DE69729415T2

DE69729415T2 - Wasserintrusionstest für Filter

Info

Publication number: DE69729415T2
Application number: DE69729415T
Authority: DE
Inventors: Anthony J. Westford DiLeo; Richard W. Chestnut Hill Gray
Original assignee: Millipore Corp
Current assignee: EMD Millipore Corp
Priority date: 1996-09-10
Filing date: 1997-08-20
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2017-08-21
Also published as: JP3245102B2; EP0831318A1; DE69729415D1; KR19980024438A; US5786528A; JPH10165784A; EP0831318B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung sowohl der Porengrößen-Charakteristika als auch der Integrität von Filtern, insbesondere von porösen Membranen und Membranfiltervorrichtungen. Im einzelnen bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Porengrößeneigenschaften und/oder der Integrität einer Membran oder eines Filters, basierend auf einer Flüssigkeitsintrusionstechnologie durch die Aufbringung einer Flüssigkeit unter Druck auf die Membran, die nicht spontan die poröse Struktur der Membran benetzt.
Derzeit wird die Charakterisierung der Porengröße und die Bestimmung der Integrität für Membranen und Filter allgemein durch verschiedene Prozeduren durchgeführt, von denen die üblichsten als u. a. "Luftströmungs-Porosimetrie", "Blasenpunkttest" oder "Blasenpunktbestimmung", und "Diffusionstest" bezeichnet werden. Außerdem können Membranen, insbesondere hydrophobe Membranen auch durch Prozeduren charakterisiert und getestet werden, die üblicherweise als "Wasserintrusionsdruckbestimmung" und "Wasserströmungstest" oder "Wasserintrusionstest" bezeichnet werden, siehe z. B. DE 43 39 589 .
Der Blasenpunkttest und die Luftströmungs-Porosimetrie verwenden eine Flüssigkeit, welche spontan die betreffende Membran benetzt, und sie beruhen auf der Tatsache, dass anschließende Versuche, die Benetzungsflüssigkeit mit einem Gas zu verdrängen, erfordert, dass der Gasdruck bis auf einen kritischen Pegel erhöht wird, der von der Größe der Poren abhängt, oder der Größe der etwa vorhandenen Defekte, um die Oberflächen-Spannungskräfte zu überwinden, welche die Flüssigkeit in den Poren hält. Die Gleichung für diesen kritischen Druck, der als Blasenpunktdruck bezeichnet wird, ist eine Variation der Young-Laplace'schen Gleichung für einen kapillaren Druckabfall, in dieser Anwendung oft als Washburn-Gleichung bezeichnet: PBLASENPUNKT= 4Kσcos(θ)/d (Gleichung 1)wobei P_BLASENPUNKT = Blasenpunktdruck
K = Porenumfang (Form-Korrekturfaktor)
σ = Oberflächenspannung der Flüssigkeit
B = Kontaktwinkel der Flüssigkeit gegenüber dem Feststoff
d = Durchmesser der Pore
Die Gleichung 1 wird tatsächlich selten benutzt, um eine Porengröße quantitativ aus empirischen Blasenpunktdaten zu berechnen, da der Porenumfangs-Korrekturfaktor K selten an sich bekannt ist. Da die Gleichung angibt, dass der Blasenpunkt umgekehrt zum Porendurchmesser in Beziehung steht, wird er stattdessen benutzt, um die relative Porengröße von Membranen gemäß ihren Blasenpunktdrücken qualitativ einzustufen. Da ferner die Partikel-Retentionseffizienz mit der Porengröße zusammenhängt, dient Gleichung 1 auch als konzeptuelle Rechtfertigung für das empirische Korrelieren der Retentionseffizienz von Membranen verschiedener Porengrößen zu ihren Blasenpunkten. Hersteller von Membranen haben diese Beziehung Retention gegenüber Blasenpunkt ausgenutzt, um den kritischen Blasenpunkt zu identifizieren, der für ein gewünschtes Retentionsniveau erforderlich ist, und Filteranwender führen Blasenpunktbestirnmungen aus, um festzustellen, dass das fragliche Filter unversehrt ist und die geeignete Porengröße aufweist.
Die Luftstrom-Porosimetrie und eine visuelle Version des Blasenpunkttests für Membranproben sind durch die ASTM-Methode F316-86 beschrieben. Im allgemeinen wird der Blasenpunkttest durch Vorbenetzen der Membran mit einer geeigneten, zu verwendenden Flüssigkeit durchgeführt, und durch Anbringen der Membran in einem speziell gestalteten Halter, der die Platzierung einer visuell einsehbaren Flüssigkeitsschicht stromab gestattet, d. h. an der Oberseite der Membran. Im Fall eines Blasenpunkttests eines umschlossenen Filters wird das Filter mit der Flüssigkeit durchspült, um die Membran zu benetzen. Der Druck von Luft oder einem anderen Gas an der stromaufwärtigen Seite der Membran wird dann erhöht und die stromabwärtige Flüssigkeitsschicht oder der Auslass aus dem umschlossenen Filter wird hinsichtlich der Bildung kontinuierlicher Blasenströme beobachtet. Der Druck, mit dem diese Blasen zuerst auftauchen, wird der visuelle Blasenpunktdruck der Probe genannt. Beim Testen hydrophober Filter oder Membranen muss ein Lösemittel wie Alkohol benutzt werden, um die Oberfläche zur Durchführung des Blasenpunkttests benetzen zu können. Dieses Lösemittel, das gegenüber den meisten biologischen Fluiden toxisch ist, kann schwer von der Membran zu entfernen sein, und somit bestehen Sicherheitsprobleme im Zusammenhang mit der Verwendung solcher toxischer Lösemittel.
Für relativ große Filter, die erhebliche Diffusionsraten bei Drücken unter dem Blasenpunkt erfahren, ist der visuelle Blasenpunktdruck schwer genau zu identifizieren, und es wird eine analytischere Methode eingesetzt, um den Blasenpunktdruck zu bestimmen. In diesem Fall wird die Strömungsrate von Gas durch das Filter als Funktion des aufgebrachten Gasdrucks gemessen, und der Druck, bei dem die Strömung von relativ niedrigen Strömungsraten, die nur ein Indiz für Diffusion sind, zu erheblich höheren Strömungsraten übergeht, die ein Indiz einer Massegasströmung durch Poren oder für Defekte sind, wird als der Blasenpunktdruck des Filters bezeichnet.
In dem Diffusionstest wird die Gastströmungsrate durch das benetzte Filter gemessen, nachdem das Filter einem konstanten stromaufwärtigen Gasdruck ausgesetzt wurde, der gleich dem für das Filter erforderlichen finalen Blasenpunktdruck ist oder geringfügig darunter liegt. Ähnlich wie beim Blasenpunkttest wird das Filter mit einer geeigneten Flüssigkeit vorbenetzt. Bei einem angemessen ausgewählten Testdruck wird die gemessene Strömungsrate relativ niedrig, wenn das Filter unversehrt ist und die (entsprechende) Porengröße aufweist. Die Quelle der Gasströmung durch ein unversehrtes Filter bei Drücken unter dem tatsächlichen Blasenpunkt des Filters ist eine Auflösung von Gas in, eine Diffusion durch und ein Wiederverdampfen aus der die Poren füllenden Flüssigkeit, ohne die Flüssigkeit aus den Poren herauszudrängen. Bei einem solchen Test zeigt ein Filter mit einer unerwünscht großen Porengröße oder mit einem Defekt relativ hohe Gasströmungsraten als Ergebnis des über dem tatsächlichen Blasenpunkt des Filters liegenden Testdrucks.
Sowohl der Diffusions- als auch der Blasenpunkt-Integritätstest erfordern, dass das Filter vollständig mit einem geeigneten Fluid benetzt wird. Die Auswahl des Benetzungsfluids hängt von dem Filtermaterial des Aufbaus ab. Typischerweise wird Wasser als Benetzungsfluid bei Tests mit hydrophilen Filtern eingesetzt. Gemische von Alkohol/Wasser werden typischerweise zur Benetzung hydrophober Filtermedien verwendet. Diese Alkohol/Wasser-Gemische weisen Mängel auf, welche die routinemäßige Anwendung von Integritätstests an hydrophoben Filtern einschränken. Alkohollösungen stellen ein Sicherheitsrisiko (Explosion) dar, sind nach dem Test schwer aus dem Filter auszuspülen, und erfordern große Mengen an Spülwasser. Alkohol-Integritätstests können ziemlich variabel sein, solange sie nicht infolge der Alkoholverdampfung streng kontrolliert werden, was speziell bei Temperaturen zwischen 25 und 30°C zutrifft. Schließlich werden Alkohol/Wasser-Integritätstests typischerweise offline durchgeführt, um eine Verunreinigung der stromabwärtigen Leitungen mit Alkohol zu vermeiden.
