Die vorliegende Erfindung betrifft ein regenerierbares Filterelement für das Zurückhalten von Grobstoffen in einem Fluid, mit mindestens einer aus Kugeln gebildeten Filterschicht, die zwischen einer sich an die Filterschicht anschließenden durchlässigen inneren Stützschicht und einer sich an die Filterschicht anschließenden durchlässigen äußeren Stützschicht angeordnet ist

Das Einsatzgebiet für Filterelemente ist sehr weit, was u .a. durch den Grad der gewünschten Filtration, bauliche und räumliche Restriktionen sowie Unterschiede in den Anforderungen aus hygienischen oder lebensmitteltechnologischen Anforderungen begründet ist. Filterelemente für wasserbauliche Anlagen eignen sich z. B. beispielsweise dazu, strömendes Wasser einer Turbine oder Wasserrades zu reinigen. Als Filterelement bzw. Filteranlagen werden üblicherweise Rechen eingesetzt, die in die Strömung des zu reinigenden bzw. zu nutzenden Wassers eingesetzt werden, um Treibgut aus diesem herauszufiltern . Neben Treibgut, beispielsweise Laub, Hausmüll, Ästen usw. ist aber auch das Herausfiltern von kleineren Partikeln, wie beispielsweise Sand oder Pflanzenteilen notwendig . Hierzu ist dem Rechen oftmals ein Sandfang nachgeordnet, der d ie Tren n u ng von Schwebeteilchen bewirkt, die am Rechen nicht zurückgehalten wurden.

Filterelemente sind weiterhin auch in der Lebensmitteltechnologie weit verbreitet, um eine Filtration von Lebensmittelrohstoffen und Zwischenprodukten zu bewirken. Auch in sonstigen technologischen Prozessen werden Filter vielfach eingesetzt.

Ein wesentlicher Nachteil der meisten bekannten Filterelemente besteht darin, dass diese nicht zuverlässig rückspülbar ausgeführt sind . Die Filterelemente setzen sich mit der Zeit zu und blockieren den Fluidstrom . Um diese Blockade aufzuheben, ist ein Austausch der Filterelemente oder ein Ausbau und anschließendes Reinigen notwendig . Insbesondere sind in der Feinstfiltration kaum Filterelemente bekannt, die zuverlässig rückspülbar sind . Unter Feinstfiltration wird beispielsweise eine Filtration oder Trenngrenze von weniger als 500 nm verstanden. Nachteilig bei bekannten Filterelementen ist auch, dass eine reproduzierbare und sehr scharfe Trenngrenze oftmals nicht gegeben ist. Schließlich können fein- oder feinsttrennende Filter zwar gespült werden, eine Rückspülung mit relativ hohem Druck ist ohne eine Beschädigung kaum möglich.

Aus der DE102007040776A des gleichen Erfinders ist ein Filterelement bekannt, dass eine Filterschicht aus miteinander verbundenen Kugeln umfasst, die zwischen einer sich an die Filterschicht anschließenden durchlässigen inneren Stützschicht und einer sich an die Filterschicht anschließenden durchlässigen äußeren Stützschicht angeordnet sind . Ein solches Filterelement weist viele Vorteile auf, jedoch ist der Herstellungsaufwand relativ hoch . Dies ist in erster Linie durch das Verbinden der Kugeln begründet, die entweder miteinander verklebt oder gesintert werden . Hinzu kommt, dass im Falle des Verklebens der Kugeln das Filterelement aufgrund möglicher Ablösungen oder anderer chemischer Reaktionen die Verwendung im Lebensmittelbereich nur eingeschränkt möglich ist. Dies kann nur durch die Verwendung besonderer Klebstoffe umgangen werden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Filterelement zu schaffen. Dieses soll rückspülbar sein und eine möglichst scharfe Trenngrenze ermöglichen . Das Filterelement sol l je nach Ausführung für Grob-, Fein- und Feinstfiltration einsetzbar sein. Das Filterelement soll dabei kostengünstig herstellbar und möglichst einfach einzusetzen sein. Insbesondere soll sich das Filterelement für die Filtration sensibler Fluide, wie beispielsweise Lebensmittel eignen.

