WO2024088830A1 - Filtervorrichtung ohne spannbolzen - Google Patents

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WO2024088830A1
WO2024088830A1 PCT/EP2023/078863 EP2023078863W WO2024088830A1 WO 2024088830 A1 WO2024088830 A1 WO 2024088830A1 EP 2023078863 W EP2023078863 W EP 2023078863W WO 2024088830 A1 WO2024088830 A1 WO 2024088830A1
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WO
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tube
filter device
permeate
fluid
end element
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Application number
PCT/EP2023/078863
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf Faiga
Original Assignee
R.T.S. Rochem Technical Services GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/10—Spiral-wound membrane modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/02—Specific tightening or locking mechanisms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/02—Reverse osmosis; Hyperfiltration ; Nanofiltration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/14—Ultrafiltration; Microfiltration

Definitions

  • the present invention relates to a filter device for filtering a fluid by means of membranes.
  • membranes for filtering fluids are generally known.
  • Corresponding filter devices are used, for example, for drinking water treatment and typically have a housing with an inlet for the fluid, a permeate outlet for the permeate separated from the fluid, and a retentate outlet for the retentate (concentrate) separated from the fluid.
  • Inside the housing there is a membrane insert that carries one or more membranes for separating or filtering the fluid.
  • the membrane insert is advantageously arranged in a cylindrical housing tube that is closed at the end with end elements. In this way, the housing can be designed to be particularly pressure-tight, so that the fluid to be filtered can also be pumped through the membrane insert at high pressure.
  • the membranes are exposed to the fluid to be filtered by passing the fluid through the inlet into the interior of the housing tube and forcing it through the membrane insert to obtain the permeate and the retentate.
  • the permeate is the part of the fluid that passes through the membranes and is thus freed from undesirable components. The latter are retained in the retentate.
  • the fluid When using a large number of fine-pored membranes, such as for ultrafiltration, the fluid is pressurized from the inlet side in order to separate the fluid into the permeate and the retentate as quickly as possible.
  • an internal pressure is created within the housing, which acts on the housing wall and in particular on the two End elements act to close the housing.
  • the pressure can be up to 120 bar or more, especially when using very fine-pored membranes.
  • the end elements are currently connected to one another with a clamping bolt that extends through the membrane insert. The clamping bolt pre-tensions the end elements in the direction of the membrane insert so that the pressure forces acting against the end elements from the inside are reliably compensated.
  • the clamping bolt has disadvantages.
  • the clamping bolt reduces the space available for the membrane insert and thus for filtration inside the housing.
  • the fluid flow induced during filtration is consequently impaired by the clamping bolt, so that the amount of fluid that can be filtered per unit of time is limited by the clamping bolt.
  • the flow rate is also limited if the clamping bolt is arranged behind the membranes in the flow direction, e.g. if the clamping bolt is guided through a permeate tube extending through the membrane insert.
  • the volume of space available on the permeate side also affects the filter performance.
  • the clamping bolt also increases the weight of the filter device and the effort required for reliable sealing.
  • the object is solved according to a first aspect by the subject matter of claim 1.
  • the filter device does not have a bolt element connecting the first and second end elements to each other in order to prestress the first end element and the second end element in the direction of the membrane insert.
  • the clamping bolt can be dispensed with in particular in applications that do not require particularly high filter pressures, e.g. in the range of 120 bar and more.
  • the filter device can be designed using various structural measures so that the end elements are always held securely to the housing tube even without a clamping bolt and no leaks occur. Examples of suitable measures are described below.
  • the filter device described can basically be used for various filtering purposes.
  • Non-exhaustive examples include ultrafiltration, reverse osmosis or nanofiltration.
  • the filter device preferably does not have a bolt element that extends through the membrane insert and the first and/or second end element.
  • the effective area of the membrane insert can be increased in this way.
  • an end element can be designed without an opening for the bolt element, so that the risk of leaks is reduced.
  • the membrane insert has a permeate tube connected to the membranes for receiving and discharging the permeate.
  • the permeate tube preferably extends centrally through the membrane insert and the housing tube.
  • the permeate tube and the housing tube can be arranged concentrically or axially parallel.
  • the permeate tube is completely free, particularly along its tube axis, and in particular free of a bolt element.
  • the central outflow area of the permeate is thus neither obstructed by a bolt element nor by any other connecting element that could reduce the tube volume of the permeate tube.
  • the flow rate of the fluid through the filter device, in particular of the permeate portion, can be further increased by this measure.
  • At least one of the ends of the permeate tube rests against one of the end elements of the housing.
  • the first tube end of the permeate tube rests against the first end element.
  • the second tube end can rest against the axially opposite second end element.
  • the end elements can advantageously be supported centrally on the permeate tube.
  • the permeate tube can support the end elements directly, so that separate pressure elements can be dispensed with.
  • the first tube end of the permeate tube engages in sections in a central recess of the first end element in order to limit the movement of the permeate tube in the axial direction towards the first end element.
  • the first tube end can optionally be provided with a sealing element in order to particularly reliably prevent the fluid from penetrating the permeate tube.
  • the sealing element is preferably designed as a sealing ring. This can help to hold the permeate tube in the recess and in particular prevent it from slipping out of the recess.
  • the second tube end of the permeate tube engages in sections in a central opening of the second end element.
  • the permeate tube can thus advantageously be stored in both end elements.
  • the opening allows access to the interior of the permeate tube as required.
  • the opening can be provided with an internal thread into which a connector for the permeate tube or the permeate outlet is screwed.
  • the connector can optionally be removed by unscrewing it in order to expose the end of the permeate tube and clean it if necessary.
  • the connector can define a stop for the permeate pipe, which can be variably adjusted depending on the screw-in depth.
  • the movement of the permeate tube can be limited in such a way that mobility of the permeate tube and the membrane insert in axial and radial directions is minimized.
  • the connector preferably has a sealing element to prevent fluid from escaping from the housing.
  • the second tube end of the permeate tube can also have a sealing element to prevent retentate from entering the permeate tube and/or to improve the fit of the permeate tube in the opening.
  • the permeate outlet is preferably arranged centrally on the second end element.
  • the permeate outlet can be formed on the previously mentioned connection piece. The achievable discharge rate of the permeate can thereby be further increased.
  • the inlet is arranged decentrally on the first end element and the retentate outlet is arranged decentrally on the second end element.
  • the inlet and the retentate outlet can also be swapped if necessary in order to operate the filter device with a reversed fluid flow.
  • the arrangement of all inlets and outlets on the end elements is advantageous in order to be able to form the housing tube without interruption, ie without openings for connections or the like.
  • the structural requirements for the housing tube can be reduced in this way.
  • the housing tube can advantageously be made of a plastic. This can be reinforced with fibers, particularly glass fibers, for high-pressure applications.
  • the risk of leakage in the housing tube is minimized.
  • the first end element and/or the second end element are each releasably secured with a locking ring to prevent them from falling out of the housing tube.
  • the locking ring engages in a groove on the inside of the housing tube that runs around the tube axis and is pre-tensioned radially outwards.
  • the filter device is equipped with a prestressing element, in particular an adjusting flange, which is provided with at least one threaded hole.
  • the threaded hole preferably extends axially parallel to the tube axis of the housing tube and serves to accommodate a screw for prestressing the first and/or second end element in the direction of the membrane insert.
  • the screw is preferably screwed into the threaded hole from the outside until it interacts with the adjacent end element in the axial direction.
  • the end element can be prestressed against the membrane insert in the axial direction depending on the screw-in depth in order to reliably hold the end element and the membrane insert in a fixed position in the housing tube. Tolerance phenomena due to manufacturing or operation can be compensated by adjusting the screw as required.
  • the prestressing element is ring-shaped and has several threaded holes arranged along the ring.
  • the prestressing element can be designed as an annular flange.
  • the threaded holes are each designed to accommodate a screw in order to pressurize the end element in the direction of the membrane insert.
