JP2014522719A - 液体を濾過する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、液体を濾過する装置（１）であって、回転軸線（２）の周りに回転駆動可能な少なくとも１つの回転子（３）と、この回転子（３）に取付けられて回転軸線（２）に対して間隔をおいて設けられ複数の円板状フィルタ素子（５）用支持装置（４）とを持ち、フィルタ素子（５）の円板表面（６）がフィルタ表面を形成し、支持装置（４）の一部を形成する特殊断面管（７）にある複数のフィルタ素子（５）が１つのフィルタ積層体にまとめられ、そのためフィルタ素子（５）が特殊断面管（７）より貫通される孔（８）を持っているものに関する。改善された濾過状態を得るためフィルタ素子（５）のなるべく中心の円板面（１０）が、特殊断面管軸線（Ａ）に対して直角な少なくとも１つの軸線の周りに傾斜して特殊断面管（７）上に設けられて、円板面（１０）が特殊断面管軸線（Ａ）と９０°に等しくない角（α，β）をなすようにしていることが提案される。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体を濾過する装置であって、回転軸線の周りに回転駆動可能な少なくとも１つの回転子と、この回転子に取付けられて回転軸線に対して間隔をおいて設けられ複数の円板状フィルタ素子用支持装置とを持ち、フィルタ素子の円板表面がフィルタ表面を形成し、支持装置の一部を形成する特殊断面管にある複数のフィルタ素子が１つのフィルタ積層体にまとめられているものに関する。

このような公知の装置（欧州特許第５７７８５４号明細書）は、垂直に流入が行われる管状のフィルタ素子により形成される撹拌素子を持つ撹拌体としての回転子、容器、濾過すべき液体を容器へ導入する装置、濾過されずに容器から導出すべき液体用の容器出口、及び容器軸線の周り駆動可能で端壁に支持される中空軸と容器軸線に対し隙間をおいて設けられるか又は自己の軸線の周りに回転するフィルタ素子用の支持装置を持つ回転子を含み、これらのフィルタ素子の内部は支持装置及び中空軸を経て、濾過される液体用の導出部として容器から出ている。それにより液体の膜濾過の際の主要問題、即ち膜表面上における覆い層の形成、及びそれにより生じる有効フィルタ面の縮小及び膜細口のつまりが防止されるか又は少なくされる。この覆い層は、大抵の場合膜細孔において分離される固体粒子の集塊及び膜表面の範囲におけるその集結により生じる。この効果は、このような装置による連続的な濾過過程中に、フィルタ素子の回転により容器内に膜表面上で渦巻く横流従ってせん断力が生じて、フィルタ素子の浄化と濾過すべき液体の連続するうず旋回を行う。本発明はこのような装置に使用されるが、このような装置の使用に限定されない。

これらの装置は、高いせん断割合及び渦巻きを得るのに適している。中心部分は閉鎖されたフィルタ容器であり、その中で１つ又は複数の回転する回転環が電動機により駆動される。濾過される液体は、管状ただし円板状等のフィルタ素子（オーストリア特許出願公開第５０３５６７号明細書）を前提として、回転子内で集められ、回転子スポーク及び中空軸を経て、容器の内部空間から導出される。フィルタモジュールは回転子上で組立てられ、容器内で優勢な高い圧力に対して密閉されている。水平に向けられて液体が流れて来る大きいフィルタ表面の回転の際、回転子半径にわたって、あふれ条件における極端なばらつき及び望ましくないせん断ピーク又は圧力ピークを生じる。

作動中に容器内の液体は、濾過のため常に濃縮される。なぜならば、濾過液／透過液はフィルタ素子を通って連続的に流出し、圧力低下に従って新しい液体が供給されるからである。作動中にこのような濃縮は、溶液の粘度が固体含有量の上昇により最大値に達するまで、更に流量が更に経済的になるまで継続することができる。その場合懸濁液は、容器出口を経て排出されるか、又は作動中に連続的に排出される。このような装置において装置の連続的な作動を可能にするため、容器軸線に沿って液体用案内装置を形成しながら、容器外周筒の内壁を容器出口の方へ広げることが、既に提案された（オーストリア特許出願公開第５０３５６７号明細書）。

本発明の基礎になっている課題は、簡単な手段で改善されたフィルタ出力を可能にする、最初にあげた種類の装置を提供することである。

本発明は、フィルタ素子のなるべく中心の円板面が、特殊断面管軸線に対して直角な少なくとも１つの軸線の周りに傾斜して特殊断面管上に設けられて、円板面が特殊断面管軸線と９０°に等しくない角をなすようにしていることによって、この課題を解決する。

