DE102013012674A1

DE102013012674A1 - Filtermodul mit Hohlfasern

Info

Publication number: DE102013012674A1
Application number: DE102013012674.6A
Authority: DE
Inventors: Frank Ehlen; Tobias Wörz; Sabine Gießelmann; Jasmin Jarczak; Marcel Mayer; Steffen Schütz
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05
Also published as: US10065139B2; US20160151728A1; DE112014003500A5; WO2015014841A1

Abstract

Ein Filtermodul weist Hohlfasern auf, die zu Faserbündeln mit stirnseitigen Pottungen zusammengefasst sind. Die Pottungen der Faserbündel sind in einer gemeinsamen Stirnscheibe aufgenommen.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Filtermodul mit Hohlfasern, welche zwischen zwei Pottungen eingespannt sind, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Stand der Technik
Bekannt sind Filtermodule mit keramischen Hohlfasern, die parallel zueinander verlaufen und stirnseitig in scheibenförmigen Pottungen eingefasst sind, welche ebenfalls aus einem Keramikmaterial gefertigt sein können ( DE 10 2005 008 900 A1 ). Die Filtereinheit mit den Hohlfasern und den Pottungen ist in ein zylindrisches Gehäuse eingesetzt, wobei die Pottungen den stirnseitigen Abschluss bilden.
Bei der Filtration werden die Hohlfasern 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.
Derartige Filtermodule werden beispielsweise auch in der WO 12/004304 A2 oder EP 1 691 914 B1 beschrieben.
Darüber hinaus sind Filtermodule mit Hohlfasern bekannt, die zu Faserbündeln zusammengefasst sind, wobei im Filtermodul eine Mehrzahl derartiger Faserbündel angeordnet und die Stirnseiten sämtlicher Faserbündel in einer stirnseitigen Pottung aufgenommen sind. Ein derartiges Filtermodul wird beispielsweise in der US 2001/035374 A1 beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Filtermodul mit Hohlfasern in einfacher Weise stabil und montagefreundlich auszubilden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das erfindungsgemäße Filtermodul weist ein Filtergehäuse und eine in das Filtergehäuse eingesetzte Filtereinheit auf, die mehrere, zu Faserbündeln zusammengefasste Hohlfasern umfasst. Jedes Faserbündel besteht aus einer Mehrzahl einzelner, zueinander parallel verlaufender Hohlfasern, die an den Stirnseiten von Pottungen eingefasst sind. Jedem Faserbündel sind Hohlfasern mit stirnseitigen Pottungen zugeordnet. Die Filtereinheit umfasst mindestens zwei, vorzugsweise eine größere Anzahl an Faserbündeln mit stirnseitigen Pottungen. Die Pottungen sämtlicher Faserbündel sind an der Stirnseite in einer gemeinsamen Stirnscheibe aufgenommen, welche gehäusefest angeordnet und mit dem Filtergehäuse verbunden ist.
Im Unterschied zu Ausführungen aus dem Stand der Technik ist jedes Faserbündel mit einer Mehrzahl von Hohlfasern an beiden Stirnseiten mit je einer Pottung versehen, wobei die Pottungen unterschiedlicher Faserbündel vollständig unabhängig und separat voneinander ausgebildet sind. Man erhält auf diese Weise an den Stirnseiten der Filtereinheit eine Mehrzahl von Pottungen, die in einer gemeinsamen Stirnscheibe aufgenommen und gehalten sind.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Faserbündel unabhängig voneinander herstellbar und in die Filtereinheit des Filtermoduls integrierbar sind. Dies ermöglicht es, einzelne Faserbündel gegebenenfalls auszutauschen, insbesondere im Fall schadhafter einzelner Hohlfasern in einem Faserbündel. Es ist dagegen nicht erforderlich, die gesamte Filtereinheit mit sämtlichen Faserbündeln und Hohlfasern auszutauschen.
Vorteilhaft ist es außerdem, dass jedes Faserbündel nur eine bezogen auf die Gesamtanzahl geringere Hohlfaseranzahl enthält. Insbesondere bei der Herstellung und Montage treten in den Faserbündeln geringere Haltekräfte auf, wodurch die Gefahr eines Faserbruchs oder Faserquetschung reduziert ist.
Möglich ist des Weiteren die Austauschbarkeit von bestehenden Filtereinheiten in Filtermodulen mit Hohlfasern durch die erfindungsgemäße Filtereinheit mit mehreren Faserbündeln, welche jeweils stirnseitig mit einer Pottung versehen sind.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist die Stirnscheibe, in der die Pottungen der Faserbündel gehalten sind, als Lochscheibe ausgeführt und weist Ausnehmungen zur Aufnahme der Pottungen auf. Dies hat den Vorteil, dass die Pottungen der Faserbündel in Radialrichtung formschlüssig in der Stirn- bzw. Lochscheibe aufgenommen sind und eine genau definierte Relativposition zwischen den Faserbündeln bzw. Pottungen eingehalten werden kann. Sowohl das axiale Einsetzen der Pottungen in die Ausnehmungen der Lochscheibe als auch das Entnehmen kann in einfacher Weise durchgeführt werden.
