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Die Erfindung betrifft eine Filterzelle
mit einer zentralen Filtratkanalöffnung,
mit zwei kreisringförmigen
am Außenumfang
abdichtend eingefassten Filterschichten aus Tiefenfiltermaterial
und mit einem zwischen den Filterschichten angeordneten Drainageelement,
das zur mittigen Filtratkanalöffnung durchlässig ist
sowie mit einem am Innenumfang der Filterschicht angeordneten Dichtelement.
Die Erfindung betrifft auch ein Filtermodul gemäß dem Patentanspruch 7 und
eine Manschette nach Patentanspruch 11.
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Derartige Filterzellen werden zu
einem Filtermodul übereinander
angeordnet, wobei dieses Filtermodul wiederum in ein Filtergehäuse eingesetzt
wird. Die Filterzellen werden von außen mit Unfiltrat angeströmt, so dass
die Filterschichten, die aus Tiefenfiltermaterial bestehen, senkrecht
durchströmt
werden. Das Filtrat sammelt sich zwischen den Filterschichten der
Filterzellen und fließt über das
dort angeordnete Drainageelement in den zentralen Filtratkanal ab,
der mit einem Filtratauslauf des Filtergehäuses in Verbindung steht.
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Die einzelnen Filterzellen müssen im
Bereich des Filtratkanals derart abgedichtet aufeinandergelegt werden,
dass kein Unfiltrat in den Filtratkanal gelangen kann. In der Regel
werden massive Zwischen- oder Dichtringe zwischen den Filterzellen
angeordnet, die die Filterschichten beim Aufbau des Filtermoduls
im Randbereich zusammendrücken.
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Das Problem der Abfaserungen an den
Filterschichten, insbesondere im Bereich der Schnittkanten, wodurch
Faser-Material der Filterschichten während der Filtration in das
Filtrat gelangen kann, ist bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst.
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An der Stirnseite, wo die Filterschichten
an den Filtratkanal angrenzen, befindet sich eine Schnittkante,
die nicht abgedeckt ist. Durch das Filtrat können Partikel und Fasern abgelöst werden,
die sich dann im Filtrat finden. Außerdem werden die Filterschichten
in diesem Bereich in axialer Richtung des Filtermoduls zusammengepresst,
so dass auch dadurch die Schnittkante belastet wird, so dass die Ablösung von
Fasern und Partikeln gefördert
wird.
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Ein weiteres Problem besteht darin,
dass die Filterschichten in diesem Randbereich auf der Drainageplatte
aufliegen, die Nuten oder Rillen aufweist, damit eine Strömungsverbindung
zum Filtratkanal geschaffen wird. Diese wellige Ausgestaltung des Randbereichs
der Drainageelemente führt
dazu, dass die Filterschicht an den Wellenbergen stärker komprimiert
wird als in den Wellentälern,
so dass es in den Rillen oder Nuten zur Ausbauchung kommt, wo die
Filterschicht relativ locker ist. Dies führt in diesen Ausbauchungen
zu Bypässen
und zum anderen zu Beschädigungen
im Bereich der Auflagestellen. Auch dort können Abfaserungen auftreten,
die in das Filtrat gelangen können.
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Derartige Filtermodule müssen auch
hinsichtlich ihrer Dichtigkeit getestet werden. Für die Testbarkeit
solcher Filtermodule werden die Filterschichten mit Membranen kombiniert.
Im Bereich der Kanten lässt
sich für
die Durchführung
der Tests keine zusätzliche
Abdichtung vornehmen, so dass hier ein Diffusionsfluss stattfinden
kann, der das Messergebnis verfälschen
kann.
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In der
US
3,019,905 wird ein Filtermodul beschrieben, das ein zentrales
Trägerrohr
aufweist, auf dem Filterzellen mit Drainageelementen und Filtergewebe
aufgereiht sind. Im Bereich des Trägerrohrs besitzen die Drainageelemente
Ringflansche. Zwischen den Ringflanschen und dazu passenden Winkelringen
aus Neopren werden die Filtergewebe dichtend gehalten.
