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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf ein keramisches Filtermodul nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2005 008 900 A1 ist ein keramisches Filtermodul bekannt, das als Filterelement mehrere parallel verlaufende Keramik-Hohlfasern aufweist, welche im Bereich ihrer Stirnseite in scheibenförmigen Pottungen eingefasst sind. Die Hohlfasern einschließlich der Pottungen befinden sich in einem zylindrischen Gehäuse, das ebenso wie die Hohlfasern und die Pottungen aus einem Keramikmaterial gefertigt ist. Die Hohlfasern werden in Längsrichtung von dem zu reinigenden Fluid durchströmt, wobei die auszufiltrierende Substanz (Feed) im Fluid durch die porösen Wandungen der Hohlfasern hindurchtreten kann und sich gereinigtes Permeat im Gehäuseinnenraum ansammelt, aus dem die Substanz ausgeleitet wird. Das gereinigte Fluid wird anschließend an der axial gegenüberliegenden Seite aus den Hohlfasern abgeleitet.
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Aufgrund der Ausführung des Filtermoduls aus Keramikmaterial ist eine Anwendung auf Heißfluide möglich.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Filtermodul mit einfachen konstruktiven Maßnahmen so auszubilden, dass auch bei der Filtration heißer Fluide die Außentemperatur des Filtermoduls abgesenkt ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Das erfindungsgemäße Filtermodul weist mindestens ein Filterelement aus einem Keramikmaterial auf, das zwischen zwei Pottungen bzw. Potts eingespannt ist, welche sich im Bereich der gegenüberliegenden Stirnseiten des Keramik-Filterelementes befinden. Das Filterelement ist von einem ersten, inneren Filtergehäuse (erster Mantel) umgriffen, wobei der Gehäuseinnenraum mit dem darin aufgenommenen Filterelement zweckmäßigerweise strömungsdicht von der Gehäuseaußenseite separiert ist.
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Zusätzlich zum inneren Filtergehäuse ist ein äußeres Filtergehäuse (zweiter Mantel) vorgesehen, welches das innere Filtergehäuse umgreift. Diese Ausführung bietet den Vorteil, dass das innere Filtergehäuse sich verhältnismäßig stark erwärmen kann, wohingegen das äußere Filtergehäuse eine gegenüber dem inneren Filtergehäuse signifikant niedrigere Temperatur aufweist. Dies erlaubt beispielsweise den Einbau des Filtermoduls in einer wärmeempfindlichen Umgebung. Auch ist die Sicherheit gegen Verletzungen erhöht, wenn beispielsweise das Filtermodul für Wartungszwecke gewechselt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das innere Filtergehäuse ebenfalls aus einem Keramikmaterial gefertigt ist. Das innere Filtergehäuse ist somit wärmeresistent und eignet sich für die Filtration verhältnismäßig heißer Fluide, bei denen es sich sowohl um flüssige als auch um gasförmige Medien handeln kann. Das äußere Filtergehäuse kann gegebenenfalls auch aus einem Keramikmaterial bestehen, wenngleich auch andere Materialien ohne Keramikanteil in Betracht kommen. Da das äußere Filtergehäuse nicht unmittelbar in Kontakt mit dem zu reinigenden Fluid gelangt, ist auch die thermische Belastung des Materials des äußeren Filtergehäuses geringer. Das äußere Filtergehäuse kann gegebenenfalls auch aus Metall oder einem Kunststoffmaterial bestehen.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung bestehen auch die Potts bzw. Pottungen, in denen das Keramik-Filterelement stirnseitig eingespannt ist, aus einem Keramikmaterial. Zweckmäßigerweise sind somit sowohl das Filterelement als auch die Pottungen und das innere Filtergehäuse aus einem Keramikmaterial gefertigt.
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Als Keramikmaterial, insbesondere für das Keramik-Filterelement, kommen sowohl Nichtoxidkeramiken wie z. B. Siliziumcarbit als auch Oxidkeramiken wie zum Beispiel Aluminiumtitanat oder Aluminiumoxid in Betracht. Die Bauelemente des Filtermoduls, welche aus Keramik bestehen, werden zweckmäßigerweise im Sinterverfahren hergestellt. Das Filterelement wird beispielsweise bei einer Sintertemperatur zwischen 1300°C und 1500°C hergestellt. Soweit auch das innere Filtergehäuse und die Pottungen aus Keramikmaterial bestehen, können diese gegebenenfalls im Sinterverfahren bei anderen Temperaturen als das Filterelement hergestellt werden. Grundsätzlich sind aber auch gleiche Sintertemperaturen möglich.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, dass das äußere Filtergehäuse auf Abstand zum inneren Filtergehäuse liegt, so dass ein Zwischenraum zwischen der Mantelfläche des inneren Filtergehäuses und der Innenseite des äußeren Filtergehäuses vorhanden ist. Der Zwischenraum dient insbesondere als Wärmepuffer, was einen höheren Temperaturgradienten zwischen innerem und äußerem Filtergehäuse begünstigt und die Temperatur des äußeren Filtergehäuses im Vergleich zum inneren Filtergehäuse weiter absenkt.