  • At least one deflection device is arranged between the membrane insert and the inlet in order to deflect the fluid flow in the housing tube.
  • the fluid flow can in particular be deflected in such a way that mechanical overloading of the membranes in sections by inflowing fluid is avoided.
  • the deflection device can be designed as a disk that extends transversely to the tube axis of the housing and forms a fluid barrier in the direction of the membranes. The fluid must therefore flow around the disk before the fluid hits the membranes. The flow velocity per area can be effectively reduced or limited in this way. The total flow rate, however, is not affected, so that a high filter performance can still be achieved.
  • the deflection device is preferably attached to the end element that has the inlet for the fluid.
  • a further deflection device can be arranged between the membrane insert and the retentate outlet. In this way, the membrane side facing the retentate outlet is also protected from overloading. This is particularly advantageous if the retentate outlet is optionally used as an inlet for the fluid to be filtered.
  • the membrane insert has a grid-shaped intermediate element for enclosing the membranes on its sides facing the end elements.
  • the membranes are effectively held in position by the intermediate elements.
  • the membranes are mechanically protected. For example, Damage during assembly can be better avoided.
  • the housing tube is preferably made of a plastic.
  • the plastic can advantageously be reinforced with fibers, e.g. glass fibers, in order to be dimensionally stable against high internal pressures.
  • a filter device for filtering a fluid comprises a housing with an inlet for the fluid, a permeate outlet for the permeate separated from the fluid, a retentate outlet for the retentate separated from the fluid, and a membrane insert with a plurality of membranes for filtering the fluid.
  • a deflection device is arranged between the membrane insert and the inlet, which is designed to deflect a fluid flow when the filter device is used as intended. The deflection device allows the filter device to be operated with higher fluid flows. In particular, partial overloading of the membranes by the incoming fluid flow is reliably prevented.
  • the deflection device is preferably designed, as described above, as a disk element that ensures a uniform distribution of the fluid flow.
  • the disk element can delimit an inlet channel for the fluid in the direction of a tube axis of the housing.
  • the disk element is preferably attached directly to an end element arranged in the housing that has the inlet for the fluid.
  • the end elements are preferably made of a metal, in particular stainless steel. In this way, the resistance of the housing can be better ensured even without a clamping bolt. It is to be understood that the features disclosed in connection with the filter device according to the first aspect can also be implemented in a corresponding manner in the last-described filter device according to the second aspect and vice versa.
  • the housing can also have a housing tube made of plastic, into which the end elements are inserted at the end.
  • a filter device for filtering a fluid comprising a housing with an inlet for the fluid, a permeate outlet for the permeate separated from the fluid, and a retentate outlet for the retentate separated from the fluid.
  • the housing has a cylindrical housing tube in which a membrane insert with a plurality of membranes for filtering the fluid is arranged.
  • the membrane insert also has a permeate tube connected to the membranes for receiving and discharging the permeate.
  • the permeate tube extends centrally through the membrane insert and is free along its tube axis, in particular free of a bolt element.
  • Figure 1 a longitudinal sectional view of a filter device for
  • Figures 2a and 2b side views of the front sides of the filter device of Fig. 1;
  • Figures 3a and 3b side views of end elements of the filter device of Fig. 1;
  • Figure 4 a side view of an intermediate element of the
  • Figures 5a and 5b a side view (Fig. 5a) and a cross-sectional view (Fig. 5b) of a disc-shaped deflection device for the filter device of Fig. 1;
  • Fig. 6 an exploded view of the filter device of Fig.
  • FIG. 1 A filter device for filtering fluids is described below with reference to the figures.
  • the filter device is shown in an assembled state in a longitudinal sectional view.
  • the longitudinal axis of the device is defined by a central geometric axis A, which lies in the sectional plane.
  • Individual parts of the filter device are further illustrated in the exploded view of Fig. 6.
  • the filter device comprises a hollow cylindrical housing tube 2 in which a membrane insert 1 is arranged.
  • the membrane insert 1 has a has a cylindrical outer shape adapted to the housing tube 2, with the membrane insert 1 resting along its peripheral surface on the inside of the housing tube 2.
  • the housing tube 2 is made of glass fiber reinforced plastic. However, other plastics and materials are also conceivable.
  • the membrane insert 1 comprises a plurality of flat membranes 33 which are wound around a hollow cylindrical permeate tube 21.
  • the permeate tube 21 extends coaxially to the housing tube 2 with respect to the axis A.
  • the membranes 33 are arranged in the form of membrane cushions, as described for example in the document EP 1 445 013 A1.
  • the individual membrane surfaces extend parallel to the axis A and are layered one above the other in the radial direction (see dashed lines in Fig. 1 ).
  • the membranes 33 are designed to separate a fluid to be filtered, e.g. contaminated water, into the permeate which penetrates the membranes 33 and the retained retentate.
  • the membranes 33 engage in sections in the permeate tube 21 in order to discharge the permeate obtained into the permeate tube 21.
  • the fluid to be filtered is passed through a hollow cylindrical inlet pipe 5 into the interior of the housing tube 2 in order to be filtered there with the aid of the membrane insert 1.
  • the inlet pipe 5 engages at the end in a first disk-shaped end element 3, which closes the housing tube 2 on a first opening side (cf. Fig. 1 and Fig. 2a).
  • the end element 3 has a decentrally arranged opening 27 into which the inlet pipe 5 is screwed in sections.
  • a pipe axis B of the inlet pipe 5 extends in the axial direction parallel to the Axis A of the housing tube 2 and in the radial direction between the
  • Axis A and the wall of the housing tube 2 (see Fig. 1 ).
  • the end element 3 has a circumferential groove with a lip sealing ring 11 to seal the end element 3 on the inside of the housing tube 2 (see Fig. 1).
  • the end element 3 is secured against falling out of the housing tube 2 by a locking ring 16, also called a circlip (see Fig. 1 and Fig. 2a).
  • the locking ring 16 engages in an inner groove of the housing tube 2 that runs around the axis A and is pre-tensioned outwards in the radial direction.
  • An annular flange 8 is arranged between the locking ring 16 and the end element 3 (see Fig. 2a).
  • the flange 8 is immediately adjacent to the end element 3 in the direction of the axis A and is designed to move and preload the end element 3 axially in the direction of the membrane insert 1.
  • the flange 8 has a plurality of threaded holes into which a respective threaded pin 15 is screwed (see Fig. 1 and Fig. 2a).
  • the threaded pins 15 act on the end element 3 depending on their screw-in depth in order to load it along the axis A in the direction of the membrane insert 1.
  • the flange 8 has a plurality of threaded holes 15 distributed along the flange 8, as shown in Fig. 2a.
  • the end element 3 can therefore be loaded evenly by successively screwing in the threaded pins 15 without jamming or being deformed in the housing tube 2.
  • the end element 3 has a central circular recess 26 on its side facing the membrane insert 1, in which the permeate tube 21 is supported at one end (see Fig. 1 and Fig. 3b).
  • the end of the permeate tube 21 engaging in the recess 26 is secured by means of a Sealing ring 13 so that the fluid does not pass unfiltered along the recess 26 into the permeate tube 21.
  • the recess 26 has a bottom which limits the axial mobility of the permeate tube 21 (see Fig. 1).
  • the end element 3 acts on the permeate tube 21 when acted upon by the flange 8 or the threaded pins 15. The reliable sealing of the permeate tube 21 is thereby improved.
  • the housing tube 2 is closed on a second opening side, which is opposite the first opening side, with a second disk-shaped end element 4 (see Fig. 1).
  • the second end element 4 like the first end element 3, is sealed with a circumferential lip seal 11 on the inside of the housing tube 2 and is secured against falling out of the housing tube 2 by a locking ring 20.
  • An outlet pipe 6 for the retentate is screwed from the outside into a decentralized opening 25 of the end element 4 (see Fig. 1, Fig. 2b and Fig. 3a).
  • An axis C of the outlet pipe 6 extends parallel to the axis A and in the radial direction between the axis A and the wall of the housing pipe 2.
