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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stützeinlage eines Membranmoduls zum Anordnen zwischen zwei Membranen oder zwischen einer Membran und einem Membranträger, mit Durchgängen zum Führen und Verteilen einer Flüssigkeit entlang und auf die Membranfläche(n), wobei die Durchgänge wenigstens einen Strömungsweg zwischen wenigstens einer Randseite der Stützeinlage und deren Vorder- und/oder Rückseite bilden.
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Derartige Stützeinlagen von Membranmodulen kommen bei vielfältigen membrantechnischen Anwendungen zum Einsatz, beispielsweise in Vorrichtungen für Pressure-Retarded-Osmose- oder Vorwärts-Osmoseanwendungen, bei Vorrichtungen für druckgetriebene Prozesse, wie Mikro-, Ultra-, Nano- und Hyperfiltration sowie für Umkehrosmoseprozesse, bei Vorrichtungen für konzentrationsgetriebene Prozesse wie Pervaporation, Gastrennung, Dialyse, bei Vorrichtungen für thermisch getriebene Prozesse, wie Membrandestillation und Thermoosmose sowie bei Vorrichtungen für elektrisch getriebene Prozesse, wie Elektrodialyse, Reverse-Elektrodialyse, Elektrofiltration sowie in Brennstoffzellen.
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Die Stützeinlagen werden dabei entweder zwischen zwei Membranen oder zwischen einer Membran und einem Membranträger angeordnet, wobei die Membrane(n) bzw. der Membranträger auf der Stützeinlage aufliegen, so dass die Membran auf der einen Seite der Stützeinlage in einem Abstand zu der gegenüberliegenden Membran bzw. Membranträger gehalten wird. Die Durchgänge in der Stützeinlage sind derart ausgebildet, dass sie wenigstens einen Strömungsweg zwischen wenigstens einer Randseite und der Vorder- und/oder Rückseite der Stützeinlage bilden, so dass eine Flüssigkeit zum einen entlang bzw. quer zur Membranfläche oder Membranträgerfläche und zum anderen auf die Membranfläche(n) zu fließen kann. Hierdurch kann ein Flüssigkeitsstrom von der Randseite in die Stützeinlage eingebracht, über die Membranfläche(n) verteilt und durch diese hindurch geleitet werden. Selbstverständlich ist auch der umgekehrte Prozess möglich, bei dem ein durch die Membranfläche(n) eintretender Flüssigkeitsstrom über die Durchgänge in der Stützeinlage zu dessen Randseite geleitet wird.
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Für die oben genannten Anwendungen ist es aus dem Stand der Technik bekannt, technische Gewebe, Gewirke oder Vliese, beispielsweise aus Kunststofffäden oder -fasern, als Stützeinlagen für die jeweilige Membranmodule zu verwenden. Dabei strömt die Flüssigkeit durch die zwischen den einzelnen Fäden bzw. Fasern des Gewebes, Gewirkes oder Vlieses gebildeten Hohlräume hindurch.
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So ist aus
EP 2 292 307 A1 ein Membranfiltermodul bekannt, bei dem ein poröses Abstandsmaterial zwischen einer Membran und einer Membranträgerplatte angeordnet ist. Das Abstandsmaterial besteht aus einem Vlies, welches die angrenzende Membran in einem Abstand zur Oberfläche der Membranträgerplatte hält, so dass zwischen Membran und Membranträgerplatte ein flächiger Strömungsweg für die Filtratflüssigkeit durch das Vlies geschaffen wird.
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Vliese, Gewebe, Gewirke und dergleichen weisen jedoch als Stützeinlage für Membranmodule zumeist einen zu geringen Flüssigkeitsvolumendurchsatz bzw. einen zu hohen Strömungswiderstand auf. Mitunter treten in Abhängigkeit des Förderdrucks der durch die Stützeinlage hindurch strömenden Flüssigkeit starke Schwankungen im Strömungswiderstand bzw. Volumendurchsatz auf. Vor allem kommt es mit steigendem Förderdruck zu einem raschen Abfall des Volumendurchsatzes. All dies wirkt sich bei den eingangs genannten Anwendungen nachteilig aus, da die Effektivität der jeweiligen Prozesse von einem möglichst großen Volumendurchsatz abhängt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Stützeinlage eines Membranmoduls mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dahingehend zu verbessern, dass der Flüssigkeitsvolumendurchsatz durch die Stützeilage und die Membran unabhängig vom Förderdruck möglichst groß bzw. der Strömungswiderstand möglichst klein ist und dass die mitunter fragile Membran ausreichend unterstützt wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Stützeinlage gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Stützeinlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass zueinander beabstandete Stützelemente vorgesehen sind, zwischen welchen die Durchgänge gebildet sind und welche zumindest teilweise auf der Vorder- und/oder Rückseite der Stützeinlage Auflageflächen für die Membran(n) und/oder den Membranträger bilden.