この手段により、円板状フィルタ素子を水平面から傾斜させることによって、フィルタ素子フィルタ能力及びフィルタシステムの流れ技術に関して、付加的な改善が行われる。その際フィルタ円板は、回転方向又は回転方向とは逆に傾斜させることができる。しかし１つ又は異なる特殊断面管に付属して回転方向又は回転方向とは逆に傾斜したフィルタ素子の組合わせも可能である。補足して、回転軸線の方へ又は回転軸線とは逆に円板面を傾斜させる可能性もある。フィルタ素子の傾斜は、フィルタ積層体を収容する容器内にらせん流を生じ、従って回転運動に重畳される流れ運動を垂直方向に可能にする。

いわゆる“ダイナミック膜方法”では、フィルタ膜表面の必要な横流れが、濾過すべき液体による膜表面の運動によって得られる。持続する機能のために必要な流れの乱流にもかかわらず、膜細孔の大きさ分離効果により、膜表面の近くで特定の物質が濃縮されることになる。この濃度は、連続的な濾過のために、少なく負荷される液体の永続的な供給及び混合により補償されねばならない。１つ又は複数の軸線の周りに回転するフィルタ素子を持つ動的膜システムでは、回転の遠心作用により、密度に関係する相形成の形の付加的な濃縮という事態になる。回転するフィルタモジュールが存在することによって、フィルタ容器の貫流がフィルタ表面／フィルタ円板に沿って向けられるのではなく、フィルタ表面／フィルタ円板の表面へ向けられている限り、少なく負荷される液体の供給により濃度補償を少なくすることができる。この効果は、特にフィルタモジュールとなるように互いに積層される円板状フィルタ素子の隣接するフィルタ素子対の間隙に現れることがある。

本発明によれば、これらのフィルタ素子は特殊断面管上に傾斜して設けられている。それぞれの回転方向及び速度に合わせかつ円板間隔に合わせて、フィルタ素子の傾斜により、新しく供給される液体又は膜表面から離れることによりあまり集中されない流体が装置を貫流しかつフィルタ素子の周囲を流れるのを制御することができる。

その際円板面が、特殊断面管軸線に対して直角でなるべく回転軸線と交差する軸線の周りにフィルタ素子の回転方向とは逆に傾斜しており、かつ／又は回転方向に対して横向きに回転半径に対して傾斜しているのがよい。特殊断面管のために別個の回転駆動装置を設けることもできるであろう。

円板面が、円板面と特殊断面管との間の直角に対して１〜１５°なるべく６°未満傾斜して特殊断面管上に設けられていると、特に有利な状態が生じる。フィルタ素子が約３°傾斜して設けられていると、それにより次のフィルタモジュールのそれぞれ次に高い円板列への流入が続行され、こうして最終的に流れを全回転子列にわたってらせん状に上方へ導くことができ、それにより装置において濾過すべき液体に対して付加的な循環効果が生じる。次に実施例において、容器内におけるらせん状循環運動のために最適な３°の傾斜角が説明される。しかし事実上、次の円板面に隣接するフィルタモジュールのらせん状運動が得られる３°のこの最適条件は、特にモジュールにおけるフィルタ素子の間隔、及び隣接するモジュールの間隔に関係している。モジュールにおける円板の相互間隔が大きいほど、また隣接するモジュールの相互間隔が小さいほど、最適な角は急傾斜である。しかし液体の種々の粘度は、乱流のあふれ流を効率よく得るために、モジュールにおける別の円板間隔を必要とし、それによりらせん流のための最適な傾斜角も変化する。

その代わりにフィルタ素子が、穴の範囲で、隣接するフィルタ素子のフィルタ表面の間のスペーサの機能を引受ける環状突起を持ち、環状突起の特殊断面管に近い方の内周面が、特殊断面管上のフィルタ素子の傾斜を決定するか、又は隣接するフィルタ素子のフィルタ表面の間で穴の範囲にあるフィルタ素子に環状スペーサが付属し、環状スペーサの特殊断面管に近い方の内周面が、特殊断面管上のフィルタ素子の傾斜を決定する。これらの方策により、特殊断面管上にあるフィルタ素子の所望の又は必要な傾斜が、問題なく所望のように設定される。その際作動中における傾斜の変化を回避するため、フィルタ素子がねじれを防止されて特殊断面管に設けられている。

