DE3851167T2

DE3851167T2 - Spiralförmig gewickelte, konische Filterpatrone und Verfahren zu ihrer Herstellung.

Info

Publication number: DE3851167T2
Application number: DE3851167T
Authority: DE
Inventors: Robert A Bertelsen; David J Paulson
Original assignee: Osmonics Inc
Current assignee: Veolia WTS Solutions USA Inc
Priority date: 1987-03-09
Filing date: 1988-03-09
Publication date: 1995-04-13
Anticipated expiration: 2008-03-10
Also published as: CA1320143C; DE3851167D1; ATE110292T1; JPS63291603A; US4839037A; EP0282045A1; EP0282045B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein spiralförmig gewickeltes Membranfilterelement bzw. eine Patrone zur Verwendung in einem üblichen Patronenfiltergehäuse zusammen mit einem Verfahren zur Herstellung einer derartigen Patrone, und betrifft insbesondere eine spiral förmig gewickelte Patrone sowie ein Verfahren zu deren Herstellung, bei dem die Patrone konisch zulaufend ist, um eine vollständige Passung in bezug auf das Filtergehäuse zu gewährleisten und um eine relativ konstante Zustromgeschwindigkeit über der Membranoberfläche aufrechtzuerhalten, obwohl ein Teil des Zustroms durch die Membran in das durchlässige Rohr fließt.
Übliche Filterpatronengehäuse gibt es zur Aufnahme von Filterpatronen. Diese üblichen Filterpatronengehäuse werden im Inneren des Sumpfabschnittes des Gehäuses mit einem beträchtlichen Verjüngungswinkel oder Konus geformt, um die Ablösung dieses Teils von der Form zu erleichtern und um in einigen Fällen die Festigkeit des Sumpfes zu erhöhen. Ein derartiges Filtergehäuse umfaßt einen länglichen, konisch zulaufenden Sumpfabschnitt mit einem geschlossenen Boden. Wenn das Gehäuse zur Verwendung mit einem Kreuzstrom-Membranfilterelement verwendet werden soll, ist es auch mit einem Konzentratventil oder einer Blende versehen, das bzw. die mit dem Boden verbunden sind. Das Gehäuse umfaßt auch eine Gehäusekappe, durch die Zustromwasser oder eine Lösung in das Gehäuse eingeführt wird, um das Filterelement zu beaufschlagen, und einen Permeatauslaß, um Permeat oder Filtrat aus dem System zu entfernen.
Die heutige Technologie in bezug auf die in diesen Filtergehäusen verwendeten Filterpatronen reicht von Standardfalz-Filterpatronen, die konventionelle "Sackgassen"-Filtertechnologie verwenden, bis zu spiral förmig gewickelten Membranelementen, die die "Kreuzstrom"-Filtrationstechnologie verwenden. Bei der "Sackgassen"-Filtertechnologie gibt es außer dem durch das Filterelement fließenden Strom keinen Fluß von Zustromwasser oder Lösung relativ zu der Membran, während bei der "Kreuzstrom"-Filtrationstechnologie das Zustromwasser über den Anteil hinaus, der durch das Filtermedium fließt, kontinuierlich durch die Membranoberfläche fließt und durch einen Konzentratauslaß oder eine Öffnung austritt. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird der Ausdruck Membran verwendet, um das Filtermaterial bzw. Medium dahingehend zu beschreiben, ob es technisch eine Membran ist oder nicht. Konventionelle spiralförmig gewickelte Membranelemente sind im allgemeinen zylindrisch gestaltet und werden dadurch gebildet, daß ein im wesentlichen rechteckiges Blatt aus Filtermaterial (zusammen mit einem geeigneten Abstandhalter und durchlässigem, ebenfalls im wesentlichen rechteckig geformtem Auffangmaterial) in einer spiralförmigen Anordnung um ein zentral angeordnetes durchlässiges Rohr oder einen Dorn gewickelt wird. Diese im allgemeinen zylindrische Filterpatrone wird dann im Inneren eines Sumpfabschnittes des Filtergehäuses angeordnet. Jedoch ist das Oberteil der Filterpatrone wegen der konischen Anordnung des Sumpfes von der Innenfläche des oberen Endes des Sumpfes nach innen beabstandet. Eine Soldichtung oder Konzentratdichtung wird dann in der Nähe des oberen Endes der Filterpatrone zwischen der Außenfläche der Patrone und der Innenwand des Sumpfes gebracht. Eine derartige Dichtung wird benötigt, um die am oberen Ende des Sumpfes eingeführte Zustromlösung dazu zu bringen, daß sie durch die Zustromkanäle des Patronenelements, die durch den Abstandhalter definiert sind, und über die Membran läuft, und nicht um die Außenseite zwischen der Sumpfwand und der äußeren Oberfläche der Filterpatrone herum.
