DE102022128233A1

DE102022128233A1 - Filtervorrichtung ohne Spannbolzen

Info

Publication number: DE102022128233A1
Application number: DE102022128233.3A
Authority: DE
Inventors: Ralf FAIGA
Original assignee: R T S ROCHEM TECHNICAL SERVICES GmbH; RTS Rochem Technical Services GmbH
Current assignee: R T S ROCHEM TECHNICAL SERVICES GmbH; RTS Rochem Technical Services GmbH
Priority date: 2022-10-25
Filing date: 2022-10-25
Publication date: 2024-04-25
Also published as: WO2024088830A1

Abstract

Eine Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids umfasst einen in einem Gehäuse angeordneten Membraneinsatz mit einer Vielzahl von Membranen für die Filtration des Fluids. Das Gehäuse weist ein zylindrisches Gehäuserohr auf, das an einem ersten Rohrende mit einem ersten Endelement und an einem zweiten Rohrende mit einem zweiten Endelement versehen ist, wobei der Membraneinsatz zwischen dem ersten Endelement und dem zweiten Endelement angeordnet ist. Die Filtervorrichtung weist kein die Endelement miteinander verbindendes Bolzenelement auf, um das erste Endelement und das zweite Endelement in Richtung des Membraneinsatzes vorzuspannen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids mittels Membranen.
Der Einsatz von Membranen zur Filtration von Fluiden ist grundsätzlich bekannt. Entsprechende Filtervorrichtungen gelangen beispielsweise für die Trinkwasseraufbereitung zum Einsatz und weisen typischerweise ein Gehäuse mit einem Einlass für das Fluid, einen Permeatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Permeat, und einen Retentatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Retentat (Konzentrat) auf. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Membraneinsatz, der ein oder mehrere Membranen zur Trennung bzw. Filtration des Fluids trägt. Vorteilhaft ist der Membraneinsatz in einem zylindrischen Gehäuserohr angeordnet, das endseitig mit Endelementen verschlossen ist. Das Gehäuse kann auf diese Weise besonders druckdicht ausgebildet werden, sodass das zu filternde Fluid auch mit hohem Druck durch den Membraneinsatz gepumpt werden kann.
Bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung werden die Membranen mit dem zu filternden Fluid beaufschlagt, indem das Fluid durch den Einlass in das Innere des Gehäuserohrs geleitet und durch den Membraneinsatz gedrückt wird, um das Permeat und das Retentat zu erhalten. Das Permeat ist derjenige Teil des Fluids, der die Membranen durchdringt und auf diese Weise von unerwünschten Bestandteilen befreit wird. Letztere werden in dem Retentat zurückbehalten.
Bei Nutzung einer Vielzahl von feinporigen Membranen, wie z.B. für die Ultrafiltration, wird das Fluid von der Einlassseite unter Druck gesetzt, um das Fluid möglichst rasch in das Permeat und das Retentat aufzutrennen. Infolgedessen entsteht innerhalb des Gehäuses ein Innendruck, der auf die Gehäusewandung und insbesondere auch auf die beiden Endelemente wirkt, die das Gehäuse verschließen. Der Druck kann in Abhängigkeit von der Filteranwendung (z.B. Mikrofiltration, Ultrafiltration und Nanofiltration) bis zu 120 Bar oder mehr betragen, insbesondere bei Verwendung von sehr feinporigen Membranen. Um während des Betriebs der Filtervorrichtung dennoch eine druckbedingte Beschädigung des Gehäuses oder Leckagen zu vermeiden, sind die Endelemente bislang mit einem sich durch den Membraneinsatz erstreckenden Spannbolzen miteinander verbunden. Der Spannbolzen spannt die Endelemente in Richtung des Membraneinsatzes vor, sodass die von innen gegen die Endelemente wirkenden Druckkräfte zuverlässig kompensiert werden.
Der Spannbolzen ist allerdings mit Nachteilen verbunden. Einerseits verringert der Spannbolzen den für den Membraneinsatz und somit für die Filtration zur Verfügung stehenden Raum im Inneren des Gehäuses. Der während der Filtration herbeigeführte Fluidstrom wird folglich durch den Spannbolzen beeinträchtigt, sodass die Fluidmenge, die pro Zeiteinheit gefiltert werden kann, durch den Spannbolzen limitiert ist. Die Durchflussmenge ist auch dann begrenzt, wenn der Spannbolzen in Flussrichtung hinter den Membranen angeordnet ist, z.B. wenn der Spannbolzen durch ein sich durch den Membraneinsatz erstreckendes Permeatrohr geführt ist. Mit anderen Worten wirkt sich auch das auf der Permeatseite zur Verfügung stehende Raumvolumen auf die Filterleistung aus.
Durch den Spannbolzen erhöhen sich außerdem das Gewicht der Filtervorrichtung sowie der Aufwand zur zuverlässigen Abdichtung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Filtervorrichtung anzugeben, die insbesondere eine höhere Durchflussrate für das Retentat erlaubt.
Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Demnach weist die Filtervorrichtung kein das erste und zweite Endelement miteinander verbindendes Bolzenelement auf, um das erste Endelement und das zweite Endelement in Richtung des Membraneinsatzes vorzuspannen.
