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Dokumentenidentifikation DE60019478T2 23.02.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001031371
Titel Filtereinheit mit einer getrennt anschliessbaren Filterkassette und Filtrationsverfahren
Anmelder Nalge Nunc International Corp., Rochester, N.Y., US
Erfinder Leoncavallo, Richard A., Pittsford, New York 14534, US;
Giverc, Mark, Palmyra, New York 14522, US
Vertreter Eisenführ, Speiser & Partner, 28195 Bremen
DE-Aktenzeichen 60019478
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.02.2000
EP-Aktenzeichen 003012093
EP-Offenlegungsdatum 30.08.2000
EP date of grant 20.04.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.02.2006
IPC-Hauptklasse B01D 61/18(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse B01D 63/08(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      B01D 29/05(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Filtertechnologie, und insbesondere Filtereinheiten, die flache Filterelemente besitzen, wie zum Beispiel Membranfilter, Tiefenfilter oder Vorfilter, die in Laboratorien oder Forschungseinrichtungen verwendet werden.

Es gibt eine breite Vielfalt an Filtervorrichtungen zum Abscheiden von Partikeln aus einer Flüssigkeit. Die Auswahl des Typs der in einer gegebenen Anwendung anzuwendenden Filtervorrichtung hängt hauptsächlich von der Partikelgröße und den Durchsatzparametern ab. Generell können Partikel mit einer Größe von mehr als 10&mgr;m unter Anwendung eines Makrofilterprozesses aus Flüssigkeiten abgetrennt werden, der typischerweise die Anwendung von Tiefenfiltern einschließt. Die in der Makrofiltration verwendeten Tiefenfilter können aus Papier, Asbest, Kunststoff oder Glasfaser hergestellt sein. Oft wird die Makrofiltration in Reihe mit einer Mikrofiltration angewandt, um vor dem Mikrofiltrationsprozess größere Partikel zu entfernen. Diese Art des mehrstufigen Filterprozesses kann die Geschwindigkeit erhöhen, mit der die Flüssigkeit durch eine Membranfilter geführt werden kann, oder mit anderen Worten, die Durchsatzgeschwindigkeit erhöhen. Bei der Mikrofiltration werden Partikel unter Anwendung eines Membranfilters als ein Endfilter aus einer Flüssigkeit entfernt, die größer als ungefähr 200 Angström, jedoch kleiner als ungefähr 100&mgr;m sind.

Konventionelle Membranfilter sind viel dünner und zerbrechlicher als Tiefenfilter und sind typischerweise in großer Auswahl im Partikelrückhaltevermögen und in einer Vielzahl von Materialien, Formen und Größen verfügbar. Membranfiltermaterial kann zum Beispiel Nylon, Polyethersulfon, PTFE oder Zelluloseazetat sein. Membranfilter sind generell entweder als dünne Scheiben oder in einer Falteinsatzkonfiguration erhältlich. Einsatzfilter werden normalerweise für schnelles Filtern großer Flüssigkeitsvolumen empfohlen, wie zum Beispiel Volumen von mehr als ungefähr 400 Litern. Diese Vorgänge können mit dem in der Leitung befestigten Einsatzfilter und mit von einem Ende des Einsatzes zum anderen strömender Flüssigkeit durchgeführt werden.

Oft kann den Labor- oder Forschungseinrichtungsanforderungen entsprochen werden, indem scheibenförmige Membranfilter mit einem Durchmesser von beispielsweise 50 mm bis 75 mm angewandt werden. Diese Einrichtungen erfordern vielleicht nicht die Durchsatzgeschwindigkeit, die durch ein Einsatzfilter zur Verfügung gestellt wird, ein hoher Durchsatz ist jedoch dennoch wünschenswert, um den Filtervorgang so schnell wie möglich auszuführen. Membranfilter mit größerem Durchmesser stellen aufgrund ihres vergrößerten Oberflächenbereiches eine größere Durchsatzgeschwindigkeit zur Verfügung, die Erhöhung der Durchsatzgeschwindigkeit führt jedoch zu viel höheren Zusatzkosten. Deshalb können aus dieser Sicht die Membranfiltereinheiten mit größerem Durchmesser unerwünscht sein. Außerdem kommen diese Arten der Filtereinheiten typischerweise mit zwischen oberen und unteren Behältern dauerhaft befestigtem scheibenförmigen Membranfilter vormontiert oder alternativ in einem nicht zusammengebauten Zustand. Im letzteren Fall muss der Anwender das zerbrechliche, scheibenförmige Membranfilter während des Zusammenbaus handhaben. Jede dieser Optionen hat Nachteile derart, dass die vormontierte Filtereinheit nach dem Kauf durch den Anwender keine Anpassungsfähigkeit in der Auswahl der Filtergröße oder der Porengröße erlaubt. Auf der anderen Seite kann die Anforderung, dass der Anwender das empfindliche Filterelement während des Zusammenbaus handhabt, zu einer Beschädigung oder Verunreinigung führen. Schließlich ist das Erhöhen der Durchsatzgeschwindigkeit durch Vorfiltern der Flüssigkeit nicht so einfach auszuführen, weil es grundsätzlich die Anwendung mehrerer Filtereinheiten erfordert.

Um die verschiedenen Probleme in diesem Bereich anzugehen, beispielsweise die oben genannten Probleme, wäre es wünschenswert, eine Filtereinheit vorzusehen, die ein leicht einzubauendes und austauschbares Filter besitzt, wie zum Beispiel ein Membranfilter, und auf eine effizientere und weniger teure Art und Weise eine größere Durchsatzgeschwindigkeit zur Verfügung stellt, während die Anwendung von Filtern mit kleinerem Durchmesser beibehalten werden kann.

Eine Filtereinheit mit einem in einem oberen Behälter gehaltenen flachen Filterelement zum Filtern von in einem unteren Behälter aufzufangender Flüssigkeit ist aus DE 3711735 bekannt.