Während diese Konstruktion in einigen Anwendungen zufriedenstellend ist, bewirkt die Verwendung der Sol- oder Konzentratdichtung die Entstehung von nicht-durchflossenen Bereichen zwischen der Sumpfwand und der Außenfläche der Filterpatrone, die ein Herd für Bakterien und andere Verunreinigungen sein können. Weiterhin erfordert die oben beschriebene Anordnung die Verwendung einer derartigen Sol- oder Konzentratdichtung, um den zufriedenstellenden Betrieb nach der Kreuzstrombetriebsart sicherzustellen. Dies erhöht die Kosten des Gesamtsystems sowie dessen Wartungsaufwand, weil eine derartige Dichtung in periodischen Abständen gereinigt werden muß, und begrenzt seinen möglichen Einsatzbereich, da ein weiteres Material mit einer möglichen chemischen Unverträglichkeit mit dem Fluid dem Filtrationselement hinzugefügt wird. Weiterhin fehlt den heute verfügbaren spiral förmig gewickelten Membranfiltern aufgrund der Tatsache, daß ein Teil des Zustromwassers während seines Durchgangs durch die Membranpatrone durch den Permeatauslaß entfernt wird, eine gleichmäßige Durchflußgeschwindigkeit über der gesamten Membranoberfläche. Folglich nimmt die Durchflußmenge über der Membranoberfläche während des Durchgangs des Zustromwassers oder der Lösung vom einen Ende der Patrone zum anderen ab. Dies führt zu weniger vorhersehbaren Eigenschaften der Filterpatronen und, aufgrund der größeren Wahrscheinlichkeit von Verstopfungen oder Verschlüssen, zu einer kürzeren Lebensdauer des Membranelements.
US-A-45 48 714 beschreibt eine konventionelle Filteranordnung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5, bei der ein Laminatblatt mit einer dünnen Lage semipermeablen Membranmaterials, einer durchlässigen Durchgangslage und einer porösen Netzlage um die Außenseite einer Patrone gewickelt sind. In dieser Ausführungsform sind sowohl das Gehäuse als auch die Patrone von zylindrischer Gestalt.
Die US-A-27 56 185 betrifft ein Verfahren zur Bildung von konischen Stangen aus Fiberglasmaterial, in dem ein Gewebe, das in konisch zulaufender Form geschnitten ist, um einen Kern oder einen Dorn gewickelt wird.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine vereinfachte Filterpatrone oder Filtrationsvorrichtung bereitzustellen, in der nicht-durchflossene Bereiche zwischen der Außenfläche der Filterpatrone und der Innenwand des Gehäuses vermieden werden können und die eine größere Gleichmäßigkeit im Durchfluß von Zustromfluid über dem gesamten Membranelement gewährleistet, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Filterpatrone anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die Erfindung gelöst, wie sie in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 5 in bezug auf die Vorrichtung und im Anspruch 11 in bezug auf das Verfahren angegeben ist.
