, zeigen Filter mit größerer Porenweite eine deutliche Tendenz zu höherer Verschmutzung.

Zur Erzielung von Mikrostrukturen sind bereits verschiedene Vorschläge gemacht worden. Zur Herstellung von Mikrostrukturen mit extremer Strukturhöhe und großem Aspektverhältnis ist ein Verfahren (LIGA-Verfahren) bekanntgeworden, bei dem durch Röntgenlithographie mit Synchrotronstrahlung eine sogenannte Resiststruktur im Kunststoff (z. B. Polymethylmethacrylat, PMMA) erzeugt wird (DE 29 22 642 B1). Die erzeugte Resiststruktur wird galvanisch mit einem Metall ausgefüllt. Die Resiststrukturen werden entfernt, so daß ein Formeinsatz mit Formhohlräumen entsteht. Diese Formeinsätze bilden stabile Mikroformen für eine vielfache Herstellung von Kunststoffstrukturen durch Abformung mit Gießharzen. Für den Fall, daß das Endprodukt aus einer metallischen Mikrostruktur bestehen soll, stellen die Kunststoffstrukturen lediglich ein Zwischenerzeugnis dar. Durch eine weitere Galvanoformung und dem Herauslösen der Kunststoffstruktur und nachfolgender Endbearbeitung erhält man ein Verfahrenserzeugnis, das aus einer Metallplatte mit Mikrostrukturen besteht. Derartige Mikrostrukturen aus Kunststoff bzw. Metall können als Filter für verschiedene Zwecke eingesetzt werden (W. Ehrfeld et al, Microfabrication of Membranes with extreme Porosity and Uniform Pore Size, Journal of Membrane Science, 36 (1988), 67-77).

Bei einem weiteren bekannten Verfahren (DE 37 04 546 C2) wird eine Form für die Membran und eine Stützstruktur hergestellt. Die Membran und die Stützstruktur integrales Bauteil. Nach dem Befüllen und Ausformen werden die Poren in der Membran durch partielles Durchstrahlen der Membran und durch Entfernen der Bereiche mit einer erhöhten Löslichkeit hergestellt. Hierzu wird ebenfalls ein Positiv- Resistmaterial (PMMA) verwendet. Das partielle Durchstrahlen erfolgt mit Röntgenstrahlung.

Mit den bekannten Verfahren lassen sich Filter herstellen, bei denen die Verteilung und die Querschnittsform der Poren der mikroporösen Membranen sehr genau und ohne statistische Schwankungen nach einer frei wählbaren Vorgabe bei einer sehr hohen Transparenz vorgenommen bzw. gestaltet werden können. Diesen Vorteilen steht vor allem der Nachteil gegenüber, daß die kleinste Porenweite bei bisher praktisch ausgeführten Filtermembranen bei 10 µm liegt. Die bisher erreichten, größten Bearbeitungstiefen betragen etwa 0,6 mm.

Die vorliegende Erfindung geht von den Erkenntnissen aus den eingangs geschilderten Gesetzmäßigkeiten zwischen den Lebensdauerfaktoren und unterschiedlichen Filterfeinheiten aus. Die ihr zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, geeignete Verfahren zur Herstellung von Filtern und nach diesen Verfahren hergestellte Filter bereitzustellen, die sich durch eine große Filterfeinheit auszeichnen. Die Kosten für die Herstellung derartiger Filter sollen nicht mit der zunehmenden Filterfeinheit gleichermaßen ansteigen. Um die Eigenstabilität eines Filters zu erhöhen, soll die Dicke der mikroporösen Schicht erhöht werden.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Filters, bei dem zunächst eine Membran aus einem durch energiereiche Strahlung in seiner Löslichkeit veränderbaren Material hergestellt wird und wobei anschließend ein partielles Durchstrahlen der Membran mit energiereicher Strahlung erfolgt und die durchstrahlten, eine erhöhte Löslichkeit aufweisenden Bereiche unter Bildung von Mikroporen, deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, entfernt werden, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß zwei Membranen aufeinandergelegt und bei gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Mikroporen zu einem Filter zusammengefügt werden, dessen wirksamer Porenquerschnitt geringer als der Querschnitt der Mikroporen der einzelnen Membranen ist. Mit der erfindungsgemäßen Lösung werden im wesentlichen zwei entscheidende Vorteile erzielt: Einerseits kann die Weite der Mikroporen einer einzelnen Membran relativ groß sein. Dennoch entsteht durch das vorgeschlagene Zusammenführen zweier Membranen ein Filter, der sich durch eine Porenweite auszeichnet, die weitaus geringer sein kann als die Weite der Mikroporen jeder einzelnen Membran. Ganz entscheidend ist in diesem Zusammenhang, daß die Absenkung der Porenweite des Filters überraschenderweise nicht mit einem Anstieg der Herstellungskosten verbunden ist. Ein überproportionaler Anstieg der Herstellungskosten müßte aber in Kauf genommen werden, wenn man - wie bisher - versuchen würde, mit nur einer Membran auszukommen, um die Weite ihrer Mikroporen zu verringern. Andererseits bringt die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung den weiteren Vorteil mit sich, daß die Eigenstabilität des Filters erhöht wird. Geht man z. B. von einer Dicke einer Einzelmembran von ca. 0,2 mm aus, ergibt sich eine Dicke eines kompletten Filters, die bei ca. 0,4 mm liegt. Der Filter weist eine dementsprechend große Eigenstabilität auf. Eine gesonderte Stützkonstruktion ist daher nur in besonderen Ausnahmefällen erwünscht bzw. erforderlich. Der gegenseitige Versatz der Mikroporen kann entweder dadurch zustande kommen, daß gleiche Membranen seitlich versetzt aufeinandergelegt werden oder daß Membranen verwendet werden, die - bei äußerlich gleichen Abmessungen - durch die Anordnung der Mikroporen voneinander abweichen, bei denen also der seitliche Versatz der Mikroporen bereits bei der Herstellung der Membran mitberücksichtigt ist.