Die vorliegende Erfindung stellt deshalb eine Filtereinheit zur Verfügung, umfassend ein erstes Fluidaufnahmeelement, wie zum Beispiel einen oberen Behälter, zum Aufnehmen von zu filterndem Fluid, und ein zweites Fluidaufnahmeelement, wie zum Beispiel einen unteren Behälter, zum Aufnehmen des Fluides aus dem oberen Behälter, nachdem der Filtrationsprozess stattgefunden hat. Erfindungsgemäß ist eine Filterkassette, die ein mit einem flachen Filterelement verbundenes Auflageelement umfasst, zur Anordnung zwischen dem zu filternden Fluid im oberen Behälter und dem unteren Behälter konfiguriert. Die Filterkassette ist separat und kann jeweils in Bezug auf den oberen und unteren Behälter entfernbar sein. Die Kassette kann eine selektiv in Eingriff bringbare Dichtung zwischen dem Fluid im oberen Behälter und dem unteren Behälter bilden, um zu gewährleisten, dass das Fluid im oberen Behälter durch das Filterelement strömt, bevor es in den unteren Behälter strömt. Vorzugsweise ist zwischen dem oberen und unteren Behälter eine Schraubverbindung ausgebildet. Diese erlaubt das Trennen des unteren Behälters vom oberen Behälter nach einem Filtervorgang und erlaubt es deshalb, die Inhalte aufzubewahren oder für die weitere Bearbeitung zu verwenden. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das flache Filterelement ein Membranfilter und/oder ein Vorfilter oder Tiefenfilter umfassen. Diese Filterelemente können aus konventionellen Materialien hergestellt sein, wie sie oben erläutert wurden. Die Anwendung von diesen beiden Filterelementtypen lässt das Ausführen eines mehrstufigen Filtervorganges mit einer einzigen Filtereinheit zu.

Insbesondere für mehrstufige Filterprozesse können mehrere der separat befestigbaren Filterkassetten in einer Reihenanordnung zwischen dem oberen und unteren Behälter angeschlossen werden. Als eine Option könnte eine einzelne Filterkassette mit zwei verschiedenen Filterelementen aufgebaut sein, wie zum Beispiel einem Vorfilter oder Tiefenfilter und einem Membranfilter, die in Reihe angeschlossen sind. Als noch eine andere Option kann ein Filterelement permanent an der Filtereinheit befestigt sein, während ein anderes ein Teil der erfinderischen Filterkassette sein kann. Diese Arten der mehrstufigen Filtereinheit können verwendet werden, um das Durchsatzvolumen in einer einfachen, effizienten und relativ preiswerten Art und Weise zu erhöhen.

Das untere Ende des oberen Behälters umfasst vorzugsweise ein nach innen abgestuftes Teil, um das äußere Dichtungselement während eines Filtervorganges in einer flüssigkeitsdichten Art und Weise zu zentrieren und in Eingriff zu bringen. Diese einzigartige Konfiguration, verbunden mit der Anwendung eines äußeren, selektiv in Eingriff bringbaren Dichtungselementes erlaubt es dem Anwender, einen einfachen und beständigen Dichtungseingriff zwischen dem oberen Behälter und der Filterkassette zu erreichen. Für die Anwendung in typischen Labor und Forschungssituationen kommuniziert der untere Behälter mit einer Öffnung zur Befestigung einer Vakuumquelle. Diese Öffnung kann Teil des unteren Behälters oder bevorzugter Teil einer Kupplung zwischen den oberen und unteren Behältern sein. Durch die Öffnung eingeführtes Vakuum unterstützt das Saugen von Flüssigkeit durch das Filterelement oder die Filterelemente und in den unteren Behälter, während das Filterelement oder die Filterelemente Partikel auffangen, die größer als die Filterporengröße sind.

Ein bedeutender Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Anwender die Behälter mit oder ohne ein permanent befestigtes Filter kaufen kann, und die Filterkassetten getrennt kaufen kann. Der Anwender kann die geeignete Filterkassette zur Zeit der Anwendung gemäß den Filtererfordernissen selektiv auswählen. Wie oben angeführt wurde, erforderte diese Anpassungsfähigkeit in der Vergangenheit, dass der Anwender eine Filtereinheit durch Handhaben des empfindlichen Filterelementes selbst zusammenbaute oder gesamte vormontierte Einheiten einschließlich der oberen und unteren Behälter und des permanent befestigen Filterelementes lagerte. Die vorliegende Erfindung beseitigt diese Probleme und stellt eine Filterkassette zur Verfügung, die ohne Beschädigung oder Verunreinigung sehr viel leichter zu handhaben und kosteneffizienter zu lagern ist.

Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Filtern zur Verfügung, umfassend ein an einem flachen Filterelement zwischen einem ersten Fluidaufnahmeraum eines ersten Elementes und einem zweiten Fluidaufnahmeraum eines zweiten Elementes durch Einsetzen der Filterkassette in die erste Fluidaufnahmeöffnung des ersten Elementes und Eingreifen eines integralen, elastischen, flexiblen Außenrandes des Auflageelementes mit einer Innenwandfläche des ersten Elementes befestigtes Auflageelement, so dass sich der Rand zu der Öffnung hin verformt, um das Auflageelement in dichtendem, jedoch lösbaren Eingriff in Bezug auf die ersten und zweiten Elemente zu halten und wobei das Filterelement vom ersten Element zum zweiten Element einen Flüssigkeitsströmungspfad vorsieht, eine Partikel enthaltende Flüssigkeit in das erste Element und auf die Filterkassette einführt und die Flüssigkeit durch das Filterelement und in das zweite Element zum Zurückhalten der Partikel an der Filterkassette hindurchführt.

