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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung für die Wasserreinigung umfassend einen Zulauf für das verunreinigte Wasser, einen Ablauf sowie ein im Strömungsweg zwischen Zulauf und Ablauf untergebrachtes Filtermaterial, wobei das zu reinigende Wasser in der Filtervorrichtung in mindestens einem Teilabschnitt seines Strömungsweges einen spiralförmigen Strömungskanal mit Schneckengängen durchfließt und das Filtermaterial in dem spiralförmigen Strömungskanal untergebracht ist.
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Dränagen entwässern vorwiegend den landwirtschaftlich genutzten Boden, der andernfalls wegen Vernässung nicht oder nur eingeschränkt nutzbar wäre. Das in Dränagen gesammelte Wasser ist mit Nähr- und Schadstoffen aus der Pflanzendüngung und -behandlung (Phosphor, Stickstoff, Pflanzenschutzmittel, Veterinärpharmaka etc.) belastet. Es wird in der Regel unbehandelt in die Gewässer eingeleitet. Gelegentlich sind Dränageleitungen mit reaktivem Material (z.B. Kokosmatten) ummantelt. Damit soll das Wasser vor dem Eindringen in die Leitungen von Nährstoffen durch Rückhalt bzw. Abbau befreit werden. Ebenso werden vereinzelt parallel zum Fließgewässer, welches das Dränwasser aufnimmt, Gräben oder Schächte angelegt, in denen das gesammelte Wasser über reaktives Material (z.B. Stroh) vor der Einleitung in das Fließgewässer geführt wird.
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Mit den vorgenannten Lösungen können ausschließlich Nährstoffe zurückgehalten bzw. abgebaut werden. Die Reinigung basiert auf bakteriellem und damit temperaturabhängigem Abbau. Deshalb sind diese Systeme hinsichtlich Ihrer Wirkung jahreszeitlich limitiert. Der Zustand des reaktiven Materials in den Ummantelungen der Dränleitungen kann nicht kontrolliert werden. Dies ist insofern wesentlich, da es im Laufe der langen Einsatzzeiten verrottet. Ein Ersatz ist wegen des damit verbundenen Aufwands nicht möglich. Häufig sind auch für die Anlage von Drängräben die Flächen nicht verfügbar.
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In der
EP 1 293 688 A1 wird eine Filtervorrichtung beschrieben, bei der ein helikaler Draht verwendet wird, der einen Schlitz definiert, durch den die zu filternde Flüssigkeit strömt. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich um eine Art Sieb, bei dem Feststoffpartikel, die nicht durch den Schlitz hindurchgehen, zurückgehalten werden und im Außenbereich der Vorrichtung verbleiben. Im Wasser gelöste Verunreinigungen wie Salze oder organische Flüssigkeiten lassen sich bei dieser bekannten Vorrichtung nicht herausfiltern.
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Die
WO 2014/111 265 A2 beschreibt ein Filtermaterial für ein Fluid sowie eine Drainagelage für ein solches Filtermaterial. Die Drainagelage ist als äußere Lage an der Abströmseite einer Filtermatte vorgesehen. Netzförmige miteinander verbundene Linienelemente in dem Filtermaterial können als Filamente, Garne, Fäden oder Fasern aus Kunststoff oder Metall ausgebildet sein und sind Bestandteil eines Siebes, Geflechts, Gewebes oder Gewirkes. Es können Linienelemente der Drainagelage mit einem bogenförmigen Verlauf vorgesehen sein. Bei diesem bekannten Filterelement erstreckt sich das Filtermaterial zwischen einem rohrförmigen äußeren Gehäusemantel und einem inneren fluiddurchlässigen Stützrohr. Bei dieser Vorrichtung wird die Filtermatte von außen nach innen hin, d.h. im Wesentlichen radial durchströmt. Zudem handelt es sich um eine Filtervorrichtung für Hydraulikflüssigkeiten.
