DE202017106651U1

DE202017106651U1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE202017106651U1
Application number: DE202017106651.7U
Authority: DE
Original assignee: Dreiss Patentanwalte Partg Mbb
Current assignee: Dreiss Patentanwalte Partg Mbb
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2017-11-28
Anticipated expiration: 2027-11-04

Abstract

Wärmetauscher (1), umfassend einen ersten fluidführenden Abschnitt (2) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) für ein erstes Fluid (5) und einem zweiten fluidführenden Abschnitt (6) mit einem Einlass (7) und einem Auslass (8) für ein zweites Fluid (9), wobei der erste Abschnitt (2) in dem zweiten Abschnitt (6) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (2) ein von Strömungskanälen durchzogenes Segment (10) aufweist, welches in einem Anschlussrahmen (12) gehalten ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die DE 10 2014 202 788 A1 offenbart einen Wärmetauscher, der ein Leitungssystem aufweist, durch das ein zu kühlendes Fluid geführt wird. Außenflächen der Leitungen dienen hierbei als Konvektionsflächen und begrenzen Durchlassöffnungen, durch die eine Luft geführt wird. Zur Durchführung der Luft ist beispielsweise ein Ventilator beziehungsweise Lüfter vorgesehen. Zur Vergrößerung der Konvektionsflächen können mit Leitungen des Leitungssystems zusätzlich Lamellen verbunden oder in Wärmeleitkontakt gebracht werden. Es ist bekannt, dass zur Verminderung einer Geräuschemission des Ventilators und somit zur Verringerung einer Schallleistung (der Kühlanlage) zwischen dem Ventilator und dem Kühler in einem Diffusor Schalldämpfungsmaterial eingebracht werden kann. Hierbei kann es sich um Schaumstoffe oder faserige Materialien handeln.
Die DE 10 2014 005 149 A1 beschreibt einen in einem Gehäuse angeordneten gelöteten Wärmetauscher, der einen Stapel aus Wärmetauscherplatten mit je einem Einströmloch und einem Ausströmloch aufweist, die derart angeordnet sind, dass sich geschlossene und offene Strömungskanäle für unterschiedliche Medien in einer Stapelrichtung abwechseln, wobei in den offenen Strömungskanälen zwei Endstücke mit einem Loch angeordnet sind, dessen Rand sich um das Einströmloch bzw. um das Ausströmloch erstreckt. Ein leistungsfähiger, leichter und dennoch stabiler gelöteter Wärmetauscher in einem Gehäuse, wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass die Endstücke verformte Bleche mit Kanäle bildenden Wellungen sind, deren Dicke etwa der Dicke der Wärmetauscherplatten entspricht und die mit Strömungsöffnungen für das durch die offenen Strömungskanäle strömende Medium ausgestattet sind, wobei der Lochrand umgeformt ist und eine Höhe aufweist, die etwa einer Höhe des offenen Strömungskanals entspricht und der nahe an einem Durchzug des Einströmlochs bzw. des Ausströmlochs angeordnet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmetauscher zu schaffen, der besonders einfach aufgebaut ist und daher preiswert hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Darüber hinaus finden sich für die Erfindung wichtige Merkmale in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung. Diese Merkmale können für die Erfindung sowohl in Alleinstellung als auch in ganz unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wesentlich sein.
Bekannt ist ferner ein Filtermodul. Ein solcher kann ein rohrförmiges Gehäuse und mehrere in diesem rohrförmigen Gehäuse angeordnete flache und vorzugsweise keramische Filtersegmente umfassen. Die flachen keramischen Filtersegmente sind in ihrer Längsrichtung von Filtrationskanälen durchzogen, die sich von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite eines Filtersegments erstrecken. Die Filtrationskanäle sind auf ihrer Innenseite mit einer dünnen keramischen Schicht, der sogenannten Filtermembran, beschichtet. Die flachen keramischen Filtersegmente sind parallel zueinander in geringem Abstand angeordnet, so dass zwischen den einzelnen Filtersegmenten ein relativ breiter jedoch sehr flacher, also eine geringe Höhe aufweisender Zwischenraum vorhanden ist. Die Filtersegmente sind durch einen einstückigen Verbindungskörper aus einem zunächst flüssigen und dann ausgehärtetem Vergussmaterial miteinander verbunden bzw. starr zueinander festgelegt. Beispielsweise für die Qualitätsprüfung werden die einzelnen Filtersegmente, bevor sie durch den oben erwähnten Verbindungskörper miteinander verbunden werden, zumeist einzeln einer aus einem oder mehreren Tests bestehenden Qualitätsprüfung unterzogen. Bei einem solchen Test wird beispielsweise die Durchlässigkeit des porösen Filtermaterials für Wasser oder eine andere Flüssigkeit ermittelt und mit einem Grenzwert verglichen. Hierzu wird in die oben erwähnten Filtrationskanäle Wasser unter einem bestimmten Druck hineingepresst, und es wird dann gemessen, welche Menge pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit (also beispielsweise Liter pro Stunde und pro Quadratmeter) durch die poröse Keramik hindurchtreten und auf der Außenseite eines Filtersegments austreten. Dieser Test wird auch als „Permeabilitätsprüfung“ bezeichnet.