Es hat sich gezeigt, dass eine ausreichende Druckfestigkeit des Gehäuses auch ohne den Spannbolzen gewährleistet werden kann. Mit anderen Worten kann auf den Spannbolzen verzichtet werden, ohne die Funktion und Sicherheit der Filtervorrichtung zu beeinträchtigen. Die Durchflussrate des zu filternden Fluids, insbesondere des Permeatanteils, kann auf diese Weise bedeutend erhöht werden. Darüber hinaus können das Gewicht und das Leckagerisiko reduziert werden.
Ein Verzicht auf den Spannbolzen kann insbesondere in Anwendungsfällen erfolgen, die keine besonders hohen Filterdrücke, z.B. im Bereich von 120 Bar und mehr, erfordern. Andererseits kann die Filtervorrichtung durch verschiedene konstruktive Maßnahmen so ausgebildet werden, dass die Endelemente auch ohne einen Spannbolzen stets sicher an dem Gehäuserohr gehalten werden und keine Leckagen auftreten. Beispiele für geeignete Maßnahmen werden nachfolgend beschrieben.
Die beschriebene Filtervorrichtung kann grundsätzlich für verschiedene Filterzwecke eingesetzt werden. Als nicht abschließende Beispiele kommen die Ultrafiltration, die Umkehrosmose oder die Nanofiltration in Betracht.
Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den abhängigen Ansprüchen sowie den Figuren offenbart.
Nach einer Ausführungsform weist die Filtervorrichtung vorzugsweise kein Bolzenelement auf, welches sich durch den Membraneinsatz und das erste und/oder zweite Endelement hindurch erstreckt. Die Wirkfläche des Membraneinsatzes kann auf diese Weise vergrößert werden. Andererseits bestehen geringere konstruktive Anforderungen an zumindest eines der Endelemente, insbesondere in Bezug auf die zuverlässige Abdichtung einer in dem Endelement gebildeten Öffnung. Beispielsweise kann ein Endelement ohne Öffnung für das Bolzenelement ausgebildet werden, sodass das Risiko für Leckagen reduziert wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Membraneinsatz ein mit den Membranen verbundenes Permeatrohr zur Aufnahme und Abführung des Permeats auf. Das Permeatrohr erstreckt sich vorzugsweise zentral durch den Membraneinsatz und das Gehäuserohr. Beispielsweise können das Permeatrohr und das Gehäuserohr konzentrisch oder achsparallel angeordnet sein.
Das Permeatrohr ist insbesondere entlang seiner Rohrachse vollständig frei, insbesondere frei von einem Bolzenelement. Der zentrale Abflussbereich des Permeats wird somit weder durch ein Bolzenelement noch durch ein anderes Verbindungselement behindert, welches das Rohrvolumen des Permeatrohrs reduzieren könnte. Die Durchflussrate des Fluids durch die Filtervorrichtung, insbesondere des Permeatanteils, kann durch diese Maßnahme weiter erhöht werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform liegt zumindest eines der Enden des Permeatrohrs an einem der Endelemente des Gehäuses an. Beispielsweise liegt das erste Rohrende des Permeatrohrs an dem ersten Endelement an. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Rohrende an dem axial gegenüberliegenden zweiten Endelement anliegen. Eine Bewegung des Permeatrohrs kann auf diese Weise wirksam eingeschränkt werden, sodass der Membraneinsatz positionsfest in dem Gehäuserohr gehalten wird. Darüber hinaus können die Endelemente vorteilhaft zentral an dem Permeatrohr abgestützt werden. Beispielsweise kann das Permeatrohr die Endelemente unmittelbar abstützen, sodass auf separate Andruckelemente verzichtet werden kann.
Nach einer weiteren Ausführungsform greift das erste Rohrende des Permeatrohrs abschnittsweise in eine zentrale Vertiefung des ersten Endelements ein, um die Bewegung des Permeatrohrs in axialer Richtung hin zu dem ersten Endelement zu begrenzen. Das erste Rohrende kann hierbei optional mit einem Dichtungselement versehen sein, um ein Eindringen des Fluids in das Permeatrohr besonders zuverlässig zu unterbinden. Das Dichtungselement ist vorzugsweise als ein Dichtungsring ausgebildet. Dieser kann dazu beitragen, das Permeatrohr in der Vertiefung zu halten und insbesondere ein Herausrutschen aus der Vertiefung zu unterbinden.
Es ist bevorzugt, dass das zweite Rohrende des Permeatrohrs abschnittsweise in eine zentrale Öffnung des zweiten Endelements eingreift. Das Permeatrohr kann somit vorteilhaft in beiden Endelementen gelagert werden. Die Öffnung ermöglicht einen bedarfsweisen Zugang zum Inneren des Permeatrohrs. Beispielsweise kann die Öffnung mit einem Innengewinde versehen sein, in das ein Anschlussstück für das Permeatrohr bzw. den Permeatauslass eingeschraubt ist. Das Anschlussstück kann durch Herausschrauben wahlweise entfernt werden, um das Permeatrohr endseitig freizulegen und ggf. zu reinigen.
Ferner können Maßnahmen zur Kompensation von herstellungs- oder betriebsbedingten Spaltbildungen ergriffen werden. Beispielsweise kann das Anschlussstück einen Anschlag für das Permeatrohr definieren, der in Abhängigkeit von der Einschraubtiefe variabel eingestellt werden kann.
