DE102022105243A1

DE102022105243A1 - Monolithisch aufgebauter Membranfilter

Info

Publication number: DE102022105243A1
Application number: DE102022105243.5A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Meyer-Blumenroth; Gisela Jung
Original assignee: Innospire Technologies GmbH
Current assignee: Innospire Technologies GmbH
Priority date: 2022-03-07
Filing date: 2022-03-07
Publication date: 2023-09-07
Also published as: WO2023169630A1

Abstract

Es wird ein monolithisches Bauteil, insbesondere als oder für eine Vorrichtung zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid, vorgestellt. Das monolithische Bauteil umfasst einen Trägerfluidzulauf sowie einen Trägerfluidablauf, eine zwischen dem Trägerfluidzulauf und dem Trägerfluidablauf angeordnete monolithisch aufgebaute und jedenfalls teilweise oder bereichsweise permeabel eingerichtete Struktur, und einen zwischen dem Trägerfluidablauf und der permeablen Struktur angeordneten Mündungskollektor, wobei der Mündungskollektor integral mit dem Trägerfluidablauf sowie der permeablen Struktur ausgebildet ist, wobei die permeable Struktur so hergerichtet und angeordnet ist, eine Hüllseite von einer Trägerseite zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise permeabel abzutrennen, wobei auf der Trägerseite ein Trägerfluid bereitstellbar ist, wobei das Trägerfluid von dem Trägerfluidzulauf durch die Trägerseite der permeablen Struktur zu dem Trägerfluidablauf strömen kann, wobei die permeable Struktur hergerichtet ist, einen Stofftransfer des Trägerfluids mit der Hüllseite zu gewährleisten, insbesondere einen Transfer vom Trägerfluid in ein Hüllfluid und/oder von einem Hüllfluid in das Trägerfluid.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft monolithische Bauteile, insbesondere als Membranfilter.
Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung
Membranfilter zum Filtern bzw. der Abtrennung von Stoffen aus zumeist flüssigen Gemischen sind als solche bekannt. Bei einem solchen Gemisch kann es sich um ein disperses Medium handeln oder beispielsweise auch um eine Lösung, bei welcher in einem Grundstoff weitere Bestandteile gelöst sind.
Membranfilter sind in verschiedenen Anwendungsgebieten im Einsatz z. Bsp. in der Aufbereitung von Wasser und Lebensmitteln, in der Herstellung pharmazeutischer Produkte, in biotechnologischen, medizinischen oder chemischen Prozessen oder Anwendungen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung kann die Abtrennung von Alkohol aus Bier sein zur Erzeugung alkoholfreien Bieres. Ein besonders schonendes Verfahren ermöglicht bevorzugt die Alkoholentfernung mit minimaler Geschmacksbeeinträchtigung. Eine andere Anwendung kann die Abtrennung von Zellen und Zellbruckstücken von Wirkstofflösungen bei der biotechnologischen Herstellung von Pharmazeutika sein. Beispielsweise wird beständig versucht, den Durchsatz an zu filtrierendem Medium zu erhöhen oder aber die Kosten weiter zu senken. Dabei erfordern unterschiedliche Anwendungsbereiche ggf. unterschiedliche Auslegungen. Für technische Anlagen sind im Gegensatz zu medizinischen Apparaten sehr viel größere Membranflächen erforderlich.
Da jeder unterschiedliche Anwendungsbereich unterschiedliche Anforderungen stellt, insbesondere an Material, Design, oder Größe der Filter, und Prozessanforderungen wie Temperatur, Druck, Volumen und Aggressivität der berührenden Medien, oder aber besondere Hygieneanforderungen zu berücksichtigen sind, steht der Markt der Membranfilter derzeit noch in der Entwicklung. Einen universellen Ansatz, der zumindest eine Mehrzahl unterschiedlicher Anwendungsbereiche abzudecken vermag, ist bislang nicht erreicht.
Darüber hinaus kommt es nicht selten zu Ausfällen von Filtrationsanlagen aufgrund der nur begrenzten mechanischen und/oder chemischen Stabilität von bekannten Modulen. Beispielsweise halten Module aus polymeren Werkstoffen wie. z. Bsp. PP typischerweise stärkere Belastungen wie Temperaturen von über 60 °C oder höhere Transmembrandrücke (über 3 Bar) nicht oder jedenfalls nicht über längere Zeiträume ohne Beschädigung aus. Für zahlreiche Anwendungsbereiche ist das aber wünschenswert.
Dampfsterilisationen, z.B. durchzuführen bei 121 °C, die v.a. in hygienisch anspruchsvollen Bereichen erforderlich sind, können -wenn überhaupt- nur in geringer Zyklenzahl wiederholt werden. Ebenso begrenzen Reinigungen bei erhöhter Temperatur, hohem und/oder niedrigem pH-Wert oder mit oxidierenden Reinigungsmitteln die Lebenszeit der Module. Keramische Filter hingegen reagieren empfindlich auf Temperaturschocks oder mechanische Einwirkung.
Membranfilter werden aufgrund der z.T. automatisierten Herstellverfahren heutzutage als standardisierte Produkte mit vorgegebener Geometrie hergestellt, wobei Anpassungen an besondere Anforderungen aus der Prozessführung wie beispielsweise für hohe Viskositäten und/oder niedrige Druckverluste bei der Durchströmung oder für schwierige Einbauumgebungen praktisch ausgeschlossen sind bzw. nicht vorgesehen sind, da die daraus resultierenden niedrigeren Stückzahlen die Stückkosten in unverkäufliche Regionen treiben würde.
Es ist Erkenntnisgrundlage der vorliegenden Erfindung, dass sich die beschriebenen Einschränkungen von aktuell vorhandenen und in der Literatur beschriebenen Filtern ganz Wesentlich aus deren Aufbau ergeben, denn diese werden gefügt aus konfektionierten Bauteilen.
Ein Beispiel für bekannte verschweißte Rohrmembranen ist in der Europäischen Offenlegungsschrift EP 88 108 462 A beschrieben. Typisch ist, dass verschiedene Fügeverfahren, wie insbesondere Schweißen oder das Einfüllen von Vergussmasse, notwendig sind, um eine Abdichtung und/oder gezielte Flüssigkeitsführung in dem Filtermodul zu erzielen. Bei einem solchen „modularen Aufbau“ ist zwar grundsätzlich interessant, dass unterschiedliche Materialien passgenau und damit ggf. kostengünstiger eingesetzt werden können und somit entsprechend den Anforderungen gezielt ausgewählt werden können. Daran kann allerdings nachteilig sein, dass die unterschiedlichen Komponenten beispielsweise unter Belastung, wie zum Beispiel Temperaturwechseln, Druckwechsel oder auch einer Quellung des Materials, sich zueinander unterschiedlich verhalten und dadurch die Leistung des Filters verschlechtern oder die Filter versagen.
Beispielsweise bei der Verschweißung von Rohrmembranen kommen zwar keine fremden Materialien oder unter-schiedliche Stoffe zum Einsatz, aber die vor der Verschweißung in Kontakt tretenden Oberflächen sind oftmals nur unzulänglich für die Verschweißung vorbereitet, so dass keine dichte und zuverlässige Verbindung herzustellen ist.
Aufbauend auf den Entwicklungen im Hause InnoSpire, beispielsweise beschrieben auch in den Veröffentlichungsschriften WO 2021/110483 oder WO 2022/038093 , werden im Folgenden weitere konstruktive Verbesserungen und Weiterentwicklungen beschrieben.
Ausgehend von den Eigenentwicklungen im Hause InnoSpire hat sich daher die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, die bereits präsentierten Lösungen noch weiter zu verbessern. Aufgabe ist einerseits die Strömungsführung weiter zu verbessern und strömungstechnische Totstellen zu reduzieren oder zu verhindern. Andererseits ist ausgehend von den Eigenentwicklungen weiterer Aspekt der Aufgabe, die Konstruktion der Bauteile weiter zu optimieren, um entweder Kosten einzusparen, die Herstellung zu vereinfachen, die Widerstandsfähigkeit der Bauteile gegenüber äußeren Einflüssen noch weiter zu erhöhen, insbesondere die mechanische Belastbarkeit, und/oder noch widrigere Prozessparameter wie höhere Drücke beherrschbar zu machen, ohne dass Bauteile versagen.
Die vorliegende Erfindung erfüllt damit auch den weiteren Teilaspekt, Produktionskosten bei der Herstellung zu senken und/oder Standzeiten von Filtermodulen bzw. Bauteilen im harten technischen Einsatz zu erhöhen und damit die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.
Neben den vorgenannten und zahlreichen weiteren Aspekten, die die vorliegende Erfindung löst, stellt die vorliegende Erfindung auch einen mit einfachen Mitteln anpassbaren Filter bereit, der im Herstellungsprozess für die konkrete spätere Anwendung optimiert werden kann hinsichtlich beispielsweise der Parameter Filtrierleistung, Förderleistung, hinsichtlich des Volumen- oder Massenstromes an Fluid und/oder der mechanischen Belastbarkeit bzw. Widerstandskraft gegenüber mechanischen Einflüssen.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Die in dieser Beschreibung vorgeschlagenen Verbesserungen und neuen Bauformen konzentrieren sich dabei neben zahlreichen weiteren Aspekten darauf, ein Bauteil bereitzustellen, welches geeignet ist zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid. Eine solche Abtrennung ist also zum Beispiel die Filtrierung eines Fluids, also das Herauslösen von Stoffen zum Beispiel aus einer Lösung, das Abstreifen oder Abtrennen von Schwebstoffen aus einem dispersen Medium wie einer Suspension. Dabei ist die Erfindung hierauf aber nicht beschränkt.
Die vorliegende Erfindung konzentriert sich in einem zugrundeliegenden Gedanken und in einem weiteren Aspekt der Erfindung darauf, monolithisch aufgebaute Bauteile bereitzustellen zur Herstellung von Filtermodulen. Solche monolithischen Bauteile, wie insbesondere Membranfilter, können im Lichte der vorliegenden Erfindung additiv geformt sein und/oder eine intrinsische Porosität aufweisen. Beispielsweise können bei einem monolithischen Bauteil alle Komponenten aus einem einheitlichen Ausgangsmaterial bereitgestellt werden.