本発明の展開によれば、回転軸線の周りに回転駆動可能な少なくとも２つ場合によっては３つ又はそれ以上の回転子が設けられ、個々の回転子に付属するフィルタ素子が特殊断面管上に傾斜して設けられて、軸線が平行な流れ成分を濾過液に加え、その際濾過すべき液体に回転子から加えられる流れ成分が、同じ向きにされるか又は逆向きにされる。フィルタ素子特にフィルタ円板の傾斜及びそのらせん形成は、フィルタ積層体により形成される回転子環を経て、フィルタ円板の傾斜及び回転方向に応じて、容器内の液体に対して軸線方向のポンプ作用を生じる。２つ又はそれ以上の回転子環を持つフィルタ装置の作動の際、閉じたフィルタ容器におけるフィルタ円板の傾斜、回転子環の回転方向及び２つの（逆の）方向におけるポンプ作用を介して、内部回路を構成することができる。回転子環を持つフィルタ装置の作動の際、回転子により包囲される内部流れ遮断器及び／又は回転子を包囲する外部流れ遮断器が、ポンプ作用を行うように構成されていることによって、回転子のらせん流のために、逆の流れ方向を持つこの内部回路が得られる。これは、流れ遮断器が所望の効果を生じるらせん形状を持つことによって行うことができる。この流れ遮断器は、場合によっては強められるポンプ作用のために回転駆動されることができる。軸線の平行なポンプ作用の最適化は、電流遮断器の構成により、フィルタ円板と容器内壁との間の間隙を減少する（国際公開第２０１１／１２００６１号）ことによって可能である。

混合を改善するため、及びフィルタ容器内にできるだけ均質な濾過すべき液体を存在させるため、容器内に設けられる装置において、両方の容器端面の範囲又は両方の容器端面の近傍範囲に、それぞれ少なくとも１つの接続口が設けられ、少なくとも２つの接続口がバイパス導管を経て互いに接続されている。フィルタ円板の傾斜及び回転子環を介するそのらせん形成は、フィルタ円板の傾斜及び回転子の回転方向に応じて、液体に対するポンプ作用を生じる。この過程は、大抵の場合閉じたフィルタ容器内で行われるので、フィルタ円板の傾斜、回転子環の回転方向及びその結果生じる容器端面の方へのポンプ作用のため、適当な荷重除去手段なしで、液体のせき止め及び圧力上昇が生じ、それが適当な濃度交換を妨げる。この濃度交換の妨害は、フィルタ容器の底及び天井を、らせん流のポンプ作用に応じて寸法を定められるバイパス導管に接続することによって、防止することができる。それにより容器内における垂直な流れが可能になる。

場合によっては両方の容器端面の範囲又は両方の容器端面の近傍範囲に、それぞれ少なくとも１つの接続口が設けられ、１つの容器の出口側接続口が接続導管を経て別の容器の入口側接続口に接続されている。それによりとりわけフィルタ出力を高めることができる。らせん流により複数のフィルタ装置を作動させる際、複数の装置がそのそれぞれのらせん流方向に応じて互いに接続されているように、この外部回路を形成することができる。

液体流を制御するため、更にバイパス導管及び／又は接続導管に流量制御弁及び／又は供給ポンプが設けられているのがよい。

更に本発明は、受入れ部を形成する穴を持つ円板状フィルタ素子であって、その円板面が前記装置用のフィルタ表面を形成しているものにも関する。しかし本発明は前記装置の使用に限定されない。穴の範囲に、スペーサの機能を引受ける環状突起が設けられ、この環状突起の環軸線が円板面と９０°に等しくない角をなし、円板面が、円板面と環軸線との間で、直角とは１〜１５°なるべく６°未満なるべく２〜４°特に３°相違して傾斜している。

本発明による装置の側面図を示す。 図１の装置の一部の拡大断面図を示す。 図２の装置の構造変形例を示す。 図２のスペーサの拡大平面図を示す。 図４のスペーサの断面図を示す。 容器内に設けられる装置の構造変形例を示す。 バイパス導管を持つ容器を示す。 本発明による装置を備えて直列接続される４つの容器を示す。

液体を濾過する装置１は、回転軸線２の周りに回転駆動可能な少なくとも１つの回転子３と、それに取り付けられかつ回転軸線２に対し間隔をおいて設けられる円板状フィルタ素子５用の支持装置４とを含み、フィルタ素子５の円板表面６がフィルタ表面を形成している。濾過された液体は、フィルタ素子５の内部を経て、支持装置４及び回転子３を経て容器から導出される。支持装置４の一部を形成する特殊断面管７上の複数のフィルタ素子５はフィルタ積層体にまとめられ、そのためにフィルタ素子５は、特殊断面管７により貫通される孔８を持ち、この穴８が特殊断面管７の受入れ部を形成している。フィルタ内部と特殊断面管内部は、例えば特殊断面外被にある穴９を経て流れ接続されている。