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Zum Abkühlen der inneren Flüssigkeit kann man ggf. durch den äußeren Mantel Mittel zur Kühlung hindurch leiten.
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Als Keramik-Filterelement werden vorzugsweise Keramik-Hohlfasern eingesetzt, insbesondere eine Mehrzahl geradlinig ausgebildeter und parallel zueinander verlaufender Hohlfasern, die jeweils in den stirnseitig angeordneten Pottungen eingespannt sind. Möglich ist es aber auch, eine oder mehrere wendelförmig verlaufende Keramik-Hohlfasern einzusetzen, die ebenfalls in die stirnseitig am Filtermodul angeordneten Pottungen eingespannt sind. Auch die Pottungen können aus einem Keramikmaterial bestehen. Des Weiteren sind wellenförmige, flache, parallel verlaufende Keramik-Hohlfasern möglich, die in die Pottungen eingespannt sind.
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An der Außenseite der Pottungen befinden sich vorteilhafterweise Anschlusseinrichtungen für das Fluid, über die das Fluid zu- bzw. abgeleitet wird. Bei einer Ausführung des Filterelementes als Hohlfaser wird das Fluid über die Anschlusseinrichtungen in die Hohlfasern eingeführt bzw. aus dieser abgeleitet. Die Filtration erfolgt beispielsweise dadurch, dass durch die poröse Wandung der Keramik-Hohlfaser die auszufiltrierende Substanz hindurchtritt, die sich im Gehäuseinnenraum des inneren Filtergehäuses ansammelt, aus dem das das gereinigte Filtrat (Permeat) über geeignete Anschlüsse abgeleitet wird. Das in die Hohlfasern eingeleitete, ungereinigte Fluid wird als Feed bezeichnet, das aus der Hohlfaser abgeleitete Medium als Retentat bzw. Konzentrat. Auch die Anschlusseinrichtungen können gegebenenfalls aus einem Keramikmaterial gefertigt sein.
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Grundsätzlich kommen zwei Filtrationsarten in Betracht, nämlich eine so genannte In/-Out-Filtration oder eine Out/In-Filtration. Bei der In/Out-Filtration wird das ungefilterte Fluid wie z. B. ungereinigtes Wasser über die Anschlusseinrichtung in das Innere der Hohlfasern geleitet und tritt dort radial über die Wandung der Hohlfasern nach außen, wodurch die Filtration bewirkt wird. Das Filtrat (Permeat) wird im inneren Filtergehäuse aufgefangen und über Anschlüsse bzw. Ausgänge nach außen geleitet.
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Bei der Out/In-Filtration wird das Feed bzw. unfiltrierte Fluid wie z. B. ungereinigtes Wasser über die Anschlusseinrichtung in den Innenraum des inneren Filtergehäuses geleitet und tritt radial durch die Wandung der Hohlfasern in das Innere der Hohlfasern ein, wodurch die Filtration bewirkt wird. Das gereinigte Fluid wird axial über das Innere der Hohlfasern abgeleitet, insbesondere bis zur Pottung, und dort über die Anschlusseinrichtung nach außen geführt. Das unfiltrierte Feed (Retentat) wird zwischen innerem und äußerem Gehäuse in den Kreislauf zurückgeführt.
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Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, einen zusätzlichen Schutzmantel vorzusehen, welcher das äußere Filtergehäuse umschließt und ggf. auch aus einem Keramikmaterial oder einem sonstigen, temperaturbeständigen Material besteht. Das innere Filtergehäuse stellt das Gehäuse des inneren Moduls dar, welchem die Pottungen sowie die Keramik-Hohlfasern zugeordnet sind. Das äußere Filtergehäuse entspricht dem ersten Mantel, der das innere Filtergehäuse umschließt. Der Schutzmantel entspricht dem zweiten Mantel, der um das äußere Filtergehäuse gelegt ist.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung werden die Hohlfasern vor dem Potten in das Modul im Bereich der Faserenden von Epoxidharzen verschlossen. Durch diese Verödungsprozedur wird sichergestellt, dass beim Potten kein Material der Pottung in die Hohlfasern eindringen kann. Die Verödungsschicht der Keramik-Hohlfasern kann ebenso wie weitere Bauteile des Filtermoduls aus Keramikmaterial gefertigt sein. Die Verödungsschicht bildet nach der Pottung die äußere, stirnseitige Schicht der Faserenden und kann, beispielsweise auf mechanische Weise, ganz oder teilweise abgetragen werden, wodurch die verödeten Stirnseiten der Hohlfasern abgeschnitten werden. Dadurch werden die Hohlfasern wieder geöffnet.
