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1. GEBIET
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Filterkartusche vom Zellentyp
und noch spezifischer eine Filtrierzelle mit einer sehr geringen
Neigung zum Medienverbiegen, das durch Einschluss einer thermoplastischen Kantendichtung
darin mit gewissen erwünschten
mechanischen Markmalen hervorgerufen wird.
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2. ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Filtersysteme
vom Zellentyp, die oft als linsenförmige Filtersysteme bezeichnet
werden, sind im Stand der Technik allgemein bekannt und werden in
Fluidverarbeitungssystemen schon seit vielen Jahren verwendet. Ein
frühes
Beispiel ist in der an Boeddinghaus et al. vergebenen US-Patenschrift
Nr. 2,788,901 offenbart. Linsenförmige
Filtersysteme umfassen oft mehrere senkrecht gestapelte, coxial
angeordnete Filtrierzellen, die innerhalb eines zylindrischen Gehäuses angeordnet
sind. Die Filtrierzellen werden herkömmlicherweise aus zwei scheibenförmigen Schichten
von Filtermedien hergestellt, die so voneinander getrennt sind,
dass Flüssigkeit
von der Außenseite
des Filtermediums in den Raum zwischen den Schichten der Filtermedien
auf den zentralen Teil der Zelle zu strömt. Die Filtermedienscheiben
sind typischerweise aus Zellulosefasern gebildet. Die Abstandhalter
sind im Allgemeinen in Form von Scheiben mit mehreren Rippen gebildet,
die sich von einer zentralen Öffnung
in einem speichenartigen Muster radial nach außen erstrecken. Ein Beispiel
einer linsenförmigen
Filtrierzelle mit einer derartigen Konstruktion ist in der an Ostreicher
et al. vergebenen US-Patenschrift Nr. 4,783,262 offenbart, die an
den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen worden ist.
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In
Zellen des Stands der Technik dieses Typs sind die beiden Medienscheiben
durch eine thermoplastische Kantendichtung mit einander verbunden,
die die beiden Medienschichten ergreift, um eine flüssigkeitsdichte
Abdichtung an der äußeren Peripherie
der Zelle zu bilden. Die an Southall vergebene US-Patenschrift Nr.
4,347,208 offenbart ein Verfahren für die Herstellung einer Zelle,
die eine abgedichtete Peripherie aufweist, das die Schritte des
Eingebens von zwei Medienscheiben und einem dazwischengeschobenen
Abstandhalter in eine Form und das Injizieren eines thermoplastischen
Polymers in die Form unter Bildung einer Dichtung um die beiden
Medienscheiben herum einschließt.
Das Patent von Southall offenbart, dass Polypropylen, Polyethylen,
Nylon und Polysulfon die bevorzugten thermoplastischen Polymere
für das
Bilden der Kantendichtung sind, die alle einen relativ hohen Elastizitätsmodul
aufweisen.
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Es
ist bekannt, dass thermoplastische Kantendichtungen durch Spritzgießen eine
radiale Schrumpfung durchmachen, wenn sie nach dem Verfestigen abgekühlt werden.
Dieses Schrumpfen verursacht eine radiale Druckbelastung in den
Filtermedien, wodurch die Neigung zum Verbiegen während der
Verwendung, einem Zustand, bei dem die Zellmedienschichten sich
in einer senkrechten Ebene durchbiegen, erhöht wird. Des Weiteren werden
derartige thermoplastische Kanten herkömmlicherweise um eine trockene,
feste Medienscheibe gebildet, was zu einem thermoplastischen Ringdurchmesser
führt,
der größer ist,
als wenn das thermoplastische Material geformt wird und man es sich
dann uneingeschränkt
abkühlen
lässt.
Aus diesem Grund führt
das Abhalten vom typischen Schrumpfen während des Formens zu darin
gebildeten Spannungen in der thermoplastischen Kantendichtung, was
zu einer Verzerrung der Zelle während
der anfänglichen
Erhitzungsterilisations/Hygienisierungszyklen führt. Das Patent von Southall
erkennt, dass dies ein charakteristisches Merkmal thermoplastischer
Materialien ist und offenbart, dass die Menge Polymer, die während des
Spritzgießvorgangs
verwendet wird, auf ein Minimum reduziert werden sollte, um eine übermäßige radiale
Schrumpfung der Kantendichtung zu verhindern und dadurch die Neigung
zum Verbiegen zu reduzieren.
