DE3712872C2

DE3712872C2 -

Info

Publication number: DE3712872C2
Application number: DE3712872A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr. 3414 Hardegsen De Hoffmann; Hans-Dieter Dr. 7457 Bisingen De Lehmann
Original assignee: Sartorius AG
Current assignee: Sartorius AG
Priority date: 1986-04-18
Filing date: 1987-04-15
Publication date: 1988-04-28
Also published as: DE3712872A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement für Fluide (Flüssigkeiten und/oder Gase) nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches, wie es prinzipiell durch die DE-OS 34 41 249 bekannt ist. Bei diesem bekannten stapelförmigen Filterelement aus flachen Zuschnitten erfolgt die innere und äußere Abdichtung der verschiedenen Strömungswege durch Dichtungsmaterialien auf Silikonbasis, durch Druckverteilungsmasken in Verbindung mit den unterschiedlichsten Membran- und Stützmaterialien. Die bezüglich der Forderung nach Dichtigkeit aufeinander abgestimmten unterschiedlichen Materialien sorgen zwar für eine einwandfreie Abdichtung, schränken jedoch den Einsatz derartiger Filterelemente im Bereich aggresiver Medien ein, da nicht alle im Filterelement vorhandenen Materialien gleich gute Eigenschaften bezüglich aggressiver Medien haben.

Besonders aggressive Medien kommen bei der Herstellung von Mikroelektronikteilen zum Einsatz.

Elemente der Mikroelektronik (Wafers) - insbesondere solche kommender Generationen in immer kleiner werdenden Dimensionen - sind nur mit Hilfe partikelfrei filtrierter Chemikalien zu fertigen. Die Ausbeute an brauchbaren Chips hängt von der Reinheit der dafür unter z. T. drastischen Bedingungen verwendeten, z. T. sehr aggresiven Ätzmedien ab. Die Fertigung solcher Elemente unter Reinraumbedingungen verlangt für Filter, die hier unmittelbar vor der Verwendung der Chemikalien zur Anwendung kommen, möglichst kleine Dimensionen, da Platz unter Laminar-Flow-Bedingungen sehr kostbar ist.

Die nachfolgende - keineswegs erschöpfende - Aufstellung gibt Ätzmedien, organische Lösungsmittel und Gase an, die mit solchen Filterelementen filtriert werden sollen.

Flüssig:Schwefelsäure, konzentriert
Chromsäure, konzentriert max.
Caro′sche Säure (Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid): "Piranha Etch"
Salpetersäure
Salzsäure
Flußsäure
Phosphorsäure
Trichloressigsäure
Essigsäure
Hexafluorkieselsäure
Ammoniumhydroxid
Perchloräthylen, Trichloräthan, Trichloräthylen,
Methylenchlorid, Monochlorbenzol
Xylol
Butylacetat, Cellosolve
Aceton, Cyclohexanon
Dioxan, Tetrahydrofuran Gasförmig:Silan, Dichlorsilan, Siliziumtetrafluorid,
Bortrifluorid, Tetrafluorkohlenstoff,
Diboran, Bortrichlorid, Bortrifluorid
Ammoniak
Arsenwasserstoff

Durch die hochagressiven Chemikalien, die z. T. bis zu Temperaturen von 80-140°C eingesetzt werden, ist die Materialauswahl sehr eingeschränkt. Glas oder Metalle kommen wegen der Auslösbarkeit von Ionen nicht in Frage. Die üblichen technischen Kunststoffe werden unter den genannten drastischen Bedingungen oxidativ angegriffen und verunreinigen die Chemikalien durch ihre Abbauprodukte. Selbst teilfluorierte Polymere wie PVF oder PVDF sind für einige der genannten Anwendungen nicht brauchbar: sie werden entweder angelöst oder bei längerem Gebrauch zersetzt. Als verwendbare Polymermaterialien bleibt deshalb nur ein kleiner Kreis von inerten, hoch substituierten Fluorpolymeren übrig:

PTFE (Poly-tetrafluor-äthylen): z. B. Teflon®, Hostaflon®
FEP (Perfluoräthylen-propylen-copolymerisat): z. B. Teflon FEP®, Neoflon®, Teflex®
ETFE (Copolymer von Äthylen und Tetrafluoräthylen), z. T. nachfluoriert: z. B. Tefzel®, Hostaflon ET®, Aflon®
PFA/TFA (Perfluor-äthylen-vinyäther-copolymer): z. B. Teflon PFA®, Hostaflon TFA®
(E)CTFE (Poly-chlortrifluoräthylen und Copolymerisat mit Äthylen: z. B. Aclar®, Halar®

Alle diese Materialien sind nur schwer zu verarbeiten. PFTE ist nicht thermoplastisch verarbeitbar, die übrigen Materialien nur bei sehr hohen Temperaturen.