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In erfindungsgemäßer Weise wurde erkannt, dass die Druck- und Volumenstromverluste bei den aus dem Stand der Technik bekannten Stützeinlagen durch deren Machart bzw. Aufbau bedingt sind. Vliese, Gewirke, Gewebe und dergleichen bestehen aus einzelnen Fasern bzw. Fäden, die entweder durch Wirren, Maschenbildung oder über ein System von sich kreuzenden, wechselseitig auf- und abgehenden Kett- und Schussfäden zu einem textilen Flächengebilde miteinander verbunden sind. Die relative Anordnung der einzelnen Fasern und Fäden zueinander ist jedoch nicht starr, sondern kann fortlaufenden Änderungen bzw. Verschiebungen unterworfen sein, etwa bei Schwankungen des Förderdrucks der durch die Stützeinlage hindurch strömenden Flüssigkeit. Durch die Verschiebung der Fäden bzw. Fasern zueinander kommt es gleichzeitig auch zu einer Änderung des Strömungsquerschnitts der zwischen den Fäden bzw. Fasern gebildeten Durchgänge und folglich zu den beschriebenen Schwankungen im Strömungswiderstand bzw. Volumendurchsatz.
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Demgegenüber sind die bei der erfindungsgemäßen Stützeinlage vorgesehenen Stützelemente in einem vorgegebenen, wohldefinierten Abstand relativ zueinander angeordnet. Die relative Anordnung ist starr, so dass Schwankungen im Strömungswiderstand bzw. Volumendurchsatz vermieden werden. Ferner kann durch eine geeignete Wahl der Anordnung und/oder Form der Stützelemente der Strömungswiderstand bzw. Volumendurchsatz optimiert werden.
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Unter dem Begriff Stützelement werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausdrücklich keine Fäden, Fasern und dergleichen, sondern vielmehr solitäre, zueinander beabstandet angeordnete und klar abgegrenzte geometrische Körper verstanden, zwischen welchen die Durchgänge gebildet sind und welche zumindest teilweise auf der Vorder- und/oder Rückseite der Stützeinlage Auflageflächen für die Membran(n) und/oder den Membranträger bilden. Entsprechend handelt es sich bei der erfindungsgemäßen Stützeinlage auch nicht um ein Vlies, Gewirke, Gewebe oder dergleichen.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Geweben, Gewirken und Vliesen weisen sämtliche Fäden bzw. Fasern einen gekrümmten bzw. gewundenen Verlauf auf, so dass auch die Kontaktflächen der Stützeinlage zur aufliegenden Membran, bedingt durch die Krümmung jener Faser- und Fadenabschnitte, die die Auflagefläche für die Membran bilden, abgerundet sind. Der abgerundete Übergang von der eigentlichen Auflagefläche zum Innern der Stützeinlage, d.h. zu den Durchgängen hin, weist mitunter sehr flache Winkel auf. Dies führt bei einer Druckbeaufschlagung der Membran in Richtung der Stützeinlage dazu, dass sich die unter der Druckeinwirkung verformende Membran an die abgerundeten Faser- bzw. Fadenabschnitte anschmiegt, wodurch sich die Membranauflagefläche stark vergrößert und gleichzeitig der Volumendurchsatz durch die Membran verringert, da an jenen Stellen, an denen die Membran in direktem Kontakt mit der Stützeinlage steht, kein Flüssigkeitstransport durch die Membran erfolgen kann. In nachteiliger Weise wird hierdurch die aktive Membranfläche und somit die Effektivität der Membran stark reduziert.