Der Schritt des Hindurchführens der Flüssigkeit durch das Filterelement umfasst vorzugsweise das Einführen eines Vakuums in den unteren Behälter, um Flüssigkeit aktiv durch das Filterelement zu saugen. Ebenfalls in Übereinstimmung mit den erfinderischen Konzepten kann mehr als eine Filterkassette zwischen den oberen und unteren Behältern angeschlossen sein, und zum Erleichtern eines mehrstufigen Filterprozesses kann eines der Filterelemente ein Vorfilter sein, während die anderen Filterelemente ein Endfilter sein können. Es wird verständlich sein, dass, während eines der Filterelemente Teil einer Filterkassette ist, das andere Filter zwischen der Flüssigkeit im oberen Behälter und dem unteren Behälter dauerhaft befestigt sein kann.

Die Erfindung wird nun mittels eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine perspektivische Ansicht einer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konstruierten Filtereinheit ist, wobei ein oberer Behälter derselben weggebrochen ist, um eine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung konstruierte Filterkassette zu zeigen;

2 eine perspektivische Ansicht der in 1 gezeigten Filterkassette ist, jedoch teilweise weggebrochen, um ihren Innenaufbau zu zeigen;

3 eine Draufsicht der geformten Filterkassette und vor dem Zusammenbau mit dem Filterelement ist;

4A eine Schnittansicht eines Randabschnittes der in den 13 gezeigten Filterkassette ist, die den Anfangsschritt eines Montagevorganges zeigt;

4B eine ähnliche Ansicht wie 4A ist, die jedoch ein Werkzeug zum Ultraschweißen/Tiefziehen zeigt, das zu Beginn mit der Kassette ineinander greift;

4C eine ähnliche Ansicht wie die 4A und 4B ist, die jedoch das Ultraschallschweiß-/Tiefziehwerkzeug kurz vor dem Ende des Schweißvorganges zeigt;

4D eine ähnliche Ansicht wie die 4A4C ist, die jedoch die fertige zusammengebaute Kassette zeigt;

5A eine fragmentarische Schnittansicht ist, die den Einsatz der Filterkassette in den oberen Behälter der Filtereinheit zeigt;

5B eine ähnliche Ansicht wie die 5A ist, jedoch die in dichtendem Eingriff mit dem unteren Ende des oberen Behälters gehaltene Kassette zeigt;

6 eine seitliche Schnittansicht eines Werkzeugs darstellt, das zum Einsetzen von Filterkassetten in den oberen Behälter verwendet werden kann;

7 eine fragmentarische Schnittdarstellung ist, die eine alternative Ausführungsform einer Filterkassette zeigt, die in einem Behälter eingesetzt ist und zwei Filterelemente für einen mehrstufigen Filterprozess einschließt;

8A eine fragmentarische Schnittdarstellung ist, die eine andere alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäß konstruierten Filterkassette und Filtereinheit zeigt;

8B eine ähnliche Ansicht wie 8A ist, jedoch die alternative Filterkassette in Dichtungseingriff mit einem unteren Ende des oberen Behälters zeigt;

9 eine weitere alternative Ausführungsform ist, die ein Filtereinheit zeigt, die hintereinander angeschlossene Filterkassetten für einen mehrstufigen Filtervorgang besitzt;

10 eine perspektivische Ansicht einer anderen alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäß konstruierten Filterkassette ist;

11 eine teilweise fragmentarische perspektivische Ansicht ist, die die Filterkassette der 9 im Eingriff mit einem Filterbereich zwischen den oberen und unteren Behältern zeigt;

12 eine auseinander gebaute Seitenansicht der in 11 gezeigten Filtereinheit ist; und

13 eine vergrößerte und fragmentarische seitliche Schnittansicht der in 11 gezeigten Filtereinheit in der Nähe des Filterbereiches ist.

Es wird zuerst auf 1 Bezug genommen, die eine bevorzugte Ausführungsform einer Filtereinheit 10 zeigt, die zum Beispiel für verschiedene, in Labor- oder Forschungseinrichtungen oder vielen anderen Anwendungen ausgeführte Flüssigkeitsfiltervorgänge verwendet werden kann. Die Filtereinheit 10 kann einen oberen Behälter 12 umfassen, der einen oberen Deckel 14 besitzt, der zum Einführen von Flüssigkeit abgenommen werden kann. An den oberen Behälter 12 ist durch eine Kupplung 18 ein unterer Behälter 16 angeschlossen. Der obere Behälter 12, der untere Behälter 16 und die Kupplung 18 können jeweils aus Polystyren ausgebildet sein. Als ein Beispiel kann diese Kupplung 18 dauerhaft am oberen Behälter 12 befestigt sein, wie zum Beispiel durch Schweißen oder aneinander klebende Befestigung dieser beiden Kunststoffkomponenten. Die Kupplung 18 ist vorzugsweise an einem mit Gewinde versehenen Halsabschnitt 20 des unteren Behälters 16 lösbar befestigt, indem sie ein passendes Innengewinde umfasst. Auf diese Weise kann sowohl der obere Behälter 12 als auch die Kupplung 18 vom unteren Behälter 16 entfernt und durch eine Gewindekappe (nicht gezeigt) ersetzt werden, die am Gewindehals 20 befestigt ist. Dieses erlaubt es, die gefilterten Inhalte des unteren Behälters 16 aufzubewahren und/oder bei Bedarf weiter zu verarbeiten.