Ferner kann bei einem anderen solchen Test die Integrität des Filtersegments geprüft werden, also ob beispielsweise Risse vorhanden sind. Hierzu wird ein Filtersegment in ein Wasserbad gelegt und wie oben bei der Permeabilitätsprüfung mit Wasser gespült, bis sämtliche Luft aus dem Filtersegment entfernt ist. Dann wird in die oben erwähnten Filtrationskanäle Luft unter einem bestimmten und anfänglich relativ niedrigen Druck eingeleitet. Dieser Druck wird nach festgelegten Zeitintervallen um einen festgelegten Wert erhöht. Beispielsweise kann der Druck anfänglich 0,4 bar betragen, und er kann alle 30 Sekunden um 0,1 bar erhöht werden. Wird vor Erreichen eines Grenzdrucks (dieser kann beispielsweise 1,1 bar betragen) ein Austreten von Luftbläschen an irgendeiner Stelle auf der Außenseite des Filtersegments detektiert, kann davon ausgegangen werden, dass an dieser Stelle ein Riss in dem keramischen Material vorliegt. Wird ein solches Austreten von Luftbläschen vor dem Erreichen des Grenzdrucks dagegen nicht festgestellt, kann von einer ausreichenden Integrität des Filtersegments ausgegangen werden. Der soeben beschriebene Test wird auch als „Bubble-Point-Test“ bezeichnet.
Wie oben erwähnt, sind die Wände der Filtrationskanäle mit einer Filtermembran beschichtet. Um diese Beschichtung herzustellen, wird das zunächst flüssige Material, aus dem die Filtermembran hergestellt ist, in die Filtrationskanäle eingeleitet, die Filtrationskanäle also mit diesem Material gespült. Anschließend härtet dieses Material aus, wodurch die Filtermembran gebildet wird. Bei anderen Ausführungsformen sind nicht die Wände der Filtrationskanäle, sondern ist die Außenseite des Filtersegments mit der Filtermembran beschichtet.
Um die oben erwähnten Tests durchführen und auch um die Beschichtung der Filtrationskanäle oder der Außenseite des Filtersegments mit der Filtermembran erreichen zu können, müssen die Öffnungen der Filtrationskanäle auf den beiden Stirnseiten eines Filtersegments mit einer Wasser- und/oder Luftzufuhr bzw. einer Zufuhr des flüssigen Filtermembranmaterials verbunden werden, gleichzeitig aber auch nach außen hin abgedichtet werden, um sicherzustellen, dass Luft, Wasser und Filtermembranmaterial nur in die Filtrationskanäle und nicht nach außen gelangt, bzw. bei einer Beschichtung der Außenseite eines Filtersegments, dass Filtermembranmaterial gerade nicht in die Filtrationskanäle gelangt. Hierzu werden die Endabschnitte eines Filtersegments in einem Anschlussrahmen aufgenommen, welcher die Außenseite des jeweiligen Endabschnitts fluiddicht umschließt, und durch den eine von der jeweiligen Stirnseite des Filtersegments begrenzte Fluidkammer gebildet wird, die über einen entsprechenden Druckanschluss mit einer Fluidquelle, beispielsweise einer Druckwasserquelle oder einer Druckluftquelle oder einer Versorgung mit Filtermembranmaterial (oder, wenn die Außenseite des Filtersegments mit dem Filtermembranmaterial beschichtet werden soll, mit einer Unterdruckquelle) verbunden werden kann.
Ein solcher Anschlussrahmen für ein vorzugsweise einen flachen vieleckigen, insbesondere rechteckigen oder trapezförmigen, Querschnitt aufweisendes Filtersegment, insbesondere zur fluiddichten Halterung während einer Qualitätsprüfung oder einer Beschichtung der Filtrationskanäle, kann erfindungsgemäß mindestens ein erstes Rahmenelement mit einer von einer Öffnungswand begrenzten Aufnahmeöffnung zur Aufnahme eines Endbereichs des Filtersegments und ein Dichtelement aus einem gummielastischen Material, welches im Betrieb in der Aufnahmeöffnung zwischen der Öffnungswand und dem Filtersegment angeordnet ist, umfassen.
Erfindungsgemäß ist zwischen mindestens einem Bereich der Öffnungswand und mindestens einem Bereich des Dichtelements ein vorzugsweise umlaufender Druckkanal vorhanden, in den mindestens eine Gaszuführöffnung mündet, die mit einem Druckanschluss für eine druckbeaufschlagte Gasquelle verbunden ist.
Es versteht sich, dass diese Technologie sowohl geeignet ist, um einzelne mit Strömungskanälen durchzogene Elemente eines Wärmetauschers, die einen ersten fluidführenden Abschnitt bilden, fluiddicht gegenüber einem zweiten fluidführenden Abschnitt anzuordnen und mit einem entsprechenden Einlass und einem entsprechenden Auslass fluiddicht zu verbinden, als auch, um die Filtrationskanäle des oben erwähnten Filtersegments eines Filtermoduls beispielsweise während eines Tests zur Qualitätsprüfung, wie oben erwähnt, oder während einer Beschichtung der Filtrationskanäle oder der Außenseite eines Filtersegments mit einem Filtermembranmaterial, wie ebenfalls oben erwähnt, nach außen abzudichten und mit einer gewünschten Fluidquelle zu verbinden.
Erfindungsgemäß wird die Abdichtung zwischen dem Anschlussrahmen und dem Filtersegment durch ein Dichtelement erreicht, welches, nachdem der Endbereich des Filtersegments in die Aufnahmeöffnung eingeschoben wurde, in Richtung zum Filtersegmente hin mit einem Gasdruck beaufschlagt wird, wodurch es gleichmäßig und mit einer gewünschten Kraft auf der Außenseite des Filtersegments in Anlage gelangt. Das Dichtelement wird also durch das Gas radial nach innen gegen das Filtersegment gedrückt. Dies hat den Vorteil, dass für das Dichtelement ein relativ weiches Material verwendet werden kann, welches sich somit auch an vergleichsweise komplexe Geometrien der Außenseite des Filtersegments anschmiegt und daher für eine zuverlässige Abdichtung sorgt. Zu solchen komplexen Geometrien gehören beispielsweise quadratische, (gegebenenfalls sehr flache) rechteckige oder trapezförmige Geometrien. Der bei einem solchen relativ weichen Material prinzipbedingt vorhandene Mangel an elastischer Vorspannkraft wird dabei durch den Gasdruck kompensiert. Dabei kann das Dichtelement zunächst relativ locker außen um das Filtersegmente herum angeordnet sein, so dass auch bei keramischen Filtersegmenten bisweilen vorhandene erhebliche Maßtoleranzen durch den Gasdruck sehr gut ausgeglichen werden können.
