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  • 优先权
    • 专利摘要:
    Die Erfindung betrifft eine Membranfiltereinheit für flüssige oder gasförmige Medien mit einem Bündel aus an mindestens einer Stirnseite offenen Kapillarmembranen (1), die in einem zu dem offenen Membranende (2) endnahen Bereich in eine zu einem festen Kopfstück ausgehärtete Dichtungsschicht (3) eingegossen sind. Die Dichtungsschicht (3) ist an ihrer den offenen Enden (2) der Kapillarmembranen (1) abgewandten Seite auf einen Abstandshalter (4) aufgetragen, der eine von den Kapillarmembranen (1) durchdrungene und für das zur Dichtungsschicht (3) aushärtende Gießmaterial undurchlässige Schicht aufweist. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung der Membranfiltereinheit.
    公开号:DE102004004212A1
    申请号:DE102004004212
    申请日:2004-01-27
    公开日:2005-08-18
    发明作者:Andreas Kruse；Christoph Dipl.-Ing. Kullmann；Stefan Dr.-Ing. Schäfer；Klaus Dr.-Ing. Voßenkahl
    申请人:PURON AG；
    IPC主号:B01D63-02
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft eine Membranfiltereinheit für flüssige oder gasförmige Medienmit einem Bündeloder einer beliebig angeordneten Mehrzahl aus an mindestens einerStirnseite offenen Kapillarmembranen, die in einem zu dem offenenMembranende endnahen Bereich in eine zu einem festen Kopfstück ausgehärtete Dichtungsschichteingegossen sind.
    [0002] Diezur Membranfiltration eingesetzten Kapillarmembranen können jenach Ausführungund Anwendungsfall Außendurchmesserzwischen 200 μmund etwa 5 mm aufweisen. Um eine ordnungsgemäße Funktion bei der Membranfiltrationsicherzustellen, müssendie Kapillarmembranen fehlstellenfrei in das Kopfstück eingegossensein. Ferner muss sichergestellt werden, dass die Kapillarmembranen beider Herstellung des als Gießteilgefertigten Kopfstückesendseitig nicht verklebt, verstopft oder mechanisch beschädigt werden.Mechanische Bearbeitungen durch Schneiden ist zu vermeiden, da viele Membranmaterialienbei einer mechanischen Bearbeitung ausfasern.
    [0003] Beieinem aus US 5 639 373 bekanntenVerfahren zur Herstellung einer Membranfiltereinheit mit den eingangsbeschriebenen Merkmalen wird das Ende des Membranbündels ineine flüssigeSchicht eingetaucht, die zu einem festen Träger erstarrt. Anschließend wirdauf diese Trägerschichtdie aus Kunststoffmasse bestehende Dichtungsschicht aufgebrachtund die Kapillarmembranen in der Kunststoffmasse eingegossen. NachAushärtender Kunststoffmasse wird die Trägerschichtwieder verflüssigt undentfernt, wobei die Enden der Kapillarmembranen freigelegt werden.Fertigungstechnische Probleme ergeben sich bei einer engen Packungder Kapillarmembranen infolge von Kapillarkräften, die zwischen den Kapillarmembranenwirken. Wenn das Membranbündelin die Flüssigkeiteingetaucht wird, steigt die Flüssigkeitan der Außenseiteder Kapillarmembranen nach Maßgabeder wirkenden Kapillarkräftenach oben. Bei der nachfolgenden Fertigung des Kopfstückes wirddas Eindringen der Kunststoffmasse von außen in das Innere des Membranfaserbündels behindertund ist ein sicheres Umschließen dereinzelnen Membranfasern mit Kunststoffmasse nicht mehr gewährleistet.
    [0004] Beieinem aus US 6 294 039 bekanntenVerfahren werden die in das Kopfstück einzugießenden Membranen mit ihremfreien Ende in eine Schicht aus feinteiligen Feststoffen eingesetzt,auf die zu einem KopfstückaushärtendeKunststoffmasse aufgebracht wird. Nachdem das Kopfstück ausgehärtet ist,wird die Feststoffschicht wieder entfernt, wobei die Enden der Kapillarmembranenfreigelegt werden. Das Verfahren ist fertigungstechnisch insofernnachteilig, als nur eine verhältnismäßig geringeZahl von Kapillarmembranen gleichzeitig in die Feststoffschichteingetaucht werden kann, da das Material nur eine geringe Verdrängung erlaubt.