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In der
US
4,637,877 werden Filterzellen beschrieben, die einen massiven
Ring aufweisen, in dem die Filterblätter angeschweißt sind.
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Eine ähnliche Anordnung wird in der
EP 0 166 465 B2 erläutert, wo
ebenfalls ein zentraler Ring vorgesehen ist, der das Drainageelement
mit dem Filtertuch umfasst.
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Aus der
US 3,187,899 ist eine Wasserfiltervorrichtung
bekannt, in die das zu filtrierende Wasser in das Kernrohr eingeleitet
wird, auf dem die Filterzellen angeordnet sind. Das Kernrohr wird
zusammen mit den Filterzellen in Rotation versetzt. Dementsprechend
stabil müssen
auch die Filterzellen auf dem Rohr befestigt sein. Hierzu weist
jede Filterzelle eine Nabe auf, die durch drei ringförmig ineinandergesteckte
Elemente gebildet wird. Außer
einem mittig angeordneten Ring sind zwei Winkelringe vorgesehen,
in denen jeweils die Filtertrennwände gehalten sind. Da die Filtertrennwände aus
Kunststoff bestehen, stellt sich auch nicht das Problem der Abfaserung.
Ferner benötigen
die Winkelringe in axialer Richtung einen erheblichen Platz, so
dass diese Anordnungen bei Filtermodulen mit Filterschichten nicht brauchbar
sind.
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Aus der
US 4,783,262 ist ein Filtermodul mit Filterzellen
bekannt, die im Bereich der Filtratkanalöffnung ringförmige Trennscheiben
aufweisen. Diese flachen Ringe werden zwischen dem Drainageelement
und der Filterschicht angeordnet, wobei die zu einer Filterzelle
gehörenden
Trennscheiben über eine
Gitterstruktur miteinander verbunden sind. Eine Abdichtung der Filterschichten
an deren inneren Stirnseite ist nicht vorgesehen.
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Die
US
2,863,561 beschreibt eine Filtervorrichtung mit aufeinandergestapelten
Filterzellen, wobei jede Filterzelle als Filtermaterial ein Drahtgitter aufweist.
Insofern stellt sich bei dieser Filterzelle nicht das Problem, dass
Abfaserungen der Filterschichten in das Filtrat gelangen können. Bei
einem Drahtgitter handelt es sich nicht um ein Tiefenfiltermaterial.
Jedes Drahtgitter ist am Innenumfang von einem Dichtelement in Form
eines Metallrings eingefasst, der einen U-förmigen Querschnitt mit identischer
Schenkeldicke aufweist. Diese Ausgestaltung hat den Nachteil, dass
die Gesamthöhe
des Filtermoduls beträchtlich
anwächst.
Da benachbarte Metallringe aufeinanderliegen, ist nur eine mangelhafte
Abdichtung möglich.
Außerdem
ist die Montage von Metallringen schwierig und erfordert Spezialwerkzeuge; was
die Herstellung von Filterzellen und Filtermodulen erheblich verteuert.
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Ausgehend von der
US 2,863,561 besteht die Aufgabe der
vorliegenden Erfindung darin, bei Filterzellen mit Filterschichten
aus Tiefenfiltermaterial Dichtelemente vorzusehen, die Abfaserungen
der Filterschichten während
der Filtration verhindern, die eine verbesserte Abdichtung gewährleisten
und die auf einfache Weise montiert werden können.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass eine am inneren Randbereich die Filterschicht umgreifende
einteilige Manschette vorgesehen ist, die einen flachen Bodenring
aufweist, an dessen Innenrand ein zylindrischer Abschnitt angeformt ist,
der in einen konischen elastischen Abschnitt übergeht, dessen Wandstärke sich
radial nach außen verjüngt.
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Die Manschette bietet den Vorteil,
dass nicht nur die innere Stirnfläche der Filterschicht abgedeckt ist
sondern auch ein breiter Randbereich an der Ober- und Unterseite der jeweiligen Filterschicht.