Bei einem nach dem vorstehend geschilderten Verfahren hergestellten Filter, der so beschaffen ist, daß jede Membran zusammen mit einer Stützstruktur und vorgebbarer Geometrie ein integrales Bauteil bildet und die Stützstrukturen Träger der Membranen bilden, ist es besonders vorteilhaft, daß die Stützstrukturen zweier Membranen ineinandergreifen, so daß die Membranen unter gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Mikroporen aufeinanderliegen. Die Stützstruktur erfüllt hierbei eine Doppelfunktion. Die Stabilität des Filters wird erhöht und zusätzlich werden die Membranen unter seitlichem Versatz ihrer Mikroporen lagefixiert.

Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung eines Filters, bei dem auf röntgenlithographischem Weg ein Formeinsatz mit Formhohlräumen hergestellt wird und bei dem durch Füllen mit Formmasse eine Membran mit Mikroporen, deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, erzeugt wird, besteht eine weitere erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe darin, daß zwei Formeinsätze mit gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Formhohlräume zu einer Form zusammengesetzt werden. Die zusammengesetzte Form wird mit Formmasse gefüllt, so daß zwei Membranen unter gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Mikroporen zu einem Filter zusammengefügt werden. Dieser wird anschließend entformt. Der wirksame Porenquerschnitt des Filters ist geringer als der Querschnitt der Mikroporen der einzelnen (fest zusammengefügten) Membranen. Als Formmasse kann ein Gießharz auf Methacrylatbasis verwendet werden. Ein nach diesem Verfahren hergestellter Filter zeichnet sich ebenfalls durch eine geringe Porenweite bei großer Eigenstabilität aus. Dieses weitere Verfahren nach der Erfindung ist besonders für die Massenherstellung von Filtern geeignet.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe wird im Zusammenhang mit einem Verfahren vorgeschlagen, das auf die Erzeugung einer metallischen Filtermembran gerichtet ist. Bei diesem Verfahren zur Herstellung eines Filters wird auf röntgenlithographischem Weg ein Formeinsatz mit Formhohlräumen hergestellt. Dieser wird mit Formmasse gefüllt. Nach dem Entformen und einer nachfolgenden Galvanoformung entsteht eine metallische Membran mit Mikroporen, deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist. Im Zusammenhang mit diesem Verfahren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zwei Membranen aufeinandergelegt und unter gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Mikroporen zu einem Filter zusammengefügt werden, dessen wirksamer Porenquerschnitt geringer als der Querschnitt der Mikroporen der einzelnen Membranen ist. Diese erfindungsgemäße Lösung gelangt dann zur Anwendung, wenn das Endprodukt aus einem metallischen Filter besteht. Auch dieser Filter zeichnet sich durch seine geringe Porenweite aus und verfügt über eine Eigenstabilität, die naturgemäß über der eines Kunststoffilters liegt. Ein metallischer Filter hat ferner den Vorteil, daß er in einem weiten Temperaturbereich und in sehr unterschiedlichen Medien eingesetzt werden kann.

Während bei dem vorstehend geschilderten Verfahren zwei metallische Membranen zu einem Filter zusammengefügt werden, befaßt sich eine weitere erfindungsgemäße Lösung mit der Herstellung eines einstückigen metallischen Filters. Ausgangspunkt ist ein Verfahren zur Herstellung eines Filters, bei dem auf röntgenlithographischem Wege ein Formeinsatz mit Formhohlräumen hergestellt wird. Durch Füllen mit Formmasse, Entformen und nachfolgender Galvanoformung wird eine metallische Membran mit Mikroporen, deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, erzeugt. Bei diesem Verfahren werden erfindungsgemäß zwei Formeinsätze mit gegenseitigem seitlichen Versatz ihrer Formhohlräume zu einer Form zusammengesetzt. Diese wird mit Formmasse gefüllt. Nach der Entformung wird die erhaltene Kunststoffstruktur galvanisch in eine Metallplatte eingebettet. Die Kunststoffstruktur wird sodann aus dieser Metallplatte durch geeignete Verfahren herausgelöst. Das mit diesem Verfahren gewonnene Erzeugnis besteht aus einem einstückigen, metallischen Filter, dessen Porenweite gering ist. Stellt man sich, was nicht zutrifft, den Filter aus zwei Einzelmembranen zusammengefügt vor, beträgt die Porenweite lediglich einen Bruchteil der Porenweite jeder (einzelnen) Membran.

