DE102016005663A1 - Verfahren und Vorrichtung zum endseitigen Verschweißen eines Membranröhrchen-Abschnitts für ein Membran-Element - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum endseitigen Verschweißen eines Membranröhrchen-Abschnitts für ein Membran-Element Download PDF

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Abstract

Zum endseitigen Verschließen eines Membranröhrchen-Abschnitts für ein Membran-Element, insbesondere ein Filtermembran-Element, wird ein zu verschließender Endbereich des Membranröhrchen-Abschnitts mit einer erwärmten Verschließvorrichtung in Anlage gebracht und zumindest angeschmolzen und verschlossen. Dabei wird die Verschließvorrichtung relativ zum Membranröhrchen-Abschnitt gedreht oder hin- und her geschwenkt. Eine entsprechende Vorrichtung besitzt eine Verschließvorrichtung, die mittels zumindest einer Heizvorrichtung erwärmbar ist und die eine Formfläche zur Anlage mit einem zu verschließenden Endbereich des Membranröhrchen-Abschnitts aufweist. Die Formfläche ist im Inneren einer Formbohrung ausgebildet, die in einem Gehäuse der Verschließvorrichtung vorgesehen ist. Das Gehäuse kann mittels einer Antriebsvorrichtung relativ zum Membranröhrchen-Abschnitt um eine Drehachse gedreht oder geschwenkt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum endseitigen Verschließen eines Membranröhrchen-Abschnitts für ein Membran-Element, insbesondere ein Filtermembran-Element, wobei ein zu verschließender Endbereich des Membranröhrchen-Abschnitts mit einer erwärmten Verschließvorrichtung in Anlage gebracht und zumindest angeschmolzen und verschlossen wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum endseitigen Verschließen eines Membranröhrchen-Abschnitts für ein Membran-Element, insbesondere ein Filtermembran-Element, mit einer Verschließvorrichtung, die mittels zumindest einer Heizvorrichtung erwärmbar ist und die eine Formfläche zur Anlage mit einem zu verschließenden Endbereich des Membranröhrchen-Abschnitts aufweist.
  • Bei der Mikrofiltration erfolgt die Abscheidung von Partikeln überwiegend an der Oberfläche einer porösen Membran. Die Membran weist Poren oder Durchlässe sehr geringen Durchmessers auf, so dass die abzuscheidenden Partikel die Membran nicht durchdringen können. Die fluide Phase einer zu filtrierenden Suspension kann die Membran dann durchströmen, während die Partikel zurückgehalten werden. Eine entsprechende Membran kann alternativ auch dazu genutzt werden, einen Fluidstrom, beispielsweise einen Luftstrom in eine Vielzahl von Einzelströmen zu unterteilen, was beispielsweise beim Aufschäumen einer Flüssigkeit, insbesondere Milch, vorteilhaft ist. Im Folgenden wird jedoch davon ausgegangen, dass die Membran zur Mikrofiltration verwendet wird, jedoch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt.
  • Rohrförmige Membrane werden häufig in der sogenannten dynamischen Mikrofiltration eingesetzt. Ein rohrförmiges Filtermembran-Element wird an seinem einen axialen Ende verschlossen und vor oder nach dem Verschließen an seinem entgegengesetzten axialen Ende mit einem Adapterteil aus Kunststoff versehen. Bei dem Adapterteil kann es sich beispielsweise um eine Anschlussbuchse für eine Fluidleitung oder ein sonstiges, für den Gebrauch des Filtermembran-Elementes notwendiges Funktionsteil handeln.
  • Die zu filtrierende Suspension kann entweder in den Innenraum des rohrförmigen Filtermembran-Elements eingeleitet werden, wobei die fluide Phase der Suspension die Wandung des Filtermembran-Elements durchströmt und auf diese Weise abgeführt wird, während die Partikel in dem Filtermembran-Element verbleiben. Es ist jedoch auch die umgekehrte Strömung möglich, d. h. zu filtrierende Suspension steht außenseitig des rohrförmigen Filtermembran-Elementes an und die fluide Phase durchdringt die Wandung des Filtermembran-Elementes, gelangt in dessen Innenraum und wird dort abgeführt, während die ausgefilterten Partikel außenseitig des Filtermembran-Elementes verbleiben.
  • In Abhängigkeit von der Größe und insbesondere dem Innendurchmesser des rohrförmigen Filtermembran-Elementes werden diese auch als Kapillarmembrane oder bei sehr kleinem Innendurchmesser auch als Hohlfasermembrane bezeichnet.