Die Aufgabe wird durch ein regenerierbares Filterelement für das Zurückhalten von Grobstoffen in einem Fluid gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

die Stützschichten jeweils eine Trenngrenze aufweisen, die geringer als der Durchmesser der Kugeln ist,

die Kugeln lose in der Filterschicht angeordnet sind,

die Kugeln der Filterschicht durch die Stützschichten in ihrer Position gehalten sind.

Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, dass die Kugeln nicht miteinander verbunden sind, sondern lose in der Filterschicht angeordnet bzw. diese ausbilden. Dadurch wird der Herstellungsprozess erheblich reduziert und das Filterelement ist uneingeschränkt für sämtliche Anwendungen einsetzbar, insbesondere für das Filtern sensibler Fluide, also beispielsweise in der Lebensmittel- technologie. Das Filterelement kommt also ohne Fremdstoffe bzw. ohne Verbrauchsmaterial aus und es ist auch kein erhöhter Energieaufwand für die Verbindung der Kugeln notwendig .

Wesentlich ist, dass die Stützschichten die ansonsten losen Kugeln Filterschicht jeweils in Ihrer Position halten, so dass diese auch beim Betrieb des Filterelements unverrückbar eingeordnet bleiben . In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante sind die Stützschichten jeweils durch Gewebe mit definierten Maschenweiten gebildet. Hierzu eig nen sich Meta l l- oder Kunststoffgewebe, denkbar sind auch Glasfaserkunststofflagen. Deren Maschenweite oder Trenngrenze muss dabei geringer sein als der Durchmesser der Kugeln Filterschicht, damit diese bei der Nutzung des Filterelements n icht d u rch d ie Gewebe hindurchgedrückt werden können.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist auf der Außenseite der äußeren Stützschicht mindestens ein Spannelement angeordnet, dass die äußere Stützschicht gegen die Kugeln der Filterschicht drückt und diese damit sicher in ihren Positionen hält. Es hat sich gezeigt, dass mehrere Spannelemente vorgesehen sein können, die selbstnachspannend ausgebildet sind . Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Spannelemente elastisch sind und somit ein Aufweiten des Filterelements aufgrund hohen Drucks gegen die Spannelemente diese zwar kurzzeitig aufweitet, die Kugeln aber aufgrund der Elastizität unmittelbar nach der Aufweitung zurück in ihre Position getrieben werden.

Der Begriff„lose" meint also in der Erfindung, dass die Kugeln nicht miteinander verbunden sind und dann ihre Position verlieren, wenn Sie nicht durch die Stützschichten in Position gehalten werden . Im Betriebszustand des Filterelements sind die Kugeln letztendlich nicht als„lose" zu bezeichnen, vielmehr ergibt sich insgesamt eine starre und exakt trennende Filterschicht.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante ist das rückspülbare Filterelement kerzenförmig bzw. als längliches zylinderförmiges Filterelement ausgeführt. An ein inneres durchlässiges Rohr schließt sich die innere Stützschicht an, die das Rohr umgibt. Die innere Stützschicht ist wiederum von der Filterschicht umgeben, d ie selbst von der äußeren Stützschicht eingehüllt wird . Das Rohr weist zur Durchleitung des Fluids entsprechende Öffnungen in der Wandung auf. Ein wesentlicher Vorteil einer solchen zylinderförmigen Ausführungsvariante besteht in der optimalen Raumausnutzung . Insbesondere bei vorgegebenen Querschnitten kann durch die Anordnung mehrerer zylinderförmiger Filterelemente nebeneinander die Filterfläche gegenüber einer Filterwand, die, sich lediglich quer zur Strömungsrichtung erstreckt, deutlich erhöht werden.

Die äußere Stützschicht kann erfindungsgemäß durch einen zusätzlichen durchlässigen Berstschutzmantel aus einem möglichst widerstandsfähigen Material geschützt. Beispielsweise kann ein perforierter Berstschutzmantel aus Stahl oder ein Drahtgeflecht vorgesehen sein . Bei der Verwendung von Spannelementen sind diese innerhalb des Berstschutzmantels angeordnet, wobei die Abmessungen der Bauteile derart gewählt sind, dass eine Bewegung der Spannelemente möglich ist.

Neben der Filterschicht können auch eine oder zwei Polizeischichten vorgesehen sein, die sich an die Filterschicht anschließen und ein Austragen der Kugeln der Filterschicht in das Filtrat verhindern . Sind zwei Polizeischichten vorgesehen, ist die Filterschicht zwischen diesen beiden angeordnet. Die Polizeischichten können erfindungsgemäß ebenfalls durch Kugeln gebildet sein, die durch die Stützschichten in Position gehalten sind .

