DE102006008324B3

DE102006008324B3 - Intelligente Filtervorrichtung mit einer Überwachungseinheit

Info

Publication number: DE102006008324B3
Application number: DE200610008324
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Fink
Original assignee: Hahn Meitner Institut Berlin GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2006-02-18
Filing date: 2006-02-18
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2026-02-19

Abstract

Bei intelligenten Filtervorrichtungen werden Wartungsarbeiten nicht in starren Wartungsintervallen, sondern in Abhängigkeit vom konkreten Beladungszustand des Filtermediums durchgeführt, wodurch eine größere Zuverlässigkeit der Filtervorrichtung und eine Entlastung des Bedienpersonals erreicht werden. Bekannte intelligente Filtervorrichtungen benötigen dazu jedoch kostenintensive und wartungsanfällige Sensoren zur Messung von physikalischen Parametern. Die Ermittlung des aktuellen Beladungszustandes mit bevorzugt elektrisch nicht leitenden Partikeln (NLP) erfolgt bei der Filtervorrichtung (IFV) nach der Erfindung, die ein elektrisch nicht leitendes Filtermedium mit durchgängigen Filterporen (FP) aufweist, deshalb durch konduktive Messung eines Kontrollstromes (KS) im Falle der Filterung eines leitenden Fluids (LF), wobei der Kontrollstrom (KS) in Abhängigkeit vom aktuellen Beladungsgrad zwischen zwei Elektrodenbelägen durch die offenen oder beladenen Filterporen (FP) fließt, oder durch kapazitive Messung einer Kontrollkapazität im Falle der Filterung eines bevorzugt nicht leitenden Fluids, wobei der aktuelle Beladungsgrad die relative Dielektrizitätskonstante in einem von einer Elektrode und einem Elektrodenbelag gebildeten Kondensator ändert. Der Mehraufwand der Elektrodenbeläge und der Elektrode ist insbesondere bei teueren Filtermedien, beispielsweise bei Ionenspurfiltern, zu vertreten.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine intelligente Filtervorrichtung zur Ausfilterung von sich bewegenden Partikeln aus einem Fluid mit einem durch Beladung wirksamen Filtermedium und einer elektrischen Überwachungseinheit zur in-situ-Überwachung und Anzeige des Beladungsgrades des Filter mediums durch Messung und Verarbeitung von in Abhängigkeit vom aktuellen Beladungsgrad am Filtermedium veränderlich auftretenden physikalischen Parametern. Dabei können die auszufilternden Partikel sowohl elektrisch leitend als auch elektrisch nicht leitend ausgebildet sein.
Die Filtration von Stäuben und Aerosolen aus Gasen und gelösten Partikeln und Kolloiden aus Flüssigkeiten gehört zu den Standardaufgaben in vielen verschiedenen Technologien. Dazu zählen beispielsweise die Kühlung von elektrischen oder elektronischen Geräten, die Reinigung von Flüssigkeiten für die Produktion von mikro- und nanoelektronischen Geräten, die Blutwäsche und die Analyse von Aerosolen in der Luft. Üblicherweise wird in Gebrauchsanweisungen von Geraten mit einem Filtermedium vorgeschrieben, dieses im Rhythmus angegebener Wartungsintervalle auszuwechseln oder zumindest von der angesammelten Beladung durch die auszufilternde Komponente durch Abreinigung zu befreien. Diese Wartungsintervalle stellen aus einer Vielzahl von Beobachtungen abgeleitete Erfahrungswerte dar, die jedoch individuelle, vom Durchschnitt abweichende Betriebszustände nicht berücksichtigen. Dadurch kann es vorkommen, dass entweder noch funktionsfähige Filtermedien vorzeitig ersetzt oder gereinigt werden oder bereits durch eine maximal Beladung mit Partikeln zugesetzte Filtermedien noch weiter benutzt werden. Der eine Fall bedeutet finanziellen Verlust, der andere Fall gegebenenfalls eine Beeinträchtigung der Filterfunktion oder sogar den totalen Ausfall der ganzen Filtervorrichtung.

Erste Lösungsansätze weg von der starren Wartungsintervallvorgabe in Richtung auf eine nutzungsabhängige Wartung sind beispielsweise aus den folgenden Druckschriften bekannt. In der DE 198 50 225 A1 wird eine Vorrichtung zum Erfassen des Zustands bzw. des Endes der Gebrauchsdauer eines Filtermediums offenbart, bei der die vorgegebenen Wartungsintervalle gegen die inkremental festgestellte konkrete Nutzungsdauer der Filteranlage als physikalischem Parameter aufgerechnet werden. Aus der DE 196 46 914 A1 ist eine gesteuerte Filteranlage bekannt, die eine elektrische Überwachungseinrichtung zur Entscheidung über ein Filterabreinigungserfordernis der Filteranlage in Abhängigkeit vom Beladungsgrad der Filtermedien mit Partikeln umfasst. Erforderliche Filterwechsel werden aus der Frequenz der Filterabreinigung in Abhängigkeit von einer vorgegebenen Grenzfrequenz ermittelt. Der aktuelle Beladungsgrad wird aus der gemessenen Druckdifferenz als physikalischem Parameter vor und hinter dem Filtermedium berechnet.

Von der Firma Schroeder & Schroeder GBR sind so genannte „IQ-Air"-Luftfiltergeräte bekannt (vergleiche Veröffentlichung im Internet unter der Webadresse http://www.luftreiniger.net/eng/features/feature.htm, Stand 13.01.2006) die eine „intelligente" Überwachungseinrichtung zur Berechnung des Filterwechsels umfassen. Die elektrische Überwachungseinrichtung ermittelt jedoch wiederum nur den tatsächlichen Gebrauch des Gerätes, wobei jedoch Luftumwälzungseinstellungen und Luftqualitätszustände einbezogen werden. In einem Displaymenü wird die Nutzungsdauer jedes Filters in Stunden angezeigt. Mittels Status-LEDs wird ein erforderlicher Filterwechsel durch einen Farbwechsel von grün zu rot angezeigt.