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Aus diesem Grund ist es bei einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass wenigstens eines der Stützelemente derart ausgebildet ist, dass der Übergang zwischen jenem Bereich des Stützelements, der die Auflagefläche für die Membran bzw. den Membranträger bildet, und den angrenzenden Bereichen des Stützelements, die die Begrenzung der Durchgänge bilden, im Wesentlichen sprunghaft ausgebildet ist. Vorteilhaft erfolgt der Übergang unter einem Winkel von höchstens 135°, insbesondere höchstens 110°, bevorzugt von etwa 90°, wobei sich die Angaben auf den von den genannten Bereichen eingeschlossenen Winkel beziehen. Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass sich die aufliegende Membran unter Druckeinwirkung an jene Bereiche des Stützelements anschmiegt, die die Begrenzung der Durchgänge definieren, aber nicht Teil der Auflagefläche sein sollen. Die effektive Auflagefläche für die Membran ist somit wohldefiniert und bleibt unabhängig von den Druckverhältnissen im Membranmodul, insbesondere unabhängig von etwaigen Druckschwankungen, konstant. Folglich bleibt auch die aktive Membranfläche, also jene Bereiche der Membran, die nicht mit den Stützelementen in Kontakt stehen, sondern frei durchströmt werden können, unabhängig von den Druckverhältnissen im Membranmodul konstant.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Stützelement in einer Gitterstruktur, insbesondere einer Kreuzgitter-, Liniengitter-, Wabengitter- oder Ringgitterstruktur angeordnet. Vorzugsweise ist dabei die Geometrie der Gitterstruktur an die Geometrie des Membranmoduls angepasst. Denkbar ist es beispielsweise bei einem zylinderförmigen Membranmodul, bei dem die Membranen bzw. Membranträger als kreisförmige Scheiben ausgebildet sind, eine Ringgitterstruktur zu verwenden. Liniengitterstrukturen eignen sich in vorteilhafter Weise zur Erzeugung linearer Strömungswege. Wabengitter zeichnen sich durch eine besonders hohe Stabilität aus. Kreuzgitter kommen vorteilhaft bei im Wesentlichen rechteckigen Membranen bzw. Membranträgerflächen zum Einsatz.
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Die Stützelemente weisen bevorzugt eine Grundfläche auf, aus der sich das Stützelement als dreidimensionaler Körper erstreckt. Um die Anordnung der einzelnen Stützelemente im Hinblick auf einen möglichst geringen Strömungswiderstand bei gleichzeitig hinreichend großer Auflagefläche an die Gitterstruktur des Stützelementes anzupassen, weist wenigstens eines der Stützelemente, vorzugsweise alle Stützelemente, eine rechteckförmige, quadratische, kreisförmige, wabenförmige oder dreiecksförmige Grundfläche auf. Auch Kombinationen verschiedener Grundflächenformen sind denkbar.
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Stützelemente mit dreieckiger Grundfläche eignen sich beispielswiese bevorzugt für eine Anordnung in einer Ringgitterstruktur. Entsprechend sind wabenförmige Grundflächen bei einer wabengitterförmigen Anordnung der Stützelemente von Vorteil.
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Die Wahl der Form und/oder Anordnung der Stützelemente kann auch in Abhängigkeit der physikalischen Eigenschaften, etwa der Viskosität, der durch das Membranmodul hindurch strömenden Flüssigkeit erfolgen. Zylinderförmige Stützelemente begünstigen beispielsweise eine laminare Strömung, wohingegen Stützelemente mit Kanten zu turbulenten Strömungen führen.
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Um den Volumendurchsatz möglichst groß bzw. den Strömungswiderstand möglichst gering zu halten, weist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wenigstens eines der Stützelemente wenigstens eine Durchgangsöffnung, vorzugsweise mit rundem oder rechteckigem Querschnitt auf. Denkbar ist auch, dass die Querschnittsform und/oder -größe der Durchgangsöffnung innerhalb eines Stützelementes variiert. Auch es könne auch Stützelemente mit jeweils unterschiedlicher Querschnittsform und/oder -größe vorgesehen sein.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Stützelemente in mehreren, vorzugsweise zwei, Ebenen angeordnet. Besonders vorteilhaft erfolgt die Anordnung mit zueinander versetzter Gitterstruktur in den jeweiligen Ebenen. Eine derartige Anordnung zeichnet sich durch einen besonders geringen Strömungswiderstand aus. Unter dem Begriff Anordnung in einer Ebene ist vorliegend nicht nur die Anordnung in einer Ebene im strikt mathematischen Sinne, also in einer durch zwei geraden aufgespannten Ebene, zu verstehen, sondern auch andere zweidimensionale Anordnungen der Stützelement, etwa in einer gekrümmten Ebene, auf einer Zylindermantelfläche oder dergleichen.