Als eine von vielen möglichen Anwendungen ist eine Filterkassette 22 in einem unteren Ende des oberen Behälters 12 angeordnet und in dichtendem Eingriff mit der Innenwandfläche 12a des oberen Behälters 12 gehalten. Die Kupplung 18 umfasst eine Öffnung 24, die mit der Innenseite des unteren Behälters 16 kommuniziert und die stromabwärts von der Filterkassette 22 angeordnet ist. Diese Öffnung 24 kann in einer konventionellen Art und Weise an eine Vakuumquelle angeschlossen sein. Diese saugt die flüssigen Inhalte des oberen Behälters 12 durch die Filterkassette 22, während gleichzeitig Partikel an oder in der Filterkassette 22 abgeschieden werden. Es wird erkennbar sein, dass die Filterkassette 22 in Abhängigkeit von der besonderen Konstruktion der Filtereinheit 10 alternativ wahlweise mit einem Teil der Kupplung 18 oder sogar einem Teil des unteren Behälters 16 im Eingriff sein kann. Das Ziel besteht darin, eine Filterkassette vorzusehen, die mit einem Teil der Einheit einfach und dauerhaft in Eingriff bringbar ist, das zwischen den flüssigen Inhalten auf beiden Seiten der Kassette angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform und wie es nachfolgend beschrieben wird, ist die Kassette 22 einfach und fest in einer dichtenden Art und Weise durch Entfernen des Deckels 14 und Einsetzen der Kassette 22 in den oberen Behälter 12 mit einer Reibpassung in Eingriff bringbar. Es wird verständlich sein, dass die Behälter 12, 16 durch andere geeignete Fluidaufnahmeelemente oder -konstruktionen ersetzt werden können, wie zum Beispiel Rohrleitungen, die horizontal oder in anderer Weise ausgerichtet sind.

Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 umfasst nun die Filterkassette 22 generell ein Auflageelement 30, das als eine einheitliche Konstruktion an einem flachen Filterelement befestigt ist. Das Auflageelement 30 umfasst Öffnungen 34, damit die Flüssigkeit vollständig durch die Filterkassette 22 hauptsächlich abwärts strömen kann, wie es in 2 zu sehen ist. Die Öffnungen 34 können in Abhängigkeit von der Anwendung verschiedene Größen haben und von unterschiedlicher Anzahl sein. Im Allgemeinen können die Öffnungen 34 ungefähr 0,10" (0,254 cm) im Durchmesser sein. Das Auflageelement 30 ist vorzugsweise aus Polypropylen mit einem peripheren Dichtungsrand 36 konstruiert, der flexibel genug ist, um mit der Innenwand eines Behälters oder einer Kupplung ineinander zu greifen, zum Beispiel mit einer Reibpassung und ausreichendem Dichtungssitz, wie es unten beschrieben wird. Für das Auflageelement 30 können andere Materialien verwendet werden und umfassen Polyethylene, wie zum Beispiel HDPE.

Es ist erkennbar, dass verschiedene Kassetten 22 in serieller Art und Weise in den oberen Behälter 12 eingesetzt werden können, um eine mehrstufige Filtereinheit vorzusehen. Zum Beispiel kann eine obere Kassette ein Vorfilter zum Filtern größerer Partikel umfassen, und eine untere Kassette kann ein Membranendfilter zum Filtern kleinerer Partikel umfassen. Natürlich kann es sein, dass Maßanpassungen am oberen Behälter 12 und/oder an den Kassetten vorgenommen werden müssen, um mehrere Kassetten 22 in dieser Art und Weise aufzunehmen. Optional kann ein mehrstufiger Filtervorgang durch Anwendung eines dauerhaft befestigten Filters und mindestens einer erfindungsgemäß konstruierten Kassette 22 ausgeführt werden. Außerhalb des Umfangs des Filterelementes 32 sind kleine Öffnungen 35 angeordnet und können zumindest für einige Anwendungen notwendig sein, um den Durchsatz durch die Kassette 22 zu erhöhen. Die Öffnungen 35 können im Durchmesser in der Größenordnung von ungefähr 0,020" –0,050" (0,0508 – 0,127 cm) liegen, oder in Abhängigkeit von der Anwendung andere Größen besitzen. Sie sollten ausreichend klein dimensioniert sein, so dass sie einen akzeptablen geringfügigen Einfluss auf die Menge des ungefilterten Materials haben, das die Kassette 22 passiert.

Unter Bezugnahme auf die 4A4D wird nun das Filterelement 32 vorzugsweise durch einen Befestigungsring 38 am Auflageelement 30 festgehalten. Dieses wird durch Anwendung eines Tiefziehvorganges oder eines Ultraschallschweißvorganges ausgeführt, um den Befestigungsring 38 aus einem Teil des Auflageelementes 30 auszubilden. In dieser Hinsicht wird das Auflageelement 30 zuerst durch eine konventionelle Formgebungsvorrichtung ausgebildet, zum Beispiel mit einem Wulst oder einen hervorstehenden Rand 40, der sich in einer durchgehenden Art und Weise um das Auflageelement 30 herum erstreckt. Ein Ultraschalltiefziehwerkzeug 42 mit einer geeigneten Aussparung 44 wird aktiviert und in Kontakt mit dem Wulst oder dem vorstehenden Rand 40 gebracht. Es wird verständlich sein, dass andere Verbindungsarten zwischen dem Auflageelement 30 und dem Filterelement 32 ausgebildet werden können. Zum Beispiel können solche Verbindungen durch Erwärmung, Reibschweiß- oder Vibrationsschweißvorgänge ausgebildet werden, oder es können ein oder mehrere getrennte Verbindungselemente verwendet werden, um das Filterelement 32 festzuhalten. Obwohl es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, ist die Aussparung 44 rund, so dass sie dem runden Wulst 40 entspricht. Das Werkzeug 42 ist mit irgendeiner konventionellen Ultraschallschweiß- oder Tiefzieheinrichtung verbunden. Das Werkzeug 42 lässt den Wulst oder vorstehenden Rand 40 schmelzen oder macht ihn weich, so dass eine gebogene Lippe 46 sich radial nach innen über das Filterelement 32 zu erstrecken beginnt. Diese Lippe wird sich generell im Befestigungsring 38 verfestigen, um das Filterelement 32 am Auflageelement 30 zu halten. Der Befestigungsring 38 kann wie gezeigt ein vollständig festes Teil sein oder nicht, und andere Konstruktionen besitzen, oder das Filterelement 32 kann direkt oder indirekt auf andere Art und Weise befestigt sein.