Weitere, für die Erfindung wesentlichen Merkmale und die daraus resultierenden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung mehrerer erfindungsgemäßer Verfahren zur Herstellung eines Filters sowie die hiernach gewonnenen Filter anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 3 und 4 einzelne Membranen;

Fig. 5 ein aus den Membranen nach den Fig. 3 und 4 zusammengesetzter Filter;

Fig. 6 und 7 weitere Membranen;

Fig. 8 ein aus den Membranen nach den Fig. 6 und 7 zusammengefügter Filter;

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Filters;

Fig. 10 und 11 einzelne Membranen, die mit einer Stützstruktur ein integrales Bauteil bilden;

Fig. 12 ein aus den Membranen nach den Fig. 10 und 11 zusammengesetzter Filter;

Fig. 13a bis 13d Verfahrensschritte zur Herstellung eines Formeinsatzes und

Fig. 14a bis 14d Verfahrensschritte zur Herstellung eines weiteren Formeinsatzes;

Fig. 15 eine aus zwei Formeinsätzen gebildete Form;

Fig. 16 die Form nach Fig. 15 bei ihrer Füllung mit Formmasse;

Fig. 17 eine Kunststoffstruktur und

Fig. 18 eine von der Kunststoffstruktur nach Fig. 17 abgeleitete Metallplatte;

Fig. 19 bis 28 verschiedene Filterformen;

Fig. 29 und 30 zwei Ausführungsbeispiele eines Mikrofilters mit Schwingungsgenerator für die Luftfahrt-, Maschinenbau- und Automobilindustrie.

In Fig. 3 ist eine Membran 1 in stark vereinfachter Darstellung in Draufsicht wiedergegeben. Die Membran 1 hat eine Dicke von ca. 0,6 mm. Sie besteht aus Kunststoff, z. B. einem Gießharz auf Methacrylatbasis, oder einem Metall, z. B. Nickel. Die Membran 1 ist von Mikroporen 2 durchsetzt, deren Verteilung und Querschnitt exakt vorgegeben ist. Die Poren 2 weisen im vorliegenden Fall einen quadratischen Querschnitt auf. Die Porenweite 3 der mikroporösen Membran beträgt im vorliegenden Fall etwa 10 µm. Der gegenseitige Abstand 4 (Stegbreite) der Mikroporen 2 voneinander liegt bei ca. 5 µm.

Die Fig. 4 zeigt in ebenfalls stark vereinfachter Abbildung eine zweite Membran 5, die gleichfalls von Mikroporen 6 durchsetzt ist. Die Verteilung und der Querschnitt dieser Mikroporen 6 entspricht prinzipiell derjenigen der Mikroporen 2 der Membran 1. Die Membran 5 unterscheidet sich von der Membran 1 in einem wesentlichen Merkmal: Die Mikroporen 6 der Membran 5 weisen gegenüber den Mikroporen 2 der Membran 1 - zumindest in einer Richtung - einen seitlichen Versatz auf.

Die Fig. 5 gibt einen Filter 7 in schematischer Draufsicht wieder, der durch das Aufeinanderlegen der Membranen 1 und 5 gebildet wurde. Im vorliegenden Fall bildet die Membran 5 die Unterlage, während die Membran 1 oben aufliegt. Durch den seitlichen Versatz 8 der Mikroporen 2 der Membran 1 gegenüber den Mikroporen 6 der Membran 5 in beiden Richtungen (in der Zeichnung sind die Mikroporen 6 gegenüber den Mikroporen 2 nach unten und rechts versetzt) stellt sich ein wirksamer Porenquerschnitt 9 des Filters 7 ein, der geringer als der Querschnitt der Mikroporen 2 und 6 der einzelnen Membranen 1 und 5 ist. Der wirksame Porenquerschnitt 9 ist in Fig. 5 durch Schraffierung besonders vorgehoben. Der Filter 7 hat eine Gesamtdicke von ca. 1,2 mm. Die Porenweite 10 des Filters 7 liegt beispielsweise bei ca. 3 µm. Für das Zusammenfügen der aufeinanderliegenden Membranen 1 und 5, die den Filter bilden, stehen dem Fachmann mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Es ist möglich, die Membranen 1 und 5 durch gesonderte Klammern zusammenzuhalten. Die Membranen 1 und 5 können aber auch in einem gesonderten, rahmenförmigen Halter eingespannt sein. Eine Verbindung kann beispielsweise auch über verteilt angeordnete, punktförmige Klebestellen erfolgen. Ferner ist ein Verschweißen der Membranen 1 und 5 möglich. In jedem Fall ist sicherzustellen, daß die Membranen 1 und 5 mit Kontakt aufeinanderliegen und so miteinander verbunden sind, daß eine Verschiebung der Mikroporen 2 und 6 der Membranen 1 und 5 ausgeschlossen ist.

