DE20209511U1 - Crossflow filtration winding module - Google Patents
Crossflow filtration winding moduleInfo
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Description
Anmelder: Sartorius AG
"Wickelmodul zur Crossflow-Filtration"Applicant: Sartorius AG
"Wound module for crossflow filtration"
Die Erfindung betrifft ein Wickelmodul zur Crossflow-Filtration, insbesondere Crossflow-Mikrofiltration sowie einen zugehörigen Wickelkern.The invention relates to a winding module for crossflow filtration, in particular crossflow microfiltration, and an associated winding core.
Bei der Crossflow-Filtration werden die Filteriemente bzw. Membranen tangential von dem zu filtrierenden Medium überströmt. Entsprechende Wickelfiltermodule bzw. Wickelmodule sind beispielsweise aus der EP 0 208 883 B1 sowie der WO 84/00701 bekannt. Bei diesen Wickelmodulen sind zwei Membranen und zwei Spacer bzw. Abstandhalter vorgesehen, welche durch spiralförmiges Wickeln abwechselnd übereinanderliegend angeordnet sind. Diese geschichtete Struktur ist in kreisförmiger Weise um einen im wesentlichen kreisförmigen Wickelkern gewickelt. Die Spacer oder Abstandhalter sind als gitterförmige Gewebe ausgebildet. Einer der Spacer bildet einen Retentatkanal, während der zweite einen Permeatkanal bildet. Das zu filtrierende Medium wird in den Retentatkanal eingeleitet und durchströmt diesen, wobei die Membranen tangential überströmt werden. Auf der anderen Seite der Membran wird das Permeat durch den von dem zweiten Spacer gebildeten Permeatkanal abgeführt. Diese bekannten Wickelmodule weisen eine im Vergleich zu anderen Filtermodulen schlechte Filterleistung auf.In crossflow filtration, the medium to be filtered flows tangentially over the filter elements or membranes. Corresponding wound filter modules or wound modules are known, for example, from EP 0 208 883 B1 and WO 84/00701. In these wound modules, two membranes and two spacers are provided, which are arranged alternately on top of one another by spiral winding. This layered structure is wound in a circular manner around an essentially circular winding core. The spacers or spacers are designed as grid-shaped fabrics. One of the spacers forms a retentate channel, while the second forms a permeate channel. The medium to be filtered is introduced into the retentate channel and flows through it, with the membranes flowing tangentially over them. On the other side of the membrane, the permeate is discharged through the permeate channel formed by the second spacer. These known wound modules have poor filter performance compared to other filter modules.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Wickelmodul mit einer gesteigerten Filterleistung zu ermöglichen.The object of the invention is to provide a wound module with increased filter performance.
Die Erfindung wird durch ein Wickelmodul mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch einen zugehörigen Wickelkern mit den im Anspruch 11 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen.The invention is achieved by a winding module with the features specified in claim 1 and by an associated winding core with the features specified in claim 11. Preferred embodiments emerge from the associated subclaims.
Bei dem erfindungsgemäßen Wickelmodul zur Crossflow-Filtration variiert der Wickelradius der Membran mit den daran anliegenden Permeat- und Retentat-In the wound module for crossflow filtration according to the invention, the winding radius of the membrane varies with the permeate and retentate
Spacem bzw. -Abstandhaltern innerhalb einer Wicklung. Bei mehreren übereinanderliegenden Wicklungen bedeutet dies, daß der Radius innerhalb einer jeden Wicklung variiert, d.h. nicht konstant ist. Dies bedeudet die Wicklung bzw. Wicklungen von Membran, Permeat-Spacer und Retentat-Spacer, welche vorzugsweise im wesentlichen spiralförmig um den Wickelkern verlaufen, weisen im Querschnitt keine Kreisform wie bei den bekannten Wickelmodulen auf. Vielmehr variiert der Radius der Wicklung derart, daß Bereiche mit unterschiedlicher Krümmung und insbesondere auch Bereiche mit einer stärkeren Krümmung als bei einem herkömmlichen kreisförmigen Wickelmodul auftreten. Diese Form bewirkt einen höheren Wirkungsgrad bzw. eine bessere Filterleistung des Filters. Die Ursache dieser erhöhten Filterleistung aufgrund der geänderten Krümmung der Wicklungen ist noch nicht vollständig ergründet, liegt jedoch möglicherweise im Auftreten von Taylor-Wirbeln in den stärker gekrümmten Bereichen des Wickelmoduls. Derartige Taylor-Wirbel treten aufgrund der Zentrifugalkräfte auf, welche auf das durch die Krümmung strömende Medium wirken.Spacers or spacers within a winding. With several windings on top of each other, this means that the radius within each winding varies, i.e. is not constant. This means that the winding or windings of membrane, permeate spacer and retentate spacer, which preferably run essentially spirally around the winding core, do not have a circular cross-section like in the known winding modules. Rather, the radius of the winding varies in such a way that areas with different curvatures and in particular areas with a greater curvature occur than in a conventional circular winding module. This shape results in a higher efficiency or better filter performance of the filter. The reason for this increased filter performance due to the changed curvature of the windings has not yet been fully determined, but may be due to the occurrence of Taylor vortices in the more curved areas of the winding module. Such Taylor vortices occur due to the centrifugal forces acting on the medium flowing through the bend.