Konstruktiv wird dies auf sehr einfache Art und Weise erreicht, indem der Druckkanal zwischen der Öffnungswand des ersten Rahmenelements und dem Dichtelement vorhanden ist. Dabei ist der Druckkanal vorzugsweise durchgehend, läuft also in Umfangsrichtung vollständig um das Filtersegmente herum. Grundsätzlich denkbar ist aber auch ein Druckkanal, der nur abschnittsweise ausgebildet ist und insoweit das Dichtelement nur abschnittsweise gegen das Filtersegment beaufschlagen kann. Dies ist dann beispielsweise möglich, wenn das Dichtelement über eine ausreichende eigene elastische Vorspannung verfügt.
Dabei versteht es sich, dass das Dichtelement so in der Aufnahmeöffnung angeordnet ist, dass der Druckkanal durch das Dichtelement möglichst fluiddicht nach außen hin verschlossen wird, um den Austritt von Druckluft und damit eine Störung bei der Durchführung der oben erwähnten Tests bzw. der oben erwähnten Beschichtung der Filtrationskanäle mit Filtermembranmaterial zu vermeiden.
Ferner versteht es sich, dass für eine zuverlässige Abdichtung zwischen dem Dichtelement und der Außenseite des Filtersegments auch die Querschnittsform des Dichtelements von Bedeutung ist. Die Fläche, mit der das Dichtelement an der Außenseite des Filtersegments während des Betriebs aufgrund der Beaufschlagung mit Gasdruck anliegt, sollte in Längsrichtung des Filtersegments gesehen ausreichend lang sein. Die besagte Fläche kann darüber hinaus, insbesondere wenn keine Beaufschlagung mit Gasdruck vorliegt, im Wesentlichen parallel zur Außenseite des Filtersegments geformt sein, sie kann aber auch konisch sein, mit einer größeren Weite in dem von der Stirnseite des Filtersegments abgewandten Bereich und einer geringeren Weite in dem zu der Stirnseite des Filtersegments näher gelegenen Bereich. Auch ist denkbar, dass die Fläche zur Außenseite des Filtersegments hin einen umlaufenden Dichtwulst oder eine umlaufende Dichtlippe aufweist. Eine erste Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckkanal in der Öffnungswand ausgebildet ist. Dies ist Herstellungstechnisch einfach. Grundsätzlich denkbar ist aber auch, dass der Druckkanal im Dichtelement ausgebildet ist, oder dass er sowohl in der Öffnungswand als auch im Dichtelement ausgebildet ist. Auch ist denkbar, dass nicht nur ein Druckkanal vorhanden ist, sondern mehrere parallel laufende Druckkanäle. Auch können an bestimmten Stellen, in denen ein höherer Druck erforderlich ist, separate Druckkammer vorhanden sein, welche im Betrieb die Dichtung gegen das Filtersegmente beaufschlagen.
Ebenfalls konstruktiv einfach ist es, wenn der Druckkanal einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufnahmeöffnung in der Draufsicht mindestens einen Eckbereich aufweist, und dass mindestens eine Gaszuführöffnung in den Eckbereich mündet. Gerade in einem solchen Eckbereich besteht die Gefahr, dass es zu einer Faltenbildung am Dichtelement kommt, wodurch die Dichtwirkung zwischen Dichtelement und Filtersegmenten reduziert werden kann. Durch die hier vorgesehene erfindungsgemäße Maßnahme wird einer solchen Faltenbildung effizient entgegengewirkt, da der Druckaufbau dann von den Eckbereichen ausgeh. Unabhängig hiervon ist es günstig, wenn der Radius in einem solchen Eckbereich an die entsprechende Gegenfläche am Filtersegment angepasst ist. Unabhängig jedoch von der Geometrie des Filtersegments sollte der Radius nach Möglichkeit höchstens 1,5 mm betragen.
Ebenfalls bevorzugt ist es, dass die Aufnahmeöffnung in der Draufsicht einen länglichen und wenigstens in etwa geraden Randbereich aufweist, und dass zwei in Umfangsrichtung der Aufnahmeöffnung voneinander beabstandete Gaszuführöffnungen in den Randbereich münden. Hierdurch wird die Druckverteilung in dem Druckkanal vergleichsmäßigt und der Faltenbildung ebenfalls vorgebeugt.
Dieser Vorteil wird nochmals verstärkt, wenn die beiden Gaszuführöffnungen durch einen vom Druckkanal separaten Verbindungskanal miteinander verbunden sind, und dass die beiden Gaszuführöffnungen mit dem Druckanschluss nur über den Druckkanal verbunden sind.
Das Einführen des Filtersegments in den Anschlussrahmen wird erleichtert, wenn zwischen dem Dichtelement und dem Filtersegment im drucklosen Zustand ein umlaufender Spalt vorhanden ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Dichtelement einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit zwei abragenden Schenkeln aufweist, und dass das erste Rahmenelement zu dem Dichtelement wenigstens abschnittsweise entsprechend komplementär ausgebildet ist. Hierdurch wird die Abdichtung zwischen Dichtelement und erstem Rahmenelement verbessert.
Eine konkrete Weiterbildung hierzu zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens einer der beiden abragenden Schenkel des Dichtelements einen Dichtwulst aufweist, wodurch die Abdichtung nochmals verbessert wird.
Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Anschlussrahmen mindestens ein zweites Rahmenelement umfasst, welches parallel zu dem ersten Rahmenelement angeordnet ist und ebenfalls eine Aufnahmeöffnung für den Endbereich des Filtersegments aufweist, wobei die Aufnahmeöffnung eine Einführschräge aufweist. Hierdurch wird ebenfalls das Einführen des Filtersegments in den Anschlussrahmen erleichtert.