Im Gegensatz zum Stand der Technik stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Filterpatrone zur Verwendung in einem konisch zulaufenden Filtergehäuse bereit, die die Kreuzstrom-Filtrationstechnologie nutzt und die auch die Notwendigkeit einer Sol- oder Konzentratdichtung eliminiert, die bei Anwendungen nach dem Stand der Technik erforderlich ist. Die Eliminierung der Sol- oder Konzentratdichtung verringert oder eliminiert wesentlich, wie oben beschrieben, mögliche Bereiche von Bakterienkulturen oder anderen Verunreinigungen und reduziert die Kosten des Systems und verbessert und vereinfacht dessen Wartung. Die Filterpatrone der vorliegenden Erfindung eliminiert auch ganz die toten Bereiche zwischen der äußeren Oberfläche der Filterpatrone und der Innenfläche des Sumpfes und vergrößert dadurch den möglichen Filterbereich durch effizientes Nutzen des in dem Sumpf verfügbaren Raumes. Die verbesserte Filterpatrone der vorliegenden Erfindung stellt auch einen relativ gleichförmigen Durchfluß von Zustromwasser durch die Membranoberfläche bereit, obwohl ein Teil des Zustromwassers durch die Membran hindurchgeht oder durch den Permeat-Auslaß austritt.
Insbesondere stellt die vorliegende Erfindung eine spiralförmig gewickelte, konisch zulaufende Filterpatrone bereit, die an einem Ende größer ist als an dem anderen Ende, und ein Verfahren zur Herstellung derselben. In der bevorzugten Ausführungsform sowie im Verfahren ist die Filterpatrone derart gestaltet, daß ihre äußere Seitenwand in einem Winkel verjüngt ist, der sich der Verjüngung des Sumpfabschnittes des Filtergehäuses annähert. Folglich wird ein volles Paßsitz-Verhältnis zwischen der Außenfläche der Filterpatrone und der Innenfläche des Sumpfes gebildet, wenn die Filterpatrone in das Sumpfgehäuse eingesetzt wird. Wie oben beschrieben, beseitigt dies die Notwendigkeit für die Sol- oder Konzentratdichtung, wodurch die Systemkosten reduziert werden. Eine derartige Gestaltung vereinfacht auch die Wartung des Systems und reduziert wesentlich die nicht durchflossenen Bereiche und die Stellen von Ansammlungen und des Wachstums von Bakterien und anderen Verunreinigungen. Weiterhin ist die Größe des Membranbereichs in einer derartigen Filterpatrone gegenüber derjenigen konventioneller Filterpatronen aufgrund der Tatsache erhöht, daß die erfindungsgemäße Filterpatrone zum vollständigen Füllen des konisch zulaufenden Sumpfes ausgebildet ist.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Beschreibung der Zeichnung, die bevorzugte Ausführungsform und das Verfahren und die beigefügten Ansprüche erkennbar.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematisch, mit weggebrochenen Teilen dargestellte Explosionszeichnung des Filterpatronengehäuses und der verbesserten Filterpatrone nach der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Endkappe des Filtergehäuses des Systems nach der Erfindung.
Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Filterpatronen- Adapter für die Endkappe zur Verwendung mit der verbesserten Filterpatrone nach der Erfindung.
Fig. 4 ist ein Querschnitt der Filterpatrone nach der Erfindung, wobei ein Abschnitt entfernt ist.
Fig. 5 ist eine Ansicht von unten auf ein Bodenstopfelement zur Verwendung mit der verbesserten Filterpatrone nach der Erfindung.
Fig. 6 ist ein Grundriß des mittleren durchlässigen Rohres oder Dornes oder eines Filtermaterialblattes oder eines Filtermaterial-Sandwiches vor der Verformung zu der spiralförmig gewickelten Anordnung nach der Erfindung.
Fig. 7 ist ein Querschnitt eines Abschnittes eines Filtratmaterial-Sandwiches, der die Membran, den durchlässigen Träger und die Maschenabstandhalter zeigt.
Fig. 8 ist ein Graph, der die Zustrommenge (in Gallonen pro Minute) über der Fluidgeschwindigkeit durch die Patrone (in Fuß pro Sekunde) sowohl -für eine konventionelle, zylindrische, spiralförmig gewickelte Filterpatrone des Standes der Technik als auch für die konisch zulaufende, spiral förmig gewickelte Filterpatrone nach der Erfindung darstellt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM UND DES VERFAHRENS