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Aus der
DE 10 2010 044 971 B4 ist eine Filtervorrichtung für einen Straßenablauf zum Reinigen von mit Feststoffpartikeln und/oder gelösten Schadstoffen belastetem Wasser mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung bekannt, bei der in Strömungsrichtung zwischen Zulauf und Ablauf wenigstens eine Filtereinheit vorgesehen ist, wobei der Zulauf mittels einer Strömungsbrücke unter Umgehung der Filtereinheit mit einer unterhalb dieser angeordneten Absetzkammer für das verunreinigte Wasser verbunden ist und die Filtereinheit in Strömungsrichtung zwischen der Absetzkammer und dem Ablauf angeordnet ist und von verunreinigtem Wasser im Aufstrom durchströmbar ist. Dabei ist die Strömungsbrücke durch wenigstens einen vom Zulauf abgehenden Beruhigungskanal gebildet, der derart ausgebildet ist, dass verunreinigtes Wasser zwischen dem Zulauf und der Absetzkammer eine turbulenzvermindernde Beruhigungsstrecke durchströmt, wobei dieser Beruhigungskanal spiral-, wendel-, oder helixförmig ausgebildet sein kann. Bei dieser bekannten Filtervorrichtung befindet sich die Filtereinheit in einem mittigen Bereich und der Filtervorgang erfolgt, indem das dort vorhandene Filtermaterial in axialer Richtung durchströmt wird. Entsprechend wird hier der Filterweg, den das verunreinigte Wasser zurücklegt, durch die kurze axiale Strecke bestimmt.
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Nachteilig ist bei der aus der
DE 10 2010 044 971 B4 bekannten Vorrichtung, dass der Filterweg, den das verunreinigte Wasser beim Durchströmen der Filtervorrichtung zurücklegt, vergleichsweise kurz ist, wodurch die Filterwirkung nicht ausreichend effektiv ist.
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In der
EP 1 702 661 A1 wird ein Filterstrumpf zur Filterung von Schmutzpartikeln aus einem Fluid beschrieben, welcher über ein Rohr gezogen wird, in dem sich eine Vielzahl von Radialbohrungen befindet. Das zu filternde Medium wird hier erst durch den Filterstrumpf gefiltert und tritt dann über die Radialbohrungen in den inneren Hohlraum des Rohres ein, aus dem es abgesaugt werden kann. Umgekehrt kann das Fluid auch unter Druck in das Rohr eingespeist werden, durch die radialen Öffnungen hindurchströmen und dann durch den Filterstrumpf nach außen hin austreten. Bei dieser Filtervorrichtung ist kein spiralförmiger Strömungsweg vorhanden und das Fluid durchströmt die Filtervorrichtung nicht in axialer Richtung. Es wird daher kein langer Filterweg erreicht. Als Filtervorrichtung dient der Filterstrumpf und nicht ein Filtermedium in einem spiralförmigen Strömungskanal.
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Aus der
WO 82/02150 A1 ist eine Filtervorrichtung zur Wasserreinigung bekannt, die einen Behälter mit einem zylinderförmigen Mantel, einen Zulauf, einen Ablauf sowie einen aus spiralförmigen Trennwänden gebildeten Strömungskanal mit darin untergebrachtem Filtermaterial aufweist, wobei die den spiralförmigen Strömungskanal umfassende Filterkammer im Hohlraum zwischen den spiralförmig angeordneten Trennwänden und der Innenwand des zylinderförmigen Mantels gebildet ist. Als Filtermaterial kann zum Beispiel Aktivkohle als absorbierendes Material eingesetzt werden. Die radial äußere Begrenzung der entstehenden Filterkammer schließt an die Innenwand des äußeren Mantelrohrs an.
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Die aus der
WO 82/02150 A1 bekannte Filtervorrichtung ist für den Anschluss an einen Wasserhahn über eine entsprechende Kupplung vorgesehen, wobei das zu filtrierende Wasser von oben her einströmt. Das Wasser strömt dann nach dem Einlaufen in einer horizontalen Strömung von dem mittigen Zufluss aus spiralförmig durch die Filtervorrichtung von radial innen nach radial außen und strömt dabei durch das Filtermaterial, um dann nach unten hin aus der Vorrichtung auszuströmen. Diese bekannte Filtervorrichtung hat nur eine enge Zuflussöffnung und einen im Verhältnis zu dieser Zuflussöffnung großen Durchmesser. Ein Einsatz dieser Vorrichtung als Dränage in einem Rohr-in Rohr-System ist daher nicht möglich ebenso wenig wie deren Einbau in eine horizontale Dränage. Auf dem spiralförmigen Strömungsweg durch das Filtermaterial wird hier von dem Fluid keine axiale Strecke zurückgelegt, sondern das Fluid strömt im Prinzip auf gleicher axialer Höhe spiralförmig von innen nach außen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Filtervorrichtung der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, die einen effizienten Rückhalt für alle unerwünschten Wasserinhaltsstoffe schafft, dazu eine größere Sorptionsfläche zur Verfügung stellt, die im Verhältnis zu ihrem Durchmesser an der Zulaufseite ein größeres Volumen des zu filternden Fluids aufnehmen kann und die sich für eine vertikal oder auch horizontal verlegte Dränage eignet.