本発明によれば、フィルタ素子５の中心の円板面１０は、特殊断面管軸線に対して直角な少なくとも１つの軸線に関して傾斜して特殊断面管７上に設けられて、円板面１０が特殊断面管軸線７と９０°に等しくない角αをなしており、円板面１０はフィルタ素子の回転方向とはなるべく逆に傾斜している。しかし回転方向に関してかつ／又は回転半径に対して、傾斜のあらゆる任意の向きを設定することができる。同様に特殊断面環７のために別の回転駆動装置を設けることもできるであろう。

図示した実施例では、円板面１０は、円板面と特殊断面管との間の直角に対して３°だけ傾斜して特殊断面管上に設けられ、従って記入された角αは８７°であり、角βは９３°である。これにより、濾過すべき流体は、容器内の流れにより、次のフィルタモジュールのそれぞれ次に高い円板列へ続いて導かれ、こうして最終的に流れをらせん状に全回転子列にわたって上方へ導くことができ、それにより装置において濾過すべき液体に対して付加的な循環効果が生じる。この効果が図１に鎖線のらせんにより示されている。

図２において、隣接するフィルタ素子５のフィルタ表面６の間で穴の範囲においてフィルタ素子５に、環状のスペーサ１１が付属し、その特殊断面管７に近い方の周面又はその環軸線が、特殊断面管７上のフィルタ素子５の傾斜を決定する。スペーサ１１は端面に密閉環１２を備えている。図３による実施例では、この目的のため、隣接するフィルタ素子５のフィルタ表面６の間のスペーサ１１の機能を引受けてフィルタ素子５の一部を形成する環状突起１３が設けられ、その特殊断面管７に近い方の周面又はその環軸線は、特殊断面管７上におけるフィルタ素子５の傾斜を決定する。フィルタ素子５がフィルタ表面６に付属する１つの突起１３のみを備えているか、又は実施例におけるように２つの突起を備えているかは、当業者に任される。更にフィルタ素子５はねじれを防止されて特殊断面管７に設けられ、そのために例えば溝１４・キー１５結合が設けられている。隆起、溝及びキー等のような他の密封片形状も可能である。本発明は図示した実施例に限定されない。特に実施例の有意義な組合わせが常に可能である。

回転軸線２の周りに回転駆動可能な少なくとも２つの回転子３が設けられ、個々の回転子３に付属するフィルタ素子５が特殊断面管７上に設けられて、濾過すべき液体に、軸線に対して平行な流れ成分を加え、その際液体へ複数の回転子３により加えられる流れ成分が同じ向きであるか又は逆の向きであってもよい。図６による実施例では、回転子３′，３″及び３′″が任意に異なるように駆動可能である。しかも容器２０内に所望の液体流を得るために、異なる回転速度又は回転方向を持つことができる。例えば回転子３′が静止しており、従って固定子として構成することができる。

図７の実施例により容器２０に設けられる装置として、両方の容器端面２１の範囲又は両方の容器端面２１の近傍範囲において容器用外被２２に、それぞれ少なくとも１つの接続口２３が設けられ、少なくとも２つの接続口２３がバイパス導管２４を経て互いに接続されている。必要なバイパス導管２４の数の選択は、容器端面２１の範囲及び／又は両方の容器端面の近傍範囲に設けることができる接続口２３の配置の選択と同様に、当業者に任される。容器端面２１の範囲に接続口２３を設け、容器用外被２２において容器端面の近傍範囲に他の接続口２３を設けることもできる。

容器に設けられる図８の装置では、両方の容器端面２１の範囲又は両方の容器端面２１の近傍範囲に、それぞれ少なくとも１つの接続口２３が設けられ、１つの容器２０の出口側接続口２３が、接続導管２５を経て別の容器２０の入口側接続口２３に接続されている。図８では４つの容器２０が直列に接続され、その際直列において最後の容器２０の出口側接続口２３が、再び接続導管２５を経て最初の容器２０の入口側接続口２３に接続されている。

バイパス導管２４及び／又は接続導管２５を経て導かれる液体流を制御するため、バイパス導管２４及び／又は接続導管２５に、液体流制御弁２６又は供給ポンプを設けることができる。

Claims (15)