Um eine definierte Position des Filtersegments relativ zum Anschlussrahmen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der Anschlussrahmen mindestens ein drittes Rahmenelement umfasst, welches eine Durchgangsöffnung aufweist, die kleiner ist als die Aufnahmeöffnung, wodurch ein Absatz gebildet wird, an dem sich ein stirnseitiger Randbereich des Filtersegments in Einbaulage wenigstens bereichsweise abstützen kann.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das dritte Rahmenelement im Bereich des Absatzes ein weicheres Material als außerhalb dieses Bereichs umfasst. Beispielsweise ist möglich, dass im Bereich des Absatzes ein Kunststoffmaterial verwendet wird, hingegen in den restlichen Bereichen ein Metallmaterial verwendet wird. Hierdurch werden Beschädigungen am stirnseitigen Randbereich des Filtersegments vermieden.
Möglich ist auch, dass der Anschlussrahmen eine Abschlussplatte umfasst, welche in axialer Verlängerung der Aufnahmeöffnung des ersten Rahmenelements eine Durchgangsöffnung aufweist, die mit einer Fluidquelle verbindbar ist.
Für eine zuverlässige Abdichtung einerseits zwischen dem Dichtelement und dem Filtersegments und andererseits zwischen dem Dichtelement und dem ersten Rahmenelement ist es günstig, wenn das Dichtelement aus einem gummielastischen Material, insbesondere aus einem Silikonmaterial, hergestellt ist, und vorzugsweise eine Shorehärte im Bereich von ungefähr 30 aufweist.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
2: eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Qualitätstests für ein keramisches Filtersegment mit einem Filtersegment und zwei Anschlussrahmen;
3: einen teilweisen Querschnitt durch einen der Anschlussrahmen von 2 in einem drucklosen Zustand;
4: eine Darstellung ähnlich zu 3 in einem bedruckten Zustand; und
5 einen Schnitt längs der Linie V-V von 3.
Funktionsäquivalente Elemente und Bereiche tragen nachfolgend auch in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen.
Ein Wärmetauscher trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 1. Er umfasst einen ersten fluidführenden Abschnitt 2 mit einem Einlass 3 und einem Auslass 4 für ein erstes Fluid 5 und einen zweiten fluidführenden Abschnitt 6 mit einem Einlass 7 und einem Auslass 8 für ein zweites Fluid 9. Der erste Abschnitt 2 ist in dem zweiten Abschnitt 6 aufgenommen. Der erste Abschnitt 2 weist ein von nicht gezeichneten Strömungskanälen durchzogenes flaches Segment 10 auf (1 zeigt dieses Segment in der Draufsicht), welches an seinen beiden Enden jeweils durch einen Anschlussrahmen 12 gehalten ist.
Ein nicht gezeichnetes Filtermodul zum Filtern von Wasser umfasst ein rohrförmiges Gehäuse, in dem im Querschnitt flache (als deutlich breitere als hohe) Filtersegmente angeordnet sind. Die flachen keramischen Filtersegmente können aus einem offenporigen keramischen Material hergestellt sein. Sie sind in ihrer Längsrichtung von Filtrationskanälen durchzogen, die sich von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite eines Filtersegments erstrecken. Die Filtrationskanäle können auf ihrer Innenseite mit einer dünnen keramischen Schicht, der sogenannten Filtermembran, beschichtet sein. Die flachen keramischen Filtersegmente sind parallel zueinander in geringem Abstand angeordnet, so dass zwischen den einzelnen Filtersegmenten ein relativ breiter jedoch sehr flacher, also eine geringe Höhe aufweisender Zwischenraum vorhanden ist. Die Filtersegmente sind durch einen einstückigen Verbindungskörper aus einem zunächst flüssigen und dann ausgehärtetem Vergussmaterial miteinander verbunden bzw. starr zueinander festgelegt.
Beispielsweise für die Qualitätsprüfung werden die einzelnen Filtersegmente, bevor sie durch den oben erwähnten Verbindungskörper miteinander verbunden und in das rohrförmige Gehäuse eingebaut werden, zumeist einzeln einer aus einem oder mehreren Tests bestehenden Qualitätsprüfung unterzogen. Bei einem solchen Test wird beispielsweise die Durchlässigkeit des eingesetzten Materials für Wasser oder eine andere Flüssigkeit ermittelt und mit einem Grenzwert verglichen. Hierzu wird in die oben erwähnten Filtrationskanäle Wasser unter einem bestimmten Druck hineingepresst, und es wird dann gemessen, welche Menge pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit (also beispielsweise Liter pro Stunde und pro Quadratmeter) durch die poröse Keramik hindurchtreten und auf der Außenseite eines Filtersegments austreten kann. Dieser Test wird auch als „Permeabilitätsprüfung“ bezeichnet.
Ferner kann bei einem anderen solchen Test die Integrität des Filtersegments geprüft werden, also ob beispielsweise Risse vorhanden sind. Hierzu wird ein Filtersegment in ein Wasserbad gelegt und wie oben bei der Permeabilitätsprüfung mit Wasser gespült, bis sämtliche Luft aus dem Filtersegment entfernt ist. Dann wird in die oben erwähnten Filtrationskanäle Luft unter einem bestimmten und anfänglich relativ niedrigen Druck eingeleitet. Dieser Druck wird nach festgelegten Zeitintervallen um einen festgelegten Wert erhöht. Beispielsweise kann der Druck anfänglich 0,4 bar betragen, und er kann alle 30 Sekunden um 0,1 bar erhöht werden. Wird vor Erreichen eines Grenzdrucks (dieser kann beispielsweise 1,1 bar betragen) ein Austreten von Luftbläschen an irgendeiner Stelle auf der Außenseite des Filtersegments detektiert, kann davon ausgegangen werden, dass an dieser Stelle ein Riss in dem keramischen Material vorliegt. Wird ein solches Austreten von Luftbläschen vor dem Erreichen des Grenzdrucks dagegen nicht festgestellt, kann von einer ausreichenden Integrität des Filtersegments ausgegangen werden. Der soeben beschriebene Test wird auch als „Bubble-Point-Test“ bezeichnet.