Die Nutzung von Kugeln als Filterschicht ist sehr vorteilhaft, dazwischen aufeinander geschichteten Kugeln stets ein Freiraum verbleibt, durch den das zu filternde Fluid hindurchgeführt werden kann . Durch die kugelförmige Oberfläche sind dabei optimale Strömungsbedingungen gegeben . Weiterhin führt die Kugelform dazu, dass der Zwischenraum zwischen den einzelnen Kugeln exakt bestimmbar ist, wodurch eine Trenngrenze bzw. der Grad der Filtration extrem genau einstellbar ist. Insbesondere ist dafür deshalb die Verwendung von kalibrierten Kugeln für eine möglichst genaue Filtration vorteilhaft. Eine Filterschicht besteht minimal aus nur drei Schichten, weitere Schichten sind aber nach Bedarf möglich.

Diese Art der Filtration vereint die Filtereigenschaften von Oberflächenfiltern und Tiefenfiltern und ist dann zu 100% regenerierbar, wenn die Kugeln miteinander verbunden oder durch benachbarte Stützschichten fest gehalten sind . Dadurch, dass das rückspülbare Filterelement eine Filterschicht aufweist, die zwischen zwei Stützschichten angeordnet ist, ist auch eine Nutzung des Filterelements unter hohem Druck problemlos möglich. Dies gilt, da die Stützschicht auf beiden Seiten angeordnet wird, in beiden Richtungen, also auch für die Rückspülung .

Die Kugeln bleiben auch beim Rückspulvorgang in ihrer Position, da sie, wie bereits ausgeführt, durch die Stützschichten gehalten sind. Durch eine Verwendung von kalibrierten Kugeln kann erfindungsgemäß eine sehr scharfe Trenngrenze realisiert werden . Der freie Porenraum kann exakt berechnet und umgesetzt werden , wobei fertig u ngsabhä ngige Abweichungen minimiert sind . Ein unverformbarer Körper mit einem Durchmesser von 15,47 % des Durchmessers der kalibrierten Kugeln wird zuverlässig zurückgehalten . Hieraus ist auch abzuleiten, dass der Durchmesser für die Herstellung der Filterschicht verwendeten Kugeln beispielsweise 0,032 mm betragen muss, wenn eine Trenngrenze von ca. 0,005 mm erzielt werden soll . Durch die Nutzung der Ergebnisse aus der Forschung und Entwicklung im Bereich der Nanotechnologie sind Trenngrenzen von kleiner 1,0 nm realisierbar.

Das Fi lterel eme nt ist n i cht n u r rü cksp ülbar, es ist vielmehr vollständig regenerierbar, es kann nach der Rückspülung ohne Einschränkung wieder verwendet werden . Die Rückspülung wird mit einem Fluid dauert je nach Medium lediglich wenige Sekunden. Es hat sich gezeigt, dass eine problemlose Rückspülung je nach Medium mit geringem Druck (z. B. 0,5 bar mit etwa 100 bar problemlos möglich ist. Eine Filtration ist über einen weiten Temperaturbereich von - 150° bis zu 1.800° C je nach Filtermaterial, z. B. Glas möglich sind . Als Filtermaterial können auch Buntmetall, rost- und säurebeständiger Stahl, Hartguss sowie alle weiteren Materialien, aus denen kalibrierte Kugeln geformt werden können, verwendet werden.