Es wird zunächst auf die Fig. 1 Bezug genommen, die eine schematische Explosionszeichnung des Filtersystems nach der Erfindung mit einem Filterpatronengehäuse und einer Filterpatronenanordnung darstellt. Das Filterpatronengehäuse umfaßt einen länglichen, konisch zulaufenden Sumpf 10 mit einer konisch zulaufenden Innenwand 14, der im oberen Teil einen größeren Durchmesser aufweist als an seinem Boden, eine Bodenwand 12 und einen oberen Verbindungsflansch 11. Der Verbindungsflansch 11 ist mit dem oberen Rand der Wand 13 integral verbunden und mit einer Mehrzahl von Innengewindegängen 14 zur geeigneten Verbindung mit einer Endkappe 19 versehen. Die Bodenwand 12 schließt eine mittig angeordnete Bodenöffnung 15 ein, die mit einer Konzentrat-Auslaßleitung 16 in Verbindung steht. Die Auslaßleitung 16 ist mit einem geeigneten Konzentratventil bzw. einer Blende 18 versehen, um den Durchfluß des Konzentrates durch die Leitung 16 in einer nach dem Stand der Technik bekannten Weise zu steuern. Durch Schließen und Öffnen des Ventils 18 kann der Gegendruck und die Durchflußmenge innerhalb des Sumpfes 10 gesteuert werden.
Mit Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 ist die Endkappe 19 an ihrem unteren Ende mit mehreren Außengewindegängen 20 versehen. Diese Außengewindegänge 20 sind zur Aufnahme durch die Innengewindegänge 14 des Sumpfes 10 eingerichtet, wenn das Gehäuse vollständig zusammengebaut ist.
Wie am besten in Fig. 2 dargestellt ist, ist die Endkappe 19 an einem Ende mit einem Permeatauslaß 21 und an ihrem anderen Ende mit einem Einlaß 22 für Zustromwasser oder Zustromlösung versehen. Der Einlaß für Zustromwasser 22 steht in direkter Verbindung mit dem ringförmigen offenen Bereich 24 über dem oberen Bereich der Filterpatrone 35, wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersehen werden kann. Der Permeatauslaß 21 steht in Verbindung mit dem allgemein zylindrischen Bereich 29, der durch den ringförmigen Wandabschnitt 25 definiert ist. Wenn die Wand 25 mit dem Endkappen-Verbindungsglied 30 verbunden ist, steht der Permeatauslaß 21 in Verbindung mit dem Inneren des durchlässigen Rohres oder Dornes 36.
Die Endkappe 19 ist mit einem konventionellen Druckmesser 26 und einer den Druckmesser 26 mit dem Zustromeinlaß 22 verbindenden Leitung 28 verbunden. Folglich wird der Druckmesser 26 zur visuellen Beobachtung des System-Betriebsdruckes verwendet.
Der Endkappenadapter 30 ist am besten in den Fig. 1 und 3 dargestellt. Wie oben erläutert, schließt der Adapter 30 der Patronenendkappe einen oberen Abschnitt 32 mit einer zylindrischen Bohrung 31 ein, die über die äußere Oberfläche der zylindrischen Wand 25 der Endkappe 19 gleiten kann. Zwei O-Ringe 34 sind in geeigneten Nuten innerhalb der Bohrung 31 zum abdichtenden Eingriff mit der äußeren Oberfläche der Wand 25 angeordnet. Ein äußerer Abschnitt 38 des Endkappenadapters 30 definiert eine Permeatbohrung 42 und umfaßt eine Außenfläche 39, die für die Passung ins Innere des oberen Endes des durchlässigen Rohres 36 gestaltet ist (Fig. 1). Zwei O-Ringe sind in geeigneten Nuten in der Außenfläche 39 des Abschnittes 38 zum abdichtenden Eingriff mit der Innenfläche des Dornes 36 angeordnet. Ein unteres Ende des Abschnitts 32 ist mit einer Schulter 41 versehen, die die obere Kante des durchlässigen Dornes 36 aufnimmt, wenn das System vollständig zusammengebaut ist. Wenn das System vollständig zusammengebaut ist, ist der Permeatauslaß 21 in einer dichten Verbindung mit dem Inneren des Durchlasses 36 verbunden.
