Die Erfindung betrifft einen Hochgradienten-Magnetfilter zum Abtrennen von schwach magnetisierbaren Partikeln aus flüssigen Medien, dessen Funktionsweise aus dem physikalischen Prinzip der Generierung von Feldstärkengradienten durch das Einbringen einer ferromagnetischen Struktur in ein Magnetfeld abgeleitet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben des Hochgradienten-Magnetfilters.

Es hat sich bei derartigen Filtern durchgesetzt, das erforderliche Magnetfeld durch Permanentmagnete zu erzeugen, um die Baueinheiten raumsparender und kostengünstiger herstellen sowie energiesparender gegenüber den Filtern mit Elektromagneten betreiben zu können.

Eine derartige Einrichtung ist schon in der DE 33 12 207 A1 beschrieben. Diese enthält feststehende Kammern, die mit einer magnetisierbaren ferromagnetischen Füllmasse gefüllt sind. Für die Zu- und Ableitung eines flüssigen Mediums sind Stutzen vorgesehen. Jedes Paar der Kammern weist eine gemeinsame Magnetisierungsanordnung auf, deren Magnetleiter aus zwei einander gegenüberliegenden Teilen besteht, die auf verschiedenen Seiten von einer durch die Mitten dieser Kammern durchgehenden Linie angeordnet sind. Jeder derartige Teil schließt einen Magneten mit Polschuhen ein, die an den Kammern diametral zueinander in Richtung quer zu der durch die Mitten der Kammern gehenden Linie angeordnet sind, wodurch diese zwei Teile samt den ferromagnetischen Filterfüllmassen einen geschlossenen magnetischen Kreis bilden.

Nachteilig sind hierbei der noch erhebliche Bauraum der Einrichtung und der komplizierte Ablauf zur Aussonderung der ferromagnetischen Werkstoffe aus den flüssigen Medien.

Weiterhin ist gemäß der DE 196 26 999 ein Hochgradienten-Magnetabscheider mit einer magnetischen Einheit aus zwei Polen offenbart, die miteinander einen Zwischenraum bilden, in dem sich ein homogenes Magnetfeld erzeugen läßt, mit einem Matrixrahmen, der sich um eine Achse in eine Drehung versetzen läßt und zumindest teilweise einen ringförmigen, durch Trennwände in Segmente abgeteilten Innenraum umschließt, sowie mindestens jeweils einer Zufluß- und einer Abflußleitung. Aufgabe dieser Erfindung ist es, den Weg des Fluids innerhalb des Magnetfeldes zu vergrößern. Dies wird dadurch gelöst, daß die Breite der magnetischen Einheit entlang dem Innenraum mindestens der Breite von zwei Segmenten entspricht und im Bereich des Zwischenraums jedes Segment des ringförmigen Innenraums mit seinen benachbarten Segmenten über jeweils eine Öffnung verbunden ist, wobei die Öffnungen alternierend an einer ersten und einer zweiten, der ersten nicht gegenüberliegenden Stelle angebracht sind.

Das Magnetfeld wird dabei auch von Permanentmagneten aufgebaut, die es schon gestatten, den Separator kleiner und kostengünstiger herzustellen und die Betriebskosten zu senken.

Diese Einrichtung hat den Nachteil, daß sich die Permanentmagnete für den erforderlichen Rückspülvorgang nicht ausschalten lassen. Die in einem Karussell angeordneten Filterkammern werden deswegen nach dem Filtervorgang im Magnetfeld zyklisch aus dem Magnetfeldbereich gedreht und in der feldfreien Zone gespült. Anschließend werden die Filterkammern wieder ins Magnetfeld gedreht und erneut mit der zu reinigenden Flüssigkeit beaufschlagt, bis das Filter zugesetzt ist und ein weiterer Rückspülvorgang außerhalb des Magnetfeldes erfolgen muß.

Ein solcher Karussellseparator erfordert einen konstruktiven Aufbau, der viele bewegte Teile und vor allem zahlreiche Dichtungen vorsehen muß. Dies führt zu Verschleiß und Undichtigkeiten und damit zu einem erheblichen Wartungs- und Reparaturaufwand, was z.B. in einer kommunalen Abwasseranlage unvertretbar ist.

Bei einem weiteren Hochgradienten-Magnetseparator entsprechend dem DE-GM 297 23 852.3 ist zumindest das Dichtungsproblem behoben. Dabei werden nicht die einzelnen Filterkammern in das Magnetfeld hinein- und wieder herausbewegt. Das Filtersystem steht fest, und ein Magnet wird mechanisch hin- und herbewegt, um den Filtervorgang bzw. das Rückspülen einzuleiten. Jedoch sind auch hier viele bewegte Teile erforderlich.

