DE19608372A1 - Aufstromfilterpatrone - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Filterpatrone zum Einsatz in mittels Schwerkraft betriebenen Trinkwasserfiltergeräten, insbesondere zur Entfernung von unerwünschten organischen und anorganischen Verunreinigungen. Der eigentliche Filtervorgang erfolgt innerhalb der Patrone im Aufstrom wobei sich deren Wassereintrittsöffnung auf der Oberseite und deren Austrittsöffnung auf der Unterseite befindet.

Kleine Trinkwasserfilter zur Nachbehandlung von Wasser durch eine Filtration über Ionenaustauscher und/oder Aktivkohlen sind Stand der Technik. Dabei handelt es sich um Kannenfiltergeräte, bei denen aus einem Vorratsbehälter das aufzubereitende Rohwasser mittels Schwerkraft durch eine mit einem geeigneten Filtermedium gefüllte Filterpatrone in eine tiefer gelegene Kanne läuft. Nach Filtererschöpfung wird die Patrone entsorgt. Bei diesen Geräten wird der Wasserstrom im Abstrom durch die Filterpatrone geführt, wodurch sich in der Praxis folgende Probleme ergeben:

Bei Betriebsbeginn muß die Filterpatrone zur Konditionierung der enthaltenen Ionenaus­ tauscher einige Minuten in einem Wasserbehälter gelagert werden. Erst nach ausreichender Quellung des Austauschers ist dieser voll funktionsfähig. Danach wird die Filterpatrone in die bekannten Geräte eingesetzt, wobei das in der Patrone befindliche Wasser abfließt und durch Luft ersetzt wird. Die über und in dem Harzbett befindliche Luft führt beim nachfol­ genden Aufbereitungsschritt zu einer ungleichmäßigen Wasserverteilung in der Filterpatrone sowie, je nach zufälliger Schüttung des Filtermaterials und der Luftblasenver­ teilung darin, zu stark unterschiedlichen Durchlaufzeiten. Dadurch, daß die Filterpatrone nur teilweise mit Wasser gefüllt ist, ist die zusätzliche Saugwirkung durch das Gewicht der vorhandenen Wassersäule geringer als bei vollständiger Füllung, wodurch sich die Durch­ laufzeit erhöht. Mit zunehmendem Verhältnis von Filterbetthöhe zu Filterbettquerschnitt, wie es aus Gründen der effizienten Harzkapazitätsausnutzung und besserer Strömungsver­ teilung gewünscht ist, wirken vorhandene Luftblasen im Harzbett zunehmend störender. Da die Wasserströmungsrichtung dem natürlichen Auftrieb der Gasblasen entgegenwirkt, können die Gasblasen, insbesondere bei den hier betrachteten Filterpatronen nur schlecht entfernt werden. Da die Geräte zudem diskontinuierlich betrieben werden, bilden sich zwischenzeitlich immer neue Gaspolster aus. Hierdurch kann das Filtermaterial zum einen austrocknen, zum anderen wird die Vermehrung von Keimen begünstigt. Weiterhin kann es im Laufe der Filterbenutzungsdauer zu einer Verdichtung des Filtermaterials kommen, wodurch sich die Filterzeiten erheblich verlängern können. Die Siebflächen zur Rückhal­ tung des Filtermaterials sind bei den bekannten Filterpatronen großflächig ausgebildet. Die Durchlaufzeit wird hier im wesentlichen durch die Eigenschaften des Filtermaterials und seiner Schüttung bzw. dem Luftgehalt bestimmt. Das austretende Wasser tropft an den großflächigen Sieben in Form zahlreicher Einzeltropfen ab, die beim Auftreffen auf den Auffangbehälter zahlreiche unerwünschte Wasserspritzer nach sich ziehen. Eine Regulie­ rung der Strömungsgeschwindigkeit ist kaum möglich. Die Größe der Sieböffnungen ist nach oben durch die Größe des feinsten Filtermaterials beschränkt, nach unten durch eine zunehmende Verstopfungsanfälligkeit. Die Wassersäule in der Filterschüttung läuft am Ende des Filtervorgangs nur sehr langsam ab, wobei dies zu unerwünschtem Nachtropfen führt. Wenn eine solche Filterpatrone anschließend mechanisch leicht beschleunigt wird, tritt zusätzlich lose gebundenes Kapillarwasser aus.

