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Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung, mit einem Filterelement, das mit vorgebbarer axialer Baulänge in einem Filtergehäuse aufgenommen ist und das ein filterndes Elementmaterial aufweist, das eine fluiddurchlässige Strömungsleiteinrichtung umfasst.
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Filtervorrichtungen dieser Art sind in einer Vielzahl von Ausgestaltungen und mit auswechselbaren Filterelementen, die unterschiedlichen Spezifikationen entsprechen, Stand der Technik. Beispielhaft zeigt das Dokument
DE 10 2016 013 588 A1 eine Filtervorrichtung dieser Gattung, die zur Pflege von Fluiden, insbesondere in hydraulischen Systemen, vorgesehen ist. Die Betriebssicherheit der betreffenden Systeme, bei denen Filtervorrichtungen eingesetzt sind, hängt in hohem Maße von der einwandfreien Leistungsfähigkeit der Filtervorrichtungen ab. Ein wesentliches Kriterium ist die Schmutzaufnahmefähigkeit des filternden Elementmaterials. Eine über ein zulässiges Maß hinausgehende Anlagerung von Partikeln führt zum Leistungsverlust und im Extremfall durch Verblocken des Elementmaterials zum Funktionsverlust. Man ist daher bei entsprechender Partikelbelastung gezwungen, das betreffende Filterelement auszutauschen oder das Filterelement zu regenerieren, indem das Elementmaterial rückgespült wird. Bekanntermaßen wird hierfür so vorgegangen, dass durch Umkehr der normalen, bei der Partikelfiltration herrschenden Strömungsrichtung, die Richtung der Durchströmung des Elementmaterials umgekehrt wird und dass durch Rückführen von Filtrat das Elementmaterial zur Ablösung angelagerter Partikel rückgespült wird. Wie sich gezeigt hat, stößt die Effizienz der Rückspülung bei Filtervorrichtungen an Grenzen, die zur Filtration von Fluiden eingesetzt sind, die mit Partikeln bestimmter Art und Partikelgröße belastet sind. Dies ist bei Rauchgasfiltern der Fall, die zur Abreinigung von Schweißrauch von 3D-Druckern für Metall eingesetzt sind. Durch selektives Lasersintern (vgl.
DE 10 2015 017 026 ) werden bei solchen Druckern pulverförmige, chemisch reine Metallpartikel schichtweise aufgetragen und danach mit einem Hochleistungslaser unter einer Schutzgasatmosphäre verschmolzen. Der bei derartigen, in der Art des Pulverdrucks arbeitenden Verfahren entstehende Schweißrauch ist stark mit Pulverpartikeln aus, insbesondere metallischen, Werkstoffen zur Verwendung in einem 3D-Druck, wie beispielsweise Werkzeugstahl, Edelstahl, Titan oder Aluminiumlegierung, belastet. Da diese am Elementmaterial stark haften, lässt das Rückspülergebnis zu wünschen übrig.