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Die Lösung dieser Aufgabe liefert eine erfindungsgemäße Filtervorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schneckengänge in Achsrichtung des Strömungskanals jeweils axial hintereinander angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weisen die Schneckengänge über die Länge des spiralförmigen Strömungskanals einen jeweils etwa gleichbleibenden äußeren Durchmesser auf.
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Weiterhin ist bevorzugt der Strömungskanal helikal ausgebildet und das verunreinigte Fluid (Wasser) durchströmt den Strömungskanal helikal um eine mittige Schneckenachse herum.
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Die erfindungsgemäße Filtervorrichtung kann sowohl horizontal als auch vertikal betrieben werden und eignet sich daher zum Beispiel für eine horizontal verlegte Dränage. Der Kontakt zwischen dem zu reinigenden Wasser und dem eingesetzten Material zur Reinigung wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine spiralförmige helikale Bewegung des Fluids mit axialem Vorschub durch die in axialer Richtung hintereinander angeordneten Schneckengänge erreicht. Diese Kombination führt zu einer Verlängerung der Fließwege im System und damit zu optimierten Kontaktzeiten.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst die Filtervorrichtung ein äußeres Mantelrohr und eine in dieses äußere Mantelrohr eingesetzte Spirale mit Schneckengängen, wobei eine den spiralförmigen Strömungskanal umfassende Filterkammer, die das Filtermaterial aufnimmt, in dem Hohlraum zwischen den Schneckengängen der Spirale und der Innenwand des äußeren Mantelrohrs gebildet ist.
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Die Erfindung schafft eine Filtervorrichtung, die geeignet ist, alle unerwünschten Wasserinhaltsstoffe effizient zurück zu halten. Der Stoffrückhalt erfolgt unabhängig von saisonalen Faktoren. Die Filtervorrichtung stellt ein austauschbares regenerierbares System dar. Es ist ein einfacher Zugriff auf das Behandlungssystem gegeben. Da das zu reinigende Wasser einen spiralförmigen Strömungskanal mit dem Filtermaterial durchströmt, sind ein wesentlich längerer Strömungsweg und ein besserer Kontakt mit dem adsorbierenden Filtermaterial gegeben.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass das verunreinigte Wasser durch eine zulaufseitig an der Stirnseite des äußeren Mantelrohrs angeordnete Platte mit Perforationen in die Filterkammer einströmt. Je nach Wasserandrang kann das einströmende Wasser mehr oder weniger Fläche beanspruchen, d.h. es ist eine flexible Inanspruchnahme der Zutrittsfläche für das zu filternde Fluid gegeben. Am Ende der Vorrichtung wird das gefilterte Wasser je nach Wasserandrang ausgelassen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Durchmesser der stirnseitigen Zutrittsfläche somit etwa so groß sein wie der gesamte Durchmesser der Vorrichtung. Die Filtervorrichtung kann in einem Rohr-in Rohr-System zum Beispiel in Dränagen eingesetzt werden.
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Weiterhin ist vorzugsweise die Spirale als Hohlkörper ausgebildet ist und dieser Hohlkörper an der Zulaufseite und an der Auslaufseite jeweils über ein Verschlusselement verschließbar, so dass bei Bedarf nach Öffnen des Verschlusselements eine Strömung von Wasser durch das Innere des Hohlkörpers möglich ist, ohne dass die Filterkammer durchströmt wird. Das Verschlusselement an der Auslaufseite kann beispielsweise ein den Hohlkörper im zentrischen Bereich der Spirale verschließender Verschlussstopfen sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung besteht die Möglichkeit, unbehandeltes Wasser über die als Rohr ausgeführte Achswelle von der Auslaufseite her zu entnehmen. Damit kann der Reinigungseffekt auch bei Unzugänglichkeit der Zulaufseite (wie zum Beispiel bei Dränagen gegeben) kontrolliert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann man vorzugsweise an der Manteloberseite in Höhe eines oder mehrerer Hohlraumabschnitte, beispielsweise in Höhe eines jeden Hohlraumabschnitts (Schneckengangs) der Schnecke, Entlüftungsöffnungen zur Optimierung des Wasserdurchsatzes vorsehen.
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Bevorzugt liegt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung das Filtermaterial in Form von adsorbierendem Schüttgut vor, wobei zum Beispiel granulierte Aktivkohle oder ein anderes geeignetes Adsorptionsmaterial verwendet werden kann.