Aus PTFE können nach DE-OS 21 23 316 Membranen gefertigt werden. Diese Membranen können nach bekannten Techniken zu Filtern verarbeitet werden, z. B. zu Kerzenfiltern.

Für die Herstellung von Filtern mit noch höherer Leistungsdichte bzw. Packungsdichte und höherer chemischer Stabilität erfordern die sehr dünnen, zu ca. 80% aus Luft bestehenden flächigen Membranen sowohl bei der Weiterverarbeitung als auch bei der Anwendung besondere Vorkehrungen und Techniken. Die Lösung der dabei entstehenden Probleme ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, da die bekannten Abdichtungen mit elastischen Dichtungselementen und Preßdruck für derartige Anwendungsfälle ungeeignet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln ein Filterelement der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß auf eine Preßdichtung und spezifische Dichtungselemente innerhalb des Filterelementes verzichtet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen insbesondere zur Filtration hochaggresiver Chemikalien sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch diese besondere konstruktive lampionartige Gestaltung und die damit verbundenen Variationsmöglichkeiten bei der Auswahl der zu verwendenden Filtermaterialien und der die Filtration und Fluidführung unterstützenden Hilfsmittel läßt sich ein Maximum an Fläche auf kleinstem Volumen realisieren. Die Zahl der Bauelemente und Materialien (in chemischer Hinsicht) kann auf ein Minimum reduziert werden. Bei geringster Zahl an Basiseinheiten ist eine große Variabilität der Fläche mit einheitlichen Konstruktionselementen gewährleistet.

Der Erfindungsgedanke ist in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Axialschnitt durch das lampionartig gestaltete Filterelement,

Fig. 2 die Grundeinheit zweier Filterzuschnitte mit Stützschicht mit einer zentral angeordneten leckdichten Verbindung,

Fig. 3 einen Detailausschnitt aus Fig. 1 im Bereich des oberen Abschlußelementes,

Fig. 4 eine Variante zu Fig. 1 bis 3 bezüglich des Aufbaues der Filterzuschnitte mit Stützschichten,

Fig. 5 eine weitere Variante,

Fig. 6 eine weitere Variante

Fig. 7 einen Detailschnitt durch ein Grundelement als weitere Variante,

Fig. 8 eine Frontansicht eines Gehäuses zur Aufnahme des Filterelementes,

Fig. 9 einen Querschnitt durch das Gehäuse mit Filterelement nach der Linie 9-9 in Fig. 8,

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht des in Fig. 1, 8 und 9 gezeigten Filterelementes,

Fig. 11 in perspektivischer Ansicht eine zylindrisches Filterelement,

Fig. 12 in vereinfachter Schnittdarstellung eine bevorzugte Ausführungsform des Filterelementes,

Fig. 13 ein Untersicht unter das Filterelement nach Fig. 12 und

Fig. 14 einen Datailschnitt durch das Filterelement.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die am schwierigsten zu verbindenden Membranen aus Fluorpolymeren. PTFE setzt dem Kleben oder Schweißen besondere Schwierigkeiten entgegen. Insbesondere Membranen aus PTFE sind aufgrund ihrer Struktur schwierig zu verkleben und zu verschweißen. PFTE-Membranen, wie sie aus DE-OS 21 23 316 bekannt sind bestehen aus einer Vibrillen- und Knotenstruktur und einer Vielzahl von Lufteinschlüssen, wobei die Lufteinschlüsse wärmeisolierende Eigenschaften haben und somit insbesondere einer Schweißtechnik große Widerstände entgegensetzen. Unter drastischen Schweißbedingungen - bei hohen Temperatur- und Druckspitzen - besteht die Gefahr der Beschädigung der empfindlichen Membranen.

Für den vorliegenden Anwendungsfall gelangen PTFE-Membranen 9 zum Einsatz, die vorzugsweise schon mit einer oder zwei dünnen Stützschicht(en) zur Bildung eines Laminats beschichtet sind. Es handelt sich hierbei um Gewebe 10 und Vliese 13 aus chemisch interten, thermoplastischen Fluorpolymeren mit möglichst niedrigem Erweichungspunkt. Als drainierende Stützschichten kommen ebenfalls Gewebe 11 auf der Basis von Fluorpolymeren in etwas größerer Dimension zur Verwendung.

Im gleichen Sinne werden alternativ geprägte und gegebenenfalls gelochte Folien 12 verwendet.