Aus der DE 43 05 979 A1 ist ein chemisches Ventil mit einer durch Ionenbestrahlung und anschließendem Ätzen mit durchgehenden Poren versehenen Mikroporenmembran, beispielsweise aus einer elektrisch nicht leitenden Copolymerfolie, bekannt, die von einer durch die Umgebungsbedingungen stimuliert quellbaren Gelschicht umgeben ist. Durch eine entsprechende Parameteränderung des durchfließenden Fluids, beispielsweise durch eine Änderung des ph-Wertes, verändert das Gel seine Ausdehnung und damit die Porenquerschnitte, wodurch sich eine Durchflussänderung des durch die Poren strömenden Fluids ergibt. Weiterhin ist es aus der DE 198 53 286 A1 bekannt, das Quellverhalten des Gels durch Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen den beiden Oberseiten der Mikroporenmembran zu beeinflussen. Durch die Kombination einer responsiven Mikroporenmembran mit einer extern schaltbaren Stromquelle entsteht ein chemisches Ventil mit einem Membransystem, das eine eingebaute Sensorfunktion mit direkter elektrischer Überwachbarkeit des Stofftransportes beinhaltet. Aus der EP 1 415 698 A1 , die sich mit einer Filtervorrichtung zur Filterung von Fluiden mit mikroelektromechanischen (MEMS) Sensorvorrichtungen befasst, ist es außerdem bekannt, zur Ermittlung von verschiedenen charakteristischen Parametern der Fluidströmung und des Filtrats die elektrische Leitfähigkeit als Messgröße heranzuziehen.

Insbesondere auf dem chemischen und medizinischen Sektor sind qualitativ hochwertige und damit sehr kostenintensive flexible Filterfolien bekannt, deren Funktionsfähigkeit einerseits immer zu gewährleisten ist, deren Reinigung und Austausch andererseits aber sehr aufwändig und teuer ist. Speziell wird hierbei an Ionenspurfilter mit sehr geringen Porendurchmessern im Bereich von wenigen Mikro- bis Nanometern gedacht, wie sie beispielsweise für die Blutreinigung, für die Reinigung von Flüssigkeiten für die Mikro- und Nanoelektronik und für die Feinstaub-Reinigung und -Analyse eingesetzt werden.

Aus der DE 10 2005 012 502 A1 , von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, ist eine gattungsgemäße Filtervorrichtung mit einer Überwachungseinheit zur in-situ-Überwachung und Anzeige des Beladungsgrades des Filtermediums durch Messung und Verarbeitung von in Abhängigkeit vom aktuellen Beladungsgrad am Filtermedium veränderlich auftretenden physikalischen Parametern bekannt. Vor und hinter dem Filtermedium, bei dem es sich um eine Reihenschaltung von einem nicht weiter spezifizierten Partikelfilter und einem elektrisch leitenden Aktivkohlefilter handeln kann und das von dem zu filternden Fluid durchströmt wird, können sowohl der Druck als auch die Strömungsgeschwindigkeit im zu filternden Fluid als physikalische Parameter gemessen werden. Aus den entsprechend auftretenden physikalischen Parametern bekannt. Vor und hinter dem Filtermedium, bei dem es sich um eine Reihenschaltung von einem nicht weiter spezifizierten Partikelfilter und einem elektrisch leitenden Aktivkohlefilter handeln kann und das von dem zu filternden Fluid durchströmt wird, können sowohl der Druck als auch die Strömungsgeschwindigkeit im zu filternden Fluid als physikalische Parameter gemessen werden. Aus den entsprechend ermittelten Differenzwerten kann dann in Abhängigkeit von vorgegebenen Grenzwerten das Erfordernis einer Filterabreinigung oder eines Filterwechsels bestimmt werden. Eine weitere Überwachungseinheit erlaubt zusätzlich die Ermittlung von chemischen Parametern, beispielsweise der Konzentration eines Leitstoffes im zu filternden Fluid. Zur Ermittlung der Parameter sind jedoch entsprechend aufwändige und kostenintensive Sensoren zu verwenden, die einen direkten Zugriff auf das Fluid haben müssen und dementsprechend kostenintensiv und wartungsanfällig sind. Da aber die anfallenden Wartungsarbeiten bei dieser bekannten Filtervorrichtung tatsächlich von dem konkreten Zustand des Filtermediums und nicht von festen Wartungsintervallen oder Betriebszeiten abhängig sind, kann von einer „intelligenten Filtervorrichtung" gesprochen werden. Das bedeutet neben einer Entlastung des Geräte-Verantwortlichen auch eine größere Zuverlässigkeit der Filtervorrichtung. Es wird verhindert, dass das Filtermedium auch noch in überbeladenem, also wirkungslosem Zustand eingesetzt wird. Dadurch wird möglicherweise eine Fehlfunktion oder ein Ausfall des dahinter angeschlossenen Gerätes verhindert. Umgekehrt kann bei einem sehr geringen Verschmutzungsgrad die Einsatzzeit des Filtermediums deutlich über das vorgegebene oder nach reiner Einsatzzeit berechnete Wartungsintervall hinaus verlängert werden, was eine finanzielle Einsparung bewirkt.

Ausgehend von der gattungsgemäßen Filtervorrichtung der oben beschriebenen Art mit einer in-situ-Überwachungseinheit zur Messung von physikalischen Parametern ist die Aufgabe für die vorliegende Erfindung daher darin zu sehen, eine Filtervorrichtung anzugeben, deren Überwachungseinheit keine speziellen physikalischen Sensoren benötigt. Dies soll auch für den Einsatz von kostenintensiven flexiblen Filterfolien, insbesondere Ionenspurfolien, als Filtermedium gelten. Grundsätzlich sollen aber die beschriebenen Vorteile einer intelligenten Filtervorrichtung erhalten bleiben. Die vorliegende Erfindung zeigt zwei alternative Lösungen in Abhängigkeit von dem verwendeten Messprinzip auf, die den beiden nebengeordneten Ansprüchen zu entnehmen sind. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den den unabhängigen Ansprüchen untergeordneten Unteransprüchen formuliert, die im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert werden.

