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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Filtereinrichtung mit mindestens einer in einem Filtergehäuse aufgenommenen Filtereinheit, die mindestens eine zwischen zwei Pottungen eingespannte Hohlfaser mit wasserdampfdurchlässiger Wandung umfasst, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Bekannte Hohlfaser-Filtereinrichtungen können zur Befeuchtung eines trockenen Luftstromes eingesetzt werden, indem ein durch die Hohlfasern des Filtermoduls geleiteter trockener Luftstrom mit Feuchtigkeit eines in Radialrichtung auf die Hohlfasern geführten zweiten Luftstroms angereichert wird. Die Hohlfasern sind Bestandteil einer Filtereinheit, die in ein Filtergehäuse eingesetzt ist, wobei die Hohlfasern zwischen zwei stirnseitigen Pottungen eingespannt sind. An der Außenseite der Pottungen sind Dichtringe angeordnet, welche für eine Abdichtung gegenüber der Gehäuseinnenwand des aufnehmenden Filtergehäuses sorgen. Der Dichtring kann auch eine ausgleichende Funktion übernehmen und thermische Längenänderungen des Filtergehäuses bzw. der Hohlfasern oder der Pottungen kompensieren. Eine derartige Hohlfaser-Filtereinrichtung ist beispielsweise aus der
WO 2013/100677 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Hohlfaser-Filtereinrichtung so auszubilden, dass Längenänderungen kompensiert werden können.
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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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Die erfindungsgemäße Hohlfaser-Filtereinrichtung kann als Befeuchtungseinrichtung eingesetzt werden, um einen Gasfluidstrom mit Feuchtigkeit anzureichern. Die Filtereinrichtung wird zum Beispiel als Befeuchtungseinrichtung für die einer Brennstoffzelle zuzuführende Luft eingesetzt. Die Filtereinrichtung weist in einem Filtergehäuse mindestens eine Filtereinheit mit zumindest einer Hohlfaser auf, die zwischen zwei stirnseitigen Einzelpottungen fest eingespannt ist und eine wasserdampfdurchlässige Wandung besitzt. Durch die Hohlfaser wird ein erster Fluidstrom geführt, außerhalb der Hohlfaser verläuft ein zweiter Fluidstrom im Filtergehäuse, wobei sich die beiden Fluidströme in ihrem Feuchtigkeitsgehalt unterscheiden. Durch die wasserdampfdurchlässige Wandung der Hohlfaser erfolgt ein Feuchtigkeitsaustausch vom feuchteren Fluidstrom zum trockeneren Fluidstrom. Es kann beispielsweise innerhalb der Hohlfaser ein trockener Luftstrom und außerhalb der Hohlfaser ein mit Feuchtigkeit angereicherter Luftstrom geführt werden, so dass ein Feuchtigkeitsaustausch durch die Hohlfaserwandung radial von außen nach innen stattfindet. Beide Fluidströme verlaufen vorzugsweise in Achsrichtung, insbesondere axial gegenläufig.
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Zwischen den Einzelpottungen liegt mindestens eine in den Einzelpottungen eingespannte Hohlfaser. Vorteilhafterweise handelt es sich aber um ein Hohlfaserbündel mit einer Mehrzahl parallel verlaufender Hohlfasern, die gemeinsam in den axial gegenüberliegenden Einzelpottungen eingespannt sind.
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Die Filtereinheit umfasst mehrere Einzelpottungen pro Stirnseite, wobei jeweils eine Einzelpottung an der ersten Stirnseite und eine Einzelpottung an der gegenüberliegenden Stirnseite über die mindestens eine Hohlfaser, vorteilhafterweise über ein Hohlfaserbündel miteinander verbunden sind. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung sind die Einzelpottungen an einer Stirnseite gemeinsam in einem Trägerelement aufgenommen und gehalten, über das die Einzelpottungen dieser Stirnseite gegenüber dem Filtergehäuse abgestützt sind. Das Material der Einzelpottungen und/oder das Material des Trägerelements sind hierbei elastisch ausgeführt. Die Elastizität ermöglicht einen Längenausgleich beispielsweise bei einer thermisch bedingten Ausdehnung bzw. Kontraktion des Filtergehäuses oder der Filtereinheit, so dass die bruchgefährdeten Hohlfasern durch die Längenänderung nicht zerstört werden. Das elastische Material ermöglicht den Ausgleich der Längenänderungen. Erreicht wird dies durch eine verhältnismäßig einfache konstruktive Gestaltung, indem das Trägerelement sämtliche Einzelpottungen an einer Stirnseite aufnimmt und gegenüber dem Filtergehäuse abstützt.