  • Zur Herstellung eines Filtermembran-Elementes wird ein Abschnitt von einem ”endlosen” Membranröhrchen abgetrennt. Bei dem Membranröhrchen kann es sich beispielsweise um ein schlauchartiges Kunststoff-Röhrchen mit Poren und Durchlässen geringen Durchmessers handeln. Der Membranröhrchen-Abschnitt wird in seinem einen Endbereich verschlossen und im anderen Endbereich mit dem Adapterteil versehen. Das Verschließen des Membranröhrchen-Abschnitts erfolgt üblicherweise dadurch, dass der Membranröhrchen-Abschnitt von einem Benutzer manuell mit einer erwärmten oder erhitzten Platte in Kontakt gebracht wird, wodurch das Kunststoff-Material anschmilzt oder aufschmilzt und dann durch Aufbringung von geringen Druckkräften verschlossen wird.
  • Die Durchflussmenge eines einzelnen rohrförmigen Filtermembran-Elementes ist aufgrund der sehr kleinen Dimension gering, so dass es üblich ist, eine Vielzahl von rohrförmigen Filtermembran-Elementen auf einem sogenannten Filtermembran-Modul zusammen zu fassen. Der Membranröhrchen-Abschnitt jedes einzelnen Filtermembran-Elementes muss manuell an einem Ende verschlossen werden. Dies ist sehr zeitaufwändig und somit kostenintensiv. Darüber hinaus muss sichergestellt sein, dass der Membranröhrchen-Abschnitt an seinem Ende zuverlässig verschlossen ist, so dass keine Kurzschlussströmung auftritt. Dies erfordert eine aufwändige und teure Qualitätskontrolle.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum endseitigen Verschließen eines Membranröhrchen-Abschnitts für ein Membran-Element, insbesondere ein Filtermembran-Element zu schaffen, mit dem sich ein zu verschließender Endbereich des Membranröhrchen-Abschnitts zuverlässig und in einfacher Weise verschließen lässt.
  • Darüber hinaus soll eine Vorrichtung zum endseitigen Verschließen eines Membranröhrchen-Abschnitts für ein Membran-Element, insbesondere ein Filtermembran-Element geschaffen werden, die in konstruktiv einfacher Weise aufgebaut ist.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Verschließvorrichtung beim Verschließen des Endbereichs relativ zum Membranröhrchen-Abschnitt gedreht oder geschwenkt wird.
  • Die Erfindung geht von der Grundüberlegung aus, dass ein großer Teil der unvollständig oder schlecht verschlossenen Membranröhrchen-Abschnitte darin begründet ist, dass der Benutzer den zu verschließenden Endabschnitt des Membranröhrchen-Abschnittes falsch oder zu lange mit der erwärmten Verschließvorrichtung punktuell in Kontakt bringt, wodurch auch ein Durchbrennen des Kunststoff-Materials auftreten kann. Dies wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, dass die erwärmte Verschließvorrichtung beim Verschließen des Endbereichs relativ zum Membranröhrchen-Abschnitt gedreht oder hin- und her geschwenkt wird.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der zu verschließende Endbereich des Membranröhrchen-Abschnitts in eine Formbohrung der Verschließvorrichtung eingeführt wird. Der Membranröhrchen-Abschnitt besitzt normalerweise eine kreiszylindrische Form. Auch die Formbohrung kann eine kreiszylindrische Form besitzen, so dass der Membranröhrchen-Abschnitt entweder mit geringem Spiel oder unter enger Passung in die Formbohrung eingeführt werden kann. Die Innenwandung der Formbohrung ist erwärmt, wodurch das Material des Membranröhrchen-Abschnitts zumindest in dem zu verschließenden Endbereich angeschmolzen wird. Vorzugsweise wird der zu verschließende Endabschnitt des Membran-Röhrchen-Abschnitts in der Formbohrung zusammengedrückt und dadurch verschlossen.