Monolithische Bauteile werden ferner typischerweise im Ganzen und vorzugsweise ohne Unterbrechung hergestellt. Aufgrund des Fehlens von gefügten Bauteil-zu-Bauteil-Übergängen können sie sich durch extreme Robustheit in der Anwendung auszeichnen und können überdies auch in ihrer Größe und somit der Filtrationskapazität auf ihren Einsatzzweck hin optimiert werden. Es gibt verschiedene bereits bekannte Verfahren der additiven Fertigung, welche große Gestaltungsspielräume bieten. Typischerweise werden die zu fertigenden Elemente schichtweise aufgebaut. Die bisher bekannten Verfahren der additiven Fertigung sind allerdings insbesondere für einen Einsatz zum Aufbau von Membranmodulen in verschiedener Hinsicht unzureichend und gelangen erst mit der vorliegenden Erfindung zur Einsatzreife.
Die additive Fertigung erlaubt dabei beispielsweise auch die Herstellung von Geometrien, die mit bisher bekannten Verfahren zur Membran- bzw. Membranmodulherstellung nicht möglich sind. Hierbei sind insbesondere dreidimensionale Geometrien hervorzuheben, die so hergerichtet sind, dass eine dämpfende oder kraftaufnehmende Form bereitgehalten werden kann. Beispielsweise liegt in longitudinaler Erstreckung der Membranmodule häufig eine Kraftbeaufschlagung vor, wobei selbst wenn die Membranmodule spannungsfrei in die jeweilige Halterung oder Vorrichtung eingesetzt sind, während des Betriebs durch Temperaturänderung oder chemische Einwirkung eine Längenänderung auftreten kann und das oder die Membranmodule spannungsbeaufschlagt werden. Das oder die Membranmodule sind daher bevorzugt spannungstolerant, insbesondere längsspannungstolerant, aufgebaut. Diese spannungstoleranz kann beständig weiter verbessert werden.
Beispielsweise kann das oder die Membranmodule spannungstolerant bereitgestellt werden, indem eine inhärente Federwirkung des oder der Membranmodul(e) vorliegt bzw. ausgenutzt werden kann, so dass eine Stauchung der einzelnen Membranrohre ein Ausweichen der Membranrohre herbeiführt. Das Ausweichen des Membranrohres kann ein Verwinden sein, oder eine Bogenbildung oder dgl. In gleicher Weise kann die spannungstolerante Ausführung der Membranrohre bzw. Membranmodule auch eine querspannungstolerante Bereitstellung beinhalten. Membranmodule sind gelegentlich auch Querspannungen ausgesetzt, beispielsweise wenn diese nicht passgenau in die jeweilige Halterung eingesetzt werden und das Membranmodul durch ein Verwinden den ungenauen Einbau ausgleicht. Diese Verwindung kann sich auf die Membranrohre im Inneren des Membranmoduls übertragen.
Der in der vorliegenden Erfindung beschriebene Einsatz poröser Materialsysteme für die additive Fertigung erlaubt beispielsweise auch die reproduzierbare Erzeugung poröser Bauteile mit einer mittleren Porengröße von bis zu kleiner 1 µm. Die geometrische Auflösung der Auftragsvorrichtung ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung lediglich noch für die allgemeine Formgebung des Bauteils bzw. des Membranfilters relevant, nicht aber für die konkrete Porengröße des Membranfilters.
Ein monolithisches Bauteil gemäß einem Aspekt der vorliegenden Beschreibung umfasst einen Trägerfluidzulauf sowie einen Trägerfluidablauf. Trägerfluidzulauf und Ablauf führen das Trägerfluid von außerhalb des monolithischen Bauteils in dieses hinein und wieder heraus, also führen die Strömung insbesondere in bzw. durch eine permeable Struktur.
Das monolithische Bauteil umfasst die zwischen dem Trägerfluidzulauf und dem Trägerfluidablauf angeordnete monolithisch aufgebaute und jedenfalls teilweise oder bereichsweise permeabel eingerichtete Struktur. Die permeable Struktur ist hergerichtet, einen Stoffaustausch oder eine Abfilterung von Bestandteilen des Trägerfluids zu gewährleisten. Das Trägerfluid trägt also Bestandteile, die von dem Trägerfluid in der permeablen Struktur entnommen wird. Das monolithische Bauteil ist also in bevorzugter Weise eingesetzt als oder für eine Vorrichtung zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid, nämlich dem Trägerfluid. Das monolithische Bauteil ist also typischerweise hergerichtet zur Aufnahme und Ableitung des Trägerfluids auf der Trägerseite und eines Hüllfluids auf der Hüllseite. Das Trägerfluid und ggf. auch das Hüllfluid können durch das monolithische Bauteil strömen zur Bereitstellung einer Trägerströmung und ggf. einer Hüllströmung in dem monolithischen Bauteil. Das monolithische Bauteil kann in einem Beispiel als integriertes Filtermodul vorliegen.
Das monolithische Bauteil umfasst ferner einen zwischen dem Trägerfluidablauf und der permeablen Struktur angeordneten Mündungskollektor. Der Mündungskollektor verteilt das Trägerfluid auf Unterbereiche der permeabel eingerichteten Struktur, die beispielsweise röhrenförmig bzw. als Membranrohre vorliegen kann. Im Mündungskollektor ist dabei bevorzugt ein Trägerfluidreservoir gebildet, so dass die permeable Struktur mit dem Trägerfluidreservoir fluidkommunizierend in Verbindung steht. Der Mündungskollektor kann auch als Fluiddistributor, Fluidkollektor oder auch Trichterkollektor bezeichnet werden. Im Mündungskollektor vereinen sich die Fluidströmungen aus der permeablen Struktur bzw. zweigen die Fluidströmungen in Teilbereiche der permeablen Struktur ab.
Der Mündungskollektor ist integral mit dem Trägerfluidablauf sowie der permeablen Struktur ausgebildet. Der Trägerfluidablauf geht also einstückig in den Mündungskollektor über, und der Mündungskollektor geht einstückig in die permeable Struktur über. Gemeinsam bilden Trägerfluidablauf, Mündungskollektor und permeable Struktur daher ein dreidimensionales, ggf. ineinandergreifendes Gebilde aus. Typischerweise ist der Mündungskollektor dabei zwischen dem Trägerfluidablauf - oder Trägerfluidzulauf, je nach Seite des Bauteils - auf der einen Seite und der permeablen Struktur auf der anderen Seite angeordnet und kann als Verbindungsstück zwischen diesen eingesetzt sein. Die permeable Struktur kann bereichsweise in den Mündungskollektor hineingreifen.
Die permeable Struktur ist so hergerichtet und angeordnet, eine Hüllseite von einer Trägerseite zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise permeabel abzutrennen. Auf der Trägerseite der permeablen Struktur ist dabei ein Trägerfluid bereitstellbar. Das Trägerfluid kann beispielsweise von dem Trägerfluidzulauf durch die Trägerseite der porösen Struktur zu dem Trägerfluidablauf strömen, d.h. einmal durch das monolithische Bauteil. wobei die permeable Struktur hergerichtet ist, einen Stofftransfer des Trägerfluids mit der Hüllseite zu gewährleisten, insbesondere einen Transfer vom Trägerfluid in ein Hüllfluid und/oder von einem Hüllfluid in das Trägerfluid. Die permeable oder poröse Materialstruktur trennt also eine Hüllseite von einer Trägerseite permeabel ab, so dass die poröse Materialstruktur als Membran bezeichnet werden kann zur permeablen Trennung des Hüllfluids von dem Trägerfluid.
Zwischen dem Trägerfluidzulauf und der permeablen Struktur kann bevorzugt ein zweiter Mündungskollektor angeordnet sein. Zwar weist diese Ausführungsform einige Vorteile auf, wie noch im Rahmen der Ausführungsbeispiele dargelegt werden wird ist das allerdings nicht in jedem Fall notwendig. Der zweite Mündungskollektor kann integral mit dem Trägerfluidzulauf auf der einen Seite und der permeablen Struktur auf der anderen Seite ausgebildet sein. Beispielsweise kann der zweite Mündungskollektor spiegelsymmetrisch zum (ersten) Mündungskollektor aufgebaut sein. Mit anderen Worten können Trägerfluidzulauf, Mündungskollektor, permeable Struktur, zweiter Mündungskollektor und ggf. auch der Trägerfluidablauf einstückig geformt oder aufgebaut sein, so dass keine Trennstellen vorhanden sind, die die Dichtigkeit herabsetzen, und somit keine Dichtungen eingesetzt werden müssen.
Die permeable Struktur kann bevorzugt Filterkapillaren umfassen, insbesondere Membrankapillaren. Die Filterkapillaren können des Weiteren einstückig in den Mündungskollektor und/oder den zweiten Mündungskollektor übergehen. Die Filterkapillaren können daher als einstückige bauliche Verlängerung des Mündungskollektors aufgefasst werden, wobei es bevorzugt sein kann, wenn die Filterkapillaren in den Bauraum des Mündungskollektors hineinragen.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Membranrohre oder Filterkapillaren spannungstolerant, insbesondere längsspannungstolerant, aber auch querspannungstolerant, ausgerüstet. Wenn die ersten Stirnseite und die zweite Stirnseite zueinander parallel angeordnet sind, kann eine Längsspannung eine Kraftbeaufschlagung auf die Membranrohre oder Filterkapillaren implizieren, bei welcher die Stirnseiten zueinander parallel angeordnet verbleiben, möglicherweise aber parallel verschoben werden; Eine über ein Maß ansteigende Längsspannung kann also in eine Ausweichbewegung der Stirnseiten zueinander resultieren. Dabei werden die Membranrohre oder Filterkapillaren entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung kraftbeaufschlagt, also typischerweise gestaucht, aber auch gelängt. Es kann zum Bruch der Membranrohre oder Filterkapillaren kommen. Eine Querspannung kann implizieren, dass eine Kraftbeaufschlagung auf die Membranrohre oder Filterkapillaren auftritt, bei welcher die Stirnseiten zueinander gekippt werden, also eine Kraftbeaufschlagung senkrecht zu der Haupterstreckungsrichtung der Membranrohre oder Filterkapillaren. Wenn die Membranrohre oder Filterkapillaren spannungstolerant ausgerüstet sind, dann können sie mit einem höheren Maß an Längsspannung und/oder Querspannung beaufschlagt werden als ein vergleichbares gerades Membranrohr bzw. Filterkapillare. Mit anderen Worten wird insbesondere die Geometrie der Membranrohre bzw. Filterkapillaren so aufgebaut, dass eine höhere Längsspannung, oder auch Querspannung, aufgenommen werden kann ohne dass ein Bruch der Membranrohre oder Filterkapillaren folgt. Eine Ausführungsform für ein Membranrohr oder eine Filterkapillare, welche spannungstolerant ausgerüstet ist, ist ein federartig stauchbares Membranrohr bzw. Filterkapillare. Beispielsweise kann das Membranrohr bzw. die Filterkapillare um 1 mm oder mehr gestaucht werden, ohne dass diese geschädigt oder zerstört wird, bevorzugt um 2 mm oder mehr, weiter bevorzugt um 5 mm oder mehr, noch weiter bevorzugt um 10 mm oder mehr, schließlich bevorzugt um 20 mm oder mehr. Andererseits kann die Längenänderungstoleranz - also die Längenänderung, die sich bei Spannungsbeaufschlagung durch die Spannungstoleranz des Membranrohrs bzw. der Filterkapillare ergibt - 0,1 % der Ursprungslänge oder mehr, bevorzugt 0,2% oder mehr, weiter bevorzugt 0,5% oder mehr, noch weiter bevorzugt 1% oder mehr, und schließlich 2% oder mehr der Ursprungslänge des Membranrohrs bzw. der Filterkapillare betragen.