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Möglich ist es aber auch, dass das zum Veröden eingesetzte Material während des nachfolgenden Sinterprozesses verbrennt, wodurch ebenfalls die Stirnseiten der Hohlfasern wieder geöffnet werden.
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Das äußere Filtergehäuse bzw. der Schutzmantel können über Modulhalterungen, welche zweckmäßigerweise ebenfalls aus Keramik oder sonstigen temperaturbeständigen Materialien bestehen, am inneren Filtergehäuse bzw. den Pottungen abgestützt sein.
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Das innere Filtergehäuse erstreckt sich in Achsrichtung vorteilhafterweise zwischen den beiden Pottungen, wohingegen das äußere Filtergehäuse zweckmäßigerweise die Pottungen axial umgreift. Möglich ist aber auch eine Ausführung des inneren Filtergehäuses, bei dem dieses die Pottungen ebenfalls ganz oder teilweise axial umgreift.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 ein keramisches Filtermodul mit mehreren geradlinigen Keramik-Hohlfasern, die stirnseitig in Pottungen eingespannt sind, mit einem inneren und einem äußeren Filtergehäuse (Mantel),
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2 ein ähnliches Ausführungsbeispiel wie 1, jedoch mit zusätzlichen stirnseitigen Anschlusseinrichtungen für die Zu- und Ableitung des zu reinigenden Fluids sowie mit einem zusätzlichen zweiten Filtergehäuse bzw. Schutzmantel,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Keramik-Hohlfasern radial von außen nach innen angeströmt werden.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist ein keramisches, zylindrisches Filtermodul 1 zur Filtration gasförmiger oder flüssiger Fluide dargestellt. Das Filtermodul 1 umfasst mehrere keramische Hohlfasern 2, die geradlinig und parallel zueinander angeordnet sind und im Bereich gegenüberliegender Stirnseiten in Pottungen 3, 4 fest eingespannt sind. Die Keramik-Hohlfasern 2 können auch wellenförmig ausgebildet sein. Die Hohlfasern 2 erstrecken sich bis zur jeweiligen Außenseite jeder Pottung 3, 4 und werden axial von dem zu reinigenden Fluid durchströmt. Das ungereinigte Fluid (Feed) wird axial über eine Stirnseite in die Hohlfasern 2 eingeführt, wobei die auszufiltrierende Substanz im Fluid durch die porösen Wandungen der Keramik-Hohlfasern 2 hindurchtritt, wodurch man das Permeat erhält. Das in den Hohlfasern verbleibende Fluid wird auf der gegenüberliegenden Stirnseite als Retentat bzw. Konzentrat axial wieder aus dem Filtermodul 1 abgeleitet bzw. kann wieder in den Reinigungskreislauf zurückgeführt werden. Diese Filtration wird als in/out bezeichnet.
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Das Filtermodul 1 weist ein inneres Filtergehäuse 5 und ein äußeres Filtergehäuse 6 auf, das einen Mantel bildet Das innere Filtergehäuse 5 erstreckt sich zwischen den Pottungen 3, 4 und umschließt bzw. umgreift die Hohlfasern 2. Das innere Filtergehäuse 5 ist strömungsdicht an der jeweils innen liegenden Stirnfläche mit den Pottungen 3, 4 verbunden und schließt somit einen Gehäuseinnenraum ein, durch den die Hohlfasern 2 geführt sind. In diesen Innenraum tritt bei der Filtration das Permeat ein, welches über Anschlüsse aus dem Filtergehäuse abgeleitet werden kann.
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Sowohl die Pottungen 3, 4 als auch das innere Filtergehäuse 5 bestehen aus einem Keramikmaterial.
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Des Weiteren ist ein äußeres Filtergehäuse 6 vorgesehen, welches einen größeren Durchmesser als das innere Filtergehäuse 5 aufweist, so dass das äußere Filtergehäuse 6 radial auf Abstand zum inneren Filtergehäuse 5 liegt und einen zwischenliegenden Ringraum umschließt. Das äußere Filtergehäuse 6 erstreckt sich axial über die gesamte Länge des Filtermoduls einschließlich der Pottungen 3, 4, wohingegen das innere Filtergehäuse 5 lediglich die Distanz zwischen den Pottungen 3, 4 axial überbrückt. Es kann zweckmäßig sein, das zylindrische innere Filtergehäuse 5 mit dem gleichen Außendurchmesser wie die scheibenförmigen Pottungen 3, 4 zu versehen. Das äußere Filtergehäuse 6 weist demgegenüber einen größeren Durchmesser auf. Die axiale Länge des äußeren Filtergehäuses 6 entspricht dem Abstand zwischen den Außenflächen der Pottungen 3, 4. Das innere Filtergehäuse 5 ist strömungsdicht gegenüber dem äußeren Filtergehäuse 6 abgedichtet.