Während die Mikroporen 2 und 6 des Filters 7 einen quadratischen Querschnitt aufweisen, haben die in den Fig. 6 und 7 in Draufsicht schematisch abgebildeten Membranen 11 und 12 Mikroporen mit sechseckigem Querschnitt. Durch Aufeinanderlegen der Membranen 11 und 12 entsteht ein Filter 15, dessen wirksamer Porenquerschnitt 16 etwa rautenförmig ist (Fig. 8).

Der in Fig. 9 schematisch in Draufsicht wiedergegebene Filter 17 ist ebenfalls durch Aufeinanderlegen zweier Membranen 18 und 19 gebildet. Am Beispiel dieses Filters 17 wird deutlich, daß die Verteilung und der Querschnitt der Mikroporen 2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29, 51, 52 auf einfachen geometrischen Mustern beruhen kann. Die Mikroporen 20 und 21 sind kreisrunde Öffnungen mit einem Durchmesser von ca. 10 µm. Die verbleibenden freien Porenquerschnitte, die den wirksamen Porenquerschnitt 22 bilden, sind etwa linsenförmig ausgebildet. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß durch Variation der Porenweite der Mikroporen 20 und/oder 21 sowie des gegenseitigen seitlichen Versatzes der wirksame Porenquerschnitt 22 des Filters 17 sehr einfach und wirkungsvoll verändert werden kann. Das vorstehend gesagte gilt selbstverständlich auch für die Filter 7 und 15.

In Fig. 10 ist in schematischer Darstellung eine Membran 24 im Längsschnitt dargestellt. Die Membran 24 bildet zusammen mit einer Stützstruktur in Form von Stegen 25 ein integrales Bauteil. Die Membran 24 weist Mikroporen 26 auf, die z. B. quadratischen oder kreisrunden Querschnitt haben können. Auch hier ist die Verteilung und der Querschnitt der Mikroporen 26 vorgegeben.

Die Fig. 11 zeigt eine Membran 27, die, analog zur Ausbildung der Membran 24, ebenfalls eine Stützstruktur in Form von Stegen 28 aufweist. Die Membran 27 ist mit Mikroporen 29 durchsetzt, deren Verteilung und deren Querschnitt mit der Anordnung und Ausbildung der Mikroporen 26 der Membran 24 übereinstimmt. In die Oberfläche der Membran 27 sind längsgerichtete Nuten 30 eingearbeitet. Die Nuten 30 sind so angeordnet und bemessen, daß die Stege 25 der Membran 24 in Eingriff gebracht werden können. Die Mikroporen 26 der Membran 24 weisen gegenüber den Mikroporen 29 der Membran 27 einen seitlichen Versatz 31 auf.

Die Fig. 12 zeigt in schematischem Längsschnitt einen Filter 32, der durch Aufeinanderlegen der Membranen 24 und 27 bei gegenseitigem seitlichen Versatz 31 ihrer Mikroporen 26 und 29 zusammengefügt wurde. Aus der Abbildung ist ersichtlich, daß die Stege 25 (Stützstrukturen) in die Nuten 30 der Membran 27 eingreifen. Durch das Ineinandergreifen der Stützstrukturen beider Membranen 24, 27 wird eine sichere Verbindung zwischen den Membranen hergestellt. Gleichzeitig wird die Lage der Mikroporen 26 zur Position der Mikroporen 29 fixiert. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Verteilung und der Querschnitt der Mikroporen 26 und 29 untereinander sowie ihre räumliche Zuordnung zu den Stegen 25 bzw. 28 und den Nuten 30 fest vorgegeben ist. Zur sicheren Verbindung der Membranen 24 und 27 können die Stege 25 relativ festsitzend in die Nuten 30 eingeführt werden. Es ist jedoch auch möglich, diese Verbindung unter Zuhilfenahme eines Klebemittels zu bewerkstelligen.

Bei der Fertigung der Membranen 24 und 27 wird zunächst eine Form für die Membran und die integrierte Stützstruktur hergestellt. Nach dem Befüllen der Form mit einem geeigneten Kunststoff und dem Ausformen werden die Mikroporen 26 und 29 durch partielles Durchstrahlen der Membranen mit energiereicher Strahlung (Röntgenstrahlen) und durch Entfernen der bestrahlten Bereiche, die eine erhöhte Löslichkeit aufweisen, hergestellt.