Spannungstolerant kann auch als elastisch, spannungsverteilend oder spannungsreduzierend aufgefasst werden, denn Spannungsspitzen in inelastischen Bereichen werden auf eine größere Bauteilfläche verteilt, ggf. aber sogar insgesamt reduziert, wenn das Bauteil dadurch eine Verformung zulässt. Besonders bevorzugt ist, dass die Membranrohre bzw. Filterkapillaren spannungsableitend ausgebildet sind, denn wenn die Membranrohre bzw. Filterkapillaren unter Krauftbeaufschlagung nachgeben können, z.B. federartig stauchen, und zugleich das Bauteilgehäuse steif genug ausgeführt ist, dann kann die beaufschlagte Spannung, z.B. die Druckspannung, auf das Bauteilgehäuse abgeleitet werden und von diesem aufgenommen werden.
Das monolithische Bauteil kann einen oder mehrere Hüllfluidkanäle umfassen. Der oder die Hüllfluidkanäle ist/sind insbesondere hergerichtet zur Strömungsführung eines Hüllfluids jedenfalls abschnittsweise entlang des monolithischen Bauteils. Die Hüllfluidkanäle können beispielsweise einstückig in den Mündungskollektor und/oder den zweiten Mündungskollektor übergehen.
Die Filterkapillaren können je einen Kapillarauslauf aufweisen. Die Kapillarausläufe können dann des Weiteren einen Hüllfluidabschluss ausbilden zum Absperren des Hüllfluids aus dem Trägerfluidzulauf und integral in den Mündungskollektor übergehen. Mit anderen Worten bilden die Kapillarausläufe eine geschlossene Wandung, welche eine Trägerfluidseite im Bereich des Mündungskollektors von einer Hüllfluidseite abtrennt.
Die Kapillarausläufe können mittels einer strömungsführenden Oberflächengestaltung verringerte Strömungswiderstände für das durchströmende Trägerfluid bereitstellen, mit Verringerung von Turbulenzen und/oder Druckschwankungen im Strömungsverlauf. Die Kapillarausläufe können beispielsweise eine konusförmige, kegelmantelförmige, parabelförmige oder torusinnenflächenförmige Gestaltung aufweisen. Die strömungsführende Oberflächengestaltung ist insbesondere konzentrisch um die Mündung herum angeordnet bzw. aufgebaut. Des Weiteren können die Kapillarausläufe in den Mündungskollektor hineinkragen.
Das monolithische Bauteil kann ferner eine Umhäusung umfassen, welche monolithisch mit zumindest einem aus permeabler Struktur, Mündungskollektor, zweitem Mündungskollektor, Trägerfluidzulauf oder Trägerfluidablauf ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die Umhäusung monolithisch ausgebildet ist mit allen vorgenannten Strukturen, das heißt mit permeabler Struktur, Mündungskollektor, zweitem Mündungskollektor, Trägerfluidzulauf und Trägerfluidablauf.
Die Hüllfluidkanäle können einen integralen Bestandteil der Umhäusung bilden, so dass die Umhäusung einen Teil der Innenseite der Hüllfluidkanäle ausbildet. Mit anderen Worten können die Hüllfluidkanäle unmittelbar benachbart an der Umhäusung angeordnet sein, bveorzugt integral mit der Umhäusung ausgeführt, beispielsweise als Ausbuchtung oder Hohlraum, so dass die Innenseite eines Hüllfluidkanals zugleich auch innen in der Umhäusung liegt.
Es kann eine innere Tragstruktur im monolithischen Bauteil vorgesehen sein, welche einstückig ausgebildet ist mit zumindest einem aus Umhäusung, den Hüllfluidkanälen, der permeablen Struktur, dem Mündungskollektor oder dem zweiten Mündungskollektor, bevorzugt monolithisch ausgebildet ist mit allen vorgenannten Strukturen. Die innere Tragstruktur kann das Gehäuse nach innen zum Mündungskollektor hin abstützen. Beispielsweise können die Hüllfluidkanäle integral ausgebildet sein mit der Tragstruktur. Beispielsweise kann die innere Tragstruktur jeweils mit einem Tragarm an einem der Hüllfluidkanäle aufgesetzt sein und integral mit dem jeweiligen Hüllfluidkanal ausgebildet sein.
Der Mündungskollektor und/oder der zweite Mündungskollektor kann bevorzugt konisch verjüngend ausgebildet sein. Die Verjüngung kann neben der bevorzugten Konusform auch in analoger bzw. sehr ähnlicher Kegelstumpfform ausgebildet sein. Typischerweise weist der Trägerfluidzulauf bzw. Trägerfluidablauf einen geringeren Durchmesser auf als die permeable Struktur, so dass die Strömung aus dem Trägerfluidzufuhr im Mündungskollektor auf die Weite der permeablen Struktur aufgeweitet wird - bzw. im zweiten Mündungskollektor in Richtung Trägerfluidablauf wieder zusammengefasst wird.
Auf der Hüllseite, die zum Hüllfluid zugewandt ist, also zum Beispiel die Außenseite der permeablen Struktur darstellt, ist ein Hüllfluid bereitstellbar, so dass in dem oder durch das monolithische Bauteil sowohl das Trägerfluid als auch das Hüllfluid strömen kann und das Trägerfluid mittels der permeablen Struktur von dem Hüllfluid abgetrennt ist.
Die permeable Struktur kann des Weiteren semipermeabel oder selektiv permeabel eingerichtet sein. Die permeable Struktur kann ferner beispielsweise permeabel eingerichtet sein für Stoffe und/oder Partikel mit einer Größe kleiner als 10 µm, bevorzugt kleiner als 2 µm, weiter bevorzugt kleiner als 0,5 µm.
Die Filterkapillaren der permeablen Struktur können als eine Mehrzahl von länglich erstreckten Membranrohren ausgebildet sein, die einstückig den Mündungskollektor des monolithischen Bauteils mit dem zweiten Mündungskollektor verbinden.
Die Membranrohre oder Filterkapillaren können ferner eine Innenseite aufweisen, wobei die Innenseiten der Membranrohre oder Filterkapillaren die Trägerseite bilden. Das Trägerfluid kann demnach auf der Innenseite entlang strömen. Die Membranrohre oder Filterkapillaren können weiters auf ihren Außenseiten einen Teil der Hüllseite bilden wobei das Hüllfluid auf der Außenseite entlang strömen kann. Die Membranrohre oder Filterkapillaren können im Übrigen eine rohr- oder röhrenförmige Ausgestaltung aufweisen.
Ohne dass dies in dieser Beschreibung eigens mit Figuren gezeigt wird, können die Filterkapillaren auch helikal geformt sein, beispielsweise in Triplehelixe aufgeteilt sein. Helikal geformte Filterkapillaren bieten den Vorteil eines besseren Stoffaustauschs auf der Innenseite bei einer Durchströmung mit Trägerfluid. Im Vorteil gegenüber geraden Filterkapillaren weisen helikal geformte Membranrohre eine elastische Nachgiebigkeit auf bei Belastungen in Richtung der Hauptachse des Membranrohrbündels bzw. der Triplehelix. Eine solche Belastung kann im Betrieb bei schnellen Temperaturänderungen des durchströmenden Fluid aufkommen. Das Membranrohrbündel will sich der Temperatur entsprechend zum Beispiel ausdehnen, wird aber durch die noch kalte Umhäusung daran gehindert. Gleiches gilt bei schnellen Temperaturabsenkungen. Die Triplehelix oder generell die helikale Form kann hierbei wie eine Schraubenfeder wirken. Es kann hiermit also ein spannungstolerantes monolithisches Bauteil bereitgestellt sein, insbesondere längsspannungstolerant, welches höhere Spannungen, insbesondere durch Temperaturunterschiede hervorgerufene Längsspannungen, aufnehmen kann bevor eine Ermüdung oder gar ein Bruch einer oder mehrerer Filterkapillaren erfolgt. In einer weiteren Ausführungsform können Filterkapillaren mäanderartig bzw. wellenlinienartig geformt sein zur Verbesserung der Durchmischung der Fluide und ggf. zur Erhöhung einer Dämpfungswirkung bzw. elastischen Nachgiebigkeit in Richtung der Haupterstreckungsachse der Filterkapillare. Auch ist es möglich, variable Querschnittsgeometrien von Filterkapillaren einzusetzen zur Erhöhung der Durchmischung des strömenden Trägerfluids.
Der Trägerfluidzulauf kann ein mit dem Mündungskollektor und der porösen Struktur monolithisch ausgebildetes Trägerfluid-Anschlusselement zum Anschließen an eine Fluidführung wie einen Schlauch oder ein Rohr aufweisen. Dabei kann das Trägerfluid-Anschlusselement bevorzugt Mittel aufweisen zum lösbaren Verbinden des Schlauchs oder des Rohrs, wie zum Beispiel ein Anschlussgewinde. Auch/oder der Trägerfluidablauf kann ein mit dem zweiten Mündungskollektor und der permeablen Struktur monolithisch ausgebildetes zweites Trägerfluid-Anschlusselement zum Anschließen an eine Fluidführung wie einen Schlauch oder ein Rohr aufweisen. Auch das zweite Trägerfluid-Anschlusselement kann Mittel zum lösbaren Verbinden des Schlauchs oder des Rohrs umfassen wie ein Schraubgewinde.