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Es
ist im Stand der Technik allgemein bekannt, dass das Problem des
Zellverbiegens während
Heißspülzyklen
verschlimmert wird, während
denen Filtrierzellen Temperaturen von über 180°F (82,2°C) unterworfen werden. Im Laufe
von Heißspülzyklen
führen
während
des Erhitzens der Filtersysteme vom Zellentyp und dem vollständigen Nasswerden
des Filtermedium, differentielle Ausdehnungskoeffizienten zwischen
den thermoplastischen Komponenten der Zelle und den Zellenmedien
zu erhöhten
Druckspannungen in den Medienelementen, was die Neigung zum Verbiegen
noch erhöht.
Während
der Zeitspanne auf einen Heißspülzyklus hin,
der allgemein als Nachspülperiode
bezeichnet wird, kühlt
sich die thermoplastische Kantendichtung auf die Raumtemperatur
ab und zieht sich so radial nach innen zusammen, während die
Zellulosemedienelemente, die immer noch nass sind, in einem ausgedehnten
Zustand aufgequollen bleiben. Dadurch werden eine Störung und
eine erhöhte
Neigung zum Verbiegen innen erzeugt.
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Es
wäre daher
vorteilhaft, eine linsenförmige
Filtrier zelle mit einer geformten thermoplastischen Kantendichtung
bereitzustellen, die keine übermäßigen Druckkräfte auf
die Zellmedien ausübt,
sind sie einmal nach dem Spritzgießen, während Heißspülzyklen oder während Nachspülperioden
abgekühlt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Gegenstand der Erfindung, wie in den anhängenden Ansprüchen definiert,
ist auf eine linsenförmige
Filtrierzelle des Typs gerichtet, der zwei Filtriermedienelemente
aufweist, die wahlweise in Form von Scheiben, einem dazwischen eingeschobenen
Abstandhalterelement vorliegen können
und die an den äußeren Peripherien
derselben durch eine thermoplastische Kantendichtung während eines
Spritzgussvorgangs mit einander verbunden werden. Die Medienelemente
können
aus Cellulosematerial gebildet sein und das Abstandhalterelement
kann aus einem thermoplastischen Material gebildet sein, das dazu
dient, die strukturelle Integrität
der Filtrierzelle aufrechtzuerhalten.
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Der
hier vorliegenden Offenbarung gemäß weist das thermoplastische
Material, aus dem die Kantendichtung während des Spritzgussvorgangs
gebildet wird, einen relativ niedrigen Elastizitätsmodul im Vergleich mit anderen
thermoplastischen Materialien wie beispielsweise Polypropylen, Polysulfon
und Nylon auf. Aus diesem Grund neigt die Filtrierzelle wesentlich
weniger zum Medienverbiegen als Filtriersysteme vom Zellentyp des
Stands der Technik als Folge von Spannungen, die durch den Spritzgussvorgang
induziert werden, oder denjenigen, die während einer Heißspülperiode
induziert werden, wobei das Zellmedium und die Kantendichtung auf Grund
von Flüssigkeitsabsorption
und erhöhten
Temperatur sich ausdehnen oder denjenigen, die während einer Nachspülperiode
induziert werden, in der die Kantendichtung dazu neigt, sich zusammenzuziehen,
während
sie sich abkühlt,
während
das Zellmedium auf Grund von Fluidabsorption im ausgedehnten Zustand
verbleibt.
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Die
hier angegebene Offenbarung schließt eine Fluidfiltrierzelle
ein aufweisend: mindestens zwei Filtriermedienelemente; ein Abstandhalterelement,
das funktionsfähig
zwischen den mindestens zwei Filtriermedienelementen positioniert
ist; und eine Kantendichtung, die funktionsfähig die mindestens zwei Filtrierelemente
und das Abstandhalterelement miteinander verbindet, wobei die Kantendichtung
aus einem Material gebildet ist, das einen Elastizitätsmodul
aufweist, der ausreicht, um es der Kantendichtung zu ermöglichen,
sich auszudehnen, wenn die Filtriermedienelemente sich ausdehnen,
während
eine wirksame Dichtung dazwischen beibehalten wird.