Eine alternative Technik, die in jüngster Zeit kommerziellen Erfolg bei der Beurteilung der Unversehrtheit von Filtern erzielt hat, ist die Wasserströmungsraten-/Intrusionsdruckbestimmung, nachstehend als Wasserströmungstest bezeichnet. Dieser Test, der für hydrophobe Filter besonders geeignet ist, wird mit einem konstanten Druck durchgeführt und ist ähnlich der Diffusions-Strömungsratenbestimmung mit der Ausnahme, dass bei dem Wasserströmungstest das Filter oder die Membran anfänglich trocken ist und der Druck, mit der Wasser in das Filter oder die Membran eindringt und diese durchdringt, aufgezeichnet wird. Der Intrusionsdruck, der eine Filtereigenschaft analog dem Blasenpunktdruck (Gleichung 1) ist, steht in umgekehrter Beziehung zur Porengröße und wird daher mit Recht zur Anzeige der relativen Porengröße verschiedener Membranen verwendet und kann korreliert werden, um eine Retentionseffizienz zu bestimmen. Somit kann der Intrusionsdruck wie folgt ausgedrückt werden: PINTRUSION = –4Kσcos(θ)/d (Gleichung 2)wobei die Variablen die gleichen wie die in Gleichung 1 definierten sind. Es ist anzumerken, dass das Negativzeichen sich aus der Tatsache ergibt, dass der Kontaktwinkel von Wasser an einem hydrophoben Feststoff größer als 90° ist und somit der Cosinus dieses Winkels negativ ist.
Es gibt zwei Messtechniken, die kommerziell eingesetzt werden, um die Strömungsraten im Zusammenhang mit Testen von Filtern zu bestimmen, die jeweils Diffusions-, Blasenpunkt- und Wasserströmungstests umfassen, nämlich die Druckabfall- und Massenströmungsmessungstechniken. Bei der Druckabfalltechnik wird die Strömungsrate bestimmt, indem zunächst das Filter einem konstanten Druck an oder unter dem Blasenpunkt oder Intrusionsdruck ausgesetzt wird und anschließend das Filter von der Druckquelle isoliert wird und der Druckabfall überwacht wird, der infolge der Diffusion oder der Masseströmung (Konvektion) von Gas oder Flüssigkeit durch das Filter auftritt. Eine Korrelation des gemessenen Druckabfalls mit der Bestimmung eines unversehrten Filters oder einer Porengrößenverteilung wird durch Anwendung des idealen Gasgesetzes bewerkstelligt. Bei der Masseströmungstechnik wird der auf das Filter einwirkende Druck konstant gehalten und die Strömungsrate direkt mittels eines Masseströmungsmessers gemessen. Die Genauigkeit der Druckabfalltechnik wird durch die Fähigkeit kontrolliert, die Größe des konstanten Gasvolumens zu bestimmen, innerhalb dessen die Druckmessungen vorgenommen werden (typischerweise des Filtergehäuses). Diese Größenbestimmung ist typischerweise der erste in der Testprozedur vorgenommene Arbeitsgang, und die Genauigkeit nachfolgender Strömungsratenbestimmungen wird durch die Volumengrößenbestimmung diktiert. Da bei der herkömmlichen Masseströmungstechnik die Strömungsrate direkt bestimmt wird, ist eine Volumenbestimmung nicht erforderlich, vorausgesetzt die Temperatur ist eine Umgebungstemperatur und stabil. Unter Bedingungen, bei denen eine Masseströmungs-Messtechnik auf einen Test bei erhöhten Temperaturen angewandt wird, oder wenn es während des Tests zu Temperaturschwankungen kommt, ist eine Volumenbestimmung auch bei dieser Technik erforderlich, um Genauigkeit zu gewährleisten. Die genaue Bestimmung des Gasvolumens, das sowohl bei der Blasenpunkt- als auch der Diffusionsfilter-Integritätstesttechnik konstant ist, ist eine Kontrollgrenze für die Testgenauigkeit.
Im Fall des Testens der Integrität bzw. Unversehrtheit hydrophober Filter mittels der Technik des Wasserströmungstests wird die stromaufwärtige Seite eines trockenen hydrophoben Filters Wasser unter einem konstanten Druck ausgesetzt, der gleich oder geringfügig unter dem für das Filter erforderlichen minimalen Intrusionsdruck liegt, und eine Messung der Wasserströmungsrate in das Filtergehäuse wird vorgenommen. Diese Messung wird vorzugsweise an der stromabwärtigen Seite des Filters vorgenommen, entweder durch Messen der Wasserströmung direkt mit einem Strömungsmesser oder durch Messen des Drucks als Funktion der Zeit in einem angrenzenden Gasraum und Berechnen der Gasvolumen-Expansionsrate, die der Wasserströmungsrate genau gleichkommt.
Die letztere Messung wird derzeit durch automatisierte Testvorrichtungen durchgeführt. Es ist aber auch möglich, die stromabwärtige Gasströmungsrate zu messen und diese der stromaufwärtigen Wasserströmungsrate gleichzusetzen, da sich das stromaufwärtige Wasser, die Membran und die stromabwärtige Luft alle annähernd gemeinsam in einer kolbenartigen Weise bei Drücken unter dem Intrusionsdruck der Membran bewegen. Die gleichen, oben diskutierten Prinzipien treffen auch auf hydrophile Filter zu, außer dass eine nicht-benetzende Flüssigkeit statt Wasser eingesetzt wird.
Im Gegensatz zum Diffusionstest sind die relativ niedrigen Wasserströmungsraten, die bei einem Wasserströmungstest beobachtet werden, der bei einem Druck unter dem normalen Wasserintrusionsdruck durchgeführt wird, nicht auf Gasdiffusion zurückzuführen. Stattdessen ergibt sich die Wasserströmung aus strömendem Wasser zum Auffüllen des Volumens, das durch mechanische Änderungen in der Struktur des Filters leergeworden ist, wie es sich beim Verschieben, Kompaktieren und Strecken des Filters ergeben kann, wenn es einem solchen Druck ausgesetzt ist. Diese strukturellen Änderungen werden bei einer gefalteten bzw. geriffelten Membran sehr stark, die bei vielen großflächigen Filtern eine übliche Struktur ist. Bei einem konkreten Wasserströmungstest für gefältelte bzw. geriffelte Membrankartuschen deutet eine beobachtete niedrige Strömungsrate vorwiegend nur auf eine Faltungskompaktierung und damit auf ein unversehrtes Filter hin. Andererseits deutet eine starke Strömungsrate vorwiegend auf eine Wasserströmung durch unerwünscht große Poren hin, was einen Defekt bedeutet, der beim Testdruck intrudiert wird.
Der Wasserströmungstest bietet einen bedeutenden Vorteil für hydrophobe Filter im Vergleich zu Blasenpunktbestimmung und Diffusionstest, indem die Notwendigkeit der Anwendung einer Flüssigkeit mit niedriger Oberflächenspannung, z. B. eines Alkohols oder eines Alkohol-Wassergemischs zum anfänglichen Benetzen des hydrophoben Filters eliminiert wird. Wie vorher erwähnt wurde, stellt die Verwendung solcher Flüssigkeiten Sicherheits- und Entsorgungsprobleme, die beim Wasserströmungstest nicht existieren. Die Anwendung eines auf Wasser basierenden Tests gestattet es, Filterintegritätstests in-situ ohne spezielle Einrichtungen wie Hauben und dergleichen durchzuführen. Solche Tests können auch unmittelbar nach einer Dampfsterilisierung bei erhöhten Temperaturen durchgeführt werden.
