CN102256681A - 流体过滤器和过滤器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体过滤器，特别是用于过滤水的过滤器，所述流体过滤器包括多个入流通道（2）、多个出流通道（3）以及过滤壁（4），所述过滤壁将入流通道（2）和出流通道（3）分开，其中，所述入流通道（2）和所述出流通道（3）平行设置，其中，所述过滤壁（4）具有多个孔隙，通过所述孔隙使入流通道（2）和出流通道（3）连接，其中，所有入流通道（2）的横截面积大于所有出流通道（3）的横截面积，并且借助水银孔隙计求出的过滤壁（4）的孔隙直径的数值是平均值d50，所述平均值在0.01μm到0.5μm之间，优选在0.03μm到0.2μm之间，进一步优选在0.05μm到1.5μm之间，最优选在0.05μm和0.1μm之间。

Description

流体过滤器和过滤器系统
背景技术
本发明涉及一种特别是用于过滤水的流体过滤器，以及具有流体过滤器和流体的过滤器系统。
现有技术以不同的方案公开了流体过滤器。最近特别是在饮用水制备方面越来越多地使用薄膜法，其中特别是使用聚合物基的薄膜。然而，这种类型的聚合物薄膜有如下缺点，即该聚合物薄膜具有较低的牢固性。这导致在制备饮用水时需要更为频繁地检修薄膜模件。此外，为了保持饮用水预定的质量还必须定期用腐蚀性的化学试剂清洁这些薄膜。然而这种做法会腐蚀薄膜并且降低了薄膜的使用寿命。为了进行清洁，经常使用酸、碱液或者氯基的氧化清洁剂。在此，操作人员探求大量的知识，以便例如不超过最大允许的氯浓度。
发明公开内容
与此相反，具有权利要求1的特征的根据本发明的流体过滤器的优点是，该流体过滤器以非常结实和具有抵抗力的方式构成，并且特别适合于过滤水。在此，能以成本非常有利的方式制备根据本发明的流体过滤器。其中，根据本发明的过滤器包括多个入流通道和多个出流通道，该入流通道和出流通道通过在入流通道和出流通道之间的过滤壁分开。在此，入流通道和出流通道彼此平行设置，并且过滤壁具有多个孔隙。入流通道通过该孔隙与出流通道连接。其中，所有入流通道的横截面积大于所有出流通道的横截面积。在此根据本发明，入流通道或者出流通道的横截面积应理解为这样的面积，即，该面积以垂直于通道的流动方向的方式求得。此外，根据本发明，借助水银孔隙计（Quecksilber Porosimetrie）求得的过滤壁的孔隙直径的值是平均值d50，其中，直径的平均值d50在0.01μm到0.5μm之间、优选在0.03μm到0.2μm之间、特别优选在0.05μm到0.15μm之间。通过使用水银孔隙计，例如根据DIN66133，借助一种标准测量方法可求出孔隙直径或者孔隙直径分布的值。为了描述在烧结结构中出现的复合的孔隙网络，通常以具有相应于d50值的直径的柱形模型孔隙为依据。
因为通常在上述数量级的孔隙中很难根据试验求出比率的内表面（spezifische innere Oberfl?che），所以能在使用上述模型方法的情况下用柱形孔隙近似地计算出该比率的内表面。在此，在采用柱形孔隙的情况下，孔隙结构的内表面和借助标准测量方法水银孔隙计求得的平均孔隙直径成反比例。
从属权利要求给出本发明的优选的改进方案。
根据本发明，基于过滤任务的要求，使用以如下方式与该要求相适配的过滤介质，从而在运行时出现尽可能少的压力损失。为此以特别的彼此协调的方式考虑在过滤介质方面的主要影响参数（特别是过滤材料的孔隙尺寸、孔隙率和壁厚）以及在待过滤的流体的流体方面的主要影响参数（特别是单位面积的流体体积流量（流量（Flux）以及流体粘度和密度）。
过滤材料的特征主要通过内表面来表征，该内表面可通过孔隙尺寸、孔隙率以及壁厚的函数（Funktion）表示。其中的前提是，孔隙要足够的小，以分离应予分开的物质，并且在压力损失方面、而不是分离特性方面考虑其效果。
因此，根据本发明流体过滤器优选以如下方式表征，即，通过过滤壁以如下方式定义通流阻力：
其中：
ε = 孔隙率，
μ = 动态的流体粘度，
k = 孔直径和内表面之间的比例系数，
φ = 孔隙直径的平均值d50，
ρf = 流体密度，
v = 单位体积流（流量（Flux）），
L = 过滤层的壁厚，其中，使用一种最精细的过滤层的厚度，因为根据本发明要对流体进行过滤。