Schließlich bleibt ein neu entwickelter Hochgradienten-Magnetabscheider, wie er in der WO 01/07167 A1 offenbart ist, für das zu lösende Problem außer Betracht, weil er für die Separierung ein verändertes konstruktives und Trennprinzip verfolgt.

Neben dieser als Hochgradienten-Magnetabscheider zu definierenden, relativ neuartigen Gattung sind so genannte ältere Starkfeldscheider bekannt. Ein derartiger Starkfeldscheider ist beispielsweise der DE 1 177 091 B zu entnehmen. Dieser besteht aus einem Sieb/Rost aus magnetisch weichem Eisen und an den gegenüberliegenden Seiten angeschlossenen mindestens zwei Magnetsystemen mit je ungleichnamigen Polen. Im Unterschied zu den derzeitig einzuschlagenden Entwicklungsrichtungen entsprechend den zuvor analysierten Hochgradienten-Magnetabscheidern ist letzterer wie folgt zu charakterisieren:

• Die Sieb-/Rostfläche weist quer zu den Magnetsystemen und/oder von einem Magnetsystem zum anderen sich erstreckende Drähte oder Stäbe auf und
• der Eisenquerschnitt ist übersättigt, wobei
• eine gleichmäßige Verteilung der Feldstärke an der Oberfläche des Siebes/Rostes für eine gleichmäßige Abscheidung sorgen soll.

Allein schon diese Bauart und Charakterisierung lässt eine Verwendung als Hochgradienten-Magnetabscheider nicht zu, weil

• eine hohe Feldkonzentration nicht realisierbar ist,
• die Gefahr einer bleibenden Magnetisierung besteht,
• die zwei Magnetrotoren an den Seiten eine kompakte Bauweise verhindern,
• die Reinigung bestenfalls durch zusätzliche und aufwändige z. B. Brauseeinrichtungen erfolgen soll und
• ein im eigentlichen Sinne ein konsruktiv und technologisch zu integrierendes Spülsystem noch gar nicht angesprochen ist.

Daraus ergibt sich für den Fachmann hinsichtlich der einzuschlagenden Entwicklungsrichtung, daß die aus diesem Stand der Technik sich ergebenden Nachteile, wie

• eine Übersättigung des Eisenquerschnitts ,
• der geschlossene Magnetkreis,
• die unvorteilhafte Verteilung des magnetischen Feldes

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochgradienten-Magnetfilter zum Abtrennen von schwach magnetisierbaren Partikeln aus flüssigen Medien zu schaffen, der - unter Verwendung eines Permanentmagneten zur Erzeugung des Magnetfeldes - eine kompakte, wartungs- sowie reparaturarme Baueinheit darstellt, den Ablauf der Abtrennung der Partikel einfach gestaltet und den Permanentmagneten für den erforderlichen Rückspülvorgang unwirksam macht. Dabei sollen die Teilevielfalt bzw. -anzahl weiter reduziert und das Dichtungsproblem beseitigt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Hochgradienten-Magnetfilters soll eine effiziente Anwendung desselben sichern.

Nach dem Anspruch 1 wird dies dadurch gelöst, daß der Hochgradienten-Magnetfilter entsprechend der Aufgabe umfaßt

• ein den Hochgradienten-Magnetfilter aufnehmendes Gehäuse mit Mitteln zur Führung des flüssigen Mediums in einem Rohrsystem mit Vorlauf und Rücklauf,
• einen den eigentlichen Hochgradienten-Magnetfilter bildenden Eisenkreis, in dem sich in einer, zwischen Polschuhen des Eisenkreises ausgebildeten Filterkammer ein Filter befindet, das von dem zu reinigenden Medium durchströmt wird,
• mindestens einen in dem Eisenkreis angeordneten Permanentmagneten zur Erzeugung des Magnetfeldes zwischen den Polschuhen, wobei dieser Teil des Eisenkreises zu dem flüssigen Medium getrennt und somit abgedichtet ist, und
• das Magnetfeld zwischen den Polschuhen, welches mittels des Permanentmagneten abschaltbar und wieder einschaltbar ist,

Mit den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5 ist das erfindungsgemäße Konzept weiter ausgestaltet.

Die Erfindung kann gemäß den Ansprüchen 6 bis 8 oder 9 funktionell in zwei Varianten realisiert werden.

Die eine Variante sieht vor, den Permanentmagneten als Rotor auszubilden und in dem entsprechend ausgeformten Teil des Eisenkreises drehbar anzuordnen. Dabei ist der Drehwinkel des Rotors so einstellbar, daß die Feldstärke zwischen den Polschuhen von einem minimalen bis zu einem maximalen Feldstärkewert gewählt werden kann, um die Feldstärke den unterschiedlichen Materialien der abzutrennenden Partikel anpassen zu können. Es ist auch möglich, die Winkelstellung des Rotors z.B. 90°-weise oder in anderen Winkelschritten zu arretieren.