Des weiteren kann zumindest ein mit der permeablen Struktur und/oder den Hüllfluidkanälen monolithisch ausgebildeter Hüllfluid-Anschluss vorgesehen sein.
Das monolithische Bauteil kann einen Hüllfluid-Ringverteiler aufweisen, insbesondere zur Verbindung des Hüllfluid-Anschlusses und/oder zur Verbindung der Hüllfluidkanäle. Beispielsweise kann der Hüllfluid-Ringverteiler das Hüllfluid aus dem Hüllfluid-Anschluss in die einzelnen Hüllfluidkanäle verteilen. Der Hüllfluid-Ringverteiler kann von außerhalb des Gehäuses auf das Gehäuse des monolithischen Bauteils aufgesetzt sein, beispielsweise indem der Hüllfluid-Ringverteiler integral mit dem Gehäuse ausgeführt ist und das Gehäuse einen Teil der Innenwand des Ringverteilers bildet.
Die permeable Struktur kann zumindest einen Turbulator aufweisen zur Durchmischung des Trägerfluids und/oder zur Durchmischung des Hüllfluids, insbesondere eine Mehrzahl von Turbulatoren je Filterkapillare. Ein Turbulator kann eine Verwirbelung in dem entsprechenden Fluid bereitstellen, so dass es zu einer verbesserten Durchmischung und somit zu einem verbesserten Stoffaustausch zwischen Hüllfluid und Trägerfluid kommt.
Das monolithische Bauteil kann anorganische Bestandteile, insbesondere keramische Paste oder metallische Paste, umfasst oder daraus besteht oder daraus hergestellt sein. Das monolithische Bauteil kann des Weiteren Polymere, insbesondere Polymerpulver, weiter insbesondere zumindest eines aus Polyolefine, beispielsweise Polypropylen, Polyamide, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyethersulfon, umfassen, daraus bestehen oder daraus hergestellt sein. Das monolithische Bauteil kann des Weiteren anorganische und polymere Bestandteile, insbesondere Polymerlösung mit keramischen, metallischen und/oder polymeren Füllstoffen, die Polymerlösung insbesondere umfassend zumindest eines aus Polyolefine, beispielsweise Polypropylen, Polyamide, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyethersulfon, umfassen, daraus bestehen oder daraus aufgebaut sein.
Die permeable Struktur kann eine poröse Struktur sein, welche aus porösem oder porösierbarem Ausgangsmaterial einstückig aufgebaut ist.
Die vorliegende Beschreibung umfasst auch ein monolithisch aufgebautes Filtermodul zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid, umfassend einen Trägerfluidzulauf und einen Trägerfluidablauf, einen monolithisch mit dem Trägerfluidzulauf ausgebildeten Mündungskollektor, einen monolithisch mit dem Trägerfluidablauf ausgebildeten zweiten Mündungskollektor, ein, insbesondere längliches oder röhrenförmiges, einstückig mit dem Mündungskollektor und/oder dem zweiten Mündungskollektor ausgebildetes Filtergehäuse, eine in dem Filtergehäuse angeordnete und mit dem Mündungskollektor, dem zweiten Mündungskollektor und dem Filtergehäuse einstückig aufgebaute und verbundene sowie jedenfalls teilweise oder bereichsweise permeabel eingerichtete Struktur, zumindest ein Trägerfluid-Anschlusselement, zumindest ein Hüllfluid-Anschlusselement, wobei der Mündungskollektor und der zweite Mündungskollektor jeweils als integrale Fluidsperre ausgebildet ist zum Unterbinden eines Austausches zwischen Trägerfluid-Anschlusselement und Hüllfl ui d-Anschl usselement.
Das Filtermodul kann ferner die permeable Struktur so hergerichtet und angeordnet umfassen, dass eine Hüllseite von einer Trägerseite zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise permeabel von dieser abgetrennt ist. Auf der Trägerseite kann entsprechend ein Trägerfluid bereitstellbar sein. Die permeable Struktur kann auch hergerichtet sein, einen Stofftransfer des Trägerfluids mit der Hüllseite zu gewährleisten.
Zur Herstellung eines monolithischen Bauteils mit permeabler Struktur, so wie es vorstehend in verschiedenen mit einander kombinierbaren Varianten beschrieben wurde, sollen im Weiteren mehrere Schritte zur Erhöhung des Verständnisses erläutert werden. Das monolithische Bauteil weist in bevorzugter Weise eine zumindest teilweise oder zumindest bereichsweise poröse Materialstruktur auf, und eignet sich daher weiter insbesondere als Filterelement oder Filtervorrichtung. Das Ausgangsmaterial wird für den Auftrag bereitgestellt, beispielsweise mittels eines Extruders. Das Ausgangsmaterial liegt bereits porös vor oder es wird in einer porösierbaren Form bereitgestellt. Das bedeutet, dass das Ausgangsmaterial bei seiner Bereitstellung zunächst nicht porös ist, aber im Zusammenhang mit dem Auftrag des Ausgangsmaterials so beeinflusst, verändert oder anders zusammengesetzt wird, dass das Ausgangsmaterial im zeitlichen Zusammenhang mit dem Auftrag des Ausgangsmaterials mit Poren durchsetzt werden kann. Unter Bereitstellen des Primärmaterials kann auch das Fördern des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials zu dem Ort des Materialauftrags umfasst sein, aber auch die thermische Anpassung an gewünschte Auftragsbedingungen, wie auch das Einstellen eines vorteilhaften physikalischen Drucks für das Auftragen des Ausgangsmaterials zur Herstellung des Bauteils. Im Beispiel des Extruders umfasst das Bereitstellen das Fördern und Pressen in der Extruderschnecke, wobei am Ausgang des Extruders schließlich das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial bereitgestellt ist.
Bei dem Auftragen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials kann die Porosität eingestellt werden, also beispielsweise am Ort des Materialauftrags. Beispielsweise erfolgt diese Einstellung zeitlich unmittelbar vor, während oder auch unmittelbar nach dem konkreten Materialauftrag. Hierbei können beispielsweise Maschinenparameter einer Auftragsmaschine geändert werden, wie eines Extruders, oder es kann ein Mischungsverhältnis des Ausgangsmaterials verändert werden, oder es können Verfahrensparameter bei der Verfestigung des Ausgangsmaterials eingestellt werden, um die Porosität am Ort des Materialauftrags einzustellen. Dabei wird in vorteilhafter Weise intrinsisch im Material die Materialdurchlässigkeit eingestellt. Mit dem in wenig oder nicht poröser Form bereitgestellten Ausgangsmaterial können beispielsweise Teile des Gehäuses des Bauteils aufgebaut werden. An anderer Stelle des Bauteils kann mit demselben Ausgangsmaterial eine poröse, d.h. durchlässige oder auch permeable, semipermeable oder spezifisch permeable Materialstruktur erzeugt werden, und die verschiedenen Bauteilbereiche monolithisch miteinander aufgebaut.
Das Auftragen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials kann punktweise, insbesondere in einer Punkt-Target-Matrix oder in Zylinderkoordinaten, linienartig oder schichtweise erfolgen. Der Materialauftrag kann kontinuierlich oder auch quasikontinuierlich erfolgen, das heißt z.B. „raupenförmig“ aus der Bereitstellungsanlage wie einem Extruder austreten, und z.B. damit punktweise Punkte einer Punkt-Target-Matrix angefahren werden. Der Materialauftrag erfolgt typischerweise der Schwerkraft folgend mit einem Auftrag von oben und dem Aufbau des Bauteils von unten nach oben. Der Materialauftrag kann in einer Schicht-Target-Matrix erfolgen, wobei eine Mehrzahl von anzufahrenden Punkten in einer solchen Schicht zusammengefasst sein kann. Beispielsweise wenn das Ausgangsmaterial pulverförmig vorliegt, kann eine solche Schicht als Ganzes präpariert werden, also beispielsweise mit einer Strahlungsquelle erhitzt und einstückig miteinander verbunden werden.
Der Punktabstand von einem Punkt zum nächsten benachbarten Punkt muss nicht identisch sein, beispielsweise kann so ein Bereich besonders komplexer Geometrie mit engerem Punktraster versehen sein, wohingegen einfache Gebilde mit wenigen Punkten beschreibbar sind. Beispielsweise im Fall pastösem Ausgangsmaterials kann das Ausgangsmaterial „raupenförmig“ aufgetragen werden, und eine lange gerade Linie aufgetragen werden, wobei nur der Anfangs- und Endpunkt der geraden Linie zu definieren wäre.
Bei dem Anfahren eines anzufahrenden Punktes wird das Ausgangsmaterial an dem entsprechenden Punkt der Punkt-Target-Matrix zur Verfügung steht. Das Anfahren kann mittels eines Auftragswerkzeugs erfolgen, beispielsweise der bereits genannte Extruder, wobei das Auftragswerkzeug in dreidimensionaler Weise zu dem aufzutragenden Punkt der Punkt-Target-Matrix bewegt werden kann oder ein Bauteilträger so verstellbar ausgeführt ist, dass ein bewegliches System der Punkt-Target-Matrix entsteht, wobei die Punkt-Target-Matrix vor dem Auftragswerkzeug verschoben wird und der aufzutragenden Punkt der Punkt-Target-Matrix am Auftragswerkzeug zur Anlage kommt.
Ein Auftragswerkzeug ist vorteilhaft, wenn das Ausgangsmaterial eine flüssige, pastöse oder feste Form aufweist. Für den Fall, dass das Ausgangsmaterial in Pulverform vorliegt, kann unter dem Anfahren des anzuführenden Punktes der Punkt-Target-Matrix beispielsweise auch das Richten eines Hitzeerzeugers, wie insbesondere eines Lasers bzw. einer Strahlungsquelle, auf den anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix verstanden werden, um an dem Punkt der Punkt-Target-Matrix das dort abgelegte pulverförmige Ausgangsmaterial zumindest in eine Art Vorschmelze zu bringen, so dass es sich mit dem umliegenden Bauteil bzw. dem umliegenden Ausgangsmaterial verbindet, ggf. als Vorbereitung für ein späteres Sintern des Bauteils als Ganzes. Beispielsweise kann das pulverförmige Ausgangsmaterial ein anorganisch, also z.B. keramisch und/oder metallisch, gefülltes Polymerpulver sein.