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Auch
ist hier eine Fluidfiltrierzelle offenbart aufweisend einen Abstandhalter,
der zwischen zwei Medienelementen eingebracht ist, die äußere Peripherien
aufweisen, die durch eine Kantendichtung aneinander befestigt sind,
wobei die Medienelemente einen ersten Satz von Dimensionscharakteristiken
im trockenen Zustand und einen zweiten Satz von Dimensionscharakteristiken
im nassen Zustand aufweisen, wobei die Verbesserungen Folgendes
aufweisen: eine Kantendichtung, die aus einem thermoplastischen
Material gebildet ist, das sich als Reaktion auf Änderungen
in den Dimensionscharakteristiken der Medienelemente ausdehnt und.
zusammenzieht, während
eine effektive Dichtung zwischen den beiden Medienelementen beibehalten wird.
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Auch
ist hier eine Fluidfiltrierzelle offenbart aufweisend einen Abstandhalter,
der zwischen zwei Medienelementen eingebracht ist, die äußere Peripherien
aufweisen, die durch eine Kantendichtung aneinander befestigt sind,
wobei die Medienelemente aus einem Material gebildet sind, das größenmäßig auf
Grund von Fluidabsorption aufquillt, wobei die Verbesserung Folgendes
aufweist: eine Kantendichtung, die aus einem thermoplastischen Material
gebildet ist, das einen Elastizitätsmodul aufweist, der ausreichend
ist, um die radiale Ausdehnung der Kantendichtung zu gestatten,
wenn das Zellmedium größenmäßig aufquillt.
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Eine
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist eine Fluidfiltrierzelle
auf, aufweisend einen Abstandhalter, der zwischen zwei Medienelementen
eingebracht ist, die äußere Peripherien
aufweisen, die durch eine Kantendichtung aneinander befestigt sind,
wobei die Medienelemente aus einem Material gebildet sind, das größenmäßig auf
Grund von Fluidabsorption aufquillt, wobei die Verbesserung Folgendes
aufweist: eine Kantendichtung, die aus einem thermoplastischen Material
gebildet ist, das einen Elastizitätsmodul aufweist, der ausreichend
gering ist, um es zu gestatten, dass die Kantendichtung den Kräften entspricht,
die durch die Medienelemente darauf ausgeübt werden, während die
Medienelemente größenmäßig aufquellen.
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Weitere
charakteristische Merkmale der vorliegenden Erfindung werden denjenigen,
die ein durchschnittliches Fachwissen besitzen, aus der folgenden
Beschreibung der Erfindung, zusammen mit den Zeichnungen noch leichter offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Damit
diejenigen, die ein durchschnittliches Fachwissen auf dem Gebiet
aufweisen, zu dem die vorlegende Erfindung gehört, besser verstehen, wie eine
Filterkartusche der vorliegenden Erfindung gemäß konstruiert werden muss,
wird eine bevorzugt Ausführungsform
des Apparats der vorliegenden Erfindung im Einzelnen unten unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines repräsentativen Fluidfiltrierapparats
mit einem aus zwei Teilen bestehenden zylindrischen Gehäuse darstellt;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines repräsentativen Fluidfiltrierapparats
der 1 darstellt, wobei ein Teil der Seitenwand des
zylindrischen Gehäuses
aufgebrochen ist, um mehrere darin eingebrachte, axial ausgerichtete,
linsenförmige
Filtrierzellen zu zeigen;
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3 eine
perspektivische Ansicht mehrerer axial ausgerichteter linsenförmiger Zellen
darstellt, die einer hier bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung gemäß konstruiert
sind;
