Filtereinrichtung mit Hohlfasern

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Filtereinrichtung mit mindestens einer in einem Fil- tergehäuse aufgenommenen Filtereinheit, die mindestens eine zwischen zwei Pottun- gen eingespannte Hohlfaser mit wasserdampfdurchlässiger Wandung umfasst, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 .

Stand der Technik

Eine Hohlfaser-Filtereinrichtung ist aus der WO 2013/100677 A1 bekannt. Die Filtereinrichtung wird zur Befeuchtung eines trockenen Luftstromes eingesetzt, indem die wasserdampfdurchlässigen Hohlfasern des Filtermoduls, durch die ein trockener Luftstrom geleitet wird, in Radialrichtung von einem mit Feuchtigkeit angereicherten Luftstrom angeströmt werden. Die Hohlfasern sind Teil einer Filtereinheit, welche in ein aufnehmen- des Filtergehäuse eingesetzt ist, wobei die Hohlfasern zwischen zwei stirnseitigen Pot- tungen eingespannt sind, an deren Außenseite Dichtringe angeordnet sind, um eine Abdichtung gegenüber der Gehäuseinnenwand des aufnehmenden Filtergehäuses zu erreichen. Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Hohlfaser-Filtereinrichtung mit einfachen konstruktiven Maßnahmen mit einem hohen Wirkungsgrad auszubilden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.

Die erfindungsgemäße Hohlfaser-Filtereinrichtung kann als Befeuchtungseinrichtung eingesetzt werden, um einen Gasfluidstrom mit Feuchtigkeit anzureichern. Die Filtereinrichtung wird z. B. als Befeuchtungseinrichtung für die einer Brennstoffzelle zuzufüh- rende Luft eingesetzt.

Die Filtereinrichtung weist in einem Filtergehäuse mindestens eine Filtereinheit auf mit mindestens einer Hohlfaser, welche zwischen zwei stirnseitigen Pottungen eingespannt ist und eine wasserdampfdurchlässige Wandung aufweist. Durch die Hohlfaser wird ein erster Fluidstrom geleitet, außerhalb der Hohlfaser verläuft ein zweiter Fluidstrom im Filtergehäuse der Filtereinrichtung, wobei sich die beiden Fluidströme in ihrem Feuchtigkeitsgehalt unterscheiden. Durch die wasserdampfdurchlässige Wandung der Hohlfaser erfolgt ein Feuchtigkeitsaustausch vom feuchteren Fluidstrom zum trockeneren Fluidstrom. Beispielsweise wird innerhalb der Hohlfasern ein trockener Luftstrom geführt und außerhalb der Hohlfaser ein mit Feuchtigkeit angereicherter Luftstrom, so dass Wasserdampf durch die Wandung der Hohlfaser radial von außen nach innen hindurchtreten kann. Alternativ wird innerhalb der Hohlfasern ein mit Feuchtigkeit angereicherter Luftstrom geführt und außerhalb der Hohlfaser ein trockener Luftstrom, so dass Wasserdampf durch die Wandung der Hohlfaser radial von innen nach außen hindurchtreten kann. Der als trockener Luftstrom bezeichnete Luftstrom hat bevorzugt eine geringere relative Feuchte als der als mit Feuchtigkeit angereichert bezeichnete Luftstrom. Der erste und der zweite Fluidstrom verlaufen vorteilhafterweise beide in Achsrichtung, insbesondere axial gegenläufig. Dies bedeutet, dass vorteilhaft der außerhalb der Hohl- faser geführte Luftstrom im Wesentlichen entlang der Hohlfaser und entgegen der Strömungsrichtung innerhalb der Hohlfaser geführt werden sollte.