Das Einstellen des porösen und/oder porösierbaren Ausgangsmaterials hinsichtlich der Porosität kann auf verschiedene Weise erfolgen. Es kann ein Mischungsverhältnis im Ausgangsmaterial umfassen, wenn beispielsweise ein Füllstoff in einem veränderlichen Mischungsverhältnis bereitgestellt wird, wobei durch Einstellen des Mischungsverhältnisses des Füllstoffes die Porosität des Ausgangsmaterials definiert werden kann. Es kann auch das Einstellen der Strahlungsquelle bzw. der Quelle für eine thermische Behandlung des Ausgangsmaterials am anzufahrenden Punkt umfassen. So kann zum Beispiel die Intensität eines einzusetzenden Lasers so eingestellt werden, dass eine höhere Intensität eine andere Porosität erzeugt als eine niedrigere Intensität. Das Ausgangsmaterial wird also an dem anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix hinsichtlich seiner Porosität beeinflusst, verändert, zusammengesetzt oder allgemein eingestellt derart, dass an dem zumindest einen ersten Punkt eine poröse Materialstruktur entsteht. An zumindest einem zweiten Punkt der Punkt-Target-Matrix kann durch unterschiedliches Einstellen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials eine undurchlässige Materialstruktur entstehen. Undurchlässig ist dabei beispielsweise eine Struktur, welche vergleichsweise wenig Poren oder gar keine Poren aufweist, oder aber welche geschlossenporig aufgebaut ist, so dass kein Fluidaustausch und/oder Stoffaustausch zwischen Fluiden gewährleistet ist.
Zur Einstellung der Porosität der Materialstruktur des Bauteils kann eine intrinsische beziehungsweise chaotische Porenanordnung eingestellt sein. Das bedeutet, dass die mikroporöse Gestaltung nicht exakt reproduzierbar ist, dass ein Bauteil einem zweiten Bauteil an einem konkreten Punkt der Punkt-Target-Matrix gleiche. Die Porenstruktur wird also nicht im Mikrometerbereich exakt festgelegt, sondern lediglich hinsichtlich der „Wirkung“, das heißt durchschnittlicher Porengröße und Porenanzahl pro Volumen, eingestellt. Eine permeable oder poröse Materialstruktur weist dabei entsprechend eine offene Porosität auf. Die Poren können ggf. beim Materialauftrag so gestaltet oder vorbereitet werden, dass diese im Bauteil eine zusammenhängende poröse Materialstruktur ausbilden. Die Poren können eine rundliche oder kartoffelförmige Einzelstruktur aufweisen. Die undurchlässige Materialstruktur kann hingegen eine geschlossene Porosität oder gar keine Porosität aufweisen, jedenfalls keine Offenporigkeit.
Die poröse Materialstruktur kann sich dadurch auszeichnen, dass dort ein geringerer Widerstand für die Durchströmung oder Durchdringung eines Fluids durch die poröse Materialstruktur vorliegt als in der undurchlässigen Materialstruktur. Es kann sich dabei als vorteilhaft erweisen, wenn sich die Poren jedenfalls teilweise miteinander verbunden herausbilden, so dass ein Fluid von einer Pore zur nächsten Fließen kann und sich insgesamt eine Strömung bzw. eine Durchgängigkeit durch die poröse Materialstruktur ausbilden kann. Die offene Porosität bedeutet also bevorzugt, dass eine Pore typischerweise mit mindestens zwei weiteren Poren im kommunizierenden Flüssigkeitsaustausch steht, wenn ein Fluid durch die poröse Materialstruktur fließt. Dabei kann die Flüssigkeit dadurch zum Fließen gebracht werden, indem die Flüssigkeit unter Aufbringung eines Druckgradienten, beispielsweise erzeugt durch die Schwerkraft und ohne äußere Pumpeinrichtung, oder auch durch Einwirkung einer Pumpeinrichtung bzw. Druckbeaufschlagung, durch das Bauteil befördert wird.
Die permeable oder poröse Materialstruktur kann eine offene mikro-oder mesoporöse Struktur aufweisen. Die mittlere Porengröße kann dabei kleiner als 40 µm sein, bevorzugt kleiner 5 µm und weiter bevorzugt sogar kleiner als 1 µm. Die permebale oder poröse Materialstruktur weist bevorzugt eine mittlere Volumenporosität von 20 % oder größer auf, bevorzugt 35 % oder größer. Die mittlere Volumenporosität kann auch 50 % oder größere Werte erreichen.
Die undurchlässige Materialstruktur kann eine höhere Dichte aufweisen als die poröse Materialstruktur. Das Verhältnis der Dichte der undurchlässigen Materialstruktur zu derjenigen der porösen Materialstruktur liegt insbesondere bei 1,2 : 1, bevorzugt bei 1,5 : 1 und noch weiter bevorzugt bei 2 : 1. Mit anderen Worten kann die Materialstruktur in undurchlässigen Bereichen dichter aufgebaut sein als in Bereichen poröser Materialstruktur. Dabei kann das Verhältnis der Dichte der undurchlässigen Materialstruktur zu der porösen Materialstruktur auch in Intervallen angegeben sein, beispielsweise in einem Intervall zwischen 1,2 : 1 bis 1,5 : 1 und bevorzugt in dem Intervall von 1,5 : 1 bis 2 : 1.
Das Einstellen der Porosität kann durch die Beimischung von Additiv -oder Füllstoff zu dem Ausgangsmaterial erfolgen, oder auch durch das Einstellen von Härtungsparametern für den jeweils anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix, oder durch die Auswahl von einem anzuwendenden Ausgangsmaterial aus einer Mehrzahl von zumindest zwei Ausgangsmaterialien, wenn die zumindest zwei Ausgangsmaterialien abwechselnd oder gleichzeitig zugeführt werden können. Das Einstellen kann auch durch das Bereitstellen einer ortsabhängigen Strahlungsintensität mit einer Strahlungsquelle erfolgen, die auf den Ort des Materialauftrags gerichtet ist, oder weiter alternativ oder kumulativ die ortsabhängige Einstellung der Lichtabsorptionsfähigkeit des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials, so dass der Bauteilaufbau insbesondere mittels einer ortsunabhängigen Strahlungsquelle durchführbar ist.
Als Additiv für das Ausgangsmaterial können polymere oder anorganische Nanopartikel eingesetzt sein. Als Nanopartikel werden Partikel mit einem mittleren Durchmesser von typischerweise 100 nm oder weniger bezeichnet. Beispielsweise können die Nanopartikel einen mittleren Durchmesser von 900 nm oder weniger, 500 nm oder weniger, 100 nm oder weniger oder auch 50 nm oder weniger aufweisen. Als Füllstoff kann dabei ein anorganischer oder organischer Füllstoff eingesetzt sein.
Zur Erhöhung der Klarheit wird im Folgenden ein additives Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Bauteils mit zumindest teilweiser oder zumindest bereichsweiser poröser Materialstruktur erläutert. Zunächst wird ein ein poröses oder porösierbares Ausgangsmaterial bereitgestellt. Danach wird das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial zum Aufbau des Bauteils aufgetragen, und bei dem Auftragen die Porosität des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials eingestellt.
Das Auftragen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials kann ein punktweises, linienartiges oder schichtweises Auftragen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials umfassen, insbesondere in einer Punkt-Target-Matrix oder in einer Schicht-Target-Matrix. Das punktweise Auftragen kann ferner das Anfahren eines anzufahrenden Punktes der Punkt-Target-Matrix, an dem das poröse oder porösierbare Ausgangsmaterial aufzutragen ist, umfassen. Ferner kann das Einstellen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials an dem anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix und Auftragen des eingestellten des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials an dem Punkt umfasst sein.
Ferner kann das Anfahren von zumindest einem ersten Punkt der Punkt-Target-Matrix und Einstellen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials an dem zumindest einen ersten Punkt umfasst sein derart, dass an dem zumindest einen ersten Punkt eine poröse Materialstruktur entsteht, und/oder das Anfahren von zumindest einem zweiten Punkt der Punkt-Target-Matrix und Einstellen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials an dem zumindest einen zweiten Punkt derart, dass an dem zweiten Punkt eine undurchlässige Materialstruktur entsteht.
Die Punkte der Punkt-Target-Matrix können in Ablageschichten angeordnet sind, und wobei das Anfahren (120) der Punkte der Punkt-Target-Matrix schichtweise durchgeführt wird, so dass zunächst die Punkte einer ersten Ablageschicht angefahren werden und anschließend die Punkte einer zweiten Ablageschicht.
Das Auftragen des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials kann so ausgebildet sein, dass eine Ablageschicht Bereiche mit undurchlässiger Materialstruktur aufweist, zumindest eine Ablageschicht Bereiche mit poröser Materialstruktur aufweist, oder aber zumindest eine Ablageschicht sowohl undurchlässige Materialstruktur als auch poröse Materialstruktur aufweist, welche mit demselben porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterial aufgetragen ist. Die teilweise oder bereichsweise poröse Materialstruktur des Bauteils kann chaotisch angeordnet oder aufgebaut sein. Die teilweise oder bereichsweise poröse Materialstruktur des Bauteils kann auch mit dem Auftrag des Ausgangsmaterials im bzw. am Bauteil entstehen.
Das Ausgangsmaterial ist beispielsweise intrinsisch porös eingestellt bzw. hergerichtet. Die poröse Materialstruktur weist bevorzugt eine offene Porosität aufweist, die undurchlässige Materialstruktur eine geschlossene Porosität. Die poröse Materialstruktur kann sich auch dadurch auszeichnen, dass dort ein geringerer Widerstand für die Durchströmung oder Durchdringung eines Fluids durch die poröse Materialstruktur vorliegt als in einer undurchlässigen Materialstruktur. Die poröse Materialstruktur weist bevorzugt eine offene mikro- oder mesoporöse Struktur auf mit einer mittleren Porengröße kleiner 40 µm, bevorzugt kleiner 5 µm, weiter bevorzugt kleiner 1 µm. Die poröse Materialstruktur kann auch eine mittlere Volumenporosität von 20 % oder größer aufweisen, bevorzugt 35 % oder größer.