Für eine Verwendung in elektrisch leitenden Fluiden, d.h. in der Regel in wässrigen Flüssigkeiten, ist bei der ersten Alternative der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung ein konduktives Messprinzip vorgesehen. Zur Anwendung dieses Messprinzips besteht das Filtermedium erfindungsgemäß aus einem elektrisch nicht leitenden Material und weist durchgängige Filterporen auf, in denen sich das elektrisch leitende Fluid befindet. Weiterhin sind erfindungsgemäß auf oder oberhalb der beiden Oberseiten des Filtermediums ganzflächige Elektrodenbeläge angeordnet, durch die sich die Filterporen erstrecken, sodass sie den Durchfluss des Fluids nicht behindern. Die Elektrodenbeläge können als selbsttragende Elektroden, beispielsweise in Form dünner Metallgitter, oder als auf das Filtermedium direkt, beispielsweise durch Aufdampfen, aufgebrachte Metallisierungsschichten ausgebildet sein. Im letzen Fall muss allerdings darauf geachtet werden, dass die obere Metallisierung des Filtermediums nicht in die Poren des Filtermediums hineinragt (was z.B. bei senkrechtem Bedampfen geschehen würde), weil sonst die auf den Poren deponierten auszufilternden Partikel den Stromfluss durch die Poren nicht unterbrechen würden. Diese Gefahr ist nicht gegeben, wenn (z.B. nach Schräg-Bedampfung des Filtermediums mit einem leitenden Material) der unmittelbare Porenbereich elektrisch nicht leitend bleibt. Ebenfalls tritt kein Kurzschluss auf, wenn die auszufilternden Partikel elektrisch nicht leitend sind. Es ist daher vorteilhaft, wenn bei der Ausfilterung von elektrisch leitfähigen Partikeln der den Partikeln zugewandte Elektrodenbelag mit einem Rand um die Filterporen ausgespart ist. Das konduktive Messprinzip kann also bei der Filterung sowohl von elektrisch leitenden als auch von elektrisch nicht leitenden Partikeln mit einem elektrisch nicht leitenden Filtermedium aus einem elektrisch leitenden Fluid angewendet werden.

Zur Erzeugung eines Kontrollstromes umfasst die elektrische Überwachungseinheit einen Kontrollstromkreis zwischen den beiden Elektrodenbelägen, dem elektrisch leitenden Fluid und einem resistiven Messelement. Somit wird durch Anlegen einer Spannung im Kontrollstromkreis ein Kontrollstrom erzeugt, der von dem einen Elektrodenbelag durch die mit leitfähigem Fluid gefüllten Filterporen, die als Teil des Filtermediums selbst nicht leitend sind, zu dem gegenüberliegenden Elektrodenbelag fließt. Setzen sich nunmehr elektrisch nicht leitfähige Partikel in den Filterporen ab, so verringert sich der Stromfluss in den Filterporen durch das elektrisch leitfähige Fluid entsprechend, da ein ungehinderter Stromfluss nun nicht mehr möglich ist. Die Änderung des Kontrollstromes wird am Messelement resistiv erfasst, es wird eine Widerstands- oder Konduktivitätsmessung (Leitfähigkeitsmessung) durchgeführt. Durch Vergleich mit ermittelten Referenzwerten kann direkt aus der Änderung des Kontrollstromes über der Zeit auf den aktuellen Beladungsgrad des Filtermediums mit auszufilternden Partikeln rückgeschlossen werden. Der aktuelle Beladungsgrad, der dem Wirkungsgrad des Filtermediums entspricht, kann von der Überwachungseinheit optisch angezeigt werden. Bei Erreichen vorgegebener Grenzwerte für verschiedene spezielle Beladungszustände können optische und akustische Signale für eine erforderliche Abreinigung oder einen erforderlichen Filtermediumtausch ausgegeben werden. Eine theoretische Quantifizierung der Konduktivitätsmessung kann dem speziellen Beschreibungsteil entnommen werden.

Die zweite Alternative der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung beruht auf der Anwendung eines kapazitiven Messprinzips. Für eine Anwendung dieses Messprinzips können das Fluid, die Filterfolie und die auszufilternden Partikel bevorzugt nicht oder nur schwach leitend sein. Bei dem Fluid kann es sich deshalb bevorzugt um eine organische Flüssigkeit oder ein Gas handeln. Das kapazitive Messprinzip liefert jedoch auch brauchbare Messergebnisse, wenn eine oder alle drei Komponenten schwach elektrisch leitend ausgebildet sind. Eine leitende Komponente in einer kapazitiven Anordnung kann nämlich in ihrem Ersatzschaltbild durch eine mit einem Widerstand parallelgeschaltete Kapazität dargestellt werden, d.h. ein Kapazitätsmessgerät zeigt auch hier einen Wert an. Die Kapazität ist aber durch den Spannungsabfall am endlichen Widerstand kleiner als bei einer nicht leitenden Komponente gleicher Geometrie. Hier ist der parallel geschaltete Widerstand unendlich hoch, d.h. nur die Kapazität ist wirksam. Stark elektrisch leitende Partikel könnten jedoch nicht detektiert werden. Ein hoher Partikel-Widerstand bewirkt eine große Kapazität der Partikel, bei geringem Partikel-Widerstand werden die Ladungsträger zu beiden Seiten des Partikels leicht abgeführt und die Partikel-Kapazität bricht zusammen. D.h. bei geringfügiger Leitung besteht das Ersatzschaltbild der zu filternden Partikel aus einem hohen Widerstand und einer hohen Parallel-Kapazität, dann ist der Einfluss der Partikel auf die Gesamtkapazität des Filters deutlich, so dass ein guter Messeffekt zustande kommt. Umgekehrt ist bei elektrisch gut leitenden Partikeln das Ersatzschaltbild der zu filtrierenden Partikel durch einen sehr kleinen Widerstand und eine sehr kleine Parallel-Kapazität gegeben, d.h. hier würden die leitenden Partikel praktisch nichts zur Gesamtkapazität beitragen, und damit wäre auch kein kapazitiver Unterschied vor und nach der Filtrierung zu erkennen sein. Das kapazitive Messprinzip kann also bei der Filterung sowohl von elektrisch schwach leitenden als auch von elektrisch nicht leitenden Partikeln mit einem elektrisch leitenden oder nicht leitenden Filtermedium aus einem elektrisch leitenden oder nicht leitenden Fluid angewendet werden. Das kapazitive Messprinzip ist somit gegenüber dem konduktiven Messprinzip insbesondere auf die Wahl des Filtermediums und der Fluids vielseitiger anwendbar.