Die Erfindung vermeidet die oben genannten Nachteile dadurch, daß der Filtervorgang im Aufstrom durchgeführt wird und das zu- bzw. abfließende Wasser außerhalb der Filter­ masse in Rohren gebündelt wird. Hierdurch wird eine automatische Entlüftung des Patroneninneren erreicht, da die Wasserströmung das Harzbett im Betrieb leicht auflockert und die Gasblasen mit der Wasserströmung nach oben zu einem Ablaufrohr, das bis kurz unter den Patronendeckel reicht, verdrängt und hier leicht nach unten abgeführt werden können. Durch geeignete Wahl der Rohrquerschnitte oder durch Einsatz von Drossel- und Regelelementen kann der Durchfluß einfach dem unterschiedlichen hydraulischen Verhal­ ten der Filterschüttungen angepaßt werden und eine gewünschte Durchlaufgeschwindigkeit weitgehend unabhängig von der Geometrie der Sieböffnungen erreicht werden. Bei engen Rohrquerschnitten bzw. Düsen wird die Filtergeschwindigkeit wesentlich durch den Druckverlust in diesen mitbestimmt, so daß sich die Eigenschaften des Filtermaterials weniger stark auswirken können. Da das gesamte Filtrat durch einen Rohrquerschnitt fließt, ist dieser im Vergleich zu den zahlreichen Sieböffnungen bei den bekannten Filterpa­ tronen größer ausgebildet und damit nicht verstopfungsanfällig. Weiterhin kann nach vollständigem Ablauf des Filtrats bei mechanischer Beschleunigung der Filterpatrone nur wenig Wasser ablaufen. Das Wasser läuft zudem in einem feinen Strahl ab und verursacht wenig Wasserspritzer. Die anfängliche Harzkonditionierung kann in normaler Betriebsposi­ tion erfolgen, da sich die Patrone anfangs vollständig mit Wasser füllt und das Harz dauerhaft bedeckt hält. Dadurch ist es bezüglich Verkeimung und Austrocknung ebenfalls besser geschützt. Weiter vorteilhaft ist, daß die Aufstromfilterpatrone bezüglich ihrer äußeren Maße und Eigenschaften zu verfügbaren Abstromfilterpatronen für Wasserfilterge­ räte kompatibel gestaltet werden kann. Durch die begrenzten Ein- und Auslauföffnungen der Patrone besteht zudem leicht die Möglichkeit diese durch entsprechende Verschluß­ ventile oder Hebel des Wasserfiltergeräts öffnen und schließen zu lassen.

