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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Filtertechnologie,
und insbesondere Filtereinheiten, die flache Filterelemente besitzen,
wie zum Beispiel Membranfilter, Tiefenfilter oder Vorfilter, die
in Laboratorien oder Forschungseinrichtungen verwendet werden.
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Es
gibt eine breite Vielfalt an Filtervorrichtungen zum Abscheiden
von Partikeln aus einer Flüssigkeit.
Die Auswahl des Typs der in einer gegebenen Anwendung anzuwendenden
Filtervorrichtung hängt hauptsächlich von
der Partikelgröße und den
Durchsatzparametern ab. Generell können Partikel mit einer Größe von mehr
als 10μm
unter Anwendung eines Makrofilterprozesses aus Flüssigkeiten
abgetrennt werden, der typischerweise die Anwendung von Tiefenfiltern
einschließt.
Die in der Makrofiltration verwendeten Tiefenfilter können aus
Papier, Asbest, Kunststoff oder Glasfaser hergestellt sein. Oft
wird die Makrofiltration in Reihe mit einer Mikrofiltration angewandt,
um vor dem Mikrofiltrationsprozess größere Partikel zu entfernen.
Diese Art des mehrstufigen Filterprozesses kann die Geschwindigkeit
erhöhen,
mit der die Flüssigkeit
durch eine Membranfilter geführt
werden kann, oder mit anderen Worten, die Durchsatzgeschwindigkeit
erhöhen.
Bei der Mikrofiltration werden Partikel unter Anwendung eines Membranfilters
als ein Endfilter aus einer Flüssigkeit
entfernt, die größer als
ungefähr
200 Angström,
jedoch kleiner als ungefähr
100μm sind.
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Konventionelle
Membranfilter sind viel dünner
und zerbrechlicher als Tiefenfilter und sind typischerweise in großer Auswahl
im Partikelrückhaltevermögen und
in einer Vielzahl von Materialien, Formen und Größen verfügbar. Membranfiltermaterial kann
zum Beispiel Nylon, Polyethersulfon, PTFE oder Zelluloseazetat sein.
Membranfilter sind generell entweder als dünne Scheiben oder in einer
Falteinsatzkonfiguration erhältlich.
Einsatzfilter werden normalerweise für schnelles Filtern großer Flüssigkeitsvolumen
empfohlen, wie zum Beispiel Volumen von mehr als ungefähr 400 Litern.
Diese Vorgänge können mit
dem in der Leitung befestigten Einsatzfilter und mit von einem Ende
des Einsatzes zum anderen strömender
Flüssigkeit
durchgeführt
werden.
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Oft
kann den Labor- oder Forschungseinrichtungsanforderungen entsprochen
werden, indem scheibenförmige
Membranfilter mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 mm bis
75 mm angewandt werden. Diese Einrichtungen erfordern vielleicht nicht
die Durchsatzgeschwindigkeit, die durch ein Einsatzfilter zur Verfügung gestellt
wird, ein hoher Durchsatz ist jedoch dennoch wünschenswert, um den Filtervorgang
so schnell wie möglich
auszuführen.
Membranfilter mit größerem Durchmesser
stellen aufgrund ihres vergrößerten Oberflächenbereiches
eine größere Durchsatzgeschwindigkeit
zur Verfügung,
die Erhöhung
der Durchsatzgeschwindigkeit führt
jedoch zu viel höheren
Zusatzkosten. Deshalb können
aus dieser Sicht die Membranfiltereinheiten mit größerem Durchmesser
unerwünscht
sein. Außerdem
kommen diese Arten der Filtereinheiten typischerweise mit zwischen
oberen und unteren Behältern
dauerhaft befestigtem scheibenförmigen Membranfilter
vormontiert oder alternativ in einem nicht zusammengebauten Zustand.
Im letzteren Fall muss der Anwender das zerbrechliche, scheibenförmige Membranfilter
während
des Zusammenbaus handhaben. Jede dieser Optionen hat Nachteile derart,
dass die vormontierte Filtereinheit nach dem Kauf durch den Anwender
keine Anpassungsfähigkeit
in der Auswahl der Filtergröße oder
der Porengröße erlaubt.
Auf der anderen Seite kann die Anforderung, dass der Anwender das
empfindliche Filterelement während
des Zusammenbaus handhabt, zu einer Beschädigung oder Verunreinigung
führen.
Schließlich ist
das Erhöhen
der Durchsatzgeschwindigkeit durch Vorfiltern der Flüssigkeit
nicht so einfach auszuführen,
weil es grundsätzlich
die Anwendung mehrerer Filtereinheiten erfordert.
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Um
die verschiedenen Probleme in diesem Bereich anzugehen, beispielsweise
die oben genannten Probleme, wäre
es wünschenswert,
eine Filtereinheit vorzusehen, die ein leicht einzubauendes und
austauschbares Filter besitzt, wie zum Beispiel ein Membranfilter,
und auf eine effizientere und weniger teure Art und Weise eine größere Durchsatzgeschwindigkeit
zur Verfügung
stellt, während
die Anwendung von Filtern mit kleinerem Durchmesser beibehalten
werden kann.