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Um auch bei Filtervorrichtungen, die zur Reinigung von Schweißgasen bei 3D-Druckern eingesetzt sind, gute Regenerierungsergebnissse zu erzielen, ist es, wie in
DE 10 2017 001 372 A1 gezeigt, bekannt, anstatt das Elementmaterial rückzuspülen, dieses zum Ablösen von angelagerten Partikeln zu bewegen. Wie in dem genannten Dokument aufgezeigt, kann dies durch intermittierendes Zusammendrücken des Elementmaterials (Rütteln) für ein Abschütteln der Partikel oder durch Drehen des Elementmaterials für das Ablösen durch Fliehkraft erfolgen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, eine Filtervorrichtung der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, die auch bei Fluiden, die, wie Schweißrauch von 3D-Druckern, mit schwer ablösbaren Kontaminaten belastet sind, eine effektive Regenerierung durch Rückspülung des Elementmaterials ermöglicht.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch eine Filtervorrichtung gelöst, die die Merkmale des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass die Strömungsleiteinrichtung als Strömungsgleichrichter konzipiert einzelne axial voneinander beabstandete Leitelemente aufweist, die derart unterschiedlich groß dimensionierte Durchlassöffnungen aufweisen, dass eine vergleichmäßigte Durchströmung des Elementmaterials über seine axiale Baulänge erreicht ist. Während bei den bekannten Filtervorrichtungen in Abhängigkeit von der Lage der Einströmstelle des als Rückspülmenge zugeführten Filtrats das Elementmaterial in Längenbereichen vom Rückspülstrom mit unterschiedlicher Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagt ist, was in Längenbereichen des Elementmaterials zu ungenügender Ablösung der Verschmutzungspartikel führt, ist durch den erfindungsgemäß durch Leitelemente gebildeten Strömungsgleichrichter die Beaufschlagung sämtlicher Flächenbereiche des Elementmaterials mit Unfiltrat mit gleicher oder annähernd gleicher Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Durch die so erreichte Optimierung des Rückspülergebnisses lässt sich die erfindungsgemäße Filtervorrichtung mit Vorteil auch für Fluide einsetzen, die mit schlecht ablösbarem Kontaminat belastet sind, wie Schweißrauch bei 3D-Druckern für Metall.
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Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen sind die Leitelemente aus einzelnen Scheiben gebildet, die als Durchlassöffnungen Mittenöffnungen aufweisen, deren Durchmesser zumindest teilweise voneinander verschieden sind. Nach Wahl der Größe der Durchlassöffnungen der in axialen Abständen voneinander angeordneten Scheiben lässt sich der Zustrom der Rückspülmenge in den den Scheiben zugeordneten axialen Flächenbereichen des Elementmaterials über dessen Baulänge optimieren.
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Mit Vorteil kann die Anordnung hierbei so getroffen sein, dass das Leitelement mit der größten Mittenöffnung einem im Filtergehäuse zentral angeordneten Einströmkanal zugewandt ist und dass das Leitelement mit der kleinsten Mittenöffnung auf der von diesem Einströmkanal zuäußerst abgewandten Seite der Strömungsleiteinrichtung liegt. Diese Anordnung trägt dem Umstand Rechnung, dass sich bei zentralem Einströmkanal mit innerhalb des Elementmaterials axial verlaufender Strömung am Ende des Strömungsweges ein Staubereich ausbildet, in dem die Rückspülmenge mit hoher Radialgeschwindigkeit in Richtung auf das Elementmaterial strömt. Da andererseits die Radialgeschwindigkeit am nicht gestauten Eingangsbereich niedriger ist, sind zur Vergleichmäßigung der Elementrückströmung die Mittenöffnungen im Eingangsbereich am größten.
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Bei vorteilhaften Ausführungsbeispielen verringern sich die Mittenöffnungen, ausgehend von dem Einströmkanal, zusehends im Durchmesser unter Bildung eines fiktiven Rotationskörpers durch eine Rotation einer Funktion n-ten Grades um eine Längsachse des Filterelements, wobei n mindestens 1, bevorzugt jedoch gleich 3 ist. Mit einem derart gebildeten Einlauftrichter arbeitet der Strömungsgleichrichter mit einem vorteilhaft geringen Strömungs-Gesamtwiderstand.
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Bei besonders vorteilhaften Ausführungsbeispielen sind die scheibenförmigen Leitelemente mittels axial verlaufender Längsstäbe auf Abstand zueinander gehalten. Mittels der Längsstäbe können zumindest zwei der Leitelemente äquidistant auf Abstand zueinander gehalten sein und/oder es kann zumindest ein zwischen den äußersten Leitelementen angeordnetes Leitelement zu einem benachbarten Leitelement einen geringeren Abstand aufweisen als zu dem anderen benachbarten Leitelement. Die Strömungsleiteinrichtung bildet dadurch mit ihren Leitelementen eine zusammenhängende Baueinheit. Durch eine Veränderung der jeweiligen Mittenöffnung der Leitelemente und/oder des Abstandes zweier benachbarter Leitelemente im Bereich eines jeweiligen zugeordneten Filterabschnitts des Filterelements zueinander ist ein Volumenstromanteil des in das Filterelement einströmenden Rückspül-Gesamtvolumenstroms für einen jeweiligen Filterabschnitt vorgebbar.