  • In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Zusammendrücken des zu verschließenden Endbereichs des Membranröhrchen-Abschnitts in einem sich konisch verjüngenden Abschnitt der Formbohrung erfolgt. Der sich konisch verjüngende Abschnitt der Formbohrung sorgt bei gleichzeitiger Drehung oder Schwenkung der Formbohrung relativ zu dem Membranröhrchen-Abschnitt für einen sicheren Verschluss des Membranröhrchen-Abschnitts. Die Formbohrung kann auch über ihre gesamte Länge mit einem sich konisch verjüngenden Querschnitt ausgebildet sein. Die Wandung der Formbohrung stabilisiert den Membranröhrchen-Abschnitt während dieses Vorgangs und verhindert ein seitliches Ausweichen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Membranröhrchen-Abschnitts während des Verschließens drehfest gehalten wird, während die Verschließvorrichtung mit der Formbohrung gedreht oder hin- und her geschwenkt wird. Zu diesem Zweck kann die Verschließvorrichtung drehangetrieben sein.
  • Die Temperatur der Verschließvorrichtung wird vorzugsweise in einem vorbestimmten Temperaturbereich mit hoher Genauigkeit gehalten. Die Temperatur, auf die die Verschließvorrichtung erwärmt wird, hängt von dem Aufbau des Membranröhrchen-Abschnitts und insbesondere von dessen Material ab und kann beispielsweise im Bereich von 220°C bis 250°C liegen.
  • In Weiterbildung der Erfindung kann ein Reinigungsmodus vorgesehen sein. In dem Reinigungsmodus wird die Verschließvorrichtung zumindest im Bereich der Formbohrung auf eine Reinigungstemperatur von ≥ 300°C erwärmt, wodurch Kunststoff-Teilchen oder Kunststoff-Reste, die an der Oberfläche der Verschließvorrichtung und insbesondere im Inneren der Formbohrung anhaften, verbrannt werden. Die Reinigungstemperatur sollte im Bereich von 350°C bis 450°C liegen.
  • In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die oben genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Formfläche im Inneren einer Formbohrung ausgebildet ist, dass die Formbohrung in einem Gehäuse der Verschließvorrichtung ausgebildet ist und dass das Gehäuse mittels einer Antriebsvorrichtung relativ zum Membranröhrchen-Abschnitt um eine Drehachse drehbar oder schwenkbar ist. Der Membranröhrchen-Abschnitt wird mit seinem zu verschließenden Endbereich in die erwärmte, sich drehende oder schwenkende Formbohrung eingeführt. Dadurch wird das Material des Endbereichs angeschmolzen und durch die von der Wandung der Formbohrung als Reaktionskraft ausgeübten Druckkräfte verschlossen.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Formbohrung koaxial zur Drehachse des Gehäuses verläuft.
  • Die Formbohrung besitzt eine nach außen mündende Einführöffnung und einen am entgegengesetzten Ende liegenden Abschnitt, der vorzugsweise als sich konisch verjüngender Abschnitt ausgebildet ist, so dass auf den zu verschließenden Endbereich des Membranröhrchen-Abschnitts beim Einführen in die Formbohrung durch die Wandung des sich konisch verjüngenden Abschnitts radial nach innen wirkende Druckkräfte aufgebracht werden, die den Endbereich verschließen. Die Formbohrung kann auch über ihre gesamte Länge mit einem sich konisch verjüngenden Querschnitt ausgebildet sein.
  • Das Gehäuse, in dem die Formbohrung ausgebildet ist, wird erwärmt und vorzugsweise in einem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten. Zu diesem Zweck kann dem Gehäuse eine äußere 1. Heizvorrichtung und/oder eine innere 2. Heizvorrichtung zugeordnet sein. Die äußere 1. Heizvorrichtung bezeichnet zumindest ein Heizelement und insbesondere ein Widerstands-Heizelement, das auf der Außenseite des Gehäuses angeordnet ist. Die innere 2. Heizvorrichtung ist vorzugsweise von einem Kanalsystem im Inneren des Gehäuses gebildet, das von einer erwärmten oder heißen Flüssigkeit oder einem Gas durchströmt ist und auf diese Weise das Gehäuse von innen heraus erwärmt. Alternativ kann die innere 2. Heizvorrichtung auch von einem Heizelement und insbesondere einem Widerstands-Heizelement gebildet sein.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist zumindest ein Temperatursensor vorgesehen, der mit einer Steuereinheit verbunden ist. Aufgrund der Daten des Temperatursensors kann die Temperatur des Gehäuses und/oder der Formfläche mittels der Steuereinheit in einen vorbestimmten Temperaturbereich gehalten werden.
  • Das Gehäuse kann entweder vollständig oder zumindest in dem Bereich, in dem die Formbohrung ausgebildet ist, aus Keramik oder Metall bestehen.