Sowohl der Randbereich des Drainageelementes, in dem Nuten oder
Rillen ausgeprägt
sind, als auch die strukturierten Zwischenringe zwischen den Filterzellen
liegen nicht mehr unmittelbar auf den Filterschichten auf, so dass
diese nicht ungleichmäßig komprimiert
und ggf. verletzt werden können.
Eine Abfaserung der Filterschichten in diesem Bereich wird vollständig verhindert.
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Dieser konische oder kegelstumpfförmige Abschnitt
muss möglichst
dünn ausgebildet
sein, um die Dicke der Filterzelle nicht übermäßig zu vergrößern. Es
muss nämlich
darauf geachtet werden, dass die Gesamthöhe eines Filtermoduls nicht
größer ist als
die der Filtermodule nach dem Stand der Technik, weil anderenfalls
die Filtermodule nicht mehr in die dazugehöriger Filtergehäuse passen
würden.
Dieser konische Abschnitt muss ferner eine gewisse Elastizität aufweisen,
damit die Manschette einerseits problemlos in die Filtratkanalöffnung der
Filterschicht eingesetzt werden kann. Andererseits muss die Elastizität des konischen
Abschnittes gewährleisten,
dass beim Zusammenbau der Filterzellen zu einem Filtermodul sich
dieser konische Abschnitt abdichtend auf die jeweilige Oberfläche der
Filterschicht auflegt.
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Der Bodenring hingegen muss eine
entsprechende Stabilität
aufweisen, die derjenigen des Drainageelementes entspricht, damit
durch den Anpressdruck keine unterschiedlichen Kompressionen im Randbereich
der Filtratkanalöffnung
auftreten, was wiederum zu Undichtigkeiten führen kann.
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Zu einer guten Abdichtung trägt auch
bei, dass die Breite des zylindrischen Abschnitts an die Dicke der
Filterschicht angepasst ist.
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Der Winkel, den der konische Abschnitt
mit dem Bodenring bildet, sollte so gewählt sein, dass die Manschette
sich problemlos auf die Filterschicht aufsetzen lässt und
dass andererseits beim Zusammenbauen ein problemloses Umklappen
des konischen Teils gewährleistet
ist.
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Vorzugsweise bildet der konische
Abschnitt mit dem Bodenring einen Winkel α von 40 bis 60°. Dieser
Winkelbereich hat sich als vorteilhaft bei der Montage erwiesen;
wobei gleichzeitig eine gute Anlage des konischen Abschnitts auf
der Filterschicht beim Zusammensetzen mehrerer Filterzellen zu einem
Filtermodul erzielt wird.
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Die Breite des konischen Abschnitts
ist vorzugsweise gleich der Breite des Bodenrings, so dass keine
Bypässe
für das
Unfiltrat auftreten können.
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Die Manschette besteht vorzugsweise
aus Polypropylen. Dieses Material gewährleistet bei geringen Wandstärken eine
entsprechende Elastizität und
bei dickeren Wandstärken,
wie es bei dem Bodenring erforderlich ist, eine entsprechende Steifigkeit.
Darüber
hinaus ist Polypropylen resistent gegen aggressive Flüssigkeiten
und außerdem
für die
Getränkefiltration
zugelassen. Andere Kunststoffe, wie z.B. Polyethylen, Polyamid oder
thermoplastische Polymere sind ebenfalls geeignet.
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Damit der Bodenring gegenüber dem
Drainageelement nicht vorsteht, weisen die Drainageelemente beidseitig
im Bereich der Filtratkanalöffnung eine
Ringstufe zum Einlegen der Manschette auf. Die Höhe der Ringstufe entspricht
der Dicke des Bodenrings der Manschette.
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Das erfindungsgemäße Filtermodul ist dadurch
gekennzeichnet, dass jede Filterschicht als Dichtelement eine den
inneren Randbereich umgreifende einteilige Manschette aufweist,
die einen flachen Bodenring aufweist, an dessen Innenrand ein zylindrischer
Abschnitt angeformt ist, der in einen konischen elastischen Abschnitt übergeht,
dessen Wandstärke
sich radial nach außen
verjüngt.
