DE102015225668A1

DE102015225668A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kapillarmembranbündels

Info

Publication number: DE102015225668A1
Application number: DE102015225668.5A
Authority: DE
Inventors: Andrej Grabowski; Sascha Senjic; Hermann Hoffmann
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kapillarmembranbündels (1) eines Membranfiltermoduls mit einer Vielzahl parallel angeordneter Kapillarmembranen (2) mit einem Außendurchmesser von mehr als 0,5 mm. Erfindungswesentlich ist dabei, dass zunächst ein Längsende (3) der Kapillarmembranen (2) versiegelt wird, indem – die Längsenden (3) der einzelnen Kapillarmembranen (2) umgeknickt und dadurch versiegelt werden, oder – ein Heizelement (6) entlang der Längsenden (3) der einzelnen Kapillarmembranen (2) geführt und diese dadurch aufgeschmolzen und versiegelt werden, oder – Stopfen (7) in die Längsenden (3) der einzelnen Kapillarmembranen (2) eingesteckt und diese dadurch versiegelt werden, oder – die Kapillarmembranen (2) an ihren Längsenden (3) mit Polyurethanschaum (11) umsprüht und dadurch versiegelt werden, oder – die Kapillarmembranen (2) mit ihren Längsenden (3) in eine Flüssigkeit getaucht und nach dem Entnehmen unter den Schmelzpunkt der Flüssigkeit abgekühlt werden, wodurch die Flüssigkeit erstarrt und die Kapillarmembranen (2) versiegelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kapillarmembranbündels eines Membranfiltermoduls mit einer Vielzahl parallel angeordneter, Kapillarmembranen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2004 004 212 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Membranfiltermoduls für flüssige oder gasförmige Medien mit einem Bündel aus an mindestens einer Stirnseite offenen Kapillarmembranen bekannt, die in einem zu dem offenen Membranende endnahen Bereich in eine zu einem festen Kopfstück ausgehärtete Dichtungsschicht eingegossen sind. Die Dichtungsschicht ist an ihrer, den offenen Längsenden der Kapillarmembran abgewandten Seite auf einer Vorrichtung aufgetragen, die eine von den Kapillarmembranen durchdrungene und für das zur Dichtungsschicht aushärtende Gießmaterial undurchlässige Schicht aufweist.
Aus der DE 10 2009 017 413 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Membranfiltermoduls bekannt, wobei eine Vielzahl von Membranen zu einem Kapillarmembranbündel zusammengefasst, in ein Gehäuse eingeformt und jeweils endseitig in eine Vergussmasse eingebettet und gehalten werden. Das Gehäuse mit dem noch nicht vergossenen Bündel der Hohlfasern wird dabei um die Längsrichtung rotiert bzw. zentrifugiert.
Generell werden bei der Herstellung eines Membranfiltermoduls zunächst die einzelnen Kapillarmembranen eines Kapillarmembranbündels längsendseitig versiegelt, das heißt verschlossen, und anschließend mit einer Vergussmasse verpottet.
Bei der Herstellung von Membranfiltermodulen für die Hämodialyse werden üblicherweise trockene Hohlfasermembranen mit einem Innendurchmesser von kleiner als 0,3 mm verwendet, die in einem halbautomatisierten oder vollautomatisierten Prozess in einem Dialysemodul verpottet werden können. Dabei können die Hohlfasermembranen (Außendurchmesser von 50–500 µm) versiegelt werden, indem man die Enden vom Hohlfasermembranbündel stark erhitzt und damit die Hohlfaserenden verschmolzen werden. Danach wird das Hohlfasermembranbündel häufig mit einem Polyurethan (PU) Harz verpottet. Bei der Verpottung von Kapillarmembranen mit größerem Außendurchmesser (0,5–3 mm), z.B. für industrielle Anwendungen, die eine Restfeuchte und unter Umständen auch ein Konservierungsmittel enthalten, kann die zuvor beschriebene Methode jedoch nicht angewandt werden, da die Kapillarmembranen bei der Erhitzung nicht zuverlässig geschlossen werden und das Polyurethan durch die Restfeuchtigkeit aufgeschäumt wird.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für ein Verfahren zur Herstellung eines Membranfiltermoduls der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, welche insbesondere ein automatisiertes und qualitativ hochwertiges Herstellen ermöglicht.