    [0005] AusWO 01/85315 ist ein Verfahren unter Verwendung einer flüchtigenFlüssigkeit,einer Suspension oder eines Gels bekannt, in die bzw. in das dieEnden der Kapillarmembranen eingetaucht werden. Die Kapillarmembranenwerden daraufhin in eine Dichtungsmasse eingegossen. Die Substanz,in die die Enden der Kapillarmembranen eingetaucht sind, weist einerelativ hohe Viskositätauf, um ein signifikantes Kriechen der Subtanz infolge von Kapillarkräften zuvermeiden. Auch bei diesem Verfahren kann jedoch nicht verhindertwerden, dass die Substanz an der Außenseite der Kapillarmembranen etwasnach oben steigt. Deshalb ergeben sich auch hier fertigungstechnischeProbleme.
    [0006] Allengenannten Herstellungsverfahren ist gemeinsam, dass in einem erstenVerfahrensschritt die offenen Enden der Kapillarmembranen zunächst ineine Schicht eingetaucht werden, die während des Eingießens derKapillarmembranen einen Kontakt der Enden mit dem Gießmaterialverhindert. Nachdem das Kopfstückausgehärtetist, müssendie Enden der Kapillarmembranen durch das Entfernen dieser Schichtwieder freigelegt werden. Die bekannten Herstellungsverfahren sinddaher relativ aufwendig.
    [0007] Ausgehendvon der beschriebenen Problematik liegt der Erfindung die Aufgabezugrunde, eine Membranfiltereinheit mit den eingangs beschriebenenMerkmalen anzugeben, deren Kopfstück auf einfache Weise fehlerfreiherstellbar ist.
    [0008] Erfindungsgemäß wird dieAufgabe dadurch gelöst,dass die Dichtungsschicht an ihrer den offenen Enden der Kapillarmembranenabgewandten Seite auf einen Abstandshalter aufgetragen ist, der einevon den Kapillarmembranen durchdrungene und für das zur DichtungsschichtaushärtendeGießmaterialundurchlässigeSchicht aufweist. Bei der Herstellung der Membranfiltereinheit wirdzweckmäßigerweiseauf die den offenen Enden der Kapillarmembranen zugewandten Seitedes Abstandshalters eine die Gesamtheit oder einzelne Gruppen derzu verarbeitenden Kapillarmembranen umschließende Wandung aufgesetzt, diegemeinsam mit dem einen Boden bildenden Abstandshalter die Gießform für die Dichtungsschichtbildet. Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, dass an den Abstandshalterein Kragen angeformt ist, der einen Aufnahmeraum für das Gießmaterialbildet und als Gießform nutzbarist. Insbesondere kann die Wandung auch integraler Bestandteil einesKopfstückessein, das einen Permeatsammelraum aufweist, welches in Fluidkommunikation mitden aus dem Gießmaterialherausragenden offenen Membranenden ist. Durch das Befüllen derGießformerfolgt die Herstellung des Kopfstückes, wobei die für das GießmaterialundurchlässigeSchicht des Abstandshalters ein Ausfließen des Gießmaterials aus der Gießform verhindert.Die Höheder Gießschichtwird hierbei so bemessen, dass die offenen Enden der Kapillarmembranenunverschlossen bleiben. Auf diese Weise lassen sich fehlerfreieKopfstückeproblemlos herstellen. Bei der erfindungsgemäßen Membranfiltereinheit können strukturierteAnordnungen der Kapillarmembranen, wie z.B. sternförmige, ringförmige oderrechteckige Geometrien, problemlos realisiert werden. Solche Anordnungenerlauben beispielsweise die Reinigung der Kapillarmembranen während desBetriebs durch zentrale Luftbegasung. Durch den Abstandshalter istes möglich,einen definierten Abstand zwischen den einzelnen Kapillarmembranensicherzustellen. Hierdurch ist gewährleistet, dass jede einzelneKapillarmembran vom Gießmaterialfehlerfrei umschlossen wird. Der Abstandshalter kann ferner mitZuleitungen, z.B. füreine Luftbegasung, versehen sein.