Vorzugsweise weist die Wicklung im Querschnitt eine ovale Form auf. Das Wikkelmodul ist somit gegenüber der bekannten kreisförmigen Gestalt abgeflacht. Es entstehen zwei flachere Bereiche und zwei Bereiche mit einer stärkeren Krümmung. Preferably, the winding has an oval shape in cross section. The winding module is thus flattened compared to the familiar circular shape. This creates two flatter areas and two areas with a stronger curvature.
Weiter bevorzugt ist die Wicklung in zumindest einem Abschnitt der Wicklung plan ausgebildet. In diesem Bereich erstreckt sich die Membran mit den daran anliegenden Spacern gerade bzw. eben, d.h. ohne eine Krümmung, wodurch eine gleichmäßige und widerstandsarme Strömung in den Strömungskanälen begünstigt wird. Durch diese Ausbildung entstehen zwangsläufig in anderen Bereichen der Wicklung stärkere Krümmungen. Diese Änderung der Krümmung und insbesondere die Bereiche mit stärkerer Krümmung begünstigen eine erhöhte Filterleistung. The winding is also preferably designed to be flat in at least one section of the winding. In this area, the membrane with the spacers attached to it extends straight or flat, i.e. without a curve, which promotes a uniform and low-resistance flow in the flow channels. This design inevitably results in stronger curves in other areas of the winding. This change in the curvature and in particular the areas with stronger curvature promote increased filter performance.
Vorzugsweise kann die Wicklung polygonförmig mit vorzugsweise drei bis sechs planen Abschnitten bzw. Kanten ausgebildet sein. Eine solche, vorzugsweise im wesentlichen drei- bis sechseckige Querschnittsform der Wicklung weist zusätzliche Krümmungen bei gleichzeitig maximierten linearen bzw. planen BereichenPreferably, the winding can be polygonal with preferably three to six flat sections or edges. Such a preferably essentially triangular to hexagonal cross-sectional shape of the winding has additional curvatures with simultaneously maximized linear or flat areas
auf. Die in dem Wickelmodul ausgebildeten Strömungskanäle verlaufen somit überwiegend im wesentlichen gerade bzw. planar, weisen aber dennoch eine große Zahl enger bzw. scharfer Krümmungen auf. Eine derartige Form der Wicklung läßt sich durch einen entsprechend polygonförmig ausgebildeten Wickelkern erzeugen, um den die Wicklung aufgebaut wird.The flow channels formed in the winding module are therefore predominantly straight or planar, but still have a large number of narrow or sharp bends. This type of winding can be produced by means of a correspondingly polygonal winding core around which the winding is built.
Besonders bevorzugt weist die Wicklung zwei, vorzugsweise parallele plane Abschnitte auf. Bei einem derartigen Wickelmodul erstreckt sich die Membran mit den daran anliegenden Spacern in zwei Bereichen gerade, d.h. planar ohne Krümmung. Diese Bereiche sind vorzugsweise parallel zueinander, so daß ein flaches Wickelmodul entsteht, welches lediglich an zwei entgegengesetzten Enden jeweils eine Krümmung der Wicklung um 1800C aufweist. Die von den Spacern gebildeten Strömungskanäle erstrecken sich somit entsprechend und weisen gerade Bereiche ohne Krümmung auf. Die Krümmung der Wicklung an den beiden entgegengesetzten Enden weist dabei einen gegenüber bekannten Wickelmodulen kleineren Radius auf.The winding particularly preferably has two, preferably parallel, flat sections. In such a winding module, the membrane with the spacers attached to it extends straight, ie planar, without curvature, in two areas. These areas are preferably parallel to one another, so that a flat winding module is created which only has a curvature of the winding by 180 ° C at two opposite ends. The flow channels formed by the spacers thus extend accordingly and have straight areas without curvature. The curvature of the winding at the two opposite ends has a smaller radius than in known winding modules.
Vorzugsweise ist der Abstand der parallelen planen Abschnitte zueinander geringer als deren Länge in Wickelrichtung. Auf diese Weise wird ein sehr flaches Wikkelmodul gebildet, welches an seinen beiden entgegengesetzten Enden jeweils eine starke Krümmung der Membran um 1800C aufweist. Der Radius der Krümmung an den Enden entspricht der Hälfte der Dicke des Wickelmoduls, so daß mit geringerer Dicke des Moduls eine stärkere Krümmung von Membran und Spacer erreicht wird. Ferner entstehen sehr lange plane Abschnitte, in denen das zu filtrierende Medium durch gerade Strömungskanäle ohne Krümmung strömt. Ein in dieser Form aufgebautes Wickelmodul weist eine besonders hohe Filterleistung auf.Preferably, the distance between the parallel flat sections is less than their length in the winding direction. In this way, a very flat winding module is formed, which has a strong curvature of the membrane by 180 ° C at each of its two opposite ends. The radius of the curvature at the ends corresponds to half the thickness of the winding module, so that the smaller the module thickness, the greater the curvature of the membrane and spacer. Furthermore, very long flat sections are created in which the medium to be filtered flows through straight flow channels without curvature. A winding module constructed in this form has a particularly high filtering performance.