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, speziell für das Versiegeln von Kapillarmembranen mit einem Außendurchmesser von mehr als 0,5 mm, unterschiedliche aber gleichwertige Verfahren anzugeben. Erfindungsgemäß kommen hierbei ein Umknicken, ein Umschäumen, ein Schmelzen, ein Verstopfen und ein temperaturbedingtes Erstarren einer Siegelflüssigkeit in Betracht. Gemäß der ersten Alternative, werden die Längsenden der einzelnen Kapillarmembranen umgeknickt und dadurch versiegelt. Hierfür kann beispielsweise eine Platte verwendet werden, die die Längsenden der Kapillarmembranen simultan umknickt und dadurch die Kapillarmembranenden verschließt. Das Umknicken stellt hierbei einen rein mechanischen Vorgang dar und bietet beispielsweise im Vergleich zu anderen Versiegelungsverfahren den großen Vorteil, weder einen thermischen Spannungseintrag in die Kapillarmembranen zu bewirken, noch weitere Materialien, wie beispielsweise Klebstoff, verwenden zu müssen. Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Heizelement entlang der Längsenden der einzelnen Kapillarmembranen geführt und diese dadurch aufgeschmolzen und versiegelt. Ein derartiges Heizelement kann beispielsweise eine erhitzte Klinge oder Heizdraht sein, die entlang der zu versiegelnden Kapillarmembranenden gezogen wird. Wiederum alternativ ist denkbar, Stopfen in die einzelnen Längsenden der einzelnen Kapillarmembranen einzustecken und diese dadurch zu versiegeln. Die Stopfen können dabei an einer Platte angeordnet und als kegelförmige Stifte ausgebildet sein, wobei die Kapillarmembranen in diesem Fall in einer gegenüberliegenden Schablone angeordnet sind, um ein unbeabsichtigtes Ausweichen der Kapillarmembranenden beim Einführen der Stopfen zuverlässig vermeiden zu können. Wiederum alternativ ist denkbar, dass die Kapillarmembran an ihren Längsenden mit Polyurethanschaum umsprüht und dadurch versiegelt werden. Hierzu wird das Kapillarmembranbündel an beiden Enden mit PU-Schaum besprüht und somit versiegelt. Der hieraus resultierende Vorteil liegt in der verkürzten Herstellungszeit, da beide Enden simultan versiegelt werden können, während bei der Standpotting mit Harz die Aushärtezeit mitberücksichtigt werden muss. Hierbei kann die Restfeuchtigkeit der Kapillarmembranen für die schnelle Aushärtung und zugleich eine regelmäßige Schaumstruktur genutzt werden. Flüssiger PU-Schaum besprüht von unten die Kapillarenden, z.B. unter der Schablone, umhüllt und verschließt die Kapillarmembranenden und vermeidet das Eindringen der Vergussmasse nach dem Aushärten. Es ist des Weiteren denkbar, dass die Kapillarmembran mit ihren Längsenden in eine Flüssigkeit getaucht und nach dem Entnehmen unter den Schmelzpunkt der Flüssigkeit abgekühlt werden, woraufhin die Flüssigkeit erstarrt und dadurch die Kapillarmembranen versiegelt. Selbstverständlich können auch niederviskose Materialien, insbesondere Wasser, welches beim Unterschreiten des Gefrierpunktes erstarrt und dadurch die Kapillarenden verschließt, oder Paraffin, verwendet werden. Rein theoretisch muss dabei die Flüssigkeit, in welche die Kapillarmembran mit ihren jeweiligen Längsenden getaucht werden, lediglich eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts aufweist, wobei der Schmelzpunkt vorzugsweise zumindest Raumtemperatur beträgt, so dass bei einem Herausnehmen der Kapillarmembranenden aus der Flüssigkeit ohne zusätzliche Kühlung ein Erstarren derselben und ein Versiegeln der Kapillarmembranende erfolgt. Dies kann beispielsweise durch den Einsatz von Gelierungsmittel erreicht werden, deren Lösungen bei erhöhten Temperaturen flüssig sind und bei Raumtemperaturen gelieren (Agar, etc.), bzw. durch die Zugabe anderer Komponenten von Sol- in Gelform übergehen (Wasserglas/Kieselgel, etc.).
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Kapillarmembranen nach dem Versiegeln im Bereich ihrer Längsenden mit einer Vergussmasse umgossen, das heißt verpottet. Durch das Verpotten der einzelnen Kapillarmembranen kann das Kapillarmembranbündel fixiert und über den durch die Verpottung gebildeten Festkörper in einem Gehäuse einer Filtereinrichtung, insbesondere eines Membranfiltermoduls, fixiert werden. Dabei ist selbstverständlich darauf zu achten, dass die einzelnen Kapillarmembranen des Kapillarmembranbündels möglichst gleichmäßig auf den Querschnitt verteilt sind, um eine hohe Filterleistung erzielen zu können.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,
1a, b eine erste alternative Ausführungsform eines Verfahrens zur Versieglung von Längsenden einzelner Kapillarmembranen eines Kapillarmembranbündels durch Umknicken,
2 eine zweite alternative Ausführungsform eines Verfahrens zur Versieglung von Längsenden einzelner Kapillarmembranen eines Kapillarmembranbündels durch ein Aufschmelzen,
3 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durch ein Aufsprühen eines PU-Schaums,
4 eine Darstellung wie in den 1 und 2, jedoch bei einem Verstopfen der einzelnen Längsenden der Kapillarmembran.