Wie oben erwähnt, können die Wände der Filtrationskanäle mit einer Filtermembran beschichtet sein. Um diese Beschichtung herzustellen, wird das zunächst flüssige Material (meist ebenfalls ein keramisches Material), aus dem die Filtermembran hergestellt ist, in die Filtrationskanäle eingeleitet, die Filtrationskanäle also mit diesem Material gespült. Anschließend härtet dieses Material aus, wodurch die Filtermembran gebildet wird. Bei anderen Ausführungsformen sind nicht die Wände der Filtrationskanäle, sondern ist die Außenseite des Filtersegments mit der Filtermembran beschichtet.
Um die oben erwähnten Tests durchführen und auch um die Beschichtung der Filtrationskanäle oder der Außenseite des Filtersegments mit der Filtermembran erreichen zu können, müssen die Öffnungen der Filtrationskanäle auf den beiden Stirnseiten eines Filtersegments mit einer Wasser- und/oder Luftzufuhr bzw. einer Zufuhr des flüssigen Filtermembranmaterials verbunden werden, gleichzeitig aber auch nach außen hin abgedichtet werden, um sicherzustellen, dass Luft, Wasser und Filtermembranmaterial nur in die Filtrationskanäle und nicht nach außen gelangt, bzw. bei einer Beschichtung der Außenseite eines Filtersegments, dass Filtermembranmaterial gerade nicht in die Filtrationskanäle gelangt. Hierzu werden die Endabschnitte eines Filtersegments in einem Anschlussrahmen aufgenommen, welcher die Außenseite des jeweiligen Endabschnitts fluiddicht umschließt, und durch den eine von der jeweiligen Stirnseite des Filtersegments begrenzte Fluidkammer gebildet wird, die über einen entsprechenden Druckanschluss mit einer Fluidquelle, beispielsweise einer Druckwasserquelle oder einer Druckluftquelle oder einer Versorgung mit Filtermembranmaterial (oder, wenn die Außenseite des Filtersegments mit dem Filtermembranmaterial beschichtet werden soll, mit einer Unterdruckquelle) verbunden werden kann.
In 2 ist ein Aufbau gezeigt, mit dem ein flaches keramisches Filtersegment 10 die oben erwähnten Qualitätstests durchlaufen kann. Man erkennt zunächst einen mit Wasser 14 gefüllten und nach oben hin offenen Behälter 16. In diesem ist ein keramisches Filtersegment 10 mittels Stützen 18 gehaltert. Abragende Endbereiche 20 des Filtersegments 10 sind in noch darzustellender Art und Weise fluiddicht in identischen Anschlussrahmen 12 aufgenommen.
Eine in 2 noch nicht gezeichnete Fluidkammer innerhalb eines Anschlussrahmens 12 ist über eine jeweilige Leitung 22a und 22b und Ventile 24a und 24b sowie 26a und 26b mit jeweiligen Druckluftquellen 28a und 28b und Druckwasserquellen 30a und 30b verbindbar (wobei jeweils auch eine gemeinsame Druckluftquelle und Druckwasserquelle verwendet werden kann). Ferner führen zu den beiden Anschlussrahmen 12 Druckluftleitungen 32a und 32b, die über ein Druckluftventil 34 ebenfalls mit einer Druckluftquelle 36 verbunden werden können (auch kann in der Praxis die gleiche einzige Druckluftquelle wie oben verwendet werden).
Für eine Permeabilitätsprüfung wird das Filtersegment 10 zunächst im Wasser 14 gewässert ("flushen"), um möglichst viele Poren des Keramikmaterials mit Wasser zu füllen und dort vorhandene Luft zu entfernen. Dann werden die Ventile 24a–b und 26a geschlossen und das Ventil 26b geöffnet, so dass zunächst von der einen Seite Druckwasser in die Filtrationskanäle im Filtersegments 10 hineingepresst wird. Dann wird das Ventil 26b geschlossen und das Ventil 26a geöffnet, so dass von der anderen Seite Druckwasser in die Filtrationskanäle hineingepresst wird. Hierdurch wird eventuell noch in Poren vorhandene Restluft vollständig herausgepresst und entfernt. Dann werden die beiden Wasserventile 26a–b geöffnet, so dass auf beiden Seiten gleichzeitig Wasser 14 in die Filtrationskanäle hineingepresst wird. Mittels einer nicht dargestellten Messvorrichtung wird erfasst, wie groß die Menge an Wasser ist, die auf einer Außenseite 38 des Filtersegments 10 Austritt. Diese Menge hat beispielsweise die Einheit [Liter pro Stunde und Quadratmeter]. Der Wert muss in einem bestimmten Bereich liegen (darf also einen ersten Grenzwert nicht unterschreiten und einen zweiten Grenzwert nicht überschreiten), damit das getestete Filtersegment 10 die Permeabilitätsprüfung besteht.
Für einen Bubble-Point-Test wird zunächst, wie bereits oben, sämtliche Luft aus dem Filtersegment 10 entfernt, indem dieses in dem Wasser 14 gewässert wird und gegebenenfalls mit Wasser gespült wird. Dann werden die Ventile 24a–b sowie 26a–b so geschaltet, dass in die Filtrationskanäle Luft unter einem bestimmten und anfänglich relativ niedrigen Druck eingeleitet wird. Dieser Druck wird nach festgelegten Zeitintervallen um einen festgelegten Wert erhöht. Wird vor Erreichen eines Grenzwerts festgestellt, dass aus der Außenseite 38 des Filtersegments 10 Luftbläschen austreten, deutet dies auf einen Riss in der Struktur des Filtersegments hin.