Die Bauhöhe
des Filtermoduls unterscheidet sich nicht von den Bauhöhen herkömmlicher
Filtermodule, so dass das erfindungsgemäße Filtermodul auch in herkömmliche
Filtergehäuse
problemlos eingebaut werden kann.
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Vorzugsweise ist zwischen den Filterzellen im
Bereich des mittigen Filtratkanals jeweils ein Zwischenring angeordnet,
wobei die radiale Breite des konischen Abschnitts der Manschette
kleiner gleich der Breite des Zwischenrings ist.
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Wenn der Zwischenring die gleiche
Breite aufweist wie der konische Abschnitt der Manschette, ist es
von Vorteil, wenn der Zwischenring beidseitig runde Noppen aufweist,
die die Oberfläche
des konischen Abschnitts nicht beschädigen, wenn das Filtermodul
zusammengebaut wird. Wenn die Breite des Zwischenrings größer ist
als die Breite des konischen Abschnitts, ist es von Vorteil, wenn
der Zwischenring radial innen Noppen und radial außen spitze
Vorsprünge
aufweist. Die spitzen Vorsprünge
greifen beim Zusammenbau unmittelbar in die Filterschicht ein und
können
somit aufgrund der geringeren Breite des konischen Abschnitts der
Manschette nicht die Manschette beschädigen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen
Vertikalschnitt durch drei Filterzellen,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Drainageelementes,
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3 eine
perspektivische Darstellung einer Manschette,
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4 einen
Vertikalschnitt durch die in 3 gezeigte
Manschette,
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5a,b Vertikalschnitte durch
eine Filterzelle mit Zwischenring,
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6 eine
Filtervorrichtung mit einem Filtermodul.
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In der 1 sind
drei Filterzellen 1 dargestellt, die jeweils zwei kreisringförmige Filterschichten 2a und 2b aufweisen.
Zwischen den Filterzellen 1 ist jeweils ein Zwischenring 12 angeordnet.
Diese Filterschichten sind am Außenumfang 3 mittels
einer Randeinfassung 6 abdichtend zusammengehalten. Zwischen
den Filterschichten 2a und 2b befindet sich ein
Drainageelement 7, das aus einer Anzahl von radialen Stegen 8 und
Ringrippen 9 besteht, wie dies in der 2 schematisch dargestellt ist.
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Sowohl die Filterschichten 2a und 2b,
die aus Tiefenfiltermaterial bestehen, als auch das Drainageelement,
das aus einem Kunststoff gefertigt ist, besitzen mittig eine Filtratkanalöffnung 11.
Das Drainageelement 7 ist zu dieser Filtratkanalöffnung 11 offen,
so dass das Filtrat abfließen
kann.
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Die ringförmigen Filterschichten 2a und 2b werden
aus größeren Filterplatten
ausgeschnitten, so dass am Innenumfang 4 die Stirnfläche 5 eine Schnittkante
bildet, die während
der Filtration zu Abfaserungen neigt. Um diese Abfaserungen in diesem Bereich
zu verhindern, wird jede Filterschicht 2a, b von
einer Manschette 20 umfasst, die – wie in der 3 zu sehen ist – einen Bodenring 21,
einen zylindrischen Abschnitt 22 und einen konischen Abschnitt 23 aufweist.
Beim Einsetzen der Manschette 20 in die Filterschichten 2a und 2b wird
der konische Abschnitt radial nach innen (s. Pfeilrichtung) gedrückt und
gestaucht, so dass er die gestrichelt eingezeichnete, wellige Gestalt
aufweist, die mit 23' gekennzeichnet ist.
Das Einsetzen wird dadurch erleichtert.
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Wie in der 2 zu sehen ist, weist das Drainageelement 7 im
Bereich der Filtratkanalöffnung 11 eine
Ringstufe 10 auf, deren Höhe der Dicke des Bodenrings 21 entspricht.
Dadurch wird gewährleistet, dass
es im Bereich der Manschette keinen Absatz gibt, der eventuell die
Filterschicht 2a, 2b beschädigen könnte.