Bezugnehmend auf die 5A, 5B und 6 kann die Filterkassette 22 einfach in dichtender Art und Weise in dem oberen Behälter 12 entweder manuell oder durch Benutzung eines Werkzeuges, wie zum Beispiel des Werkzeuges 50, in Eingriff gebracht werden. Wenn das Werkzeug 50 verwendet wird, kann ein Rand 52 desselben mit einem Teil 54 des Auflageelementes 30 in Eingriff gebracht werden, um die Kassette 22 nach unten in den Behälter 12 zu drücken. Als ein anderer Aspekt der Erfindung greift der äußere Dichtungsrand 36 des Auflageelementes 30 mit einem unteren, nach innen abgestuften Teil 56 des oberen Behälters 12 ineinander. Das nach innen abgestufte Teil 56 ist generell zwischen einem oberen Wandteil 58 mit größerem Durchmesser und einem unteren Wandteil 60 mit einem kleineren Durchmesser angeordnet. Ein elastischer, flexibler Dichtungsrand 36 greift mit einer Fläche 12a des unteren Wandteils 60 ineinander und biegt sich wie in 5B gezeigt nach oben, um mit einer Reibpassung einen Dichtungskontakt herzustellen. Während die Kassette 22 vorzugsweise immer noch aus dem oberen Behälter 12 herausnehmbar ist, gewährleistet der durch den Rand 36 ausgebildete Dichtungseingriff, dass in den oberen Behälter 12 eingeführte Flüssigkeit durch das Filterelement 32 fließt, bevor sie in den unteren Behälter 16 (1) eintritt. Eine kleine Menge kann durch die Öffnungen 35 fließen, für die meisten Anwendungen wird dieses jedoch kein Problem darstellen. Falls notwendig, können die Öffnungen 35 verkleinert oder eliminiert werden, wie es in der unten erläuterten 7 gezeigt ist.

6 zeigt das Werkzeug 50 in einer vollständigeren Art und Weise und gemäß nur einer seiner möglichen Konstruktionen. Der unter Bezugnahme auf die 5A und 5B beschriebene Rand 52 kann für Membranfilterkassetten von 50 mm geeignet sein, während ein zweiter größerer Rand 66 zum Eingriff mit 75 mm – Filterkassetten verwendet werden kann. In der gezeigten besonderen Werkzeugkonfiguration kann das Zwischenteil 68 als ein Griff während des Einsetzens verwendet werden. Selbstverständlich können alle gewünschten Kassetten- und Werkzeuggrößen verwendet werden.

7 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Filtereinheit 10', in der gleiche Bezugszeichen, die einen Anstrich (') haben, die gleiche Konstruktion in Bezug auf die erste Ausführungsform darstellen. Der einzige erhebliche Unterschied bei dieser alternativen Ausführungsform besteht darin, dass ein zweites Filterelement 69 auf der Oberseite des Filterelementes 32' oder stromaufwärts von diesem hinzugefügt wurde. Das Filterelement 69 kann zum Beispiel ein Vorfilter oder ein Filter zum Entfernen größerer Partikel als das Filterelement 32' sein. Dieses ist eine Art zum Einbinden eines Filterstufenverfahrens in eine erfindungsgemäß ausgebildete einzelne Kassette 22'.

Die 8A und 8B stellen eine andere Ausführungsform einer Filtereinheit 70 dar, umfassend einen oberen Behälter 72 und eine Kupplung 74. Die Kupplung 74 umfasst einen Kanal 76, so dass Flüssigkeit in einen unteren Behälter (nicht gezeigt) strömen kann. Ein optionales Permanentfilterelement 77 ist ebenfalls in den 8A und 8B gezeigt. Das Filterelement 77 kann generell wie gezeigt, in beliebiger konventioneller, dauerhafter Art und Weise befestigt sein. Zwischen der Kupplung 74 und dem oberen Behälter 72 ist ein Verbindungselement 78 ausgebildet, und dieses Verbindungselement kann entweder ein lösbares Verbindungselement oder ein permanentes Verbindungselement sein. In den 8A und 8B ist außerdem eine alternative Ausführungsform einer Filterkassette 80 gezeigt und umfasst erfindungsgemäß ein Auflageelement 82 und ein flaches Filterelement 84. Das Auflageelement 82 umfasst eine Außenranddichtung 86, die ein getrennt befestigbarer O-Ring oder ein integrales Dichtungselement sein kann, das zum Beispiel die in 8A gezeigte allgemeine Form annehmen kann. Diese Dichtung 86 kann wiederum aus konventionellen Gummi- oder polymeren Dichtungsmaterialien ausgebildet sein. Die Filterkassette 80 umfasst vorzugsweise wiederum einen Filterbefestigungsring 88 zum Festhalten des Filterelementes 84 am Auflageelement 82. Dieser kann wiederum die Form eines Vorsprunges annehmen, der in geeigneter Art und Weise wie zuvor beschrieben gegen das Filterelement 84 gestaucht wurde. Wie weiter aus einer Ansicht der 8A und der zusammengebauten Ansicht der 8B erkennbar ist, ist in dem oberen Behälter 72 ein nach innen abgestuftes Wandteil 90 zum Herstellen eines dichtenden Reibschlusseingriffes mit der Außenranddichtung 86 ausgebildet. Die Filterkassette 80 kann ohne Werkzeug manuell eingesetzt werden oder kann durch die Anwendung eines geeigneten Werkzeuges eingesetzt werden, das zum Beispiel an einen oberen Außenrand des Auflageelementes 82 stößt und das Hineindrücken der Filterkassette 80 in die in 8B gezeigte Position erlaubt.