在此考虑温度范围为0℃-60℃，流量范围为200 l/hm2-600 l/hm2。
为了确定绝对值和为了对很不同的过滤壁材料进行比较（例如纤维织物相对于绕结结构），必要时必须通过试验或者通过相应的孔隙结构的模型求出所述比例系数k。在对相类似的孔隙结构（例如由挤压的粉末构成的烧结结构中）进行相对比较时，允许设定该比例系数恒定为1。
通过过滤壁的通流阻力m的这种设计方案，尤其能实现与水最佳协调的过滤。特别优选地，当过滤壁是由带精细孔的基材构成且无涂层，并且单位体积流量v为200 l/hm2、比例系数k=1、温度范围在0℃和40℃之间时，通流阻力的数值在2×103 N/m2到2×105N/m2之间。
这个方程式以欧根公式（Gleichung von Ergun）为依据。欧根公式规定了一种包装/填料（Packung）的通流阻力，其中，这个公式相应地由发明人改用于流体。特别是一种代用孔隙直径（Ersatz-Porendurchmesser）替代地用作过滤壁的孔隙的单位内表面的数值。在设定为柱形孔隙的情况下，该代用孔隙直径和内表面成反比例，并且可容易地用水银孔隙计的标准测量方法进行测量。
进一步优选的是，流体过滤器具有这样的结构，即，所有入流通道和/或所有出流通道分别在几何方面设计成相同的。由此实现了特别均匀地流过所述流体过滤器。
为了具有尽可能小的流动损失，优选地如此设计入流通道和/或出流通道，使得入流通道和/或出流通道具有六角形的横截面。优选地，只有出流通道设计为等边六角形。由此，实现了特别降低的流动损失。代替地，不仅入流通道而且出流通道都能设计成等边六角形。
优选地，为了能通过过滤壁获得流体过滤器必要的稳定性，过滤壁具有在30%和70%之间、优选在40%和50%之间的孔隙率。
根据本发明的一种优选的设计方案，过滤壁包括基壁和外层。该外层设置在入流通道的一侧。在此外层的孔隙尺寸比基壁的孔隙尺寸要小。这样就可通过外层提供过滤能力（Filtrationsleistung），因为流体首先流过外层，然后流经基壁。在此基壁可设计有非常大的孔隙，因为它只负责流体过滤器的机械强度。
进一步优选的是，外层的厚度在10μm到200μm的范围中，特别优选地在20μm到80μm的范围中。此外进一步优选的是，在外壁和基壁之间还设置一个或者多个其它的层。在此，该其它的层的孔隙尺寸在外壁的孔隙尺寸和基壁的孔隙尺寸之间。由此，过滤壁的结构能具有逐渐增加的孔隙尺寸，这特别是通过过滤壁有利地影响流动特性，并且使制造简单化。
特别优选的是，过滤壁由陶瓷材料制成。特别优选地， Al2O3、ZrO2、SiC、莫来石（Mullit）、SiO2、TiO2、硅酸盐或者这些材料的任意组合可用作这种材料。在此，过滤壁可完全由这些陶瓷材料中的一种或者一种组合制成，或者在设计具有外壁和基壁的过滤壁时，仅外壁由该陶瓷材料的一种制成。该基壁可由一种成本特别有利的材料制成。
进一步优选的是，过滤壁的表面还附加地设置有涂层。这个涂层优选由能提高亲水性的材料构成。为此例如可以设置具有硅烷（Silan）的涂层。此外优选地，过滤壁的涂层可以具有带杀菌作用的材料。例如为了提供杀菌作用可用Ag、AgO或者TiO2对过滤壁进行涂层。进一步优选地，如此地选择用于过滤壁或者涂层的材料，使得当pH值一定时可调节单位表面电荷/单位表面负荷（spezielle Oberfl?chenladungen）。通过调节过滤壁上的表面电荷，能有选择地分离确定的成分，或者能降低确定的脏物淤积的趋势。由此可以为流体过滤器设置更大的清洁时间间隔，或者可以简化流体过滤器的清洁。
优选地，在由具有精细孔隙的、具有功能性薄膜涂层的基材制造成过滤壁时，上述通流阻力m在5*102 N/m2到5*105N/m2之间，其中，仅以功能性的、也就是孔隙最精细的层的几何参数为基础。
此外，本发明还涉及一种具有流体过滤器和待过滤的流体、特别是水的过滤器系统。在该过滤器系统中为了进行过滤，待过滤的流体流过所述流体过滤器。特别是为了过滤水、以产生饮用水或者工艺用水，以类似的纯净性要求来设计这种过滤器系统。
附图说明
下面参考附图对本发明的优选的实施例进行详细阐述。其中示出了：
图1：根据本发明的第一实施例的流体过滤器的示意性横截面图。