Entsprechend den 1 bis 4 ist jeweils ein Verfahren zur Herstellung eines Kapillarmembranbündels 1 eines im Übrigen nicht gezeigten Membranfiltermoduls gezeigt, mit einer Vielzahl parallel angeordneter, Kapillarmembranen 2 mit jeweils einem Außendurchmesser von größer als 0,5 mm. Die Kapillarmembranen 2 haben üblicherweise einen Außendurchmesser von bis zu 3,0 mm. Zur Herstellung des Kapillarmembranbündels 1 werden zunächst einzelne Längsenden 3 der Kapillarmembranen 2 versiegelt, das heißt verschlossen. Erfindungsgemäß kann dies nun mittels unterschiedlicher, alternativer Verfahren erfolgen.
Bei dem gemäß der 1a und b gezeigten Verfahren werden die einzelnen Kapillarmembranen 2 an ihren Längsenden 3 umgeknickt und dadurch versiegelt. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer Platte 4. Diese Platte 4 wird unterhalb einer Unterseite einer Schablone 5 entlang gefahren und bewirkt ein mechanisches Umbiegen bzw. Umknicken der Längsenden 3 und damit ein Verschließen derselben. Diese alternative Ausführungsform bietet den großen Vorteil, dass die Längsenden 3 durch das Umbiegen bzw. Umknicken lediglich mechanisch belastet werden, jedoch weder eine Temperaturbelastung erfahren, noch eine chemische Belastung, beispielsweise durch eine Versiegelung 9 mittels eines Klebstoffs. Vorteilhaft geht hiermit auch kein zusätzlicher Materialverbrauch einher.
Bei der gemäß der 2 gezeigten alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Heizelement 6, beispielsweise eine erhitzte Klinge, entlang der Unterseite der Schablone 5 gefahren und dadurch die Längsenden 3 der einzelnen Kapillarmembranen 2 aufgeschmolzen und versiegelt. Selbstverständlich ist auch das Aufbringen eines Polyurethanschaums 11 aus einer Sprühdose 12, denkbar, durch welchen die Längsenden 3 der Kapillarmembranen 2 verschlossen werden, wie dies in 3 dargestellt ist. Hierbei kann die Restfeuchtigkeit der Kapillarmembranen 2 für die schnelle Aushärtung und zugleich eine regelmäßige Schaumstruktur genutzt werden. Wiederum alternativ hierzu können selbstverständlich die einzelnen Kapillarmembranen 2, vorzugsweise in einem bereits ausgerichteten Kapillarmembranbündel 1 in einen Klebstoff eingetaucht und dadurch versiegelt werden.
Betrachtet man die 4, so kann man in dieser ein weiteres alternatives Verfahren zur Herstellung eines Kapillarmembranbündels 1 eines Membranfiltermoduls erkennen, beim welche Stopfen 7 in die Längsenden der einzelnen Kapillarmembranen 2 eingesteckt und diese dadurch verschlossen werden. Die Stopfen 7 können dabei eine kegelartige Form aufweisen, mit einem maximalen Durchmesser, der dem Innendurchmesser der jeweiligen Kapillarmembranen 2 entspricht.
Bei einem wiederum hierzu alternativen und nicht gezeigten erfindungsgemäßen Verfahren werden die Kapillarmembranen 2 zunächst mit ihren Längsenden 3 in eine Flüssigkeit getaucht und nach dem Entnehmen unter den Schmelzpunkt dieser Flüssigkeit abgekühlt. Diese Flüssigkeit kann beispielsweise Wasser sein, welches anschließend unter den Gefrierpunkt abgekühlt wird und dadurch die Längsenden 3 der Kapillarmembranen 2 versiegelt.