Ein am besten in den Fig. 1 und 5 dargestellter Endstopfen 44 ist für die Einführung in das Ende des Rohres 36 ausgebildet, das dem Endkappenadapter 30 gegenüberliegt. Wie dargestellt, schließt der Endstopfen 44 einen einteiligen Bolzenabschnitt 45 ein, der mit einem ringförmigen Fuß oder Bodenabschnitt 48 integral ausgebildet ist. Eine Schulter 50 ist zwischen dem unteren Ende des Abschnitts 45 und dem Boden 48 zum abstützenden Eingriff mit dem Ende des Rohres 36 positioniert. Vollständig zusammengebaut ist der Abschnitt 45 im Ende des Rohres 36 eingesetzt, und zwei O-Ringe 46, die in geeigneten Nuten in der Außenfläche des Abschnittes 45 angeordnet sind, bieten einen dichtenden Eingriff zwischen dem Glied 45 und der Innenfläche des Dornes 36.
Die Bodenfläche des Bodens 48 ist mit mehreren ausgesparten Abschnitten oder Kanälen 49 versehen. Diese Kanäle 49 lassen das Konzentrat von dem Bodenende des Sumpfes 10 in und durch die Auslaßöffnung 15 fließen. In der vorliegenden Ausführungsform umfaßt das Konzentrat den Teil des Zustroms, der durch die Patrone und die Membran hindurchgelaufen ist und durch das der Endkappe gegenüberliegende Ende austritt.
Als nächstes wird auf die Fig. 1, 4 und 6 Bezug genommen, die verschiedene Ansichten der konisch zulaufenden Filterpatrone der vorliegenden Erfindung zeigt. Insbesondere zeigt Fig. 1 die Filterpatrone 35 in schematischer Gestalt. Fig. 4 ist ein Querschnitt der Filterpatrone, wobei ein Abschnitt entfernt ist, und Fig. 6 eine Ansicht der Filterpatrone der vorliegenden Erfindung, bevor sie spiral förmig gewickelt ist.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Filterpatrone 35 auf einem zentralen durchgängigen Rohr spiral förmig gewickelt und verjüngt, so daß sie an ihrem Oberende größer ist als an ihrem Boden. Dies ist am besten in Fig. 4 dargestellt, in der der Winkel der Verjüngung 43 bei ungefähr 10 liegt. In der bevorzugten Ausführungsform soll dieser Verjüngungswinkel 43 im wesentlichen mit dem Verjüngungswinkel des Sumpfes 10 und der Sumpfinnenwand 13 übereinstimmen (Fig. 1).
Die Gestaltung der Filterpatrone 35 ist den konventionellen, spiral förmig gewickelten Filterpatronen dadurch ähnlich, daß sie ein zentrales durchlässiges Rohr oder einen Dorn 36 und mehrere Schichten 51 eines Filtermaterial- Schichtaufbaus einschließt; aber sie ist dadurch verschieden, daß die hergestellte Patrone 35 in der zuvor beschriebenen Weise verjüngt ist. Wie am besten in Fig. 7 dargestellt, umfaßt jede der spiralförmig gewickelten Schichten 51 der Patrone 35 bei der bevorzugten Ausführung zwei Membranelemente 58, dazwischengelegtes Permeat-Ansammlungsmaterial 59 und einen Maschenabstandhalter 60, die jeweils bekannt und konventionell gestaltet sind. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen den Rändern 54 und 56 ungefähr 60º bis 75º, um die bevorzugte Verjüngung der hergestellten Patrone zu bewirken.
Das Verfahren zum Zusammenbau oder zur Herstellung der verjüngten Patrone 35 der vorliegenden Erfindung ist am besten in Fig. 6 dargestellt. Wie gezeigt, ist das durchlässige Rohr oder der Dorn 36 mit einem Rand des Filtermaterialblattes 51 verbunden, das, wie in Fig. 7 gezeigt, ähnlich angeordnete Blätter oder Membrane 58, einen Maschenabstandhalter 60 und Permeat-Ansammlungsmaterial 59 umfaßt. Das Filtermaterialblatt 51 ist durch einen Rohr-Verbindungsrand, der an einem Abschnitt des länglichen durchlässigen Rohres oder des Dornes 36 in einer allgemein zu ihren Achsen parallelen Richtung befestigt ist, durch zwei Seitenränder 54 und 55 und durch einen schief geschnittenen oder schrägen Rand 56 festgelegt. Es sollte festgehalten werden, daß der Seitenrand 