DE3913986A1 - Filterelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Filterelement, insbesondere zur Ausbildung von Filtern für Trinkwasserbrunnen.

Beim Erreichen der wasserführenden Schicht während des Abteufens von Trinkwasserbrunnen soll im Interesse der Gewinnung von Wasser geeigneter Qualität in den auszubauenden Brunnen ein Filter mit einer Länge, die der Mächtigkeit der wasserführenden Schicht entspricht, eingebaut werden, dessen Loch- bzw. Spaltgrößen abhängig von der Körnung der wasserführenden Schicht bestimmt werden sollen.

Bei der Herstellung der gegenwärtig meistverbreiteten Filter wird ein Kunststoffrohr in einer dichten Loch­ verteilung perforiert und dieses perforierte Rohr wird von außen mit einem Siebfiltergewebe von bestimmter Lochgröße verkleidet. Zwischen das perforierte Rohr und das Siebfiltergewebe ist ein abstandshaltender Metalldraht auf das perforierte Rohr gewickelt.

Einen der vorerwähnten Filterart ähnlichen Aufbau hat der sogenannte Spiraldrahtfilter, bei welchem auf ein perforiertes Metallrohr ein Draht mit einem Halbkreis­ querschnitt mit einer gegebenen Gewindesteigung auf­ gewickelt ist und die gewünschte Spaltgröße durch die Abstände zwischen den einzelnen Gewinden gesichert wird.

Der Nachteil der vorerwähnten Filter besteht darin, daß ihre Herstellung umständlich und arbeitsaufwendig ist, und die so erzeugten Filter dementsprechend teuer sind. Ein weiterer Nachteil ist, daß für alle Spalt­ größen besondere Filter hergestellt werden sollen, wobei auch ihr hydraulischer Widerstand überaus groß ist.

Der sogenannte Ringfilter ist hauptsächlich in der Ölindustrie gebräuchlich. Es ist für seinen Aufbau charakteristisch, daß auf ein perforiertes Stahlrohr Ringe von außen in gleichen Spaltabständen angeschweißt sind. Es ist ein Nachteil dieses Filters, daß die Spalte zwischen den angeschweißten Ringen und die Perforationen an dem Stahlrohr einen großen hydraulischen Widerstand bewirken, außerdem ihre Herstellung arbeitsaufwendig und kostspielig ist.

Aus hydraulischer Hinsicht kann als eine der besten Filterarten der sogenannte Johnson-Filter betrachtet werden. Dieser Filter hat eine einheitliche Fläche, aber einen kontinuierlichen, durchgehenden Spalt. Bei diesem Filter ist ein kaltgezogener Profildraht mit einem annähernd dreieckförmigen Querschnitt unter die Stäbe einer entlang einer Kreislinie in Längsrichtung angesetzten Stabreihe ein Spiralgewinde bildend ein­ geschweißt. Bei allen Punkten, wo der Draht die Stäbe kreuzt, sind die beiden Elemente zuverlässig aneinander befestigt (Wassergewinnung II, Bohrbrunnen, Seite 120. Fig. 14, Technische Universität für Schwerindustrie, Miskolc-NME).

Bei allen vorerwähnten Lösungen handelt es sich also um Filter von gegebenen Längs- und Spaltgrößen, deren Herstellung kompliziert und kostspielig ist.

Eine Vereinfachung und zugleich die Weiterentwicklung der vorstehenden Lösungen stellt die aus Elementen aufgebaute Filterkonstruktion dar, die aus zwei oder mehreren kreisringförmigen Filterelementen besteht, in denen Durchgangsbohrungen für die die aufeinander­ gesetzten Filterelemente zusammenfassenden Befestigungs­ elemente ausgebildet sind, wobei zwischen den einzelnen Elementen eine distanzhaltende Ausgestaltung oder ein Bauelement zur Sicherung der gegebenen Spaltgröße vorgesehen ist. Von außen nach innen, in Richtung der Längsachse der Filterkonstruktion weisen die Filterelemente einen abnehmenden Querschnitt auf und zweckmäßigerweise werden sie aus Kunststoff hergestellt.