Für die alternative Anwendung des kapazitiven Messprinzips weist das Filtermedium wiederum durchgängige Filterporen auf. Es ist jedoch ein kapazitives Messelement vorgesehen. Dazu ist oberhalb der den sich bewegenden Partikeln zugewandten Oberseite, d.h. in der Regel der Strömung des Fluids zugewandten Oberseite eine partikeldurchlässige Elektrode vorgesehen. Der Abstand der Elektrode von der Oberseite des Filtermediums liegt in der Größenordnung der auszufilternden Partikel und damit in der Regel im μm- Bereich. Auf oder kurz unterhalb der anderen Oberseite des Filtermediums ist wiederum ein ganzflächiger Elektrodenbelag vorgesehen, durch den sich die Filterporen erstrecken. Dieser Elektrodenbelag kann wiederum als selbsttragende Elektrode, beispielsweise in Form eines dünnen Metallgitters, oder als auf das Filtermedium direkt, beispielsweise durch Aufdampfen, aufgebrachte Metallisierungsschicht ausgebildet sein.

Das Filtermedium, der Elektrodenbelag und die Elektrode sind von dem Fluid umgeben. Die Kontrollgröße ist nunmehr eine Kontrollkapazität, die in einem Kontrollkapazitätskreis unter Anlegen einer Spannung erzeugt wird. Dazu umfasst die elektrische Überwachungseinheit die Elektrode und den Elektrodenbelag als Kondensatorplatten sowie ein kapazitives Messelement. Das Filtermedium und das Fluid bilden ein Dielektrikum zwischen den Kondensatorplatten. Im unbeladenen Filterzustand stellt sich eine der angelegten Spannung und dem Dielektrikum entsprechende Kapazität ein. Durch eine Ablagerung von Partikeln zwischen der dem Partikelfluss zugewandten Oberseite des Filtermediums und der vorgelagerten Elektrode verändert sich das resultierende Dielektrikum zwischen Elektrode und Elektrodenbelag und damit die Kontrollkapazität, deren Änderung am kapazitiven Messelement erfassbar ist. Wiederum durch Vergleich mit ermittelten Referenzwerten kann direkt aus der Änderung der Kontrollkapazität über der Zeit auf den aktuellen Beladungsgrad des Filtermediums mit auszufilternden Partikeln rückgeschlossen werden. Der aktuelle Beladungsgrad, der dem Wirkungsgrad des Filtermediums entspricht, kann von der Überwachungseinheit optisch angezeigt werden. Bei Erreichen vorgegebener Grenzwerte für verschiedene spezielle Beladungszustände können optische und akustische Signale für eine erforderliche Abreinigung oder einen erforderlichen Filtermediumtausch ausgegeben werden. Somit unterscheiden sich die resistive (konduktive) und die kapazitive Überwachungseinheit auf ihrer funktionalen Ausgabeseite nicht, sondern lediglich im zu erfassenden physikalischen Parameter und dessen Erfassung. Eine theoretische Quantifizierung der Kapazitätsmessung kann dem speziellen Beschreibungsteil entnommen werden.

Mit der intelligenten Filtervorrichtung nach der Erfindung ist es möglich, dass insbesondere bei einem Einsatz von qualitativ sehr hochwertigen und damit kostspieligen flexiblen Filter-Folien, beispielsweise Ionenspurfilter aus Polymerfolien als Filtermedium, während der Filterung kontinuierlich deren Beladung- und damit Wirkungsgrad zu kontrollieren. Bei einer auftretenden Überladung kann automatisch ein Alarm gegeben werden, der eine erforderliche Filterabreinigung, beispielsweise mit einem Lösungs- oder Ätzmittel, oder einen erforderlichen Filterwechsel anzeigt. Die Schritte der Filterabreinigung und des Filterwechsels können ebenfalls automatisiert und in den Überwachungsvorgang einbezogen werden. Somit können Filterungen optimiert, Ausfallzeiten der Filtervorrichtung während der Filterungen minimiert und fehlerhafte Messungen, z.B. bei den neuerlich in Deutschland gesetzlich vorgeschriebenen Feinstaub-Konzentrations-Bestimmungen, verhindert werden. Die Arbeitsweise der Filtervorrichtung wird deutlich verbessert und sicherer. Die dafür zu akzeptierenden Mehrkosten lohnen sich insbesondere beim Einsatz der genannten kostspieligen flexiblen Filterfolien. Dabei halten sich die Mehrkosten in Grenzen, da die Filtervorrichtung nach der Erfindung aufgabengemäß ohne den Einsatz von teuren und aufwändigen Sensoren auskommt. Vielmehr werden einfache, kostengünstige und störunanfällige elektrische Stromkreise zur Messung des elektrischen Stroms (bzw. des herrschenden elektrischen Widerstands) oder der elektrischen Kapazität eingesetzt. Zusätzliche Kosten entstehen nur durch das mögliche Aufdampfen von metallischen Belägen als Elektrodenbeläge beispielsweise auf eine Polymerfolie vor der Ionenbestrahlung und bei der kapazitiven Messung durch das Vorsehen von beispielsweise über Abstandshalter oder Distanzringe vorgelagerte Elektroden.