55 kürzer als der Endrand 54 ist. Dies führt dazu, daß der äußere Rand 56, wie in Fig. 6 gezeigt, angewinkelt oder verjüngt ist. Es sollte auch festgehalten werden, daß das durchgängige Rohr 36 mehrere Öffnungen 52 (Fig. 4) einschließt, die, wenn das Filtermaterial 51 an dem Rohr 36 befestigt ist, zwischen den zwei Membranblättern 58 in einer dem Stand der Technik bekannten Weise gelegen sind. In der bevorzugten Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen den Rändern 54 und 56 etwa 600 bis 750, um die bevorzugte Verjüngung bei der hergestellten Patrone zu erreichen.
Die Ränder 54, 55 und 56 von jeweils zwei entsprechenden Membranblättern 58 werden dann geklebt oder in anderer Weise aneinander befestigt, wobei das Permeat-Ansammlungsmaterial 59 in der in Fig. 7 dargestellten Weise dazwischengelegt ist. Wenn dies geschehen ist, wird das Filtermaterialblatt 51 spiralförmig um das Rohr oder den Dorn 36 gewickelt. Wenn dies beendet ist, wird es vorläufig mit Band umwickelt, bis der auf die Ränder aufgebrachte Klebstoff getrocknet ist, wonach das Band entfernt wird. Die abgebildete Patrone hat, wie in Fig. 1 und 4 gezeigt, eine spiral förmig gewickelte Gestalt mit einer verjüngten Form. Eine derartige Patrone paßt, wenn sie in den Sumpf 10 eingesetzt ist, in die Ausgestaltung der Innenwand 13, um im wesentlichen alle Bereiche toten Raumes zwischen der Außenseite der Patrone 35 und der Wand 13 zu eliminieren.
Ein alternatives Verfahren zur Herstellung der Patrone besteht darin, mit einem allgemein rechteckigen Blatt an Filtermaterial zu beginnen, die Ränder 54 und 55 zu kleben und zu beginnen, es auf das Rohr 36 zu wickeln, bis ein Abschnitt des Blattes spiralförmig auf das Rohr 36 gewickelt ist. Dann, nachdem die exakte angestrebte Größe der Patrone und der Verjüngung bestimmt ist, wird das Ende des Blattes 51 derart abgeschnitten, daß die Lage und Neigung des verjüngten Randes 56 genau wie angestrebt ist. Der Rand 56 wird dann verklebt und die Wicklung wird beendet.
Wie zu sehen ist, wird das Maß der Verjüngung der Patrone 35, unabhängig vom angewandten Herstellungsverfahren, durch den Winkel des schrägen Randes 56 bestimmt. In ähnlicher Weise wird die Größe der oberen und unteren Enden der Patrone 35 durch die Länge der Ränder 54 und 55 bestimmt.
Obgleich es beabsichtigt ist, daß Patronen mit einer Vielzahl von Verjüngungen gestaltet werden können, soll die spezifische Verjüngung einer bestimmten Patrone 35 eng mit der Verjüngung der Innenwand 13 des bestimmten Sumpfes 10, mit dem sie verwendet werden soll, übereinstimmen. In der bevorzugten Ausführungsform soll die Verjüngung der Sumpfwand zwischen 0,3º und 5º betragen. Folglich ist die bevorzugte Verjüngung größer als 0,3º und vorzugsweise zwischen ungefähr 0,3º und 5º, mit Abweichungen innerhalb dieses bevorzugten Bereiches von 0,5º und 1º.
Es sollte, wie im Zusammenhang mit der Zusammenfassung der Erfindung beschrieben wurde, festgehalten werden, daß die verjüngte Patrone 35 der vorliegenden Erfindung im Betrieb einen gleichmäßigeren Fluß über der Membranoberfläche gewährleistet. Im Kreuzstrombetrieb wird Zustromwasser oder -lösung, wie in Fig. 1 gezeigt, am oberen Ende der Patrone 35 eingeführt und veranlaßt, durch das Abstandhalterelement 60 (Fig. 7) zum unteren Ende der Patrone 35 zu strömen. Während dieses Durchströmens wird der Zustrom unter Druck der Oberfläche der Membrane 58 ausgesetzt, und ein Teil wird infolge des Druckes in dem System dazu getrieben, durch die Membrane 58 und in den Bereich zu fließen, der dazwischen durch das Permeatansammlungsmaterial 59 