Erfindungsgemäß ist zwischen der Pottung an einer Stirnseite der Filtereinheit und dem aufnehmenden Filtergehäuse ein Strömungsspalt gebildet, durch den der außerhalb der Hohlfaser geführte, zweite Fluidstrom geleitet wird. Der Strömungsspalt wird vorzugsweise für die Ableitung des außerhalb der Hohlfaser geführten Fluidstroms genutzt; grundsätzlich kommt aber auch eine Strömungsrichtung in Gegenrichtung in Betracht, so dass der außerhalb der Hohlfaser geführte Fluidstrom über den Strömungsspalt in das Innere des Filtergehäuse geleitet wird. In jedem Fall ist über den Strömungsspalt eine axiale Strömungsführung ohne Strömungsumlenkung möglich, was die Verweildauer des zweiten Fluidstroms in unmittelbarer Nachbarschaft zur Wandung der Hohlfaser verlängert und den Feuchtigkeitsaustausch zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidstrom innerhalb bzw. außerhalb der Hohlfaser verbessert. Insgesamt kann auf diese Weise der Wirkungsgrad des Feuchtigkeitsaustausches verbessert werden.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung sind die Pottungen an den gegenüberliegenden Stirnseiten unterschiedlich groß ausgebildet. Der Strömungsspalt befindet sich in diesem Fall zwischen der kleineren Pottung und der Innenseite des Filtergehäuses bzw. einem gehäuseseitigen Bauteil. Um die Größendifferenz zwischen den Pottungen zu überbrücken, verläuft die in den Pottungen eingespannte Hohlfaser bezogen auf die Längsachse der Filtereinrichtung und des Filtergehäuses unter einem kleinen Winkel, der vorzugsweise kleiner als 10° beträgt, insbesondere maximal 5°, wobei ggf. der Winkel zwischen der Längsachse der Hohlfaser und der Längsachse der Filtereinrichtung bzw. des Filtergehäuses nur maximal 1 ° oder 2° betragen kann. Der Strömungsspalt kann ggf. umlaufend ausgeführt sein und die Pottung annähernd oder vollständig ringförmig umgreifen, wodurch über den Umfang eine gleichmäßige Strömung des außerhalb der Hohlfaser geführten Stroms gewährleistet ist. Es kann ggf. aber auch ausreichend sein, den Strömungsspalt nicht umlaufend auszuführen, sondern lediglich über ein Winkelsegment entlang der Umfangsseite der Pottung.

Gemäß bevorzugter Ausführung sind zwischen den beiden axial gegenüberliegenden Pottungen jeweils eine Mehrzahl von Hohlfasern eingespannt, die bei unterschiedlich großen Gesamtflächen der Pottungen winklig in der Filtereinrichtung verlaufen, so dass zwischen zwei Pottungen ein Hohlfaserbündel angeordnet ist. Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, in der Filtereinheit an jeder Stirnseite mehrere, nebeneinander liegende Pottungen vorzusehen, wobei jeder Pottung eine axial gegenüberliegende Pottung zugeordnet ist und zwischen diesen axial beabstandeten Pottungen jeweils eine oder mehrere Hohlfasern eingespannt sind. Auf diese Weise erhält man eine Filtereinheit mit einer Mehrzahl von Pottungen pro Stirnseite. Die Gesamtquerschnittsfläche, bezogen auf die Summe sämtlicher Pottungen pro Stirnseite, ist an den beiden axial gegenüberliegenden Stirnseiten unterschiedlich groß. Der Strömungsspalt befindet sich an derjenigen Stirnseite, bei der die Gesamtquerschnittsfläche der Pottungen kleiner ist. Innerhalb jeder Stirnseite liegen die Pottungen zweckmäßigerweise strömungsdicht aneinander, um Fehlströme zu verhindern. Hierbei kann es zweckmäßig sein, die Pottungen in einen Halterahmen mit einem den Pottungen entsprechenden Raster einzusetzen, wobei der Halterahmen im Filtergehäuse aufgenommen ist. An der Stirnseite mit der kleineren Gesamtquerschnittsfläche liegt der Strömungsspalt an der Außenseite des Halterahmens und der Innenseite des aufnehmenden Filtergehäuses.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung weist die Filtereinrichtung mindestens eine Filtereinheit in einem Filtergehäuse auf, wobei die Filtereinheit mindestens eine zwischen zwei Pottungen eingespannte Hohlfaser, vorzugsweise mehrere Hohlfasern zwischen zwei Pottungen aufweist und die Hohlfaser wasserdampfdurchlässig ausgebildet ist. Gegebenenfalls kann die Filtereinheit pro Stirnseite mehrere Pottungen aufweisen, in denen jeweils eine oder mehrere Hohlfasern eingespannt sind. Die Pottungen können an jeder Stirnseite in einem Halterahmen mit Rasterung aufgenommen sein. In mindestens eine Pottung an einer Stirnseite ist ein Strömungsrohr eingebracht, über das der Fluidstrom geführt wird, welcher außerhalb der Hohlfaser verläuft. Das Strömungsrohr befindet sich daher außerhalb der in der Pottung aufgenommenen Hohlfaser. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass durch die Integration des Strömungsrohrs in die Pottung bei einer klein bauenden Ausführung in diesem Abschnitt eine axiale Strömungsführung des außerhalb der Hohlfaser geführten Fluidstroms gegeben ist.

Zweckmäßigerweise befindet sich die Pottung mit dem Strömungsrohr auf der axial ge- genüberliegenden Seite zu der Pottung mit außenseitigem Strömungsspalt. Die Pottung mit dem außenseitigen Strömungsspalt besitzt kein integriertes Strömungsrohr. Sofern pro Stirnseite mehrere Pottungen vorgesehen sind, kann an einer Stirnseite in jede einzelne Pottung jeweils ein Strömungsrohr integriert sein. An der axial gegenüberliegenden Seite befinden sich dagegen keine in die Pottungen integrierten Strömungsrohre.