Die vorstehende Lösung ermöglicht eine einfache und billige Herstellung von Filterkonstruktionen und die Zusammenstellung von Filtern beliebiger Länge aus den Filterelementen.

Es ist ein Mangel dieser Lösung, daß für alle Spalt­ größen besondere Filterelemente hergestellt werden sollen, wobei die zwischen den Filterelementen befindliche Eintrittsöffnungsfläche (Infiltrationsbereich) verhältnismäßig gering ist, wodurch die Größe der Durchflußmenge verringert wird.

Die durch die Erfindung zu lösende Aufgabe ist also die Entwicklung eines solchen Filterelementes, durch dessen Anwendung Filter mit verschiedenen Spaltgrößen zusammengestellt werden können, das heißt, die Entwicklung eines solchen vorgefertigten Filterelementes, aus dessen Serie ohne irgendeine Modifikation oder Umgestaltung des gegebenen Filterelementes eine Filter­ konstruktion mit einer der jeweiligen Körnung der wasserführenden Schicht entsprechenden Spaltgröße ausgebildet werden kann. Dabei soll zudem eine Vergrößerung der Eintrittsöffnungs­ fläche und dadurch eine Erhöhung der Durchfluß­ menge bei einer gegebenen Spaltgröße erreicht werden.

Die Erfindung geht davon aus, daß bei einer Zusammenstellung des Filters aus Filterelementen, an deren Fläche sich periodisch wiederholend Erhöhungen und Vertiefungen veränderlicher Höhe bzw. Tiefe aus­ gebildet sind, können aus denselben Filterelementen duch eine Änderung ihrer gegenseitigen Position Filter verschiedener Spaltgröße ausgebildet werden.

Die gestellte Aufgabe wird dementsprechend erfindungs­ gemäß durch ein Filterelement mit einem kreisringförmigen Grundkörper und mit Durchgangsbohrungen gleich­ mäßiger Verteilung gelöst, bei dem auf der unteren und oberen Fläche des kreisringförmigen Grundkörpers entlang des Umfangs sich periodisch wiederholend Erhöhungen und Vertiefungen veränderlicher Höhe bzw. Tiefe in einer gleichmäßigen Verteilung ausgebildet sind.

Infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung können sich durch ein relatives Verdrehen der benachbarten Filterelemente um einen bestimmten Winkel in den jeweiligen Positionen Erhöhungen bzw. Vertiefungen verschiedener Höhe aufeinander aufstützen, infolgedessen Filterkonstruktionen mit verschiedenen Spaltgrößen aus denselben Filterelementen zusammengestellt werden können, sogar die Spaltgröße zwischen den einzelnen Filterelementen innerhalb desselben Filters in gegebenen Grenzen beliebig veränderbar ist.

Die Erhöhungen und Vertiefungen auf der Fläche der Kreisringe können verschiedenartig ausgebildet werden.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist der kreisringförmige Grundkörper durch ebene Flächen begrenzt, wobei auf dessen einer Fläche als Erhöhungen Zapfen verschiedener Höhe und Durchmesser sich in gleicher Reihenfolge wiederholend, während auf dessen anderer Fläche als Vertiefungen Ausnehmungen ver­ schiedener Tiefe und Durchmesser sich in gleicher Reihenfolge wiederholend ausgebildet sind.

Die Zapfen, die die Erhöhungen bilden, sind zweck­ mäßigerweise auf der unteren, während die die Ver­ tiefungen bildenden Ausnehmungen auf der oberen Seite des Filterelementes ausgebildet.

Es ist zweckmäßig, die Durchgangsbohrungen durch die Zapfen bzw. Ausnehmungen hindurch auszubilden, welche Durchgangsbohrungen zur Aufnahme der gewindig endenden, die Filterelemente zu einer Filterkonstruktion zusammen­ fassenden Verbindungsstäbe dienen können.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der kreisringförmige Grundkörper durch eine krumme Fläche nach irgendeiner periodischen Kurve abgesetzt, wobei die Erhöhungen und Vertiefungen durch die Auswölbungen und Höhlungen der krummen Flächen gebildet sind.