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4 eine
Querschnittsansicht einer repräsentativen
Filtrierzelle der Linie 4-4 von 3 entlang
genommen zeigt;
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5 eine
vergrößerte lokalisierte
Ansicht des radialen äußeren Teils
der in 4 veranschaulichten linsenförmigen Filtrierzelle im Querschnitt
zeigt, wobei die Medienelemente der Filtrierzelle in einem trockenen oder
zusammengezogenen Zustand gezeigt sind; und
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6 eine
vergrößerte lokalisierte
Ansicht des radialen äußeren Teils
der in 4 veranschaulichten linsenförmigen Filtrierzelle im Querschnitt
zeigt, wobei die Medienelemente der Filtrierzelle in einem nassen oder
ausgedehnten Zustand und die Filtrierzelle in einem radial ausgedehnten
Zustand gezeigt sind.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weisen die Filtriermedienelemente einen
ersten Satz von Dimensionscharakteristiken in einem trockenen Zustand
und einen zweiten Satz von Dimensionscharakteristiken in einem nassen
Zustand auf, und die Kantendichtung ist aus einem thermoplastischen
Material gebildet, das sich als Reaktion zu Veränderungen der Dimensionscharakteristiken
der Medienelemente ausdehnt und zusammenzieht.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind die Filtriermedienelemente aus einem
Material gebildet, das auf Grund von Fluidabsorption größenmäßig aufquillt
und die Kantendichtung ist aus einem thermoplastischen Material
gebildet, das einen Elastizitätsmodul
aufweist, der ausreicht, um eine entsprechende radiale Ausdehnung
der Kantendichtung, wenn das Zellmedium größenmäßig aufquillt, und ein entsprechendes
Zusammenziehen, wenn die Zelle beim Trocknen schrumpft, zu gestatten.
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In
noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei der die Medienelemente aus einem Material gebildet
sind, das auf Grund von Fluidabsorption größenmäßig aufquillt, ist die Kantendichtung
aus einem thermoplastischen Material gebildet, das einen Elastizitätsmodul
aufweist, der ausreichend gering ist, um es zu gestatten, dass die
Kantendichtung den Kräften
entspricht, die durch die Medienelemente darauf ausgeübt werden,
während
die Medienelemente größenmäßig aufquellen.
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Bevorzugt
ist das thermoplastische Material, für das die erfindungsgemäße Kantendichtung
gebildet wird, eine Mischung von Polypropylen und EPDM, wie beispielsweise
Santoprene®-Thermoplastkautschuk. Bevorzugt
weist die Polypropylen/EPDM-Mischung eine Härte von etwa 50 Shore A bis
etwa 60 Shore D, noch bevorzugter etwa 70 Shore A bis etwa 50 Shore
D und noch bevorzugter etwa 80 Shore A bis etwa 40 Shore D auf.
Bevorzugt beträgt
der Zug-Elastizitätsmodul
der Mischung bei etwa 73°F
(22,8°C)
etwa 600 psi (4,14 MPa) bis etwa 35.000 psi (241 MPa), noch bevorzugter
etwa 2.300 psi (15,86 MPa) bis etwa 27.000 psi (186,16 MPa) und
noch bevorzugter etwa 4.700 psi (32,41 MPa) bis etwa 19.000 psi
(131 MPa). Der hier bevorzugte Zug-Elastizitätsmodul der Mischung bei etwa
212°F (100°C) beträgt etwa
300 psi (2,07 MPa) bis etwa 10.000 psi (68,95 MPa), noch bevorzugter
etwa 800 psi (5,52 MPa) bis etwa 5.000 psi (34,48 MPa) und noch bevorzugter
etwa 1.300 psi (8,96 MPa) bis etwa 2.000 psi (13,79 MPa). Der bevorzugte
Elastizitätsmodul
der Mischung bei etwa 250°F
(121,1°C)
beträgt
etwa 200 psi (1,38 MPa) bis etwa 5.000 psi (34,48 MPa), noch bevorzugter
etwa 300 psi (2,07 MPa) bis etwa 3.000 psi (20,68 MPa) und noch
bevorzugter etwa 400 psi (2,76 MPa) bis etwa 1.000 psi (6,89 MPa).