9 zeigt eine andere Ausführungsform einer Filtereinheit 100. Insbesondere kann die Filtereinheit 100 einen oberen Behälter 102 und eine Kupplung 104 umfassen, die einen Kanal 106 zum Aufnehmen von gefilterter Flüssigkeit besitzt und diese Flüssigkeit beispielsweise in einen unteren Behälter (nicht gezeigt) führt. Ein Filterbereich 108 der Einheit 100 umfasst mehrere Filterkassetten 110, 112, die in serieller Art und Weise angeschlossen sind. Die Filterkassetten 110, 112 können mit einem Auflageelement 110a, 112a aufgebaut sein, das an einem flachen Filterelement 110b, 112b befestigt ist, wie es allgemein oben unter Bezugnahme auf die 8A und 8B beschrieben ist. Unterschiede in der Konstruktion der Kassetten 110, 112 betreffen die Verbindung zwischen den Kassetten 110, 112, dem oberen Behälter 102 und der Kupplung 104.

Wie insbesondere in 9 gezeigt ist, kann die Filterkassette 110 eine integrale oder lösbare Dichtung 114 umfassen, die mit einer Dichtungsfläche 104a der Kupplung 104 ineinander greift. Um die mit der Kupplung 104 verbundene Filterkassette 110 festzuhalten, schnappt eine Lippe 116 der Filterkassette 110 unter eine Lippe 118 der Kupplung 104. Die Lippe 116 wird dadurch in einer Aussparung 120 der Kupplung 104 festgehalten. Um die mit der Filterkassette 110 verbundene Filterkassette 112 festzuhalten, wird eine Lippe 122 der Filterkassette 112 in einer Aussparung 124 der Filterkassette 110 durch Eingriff mit einer Lippe 126 der Filterkassette 110 festgehalten. Auf diese Weise angeschlossen oder in Eingriff gebracht, greift ein integrales oder lösbares, mit der Filterkassette 112 verbundenes Dichtungselement 128 mit einer inneren Dichtungsfläche 130 der Filterkassette 110 ineinander. Um die mit dem oberen Behälter 102 verbundene Filterkassette 112 festzuhalten, wird eine am unteren Ende des oberen Behälters 102 angeordnete Lippe 132 in eine unter einer Lippe 136 an der Filterkassette 112 definierte Aussparung 134 eingeschnappt oder in Eingriff gebracht. Auf diese Weise ineinandergreifend, greift ein integrales oder lösbares, mit dem unteren Ende des oberen Behälters 102 verbundenes Dichtungselement 138 mit einer an der Innenseite der Filterkassette 112 angeordneten Dichtungsfläche 140 ineinander.

Es wird erkennbar sein, dass verschiedene Filterkassetten in der in Bezug auf 9 beschriebenen Art und Weise oder auf andere Art und Weise hintereinander angeschlossen werden können. Dieses erlaubt, eine obere Filterkassette, wie zum Beispiel die Kassette 112, als ein Vorfilter zum Filtern größerer Partikel zu benutzen, bevor ein Mikrofilter, wie zum Beispiel die Kassette 110 mit einem Membranfilter 110b zur Endfiltration verwendet wird. Dieses erhöht das Durchsatzvolumen und beseitigt die Notwendigkeit für einen separaten Vorfilterschritt. Es wird erkennbar sein, dass die Filterkassetten 110, 112 oder zusätzliche Kassetten im Filterbereich 108 angeschlossen werden können, ohne notwendigerweise aneinander angeschlossen zu sein, wie es generell in Bezug auf 1 beschrieben ist.

10 zeigt eine noch andere Ausführungsform einer Filterkassette 150, die einen verschachtelten seriellen Anschluss mehrerer Filterkassetten erlaubt. Die Filterkassette 150 umfasst ein Auflageelement 152, das an einem Filterelement 154 befestigt ist. Das Filterelement 154 kann in einer nicht lösbaren Art und Weise, wie zum Beispiel durch Ultraschallschweißen oder Ankleben des Filterelementes 154 am Auflageelement 152 befestigt werden. Das Auflageelement 152 umfasst mehrere Steckverbindungsteile 156 und eine gleiche Anzahl aufnehmender Verbindungsteile 158.

Bezugnehmend auf die 11 und 12 kann die Filterkassette 150 als Teil einer Filtereinheit 160 verwendet werden, die einen oberen Behälter 162 und einen unteren Behälter 164 umfasst, die vorzugsweise unter Anwendung einer Kupplung 166, die ähnlich der oben beschriebenen ist, in lösbarer Weise miteinander verbunden sind. Die Kupplung 166 kann deshalb eine Öffnung 168 zum Einführen eines Vakuums in den unteren Behälter 164 umfassen. Die Filterkassette 150 oder optional mehrere Filterkassetten 150 können zwischen dem oberen Behälter 162 und der Kupplung 166 wie in 12 gezeigt gehalten werden.

Wie genauer in 13 gezeigt ist, können die Steckverbindungsteile 156 mit einem Schnappverschluss in komplementären aufnehmenden Verbindungsteilen 170 festgehalten werden, die an einem Flanschteil 166a der Kupplung 166 entlang angeordnet sind. Gleichermaßen können die aufnehmenden Verbindungsteile 158 der Filterkassette 150 komplementäre Steckverbindungsteile 172 aufnehmen, die an einem unteren Ende des oberen Behälters 162 entlang angeordnet sind. Wie bei den anderen Ausführungsformen ist das Auflageelement 152 für den Flüssigkeitsstrom durchlässig, wie zum Beispiel durch Vorsehen von radialen Schlitzen 174. Die Flüssigkeit strömt vom oberen Behälter 162 durch das Filterelement 154 und das Auflageelement 152 und nach unten entlang eines geneigten Teiles der Kupplung 166 in den unteren Behälter 164. Wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen kann die Filtereinheit 160 mit jeder gewünschten Anzahl von Filterkassetten 150 aufgebaut sein, um einen mehrstufigen Filtrationsprozess auszuführen und das Durchsatzvolumen zu erhöhen.