Der Wickelkern ist vorzugsweise als flache Platte mit zwei entgegengesetzten gerundeten Längskanten ausgebildet, über welche die Membran und die Spacer gewickelt sind. Diese Ausgestaltung des Wickelkerns ermöglicht die zuvor beschriebene flache Ausgestaltung des gesamten Wickelmoduls. Durch die gerundeten Längskanten wird die Membran mit den Spacern in einer definierten Rundung geführt bzw. gewickelt, wobei eine Beschädigung der Membran bevorzugtThe winding core is preferably designed as a flat plate with two opposite rounded longitudinal edges over which the membrane and the spacers are wound. This design of the winding core enables the previously described flat design of the entire winding module. The rounded longitudinal edges guide or wind the membrane with the spacers in a defined curve, whereby damage to the membrane is preferably avoided.
verhindert wird.is prevented.
Alternativ kann die Wicklung wellen- oder zickzackförmig verlaufen. Dies bedeutet, daß in einer Wicklung, d.h. in einer Umrundung des Wickelkerns die Wicklung mit Membran und Spacem wellen- oder zickzackförmig verläuft, wobei der Wikkelkern eine entsprechende Form, beispielsweise eine Sternform aufweist. Bei mehreren übereinanderliegenden Wicklungen weist jede einzelne Wicklung einen entsprechenden Verlauf auf. Auf diese Weise werden zusätzliche Krümmungen der Permeat- und Retentatkanäle geschaffen, welche durch den Permeat- und den Retentat-Spacer gebildet werden. Diese zusätzlichen Krümmungen können eine weitere Erhöhung der Filterleistung bewirken, da das zu filtrierende Medium durch einen stark gewundenen Retentatkanal strömen muß.Alternatively, the winding can be wave-shaped or zigzag-shaped. This means that in one winding, i.e. in one circuit of the winding core, the winding with membrane and spacer runs in a wave-shaped or zigzag-shaped manner, with the winding core having a corresponding shape, for example a star shape. With several windings on top of each other, each individual winding has a corresponding course. In this way, additional curves are created in the permeate and retentate channels, which are formed by the permeate and retentate spacers. These additional curves can further increase the filter performance, since the medium to be filtered has to flow through a strongly twisted retentate channel.
Vorzugsweise sind in dem Wickelkern eine Retentat- und eine Permeat-Bohrung vorgesehen, welche jeweils über einen Spalt zur Oberfläche des Wickelkerns geöffnet sind, wobei der Retentat-Spacer mit einem Ende in den Spalt der Retentat-Bohrung und der Permeat-Spacer mit einem Ende in den Spalt der Permeat-Bohrung eingesetzt ist und die Membran zwischen den beiden Spalten dichtend mit den Wickelkern verbunden ist. Diese Anordnung ermöglicht eine leichte Herstellung bzw. Fertigung des Wickelmoduls, da die beiden Spacer lediglich in die entsprechenden Spalte in dem Wickelkern eingesteckt werden müssen, ohne aufwendig an diesen befestigt werden zu müssen. Durch die enge Ausgestaltung des Spaltes mit einer vorzugsweise scharfen Kante, werden die Spacer beim Wikkeln in dem Spalt geklemmt. Zusätzlich können sie jedoch durch Schweiß- oder Klebepunkte bzw. -bereiche gesichert werden. Die Membran ist vorzugsweise zwischen den beiden Spacem mit der Außenseite des Wickelkerns verschweißt, so daß beim Wickeln zwei voneinander getrennte Taschen gebildet werden, in denen die Permeat- und Retentat-Spacer liegen, um einen Permeat- und einen Retentatkanal zu definieren. Die zuvor erläuterte flache Ausgestaltung hat femer den Vorteil, daß der Wickelkern in Wickel richtung eine größere Breite aufweist, so daß die Retentat-Bohrung und die Permeat-Bohrung weiter voneinander beabstandet angeordnet werden können. Aufgrund des größeren Abstandes lassen sich die Bohrungen bzw. Kanäle leichter mit äußeren Anschlüssen eines Filtermoduls verbinden. Auf dem in der ersten Wicklung außen liegenden Spacer wird vor-Preferably, a retentate and a permeate bore are provided in the winding core, each of which is open to the surface of the winding core via a gap, with the retentate spacer being inserted with one end into the gap of the retentate bore and the permeate spacer being inserted with one end into the gap of the permeate bore, and the membrane between the two gaps being sealed to the winding core. This arrangement enables easy manufacture or production of the winding module, since the two spacers only have to be inserted into the corresponding gaps in the winding core without having to be laboriously attached to them. Due to the narrow design of the gap with a preferably sharp edge, the spacers are clamped in the gap during winding. In addition, however, they can be secured by welding or adhesive points or areas. The membrane is preferably welded to the outside of the winding core between the two spacers, so that during winding two separate pockets are formed in which the permeate and retentate spacers are located to define a permeate and a retentate channel. The flat design explained above also has the advantage that the winding core has a greater width in the winding direction, so that the retentate hole and the permeate hole can be arranged further apart from each other. Due to the larger distance, the holes or channels can be connected more easily to external connections of a filter module. On the spacer located on the outside in the first winding,
zugsweise eine Dichtungslage, beispielsweise in Form einer Folie angeordnet, um den Retentatkanal von dem Permeatkanal zu trennen.Preferably, a sealing layer, for example in the form of a film, is arranged to separate the retentate channel from the permeate channel.