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Um die Stützeinlage als eine zusammenhängende Einheit auszubilden, sind die Stützelemente verschiedener Ebenen nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung miteinander verbunden. Die Verbindung kann dabei entweder direkt oder über Abstandselemente erfolgen.
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Alternativ können die Stützelemente verschiedener Ebenen nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung über eine Zwischenlage miteinander verbunden sein. Die Zwischenlage kann beispielsweise aus einer folienartigen oder dünnen, plattenartigen Materialschicht bestehen, auf deren Vorder- und/oder Rückseite die Stützelemente angeordnet sind. Bevorzugt können die Stützelemente etwa durch Tiefziehen oder andere Umform- bzw. Prägeverfahren aus der Zwischenlage herausgebildet sind.
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Erfolgt die Verbindung direkt oder über Abstandselemente, so ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass benachbarte Stützelemente einer Ebene über die Stützelemente wenigstens einer benachbarten Ebene verbunden sind. Hierdurch wird die Stützeinlage flexibel. Dies kann beispielsweise dann von Vorteil sein, wenn die Stützeinlage bei einem aufgewickelten Membranmodul, ähnlich einem Wickelkondensator, zum Einsatz kommt. Entsprechend sind bei einer Stützeinlage mit Zwischenlage, benachbarte Stützelemente einer Ebene über die Zwischenlage miteinander verbunden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Stützelemente aus Metall, Keramik und/oder Kunststoff, insbesondere aus einem polymeren Kunststoff, beispielsweise Polypropylen, bestehen und/oder hergestellt sind. Die Wahl des Materials der Stützelemente kann dabei u.a. in Abhängigkeit des Anwendungsgebiets des Membranmoduls und/oder in Abhängigkeit der physikalischen und chemischen Eigenschaften der durch das Membranmodul hindurch strömenden Flüssigkeit erfolgen.
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Je nach Geometrie, Material und Anordnung der Stützelemente sowie entsprechend de, Gesamtaufbau der Stützeinlage können verschiedene Herstellungsverfahren in Betracht.
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Denkbar ist beispielsweise die Herstellung durch Spritzgießen mit Hilfe einer Spritzgießmaschine, in der der Werkstoff, bevorzugt Kunststoff, in einer Spritzeinheit plastifiziert und in ein Spritzgießwerkzeug eingespritzt. Der Hohlraum des Werkzeugs bestimmt dabei die Form und die Oberflächenstruktur des fertigen Werkstücks. Spritzgießen eignet sich besonders vorteilhaft zur Herstellung großer Stückzahlen.
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Alternativ kann die Stützeinlage durch Druckzugformen, insbesondere durch Tiefziehen oder Thermoziehen, hergestellt werden. Denkbar sind verschiedene Varianten des Druckzugformens, etwa Druckzugformen mit Hilfe von Formwerkzeugen, Druckzugformen mit Hilfe von Wirkmedien wie Gasen oder Flüssigkeiten oder Hochgeschwindigkeitsformen. Diese Verfahren eignen sich in besonders vorteilhafter Weise dazu, die Stützelemente in verschiedenen Ebenen aus einem folienartigen oder dünnen, plattenartigen Material herauszubilden, wobei zumindest Teile des Ausgangsmaterial vorteilhaft eine Zwischenlage bilden, die Stützelemente miteinander verbindet.
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Entsprechend können auch Prägeverfahren zum Einsatz kommen, bei denen die Stützelemente der Stützeinlage aus einem Ausgangswerkstück mit Hilfe von Prägewerkszeugen ausgebildet werden.
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Denkbar ist auch die Herstellung durch selektives Lasersintern, d.h. durch ein 3D-Druck-Verfahren, bei dem räumliche Strukturen der Stützeinlage durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herstellt werden. Diese Verfahren eignet sich bevorzugt für komplexe, insbesondere mehrschichtige Stützeinlagen mit mehreren Ebenen.