Beispielsweise weist Santoprene® der
Qualität
271-87, das sich als besonders nützlich
erwiesen hat, folgende charakteristische Eigenschaften auf: eine
Härte von
etwa 87 Shore A; einen Elastizitätsmodul
von etwa 16.400 psi (113,07 MPa) bei etwa 73°F (22, 8°C) ; einen Elastizitätsmodul von
etwa 1340 psi (9,24 MPa) bei etwa 212°F (100 °C); einen Elastizitätsmodul
von etwa 790 psi (5,45 MPa) bei etwa 257°F (125°C) und eine Verfestigungstemperatur
von etwa 208°F
(97,8°C)
auf. Andere Formen von Santoprene®-Thermoplastkautschuk
mit ähnlichen
mechanischen charakteristischen Eigenschaften können bei der vorliegenden Erfindung
ebenfalls ausreichen.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen die gleichen Bezugszahlen ähnliche
Strukturelemente der vorliegenden Erfindung identifizieren, ist
in 1 ein Fluidfiltriersystem veranschaulicht, das
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gemäß konstruiert
und allgemeine durch die Bezugsnummer 10 angegeben ist.
Wie in 2 veranschaulicht, weist das Filtriersystem 10 ein
repräsentatives zylindrisches
Druckgefäß 12 auf,
in dem ein repräsentatives
linsenförmiges
Filtriersystem 14 untergebracht ist, das mehrere axial
gestapelte Fluidfiltrierzellen aufweist.
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Unter
Bezugnahme auf 3 ist ein Teil des Filtriersystems 14 dargestellt,
das unter anderen dargestellten Elementen axial gestapelte Filtrierzellen 16, 18 und 20 aufweist.
Wie in 4 am besten zu sehen ist, weist jede Filtrierzelle
des Systems 14 ein oberes Filtermedienelement 22,
das eine innere Oberfläche 22a und eine äußere Oberfläche 22b besitzt,
und ein unteres Filtriermedienelement 24, das eine innere
Oberfläche 24a und
eine äußere Oberfläche 24b besitzt.
Ein Abstandhalterelement 26 ist funktionsfähig zwischen
die inneren Oberflächen 22a, 24a des
oberen Filtermedienelements 22 und dem unteren Filtermedienelement 24 eingebracht,
um die strukturelle Integrität
oder Steifigkeit der Filtrierzelle 16 aufrechtzuhalten.
Der Abstandhalter ist hier bevorzugt aus Polypropylen gebildet und
weist herkömmlicherweise
mehrere Rippen (nicht gezeigt) auf, die sich zwischen einem radialen äußeren Rand
und einer radialen inneren Nabe erstrecken, wie beispielsweise in
der an Ostreicher et al. vergebenen US-Patentschrift Nr. 4,783,262
offenbart ist. Wie in 4 zu sehen ist, weist die innere
Nabe 28 des Abstandhalters 26 mehrere Öffnungen
auf, um das Strömen
des filtrierten Fluids in den axialen Kern 13 des Filtriersystems 14 zu
erleichtern.
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Jede
der Filtrierzellen 16, 18 und 20 wird
während
eines Herstellungsvorgangs konstruiert, der das funktionsfähige Positionieren
der oberen und unteren Medienelemente 22, 24 und
des dazwischengeschobenen Abstandhalters 26 und das darauffolgende
Einspritzen eines thermoplastischen Materials mit letztlich unerwünschten
mechanischen Eigenschaften in eine Form einschließt, um eine
Kantendichtung 30 um die äußere Peripherie der Zellmedienelemente 22, 24 zu
bilden. Während
des Spritzgießvorgangs
werden Druckkräfte
auf die Filtrierzelle 16, 18, 20 aufgebracht,
um die äußeren Peripherieteile
der Zellmedienelemente 22, 24 mit ihrer inneren
Oberfläche
in Kontakt zu halten (Vergleiche 5).
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Unter
Bezugnahme auf 3 und 4 sind wahlweise
funktionsfähig
an der Kantedichtung 30 mehrere am Umfang im Abstand voneinander
gehaltene Schleifen 32 zu finden, die axial aus der oberen
Oberfläche
der Kantendichtung 30 jeder Filterzelle 16, 18, 20 hervorstehen,
um den axialen Abstand dazwischen aufrechtzuerhalten. Die Schleifen 32 werden
während
des Spritzgießvorgangs
bevorzugt monolithisch mit der Kantendichtung 30 gebildet.