Die andere Variante der Erfindung besteht darin, den Permanentmagneten als linear verschiebbares Stück in dem entsprechend ausgeformten Teil des Eisenkreises auszubilden.

Für diese Varianten der Erfindung sind die zweckmäßigen Ausführungen den Merkmalen der Ansprüche 10 bis 20 zu entnehmen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Hochgradienten-Magnetfilters entsprechend den Schritten der Ansprüche 21 oder 22 erfolgt so, daß das Abtrennen der schwach magnetisierbaren Partikel aus dem flüssigen Medium wechselseitig im Rohrsystem aufgabengemäß nach den Schritten

1. a) Beaufschlagung des Filters mit dem zu separierenden Medium über das Rohrsystem mit Vorlauf und Rücklauf bei eingeschaltetem Magnetfeld im Eisenkreis zwischen den Polschuhen und Durchsetzung des Magnetfeldes in der vom Medium durchspülten Filterkammer am Filter, wobei sich infolge der hohen Feldgradienten am Filter die magnetisierbaren Partikel anlagern und dabei die Feldstärke entsprechend der Winkelstellung des Permanentmagneten unterschiedlich stark einstellbar ist, danach
2. b) Abschalten des Magnetfeldes des Permanentmagneten
   realisiert wird, wonach erfindungsgemäß
3. c) die Entfernung der angelagerten und separierten Partikel vom Filter in einem Spülvorgang als Gegenstromverfahren oder auch als Gleichstromverfahren erfolgt und
4. d) eine Wiederholung der Schrittfolge a), b) und c) bis zur Beendigung der Abtrennung der Partikel aus dem flüssigen Medium abläuft.

Das Verfahren ist entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 23 oder 24 hinsichtlich des Mediums bzw. der Medien unterschiedlich ausgestaltungsfähig.

Weiterhin kann das Verfahren nach Anspruch 25 durch die Verwendung eines Programms zur Steuerung der Takte des vor- und rücklaufenden Mediums bzw. Spülmediums in Wirkverbindung mit dem ein- und auszuschaltenden Magnetfeld und der einzustellenden Magnetfeldstärke effizient betrieben werden, wobei das Programm auch die Funktionen gemäß den Merkmalen der Ansprüche 26 bis 28umfaßt.

Die Erfindung wird an Ausführungsbeispielen erläutert.

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1

den erfindungsgemäßen Hochgradienten-Magnetfilter in vereinfachter Darstellung im durch den Rotor 10 eingeschalteten Zustand,

Fig. 2

den Hochgradienten-Magnetfilter nach Fig. 1 im ausgeschalteten Zustand,

Fig. 3

die Erfindungsvariante mit schematischer Darstellung des Permanentmagneten 9 als linear verschiebbares Stück 11,

Fig.4

die schematische Darstellung des Rotors 10 mit dem Permanentmagneten 9 aus Einzelpermanentmagneten 12,

Fig. 5

die schematische Darstellung des Rotors 10 mit Antrieb 13,

Fig. 6

das Prinzip der Lagerung des Rotors 10 und

Fig. 7

das Prinzip einer erfindungsgemäßen Doppelausführung mit zwei Filtern 8 und einem Rotor 10.

Entsprechend den Fig. 1 und 2 besteht der erfindungsgemäße Hochgradienten-Magnetfilter in seinem wesentlichen Aufbau aus einem Gehäuse 1, in dem ein Rohrsystem zur Führung eines flüssigen Mediums 2 (Pfeile), aus dem schwach magnetisierbare Partikel abzutrennen sind, mit einem Vorlauf 3 und einem Rücklauf 4 vorgesehen ist. Dazu werden nicht dargestellte Mittel verwendet, wie z.B. zum allgemeinen Stand der Technik gehörende Ventilsteuerblöcke, die den jeweiligen Vorlauf 3 und Rücklauf 4 des Mediums 2 in einem wechselseitigen Umlauf steuern.

Innerhalb des Gehäuses 1 befindet sich ein Eisenkreis 5, in dem sich in einer zwischen Polschuhen 6 des Eisenkreises 5 ausgebildeten Filterkammer 7 ein Filter 8 befindet, das von dem Medium 2 durchströmt wird. In dem Eisenkreis ist ein Permanentmagnet 9 angeordnet, der im gemäß Fig. 1 eingeschalteten Zustand ein Magnetfeld zwischen den Polschuhen 6 erzeugt und damit das Filter 8 durchsetzt.