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Die Anzahl der Leitelemente kann je nach der Baulänge des Filterelements beliebig viele, vorzugsweise zwischen 3 und 6, besonders bevorzugt 3, betragen. Je weniger Leitelemente vorgesehen sind, desto geringer ist die entstehende Druckdifferenz bei Durchströmen des Filterelements.
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Mit besonderem Vorteil kann die Anordnung hierbei so getroffen sein, dass zumindest auf einer Seite des Filterelements die freien Enden der Längsstäbe in eine Endkappe des Filterelements integriert sind. Dergestalt kann die Strömungsleiteinrichtung als gemeinsame Baueinheit mit dem Filterelement zusammen mit diesem in das Filtergehäuse eingebaut und gegebenenfalls ausgebaut werden.
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Mit Vorteil kann die Anordnung so getroffen sein, dass die Längsstäbe zumindest auf einer Seite mit einem vorgebbaren axialen Überstand über das letzte Leitelement mit der kleinsten Mittenöffnung vorstehen und einen freien Durchströmungsraum begrenzen. Bei in der zugeordneten Endkappe aufgenommenen freien Enden der Längsstäbe bildet der an die kleinste Mittenöffnung des letzten Leitelements angrenzende freie Durchströmungsraum am Boden dieser Endkappe den Stauraum für die über den Einströmkanal axial zuströmende Rückspülmenge.
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Bei dem normalen Filtrationsbetrieb der Filtervorrichtung, bei einer Durchströmung des Elementmaterials von außen nach innen für eine Partikelfiltration, kann die Strömungsleiteinrichtung als fluiddurchlässiger Stützkörper für das Elementmaterial dienen und somit in vorteilhafter Weise das Stützrohr ersetzen, das üblicherweise als Abstützung des Elementmaterials gegen den Unfiltratdruck beim Filtrierbetrieb vorgesehen ist.
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Im Filtrierbetrieb kann der Einströmkanal bei der Partikelfiltration der Abfuhr von Filtrat aus dem Filtergehäuse dienen, während er bei umgekehrter Strömungsrichtung durch Zufuhr von Filtrat die Rückspülung des Elementmaterials des Filterelements ermöglicht.
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Die Strömungsleiteinrichtung kann rationell und kostengünstig mittels eines Spritzgussverfahrens, vorzugsweise unter Einsatz von Kunststoffmaterial, oder mittels eines 3D-Druck-Verfahrens, vorzugsweise mittels selektivem Lasersintern, hergestellt sein.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine abgebrochen und in zentraler Vertikalebene aufgeschnitten gezeichnete perspektivische Schrägansicht eines Teilbereichs eines Filtergehäuses der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung, in der ein Filterelement in einer ersten Ausführungsform aufgenommen ist;
- 2 eine in zentraler Vertikalebene aufgeschnitten gezeichnete, perspektivische Schrägansicht der ersten Ausführungsform des Filterelements aus 1;
- 3 eine in zentraler Vertikalebene aufgeschnitten gezeichnete, perspektivische Schrägansicht einer zweiten Ausführungsform des von der Filtervorrichtung aus 1 aufnehmbaren Filterelements;
- 4 eine schematisch vereinfachte Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Funktion einer Filtervorrichtung nach dem Stand der Technik; und
- 5 eine schematisch vereinfachte Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Funktion der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung nach 1 bis 3.