Die spezifische Spritzgießform,
die zum Bilden der Kantendichtung 30 verwendet wird, schließt Vorkehrungen
für derartige
Schleifenstrukturen ein.
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Es
ist allgemein bekannt, dass der bei der Herstellung von linsenförmigen Filtrierzellen
verwendete Spritzgießvorgang
Herstellungsspannungen in den Zellmedienschichten 22, 24,
sowie in der thermoplastischen Kantendichtung 30 hervorruft,
während
die Kantendichtung 30 sich auf den Spritzgießvorgang
hin auf Raumtemperatur abkühlt.
Es ist auch allgemein bekannt, dass Spannungen auf die Herstellung
hin in der Kantendichtung einer Filtrierzelle leicht dazu führen, dass
die Zellmedienschichten 22, 24 sich in einer senkrechten Ebene
verbiegen, wenn sie bei Filtrierarbeiten, insbesondere während Heißspülzyklen,
verwendet werden, während
derer erhitztes Wasser durch das Filtriersystem hindurchgedrückt wird,
um das Filtriersystem zu hygienisieren, wodurch die Filtermedienschichten 22, 24 dazu
gebracht werden, auf Grund von Fluidabsorption größenmäßig aufzuquellen.
Es ist auch allgemein bekannt, dass Spannungen durch die Kantendichtung 30 auf die
Zellmedienschichten während
der Nachspülperiode
aufgebracht werden, während
der die Filtrierzelle, einschließlich der Kantendichtung, sich
auf die Raumtemperatur abkühlen,
während
die Zellmedienschichten auf Grund von Fluidabsorption in einem ausgedehnten
Zustand verbleiben. Es ist erkannt worden, dass in einer Filtrierzelle,
die mit einer Kantendichtung gebildet ist, die aus einem thermoplastischen
Material konstruiert worden ist, das einen relativ hohen Elastizitätsmodul
aufweist, d.h. einem Material, das im ausgedehnten Zustand auf Grund
von Fluidabsorption nicht Kräften
entspricht, die durch das Zellmedium darauf ausgeübt werden,
wie beispielsweise Polypropylen, eine signifikante Tendenz zum Verbiegen
der Medienschicht/des Elements besteht.
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Es
wurde ein Test durchgeführt
zum Analysieren des Problems des Verbiegens des Filterelements während des
Heißspülzyklus
und darauffolgender Nachspülperioden.
Der Test involvierte eine endgültige Computerelementanalyse,
bei der linsenförmige
Filterzellen, die Kantendichtungen aufweisen, die aus vier verschiedenen
Konstruktionsmaterialien: Polypropylen (Phillips 66, MarlexWZ); einem thermoplastischen Elastomer umfassend
Polypropylen/EPDM (Advanced Elastomers, Santoprene® (201-73);
Polysulfon (Amoco, UdelWZ P1700); und Nylon
6/6 (Dupont, ZytelWZ 101) gebildet sind,
verglichen werden. Wie in der Tabelle unten gezeigt, wurde durch
die Analyse festgestellt, dass Filtrierzellen, die mit Kantendichtungen
hergestellt sind, die aus Polypropylen, Polysulfon oder Nylon gebildet
sind, relativ stärker
zur Medienverbiegen während
Heißspülzyklusperioden
neigen als diejenigen Filtrierzellen, die mit Kantendichtungen hergestellt
sind, die aus Santoprene®-Kautschuk gebildet sind. Die Tabellen
1 bis 5 enthalten vergleichende Daten bezüglich der mechanischen Merkmale
eines jeden der geprüften
Materialien.