  • the axis C as shown in Fig. 1, is arranged coaxially to the axis B of the inlet pipe 5.
  • a non-coaxial arrangement of the axes is also conceivable.
  • the end element 4 has a central circular opening 24 (cf. Fig. 1 and Fig. 3a) which extends in the direction of the axis A through the end element 4 and is arranged coaxially to the axis A.
  • a connecting piece 7 is screwed into the opening 24 from the outside, which partially closes the opening 24.
  • one end of the permeate tube 21 engages in the opening 24, with the permeate tube 21 directly entering a cylindrical cavity 36 of the connecting piece 7. (see Fig. 1 ).
  • the permeate pipe 21 and the connector 7 together define a linear outflow channel for the permeate.
  • the end of the permeate tube 21 engaging in the opening 24 is provided with a sealing ring 37.
  • the section of the connecting piece 7 engaging in the opening 24 has a sealing ring 14 in order to seal the transition between the permeate tube 21 and the connecting piece 7 to the outside.
  • the connecting piece 7 is provided with a flange section 38 which defines an axial stop and in particular prevents the connecting piece 7 from being screwed too far into the opening 24. Mechanical overloading of the permeate pipe 21 can be reliably avoided in this way.
  • the connecting piece 7 is equipped on the outside with a pipe section and an optionally screwed-on nut 10 which is used to connect a drain line (not shown) for the permeate.
  • the membrane insert 1 has an intermediate element 22, 23 in the axial direction between the membranes 33 and the end elements 3 and 4, which surrounds the membranes 33 laterally, i.e. in the direction of the axis A and in the radial direction.
  • the intermediate element 22 is shown in Fig. 4 in a side view of the axial end face (the axis A extends perpendicular to the plane of the paper in Fig. 4). It can be seen that the intermediate element 22 is designed in a grid shape with several webs 32 that extend in a star shape in the radial direction around the permeate tube 21. Trapezoidal openings 31 are formed between the webs 32, which allow a fluid flow in the direction of the membranes 33 (not shown in Fig. 4).
  • the permeate tube 21 has on its inner side a plurality of circumferentially spaced ribs 30 which extend parallel to the axis A.
  • the inside can alternatively be designed without ribs, ie in the manner of a smooth-walled hollow cylinder.
  • the permeate tube 21 has no bolt element or similar connecting elements that could extend in the axial direction through the permeate tube 21.
  • the permeate tube 21 is free or hollow along its entire axial length, particularly when the filter device is used as intended. This enables a very high flow rate for the permeate.
  • a deflection disk 9 is arranged on the end element 3, which deflects the fluid flow through the inlet pipe 5 in a radial direction. In this way, the fluid flow along the axis B is prevented from directly hitting the membranes 33 (see Fig. 1, Fig. 5a and Fig. 5b). In other words, the fluid must first flow around the deflection disk 9, which protects the membranes 33 from being partially overloaded by inflowing fluid. The fluid can therefore be easily pumped through the inlet pipe 5 at high pressure in order to filter a high volume of fluid per unit of time.
  • the deflection disk 9 has two decentrally arranged holes 34 and 35 for passing through a respective screw 19 in order to fasten the deflection disk 9 directly to the end element 3.
  • the holes 34, 35 are preferably provided with a countersunk recess for receiving a countersunk head of the screw 19, as shown in Fig. 5b and Fig. 5b.
  • the side of the deflection disk 9 facing the membrane insert 1 has a smooth surface (cf. Fig. 1).
  • the deflection disk 9 limits the fluid channel formed by the inlet pipe 5 in the direction of the axis B. However, a gap is formed between the deflection disk 9 and the end element 3, so that the fluid when the filter device is used as intended, it is deflected in a substantially radial direction and flows to the membrane insert 1.
  • the gap width is defined by a nut 17 and a washer 18 (see Fig. 1 ). However, the gap width can be adjusted as required by using additional and/or different spacer elements.
  • the diameter D1 of the deflection disk 9 is adapted to the pipe diameter D2 of the inlet pipe 5 or the diameter of the opening 27 (see Fig. 5a and Fig. 3b).
  • the diameter D1 is approximately twice the diameter D2. This ensures that the membranes 33 are particularly well protected.
  • the deflection disk 9 forms a negligible flow resistance for the fluid.
  • the end element 3 has two threaded holes 28 and 29 on the side facing the membrane insert 1, which are arranged adjacent to the opening 27 and are diametrically opposite one another with respect to the opening 27 (cf. Fig. 3b).
  • the distance between the threaded holes 28, 29 corresponds to the distance between the holes 34, 35 of the deflection disk 9.
  • the threaded holes 28, 29 are used to screw in the screws 19 in order to fasten the deflection disk 9 to the end element 3.
  • the filter device enables an exceptionally high filter performance through high fluid flows.
  • the fluid can also be pumped into the inlet pipe 5 at high pressure.
  • a conventional clamping bolt which connects the end elements 3 and 4 through the permeate pipe 21 and prestresses them inwards, ie in the direction of the membrane insert 1, can be dispensed with. Consequently, the free outflow of the permeate through the permeate pipe 21 can be particularly can be ensured well.
  • the permeate tube 21 can be advantageously mounted in the end elements 3 and 4 as described by dispensing with a bolt element, with the end elements 3 and 4 supporting each other via the permeate tube 21.
  • a further advantage of the filter device described lies in the deflection disk 9, which reliably prevents the membranes 33 from being overloaded in certain sections by high fluid flows.

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Abstract

Eine Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids umfasst einen in einem Gehäuse angeordneten Membraneinsatz mit einer Vielzahl von Membranen für die Filtration des Fluids. Das Gehäuse weist ein zylindrisches Gehäuserohr auf, das an einem ersten Rohrende mit einem ersten Endelement und an einem zweiten Rohrende mit einem zweiten Endelement versehen ist, wobei der Membraneinsatz zwischen dem ersten Endelement und dem zweiten Endelement angeordnet ist. Die Filtervorrichtung weist kein die Endelement miteinander verbindendes Bolzenelement auf, um das erste Endelement und das zweite Endelement in Richtung des Membraneinsatzes vorzuspannen.

Description

Filtervorrichtung ohne Spannbolzen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids mittels Membranen.
Der Einsatz von Membranen zur Filtration von Fluiden ist grundsätzlich bekannt. Entsprechende Filtervorrichtungen gelangen beispielsweise für die Trinkwasseraufbereitung zum Einsatz und weisen typischerweise ein Gehäuse mit einem Einlass für das Fluid, einen Permeatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Permeat, und einen Retentatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Retentat (Konzentrat) auf. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Membraneinsatz, der ein oder mehrere Membranen zur Trennung bzw. Filtration des Fluids trägt. Vorteilhaft ist der Membraneinsatz in einem zylindrischen Gehäuserohr angeordnet, das endseitig mit Endelementen verschlossen ist. Das Gehäuse kann auf diese Weise besonders druckdicht ausgebildet werden, sodass das zu filternde Fluid auch mit hohem Druck durch den Membraneinsatz gepumpt werden kann.
Bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung werden die Membranen mit dem zu filternden Fluid beaufschlagt, indem das Fluid durch den Einlass in das Innere des Gehäuserohrs geleitet und durch den Membraneinsatz gedrückt wird, um das Permeat und das Retentat zu erhalten. Das Permeat ist derjenige Teil des Fluids, der die Membranen durchdringt und auf diese Weise von unerwünschten Bestandteilen befreit wird. Letztere werden in dem Retentat zurückbehalten.