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:
  • 1 Einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum endseitigen Verschließen eines Membranröhrchen-Abschnitts für ein Filtermembran-Element vor dem Einführen des Membranröhrchen-Abschnitts und
  • 2 die Vorrichtung gemäß 1 mit eingeführtem und verschlossenen Membranröhrchen-Abschnitt.
  • 1 zeigt ein Schnitt durch eine Verschließvorrichtung 10, mit der ein rohrförmiges Membran-Element, insbesondere ein Filtermembran-Element F zur Mikrofiltration verschlossen wird. Das Filtermembran-Element F besitzt einen Membranröhrchen-Abschnitt S aus Kunststoff, der an seinem einen, gemäß 1 linken Ende mit einem Adapterteil A aus Kunststoff verbunden ist, das eine Anschlussbuchse für eine Fluidleitung bildet. An seinem entgegengesetzten, gemäß 1 rechten Endbereich E ist der Membranröhrchen-Abschnitt S noch offen.
  • Die Verschließvorrichtung 10 weist ein vorzugsweise aus Keramik bestehendes Gehäuse 11 auf, in dem eine Formbohrung 12 ausgebildet ist, deren Innenwandung eine Formfläche 25 bildet. Die Formbohrung 12 besitzt an ihrem inneren Ende einen sich konisch verjüngenden Abschnitt 13. Das Gehäuse 11 ist mittels einer nur schematisch angedeuteten Antriebsvorrichtung 14 um eine Drehachse L drehbar oder hin- und her schwenkbar, wie es durch den Doppelpfeil R angedeutet ist. Die Drehachse L des Gehäuses 11 fällt mit der Längsachse der Formbohrung 12 zusammen.
  • In dem Gehäuse 11 ist nahe der zylindrischen Wandung der Formbohrung 12 ein 1. Temperatursensor 21 angeordnet, der über eine Leitung 23 mit einer Steuereinheit 17 verbunden ist. Im Bereich des konischen Abschnitts 13 der Formbohrung 12 ist ein 2. Temperatursensor 22 angeordnet, der über eine Leitung 24 mit der Steuereinheit 17 verbunden ist.
  • Auf der Außenseite des Gehäuses ist eine äußere 1. Heizvorrichtung 15 angeordnet, bei der es sich insbesondere um eine elektrische Widerstandsheizung handeln kann. Die 1. Heizvorrichtung 15 steht über eine Leitung 18 mit der Steuereinheit 17 in Verbindung.
  • Im Inneren des Gehäuses ist eine innere 2. Heizvorrichtung 16 vorgesehen, bei der es sich entweder ebenfalls um eine elektrische Widerstandsheizung oder auch um ein Kanalsystem handeln kann, in dem ein erwärmtes oder heißes Fluid (Flüssigkeit oder Gas) strömt. Die 2. Heizvorrichtung 16 ist über eine Leitung 20 mit der Steuereinheit 17 verbunden.
  • Zusätzlich ist die Steuereinheit 17 auch über eine Leitung 19 mit der Antriebsvorrichtung 14 verbunden.
  • Um den gemäß 1 rechten Endbereich E des Membranröhrchen-Abschnitts S zu verschließen, wird der Membranröhrchen-Abschnitt S mit seinem zu verschließenden Endbereich E in die Formbohrung 12 des erwärmten Gehäuses 11 eingeführt. Dies kann entweder dadurch geschehen, dass der Membranröhrchen-Abschnitt axial vorgeschoben und in die Formbohrung 12 eingebracht wird, alternativ ist es jedoch auch möglich, das Adapterteil und den Membranröhrchen-Abschnitt S ortsfest zu halten und die Verschließvorrichtung gemäß 1 nach links zu verschieben, so dass der Membranröhrchen-Abschnitt S in die Formbohrung eintritt.
  • Aufgrund der Erwärmung des Gehäuses 11 und somit der Wandung der Formbohrung 12 wird das Material des Membran-Röhrchen-Abschnitts S ebenfalls erwärmt. Dabei sind die Temperaturen so abgestimmt, dass der Membranröhrchen-Abschnitt S in seinem zu verschließenden Endbereich anschmilzt. Durch den konischen Abschnitt 13 wird auf den zu verschließenden Endbereich E des Membranröhrchen-Abschnitts S eine radial nach innen gerichtete Druckkraft aufgebracht, wodurch der Endbereich E zusammengedrückt und verschlossen wird. Dieser Zustand ist in 2 dargestellt.
