DE10322015B4

DE10322015B4 - Dichtungsanordnung

Info

Publication number: DE10322015B4
Application number: DE10322015A
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Rohde; Olaf Dipl.-Chem. Dr. Binkle; Hans-Jürgen Dipl.-Chem. Dr. Schmidt
Original assignee: Itn Nanovation AG
Current assignee: Itn Nanovation AG
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2023-05-17
Also published as: FR2854820B1; DE10322015A1; FR2854820A1

Abstract

Dichtungsanordnung eines keramischen Filterelements (9) in einem Druckgehäuse (2), wobei das Filterelement (9) an wenigstens einem freien Ende (14) ein ringförmiges elastisch verformbares Dichtelement (15) aufweist, welches in einer mit dem Druckgehäuse (2) lösbar verbindbaren Dichtelementaufnahme (19) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei in die Dichtelementaufnahme (19) eingeführtem Dichtelement(15) ein erster Außenoberflächenabschnitt (36) des Dichtelements (15) mit einem Innenoberflächenabschnitt (41) der Dichtelementaufnahme (19) unter Verformung des Dichtelements (15) radial eine erste ringförmige Dichtfläche (24) ausbildet und ein zweiter Außenoberflächenabschnitt (27) des Dichtelements (15) berührungs- oder druckfrei in der Dichtelementaufnahme (19) angeordnet ist, wobei das Filterelement (9) mit dem Dichtelement (15) eine zweite radiale Dichtfläche (25) ausbildet, und wobei das Dichtelement (15) das freie Ende (14) des Filterelements (9) kappenartig übergreift.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung eines keramischen Filterelements in einem Druckgehäuse, wobei das Filterelement an wenigstens einem freien Ende ein ringförmiges elastisch verformbares Dichtelement aufweist, welches in einer mit dem Druckgehäuse lösbar verbindbaren Dichtelementaufnahme angeordnet ist.

Eine derartige Dichtungsanordnung ist beispielsweise durch die DE 198 46 041 A1 bekannt geworden.

Derartige Dichtungsanordnungen kommen bei Filtervorrichtungen für die Mikro-, Ultra- und/oder Nanofiltration, insbesondere zur Aufreinigung von industriellen Abwässern, zum Einsatz. Weitere Anwendungsbereiche sind die Filtration von Kühlschmiermitteln und die Filtration von Fruchtsäften. Solche Dichtungsanordnungen sind insbesondere für organische Polymerfilter bekannt, welche durch die Befestigung der Filterelemente auftretende Verspannungen ausgleichen können, da sie flexibel sind. Verwendet man jedoch als Filterelemente Keramiken, so können aufgrund von Spannungen an der Keramik Risse oder Brüche entstehen, die die gesamte Filtervorrichtung unbrauchbar machen.

An eine Dichtungsanordnung werden bestimmte Anforderungen gestellt. Die Anschlussstelle zwischen einem Anschlussstutzen einer Leitung, über die zu filternde Flüssigkeit zugeführt wird, und dem das Filterelement aufweisenden Druckgehäuse muss absolut flüssigkeitsdicht sein. Es ist bekannt, die Keramikfilterelemente in ein Druckgehäuse unter axialem Druck einzuspannen. Dabei können bereits kleinste Verkantungen zu einem Bruch der Keramikelemente führen. Dies wird mitunter erst im Betrieb der Filtervorrichtung bemerkt. Zur Lösung dieses Problems wurde die Verwendung von Polymerdichtungen vorgeschlagen, auf denen das Keramikfilterelement aufliegt. Durch diese Maßnahme kann ein völliger Bruch des keramischen Filterelements zwar vermieden werden, jedoch kommt es häufig zu Abplatzungen an den Kanten des keramischen Filterelements, die dann zu Undichtigkeiten führen.

Aus der DE 198 46 041 A1 ist ein Membranmodul bekannt, das eine Anzahl von stabförmigen Filterelementen aufweist, die in einem Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse umfasst einen zylindrischen Hauptteil sowie konische Anschlussteile. An den Enden der Filterelemente ist jeweils eine Deckeleinheit ange ordnet, die eine Dichtung und eine äußere und innere Platte umfasst. Die Elemente der Deckeleinheit sind durch Schrauben zusammengehalten. Insbesondere ist es bekannt, den Endbereich eines einzelnen Filterelements zu umschließen, wobei der Dichtungsring topfförmig bzw. kappenartig ausgebildet ist und eine konische Außenkontur aufweist. Die konische Außenkontur des Dichtrings entspricht der konischen Innenkontur einer Dichtringaufnahme in der äußeren Platte der Deckeleinheit. Auch bei dieser Ausführungsform ist das Filterelement in axialer Richtung fest eingespannt. Dies kann zu den vorbeschriebenen Nachteilen führen.