Die Stützschichten haben nicht nur stützende Wirkung, sie fungieren gleichzeitig auch als Polizeifilter, weswegen je nach Ausführungsform auch auf die oben erwähnten zusätzlichen Polizeischichten verzichtet werden kann . Das erfindungsgemäße Filterelement kann neben der beschriebenen Platten oder Zylinderform auch als Kugelform und in Segmentbauweise gefertigt sein.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante schließt sich an das perforierte, druckfeste Zylinderrohr ein Feingewebe mit äußerst geringer Maschenwei- te von etwa 25pm als innere Stützschicht an. Es folgt die Filterschicht und ein gröberes Gewebe, dass eine vier- bis zehnfach g rößere Trenngrenze als das Feingewebe der inneren Stützschicht aufweist. Die Filterschicht weist bei einem Kugeldurchmesser von lOOpm eine Absolutfiltration von 15,47pm auf. Es folgen axial verlaufende Spannstäbe, die sich von außen an die äußere Stützschicht über den Umfang des Filterelements verteilt anlegen . Diese axialen Spannstäbe sind wiederum durch mehrere, über die Länge des Filterelements verteilte radiale Spannelemente umgeben . Die radialen Spannelemente sind ringförmig ausgeführt und elastisch verformbar. Die elastische Verformbarkeit kann beispielsweise durch eine Öffnung des Rings erreicht werden, die ein Aufweiten und elastisches Zurückfedern ermöglicht. Anstelle der ringförmigen Spannelemente sind auch a n d e re sel bstn a chs pa n n en d e S pa n n el e me nte d e n kba r, be isp ie l swe ise helixförmige Federelemente. Sowohl die axialen Federstäbe als auch die radialen Spannelemente können vorzugsweise aus gehärtetem und angelassenen Federstahl gebildet sein . Endseitig ist das Filterelement durch einen Boden und einen Deckel begrenzt und verschlossen . Im Betrieb wird das Filterelement von außen nach innen durchströmt. Nur für Rückspülungszwecke erfolgt eine umgekehrte Durchströmung . Denkbar ist grundsätzlich auch ein Aufbau, der ein generelles Durchströmen des Filterelements von innen nach außen ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Filterelement verursacht nur eine relativ geringe Druckdifferenz und ermöglicht große Durchflussraten aufgrund der optimalen Strömungsbedingungen innerhalb des Filterelements. Es ist sehr klein zu fertigen und kann beispielsweise auch als Pollenfilter verwendet werden.

Anstelle elastischer Spannelemente ist auch eine Kombination von starren Elementen mit elastischen Spannmitteln denkbar.

Das innere Rohr des Filterelements kann an seinem freien Ende ein Kupplungs- anschluss zur schnellen Verbindung mit einer Rohrleitung aufweisen, durch die das Fluid in das Filterelement ein-, oder aus diesem abgeleitet wird .

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung bleiben die Kugeln bei einem Rückspülvorgang in Ihrer Position, da diese wie bereits ausgeführt durch die Stützschichten gehalten werden. Insbesondere wird eine Brückenbildung oder Gewölbebildung von Kugeln durch ein Verspannen der Kugeln nach dem Einfüllen in den Filter vermieden oder vollständig verhindert. Unter einer Gewölbebildung wird im Sinne der Erfindung verstanden, dass die Kugeln beispielsweise bei einem Rückspülvorgang derart zum Liegen kommen, dass diese zumindest Teilweise eine selbsttragende Gewölbestruktur ausbilden. Hierdurch würde die Trenngrenze ungünstig beeinflusst, da sich unterhalb der Gewölbestruktur Freiräume bilden, die größer als die oben beschriebenen Porenräume sind . Eine Verspannung der Kugeln kann radial und/oder in Längsrichtung des Filterelementes erfolgen. In einer Ausgestaltung wird zumindest die äußere Stützschicht radial gegen die Kugeln beziehungsweise die Filterschicht verspannt. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Filterelement zumindest einen Deckel aufweist, der vorzugsweise am längsseitigen Ende des Filterelementes, insbesondere der Filterschicht angeordnet ist. Der Deckel wird in einer Variante in Längsrichtung des Filterelementes gegen die Filterschicht verspannt.

Weiterhin ist in einer Variante vorgesehen, dass zumindest eine, vorzugsweise alle Stützschichten starr sind . In diesem Zusammenhang ist unter starr zu verstehen, dass die Stützschichten sich bei einem Betrieb des Filterelementes durch den Druck ds durch das Filterelement geleiteten Fluids nicht verformen.

Weiterhin sieht eine Ausgestaltung vor, dass das Filterelement sich axial erstreckende Spannstäbe aufweist. In einer Variante sind die Spannstäbe der äußeren und/oder der inneren Stützschicht zugeordnet. Vorzugsweise werden die Spannstäbe mittels Spannmitteln radial gegen die Stützschicht verspannt. Spannmittel können beispielsweise Federringe oder Sprengringe sein. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst ein Spannmittel eine Spiralfeder, d ie sich beispielsweise helixförmig um die Spannstäbe erstreckt

Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung näher erläutert: Die dargestellten Ausführungsbeispiele sind dabei nicht einschränkend zu verstehen, sondern sollen lediglich eine Ausführungsvariante der Erfindung verdeutlichen.