Zu dem Ausgangsmaterial kann eine Beimischung von Additiv oder Füllstoff zum Einstellen der Porosität im Moment des Materialauftrags erfolgen, insbesondere an dem jeweils anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix. Dort können auch Härtungsparametern für den jeweils anzufahrenden Punkt der Punkt-Target-Matrix eingestellt werden. Ferner kann ein anzuwendendes Ausgangsmaterial ausgewählt werden aus einer Mehrzahl von zumindest zwei Ausgangsmaterialien, wobei die zumindest zwei Ausgangsmaterialien abwechselnd oder gleichzeitig zugeführt werden können. Es kann eine ortsabhängige Strahlungsintensität mittels einer Strahlungsquelle bereitgestellt werden, die auf den Materialauftrag gerichtet ist. Es kann auch eine ortsabhängige Einstellung der Lichtabsorptionsfähigkeit des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials erfolgen, so dass der Bauteilaufbau insbesondere mittels einer ortsunabhängigen Strahlungsquelle durchführbar ist. Als Additiv können polymere oder anorganische Nanopartikel, als Füllstoff ein anorganischer oder organischer Füllstoff eingesetzt sein.
Beim Materialauftrag können die Poren des porösen oder porösierbaren Ausgangsmaterials so gestaltet oder vorbereitet werden, dass diese im Bauteil eine zusammenhängende poröse Materialstruktur ausbilden.
Bei dem monolithischen Bauteil kann der Mündungskollektor und/oder der zweite Mündungskollektor eine integrale Fluidsperre ausbilden, und die Fluidsperre(n) die Strömung des Trägerfluids von der Hüllströmung trennen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Kurzbeschreibung der Figuren
Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform eines verbesserten monolithischen Bauteils in Längsschnittdarstellung,
2 eine weitere Ausführungsform eines monolithischen Bauteils in Längsschnittdarstellung mit zwei symmetrischen Abschlüssen,
3 eine weitere Ausführungsform eines monolithischen Bauteils in Längsschnittansicht,
4 - 12 die Ausführungsform der 3 in verschiedenen Querschnittflächen,
13 eine weitere Ausführungsform eines verbesserten monolithischen Bauteils,
14 eine Ausführungsform eines monolithischen Bauteils mit unsymmetrischen Abschlüssen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Mit 1 ist eine erste Ausführungsform eines monolithischen Bauteils 50 gezeigt, bei welcher die Zulaufseite 7 offen gelassen ist. Das monolithische Bauteil 50 weist eine Umhäusung 5 auf, die die Filterkapillaren 1 umschließt. Ein Trägerfluid durchströmt die Trägerseite 11 der Filterkapillaren 1 hin zum Mündungskollektor 25, in welchem das Trägerfluid aus allen Filterkapillaren 1 in dem Reservoir 22 vereinigt wird, bevor das Trägerfluid über den Trägerfluidablauf 6 das monolithische Bauteil 50 wieder verlässt. Im Bereich der Filterkapillaren 1 sind die Seitenflächen 9 der Kapillaren 1 permeabel ausgeführt, bevorzugt ist hier ein einstellbar poröses Material für die Struktur 60 eingesetzt zur Herstellung der Kapillaren 1. Damit ist ein Stoffaustausch zwischen dem Trägerfluid bzw. der Trägerseite 11 und dem Hüllfluid bzw. der Hüllseite 10 ermöglicht. Auf der Hüllseite 10 wird ein Hüllfluid bereitgestellt welches sich typischerweise dadurch auszeichnet, dass es Bestandteile des Trägerfluids aufnehmen kann. So kann in einem Beispiel ein chemisches Potentialgefälle einen Austrieb an Bestandteilen aus dem Trägerfluid in das Hüllfluid hervorrufen. Andererseits können entsprechende Bestandteile auch aus dem Trägerfluid ausgepresst werden und somit von der Trägerseite 11 auf die Hüllseite 10 befördert werden.
Die Kapillaren 1 weisen in diesem Beispiel jeweils einen Kapillarauslauf 3 auf, der zylinderstumpfartig bzw. konisch in den Mündungskollektor 25 übergeht. Von den Enden der Seitenflächen 9 der Filterkapillaren 1 wird der Hüllfluidabschluss 20 ausgebildet. Der Hüllfluidabschluss 20 trennt die Hüllseite 10 undurchlässig von der Trägerseite 11. Die Seitenflächen 9 werden so ausgebildet, dass die Kapillaren 1 ineinander verwachsen bzw. aneinanderkleben oder in anderer Weise für das Hüllfluid fluidundurchlässig miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten verhindert der Hüllfluidabschluss 20 ein Eindringen des Hüllfluids in den Mündungskollektor 25. Der Hüllfluidabschluss 20 ist in der gezeigten Ausführungsform der 1 zugleich so fortgeführt, dass eine integrale Versteifungsstruktur 28 ausgebildet wird, welche einstückig mit dem Gehäuse 5 verwachsen bzw. ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform fußen die Seitenarme 28a der Versteifungsstruktur 28 an Hüllfluidkanälen 12. Hierdurch kann eine noch weiter verbesserte Kraftableitung von Quer- und/oder Längsspannungen erreicht werden.
Dabei sind die Kapillaren 1, der Hüllfluidabschluss 20 und der Mündungskollektor 25 aus gleichem, ähnlichem, zumindest aber kompatiblem Material hergestellt, so dass sich Hüllfluidabschluss 20 und Kapillaren 1 einstückig aufbauen lassen. Auf die Kapillarausläufe 3 können gegebenenfalls auch mechanische Kräfte wirken, da diese die Filterkapillaren 1 mit dem Mündungskollektor 25 und somit mit dem Gehäuse 5 verbinden. Der Kapillarauslauf 3 kann daher auch hinsichtlich der mechanischen Widerstandsfähigkeit optimiert gestaltet werden, um die Bruchneigung im Bereich des Übergangs von Hüllfluidabschluss 20 zur jeweiligen Filterkapillare 1 zu verringern. Die Filterkapillaren 1 bilden typischerweise zusammen die Membran bzw. den Membranfilter.
Das Hüllfluid wird am Hüllfuidzulauf 8 bereitgestellt und in den Hüllfluid-Ringverteiler 15 eingespeist. Von dem Hüllfluid-Ringverteiler 15 zweigen Hüllfluidkanäle 12 entlang des Gehäuses 5 in Richtung der permeablen Struktur 60 ab, die das Hüllfluid vorverteilt in den zentralen Austauschbereich des Bauteils 50 weiterleiten. Die Hüllfluidkanäle 12 sind integral mit dem Gehäuse 5 ausgebildet, man könnte also sagen, sie sind gemeinsam mit der Umwandung des Gehäuses 5 ausgeformt. Die Hüllfluidkanäle 12 weisen eine Innenseite auf (vgl. z.B. 7), wobei die Innenseite der Hüllfluidkanäle 12 teilweise von dem Gehäuse 5 gebildet wird.
Der Trägerfluidablauf 6 und/oder der Trägerfluidzulauf 7 weist ein Anschlussmittel 6a auf zum fluiddichten Verbinden einer Fluidverbindungsleitung wie insbesondere eines Rohrstücks oder eines Schlauchs. Beispielsweise kann dort ein Gewinde angeordnet sein, eine Einschraubverschraubung vorgesehen sein, oder aber es kann als Flanschanschluss ausgeführt sein. Auch der Hüllfluidzu- oder -ablauf 8 kann ein Anschlussmittel 8a aufweisen wie ein Gewinde oder dgl.
Bezug nehmend auf 2 ist eine weitere Ausführungsform eines monolithischen Bauteils 50 als Durchgangsfilter gezeigt, wobei hier zwei Mündungskollektoren 25 in dieser Bauform spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Im Inneren des Filters 50 sind die Filterkapillaren 1 in einer Schnittansicht gezeigt. Insgesamt sind in dem Filter 50 19 Filterkapillaren 1 angeordnet (vgl. auch 8). Auf beiden Seiten münden die Filterkapillaren 1 integral in den jeweiligen Mündungskollektor 25 hinein und bilden gemeinsam den Hüllfluidabschluss 20. Dafür vereinigen sich die Enden der Filterkapillaren 1, um die Hüllseite 10 von dem jeweiligen Mündungskollektor 25 fluiddicht abzutrennen. Des Weiteren weisen beide Mündungskollektoren 25 eine integrale Versteifungsstruktur 28 aus, die nahtlos und einstückig aus dem Fortsatz der Filterkapillaren 1 ausgebildet wird. Mit anderen Worten wird bei der Herstellung der Filterkapillaren 1 der Materialauftrag in dergestalt weiter fortgeführt, so dass an den Enden der Filterkapillaren zuerst der Hüllfluidabschluss 20 und daran anschließend die integrale Versteifungsstruktur 28 ausgebildet ist.
Mit 3 ist eine weitere Ausführungsform des monolithischen Bauteils 50 dargestellt, wobei im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen die Filterkapillaren 1 mit Statikmischern bzw. Turbulatoren 29 ausgerüstet sind. Hierdurch wird eine verbesserte Durchmischung des Trägerfluids erreicht.
Einbauten, wie statische Mischer als Turbulatoren 29, sind in der Verfahrenstechnik als solches zwar bekannt, um die Durchmischung eines strömenden Fluids zu verbessern. In Filterkapillaren 1 funktioniert dies aber nicht ohne weiteres, jedenfalls aber nicht dauerhaft. Statische Mischer können in herkömmlichen Membranrohren nicht gut fixiert werden bzw. sind sie überhaupt mit dritten Materialien zu fixieren und führen daher im Betrieb regelmäßig Relativbewegungen zur Membranoberfläche aus. Die Membranoberfläche wird durch die dabei entstehende Reibung dauerhaft geschädigt und sie kann ihre Trennaufgabe nicht mehr ausfüllen.
Durch das vorteilhafte Verfahren, bei welchem das Bauteil monolithisch aufgebaut wird, ist es nunmehr möglich, Turbulatoren 29 einstückig mit der porösen Struktur 60 auszubilden, so dass jedenfalls das Problem der Relativbewegung nicht mehr auftritt. Die Einzelsegmente der Turbulatoren 29 bzw. der statischen Mischer sind somit integraler Bestandteil der porösen Struktur 60. Der monolithische Verbund von Turbulatoren 29 mit poröser Struktur 60 als integrierte Komponente eliminiert das Problem der Relativbewegungen, so dass Membranschädigungen an dieser Stelle verringert oder sogar ausgeschlossen sind und somit ein dauerhafter Betrieb zuverlässig gewährleistet ist.