Weitere wesentliche Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfol­ genden Ausführungsbeispielen.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau der Aufstromfilterpatrone (1) in einer ersten Ausfüh­ rungsform. Sie besteht aus der hier konisch ausgeführten Patronenhülle (14), dem Deckel (13) und dem Boden (12). Am Deckel (13) ist ein Einlaufrohr (2) mit kleinem Querschnitt, typischerweise 2 bis 8 mm Durchmesser angesetzt, das dicht vor dem Boden (12) in den Siebfänger (4) mündet. Der Siebfänger (4) hat die Aufgabe, das Filtermaterial in der Patrone sowie grobe Schmutzteilchen aus dem Rohwasser zurückzuhalten, das Wasser hierbei jedoch durchzulassen und es gleichmäßig über den unteren Bereich der Filterpatrone zu verteilen. Der Siebfänger (4) kann zum Beispiel in Form eines zylinderförmigen Schlitzsiebes ausge­ führt sein oder aus einer porösen Sintermasse bestehen. Das Wasser strömt, in Fig. 1 durch gefüllte Pfeile angedeutet, aus einem hier nicht gezeigtem Vorratsbehälter durch die Öffnung (11) in das Einlaufrohr (2), verteilt sich über den Siebfänger (4) über den Quer­ schnitt der Filterpatrone (1) und strömt aufwärts durch das Filtermaterial (6) zum oberen Siebfänger (5). Hierbei wird die anfangs in der Filterpatrone befindliche Luft durch den Siebfänger (5) und das Ablaufrohr (3) und die Ablaufdrossel (10) nach außen verdrängt bis anschließend das gefilterte Wasser folgt. Der obere Siebfänger (5) ist ähnlich dem unteren Siebfänger (4) aufgebaut. Das Einlaufrohr (2) führt abgedichtet durch ein Loch des oberen Siebfängers (5) nach unten in den Raum zwischen dem Boden (12) der Filterpatrone und dem Siebfänger (4), das Ablaufrohr (3) führt abgedichtet durch ein Loch des unteren Siebfängers (4) bis mindestens in den Boden (12). Im Auslauf des Ablaufrohrs (3) ist eine Ablaufdrossel (10) eingesetzt. Durch Variation der Geometrie dieser Ablaufdrossel (10) ist die Wasserdurchlaufgeschwindigkeit durch die Filterpatrone in weiten Grenzen einstellbar. Je enger und länger die Düse ist, desto langsamer strömt das Wasser und desto weniger wird die Durchlaufgeschwindigkeit durch die Patrone von den hydraulischen Eigenschaften des Filtermaterials (6) beeinflußt. Dadurch, daß keine Luft in der Filterpatrone vorhanden ist und so die volle Saugwirkung der Wassersäule in der Patrone zur Geltung kommt und durch die Auflockerung des Filtermaterials beim Aufstrombetrieb kann ein feineres und damit wirksameres Filtermaterial als bei der konventionellen Lösung eingesetzt werden. Die Ablaufdrossel (10) kann auch durch einen Durchflußkonstanter ersetzt werden oder in den Rohren (2, 3) oder im Einlauf (11) des Rohres (2) eingesetzt werden. Anstelle der Ablaufdros­ sel (10) können auch die Querschnitte des Einlaufrohrs (2) und des Ablaufrohres (3) entsprechend dem gewünschten Durchfluß angepaßt werden.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführung eines Aufstromfilters. Hier sind das Einlaufrohr (2) und das Ablaufrohr (3) ineinander einfügbar ausgebildet. Das Wasser läuft durch ein Vorsieb (24) in Öffnung (11) ein und strömt durch das Einlaufrohr (2) abwärts zum Wechsel (20) in dem sich die Wasserströme des Einlaufs und des Auslaufs berührungsfrei kreuzen, so daß das Wasser des Einlaufrohrs (2) im Rohrabschnitt (23) weitergeführt wird. Der Wechsel (20) ist in der rechten Bildhälfte von Fig. 2 vergrößert in Aufsicht dargestellt. Das Einlaufrohr (2) ist durch das Querrohr (21) in zwei Hälften geteilt. Das Querrohr (21) ist an seinen Enden mit dem Ablaufrohr (3) verbunden, so daß das Wasser durch das Querrohr (21) in die Weiterführung des Ablaufrohrs (22) zur Ablauföffnung (15) führt. Das Wasser des Einlauf­ rohrs (2) wird im Rohrabschnitt (23) zum unteren Siebfänger (4), der sich hier über den ganzen Querschnitt der Filterpatrone erstreckt, geführt und tritt im Aufstrom in das Filtermaterial (6) ein. Das Filtermaterial ist oben durch einen elastischen, offenporigen Schaum (16) abgedeckt. Dieser bewirkt, daß das Filterbett (6) in Form eines Preßbettes vorliegt. Da die als Filtermaterial eingesetzten Ionenaustauscher während der Beladung oftmals eine stärkere Volumenänderung erfahren, kann es vorkommen, daß die Filterpatro­ ne (1) nur teilweise mit Filtermaterial gefüllt ist. Bei Aufstrombetrieb kann ein loses Filterbett durch die Wasserströmung umgeschichtet wird, was sich ungünstig auf die Filtereigenschaften auswirken kann. Durch den elastischen Schaum (16) wird die Bildung eines losen Filterbetts verhindert. Das Wasser tritt schließlich hinter dem Schaum durch den oberen Siebfänger (5), und wird durch das Ablaufrohr (3) über den Wechsel (20) zur Ablauföffnung (15) geleitet.