Nun wird unter Bezugnahme auf die 3–5 im Detail der Aufbau des oben erwähnten Anschlussrahmens 12 erläutert. Der Anschlussrahmen 12 umfasst ein erstes plattenartiges Rahmenelement 40, welches beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial oder einem Metallmaterial hergestellt sein kann. Wie aus 5 ersichtlich ist, hat das erste Rahmenelement 12 in der Draufsicht eine achteckige Außenform. Zentrisch befindet sich in dem ersten Rahmenelement eine Aufnahmeöffnung 42, die von einer insgesamt mit 44 bezeichneten Öffnungswand begrenzt wird. Die Aufnahmeöffnung 42 hat, wie aus 5 ersichtlich ist, bei der vorliegenden Ausführungsform eine in der Draufsicht insgesamt ungefähr rechteckige Form mit abgerundeten Eckbereichen 45. Denkbar ist aber auch ein dreieckiger Querschnitt oder ein trapezförmiger Querschnitt, jeweils ebenfalls mit abgerundeten Eckbereichen.
Zu dem Anschlussrahmen 12 gehört ferner ein Umfangsrichtung der Aufnahmeöffnung 42 umlaufendes Dichtelement 46, welches aus einem gummielastischen Material, beispielsweise aus einem Silikonmaterial, hergestellt ist. Vorzugsweise weist das gummielastische Material eine Shorehärte im Bereich von ungefähr 30 auf. Das Dichtelement 46 ist in Einbaulage zwischen dem Filtersegment 10 und der Öffnungswand 44 angeordnet. Das Dichtelement 46 weist einen "liegenden" und im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit einem Basisabschnitt 48 und zwei abragenden Schenkeln 50a und 50b auf. In die Schenkel 50a–b ist jeweils ein Dichtwulst 52a und 52b eingearbeitet. Man erkennt insbesondere aus den 3 und 4, dass das erste Rahmenelement 40 im Bereich des Dichtelements 46 durch Ausnehmungen 54a und 54b sowie, zum Filtersegment 10 hin, durch eine Ausnehmung 54c, entsprechend komplementär ausgebildet ist, so dass das Dichtelement 46 mindestens bereichsweise in besagten Ausnehmungen 54a–c aufgenommen ist.
Zwischen dem Dichtelement 46 und dem in der Aufnahmeöffnung 42 aufgenommenen Filtersegment 10 ist, wie aus 3 und auch aus 5 ersichtlich ist, in dem dort dargestellten drucklosen Zustand ein umlaufender Spalt 55 vorhanden. Dieser bildet ein „Expansionsgebiet“, welches es ermöglicht, dass das Dichtelement 46 im Betrieb, wie weiter unten noch im Detail ausgeführt werden wird, erhebliche Dimensionsunterschiede bei den eingesetzten Filtersegmenten 10 ausgleichen kann. Dies ist insbesondere bei keramischen Filtersegmenten 10 von Vorteil, da deren Dimensionen mit relativ großen Toleranzen behaftet sind. Die Größe des Spalts 55 hängt dabei unter anderem auch von der Elastizität des für das Dichtelement 46 verwendeten Materials ab, bei dem es sich beispielsweise um ein Polymermaterial handeln kann.
Wie aus den 3–5 ersichtlich ist, ist in dem ersten Rahmenelement 40 ferner ein durch eine Nut gebildeter umlaufender Druckkanal 56 vorhanden, der zwischen der Öffnungswand 44 und dem Basisabschnitt 48 angeordnet ist. Der dargestellte Druckkanal 56 hat einen in etwa quadratischen Querschnitt, er könnte aber auch einen beliebigen anderen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt, einen dreieckigen Querschnitt, einen halbkreisförmigen Querschnitt, oder ähnliches. In den Druckkanal 56 münden insgesamt acht Gaszuführöffnungen 58a–h, die über die oben erwähnten Druckluftleitungen 32a–b mit der ebenfalls oben erwähnten Druckluftquelle 36 verbunden werden können.
Man erkennt, dass in jeden der vier Eckbereiche 45 der Aufnahmeöffnung 42 eine Gaszuführöffnungen mündet, nämlich die Gaszuführöffnungen 58a, 58d, 58e und 58h. Ferner erkennt man aus 5, dass die Aufnahmeöffnung in der Draufsicht der 5 zwei gegenüberliegende längliche und gerade Randbereiche 60 aufweist, und dass in jeden der beiden Randbereiche 60 jeweils zwei in Umfangsrichtung der Aufnahmeöffnung 42 voneinander beabstandete Gaszuführöffnungen münden, nämlich vorliegend die Gaszuführöffnungen 58b und 58c sowie die Gaszuführöffnungen 58f und 58g.
Die Gaszuführöffnungen 58b, 58c, 58f und 58g sind jedoch nicht direkt mit den Druckluftleitung 32 verbunden. Stattdessen sind die beiden benachbarten Gaszuführöffnungen 58b und 58c sowie die beiden benachbarten Gaszuführöffnungen 58f und 58g über jeweilige vorliegend beispielhaft außerhalb vom ersten Rahmenelement verlaufende Verbindungskanäle 62 miteinander verbunden. Die Gaszuführöffnungen 58b und 58c sowie die Gaszuführöffnungen 58f und 58b sind also mit der Druckluftquelle 36 nur über den Druckkanal 56 verbindbar. Hierzu verfügt der Anschlussrahmen 12 über einen Druckanschluss 64, der jedoch nicht im Detail in den Figuren gezeigt ist.