Bezug nehmend auf die 4 bis 13 ist eine Ausführungsform des monolithischen Bauteils 50 in verschiedenen Querschnittebenen dargestellt, um den inneren Aufbau weiter zu verdeutlichen. 4 zeigt eine perspektivische Außenansicht auf das Filterbauteil 50, wobei die Perspektive den Blick durch den Trägerfluidablauf 6 einerseits in den darunterliegenden Mündungskollektor 25 erlaubt, des Weiteren sind auch zwei Hüllfluidkanäle 12 zu erkennen, welche aus dem Hüllfluid-Ringverteiler 15 abzweigen.
Mit 5 ist ein Querschnitt auf Höhe des Hüllfluid-Ringverteilers 15 dargestellt, wobei dort die Flüssigkeitsverteilung des Hüllfluids und die abzweigenden Hüllfluidkanäle 12 ersichtlich sind. Mit 6 ist ein Querschnitt des Bauteils 50 in Höhe der Trägerfluidkammer 22 dargestellt. Am Gehäuse 5 entlang sind 12 Hüllfluidkanäle 12 querschnittlich dargegeben, durch welche das Hüllfluid von dem Hüllfluid-Anschluss 8 in die Filterkammer bzw. den zentralen Bereich 52 geleitet wird. Die Hüllfluidkanäle 12 weisen eine Innenwandung 12a auf, wobei die Innenwandung 12a zu einem Teil des Umfangs des jeweiligen Hüllfluidkanals zugleich auch die Gehäusewand des Gehäuses 5 bildet, so dass ein Teil der Innenwandung 12a der Hüllfluidkanäle 12 von dem Gehäuse 5 gebildet ist.
7 zeigt das Bauteil 50 in einem weiteren Querschnitt durch den Mündungskollektor 25, wobei ersichtlich ist, dass bedingt durch die konische und kontinuierliche Verbreiterung der Mündungskollektor 25 bereits einen größeren Durchmesser aufweist als in dem in 6 gezeigten Querschnitt. Der Aufbau der integralen Versteifungsstruktur 28 ist in 7 zu erkennen, wobei Seitenarme 28a der Versteifungsstruktur 28 direkt auf den Hüllfluidkanälen 12 fußen, so dass ein Kraftabtrag in das Gehäuse 5 durch die vergrößerte Aufstandsfläche des Hüllfluidkanals 12 weiter verbessert ist. Des Weiteren erweist sich dieser Aufbau auch bei der Herstellung als vorteilhaft, da die Hüllfluidkanäle ohnehin bereits in Richtung des Mündungskollektors 25 auf dem Gehäuse 5 aufbauen und somit ein weiterer Materialauftrag auf den Hüllfluidkanälen 12 einfacher ist, als mit dem entsprechenden Auftragswerkzeug zwischen die Hüllfluidkanäle 12 zu gelangen, um dort die Seitenarme 28a zu fußen. Zwischen den Seitenarmen 28a der Versteifungsstruktur 28 treten bereits die Filterkapillaren 1 hervor, welche sich in den Filterbereich 52 erstrecken. 8 zeigt einen weiteren Schnitt durch das Filterbauteil 50 im Bereich des Hüllfluidabschlusses 20, wobei bereits beinahe der größte Durchmesser des Mündungskollektors 25 erreicht ist.
Mit 9 ist ein weiterer Querschnitt durch das Filterbauteil 50 im Bereich der Kapillarausläufe 3 der Filterkapillaren 1 gezeigt und somit noch weiter in Richtung der Filterkammer 52, wobei mit 9 der Übergang zwischen Kapillare 1 und Mündungskollektor 25 bzw. Hüllfluidabschluss 20 ersichtlich wird. Die Kapillaren 1 weisen einen aufgeweiteten Durchmesser im Bereich der Kapillarausläufe 3 auf, der weiter „oben“ in Richtung Trägerfluidzulauf 7 (siehe 1 bzw. 8) bereits ineinander verwachsen ist, weiter unten (siehe 12 und 13) dann in röhrenförmige Filterkapillaren verjüngt. Die Form der Kapillarausläufe 3 kann dabei so eingestellt werden, dass diese in optimaler Weise dem vorhandenen Raum folgt und von den permeablen, und in diesem Fall runden, Filterkapillaren 1 in den undurchlässigen bzw. fluiddichten Hüllfluidabschluss 20 einstückig übergeht.
Mit 10 ist ein Querschnitt im Bereich des zweiten Mündungskollektors gezeigt, also bereits auf der gegenüberliegenden Seite der Filterkammer 52, mit Perspektive auf den Trägerfluidzulauf 7. In dieser Perspektive sind keine Filterkapillaren 1 sichtbar, da diese in gegenüberliegender Richtung verlaufen. Die Seitenarme 28a stellen in baulicher Hinsicht Verlängerungen der Ausläufe 3 der Filterkapillaren 1 dar, da diese einstückig ineinander übergehen.Die Versteifungsstruktur 28 bildet eine selbsttragende Stützstruktur aus, die das Bauteil 50 weiter aussteifen kann. Die Arme 28a fußen auf den Hüllfluidkanälen 12, welche in perspektivischer Darstellung ersichtlich bis zum Hüllfluid-Ringverteiler 15 verlaufen (vgl. z.B. 4).
Mit Bezug auf 11 ist noch ein weiterer Querschnitt durch das Filterbauteil 50 in perspektivischer Darstellung gezeigt, wobei der Querschnitt am Fußpunkt der Kapillarausläufe 3 gezogen ist, so dass der Übergang von Kapillaren 1 über die Kapillarausläufe 3 und in den Hüllfluidabschluss 20 perspektivisch erkennbar ist. Des Weiteren sind die Filterkapillaren 1 in dieser Ausführungsform mit Turbulatoren 29 ausgerüstet zur Verlangsamung der Strömung durch die Filterkapillaren 1 bzw. zur Verbesserung des Stoffaustausches mit dem Hüllfluid auf der Hüllseite 10.
Mit Bezug auf 12 ist ein Querschnitt durch das Filterbauteil 50 in Höhe der Filterkammer 52 gezeigt, wobei ersichtlich wird, wie die Hüllseite 10 die Trägerseite 11 der Filterkapillaren 1 allseits umschließt, so dass die Filterkapillaren 1 von dem Hüllfluid allseits umströmbar sind zur Bereitstellung eines effektiven und großflächigen Überströmens der Filterkapillaren 1.
Mit Bezug auf 13 ist eine weitere Ausführungsform eines Bauteils 50 in vereinfachter schematischer Darstellung zur Verdeutlichung der wesentlichen Komponenten gezeigt mit Trägerfluidzulauf 7, Mündungskollektor 25 mit Trägerfluidkammer 22, schematischer Darstellung des Hüllfluidabschlusses 20 im Bereich der Kapillarenden 3 sowie drei Filterkapillaren 1. Der Filter 50 kann als Durchgangsfilter oder als dead-end Filter bereitgestellt werden.
14 zeigt die Ausführungsform der 13 als dead-end Filter, wobei die Filterkapillaren 1 im Bereich des in der Figur unten dargestellten Endes verschlossen sind, z.B. einstückig mit dem Hüllfluidabschluss 20 verschlossen. In einer solchen Ausführungsform wird das Trägerfluid durch den Trägerfluidzulauf 7 in den Filter 50 eingepresst und Bestandteile aus dem Trägerfluid gelangen auf die Hüllseite 10. Beispielsweise können so Schwebstoffe in den Filterkapillaren 1 angesammelt werden und das Trägerfluid kann in einer solchen Ausgestaltung von der Trägerseite 11 durch die permeable bzw. poröse Struktur der Filterkapillaren 1 auf die Hüllseite 10 hindurchgelangen und größere Bestandteile verbleiben in den Filterkapillaren 1. In einer solchen Ausführungsform füllen sich die Filterkapillaren 1 über die Nutzungszeit mit Schwebstoffen bzw. Partikeln oder dgl. an bis der Filter damit gefüllt ist.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind. In allen Figuren stellen gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände dar, so dass Beschreibungen von Gegenständen, die gegebenenfalls nur in einer oder jedenfalls nicht hinsichtlich aller Figuren erwähnt sind, auch auf diese Figuren übertragen werden können, hinsichtlich welchem der Gegenstand in der Beschreibung nicht explizit beschrieben ist.
Bezugszeichenliste:

1: Membranrohr, Filterkapillare
3: Kapillarauslauf
5: Umhäusung, Gehäuse
6: Trägerfluidablauf
7: Trägerfluidzulauf
8: Hüllfluidzu- oder -ablauf, Filtratanschluss
9: innere Seitenfläche
10: Hüllseite, Filtratraum
11: Trägerseite
12: Hüllfluidkanal
15: Hüllfluid-Ringverteiler
20: Hüllfluidabschluss
22: Trägerfluidkammer
25: Mündungskollektor
25a: zweiter Mündungskollektor
28: integrale Versteifungsstruktur
28a: Seitenarme der Versteifungsstruktur
29: Turbulator, statischer Mischer
50: monolithisches Bauteil
52: Filterkammer bzw. zentraler Bereich
60: permeable bzw. poröse Struktur
62: Poren bzw. Hohlräume oder Durchgang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 88108462 A [0009]
WO 2021110483 [0011]
WO 2022038093 [0011]

Claims

Monolithisches Bauteil (50), insbesondere als oder für eine Vorrichtung zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid, umfassend: - einen Trägerfluidzulauf (7) sowie einen Trägerfluidablauf (6), - eine zwischen dem Trägerfluidzulauf und dem Trägerfluidablauf angeordnete monolithisch aufgebaute und jedenfalls teilweise oder bereichsweise permeabel eingerichtete Struktur (60), und - einen zwischen dem Trägerfluidablauf und der permeablen Struktur angeordneten Mündungskollektor (25), - wobei der Mündungskollektor integral mit dem Trägerfluidablauf sowie der permeablen Struktur ausgebildet ist, - wobei die permeable Struktur so hergerichtet und angeordnet ist, eine Hüllseite (10) von einer Trägerseite (11) zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise permeabel abzutrennen, - wobei auf der Trägerseite ein Trägerfluid bereitstellbar ist, - wobei das Trägerfluid von dem Trägerfluidzulauf durch die Trägerseite der permeablen Struktur zu dem Trägerfluidablauf strömen kann, - wobei die permeable Struktur hergerichtet ist, einen Stofftransfer des Trägerfluids mit der Hüllseite zu gewährleisten, insbesondere einen Transfer vom Trägerfluid in ein Hüllfluid und/oder von einem Hüllfluid in das Trägerfluid.