Wie oben erläutert wurde, werden auch Druckabfall- oder Masseströmungs-Messtechniken beim Wasserströmungstest eingesetzt. Der Einsatz dieser Techniken im Wasserströmungstest erfordert aber die Bestimmung des Gasvolumens innerhalb des umschlossenen Filtertestvolumens unter Bedingungen, bei denen das Gasvolumen sich infolge der Kompaktierung der Kartuschenfaltung kontinuierlich ändert. Infolgedessen ist im Gegensatz zum Fall der Diffusion oder des Blasenpunkts das Gasvolumen nicht konstant, sondern nimmt kontinuierlich zu, wenn die Filterkartusche kompaktiert wird. Daher ist die Anwendung des Wasserströmungstests mit hoher Genauigkeit durch die Fähigkeit, kumulativ diese kontinuierlichen Volumenänderungen zu berücksichtigen, stark eingeschränkt. Selbst nachdem die Gasvolumenbestimmung abgeschlossen ist, erfordert das letzte Segment des Integritätstestprotokolls, dass das Filter auf den Testdruck gebracht wird und eine abschließende Strömungsratenbestimmung vorgenommen wird. Bei allen diesen Schritten setzt die Kartusche kontinuierlich ihre Expansion und/oder Änderung ihrer mechanischen Struktur fort, und das Volumen des umschlossenen Raums, in dem die Messung vorgenommen wird, nimmt so über das vorher bei der Gasvolumen-Bestimmungsphase des Tests berechnete (Volumen) zu.
Wie in "Membrane & Separation Technology News", Januar 1995, veröffentlicht wurde, haben Fachleute tatsächlich festgestellt, dass die Präsenz von störenden Faltungskompressionseffekten die Anwendbarkeit des Wasserströmungstests bei der Bewertung gefältelter Filterpatronen bzw. Filterkartuschen verhindert. Letztendlich kann eine ungenaue Berücksichtigung oder Vernachlässigung dieser Volumenänderungen im Zeitverlauf zu signifikanten Fehlern bei der Bestimmung der Wasserströmungsrate führen, was in der Interpretation des Druckabfalls als Strömungsrate resultieren würde, die kleiner ist, als sie tatsächlich ist, wodurch sich ein falscher Hinweis darauf ergeben würde, dass ein gemessenes Filter innerhalb akzeptabler Porengrößenlimits liegt, wenn das Filter tatsächlich eine größere Porengröße als ihre bemessene Porengröße aufweist oder das Filter unversehrt ist, wenn es tatsächlich Defekte enthält.
Trotz der oben festgestellten Vorteile des Wasserströmungstests sind die Auswirkungen der kontinuierlichen Volumenänderung im Zusammenhang mit der Kompaktierung und dem Kriechverhalten oder anderen strukturellen Änderungen im Filter eine Fehlerquelle, besonders dann, wenn Filter mit kleinen Flächen gestestet werden, oder wenn Filtervorrichtungen mit kleinen Porengrößen beurteilt werden. Dies trifft dann zu, wenn kleine Gasvolumen entweder mit einem Druckabfallsystem oder einem Masseströmungs-Messsystem bei Nicht-Umgebungstemperaturen gemessen werden. Da die von dieser materiellen Kompaktierung in diesen Fällen verursachte gemessene Wasserströmungsrate so klein am unteren Ende des Messbereichs ist, ist es schwierig, sie von der Gesamtströmungsrate, d. h. der Verbundströmungsrate, infolge struktureller Änderungen plus der der Flüssigkeitsintrusion in die Poren und deren Entweichen aus den Poren zuzuschreibende Strömungsrate zu unterscheiden. Diese letztere Strömung wird dazu verwendet, die Kriterien zur Bemessung der Porengröße des Filters oder zur Bestimmung seiner Unversehrtheit aufzustellen. Wie bemerkt wurde, kompliziert die Kompaktierung Bemessungsbemühungen, da sich das Volumen konstant ändert, und dies hat Filterhersteller dazu geführt, den Wasserströmungstest anzuwenden, um von da an den "Pass-Fail"-Kriterienpegel für zu testende Filter höher anzusetzen als erforderlich, wodurch durch unangemessenes Zurückweisen anderweitig akzeptabler Filter die Erträge gesenkt wurden.
Daher wäre es erwünscht, als Teil eines Wasserströmungs-Filterintegritätstests eine Messtechnik einzusetzen, die:

1. die kumulative Volumenexpansion der im Test befindlichen Filterstruktur genau bestimmt,
2. diese kumulative Volumenexpansion unabhängig von der Testprozesssteuerung bestimmt,
3. Änderungen in dem gemessenen Wert offensichtlicher macht, da der aufgebrachte Druck über dem Bereich abgenommen wird, über dem die verschiedenen Porengrößen intrudiert werden, was zu einer genaueren Beschreibung der relativen Porengrößenverteilung führt, und
4. den gemessenen Wert für ein fehlerhaftes Filter bei einem einzigen Druck unterhalb des erforderlichen Intrusionsdrucks, offensichtlicher gegenüber denjenigen Werten für normale, unversehrte Filter hervorhebt.

Es liegt auf der Hand, dass zur bestmöglichen Ausnutzung des oben genannten Wasserströmungstests, damit er genauer ist als ein auf Alkohol basierender Diffusionstest, eine dynamische Analyse durchgeführt werden muss, welche kumulativ das sich ändernde Gasvolumen und die diesem zugeordnete Strömungsrate im Verlauf der Zeit bestimmt, wenn die Integrität bzw. Unversehrtheit des Filters getestet wird. Die Bestimmung der kumulativen dynamischen Volumenexpansion ist notwendig, um die Anwendung des Wasserströmungstests auf Filter mit kleinen Flächen auszudehnen.
ABRISS DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile und Beschränkungen des Standes der Technik durch Bereitstellen einer verbesserten Technik zum genauen Testen der Integrität oder Porengrößenverteilung eines porösen Filters mittels Flüssigkeitsintrusions- und Wasserströmungs-Messverfahren. Die verbesserte Messtechnik beruht auf der Fähigkeit, die Änderungen in der Filterstruktur zu kontrollieren und richtig zu bestimmen, beispielsweise infolge einer Filterkompaktierung oder eines Kriechvorgangs, der aus Druckkräften resultiert, wenn Druck auf die Oberfläche des Filters aufgebracht wird, und die geeigneten Wasserströmungsraten mit der Integrität oder Porengrößenverteilung des zu testenden Filters zu korrelieren. Die Wirkung dieser Druckkräfte auf das Filter ist im Stand der Technik seit einiger Zeit bekannt gewesen, ebenso wie der sich daraus ergebende Effekt der Herstellung einer kontinuierlichen Flüssigkeitsströmungsrate, die von ausreichender Signifikanz sein kann, um das Vorhandensein eines mangelhaften Filters während des Integritätstests zu verschleiern. Trotz der Tatsache, dass diese Erscheinung Fachleuten bekannt war, sind bisher keine erfolgreichen Versuche zur Überwindung bzw. Beseitigung dieser Störung berichtet worden.
Diese Erfindung basiert auf der Entdeckung, dass alle Filter auf aufgebrachte Drücke im Zeitverlauf auf identische Art und Weise reagieren, und dass die Änderung der Filterstruktur gänzlich und unmittelbar ohne signifikante Hysterese reversibel ist, wenn der aufgebrachte Druck abgesetzt wird. So stellte sich heraus, dass das charakteristische Ansprechverhalten der Volumenänderung im Zusammenhang mit der Druckbeaufschlagung einer Filterstruktur proportional zu dem aufgebrachten Druck ist und eine nicht-lineare Funktion der Zeit und der Temperatur ist. Das charakteristische Ansprechverhalten kann durch die folgende Beziehung modelliert werden. Vc = [APLog(t + d) + BPt]*exp(α(T – RT)/RT) (Gleichung 3)wobei:
V_c die Volumenänderung der Filterstruktur darstellt, die sich aus der Aufbringung eines Intrusionsdrucks ergibt,
A, B und d für den getesteten Filtermaterialtyp spezifische Koeffizienten sind, welche die Größe der Volumenänderung darstellen, und vom Filtermaterial und der Filterkonfiguration abhängen,
T die Temperatur in °K ist,
RT eine Raumtemperatur von 23°K ist,
α eine Konstante ist, welche die Temperaturabhängigkeit der Filtervolumenänderung reflektiert,
P der aufgebrachte Druck (psig) ist, und
t die verstrichene Zeit von der Druckbeaufschlagung an ist (Minuten).