Bei Nutzung einer Vielzahl von feinporigen Membranen, wie z.B. für die Ultrafiltration, wird das Fluid von der Einlassseite unter Druck gesetzt, um das Fluid möglichst rasch in das Permeat und das Retentat aufzutrennen. Infolgedessen entsteht innerhalb des Gehäuses ein Innendruck, der auf die Gehäusewandung und insbesondere auch auf die beiden Endelemente wirkt, die das Gehäuse verschließen. Der Druck kann in Abhängigkeit von der Filteranwendung (z.B. Mikrofiltration, Ultrafiltration und Nanofiltration) bis zu 120 Bar oder mehr betragen, insbesondere bei Verwendung von sehr feinporigen Membranen. Um während des Betriebs der Filtervorrichtung dennoch eine druckbedingte Beschädigung des Gehäuses oder Leckagen zu vermeiden, sind die Endelemente bislang mit einem sich durch den Membraneinsatz erstreckenden Spannbolzen miteinander verbunden. Der Spannbolzen spannt die Endelemente in Richtung des Membraneinsatzes vor, sodass die von innen gegen die Endelemente wirkenden Druckkräfte zuverlässig kompensiert werden.
Der Spannbolzen ist allerdings mit Nachteilen verbunden. Einerseits verringert der Spannbolzen den für den Membraneinsatz und somit für die Filtration zur Verfügung stehenden Raum im Inneren des Gehäuses. Der während der Filtration herbeigeführte Fluidstrom wird folglich durch den Spannbolzen beeinträchtigt, sodass die Fluidmenge, die pro Zeiteinheit gefiltert werden kann, durch den Spannbolzen limitiert ist. Die Durchflussmenge ist auch dann begrenzt, wenn der Spannbolzen in Flussrichtung hinter den Membranen angeordnet ist, z.B. wenn der Spannbolzen durch ein sich durch den Membraneinsatz erstreckendes Permeatrohr geführt ist. Mit anderen Worten wirkt sich auch das auf der Permeatseite zur Verfügung stehende Raumvolumen auf die Filterleistung aus.
Durch den Spannbolzen erhöhen sich außerdem das Gewicht der Filtervorrichtung sowie der Aufwand zur zuverlässigen Abdichtung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Filtervorrichtung anzugeben, die insbesondere eine höhere Durchflussrate für das Retentat erlaubt. Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1 .
Demnach weist die Filtervorrichtung kein das erste und zweite Endelement miteinander verbindendes Bolzenelement auf, um das erste Endelement und das zweite Endelement in Richtung des Membraneinsatzes vorzuspannen.
Es hat sich gezeigt, dass eine ausreichende Druckfestigkeit des Gehäuses auch ohne den Spannbolzen gewährleistet werden kann. Mit anderen Worten kann auf den Spannbolzen verzichtet werden, ohne die Funktion und Sicherheit der Filtervorrichtung zu beeinträchtigen. Die Durchflussrate des zu filternden Fluids, insbesondere des Permeatanteils, kann auf diese Weise bedeutend erhöht werden. Darüber hinaus können das Gewicht und das Leckagerisiko reduziert werden.
Ein Verzicht auf den Spannbolzen kann insbesondere in Anwendungsfällen erfolgen, die keine besonders hohen Filterdrücke, z.B. im Bereich von 120 Bar und mehr, erfordern. Andererseits kann die Filtervorrichtung durch verschiedene konstruktive Maßnahmen so ausgebildet werden, dass die Endelemente auch ohne einen Spannbolzen stets sicher an dem Gehäuserohr gehalten werden und keine Leckagen auftreten. Beispiele für geeignete Maßnahmen werden nachfolgend beschrieben.
Die beschriebene Filtervorrichtung kann grundsätzlich für verschiedene Filterzwecke eingesetzt werden. Als nicht abschließende Beispiele kommen die Ultrafiltration, die Umkehrosmose oder die Nanofiltration in Betracht.
Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den abhängigen Ansprüchen sowie den Figuren offenbart. Nach einer Ausführungsform weist die Filtervorrichtung vorzugsweise kein Bolzenelement auf, welches sich durch den Membraneinsatz und das erste und/oder zweite Endelement hindurch erstreckt. Die Wirkfläche des Membraneinsatzes kann auf diese Weise vergrößert werden. Andererseits bestehen geringere konstruktive Anforderungen an zumindest eines der Endelemente, insbesondere in Bezug auf die zuverlässige Abdichtung einer in dem Endelement gebildeten Öffnung. Beispielsweise kann ein Endelement ohne Öffnung für das Bolzenelement ausgebildet werden, sodass das Risiko für Leckagen reduziert wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Membraneinsatz ein mit den Membranen verbundenes Permeatrohr zur Aufnahme und Abführung des Permeats auf. Das Permeatrohr erstreckt sich vorzugsweise zentral durch den Membraneinsatz und das Gehäuserohr. Beispielsweise können das Permeatrohr und das Gehäuserohr konzentrisch oder achsparallel angeordnet sein.
Das Permeatrohr ist insbesondere entlang seiner Rohrachse vollständig frei, insbesondere frei von einem Bolzenelement. Der zentrale Abflussbereich des Permeats wird somit weder durch ein Bolzenelement noch durch ein anderes Verbindungselement behindert, welches das Rohrvolumen des Permeatrohrs reduzieren könnte. Die Durchflussrate des Fluids durch die Filtervorrichtung, insbesondere des Permeatanteils, kann durch diese Maßnahme weiter erhöht werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform liegt zumindest eines der Enden des Permeatrohrs an einem der Endelemente des Gehäuses an.
Beispielsweise liegt das erste Rohrende des Permeatrohrs an dem ersten Endelement an. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Rohrende an dem axial gegenüberliegenden zweiten Endelement anliegen. Eine Bewegung des Permeatrohrs kann auf diese Weise wirksam eingeschränkt werden, sodass der Membraneinsatz positionsfest in dem Gehäuserohr gehalten wird. Darüber hinaus können die Endelemente vorteilhaft zentral an dem Permeatrohr abgestützt werden. Beispielsweise kann das Permeatrohr die Endelemente unmittelbar abstützen, sodass auf separate Andruckelemente verzichtet werden kann.
Nach einer weiteren Ausführungsform greift das erste Rohrende des Permeatrohrs abschnittsweise in eine zentrale Vertiefung des ersten Endelements ein, um die Bewegung des Permeatrohrs in axialer Richtung hin zu dem ersten Endelement zu begrenzen. Das erste Rohrende kann hierbei optional mit einem Dichtungselement versehen sein, um ein Eindringen des Fluids in das Permeatrohr besonders zuverlässig zu unterbinden. Das Dichtungselement ist vorzugsweise als ein Dichtungsring ausgebildet. Dieser kann dazu beitragen, das Permeatrohr in der Vertiefung zu halten und insbesondere ein Herausrutschen aus der Vertiefung zu unterbinden.
Es ist bevorzugt, dass das zweite Rohrende des Permeatrohrs abschnittsweise in eine zentrale Öffnung des zweiten Endelements eingreift. Das Permeatrohr kann somit vorteilhaft in beiden Endelementen gelagert werden. Die Öffnung ermöglicht einen bedarfsweisen Zugang zum Inneren des Permeatrohrs. Beispielsweise kann die Öffnung mit einem Innengewinde versehen sein, in das ein Anschlussstück für das Permeatrohr bzw. den Permeatauslass eingeschraubt ist. Das Anschlussstück kann durch Herausschrauben wahlweise entfernt werden, um das Permeatrohr endseitig freizulegen und ggf. zu reinigen.
Ferner können Maßnahmen zur Kompensation von herstellungs- oder betriebsbedingten Spaltbildungen ergriffen werden. Beispielsweise kann das Anschlussstück einen Anschlag für das Permeatrohr definieren, der in Abhängigkeit von der Einschraubtiefe variabel eingestellt werden kann. Die Bewegung des Permeatrohrs kann insbesondere derart begrenzt werden, dass eine Bewegbarkeit des Permeatrohrs und des Membraneinsatzes in axialer und radialer Richtung minimiert wird.
Das Anschlussstück weist vorzugsweise ein Dichtungselement auf, um den Austritt von Fluid aus dem Gehäuse zu unterbinden. Ferner kann auch das zweite Rohrende des Permeatrohrs ein Dichtungselement aufweisen, um das Eindringen von Retentat in das Permeatrohr zu unterbinden und/oder den Sitz des Permeatrohrs in der Öffnung zu verbessern.