Die Kombination von integriertem Strömungsrohr in eine Pottung im Bereich einer Stirnseite und umlaufendem Strömungsspalt im Bereich der axial gegenüberliegenden Stirnseite hat den Vorteil, dass der außerhalb der Hohlfaser verlaufende Fluidstrom über die gesamte axiale Länge der Hohlfaser zumindest annähernd parallel zu dieser verläuft.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Bündel aus Hohlfasern vorgesehen, die in einer Pottung angeordnet, insbesondere in dieser eingebettet sind, wobei das Strömungsrohr von dem Bündel von Hohlfasern umgeben ist. Dies hat den Vorteil, dass je nach Durchströmungsrichtung entweder im Rohr innerhalb des Bündels gleichmäßig die Strömung gesammelt werden kann, oder die aus dem Strömungsrohr austretende Strömung innerhalb eines Bündels gleichmäßig verteilt werden kann.

Das in die Pottung integrierte Strömungsrohr kann sich über die gesamte axiale Länge der Pottung erstrecken. Gegebenenfalls ragt das Strömungsrohr auf der Hohlfaserseite axial über die Pottung hinaus, wobei in die Wandung des herausragenden Abschnittes Strömungsöffnungen eingebracht sein können, über die eine zusätzliche An- oder Ab- strömung des Fluids möglich ist. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ragt das Strömungsrohr auf der der Hohlfaser abgewandten Seite über die Pottung hinaus. Gemäß noch einer weiteren Ausführung endet das Strömungsrohr auf der Hohlfaserseite an der axialen Stirnseite der Pottung. Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist das Strömungsrohr zentrisch in die Pottung eingebracht. Dies hat insbesondere im Falle eines Hohlfaserbündels pro Pottung den Vorteil, dass der Fluidstrom innerhalb des Hohlfaserbündels geführt wird und somit alle Hohlfasern dieses Bündels in zumindest annähernd gleicher Weise von dem Fluidstrom angeströmt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen: Fig. 1 im Längsschnitt eine Filtereinrichtung, die zur Befeuchtung eines Luftstroms eingesetzt werden kann, mit einer Filtereinheit, welche zwischen stirnseitigen Pot- tungen eingespannte Hohlfasern mit wasserdampfdurchlässigen Wandungen umfasst; Fig. 2 die Filtereinheit mit zwei axial gegenüberliegenden, stirnseitigen Pottungen, zwischen denen jeweils mehrere Hohlfasern verlaufen, mit einem in eine Pottung integrierten Strömungsrohr;

Fig. 3 eine stirnseitige Ansicht der Pottungen an der axialen Stirnseite mit integrierten Strömungsrohren; und

Fig. 4 eine stirnseitige Ansicht der Pottungen ohne Strömungsrohr, jedoch mit einem umlaufenden Strömungsspalt. In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Ausführungsformen der Erfindung

Die in den Figuren dargestellte Filtereinrichtung 1 kann als Befeuchtungseinrichtung eingesetzt werden, um einen trockenen Luftstrom im Gegenstromverfahren mit Feuchtigkeit anzureichern. Die Filtereinrichtung 1 weist, wie Fig. 1 zu entnehmen, ein Filtergehäuse 2 auf, in welchem eine Filtereinheit 3 aufgenommen ist. Die Filtereinheit 3 um- fasst eine Vielzahl von Hohlfasern 4, die sich axial zwischen Pottungen 5, 6 erstrecken und in den Pottungen 5, 6 fest aufgenommen sind. Die Hohlfasern 4 bestehen bei- spielsweise aus einem organischen und/oder anorganischen Material und weisen eine wasserdampfdurchlässige Wandung auf. In Fig. 1 ist aus Gründen der vereinfachten Darstellung nur eine einzelne durchgehende Hohlfaser 4 zwischen Pottungen 5 und 6 dargestellt; tatsächlich verlaufen, wie in Fig. 2 gezeigt, zwischen den Pottungen 5, 6 eine Vielzahl derartiger Hohlfasern.