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Unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ist die Erfindung am Beispiel einer Filtervorrichtung zur Partikelfiltration von Schweißrauch vorgesehen, der aus dem Fertigungsraum eines 3D-Druckers abgeführt ist. Die 1 zeigt in unvollständiger, schematisch vereinfachter Darstellung nur Teile eines Filtergehäuses 2, in dem ein Filterelement 4 aufgenommen ist, das ein plissiertes Elementmaterial 6 in Form eines Hohlzylinders besitzt, das sich mit axialer Baulänge zwischen einer oberen Endkappe 8 und einer unteren Endkappe 10 erstreckt. Das Gehäuse 2 weist einen in den Figuren nicht gezeigten Rohgaseingang auf, über den Unfiltrat für die Filtration zu einem Raum 12 an der Außenseite des Elementmaterials 6 zugeführt wird, so dass das Elementmaterial 6 bei der Filtration von außen nach innen durchströmt ist. Als Filtrat wird das Reingas aus dem inneren Filterhohlraum 14 über einen in der oberen Endkappe 8 befindlichen, koaxialen Durchgang 16 und einen an der Oberseite des Filtergehäuses 2 gebildeten Reingasausgang 18 aus dem Gehäuse 2 herausgeführt.
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Für die Rückspülung des Elementmaterials 6 weist die obere Endkappe 8 am Durchgang 16 einen angeformten Rohrstutzen 20 auf, der die Verbindung zwischen dem inneren Filterhohlraum 14 und dem Reingasausgang 18 und somit für den Rückspülvorgang einen Einströmkanal bildet, über den die Rückspülmenge des Filtrats vom Reingasausgang 18 her in Axialrichtung in einen von dem inneren Filterhohlraum 14 gebildeten Strömungsraum 22 strömt, der von einem geschlossenen Boden 24 der unteren Endkappe 10 begrenzt ist. Im Strömungsraum 22 befindet sich eine Strömungsleiteinrichtung 26, die sich über die Baulänge des Filterelements 4 zwischen den beiden Endkappen 8, 10 erstreckt.
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Die Strömungsleiteinrichtung 26 ist in Form eines einstückigen Baukörpers mit kreiszylinderförmigem Umriss durch Spritzgießen, insbesondere aus Kunststoff, oder mittels eines 3D-Druck-Verfahrens, vorzugsweise mittels selektivem Lasersintern, gebildet.
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Wie 1 und 2 zeigen, sind Hauptbestandteile des Baukörpers der Strömungsleiteinrichtung 26 drei Kreisscheiben 28, 30, 32, die jeweils den gleichen Außendurchmesser besitzen, der dem Innendurchmesser des Strömungsraums 22 an der Innenseite des Elementmaterials 6 des Filterelements 4 entspricht. Die Kreisscheiben 28, 30, 32 verlaufen, bezogen auf die Längsachse 34, jeweils in Radialebenen in gleichem Abstand voneinander, wobei dieser Abstand etwa 2/9 der axialen Baulänge des Filterelements 4 entspricht. Die Kreisscheiben 28, 30, 32 weisen jeweils eine koaxiale Mittenöffnung 36 auf, die eine Durchlassöffnung für den Axialstrom der Rückspülmenge bildet. Gleichzeitig bilden die Kreisscheiben 28, 30, 32 Leitelemente, zwischen denen vom Axialstrom abgezweigt radiale Teilströme das Elementmaterial 6 zur Ablösung der Schmutzpartikel beaufschlagen.