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Auch Stereolithografie-Verfahren können in Betracht kommen, bei denen das Werkstück vollautomatisch aus am Computer erstellten CAD-Daten durch frei im Raum materialisierende Rasterpunkte schichtenweise aufgebaut wird. Dieser Verfahren eignet sich ebenfalls bevorzugt für komplexe, insbesondere mehrschichtige Stützeinlagen, die aus einem polymeren Kunststoff herzustellen sind.
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In ähnlicher Weise kann auch ein Schmelzschicht-Verfahren (Fused Depositioning Modelling) angewendet werden, mit dem ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigem Kunststoff aufgebaut wird. Das Verfahren basiert auf der Verflüssigung eines drahtförmigen Kunststoffmaterials durch Erwärmung und dem anschließenden Erstarren des Materials durch Abkühlen nach dem Aufbringen. Der Materialauftrag erfolgt typischerweise durch Extrudieren mit einer in der Fertigungsebene frei verfahrbaren Heizdüse.
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Alternativ ist auch ein Multijet Modelling-Verfahren denkbar, bei dem das Werkstück durch einen Druckkopf mit mehreren linear angeordneten Düsen schichtweise aufgebaut wird.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Dicke der Stützeinlage von Vorder- zu Rückseite zwischen 0,3 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 1,6 mm und 2,5 mm.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Dicke einer Ebene zwischen 0,2 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0,3 mm und 1 mm, bevorzugt zwischen 0,4 mm und 0,7 mm.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Ebenen zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere zwischen 0,1 mm und 0,4 mm.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Durchmesser oder die Kantenlängen der Grundfläche eines Stützelementes zwischen 1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 1,4 mm und 2,5 mm.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Durchmesser oder die Kantenlängen der Durchgangsöffnung zwischen 0,5 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0,8 mm und 1 mm.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Abstand benachbarter Stützelemente einer Ebene zwischen 0,2 mm und 4 mm, insbesondere zwischen 0,8 und 2 mm.
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Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
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Es zeigen:
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1 eine isometrische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Stützeinlage,
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2 eine Seitenansicht der Stützeinlage gemäß 1,
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3 eine Draufsicht der Stützeinlage gemäß 1,
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4 einen Schnitt durch die Stützeinlage entlang der Schnittlinie A-A gemäß 3,
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5 eine isometrische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäße Stützeinlage,
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6 eine Seitenansicht der Stützeinlage gemäß 5,
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7 eine Draufsicht der Stützeinlage gemäß 5 und
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8 einen Schnitt durch die Stützeinlage entlang der Schnittlinie A-A gemäß 7.
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Die 1 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stützeinlage 1 eines Membranmoduls zum Anordnen zwischen zwei Membranen oder zwischen einer Membran und einem Membranträger. Die Stützeinlage 1 weist Durchgänge 2 zum Führen und Verteilen einer Flüssigkeit entlang und auf die Membranfläche(n) auf, wobei die Durchgänge 2 einen Strömungsweg zwischen wenigstens einer der Randseiten 3, 4, 5, 6 der Stützeinlage 1 und deren Vorder- 7 und/oder Rückseite 8 bilden. Auf der Vorder- 7 und Rückseite 8 der Stützeinlage 1 sind jeweils zueinander beabstandete Stützelemente 11, 21 vorgesehen, zwischen welchen die Durchgänge 2 gebildet sind und welche Auflageflächen 14, 24 für die Membran bzw. den Membranträger aufweisen.
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Die Stützeinlage 1 gemäß dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in vorteilhafter Weise durch ein Tiefziehverfahren hergestellt. Dabei werden die Stützelemente 11, 21 aus einem folienartigen bzw. dünnen, plattenartigen Ausgangsmaterial, beispielweise aus ein polymeren Kunststoff, durch Druck-Zug-Formen auf der Vorder- 7 und Rückseite 8 ausgebildet. Hierdurch entstehen zwei Ebenen 10, 20, in denen die Stützelemente 11, 21 in einer zueinander versetzten Kreuzgitterstruktur angeordnet sind. Die einzelnen Stützelemente 11, 21 sind über den nicht verformten Teil des Ausgangsmaterials in Form einer Zwischenlage 40 miteinander verbunden. Selbstverständlich sind aber auch andere Materialien und Verfahren denkbar, durch welche sich die Stützeinlage 1 in die in den 1 bis 4 gezeigte Form bringen lässt.