Die US 4,894,104 offenbart eine Dichtungsanordnung mit keramischen Trennelementen, wobei topfförmig ausgebildete Dichtungsringe mit einer konischen Außenkontur, die das Filterelement in seinem Endbereich umschließen und die in Deckelplatten untergebracht sind, zum Einsatz gelangen. Die Dichtungsanordnung weist einen Expansionsraum für die Dichtung zwischen einer lösbaren Dichtelementaufnahme und einer nichtlösbaren Dichtelementaufnahme auf.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass das oder die Filterelemente bei einer zuverlässigen Dichtung axial spannungsfrei montiert und verwendet werden können.

Gegenstand der Erfindung

Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Dabei bildet sich bei einer Dichtungsanordnung der eingangs genannten Art bei in die Dichtelementaufnahme eingeführtem Dichtelement ein erster Außenoberflächenabschnitt des Dichtelements mit einem Innenoberflächenabschnitt der Dichtelementaufnahme unter Verformung des Dichtelements radial eine erste ringförmige Dichtfläche aus und ein zweiter Außenoberflächenabschnitt des Dichtelements ist berührungs- oder druckfrei in der Dichtelementaufnahme angeordnet, wobei das Filterelement mit dem Dichtelement eine zweite radiale Dichtfläche ausbildet.

Vorzugsweise sitzt das Dichtelement auf einem Außenoberflächenabschnitt des Filterelements auf. Die Außenmaße des Dichtelements sind zumindest in einem Bereich etwas größer als die lichte Weite zumindest in einem Bereich der Dichtelementaufnahme. Beim Einbringen des Dichtelements in die Dichtelementaufnahme verformt sich das Dichtelement daher und drückt gleichzeitig radial gegen das Filterelement. Zwischen der Dichtelementaufnahme und dem Dichtelement sowie zwischen dem Dichtelement und dem Filterelement bildet sich jeweils eine Dichtfläche aus. Der Innenraum des Druckgehäuses ist folglich nach außen hin abgedichtet. Es ist dadurch sicher gestellt, dass Flüssigkeit nur über die Filterelemente in den Innenraum des Druckgehäuses gelangt und daher keine ungefilterte Flüssigkeit im Innenraum des Druckgehäuses enthalten ist und von diesem abgeführt wird. Durch das Vorsehen eines Bereichs, in dem das Dichtelement berührungfrei oder druckfrei in der Dichtelementaufnahme angeordnet ist, wird erreicht, dass auch bei einer Verkantung des Filterelements oder bei einer axialen Verschiebung allenfalls ein geringer Druck auf die Stirnseite bzw. die Stirnseitenkante des Filterelements ausgeübt wird. Eine Verkantung bzw. Verschiebung des Filterelements führt zunächst dazu, dass das Dichtelement im Stirnseitenbereich des Filterelements verformt wird und in Freiräume verdrängt wird, wobei die Dichtflächen bestehen bleiben. Eine Beschädigung, die zu ungewollten Kanälen für die ungefilterte Flüssigkeit in den Innenraum des Druckgehäuses führt, wird dadurch wirksam verhindert. Die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung kann an beiden Enden des Filterelements vorgesehen sein. Die Dichtungsanordnung kann für Filterelemente beliebiger Querschnittsformen konfiguriert werden. Unter einem elastisch verformbaren Werkstoff im Sinne der Erfindung werden gummielastische und/oder zähelastische Werkstoffe verstanden.

Ein besonders guter Schutz des Filterelements wird dadurch erreicht, dass das Dichtelement das freie Ende des Filterelements kappenartig übergreift. Das Dichtelement liegt dabei sowohl radial als auch axial am freien Ende des Filterelements an. Außerdem wird der Kantenbereich zwischen der Stirnseite und der Außenoberfläche des Filterelements durch das Dichtelement geschützt. Das kappenartige Dichtelement weist dabei vorzugsweise eine Anlageschulter für die Stirnseite des Filterelements auf. Die Anlageschulter bestimmt, wie weit das Filterelement in das Dichtelement maximal eingeschoben werden kann und stellt außerdem einen Puffer für unbeabsichtigte axiale Kräfte dar.