Die Bewegung des Permeatrohrs kann insbesondere derart begrenzt werden, dass eine Bewegbarkeit des Permeatrohrs und des Membraneinsatzes in axialer und radialer Richtung minimiert wird.
Das Anschlussstück weist vorzugsweise ein Dichtungselement auf, um den Austritt von Fluid aus dem Gehäuse zu unterbinden. Ferner kann auch das zweite Rohrende des Permeatrohrs ein Dichtungselement aufweisen, um das Eindringen von Retentat in das Permeatrohr zu unterbinden und/oder den Sitz des Permeatrohrs in der Öffnung zu verbessern.
Der Permeatauslass ist vorzugsweise zentral an dem zweiten Endelement angeordnet. Beispielsweise kann der Permeatauslass an dem zuvor genannten Anschlussstück ausgebildet sein. Die erzielbare Abflussrate des Permeats kann hierdurch weiter gesteigert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind der Einlass dezentral an dem ersten Endelement und der Retentatauslass dezentral an dem zweiten Endelement angeordnet. Der Einlass und der Retentatauslass können bei Bedarf auch vertauscht werden, um die Filtervorrichtung mit einem umgekehrten Fluidstrom zu betreiben.
Die Anordnung sämtlicher Ein- und Auslässe an den Endelementen ist von Vorteil, um das Gehäuserohr unterbrechungsfrei, d.h. ohne Öffnungen für Anschlüsse oder dergleichen ausbilden zu können. Die konstruktiven Anforderungen an das Gehäuserohr können hierdurch reduziert werden. Beispielsweise kann das Gehäuserohr vorteilhaft aus einem Kunststoff gebildet sein. Dieser kann für Hochdruckanwendungen mit Fasern, insbesondere Glasfasern verstärkt sein. Außerdem wird das Leckagerisiko an dem Gehäuserohr minimiert.
Vorzugsweise sind das erste Endelement und/oder das zweite Endelement jeweils lösbar mit einem Sicherungsring gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuserohr gesichert. Der Sicherungsring greift an einer Innenseite des Gehäuserohrs in eine um die Rohrachse umlaufende Nut ein und ist nach radial außen vorgespannt.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Filtervorrichtung mit einem Vorspannelement, insbesondere einem Justierflansch, ausgestattet, das mit wenigstens einem Gewindeloch versehen ist. Das Gewindeloch erstreckt sich vorzugsweise achsparallel zu der Rohrachse des Gehäuserohrs und dient zur Aufnahme einer Schraube zum Vorspannen des ersten und/oder zweiten Endelements in Richtung des Membraneinsatzes. Die Schraube wird vorzugsweise von außen in das Gewindeloch eingeschraubt, bis sie in axialer Richtung mit dem benachbarten Endelement zusammenwirkt. Auf diese Weise kann das Endelement in Abhängigkeit von der Einschraubtiefe in axialer Richtung gegen den Membraneinsatz vorgespannt werden, um das Endelement und den Membraneinsatz zuverlässig positionsfest in dem Gehäuserohr zu halten. Herstellungs- oder betriebsbedingte Toleranzerscheinungen können kompensiert werden, indem die Schraube bedarfsweise nachgestellt wird.
Das Vorspannelement ist in einer bevorzugten Ausführungsform ringförmig ausgebildet und weist mehrere entlang des Rings angeordnete Gewindelöcher auf. Beispielsweise kann das Vorspannelement als ein ringförmiger Flansch ausgebildet sein. Die Gewindelöcher sind jeweils zur Aufnahme einer Schraube ausgebildet, um das Endelement in Richtung des Membraneinsatzes zu beaufschlagen. Durch den Einsatz mehrerer Schrauben kann ein Verkanten des Endelements in dem Gehäuserohr zuverlässig vermieden werden. Außerdem wird die punktuelle Belastung des Endelements reduziert, weil sich die Vorspannkraft auf die mehreren Schrauben verteilt.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Membraneinsatz und dem Einlass wenigstens eine Umlenkeinrichtung angeordnet, um den Fluidstrom in dem Gehäuserohr umzulenken. Der Fluidstrom kann insbesondere derart umgelenkt werden, dass eine abschnittsweise mechanische Überlastung der Membranen durch einströmendes Fluid vermieden wird. Beispielsweise kann die Umlenkeinrichtung als eine Scheibe ausgebildet sein, die sich quer zu der Rohrachse des Gehäuses erstreckt und eine Fluidbarriere in Richtung hin zu den Membranen bildet. Die Scheibe muss folglich von dem Fluid umflossen werden, bevor das Fluid auf die Membranen trifft. Die Strömungsgeschwindigkeit pro Fläche kann auf diese Weise wirksam reduziert bzw. begrenzt werden. Die gesamte Durchflussmenge wird hingegen nicht beeinträchtigt, sodass dennoch eine hohe Filterleistung erzielt werden kann.