Obwohl die Verbindungs- und Dichtungskonstruktion und der allgemeine Aufbau der verschiedenen Kassetten 22, 80, 150 sich wie oben beschrieben verändern kann, wird die Arbeitsweise und Anwendung generell unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 5A5B verständlich. Insbesondere kann der Anwender eine Anzahl unterschiedlicher Kassetten 22 auf Lager halten und getrennt Behälter 12 und 16 vorrätig haben sowie die Kupplung 18, die permanent oder lösbar am Behälter 12 befestigt sein kann. Verschiedene Kassetten, die die gleichen Maße zum Dichtungseingriff mit dem Behälter 12 haben, können unterschiedliche Filterarten zum Filtern unterschiedlich großer Partikel aus einer Flüssigkeit haben. Somit beginnt das Verfahren mit dem Auswählen der geeigneten Kassette 22, Entfernen des Deckels 14 und Einsetzen der Kassette 22 in den oberen Behälter 12. Dieses kann durch die Anwendung eines Werkzeugs ausgeführt werden, wie es in 6 dargestellt ist. Für einen mehrstufigen Filterungsprozess kann eine zusätzliche Kassette (nicht gezeigt) auf der Oberseite der Kassette 22 eingesetzt werden. Zu diesem Zweck kann es notwendig sein, das untere Teil 60 des oberen Behälters 12 zu verlängern.

Entweder vor oder nach dem Einsetzen der gewünschten Kassette oder der gewünschten Kassetten wird der untere Behälter 16 in die Kupplung 18 geschraubt, wie es in 1 gezeigt ist. Eine Vakuumquelle wird dann an die Öffnung 24 angeschlossen und eingeschaltet. Die zu filternde Flüssigkeit wird dann durch das offene Ende des oberen Behälters 12 eingeführt. Es wurde herausgefunden, dass das Einschalten des Vakuums vor dem Füllen des oberen Behälters 12 mit Flüssigkeit die Durchsatzgeschwindigkeit erhöht, insbesondere wenn zwei Membranen verwendet werden, die durch einen Raum getrennt sind, der groß genug ist, um einen Blockierungseffekt zu unterstützen oder andere Konfigurationen besitzt, um ein Blockieren wie unten erläutert zu unterstützen. Dieses kann dann der Fall sein, wenn eine Kassette auf der Oberseite eines permanent angeschlossenen Membranfilters eingesetzt ist, oder zum Beispiel in dem Fall, dass mehrere Filterkassetten verwendet werden, um die Flüssigkeit in serieller Art und Weise zu filtern. Insbesondere wurde herausgefunden, dass der zwischen den zwei Filtermembranen erzeugte Luftspalt die Überführung der Flüssigkeit aus dem oberen Behälter in den unteren Behälter erschwert, wenn beide Filter zu Beginn durch die Flüssigkeit angefeuchtet werden. Das Einschalten des Vakuums vor dem Eingießen der Flüssigkeit in den oberen Behälter hilft, diesen Blockierungseffekt zu verhindern und verbessert die Durchsatzgeschwindigkeit erheblich. Die in dem Auflageelement 30 angeordneten Öffnungen 35 helfen ebenfalls, diesen Blockierungseffekt aufzuheben. Die Flüssigkeit wird insbesondere durch die Öffnungen 35 gesaugt, um das Ausfüllen jedes Zwischenraumes zwischen der Filterkassette und einem zweiten Filterelement mit der Flüssigkeit zu unterstützen. Das Vakuum saugt dadurch die Flüssigkeit wirksam durch die Kassette 22 sowie jedes zusätzliche, seriell angeordnete Filterelement oder Kassette, während Partikel, die größer als eine gewünschte Größe sind, am oder im Filterelement 32 und zusätzlichen seriell angeordneten Filterelementen abgeschieden werden.

Beim Abschluss des Filterprozesses kann der untere Behälter 16 von der Kupplung 18 abgeschraubt und eine Gewindekappe (nicht gezeigt) verwendet werden, um den Behälter 16 zu verschließen, bis er für die weitere Bearbeitung oder Analyse gebraucht wird. Außerdem kann die Filterkassette 22 oder zusätzliche Filterkassetten, die in den Behälter 12 eingesetzt sind, entfernt werden und die durch das Filter abgeschiedenen Partikel oder das durch das Filter abgeschiedene Material kann, wenn notwendig, in geeigneter Weise analysiert werden. Typischerweise wird über die verschiedenen Komponenten der Filtereinheit 10 der Anwendung folgend entschieden. Fachleute auf dem Gebiet werden leicht viele zusätzliche Filterverfahren erkennen, die ausgeführt werden können.

Diese können die Anwendung von Filterkassetten und/oder Permanentfiltern zwischen Behältern oder zwischen Rohrleitungen verschiedener Arten umfassen.

Obwohl die vorliegende Erfindung durch eine Beschreibung verschiedener bevorzugter Ausführungsformen dargestellt wurde, und obwohl diese Ausführungsformen in beträchtlichem Detail beschrieben wurden, werden den Fachleuten auf dem Gebiet zusätzliche Vorteile und Modifikationen leicht offensichtlich sein.