Die in den Ausführungsbeispielen in Fig. 1 und 2 jeweils genannten Eigenschaften der Aufstromfilterpatrone können naheliegenderweise beliebig kombiniert werden und sind hauptsächlich zur besseren Darstellung der Erfindung gewählt worden. Selbstverständlich kann z. B. auch im Ausführungsbeispiel Fig. 1 ein elastisches Schaummaterial zur Bettfixie­ rung vorhanden sein, in Fig. 2 kann ebenfalls eine Ablaufdrossel (10) eingesetzt werden, die Siebfänger (4) und (5) können sich über einen Teil des Patronenquerschnitts oder den ganzen Querschnitt ausdehnen. Sie können aus Sieben, gesinterten und porösen Materiali­ en oder in Form von Düsenböden ausgeführt sein. Die Abdichtung der Filterpatrone zum Wasserfiltergerät kann beliebig am Umfang oder den Stirnflächen, mit oder ohne Dicht­ hilfsmittel, erfolgen. Der Deckel (13) der Patrone (1) kann vorteilhafterweise zur besseren Entlüftung leicht nach außen gewölbt, der Boden (12) zur besseren Strömungsverteilung ebenfalls nach außen gewölbt sein. Vor oder nach den Siebfängern oder im Inneren des Filtermaterials (6) können zusätzliche Filterschichten, zum Beispiel Vliese zur Feinstoffil­ tration angeordnet sein. Das Ein- und Ablaufrohr kann auch in der Wandung der Patrone integriert sein.

Claims (8)

1. Aufstromfilterpatrone für schwerkraftbetriebene Trinkwasserfiltergeräte mit Was­ sereinlauf auf der Patronenoberseite und Wasserablauf an der Patronenunterseite, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterpatrone mindestens ein vom Filterpatronendec­ kel bis kurz vor den Filterpatronenboden reichendes Einlaufrohr sowie mindestens ein kurz vor dem Filterpatronendeckel beginnendes und mindestens in den Patronenboden reichendes Ablaufrohr enthält, wobei mindestens jeweils ein Ende der Rohre mit Sieb­ fängern abgeschlossen ist.

2. Aufstromfilterpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebfänger in Form von Schlitzsieben, porösen Sinterstoffen, Vliesstoffen oder Geweben oder Kombi­ nationen dieser Stoffe ausgebildet sind.

3. Aufstromfilterpatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb oder an den Enden der Rohre Durchflußregler oder Drosselelemente ange­ ordnet sind.

4. Aufstromfilterpatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der Filterpatrone ein elastisches, wasser- und luftdurchlässiges Material zur Bettfixierung befindet.

5. Aufstromfilterpatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- und Ablaufrohr als Einzelrohr direkt oder indirekt nebeneinander angeordnet oder in die Patronenwandung integriert ist.

6. Aufstromfilterpatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- und Ablaufrohr ineinander gesteckt sind und die jeweiligen Wasserströme durch einen Wechsel in der Rohranordnung von innen nach außen und außen nach innen umgelenkt werden.

7. Aufstromfilterpatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Patronendeckel und Patronenboden nach außen gewölbt ausgeführt sind.

8. Aufstromfilterpatrone nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Einlaufrohr der Patrone im oder über dem Patronendeckel ein Sieb angeordnet ist.