Gemäß Fig. 2 werden zunächst zwei Filterzuschnitte 9 mit integriertem Schweißgewebe 10 aufeinandergelegt und im Zentralbereich mit einer ringförmigen Schweißnaht 17 leckdicht verbunden und im inneren Ringbereich mit einer Durchbrechung 16 versehen, die zur Abführung des Filtrats dienen soll.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Filterzuschnitte 9 mit integriertem Schweißgewebe 10 quadratisch ausgebildet. Diese werden paarweise gemäß Fig. 1 aufeinandergestapelt. Zur Bildung einer lampionartigen Schichten- und Verbundgeometrie erfolgt danach die Einzelverschweißung 17′ an der Peripherie.

Um das Filterelement 8 als Wegwerfeinheit bei der Montage und Demontage handhaben zu können, weist das Filterelement 8 einseitig ein die zentrale Durchbrechung 16 abdeckendes Abschlußteil 18 auf, welches an seiner Peripherie mit dem darunterliegenden Filterzuschnitt 9 mit Stützschicht 10 leckdicht verbunden ist. Sinngemäß ist die andere Seite des Filterelementes 8 mit einem weiteren Abschlußteil 19 mit zentralem Anschlußstutzen 19′ ausgestattet und an der Peripherie oder wie dargestellt im Zentralbereich bei 17 mit dem Filterelement 8 verbunden. Sämtliche Durchbrechungen 16 des Filterelementes 8 münden in dem Anschlußstutzen 19′ des Abschlußteiles 19.

Wie aus Fig. 8 und 9 ersichtlich ist, besteht das Gehäuse 1 aus den beiden Gehäuseteilen 2 und 3, die ebenfalls für die Filtration von hochaggresiven Medien z. B. aus PTFE ausgebildet sind. Neben den Stutzen 4 und 5 für Ein- bzw. Auslaß sind Ablaß- und Entlüftungsöffnung 6 und 7 vorgesehen.

Um die Handhabung des Filterelementes 8 sicherzustellen, sind die relativ steifen Abschlußteile 18 und 19 durch mehrere Banderolen 20 miteinander verbunden, die das Filterelement 8 in axialer und radialer Richtung stabilisieren. Dabei liegen die einzelnen Filterzuschnitte 9 dicht auf den drainierenden Stützschichten 10, 11, 12, 13 auf, um die Packungsdichte zu optimieren und definierte Strömungswege zu erhalten, also abweichend von den vereinfachten Darstellungen gemäß Fig. 1 bis 7.

Bei der Variante nach Fig. 4 ist ein Filterzuschnitt 9 beidseitig durch ein Schweißgewebe 10 abgestützt und als Laminat aufgebaut, während der benachbarte Filterzuschnitt 9 ohne integrierte Abstützung ausgebildet ist. Bei der lampionartigen Schichten- und Verbundgeometrie sind jedoch beide Filterzuschnitte 9 beidseitig durch das Schweißgewebe 10 abgestützt.

Bei der Variante nach Fig. 5 liegen die Schweißgewebe 11 unverbunden zwischen den Filterzuschnitten 9 und sind lediglich an den Schweißrändern 17 und 17′ mit den Filterzuschnitten 9 bzw. in Abschlußteilen 18, 19 verbunden.

Bei der Variante nach Fig. 6 wird als Stützschicht eine wellenförmig geprägte Folie mit Durchbrechungen verwendet, die bezüglich ihrer Längsrillen kreuzweise angeordnet sind.

Bei der Variante nach Fig. 7 bestehen Filterzuschnitt 9 und Vlies 13 als Laminat, die zusätzlich durch Schweißgewebe 11 abgestützt sind. Fig. 7 ist vergleichbar mit Fig. 2.

Von der Flächengeometrie sind besonders bei teueren Filtermaterialien verschnittfreie n-Ecke bevorzugte Ausführungsform, wie sie z. B. in Quadratform in den Fig. 8 bis 10 dargestellt sind. Generell sind jedoch eine Vielzahl von Umrißformen möglich, z. B. eine kreisrunde bzw. zylindrische Ausführungsform nach Fig. 11. Auch hier ist das Filterelement 8′ durch zwei die beiden Abschlußteile 18,19 verbindende Banderolen 20 zur erleichterten Handhabung und Stabilisierung verbunden. Das Filterelement 8 gemäß Fig. 10 kann auf einfache Weise nach Entfernen des Gehäuseteiles 2 mit dem Anschlußstutzen 4 verbunden werden, so daß das Gehäuse in zwei Kammern (Retentatkammer 14) und (Permeatkammer 15) aufgeteilt wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigen Fig. 12 bis 14. Um von den sehr teuren Materialien des Filterelementes möglichst wenig wegwerfen zu müssen, ist das obere und untere Abschlußteil 18, 19 als dünne Folie oder als abschließende Filtermembran 9 mit gelochter Folie 12 ausgebildet. Letztere hat nur Schutzfunktion für die Membran 9. Auf den unteren Abschlußteil 18 ist direkt ein Anschlußadapter 19′′ als Auslaßstutzen aufgeschweißt oder geklebt.