Verjüngt sich das Dichtelement in axialer Richtung zum unmittelbar angrenzenden freien Ende des Filterelements, dann kann auf besonders einfache Art und Weise der zweite Außenoberflächenabschnitt berührungs- oder druckfrei angeordnet werden. Insbesondere bei einer im Wesentlichen hohlzylindrischen Dichtelementaufnahme, deren Innendurchmesser größer ist als der Außendurchmesser des einen Endes eines konischen Dichtelements und kleiner ist als der Außendurchmesser des anderen Endes des Dichtelements lässt sich die erfindungsgemäße Anordnung besonders einfach realisieren.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Dichtelementaufnahme eine sich über eine axiale Erstreckung verkleinernde lichte Weite auf und schließt sich daran ein Abschnitt mit konstanter lichter Weite an. Eine solche Dichtele mentaufnahme erlaubt, insbesondere bei einem sich verjüngendem Dichtelement, die Ausbildung einer besonders breiten ersten Dichtfläche und die Ausbildung eines Zwischenraums zwischen dem dem Filterelement abgewandten Ende des Dichtelements und der Dichtelementaufnahme. Bei einer Verkantung des Filterelements kann das Dichtelement in den Zwischenraum verdrängt werden.

Besonders bevorzugt ist es, wenn das Dichtelement aus einem Polymer, insbesondere PTFE oder Ethylen/Propylen-Terpolymer (EPDM), oder einem Polymerkomposit hergestellt ist. Als Materialien kommen insbesondere chlorsulfoniertes Polyethylen, Fluorcarbon-Elastomer und Acrylnitril-Butadienkautschuk in Betracht. Diese Materialien sind hoch beanspruchbar und zumindest in Grenzen verformbar, so dass ein guter Schutz der Filterelemente vor Beschädigung gewährleistet ist. Außerdem weisen sie gute Dichteigenschaften auf.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Dichtelementaufnahme in einem auswechselbaren Adapter ausgebildet. Diese Maßnahme erlaubt es, die Dichtungsanordnung für den jeweiligen Anwendungsfall zu konfigurieren und unterschiedliche Dichtungsaufnahmen mit unterschiedlichen Dichtungen zu kombinieren. Außerdem können beschädigte Dichtungen besonders einfach ausgetauscht werden. Vorzugsweise ist für jedes Dichtelement ein Adapter vorgesehen. Die Dichtelemente und die Filterelemente sind daher im Gegensatz zum Stand der Technik im Wesentlichen voneinander unabhängig. Eine Verkantung des einen Filterelements bzw. der Dichtelementaufnahme setzt sich nicht zu anderen Filterelementen fort. Verspannungen der gesamten Anordnung können dadurch reduziert werden. Alternativ ist es denkbar, die Dichtelementaufnahme unmittelbar in dem Anschlussstutzen bzw. dessen Anschlussstück auszubilden.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist der Adapter zwischen einem Anschlussstück, insbesondere eines Anschlussstutzens, und einem Druckgehäuse dichtend eingespannt. Dadurch wird die Montage erheblich vereinfacht. Während im Stand der Technik die äußere Platte mit dem Hauptgehäuse bzw. mit der inneren Platte verschraubt werden muss und zusätzlich ein Anschlussstutzen am Hauptgehäuse befestigt werden muss, muss erfindungsgemäß der Adapter nicht zusätzlich befestigt werden. Es genügt, das Druckgehäuse mit dem Anschlussstutzen zu verbinden, insbesondere zu verschrauben. Dadurch, dass nur der Adapter und nicht das Filterelement selbst eingespannt wird, können axiale Kräfte auf das Filterelement bei der Montage und im Betrieb weitgehend ausgeschlossen werden.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Adapter aus Metall besteht, insbesondere als Metallring ausgebildet ist. Ein Metallring ist besonders formstabil. Vorzugsweise weist er in axialer Richtung eine Anlagefläche für das Dichtelement auf.

Im Sinne der Erfindung wird unter ringförmig eine beliebige geschlossene Form verstanden, die eine runde, polygonale oder sonstige Kontur beschreibt und einen inneren Freiraum aufweist. Das heißt, das erfindungsgemäße Dichtelement kann beliebig ausgebildete Gehäuseformen abdichten.