    [0009] DerAbstandshalter kann aus einer Lochplatte bestehen, deren Öffnungendie Kapillarmembranen im Wesentlichen ohne Spalt umschließen. Indiesem Fall werden die Kapillarmembranen durch die Öffnungender Lochplatte hindurchgeschoben. Anschließend wird das Gießmaterialauf die Oberseite des Abstandshalters aufgebracht. Die Lochplatte kannbeispielsweise aus Metall oder Kunststoff oder einem elastomerenMaterial bestehen.
    [0010] ImRahmen der Erfindung liegt es auch, dass der Abstandshalter auseinem flexiblen Kunststoffband besteht, welches Öffnungen oder seitliche Schlitzezur Aufnahme der Kapillarmembranen aufweist. Das Kunststoffbandkann spiralförmigaufgewickelt werden, oder es könnenAbschnitte des Kunststoffbandes zu einem mehrlagigen Paket zusammengefasstwerden.
    [0011] Eineweitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Abstandshaltereine Funktionsschicht aus feinteiligem Feststoff und/oder einerweichen Substanz und/oder einer Folie aufweist, die von den Endender Kapillarmembranen vor dem Gießprozess durchstoßen wird.Beispielsweise bei größeren Kapillardurchmessernkann es hierbei zweckmäßig sein,die offenen Membranenden zunächstmit einer Substanz zu verschließen,die nach dem Durchstoßenleicht wieder entfernt werden kann. Die Funktionsschicht kann ineinem mit Öffnungenversehen Trägerangeordnet sein.
    [0012] Gegenstandder Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Membranfiltereinheitgemäß Anspruch7. Bevorzugte Ausgestaltungen. dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 8 bis.16 beschrieben und werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielenerläutert.Es zeigen schematisch,
    [0013] 1 eineerfindungsgemäße Membranfiltereinheitwährenddes Herstellungsprozesses,
    [0014] 2 bis 5 weitereAusgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre,
    [0015] 6 denSchnitt A-A aus 3.
    [0016] DieFiguren zeigen eine Membranfiltereinheit für flüssige oder gasförmige Medienmit einem Bündeloder einer beliebig angeordneten Mehrzahl aus an mindestens einerStirnseite offenen Kapillarmembranen 1, die in einem zudem offenen Membranende 2 endnahen Bereich in eine zu einemfesten KopfstückausgehärteteDichtungsschicht 3 eingegossen sind. Die Dichtungsschicht 3 wirdan ihrer von den offenen Enden 2 der Kapillarmembranen 1 abgewandtenSeite auf die nach oben zeigende Seite eines Abstandshalters 4 aufgetragen.Der Abstandshalter 4 weist eine von den Kapillarmembranen 1 durchdrungeneund fürdas zur Dichtungsschicht 3 ausgehärtete Gießmaterial undurchlässige oderzumindest weitgehend undurchlässigeSchicht auf. Im Ausführungsbeispielder 1 besteht der Abstandshalter 4 aus einerLochplatte, deren Öffnungen 5 dieKapillarmembranen im Wesentlichen ohne Spalt umschließen. DieKapillarmembranen werden zweckmäßig form- oder kraftschlüssig inihren zugeordneten Öffnungengehalten. Je nach Ausführungkönnendie Öffnungenoder ein Teil der Öffnungender Lochplatte aufgeweitet oder gedehnt werden. Die Beschickung derLochplatte mit den Kapillarmembranen kann z. B. durch Einsteckenoder Einziehen erfolgen.