definiert ist. Folglich fließt während der Strömung des Zustroms von der Oberseite zum Boden der Patrone ein bestimmter Teil des Zustroms durch das Membranmaterial 58 in die Öffnungen 52 in die Mitte des durchlässigen Rohres 36 herein und durch den durchgängigen Auslaß 21 heraus. In einem typischen Filtersystem beträgt die - normalerweise als Ausbeute bezeichnete - Menge des durch die Membrane hindurchfließenden Zustroms zwischen 8% und 20% und vorzugsweise etwa 15%. Jedoch kann die Ausbeute in einigen Anwendungen bei 50% bis 75% oder höher liegen. Zu Zwecken der vorliegenden Anmeldung wird die Ausbeute aus einem Bruch berechnet, dessen Zähler gleich der Zustromrate abzüglich der Permeatrate, und dessen Nenner gleich der Zustromrate ist, wobei der Bruch mit 100% multipliziert wird.
Wenn eine konventionelle, zylindrisch gestaltete Filterpatrone in einem Filtergehäuse der in Fig. 1 dargestellten Art verwendet wird, ist der Membranbereich und das Zustromkanalvolumen, die dem Zustrom ausgesetzt sind, von der Spitze bis zum Boden der Patrone konstant. Da im Betrieb ein Teil des Zustroms durch die Membran hindurchläuft und durch das durchlässige Rohr 36 hinausläuft, nimmt folglich die Geschwindigkeit beim Fließen durch die - Patrone ab. Mit der konisch zulaufenden Patrone der Erfindung nimmt jedoch der dem Zustrom aus gesetzte Oberflächenbereich der Membrane von der Spitze bis zum Boden der Patrone 35 ab. Das führt dazu, daß die Geschwindigkeit des Zustroms von einem Ende der Patrone zum anderen, trotz der Verluste des Zustroms durch das durchlässige Rohr 36, auf einem gleichmäßigeren Betrag gehalten wird.
Fig. 8 zeigt einen Graphen, der die Geschwindigkeit des Zustroms gegen den Durchsatz des Zustroms in Gallonen pro Minute aufträgt, wobei ein Permeatfluß von einer Gallone pro Minute zugrundegelegt wird. Wie es für eine konventionelle, zylindrische Patrone gezeigt ist, soll eine Geschwindigkeitsdifferenz zwischen dem stromaufwärts liegenden Ende (mit dem Bezugszeichen 61 versehen) und dem stromabwärts liegenden Ende (mit dem Bezugszeichen 62 versehen) unabhängig von dem Zustromdurchsatz durch das System aufrechterhalten. Auf der anderen Seite zeigt der Graph in Fig. 8, daß bei einer konisch zulaufenden Patrone der vorliegenden Erfindung für bestimmte Zustromdurchsätze die Differenz der stromaufwärtigen und der stromabwärtigen Geschwindigkeit ungefähr gleich ist. Tatsächlich führt, wie der Graph der Fig. 8 zeigt, eine Zustromrate zwischen 26,5 und 28,4 (7 und 7,5 Gallonen) pro Minute bei einer Permeatrate von 3,8 (eine Gallone) pro Minute, zu einer im wesentlichen gleichmäßigen Geschwindigkeit der Zufuhr über der gesamten Länge der Patrone. Dies ist ein beträchtlicher Vorteil der vorliegenden erfindungsgemäßen Patronengestaltung, da die Reinigungswirkung der Zustromgeschwindigkeit auf der Membranoberfläche wichtig hinsichtlich der Erzielung einer wirtschaftlichen Filterlebensdauer ist, so daß die Gestaltung der konisch zulaufenden Patrone die Lebensdauer der Patrone optimiert, besser vorhersehbare Patroneneigenschaften liefert und zu einem höheren Membrandurchfluß führt.
Obgleich die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform und des Verfahrens relativ spezifisch gehalten wurde, ist es beabsichtigt, daß verschiedene Modifikationen gemacht werden können, ohne daß von der Idee der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Demgemäß soll der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung eher durch die beigefügten Ansprüche als durch die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform bestimmt werden.