Es ist zweckmäßig, in diesem Fall entlang des Umfangs in gleichmäßiger Verteilung Auflageflächen auszuformen, die die Zusammenfassung der sich aufeinander auf ver­ schiedenen Stellen abstützenden krummflächigen Filter­ elemente in einer festgesetzten Position erleichtern, wobei durch die Auflageflächen hindurch Durchgangs­ bohrungen zur Aufnahme der gewindig endenden Verbindungs­ stäbe ausgebildet sind.

Entlang des Umfangs des aus auf diese Weise ausge­ bildeten Filterelementen zusammengestellten Filters entstehen Spalte mit sich periodisch ändernden Querschnitte, bzw. Spalte, deren Form von den Positionen der Filterelemente abhängig verschieden ist.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der krumm­ flächigen Filterelemente der Radius des Bogens der die Erhöhungen bildenden Auswölbungen ist kleiner als der Radius der die Vertiefungen bildenden Höhlungen. Mit der Ausbildung der Auswölbungen und Höhlungen in einer geeigneten Verteilung bilden die sich ineinander hineinragenden Auswölbungen und Höhlungen in Abhängig­ keit von der gegenseitigen Position der benachbarten Filterelemente Spaltöffnungen verschiedener Größe und Form. Eine wellenförmige Ausgestaltung der Spalt­ öffnungen bei einer gegebenen Spaltgröße und -durch­ messer vergrößert die Eintrittsöffnungsfläche und steigert dadurch die Durchflußmenge der Filterkonstruk­ tion.

Es ist ferner zweckmäßig gemäß der Erfindung auf der Mantelfläche des kreisringförmigen Grundkörpers in Richtung der Mantellinie Rillen auszubilden.

Diese Ausbildung wirkt vorteilhaft auf die Strömung des zu filtrierenden Wassers zu den Spalten ein.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine durch ebene Flächen begrenzt, aus erfindungsgemäßen Filterelementen bestehende Filterkonstruktion, in einen Halbansicht- Halbschnitt.

Fig. 2 eine Draufsicht der in Fig. 1 dargestellten Filterkonstruktion,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie B-B in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie C-C in Fig. 2,

Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie D-D in Fig. 2,

Fig. 6 eine abgewickelte Darstellung des aus den durch ebene Flächen begrenzten erfindungs­ gemäßen Filterelementen bestehenden Filters,

Fig. 7 eine abgewickelte Darstellung des in Fig. 6 dargestellten Filters, mit Filterelementen die in eine andere relative Position zueinander verdreht sind,

Fig. 8 eine abgewickelte Darstellung des in Fig. 6 dargestellten Filters, mit Filterelementen, die in eine weitere neue relative Position zueinander verdreht sind,

Fig. 9 den Teil A der Fig. 2, vergrößert,

Fig. 10 eine abgewickelte Darstellung eines aus durch krumme Flächen begrenzten erfindungs­ gemäßen Filterelementen bestehenden Filters,

Fig. 11 eine abgewickelte Darstellung des in Fig. 10 dargestellten Filters, mit Filterelementen, die in eine andere realtive Position verdreht sind,

Fig. 12 eine abgewickelte Darstellung des in Fig. 10 dargestellten Filters, mit Filterelementen, die in eine weitere neue relative Position verdreht sind,

Fig. 13 eine axonometrische Darstellung von ineinander hineinragenden, durch mit Erhöhungen und Vertiefungen verschiedener Krümmung versehenen krummen Flächen begrenzten erfindungsgemäßen Filterelemente, vergrößert,

Fig. 14 Filterelemente nach Fig. 13, im Vergleich zur vorange­ henden Figur in eine andere relative Position verdreht, während

Fig. 15 weitere relative Zusammenpassungsmöglichkeiten der auf den vorangehenden Figuren dargestellten Filterelemente.