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Eine
Filtereinheit mit einem in einem oberen Behälter gehaltenen flachen Filterelement
zum Filtern von in einem unteren Behälter aufzufangender Flüssigkeit
ist aus
DE 3711735 bekannt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt deshalb eine Filtereinheit zur Verfügung, umfassend
ein erstes Fluidaufnahmeelement, wie zum Beispiel einen oberen Behälter, zum
Aufnehmen von zu filterndem Fluid, und ein zweites Fluidaufnahmeelement,
wie zum Beispiel einen unteren Behälter, zum Aufnehmen des Fluides
aus dem oberen Behälter,
nachdem der Filtrationsprozess stattgefunden hat. Erfindungsgemäß ist eine
Filter kassette, die ein mit einem flachen Filterelement verbundenes
Auflageelement umfasst, zur Anordnung zwischen dem zu filternden
Fluid im oberen Behälter
und dem unteren Behälter
konfiguriert. Die Filterkassette ist separat und kann jeweils in Bezug
auf den oberen und unteren Behälter
entfernbar sein. Die Kassette kann eine selektiv in Eingriff bringbare
Dichtung zwischen dem Fluid im oberen Behälter und dem unteren Behälter bilden,
um zu gewährleisten,
dass das Fluid im oberen Behälter
durch das Filterelement strömt,
bevor es in den unteren Behälter
strömt.
Vorzugsweise ist zwischen dem oberen und unteren Behälter eine
Schraubverbindung ausgebildet. Diese erlaubt das Trennen des unteren
Behälters
vom oberen Behälter
nach einem Filtervorgang und erlaubt es deshalb, die Inhalte aufzubewahren
oder für
die weitere Bearbeitung zu verwenden. In einer bevorzugten Ausführungsform
kann das flache Filterelement ein Membranfilter und/oder ein Vorfilter
oder Tiefenfilter umfassen. Diese Filterelemente können aus
konventionellen Materialien hergestellt sein, wie sie oben erläutert wurden.
Die Anwendung von diesen beiden Filterelementtypen lässt das
Ausführen
eines mehrstufigen Filtervorganges mit einer einzigen Filtereinheit
zu.
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Insbesondere
für mehrstufige
Filterprozesse können
mehrere der separat befestigbaren Filterkassetten in einer Reihenanordnung
zwischen dem oberen und unteren Behälter angeschlossen werden.
Als eine Option könnte
eine einzelne Filterkassette mit zwei verschiedenen Filterelementen
aufgebaut sein, wie zum Beispiel einem Vorfilter oder Tiefenfilter
und einem Membranfilter, die in Reihe angeschlossen sind. Als noch
eine andere Option kann ein Filterelement permanent an der Filtereinheit
befestigt sein, während
ein anderes ein Teil der erfinderischen Filterkassette sein kann.
Diese Arten der mehrstufigen Filtereinheit können verwendet werden, um das Durchsatzvolumen
in einer einfachen, effizienten und relativ preiswerten Art und
Weise zu erhöhen.
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Das
untere Ende des oberen Behälters
umfasst vorzugsweise ein nach innen abgestuftes Teil, um das äußere Dichtungselement
während
eines Filtervorganges in einer flüssigkeitsdichten Art und Weise
zu zentrieren und in Eingriff zu bringen. Diese einzigartige Konfiguration,
verbunden mit der Anwendung eines äußeren, selektiv in Eingriff
bringbaren Dichtungselementes erlaubt es dem Anwender, einen einfachen
und beständigen
Dichtungseingriff zwischen dem oberen Behälter und der Filterkassette zu
erreichen. Für
die Anwendung in typischen Labor und Forschungssituationen kommuniziert
der untere Behälter
mit einer Öffnung
zur Befestigung einer Vakuumquelle. Diese Öffnung kann Teil des unteren
Behälters
oder bevorzugter Teil einer Kupplung zwischen den oberen und unteren
Behältern
sein. Durch die Öffnung
eingeführtes
Vakuum unterstützt
das Saugen von Flüssigkeit
durch das Filterelement oder die Filterelemente und in den unteren
Behälter,
während
das Filterelement oder die Filterelemente Partikel auffangen, die
größer als
die Filterporengröße sind.
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Ein
bedeutender Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Anwender
die Behälter
mit oder ohne ein permanent befestigtes Filter kaufen kann, und
die Filterkassetten getrennt kaufen kann. Der Anwender kann die
geeignete Filterkassette zur Zeit der Anwendung gemäß den Filtererfordernissen
selektiv auswählen.