Neben den bereits genannten Ausführungsformen der intelligenten Filtervorrichtung nach der Erfindung, die sich insbesondere auf die Ausgestaltung des Filtermediums als flexible Filterfolie oder als Ionenspurfilter aus einer Polymerfolie beziehen, kann auch vorgesehen sein, dass die elektrische Über wachungseinheit sowohl einen Kontrollstromkreis als auch einen Kontrollkapazitätskreis sowie einen Umschalter zwischen beiden Kreisen umfasst. Die intelligente Filtervorrichtung ist damit umfassend ausgerüstet und kann sowohl für die Filterung von elektrischen leitenden Fluiden als auch nicht leitenden Fluiden mit auszufilternden, nicht oder nur schwach leitenden Partikeln eingesetzt werden. Die Messungen erfolgen konduktiv und kapazitiv und können sich ergänzen. Für beide Messungen können dieselben Elektrodenflächen oder Elektroden verwendet werden; nur das an den Elektroden anliegende Messgerät wird durch den Umschalter ausgewechselt.

Ausbildungsformen der intelligenten Filtervorrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt jeweils nicht maßstäblich im Querschnitt:
1a eine Filtervorrichtung mit einem Kontrollstromkreis,
1b einen Ausschnitt aus 1 im Bereich des Filtermediums,
2a eine Filtervorrichtung mit einem Kontrollkapazitätskreis,
2b einen Ausschnitt aus 2 im Bereich des Filtermediums,
3 ein Detail zur Theorie der Konduktivitätsmessung,
4 ein Detail zur Theorie der Kapazitätsmessung,
5 einen kompletten Aufbau mit einer Filtervorrichtung mit einem Kontrollkapazitätskreis sowie
6 ein konduktiv und kapazitiv gemessenes Beladungsdiagramm.
Die 1a zeigt schematisch eine intelligente Filtervorrichtung IFV zur Ausfilterung von Partikeln aus einem leitenden Fluid LF. Die 1b zeigt einen Detailausschnitt aus 1a. Beide Figuren sind mit identischen Bezugszeichen versehen und werden im Folgenden gemeinsam erläutert. Für eine bessere Anschaulichkeit sind in den Querschnitten die hinter der Schnittebene liegenden, an sich sichtbaren Körperkanten nicht dargestellt.
Im gewählten Ausführungsbeispiel strömt das leitende Fluid LF in Richtung der Pfeile durch ein Filtermedium FM, das Partikel, im gewählten Ausführungsbeispiel handelt es dabei um elektrisch nicht leitende Partikel NLP, aus dem leitenden Fluid LF mechanisch durch Zurückhalten ausfiltert. Eine Filterung in einem stehenden Fluid mit absinkenden Partikeln ist ebenfalls möglich. Durch die Ansammlung der ausgefilterten Partikel NLP auf dem Filtermedium FM nimmt dessen Beladungsgrad zu und dessen Wirkungsgrad bei der Filterung ab. Das Fluid LF ist elektrisch leitend, im gewählten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine elektrisch leitende wässrige Flüssigkeit LFL.
Das Filtermedium FM besteht aus einem elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise aus einem Polymer. Das Filtermedium FM ist als flexible Filterfolie FF mit durchgängigen Filterporen FP ausgebildet, die beispielsweise durch Ionenbestrahlung und anschließendes Ätzen herstellbar sind. Bei dem Filtermedium FM kann es sich somit auch um einen Ionenspurfilter ISF handeln. Auch die Filterporen FP sind mit dem elektrisch leitenden Fluid LF gefüllt. Auf beiden Oberseiten OS1, OS2 des Filtermediums FM sind ganzflächige Elektrodenbeläge EB1, EB2 beispielsweise durch schrägwinkliges Aufdampfen aufgebracht, durch die sich die nicht leitenden Filterporen FP hindurch erstrecken, sodass die Elektrodenbeläge EB1, EB2 die Filterwirkung des Filtermediums FM nicht verändern. Die beiden Elektrodenbeläge EB1, EB2 können auch als zur Oberfläche beabstandete Metallsiebe ausgebildet sein (in der 1A nicht dargestellt). Im Falle der Ausfilterung von elektrisch leitenden Partikeln ist zur Vermeidung von Kurzschlüssen darauf zu achten, dass die Elektrodenbeläge EB1, EB2 im Randbereich der Filterporen FP, an dem sich die auszufilternden Partikel anlagern, ausgespart sind (in der 1b nicht dargestellt).
Die beiden Elektrodenbeläge EB1, EB2 sind Teil eines Kontrollstromkreises KSK, der das Herzstück einer elektrischen Überwachungseinheit UBE für den aktuellen Beladungsgrad des Filtermediums FM, in dessen Abhängigkeit eine Abreinigung oder ein Filtertausch erforderlich sind, bildet. Weiterhin umfasst der Kontrollstromkreis KSK noch eine Spannungsquelle SQ und ein resistives Messelement RME zur Messung des im Kontrollstromkreis KSK fließenden Kontrollstromes KS. Mit die Spannungsquelle SQ kann eine Gleich- oder eine niederfrequente Wechselspannung erzeugt werden; allerdings ist die Erzeugung von Wechselspannung zu bevorzugen, um galvanische Effekte wie Material- oder Gasabscheidungen an den Elektroden zu unterdrücken, die ihrerseits die konduktiven Resultate verfälschen könnten. Die Messung des Kontrollstromes KS als physikalischem Parameter ist die einzige erforderliche Messung zur Überwachung des Beladungszustandes. Weitere Messungen, insbesondere unter Beteiligung von aufwändigen Sensoren, sind nicht erforderlich. Die Überwachungseinheit UBE umfasst weiterhin in der 1a nicht dargestellte Verarbeitungs-, Anzeige- und Alarmelemente zur Ermittlung, Anzeige und Einleitung der erforderlichen Arbeitsvorgänge.