In den Fig. 1-9 wird eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filterelementes, bzw. die aus diesen Elementen zusammenstellbare Filterkonstruktion angeführt. Die Fig. 1 zeigt zum Beispiel eine Filter­ konstruktion 2, die aus drei Filterelementen 1 zusammen­ gestellt ist, wobei die kreisringförmigen Grundkörper 3 der Filterelemente 1 von beiden Seiten durch ebene Flächen begrenzt sind. Auf der unteren Fläche des kreisringförmigen Grundkörpers 3 sind entlang des Umfangs in einer gleichmäßigen Verteilung, sich in gleicher Reihenfolge wiederholend Erhöhungen 4 in Form von Zapfen verschiedener Höhe und Durchmesser ausgebildet, während auf dessen oberer Fläche ebenfalls in einer gleichmäßigen Verteilung, sich in gleicher Reihenfolge wiederholend in Form von Ausnehmungen ver­ schiedener Tiefe und Durchmesser Vertiefungen 5 ausgebildet sind, so daß durch eine Zusammenfassung der einzelnen Filterelemente 1 zwischen den Filterelementen 1 Spaltöffnungen 6 entstehen, deren Größe von den Größen der aufeinander liegenden Erhöhungen 4 und Vertiefungen 5 abhängig ist. Das bedeutet, daß durch eine relative Verdrehung der Filterelemente 1 zueinander eine Filterkonstruktion 2 mit verschiedenen Spaltgrößen gebildet werden kann, das heißt, daß aus denselben Filterelementen eine Filterkonstruktion 2 mit einer der jeweiligen Körnung der wasserführenden Schicht am besten entsprechenden Spaltgröße zusammen­ gestellt werden kann.

Durch die Erhöhungen 4 und Vertiefungen 5 hindurch sind Durchgangsbohrungen 7 zur Aufnahme der gewindig endenden Verbindungsstäbe 8 ausgebildet, mit deren Hilfe die zu einer Filterkonstruktion 2 zusammengesetzte Serie der Filterelemente 1 zusammengefügt und mit Hilfe von Schrauben 9 zusammengepreßt werden kann. Die Verbindungsstäbe 8 befestigen einerseits die Filter­ elemente 1, andererseits erhöhen sie die Festigkeit der zusammengestellten Filterkonstruktion 2. Auf dem Filterelement gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind insgesamt neun Durchgangsbohrungen 7 in einer gleichmäßigen Verteilung ausgebildet, und damit im Einklang stehend ist der Grundkörper 3 des Filterelementes 1 ebenfalls mit je neun Erhöhungen 4 und Vertiefungen 5 versehen. Sowohl aus der als Zapfen ausgebildeten Erhöhung 4, als auch aus der als Aus­ nehmung ausgebildeten Vertiefung 5 gibt es drei ver­ schiedene Größen, deren ausführlichere Ausgestaltung in den Fig. 3-5 angeführt ist.

Zu einer geeigneten Zusammenpassung der Zapfen und der Ausnehmungen bei einer relativen Verdrehung der Filterelemente 1 sollen unter den in den Fig. 3-5 dargestellten Massen die folgenden Verhältnisse eingehalten werden:

D₃<D₂<D₁, d₁<D₂, ⌀₁<⌀₂, ⌀₁<D₁, 1₃=21₁, 1₂=31₁, S₁=2S₂,

obgleich diese minimalen Maßdifferenzen können in den Figuren nicht wahrgenommen werden. Diese Erhöhungen 4 und Vertiefungen 5 wiederholen sich entlang des Umfangs des Filterelementes 1 in einer gleichen Reihenfolge. Die Reihenfolge wird auf der Zeichnung mit römischen Zahlen bezeichnet, wodurch die Position und Zusammenpassung der Zapfen und der Ausnehmungen gut beobachtet werden kann, besonders in den Fig. 6-8, die drei verschiedene Zusammen­ stellungsmöglichkeiten der Filterelemente 1 anführen.