    [0017] Beider Herstellung der Membranfiltereinheit werden die Kapillarmembranen 1 miteinem überstehendenEnde in die Lochplatte 4 eingesetzt, indem die Kapillarmembranen 1 dieLochplatte 4 durchdringen. Danach wird oberseitig auf dieLochplatte 4 eine Wandung 6 aufgesetzt, die gemeinsammit der einen Boden bildenden Lochplatte 4 eine Gießform für die Dichtungsschicht 3 bildet.Die aus viskosem Gießmaterialbestehende Dichtungsschicht 3 wird anschließend aufdie Lochplatte 4 aufgebracht. Das Gießmaterial füllt den Freiraum zwischen denan der Oberseite der Lochplatte 4 vorstehenden Enden derKapillarmembranen 1 aus und härtet zu einem festen Kopfstück aus.Aus den Figuren ist ferner ersichtlich, dass jeder Öffnung 5 derLochplatte 4 jeweils eine Kapillarmembran 1 zugeordnetwird. Dies gewährleistetein fehlerfreies Umschließenjeder einzelnen Kapillarmembran 1 durch das Gießmaterial.Ferner können hierdurchstrukturierte Anordnungen der Kapillarmembranen 1 problemlosrealisiert werden. Die oberhalb der Lochplatte 4 vorstehendenEnden 2 der Kapillarmembranen 1 bleiben beim Aufbringendes Gießmaterialsunverschlossen. Das Gießmaterial wirdim Ausführungsbeispielder 1 neben den Kapillarmembranen 1 an derOberseite des Abstandshalters 4 durch einen Zuführkanal 7 zugeführt. ImRahmen der Erfindung liegt es, dass die Dichtungsschicht 3 ineiner oder mehreren Lagen auf die Lochplatte 4 aufgebrachtwird. Bei einem mehrlagigen Auftragen der Dichtungsschicht ist diejeweils untere Lage zumindest teilweise ausgehärtet, bevor die nächste Lageaufgebracht wird. Der mehrlagige Aufbau kann sich vorteilhaft aufdie physikalischen Eigenschaften der Dichtungsschicht 3 auswirken.Als Gießmaterialkönnenthermoplastische oder duoplastische Kunststoffe, beispielsweisePolyurethan- oder Epoxidharze, verwendet werden. Nachdem das Gießmaterialausgehärtetist, kann die Wandung 6 bei Bedarf entfernt werden.
    [0018] ImAusführungsbeispielder 2 ist an den Abstandshalter 4 ein Kragen 8 angeformt,der einen Aufnahmeraum fürdas Gießmaterialbildet. Der mit einem Kragen 8 ausgebildete Abstandshalter 4 bildet eineverlorene Gießform 14.Diese weist im Ausführungsbeispieleine oder mehrere Öffnungen 15 auf, durchdie das Gießmaterialzugeführtwird. Im Ausführungsbeispielist das die Gießform 14 bildende Bauteilzusätzlichmit einem Rohrstutzen 9 versehen, der zur Begasung derMembranfiltereinheit genutzt werden kann. Eine weitere bevorzugteMöglichkeit zurZuführungdes Gießmaterialsist in 3 dargestellt. Das Gießmaterial wird hierbei durchein Rohr 16 zugeführt,welches den Rohrstutzen 9 des Bauteils 14 miteinem Ringspalt umgibt.
    [0019] ImAusführungsbeispielder 4 weist der Abstandshalter 4 eine Funktionsschicht 10 auseiner weichen Substanz auf, die von den Enden der Kapillarmembranen 1 durchstoßen wordenist. Die Funktionsschicht 10 ist in einem mit Öffnungenversehenen Trägerangeordnet. Anstelle einer weichen Substanz kann auch ein feinteiligerFeststoff und/oder eine Folie verwendet werden.
    [0020] ImAusführungsbeispielder 5 besteht der Abstandshalter 4 aus einemflexiblen Kunststoffband 12, welches Öffnungen oder seitliche Schlitze 13 zurAufnahme der Kapillarmembranen 1 aufweist. Die Kapillarmembranen 1 werdenin die seitlichen Schlitze 13 bzw. Öffnungen des Kunststoffbandes 12 eingesetzt,das zu einer Spirale aufgewickelt wird. Anstelle der in 5 dargestelltenspiralförmigenAnordnung könnenAbschnitte des Kunststoffbandes 12 auch zu einem mehrlagigenPaket zusammengefasst werden.
    [0021] Beider erfindungsgemäßen Membranfiltereinheitkönnenstrukturierte Anordnungen der Kapillarmembranen, z. B. sternförmige, ringförmige oder rechteckigeGeometrien problemlos realisiert werden. Bei der in 6 dargestelltenAnordnung sind die Kapillarmembranen 1 in Kreissegmentengebündelt.Zwischen den Kreissegmenten verbleibt ein Freiraum, der eine rohwasserseitigeStrömungbis ins Innere des Membranfaserbündelsermöglicht.