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Die Größe der Mittenöffnungen 36 nimmt von der obersten, der oberen Endkappe 8 nächstliegenden Kreisscheibe 30 mit der größten Mittenöffnung 36 bis zur untersten Kreisscheibe 32 ab, die die kleinste Mittenöffnung 36 aufweist und die der unteren Endkappe 10 nächstliegend ist. Dabei umschreiben die Mittenöffnungen 36 mit ihrem Öffnungsrand einen fiktiven Rotationskörper, der durch eine Rotation einer Funktion 3-ten Grades um eine Längsachse des Filterelements 4 gebildet ist, so dass für die Axialströmung eine Art Einlauftrichter gebildet ist. Zur Bildung des zusammenhängenden Baukörpers sind die Kreisscheiben 28, 30, 32 an ihrem Außenumfang an mindestens zwei Stellen durch je einen in Axialrichtung durchgehenden Längsstab 42 verbunden, der mit seinem oberen Ende über die oberste Scheibe 30 hinaus und mit seinem unteren Ende über die unterste Scheibe 32 hinaus vorsteht, wodurch jeweils ein freier Durchströmungsraum 38, 40 begrenzt wird.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Filterelements 4 verläuft die gesamte, dem Elementmaterial 6 zugewandte Seite jedes Längsstabes 42 in einer Ebene. Hingegen verläuft die der Längsachse 34 zugewandte Seite des jeweiligen Längsstabes 42 ausgehend von der obersten Scheibe 30 in Richtung der oberen Endkappe 8 zunächst konisch nach außen von der Längsachse 34 weg und ab dem freien Ende eines in den Hohlraum 14 hineinragenden Teils 44 des Rohrstutzens 20 parallel zu der Längsachse 34. Gleichermaßen verläuft die der Längsachse 34 zugewandte Seite des jeweiligen Längsstabes 42 ausgehend von der untersten Scheibe 32 in Richtung der geschlossenen Endkappe 10 mit einer Änderung des Verlaufs ab dem freien Ende eines in den Hohlraum 14 hineinragenden, insbesondere topfartigen, Teils 46 der geschlossenen Endkappe 10.
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Der der oberen Endkappe 8 zugewandte Endbereich jedes Längsstabes 42 erstreckt sich dabei zwischen dem in den Hohlraum 14 hineinragenden Teil 44 des Rohrstutzens 20 und dem Elementmaterial 6. Der der geschlossenen Endkappe 10 zugewandte Endbereich jedes Längsstabes 42 erstreckt sich zwischen dem in den Hohlraum 14 hineinragenden Teil 46 der geschlossenen Endkappe 10 und dem Elementmaterial 6.
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Die Strömungsleiteinrichtung 26 ist dadurch in das Filterelement 4 eingebaut, dass die Enden der Längsstäbe 42 mit dem Boden der jeweiligen Endkappe 8, 10 verbunden, vorzugsweise verklebt, sind.
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Das Filterelement 4 der zweiten Ausführungsform nach 3 entspricht mit Ausnahme der nachfolgend aufgezeigten Unterschiede dem Filterelement 4 der ersten Ausführungsform nach 1 und 2.
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Die Längsstäbe 42 weisen ausgehend von der geschlossenen unteren Endkappe 10 bis zu der obersten Scheibe 30 einen konstanten Querschnitt auf. Der der geschlossenen Endkappe 10 zugewandte Endbereich eines jeden Längsstabes 42 erstreckt sich dabei zwischen dem in den Hohlraum 14 hineinragenden, insbesondere topfartigen, Teil 46 der geschlossenen Endkappe 10 und dem Elementmaterial 6.
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Ausgehend von der obersten Scheibe 30 verjüngen sich die Längsstäbe 42 in Richtung ihres Endes, das der geschlossenen Endkappe 10 abgewandt ist, im Querschnitt. Dabei ist die dem Elementmaterial 6 zugewandte Seite jedes Längsstabes 42 in diesem Bereich in Relation zum restlichen Längsstab 42 in Richtung zur Längsachse 34 des Filterelements 4 hin radial nach innen versetzt angeordnet. Die der Längsachse 34 zugewandte Seite jedes Längsstabes 42 verläuft in diesem Bereich konisch nach außen von der Längsachse 34 weg. Das obere Ende jedes Längsstabes 42 erstreckt sich in den Rohrstutzen 20 hinein, so dass der in den durch das Elementmaterial 6 gebildeten Hohlraum 14 hineinragende Teil 44 des Rohrstutzens 20 zwischen dem jeweiligen Längsstab 42 und dem Elementmaterial 6 angeordnet ist.