Die Pottungen eines Faserbündels sind im Bereich der Stirnscheibe, gemäß weiterer zweckmäßiger Ausführung, von einem Dichtring eingefasst, um die Roh- von der Reinseite zu separieren. Jeder Pottung ist ein Dichtring zugeordnet. Im Falle einer Ausführung der Stirnscheibe als Lochscheibe kann es vorteilhaft sein, zwei Lochscheiben unmittelbar parallel zueinander anzuordnen und die Dichtringe zur Einfassung der Pottungen zwischen den Lochscheiben einzuklemmen. Dies kann zum Beispiel in der Weise erfolgen, dass eine oder beide Lochscheiben im Bereich der Aufnahme des Dichtrings eine Schräge aufweisen, wodurch ein Dichtsitz zur Aufnahme des Dichtrings gebildet ist. Werden die Lochscheiben miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschrauben, wird der zwischenliegende Dichtring axial festgeklemmt und durch die Schräge radial nach innen in Richtung der Ausnehmung in den Lochscheiben gedrückt, so dass der Dichtring mit radialer Anpresskraft an der Wandung der Pottung zur Anlage kommt. Hierdurch ist die Dichtigkeit verbessert.
Vorteilhafterweise ist jedes Faserbündel im Bereich seiner beiden gegenüberliegenden Stirnseiten mit jeweils einer Pottung versehen. Die Pottungen an gegenüberliegenden Seiten sind jeweils an einer Stirnscheibe aufgenommen, welche gegebenenfalls als Lochscheibe ausgeführt ist. Jede Stirnseite kann, wie vorbeschrieben, zwei unmittelbar aneinander liegende und miteinander zu verbindende Lochscheiben mit zwischenliegenden Dichtringen zum Einfassen der Pottungen aufweisen.
Die Hohlfasern können aus Keramik gefertigt sein. Auch die Pottungen können aus einem Keramikmaterial bestehen. Die Hohlfasern können, in einer alternativen Ausführung, beispielsweise als Polymer-Hohlfasern ausgebildet sein.
Für die Pottungen und die Faserbündel kommen verschiedene Querschnittsgeometrien in Betracht. In einer einfachen Ausführung weist die Pottung einen runden Querschnitt auf und sind die Hohlfasern entsprechend im Faserbündel gleichmäßig über den runden Querschnitt verteilt angeordnet. In Betracht kommen aber auch andere Querschnittsgeometrien, beispielsweise rechteckige, insbesondere quadratische Formen von Pottungen und eine entsprechende Verteilung der Hohlfasern sowie sektorförmige oder segmentförmige Geometrien oder sonstige, eckige, gekrümmte oder Kombinationen von eckigen und gekrümmten Geometrien. Des Weiteren ist es möglich, in der Filtereinheit entweder nur gleichartige Querschnittsgeometrien vorzusehen, die alle die gleiche Größe oder auch unterschiedliche Größen haben, oder unterschiedliche Querschnittsgeometrien.
Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, einen runden Gesamtquerschnitt der Filtereinheit und innerhalb der Filtereinheit eine Vielzahl einzelner Faserbündel vorzusehen, die jeweils eine runde Querschnittsgeometrie aufweisen, wobei innerhalb der Filtereinheit sowohl Faserbündel und Pottungen mit gleichem Durchmesser als auch mit unterschiedlichem Durchmesser vorhanden sein können. Zum Beispiel können zwei oder drei runde Querschnittsgeometrien mit unterschiedlichem Durchmesser angeordnet sein, wobei die kleineren Faserbündelquerschnitte die zwischenliegenden Lücken zwischen den größeren ausfüllen.
Bei einem ebenfalls runden Gesamtquerschnitt der Filtereinheit können die einzelnen Faserbündel und ihre Pottungen beispielhaft eine sektorförmige Querschnittsgeometrie aufweisen nach Art eines Tortenstücks, wobei sich innerhalb der Filtereinheit über den Umfang verteilt eine Mehrzahl derartiger sektorförmiger Faserbündel erstreckt. Jeder Sektor verläuft in Radialrichtung annähernd vom Mittelpunkt der Filtereinheit bis zum radial außen liegenden Rand. In einer alternativen Ausführung sind die Sektoren radial in mindestens zwei Segmente unterteilt, was den Vorteil hat, dass pro Segment eine geringere Anzahl an Hohlfasern vorgesehen ist, jedoch die Gesamtanzahl der Hohlfasern nicht oder nur unwesentlich reduziert ist.
Vorteilhafterweise werden Hohlfasern gleichen Durchmessers in den verschiedenen Faserbündeln eingesetzt. Jedoch ist es auch möglich, Hohlfasern mit unterschiedlichem Durchmesser zu verwenden. Pro Faserbündel sind jedoch bevorzugt immer gleiche Hohlfasern vorgesehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
1 einen Schnitt längs durch ein Filtermodul mit Hohlfasern, die zu Faserbündeln mit Pottungen an den Stirnseiten zusammengefasst sind, wobei die Pottungen in stirnseitigen Lochscheiben aufgenommen sind,
2 einen Schnitt quer zur Längsachse durch eine Filtereinheit im Bereich einer stirnseitigen Lochscheibe, wobei die Faserbündel eine runde Querschnittsgeometrie aufweisen,
3 eine 2 entsprechende Darstellung, jedoch mit Faserbündeln und Pottungen mit unterschiedlich großem Durchmesser,
4 ein Ausführungsbeispiel mit quadratischen Pottungen und Faserbündel-Querschnittsgeometrien,
5 ein Ausführungsbeispiel mit sektorförmigen Pottungen und Faserbündel-Querschnittsgeometrien,