Mittels der in Gleichung 3 gegebenen Beziehung kann die Volumenänderung im Zusammenhang mit einer Druckbeaufschlagung oder Druckabsetzung bei integralen Filtern genau und explizit zu allen Zeitpunkten während eines Testzyklus bestimmt werden. Mittels dieser Beziehung können Änderungen der Verbundströmungsrate (d. h. die Änderungen der Strömung infolge der Filterstruktur plus der Strömung infolge der Flüssigkeitsintrusion) richtig bewertet werden, und die Komponente der Strömung im Zusammenhang mit einer Komprimierung des Filters kann von der tatsächlichen Flüssigkeitsströmung, die sich aus der Intrusion in die Poren des Filters ergibt, unterschieden werden, um genau die Porengröße des getesteten Filters oder eines defekten Filters zu bestimmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit dem spezifischen Testbeispiel der Integrität einer gefältelten, geriffelten Membranfilterkartusche ist der Test in zwei Phasen unterteilt, wobei der erste zur Bestimmung der Größe des Gasvolumens in dem Testsystem auf einer kontinuierlichen und kumulativen Basis dient, und der zweite dazu, die Kartusche einem Testdruck auszusetzen, der typischerweise gleich oder geringer ist als der Intrusionsdruck, um die Porengröße oder Integrität bzw. Unversehrtheit der gefältelten Membran zu bestimmen. Die Berücksichtigung der Volumenänderung infolge einer Druckbeaufschlagung und einer anschließenden Kompaktierung der Falten kann mittels eines Ausdrucks des durch Gleichung 3 dargestellten Typs vorgenommen werden, wobei jeder der vier einstellbaren bzw. anpassbaren Koeffizienten, die charakteristisch für das Filterkartuschenmaterial und den Konfigurationstyp sowie die Testtemperatur sind, durch unabhängige Experimente festgelegt bzw. bestimmt wird. Eine explizite Aufnahme dieses Ausdrucks in die ideale Gasgesetzgleichung bestimmt genau das Gasvolumen bei jedem Druck und zu jeder Zeit (d. h. die explizite Bestimmung). Alternativ wurde basierend auf der vorgenannten Entdeckung und Charakterisierung des Ansprechverhaltens der Änderung der Filterstruktur auf den beaufschlagten Druck herausgefunden, dass zu Zeitpunkten nach der anfänglichen Druckbeaufschlagung (z. B. 15 Sekunden) eine Näherungslösung des exponentiellen Terms von Gleichung 3 mit einem linearen Ausdruck erfolgen konnte. Somit könnte man, statt die mit der Kartusche zusammenhängende Volumenänderung durch ein unabhängiges Experiment zu bestimmen, diese lineare Näherung (einschließlich ihrer unbekannten Konstanten) zusammen mit der idealen Gasgesetzbeziehung verwenden und gleichzeitig sowohl das unbekannte Gasvolumen als auch die unbekannte Konstante während der Gasvolumen-Bemessungsphase des Integritätstests bestimmen (d. h. die implizite Bestimmung). Bei der impliziten Bestimmung werden Messungen von Druckabfallwerten bei zwei aufgebrachten Drücken unter dem Intrusionsdruck benötigt, um die zwei Unbekannten aufzulösen.
Andere Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Testaufbaus zur Durchführung von Wasserströmungstests gemäß der vorliegenden Erfindung,
2 eine schematische Darstellung eines Testaufbaus zur Bestimmung des charakteristischen Ansprechverhaltens, Volumenänderungen eines Filters gegenüber Druck gemäß der vorliegenden Erfindung,
3 eine graphische Darstellung des charakteristischen Ansprechverhaltens der Volumenänderung einer hydrophoben, gefältelten Membranfilterkartusche im Verlauf der Zeit unter einem konstanten aufgebrachten Druck bei konstanter Temperatur,
4 eine graphische Darstellung der Druckbeaufschlagung und des Absetzens von Druck einer Membranfilterkartusche mit einer aus Teflon^®-Polymer hergestellten Membran zur Veranschaulichung der rapiden Umkehrbarkeit des charakteristischen Ansprechverhaltens der Volumenänderungen,
5 eine graphische Darstellung zum Vergleich des Fehlers im gemessenen Volumen von einem bekannten Referenzvolumen gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Fehlerbestimmung des gemessenen Volumens von dem bekannten Referenzvolumen herkömmliche Diffusions-Integritätstesttechniken einsetzt,
6 eine graphische Darstellung zum Vergleich des Fehlers in der gemessenen Flüssigkeitsströmungsrate von simulierten mangelhaften Kartuschenfiltern mit künstlich eingebrachten Lecks gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Fehlerabweichung in der bestimmten Flüssigkeitsströmungsrate herkömmliche Diffusions-Integritätstesttechniken einsetzt, und
7 eine schematische Darstellung der verwendeten Vorrichtung zur Erzeugung und Messung von Volumen- und Strömungsratenänderungen simulierter mangelhafter Kartuschenfilter.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein System 10 zum Bestimmen der Integrität und/oder Porengrößeneigenschaften poröser Membranfiltervorrichtungen mittels Wasserintrusionsdruckverfahren. Das System umfasst ein abgeschlossenes Gefäß 11 bekannten volumens zur Aufnahme von Wasser, das als Teil des Wasserströmungstests zu verwenden ist. Dieses Gefäß weist einen Luftraum 20 über dem Wasser auf, der mit einer Druckquelle (nicht dargestellt) verbunden ist. Das Gefäß ist mit einem Testgehäuse 12 mittels einer Leitung 13 verbunden. In dem Gehäuse ist eine poröse gefältelte hydrophobe Membranfilterkartusche 14 so positioniert, dass sie direkt auf der Oberfläche der gefältelten Membran (nicht dargestellt) aus dem Gefäß in das Gehäuse strömendes Wasser empfängt. Diese Ausführungsform der Membranfilterkartusche ist zwar eine hydrophobe gefältelte Membrankartusche, die Prinzipien dieser Erfindung erstrecken sich jedoch auf alle Typen von Membranfiltern, ob sie nun in Vorrichtungen oder einfach nur in Lagen- oder Rohrform hergestellt sind. In den rechtswirksamen Schutzumfang der vorliegenden Erfindung sind auch Membranfilter mit polymerer Mikrofiltration, Ultrafiltration und Umkehrosmose sowie Filter dieser Typen aufgenommen, die aus anderen Materialien hergestellt sind und die strukturelle Änderungen unter Druck und einer anschließenden Umkehr ohne signifikante Hysterese erfahren, wenn der aufge brachte Druck abgesetzt wird. Ferner betreffen die hier offenbarten Prinzipien ebenfalls das Testen hydrophiler Membranfilter, wenn ein nicht-benetzendes Fluid verwendet wird.
Gemäß der Konfiguration tritt das druckbeaufschlagte Wasser in das Testgehäuse 12 ein, wird zu der Filterkartusche 14 geleitet und beaufschlagt alle Oberflächen der in der Kartusche hergestellten porösen Membran. Wenn die gefältelte Kartuschenstruktur dem aufgebrachten Testdruck ausgesetzt wird, kollabiert sie, wobei das Volumen in dem Kartuschenfilter infolge der Faltungskompaktierung erhöht wird. Für eine 10 Inch (25 cm) lange gefältelte Kartusche beträgt diese Volumenänderung annähernd 36 Milliliter. Diese starke Volumenzunahme tritt in weniger als 30 Sekunden, typischerweise in 15 Sekunden auf, und danach erfolgt kontinuierlich eine Änderung von etwa 0,1 ml/min bei einem aufgebrachten Druck von 38 psig (2,6 Bar). Aus dem Gefäß 11 strömt Wasser, um dieses Volumen aufzufüllen, und der Luftraum 20 nimmt entsprechend zu. Bei der Druckabfall-Messtechnik ist das druckbeaufschlagte geschlossene Gefäß 11 von der eingesetzten Druckquelle isoliert. Die Expansion des Luftraums 20 infolge des Kollabierens der Fältelung ergibt einen Druckabfall, der von einem Monitor 22, einem genauen Druckwandler, der an den Wänden des Gefäßes 11 angebracht ist, erfasst wird, und der gemessene Druckabfall erzeugt ein Wasserströmungsratensignal entsprechend herkömmlichen Techniken.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist festgestellt worden, dass alle Filtervorrichtungen ungeachtet von Material und Konfiguration auf einen aufgebrachten Druck auf identische Weise reagieren und dass die Änderung der Filterstruktur (die eine Volumenänderung erzeugt) infolge des aufgebrachten Drucks gänzlich und unmittelbar ohne Hysterese reversibel ist, wenn der aufgebrachte Druck abgesetzt wird. Ein Beispiel des charakteristischen Ansprechverhaltens, das diese Volumenänderung darstellt, ist in der obigen Gleichung 3 gegeben. Wie daraus zu ersehen ist, umfasst die Gleichung 3 einen Satz von vier Koeffizienten, die dem Material des Filters, seiner Konfiguration und der Testtemperatur zugeordnet sind. Für ein gefälteltes Kartuschenfilter charakterisiert der Koeffizient "A" das Volumen im Zusammenhang mit der unmittelbaren Kompaktierung der Faltungen und hängt von der Anzahl von Faltungen, der Faltungshöhe, der Kartuschenlänge und der Temperatur ab. Der Koeffizient "d" ist die spezifische Kartuschenvolumenänderung nach einer vorbestimmten Zeit (z. B. 15 Sekunden) der Druckbeaufschlagung. Der Koeffizient "B" ist vorwiegend die Volumenänderung im Zeitverlauf im Zusammenhang mit einem "Kriechen" von Material in offene Bereiche der Filterhalterungskonfiguration und bezieht sich auf das Material, die Halterungskonfiguration und die Temperatur. Schließlich reflektiert der Koeffizient "α" die Temperaturabhängigkeit der Filtervolumenänderung. Es ist anzumerken, dass die spezifische Definition des Koeffizienten "d" von der genauen mathematischen Beziehung abhängt, die zur Darstellung der Reaktionskurve angenommen wird. Bei flachen Membranfiltervorrichtungen wie Scheibenfiltern wird nur der Koeffizient "B" benötigt, um die Reaktion auf angemessene Weise darzustellen. Dies trifft auch für Hohlfasermembranen zu, vorausgesetzt sie sind starr und blähen sich nicht unter dem aufgebrachten Druck auf.