Der Permeatauslass ist vorzugsweise zentral an dem zweiten Endelement angeordnet. Beispielsweise kann der Permeatauslass an dem zuvor genannten Anschlussstück ausgebildet sein. Die erzielbare Abflussrate des Permeats kann hierdurch weiter gesteigert werden.
Nach einer weiteren Ausführungsform sind der Einlass dezentral an dem ersten Endelement und der Retentatauslass dezentral an dem zweiten Endelement angeordnet. Der Einlass und der Retentatauslass können bei Bedarf auch vertauscht werden, um die Filtervorrichtung mit einem umgekehrten Fluidstrom zu betreiben.
Die Anordnung sämtlicher Ein- und Auslässe an den Endelementen ist von Vorteil, um das Gehäuserohr unterbrechungsfrei, d.h. ohne Öffnungen für Anschlüsse oder dergleichen ausbilden zu können. Die konstruktiven Anforderungen an das Gehäuserohr können hierdurch reduziert werden. Beispielsweise kann das Gehäuserohr vorteilhaft aus einem Kunststoff gebildet sein. Dieser kann für Hochdruckanwendungen mit Fasern, insbesondere Glasfasern verstärkt sein. Außerdem wird das Leckagerisiko an dem Gehäuserohr minimiert. Vorzugsweise sind das erste Endelement und/oder das zweite Endelement jeweils lösbar mit einem Sicherungsring gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuserohr gesichert. Der Sicherungsring greift an einer Innenseite des Gehäuserohrs in eine um die Rohrachse umlaufende Nut ein und ist nach radial außen vorgespannt.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Filtervorrichtung mit einem Vorspannelement, insbesondere einem Justierflansch, ausgestattet, das mit wenigstens einem Gewindeloch versehen ist. Das Gewindeloch erstreckt sich vorzugsweise achsparallel zu der Rohrachse des Gehäuserohrs und dient zur Aufnahme einer Schraube zum Vorspannen des ersten und/oder zweiten Endelements in Richtung des Membraneinsatzes. Die Schraube wird vorzugsweise von außen in das Gewindeloch eingeschraubt, bis sie in axialer Richtung mit dem benachbarten Endelement zusammenwirkt. Auf diese Weise kann das Endelement in Abhängigkeit von der Einschraubtiefe in axialer Richtung gegen den Membraneinsatz vorgespannt werden, um das Endelement und den Membraneinsatz zuverlässig positionsfest in dem Gehäuserohr zu halten. Herstellungs- oder betriebsbedingte Toleranzerscheinungen können kompensiert werden, indem die Schraube bedarfsweise nachgestellt wird.
Das Vorspannelement ist in einer bevorzugten Ausführungsform ringförmig ausgebildet und weist mehrere entlang des Rings angeordnete Gewindelöcher auf. Beispielsweise kann das Vorspannelement als ein ringförmiger Flansch ausgebildet sein. Die Gewindelöcher sind jeweils zur Aufnahme einer Schraube ausgebildet, um das Endelement in Richtung des Membraneinsatzes zu beaufschlagen. Durch den Einsatz mehrerer Schrauben kann ein Verkanten des Endelements in dem Gehäuserohr zuverlässig vermieden werden. Außerdem wird die punktuelle Belastung des Endelements reduziert, weil sich die Vorspannkraft auf die mehreren Schrauben verteilt.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist zwischen dem Membraneinsatz und dem Einlass wenigstens eine Umlenkeinrichtung angeordnet, um den Fluidstrom in dem Gehäuserohr umzulenken. Der Fluidstrom kann insbesondere derart umgelenkt werden, dass eine abschnittsweise mechanische Überlastung der Membranen durch einströmendes Fluid vermieden wird. Beispielsweise kann die Umlenkeinrichtung als eine Scheibe ausgebildet sein, die sich quer zu der Rohrachse des Gehäuses erstreckt und eine Fluidbarriere in Richtung hin zu den Membranen bildet. Die Scheibe muss folglich von dem Fluid umflossen werden, bevor das Fluid auf die Membranen trifft. Die Strömungsgeschwindigkeit pro Fläche kann auf diese Weise wirksam reduziert bzw. begrenzt werden. Die gesamte Durchflussmenge wird hingegen nicht beeinträchtigt, sodass dennoch eine hohe Filterleistung erzielt werden kann.
Die Umlenkeinrichtung ist vorzugsweise an dem Endelement befestigt, das den Einlass für das Fluid aufweist. Eine weitere Umlenkeinrichtung kann zwischen dem Membraneinsatz und dem Retentatauslass angeordnet sein. Auf diese Weise wird auch die dem Retentatauslass zugewandte Membranseite vor einer Überlastung geschützt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Retentatauslass wahlweise als Einlass für das zu filternde Fluid verwendet wird.
Nach einer weiteren Ausführungsform weist der Membraneinsatz an seinen den Endelementen zugewandten Seiten jeweils ein gitterförmiges Zwischenelement zum Einfassen der Membranen auf. Die Membranen werden durch die Zwischenelemente wirksam in Position gehalten. Außerdem werden die Membranen mechanisch geschützt. Beispielsweise werden können Beschädigungen während der Montage besser vermieden werden.
Das Gehäuserohr ist vorzugsweise aus einem Kunststoff gebildet. Der Kunststoff kann vorteilhaft durch Fasern, z.B. Glasfasern verstärkt sein, um gegenüber hohen Innendrücken formbeständig zu sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids beschrieben. Die Filtervorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einem Einlass für das Fluid, einen Permeatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Permeat, einen Retentatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Retentat sowie einen Membraneinsatz mit einer Vielzahl von Membranen für die Filtration des Fluids. Zwischen dem Membraneinsatz und dem Einlass ist eine Umlenkeinrichtung angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung einen Fluidstrom umzulenken. Die Umlenkeinrichtung gestattet den Betrieb der Filtervorrichtung mit höheren Fluidströmen. Insbesondere wird eine abschnittsweise Überlastung der Membranen durch den eintretenden Fluidstrom zuverlässig unterbunden.
Die Umlenkeinrichtung ist vorzugsweise, wie weiter oben beschrieben, als ein Scheibenelement ausgebildet, das für eine gleichmäßige Verteilung des Fluidstroms sorgt. Beispielsweise kann das Scheibenelement einen Einlasskanal für das Fluid in Richtung einer Rohrachse des Gehäuses begrenzen. Das Scheibenelement ist vorzugsweise unmittelbar an einem in dem Gehäuse angeordneten Endelement befestigt, das den Einlass für das Fluid aufweist.
Die Endelemente sind vorzugsweise aus einem Metall, insbesondere einem Edelstahl gebildet. Die Widerstandsfähigkeit des Gehäuses kann auf diese Weise auch ohne einen Spannbolzen noch besser gewährleistet werden. Es ist zu verstehen, dass die Merkmale, welche im Zusammenhang mit der Filtervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt offenbart sind, in entsprechender Weise auch bei der zuletzt beschriebenen Filtervorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt verwirklicht sein können und umgekehrt. Beispielsweise kann das Gehäuse ebenfalls ein aus Kunststoff gebildetes Gehäuserohr aufweisen, in das die Endelemente endseitig eingesetzt sind.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids offenbart. Diese umfasst ein Gehäuse mit einem Einlass für das Fluid, einen Permeatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Permeat, und einen Retentatauslass für das von dem Fluid abgetrennte Retentat. Das Gehäuse weist ein zylindrisches Gehäuserohr auf, in das ein Membraneinsatz mit einer Vielzahl von Membranen für die Filtration des Fluids angeordnet ist. Der Membraneinsatz weist außerdem ein mit den Membranen verbundenes Permeatrohr zur Aufnahme und Abführung des Permeats auf. Das Permeatrohr erstreckt sich zentral durch den Membraneinsatz und ist entlang seiner Rohrachse frei, insbesondere frei von einem Bolzenelement.