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Bevorzugt ist die Spirale in dem äußeren Mantelrohr so angeordnet, dass die radial äußere Begrenzung ihrer Schneckengänge unmittelbar an die Innenwand des äußeren Mantelrohrs anschließt.
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Die erfindungsgemäße Filtervorrichtung liefert somit ein System, mittels dessen es möglich ist, eine wässrige Flüssigkeit nach Eindringen in die Filterkammer (Filterpatrone) in Längsrichtung spiralförmig durch adsorptives Material fortzubewegen. Um ein hohes Maß an Sorptionsfläche zu erreichen, sind die Steigung und Gangtiefe der Spirale entsprechend der jeweiligen Anwendung optimal auslegbar. Die Schneckenwelle ist bevorzugt innen hohl. Wenn an der Auslaufseite auf der Schneckenwelle ein Stopfen aufgebracht ist, kann dieser Stopfen im Bedarfsfall (z.B. zur Analyse des unbehandelten Wassers) entfernt werden, so dass das Dränwasser dann ungereinigt die Vorrichtung passieren kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann man auch vorsehen, dass sich ein Stopfen an der Auslaufseite der Schneckenwelle beispielsweise in Abhängigkeit vom anliegenden Wasserdruck automatisch öffnet, wobei zum Beispiel eine mit der Verschlussvorrichtung verbundene Rückzugsfeder vorgesehen sein kann, so dass die Öffnung durch die Verschlussvorrichtung wieder geschlossen werden kann, wenn der Wasserdruck nachlässt.
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Vorteile der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung sind ihre einfache Einbaubarkeit und Austauschbarkeit. Die Filtervorrichtung ist regenierbar und einfach in der Handhabung. Sie stellt keine Störung für die Landbewirtschaftung dar, da ihr Einbau von der Gewässerseite her erfolgt. Sie bietet die Möglichkeit ein großes Spektrum an Substanzen zurück zu halten. Aufgrund des spiralförmigen Strömungswegs durch die Filterkammer kann das Adsorptionsmaterial optimal ausgenutzt werden.
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Die Filtervorrichtung kann beispielsweise aus Kunststoff hergestellt sein, so dass sich ein biegsames System ergibt, zur Erleichterung des Einbaus bei beengten Verhältnissen.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin eine Dränageeinrichtung, insbesondere für die Entwässerung von landwirtschaftlich genutztem Boden, umfassend wenigstens eine Filtervorrichtung mit den Merkmalen der vorgenannten Art. Die Filtervorrichtung kann beispielsweise von der Gewässerseite in Dränrohre eingebaut werden. Das mit Schad- und Nährstoffen belastete Dränwasser tritt nach dem Erreichen einer entsprechenden Einstauhöhe im Dränrohr in den Filter ein und kommt beim spiralförmigen Durchfließen optimal mit dem Adsorptionsmaterial in Kontakt. Unerwünschte Wasserinhaltsstoffe werden effektiv zurückgehalten. Die Standzeiten bis zur Erschöpfung des Filtermaterials belaufen sich nach ersten Laborversuchen beispielsweise auf geschätzt mehr als ein Jahr. Bei vollständiger Beladung der Sorptionsplätze ist das Filtermaterial auszutauschen, wobei das Filtermaterial regeneriert werden kann.
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Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.
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Dabei zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Filtervorrichtung;
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2 eine explodierte Ansicht der Filtervorrichtung von 1, so dass die Spirale und das äußere Mantelrohr separat erkennbar sind;
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3 eine stirnseitige Ansicht der Filtervorrichtung von 1;
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4 einen Querschnitt durch die Spirale der Filtervorrichtung senkrecht zu ihrer Längsachse.
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Nachfolgend wird zunächst auf 1 Bezug genommen. Diese zeigt beispielhaft in perspektivischer Darstellung eine erfindungsgemäße Filtervorrichtung, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel hat die Filtervorrichtung ein etwa zylindrisches äußeres Mantelrohr 11. Das Mantelrohr kann aber auch eine davon abweichende, beispielsweise im Querschnitt rechteckige oder polygonale Geometrie aufweisen. Dieses Mantelrohr 11 hat an seiner Einlaufseite eine runde Platte 12, die das äußere Mantelrohr stirnseitig verschließt. Diese stirnseitige Platte 12 ist mit Perforationen 13 versehen, die über ihre Fläche verteilt angeordnet sind und kleinere Durchflussöffnungen bilden für den Eintritt das zulaufenden Wassers in den Hohlraum des Mantelrohrs 11. In das Mantelrohr 11 ist in konzentrischer Anordnung in axialer Richtung eine Spirale 15 eingeschoben, die so dimensioniert ist, dass die äußere Begrenzung ihrer Schneckengänge unmittelbar an die Innenwand des äußeren Mantelrohrs 11 anschließt, so dass die Schneckengänge der Spirale 15 radial außen zur Innenwand des Mantelrohrs 11 hin dicht abschließen.