Wie oben angeführt
wurde, erforderte diese Anpassungsfähigkeit in der Vergangenheit, dass
der Anwender eine Filtereinheit durch Handhaben des empfindlichen
Filterelementes selbst zusammenbaute oder gesamte vormontierte Einheiten
einschließlich
der oberen und unteren Behälter
und des permanent befestigen Filterelementes lagerte. Die vorliegende
Erfindung beseitigt diese Probleme und stellt eine Filterkassette
zur Verfügung,
die ohne Beschädigung
oder Verunreinigung sehr viel leichter zu handhaben und kosteneffizienter
zu lagern ist.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Filtern zur Verfügung, umfassend
ein an einem flachen Filterelement zwischen einem ersten Fluidaufnahmeraum
eines ersten Elementes und einem zweiten Fluidaufnahmeraum eines
zweiten Elementes durch Einsetzen der Filterkassette in die erste
Fluidaufnahmeöffnung
des ersten Elementes und Eingreifen eines integralen, elastischen,
flexiblen Außenrandes
des Auflageelementes mit einer Innenwandfläche des ersten Elementes befestigtes
Auflageelement, so dass sich der Rand zu der Öffnung hin verformt, um das
Auflageelement in dichtendem, jedoch lösbaren Eingriff in Bezug auf
die ersten und zweiten Elemente zu halten und wobei das Filterelement
vom ersten Element zum zweiten Element einen Flüssigkeitsströmungspfad
vorsieht, eine Partikel enthaltende Flüssigkeit in das erste Element
und auf die Filterkassette einführt
und die Flüssigkeit
durch das Filterelement und in das zweite Element zum Zurückhalten der
Partikel an der Filterkassette hindurchführt.
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Der
Schritt des Hindurchführens
der Flüssigkeit
durch das Filterelement umfasst vorzugsweise das Einführen eines
Vakuums in den unteren Behälter,
um Flüssigkeit
aktiv durch das Filterelement zu saugen. Ebenfalls in Übereinstimmung
mit den erfinderischen Konzepten kann mehr als eine Filterkassette
zwischen den oberen und unteren Behältern angeschlossen sein, und
zum Erleichtern eines mehrstufigen Filterprozes ses kann eines der
Filterelemente ein Vorfilter sein, während die anderen Filterelemente
ein Endfilter sein können.
Es wird verständlich
sein, dass, während
eines der Filterelemente Teil einer Filterkassette ist, das andere
Filter zwischen der Flüssigkeit
im oberen Behälter
und dem unteren Behälter
dauerhaft befestigt sein kann.
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Die
Erfindung wird nun mittels eines Beispiels und unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung konstruierten Filtereinheit ist, wobei ein oberer Behälter derselben
weggebrochen ist, um eine gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung konstruierte Filterkassette zu zeigen;
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2 eine
perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten
Filterkassette ist, jedoch teilweise weggebrochen, um ihren Innenaufbau
zu zeigen;
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3 eine
Draufsicht der geformten Filterkassette und vor dem Zusammenbau
mit dem Filterelement ist;
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4A eine
Schnittansicht eines Randabschnittes der in den 1 – 3 gezeigten Filterkassette
ist, die den Anfangsschritt eines Montagevorganges zeigt;
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4B eine ähnliche
Ansicht wie 4A ist, die jedoch ein Werkzeug
zum Ultraschweißen/Tiefziehen
zeigt, das zu Beginn mit der Kassette ineinander greift;
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4C eine ähnliche
Ansicht wie die 4A und 4B ist,
die jedoch das Ultraschallschweiß-/Tiefziehwerkzeug kurz vor
dem Ende des Schweißvorganges
zeigt;
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4D eine ähnliche
Ansicht wie die 4A – 4C ist,
die jedoch die fertige zusammengebaute Kassette zeigt;
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5A eine
fragmentarische Schnittansicht ist, die den Einsatz der Filterkassette
in den oberen Behälter
der Filtereinheit zeigt;
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5B eine ähnliche
Ansicht wie die 5A ist, jedoch die in dichtendem
Eingriff mit dem unteren Ende des oberen Behälters gehaltene Kassette zeigt;
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6 eine
seitliche Schnittansicht eines Werkzeugs darstellt, das zum Einsetzen
von Filterkassetten in den oberen Behälter verwendet werden kann;
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7 eine
fragmentarische Schnittdarstellung ist, die eine alternative Ausführungsform
einer Filterkassette zeigt, die in einem Behälter eingesetzt ist und zwei
Filterelemente für
einen mehrstufigen Filterprozess einschließt;
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8A eine
fragmentarische Schnittdarstellung ist, die eine andere alternative
Ausführungsform einer
erfindungsgemäß konstruierten
Filterkassette und Filtereinheit zeigt;
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8B eine ähnliche
Ansicht wie 8A ist, jedoch die alternative
Filterkassette in Dichtungseingriff mit einem unteren Ende des oberen
Behälters zeigt;
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9 eine
weitere alternative Ausführungsform
ist, die ein Filtereinheit zeigt, die hintereinander angeschlossene
Filterkassetten für
einen mehrstufigen Filtervorgang besitzt;
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10 eine
perspektivische Ansicht einer anderen alternativen Ausführungsform
einer erfindungsgemäß konstruierten
Filterkassette ist;
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11 eine
teilweise fragmentarische perspektivische Ansicht ist, die die Filterkassette
der 9 im Eingriff mit einem Filterbereich zwischen den
oberen und unteren Behältern
zeigt;
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12 eine
auseinander gebaute Seitenansicht der in 11 gezeigten
Filtereinheit ist; und
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13 eine
vergrößerte und
fragmentarische seitliche Schnittansicht der in 11 gezeigten Filtereinheit
in der Nähe
des Filterbereiches ist.