In der 1b ist nun die Arbeitsweise der intelligenten Filtervorrichtung IFV für ein elektrisch leitendes Fluid LF dargestellt. Der Kontrollstrom KS fließt im Bereich der Filterporen FP über das elektrisch leitende Fluid LF (Pfeil für Fall a), wenn die Filterporen FP nicht durch Partikel NLP zugesetzt ist. Eine Beladung der Filterpore FP durch einen ausgefilterten Partikel NLP ist im Fall b dargestellt. Da der Partikel NLP elektrisch nicht leitend ist, kann durch diese Filterpore FP kein Anteil des Kontrollstroms KS mehr fließen (gestrichelter Pfeil in Fall b). Dadurch ändert sich die Höhe des gesamten Kontrollstromes KS, was am resistiven Messelement RME erfasst wird. Je mehr Filterporen FP durch Partikel NLP zugesetzt werden, desto geringer wird der Kontrollstrom KS bis hin zur Stromunterbrechung. In Abhängigkeit von vorgegebenen Grenzwerten für eine Abreinigung oder eine Filtertausch werden die aktuellen Messwerte des Kontrollstromes KS dann ausgewertet.
Die 2a zeigt schematisch eine intelligente Filtervorrichtung IFV zur Ausfilterung von elektrisch nicht oder nur schwach leitenden Partikeln NLP aus einem bevorzugt elektrisch nicht leitenden Fluid NLF. Die 2b zeigt einen Detailausschnitt aus 2a. Beide Figuren sind mit identischen Bezugszeichen versehen und werden im Folgenden gemeinsam erläutert. Hier nicht erläuterte Bezugszeichen sind den 1a und 1b zu entnehmen.
Im gewählten Ausführungsbeispiel strömt das bevorzugt elektrisch nicht leitende Fluid NLF, bei dem es sich in der Regel um eine organische Flüssigkeit oder ein nicht leitendes Gas NLG handelt, in Richtung der Pfeile durch das bevorzugt elektrisch nicht leitende Filtermedium FM, das als flexible Filterfolie FF mit durchgängigen Filterporen FP ausgebildet ist. In einem Abstand von der Größenordnung der auszufilternden, im gewählten Ausführungsbeispiel elektrisch nicht leitenden Partikel NLP (einige μm bis einige 100 μm) oberhalb der diesen zugewandten Oberseite OS1 des Filtermediums FM ist eine partikeldurchlässige Elektrode EL angeordnet. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein selbsttragendes, grobmaschiges metallisches Sieb oder Gitter handeln. Im gewählten Ausführungsbeispiel ist direkt auf der anderen Oberseite OS2 des Filtermediums FM ist wiederum ein ganzflächiger Elektrodenbelag EB, durch den sich die Filterporen FP erstrecken, angeordnet. Auch dieser Elektrodenbelag EB kann als ein zur Oberfläche beabstandetes Metallsieb ausgebildet sein (in der 2a nicht dargestellt). Alle genannten Elemente werden von dem bevorzugt elektrisch nicht leitenden Fluid NLF umgeben.
Die Elektrode EL und der Elektrodenbelag EB sind Teil eines Kontrollkapazitätskreises KKK, der bei bevorzugt elektrisch nicht leitenden Fluiden NLF das Herzstück der elektrischen Überwachungseinheit UBE für den aktuellen Beladungsgrad des Filtermediums FM bildet. Weiterhin umfasst der Kontrollkapazitätskreis KKK noch eine Spannungsquelle SQ, die Wechselspannung erzeugt, und ein kapazitives Messelement KME zur Messung der im Kontrollkapazitätskreis KKK herrschenden Kontrollkapazität KK. Die Messung der Kontrollkapazität KK als physikalischem Parameter ist die einzige erforderliche Messung zur Überwachung des Beladungszustandes. Weitere Messungen, insbesondere unter Beteiligung von aufwändigen Sensoren, sind nicht erforderlich. Die Überwachungseinheit UBE umfasst weiterhin in der 2a nicht dargestellte Verarbeitungs-, Anzeige- und Alarmelemente zur Ermittlung, Anzeige und Einleitung der erforderlichen Arbeitsvorgänge.
In der 2b ist nun die Arbeitsweise der intelligenten Filtervorrichtung IFV für ein elektrisch nicht leitendes Fluid NLF dargestellt. Die Kontrollkapazität KK liegt bei bekannter Dielektrizitätskonstante (relativ und absolut), wenn die Filterporen FP nicht durch Partikel NLP zugesetzt ist, im Kontrollkapazitätskreis KKK an (Doppelpfeil für Fall a). Eine Beladung der Filterpore FP durch einen ausgefilterten Partikel NLP ist im Fall b dargestellt. Zwischen der Elektrode EL und der Oberseite OS1 des Filtermediums FM wird der Partikel NLP aufgehalten. Da der Partikel NLP bevorzugt elektrisch nicht leitend ist, verändert er die relative Dielektrizitätskonstante im Kontrollkapazitätskreis KKK (dies bewirken elektrisch leitende Partikel in geringerem Maße auch). Dadurch ändert sich die Höhe der gesamten Kontrollkapazität KK (Doppelpfeil für Fall b), was am kapazitiven Messelement KME erfasst wird. Je mehr Partikel NLP sich zwischen der Elektrode EL und der Oberseite OS1 des Filtermediums FM festsetzen, beispielsweise durch Inkorporation von Feinstäuben, desto größer die Änderung der relativen Dielektrizitätskonstante und damit die Änderung der proportional davon abhängigen Kontrollkapazität KK. In Abhängigkeit von vorgegebenen Grenzwerten für eine Abreinigung oder einen Filtertausch werden die aktuellen Messwerte der Kontrollkapazität KK dann ausgewertet.
Eine Kombination der Überwachungseinrichtung UBE mit dem Kontrollstromkreis KSK mit der Überwachungseinrichtung UBE mit dem Kontrollkapazitätskreis KKK in einer multifunktionellen intelligenten Filtervorrichtung IFV ist ebenfalls möglich (in den Figuren nicht weiter dargestellt). Es wird dann nur eine Spannungsquelle QS und ein gemeinsamer Satz von Elektrodenbelägen EB1 bzw. Elektrode EL benötigt. Zusätzlich ist ein Umschalter zwischen den beiden Messkreisen vorzusehen. Vorteilhaft ist bei dieser Kombination die Erhöhung der Messgenauigkeit.
Der 3 ist eine Darstellung zur Theorie der Konduktivitätsmessung zu entnehmen. Angenommen wird ein Filtermedium FM mit einem integrierten Elektrodenbelag EB und einer beabstandeten Elektrode EL in Siebform. Weiterhin wird eine Filterung aus einer elektrisch leitenden Flüssigkeit LF und eine statistische Verteilung der abgelagerten, bevorzugt nicht leitenden Partikel NLP in einer Monolage (Anfangsphase der Filterung) angenommen.
Es gilt: ρt = ρ1 + ρ2 + ρ3 mit