Anspruch[de]
  1. Filtereinheit (10, 10'), umfassend ein erstes Element (12, 12'), das einen durch eine Innenwandfläche begrenzten Fluidaufnahmeraum besitzt und eine erste Öffnung zum Aufnehmen von zu filterndem Fluid umfasst, ein zweites Element (16), das einen Fluidaufnahmeraum und eine mit diesem kommunizierende zweite Öffnung zum Aufnehmen des Fluides vom ersten Element besitzt, und eine Filterkassette (22, 22'), die ein mit einem flachen Filterelement (32, 32') verbundenes Auflageelement (30, 30') umfasst, wobei die Filterkassette zur Anordnung zwischen dem Fluidaufnahmeraum des ersten Elementes und dem Fluidaufnahmeraum des zweiten Elementes konfiguriert ist und jeweils vom ersten und zweiten Element trennbar ist, die Filterkassette zur Aufnahme durch die erste Öffnung konfiguriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Auflageelement einen integralen elastischen, flexiblen Außenrand (36, 36') umfasst, der eine Dichtung zum Eingriff mit der Innenwandfläche (12a) des ersten Elementes bildet, wobei sich der Rand (36, 36') zur ersten Öffnung hin verformt, wenn der Dichtungseingriff mit der Innenwandfläche hergestellt wird, und dadurch eine selektiv in Eingriff bringbare Dichtung an der Innenwandfläche und zwischen dem Fluidaufnahmeraum des ersten Elementes (12, 12') und dem Fluidaufnahmeraum des zweiten Elementes (16) bildet, um zu gewährleisten, dass Fluid in dem ersten Element vor dem Passieren des zweiten Elementes durch das Filterelement (32, 32') strömt.
  2. Filtereinheit gemäß Anspruch 1, außerdem umfassend einen zwischen dem Fluidaufnahmeraum des ersten Elementes (12') und dem Fluidaufnahmeraum des zweiten Elementes (16) angeschlossenen zweiten Flachfilter (69).
  3. Filtereinheit gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das erste Fluidaufnahmeelement ein oberer Behälter (12, 12') und das zweite Fluidaufnahmeelement ein unterer Behälter (16) ist.
  4. Filtereinheit gemäß Anspruch 3, außerdem umfassend eine mit dem unteren Behälter kommunizierende Öffnung (24) zur Befestigung an einer Vakuumquelle.
  5. Filtereinheit gemäß Anspruch 3 oder 4, außerdem umfassend mehrere der Filterkassetten (22), die jeweils hintereinander und in einer entfernbaren Art und Weise zwischen den oberen und unteren Behältern angeschlossen werden können.
  6. Filtereinheit gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei der der obere Behälter eine offene Oberseite umfasst und zwischen den oberen und unteren Behältern eine Kupplung (18, 18') angeordnet ist, wobei die Kupplung (18, 18') und der untere Behälter (16) entsprechende Gewindeteile (20) besitzen, um das selektive Verbinden und Lösen des unteren Behälters von der Kupplung und dem oberen Behälter zu erlauben.
  7. Filtereinheit gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, außerdem umfassend eine zwischen den oberen und unteren Behältern (12, 12', 16) ausgebildete Schraubverbindung.
  8. Filtereinheit gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, bei der die Filterkassette (22, 22') so konfiguriert ist, dass sie in einem unteren Ende des oberen Behälters (12, 12') lösbar aufgenommen wird.
  9. Filtereinheit gemäß Anspruch 8, bei der das untere Ende des oberen Behälters ein nach innen abgestuftes Teil (56) zum Zentrieren und Eingreifen des Außenrandes (36, 36') während eines Filtervorganges umfasst.
  10. Filtereinheit gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei der das Filterelement (32, 32') durch eine durchgehende Lippe (38), die sich an einem Randteil des Auflageelementes radial nach innen erstreckt, am Auflageelement (30, 31') gehalten wird.
  11. Filtereinheit gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei der das Filterelement (32, 32') ein Membranfilter oder ein Tiefenfilter ist.
  12. Filtereinheit gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei der sich das Auflageelement (30, 30') über eine Unterseite des Filterelementes (32, 32') erstreckt und für einen Fluidstrom vom ersten Element zum zweiten Element durchlässig ist, wenn es im Dichtungseingriff mit der Innenwandfläche (12a) des ersten Elementes eingebaut ist.
  13. Filtereinheit gemäß einem vorhergehenden Anspruch, bei der das Auflageelement einen Werkzeugeingriffabschnitt (54) zur Aufnahme eines zum Einsetzen der Kassette in das erste Element verwendeten Werkzeuges (50) umfasst.
  14. Verfahren zum Filtern einer Flüssigkeit, umfassend das Anschließen einer ein an einem flachen Filterelement (32, 32') befestigtes Auflageelement (30, 30') umfassenden Filterkassette (22, 22') zwischen einem ersten Fluidaufnahmeraum eines ersten Elementes (12, 12') und einem zweiten Fluidaufnahmeraum eines zweiten Elementes (16) durch Einsetzen der Filterkassette in die erste Fluidaufnahmeöffnung des ersten Elementes und Eingreifen eines integralen, elastischen, flexiblen Außenrandes (36, 36') des Auflageelementes mit einer Innenwandfläche (12a) des ersten Elementes, so dass sich der Rand zu der Öffnung hin verformt, um das Auflageelement in dichtendem, jedoch lösbaren Eingriff in Bezug auf die ersten und zweiten Elemente (12, 12', 16) zu halten, und wobei das Filterelement (32, 32') vom ersten Element zum zweiten Element einen Flüssigkeitsströmungspfad vorsieht, Einleiten einer Partikel enthaltenden Flüssigkeit in das erste Element (12, 12') und auf die Filterkassette (22, 22') und Hindurchführen der Flüssigkeit durch das Filterelement (32, 32') und in das zweite Element zum Zurückhalten der Partikel an der Filterkassette.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem der Schritt des Hindurchführens der Flüssigkeit durch das Filterelement außerdem das Einführen eines Vakuums in das zweite Element (16) umfasst, um Flüssigkeit durch das Filterelement zu saugen.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, außerdem umfassend das Anschließen von mindestens zwei der Filterkassetten (22, 22') zwischen den ersten und zweiten Elementen.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem eine der Filterkassetten einen Membranfilter umfasst und eine andere der Filterkassetten, die stromaufwärts von der einen Filterkassette angeordnet ist, einen Vorfilter umfasst.
  18. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein zweites Flachfilterelement (69) in Bezug auf die Filterkassette (22') in Reihe angeschlossen ist.
Es folgen 9 Blatt Zeichnungen






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