Unabhängige Bestimmung des charakteristischen Ansprechverhaltens
Um bei dem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführten Wasserströmungstest mit der expliziten Bestimmung von Nutzen zu sein, muss jeder der Koeffizienten A, B und d a priori durch einen Satz unabhängiger Experimente bestimmt werden. Zu diesem Zweck bleibt das Gefäß 11 nicht mehr von der Druckquelle isoliert, sondern es wird stattdessen kontinuierlich ein konstanter Druck auf die Filterkartusche 14 aufgebracht. Das zur Charakterisierung des Ansprechverhaltens verwendete System ist in 2 dargestellt und umfasst ein geschlossenes Gefäß 110 zur Aufnahme von Wasser, das einen Luftraum 200 über dem Wasser aufweist, der mit einer (nicht dargestellten) Druckquelle verbunden ist. Das Gefäß ist mit einem Flüssigkeitssäulenglas 220 zur Betrachtung des Flüssigkeitspegels ausgestattet. Vorzugsweise ist auch ein Druckmonitor 250 vorgesehen, um den Flüssigkeitspegel durch eine Messung des Kopfdrucks zu bestimmen. Das Gefäß ist mit einem Gehäuse 120 mittels einer Leitung verbunden. In dem Gehäuse ist eine poröse gefältelte Membranfilterkartusche 140 angebracht, die so positioniert ist, dass sie direkt auf ihrer Oberfläche von dem Gefäß in das Gehäuse strömendes Wasser aufnimmt. Nach der Konfiguration tritt das druckbeaufschlagte Wasser in das Testgehäuse ein, wird auf die Filterkartusche 140 gerichtet und beaufschlagt alle Oberflächen des innerhalb der Kassette hergestellten Membranfilters (nicht dargestellt). Wenn die gefältelte Kartuschenstruktur dem konstant aufgebrachten Testdruck ausgesetzt ist, kollabiert sie und erhöht das Volumen in der Filterkartusche. Von dem Gefäß 110 strömt Wasser nach, um dieses Volumen zu füllen, und der Wasserpegel in dem Gefäß 110 fällt entsprechend ab. Die Änderung des Flüssigkeitspegels wird direkt gemessen, um die Dynamik der Volumenänderungsreaktion aufzustellen. Die Messung der Flüssigkeit kann durch verschiedene Methoden vorgenommen werden. Sie kann visuell mit dem am Gefäß 110 angebrachten Schauglas 220 oder durch den Druckmonitor 250 bestimmt werden, einen genauen Differenzialdruckwandler zum Messen des Drucks zwischen dem Luftraum 200 und dem Flüssigkeitspegel in dem Gefäß 110. Alternativ kann ein präzises Rotameter oder eine vergleichbare Flüssigkeitsströmungs-Messvorrichtung stromauf des Gehäuses 120 untergebracht werden, um die mit der Reaktion auf den aufgebrachten Druck zusammenhängende Wasserströmung zu messen. Dieser Charakterisierungstest wird bei konstanter Temperatur und konstantem Druck vorgenommen, und die Änderung des Flüssigkeitspegels wird als Funktion der Zeit überwacht. Ähnliche Experimente können als Funktion des Drucks und der Temperatur durchgeführt werden. Diese Daten können dann kombiniert werden, um die besten Werte für A, B und d sowie für α in Gleichung 3 zu bestimmen, welche diesen Datensatz für jeden Kartuschenmaterialtyp modelliert.
Die Werte der vier in Gleichung 3 erforderlichen Koeffizienten werden aus der gemessenen Volumenänderungsreaktion wie folgt bestimmt. Der Wert von "d" wird aus der Volumenänderung eine Minute nach der Druckbeaufschlagung berechnet. Der Wert von "A" wird auf gleiche Weise nach etwa 5 bis 10 Minuten bestimmt. Der Wert des Koeffizienten "B" wird durch die Neigung bzw. Steigung der annähernd geraden Linie zu Zeiten über 10 Minuten bestimmt. Der Wert von α wird durch Einstellen des Wertes von "A" bei unterschiedlichen Temperaturen und entsprechendes Reduzieren der Werte von "B" und "d" bestimmt. Eine verbesserte Genauigkeit wird erzielt, wenn die Werte von "A" und "B" gleichzeitig durch einen herkömmlichen Dateneinsetzalgorithmus unter Verwendung von Fachleuten bekannten Techniken bestimmt werden, vorausgesetzt, dass "d" mit einer Minute definiert ist.
Bestimmung des Systemvolumens bei einem die Ausführungsform verkörpernden Integritätstest
Der Integritätstestvorgang besteht aus zwei unterschiedlichen Schritten, einem Dimensionierungsschritt und einem Strömungsraten-Bestimmungsschritt. Während des Bemessungs- bzw. Dimensionierungsschritts wird das gesamte System 10 zunächst bei niedrigem Druck stabilisiert. Nach dieser Stabilisierung wird ein bekanntes Gasvolumen unter erhöhtem Druck dem umschlossenen Gefäß 11 hinzugefügt, um den Gasvolumendruck auf einem Zwischenwert über dem Stabilisierungsdruck, aber unter dem gewünschten Testdruck anzugeben. Da das Filter bei diesem Zwischendruck rasch strukturelle Änderungen erfährt, wird ein entsprechender Druckabfall gemessen. Dieser Druckabfall kann dazu verwendet werden, die Größe des Volumens des Luftraums 20 zu berechnen, wie weiter unten erläutert wird. Anschließend wird das gesamte System 10 auf den Testdruck angehoben und ein Druckabfall von diesem Druck bewerkstelligt, aus dem die Strömungsrate bestimmt wird. Bei vorbekannten Wasserströmungs-Integritätstests wurde dieser Druckabfall in Kombination mit dem Volumen verwendet, das im vorangehenden Schritt berechnet wurde, um die gewünschte Flüssigkeitsströmungsrate zu bestimmen. Der Prozessschritt des Anhebens (des Drucks) des Systems 10 auf den Testdruck und die anschließende Durchführung des Tests verbrauchen eine finite Zeitspanne, deren Dauer eine weitere Volumenexpansion ergibt, die nicht in der vorherigen Luftraumvolumenbestimmung enthalten ist. Daher ergibt die Strömungsrate, die mittels des künstlich kleinen Volumens berechnet wird, eine inkorrekt niedrige Strömungsrate, was es erlaubt, mangelhafte Filterelemente als "brauchbar" erscheinen zu lassen.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, das Volumen des Luftraums 20 zur Zeit und mit dem Druck des Tests genau zu bestimmen, wobei der Schritt eine genaue Bestimmung des exakten Volumens des Luftraums bei der Strömungsratenbestimmung erfordert. Dies erfolgt durch angemessene Berücksichtigung aller Volumenänderungen, die während des Bemessungsschritts und während der Zeit im Zusammenhang mit der Aufstellung der Strömungsratenbestimmung vorkommen, und durch Hinzufügen dieser Volumenänderungen zu dem Volumen des Luftraums vor der Anwendung irgendeines Drucks (als "Initialvolumen" bezeichnet), der während des Bemessungsschritts der Testprozedur bestimmt wird.