图2：根据本发明的第二实施例的流体过滤器的示意性横截面图。
图3：在图2中示出的流体过滤器的局部放大图。
优选实施方式
下面参考图1根据本发明的优选实施例对流体过滤器1进行详细说明。
正如从图1可看出的那样，在图1的横截面视图中只示出了流体过滤器1的一个部分图。在这种情况中，流体过滤器1的总横截面可以是圆形的或者方形的。如从图1中可以看到，流体过滤器1包括多个入流通道2和多个出流通道3。在入流通道2和出流通道3之间分别设置过滤壁4。入流通道2和出流通道3彼此平行设置，并且以恒定的方式选择过滤壁4的厚度W。入流通道2和出流通道3在横截面上中分别具有相同的六角形的形状。在这种情况中，如此地设置在流体过滤器中的六角形，使得入流通道2的外壁分别和出流通道3的外壁平行设置（请参见图1）。通过这一措施由此形成了流体过滤器1的蜂窝状的结构。
因此在图1中所示的流体过滤器1中过滤壁4用作过滤部件，其中，过滤壁的孔隙尺寸在0.01μm到0.5μm的范围之间。其中，过滤壁4的壁厚在100μm到300μm之间，并且过滤壁4的孔隙率范围在35%和70%之间。在此，过滤壁均匀地构成，并且具有上述范围的孔隙尺寸。在此，过滤壁可借助烧结方法由粉末制成。
在这个实施例中，壁部位4的孔隙率大约为50%，其中孔隙直径的平均值d50大约为0.1μm。在入流通道和出流通道的两个彼此平行的面之间的总的壁厚W大约为200μm。
所有入流通道2的总横截面积在此是出流通道3的总横截面积的两倍。由陶瓷材料、特别是Al2O3或者硅酸盐制成的粉末用作过滤壁4用的粉末。需要说明的是，在此附加地设置具有纳米级的（nanoskalig）催化作用的材料的、起杀菌作用的、很薄的涂层，和/或设置具有用于提高亲水性的材料的涂层（例如具有硅烷的涂层）。用于制造过滤壁的初始粉末还可以进行化学改变或者与其它材料混合，以便在过滤壁4的表面上实现特殊的表面电荷。
因为壁部位完全由相同的材料制成，所以例如借助于对于陶瓷粉末的挤压以及紧着的烧结能以非常简单和成本有利的方式实现制造。由此还能确保在过滤壁4中的均匀的孔隙分布。在此，流体过滤器1的外形优选是柱形的，其中入流通道2在柱的一轴向端部封闭，并且出流通道3在柱的另一轴向端部封闭。因此，如果脏水通过入流通道2输入，那么脏水就穿过过滤壁4到达出流通道3。在此，在过滤壁4的入流通道侧的表面上过滤出脏物颗粒等。如果在某段持续时间以后入流通道2的表面出现堵塞，则必须清洁所述表面。这一点以如下方式通过反向冲洗实现，即，为了清洁目的将水或者清洁剂引入到出流通道3中，然后该水或清洁剂穿过过滤壁4进入到入流通道2中，并且在此又对入流通道2的表面进行清洁。例如在制备饮用水时必须根据要过滤的水的脏污情况大约每30分钟到120分钟进行一次这种清洗过程。
下面参考图2和图3根据本发明的第二实施例详细阐述流体过滤器1。相同或者功能相同的部件用与在第一实施例中相同的附图标记表示。
正如从图2可以看出的那样，在第二实施例中出流通道3设计为等边六角形。相反，入流通道2不设计成等边六角形。虽然入流通道2同样是六角形，但是其具有两对边，即三个较长的边和三个较短的边。在此，该六角形以下述方式构成，即，一个较长的边和一个较短的边分别彼此平行设置。此外，在第二实施例中，所有入流通道2的横截面积的总和比所有出流通道3的横截面积的总和要大出1.5倍。虽然如此，入流通道2的不等边六角形相对于中间轴线是对称的。其中，不等边六角形的较长边的边长与出流通道3的等边六角形的边长相同。
此外，从图3还可以看出，过滤壁4的结构与第一实施例不同。根据第二实施例，在入流通道2的表面上设置有涂层5，该涂层作为功能性的薄膜层涂覆在基壁6上。其中，基壁6可以由具有低的通流阻力的粗孔隙材料制成，并且用作具有精细孔隙结构的涂层5用的载体。在此，当孔隙率约为45%时，涂层5的孔隙尺寸大约为0.08μm。在此，涂层5的厚度大约为20μm到80μm，并且在每个入流通道2上均匀地形成。基壁6的壁厚在150μm和600μm之间，优选地在200μm和400μm之间。基壁6具有大于1μm的孔隙尺寸。
涂层5例如可通过经由流体过滤器抽吸悬浮液来制造，其中然后在入流通道2的表面上形成涂层。替代地，可借助SOL-/SOL或SOL-/GEL方法施加涂层。附加地，还可以设置具有杀菌作用的另一个涂层和/或用于提高亲水性的另一个涂层。同样还可设置一用于在入流通道2的表面上提供单位表面负荷的涂层。