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Bei dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Stützelemente 11, 21 auf der Vorder- 7 und Rückseite 8 des Stützelementes 1 eine im wesentlichen quaderförmige, wannenartige Form mit einer quadratischen Grundfläche 12, 22 auf. Diese bildet gleichzeitig die Auflagefläche 14 bzw. 24 für die Membran(en) und oder den Membranträger. In jenen Bereichen der Stützelemente 11, 21, die die Auflageflächen 14, 24 bilden, ist zusätzlich je eine kreisrunde Durchgangsöffnung ausgebildet, die in vorteilhafter Weise zu einer Reduzierung des Strömungswiderstandes und einer Steigerung des Volumendurchsatzes durch das Stützelement 1 beiträgt.
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Die im Wesentlichen quaderförmige Form der Stützelemente 11, 21 bewirkt, dass der Übergang zwischen jenen Bereichen der Stützelemente 11, 21, die die Auflagefläche 14, 24 für die Membran(en) bzw. den Membranträger bilden und den sich hieran anschließenden Bereichen der Stützelemente 11, 21, die die Begrenzung der Durchgänge 2 bilden, im Wesentlichen sprunghaft ausgebildet ist. Hierdurch wird verhindert, dass sich die Membran bei Druckbeaufschlagung in Richtung der Stützeinlage 1 an jene angrenzenden Bereiche der Stützelemente 11, 21 anschmiegt, die keine Auflagefläche, sondern lediglich die Begrenzung der Durchgänge 2 bilden sollen. Ein Abfall des Volumendurchsatzes sowie eine Reduzierung der aktiven Membranfläche bei steigendem Druck werden hierdurch effektiv vermieden.
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Um Beschädigungen der mitunter fragilen Membranen zu verhindern, kann es vorgesehen sein, dass die Kanten zwischen den Auflageflächen 14, 24 und den seitlichen Wandungen der Stützelemente 11, 21 abgerundet sind. Der Radius der Abrundung ist jedoch derart klein gewählt werden, dass ein Anschmiegen der Membran unmöglich wird, d.h., dass der sprunghafte Übergang zwischen den Auflageflächen 14, 24 und den Seitenwandungen der Stützelemente 11, 21 erhalten bleibt.
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Bei dem in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel der Stützeinlage 1 sind die Stützelemente 11, 21 auf der Vorder- 7 und Rückseite 8 in einer versetzten Kreuzgitterstruktur angeordnet. Die Anordnung ist vergleichbar mit einem Schachbrettmuster, wobei die Stützelemente 11 auf der Vorderseite 7 der Stützeinlage 1 an den Schachfeldpositionen der einen Farbe und die Stützelemente 21 auf der Rückseite 8 der Stützeinlage 1 auf den Schachfeldpositionen der anderen Farbe angeordnet sind. Hieraus ergibt sich ein zweilagiger bzw. zwei Ebenen aufweisender Aufbau der Stützeinlage, wobei die Stützelemente 11 der Ebene 10 und die Stützelemente 21 der Ebene 20 über die Zwischenlage 40 miteinander verbunden sind. Der Abstand zwischen benachbarten Stützelementen 11 bzw. 21 einer Ebene 10 bzw. 20 ist im vorliegend Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 4 größer als die Kantenlänge AE der Grundfläche 22 bzw. 12 der Stützelemente 21 bzw. 11. Hierdurch ergibt sich um die quadratischen Öffnungen der wannenförmigen Stützelemente 11, 21 herum unter Bildung der Zwischenebene 40 ein umlaufender Rand.
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Diese spezielle Anordnung verleiht der Stützeinlage 1 eine gewisse Flexibilität, so dass die Stützeinlage 1 auch in der Art eines Wickelkondensators in einem gewickelten Membranmodul verwendet werden kann.