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Tabelle
1. Steifigkeitscharakteristiken von Polypropylen (Phillips 66, Marlex
WZ)
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Tabelle
2. Steifigkeitsmerkmale von thermoplastischem Elastomer (Advanced
Elastomers, Santoprene
® 201-73
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Tabelle
3. Steifigkeitsmerkmale von Polysulfon (Amoco Udel
WZ P1700)
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Tabelle
4. Steifigkeitsmerkmale von Nylon 6/6 (Dupont Zytel
WZ 101
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Tabelle
5. Mechanische Merkmale in einer Simulation verglichener Materialien
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Die
Computersimulierung schloss ein endgültiges Elementmodell eines
Filtriersystems einschließlich zweier
Medienelemente, eines Abstandhalters und einer Kantendichtung ein.
Das Analyseverfahren war so konzipiert, dass die Herstellungseinzelheiten
eines Filterelements, von Zusammenbauen bis zum Kühlen der Form
und über
das Heißspülen bis
zur Kühlperiode
nach dem Spülen
genau simuliert wurden. Der Vorgang umfasste die folgenden simulierten
Schritte: 1) thermisches Ausdehnen der Kantendichtung, um das Medienverschließen zu gestatten;
2) Schließen
der Medienelemente durch Aufbringen eines axialen Kantendrucks; 3)
Zusammenziehen der Kantendichtung, um die Kante der Zellmedienelemente
zu erfassen; 4) Entfernen des Medienverschlussdrucks; 5) Kühlen der
Kantendichtung von der Formtemperatur auf die Raumtemperatur unter
Induzieren von Fertigungsspannungen darin; 6) Erhitzen des Filtersystems
während
des Aufbringens eines leichten seitlichen Drucks, um den Heißspülzyklus,
einschließlich
der Medienwasserabsorption als Wärmeausdehnungseffekt,
zu simulieren; und 7) Kühlen
der Kantendichtung unter Beibehaltung von nassen Medienkomponenten,
um die Nachspülperiode
zu simulieren. Tabelle
6. Radiale Verschiebung der Filtrierzelle
- +
Wert der radialen Verschiebung auf Grund des nicht vorherzusehenden
Verbiegens nicht berechnet
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In
Tabelle 6 sind die errechneten Werte der radialen Verschiebung der
Filtrierzellen aufgeführt,
die durch Computersimulierung erhalten worden sind. Table 6 lässt feststellen,
dass die radiale Verschiebung einer Filtrierzelle, bei der die Kantendichtung
aus thermoplastischem Santoprene®-Elastomer
gebildet ist, nach der Herstellung, d.h. nach dem Kühlen auf
die Raumtemperatur auf den Spritzgießvorgang hin, sowohl im trockenen
als auch im feuchten Zustand signifikant geringer ist als diejenige
von Filtrierzellen, die Kantendichtungen, die entweder aus Polypropylen,
Polysulfon oder Nylon 6/6 gebildet sind, aufweisen. Die Computersimulierung
lässt des
Weiteren feststellen, dass die radiale Verschiebung einer Filtrierzelle,
die eine Kantendichtung aufweist, die aus thermoplastischem Santoprene®-Elastomer
und einem Zellmedium, das Zellulose, Diatomeenerde und ein Bindemittel
aufweist, gebildet ist, während
eines Heißspülzykus,
d.h. wenn sich das Zellmedium auf Grund von Fluidabsorption ausdehnt
und die Zelle erhöhten
Temperaturen unterliegt, positiv ist, während diejenige der Filtrierzellen,
die Kantendichtungen aufweisen, die entweder aus Polypropylen oder
Polysulfon gebildet. sind, negativ ist, was anzeigt, dass die aus
thermoplastischem Santoprene®-Elastomer bestehende
Kantedichtung sich gleichzeitig mit dem Zellmedium während des
Heißspülzyklus
ausdehnt.
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5 und 6 zeigen
vergrößerte Ansichten
des äußeren Teils
der in 4 veranschaulichten linsenförmigen Filtrierzelle im Querschnitt
und veranschaulichen die Änderung
der Dimensionsmerkmale einer Filtrierzelle 20, die einen
Abstandhalter 26 und eine aus thermoplastischem Santoprene®-Elastomer
gebildeter Kantendichtung 30 aufweist, vom trockenen Zustand
(5) zum nassen Zustand (6) während eines Heißspülzyklus.