Das Filterelement 8 ist gemäß Fig. 14 aus einer beidseitig mit einer gelochten Folie 12 belegten Membran 9 gebildet, wobei jeweils einzelne Module M (wie in Fig. 14 links angedeutet) vorgefertigt und einzeln geprüft werden können.

Um das Filterelement 8 im Gehäuse stabilisieren zu können und um eine günstige Packungsdichte zu erzielen, ist das Filterelement 8 oben und unten mit wiederverwendbaren Preßplatten 21, 22 abgedeckt, welche durch wiederverwendbare Spannbolzen 24 auf Abstand gehalten werden. Die Spannbolzen 24 sind auf Länge fixiert und einfach in einseitig offene Lagernuten 23 der beiden Preßplatten 21, 22 einsetzbar. Die untere Preßplatte 22 hat eine Durchbrechung 22′ für den Anschlußadapter 19′′. Ein Verbrauchsteil bildet also nur das Filterelement 8 mit Anschlußadapter 19′′. Das Filterelement 8 nach Fig. 12 bis 14 kann in ein Gehäuse gemäß Fig. 8 und 9 eingesetzt werden. Die Einzelelemente gemäß Fig. 1 bis 7 und 14 liegen im Betriebszustand dicht aufeinander und sind nur aus Gründen der Darstellung mit großem Abstand gezeichnet.

Für bestimmte Einsatzgebiete hat sich bewährt, anstelle einer statischen Filtration eine dynamische Filtration durchzuführen, bei der das Retentat ständig im Kreilauf in die Retentatkammer 14 geführt wird. Zu diesem Zweck kann gemäß Fig. 8 und 9 ein zusätzlicher Auslaßstutzen 5′ in der Retentatkammer 14 vorgesehen sein. Dabei werden die Filterschichten laminar um den geschlossenen Kern 17 herum überströmt. Für diesen Zweck kann es vorteilhaft sein, den geschlossenen Kern 17 und entsprechend den Auslaßstutzen 4, 19′ bzw. 19′′ außermittig, d. h. in der Nähe der Peripherie des Filterelementes 8 anzuordnen.

Anstelle eines wiederverwendbaren Gehäuses 1 kann das Filterelement 8 auch in einem gekapselten Wegwerfgehäuse eingeschlossen sein.

Die im Gehäuse 1 bzw. im Anschlußadapter 19′′ des Filterelementes 8 angeordneten O-Ringdichtungen 25 können aus mit PTFE ummantelte elastische Dichtungselemente bilden, so daß für die Filtration von hochaggressiven Medien die gesamte Filtereinheit aus PTFE gebildet sein kann.

Die hier für PTFE beschriebene Technik ist auf andere, nicht direkt verschweißbare Materialien übertragbar, wenn entsprechende Schweißhilfen verwendet werden. Diese können aus ringförmigen Schweißfolien bestehen, die im Bereich der zu verbindenden Ringzonen positioniert sind und die Verankerung nicht direkt verschweißbare Materialien herbeiführen.

Es versteht sich, daß die hier beschriebene lampionartige Fügetechnik auf einfachere Weise realisiert werden kann mit Hilfe von in sich verschweißbaren Materialien beispielsweise auf der Basis von Polyamid, Polysulfon, Polypropylen, Polyvinylidendifluroid, Polyester, Polyurethan.