Alternativ können zwei Membranen vorgesehen sein, zwischen denen der Permeat-Spacer angeordnet ist. Bei dieser Anordnung ist keine zusätzliche Dichtlage oder Folie erforderlich, da sich in der Wicklung Membranen und Spacer immer abwechseln. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß jeder Retentat-Kanal an beiden Seiten des Retentat-Spacers jeweils eine Membran aufweist, wodurch der Filterdurchsatz erhöht werden kann.Alternatively, two membranes can be provided, between which the permeate spacer is arranged. With this arrangement, no additional sealing layer or film is required, since membranes and spacers always alternate in the winding. This arrangement has the advantage that each retentate channel has a membrane on both sides of the retentate spacer, which can increase the filter throughput.
Vorzugsweise erstreckt sich die Membran über die gesamte Länge des Wickelkerns und an den beiden Stirnseiten des Wickelkerns ist jeweils eine Endkappe ausgebildet, welche mit den Kanten der Membran dichtend in Eingriff ist. Die Länge des Wickelkerns ist dabei die Länge quer zur Wickelrichtung der Wicklung. Die Membran wird vorzugsweise so ausgebildet, daß sie beim Wickeln zunächst über die Stirnseiten des Wickelkerns übersteht. Anschließend kann sie dann mit den Stirnseiten bzw. Endkappen des Wickelkerns verklebt und/oder verschweißt werden. Alternativ können die Endkappen angegossen werden, wobei die Kanten der Membran eingegossen werden. Auf diese Weise werden zwischen den einzelnen Membranlagen in der Wicklung voneinander getrennte Permeat- und Retentatkanäle ausgebildet.The membrane preferably extends over the entire length of the winding core and an end cap is formed on each of the two end faces of the winding core, which engages the edges of the membrane in a sealing manner. The length of the winding core is the length transverse to the winding direction of the winding. The membrane is preferably formed in such a way that it initially protrudes over the end faces of the winding core during winding. It can then be glued and/or welded to the end faces or end caps of the winding core. Alternatively, the end caps can be cast on, with the edges of the membrane being cast in. In this way, separate permeate and retentate channels are formed between the individual membrane layers in the winding.
Der erfindungsgemäße Wickelkern ermöglicht die Ausgestaltung des zuvor beschriebenen Wickelmoduls. Der Wickelkern weist einen Querschnitt mit variierendem Radius auf und zumindest zwei voneinander getrennte Kanäle, welche sich jeweils durch einen Schlitz zur Oberfläche und durch eine Bohrung zu zumindest einer Stirnseite des Wickelkernes öffnen. Die Querschnittform des Wickelkerns definiert später die Form der darauf angebrachten Wicklung. Entsprechend der Variation des Radius des Wickelkerns wird auch der Radius der aufgebrachten Wicklung variieren. Auf diese Weise können in der Wicklung Strömungskanäle für Permeat und Retentat gebildet werden, welche stärkere Krümmungen mit engeren Radien und gegebenenfalls flache bzw. plane Bereiche ohne Krümmung aufweisen, um die Filterleistung des Filtermoduls zu erhöhen. Die Kanäle in dem Wickelkern dienen zur Abfuhr von Permeat und Retentat, wobei durch die ausge-The winding core according to the invention enables the design of the winding module described above. The winding core has a cross section with a varying radius and at least two separate channels, each of which opens through a slot to the surface and through a hole to at least one end face of the winding core. The cross-sectional shape of the winding core later defines the shape of the winding applied to it. The radius of the applied winding will also vary according to the variation in the radius of the winding core. In this way, flow channels for permeate and retentate can be formed in the winding, which have stronger curvatures with tighter radii and, if necessary, flat or plane areas without curvature in order to increase the filter performance of the filter module. The channels in the winding core serve to remove permeate and retentate, whereby the
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bildeten Schlitze bzw. Spalte in der Oberfläche des Wickelkerns entsprechende Retentat- und Permeat-Spacer bzw. -abstandhalter eingesteckt werden können. Permeat und Retentat strömen dann durch die von den Spacern definierten Kanäle in die Bohrungen in dem Wickelkern. Mit den Öffnungen der Bohrungen in der Stirnseite des Wickelkerns können dann äußere Anschlüsse des Filtermoduls verbunden werden.Retentate and permeate spacers can be inserted into slots or gaps formed in the surface of the winding core. Permeate and retentate then flow through the channels defined by the spacers into the holes in the winding core. External connections of the filter module can then be connected to the openings of the holes in the front side of the winding core.