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Wie in der 1 dargestellt ist, erstreckt sich der
konische Abschnitt der oberen Manschette 20 radial nach
außen
und oben und liegt in der hier gezeigten Darstellung auf der Oberseite
der Filterschicht 2a auf. Das gleiche gilt auch für die untere
Manschette 20 und die Filterschicht 2b.
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In der 4 ist
ein Vertikalschnitt durch die in 3 perspektivisch
dargestellte Manschette 20 zu sehen. Die Dicke des Bodenrings 21 ist
größer als die
Dicke des zylindrischen Bereichs 22 und wiederum dicker
als der konische Abschnitt 23, der sich zum Außenrand
hin verjüngt.
Die Breite B1 des Bodenringes entspricht
in etwa der Breite B2 des konischen Abschnitts 23.
Damit wird gewährleistet,
dass die Überdeckung
des Randbereichs der dazugehörigen Filterschicht
sowohl unten als auch oben gleich groß ist. Der Winkel zwischen
dem konischen Bereich 23 und dem Bodenring 21 beträgt in der
hier gezeigten Darstellung α =
55°.
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In der 5a ist
ein vergrößerter Teil-Vertikalschnitt
durch eine Filterzelle 1 dargestellt, auf der oben und
unten jeweils ein Zwischenring 12 angeordnet ist, der als
Einzelheit nochmals vergrößert dargestellt
ist. Die radiale Breite des Zwischenrings 12 entspricht
etwa der Breite des konischen Abschnitts 23 der Manschetten 20.
Damit der Zwischenring 12, der auch eine abdichtende Wirkung
aufweisen muss, nicht die Oberfläche
der Manschette verletzt, besitzt er runde Noppen 13, die
sich schonend in die Manschette eindrücken.
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In der 5b ist
eine weitere Ausführungsform
dargestellt, bei der der konische Abschnitt 23 der Manschette 20 eine
geringere Breite aufweist als der Zwischenring 12. Im Bereich
des konischen Abschnitts 23 der Manschette 20 besitzt
der Zwischenring auf beiden Seiten runde Noppen 13 und
außerhalb
dieses Bereiches spitze Vorsprünge 14,
die in die Filterschicht 2a, 2b eindringen.
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In der 6 ist
eine Filtervorrichtung in vertikalem Schnitt schematisch dargestellt.
Die Filtervorrichtung 24 besitzt ein Filtergehäuse 25 mit
einem Unfiltratzulauf 26 und einem Filtratablauf 27.
Im Inneren des Filtergehäuses 25 ist
ein Filtermodul 28 angeordnet, das aus insgesamt sechzehn übereinander angeordneten
Filterzellen 1 besteht. Dieses Filtermodul 28 besitzt
kein Innenrohr und die Filterzellen werden durch eine axiale Verspannung
(nicht dargestellt) zusammengehalten. Zwischen den einzelnen Filterzellen 1 sind
Zwischenringe 12 angeordnet. Die einzelnen Filterschichten 2a,
b sind im Bereich des Filtratkanals 29 jeweils mit einer
Manschette 20 versehen, wie sie im einzelnen in den 3 und 4 dargestellt ist.
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- 1
- Filterzelle
- 2a,
b
- Filterschicht
- 3
- Außenumfang
- 4
- Innenumfang
- 5
- Stirnfläche
- 6
- Randeinfassung
- 7
- Drainageelement
- 8
- radialer
Steg
- 9
- Ringrippe
- 10
- Ringstufe
- 11
- Filtratkanalöffnung
- 12
- Zwischenring
- 13
- runde
Noppe
- 14
- spitzer
Vorsprung
- 20
- Manschette
- 21
- Bodenring
- 22
- zylindrischer
Abschnitt
- 23
- konischer
Abschnitt
- 24
- Filtervorrichtung
- 25
- Filtergehäuse
- 26
- Unfiltratzulauf
- 27
- Filtratablauf
- 28
- Filtermodul
- 29
- Filtratkanal