Das Initialvolumen des Gasraums wird durch Messen der Druckänderungen bestimmt, die sich aus dem Hinzufügen eines bekannten Gasvolumens oder einer bekannten Gasmasse bei erhöhtem Druck zu dem Gasraum ergibt, und durch Berechnen der entsprechenden, sich aus dem hinzugefügten bekannten Volumen oder der bekannten Masse von Gas ergebenden Volumenänderung und durch Subtrahieren eines zweiten kleineren kumulativen Gasvolumens zu der Zeit des Berechnungsschritts, wobei das zweite Volumen gemäß dem charakteristischen Ansprechverhalten bestimmt wird, um zu dem Initialvolumen zu gelangen.
Luftraum-Bemessungsschritt
Um wirksam zu sein, erfordert ein Wasserströmungs-Integritätstest, der mit der Druckabfalltechnik (oder einer Masseströmungstechnik unter Nicht-Umgebungstemperatur- oder variierenden Temperaturbedingungen) durchgeführt wird, dass das Volumen des Luftraums 20 zur Zeit des Tests genauer bestimmt wird, ein Prozess, der oft als Bemessungsschritt bezeichnet wird. Dieser Schritt wird durch Anheben des gesamten Systems 10 auf einen anfänglichen Stabilisierungsdruck Ps und anschließendes Einleiten von einem unabhängigen Gasbehälter eines Volumens V_T einer bekannten Anzahl von Gasmolen bei erhöhtem Druck P_T in den Luftraum 20 vorgenommen. Die gemessene Druckreaktion auf die Einleitung von Gas kann im Zusammenhang mit dem idealen Gasgesetz verwendet werden, um das Volumen des Luftraums 20 zu berechnen. Wenn die Masseströmungstechnik eingesetzt wird, wird die bekannte Anzahl von Molen durch die Gasströmung über eine definierte Zeitspanne zugesetzt, und die gemessene Druckreaktion wird, wie hier beschrieben ist, angewandt.
Wie oben erläutert wurde, expandiert der Luftraum 20 konstant infolge der Kompression des Filterelements. Daher enthält das Volumen des Luftraums, das von dem einheitlichen Gas unter erhöhtem Druck berechnet wurde, auch zusätzlich die unmittelbare kumulative Volumenänderung im Zusammenhang mit dem Einleiten des Stabilisierungsdrucks, ein zusätzliches kumulatives Volumen im Zusammenhang mit der Expansion des Filters bei diesem Druck und zu dieser Zeit, d. h., wenn die Berechnung vorzunehmen ist. Um das Luftraumvolumen zu allen Zeiten und Drücken genau zu bestimmen, wird vorgesehen, dass dieses Volumen aus zwei Volumen besteht, von denen eines das Luftraumvolumen vor dem Start des Tests ist, d. h. das Initialvolumen, und das andere die Volumenexpansion im Zusammenhang mit dem Filter ist, was für ein integrales Filter die bekannte, sich aus den strukturellen Änderungen des Filters infolge von Druckbeaufschlagung ergebende Volumenänderung ist. Daher muss beim Bemessungs- bzw. Dimensionierungsschritt das Initialvolumen bestimmt werden.
Zu diesem Volumen kann die auf das Filter bezogene Volumenexpansion zu jeder Zeit und bei jedem Druck hinzugefügt werden, beispielsweise durch Anwendung von Gleichung 3, um das Volumen des Luftraums 20 zur Testzeit genau zu bestimmen. Die Luftraummessung kann kurze Zeit nach dem Einleiten der bekannten Mole nach obiger Beschreibung durch Anwendung des idealen Gasgesetzes durchgeführt werden. Das Luftraumvolumen kann genau aus der zu dieser Zeit gemessenen Druckänderung bestimmt werden, wenn die resultierende Druckänderung in die Berechnung mit dem idealen Gasgesetz aufgenommen wird und die Filtervolumen-Änderungseffekte (Vc) zu drei zusätzlichen Zeitpunkten umfasst. Diese Effekte werden als das Produkt von Druck und Volumen ausgedrückt: 1) die Änderung in dem P₁*V_C-Produkt, bei der das Volumen V_C das mit der Kartuschenkompression verbundene ist, das bei einem Druck P₁ auftritt, der in dem System 10 unmittelbar vor dem Hinzufügen der Gasmole in dem Luftraum 20 (der auf einem Druck P_T ist) existiert; 2) die Änderung in dem P₂*V_C-Produkt, bei der das Volumen V_C das mit der Kartuschenkompression verbundene ist, das bei dem Druck P₂ auftritt, der der Gleichgewichtsdruck ist, der zur unmittelbaren Zeit der Einführung des Gases in den Luftraum existiert; und 3) die Änderung in dem P₃*V_C-Produkt, bei der das Volumen V_C das der Kartuschenkompression, die bei dem Druck P₃ zu der Zeit, zu der die Dimensionsberechnung durchgeführt wird, herrscht, zugeordnete (Volumen) ist. Die Drücke P₁, P₂ und P₃ können direkt gemessen werden und die Werte von V_C aus der charakteristischen Reaktion des getesteten Filters berechnet werden. Die Aufnahme dieser drei zusätzlichen Faktoren ermöglicht eine Berechnung der Dimension, um das Initialvolumen des Luftraums 20 zu ergeben. Das exakte Volumen des Luftraums 20 zur Zeit der Strömungsratenbestimmung mit dem Testdruck kann dann einfach durch Hinzufügen dieses berechneten Initialvolumens des Luftraums zu dem dem Komprimieren der Kartusche mit dem Testdruck und zur Testzeit, bestimmt aus Gleichung 3, zugeordneten kumulativen Volumen herausgefunden werden.
Bewertung der Volumenexpansionsterme (V_c)
Die drei Volumenexpansions-Korrekturterme nach obiger Erläuterung können mittels zwei Ansätzen bestimmt werden. Der direkte Lösungsansatz, d. h. die explizite Bestimmung, erfolgt durch die direkte Anwendung von Gleichung 3, sobald die Koeffizienten "A", "B" und "d" und α vorbestimmt worden sind. Das P_i*V_c-Produkt kann direkt durch Gleichung 3 mit diesem Druck und zu dieser Zeit bestimmt werden. Alternativ kann der Ausdruck der Gleichung 3 linearisiert werden (für Zeiten über 15 Sekunden nach einer Druckänderung), und zwar zu einem Ausdruck: Vc ~ Φt Gleichung 4wobei: Φ eine für das zu testende Filter spezifische Konstante ist.
Diese lineare Prozedur kann ohne die unabhängige Bestimmung der Koeffizienten "A", "B" und "d" benutzt werden.
Bei diesem Lösungsansatz, d. h. der impliziten Bestimmung, werden der Wert der Konstanten Φ und das Initialvolumen des Luftraums 20 während des Bemessungsschritts gleichzeitig berechnet. Falls dieser Lösungsansatz eingesetzt wird, ist die Testprozedur so ausgelegt, dass sie für die Einleitung zweier Gaseinspritzungen bekannter Mole jeweils bei aufeinanderfolgend höherem Druck, aber unter dem Intrusionsdruck sorgt. Die resultierenden Volumen- und Druckänderungen werden in die Berechnung mit dem idealen Gasgesetz aufgenommen, die bei jedem der zwei Drücke zur gleichzeitigen Bestimmung sowohl des Initialvolumens des Luftraums 20 als auch der unbekannten Konstante Φ errechnet wird. Wie oben erläutert wurde, müssen die P_i*V_c-Änderungen, die unmittelbar vor den Gaseinleitungen bestehen, zu dem Druck unmittelbar nach der Gaseinleitung und zur Zeit der Bemessungsberechnung in die Berechnungen aufgenommen werden, welche mit den resultierenden Druckdaten zusammenhängen.