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Es
wird zuerst auf 1 Bezug genommen, die eine bevorzugte
Ausführungsform
einer Filtereinheit 10 zeigt, die zum Beispiel für verschiedene,
in Labor- oder Forschungseinrichtungen oder vielen anderen Anwendungen
ausgeführte
Flüssigkeitsfil tervorgänge verwendet
werden kann. Die Filtereinheit 10 kann einen oberen Behälter 12 umfassen,
der einen oberen Deckel 14 besitzt, der zum Einführen von Flüssigkeit
abgenommen werden kann. An den oberen Behälter 12 ist durch
eine Kupplung 18 ein unterer Behälter 16 angeschlossen.
Der obere Behälter 12,
der untere Behälter 16 und
die Kupplung 18 können
jeweils aus Polystyren ausgebildet sein. Als ein Beispiel kann diese
Kupplung 18 dauerhaft am oberen Behälter 12 befestigt
sein, wie zum Beispiel durch Schweißen oder aneinander klebende
Befestigung dieser beiden Kunststoffkomponenten. Die Kupplung 18 ist
vorzugsweise an einem mit Gewinde versehenen Halsabschnitt 20 des
unteren Behälters 16 lösbar befestigt,
indem sie ein passendes Innengewinde umfasst. Auf diese Weise kann
sowohl der obere Behälter 12 als
auch die Kupplung 18 vom unteren Behälter 16 entfernt und
durch eine Gewindekappe (nicht gezeigt) ersetzt werden, die am Gewindehals 20 befestigt
ist. Dieses erlaubt es, die gefilterten Inhalte des unteren Behälters 16 aufzubewahren und/oder
bei Bedarf weiter zu verarbeiten.
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Als
eine von vielen möglichen
Anwendungen ist eine Filterkassette 22 in einem unteren
Ende des oberen Behälters 12 angeordnet
und in dichtendem Eingriff mit der Innenwandfläche 12a des oberen
Behälters 12 gehalten.
Die Kupplung 18 umfasst eine Öffnung 24, die mit
der Innenseite des unteren Behälters 16 kommuniziert
und die stromabwärts
von der Filterkassette 22 angeordnet ist. Diese Öffnung 24 kann
in einer konventionellen Art und Weise an eine Vakuumquelle angeschlossen
sein. Diese saugt die flüssigen
Inhalte des oberen Behälters 12 durch
die Filterkassette 22, während gleichzeitig Partikel
an oder in der Filterkassette 22 abgeschieden werden. Es
wird erkennbar sein, dass die Filterkassette 22 in Abhängigkeit
von der besonderen Konstruktion der Filtereinheit 10 alternativ
wahlweise mit einem Teil der Kupplung 18 oder sogar einem
Teil des unteren Behälters 16 im
Eingriff sein kann. Das Ziel besteht darin, eine Filterkassette
vorzusehen, die mit einem Teil der Einheit einfach und dauerhaft
in Eingriff bringbar ist, das zwischen den flüssigen Inhalten auf beiden
Seiten der Kassette angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform
und wie es nachfolgend beschrieben wird, ist die Kassette 22 einfach
und fest in einer dichtenden Art und Weise durch Entfernen des Deckels 14 und
Einsetzen der Kassette 22 in den oberen Behälter 12 mit
einer Reibpassung in Eingriff bringbar. Es wird verständlich sein,
dass die Behälter 12, 16 durch
andere geeignete Fluidaufnahmeelemente oder -konstruktionen ersetzt
werden können, wie
zum Beispiel Rohrleitungen, die horizontal oder in anderer Weise
ausgerichtet sind.
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Unter
Bezugnahme auf die 2 und 3 umfasst
nun die Filterkassette 22 generell ein Auflageelement 30,
das als eine einheitliche Konstruktion an einem flachen Filterelement
befestigt ist. Das Auflageelement 30 umfasst Öffnungen 34,
damit die Flüssigkeit
vollständig
durch die Filterkassette 22 hauptsächlich abwärts strömen kann, wie es in 2 zu
sehen ist. Die Öffnungen 34 können in
Abhängigkeit
von der Anwendung verschiedene Größen haben und von unterschiedlicher
Anzahl sein. Im Allgemeinen können
die Öffnungen 34 ungefähr 0,10" (0,254 cm) im Durchmesser
sein. Das Auflageelement 30 ist vorzugsweise aus Polypropylen
mit einem peripheren Dichtungsrand 36 konstruiert, der flexibel
genug ist, um mit der Innenwand eines Behälters oder einer Kupplung ineinander
zu greifen, zum Beispiel mit einer Reibpassung und ausreichendem Dichtungssitz,
wie es unten beschrieben wird. Für das
Auflageelement 30 können
andere Materialien verwendet werden und umfassen Polyethylene, wie zum
Beispiel HDPE.
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Es
ist erkennbar, dass verschiedene Kassetten 22 in serieller
Art und Weise in den oberen Behälter 12 eingesetzt
werden können,
um eine mehrstufige Filtereinheit vorzusehen. Zum Beispiel kann
eine obere Kassette ein Vorfilter zum Filtern größerer Partikel umfassen, und
eine untere Kassette kann ein Membranendfilter zum Filtern kleinerer
Partikel umfassen. Natürlich
kann es sein, dass Maßanpassungen
am oberen Behälter 12 und/oder
an den Kassetten vorgenommen werden müssen, um mehrere Kassetten 22 in
dieser Art und Weise aufzunehmen. Optional kann ein mehrstufiger
Filtervorgang durch Anwendung eines dauerhaft befestigten Filters
und mindestens einer erfindungsgemäß konstruierten Kassette 22 ausgeführt werden.