Die Membranen 1 und 5, 11 und 12 und 18 und 19 sind nach dem sogenannten LIGA-Verfahren hergestellt. Zur Erläuterung einzelner Verfahrensschritte wird nachfolgend auf die Fig. 13a bis 13d verwiesen. Zunächst wird ein auf einer Grundplatte 91 aufgebrachter Kunststoff 33 (Resist) einer Synchrotronstrahlung, die eine Maskenmembran 35 mit einer Absorberstruktur 36 durchläuft, ausgesetzt. Nach dem Herauslösen der bestrahlten Bereiche bleibt auf der Grundplatte 91 eine Resiststruktur 37 stehen (Fig. 13b). Die Resiststruktur 37 wird galvanisch von Metall 38 überzogen. Nach Entfernen der Grundplatte 91 und dem Herauslösen der Resiststruktur 37 bleibt ein Formeinsatz mit Formhohlräumen 40 übrig (Fig. 13d). Zur Herstellung eines Filters werden die vorstehend erläuterten Verfahrensschritte (Fig. 13a bis 13d) um gleiche Verfahrensschritte (Fig. 14a) bis 14d) ergänzt. Diese ergänzenden Verfahrensschritte dienen der Herstellung eines zweiten Formeinsatzes 41 mit Formhohlräumen 42. Die Formhohlräume 42 weisen gegenüber den Formhohlräumen 40 einen seitlichen Versatz 43 auf. Die zwei Formeinsätze 39 und 41 werden, wie dies aus Fig. 15 schematisch ersichtlich ist, mit gegenseitigem seitlichen Versatz 43 ihrer Formhohlräume 40 und 42 zu einer Form 44 zusammengesetzt. Die Form 44 wird im nächsten Verfahrensschritt mit Formmasse, z. B. einem Gießharz, gefüllt. Eine Angießplatte 45 mit mehreren Angießbohrungen 46 dient der Formfüllung. Nach dem Entformen liegt eine Kunststoffstruktur 47 vor, bei der es sich bereits um das Endprodukt, d. h. einen Filter 48, handeln kann. Dieser Filter 48 ist ein Kunststoffprodukt, das man sich prinzipiell als aus zwei Membranen (mit Formmasse gefüllte Formhohlräume 40 und 42) - einstückiges - zusammengefügtes Bauteil vorstellen kann. Durch den gegenseitigen seitlichen Versatz der Formhohlräume 40 und 42 weist der Filter 48 Mikroporen auf, die zwangsläufig zueinander seitlich versetzt liegen. Der wirksame Porenquerschnitt des Filters 48 ist daher geringer als der Querschnitt der Mikroporen (das sind die in der Kunststoffstruktur verbliebenen Hohlräume) der einzelnen Membranen (mit Formmasse gefüllte Formhohlräume 40 und 42).

Für den Fall, daß das Endprodukt aus einem Filter 49 aus Metall bestehen soll, ist es erforderlich, die Kunststoffstruktur 47 galvanisch in Metall einzubetten. Der Filter 49 besteht aus einer einstückigen Metallplatte 50 mit Mikroporen 51 und 52, die zueinander seitlich versetzt liegend angeordnet sind und die - gesehen in Durchflußrichtung - eine Tiefe aufweisen, die jeweils bis zur Mitte der Metallplatte 50 reicht. Ergänzend sei vermerkt, daß im Falle eines metallischen Filters 49, wie er in Fig. 18 schematisch im Längsschnitt wiedergegeben ist, die Kunststoffstruktur 47 (Fig. 17) lediglich ein Zwischenprodukt darstellt. Die Kunststoffstruktur 47 wird nach erfolgter Galvanoformung aus der Metallplatte 50 z. B. auf chemischem Wege herausgelöst.

Mit den erfindungsgemäßen Filtern läßt sich eine Vielfalt von Filterformen verwirklichen. Die möglichen Außenabmessungen (z. B. kreisrund oder quadratisch) der Filter können in einem Bereich von kleiner 1 mm bis zu 100 mm betragen. Ebenso groß ist der Bereich der möglichen Dicken der Filter. Die kleinste Dicke kann im Mikrometer- Bereich liegen, während die maximale Dicke bei ca. 1 mm liegen kann. Die Wandstärken der Filter-Zwischenstege können von einem Minimalwert von ca. 5 µm bis zu einer beliebig großen Abmessung reichen. Das Material, aus dem die Filter hergestellt werden, kann in weiten Bereichen temperatur- und mediumunabhängig sein. Es lassen sich sehr hohe bis praktisch unbegrenzte Stand- und Betriebszeiten erreichen. Filter mit den Merkmalen nach der Erfindung sind einfach zu reinigen. Die Reinigung kann automatisch durch Einwirkung von Ultraschall, durch Rütteln, durch Magnetismus, durch Gleichstrom oder durch Rückspülen erfolgen. Derartige Filter haben ein geringes Volumen, arbeiten bei einem geringen Gegendruck und haben eine große Eigenstabilität.