Radial gerichtete Kraftkomponenten sind Kräfte, die in einer Ebene des Dichtelements von außen in Richtung auf den Innenraum des Dichtelements und/oder in umgekehrter Richtung wirken.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehre ren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung ist in der schematischen Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt:
1 eine Schnittdarstellung durch ein Druckgehäuse mit Anschlussstutzen;
2 eine vergrößerte Darstellung des Dichtungsbereichs zwischen einem Filterelement und einem Anschlussstutzen;
3a das Dichtelement in einem Längsschnitt; und
3b einen Adapter mit einer Dichtelementaufnahme.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Filtermodul 1. Das Filtermodul 1 umfasst ein Druckgehäuse 2, an das Anschlussstutzen 3, 4 über Schraubverbindungen 5 bis 8 dichtend befestigt sind. In dem Druckgehäuse 2 sind mehrere Filterelemente 9 angeordnet, wobei nur ein Filterelement 9 dargestellt ist. In Pfeilrichtung 10 wird zu filternde Flüssigkeit über den Anschlussstutzen 3 durch die Öffnung 11 dem Filterelement 9 zugeführt. Das Filterelement 9 ist zylindrisch aufgebaut und weist zwischen Kanälen 12 mehrere Filterschichten 13 auf. Die zu filternde Flüssigkeit wird über den Anschlussstutzen 4 wieder abgeführt, wobei das gefilterte Permeat in einem nicht dargestellten Abführstutzen abgeführt wird.
In der 2 ist vergrößert der Anschlussbereich des Anschlussstutzens 3 an das Druckgehäuse 2 dargestellt, wobei die Wandung des Druckgehäuses 2 unterbrochen ist und ein Abführstutzen 2a angedeutet ist. Das Filterelement 9 mit den Kanälen 12 und den Filterschichten 13 weist im Ausführungsbeispiel in der Nähe seines freien Endes 14 eine zylindrische Außenkontur auf. Das freie Ende 14 ist von einem kappenartigen Dichtelement 15 umgeben. Dabei stößt das Dichtelement 15 an die Stirnseite 16 des Filterelements 9 und umgibt die Außenoberfläche des freien Endes 14, so dass sich eine ringförmige Dichtfläche bildet. Das Dichtelement 15 wiederum ist in einem als Metallring ausgebildeten Adapter 18 angeordnet, wobei der Adapter 18 eine Dichtelementaufnahme 19 ausbildet. Der Adapter 18 ist zwischen ein Anschlussstück 20 des Druckgehäuses 2 und ein Anschlussstück 21 des Anschlussstutzens 3 dichtend eingespannt. Dafür ist zwischen dem Adapter 18 und dem Anschlussstück 20 und dem Adapter 18 und dem Anschlussstück 21 jeweils eine Dichtung 22, 23 vorgesehen. Zwischen einem ersten Außenoberflächenabschnitt des Dichtelements 15 und einem Innenoberflächenabschnitt des Adapters 18 ist eine erste ringförmige Dichtfläche 24 ausgebildet. Zwischen dem Filterelement 9 und dem Dichtelement 15 ist eine zweite ringförmige Dichtfläche 25 ausgebildet. Zum Einführen des Dichtelements 15 sind die Ecken 26 des Adapters 18 abgerundet. Das Filterelement 9 steht in axialer Richtung nicht unter Spannung. Auch eine leichte Relativverschiebung des Filterelements 9 nach rechts lässt die Dichtflächen 24, 25 intakt, so dass weiterhin eine Dichtung des Filterelements 9 gegenüber dem Adapter 18 bzw. des Innenraums des Druckgehäuses 2 nach außen besteht. Ein zweiter Außenoberflächenabschnitt 27 des Dichtelements 15 ist berührungslos in der Dichtelementaufnahme 19 angeordnet, so dass ein Freiraum 28 gebildet ist, in den das Dichtelement 15 verdrängt werden kann, wenn sich das Filterelement 9 verkantet. In der 2 ist das Dichtelement 15 stirnseitig in Anlage mit der Dichtelementaufnahme 19 gezeigt. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht notwendig.
In der 3a ist das sich in axialer Richtung verjüngende Dichtelement 15 im Querschnitt dargestellt. Das Dichtelement 15 weist eine erste lichte Weite 31 auf, die geringer ist als eine zweite lichte Weite 32. Somit ist die Innenkontur 33 des Dichtelements 15 stufenförmig aufgebaut. Eine Anlageschulter 34 dient der Abstützung der Stirnseite des einzuführenden Filterelements. Die lichte Weite 32 ist an die Außenkontur des einzusetzenden Filterelements angepasst. Insbesondere sitzt das Filterelement 9 kraftschlüssig im Dichtelement 15. Die Innenoberfläche 35 berührt die Außenoberfläche des Filterelements und bildet damit die zweite Dichtfläche. Der erste Außenoberflächenabschnitt 36 berührt im in den Adapter 18 ( 3b) eingesetzten Zustand den Innenoberflächenabschnitt 41 der Dichtelementaufnahme 19 und bildet dabei die erste Dichtfläche aus. Dabei verformt sich das Dichtelement 15 umso mehr, je weiter es in die Dichtelementaufnahme 19 eingeschoben wird. Der zweite Außenoberflächenabschnitt 27 ist im eingeführten Zustand des Dichtelements 15 berührungs- oder druckfrei angeordnet. Es bildet daher keine Dichtfläche mit der Dichtelementaufnahme 19 aus.
Im Bereich des Innenoberflächenabschnitts 41 weist der Adapter 18 in axialer Richtung gesehen zumindest Abschnitte einer lichten Weite auf, die kleiner ist als das Außenmaß im Bereich des ersten Außenoberflächenabschnitts 36 des Dichtelements 15. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Adapter 18 und das Dichtelement 15 kreisrundförmig ausgebildet, sodass die Innendurchmesser von Abschnitten des Adapters 18 kleiner sind als die Außendurchmesser von Abschnitten des Dichtelements 15. Dadurch wird erreicht, dass der radiale Druck auf das Dichtelement 15 beim Einführen des Dichtelements 15 in die Dichtelementaufnahme 19 graduell erhöht wird. Außerdem wird die zweite Dichtfläche auch ausgebildet, wenn das Dichtelement 15 nicht bis zur stirnseitigen Anlagefläche 42 eingeführt wird. Vorzugsweise weist der Innenoberflächenabschnitt 41 einen Winkel von 10° zur Horizontalen auf. An den Innenoberflächenabschnitt 41 schließt sich ein Abschnitt 43 mit über eine axiale Erstreckung konstantem Querschnitt an – im Ausführungsbeispiel ein zylindrischer Abschnitt. An den Abschnitt 43 legt sich der zweite Außenoberflächenabschnitt 27 des Dichtelements 15 aufgrund der Verjüngung des Dichtelements 15 nicht oder nur drucklos an. Die Montage des Dichtelements wird durch die abgerundeten Ecken 26 erleichtert.
Eine Dichtungsanordnung für ein keramisches Filterelement 9 umfasst ein ein freies Ende 14 des Filterelements 9 umgreifendes Dichtelement 15, das sich an einer Dichtelementaufnahme 19 abstützt, wobei das Dichtelement 15 derart ausgebildet ist, dass für verschiedene axiale Positionen des Filterelements 9 eine zuverlässige Dichtung sicher gestellt ist und das Dichtelement 15 keine oder nur geringe axiale Kräfte erfährt.

