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Die vorliegende Erfindung betrifft einen rückspülbaren Rücklauffilter, insbesondere für den Untertagebau sowie ein Verfahren zum Rückspülen eines Rücklauffilters.
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Rücklauffilter werden normalerweise als einfache Filter mit einer verschleißenden Filterpatrone oder einem Filtersack konstruiert. Für die Reinheit des gesamten Systems ist jedoch die Filtration im Rücklauf besonders wichtig. Da vor dem Tank im Rücklauf so gut wie keine Druckdifferenz mehr zur Verfügung steht, ist die Konstruktion eines rückspülbaren Rücklauffilters problematisch. Darüber hinaus fehlt für einen Rückspülvorgang normalerweise das Druckmittel im notwendig großen Volumenstrom bei jedoch vergleichsweise geringem Druck.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen für den Untertagebau geeigneten Rücklauffilter zu schaffen, der mit den vor Ort vorhandenen Mitteln ein effizientes Rückspülen ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass der Rücklauffilter einen Einlass, einen Auslass und einen dazwischen angeordneten Filter aufweist, der im normalen Filterbetrieb von Fluid, beispielsweise Wasser, in Strömungsrichtung durchströmt wird. Erfindungsgemäß ist im Bereich des Auslasses zumindest eine in Gegenstromrichtung, d.h. entgegen der Strömungsrichtung im Filterbetrieb, von Fluid durchströmbare Rückspüldüse angeordnet.
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Durch das Vorsehen einer separaten Rückspüldüse im Bereich des Auslasses kann der Rücklauffilter rückgespült werden, so dass im Vergleich zu den bekannten Rücklauffiltern wesentlich kleinere Filterelemente möglich sind, da diese während des Betriebs gereinigt werden können. Gleichzeitig kann die gesamte Anlage über längere Zeit ohne Wartung betrieben werden, da kein regelmäßiger manueller Austausch der Filterelemente erforderlich ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnungen sowie der Unteransprüche beschrieben.
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Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann die Rückspüldüse derart ausgebildet sein, dass sie im Filterbetrieb in Strömungsrichtung von Fluid umströmbar ist. Durch einen solche Bauweise ist im Bereich um die Rückspüldüse herum eine Verbindung zum Auslass geschaffen, so dass bei Druckbeaufschlagung der Rückspüldüse ein aus dieser austretender Druckstrahl weiteres Fluid ansaugen kann, das durch den Auslass in Richtung des Einlasses bzw. des Filters nachströmt.
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Da ein Rücklauffilter unter Tage üblicherweise in räumlicher Nähe zu einer Pumpenstation angeordnet ist, kann die Rückspüldüse mit hohem Versorgungsdruck (üblicherweise etwa 350 bar) beaufschlagt werden, wobei jedoch nur ein geringer Volumenanteil von Fluid durch die Rückspüldüse unter hohem Druck geleitet wird. Durch die Umströmbarkeit der Rückspüldüse kann bei diesem Vorgang Fluid mit einem vergleichsweise hohem Volumenanteil vom Ausgang, der üblicherweise unter einem niedrigen Rücklaufdruck steht, angesaugt werden, so dass das zum Rückspülen erforderlich Fluid ganz überwiegend aus der Rücklaufleitung und nicht aus dem Vorlauf (P) entnommen wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich beim Rückspülen der an der Rückspüldüse anstehende hohe Druck von etwa 350 bar durch das Ansaugen von Fluid aus dem Ausgang auf einen geeigneten Druck von etwa 10 bar reduzieren, d.h. der erfindungsgemäße Rücklauffilter weist einen integrierten Druckwandler auf.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere Rückspüldüsen über den Querschnitt des Auslasses verteilt angeordnet, wodurch der aus dem Auslass angesaugte Volumenstrom erhöht werden kann.