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Grundsätzlich kommt sowohl ein elastisch nachgiebiges Material für die Einzelpottungen als auch für das Trägerelement in Betracht. Es sind Ausführungen möglich, bei denen sowohl das Trägerelement als auch die Einzelpottungen aus einem elastisch nachgiebigen Material bestehen als auch Ausführungen, bei denen entweder nur das Trägerelement oder nur die Einzelpottungen elastisch nachgiebig ausgeführt sind und das jeweils andere Bauteil aus einem nicht-elastischen Material oder einem zumindest weniger elastischen Material. Vorteilhafterweise unterscheiden sich die Elastizitäten der Einzelpottungen und des Trägerelementes voneinander. Bevorzugt bestehen alle Einzelpottungen aus dem gleichen Material.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung weist das elastisch nachgiebige Material der Einzelpottungen und/oder des Trägerelementes einen definierten Elastizitätsmodul auf, sodass eine ausreichende Elastizität gewährleistet ist. Die Elastizität ist hierbei zweckmäßigerweise in Achsrichtung gegeben, also in Richtung der Längsachsen der Hohlfasern. Es kann vorteilhaft sein, auch in Radialrichtung eine entsprechende Elastizität vorzusehen.
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Bei unterschiedlichen Elastizitäten von Einzelpottungen und Trägerelement besitzt das steifere Material einen signifikant größeren Elastizitätsmodul, der gewährleistet, dass unter den üblichen Bedingungen, insbesondere den üblicherweise auftretenden Temperaturen, im härteren Material keine signifikanten, thermisch bedingten Dehnungen oder Kontraktionen stattfinden. Derartige Längenänderungen werden vielmehr von dem weicheren, elastischeren Material kompensiert. Das Verhältnis der Elastizitätsmodule vom elastischeren Material zum härteren Material liegt beispielsweise bei maximal 0.5, so dass das weichere, elastischere Material einen nur maximal halb so großen Elastizitätsmodul aufweist wie das härtere Material.
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Das die Einzelpottungen aufnehmende und gegenüber dem Filtergehäuse abstützende Trägerelement kann als eine Trägerpottung ausgeführt sein, in welcher die Einzelpottungen aufgenommen sind. Die Einzelpottungen sind hierbei in die Trägerpottung eingegossen, so dass die Einzelpottungen strömungsdicht und fest verbunden in der Trägerpottung aufgenommen sind und Fehlströme verhindert werden. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass die Trägerpottung aus einem Material besteht, welches elastisch nachgiebiger ist als das Material der Einzelpottungen. Die Trägerpottung kann ihrerseits in einem Rahmenteil aufgenommen sein, welches sich im Filtergehäuse abstützt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Trägerelement ein Trägerrahmen, welcher sich unmittelbar im Filtergehäuse abstützt. Der Trägerrahmen kann eine Rasterung aufweisen, die zur Aufnahme der Einzelpottungen dient. In dieser Ausführung ist es zweckmäßig, dass das Material der Einzelpottungen elastisch nachgiebiger ist als das Material des Trägerrahmens.
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Die Pottungen werden im Gießverfahren hergestellt und bestehen beispielsweise aus Epoxidharz, Silikon oder Polyurethan. Das elastisch nachgiebige Material besteht beispielsweise aus Silikon oder aus einem weichen Polyurethan, das härtere Material beispielsweise aus Epoxidharz.
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Es kann zweckmäßig sein, im Bereich beider axialen Stirnseiten der Filtereinheit Einzelpottungen in einem Trägerelement vorzusehen und zumindest das Material entweder der Einzelpottungen oder des Trägerelementes oder beide Bauteile aus einem elastischen Material zu fertigen. In Betracht kommt aber auch eine Ausführung, bei der nur im Bereich einer axialen Stirnseite der Filtereinheit das Material eines Bauteils elastisch nachgiebig ausgeführt ist, wohingegen an der gegenüberliegenden Stirnseite die Pottungen und das Trägerelement beide aus einem starren Material bestehen.