Claims

Dichtungsanordnung eines keramischen Filterelements (9) in einem Druckgehäuse (2), wobei das Filterelement (9) an wenigstens einem freien Ende (14) ein ringförmiges elastisch verformbares Dichtelement (15) aufweist, welches in einer mit dem Druckgehäuse (2) lösbar verbindbaren Dichtelementaufnahme (19) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass bei in die Dichtelementaufnahme (19) eingeführtem Dichtelement(15) ein erster Außenoberflächenabschnitt (36) des Dichtelements (15) mit einem Innenoberflächenabschnitt (41) der Dichtelementaufnahme (19) unter Verformung des Dichtelements (15) radial eine erste ringförmige Dichtfläche (24) ausbildet und ein zweiter Außenoberflächenabschnitt (27) des Dichtelements (15) berührungs- oder druckfrei in der Dichtelementaufnahme (19) angeordnet ist, wobei das Filterelement (9) mit dem Dichtelement (15) eine zweite radiale Dichtfläche (25) ausbildet, und wobei das Dichtelement (15) das freie Ende (14) des Filterelements (9) kappenartig übergreift.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Dichtelement (15) in axialer Richtung zum unmittelbar angrenzenden freien Ende (14) des Filterelements (9) verjüngt.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelementaufnahme (19) eine sich über eine axiale Erstreckung verkleinernde lichte Weite aufweist und sich daran ein Abschnitt (43) mit konstanter lichter Weite anschließt.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (15) aus einem Polymer hergestellt ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement aus PTFE oder Ethylen/Propylen-Terpolymer (EPDM), oder aus einem Polymerkomposit hergestellt ist.
Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelementaufnahme (19) in einem auswechselbaren Adapter (18) ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (18) zwischen einem Anschlussstutzen (3) und einem Druckgehäuse (2) dichtend eingespannt ist.
Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (18) aus Metall ausgebildet ist.
Dichtungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (18) als Metallring (18) ausgebildet ist.