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann in Strömungsrichtung vor dem Filter ein Vorfilter vorgesehen sein, der eine Vielzahl von mit Schmutzabweisern versehenen Durchströmungsöffnungen aufweist. Aufgrund der Schmutzabweiser strömt das zu filternde Fluid zwar durch die einzelnen Durchströmungsöffnungen, jedoch wird dieses aufgrund der Schmutzabweiser zu einem S-förmigen Flüssigkeitsstrom abgelenkt. In dem Fluid mitgeführte Schmutzpartikel bewegen sich hierbei aufgrund ihrer Trägheit zunächst in der ursprünglichen Strömungsrichtung weiter und durchströmen deshalb die Durchströmungsöffnungen in dem Vorfilter nicht sondern sinken auf den Boden, da sie meist eine höhere Dichte als die Flüssigkeit besitzen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann in Strömungsrichtung vor dem Filter ein Vorfilter mit zumindest einem Vorfilterelement vorgesehen sein, das im Filterbetrieb einen durchströmten Querschnitt verschließt und das diesen Querschnitt bei Durchströmen in Gegenstromrichtung (d.h. beim Rückspülen) zumindest teilweise freigibt. Ein solches Vorfilterelement kann beispielsweise durch gelenkige Anbindung oder durch ein flexibles bzw. elastisches Filtermaterial gebildet sein, das im Filterbetrieb gegen einen Anschlag gedrückt wird und den durchströmten Querschnitt (bis auf die Durchströmungsöffnungen) verschließt, und das diesen durchströmten Querschnitt bei Durchströmen in Gegenstromrichtung dadurch zumindest teilweise freigibt, dass es sich öffnet oder elastisch verbiegt. Hierdurch können Schmutzpartikel, die sich an der Rückseite des Vorfilterelements angeordnet haben, durchgespült werden und sich von dem Bereich der Rückseite des Vorfilterelements lösen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Rücklauffilter ein Filtergehäuse mit einer Bodenrinne auf, die insbesondere gegenüber der Horizontalen geneigt ist. Auf diese Weise lassen sich absinkende Schmutzpartikel nicht nur sammeln sondern auch aus dem Filtergehäuse ausspülen, indem am Ende bzw. am Fußpunkt der Bodenrinne eine Öffnung mit einem Ventil vorgesehen wird.
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Ein vorteilhaftes Ventil für den Schmutzauslass des erfindungsgemäßen Rücklauffilters kann als Rückschlagventil mit einem Ventilkolben ausgebildet sein, der einen durchströmten Querschnitt mit einer Dichtkante gegenüber einem Dichtring abdichtet, wobei durch einen der Dichtkante entgegen der Durchströmungsrichtung des Ventils vorgelagerten Zapfen gewährleistet ist, dass keine Schmutzpartikel zwischen Dichtring und Dichtkante gelangen. Wenn nämlich der vorgelagerte Zapfen bei einem Schließen des Ventilkolbens den durchströmten Querschnitt verschließt, bevor die Dichtkante auf den Dichtring auftrifft, ist ein Durchströmen von Schmutzpartikeln und ein Eindringen von Schmutzpartikeln in den Bereich des Dichtrings verhindert, da der durchströmte Querschnitt durch den vorgelagerten Zapfen bereits verschlossen ist. Erst anschließend trifft beim Schließen des Ventils die Dichtkante auf den Dichtring auf, so dass bei einem Schließen dieses Rückschlagventils eine Leckageströmung aufgrund von Schmutzpartikeln im Bereich der Dichtung ausgeschlossen ist.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese ein Verfahren zum Rückspülen eines Rücklauffilters, insbesondere nach der zuvor beschriebenen Art, wobei zunächst im Filterbetrieb Fluid in Strömungsrichtung von einem Einlass durch einen Filter zu einem Auslass geleitet wird. Anschließend wird im Rückspülbetrieb in Gegenstromrichtung zumindest eine Rückspüldüse mit Fluid durchströmt, wobei die Rückspüldüse im Bereich des Auslasses angeordnet ist. Erfindungsgemäß wird hierbei ermöglicht, dass durch Druckbeaufschlagen der Rückspüldüse mit Fluid weiteres Fluid durch den Auslass in Gegenstromrichtung in Richtung des Einlasses bzw. des Filters angesaugt wird. Hierdurch ergeben sich die eingangs im Zusammenhang mit dem Rückspülfilter bereits beschriebenen Vorteile.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Volumenanteil des die Rückspüldüse pro Zeiteinheit durchströmenden Fluids geringer und insbesondere wesentlich geringer ist als der Volumenanteil des durch den Auslass angesaugten Fluids, da in diesem Fall der zum Rückspülen erforderliche Volumenstrom aus der Rücklaufleitung und nicht aus der Druckleitung zur Verfügung gestellt werden kann. Bevorzugt beträgt der Anteil des angesaugten Fluidstroms etwa 70 bis 90 % des durch die Rückspüldüse geführten Fluids.