Es zeigen :

Fig . 1 : Ein erfindungsgemäßes Filterelement in einer ersten Ausführungsvariante in Seitenansicht, Fig . 2 : das Filterelement aus Figur 1 im Querschnitt Schnitt,

Fig . 3 : einen Bereich des Filterelements aus Figur 1 im Längsschnitt,

Fig . 4: einen Bereich einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsva- riantes eines Filterelements mit Polizeischichten im Längsschnitt,

Fig . 5 : eine Prinzipdarstellung von fünf Kugeln von oben,

Fig . 6: eine Prinzipdarstellung von geschichteten Kugeln in drei Lagen in

Seitenansicht.

Fig 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Filterelement 10 in Seitenansicht, das, wie in Figur 2 gezeigt, eine Filterschicht 12 aufweist, die aus Kugeln 14 (vergleiche auch Fig . 5 oder 6) gebildet ist.

Die Filterschicht 12 ist zwischen einer inneren Stützschicht 18 und einer äußeren Stützschicht 20 angeordnet. Die beiden Stützschichten 18, 20 können vorzugsweise aus einem Gewebe gebildet sein. Die Kugeln 14 werden durch die Stützschichten 18, 20 in ihrer Position gehalten. Auf der Außenseite des Filterelementes 10 der gezeigten Ausführungsvariante sind Spannelemente 32 gezeigt, die durch radiale Federringe gebildet sind und die äußere Stützschicht 20 gegen die Filterschicht 12 drücken. Die Federringe weisen Spalte 34 auf, die ein Aufweiten und Verengen der elastischen Federringe ermöglichen . Zur Verbesserung der Stabilität und Druckverteilung durch die Federringe sind weiterhin axiale Spannstäbe 36 vorgesehen, die zwischen der äußeren Stützschicht 20 und den Spannmitteln 36, hier den Federringen angeordnet sind .

Die Figuren zeigen eine Ausführung des Filterelements 10 als zylinderförmiger Körper. Im Inneren des Filterelements 10 ist ein Rohr 24 zur Ab- oder Zuleitung eines Fluids erkennbar. Das Rohr 24 weist Öffnungen 26 auf (vgl . Fig. 3).

Das erfindungsgemäße Filterelement 10 kann kopfseitig einen Deckel 28 aufweisen, es kann aber auch mit einem oder mehreren weiteren Filterelementen 10 über das Rohr 24 in Reihe geschaltet werden . Auf der dem Deckel entgegengesetzten Seite des Filterelementes 10 ist ein Boden 30 angeordnet. Der Deckel 28 und der Boden 30 verschließen das Filterelement derart, dass ein Bypass ausgeschlossen ist.

Die Kugeln 14 sind vorzugsweise kalibriert, weisen also alle den gleichen Durchmesser auf. Die Figuren 5 und 6 verdeutlichen die grundsätzliche Idee der Filterschicht. Zwischen den aneinander liegenden Kugeln 14 ergibt sich stets ein Zwischenraum 16 gleicher Größe. Somit ist eine sehr scharfe und exakte Trenngrenze erreichbar. Aus Figur 6 wird die Anordnung mehrerer Kugeln 14 übereinander deutlich.

Neben der beschriebenen Ausführung mit zwei Stützschichten 18, 20 und einer Filterschicht 12 kann auch ein mehrschichtiger Aufbau vorgesehen sein. Beispielsweise kann die sehr feine Filterschicht 12 von zwei Polizeischichten 38 umgeben sein, die selbst wiederum von zwei weiteren Stützschichten umhüllt sind (vgl . Fig. 4).

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch sämtliche weiteren gleichwirkenden Ausführungsformen. Denkbar ist beispielsweise auch ein Filterelement 10, dass mehrere Filterschichten 12 aufweist. Auch können die Filterschicht 12 und die Stützschichten 18, 20 mit einer bioaktiven oder katalytisch wirksamen Beschichtung versehen sein . Schließlich bietet sich auch für verschiedene Ausführungsformen die kinematische Umkehr bzw. der umgekehrte Aufbau einzelner oder aller Komponenten an.