Vorzugsweise weist der Wickelkern einen ovalen Querschnitt auf. Ein solcher Wickelkern ist gegenüber den bekannten kreisförmigen Wickelkernen abgeflacht, so daß bei Umwicklung mit Membranen und Spacern eine abgeflachte Wicklung entsteht, welche an zwei entgegengesetzten Endbereichen des Wickelkernes eine stärkere Krümmung aufweist.Preferably, the winding core has an oval cross-section. Such a winding core is flattened compared to the known circular winding cores, so that when wound with membranes and spacers, a flattened winding is created which has a stronger curvature at two opposite end areas of the winding core.
Weiter bevorzugt weist der Wickelkern zumindest eine plane Außenseite auf.Further preferably, the winding core has at least one flat outer side.
Entlang der planen Außenseite erstrecken sich auch die Spacer und Membranen planar bzw. eben ohne eine Krümmung in diesem Bereich. In diesem Bereich können in einer aufgebrachten Wicklung somit gerade Strömungskanäle geschaffen werden. Dieser flache bzw. planare Bereich bedingt femer, daß andere Bereiche des Wickelkerns eine stärkere Krümmung aufweisen müssen, so daß auch in diesem Bereichen eine stärkere Krümmung in der Wicklung und damit der von den Spacern definierten Strömungskanälen erreicht wird.The spacers and membranes also extend along the flat outer side in a planar manner, i.e. without any curvature in this area. In this area, straight flow channels can be created in an applied winding. This flat or planar area also means that other areas of the winding core must have a greater curvature, so that in these areas, too, a greater curvature is achieved in the winding and thus in the flow channels defined by the spacers.
Besonders bevorzugt ist der Wickelkern als flache Platte mit vorzugsweise zwei entgegengesetzten gerundeten Längskanten ausgebildet. Die flache Platte weist zwei zueinander im wesentlichen parallele plane Seiten auf. Somit kann auf einem solchen Wickelkern ein Wickelmodul mit einer Wicklung aufgebaut werden, welche plane, sich im wesentlichen parallel zueinander erstreckende Bereiche der Membran und der angrenzenden Strömungskanäle aufweist. Die gerundeten Längskanten sind diejenigen Kanten, um welche die Membran mit den Spacern gewickelt wird. Durch die gerundete Ausgestaltung der Kanten kann verhindert werden, daß Membran oder Spacer beim Aufbau der Wicklung beschädigt werden. Ferner bewirkt die definierte Rundung der Kanten auch eine definierte Rundung bzw. Krümmung der durch die Spacer definierten Strömungskanäle. Ein solcher Wickelkern ermöglicht den Aufbau eines Wicklermoduls mit eine besondersThe winding core is particularly preferably designed as a flat plate with preferably two opposite rounded longitudinal edges. The flat plate has two flat sides that are essentially parallel to one another. A winding module with a winding can thus be built on such a winding core, which has flat, essentially parallel areas of the membrane and the adjacent flow channels. The rounded longitudinal edges are the edges around which the membrane is wound with the spacers. The rounded design of the edges can prevent the membrane or spacer from being damaged when the winding is being built up. Furthermore, the defined rounding of the edges also causes a defined rounding or curvature of the flow channels defined by the spacers. Such a winding core enables the construction of a winding module with a particularly
hohe Filterleistung.high filter performance.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand beiliegender Figuren beschrieben. In diesen zeigt:The invention is described below by way of example with reference to the accompanying figures, in which:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt des Wickelmoduls vor dem Wickeln und Fig. 2 einen schematischen Querschnitt des Wickelmoduls im vollständig gewikkelten Zustand.Fig. 1 is a schematic cross-section of the winding module before winding and Fig. 2 is a schematic cross-section of the winding module in the fully wound state.