Es ist zu verstehen, dass Merkmale der nach den ersten beiden Aspekten beschriebenen Filtervorrichtungen in entsprechender Weise auch bei der zuletzt beschriebenen Filtervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt verwirklicht sein können und umgekehrt. Beispielsweise können die in den abhängigen Ansprüchen offenbarten Ausführungsformen an der Filtervorrichtung gemäß dem dritten Aspekt verwirklicht sein.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen rein beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten offenbart sind. Funktionsmäßig gleiche Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Zeichnungen zeigen im Einzelnen in:
Figur 1 : eine Längsschnittansicht einer Filtervorrichtung zur
Filtration eines Fluids;
Figur 2a und 2b: Seitenansichten auf die Stirnseiten der Filtervorrichtung von Fig. 1 ;
Figur 3a und 3b: Seitenansichten von Endelementen der Filtervorrichtung von Fig. 1 ;
Figur 4: eine Seitenansicht eines Zwischenelements der
Filtervorrichtung von Fig. 1 ;
Figur 5a und 5b: eine Seitenansicht (Fig. 5a) und eine Querschnittansicht (Fig. 5b) einer scheibenförmigen Umlenkeinrichtung für die Filtervorrichtung von Fig. 1 ;
Fig. 6: eine Explosionsansicht der Filtervorrichtung von Fig.
1.
Eine Filtervorrichtung zur Filtration von Fluiden wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In Fig. 1 ist die Filtervorrichtung in einem zusammengesetzten Zustand in einer Längsschnittansicht gezeigt. Die Längsachse der Vorrichtung wird durch eine zentrale geometrische Achse A definiert, die in der Schnittebene liegt. Einzelne Teile der Filtervorrichtung sind in der Explosionsansicht von Fig. 6 weiter verdeutlicht.
Die Filtervorrichtung umfasst ein hohlzylindrisches Gehäuserohr 2, in dem ein Membraneinsatz 1 angeordnet ist. Der Membraneinsatz 1 weist eine an das Gehäuserohr 2 angepasste zylindrische Außenform auf, wobei der Membraneinsatz 1 entlang seiner Umfangsfläche an der Innenseite des Gehäuserohrs 2 anliegt. Das Gehäuserohr 2 ist aus glasfaserverstärktem Kunststoff gebildet. Denkbar sind jedoch auch andere Kunststoffe und Materialien.
Der Membraneinsatz 1 umfasst eine Vielzahl von flächig ausgebildeten Membranen 33, die um ein hohlzylindrisches Permeatrohr 21 gewickelt sind. Das Permeatrohr 21 erstreckt sich bezüglich der Achse A koaxial zu dem Gehäuserohr 2. Die Membranen 33 sind in Form von Membrankissen angeordnet, wie beispielsweise in dem Dokument EP 1 445 013 A1 beschrieben.
Die einzelnen Membranflächen erstrecken sich parallel zu der Achse A und sind in radialer Richtung übereinander geschichtet (vgl. Strichlinien in Fig. 1 ). Die Membranen 33 sind dazu ausgebildet, ein zu filtrierendes Fluid, z.B. verunreinigtes Wasser, in das Permeat, welches die Membranen 33 durchdringt, und das zurückbehaltene Retentat zu trennen. Die Membranen 33 greifen abschnittsweise in das Permeatrohr 21 ein, um das gewonnene Permeat in das Permeatrohr 21 abzuleiten.
Bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung wird das zu filtrierende Fluid durch ein hohlzylindrisches Einlassrohr 5 in das Innere des Gehäuserohrs 2 geleitet, um dort mit Hilfe des Membraneinsatzes 1 gefiltert zu werden. Das Einlassrohr 5 greift endseitig in ein erstes scheibenförmiges Endelement 3 ein, welches das Gehäuserohr 2 an einer ersten Öffnungsseite verschließt (vgl. Fig. 1 und Fig. 2a).
Das Endelement 3 weist eine dezentral angeordnete Öffnung 27 auf, in die das Einlassrohr 5 abschnittsweise eingeschraubt ist. Eine Rohrachse B des Einlassrohrs 5 erstreckt sich in axialer Richtung parallel zu der Achse A des Gehäuserohrs 2 und in radialer Richtung zwischen der
Achse A und der Wandung des Gehäuserohrs 2 (vgl. Fig. 1 ).
Das Endelement 3 weist eine umlaufende Nut mit einem Lippendichtungsring 11 auf, um das Endelement 3 an der Innenseite des Gehäuserohrs 2 abzudichten (vgl. Fig. 1 ). Zusätzlich ist das Endelement 3 durch einen Sicherungsring 16, auch Seegerring genannt, gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuserohr 2 gesichert (vgl. Fig. 1 und Fig. 2a). Der Sicherungsring 16 greift in eine innenseitige, um die Achse A umlaufende Nut des Gehäuserohrs 2 ein und ist in radialer Richtung nach außen vorgespannt.
Zwischen dem Sicherungsring 16 und dem Endelement 3 ist ein ringförmiger Flansch 8 angeordnet (vgl. Fig. 2a). Der Flansch 8 ist dem Endelement 3 in Richtung der Achse A unmittelbar benachbart und dazu ausgebildet, das Endelement 3 axial in Richtung hin zu dem Membraneinsatz 1 zu verschieben und vorzuspannen. Hierzu weist der Flansch 8 mehrere Gewindelöcher auf, in die ein jeweiliger Gewindestift 15 eingeschraubt ist (vgl. Fig. 1 und Fig. 2a). Die Gewindestifte 15 wirken in Abhängigkeit ihrer Einschraubtiefe auf das Endelement 3 ein, um es entlang der Achse A in Richtung des Membraneinsatzes 1 zu beaufschlagen. Vorteilhaft weist der Flansch 8, wie in Fig. 2a gezeigt mehrere entlang des Flansches 8 verteilte Gewindelöcher 15 auf. Das Endelement 3 kann folglich durch sukzessives Einschrauben der Gewindestifte 15 gleichmäßig beaufschlagt werden, ohne in dem Gehäuserohr 2 zu verkanten oder verformt zu werden.
Das Endelement 3 weist an seiner dem Membraneinsatz 1 zugewandten Seite eine zentrale kreisförmige Vertiefung 26 auf, in der das Permeatrohr 21 mit einem Ende abgestützt ist (vgl. Fig. 1 und Fig. 3b). Das in die Vertiefung 26 eingreifende Ende des Permeatrohrs 21 ist mittels eines Dichtungsrings 13 abgedichtet, sodass das Fluid nicht entlang der Vertiefung 26 ungefiltert in das Permeatrohr 21 gelangt. Die Vertiefung 26 weist einen Boden auf, der die axiale Bewegbarkeit des Permeatrohrs 21 begrenzt (vgl. Fig. 1 ).
Das Endelement 3 wirkt bei einer Beaufschlagung durch den Flansch 8 bzw. die Gewindestifte 15 auf das Permeatrohr 21 ein. Die zuverlässige Abdichtung des Permeatrohrs 21 wird hierdurch verbessert.
Das Gehäuserohr 2 ist an einer zweiten Öffnungsseite, die der ersten Öffnungsseite gegenüberliegt, mit einem zweiten scheibenförmigen Endelement 4 verschlossen (vgl. Fig. 1 ). Das zweite Endelement 4 ist wie das erste Endelement 3 mit einer umlaufenden Lippendichtung 11 an der Innenseite des Gehäuserohrs 2 abgedichtet und durch einen Sicherungsring 20 gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuserohr 2 gesichert.
Ein Auslassrohr 6 für das Retentat ist von außen in eine dezentrale Öffnung 25 des Endelements 4 eingeschraubt (vgl. Fig. 1 , Fig. 2b und Fig. 3a). Eine Achse C des Auslassrohrs 6 erstreckt sich parallel zu der Achse A sowie in radialer Richtung zwischen der Achse A und der Wandung des Gehäuserohrs 2. Außerdem ist die Achse C, wie in Fig. 1 gezeigt, koaxial zu der Achse B des Einlassrohrs 5 angeordnet. Eine nicht koaxiale Anordnung der Achsen ist jedoch ebenfalls denkbar.