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Nachfolgend wird eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung anhand der Beschreibung und der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen Rückspülfilter;
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2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II von 1;
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3 eine perspektivische Ansicht einer Düsenplatte;
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4 eine perspektivische Ansicht eines Vorfilters;
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5 eine vergrößerte Darstellung der Schmutzabweiser von 4;
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6 das Hydraulikschema des Rückspülfilters;
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7 eine Schnittansicht durch ein Rückschlagventil; und
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8 eine vergrößerte Ansicht des Bereichs VIII aus 7.
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Der in den Figuren dargestellte Rücklauffilter weist ein Filtergehäuse 10 mit einem Filterdeckel 12 auf, das einen Einlass 14 und einen Auslass 16 besitzt. Zwischen dem Einlass 14 und dem Auslass 16 des durchströmbaren Filtergehäuses 10 ist ein Filter 18 angeordnet, der eine Filtermatte aus Metallgeflecht oder aus Kunststoff umfassen kann. Der Filter 18 ist innerhalb des Filtergehäuses so eingesetzt, dass er dieses diagonal durchdringt, wobei sich der Querschnitt vor dem Filter 18 und innerhalb des Filtergehäuses in Strömungsrichtung F zunehmend verringert. Im Filterbetrieb wird der Filter 18 von Fluid durchströmt, das vom Eingang 14 in Strömungsrichtung F zum Ausgang 16 strömt.
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Bei der beschriebenen Ausführungsform sind zwei identische Rücklauffilter der vorstehend und nachstehend beschriebenen Art parallel nebeneinander angeordnet und über Verbindungselemente am Eingang und am Ausgang miteinander verbunden.
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Als Eingangsventil ist am Eingang 14 ein Rückschlagventil 20 vorgesehen, das bei einem Druck deutlich unterhalb von 1 bar, beispielsweise bei etwa 0,2 bar öffnet. Dieses Rückschlagventil 20 verschließt somit den Eingang 14, wenn der Filter rückgespült wird.
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Die Querschnittsansicht von 2 zeigt eine detailliertere Darstellung des Filters 18 und der diesen umgebenden Bauteile. Wie 2 verdeutlicht, ist der flächige Filter 18 auf ein unteres Stützgitter 22 aufgelegt und oberhalb des Filters 18 befindet sich ein weiteres, oberes Stützgitter 24. Hierdurch ist der Filter 18 sowohl im Filterbetrieb wie auch im Rückspülbetrieb sicher gehalten.
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Unterhalb des unteren Stützgitters 22, das mit dem Filtergehäuse 10 verschraubt ist, sind zwei sich über die gesamte Länge des Filters 18 erstreckende Vorfilter 26 und 28 vorgesehen. Jeder Vorfilter besteht beim dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem flexiblen bzw. elastisch biegbaren Blech, das entlang seiner äußeren Längskante an dem Filtergehäuse 10 befestigt ist. Beide Bleche sind im Querschnitt gewölbt ausgebildet und liegen mit ihrer inneren Kante an einem Mittelsteg 30 an, sind jedoch nicht starr mit diesem verbunden. Somit ergibt sich zwischen den Vorfiltern 26 und 28 und dem Filter 18 ein Filterraum 32, der von den Vorfiltern 26 und 28 im Querschnitt konvex begrenzt wird.
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Eine perspektivische Ansicht der Einheit aus oberem Stützgitter 24, Filter 18, unterem Stützgitter 22 und Vorfilter 28 (der Vorfilter 26 ist in 4 nicht erkennbar) ist in 4 dargestellt.
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Wie eine Zusammenschau der 1 und 2 verdeutlicht, kann im Rückspülbetrieb Fluid in Gegenstromrichtung B den Filter 18 und auch die Vorfilter 26 und 28 durchströmen. Oberhalb eines vorbestimmten Strömungsdrucks werden hierbei die beiden Vorfilter 26 und 28 vom Strömungsdruck geöffnet und geben den durchströmten Querschnitt teilweise frei. Hierbei entfernen sich die unteren Ränder der Vorfilter 26 und 28 von dem Mittelsteg 30, so dass Schmutzpartikel, die sich im Vorfilterraum 32 angesammelt haben, nach unten in Richtung des Bodens des im Querschnitt V-förmigen Filtergehäuses 10 absinken. Nach Beendigung des Rückspülvorgangs schließen sich die beiden Vorfilter 26 und 28 selbsttätig.