Die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform weist einen flachen, plattenförmigen Wickelkern 2 mit zwei gerundeten Kanten bzw. Längskanten 4 auf, um den zwei Membranen 6, 8, ein Permeat-Spacer bzw. -Abstandhalter 10 und ein Retentat-Spacer bzw. -Abstandhalter 12 gewickelt werden. In dem Wickelkern 2 sind in Längsrichtung, d.h. quer zur Wickelrichtung eine Permeat-Bohrung 14 und ein Retentat-Bohrung 16 beabstandet zueinander ausgebildet. Die Permeat-Bohrung 14 und die Retentat-Bohrung 16 weisen in ihrer Längsrichtung jeweils einen Kanal bzw. Schlitz 18, 20 auf, welche sich zu der Oberfläche 22 des Wikkelkems 2 erstrecken. Die Bohrungen 14 und 16 sind zu zumindest einer Stirnseite des Wickelkerns 2 hin geöffnet, um mit Anschlußleitungen des Filtermoduls verbunden zu werden. Dabei können die Bohrungen 14, 16 zur selben Stirnseite oder alternativ zu unterschiedlichen Stirnseiten oder beiden Stirnseiten hin geöffnet sein.The preferred embodiment shown in Fig. 1 has a flat, plate-shaped winding core 2 with two rounded edges or longitudinal edges 4, around which two membranes 6, 8, a permeate spacer 10 and a retentate spacer 12 are wound. In the winding core 2, a permeate bore 14 and a retentate bore 16 are formed at a distance from one another in the longitudinal direction, i.e. transversely to the winding direction. The permeate bore 14 and the retentate bore 16 each have a channel or slot 18, 20 in their longitudinal direction, which extend to the surface 22 of the winding core 2. The bores 14 and 16 are open towards at least one end of the winding core 2 in order to be connected to connecting lines of the filter module. The bores 14, 16 can be open towards the same end face or alternatively towards different end faces or both end faces.
In den Schlitz 18 der Permeat-Bohrung 14 ist der Permeat-Spacer 10 eingesteckt bzw. eingepaßt. In den Schlitz 20 der Retentat-Bohrung 16 ist der Retentat-Spacer 12 eingesteckt bzw. eingepaßt. Die Schlitze 18, 20 erstrecken sich nicht ganz über die gesamte Länge des Wickelkerns 2, so daß zwischen den Enden der Schlitze 18, 20 und den Stirnseiten des Wickelkerns 2 jeweils ein schmaler Steg verbleibt, in dessen Bereich die gewickelten Membranlagen 6, 8 dichtend miteinander und mit dem Wickelkern 2 verbunden werden können. Alternativ zu den Schlitzen 18, 20 können Kanäle bzw. Bohrungen vorgesehen sein. In diesem Fall werden die Spacer 10, 12 an der Außenseite bzw. Oberfläche 22, 24 des Wickelkerns beispielsweise durch Kleben und/oder Schweißen befestigt und die Bohrungen 14, 16 stehen über die Kanäle mit den durch die Spacer 10, 12 definierten Räume in Verbindung. Die Oberfläche 22 sowie die entgegengesetzte OberflächeThe permeate spacer 10 is inserted or fitted into the slot 18 of the permeate bore 14. The retentate spacer 12 is inserted or fitted into the slot 20 of the retentate bore 16. The slots 18, 20 do not extend completely over the entire length of the winding core 2, so that a narrow web remains between the ends of the slots 18, 20 and the front sides of the winding core 2, in the area of which the wound membrane layers 6, 8 can be sealingly connected to one another and to the winding core 2. As an alternative to the slots 18, 20, channels or bores can be provided. In this case, the spacers 10, 12 are attached to the outside or surface 22, 24 of the winding core, for example by gluing and/or welding, and the holes 14, 16 are connected via the channels to the spaces defined by the spacers 10, 12. The surface 22 and the opposite surface
24 des Wickelkerns 2 sind plan ausgebildet und erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander. Aus diesem Grunde weisen die Kanten 4 des Wickelkerns 2 eine Krümmung von 180° mit einem vergleichsweise kleinen Radius auf.24 of the winding core 2 are flat and extend essentially parallel to one another. For this reason, the edges 4 of the winding core 2 have a curvature of 180° with a comparatively small radius.
In dem Bereich zwischen den Schlitzen 18 und 20 ist an der Oberfläche 22 die erste Membran 16 angeschweißt. Diese Schweißnaht 26 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Wickelkerns 2 und bildet somit eine dichtende Verbindung zwischen der Oberfläche 22 und der Membran 6.In the area between the slots 18 and 20, the first membrane 16 is welded to the surface 22. This weld seam 26 preferably extends over the entire length of the winding core 2 and thus forms a sealing connection between the surface 22 and the membrane 6.