Die Umlenkeinrichtung ist vorzugsweise an dem Endelement befestigt, das den Einlass für das Fluid aufweist. Eine weitere Umlenkeinrichtung kann zwischen dem Membraneinsatz und dem Retentatauslass angeordnet sein. Auf diese Weise wird auch die dem Retentatauslass zugewandte Membranseite vor einer Überlastung geschützt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Retentatauslass wahlweise als Einlass für das zu filternde Fluid verwendet wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Membraneinsatz an seinen den Endelementen zugewandten Seiten jeweils ein gitterförmiges Zwischenelement zum Einfassen der Membranen auf. Die Membranen werden durch die Zwischenelemente wirksam in Position gehalten. Außerdem werden die Membranen mechanisch geschützt. Beispielsweise werden können Beschädigungen während der Montage besser vermieden werden.
Das Gehäuserohr ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gebildet. Der Kunststoff kann vorteilhaft durch Fasern, z.B. Glasfasern verstärkt sein, um gegenüber hohen Innendrücken formbeständig zu sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids beschrieben. Die Filtervorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einem Einlass für das Fluid, einen Permeatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Permeat, einen Retentatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Retentat sowie einen Membraneinsatz mit einer Vielzahl von Membranen für die Filtration des Fluids. Zwischen dem Membraneinsatz und dem Einlass ist eine Umlenkeinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung einen Fluidstrom umzulenken. Die Umlenkeinrichtung gestattet den Betrieb der Filtervorrichtung mit höheren Fluidströmen. Insbesondere wird eine abschnittsweise Überlastung der Membranen durch den eintretenden Fluidstrom zuverlässig unterbunden.
Die Umlenkeinrichtung ist vorzugsweise, wie weiter oben beschrieben, als ein Scheibenelement ausgebildet, das für eine gleichmäßige Verteilung des Fluidstroms sorgt. Beispielsweise kann das Scheibenelement einen Einlasskanal für das Fluid in Richtung einer Rohrachse des Gehäuses begrenzen. Das Scheibenelement ist vorzugsweise unmittelbar an einem in dem Gehäuse angeordneten Endelement befestigt, das den Einlass für das Fluid aufweist.
Die Endelemente sind vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere einem Edelstahl gebildet. Die Widerstandsfähigkeit des Gehäuses kann auf diese Weise auch ohne einen Spannbolzen noch besser gewährleistet werden.
Es ist zu verstehen, dass die Merkmale, welche im Zusammenhang mit der Filtervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt offenbart sind, in entsprechender Weise auch bei der zuletzt beschriebenen Filtervorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt verwirklicht sein können und umgekehrt. Beispielsweise kann das Gehäuse ebenfalls ein aus Kunststoff gebildetes Gehäuserohr aufweisen, in das die Endelemente endseitig eingesetzt sind.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids offenbart. Diese umfasst ein Gehäuse mit einem Einlass für das Fluid, einen Permeatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Permeat, und einen Retentatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Retentat. Das Gehäuse weist ein zylindrisches Gehäuserohr auf, in das ein Membraneinsatz mit einer Vielzahl von Membranen für die Filtration des Fluids angeordnet ist. Der Membraneinsatz weist außerdem ein mit den Membranen verbundenes Permeatrohr zur Aufnahme und Abführung des Permeats auf. Das Permeatrohr erstreckt sich zentral durch den Membraneinsatz und ist entlang seiner Rohrachse frei, insbesondere frei von einem Bolzenelement.
Es ist zu verstehen, dass Merkmale der nach den ersten beiden Aspekten beschriebenen Filtervorrichtungen in entsprechender Weise auch bei der zuletzt beschriebenen Filtervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt verwirklicht sein können und umgekehrt. Beispielsweise können die in den abhängigen Ansprüchen offenbarten Ausführungsformen an der Filtervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt verwirklicht sein.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen rein beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten offenbart sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen in:

1: eine Längsschnittansicht einer Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids;
2a und 2b: Seitenansichten auf die Stirnseiten der Filtervorrichtung von 1;
3a und 3b: Seitenansichten von Endelementen der Filtervorrichtung von 1;
4: eine Seitenansicht eines Zwischenelements der Filtervorrichtung von 1;
5a und 5b: eine Seitenansicht (5a) und eine Querschnittansicht (5b) einer scheibenförmigen Umlenkeinrichtung für die Filtervorrichtung von 1;
6: eine Explosionsansicht der Filtervorrichtung von 1.

Eine Filtervorrichtung zur Filtration von Fluiden wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In 1 ist die Filtervorrichtung in einem zusammengesetzten Zustand in einer Längsschnittansicht gezeigt. Die Längsachse der Vorrichtung wird durch eine zentrale geometrische Achse A definiert, die in der Schnittebene liegt. Einzelne Teile der Filtervorrichtung sind in der Explosionsansicht von 6 weiter verdeutlicht.
Die Filtervorrichtung umfasst ein hohlzylindrisches Gehäuserohr 2, in dem ein Membraneinsatz 1 angeordnet ist. Der Membraneinsatz 1 weist eine an das Gehäuserohr 2 angepasste zylindrische Außenform auf, wobei der Membraneinsatz 1 entlang seiner Umfangsfläche an der Innenseite des Gehäuserohrs 2 anliegt. Das Gehäuserohr 2 ist aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet. Denkbar sind jedoch auch andere Kunststoffe und Materialien.