Den Fig. 19 bis 28 sind Beispiele für eine Vielfalt möglicher Formgebungen zu entnehmen. Erfindungsgemäße Filter können beispielsweise die Form eines scheibenförmigen Doppelkegels 53 (Fig. 19) haben. Von dieser Grundform abgeleitet ist ein Filter, der aus parallel geschalteten Doppelkegeln 53 besteht, wie er in Fig. 27 schematisch wiedergegeben ist. Beide Filterformen weisen eine große Elastizität in Längsrichtung auf, so daß eine Reinigung durch Rütteln sehr wirksam möglich ist. Geometrisch einfache Grundformen sind den Fig. 21, 22, 25 und 26 zu entnehmen. Die erfindungsgemäßen Filter können die Form eines Zylinders 54, einer Platine 55, eines mehrschichtigen Zylinders 56 oder eines mehrschichtigen Kegelstumpfes 57 haben. Die Grundform des in Fig. 23 abgebildeten Filters besteht aus einer konzentrisch gewellten Platine 58. Die in Fig. 28 skizzierte Zick-Zack-Form 59 eines Filters ist mit der Ausbildung nach Fig. 23 vergleichbar. Beide Filterformen zeichnen sich durch eine große Filteroberfläche aus. In Längsrichtung weisen diese Filterformen eine große Elastizität auf, so daß auch hier ein effektives Reinigen, beispielsweise durch Rütteln, möglich ist. Auch die Formgestaltungen, die den Filtern nach den Fig. 20 und 24 zugrunde liegen, sind miteinander verwandt. Die Form des Filters nach Fig. 20 entspricht einem Spitzkegel 60, während der Filter nach Fig. 24 die Form eines abgerundeten Kegelstumpfes 61 aufweist.

Ein praktisch ausgeführter Filter, bei dessen Realisierung von der geometrischen Grundform eines scheibenförmigen Doppelkegels 53 (Fig. 19) bzw. von parallel geschalteten Doppelkegeln (Fig. 27) Gebrauch gemacht wird, ist der vereinfachten Darstellung entsprechend Fig. 29 zu entnehmen.

Die Abbildung zeigt einen zweistufigen Mikrofilter, der in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 62 gekennzeichnet ist. Die Abbildung gibt den Mikrofilter 62 im Querschnitt wieder. Er besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Filtergehäuse 63, das an seiner Oberseite mit einem Deckel 64 verschlossen ist. Der Deckel 64 ist, gesehen in Draufsicht, etwa kreisrund. Ein Eingang 65 mündet, etwa tangential gerichtet, in das Innere des Deckels 64 bzw. des Filtergehäuses 63. Durch den Eingang 65 strömt Schmieröl.

Das Schmieröl durchströmt in einer rotierenden Bewegung einen Ringkanal 66, der durch das Filtergehäuse 63 und ein topfförmiges Zwischengehäuse 67 gebildet wird.

Der Deckel 64 ist mit einem Entlüftungskanal 68 versehen. Etwa auf der Höhe des unteren Endes des Zwischengehäuses 67 ist in ein Auge 69 des Filtergehäuses 63 ein Permanentmagnet 70 eingeschraubt. Der Permanentmagnet dient der Sammlung von groben Partikeln. Im Innenraum des topfförmigen Zwischengehäuses, das nach unten geöffnet ist, befindet sich ein Feinstfilter 71, der aus erfindungsgemäßen Membranen in Form von parallel geschalteten Doppelkegeln 53 zusammengesetzt ist. Das obenliegende Ende 72 des Feinstfilters 71 ist über einen Schwingungsgenerator 73 am topfförmigen Zwischengehäuse 67 befestigt. Das untere Ende 74 des Feinstfilters 71 mündet in einen Ausgang 75. Durch den Schwingungsgenerator 73 wird den Membranen des Feinstfilters 71 eine oszillierende Bewegung mit hoher Frequenz aufgezwungen. Das in das Zwischengehäuse 67 einströmende Schmieröl passiert die Membranen des Feinstfilters 71 und gelangt, von feinsten Schmutzpartikeln gereinigt, zum Ausgang 75. Die oszillierende Bewegung der Membranen des Feinstfilters 71 bewirkt, daß sich keine Schmutzpartikel in den Mikroporen festsetzen können. Die ständig in Bewegung gehaltenen Schmutzpartikel sinken innerhalb des Zwischengehäuses 67 nach unten und gelangen in einen kegelförmigen Sinkbereich 76 des Filtergehäuses 63. Der Sinkbereich 76 endet in einem ringförmigen Sinkspalt für die Mikropartikel. Über den ringförmigen Sinkspalt 77 gelangen die Mikropartikel in einen entleerbaren Sinkbehälter 78. Dieser Sinkbehälter ist in einen untenliegenden Stutzen 79 des Filtergehäuses 63 eingeschraubt und kann zur Entleerung entfernt werden. Beim Entfernen des Sinkbehälters 78 wird die entstehende Öffnung durch einen federbelasteten Kolben 80 verschlossen.

Der dargestellte und beschriebene Mikrofilter 62 mit dem Schwingungsgenerator 73 und dem Feinstfilter 71 ist insbesondere für die Reinigung von Schmieröl in der Antriebstechnik vorgesehen. Als mögliche Anwendungsgebiete kommen insbesondere Erzeugnisse der Luftfahrtindustrie, des Maschinenbaus und der Automobilindustrie in Frage. Die Anwendung ist jedoch keinesfalls auf diese technischen Gebiete sowie das Fluid Schmieröl beschränkt. Es ist ferner eine große Vielzahl konstruktiver Ausgestaltungen des Mikrofilters 62 möglich, was allein aus der Variationsvielfalt möglicher Filterformen (vgl. die Beispiele nach den Fig. 19 bis 28) resultiert.