Die abschließende Strömungsratenbestimmung
Sobald das Initialvolumen des Luftraums 20 entweder mittels der expliziten oder der impliziten Bestimmung genau bestimmt worden ist, wird das Testgehäuse 12 auf den Testdruck angehoben. Unter diesen Bedingungen komprimiert sich die Kartusche, um sich unter diesem Druck und der gesamten verstrichenen Zeit auszugleichen. Das Filter wird dann von der Druckzufuhr isoliert und der Innendruck zum Abfallen gebracht. Die Rate der Filterexpansion fällt entsprechend ab und das kumulative Volumen ändert sich weiter entsprechend dem gemessenen Druckabfall. Es ist diese Strömungsrate, die der Test der vorliegenden Erfindung bestimmen soll. Die zu jedem Zeitpunkt bestimmte Strömungsrate wird aus dem gemessenen Druckabfall und dem berechneten kumulativen Volumen berechnet, was die kumulierte Summe des Initialvolumens des Luftraums plus des Kartuschen-Kompressionsvolumens bei dem Druck und zu der Zeit der Bestimmung ist (einschließlich der weiteren Komprimierung der Kartusche, die aus der Isolierung des Filters zum Zeitpunkt der Strömungsratenbestimmung erfolgt). Daher kann, solange das kumulative Volumen kontinuierlich bestimmt werden kann, eine genaue Strömungsrate zu jedem Zeitpunkt aus dem gemessenen Druckabfall berechnet werden.
Integrale Filter gegenüber nicht-integralen Filtern
Beim Testen eines integralen Filters sollte das kumulative Volumen das Initialvolumen des Luftraums 20 im Gefäß 11 plus das aus der charakteristischen Reaktion der Filterkartusche 14 nach obiger Erläuterung berechnete Volumen aufweisen. Beim Testen eines nicht-integralen Filters ist das kumulative Volumen die Summe des Initialvolumens des Luftraums im Gefäß plus das aus der charakteristischen Reaktion des Filters berechnete Volumen plus die Volumenzunahme im Zusammenhang mit dem kumulativen Flüssigkeitsverlust aus dem System durch das Leck (kumulativ von Beginn der Druckbeaufschlagung zu Beginn des Tests). Diese zusätzliche Volumenänderung trägt auch zu den Druckänderungen bei, die während der Bemessungsschritte gemessen werden, und muss nicht in die Interpretation des gemessenen Drucks aufgenommen werden, um das Volumen des Luftraums 20 abzuleiten. Diese Terme sind kumulativ enthalten, wie es die Kartuschen-Kompressionsterme waren. Eine Aufnahme dieser Terme resultiert in der genauen Berechnung des Initialvolumens des Luftraums 20. Es ist anzumerken, dass der Flüssigkeitsverlust durch Lecks nicht davon abhängt, ob der aufgebrachte Druck den Intrusionsdruck der größten Poren überschreitet oder nicht.
Auf ähnliche Weise werden strukturelle Filteränderungen, begleitende Volumenänderungen sowie Wasserkonvektion diesem berechneten Initialvolumen bei der Bestimmung der endgültigen Strömungsrate hinzugefügt. Durch geeignete Berücksichtigung dieser unabhängigen Wirkungen in Befolgung der oben dargelegten Richtlinien kann der Anteil der Volumenänderung des Filters von dem Anteil infolge einer Flüssigkeitsströmung durch die defekten Filterporen getrennt werden.
Bestimmung der Filterintegrität/Porengröße
Die Integrität bzw. Unversehrtheit oder Porengröße eines Filters wird durch Vergleich der berechneten Strömungsrate eines "Testfilters" mit derjenigen einer vorbestimmten Spezifikation für unversehrte Filter des getesteten Typs bestimmt. In allen Fällen muss davon ausgegangen werden, dass das "Testfilter" nicht-integral ist und die interpretierten Druckmessungen nach obiger Erläuterung die kumulativen Effekte sowohl der strukturellen Filteränderungen als auch des konvektiven Wasserverlusts enthalten. Die Spezifikation (Integrität oder Nenn-Porengröße) wird aus dem Testen einer breiten Population bekannter integraler Filter erhalten, bei denen die Interpretation der Druckabfalldaten nur die kumulativen Effekte der strukturellen Änderungen im Zusammenhang mit diesem Filter umfasst. Die Bestimmung bekannter integraler Filter oder von Filtern mit Nenn-Porengrößen kann durch Beaufschlagung der Filter mit einer bekannten Anzahl und Größe von Partikeln stromauf des Filters und durch Erfassen der Anzahl solcher Partikel stromab des Filters bewerkstelligt werden, beispielsweise beim Testen mit Bakterienbeaufschlagung oder irgendwelchen anderen ähnlichen Tests, die Fachleuten bekannt sind.
Temperatureffekte
Infolge von Temperaturabweichungen, die während eines Integritätstests auftreten können, ist es nötig, sowohl bei der Masseströmungs-Messtechnik als auch bei der Druckabfalltechnik das Initialvolumen des Luftraums 20 mittels des idealen Gasgesetzes zu bestimmen, das explizit Terme enthält, die für Temperatureffekte stehen. Die Bestimmung des kumulativen Filtervolumens folgt nach obiger Beschreibung mit dem Zusatz, dass die charakteristische Reaktion des Filters auf Druck bei der gemessenen Temperatur bestimmt werden muss. Daher sollte die durch Gleichung 3 modellierte charakteristische Reaktion bei der Temperatur, die im Luftraum 20 zu jedem Zeitpunkt existiert, ausgewertet werden. Die Temperaturfunktionalität ist für diesen Zweck in Gleichung 3 aufgenommen.
Beispiele
Beschreibung der Vorrichtung
Ein Filtergehäuse und ein Wasserbehälter nach obiger Beschreibung wurden mit einem "Druckkopf"-Strömungsmesser versehen, so dass eine kalibrierte "Referenz"-Messung parallel zu den Messungen, die gemäß dem Verfahren dieser Erfindung gemacht wurden, für Vergleichszwecke vorgenommen wurden. Diese Testvorrichtung ist in 7 gezeigt. Der "Druckkopf"-Strömungsmesser besteht aus einer Wassersäule, die in einem Einleitrohr bekannter Dimensionen enthalten ist, welches die stromaufwärtige Seite des mit Wasser gefüllten Gehäuses mit einem bekannten und messbaren Gasvolumen verbindet. Ein kalibrierter Differentialdruckwandler wurde eingesetzt, um den Druckunterschied zwischen einem unterhalb der Luft/Wasser-Grenzfläche (in dem Einleitrohr gelegen) und irgendeinem Punkt über der Luft/Wasser-Grenzfläche zu messen.
Mittels grundlegender physikalischer Prinzipien kann diese Differenzialdruckablesung bei bekanntem Einlassrohr-Innendurchmesser und bekannter Wasserdichte in ein Wasservolumen umgewandelt werden. Die augenblickliche Wasserströmungsrate kann dann durch Teilen der Änderung in ein stromaufwärtiges Wasservolumen durch die entsprechende Zeitdauer berechnet werden. Diese Strömungsrate wurde als Referenzwert benutzt, mit dem die berechnete Strömungsrate hinsichtlich der Genauigkeit verglichen werden kann.
Um mangelhafte Filter zu simulieren, wurden künstliche Flüssigkeitslecks parallel zu dem integralen bzw. unversehrten Kartuschenstrom hergestellt. Flüssigkeitslecks wurden absichtlich mittels Kapillarröhren kleiner Bohrung reduziert, die mit dem Gehäuse stromauf des Filters verbunden waren. Die Volumenströmungsrate durch die Rohre wurde durch periodisches Sammeln von Ausströmproben aus den Kapillarröhren und Messen und Aufzeichnen der Dauer und des Gewichts der Probe bestimmt.
Beispiel #1
Eine einzelne 10'' Aervent^TM-gefältelte Kartusche mit einer Teflon^®-Polymermembran, die im Handel von Millipore Corporation, Bedford, Massachusetts, erhältlich ist, wurde unter 20 psi getestet und das als Funktion der Zeit verdrängte Volumen wurde über den "Druckkopf"-Strömungsmesser überwacht. Das während 20 Minuten verdrängte Volumen ist in 3 dargestellt. Nach 20 Minuten unter Druck wurde der Druck abgestellt (der aufgebrachte Druck wurde auf atmosphärischen Druck zurückgeführt), und die Volumenverdrängung wurde wieder überwacht. Testergebnisse sind in 4 gezeigt.
Unter Druck nahm das verdrängte Volumen sehr rasch zu, wobei es innerhalb eineinhalb Minuten etwa 85% der Gesamtverdrängung erreichte. Das Volumen erreichte den Grenzwert von 48 Millilitern in den 20 Minuten asymptotisch.