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4 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung der Filtervorrichtung nach dem Stand der Technik während eines Rückspülvorganges mit einem Fluidfluss von dem Inneren des Elementmaterials 106 durch das Elementmaterial 106 hindurch zum Äußeren des Elementmaterials 106. Hierbei strömt ein Rückspül-Gesamtvolumenstroms 48 mit einer, insbesondere hohen, Strömungsgeschwindigkeit in den durch das Elementmaterial 106 gebildeten Hohlraum 104 ein, in dem im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung keine Strömungsleiteinrichtung 26 vorgesehen ist. Aufgrund der, insbesondere hohen, Strömungsgeschwindigkeit strömt der Volumenstrom ohne Umlenkung in Richtung der unteren, einen Stau für den Volumenstrom bildenden Endkappe 110, wo er erstmals um 90 Grad radial nach außen umgelenkt wird. Dadurch wird im Wesentlichen lediglich der untere Bereich des Elementmateriales 106 rückgespült. Zusätzlich kann das das Elementmaterial 106 durchströmte Fluid aufgrund von Verwirbelungen zwischen der Außenseite des Elementmaterials 106 und dem Filtergehäuse 102 in einem anderem Bereich des Elementmaterials 106 das Elementmaterial 106 wiederum von außen nach innen durchströmen.
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5 zeigt eine schematische Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Filtervorrichtung nach 1 bis 3 während eines Rückspülvorganges. Hierbei strömt der Rückspül-Gesamtvolumenstroms 48, insbesondere mit einer hohen Strömungsgeschwindigkeit, in den durch das Elementmaterial 6 gebildeten Hohlraum 14 ein. Im Hohlraum 14 trifft der Volumenstrom 48 zumindest teilweise im Wesentlichen senkrecht auf die Leitelemente 28, 30, 32, die in Richtung der Längsachse 34 des Filterelements 4 voneinander beanstandet angeordnet sind und derart das Elementmaterial 6 in Elementmaterialabschnitte 50 unterteilen. Durch das Auftreffen des einströmenden Volumenstroms 48 auf die Leitelemente 28, 30, 32 wird an jedem der Leitelemente 28, 30, 32, insbesondere je nach Überstand eines Leitelements 28, 30, 32 in Relation zu dem in Fluidflussrichtung vorhergehenden Leitelement 28, 30, 32 und/oder je nach Abstand dieser Leitelemente 28, 30, 32 zueinander, ein vorgebbarer Volumenstromanteil 52 des in das Filterelement 4 einströmenden Gesamtvolumenstroms 48 um 90 Grad radial nach außen umgelenkt, der zur Rückspülung des jeweiligen Abschnitts 50 dient. Durch eine derartige Ausbildung der Strömungsleiteinrichtung 26 ist der Rückspül-Gesamtvolumenstrom 48, vorzugsweise gleichmäßig, in Volumenstromanteile 52 aufspaltbar, so dass die verschiedenen Elementmaterialabschnitte 50 mit im Wesentlichen vorgebbarem, insbesondere gleichem, Volumenstrom und vorgebbarem, insbesondere gleicher, Fluidgeschwindigkeit rückspülbar sind. Dafür besteht erfindungsgemäß keine Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Rückspül-Gesamtvolumenstroms. Die Rückspülung erfolgt dadurch mit optimierter Effizienz der Partikelablösung.
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Bei der mit umgekehrter Strömungsrichtung erfolgenden Partikelfiltration, bei der das Rohgas das Elementmaterial 6 von außen nach innen durchströmt, wirkt die erfindungsgemäße Strömungsleiteinrichtung 26 gleichzeitig als Stützkörper, der die Funktion eines ansonsten vorgesehenen und erforderlichen Stützrohres übernimmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016013588 A1 [0002]
- DE 102015017026 [0002]
- DE 102017001372 A1 [0003]