6 ein Ausführungsbeispiel mit segmentförmigen Pottungen und Faserbündel-Querschnittsgeometrien.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist im Längsschnitt ein zylindrisches Filtermodul 1 zur Filtration gasförmiger oder flüssiger Fluide dargestellt. Das Filtermodul 1 weist eine Filtereinheit 2 auf, die mehrere Faserbündel 3 umfasst, welche jeweils Keramik-Hohlfasern 4 mit stirnseitigen Pottungen 5 aufweisen. Das Filtermodul 1 und die darin aufgenommene Filtereinheit 2 sind symmetrisch zu einer Spiegelachse 6 ausgeführt, welche sich orthogonal zur Längsachse 7 des Filtermoduls 1 erstreckt. Dementsprechend sind die Hohlfasern 4 eines Faserbündels 3 an beiden Stirnseiten in Pottungen 5 aufgenommen. Die gesamte Filtereinheit 2 mit den Faserbündeln 3 ist in einem Filtergehäuse 8 aufgenommen.
Die Hohlfasern 4 bestehen vorzugsweise aus Keramik, wobei auch eine Ausführung aus einem anderen Material wie zum Beispiel Polymer in Betracht kommt. Die stirnseitigen Pottungen 5 jedes Faserbündels 3 können ebenfalls aus einem Keramikmaterial hergestellt sein. Die Hohlfasern 4 schließen stirnseitig mit den Pottungen 5 ab, so dass eine axiale Anströmung und Abströmung von Fluid über die Stirnseiten der Pottungen 5 in die Hohlfasern 4 hinein bzw. aus diesen heraus möglich ist.
Jedes Faserbündel 3 ist unabhängig von den weiteren Faserbündeln ausgeführt und umfasst neben den Hohlfasern 4 jeweils eine Pottung an jeder Stirnseite. Die Pottungen 5 unterschiedlicher Faserbündel sind separat und unabhängig voneinander ausgebildet und in stirnseitigen Lochscheiben 9, 10 aufgenommen, in die Ausnehmungen eingebracht sind, welche den Pottungen 5 entsprechen. Die Pottungen 5 sind in die Ausnehmungen in den Lochscheiben 9, 10 eingesetzt und in diesen in Radialrichtung – bezogen auf die Längsachse 7 – formschlüssig gehalten.
Zwischen den Lochscheiben 9, 10 sind Dichtringe 11 aufgenommen, welche an der Umfangsseite der Pottungen 5 anliegen und für einen strömungsdichten Abschluss zwischen dem Innenraum 12 der Filtereinheit 2 und dem den Stirnseiten vorgelagerten Raum bilden. Die Lochscheibe 10 ist zur Aufnahme der Dichtringe 11 mit einer Schräge 13 versehen, die Lochscheiben 9, 10 werden über Verbindungsschrauben 14 aneinander gehalten, wobei mit zunehmendem Anpressdruck zwischen den Lochscheiben 9, 10 der Dichtring 11 durch die Schräge 13 axial zusammengedrückt und radial gegen die Umfangsseite der Pottung 5 gedrückt wird. Auf diese Weise ist eine radiale Anpresskraft des Dichtrings 11 an die Pottung 5 und eine hohe Dichtigkeit gewährleistet.
In den 2 bis 6 sind verschiedene Ausführungsbeispiele von Filtermodulen 1 mit Faserbündeln 3 in unterschiedlicher Querschnittsgeometrie dargestellt. Gemäß 2 weist das Filtergehäuse 8 einen zylindrischen Querschnitt auf, die Faserbündel 3 der Filtereinheit 2, welche im Filtergehäuse 8 aufgenommen ist, besitzen eine runde Querschnittsgeometrie. Dementsprechend sind die Pottungen 5 an den Stirnseiten der Hohlfasern 4 rund ausgeführt und sind die Faserbündel 3 zumindest annähernd gleichmäßig entlang der runden Querschnittsgeometrie verteilt angeordnet. Die Faserbündel 3 mit den Pottungen 5 weisen innerhalb der Filtereinheit 2 alle den gleichen Durchmesser auf. Die Pottungen 5 sind in den Lochscheiben 9, 10 aufgenommen. Bezogen auf den Gesamtdurchmesser des Filtermoduls 1 sind die Faserbündel 3 gleichmäßig verteilt angeordnet.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 besitzen die Faserbündel 3 mit den Pottungen 5 ebenfalls eine runde Querschnittsgeometrie, allerdings sind Querschnittsgeometrien mit unterschiedlichem Durchmesser vorgesehen. Insgesamt weisen die Faserbündel 3 drei unterschiedliche Durchmesser auf, die sich signifikant voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht es, die Lücken zwischen den Faserbündeln mit größerem Durchmesser mit denjenigen kleineren Durchmessers aufzufüllen.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 weist das Filtermodul 1 einen quadratischen Gesamtquerschnitt auf. Auch die Faserbündel 3 mit den Pottungen 5 sind jeweils quadratisch ausgeführt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind die Faserbündel 3 und die Pottungen 5 sektorförmig ausgebildet und erstrecken sich von der zentralen Längsachse ausgehend radial nach außen. Zwischen den einzelnen sektorförmigen Faserbündeln 3 liegen Zwischenräume, so dass im Inneren der Filtereinheit 2 ein ausreichend großer Innenraum zur Aufnahme von Permeat gebildet ist, welches radial durch die Wandungen der Hohlfasern hindurchtritt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 6 sind die Faserbündel 3 segmentförmig ausgebildet, wobei sich in Radialrichtung drei einzelne Segmente zu einem Sektor zusammensetzen, jedoch die einzelnen Segmente unabhängig voneinander ausgebildet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005008900 A1 [0002]
WO 12/004304 A2 [0004]
EP 1691914 B1 [0004]
US 2001/035374 A1 [0005]