    权利要求:
    Claims (16)
    [1] Membranfiltereinheit für flüssige oder gasförmige Medienmit einem Bündeloder einer beliebig angeordneten Mehrzahl aus an mindestens einer Stirnseiteoffenen Kapillarmembranen (1), die in einem zu dem offenenMembranende (2) endnahen Bereich in eine zu einem festenKopfstückausgehärteteDichtungsschicht (3) eingegossen sind, dadurch gekennzeichnet,dass die Dichtungsschicht (3) an ihrer von den offenenEnden (2) der Kapillarmembranen (1) abgewandtenSeite auf einen Abstandshalter (4) aufgetragen ist, dereine von den Kapillarmembranen (1) durchdrungene und für das zurDichtungsschicht (3) aushärtende Gießmaterial undurchlässige Schichtaufweist.
    [2] Membranfiltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Abstandshalter (4) aus einer Lochplatte besteht,deren Öffnungen(5) die Kapillarmembranen (1) im Wesentlichenohne Spalt umschließen.
    [3] Membranfiltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Abstandshalter (4) aus einem flexiblen Kunststoffband(12) besteht, welches Öffnungenoder seitliche Schlitze (13) zur Aufnahme der Kapillarmembranen(1) aufweist.
    [4] Membranfiltereinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,dass das Kunststoffband (12) spiralförmig gewickelt ist oder dassAbschnitte des Kunststoffbandes zu einem mehrlagigen Paket zusammengefasstsind.
    [5] Membranfiltereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass der Abstandshalter (4) eine Funktionsschicht aus feinteiligemFeststoff und/oder einer weichen Substanz und/oder einer Folie aufweist,die von den Enden der Kapillarmembranen durchstoßen worden ist.
    [6] Membranfiltereinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass die Funktionsschicht in einem mit Öffnungen versehenen Träger angeordnet ist.
    [7] Verfahren zur Herstellung einer Membranfiltereinheitnach einem der Ansprüche1 bis 6 wobei Kapillarmembranen mit einem überstehenden Ende in einenAbstandshalter eingesetzt werden, der eine von den Kapillarmembranendurchdrungene und fürGießmaterialundurchlässigeSchicht aufweist, und wobei auf den Abstandshalter eine Dichtungsschicht ausviskosem Gießmaterialaufgebracht wird, welches den Freiraum zwischen den an der Oberseite desAbstandshalters vorstehenden Enden der Kapillarmembranen ausfüllt undzu einem festen Kopfstückaushärtet.
    [8] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass eine Platte mit Öffnungenverwendet wird, in welche die Kapillarmembranen eingeführt werden.
    [9] Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,dass jeder Öffnungjeweils eine Kapillarmembran zugeordnet wird.
    [10] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass der Abstandshalter eine fürdas GießmaterialundurchlässigeSchicht aufweist, die beim Einsetzen der Kapillarmembranen durchstoßen wird.
    [11] Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,dass die beim Einsetzen der Kapillarmembranen durchstoßene Schichtaus feinteiligem Feststoff, einer weichen Substanz oder einer Folie besteht.
    [12] Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,dass die Kapillarmembranen in Öffnungen oderseitliche Schlitze eines Kunststoffbandes eingesetzt werden unddass das Kunststoffband zu einer Spirale aufgewickelt oder Abschnittedes Kunststoffbandes zu einem Paket zusammengefasst werden.
    [13] Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet,dass die oberhalb des Abstandshalters vorstehenden Enden der Kapillarmembranenbeim Aufbringen des Gießmaterialsunverschlossen bleiben.
    [14] Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet,dass das Gießmaterial nebenden Kapillarmembranen an der Oberseite des Abstandshalters zugeführt wird.
    [15] Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet,dass das Gießmaterial durcheine oder mehrere Öffnungeneines das Gießmaterialaufnehmenden Bauteils zugeführtwird.
    [16] Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet,dass die Dichtungsschicht in mehreren Lagen auf dem Abstandshalter aufgebrachtwird, wobei die jeweils untere Lage zumindest teilweise ausgehärtet ist,bevor die nächste Lageaufgebracht wird.
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