Der Membraneinsatz 1 umfasst eine Vielzahl von flächig ausgebildeten Membranen 33, die um ein hohlzylindrisches Permeatrohr 21 gewickelt sind. Das Permeatrohr 21 erstreckt sich bezüglich der Achse A koaxial zu dem Gehäuserohr 2. Die Membranen 33 sind in Form von Membrankissen angeordnet, wie beispielsweise in dem Dokument EP 1 445 013 A1 beschrieben.
Die einzelnen Membranflächen erstrecken sich parallel zu der Achse A und sind in radialer Richtung übereinander geschichtet (vgl. Strichlinien in 1). Die Membranen 33 sind dazu ausgebildet, ein zu filtrierendes Fluid, z.B. verunreinigtes Wasser, in das Permeat, welches die Membranen 33 durchdringt, und das zurückbehaltene Retentat zu trennen. Die Membranen 33 greifen abschnittsweise in das Permeatrohr 21 ein, um das gewonnene Permeat in das Permeatrohr 21 abzuleiten.
Bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung wird das zu filtrierende Fluid durch ein hohlzylindrisches Einlassrohr 5 in das Innere des Gehäuserohrs 2 geleitet, um dort mit Hilfe des Membraneinsatzes 1 gefiltert zu werden. Das Einlassrohr 5 greift endseitig in ein erstes scheibenförmiges Endelement 3 ein, welches das Gehäuserohr 2 an einer ersten Öffnungsseite verschließt (vgl. 1 und 2a).
Das Endelement 3 weist eine dezentral angeordnete Öffnung 27 auf, in die das Einlassrohr 5 abschnittsweise eingeschraubt ist. Eine Rohrachse B des Einlassrohrs 5 erstreckt sich in axialer Richtung parallel zu der Achse A des Gehäuserohrs 2 und in radialer Richtung zwischen der Achse A und der Wandung des Gehäuserohrs 2 (vgl. 1).
Das Endelement 3 weist eine umlaufende Nut mit einem Lippendichtungsring 11 auf, um das Endelement 3 an der Innenseite des Gehäuserohrs 2 abzudichten (vgl. 1). Zusätzlich ist das Endelement 3 durch einen Sicherungsring 16, auch Seegerring genannt, gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuserohr 2 gesichert (vgl. 1 und 2a). Der Sicherungsring 16 greift in eine innenseitige, um die Achse A umlaufende Nut des Gehäuserohrs 2 ein und ist in radialer Richtung nach außen vorgespannt.
Zwischen dem Sicherungsring 16 und dem Endelement 3 ist ein ringförmiger Flansch 8 angeordnet (vgl. 2a). Der Flansch 8 ist dem Endelement 3 in Richtung der Achse A unmittelbar benachbart und dazu ausgebildet, das Endelement 3 axial in Richtung hin zu dem Membraneinsatz 1 zu verschieben und vorzuspannen. Hierzu weist der Flansch 8 mehrere Gewindelöcher auf, in die ein jeweiliger Gewindestift 15 eingeschraubt ist (vgl. 1 und 2a). Die Gewindestifte 15 wirken in Abhängigkeit ihrer Einschraubtiefe auf das Endelement 3 ein, um es entlang der Achse A in Richtung des Membraneinsatzes 1 zu beaufschlagen. Vorteilhaft weist der Flansch 8, wie in 2a gezeigt mehrere entlang des Flansches 8 verteilte Gewindelöcher 15 auf. Das Endelement 3 kann folglich durch sukzessives Einschrauben der Gewindestifte 15 gleichmäßig beaufschlagt werden, ohne in dem Gehäuserohr 2 zu verkanten oder verformt zu werden.
Das Endelement 3 weist an seiner dem Membraneinsatz 1 zugewandten Seite eine zentrale kreisförmige Vertiefung 26 auf, in der das Permeatrohr 21 mit einem Ende abgestützt ist (vgl. 1 und 3b). Das in die Vertiefung 26 eingreifende Ende des Permeatrohrs 21 ist mittels eines Dichtungsrings 13 abgedichtet, sodass das Fluid nicht entlang der Vertiefung 26 ungefiltert in das Permeatrohr 21 gelangt. Die Vertiefung 26 weist einen Boden auf, der die axiale Bewegbarkeit des Permeatrohrs 21 begrenzt (vgl. 1).
Das Endelement 3 wirkt bei einer Beaufschlagung durch den Flansch 8 bzw. die Gewindestifte 15 auf das Permeatrohr 21 ein. Die zuverlässige Abdichtung des Permeatrohrs 21 wird hierdurch verbessert.
Das Gehäuserohr 2 ist an einer zweiten Öffnungsseite, die der ersten Öffnungsseite gegenüberliegt, mit einem zweiten scheibenförmigen Endelement 4 verschlossen (vgl. 1). Das zweite Endelement 4 ist wie das erste Endelement 3 mit einer umlaufenden Lippendichtung 11 an der Innenseite des Gehäuserohrs 2 abgedichtet und durch einen Sicherungsring 20 gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuserohr 2 gesichert.