Außerhalb
des Umfangs des Filterelementes 32 sind kleine Öffnungen 35 angeordnet
und können
zumindest für
einige Anwendungen notwendig sein, um den Durchsatz durch die Kassette 22 zu
erhöhen.
Die Öffnungen 35 können im
Durchmesser in der Größenordnung
von ungefähr
0,020" –0,050" (0,0508 – 0,127
cm) liegen, oder in Abhängigkeit
von der Anwendung andere Größen besitzen.
Sie sollten ausreichend klein dimensioniert sein, so dass sie einen
akzeptablen geringfügigen
Einfluss auf die Menge des ungefilterten Materials haben, das die
Kassette 22 passiert.
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Unter
Bezugnahme auf die 4A – 4D wird
nun das Filterelement 32 vorzugsweise durch einen Befestigungsring 38 am
Auflageelement 30 festgehalten. Dieses wird durch Anwendung
eines Tiefziehvorganges oder eines Ultraschallschweißvorganges
ausgeführt,
um den Befestigungsring 38 aus einem Teil des Auflageelementes 30 auszubilden.
In dieser Hinsicht wird das Auflageelement 30 zuerst durch
eine konven tionelle Formgebungsvorrichtung ausgebildet, zum Beispiel
mit einem Wulst oder einen hervorstehenden Rand 40, der
sich in einer durchgehenden Art und Weise um das Auflageelement 30 herum
erstreckt. Ein Ultraschalltiefziehwerkzeug 42 mit einer
geeigneten Aussparung 44 wird aktiviert und in Kontakt
mit dem Wulst oder dem vorstehenden Rand 40 gebracht. Es
wird verständlich
sein, dass andere Verbindungsarten zwischen dem Auflageelement 30 und
dem Filterelement 32 ausgebildet werden können. Zum
Beispiel können
solche Verbindungen durch Erwärmung,
Reibschweiß-
oder Vibrationsschweißvorgänge ausgebildet
werden, oder es können
ein oder mehrere getrennte Verbindungselemente verwendet werden,
um das Filterelement 32 festzuhalten. Obwohl es in den
Zeichnungen nicht gezeigt ist, ist die Aussparung 44 rund,
so dass sie dem runden Wulst 40 entspricht. Das Werkzeug 42 ist
mit irgendeiner konventionellen Ultraschallschweiß- oder Tiefzieheinrichtung
verbunden. Das Werkzeug 42 lässt den Wulst oder vorstehenden
Rand 40 schmelzen oder macht ihn weich, so dass eine gebogene Lippe 46 sich
radial nach innen über
das Filterelement 32 zu erstrecken beginnt. Diese Lippe
wird sich generell im Befestigungsring 38 verfestigen,
um das Filterelement 32 am Auflageelement 30 zu
halten. Der Befestigungsring 38 kann wie gezeigt ein vollständig festes
Teil sein oder nicht, und andere Konstruktionen besitzen, oder das
Filterelement 32 kann direkt oder indirekt auf andere Art
und Weise befestigt sein.
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Bezugnehmend
auf die 5A, 5B und 6 kann
die Filterkassette 22 einfach in dichtender Art und Weise
in dem oberen Behälter 12 entweder
manuell oder durch Benutzung eines Werkzeuges, wie zum Beispiel
des Werkzeuges 50, in Eingriff gebracht werden. Wenn das
Werkzeug 50 verwendet wird, kann ein Rand 52 desselben
mit einem Teil 54 des Auflageelementes 30 in Eingriff
gebracht werden, um die Kassette 22 nach unten in den Behälter 12 zu
drücken.
Als ein anderer Aspekt der Erfindung greift der äußere Dichtungsrand 36 des
Auflageelementes 30 mit einem unteren, nach innen abgestuften
Teil 56 des oberen Behälters 12 ineinander.
Das nach innen abgestufte Teil 56 ist generell zwischen einem
oberen Wandteil 58 mit größerem Durchmesser und einem
unteren Wandteil 60 mit einem kleineren Durchmesser angeordnet.
Ein elastischer, flexibler Dichtungsrand 36 greift mit
einer Fläche 12a des unteren
Wandteils 60 ineinander und biegt sich wie in 5B gezeigt
nach oben, um mit einer Reibpassung einen Dichtungskontakt herzustellen.
Während die
Kassette 22 vorzugsweise immer noch aus dem oberen Behälter 12 herausnehmbar
ist, gewährleistet der
durch den Rand 36 ausgebildete Dichtungseingriff, dass
in den oberen Behälter 12 eingeführte Flüssigkeit
durch das Filterelement 32 fließt, bevor sie in den unteren
Behälter 16 (1)
eintritt. Eine kleine Menge kann durch die Öffnungen 35 fließen, für die meisten
Anwendungen wird dieses jedoch kein Problem darstellen. Falls notwendig,
können
die Öffnungen 35 verkleinert
oder eliminiert werden, wie es in der unten erläuterten 7 gezeigt
ist.