  • Durch die gleichzeitige Drehung des Gehäuses 11 um die Drehachse L wird einerseits verhindert, dass das Kunststoff-Material des Membranröhrchen-Abschnitts S an der Wandung der Formbohrung 12 anhaftet und andererseits ist sichergestellt, dass es nicht zu übermäßigen örtlichen Erhitzungen des Kunststoff-Materials des Membranröhrchen-Abschnitts S kommt.
  • Anschließend wird das Filtermembran-Element F und damit auch der Membranröhrchen-Abschnitt S aus der Formbohrung 12 wieder herausgezogen, wobei er anschließend abkühlt, so dass der Membranröhrchen-Abschnitt S fest verschlossen ist.
  • Mittels der Steuereinheit 17, die die 1. Heizvorrichtung 15 und die 2. Heizvorrichtung 16 in Abhängigkeit von den festgestellten IST-Temperaturen an dem 1. Temperatursensor 21 und dem 2. Temperatursensor 22 ansteuert, wird die Temperatur des Gehäuses 11 und insbesondere der Formbohrung 12 in einem gewünschten Temperaturbereich gehalten.
  • Die Verschließvorrichtung 10 kann in einem Reinigungsmodus betrieben werden. Zu diesem Zweck werden die 1. Heizvorrichtung 15 und/oder die 2. Heizvorrichtung 16 von der Steuereinheit 17 so angesteuert, dass die Temperatur im Gehäuse 11 und insbesondere an der Wandung der Formbohrung 12 auf einen hohen Wert von beispielsweise ca. 400°C gebracht wird, wodurch eventuell anhaftende Kunststoff-Reste verbrannt werden.

Claims (14)

  1. Verfahren zum endseitigen Verschließen eines Membranröhrchen-Abschnitts (S) für ein Membran-Element (F), wobei ein zu verschließender Endbereich (E) des Membranröhrchen-Abschnitts (S) mit einer erwärmten Verschließvorrichtung (10) in Anlage gebracht und zumindest angeschmolzen und verschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließvorrichtung (10) beim Verschließen des Endbereichs (E) relativ zum Membranröhrchen-Abschnitt (S) gedreht oder geschwenkt (Pfeil R) wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verschließende Endbereich (E) des Membranröhrchen-Abschnitts (S) in eine Formbohrung (12) der Verschließvorrichtung (10) eingeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verschließende Endbereich (E) des Membranröhrchen-Abschnitts (S) in der Formbohrung (12) zusammengedrückt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammendrücken des zu verschließenden Endbereichs (E) des Membranröhrchen-Abschnitts (S) in einem sich konisch verjüngenden Abschnitt (13) der Formbohrung (12) erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließvorrichtung (10) drehangetrieben wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Verschließvorrichtung (10) in einem vorbestimmten Temperaturbereich gehalten wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschließvorrichtung (10) in einem Reinigungsmodus auf eine Reinigungstemperatur ≥ 300°C erwärmt wird, so dass anhaftende Kunststoff-Teilchen verbrannt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigungstemperatur im Bereich von 350°C bis 450°C liegt.
  9. Vorrichtung zum endseitigen Verschließen eines Membranröhrchen-Abschnitts (S) für ein Membran-Element (F), mit einer Verschließvorrichtung (10), die mittels zumindest einer Heizvorrichtung (15, 16) erwärmbar ist und die eine Formfläche (25) zur Anlage mit einem zu verschließenden Endbereich (E) des Membranröhrchen-Abschnitts (S) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Formfläche (25) im Inneren einer Formbohrung (12) ausgebildet ist, dass die Formbohrung (12) in einem Gehäuse (11) der Verschließvorrichtung (10) ausgebildet ist und dass das Gehäuse (11) mittels einer Antriebsvorrichtung (14) relativ zum Membranröhrchen-Abschnitt (S) um eine Drehachse (L) drehbar oder schwenkbar ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbohrung (12) koaxial zur Drehachse (L) des Gehäuses (11) verläuft.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Formbohrung (12) einen sich konisch verjüngenden Abschnitt (13) aufweist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gehäuse (11) eine äußere 1. Heizvorrichtung (15) und/oder eine innere 2. Heizvorrichtung (16) zugeordnet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Temperatursensor (21, 22) vorgesehen ist, der mit einer Steuereinheit (17) verbunden ist, wobei die Temperatur des Gehäuses (11) und/oder der Formfläche (25) mittels der Steuereinheit (17) in einem vorbestimmten Temperaturbereich steuerbar ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11) aus Keramik oder Metall besteht.
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