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Wie die 1 und 2 ferner zeigen, weist das Filtergehäuse 10 eine im Querschnitt annähernd V-förmige und sich vom Auslass 16 zum Einlass 14 hin gegenüber der Horizontalen nach unten geneigte Bodenrinne 34 auf, an deren unterem Ende sich ein nachstehend noch näher beschriebenes Rückschlagventil 50 befindet, durch das Schmutzpartikel aus dem Filtergehäuse ausgetrieben werden können.
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Die Vorfilter 26 und 28 weisen beide eine Vielzahl von Durchströmungsöffnungen 36 (vgl. 5) auf, wobei jede Durchströmungsöffnung mit einem Schmutzabweiser 38 versehen ist. Die Schmutzabweiser 38 sind einstückig mit den Vorfiltern ausgebildet und durch kuppelförmige Ausformungen oberhalb der Durchströmungsöffnungen 36 gebildet. Die durch die Vorfilter im Filterbetrieb strömende Flüssigkeit wird durch die Schmutzabweiser 38 abgelenkt und muss in einem S-förmigen Flüssigkeitsstrom S durch die Vorfilter strömen. Schmutzpartikel, die hier mitgeführt werden, bewegen sich aufgrund ihrer Trägheit in der ursprünglichen Strömungsrichtung U weiter und durchströmen die Öffnungen in den Vorfilterelementen nicht sondern sinken auf den Boden des Filtergehäuses 10.
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Weiterhin zeigt 1, dass im Bereich des Ausgangs 16 an dem Filtergehäuse eine Düsenplatte 40 vorgesehen ist (vgl. auch 3), in der eine Vielzahl von Rückspüldüsen (beim dargestellten Ausführungsbeispiel 31 Stück) 42 vorgesehen ist. Die Rückspüldüsen 42 sind über einen Hydraulikanschluss 43 mit Hochdruck (P) beaufschlagbar, so dass aus den Rückspüldüsen 42 Fluid unter Hochdruck in Gegenstromrichtung B austritt. Da die Düsenplatte 40 zwischen den einzelnen Rückspüldüsen 42 durchgehende Durchströmungskanäle 44 aufweist, ist die Düsenplatte und auch jede einzelne Rückspüldüse im Filterbetrieb in Strömungsrichtung F von Fluid umströmbar. Umgekehrt kann Fluid vom Ausgang 16 durch die Düsenplatte 40 hindurch angesaugt werden, wenn Fluid unter Hochdruck durch die Rückspüldüsen in den Rücklauffilter gelangt. Da die Rückspüldüsen 42 über den Querschnitt des Auslasses 16 verteilt angeordnet sind und auch die Durchströmungskanäle 44 gleichmäßig von den Rückspüldüsen umgeben sind, wird während des Rückspülvorgangs ein hoher Volumenstrom von Fluid durch den Ausgang 16 angesaugt, obwohl durch die Rückspüldüsen 42 nur ein vergleichsweise geringer Volumenstrom gelangt. Hierdurch wird beim Rückspülen vor dem Filter 18 ein geeigneter Druck von etwa 10 bar erzeugt.