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6 zeigt
das Werkzeug 50 in einer vollständigeren Art und Weise und
gemäß nur einer
seiner möglichen
Konstruktionen. Der unter Bezugnahme auf die 5A und 5B beschriebene
Rand 52 kann für
Membranfilterkassetten von 50 mm geeignet sein, während ein
zweiter größerer Rand 66 zum
Eingriff mit 75 mm – Filterkassetten
verwendet werden kann. In der gezeigten besonderen Werkzeugkonfiguration
kann das Zwischenteil 68 als ein Griff während des
Einsetzens verwendet werden. Selbstverständlich können alle gewünschten
Kassetten- und Werkzeuggrößen verwendet
werden.
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7 zeigt
eine alternative Ausführungsform
einer Filtereinheit 10',
in der gleiche Bezugszeichen, die einen Anstrich (') haben, die gleiche
Konstruktion in Bezug auf die erste Ausführungsform darstellen. Der
einzige erhebliche Unterschied bei dieser alternativen Ausführungsform
besteht darin, dass ein zweites Filterelement 69 auf der
Oberseite des Filterelementes 32' oder stromaufwärts von diesem hinzugefügt wurde.
Das Filterelement 69 kann zum Beispiel ein Vorfilter oder
ein Filter zum Entfernen größerer Partikel
als das Filterelement 32' sein.
Dieses ist eine Art zum Einbinden eines Filterstufenverfahrens in
eine erfindungsgemäß ausgebildete
einzelne Kassette 22'.
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Die 8A und 8B stellen
eine andere Ausführungsform
einer Filtereinheit 70 dar, umfassend einen oberen Behälter 72 und
eine Kupplung 74. Die Kupplung 74 umfasst einen
Kanal 76, so dass Flüssigkeit
in einen unteren Behälter
(nicht gezeigt) strömen
kann. Ein optionales Permanentfilterelement 77 ist ebenfalls
in den 8A und 8B gezeigt. Das
Filterelement 77 kann generell wie gezeigt, in beliebiger
konventioneller, dauerhafter Art und Weise befestigt sein. Zwischen
der Kupplung 74 und dem oberen Behälter 72 ist ein Verbindungselement 78 ausgebildet,
und dieses Verbindungselement kann entweder ein lösbares Verbindungselement
oder ein permanentes Verbindungselement sein. In den 8A und 8B ist
außerdem
eine alternative Ausführungsform
einer Filterkassette 80 gezeigt und umfasst erfindungsgemäß ein Auflageelement 82 und
ein flaches Filterelement 84. Das Auflageelement 82 umfasst
eine Außenranddichtung 86,
die ein getrennt befestigbarer O-Ring oder ein integrales Dichtungselement
sein kann, das zum Beispiel die in 8A gezeigte
allgemeine Form annehmen kann. Diese Dichtung 86 kann wiederum
aus konventionellen Gummi- oder polymeren Dichtungsmaterialien ausgebildet
sein. Die Filterkassette 80 umfasst vorzugsweise wiederum
einen Filterbefestigungsring 88 zum Festhalten des Filterelementes 84 am
Auflageelement 82. Dieser kann wiederum die Form eines Vorsprunges
annehmen, der in geeigneter Art und Weise wie zuvor beschrieben
gegen das Filterelement 84 gestaucht wurde. Wie weiter
aus einer Ansicht der 8A und der zusammengebauten
Ansicht der 8B erkennbar ist, ist in dem
oberen Behälter 72 ein
nach innen abgestuftes Wandteil 90 zum Herstellen eines
dichtenden Reibschlusseingriffes mit der Außenranddichtung 86 ausgebildet.
Die Filterkassette 80 kann ohne Werkzeug manuell eingesetzt
werden oder kann durch die Anwendung eines geeigneten Werkzeuges
eingesetzt werden, das zum Beispiel an einen oberen Außenrand
des Auflageelementes 82 stößt und das Hineindrücken der
Filterkassette 80 in die in 8B gezeigte
Position erlaubt.
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9 zeigt
eine andere Ausführungsform
einer Filtereinheit 100. Insbesondere kann die Filtereinheit 100 einen
oberen Behälter 102 und
eine Kupplung 104 umfassen, die einen Kanal 106 zum Aufnehmen
von gefilterter Flüssigkeit
besitzt und diese Flüssigkeit
beispielsweise in einen unteren Behälter (nicht gezeigt) führt. Ein
Filterbereich 108 der Einheit 100 umfasst mehrere
Filterkassetten 110, 112, die in serieller Art
und Weise angeschlossen sind. Die Filterkassetten 110, 112 können mit
einem Auflageelement 110a, 112a aufgebaut sein,
das an einem flachen Filterelement 110b, 112b befestigt
ist, wie es allgemein oben unter Bezugnahme auf die 8A und 8B beschrieben
ist. Unterschiede in der Konstruktion der Kassetten 110, 112 betreffen
die Verbindung zwischen den Kassetten 110, 112,
dem oberen Behälter 102 und
der Kupplung 104.
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Wie
insbesondere in 9 gezeigt ist, kann die Filterkassette 110 eine
integrale oder lösbare Dichtung 114 umfassen,
die mit einer Dichtungsfläche 104a der
Kupplung 104 ineinander greift. Um die mit der Kupplung 104 verbundene
Filterkassette 110 festzuhalten, schnappt eine Lippe 116 der
Filterkassette 110 unter eine Lippe 118 der Kupplung 104.