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Nach dem Durchtritt durch die Perforationen 13 der stirnseitigen Platte 12 gelangt das verunreinigte Wasser in die Filterkammer 14, die gebildet wird durch den Hohlraum zwischen den Schneckengängen der Spirale 15 und der Innenwand des äußeren Mantelrohrs 11 außen, so dass sich das eintretende Wasser auf einem spiralförmigen Strömungsweg entlang der Schneckengänge der Spirale 15 durch die Filterkammer 14 bewegt. Diese Filterkammer 14 ist mit einem Adsorbens 16, beispielsweise granulierter Aktivkohle gefüllt, die ein Filterbett in der Filterkammer 14 bildet, welches von dem durchfließenden Wasser durchströmt wird. Durch diese spiralförmige Anordnung ist der Strömungsweg des Wassers durch die Filterkammer 14 um ein vielfaches länger als es bei einer rein axialen Strömung durch das Mantelrohr 11 der Fall wäre.
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Die einzelnen Schneckengänge 15a der Spirale 15 der Filterkammer liegen in axialer Richtung der Filtervorrichtung gesehen hintereinander und das Fluid durchströmt den Hohlraum zwischen den Schneckengängen der Spirale 15 in einem helikalen Strom, wobei ein langer Fließweg zurückgelegt wird. Der äußere Durchmesser der jeweiligen Schneckengänge bleibt bevorzugt über die Länge der Spirale jeweils in etwa gleich, so dass man die Spirale in ein zylindrisches Mantelrohr 11 einbringen kann.
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2, auf die nachfolgend Bezug genommen wird, zeigt eine explodierte Ansicht der Filtervorrichtung von 1, so dass die Spirale 15 und das äußere Mantelrohr 11 separat erkennbar sind. Man sieht, dass die Spirale 15 mehrere beabstandete Schneckengänge 15a, 15b aufweist ähnlich wie eine Extruderschnecke oder eine Spindel. Die Spirale hat eine zentrische Schneckenachse 15c, die rohrförmig ist und als Hohlkörper ausgebildet ist, so dass bei Bedarf eine Umgehung der regulären Strömung durch die Schneckengänge möglich ist, bei der das Wasser durch den mittigen rohrförmigen Hohlraum 15d der Schneckenachse 15c fließt. Dies kann man besser in der Schnittdarstellung der Spirale 15 gemäß 4 erkennen.
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In 3, auf die nachfolgend Bezug genommen wird, ist die erfindungsgemäße Filtervorrichtung 10 von der Stirnseite her dargestellt. Man erkennt, dass das äußere zylindrische Mantelrohr 11 an der Stirnseite durch eine Platte 12 abgedeckt ist, die mit einer Vielzahl kleinerer Perforationen 13 versehen ist, durch die das Wasser in den Hohlraum der Filterkammer einströmen kann. In der Mitte der Stirnseite, dort wo sich im Inneren des Mantelrohrs 11 die Schneckenachse 15c (hier nicht dargestellt) befindet, ist ein abnehmbarer Stopfen 17 befestigt, welcher den Hohlraum 15d im Inneren der Schneckenachse (siehe 4) verschließt. Wenn man diesen Stopfen 17 entfernt, ergibt sich ein das Filterbett umgehender alternativer Strömungsweg in rein axialer Richtung mittig durch diesen rohrförmigen Hohlraum 15d. Dies kann zum Beispiel dann interessant sein, wenn man eine Analyse des unbehandelten Wassers durchführen möchte.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Filtervorrichtung
- 11
- Mantelrohr
- 12
- stirnseitige Platte
- 13
- Perforationen
- 14
- Filterkammer
- 15
- Spirale, spiralförmiger Strömungskanal
- 15a
- Schneckengang
- 15b
- Schneckengang
- 15c
- Schneckenachse
- 15d
- mittiger rohrförmiger Hohlraum
- 16
- Adsorbens, Filtermaterial
- 17
- Stopfen, Verschlusselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1293688 A1 [0004]
- WO 2014/111265 A2 [0005]
- DE 102010044971 B4 [0006, 0007]
- EP 1702661 A1 [0008]
- WO 82/02150 A1 [0009, 0010]