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7 und 8 zeigen Schnittansichten des Rückschlagventils 50 von 1. Das Ventil 50 umfasst auf an sich bekannte Weise einen Ventilkolben 52, der von einer Feder 54 mit einer Dichtkante 54 gegen einen Dichtring 56 gedrückt wird, um einen durchströmten Querschnitt 60 zu verschließen. Wenn in Durchströmungsrichtung B des Ventils 50 ein ausreichender Fluiddruck ansteht, so öffnet der Ventilkolben 52 und die Dichtkante 54 hebt von dem Dichtring 56 ab. Dies ist dann der Fall, wenn der Rückspüldruck einen vorbestimmten Wert überschritten hat, so dass die sich in der Bodenrinne 34 des Filtergehäuses 10 befindlichen Schmutzpartikel durch das Rückschlagventil 50 ausgespült werden können. Bei Nachlassen des Drucks schließt das Rückschlagventil 50 wieder, wobei hier die Gefahr besteht, dass sich Schmutzpartikel zwischen Dichtkante 54 und Dichtring 56 anlagern und ein ordnungsgemäßes Verschließen des Ventils verhindern. Um dies auszuschließen, weist der Ventilkolben 52 einen Zapfen 58 auf, der entgegen der Durchströmungsrichtung B des Rückschlagventils 50 der Dichtkante 54 vorgelagert ist, und der bei einem Schließen des Ventilkolbens 52 den durchströmten Querschnitt (Bohrung 60) verschließt. Mit anderen Worten ist die Dichtkante 54 in Strömungsrichtung hinter dem Zapfen 58 vorgesehen, so dass der durchströmte Querschnitt 60 bei Schließen des Ventilkolbens erst von dem Zapfen verschlossen wird und Schmutzpartikel nicht in den Bereich des Dichtrings 56 gelangen können, wenn die Dichtkante 54 auf den Dichtring 56 auftrifft.
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6 zeigt einen Hydraulikplan einer erfindungsgemäßen Rückspülanlage, die zwei wie vorstehend beschrieben aufgebaute Rückspülfilter umfasst, die an ihren Eingängen 14 und an ihren Ausgängen 16 hydraulisch parallel geschaltet sind. Der Einfachheit halber wird nur der in 6 unten dargestellte Rückspülfilter beschrieben. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet auch hier das Rückschlagventil 20 am Eingang 14. Mit 50 ist das Rückschlagventil 50 bezeichnet, das als Überdruckventil ausgebildet ist. Die beiden Vorfilter 26 und 28 sind vor dem eigentlichen Filter 18 angeordnet, wobei mit dem Bezugszeichen 27 in 6 ein Rückschlagventil dargestellt ist, welches die Funktion der sich öffnenden Vorfilter darstellen soll. Schließlich ist mit dem Bezugszeichen 40 und 42 schematisch die Funktion der Rückspüldüsen angedeutet, die nach Art einer Venturidüse bei Beaufschlagung mit Hochdruck P Fluid aus dem Ausgang 16 in Rückspülrichtung ansaugen.
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Um eine automatisierte Rückspülung durchführen zu können, wird erfindungsgemäß über einen Drucksensor 70 der Differenzdruck zwischen dem Eingang 14 und dem Ausgang 16 der Rückspülfilter gemessen. Ein mit dem Drucksensor verbundener Steuerrechner 72 wertet die erfassten Druckdaten aus und startet in Abhängigkeit vom gemessenen Differenzdruck den Rückspülvorgang. Hierbei wird zunächst in einem der beiden Rückspülfilter und anschließend im anderen Rückspülfilter die Rückspülung durchgeführt. Hierzu aktiviert der Steuerrechner 72 ein Vorsteuerventil 74, so dass Hochdruck P (von einer Pumpstation) in der Größenordnung von etwa 350 bar auf den Anschluss 43 der Düsenplatte 40 gegeben wird, so dass Fluid unter Hochdruck aus den Rückspüldüsen 42 in Gegenstromrichtung B austritt und dabei nach Art einer Venturidüse weiteres Fluid mit wesentlich größerem Volumen aus dem Ausgang 16 ansaugt. Hierdurch wird der Filter 18 gespült und die Vorfilter 26 und 28 öffnen sich, so dass Schmutzpartikel in die Rinne 34 absinken können. Bei ausreichend hohem Rückspüldruck öffnet sich dann das Rückschlagventil 50 und der am Boden der Rinne 34 befindliche Schmutz wird ausgespült.
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Eine Rückspülung wird automatisch eingeleitet, wenn der erfasste Differenzdruck einen vorbestimmten Wert überschreitet. Gleichzeitig ist durch den gemessenen Differenzdruck die Durchflussmenge zu erkennen. Anhand des Verlaufs des Differenzdrucks wird von der Steuerung 72 auch ein geeigneter Zeitpunkt für den Rückspülvorgang bestimmt. Der Rückspülvorgang wird erfindungsgemäß dann gestartet, wenn der Differenzdruck von einem durch eine hohe Durchflussmenge bedingten Spitzenwert wieder abgefallen ist. Zum Rückspülen muss das Ventil 74 durch einen Befehl der Steuerung 72 nur kurzzeitig geöffnet werden.