1. 液体を濾過する装置（１）であって、回転軸線（２）の周りに回転駆動可能な少なくとも１つの回転子（３）と、この回転子（３）に取付けられて回転軸線（２）に対して間隔をおいて設けられる複数の円板状フィルタ素子（５）用支持装置（４）とを持ち、フィルタ素子（５）の円板表面（６）がフィルタ表面を形成し、支持装置（４）の一部を形成する特殊断面管（７）にある複数のフィルタ素子（５）が１つのフィルタ積層体にまとめられ、そのためフィルタ素子（５）が特殊断面管（７）より貫通される孔（８）を持っているものにおいて、フィルタ素子（５）のなるべく中心の円板面（１０）が、特殊断面管軸線（Ａ）に対して直角な少なくとも１つの軸線の周りに傾斜して特殊断面管（７）上に設けられて、円板面（１０）が特殊断面管軸線（Ａ）と９０°に等しくない角（α，β）をなすようにしていることを特徴とする、装置。
2. 円板面（１０）が、特殊断面管軸線（Ａ）に対して直角でなるべく回転軸線（２）と交差する軸線の周りにフィルタ素子（５）の回転方向とは逆に傾斜しており、かつ／又は回転方向に対して横向きに回転半径に対して傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 円板面（１０）が、円板面（１０）と特殊断面管（７）との間の直角に対して１〜１５°なるべく６°未満傾斜して特殊断面管（７）上に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 円板面（１０）が、円板面（１０）と特殊断面管（７）との間の直角に対して２〜５°傾斜して特殊断面管（７）上に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
5. 円板面（１０）が、円板面（１０）と特殊断面管（７）との間の直角に対して３〜４°傾斜して特殊断面管（７）上に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
6. フィルタ素子（５）が、穴（８）の範囲で、隣接するフィルタ素子（５）のフィルタ表面の間のスペーサ（１１）の機能を引受ける環状突起（１３）を持ち、環状突起（１３）の特殊断面管（７）に近い方の内周面が、特殊断面管（７）上のフィルタ素子（５）の傾斜を決定することを特徴とする、請求項１〜５の１つに記載の装置。
7. 隣接するフィルタ素子（５）のフィルタ表面の間で穴（８）の範囲にあるフィルタ素子（５）に環状スペーサ（１１）が付属し、環状スペーサの特殊断面管（７）に近い方の内周面が、特殊断面管（７）上のフィルタ素子（５）の傾斜を決定することを特徴とする、請求項１〜５の１つに記載の装置。
8. フィルタ素子（５）がねじれを防止されて特殊断面管（７）に設けられていることを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載の装置。
9. 回転軸線（２）の周りに回転駆動可能な少なくとも２つ場合によっては３つ又はそれ以上の回転子（３）が設けられ、個々の回転子に付属するフィルタ素子（５）が特殊断面管（７）上に傾斜して設けられて、軸線が平行な流れ成分を濾過液に加え、その際濾過すべき液体に回転子から加えられる流れ成分が、同じ向きにされるか又は逆向きにされることを特徴とする、請求項１〜８の１つに記載の装置。
10. 請求項１〜９の１つに記載の容器（２０）を備えた装置であって、両方の容器端面（２１）の範囲又は両方の容器端面（２１）の近傍範囲に、それぞれ少なくとも１つの接続口（２３）が設けられ、少なくとも２つの接続口（２３）がバイパス導管（２４）を経て互いに接続されていることを特徴とする、装置。
11. 請求項１^〜９の１つに記載の容器（２０）に設けられる装置であって、両方の容器端面（２１）の範囲又は両方の容器端面（２１）の近傍範囲に、それぞれ少なくとも１つの接続口（２３）が設けられ、１つの容器（２０）の出口側接続口（２３）が接続導管を経て別の容器（２０）の入口側接続口（２３）に接続されていることを特徴とする、装置。
12. 少なくとも２つの容器（２０）が直列に接続され、直列において最後の容器（２０）の出口側接続口（２３）が、接続導管（２５）を経て最初の容器（２０）の入口側接続口（２３）に接続されていることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. バイパス導管（２４）及び／又は接続導管（２５）に流量制御弁（２６）及び／又は供給ポンプが設けられていることを特徴とする、請求項１０〜１２の１つに記載の装置。
14. 円板状フィルタ素子（５）であって、受入れ部を形成する穴（８）を持ち、フィルタ素子（５）の円板表面（６）が請求項１〜８の１つに記載の装置用フィルタ表面を形成しているものにおいて、穴（８）の範囲に、スペーサ（１１）の機能を引受ける環状突起（１３）が設けられ、この環状突起の環軸線が円板面（１０）と９０°に等しくない角をなしていることを特徴とする、円板状フィルタ素子。
15. 円板面（１０）が、円板面（１０）と環軸線との間で、直角とは１〜１５°なるべく６°未満なるべく２〜４°特に３°相違して傾斜していることを特徴とする、請求項１４に記載の円板状フィルタ素子。

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