Die Lippe 116 wird dadurch in einer Aussparung 120 der Kupplung 104 festgehalten.
Um die mit der Filterkassette 110 verbundene Filterkassette 112 festzuhalten,
wird eine Lippe 122 der Filterkassette 112 in
einer Aussparung 124 der Filterkassette 110 durch
Eingriff mit einer Lippe 126 der Filterkassette 110 festgehalten.
Auf diese Weise angeschlossen oder in Eingriff gebracht, greift
ein integrales oder lösbares,
mit der Filterkassette 112 verbundenes Dichtungselement 128 mit
einer inneren Dichtungsfläche 130 der Filterkassette 110 ineinander.
Um die mit dem oberen Behälter 102 verbundene
Filterkassette 112 festzuhalten, wird eine am unteren Ende
des oberen Behälters 102 angeordnete
Lippe 132 in eine unter einer Lippe 136 an der
Filterkassette 112 definierte Aussparung 134 eingeschnappt
oder in Eingriff gebracht. Auf diese Weise ineinandergreifend, greift
ein integrales oder lösbares,
mit dem unteren Ende des oberen Behälters 102 verbundenes
Dichtungselement 138 mit einer an der Innenseite der Filterkassette 112 angeordneten
Dichtungsfläche 140 ineinander.
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Es
wird erkennbar sein, dass verschiedene Filterkassetten in der in
Bezug auf 9 beschriebenen Art und Weise
oder auf andere Art und Weise hintereinander angeschlossen werden
können.
Dieses erlaubt, eine obere Filterkassette, wie zum Beispiel die
Kassette 112, als ein Vorfilter zum Filtern größerer Partikel
zu benutzen, bevor ein Mikrofilter, wie zum Beispiel die Kassette 110 mit
einem Membranfilter 110b zur Endfiltration verwendet wird.
Dieses erhöht
das Durchsatzvolumen und beseitigt die Notwendigkeit für einen
separaten Vorfilterschritt. Es wird erkennbar sein, dass die Filterkassetten 110, 112 oder
zusätzliche
Kassetten im Filterbereich 108 angeschlossen werden können, ohne
notwendigerweise aneinander angeschlossen zu sein, wie es generell
in Bezug auf 1 beschrieben ist.
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10 zeigt
eine noch andere Ausführungsform
einer Filterkassette 150, die einen verschachtelten seriellen
Anschluss mehrerer Filterkassetten erlaubt. Die Filterkassette 150 umfasst
ein Auflageelement 152, das an einem Filterelement 154 befestigt ist.
Das Filterelement 154 kann in einer nicht lösbaren Art
und Weise, wie zum Beispiel durch Ultraschallschweißen oder
Ankleben des Filterelementes 154 am Auflageelement 152 befestigt
werden. Das Auflageelement 152 umfasst mehrere Steckverbindungsteile 156 und
eine gleiche Anzahl aufnehmender Verbindungsteile 158.
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Bezugnehmend
auf die 11 und 12 kann
die Filterkassette 150 als Teil einer Filtereinheit 160 verwendet
werden, die einen oberen Behälter 162 und
einen unteren Behälter 164 umfasst,
die vorzugsweise unter Anwendung einer Kupplung 166, die ähnlich der
oben beschriebenen ist, in lösbarer
Weise miteinander verbunden sind. Die Kupplung 166 kann
deshalb eine Öffnung 168 zum
Einführen
eines Vakuums in den unteren Behälter 164 umfassen.
Die Filterkassette 150 oder optional mehrere Filterkassetten 150 können zwischen
dem oberen Behälter 162 und
der Kupplung 166 wie in 12 gezeigt
gehalten werden.
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Wie
genauer in 13 gezeigt ist, können die
Steckverbindungsteile 156 mit einem Schnappverschluss in
komplementären
aufnehmenden Verbindungsteilen 170 festgehalten werden,
die an einem Flanschteil 166a der Kupplung 166 entlang
angeordnet sind. Gleichermaßen
können
die aufnehmenden Verbindungsteile 158 der Filterkassette 150 komplementäre Steckverbindungsteile 172 aufnehmen,
die an einem unteren Ende des oberen Behälters 162 entlang
angeordnet sind. Wie bei den anderen Ausführungsformen ist das Auflageelement 152 für den Flüssigkeitsstrom
durchlässig,
wie zum Beispiel durch Vorsehen von radialen Schlitzen 174.
Die Flüssigkeit
strömt
vom oberen Behälter 162 durch das
Filterelement 154 und das Auflageelement 152 und
nach unten entlang eines geneigten Teiles der Kupplung 166 in
den unteren Behälter 164.
Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen
kann die Filtereinheit 160 mit jeder gewünschten
Anzahl von Filterkassetten 150 aufgebaut sein, um einen
mehrstufigen Filtrationsprozess auszuführen und das Durchsatzvolumen
zu erhöhen.
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Obwohl
die Verbindungs- und Dichtungskonstruktion und der allgemeine Aufbau
der verschiedenen Kassetten 22, 80, 150 sich
wie oben beschrieben verändern
kann, wird die Arbeitsweise und Anwendung generell unter Bezugnahme
auf die 1, 2 und 5A – 5B verständlich.