Ein Auslassrohr 6 für das Retentat ist von außen in eine dezentrale Öffnung 25 des Endelements 4 eingeschraubt (vgl. 1, 2b und 3a). Eine Achse C des Auslassrohrs 6 erstreckt sich parallel zu der Achse A sowie in radialer Richtung zwischen der Achse A und der Wandung des Gehäuserohrs 2. Außerdem ist die Achse C, wie in 1 gezeigt, koaxial zu der Achse B des Einlassrohrs 5 angeordnet. Eine nicht koaxiale Anordnung der Achsen ist jedoch ebenfalls denkbar.
Das Endelement 4 weist eine zentrale kreisförmige Öffnung 24 auf (vgl. 1 und 3a), die sich in Richtung der Achse A durch das Endelement 4 erstreckt und koaxial zu der Achse A angeordnet ist. In die Öffnung 24 ist von außen ein Anschlussstück 7 eingeschraubt, das die Öffnung 24 teilweise verschließt. Innenseitig greift ein Ende des Permeatrohrs 21 in die Öffnung 24 ein, wobei das Permeatrohr 21 unmittelbar in einen zylindrischen Hohlraum 36 des Anschlussstücks 7 mündet (vgl. 1). Das Permeatrohr 21 und das Anschlussstück 7 definieren zusammen einen linearen Abflusskanal für das Permeat.
Das in die Öffnung 24 eingreifenden Ende des Permeatrohrs 21 ist mit einem Dichtungsring 37 versehen. Zusätzlich weist der in die Öffnung 24 eingreifende Abschnitt des Anschlussstücks 7 einen Dichtungsring 14 auf, um den Übergang zwischen dem Permeatrohr 21 und dem Anschlussstück 7 nach außen abzudichten.
Das Anschlussstück 7 ist mit einem Flanschabschnitt 38 versehen, der einen axialen Anschlag definiert und insbesondere ein zu weites Eindrehen des Anschlussstücks 7 in die Öffnung 24 unterbindet. Eine mechanische Überlastung des Permeatrohrs 21 kann auf diese Weise zuverlässig vermieden werden. Das Anschlussstück 7 ist nach außen hin mit einem Rohrabschnitt und einer optional aufgeschraubten Mutter 10 ausgerüstet, die zum Anschließen einer nicht gezeigten Abflussleitung für das Permeat dient.
Der Membraneinsatz 1 weist in axialer Richtung zwischen den Membranen 33 und den Endelementen 3 und 4 jeweils ein Zwischenelement 22, 23 auf, das die Membranen 33 seitlich, d.h. in Richtung der Achse A und in radialer Richtung einfasst. Das Zwischenelement 22 ist in 4 in einer Seitenansicht auf die axiale Stirnseite gezeigt (die Achse A erstreckt sich in 4 senkrecht zur Papierebene). Es ist zu erkennen, dass das Zwischenelement 22 gitterförmig mit mehreren Stegen 32 ausgebildet ist, die sich sternförmig in radialer Richtung um das Permeatrohr 21 erstrecken. Zwischen den Stegen 32 sind trapezförmige Öffnungen 31 gebildet, die einen Fluidstrom in Richtung hin zu den Membranen 33 gestatten (in 4 nicht gezeigt).
Das Permeatrohr 21 weist an seiner Innenseite mehrere umlaufend beabstandete Rippen 30 auf, die sich parallel zu der Achse A erstrecken.
Die Innenseite kann alternativ ohne Rippen, d.h. nach Art eines glattwandigen Hohlzylinders ausgebildet sein. Das Permeatrohr 21 weist im Bereich der Achse A jedoch kein Bolzenelement oder ähnliche Verbindungselemente auf, die sich in axialer Richtung durch das Permeatrohr 21 erstrecken könnten. Mit anderen Worten ist das Permeatrohr 21, insbesondere bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Filtervorrichtung, entlang seiner ganzen axialen Länge frei bzw. hohl. Dies ermöglicht eine sehr hohe Durchflussrate für das Permeat.
An dem Endelement 3 ist eine Umlenkscheibe 9 angeordnet, die den Fluidstrom durch das Einlassrohr 5 in radialer Richtung umlenkt. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Fluidstrom entlang der Achse B unmittelbar auf die Membranen 33 trifft (vgl. 1, 5a und 5b). Mit andere Worten muss das Fluid zunächst um die Umlenkscheibe 9 herumfließen, wodurch die Membranen 33 vor einer abschnittsweisen Überlastung durch einströmendes Fluid geschützt werden. Das Fluid kann daher problemlos mit hohem Druck durch das Einlassrohr 5 gepumpt werden, um pro Zeiteinheit ein hohes Fluidvolumen zu filtern.
Die Umlenkscheibe 9 weist zwei dezentral angeordnete Löcher 34 und 35 zum Durchführen einer jeweiligen Schraube 19 auf, um die Umlenkscheibe 9 unmittelbar an dem Endelement 3 zu befestigen. Die Löcher 34, 35 sind vorzugsweise, wie in 5b und 5b gezeigt, mit einer Senkung zur Aufnahme eines Senkkopfs der Schraube 19 versehen. Im befestigten Zustand weist die dem Membraneinsatz 1 zugewandten Seite der Umlenkscheibe 9 eine glatte Oberfläche auf (vgl. 1).