In Fig. 6 ist es aus den mit römischen Zahlen bezeichneten Passungsstellen ersichtlich, daß bezüglich von zwei benachbarten Filterelementen 1 Zapfen und Ausnehmungen identischer Kennziffer einander zugeordnet und aufeinander abgestützt sind.

In Fig. 7, wo das nicht gestrichelte untere Filterelement 1 im Verhältnis zum oberen um 40 Grad verdreht ist, treffen sich die Zapfen und die Ausnehmungen wieder, aber in einer anderen Anordnung, so bilden die Filterelemente 1 eine andere (größere) Spaltöffnung 6. In Fig. 8 gibt es eine ähnliche Situation, wobei das nicht gestrichelte untere Filterelement 1 um weitere 40 Grad, das heißt, im Verhältnis zum in Fig. 6 dargestellten Ausgangs­ zustand um 80 Grad verdreht, ist und die Filterelemente 1 eine weitere Spaltgröße ergeben.

Selbstverständlich sollen die Masse und Form der Erhöhungen 4 und Vertiefungen 5 so gewählt werden, daß sie den bei den Wasserbrunnen üblichen Filterspalt­ größen entsprechende Massen ergeben, wie z. B. die Spaltgrößenkombination von 0,3 mm-0,6 mm-0,9 mm.

Für die erfindungsgemäßen Filterelemente ist es weiterhin kennzeichnend, daß auf ihrer äußeren Mantelfläche entlang des vollen Umfangs zueinander parallel in Richtung der Mantellinie Rillen 10 ausgebildet sind, die die Strömung der Flüssigkeit aus der wasserführenden Schicht zum Filter vorteil­ haft beeinflussen. In Fig. 9 ist die Rillenausbildung vergrößert dargestellt. Die Tiefe der Rillen 10 kann zweckmäßigerweise zwischen 0,5 und 1 mm gewählt werden.

In den Fig. 10-12 ist - ebenfalls in einer abgewickelten Darstellung - eine solche Filterkonstruktion 11 darge­ stellt, die aus Filterelementen 12 nach einer anderen Ausführungsform zusammengestellt ist, wobei die beiden Seiten des kreisringförmigen Grundkörpers des Filter­ elementes 12 durch krumme Flächen nach irgendeiner periodischen Kurve begrenzt sind, wobei die Auswölbungen und Höhlungen der krummen Flächen Erhöhungen 14 und Vertiefungen 15 bilden. Durch eine relative Verdrehung der Filterelemente 12 zueinander, als Folge der Veränderung der relativen Position der Erhöhungen 14 und der Vertiefungen 15 Spaltöffnungen 16 mit verschiedenen Spaltgrößen (d₁, d₂, d₃) entstehen. Es ist zweck­ mäßig, auf den krummen Flächen an beiden Seiten bis zur Höhe der Trennungsebene sogenannte Auflageflächen 17 auszubilden, die entlang des Umfangs in einer gleich­ mäßigen Verteilung verlegt werden. Durch die Auflage­ flächen hindurch sind zweckmäßigerweise auch hier Durchgangsbohrungen 7 zur Aufnahme der die Filter­ konstruktion 11 durch Schrauben 9 zusammenfassende Verbindungsstäbe 8 ausgebildet.

In den Fig. 13-15 wird eine solche Variante der durch periodische krumme Flächen begrenzten Filter­ elemente vergrößert dargestellt, wo die Höhlungen und Auswölbungen der krummen Fläche mit einem von­ einander abweichenden Krümmungsradius ausgebildet sind, das heißt, der Radius von dem Krümmungbogen der die Erhöhungen 14 bildenden Auswölbungen ist kleiner als der von den die Vertiefungen 15 bildenden Höhlungen. Durch eine Ausbildung der Auswölbungen und Höhlungen in einer geeigneten Verteilung bilden die ineinander hineinragenden Höhlungen und Auswölbungen abhängig von der gegenseitigen Position und benachbarten Filterelemente 12′ Spaltöffnungen 16′ mit verschiedener Form und Größe, wie es aus den Fig. 13-15 ersichtlich ist.