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Selbstverständlich ist auch ein mehrlagiger Aufbau denkbar, ebenso wie andere Gitterstrukturen und Anordnungen der Stützelemente 11, 21. Auch ist die Größe der Stützeinlage 1 und die Anzahl der Stützelemente 11, 21 nicht auf die in den vorliegenden Ausführungsbeispielen gezeigte Größe und Anzahl beschränkt. Auch sind andere Geometrien für die Grundflächen bzw. Auflageflächen 14, 24 denkbar. Vielmehr sind diese Eigenschaften vom Anwendungszweck und den Eigenschaften des gesamten Membranmoduls abhängig.
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Zur Erzielung eines möglichst großen Volumendurchsatzes bzw. möglichst kleinen Strömungswiderstands, bei gleichzeitig ausreichender Stützung der aufliegenden Membran durch hinreichend große Auflageflächen 14, 24, beträgt die Dicke DS der Stützeinlage 1 von Vorder- 7 zur Rückseite 8 in vorteilhafter Weise zwischen 0,3 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 1,6 mm und 2,5 mm. Entsprechend sollte bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Stützeinlage 1 die Dicke DL einer Ebene 10, 20 zwischen 0,2 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0,3 mm und 1 mm, bevorzugt zwischen 0,4 mm und 0,7 mm betragen, der Abstand zwischen zwei benachbarten Ebenen AL, entsprechend der Dicke der Zwischenlage 40, zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere zwischen 0,1 mm und 0,4 mm liegen.
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Weiterhin sollte bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Durchmesser DE oder die Kantenlänge AE der Grundfläche bzw. der Auflagefläche 14, 24 eines Stützelementes 11, 21 zwischen 1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 1,4 mm und 2,5 mm betragen.
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Die 5 bis 8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stützeinlage 1. Auch diese weist einen Aufbau aus in zwei Ebenen 10, 20 angeordneten Stützelementen 11, 21 auf. Diese sind jedoch nicht aus einer Zwischenlage wannenförmig heraus geformt, sondern bestehen im Wesentlichen aus einem quaderförmigen Grundkörper mit quadratischer Grundfläche 12, 22 und einem quadratischen Durchgangsöffnung 13, 23.
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Entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel sind auch bei dem in den 5 bis 8 gezeigten, zweiten Ausführungsbeispiel die Stützelemente 11, 21 der beiden Ebenen 10, 20 in einer versetzten, schachbrettartigen Gitterstruktur zueinander angeordnet, wobei die Stützelemente 11 der Ebene 10 jeweils über Abstandselemente 30 mit den Stützelementen 21 der Ebene 20 verbunden sind. Entsprechend sind die benachbarten Stützelemente 11 der Ebene 10 über die Stützelemente 21 der benachbarten Ebene 10 miteinander verbunden.
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Auch dieser Aufbau der Stützeinlage gemäß dem in den 5 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch eine hohe Flexibilität aus. In vorteilhafter Weise eignet sich zur Herstellung der Stützeinlage gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein Spritzgießverfahren oder ein selektives Lasersinterverfahren. Als bevorzugtes Material für die Stützeinlage 1 dient ein polymerer Kunststoff. Selbstverständlich sind aber auch andere Materialien denkbar, welche sich durch entsprechende Verfahren in die in den 5 bis 8 gezeigte Form bringen lassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stützeinlage
- 2
- Durchgänge
- 3
- Randseite der Stützeinlage
- 4
- Randseite der Stützeinlage
- 5
- Randseite der Stützeinlage
- 6
- Randseite der Stützeinlage
- 7
- Vorderseite der Stützeinlage
- 8
- Rückseite der Stützeinlage
- 10
- Ebene
- 11
- Stützelement
- 12
- Grundfläche des Stützelementes
- 13
- Durchgangsöffnung
- 14
- Auflagefläche
- 20
- Ebene
- 21
- Stützelement
- 22
- Grundfläche des Stützelementes
- 23
- Durchgangsöffnung
- 24
- Auflagefläche
- 30
- Abstandselement
- 40
- Zwischenlage
- DS
- Dicke der Stützeinlage von Vorder- zu Rückseite
- DL
- Dicke einer Ebene
- AL
- Abstand zweier benachbarter Ebenen
- AE
- Kantenlänge der Grundfläche eines Stützelementes
- DO
- Durchmesser der Durchgangsöffnung
- LO
- Kantenlänge der Durchgangsöffnung
- AS
- Abstand benachbarter Stützelemente einer Ebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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