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Das äußere Filtergehäuse 6 kann gegebenenfalls auch aus einem Keramikmaterial gefertigt sein. Aufgrund des Abstandes zum inneren Filtergehäuse 5 kommt grundsätzlich aber auch ein anderes Material für das äußere Filtergehäuse 6 in Betracht, beispielsweise ein Metall oder ein Kunststoffmaterial.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist ebenfalls ein zylindrisches, keramisches Filtermodul 1 dargestellt, welches eine Mehrzahl paralleler und in Achsrichtung geradlinig verlaufender Keramik-Hohlfasern 2 aufweist, die stirnseitig in gegenüberliegenden Pottungen 3, 4 aufgenommen sind. Auch die Pottungen 3, 4 sowie ein inneres Filtergehäuse 5 bestehen aus einem Keramikmaterial. Zusätzlich ist ein äußeres Filtergehäuse 6 vorgesehen, welches das innere Filtergehäuse 5 umgreift. Die Keramik-Hohlfasern 2 können ggf. auch wellenförmig ausgebildet sein.
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Des Weiteren sind axiale Anschlusseinrichtungen 7, 8 vorgesehen, über die die Zufuhr bzw. Ableitung des Fluids in die bzw. aus den Hohlfasern 2 erfolgt. Auch die Anschlusseinrichtungen 7, 8 bestehen aus einem resistenten Material, insbesondere aus Keramik.
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Wie 2 des Weiteren zu entnehmen, kann es zweckmäßig sein, dass ein äußeres Filtergehäuse 6 (erster Mantel) axial sich bis über die Pottungen 3, 4 erstreckt und somit diese vollständig umschließt. Des Weiteren ist ein Schutzmantel 9 (zweiter Mantel) vorgesehen, der den ersten Mantel 6 umschließt.
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In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Keramik-Hohlfasern radial von außen nach innen (out/in) angeströmt werden. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist das Filtermodul 1 geradlinige Keramik-Hohlfasern 2 auf, die in Keramik-Pottungen 3, 4 eingespannt sind. An den Pottungen befinden sich jeweils Anschlusseinrichtungen 7, 8 für die Zu- und Ableitung von Fluid. Zwischen den Pottungen 3, 4 erstreckt sich ein inneres Filtergehäuse 5, das von einem äußeren Filtergehäuse 6, das einen größeren Durchmesser aufweist und einen ersten Mantel bildet, umschlossen ist. Das äußere Filtergehäuse 6 schließt axial die Pottungen 3, 4 ein und erstreckt sich bis zu den Anschlusseinrichtungen 7, 8.
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Des Weiteren ist ein Schutzmantel 9 (zweiter Mantel) vorgesehen, der als Schutz gegen heißt oder aggressive Medien dient und das äußere Filtergehäuse einschließlich der Anschlusseinrichtungen 7, 8 umgreift; der Schutzmantel 9 weist einen größeren Durchmesser auf als das äußere Filtergehäuse 6. Der Schutzmantel 9 kann ebenfalls aus Keramik oder einem sonstigen temperaturbeständigen Material gefertigt sein.
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Die Durchströmung des Filtermoduls 1 erfolgt gemäß einer Out/In-Filtration, bei der die Keramik-Hohlfasern 2 radial von außen nach innen angeströmt werden. Das Feed, z. B. verunreinigtes Wasser, wird über die Anschlusseinrichtung 7 zugeführt und in den Innenraum des inneren Filtergehäuses 5 eingeleitet, von wo aus das Feed radial durch die Wandungen der Keramik-Hohlfasern 2 strömt und hierbei filtriert wird. Das Filtrat (Permeat), z. B. das filtrierte Wasser, wird axial über das innere der Hohlfasern 2 über die Anschlusseinrichtung 8 abgeleitet. Das im Innenraum des inneren Filtergehäuses 5 verbleibende Feed (Retentat) wird in den Zwischenraum zwischen innerem und äußerem Filtergehäuse 5, 6 geleitet und dort axial zurückgeführt und wieder in den Kreislauf geleitet, so dass dieses Feed einer erneuten Filtration unterzogen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005008900 A1 [0002]