In diesen Figuren kann die Veränderung der Spalt­ öffnung durch eine relative Verdrehung der Filter­ elemente 12′ um 40 Grad gut beobachtet werden. Die bestimmten Positionen nach den einzelnen Verdrehungen werden auch hier durch die Auflageflächen 16 gesichert.

Eine wellenförmige Ausbildung der Spaltöffnungen (16′) bei einer gegebenen Spaltgröße und Filterdurchmesser vergrößert die Eintrittsöffnungsfläche und erhöht dadurch die Durchflußmenge der Filterkonstruktion.

Aus den im vorstehenden beschriebenen Filterelementen kann ein Filter beliebiger Länge zusammengestellt werden, sogar, innerhalb einer gegebenen Filterlänge können Filterbereiche mit verschiedenen Spaltgrößen ausgebildet werden. Der zusammengestellte Filter einer erwünschten Länge wird an dessen beiden Enden durch an sich bekannte, aus Metall durch Zerspanung ausformbare, außen oder innen gewindige Endstücke 18 zusammenfaßt mit deren Hilfe der Filter an die in dem Brunnenbau allgemein gebräuchlichen Rohre angeschlossen werden kann, wie es auch in Fig. 1 ersichtlich ist.

Es ist noch zu bemerken, daß der Grundkörper 3 bzw. 13, des Filterelementes 1 bzw. 12 zweckmäßigerweise ein Trapez­ profil aufweist, er kann aber auch mit einem beliebigen, von dem Mantel nach innen, in radialer Richtung abnehmenden Profilquerschnitt ausgebildet werden.

Die erfindungsgemäßen Filterelemente können nach der Ausbildung einer geeigneten Form oder Instrument durch Stanzen, Spritzgießen, Gießtechnologie aus Kunststoff, Metall oder Leichtmetall gleicherweise hergestellt werden.

Der Filter kann aus den erfindungsgemäßen vorgefertigten Filterelementen vormontiert, oder auf dem Einsatzort leicht zusammengestellt werden.

Claims (6)

1. Filterelement, insbesondere zur Ausbildung von Filtern für Trinkwasserbrunnen, mit einem kreisring­ förmigen Grundkörper und mehreren, in dem Grund­ körper in einer gleichmäßigen Verteilung ausgebildeten Durchgangsbohrungen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der unteren und oberen Fläche des kreisringförmigen Grundkörpers (3, 13) entlang des Umfangs sich in gleichmäßiger Verteilung periodisch wiederholend Erhöhungen (4, 14, 14′) und Vertiefungen (5, 15, 15′) verschiedener Höhe bzw. Tiefe ausgebildet sind.

2. Filterelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisringförmige Grundkörper (3) durch ebene Flächen begrenzt ist, wobei auf dessen einer Fläche als Erhöhungen (4) Zapfen verschiedener Höhe und Durchmesser sich in einer gleichen Reihenfolge periodisch wiederholend, während auf dessen anderer Fläche als Vertiefungen (5) Aus­ nehmungen verschiedener Höhe und Durchmesser sich in einer gleichen Reihenfolge periodisch wiederholend angeordnet sind.

3. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisringförmig Grundkörper (13) durch krumme Flächen nach irgendeiner periodischen Kurve begrenzt ist, wobei die Erhöhungen (14) und Vertiefungen (15) durch die Auswölbungen und Höhlungen und krummen Flächen gebildet sind.

4. Filterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des Bogens der die Erhöhungen (14′) bildenden Auswölbungen kleiner ist, als der Radius der die Vertiefungen (15′) bildenden Höhlungen.

5. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsbohrungen (7) durch die Vertiefungen (4, 14) und Erhöhungen (5, 15) hindurch ausgebildet sind.

6. Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Mantelfläche des kreisringförmigen Grundkörpers (3, 13) Rillen (10) in Richtung der Mantellinie ausgebildet sind.