Die zweite Membran 8 ist an der anderen Oberfläche 24 des Wickelkerns 2 mittels der Schweißnaht 28 verbunden. Die Schweißnaht 28 erstreckt sich wie die Schweißnaht 26 ebenfalls über die gesamte Länge des Wickelkerns 2 und bildet ebenfalls eine dichtende Verbindung zwischen der Membran 8 und der Oberfläche 24. Der Permeat-Spacer 10 und der Retentat-Spacer 12 können seitlich der Schlitze 18, 20 ebenfalls durch Schweißpunkte bzw. -bereiche 30 mit der Oberfläche 22 zu Sicherung verbunden sein. In dieser Anordnung liegen der Retentat-Spacer 12, die erste Membran 6, der Permeat-Spacer 10 und die zweite Membran 8 übereinander, wobei zwischen den beiden Membranen 6 und 8 beim Wikkeln zwei Kanäle bzw. Taschen durch den Permeat-Spacer 10 und den Retentat-Spacer 12 gebildet werden. Der Permeat-Spacer 10 und der Retentat-Spacer 12 sind Abstandhalter in Form eines Gewebes, Gewirkes, Gitters oder Vlieses, welche Strömungskanäle für Permeat und Retentat zwischen den beiden Membranen bilden.The second membrane 8 is connected to the other surface 24 of the winding core 2 by means of the weld seam 28. The weld seam 28, like the weld seam 26, also extends over the entire length of the winding core 2 and also forms a sealing connection between the membrane 8 and the surface 24. The permeate spacer 10 and the retentate spacer 12 can also be connected to the surface 22 to the side of the slots 18, 20 by welding points or areas 30 for securing purposes. In this arrangement, the retentate spacer 12, the first membrane 6, the permeate spacer 10 and the second membrane 8 lie one above the other, with two channels or pockets being formed between the two membranes 6 and 8 during winding by the permeate spacer 10 and the retentate spacer 12. The permeate spacer 10 and the retentate spacer 12 are spacers in the form of a woven fabric, knitted fabric, grid or fleece, which form flow channels for permeate and retentate between the two membranes.
Das zu filtrierende Medium wird vorzugsweise von außen in den durch den Retentat-Spacer 12 definierten Kanal eingeleitet und strömt tangential zwischen den beiden Membranen 8 und 6 hindurch. Dabei strömt das Retentat zu der Retentat-Bohrung 16, durch die es nach außen abgeleitet wird. Das Permeat, welches durch die Membranen 6, 8 hindurchgetreten ist, strömt durch den Strömungskanal, welcher durch den Permeat-Spacer 10 zwischen den beiden Membranen 6, 8 definiert wird, zu der Permeat-Bohrung 14, durch die es abgeleitet wird. Sollten die Membranen 6, 8 Skinschichten aufweisen, so sind diese vorzugsweise zu dem Retentat-Spacer 8 gewandt. Derartige Skinschichten bilden den eigentlich filternden Teil der Membran, während der darunterliegende Teil als Träger dient. NachThe medium to be filtered is preferably introduced from the outside into the channel defined by the retentate spacer 12 and flows tangentially between the two membranes 8 and 6. The retentate flows to the retentate bore 16 through which it is discharged to the outside. The permeate which has passed through the membranes 6, 8 flows through the flow channel which is defined by the permeate spacer 10 between the two membranes 6, 8 to the permeate bore 14 through which it is discharged. If the membranes 6, 8 have skin layers, these are preferably facing the retentate spacer 8. Such skin layers form the actual filtering part of the membrane, while the part underneath serves as a carrier. After
dem Wickeln des Wickelmoduls werden die Membranen 6, 8 und gegebenenfalls auch die Spacer 10,12 im Bereich der Stirnseiten des Wickelmoduls 2 mit diesem oder mit aufgesetzten Endkappen (hier nicht gezeigt) dichtend verbunden, so daß die durch die Spacer 10 und 12 definierten Strömungskanäle durch die Membranen 6, 8 vollständig voneinander getrennt sind. Diese Verbindung kann durch Verschweißen, Verkleben, Eingießen oder ein ähnliches Verfahren erfolgen.After winding the winding module, the membranes 6, 8 and, if necessary, the spacers 10, 12 are sealed in the area of the front sides of the winding module 2 with the latter or with attached end caps (not shown here), so that the flow channels defined by the spacers 10 and 12 are completely separated from one another by the membranes 6, 8. This connection can be made by welding, gluing, casting or a similar process.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein fertig gewickeltes Wickelmodul. Im gewickelten Zustand liegen die Membranen 6, 8 mit dem Permeat-Spacer 10 und dem Retentat-Spacer 12 abwechselnd übereinander. Dabei werden zwischen den Membranen 6, 8 durch den Retentat-Spacer 12 ein Retentat-Kanal bzw. -Strömungs-Kanal und durch den Permeat-Spacer 10 ein Permeat-Kanal bzw. -Strömungs-Kanal gebildet. Die Spacer 10, 12 sind vorzugsweise gitterförmig bzw. netzartig ausgebildet mit sich kreuzenden, übereinanderliegenden Stegen. Der durch den Retenat-Spacer 12 gebildete Strömungskanal ist in Form eines Spaltes 32 nach außen geöffnet, so daß von der Außenseite des Wickelmoduls her das zu filtrierende Medium in den durch den Retentat-Spacer 12 gebildeten Kanal einströmen kann. Der Retentat-Spacer 12 und somit der durch diesen gebildete Strömungskanal endet in der Retentat-Bohrung 16, durch den das Retentat abgeleitet wird. Die beiden Membranen 6, 8 schließen den Permeat-Spacer 10 ein, so daß der von dem Permeat-Spacer 10 gebildete Strömungskanal nur zu der Permeat-Bohrung 14 hin geöffnet ist. Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsformen sind die beiden Membranen 6, 8 nicht an der Außenseite des Wickelkerns 2 angeschweißt, sondern erstrecken sich gemeinsam mit dem Permeat-Spacer 10 in den Spalt- bzw. Schlitz 18 hinein und sind in dem Schlitz 18 fixiert. Dabei ist es wichtig, daß die Außenwände des Schlitzes 18 dichtend mit den Membranen 6, 8 in Eingriff treten, so daß kein Retentat durch den Spalt 18 in die Permeat-Bohrung 14 eintreten kann. Der Permeat-Spacer 10 ist folglich außerhalb der Permeat-Bohrung 14 vollständig von den Membranen 6, 8 umschlossen. Durch die beiden planen Oberflächen 22, 24 des Wickelkerns 2 werden zwei Bereiche der Wicklungen geschaffen, in denen die Membranen 6, 8 sowie die Spacer 10, 12 ebenfalls plan, im wesentlichen parallel zu den Oberflächen 22 und 24 verlaufen. Im Bereich der Kanten 4 des Wickelkerns 2 verlaufen die Membranen 6, 8 wie die Spacer 10, 12 parallel zu den Kanten 4 umFig. 2 shows a schematic cross-section through a fully wound wound module. In the wound state, the membranes 6, 8 with the permeate spacer 10 and the retentate spacer 12 lie alternately on top of one another. A retentate channel or flow channel is formed between the membranes 6, 8 by the retentate spacer 12 and a permeate channel or flow channel is formed by the permeate spacer 10. The spacers 10, 12 are preferably designed in the form of a grid or net with intersecting, superimposed webs. The flow channel formed by the retentate spacer 12 is open to the outside in the form of a gap 32 so that the medium to be filtered can flow from the outside of the wound module into the channel formed by the retentate spacer 12. The retentate spacer 12 and thus the flow channel formed by it ends in the retentate bore 16 through which the retentate is drained. The two membranes 6, 8 enclose the permeate spacer 10 so that the flow channel formed by the permeate spacer 10 is only open to the permeate bore 14. In contrast to the embodiment shown in Fig. 1, the two membranes 6, 8 are not welded to the outside of the winding core 2, but extend together with the permeate spacer 10 into the gap or slot 18 and are fixed in the slot 18. It is important that the outer walls of the slot 18 engage sealingly with the membranes 6, 8 so that no retentate can enter the permeate bore 14 through the gap 18. The permeate spacer 10 is therefore completely enclosed by the membranes 6, 8 outside the permeate bore 14. The two flat surfaces 22, 24 of the winding core 2 create two areas of the windings in which the membranes 6, 8 and the spacers 10, 12 also run flat, essentially parallel to the surfaces 22 and 24. In the area of the edges 4 of the winding core 2, the membranes 6, 8 and the spacers 10, 12 run parallel to the edges 4 by
1800C gekrümmt. Durch die flache Ausgestaltung des Wickelkerns 2 wird im Bereich der Kanten 4 eine enge Krümmung der gewickelten Lagen, d.h. der Membranen 6, 8 und der Spacer 10, 12 erreicht. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine höhere Filterleistung bzw. einen besseren Wirkungsgrad des Wickelmoduls gegenüber bekannten Wickelmodulen, was mit im Bereich der eng gekrümmten Abschnitte der Strömungskanäle auftretenden Taylor-Wirbeln begründet werden kann.180 0 C. Due to the flat design of the winding core 2, a tight curvature of the wound layers, ie the membranes 6, 8 and the spacers 10, 12, is achieved in the area of the edges 4. This design enables a higher filter performance or a better efficiency of the wound module compared to known wound modules, which can be explained by Taylor vortices occurring in the area of the tightly curved sections of the flow channels.
Abweichend von der hier gezeigten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind weitere Ausführungsformen denkbar, in denen engere Krümmungsradien als in bekannten Wickelmodulen erzielt werden. Beispielsweise können die gewikkelten Lagen der Membranen 6,8 und Spacer 10, 12 wellen oder zickzackförmig verlaufen, so daß auch die von den Spacem 10, 12 gebildeten Strömungskanäle wellen- oder zickzackförmig verlaufen. Alternativ kann der Wickelkern 2 bzw. das Wickelmodul polygonförmig, insbesondere mit drei planen Seiten ausgebildet sein. Dadurch lassen sich die Bereiche, in denen die Strömungskanäle eben verlaufen, vergrößern. Auch eine ovale Form der Wicklung mit entsprechend oval verlaufenden Strömungskanälen ist denkbar.Deviating from the preferred embodiment of the invention shown here, further embodiments are conceivable in which tighter radii of curvature are achieved than in known winding modules. For example, the wound layers of the membranes 6, 8 and spacers 10, 12 can be wavy or zigzag-shaped, so that the flow channels formed by the spacers 10, 12 also run in a wavy or zigzag shape. Alternatively, the winding core 2 or the winding module can be polygonal, in particular with three flat sides. This allows the areas in which the flow channels run flat to be enlarged. An oval shape of the winding with correspondingly oval flow channels is also conceivable.
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