Claims

1. Spiralartig gewickelte Kreuzstrom-Filterpatrone (35) mit:

einem länglichen, zentral angeordneten, mit Öffnungen versehenen durchlässigen Rohr (36), und

zumindest einem Blatt aus Filtermaterial (51), das spiralartig um das durchlässige Rohr (36) gewickelt ist,

wobei die Patrone (35) ein erstes und ein zweites Ende und einen diese Enden verbindenden äußeren Oberflächenbereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Ende einen größeren Durchmesser als das zweite Ende aufweist und die äußere Oberfläche vom ersten zum zweiten Ende hin konisch ausgebildet ist.

2. Patrone nach Anspruch 1, wobei das Blatt aus Filtermaterial (51) ein Paar von Membranelementen (58), einen dazwischen angeordneten durchlässigen Träger (59) und einen Abstandshalter (60) aufweist.

3. Patrone nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste und das zweite Ende der Patrone (35) im wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind.

4. Patrone nach Anspruch 3, wobei die Außenfläche einen Schrägungswinkel zwischen 0,3 und 5 Grad, vorzugsweise zwischen 0,5 und 1 Grad, bezogen auf die Längsachse des durchlässigen Rohrs (36) aufweist.

5. Filtereinrichtung mit:

einem Filterpatronengehäuse mit einem länglichen Sumpf (10), das ein offenes Oberteil, einen geschlossenen Boden (12) und eine zwischen dem Oberteil und dem Boden sich erstreckende Seitenwand (13) aufweist;

einer Endkappe (19), die mit dem offenen Oberteil verbindbar ist;

einer im Sumpf (10) angeordneten spiralartig gewickelten Filterpatrone (35);

einem durchlässigen Auslaß (21) in der Endkappe (19) sowie Einrichtungen, welche die durchlässige Endkappe mit dem durchlässigen Rohr (36) verbinden;

einer Zuflußöffnung (22) sowie Einrichtungen (24) zur Verbindung der Zuflußöffnung mit der Filterpatrone (35), gekennzeichnet durch

eine konische Filterpatrone (35) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4;

wobei das Filterpatronengehäuse (10) eine konische Seitenwand (13) aufweist, das Oberteil größer ist als der Boden und die konische Seitenwand einen größeren Durchmesser am Oberteil als an dessen Boden aufweist, und die Zuflußöffnung (22) in der Endkappe (19) angeordnet ist.

6. Filtereinrichtung nach Anspruch 5, wobei die Konizität der konischen Außenfläche der Filterpatrone (35) im wesentlichen der Konizität der konischen Seitenwand (13) des Sumpfes (10) entspricht.

7. Filtereinrichtung nach Anspruch 6, wobei die konische Außenfläche der Filterpatrone (35) in Kontakt mit der und gegenüberliegend zur konischen Seitenwand (13) des Sumpfes (10) entlang der gesamten Länge der Filterpatrone (35) verläuft.

8. Filtereinrichtung nach Anspruch 7, bei der abgesehen vom Kontakt zwischen der Außenfläche und der Seitenwand keinerlei Dichtungsteile zwischen der Außenfläche der Filterpatrone (35) und der konischen Seitenwand (13) des Sumpfes (10) vorhanden sind.

9. Filtereinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, die eine Konzentratöffnung (15) im Boden aufweist.

10. Filtereinrichtung nach Anspruch 9, die ein Konzentratventil oder eine Konzentratblende (18) umfaßt.

11. Verfahren zur Herstellung einer Filterpatrone (35) mit den folgenden Schritten:

Anlegen eines Blattes aus Filtermaterial (51), das eine Verbindungskante für ein durchlässiges Rohr, erste und zweite Seitenkanten (54, 55), die jeweils ein erstes, dem jeweiligen Ende der Verbindungskante zugewandtes Ende aufweisen, das von diesem im wesentlichen rechtwinklig absteht, und eine der Verbindungskante für das durchlässige Rohr gegenüberliegende Kante aufweist, die einem zweiten Ende jeder der Seitenkanten (54, 55) zugewandt ist;

Schneiden des Blattes aus Filtermaterial (51) unter einer Schrägen (56) relativ zur Längsachse des Rohres (36);

Befestigen der Verbindungskante für das durchlässige Rohr an einem im wesentlichen zylindrischen durchlässigen Rohr (36); und

spiralartiges Aufwickeln des Filtermaterialblattes (51) auf das durchlässige Rohr (36).

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Filtermaterialblatt (51) vor der Befestigung am durchlässigen Rohr (36) schräg (56) abgeschnitten wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Filtermaterialblatt (51) zuerst am durchlässigen Rohr (36) befestigt wird, dann teilweise um das Rohr (36) gewickelt wird, das Filtermaterialblatt (51) schräg (56) abgeschnitten wird und die spiralartige Wicklung des Filtermaterialblatts (51) fertiggestellt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Filtermaterialblatt (51) aus einem Paar ähnlich konfigurierter Membranmaterialblätter (58), einem durchlässigen Trägerblatt (59) und einem Abstandsblatt (60) gebildet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Paar Membranmaterialblätter (58) mit dazwischen angeordnetem durchlässigen Trägerblatt (59) entlang der Seitenkanten (54, 55) und der schrägen Kante (56) zusammengeklebt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei der Winkel zwischen der ersten Kante (54) und der schrägen Kante (56) etwa zwischen 60 und 75 Grad beträgt.