Monolithisches Bauteil (50) nach dem vorstehenden Anspruch, ferner umfassend ein zwischen dem Trägerfluidzulauf (7) und der permeablen Struktur (60) angeordneten zweiten Mündungskollektor (25), wobei der zweite Mündungskollektor integral mit dem Trägerfluidzulauf auf der einen Seite und sowie der permeablen Struktur auf der anderen Seite ausgebildet ist, wobei der zweite Mündungskollektor beispielsweise spiegelsymmetrisch oder baugleich zum Mündungskollektor aufgebaut ist, und/oder wobei der zweite Mündungskollektor in einem Winkel zum ersten Mündungskollektor angeordnet ist.
Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die permeable Struktur (60) Filterkapillaren (1) umfasst, insbesondere Membrankapillaren, wobei die Filterkapillaren einstückig in den Mündungskollektor (25) und/oder den zweiten Mündungskollektor (25a) übergehen, und/oder ferner umfassend einen oder mehrere Hüllfluidkanäle (12), wobei die Hüllfluidkanäle einstückig in den Mündungskollektor (25) und/oder den zweiten Mündungskollektor (25a) übergehen.
Monolithisches Bauteil (50) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Filterkapillaren (1) je einen Kapillarauslauf (3) aufweisen, wobei die Kapillarausläufe gemeinsam einen Hüllfluidabschluss (20) ausbilden zum Absperren des Hüllfluids aus dem Trägerfluidzulauf (7), und/oder wobei die Filterkapillaren (1) die von dem Trägerfluid durchströmbaren Kapillarausläufe (3) aufweisen, welche integral in den Mündungskollektor (25) bzw. den zweiten Mündungskollektor (25a) übergehen.
Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Umhäusung (5), welche monolithisch mit zumindest einem aus permeabler Struktur (60), Mündungskollektor (25), zweitem Mündungskollektor (25a), Trägerfluidzulauf (7) oder Trägerfluidablauf (6) ausgebildet ist, bevorzugt monolithisch ausgebildet ist mit allen vorgenannten Strukturen (6, 7, 25, 25a).
Monolithisches Bauteil (50) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Hüllfluidkanäle (12) einen integralen Bestandteil der Umhäusung (5) bilden, so dass ein Teil der Innenseite der Hüllfluidkanäle von der Umhäusung (5) ausgebildet ist.
Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine innere Tragstruktur (28, 28a), welche monolithisch ausgebildet ist mit zumindest einem aus Umhäusung (5), den Hüllfluidkanälen (12), der permeablen Struktur (60), dem Mündungskollektor (25) oder dem zweiten Mündungskollektor (25a), bevorzugt monolithisch ausgebildet ist mit allen vorgenannten Strukturen (5, 12, 25, 25a, 60), und/oder wobei der Mündungskollektor (25) und/oder der zweite Mündungskollektor (25a) konisch verjüngend ausgebildet ist.
Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter hergerichtet dergestalt, dass auf der Hüllseite (10) ein Hüllfluid bereitstellbar ist, so dass in dem oder durch das monolithische Bauteil sowohl das Trägerfluid als auch das Hüllfluid strömen kann und das Trägerfluid mittels der permeablen Struktur (60) von dem Hüllfluid abgetrennt ist, und/oder wobei die permeable Struktur (60) semipermeabel oder selektiv permeabel eingerichtet ist, und/oder wobei die permeable Struktur (60) Durchlässe (62) bereitstellt, welche insbesondere spaltsiebartig oder röhrenförmig ausgebildet sind, wobei die permeable Struktur (60) permeabel eingerichtet ist für Stoffe und/oder Partikel mit einer Größe kleiner als 10 µm, bevorzugt kleiner als 2 µm, weiter bevorzugt kleiner als 0,5 µm.
Monolithisches Bauteil (50) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Durchlässe (62) spaltsiebartig ausgebildet sind und eine Breite von 25 µm oder mehr, bevorzugt 50 µm oder mehr, weiter bevorzugt 75 µm oder mehr und weiter bevorzugt 100 µm oder mehr aufweisen, und/oder eine Breite von 120 µm oder weniger, bevorzugt von 80 µm oder weniger aufweisen, und/oder wobei die spaltsiebartigen Durchlässe (62) eine Länge von 1 mm oder mehr aufweisen, bevorzugt von 2 mm oder mehr, weiter bevorzugt von 3 mm oder mehr und/oder wobei die spaltsiebartigen Durchlässe eine Länge von 5 mm oder weniger aufweisen, bevorzugt von 4 mm oder weniger, und/oder wobei die Durchlässe (62) röhrenförmig ausgebildet sind und einen Durchmesser von 50 µm oder mehr aufweisen, bevorzugt von 100 µm oder mehr, weiter bevorzugt von 130 µm oder mehr, und/oder einen Durchmesser von 150 µm oder weniger aufweisen, bevorzugt einen Durchmesser von 120 µm oder weniger, weiter bevorzugt von 80 µm oder weniger.
Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche 3 bis 9, wobei die Filterkapillaren (1) der permeablen Struktur (60) als eine Mehrzahl von länglich erstreckten Membranrohren ausgebildet ist, die einstückig den Mündungskollektor (25) des monolithischen Bauteils mit dem zweiten Mündungskollektor (25a) verbinden, und/oder wobei die Membranrohre oder Filterkapillaren (1) eine Innenseite aufweisen (9), wobei die Innenseiten der Membranrohre oder Filterkapillaren die Trägerseite (11) definieren, und/oder wobei die Membranrohre oder Filterkapillaren (1) auf ihren Außenseiten einen Teil der Hüllseite (10) bilden, und/oder wobei die Membranrohre oder Filterkapillaren (1) eine rohr- oder röhrenförmige Ausgestaltung aufweisen.
Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend wobei der Trägerfluid-Zulauf (7) ein mit dem Mündungskollektor (25) und der permeablen Struktur (60) monolithisch ausgebildetes Trägerfluid-Anschlusselement (7a) zum Anschließen an eine Fluidführung wie einen Schlauch oder ein Rohr aufweist, wobei das Trägerfluid-Anschlusselement bevorzugt ein Anschlussgewinde umfasst, und/oder wobei der Trägerfluid-Ablauf (6) ein mit dem zweiten Mündungskollektor (25a) und der permeablen Struktur (60) monolithisch ausgebildetes zweites Trägerfluid-Anschlusselement (6a) zum Anschließen an eine Fluidführung wie einen Schlauch oder ein Rohr aufweist, und/oder einen mit der permeablen Struktur (60) und/oder den Hüllfluidkanälen monolithisch ausgebildeten Hüllfluid-Anschluss (8, 8a).
Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Hüllfluid-Ringverteiler (25), insbesondere zur Verbindung des Hüllfluid-Anschlusses (8, 8a) nach Anspruch 9 und/oder zur Verbindung der Hüllfluidkanäle nach Anspruch 3, wobei der Hüllfluid-Ringverteiler bevorzugt integral mit dem Gehäuse (50) ausgebildet ist und beispielsweise von außerhalb des Gehäuses (5) aufgesetzt ist.
Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die permeable Struktur (60) zumindest einen Turbulator (29, 29a) aufweist zur Durchmischung des Trägerfluids und/oder zur Durchmischung des Hüllfluids, insbesondere eine Mehrzahl von Turbulatoren je Filterkapillare (1).
Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das monolithische Bauteil anorganische Bestandteile umfasst oder daraus besteht, insbesondere aus keramischer Paste oder metallischer Paste aufgebaut ist, und/oder wobei das monolithische Bauteil Polymere umfasst oder daraus besteht, insbesondere zumindest eines aus Polyolefine, beispielsweise Polypropylen, Polyamide, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyethersulfon, und vorzugsweise aus Polymerpulver aufgebaut ist, und/oder wobei das monolithische Bauteil anorganische und polymere Bestandteile umfasst oder daraus besteht, insbesondere aus Polymerlösung mit keramischen, metallischen und/oder polymeren Füllstoffen, die Polymerlösung insbesondere umfassend zumindest eines aus Polyolefine, beispielsweise Polypropylen, Polyamide, Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polyethersulfon, aufgebaut ist.
Monolithisches Bauteil (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die permeable Struktur (60) eine poröse Struktur ist, welche aus porösem oder porösierbarem Ausgangsmaterial einstückig aufgebaut ist.
Monolithisch aufgebautes Filtermodul (50) zur Abtrennung von Bestandteilen aus einem Fluid, umfassend: - einen Trägerfluidzulauf (7) und einen Trägerfluidablauf (6), - einen monolithisch mit dem Trägerfluidzulauf ausgebildeten Mündungskollektor (25), - einen monolithisch mit dem Trägerfluidablauf ausgebildeten zweiten Mündungskollektor (25a), - ein einstückig mit dem Mündungskollektor und/oder dem zweiten Mündungskollektor ausgebildetes Filtergehäuse (5), - eine in dem Filtergehäuse angeordnete und mit dem Mündungskollektor, dem zweiten Mündungskollektor und dem Filtergehäuse einstückig aufgebaute und verbundene sowie jedenfalls teilweise oder bereichsweise permeabel eingerichtete Struktur (60), - wobei die permeable Struktur derart in den Mündungskollektor bzw. den zweiten Mündungskollektor hineingreift, dass dort jeweils eine integrale Fluidsperre (20) ausgebildet ist.
Monolithisch aufgebautes Filtermodul (50) nach dem vorstehenden Anspruch, - wobei die permeable Struktur (60) so hergerichtet und angeordnet ist, eine Hüllseite (10) von einer Trägerseite (11) zumindest teilweise und/oder zumindest bereichsweise permeabel abzutrennen, - wobei auf der Trägerseite (11) ein Trägerfluid bereitstellbar ist, - wobei die permeable Struktur hergerichtet ist, einen Stofftransfer des Trägerfluids mit der Hüllseite zu gewährleisten.