Claims

Filtermodul mit einer in ein Filtergehäuse (7) eingesetzten Filtereinheit (2), die mehrere Hohlfasern (3) umfasst, welche zwischen zwei Pottungen (4) eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Hohlfasern (3) zu einem Faserbündel mit Pottungen (5) an den Stirnseiten der Hohlfasern (3) zusammengefasst sind, wobei das Filtermodul (1) mindestens zwei Faserbündel (3) aufweist und die an der gleichen Stirnseite liegenden Pottungen (5) der verschiedenen Faserbündel (3) in einer gemeinsamen Stirnscheibe aufgenommen sind.
Filtermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnscheibe als Lochscheibe (9, 10) ausgeführt ist und Ausnehmungen zur Aufnahme der Pottungen (5) aufweist.
Filtermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pottungen (5) eines Faserbündels (3) an der Stirnscheibe von einem Dichtring (11) eingefasst sind.
Filtermodul nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Stirnseite zwei Lochscheiben (9, 10) aneinander liegen und der Dichtring (11) zwischen den Lochscheiben (9, 10) eingeklemmt ist.
Filtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pottungen (5) mindestens eines Faserbündels (3) eine runde Querschnittsgeometrie aufweisen und das Faserbündel (3) in einer entsprechenden Querschnittsgeometrie angeordnet ist.
Filtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pottungen (5) mindestens eines Faserbündels (3) eine rechteckige Querschnittsgeometrie aufweisen, insbesondere eine quadratische Querschnittsgeometrie, und das Faserbündel (3) in einer entsprechenden Querschnittsgeometrie angeordnet ist.
Filtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pottungen (5) mindestens eines Faserbündels (3) eine sektorförmige Querschnittsgeometrie aufweisen und das Faserbündel (3) in einer entsprechenden Querschnittsgeometrie angeordnet ist.
Filtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Pottungen (5) mindestens eines Faserbündels (3) eine segmentförmige Querschnittsgeometrie aufweisen und das Faserbündel (3) in einer entsprechenden. Querschnittsgeometrie angeordnet ist.
Filtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Pottungen (5) bzw. Faserbündel (3) verschiedener Querschnittsgrößen und/oder Querschnittsgeometrien im Filtermodul (1) vorgesehen sind.
Filtermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern (4) aus Keramik oder Polymer bestehen.