Zu dem Anschlussrahmen 12 gehört ferner ein zweites Rahmenelement 66, welches vorliegend beispielhaft aus einem Metallmaterial hergestellt ist, in den 3 und 4 oberhalb von dem ersten Rahmenelement 40 angeordnet ist, parallel zu dem ersten Rahmenelement 40 angeordnet ist, und welches ebenfalls eine Aufnahmeöffnung 68 für den Endbereich 20 des Filtersegments 10 aufweist. In den 3 und 4 nach oben hin weist die Aufnahmeöffnung 68 eine insgesamt konische Einführschräge 70 auf. Durch diese wird das Einführen des Endbereichs 20 des Filtersegments 10 in den Anschlussrahmen 12 erleichtert. Zwischen dem ersten Rahmenelement 40 und dem zweiten Rahmenelement 66 ist ein plattenförmiges Zwischenelement 72 vorhanden, welches beispielsweise aus Kunststoff sein kann. Auch dieses weist eine Aufnahmeöffnung 74 auf, deren Weite etwas größer ist als die Weite der Aufnahmeöffnung am zweiten Rahmenelement 66.
Zu dem Anschlussrahmen 12 gehört ferner ein drittes Rahmenelement 76, welches vorliegend wiederum beispielhaft aus einem Metallmaterial hergestellt ist (aber auch aus Kunststoff sein könnte) und welches eine Durchgangsöffnung 78 aufweist, deren Weite etwas kleiner ist als die Weite der Aufnahmeöffnung 42 im ersten Rahmenelement 40. In die Oberseite des dritten Rahmenelement 76 ist zu der Durchgangsöffnung 78 benachbart eine umlaufende Flachnut 80 eingearbeitet, in die ein umlaufendes plattenförmiges Kunststoffelement 81 eingelegt ist. Das plattenförmige Kunststoffelement 81 bildet insoweit einen Absatz, an dem sich ein stirnseitiger Randbereich 79 des Filtersegments 10 abstützen kann.
Zwischen dem dritten Rahmenelement 76 und dem ersten Rahmenelement 40 ist ferner ein weiteres Zwischenelement 82 eingelegt, welches praktisch identisch ausgebildet ist wie das bereits oben erwähnte Zwischenelement 72. Man erkennt, dass die beiden Zwischenelemente 72 und 82 zum ersten Rahemnelement 40 hin jeweils umlaufende nutartige und halbkreisförmigen Querschnitt aufweisende Ausnehmungen (ohne Bezugszeichen) aufweisen, in denen der zu dem jeweiligen Zwischenelement 72 und 82 weisende Bereich des entsprechenden Dichtwulstes 52a und 52b des Dichtelements 46 aufgenommen ist.
Der Aufnahmerahmen 12 umfasst in den 3 und 4 ganz unten eine Abschlussplatte 84, welche in axialer Verlängerung der Aufnahmeöffnungen 42, 68 und 74 eine Durchgangsöffnung 86 aufweist, in die einerseits die jeweilige Leitung 22a bzw. 22b mündet und die andererseits in einen zwischen der Abschlussplatte 84, dem dritten Rahmenelement 76 und dem stirnseitigen Randbereich 79 gebildeten Fluidraum 88 begrenzt.
Auch die im Filtersegments 10 vorhandenen Filtrationskanäle münden in diesem Fluidraum 88. Die Filtrationskanäle sind in den 3 und 4 strichpunktiert dargestellt und tragen dort das Bezugszeichen 89. Die Durchgangsöffnung 86 und mit ihr auch die Filtrationskanäle 89 sind insoweit mit einer Fluidquelle, nämlich mit der Druckluftquelle 28a bzw. 48b sowie der Druckwasserquelle 30a bzw. 30b verbindbar.
Das erste Rahmenelement 40, das zweite Rahmenelement 66, das dritte Rahmenelement 76, die Zwischenelemente 72 und 82 und die Abschlussplatte 84 bilden also einen Schichtverbund, der durch lediglich durch strichpunktierte Linien angedeuteten Schrauben 88 fluiddicht verpresst ist. Grundsätzlich denkbar ist aber auch jede andere lösbare Verbindungsart, beispielsweise eine Verbindung mittels Klemmen oder ähnlichem.
Im Betrieb, wenn also einer der oben erwähnten Tests durchgeführt werden soll, muss der Fluidraum 88 gegenüber der Außenumgebung fluiddicht abgedichtet werden. Hierzu wird, nachdem das Filtersegment 10 in die Aufnahmeöffnungen 42, 68 und 74 so weit eingeführt wurde, dass es mit seinem stirnseitigen Randbereich 79 auf dem Kunststoffelement 81 aufliegt, das Druckluftventil 34 so geschaltet, dass Druckluft über die Druckluftleitung 32 von der Druckluftquelle 36 zu den Gaszuführöffnungen 58a, 58b, 58e, und 58h strömt. Hierdurch wird auch der Druckkanal 56 mit Druckluft beaufschlagt, und zwar ausgehend von den Eckbereichen 45. Ausgehend von den Eckbereichen 45 legt sich also das Dichtelement 46 an die Außenseite 38 des Filtersegments 10 an. Dies ist in 4 dargestellt. Um hier ein optimales Verhalten des Dichtelements 46 zu gewährleisten, sollten die Innenradien der Eckbereiche des Dichtelements 46 an die abzudichten Radien am Filtersegment 10 angepasst sein. Sie sollten jedoch in jedem Fall und unabhängig vom Filtersegments 10 kleiner sein als ungefähr 1,5 mm.
Dabei wird durch die Gaszuführöffnungen 58b und 58c einerseits und die Gaszuführöffnungen 58f und 58g andererseits gewährleistet, dass in dem zwischen den Eckbereichen 45 liegenden Bereich des Druckkanal 56 ein vergleichsweise gleichmäßiger Druck vorliegt. Auf diese Weise schmiegt sich das Dichtelement 46 gleichmäßig und ohne Faltenbildung an der Außenseite 48 des Filtersegments 10 an, wie dies beispielhaft in 4 gezeigt ist. Dabei erkennt man, dass die Wand des Basisabschnitts 48 des Dichtelements, die der Außenseite 38 des Filtersegments 10 zugewandt ist, vorliegend gerade und eben ist, zumindest in dem in 3 gezeigten drucklosen Zustand. Möglich wäre aber auch, dass diese Wand profiliert ist, beispielsweise eine Dichtlippe aufweist.