ρ_t: = Gesamtwiderstand
ρ₁: = Widerstand im Bereich der Partikel NLP
ρ₂: = Widerstand des Fluids LF zwischen Partikel NLP und Elektrode EL
ρ₃: = Widerstand des Filtermediums FM

Das Anwachsen der Filterbedeckung ist proportional zur verbleibenden, nicht belasteten Filterfläche.
Es gilt: dF/dt = 1 – F(t)mit

F(t): = Flächenfunktion der Filterbedeckung

Es gilt: F(t) = F0(1 – exp(–αt))mit

α: = Faktor für die Zusetzungsgeschwindigkeit des Filtermediums FM

Weiterhin gilt ρ1 = σ1l/Fmit

ρ₁: = elektrischer Widerstand der Filterfläche F
l: = Dicke der Filterfläche F

Zusammengefasst gilt: ρ1(t) = σ1l/F0(1 – exp(–αt)) (1a)
Daraus errechnet sich die abgelagerte totale Masse: M = δdF0(1 – exp(–αt)) (1b)mit

δ: = Dichte des Filtermedium FM.

Der 4 ist eine Darstellung zur Theorie der Kapazitätsmessung zu entnehmen. Angenommen wird wiederum ein Filtermedium FM mit einem integrierten Elektrodenbelag EB und einer beabstandeten Elektrode EL in Siebform. Weiterhin wird eine Filterung aus einer elektrisch nicht leitenden Flüssigkeit NLF und eine statistische Verteilung der abgelagerten nicht leitenden Partikel NLP mit einer konstanten Schichtstärke (Monolage in der Anfangsphase der Filterung) angenommen, wobei die Schichtstärke klein ist gegenüber dem Abstand der Elektrode EL zum Elektrodenbelag EB. Der dielektrische Koeffizient ε der abgelagerten Partikel NLP unterscheidet sich ausreichend von dem der Flüssigkeit NLF.
Es gilt: Ct: 1/Ct = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 mit

C_t: = Gesamtkapazität
C₁: = Kapazität im Bereich der Partikel NLP
C₂: = Kapazität des Fluids NLF zwischen Partikel NLP und Elektrode EL
C₃: = Kapazität des Filtermediums FM

Weiterhin gilt: C1 = ε·ε0F/dmit

ε: = dielektrischer Koeffizient des Filtermediums FM
ε₀: = dielektrischer Koeffizient des Vakuums
F: = Filterfläche
d: = Abstand der Elektrode EL zum Elektrodenbelag EB

Analog zu den Betrachtungen der Konduktivitätsmessung gilt: C1 = ε·ε0F0(1 – exp(–αt))/d (2)mit

α: = Faktor für die Zusetzungsgeschwindigkeit des Filtermediums FM

Es zeigt sich somit sowohl für das konduktive als auch für das kapazitive Messprinzip, dass die Filterfläche F ausreichend groß sein muss, um eine zufrieden stellende Messsensivität zu erreichen, die proportional zu dieser ist.
In der 5 ist eine praktische Realisation einer intelligenten Filtervorrichtung IFV nach der Erfindung unter Anwendung des kapazitiven Messprinzips dargestellt. Gezeigt wird ein zu filterndes flüssiges Fluid NLF, das über ein Rohr RO (senkrechter Pfeil) einem Behälter BE zufließt (parallele Pfeile). Das Rohr RO wird von der intelligenten Filtervorrichtung IFV abgeschlossen. Der Aufbau entspricht dem in der 2a gezeigten Aufbau. Die abgeschiedenen Partikel sind als dickere Ablagerungsschicht AS dargestellt. Zu Einhaltung des gewünschten Abstandes zwischen der Elektrode EL und dem Filtermedium FM werden Distanzhalter DH eingelegt. Seitlich ist das Filtermedium durch Dichtungen DI abgeschlossen. Die Verbindung zum kapazitiven Messelement KME im Kontrollkapazitätskreis KKK erfolgt über isolierte Drähte ID.
Die 6 zeigt ein konduktiv und kapazitiv gemessenes Beladungsdiagramm (gemessener Strom I in μA/gemessenen Kapazität C in μF über der Filtrationszeit t in min). Kapazität und Konduktivität wurden abwechselnd gemessen. Es wurden ausgefällte AgCl-Partikel aus einer AgNO₃/KCl-Lösung direkt nach der Ausfällung herausgefiltert. Es wurde als Filtermedium eine 80 mm dicke PET-Folie mit 1 × 10⁷ geätzten Ionenspuren mit einem Durchmesser von 4 μm eingesetzt, sodass nur die kleineren ausgefällten Partikel passieren konnten. Die Messspannung betrug 1 Volt an den Elektroden. Das zu filternde Fluid wurde bei unverändertem Filtermedium zweimal ausgewechselt (vertikale Pfeile). Durch den Verlauf der Messgrößen ist zu erkennen, dass bis zum zweiten Wechsel des auszufilternden Fluids nur größere Partikel herausgefiltert wurden, danach waren es dann kleinere Partikel. Nach jeder Erneuerung des zu filternden Fluids erhöhte sich die anfängliche Kapazität schlagartig um einen gewissen Betrag. Hierbei handelt es sich um Artefakte durch Partikelrekombination und -kompaktion nach der Erneuerung des zu filternden Fluids. Der starke Anstieg des gemessenen Stroms im Bereich von 300 min in diesem speziellen Beispiel zeigt die photoinduzierte Zersetzung der ausgefilterten AgCl-Nanopartikel zu Silber-Nanopartikeln nach Einschalten einer starken Lichtquelle an, die die Gesamtleitfähigkeit des Systems stark erhöht. Dieses Beispiel weist darauf hin, dass mit der intelligenten Filtervorrichtung nach der Erfindung neben einer Filterkontrolle auch noch eine Registrierung eventueller chemischer Veränderungen des Filtrats, d.h. der auszufilternden Partikel, durch eine angezeigte Änderung der Messparameter erfolgen kann.