Innerhalb der Hohlfasern 4 verläuft ein erster Fluidstrom 7, bei dem es sich vorzugsweise um einen Luftstrom mit geringem Feuchtigkeitsgehalt handelt. Axial gegenläufig wird ein zweiter Fluidstrom 8 durch das Filtergehäuse 2 in der Filtereinrichtung 1 geführt, bei dem es sich vorzugsweise um einen Luftstrom mit hohem Feuchtigkeitsgehalt handelt; der zweite Fluidstrom 2 verläuft außerhalb der Hohlfasern 4. Auf Grund der Wasserdampfdurchlässigkeit der Wandung der Hohlfasern 4 ist ein Übertritt von Wasserteilchen radial durch die Hohlfaserwandung möglich, wodurch der erste Fluidstrom 7 innerhalb der Hohlfaser mit Feuchtigkeit angereichert wird. Pro axialer Stirnseite umfasst die Filtereinheit 3, wie Fig. 1 in Verbindung mit Fig. 3 und Fig. 4 zu entnehmen, mehrere Pottungen 5 bzw. 6, die nebeneinander liegend angeordnet sind und jeweils eine Mehrzahl von Hohlfasern 4 aufnehmen. In Fig. 2 ist ein Hohlfaserbündel mit mehreren Hohlfasern 4 dargestellt, die jeweils zwischen zwei einzelnen, axial gegenüberliegenden Pottungen 5 bzw. 6 verlaufen und in den Pottungen fest eingespannt sind. Die einzelnen Pottungen 5 und 6 sind in einem Halterahmen 9 (Fig. 3, 4) aufgenommen, der mit einer Rasterung mit Längs- und Querstreben versehen ist und pro Pottung 5 bzw. 6 eine rechteckförmige Rasteraufnahme bietet. Die verschiedenen Pottungen 5 und 6 sind im Halterahmen strömungsdicht aufgenommen, so dass Fehlströme an der Randseite jeder Pottung vermieden werden. Im Bereich einer ersten axialen Stirnseite ist in jede Pottung 5 jeweils ein Strömungsrohr 10 integriert, über das der zweite, mit Feuchtigkeit angereicherte Luftstrom in das Innere der Filtereinrichtung 1 geleitet wird, welcher außerhalb der Hohlfasern axial ent- lang strömt. Das Strömungsrohr 10 ist zentrisch in jede Pottung 5 integriert, die Hohlfasern 4 verlaufen außerhalb des Strömungsrohres 10. Das Strömungsrohr 10 weist eine größere axiale Länge als die Pottung 5 auf und überragt die Pottung 5 axial an ihren beiden Stirnflächen. Die Wandung des axial auf der Hohlfaserseite überragenden Abschnittes des Strömungsrohres 10 kann Strömungsöffnungen aufweisen, über die der einströmende, feuchte Luftstrom zusätzlich im Inneren der Filtereinheit 3 verteilt wird.

Die Strömungsrohre 10 sind in jede einzelne Pottung 5 im Bereich einer Stirnseite der Filtereinheit 3 eingebracht. Die axial gegenüberliegenden Pottungen 6 weisen dagegen kein derartiges Strömungsrohr auf. Die Pottungen 6 ohne Strömungsrohr sind im Ver- gleich mit den Pottungen 5 mit Strömungsrohr kleiner ausgebildet und besitzen entsprechend eine kleinere Querschnittsfläche, so dass auch die Gesamtquerschnittsfläche, gebildet aus der Summe aller Pottungen pro Stirnseite, im Bereich der Pottungen 6 kleiner ist als im Bereich der Pottungen 5. Dies führt zu einem umlaufenden Strömungsspalt 1 1 zwischen der Außenseite der Pottungen 6 und der Innenwand des auf- nehmenden Filtergehäuses 2, wobei über den Strömungsspalt 1 1 der zweite Fluidstrom 8, welcher außerhalb der Hohlfasern 4 verläuft, aus dem Innern der Filtereinrichtung 1 abgeleitet wird. Diese Ausführung hat gemeinsam mit der Zufuhr des zweiten Flu- idstroms 8 über die Strömungsrohre 10 den Vorteil, dass der zweite, mit Feuchtigkeit beladene Fluidstrom 8 über die gesamte freie axiale Länge der Hohlfasern 4 entlang strömt, was eine effiziente Abgabe von Wasserdampf durch die Hohlfaserwandung und damit eine gute Feuchtigkeitsanreicherung des ersten Fluidstroms 7 innerhalb der Hohlfasern gewährleistet.

Wie Fig. 1 zu entnehmen, ist der Strömungsspalt 1 1 umlaufend ausgebildet. Die Pot- tungen 6 sind in einem Befestigungsteil 12 gehalten, das an der Stirnseite des Filtergehäuses 2 abgestützt ist.

Alternativ zur oben stehend beschriebenen Betriebsweise, in der der mit Feuchtigkeit beladene Fluidstrom 8 außerhalb der Hohlfasern 4 und der erste Fluidstrom 7 mit gerin- gern Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Hohlfaser 4 geführt wird, ist ebenso eine umgekehrte Strömungsführung möglich, so dass der mit Feuchtigkeit beladene Fluidstrom innerhalb der Hohlfasern 4 und der Fluidstrom mit geringem Feuchtigkeitsgehalt außerhalb der Hohlfaser 4 geführt wird.