Ganz allgemein zeigen die Figuren also einen Anschlussrahmen 12 für ein vorzugsweise einen flachen vieleckigen, insbesondere rechteckigen oder trapezförmigen, Querschnitt aufweisendes Filtersegment 10, insbesondere zur fluiddichten Halterung während einer Qualitätsprüfung oder einer Beschichtung mit einer Filtermembran, umfassend mindestens ein erstes Rahmenelement 40 mit einer von einer Öffnungswand 44 begrenzten Aufnahmeöffnung 42 zur Aufnahme eines Endbereichs 20 des Filtersegments 10 und ein Dichtelement 46 aus einem gummielastischen Material, welches im Betrieb in der Aufnahmeöffnung zwischen der Öffnungswand 44 und dem Filtersegment 10 angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem Bereich der Öffnungswand 44 und mindestens einem Bereich des Dichtelements 46 ein vorzugsweise umlaufender Druckkanal 56 vorhanden ist, in den mindestens eine Gaszuführöffnung 58a–h mündet, die mit einem Druckanschluss 64 für eine druckbeaufschlagte Gasquelle 36 verbunden ist.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach dem vorhergehenden Absatz zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckkanal 56 in der Öffnungswand 44 ausgebildet ist.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach einem der vorhergehenden Absätze zeichnet sich dadurch aus, dass der Druckkanal 56 einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach einem der vorhergehenden Absätze zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufnahmeöffnung 42 in der Draufsicht mindestens einen Eckbereich 45 aufweist, und dass mindestens eine Gaszuführöffnung 58a–h in den Eckbereich 45 mündet.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach einem der vorhergehenden Absätze zeichnet sich dadurch aus, dass die Aufnahmeöffnung 42 in der Draufsicht einen länglichen und wenigstens in etwa geraden Randbereich 60 aufweist, und dass zwei in Umfangsrichtung der Aufnahmeöffnung 42 voneinander beabstandete Gaszuführöffnungen 58b–c und f–g in den Randbereich 60 münden.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach dem vorhergehenden Absatz zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Gaszuführöffnungen 58b–c und 58f–g durch einen vom Druckkanal 56 separaten Verbindungskanal 62 miteinander verbunden sind, und dass die beiden Gaszuführöffnungen 58b–c und 58f–g mit dem Druckanschluss 64 nur über den Verbindungskanal 62 verbunden sind.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach einem der vorhergehenden Absätze zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen dem Dichtelement 46 und dem Filtersegment 10 im drucklosen Zustand mindestens bereichsweise ein umlaufender Spalt 55 vorhanden ist.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach einem der vorhergehenden Absätze zeichnet sich dadurch aus, dass das Dichtelement 46 einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit zwei abragenden Schenkeln 50a–b aufweist, und dass das erste Rahmenelement 40 zu dem Dichtelement 46 wenigstens abschnittsweise entsprechend komplementär ausgebildet ist.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach dem vorhergehenden Absatz zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens einer der beiden abragenden Schenkel 50a–b des Dichtelements 46 einen Dichtwulst 52a–b aufweist.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach einem der vorhergehenden Absätze zeichnet sich dadurch aus, dass er mindestens ein zweites Rahmenelement 66 umfasst, welches parallel zu dem ersten Rahmenelement 40 angeordnet ist und ebenfalls eine Aufnahmeöffnung 68 für den Endbereich 20 des Filtersegments 10 aufweist, wobei die Aufnahmeöffnung 68 eine Einführschräge 70 aufweist.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach einem der vorhergehenden Absätze zeichnet sich dadurch aus, dass er mindestens ein drittes Rahmenelement 76 umfasst, welches eine Durchgangsöffnung 78 aufweist, die kleiner ist als die Aufnahmeöffnung 42 des ersten Rahmenelements 40, wodurch ein Absatz 81 gebildet wird, an dem sich ein stirnseitiger Randbereich 79 des Filtersegments 10 in Einbaulage wenigstens bereichsweise abstützen kann.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach dem vorhergehenden Absatz zeichnet sich dadurch aus, dass das dritte Rahmenelement 76 im Bereich des Absatzes 81 ein weicheres Material als außerhalb dieses Bereichs umfasst.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach einem der vorhergehenden Absätze zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Abschlussplatte 84 umfasst, welche vorzugsweise ungefähr in axialer Verlängerung der Aufnahmeöffnung 42 des ersten Rahmenelements 40 eine Durchgangsöffnung aufweist, die mit einer Fluidquelle 28a–b, 30a–b verbindbar ist.
Ein weiterer Anschlussrahmen 12 nach einem der vorhergehenden Absätze zeichnet sich dadurch aus, dass das Dichtelement 46 aus einem gummielastischen Material, insbesondere aus einem Silikonmaterial, hergestellt ist, und vorzugsweise eine Shorehärte im Bereich von ungefähr 30 aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014202788 A1 [0002]
DE 102014005149 A1 [0003]

Claims

Wärmetauscher (1), umfassend einen ersten fluidführenden Abschnitt (2) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (4) für ein erstes Fluid (5) und einem zweiten fluidführenden Abschnitt (6) mit einem Einlass (7) und einem Auslass (8) für ein zweites Fluid (9), wobei der erste Abschnitt (2) in dem zweiten Abschnitt (6) aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (2) ein von Strömungskanälen durchzogenes Segment (10) aufweist, welches in einem Anschlussrahmen (12) gehalten ist.