AS: Ablagerungsschicht
BE: Behälter
DI: Dichtung
DH: Distanzhalter
EB: Elektrodenbelag
EL: partikeldurchlässige Elektrode
FF: flexible Filterfolie
FM: Filtermedium
FP: Filterpore
ID: isolierter Draht
IFV: intelligente Filtervorrichtung
ISF: Ionenspurfilter
KK: Kontrollkapazität
KKK: Kontrollkapazitätskreis
KME: kapazitive Messelement
KS: Kontrollstrom
KSK: Kontrollstromkreis
LF: leitendes Fluid
LFL: leitende Flüssigkeit
NLF: nicht leitendes Fluid
NLG: nicht leitendes Gas
NLP: nicht oder nur schwach leitender Partikel
OS: Oberseite
RME: resistives Messelement
RO: Rohr
SQ: Spannungsquelle
UBE: elektrische Überwachungseinheit

Claims

Intelligente Filtervorrichtung zur Ausfilterung von sich bewegenden Partikeln aus einem Fluid mit einem durch Beladung wirksamen Filtermedium und einer elektrischen Überwachungseinheit zur in-situ-Überwachung und Anzeige des Beladungsgrades des Filtermediums durch Messung und Verarbeitung von in Abhängigkeit vom aktuellen Beladungsgrad am Filtermedium veränderlich auftretenden physikalischen Parametern, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (FM) aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht und durchgängige Filterporen (FP) aufweist, in denen sich ein elektrisch leitfähiges Fluid (LF) befindet, dass auf oder oberhalb der beiden Oberseiten (OS1, OS2) des Filtermediums (FM) ganzflächige Elektrodenbeläge (EB1, EB2), durch die sich die Filterporen (FP) erstrecken, angeordnet sind und dass die elektrische Überwachungseinheit (UBE) einen der Erzeugung eines Kontrollstromes (KS) dienenden Kontrollstromkreis (KSK) zwischen den beiden Elektrodenbelägen (EB1, EB2), dem elektrisch leitenden Fluid (LF) und einem resistiven Messelement (RME) umfasst.
Intelligente Filtervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ausfilterung von elektrisch leitfähigen Partikeln der diesen zugewandte Elektrodenbelag (EB1) mit einem Rand um die Filterporen (FP) ausgespart ist.
Intelligente Filtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Fluid (LF) eine wässrige Flüssigkeit (LFL) ist.
Intelligente Filtervorrichtung zur Ausfilterung von sich bewegenden, elektrisch nicht oder nur schwach leitenden Partikeln aus einem Fluid mit einem durch Beladung wirksamen Filtermedium und einer elektrischen Überwachungseinheit zur in-situ-Überwachung und Anzeige des Beladungsgrades des Filtermediums durch Messung und Verarbeitung von in Abhängigkeit vom aktuellen Beladungsgrad am Filtermedium veränderlich auftretenden physikalischen Parametern, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (FM) durchgängige Filterporen (FP) aufweist, dass in einem Abstand von der Größenordnung der auszufilternden Partikel (NLP) oberhalb der den sich bewegenden Partikeln (NLP) zugewandten Oberseite (OS1) des Filtermediums (FM) eine partikeldurchlässige Elektrode (EL) und auf oder unterhalb der anderen Oberseite (OS2) des Filtermediums (FM) ein ganzflächiger Elektrodenbelag (EB), durch den sich die Filterporen (FP) erstrecken, angeordnet sind, wobei das Filtermedium (FM), der Elektrodenbelag (EB) und die Elektrode (EL) von einem Fluid umgeben sind, und dass die elektrische Überwachungseinheit (UBE) einen der Erzeugung einer Kontrollkapazität (KK) dienenden Kontrollkapazitätskreis (KKK) zwischen der Elektrode (EL), dem Elektrodenbelag (EB) und einem kapazitiven Messelement (KME) umfasst.
Intelligente Filtervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die auszufilternden Partikel (NLP) und/oder das Filtermedium (FM) aus einem elektrisch nicht leitenden Material besteht.
Intelligente Filtervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid als elektrisch nicht leitendes Fluid (NLF) ausgebildet ist.
Intelligente Filtervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch nicht leitfähige Fluid (NLF) eine organische Flüssigkeit oder ein Gas (NLG) ist.
Intelligente Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Überwachungseinheit (UBE) sowohl einen Kontrollstromkreis (KSK) als auch einen Kontrollkapazitätskreis (KKK) sowie einen Umschalter zwischen beiden Kreisen (KSK, KKK) umfasst.
Intelligente Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Filtermedium (FM) als flexible Filterfolie (FF) oder als Ionenspurfilter (ISF) ausgebildet ist.
Intelligente Filtervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (EB1, EB2), die sich direkt auf der Ober- und/oder Unterseite des Filtermediums befinden, als auf das Filtermedium aufgebrachte, aber nicht in die Filterporen (FP) hineinreichende Beschichtungen ausgebildet sind.