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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 im Längsschnitt eine Filtereinrichtung, die zur Befeuchtung eines Luftstroms eingesetzt werden kann, mit einer Filtereinheit, welche zwischen stirnseitigen Pottungen eingespannte Hohlfasern mit wasserdampfdurchlässigen Wandungen umfasst,
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2 die Filtereinheit mit zwei axial gegenüberliegenden, stirnseitigen Pottungen, zwischen denen jeweils mehrere Hohlfasern verlaufen, mit einem in eine Pottung integrierten Strömungsrohr,
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3 eine stirnseitige Ansicht der Pottungen an einer axialen Stirnseite, mit einer Vielzahl von Einzelpottungen, die in einer elastischen Trägerpottung aufgenommen sind, welche in einem Rahmenteil gehalten ist,
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4 eine stirnseitige Ansicht der Pottungen in einer Ausführungsvariante, bei der eine Vielzahl von Einzelpottungen in einem Trägerrahmen aufgenommen sind.
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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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Die in den Figuren dargestellte Filtereinrichtung 1 kann als Befeuchtungseinrichtung eingesetzt werden, um einen trockenen Luftstrom im Gegenstromverfahren mit Feuchtigkeit anzureichern. Die Filtereinrichtung 1 weist, wie 1 zu entnehmen, ein Filtergehäuse 2 auf, in welchem eine Filtereinheit 3 aufgenommen ist. Die Filtereinheit 3 umfasst eine Vielzahl von Hohlfasern 4, die sich axial zwischen Einzelpottungen 5, 6 erstrecken und in den Einzelpottungen 5, 6 fest aufgenommen sind. Die Hohlfasern 4 bestehen beispielsweise aus einem organischen oder anorganischen Material und weisen eine wasserdampfdurchlässige Wandung auf. In 1 ist aus Gründen der vereinfachten Darstellung nur eine einzelne durchgehende Hohlfaser 4 zwischen Einzelpottungen 5 und 6 dargestellt; tatsächlich verlaufen, wie in 2 gezeigt, zwischen den Einzelpottungen 5, 6 eine Vielzahl derartiger Hohlfasern.
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Innerhalb der Hohlfasern 4 verläuft ein erster Fluidstrom 7, bei dem es sich vorzugsweise um einen Luftstrom mit geringem Feuchtigkeitsgehalt handelt. Axial gegenläufig wird ein zweiter Fluidstrom 8 durch das Filtergehäuse 2 in der Filtereinrichtung 1 geführt, bei dem es sich vorzugsweise um einen Luftstrom mit hohem Feuchtigkeitsgehalt handelt; der zweite Fluidstrom 2 verläuft außerhalb der Hohlfasern 4. Auf Grund der Wasserdampfdurchlässigkeit der Wandung der Hohlfasern 4 ist ein Übertritt von Wasserteilchen radial durch die Hohlfaserwandung möglich, wodurch der erste Fluidstrom 7 innerhalb der Hohlfaser mit Feuchtigkeit angereichert wird.
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Pro axialer Stirnseite umfasst die Filtereinheit 3 mehrere Einzelpottungen 5 bzw. 6, die nebeneinander liegend angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl von Hohlfasern 4 aufnehmen. In 2 ist ein Hohlfaserbündel mit mehreren Hohlfasern 4 dargestellt, die jeweils zwischen zwei einzelnen, axial gegenüberliegenden Einzelpottungen 5 bzw. 6 verlaufen und in den Einzelpottungen fest eingespannt sind.
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Im Bereich einer ersten axialen Stirnseite ist in jede Einzelpottung 5 jeweils ein Strömungsrohr 10 integriert, über das der zweite, mit Feuchtigkeit angereicherte Luftstrom in das Innere der Filtereinrichtung 1 geleitet wird, welcher außerhalb der Hohlfasern axial entlang strömt. Das Strömungsrohr 10 ist zentrisch in jede Einzelpottung 5 integriert, die Hohlfasern 4 verlaufen außerhalb des Strömungsrohres 10. Das Strömungsrohr 10 weist eine größere axiale Länge als die Einzelpottung 5 auf und überragt die Einzelpottung 5 axial an ihren beiden Stirnflächen. Die Wandung des axial auf der Hohlfaserseite überragenden Abschnittes des Strömungsrohres 10 kann Strömungsöffnungen aufweisen, über die der einströmende, feuchte Luftstrom zusätzlich im Inneren der Filtereinheit 3 verteilt wird.