Wenn der Druck abgestellt wurde, expandierte die Kartusche von neuem, einer Funktion folgend, die das Spiegelbild der unter Druck gemessenen Funktion war. Es wurde keine Hysterese beobachtet. Die Kartusche expandierte aber nicht zurück zu dem Startvolumen. Dies liegt daran, dass das Startvolumen Luft enthält, die in den engen Grenzen der Fältelungen und der Kartuschenanordnung eingeschlossen ist, die bei Druckbeaufschlagung verdrängt wird. Druckbeaufschlagung und Absetzen des Drucks wurden zwischen den 48 ml- und 14 ml-Asymptoten der graphischen Darstellung der 4 wiederholt, und es wurden gleiche Wirkungen beobachtet.
Beispiel #2
Eine Reihe von Experimenten wurde mit gefältelten Kartuschenfiltern durchgeführt, die in der Membranfläche von 1,5 ft² bis 20 ft² reichten und in der Größe von einem 5'' langen Kartuschenfilter zu drei einzelnen gefältelten 10''-Kartuschen reichten, sowohl in Kapselform (Kunststoff-Filtergehäuse) als auch in einem Filtergehäuse aus rostfreiem Stahl. Jedes gefältelte Filter wurde individuell getestet, um die Strömungsrate eines integralen bzw. unversehrten Filters und die Strömungsrate bei einem künstlich induzierten Wasserleck zu bestimmen, um eine Gesamtwasserströmung über der Spezifikation des Filters zu erreichen.
Die Ergebnisse wurden hinsichtlich der Genauigkeit sowohl des Gasvolumens als auch der augenblicklichen Strömungsrate, die aus den Methoden dieser Erfindung abgeleitet wurden, als auch der herkömmlichen Diffusionsmethode, die Volumenexpansionsänderungen nicht berücksichtigt ausgewertet. Außerdem sollte bei denjenigen Experimenten, bei denen ein induziertes Wasserleck hinzukam, das gemessene Volumen das gleiche sein, wie bei der Kartusche ohne Leck. Darüber hinaus sollte die gemessene augenblickliche Strömungsrate der Summe aus der Strömungsrate einer integralen Kartusche sein, die in dem ersten Experiment bestimmt wurde, plus der Wasserleck-Strömungsrate. Die Genauigkeit der beiden Interpretationsverfahren wurde hinsichtlich ihrer Fähigkeit, eine Strömungsrate zu berechnen, welche der Summe der Teile gleichkommt, beurteilt.
Die Ergebnisse dieser Tests sind in Tabelle 1 aufgelistet. Der Fehler in der Gasvolumenbemessung mittels beider Methoden ist in 5 gezeigt, und der Fehler zwischen der gemessenen Strömungsrate und der Summe der integralen Kartusche plus der Wasserleckrate für die Tests in den simulierten, nicht-integralen Filtern ist in 6 dargestellt.
Wie ersichtlich ist, ist die mit den Verfahren der vorliegenden Erfindung erzielte Fehlerrate erheblich besser bei dem gesamten Satz von Testfiltern sowohl mit als auch ohne künstliche Wasserlecks als die, die ohne Berücksichtigung der Volumenänderungen im Zusammenhang mit einer Kartuschenkompression und durch einen simulierten Defekt strömendes Wasser berechnet wurden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Integrität und/oder der Porengrößenverteilung eines porösen Filters durch einen Wasserintrusions-Strömungstest, mit: Positionieren des Filters in einer Testzelle, die eine Flüssigkeit enthält, welche den Filter nicht sofort benetzt, wobei das Volumen der Flüssigkeit ausreicht, um den Filter zu umgeben, Vorsehen eines umschlossenen Gasraums in Fluidverbindung mit der Flüssigkeit, wobei die Kombination des Volumens des Gasraums, des Volumens der die Filtervorrichtung umgebenden Flüssigkeit und des Volumens von Flüssigkeit in der Filtervorrichtung ein Systemvolumen definieren, Anwenden eines Drucks durch den Gasraum, um eine Verbund-Flüssigkeitsströmungsrate in der Testzelle zu erzeugen, die aus einer ersten Strömungskomponente besteht, welche für eine Änderung im Volumen des Filters infolge struktureller Änderungen des Filters, die sich aus den Druckwirkungen des aufgebrachten Drucks ergeben, repräsentativ ist, sowie einer zweiten Strömungskomponente, die für eine Flüssigkeitsintrusion in und ein Auslecken aus den Poren des Filters repräsentativ ist, besteht, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch: Berechnen des kumulativen Volumens des Gasraums, während der Druck auf das Filter aufgebracht wird, um einen Wert des Systemvolumens zu irgendeiner Zeit abzuleiten, während der Druck angewandt wird, Bestimmen einer angepassten Verbund-Flüssigkeitsströmungsratenmessung aus dem abgeleiteten Wert des Systemvolumens, die im wesentlichen lediglich die zweite Strömungskomponente anzeigt, und Korrelieren der angepassten Verbundströmungsrate mit einem vorbestimmten Strömungsratenwert, der bekannte integrale Filter und/oder Filter mit Nenn-Porengröße angibt, wodurch die Integrität und/oder Porengrößenverteilung des getesteten Filters genau bestimmt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kumulative Gasvolumen durch Kombinieren eines vorbestimmten charakteristischen Ansprechverhaltens der Volumenänderung des Filters als Funktion von Druck, Temperatur und Zeit mit einer Bestimmung des Initialvolumens des Gasraums vor der Druckanwendung auf diesen berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das charakteristische Ansprechverhalten a priori durch Anwenden einer konstanten Druckquelle bei konstanter Temperatur auf die Testzelle und Überwachen der Volumenänderung des Filters im Zeitverlauf bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Initialvolumen des Gasraums bestimmt wird, indem die sich aus der Hinzufügung eines bekannten Gasvolumens unter erhöhtem Druck zu dem Gasraum ergebenden Druckänderungen gemessen werden und die entsprechende, sich aus dem hinzugefügten bekannten Gasvolumen ergebende Volumenänderung berechnet wird und ein zweites kleineres kumulatives Gasvolumen zur Zeit des Berechnungsschritts subtrahiert wird, wobei das zweite Volumen gemäß dem charakteristischen Ansprechverhalten bestimmt wird, um zum Initialvolumen zu gelangen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Initialvolumen des Gasraums bestimmt wird, indem die sich aus dem Hinzufügen einer bekannten Gasmasse zu dem Gasraum ergebenden Druckänderungen gemessen werden und die entsprechende Volumenänderung, die sich aus der bekannten hinzugefügten Gasmasse ergibt, berechnet wird, und ein zweites kleineres kumulatives Gasvolumen zur Zeit des Berechnungsschritts subtrahiert wird, wobei das zweite Volumen gemäß dem Ansprechverhalten bestimmt wird, um zum Initialvolumen zu gelangen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die angepasste Strömungsrate durch das Produkt einer gemessenen Druckänderung aus der Druckanwendung zur Zeit der Ausführung eines Integritäts- und/oder Porengrößenverteilungstests und dem zu diesem Zeitpunkt berechneten kumulativen Gasvolumen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kumulative Gasvolumen durch Kombinieren eines linearen Ansprechverhaltens der Volumenänderung des Filters, welches eine lineare Reaktionskonstante und eine Zeitfunktion umfasst, mit einer Messung des Initialvolumens des Gasraums vor der Druckanwendung auf diesen, berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Initialvolumen des Gasraums durch Messen von Druckänderungen bestimmt wird, die sich aus dem Hinzufügen bekannter Gasvolumen bei erhöhtem Druck zu dem Gasraum ergeben, während gleichzeitig die lineare Ansprechcharakteristik bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Initialvolumen des Gasraums bestimmt wird, indem die Druckänderung in der Testzelle nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach Hinzufügen eines bekannten Gasvolumens bei einem erhöhten ersten Druck, gefolgt von dem Schritt des Messens der Druckänderung nach einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Hinzufügen eines zweiten bekannten Gasvolumens bei einem erhöhten zweiten Druck, der größer ist als der erste Druck, bestimmt wird, und indem jede der gemessenen Druckänderungen kombiniert wird, um das kumulative Gasvolumen und die lineare Ansprechcharakteristik zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Initialvolumen des Gasraums bestimmt wird, indem die sich aus dem Hinzufügen einer bekannten Gasmasse zu dem Gasraum ergebenden Druckänderungen gemessen werden, während gleichzeitig die lineare Ansprechcharakteristik bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die angepasste Strömungsrate durch das Produkt einer gemessenen Druckänderung aus der Druckanwendung zur Zeit der Ausführung eines Integritäts- und/oder Porengrößenverteilungstests und dem zu diesem Zeitpunkt berechneten kumulativen Gasvolumen bestimmt wird.