Das Endelement 4 weist eine zentrale kreisförmige Öffnung 24 auf (vgl. Fig. 1 und Fig. 3a), die sich in Richtung der Achse A durch das Endelement 4 erstreckt und koaxial zu der Achse A angeordnet ist. In die Öffnung 24 ist von außen ein Anschlussstück 7 eingeschraubt, das die Öffnung 24 teilweise verschließt. Innenseitig greift ein Ende des Permeatrohrs 21 in die Öffnung 24 ein, wobei das Permeatrohr 21 unmittelbar in einen zylindrischen Hohlraum 36 des Anschlussstücks 7 mündet (vgl. Fig. 1 ). Das Permeatrohr 21 und das Anschlussstück 7 definieren zusammen einen linearen Abflusskanal für das Permeat.
Das in die Öffnung 24 eingreifenden Ende des Permeatrohrs 21 ist mit einem Dichtungsring 37 versehen. Zusätzlich weist der in die Öffnung 24 eingreifende Abschnitt des Anschlussstücks 7 einen Dichtungsring 14 auf, um den Übergang zwischen dem Permeatrohr 21 und dem Anschlussstück 7 nach außen abzudichten.
Das Anschlussstück 7 ist mit einem Flanschabschnitt 38 versehen, der einen axialen Anschlag definiert und insbesondere ein zu weites Eindrehen des Anschlussstücks 7 in die Öffnung 24 unterbindet. Eine mechanische Überlastung des Permeatrohrs 21 kann auf diese Weise zuverlässig vermieden werden. Das Anschlussstück 7 ist nach außen hin mit einem Rohrabschnitt und einer optional aufgeschraubten Mutter 10 ausgerüstet, die zum Anschließen einer nicht gezeigten Abflussleitung für das Permeat dient.
Der Membraneinsatz 1 weist in axialer Richtung zwischen den Membranen 33 und den Endelementen 3 und 4 jeweils ein Zwischenelement 22, 23 auf, das die Membranen 33 seitlich, d.h. in Richtung der Achse A und in radialer Richtung einfasst. Das Zwischenelement 22 ist in Fig. 4 in einer Seitenansicht auf die axiale Stirnseite gezeigt (die Achse A erstreckt sich in Fig. 4 senkrecht zur Papierebene). Es ist zu erkennen, dass das Zwischenelement 22 gitterförmig mit mehreren Stegen 32 ausgebildet ist, die sich sternförmig in radialer Richtung um das Permeatrohr 21 erstrecken. Zwischen den Stegen 32 sind trapezförmige Öffnungen 31 gebildet, die einen Fluidstrom in Richtung hin zu den Membranen 33 gestatten (in Fig. 4 nicht gezeigt).
Das Permeatrohr 21 weist an seiner Innenseite mehrere umlaufend beabstandete Rippen 30 auf, die sich parallel zu der Achse A erstrecken. Die Innenseite kann alternativ ohne Rippen, d.h. nach Art eines glattwandigen Hohlzylinders ausgebildet sein. Das Permeatrohr 21 weist im Bereich der Achse A jedoch kein Bolzenelement oder ähnliche Verbindungselemente auf, die sich in axialer Richtung durch das Permeatrohr 21 erstrecken könnten. Mit anderen Worten ist das Permeatrohr 21 , insbesondere bei der bestimmungsgemäßen Verwendung der Filtervorrichtung, entlang seiner ganzen axialen Länge frei bzw. hohl. Dies ermöglicht eine sehr hohe Durchflussrate für das Permeat.
An dem Endelement 3 ist eine Umlenkscheibe 9 angeordnet, die den Fluidstrom durch das Einlassrohr 5 in radialer Richtung umlenkt. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Fluidstrom entlang der Achse B unmittelbar auf die Membranen 33 trifft (vgl. Fig. 1 , Fig. 5a und Fig. 5b). Mit andere Worten muss das Fluid zunächst um die Umlenkscheibe 9 herumfließen, wodurch die Membranen 33 vor einer abschnittsweisen Überlastung durch einströmendes Fluid geschützt werden. Das Fluid kann daher problemlos mit hohem Druck durch das Einlassrohr 5 gepumpt werden, um pro Zeiteinheit ein hohes Fluidvolumen zu filtern.
Die Umlenkscheibe 9 weist zwei dezentral angeordnete Löcher 34 und 35 zum Durchführen einer jeweiligen Schraube 19 auf, um die Umlenkscheibe 9 unmittelbar an dem Endelement 3 zu befestigen. Die Löcher 34, 35 sind vorzugsweise, wie in Fig. 5b und Fig. 5b gezeigt, mit einer Senkung zur Aufnahme eines Senkkopfs der Schraube 19 versehen. Im befestigten Zustand weist die dem Membraneinsatz 1 zugewandten Seite der Umlenkscheibe 9 eine glatte Oberfläche auf (vgl. Fig. 1 ).
Die Umlenkscheibe 9 begrenzt den durch das Einlassrohr 5 gebildeten Fluidkanal in Richtung der Achse B. Zwischen der Umlenkscheibe 9 und dem Endelement 3 ist jedoch ein Spalt gebildet, sodass das Fluid bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung in eine im Wesentlichen radiale Richtung umgelenkt wird und zum Membraneinsatz 1 fließt. Die Spaltbreite ist durch eine Mutter 17 und eine Unterlegscheibe 18 definiert (vgl. Fig. 1 ). Die Spaltbreite kann jedoch bedarfsweise eingestellt werden, indem weitere und/oder andere Abstandselemente verwendet werden.
Der Durchmesser D1 der Umlenkscheibe 9 ist an den Rohrdurchmesser D2 des Einlassrohrs 5 bzw. den Durchmesser der Öffnung 27 angepasst (vgl. Fig. 5a und Fig. 3b). Insbesondere beträgt der Durchmesser D1 ca. das Doppelte des Durchmessers D2. Hierdurch kann der Schutz der Membranen 33 besonders gut gewährleistet werden. Darüber hinaus bildet die Umlenkscheibe 9 einen vernachlässigbaren Strömungswiderstand für das Fluid.
Das Endelement 3 weist an der dem Membraneinsatz 1 zugewandten Seite zwei Gewindelöcher 28 und 29 auf, die angrenzend an die Öffnung 27 angeordnet sind und sich bezüglich der Öffnung 27 diametral gegenüberliegen (vgl. Fig. 3b). Der Abstand zwischen den Gewindelöchern 28, 29 korrespondiert mit dem Abstand zwischen den Löchern 34, 35 der Umlenkscheibe 9. Die Gewindelöcher 28, 29 dienen zum Einschrauben der Schrauben 19, um die Umlenkscheibe 9 an dem Endelement 3 zu befestigen.