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Die Strömungsrohre 10 sind in jede einzelne Einzelpottung 5 im Bereich einer Stirnseite der Filtereinheit 3 eingebracht. Die axial gegenüberliegenden Einzelpottungen 6 weisen dagegen kein derartiges Strömungsrohr auf. Die Einzelpottungen 6 ohne Strömungsrohr sind im Vergleich mit den Einzelpottungen 5 mit Strömungsrohr kleiner ausgebildet und besitzen entsprechend eine kleinere Querschnittsfläche, so dass auch die Gesamtquerschnittsfläche, gebildet aus der Summe aller Einzelpottungen pro Stirnseite, im Bereich der Einzelpottungen 6 kleiner ist als im Bereich der Einzelpottungen 5. Dies führt zu einem umlaufenden Strömungsspalt 11 zwischen der Außenseite der Einzelpottungen 6 und der Innenwand des aufnehmenden Filtergehäuses 2, wobei über den Strömungsspalt 11 der zweite Fluidstrom 8, welcher außerhalb der Hohlfasern 4 verläuft, aus dem Innern der Filtereinrichtung 1 abgeleitet wird. Diese Ausführung hat gemeinsam mit der Zufuhr des zweiten Fluidstroms 8 über die Strömungsrohre 10 den Vorteil, dass der zweite, mit Feuchtigkeit beladene Fluidstrom 8 über die gesamte freie axiale Länge der Hohlfasern 4 entlang strömt, was eine effiziente Abgabe von Wasserdampf durch die Hohlfaserwandung und damit eine gute Feuchtigkeitsanreicherung des ersten Fluidstroms 7 innerhalb der Hohlfasern gewährleistet.
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Wie 1 zu entnehmen, ist der Strömungsspalt 11 umlaufend ausgebildet. Die Einzelpottungen 6 sind in einem Befestigungsteil 12 gehalten, das an der Stirnseite des Filtergehäuses 2 abgestützt ist.
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In 3 ist die Stirnseite der Filtereinheit dargestellt. Zu erkennen sind eine Vielzahl von Einzelpottungen 5 bzw. 6 mit rundem Querschnitt, die alle in einer Trägerpottung 13 aufgenommen sind, welche ihrerseits in einem Rahmenteil 14 aufgenommen ist. Die Einzelpottungen 5, 6 sind in die Trägerpottung 13 eingegossen, so dass eine strömungsdichte Verbindung zwischen den Einzelpottungen und der Trägerpottung gegeben ist. Das Rahmenteil 14 nimmt die Trägerpottung 13 auf und stützt diese an der Innenwand des Filtergehäuses ab. Jede Einzelpottung 5 bzw. 6 nimmt ein Hohlfaserbündel auf, bestehend aus einer Vielzahl von Hohlfasern 4.
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Die Trägerpottung 13 besteht aus einem elastisch nachgiebigeren Material als die Einzelpottungen 5 bzw. 6. Dies erlaubt sowohl einen axialen Längenausgleich als auch einen Längenausgleich in Radialrichtung für den Fall von thermischen Änderungen und hierdurch hervorgerufenen Dehnungen bzw. Kontraktionen. Über die Elastizität der Trägerpottung 13 können derartige Dehnungen bzw. Kontraktionen kompensiert werden, wodurch die Hohlfasern entlastet werden und sichergestellt ist, dass die Hohlfasern bei thermischen Änderungen nicht zerstört werden.
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In 4 ist eine Ausführungsvariante dargestellt, bei der die Einzelpottungen 5, 6 nicht in einer Trägerpottung aufgenommen sind, sondern in einem festen Trägerrahmen 15, der eine dem Querschnitt der Einzelpottungen 5, 6 entsprechende Rasterung aufweist. Auch auf diese Weise kann eine strömungsdichte Aufnahme der Einzelpottungen 5, 6 im Trägerrahmen 15 gewährleistet werden. Der Trägerrahmen 15 besteht aus einem festen, nicht-elastischen Material, wohingegen die Einzelpottungen 5, 6 aus einem Material mit geringerem Elastizitätsmodul gefertigt sind, so dass über die Einzelpottungen 5, 6 ein Längenausgleich im Falle thermischer Änderungen möglich ist. Die Ausführung gemäß 4 hat den Vorteil, dass durch den Verzicht auf eine Trägerpottung ein Verfahrensschritt zur Herstellung einer Pottung eingespart werden kann.
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Die Einzelpottungen 5, 6 sind im Ausführungsbeispiel gemäß 4 mit einem quadratischen Querschnitt versehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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