Sämtlichen alternativen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei gemein, dass selbst Kapillarmembranen 2 mit größeren Durchmessern, insbesondere mit einem Außendurchmesser von mehr als 0,5 mm, zuverlässig versiegelt werden können. Nach dem Versiegeln erfolgt ein Verpotten des Kapillarmembranbündels 1, wozu dieses beispielsweise in eine Vorrichtung 8 (vgl. 1b) eingesteckt wird. Anschließend werden die Kapillarmembranen 2 im Bereich ihres Längsendes 3, das heißt insbesondere im Bereich ihrer Versiegelung 9 verpottet, das heißt mit einer Vergussmasse 10 umgossen. Hierzu kann selbstverständlich die Schablone 5 zuerst entnommen werden, insbesondere sofern es sich bei der Schablone 5 um eine wiederverwendbare Schablone handelt. Als Vergussmasse 10 kann beispielsweise Epoxidharz verwendet werden. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass die Schablone 5 mit vergossen wird.
Das Versiegeln und Verpotten der Kapillarmembranen 2 kann auch dadurch erfolgen, dass diese zuerst in die Schablone 5 eingelegt und dadurch ausgerichtet werden, woraufhin diese zusammen mit den darin gehaltenen Kapillarmembranen 2 in eine Form eingelegt und mit Paraffin vergossen wird, bis die Kapillarmembranenden und die Form komplett eingegossen sind. Anschließend wird das Modul mit Harz (Vergussmasse 10) verpottet. Nach dem Aushärten des Harzes wird die Form erhitzt, bis das Paraffin schmilzt. Abschließend wird die Schablone 5 entfernt und werden noch die überstehenden Kapillarmembranen 2 abgetrennt.
Je nach Eigenschaften der Kapillarmembranen 2, wie Außendurchmesser, Wandstärke, Flexibilität, Schmelzpunkt, Wassergehalt, etc., kann die eine oder andere der vorgeschlagenen Versiegelungsmethoden angewandt werden. Zum Beispiel ist das Verfahren mit dem Stopfen 7 (vgl. 4) besser geeignet für die Kapillarmembranen 2 mit größerem Durchmesser, da sich die größeren Stopfen 7 leichter herstellen, gegen die Kapillarmitte positionieren und in die Kapillarenden einführen lassen. Das Verfahren gemäß der 3 ist eher für Kapillarmembranen 2 mit kleinerem Durchmesser geeignet, da die Zugaben von kleinen Mengen PU-Schaum die Kapillarenden leicht verschließen können. Die Erfolgschancen die Kapillarmembranen 2 durch ein Heizelement 6 zu versiegeln (2), erhöhen sich in der Regel bei kleineren Durchmessern und größeren Wandstärken, allerdings kann das Verfahren stark von der Membranzusammensetzung abhängig sein und die Machbarkeit muss für jeden Einzelfall überprüft werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit seinen unterschiedlichen alternativen Ausführungsformen kann ein besonders einfaches aber dennoch zuverlässiges Versiegeln von Längsenden 3 der Kapillarmembran 2 eines Kapillarmembranbündels 1 erreicht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004004212 A1 [0002]
DE 102009017413 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kapillarmembranbündels (1) eines Membranfiltermoduls mit einer Vielzahl parallel angeordneter Kapillarmembranen (2) mit einem Außendurchmesser von größer als 0,5 mm, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Längsende (3) der Kapillarmembranen (2) versiegelt wird, indem – die Längsenden (3) der einzelnen Kapillarmembranen (2) umgeknickt und dadurch versiegelt werden, oder – ein Heizelement (6) entlang der Längsenden (3) der einzelnen Kapillarmembranen (2) geführt und diese dadurch aufgeschmolzen und versiegelt werden, oder – Stopfen (7) in die Längsenden (3) der einzelnen Kapillarmembranen (2) eingesteckt und diese dadurch versiegelt werden, oder – die Kapillarmembranen (2) an ihren Längsenden (3) mit Polyurethanschaum (11) umsprüht und dadurch versiegelt werden, oder – die Kapillarmembranen (2) mit ihren Längsenden (3) in eine Flüssigkeit getaucht und nach dem Entnehmen unter den Schmelzpunkt der Flüssigkeit abgekühlt werden, wodurch die Flüssigkeit erstarrt und die Kapillarmembranen (2) versiegelt.
Verfahren nach Anspruch 1, erste Alternative, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platte (4) verwendet wird, die die Längsenden (3) der Kapillarmembranen (2) simultan umknickt.
Verfahren nach Anspruch 1, dritte Alternative, dadurch gekennzeichnet, dass als Stopfen (7) kegelförmige Stifte verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, fünfte Alternative, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit Wasser verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillarmembranen (2) im Bereich ihrer Längsenden (3) mit einer Vergussmasse (10) umgossen, das heißt verpottet, werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Vergussmasse (10) ein Epoxidharz verwendet wird.