Die Filtervorrichtung ermöglicht eine außergewöhnlich hohe Filterleistung durch hohe Fluidströme. Das Fluid kann hierfür auch mit hohem Druck in das Einlassrohr 5 gepumpt werden. Auf den Einsatz eines herkömmlichen Spannbolzens, der die Endelemente 3 und 4 durch das Permeatrohr 21 miteinander verbindet und nach innen, d.h. in Richtung des Membraneinsatzes 1 vorspannt, kann jedoch verzichtet werden. Folglich kann der freie Abfluss des Permeats durch das Permeatrohr 21 besonders gut gewährleistet werden. Außerdem kann das Permeatrohr 21 durch Verzicht auf ein Bolzenelement vorteilhaft wie beschrieben in den Endelementen 3 und 4 gelagert werden, wobei sich die Endelemente 3 und 4 über das Permeatrohr 21 gegenseitig abstützen. Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Filtervorrichtung liegt in der der Umlenkscheibe 9, die eine abschnittsweise Überlastung der Membranen 33 durch hohe Fluidströme zuverlässig unterbindet.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Membraneinsatz
2 Gehäuserohr
3 Erstes Endelement
4 Zweites Endeelement
5 Einlassrohr
6 Auslassrohr
7 Anschlussstück
8 Flansch
9 Umlenkscheibe
10 Mutter
11 Dichtungsring
12 Dichtungsring
13 Dichtungsring
14 Dichtungsring
15 Gewindestift
16 Sicherungsring
17 Mutter
18 Unterlegscheibe
19 Schraube
20 Sicherungsring
21 Permeatrohr
22 Zwischenelement
23 Zwischenelement
24 Öffnung
25 Öffnung
26 Vertiefung
27 Öffnung
28 Vertiefung
29 Vertiefung 30 Rippe
31 Öffnung
32 Steg
33 Membranen 34 Öffnung
35 Öffnung
36 Hohlraum
37 Dichtungsring
38 Flanschabschnitt D1 Durchmesser
D2 Durchmesser

Claims

PATENTANSPRÜCHE Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids, umfassend: ein Gehäuse mit einem Einlass (5) für das Fluid, einem Permeatauslass (7) für ein von dem Fluid abgetrenntes Permeat, und einem Retentatauslass (6) für ein von dem Fluid abgetrenntes Retentat; einen Membraneinsatz (1 ) mit einer Vielzahl von Membranen (33) für die Filtration des Fluids; wobei das Gehäuse ein zylindrisches Gehäuserohr (2) aufweist, das an einem ersten Rohrende mit einem ersten Endelement (3) und an einem zweiten Rohrende mit einem zweiten Endelement (4) versehen ist, wobei der Membraneinsatz (1 ) zwischen dem ersten Endelement (3) und dem zweiten Endelement (4) angeordnet ist, und wobei die Filtervorrichtung kein das erste und zweite Endelement (3, 4) miteinander verbindendes Bolzenelement aufweist, um das erste Endelement (3) und das zweite Endelement (4) in Richtung des Membraneinsatzes (1 ) vorzuspannen. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Filtervorrichtung kein Bolzenelement aufweist, welches sich durch den Membraneinsatz (1 ) und das erste und/oder zweite Endelement (3, 4) hindurch erstreckt. Filtervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Membraneinsatz (1 ) ein mit den Membranen (33) verbundenes Permeatrohr (21 ) zur Aufnahme und Abführung des Permeats aufweist, wobei sich das Permeatrohr (21 ) zentral durch den Membraneinsatz (1 ) und das Gehäuserohr (2) erstreckt, insbesondere wobei das Permeatrohr (21 ) entlang einer Rohrachse (A) frei von einem das erste und zweite Endelement (3, 4) miteinander verbindenden Bolzenelement ist. Filtervorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Permeatrohr (21 ) mit einem ersten Rohrende an dem ersten Endelement (3) anliegt, und/oder wobei das Permeatrohr (21 ) mit einem zweiten Rohrende an dem zweiten Endelement (4) anliegt. Filtervorrichtung nach Anspruch 4, wobei das erste Rohrende des Permeatrohrs (21 ) abschnittsweise in eine zentrale Vertiefung (26) des ersten Endelements (3) eingreift, die eine Bewegung des Permeatrohrs (21 ) in Richtung hin zu dem ersten Endelement (3) begrenzt, insbesondere wobei das erste Rohrende des Permeatrohrs (21 ) ein Dichtungselement (13) aufweist. Filtervorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei das zweite Rohrende des Permeatrohrs (21 ) abschnittsweise in eine zentrale Öffnung (24) des zweiten Endelements (4) eingreift, insbesondere wobei das zweite Rohrende des Permeatrohrs (21 ) ein Dichtungselement (37) aufweist. Filtervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Öffnung (24) ein Innengewinde aufweist, in das ein Anschlussstück (7) eingeschraubt ist, welches eine Bewegung des Permeatrohrs (21 ) in Richtung hin zu dem zweiten Endelement (4) begrenzt, insbesondere wobei das Anschlussstück (7) ein Dichtungselement (14) aufweist. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Permeatauslass zentral an dem zweiten Endelement (4) angeordnet ist. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Einlass (5) dezentral an dem ersten Endelement (3) und der Retentatauslass (6) dezentral an dem zweiten Endelement (4) angeordnet sind, oder wobei der Einlass (5) dezentral an dem zweiten Endelement (4) und der Retentatauslass (6) dezentral an dem ersten Endelement (3) angeordnet sind. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Endelement (3) und/oder das zweite Endelement (4) jeweils mit einem Sicherungsring (16, 20) gegen ein Herausfallen aus dem Gehäuserohr (2) gesichert sind, und wobei der Sicherungsring (16, 20) lösbar an einer Innenseite des Gehäuserohrs (2) in eine Wandung eingreift. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Filtervorrichtung ein Vorspannelement (8) mit wenigstens einem Gewindeloch aufweist, wobei das Gewindeloch an dem Vorspannelement (8) zur Aufnahme einer Schraube (15) zum Vorspannen des ersten und/oder zweiten Endelements (3, 4) in Richtung des Membraneinsatzes (1) ausgebildet ist. Filtervorrichtung nach Anspruch 11 , wobei das Vorspannelement (8) ringförmig ausgebildet ist und mehrere an dem Vorspannelement (8) verteilt angeordnete Gewindelöcher zur Aufnahme einer jeweiligen Schraube (15) zum Vorspannen des betreffenden Endelements (3) in Richtung des Membraneinsatzes (1) aufweist. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zwischen dem Membraneinsatz (1 ) und dem Einlass (5) und/oder dem Retentatauslass (6) wenigstens eine Umlenkeinrichtung angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung einen Fluidstrom umzulenken. Filtervorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Umlenkeinrichtung als ein Scheibenelement (9) ausgebildet ist, das vorzugsweise an dem ersten oder zweiten Endelement (3, 4) befestigt ist. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Membraneinsatz (1) an dem ersten und zweiten Endelement zugewandten Seiten des Membraneinsatzes (1 ) jeweils ein gitterförmiges Zwischenelement (22, 23) zum Einfassen der Membranen (33) aufweist. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest ein Teil der Membranen (33) abschnittsweise in das Permeatrohr (21 ) eingreifen und um ein Permeatrohr (21 ) des Membraneinsatzes (1) herum aufgewickelt sind. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gehäuserohr (2) aus einem Kunststoff gebildet ist. Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids, umfassend: ein Gehäuse mit einem Einlass (5) für das Fluid, einem Permeatauslass (7) für ein von dem Fluid abgetrenntes Permeat, und einem Retentatauslass (6) für ein von dem Fluid abgetrenntes Retentat; einen Membraneinsatz (1 ) mit einer Vielzahl von Membranen (33) für die Filtration des Fluids; wobei zwischen dem Membraneinsatz (1 ) und dem Einlass (5) und/oder dem Retentatauslass (6) eine Umlenkeinrichtung angeordnet ist, die dazu ausgebildet ist, bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Filtervorrichtung einen Fluidstrom umzulenken. Filtervorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Umlenkeinrichtung als ein Scheibenelement (9) ausgebildet ist. Filtervorrichtung zur Filtration eines Fluids, umfassend: ein Gehäuse mit einem Einlass (5) für das Fluid, einem Permeatauslass (7) für ein von dem Fluid abgetrenntes Permeat, und einem Retentatauslass (6) für ein von dem Fluid abgetrenntes Retentat, wobei das Gehäuse ein zylindrisches Gehäuserohr (2) aufweist; einen Membraneinsatz (1 ) mit einer Vielzahl von Membranen (33) für die Filtration des Fluids, wobei der Membraneinsatz (1) ein mit den Membranen (33) verbundenes Permeatrohr (21 ) zur Aufnahme und Abführung des Permeats aufweist, wobei sich das Permeatrohr (21 ) zentral durch den Membraneinsatz (1 ) und das Gehäuserohr (2) erstreckt, und wobei das Permeatrohr (21 ) entlang seiner Rohrachse (A) frei ist.
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