Insbesondere kann der Anwender eine Anzahl unterschiedlicher Kassetten 22 auf
Lager halten und getrennt Behälter 12 und 16 vorrätig haben
sowie die Kupplung 18, die permanent oder lösbar am
Behälter 12 befestigt
sein kann. Verschiedene Kassetten, die die gleichen Maße zum Dichtungseingriff
mit dem Behälter 12 haben,
können
unterschiedliche Filterarten zum Filtern unterschiedlich großer Partikel
aus einer Flüssigkeit
haben. Somit beginnt das Verfahren mit dem Auswählen der geeigneten Kassette 22,
Entfernen des Deckels 14 und Einsetzen der Kassette 22 in
den oberen Behälter 12.
Dieses kann durch die Anwendung eines Werkzeugs ausgeführt werden,
wie es in 6 dargestellt ist. Für einen
mehrstufigen Filterungsprozess kann eine zusätzliche Kassette (nicht gezeigt)
auf der Oberseite der Kassette 22 eingesetzt werden. Zu
diesem Zweck kann es notwendig sein, das untere Teil 60 des
oberen Behälters 12 zu
verlängern.
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Entweder
vor oder nach dem Einsetzen der gewünschten Kassette oder der gewünschten
Kassetten wird der untere Behälter 16 in
die Kupplung 18 geschraubt, wie es in 1 gezeigt
ist. Eine Vakuumquelle wird dann an die Öffnung 24 angeschlossen
und eingeschaltet. Die zu filternde Flüssigkeit wird dann durch das
offene Ende des oberen Behälters 12 eingeführt. Es
wurde herausgefunden, dass das Einschalten des Vakuums vor dem Füllen des oberen
Behälters 12 mit
Flüssigkeit
die Durchsatz geschwindigkeit erhöht,
insbesondere wenn zwei Membranen verwendet werden, die durch einen
Raum getrennt sind, der groß genug
ist, um einen Blockierungseffekt zu unterstützen oder andere Konfigurationen
besitzt, um ein Blockieren wie unten erläutert zu unterstützen. Dieses
kann dann der Fall sein, wenn eine Kassette auf der Oberseite eines
permanent angeschlossenen Membranfilters eingesetzt ist, oder zum
Beispiel in dem Fall, dass mehrere Filterkassetten verwendet werden,
um die Flüssigkeit
in serieller Art und Weise zu filtern. Insbesondere wurde herausgefunden,
dass der zwischen den zwei Filtermembranen erzeugte Luftspalt die Überführung der
Flüssigkeit
aus dem oberen Behälter
in den unteren Behälter
erschwert, wenn beide Filter zu Beginn durch die Flüssigkeit
angefeuchtet werden. Das Einschalten des Vakuums vor dem Eingießen der
Flüssigkeit in
den oberen Behälter
hilft, diesen Blockierungseffekt zu verhindern und verbessert die
Durchsatzgeschwindigkeit erheblich. Die in dem Auflageelement 30 angeordneten Öffnungen 35 helfen
ebenfalls, diesen Blockierungseffekt aufzuheben. Die Flüssigkeit wird
insbesondere durch die Öffnungen 35 gesaugt, um
das Ausfüllen
jedes Zwischenraumes zwischen der Filterkassette und einem zweiten
Filterelement mit der Flüssigkeit
zu unterstützen.
Das Vakuum saugt dadurch die Flüssigkeit
wirksam durch die Kassette 22 sowie jedes zusätzliche,
seriell angeordnete Filterelement oder Kassette, während Partikel,
die größer als
eine gewünschte
Größe sind,
am oder im Filterelement 32 und zusätzlichen seriell angeordneten
Filterelementen abgeschieden werden.
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Beim
Abschluss des Filterprozesses kann der untere Behälter 16 von
der Kupplung 18 abgeschraubt und eine Gewindekappe (nicht
gezeigt) verwendet werden, um den Behälter 16 zu verschließen, bis
er für
die weitere Bearbeitung oder Analyse gebraucht wird. Außerdem kann
die Filterkassette 22 oder zusätzliche Filterkassetten, die
in den Behälter 12 eingesetzt
sind, entfernt werden und die durch das Filter abgeschiedenen Partikel
oder das durch das Filter abgeschiedene Material kann, wenn notwendig,
in geeigneter Weise analysiert werden. Typischerweise wird über die
verschiedenen Komponenten der Filtereinheit 10 der Anwendung
folgend entschieden. Fachleute auf dem Gebiet werden leicht viele
zusätzliche
Filterverfahren erkennen, die ausgeführt werden können.
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Diese
können
die Anwendung von Filterkassetten und/oder Permanentfiltern zwischen
Behältern oder
zwischen Rohrleitungen verschiedener Arten umfassen.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung durch eine Beschreibung verschiedener
bevorzugter Ausführungsformen
dargestellt wurde, und obwohl diese Ausführungsformen in beträchtlichem
Detail beschrieben wurden, werden den Fachleuten auf dem Gebiet
zusätzliche
Vorteile und Modifikationen leicht offensichtlich sein.