Die Umlenkscheibe 9 begrenzt den durch das Einlassrohr 5 gebildeten Fluidkanal in Richtung der Achse B. Zwischen der Umlenkscheibe 9 und dem Endelement 3 ist jedoch ein Spalt gebildet, sodass das Fluid bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung in eine im Wesentlichen radiale Richtung umgelenkt wird und zum Membraneinsatz 1 fließt. Die Spaltbreite ist durch eine Mutter 17 und eine Unterlegscheibe 18 definiert (vgl. 1). Die Spaltbreite kann jedoch bedarfsweise eingestellt werden, indem weitere und/oder andere Abstandselemente verwendet werden.
Der Durchmesser D1 der Umlenkscheibe 9 ist an den Rohrdurchmesser D2 des Einlassrohrs 5 bzw. den Durchmesser der Öffnung 27 angepasst (vgl. 5a und 3b). Insbesondere beträgt der Durchmesser D1 ca. das Doppelte des Durchmessers D2. Hierdurch kann der Schutz der Membranen 33 besonders gut gewährleistet werden. Darüber hinaus bildet die Umlenkscheibe 9 einen vernachlässigbaren Strömungswiderstand für das Fluid.
Das Endelement 3 weist an der dem Membraneinsatz 1 zugewandten Seite zwei Gewindelöcher 28 und 29 auf, die angrenzend an die Öffnung 27 angeordnet sind und sich bezüglich der Öffnung 27 diametral gegenüberliegen (vgl. 3b). Der Abstand zwischen den Gewindelöchern 28, 29 korrespondiert mit dem Abstand zwischen den Löchern 34, 35 der Umlenkscheibe 9. Die Gewindelöcher 28, 29 dienen zum Einschrauben der Schrauben 19, um die Umlenkscheibe 9 an dem Endelement 3 zu befestigen.
Die Filtervorrichtung ermöglicht eine außergewöhnlich hohe Filterleistung durch hohe Fluidströme. Das Fluid kann hierfür auch mit hohem Druck in das Einlassrohr 5 gepumpt werden. Auf den Einsatz eines herkömmlichen Spannbolzens, der die Endelemente 3 und 4 durch das Permeatrohr 21 miteinander verbindet und nach innen, d.h. in Richtung des Membraneinsatzes 1 vorspannt, kann jedoch verzichtet werden. Folglich kann der freie Abfluss des Permeats durch das Permeatrohr 21 besonders gut gewährleistet werden. Außerdem kann das Permeatrohr 21 durch Verzicht auf ein Bolzenelement vorteilhaft wie beschrieben in den Endelementen 3 und 4 gelagert werden, wobei sich die Endelemente 3 und 4 über das Permeatrohr 21 gegenseitig abstützen.
Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Filtervorrichtung liegt in der der Umlenkscheibe 9, die eine abschnittsweise Überlastung der Membranen 33 durch hohe Fluidströme zuverlässig unterbindet.
BEZUGSZEICHENLISTE

1: Membraneinsatz
2: Gehäuserohr
3: Erstes Endelement
4: Zweites Endeelement
5: Einlassrohr
6: Auslassrohr
7: Anschlussstück
8: Flansch
9: Umlenkscheibe
10: Mutter
11: Dichtungsring
12: Dichtungsring
13: Dichtungsring
14: Dichtungsring
15: Gewindestift
16: Sicherungsring
17: Mutter
18: Unterlegscheibe
19: Schraube
20: Sicherungsring
21: Permeatrohr
22: Zwischenelement
23: Zwischenelement
24: Öffnung
25: Öffnung
26: Vertiefung
27: Öffnung
28: Vertiefung
29: Vertiefung
30: Rippe
31: Öffnung
32: Steg
33: Membranen
34: Öffnung
35: Öffnung
36: Hohlraum
37: Dichtungsring
38: Flanschabschnitt
D1: Durchmesser
D2: Durchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1445013 A1 [0044]

Claims

Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids, umfassend: ein Gehäuse mit einem Einlass (5) für das Fluid, einem Permeatauslass (7) für ein von dem Fluid abgetrenntes Permeat, und einem Retentatauslass (6) für ein von dem Fluid abgetrenntes Retentat; einen Membraneinsatz (1) mit einer Vielzahl von Membranen (33) für die Filtration des Fluids; wobei das Gehäuse ein zylindrisches Gehäuserohr (2) aufweist, das an einem ersten Rohrende mit einem ersten Endelement (3) und an einem zweiten Rohrende mit einem zweiten Endelement (4) versehen ist, wobei der Membraneinsatz (1) zwischen dem ersten Endelement (3) und dem zweiten Endelement (4) angeordnet ist, und wobei die Filtervorrichtung kein das erste und zweite Endelement (3, 4) miteinander verbindendes Bolzenelement aufweist, um das erste Endelement (3) und das zweite Endelement (4) in Richtung des Membraneinsatzes (1) vorzuspannen.
Filtervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Filtervorrichtung kein Bolzenelement aufweist, welches sich durch den Membraneinsatz (1) und das erste und/oder zweite Endelement (3, 4) hindurch erstreckt.
Filtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Membraneinsatz (1) ein mit den Membranen (33) verbundenes Permeatrohr (21) zur Aufnahme und Abführung des Permeats aufweist, wobei sich das Permeatrohr (21) zentral durch den Membraneinsatz (1) und das Gehäuserohr (2) erstreckt, insbesondere wobei das Permeatrohr (21) entlang einer Rohrachse (A) frei von einem das erste und zweite Endelement (3, 4) miteinander verbindenden Bolzenelement ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Permeatrohr (21) mit einem ersten Rohrende an dem ersten Endelement (3) anliegt, und/oder wobei das Permeatrohr (21) mit einem zweiten Rohrende an dem zweiten Endelement (4) anliegt.
Filtervorrichtung nach Anspruch 4, wobei das erste Rohrende des Permeatrohrs (21) abschnittsweise in eine zentrale Vertiefung (26) des ersten Endelements (3) eingreift, die eine Bewegung des Permeatrohrs (21) in Richtung hin zu dem ersten Endelement (3) begrenzt, insbesondere wobei das erste Rohrende des Permeatrohrs (21) ein Dichtungselement (13) aufweist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei das zweite Rohrende des Permeatrohrs (21) abschnittsweise in eine zentrale Öffnung (24) des zweiten Endelements (4) eingreift, insbesondere wobei das zweite Rohrende des Permeatrohrs (21) ein Dichtungselement (37) aufweist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Öffnung (24) ein Innengewinde aufweist, in das ein Anschlussstück (7) eingeschraubt ist, welches eine Bewegung des Permeatrohrs (21) in Richtung hin zu dem zweiten Endelement (4) begrenzt, insbesondere wobei das Anschlussstück (7) ein Dichtungselement (14) aufweist.
Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Permeatauslass zentral an dem zweiten Endelement (4) angeordnet ist.
Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Einlass (5) dezentral an dem ersten Endelement (3) und der Retentatauslass (6) dezentral an dem zweiten Endelement (4) angeordnet sind, oder wobei der Einlass (5) dezentral an dem zweiten Endelement (4) und der Retentatauslass (6) dezentral an dem ersten Endelement (3) angeordnet sind.
Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Endelement (3) und/oder das zweite Endelement (4) jeweils mit einem Sicherungsring (16, 20) gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuserohr (2) gesichert sind, und wobei der Sicherungsring (16, 20) lösbar an einer Innenseite des Gehäuserohrs (2) in eine Wandung eingreift.
Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Filtervorrichtung ein Vorspannelement (8) mit wenigstens einem Gewindeloch aufweist, wobei das Gewindeloch an dem Vorspannelement (8) zur Aufnahme einer Schraube (15) zum Vorspannen des ersten und/oder zweiten Endelements (3, 4) in Richtung des Membraneinsatzes (1) ausgebildet ist.
Filtervorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Vorspannelement (8) ringförmig ausgebildet ist und mehrere an dem Vorspannelement (8) verteilt angeordnete Gewindelöcher zur Aufnahme einer jeweiligen Schraube (15) zum Vorspannen des betreffenden Endelements (3) in Richtung des Membraneinsatzes (1) aufweist.
Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen dem Membraneinsatz (1) und dem Einlass (5) und/oder dem Retentatauslass (6) wenigstens eine Umlenkeinrichtung angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung einen Fluidstrom umzulenken.
Filtervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Umlenkeinrichtung als ein Scheibenelement (9) ausgebildet ist, das vorzugsweise an dem ersten oder zweiten Endelement (3, 4) befestigt ist.
Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Membraneinsatz (1) an dem ersten und zweiten Endelement zugewandten Seiten des Membraneinsatzes (1) jeweils ein gitterförmiges Zwischenelement (22, 23) zum Einfassen der Membranen (33) aufweist.
Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Membranen (33) abschnittsweise in das Permeatrohr (21) eingreifen und um ein Permeatrohr (21) des Membraneinsatzes (1) herum aufgewickelt sind.
Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gehäuserohr (2) aus einem Kunststoff gebildet ist.
Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids, umfassend: ein Gehäuse mit einem Einlass (5) für das Fluid, einem Permeatauslass (7) für ein von dem Fluid abgetrenntes Permeat, und einem Retentatauslass (6) für ein von dem Fluid abgetrenntes Retentat; einen Membraneinsatz (1) mit einer Vielzahl von Membranen (33) für die Filtration des Fluids; wobei zwischen dem Membraneinsatz (1) und dem Einlass (5) und/oder dem Retentatauslass (6) eine Umlenkeinrichtung angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung einen Fluidstrom umzulenken.
Filtervorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Umlenkeinrichtung als ein Scheibenelement (9) ausgebildet ist.
Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids, umfassend: ein Gehäuse mit einem Einlass (5) für das Fluid, einem Permeatauslass (7) für ein von dem Fluid abgetrenntes Permeat, und einem Retentatauslass (6) für ein von dem Fluid abgetrenntes Retentat, wobei das Gehäuse ein zylindrisches Gehäuserohr (2) aufweist; einen Membraneinsatz (1) mit einer Vielzahl von Membranen (33) für die Filtration des Fluids, wobei der Membraneinsatz (1) ein mit den Membranen (33) verbundenes Permeatrohr (21) zur Aufnahme und Abführung des Permeats aufweist, wobei sich das Permeatrohr (21) zentral durch den Membraneinsatz (1) und das Gehäuserohr (2) erstreckt, und wobei das Permeatrohr (21) entlang seiner Rohrachse (A) frei ist.