Claims

1. In einem Filtergehäuse mit Versorgungs- und Entsorgungsanschlüssen für Fluide einschließbares oder eingeschlossenes Filterelement, welches aus einer Vielzahl von runden bis n-eckigen, im wesentlichen kongruenten Filterzuschnitten gebildet ist, die flächig mit drainierenden Stützschichten verbunden sind und/oder sich flächig auf solchen abstützen, wobei die Filterzuschnitte mit Stützschichten derart gestapelt und miteinander randseitig leckdicht verbunden sind, daß Fluid von einer Gehäusekammer bestimmungsgemäß nur durch das Filterelement hindurch in eine andere Gehäusekammer gelangen kann, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei übereinanderliegende Filterzuschnitte (9) mit Stützschichten (10, 11, 12, 13) innerhalb einer umgebenden größeren peripheren Filterfläche eine ringförmige geschlossene leckdichte Verbindung (17) durch Schweißung oder Klebung aufweisen, die davon eingegrenzte innere Ringfläche eine Durchbrechung (16) zur Führung von Fluid rechtwinklig zur Filterfläche aufweist, und zur Bildung einer lampionartigen Schichten- und Verbundgeometrie jeweils die einander benachbarten Filterzuschnitte (9) benachbarter Filterzuschnittpaare an ihren peripheren Rändern (17′) ebenfalls durch Schweißung oder Klebung leckdicht miteinander verbunden sind, wobei die eine Seite (äußere Lampionseite) aller verbundenen Filterzuschnitte (9) mit Stützschichten in der einen Gehäusekammer (15) mündet und die andere Seite (innere Lampionseite) aller verbundenen Filterzuschnitte (9) mit Stützschichten über die Durchbrechungen (16) in der anderen Gehäusekammer (14, 15) mündet.

2. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechung (16) im Zentralbereich angeordnet ist.

3. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterzuschnitte (9) und/oder die Stützschicht (10, 11, 12, 13) aus verschweißbarem Kunststoffmaterial gebildet sind.

4. Filterelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterzuschnitte (9) einseitig oder beidseitig mit einer verschweißbaren Stützschicht (10, 11, 12, 13) aus Kunststoff laminiert sind.

5. Filterelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterzuschnitte (9) auf der Basis von hoch mit Fluor substituierten Polymeren gebildet sind.

6. Filterelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht durch Vliese (13), Gewebe (10, 11), geprägte, gelochte Folie (12) oder Gitter gebildet ist.

7. Filterelement nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützschicht (10, 11, 12, 13) auf der Basis von hoch mit Fluor substituierten Polymeren gebildet ist.

8. Filterelement nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechung (10) der Filterzuschnitte (9) auf der einen Seite durch ein geschlossenes Abschlußteil (18) und die andere Seite durch eine die Durchbrechung (16) weiterführendes Abschlußteil (19) abgedeckt ist, wobei beide Abschlußteile (18, 19) mit der Peripherie oder dem Zentralbereich der diesen Abschlußteilen (18, 19) nächstliegenden Filterzuschnitte (9) leckdicht verbunden sind.

9. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (9) beidseitig mit einer gelochten und geprägten Drainagefolie (12) belegt ist.

10. Filterelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußteile (18, 19) durch dichte Folien gebildet.

11. Filterelement nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß an dem die Durchbrechung (16) aufweisende Abschlußteil (19) ein Anschlußadapter (19, 19″) als Teil des Filterelementes (8) befestigt ist.

12. Filterelement nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (8) durch die Abschlußteile (18, 19) übergreifende Preßplatten (21, 22) und in einseitig offene Lagernuten (23) der Preßplatten (21, 22) eingreifende Spannhalter oder Spannbolzen (24) und mechanisch stabilisiert ist.

13. Verfahren zur Herstellung eines in einem Filtergehäuse mit Versorgungs- und Entsorgungsanschlüssen für Fluide einschließbaren Filterelementes, welches aus einer Vielzahl von runden bis n-eckigen, im wesentlichen kongruenten Filterzuschnitten gebildet ist, die flächig mit drainierenden Stützschichten verbunden sind und/oder sich flächig auf solchen abstützen, wobei die Filterzuschnitte mit Stützschichten derart gestapelt und miteinander randseitig leckdicht verbunden sind, daß Fluid einer Gehäusekammer bestimmungsgemäß nur durch das Filterelement hindurch in eine andere Gehäusekammer gelangen kann, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei übereinanderliegende Filterzuschnitte (9) mit Stützschicht (10, 11, 12, 13) zunächst innerhalb einer umgebenden größeren peripheren Filterfläche eine ringförmig geschlossene leckdichte Verbindung (17) durch Schweißung oder Klebung erhalten und die davon eingegrenzte innere Ringfläche eine Durchbrechung (16) zur Fluidführung rechtwinklig zur Filterfläche erhält, anschließend die Filterzuschnittpaare mit Stützschichten (10, 11, 12, 13) gestapelt werden und die einander benachbarten Filterzuschnitte (9) benachbarter Filterzuschnittpaare zur Bildung einer lampionartigen geschlossenen Schichten- und Verbundgeometrie an ihren peripheren Rändern (17′) ebenfalls durch Schweißung oder Klebung leckdicht miteinander verbunden werden.