Claims (15)

1.流体过滤器，特别是用于过滤水，包括：
- 多个入流通道（2），
- 多个出流通道（3），以及
- 过滤壁（4），所述过滤壁将所述入流通道（2）和所述出流通道（3）分开，
- 其中，所述入流通道（2）和所述出流通道（3）平行地设置，
- 其中，所述过滤壁（4）具有多个孔隙，通过所述孔隙使所述入流通道（2）和出流通道（3）连接，
- 其中，所有入流通道（2）的横截面积大于所有出流通道（3）的横截面积，
- 所述过滤壁（4）的孔隙的直径的借助水银孔隙计求出的数值是一种平均值d50，所述平均值d50在0.01μm到0.5μm之间、优选地在0.03μm到0.2μm之间、进一步优选地在0.05μm到1.5μm之间、最优选地在0.05μm和0.1μm之间。
2.按照权利要求1所述的流体过滤器，其特征在于，如果流量范围在200 l/（hm2）-600 l/（hm2）、温度范围在0℃到60℃之间，并且比例系数k=1时，通过过滤壁的通流阻力满足下述不等式：
其中，
ε = 孔隙率，
μ = 动态的流体粘度，
k = 孔隙直径和内表面之间的比例系数
φ = 孔隙直径的平均值，
ρf= 流体密度，
v = 单位体积流（流量），
L = 过滤层的壁厚。
3.按照前述权利要求的任一项所述的流体过滤器，其特征在于，所有的入流通道（2）分别具有相同的几何形状，和/或所有的出流通道（3）分别具有相同的几何形状。
4.按照前述权利要求的任一项所述的流体过滤器，其特征在于，所述入流通道（2）和/或所述出流通道（3）分别设计成为六角形。
5.按照权利要求4所述的流体过滤器，其特征在于，所述入流通道（2）和/或所述出流通道（3）设计成等边六角形。
6.按照前述权利要求的任一项所述的流体过滤器，其特征在于，所述过滤壁（4）的孔隙率为30%至70%、优选40%至50%。
7.按照前述权利要求的任一项所述的流体过滤器，其特征在于，所述过滤壁（4）具有基壁（6）和外层（5），其中，所述外层（5）设置在所述过滤壁的朝向入流通道（2）的一侧，并且其中，所述外层（5）的孔隙的尺寸比基壁（6）的孔隙的尺寸要小。
8.按照权利要求7所述的流体过滤器，其特征在于，所述外层（5）的厚度在10μm到200μm之间、优选在20到80μm之间。
9.按照前述权利要求的任一项所述的流体过滤器，其特征在于，在所述外层（5）和所述基壁（6）之间设置至少另一中间层，所述中间层的孔隙尺寸在所述外层的孔隙尺寸和基壁（6）的孔隙尺寸之间。
10.按照前述权利要求的任一项所述的流体过滤器，其特征在于，所述过滤壁（4）的朝向所述入流通道（2）的表面附加地具有带有用于提高亲水性的材料的涂层，例如带有硅烷的涂层，和/或杀菌的涂层，和/或用于确定表面负荷的涂层。
11.按照权利要求2至6的任一项所述的流体过滤器，其特征在于，当过滤壁没有涂层、且流量恒定为200 l/（hm2）、温度范围在0℃和40℃之间、以及比例系数k=1时，通流阻力m满足下述不等式：
Figure 550163DEST_PATH_IMAGE002
。
12.按照权利要求8至11的任一项所述的流体过滤器，其特征在于，当所述过滤壁具有功能性薄膜涂层、且流量恒定为200 l/（hm2）、温度范围在0℃和40℃之间、以及比例系数k=1时、并且在使用孔隙最精细的层的几何特性的情况下，通流阻力m满足下述不等式：
Figure 329900DEST_PATH_IMAGE003
。
13.按照前述权利要求的任一项所述的流体过滤器，其特征在于，所述过滤壁（4）由陶瓷材料制成，并且特别是包括Al2O3、ZrO2、SiC、莫来石、SiO2、TiO2、硅酸盐、或者所述材料的任意组合。
14.一种过滤器系统，所述过滤器系统包括待过滤的流体、特别是水，和按照前述权利要求的任一项所述的流体过滤器，其中，待过滤的流体流过流体过滤器以进行过滤。
15.按照权利要求15所述的过滤器系统，其特征在于，所述过滤器系统设计成产生饮用水。
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