Die Fig. 30 zeigt in schematischer Darstellung im Querschnitt eine weitere Möglichkeit der konstruktiven Gestaltung eines Feinstfilters 81. Die hierbei verwendeten Membranen 82 haben die Form von Ringen. Jeweils ein außenliegender Ring 83 faßt zwei Membranen 82 paarweise zusammen und übernimmt hierbei zusätzlich die Funktion eines Abstandhalters. Mit ihren Innendurchmessern 84 sind die Membranen 82 an einer zylindrischen Hülse 85 befestigt. Die Hülse 85 ist mit einer Vielzahl von Bohrungen 86 versehen, die jeweils in den Raum zwischen zwei paarweise angeordneten Membranen 82 münden. Das zu reinigende Schmieröl dringt durch die Membranen 82 und läuft über die Bohrungen 86 in einen Innenraum 87 der Hülse 85. Von ihr aus gelangt es zum selbst nicht dargestellten Ausgang 75. Am oberen und unteren Ende der Hülse 85 sind Lenker 88 und 89 angelenkt. Die Lenker 88 und 89 sind Bestandteil eines selbst nicht abgebildeten Schwingantriebs, der dem Feinstfilter 81 in seiner Gesamtheit eine schwingende Bewegung aufzwingt, die im wesentlichen in Richtung des eingezeichneten Doppelpfeils 90 verläuft. Die Vorteile dieser Anordnung sind ohne weiteres zu ersehen. Die Mikropartikel werden zunächst daran gehindert, sich an den Membranen 82 festzusetzen. Nach Art eines Schwingförderers wird den Mikropartikeln eine Förderbewegung aufgezwungen, die dazu führt, daß sich die Mikropartikel schlußendlich in einer vorgegebenen Region sammeln. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist dies der Bereich, der sich an das linke untere Ende des Feinstfilters 81 anschließt. Dies ist somit etwa die Zone, in die der Doppelpfeil 90 eingezeichnet ist. In diesem Bereich ist zweckmäßigerweise der entleerbare Sinkbehälter 78 - analog zur Anordnung beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 29 - anzuordnen. Auch der vorstehend beschriebene Feinstfilter zeichnet sich, da er durch eine Rüttelbewegung von Mikropartikeln freigehalten wird, durch eine sehr hohe Betriebszeit aus.

Bezugszeichen:

1 Membran

2 Mikroporen

3 Porenweite

4 Abstand

5 Membran

6 Mikroporen

7 Filter

8 Versatz

9 Porenquerschnitt

10 Porenweite

11 Membran

12 Membran

13 Mikroporen

14 Mikroporen

15 Filter

16 Porenquerschnitt

17 Filter

18 Membran

19 Membran

20 Mikroporen

21 Mikroporen

22 Porenquerschnitt

23 Membran

24 Membran

25 Stege

26 Mikroporen

27 Membran

28 Stege

29 Mikroporen

30 Nuten

31 Versatz

32 Filter

33 Kunststoff

34 Synchrotronstrahlung

35 Maskenmembran

36 Absorberstruktur

37 Restiststruktur

38 Metall

39 Formeinsatz

40 Formhohlräume

41 Formeinsatz

42 Formhohlräume

43 Versatz

44 Form

45 Angießplatte

46 Angießbohrung

47 Kunststoffstruktur

48 Filter

49 Filter

50 Metallplatte

51 Mikroporen

52 Mikroporen

53 Doppelkegel

54 Zylinder

55 Platine

56 Zylinder

57 Kegelstumpf

58 gewellte Platine

59 Zick-Zack-Form

60 Spitzkegel

61 abgeänderter Kegelstumpf

62 Mikrofilter

63 Filtergehäuse

64 Deckel

65 Eingang

66 Ringkanal

67 Zwischengehäuse

68 Entlüftungskanal

69 Auge

70 Permanentmagnet

71 Feinstfilter

72 oberes Ende

73 Schwingungsgenerator

74 unteres Ende

75 Ausgang

76 Sinkbereich

77 Sinkspalt

78 Sinkbehälter

79 Stutzen

80 Kolben

81 Feinstfilter

82 Membran

83 Ring

84 Innendurchmesser

85 Hülse

86 Bohrungen

87 Innenraum

88 Lenker

89 Lenker

90 Doppelpfeil

91 Grundplatte


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung eines Filters (7, 17, 32), wobei zunächst eine Membran (1, 5, 11, 12, 18, 19, 23, 24, 27) aus einem durch energiereiche Strahlung in seiner Löslichkeit veränderbaren Material (33) hergestellt wird und wobei anschließend ein partielles Durchstrahlen der Membran mit energiereicher Strahlung erfolgt und die durchstrahlten, eine erhöhte Löslichkeit aufweisenden Bereiche unter Bildung von Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29), deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, entfernt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Membranen (1, 5, 11, 12, 18, 19, 23, 24, 27) aufeinandergelegt und bei gegenseitigem seitlichen Versatz (8, 31) ihrer Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29) zu einem Filter (7, 17, 32) zusammengefügt werden, dessen wirksamer Porenquerschnitt (9, 16, 22) geringer als der Querschnitt der Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29) der einzelnen Membranen (1, 5, 11, 12, 18, 19, 23, 24, 27) ist.
  2. 2. Filter nach Anspruch 1, wobei jede Membran (23, 24) und eine Stützstruktur (25, 28, 30) mit vorgebbarer Geometrie ein integrales Bauteil bilden, wobei die Stützstrukturen (25, 28, 30) Träger für die Membranen (23, 24) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstrukturen (25, 28, 30) zweier Membranen (23, 24) derart ineinandergreifen, daß die Membranen (23, 24) unter gegenseitigem seitlichen Versatz (31) ihrer Mikroporen (26, 29) aufeinanderliegen.
  3. 3. Verfahren zur Herstellung eines Filters (48), wobei auf röntgenlithograpischem Weg ein Formeinsatz (39) mit Formhohlräumen (40) hergestellt wird und durch Füllen mit Formmasse eine Membran (1, 5, 11, 12, 18, 19) mit Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29, 51, 52), deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Formeinsätze (39, 41) mit gegenseitigem seitlichen Versatz (43) ihrer Formhohlräume (40, 42) zu einer Form (44) zusammengesetzt und mit Formmasse gefüllt werden, so daß zwei Membranen unter gegenseitigem seitlichen Versatz (43) ihrer Mikroporen zu einem Filter (48), dessen wirksamer Porenquerschnitt (9, 16, 22) geringer als der Querschnitt der Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29) der einzelnen Membranen ist, fest zusammengefügt und anschließend entformt werden.
  4. 4. Verfahren zur Herstellung eines Filters (7, 17, 32, 39), wobei auf röntgenlithographischem Weg ein Formeinsatz (39) mit Formhohlräumen (40) hergestellt wird und durch Füllen mit Formmasse, Entformen und nachfolgender Galvanoformung eine metallische Membran (1, 5, 11, 12, 18 19) mit Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21), deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Membranen (1, 5, 11, 12, 18, 19) aufeinandergelegt und unter gegenseitigem seitlichen Versatz (8, 31) ihrer Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21) zu einem Filter (7, 17, 32) zusammengefügt werden, dessen wirksamer Porenquerschnitt (9, 16, 22) geringer als der Querschnitt der Mikroporen der einzelnen Membranen ist.
  5. 5. Verfahren zur Herstellung eines Filters (49), wobei auf röntgenlithographischem Weg ein Formeinsatz (39) mit Formhohlräumen (40) hergestellt wird und durch Füllen mit Formmasse, Entformen und nachfolgender Galvanoformung eine metallische Membran mit Mikroporen, deren Verteilung und Querschnitt vorgegeben ist, erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Formeinsätze (39, 41) mit gegenseitigem seitlichen Versatz (43) ihrer Formhohlräume (40, 42) zu einer Form (44) zusammengesetzt, mit Formmasse gefüllt und anschließend entformt werden und die so erhaltene Kunststoffstruktur galvanisch in eine Metallplatte (50) eingebettet und anschließend aus dieser herausgelöst wird.
  6. 6. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Membranen (1, 5, 11, 12, 18, 19, 23, 24, 27) aufeinandergelegt und bei gegenseitigem seitlichen Versatz (8, 31) ihrer Mikroporen (2, 6, 13, 14, 20, 21, 26, 29) durch Klammern, punktförmiges Kleben, Verschweißen zu einem Filter (7, 17, 32) zusammengefügt werden.
  7. 7. Verwendung eines Filters (7, 17, 32, 48, 49) zur Reinigung von Fluiden in der Antriebstechnik, insbesondere in Erzeugnissen der Luftfahrtindustrie, des Maschinenbaus und der Automobilindustrie.
  8. 8. Verwendung eines Filters (7, 17, 32, 48, 49) innerhalb eines Mikrofilters (62).
  9. 9. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrofilter (62) Feinstfilter (71, 81) enthält, die aus Membranen (1, 5, 11, 12, 18, 19, 23, 24, 27) gefertigt sind.
  10. 10. Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstfilter (71, 81) einer oszillierenden Rüttelbewegung unterliegen.
  11. 11. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Feinstfilter (81) eine Hülse (85) aufweist, an der ringförmige Membranen (82) befestigt sind, die durch einen äußeren Ring (83) jeweils paarweise zusammengefaßt sind.
  12. 12. Filter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (85) mit einer Vielzahl von Bohrungen (86) versehen ist, die jeweils in den Raum zwischen zwei paarweise angeordneten Membranen (82) münden.
  13. 13. Filter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der Hülse (85) Lenker (88, 89) eines Schwenkantriebs angelenkt sind.
  14. 14. Filter nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (7, 17, 32, 48, 49) die Form eines Zylinders (54), einer Platine (55), eines mehrschichtigen Zylinders (56) oder eines mehrschichtigen Kegelstumpfes (57) haben.






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