Wie veranschaulicht, vergrößert sich
der Radius der Filtrierzelle 20 um eine Entfernung von „x", wenn die Zellmedienelemente 22 und 24 auf
Grund von Fluidabsorption zusammen mit den entsprechenden Kantendichtung 30 größenmäßig aufquellen.
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Die
Computersimulierung lässt
weiterhin feststellen, dass die radiale Verschiebung einer Filtrierzelle, die
eine Kantendichtung aufweist, die aus thermoplastischem Santoprene®-Kautschuk
gebildet ist, währen
der Nachspülperiode,
d.h. wenn die Filtrierzelle sich auf die Raumtemperatur abkühlt, während das
Zellmedium auf Grund von Fluidabsorption im ausgedehnten Zustand
bleibt, wiederum positiv ist, während
diejenige der Filtrierzellen, die Kantendichtungen aufweisen, die
entweder aus Polypropylen oder Polysulfon gebildet sind, negativ
ist, was anzeigt, dass die aus Santoprene®-Kautschuk
bestehende Kantendichtung selbst nach dem Abkühlen im ausgedehnten Zustand
bleibt. Dieses Resultat ist dem Elastizitätsmodul de Santoprene®-Kautschuks
zuzuschreiben, der gering genug ist, um zu gestatten, dass die Kantendichtung
den Kräften
entspricht, die durch das radial ausgedehnte Zellmedium darauf ausgeübt werden.
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Beim
eigentlichen Prüfen
im Labor wurden Probefiltrierzellen an der Kante entweder mit Polypropylen als
solchem oder mit Santoprene® als solchem abgedichtet.
Derartige Filtrierzellen wurden daraufhin einer Heißwasserspülung (bei
80°C) unterworfen.
Die Filtrierzellen, bei denen die Kanten mit Polypropylen als solchem
abgedichtet worden waren, wiesen ein signifikantes und auffallendes
Verbiegen und Verzerren der Zellen innerhalb einer Heißwasserspülung auf.
Andererseits wurde gefunden, dass diejenigen Filtrierzellen, deren Kanten
entweder mit Santoprene® 271-73 (Härte 73 Shore
A) oder 273-40 (Härte:
40 Shore D) abgedichtet wurden, kein signifikantes Verbiegen oder
Verzerren der Zellen nach fünf
Heißwasserspülungen aufwiesen. Des
Weiteren wiesen letztere Filtrierzellen selbst dann kein signifikantes
Verbiegen oder Verzerren auf, wenn sie des Weiteren einem Dampfsterilisierzyklus
von etwa 121°C
ausgesetzt wurden. Kurz gesagt wurde festgestellt, dass die erfindungsgemäße elastomere
Kantendichtung die starke Verzerrung, die bei genau derselben Kartuschenkonstruktion
mit der Polypropylenkante auftrat, eliminierte. Es wurde festgestellt,
dass das Elastomer nicht nur das typische Schrumpfen nach der Wärmeexposition
eliminierte, sondern sich im Durchmesser ausdehnte, um das Aufquellen
des Mediums auszugleichen, um eine im Wesentlichen flache Zelle
beizubehalten. Es zeigte sich, dass ein niedriger Elastizitätsmodul
es dem Filtriermedium ermöglicht,
sich „wie
ein Gummiband" zu
bewegen, wobei der Kantendurchmesser auf seine ursprüngliche
Dimension zurückkehrt, nachdem
die Zelle trocken geworden ist. Die Santoprene®-Qualität 273-40
wurde deshalb vorgezogen, weil man fand, dass die Bindung zwischen
dem Medium und der Elastomerdichtung verbesserte und man den Eindruck
hatte, dass sie eine bessere Umkehrdruckfähigkeit aufwies als das Elastomer
geringerer Härte.
Durch Bereitstellen eines höheren
Moduls/einer höheren
Härte als
die Santoprene®-Qualität 271-73,
bot sie auch eine größere Steifheit,
was eine bessere Handhabung während
der Herstellung gestattet.
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Obwohl
die erfindungsgemäße Fluidfiltrierzelle
mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden
ist, ist es offensichtlich, dass Modifikationen und Änderungen
daran gemacht werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung, wie durch die anhängenden Ansprüche definiert,
abzuweichen.