Der gesamte Teil des Eisenkreises 5 ist zu dem flüssigen Medium 2 stets abgetrennt und somit abgedichtet, wobei das Rohrsystem mit dem Vorlauf 3 und Rücklauf 4 raumsparend durch den Eisenkreis 5 umschlossen wird.

In den Fig. 1 und 2 ist die Erfindungsvariante mit einem als Rotor 10 ausgebildeten Permanentmagneten 9 dargestellt. Der Rotor 10 ist mit Einzelpermanentmagneten 12 gemäß Fig. 4 bestückt. Fig. 5 zeigt die schematische Darstellung eines Antriebs 13 für den Rotor 10, mit dem dieser das Magnetfeld abschaltet (Fig.2) und einschaltet (Fig.1). Zweckmäßigerweise ist der Rotor 10 mit einer Achse 14 versehen, die in Lagern 15 gleitend und drehbar aufgenommen ist (Fig. 6).

Die Erfindungsvariante mit dem Permanentmagneten 9 als linear verschiebbares Stück 11, welches z. B. gleitend gelagert und über einen nicht dargestellten Antrieb das Magnetfeld ein- und wieder abschaltet, ist in Fig. 3 schematisch dargestellt, wobei die Gestaltung dieses Hochgradienten-Magnetfilters sich in Analogie zu den Fig. 1 und 2 ergeben kann.

Nach diesem konstruktiven Grundaufbau, in welchem das erfindungsgemäße Rohrsystem zum umgekehrt gerichteten Spülen des Filters (8) bei abgeschaltetem Magnetfeld vorgesehen ist, sind vorteilhafte Ausführungen möglich, die je nach Verwendungszweck und Wirkungsgrad realisiert und sich wie folgt darstellen können:

Je nach der Beschaffenheit der abzutrennenden, schwachmagnetisierbaren Partikel aus den flüssigen Medien 2, kann der Drehwinkel des Rotors 10 so eingestellt werden, daß die wirkende Feldstärke zwischen den Polschuhen 6 von einem minimalen bis zu einem maximalen Feldstärkewert wählbar ist. Damit ist eine weitgehende Anpassung der auf die unterschiedlichen Materialien der Partikel einwirkenden Feldstärke möglich, und der Trenneffekt ist beeinflußbar. Wenn es zweckmäßig ist, kann der Rotor 10 auch 90°-weise oder in anderen Winkelschritten gedreht und arretiert werden.

Um den Durchsatz und Wirkungsgrad erfindungsgemäßer Hochgradienten-Magnetfilter zu erhöhen sowie den spezifischen Bauaufwand zu senken, wird die Ausbildung gemäß der Fig. 7 vorgeschlagen, bei der der Eisenkreis 5 so gestaltet ist, daß zwei Filter 8 vorgesehen sind, die von einem Permanetmagneten 9 gleichzeitig mit je einem Magnetfeld im eingeschalteten Zustand beaufschlagt oder ausgeschaltet sind. Fig. 7 zeigt dabei den Permanentmagneten 9 als Rotor 10, wobei Durchsatz und Wirkungsgrad auch durch das linear verschiebbare Stück 11 als Permanentmagnet 9 erhöhbar sind, wenn dieses in einem entsprechend gestalteten bzw. angeordneten Eisenkreis 5 korrespondiert und mindestens zwei Filter 8 mit je einem Magnetfeld versorgt.

Das erfindungsgemäße Verfahrensprinzip zum Betreiben aller denkbaren, in den Ansprüchen 1 bis 20 erfaßten erfindungsgemäßen Konstruktionsvarianten sieht vor, daß das Abtrennen der schwach magnetisierbaren Partikel aus dem flüssigen Medium 2 wechselseitig im Rohrsystem nach folgenden Schritten entsprechend den Ansprüchen 21 bis 24 abläuft:

1. 1. In der ersten Schrittfolge wird mindestens ein Filter 8 mit dem zu separierenden flüssigen Medium 2 über das Rohrsystem beaufschlagt. Das Rohrsystem ist in einem Vorlauf 3 und einem Rücklauf 4 wechselseitig anwendbar, wobei in dieser ersten Schrittfolge bei eingeschaltetem Magnetfeld im Eisenkreis 5 zwischen den Polschuhen 6 z. B. gemäß Fig. 1 der Vorlauf 3 und der Rücklauf 4 des flüssigen und zu reinigenden Mediums 2 dargestellt sind. Dabei durchsetzt das Magnetfeld den vom Medium 2 mittels des Rohrsystems durchspülten Filter 8, welches z.B. aus einem magnetisierbaren Drahtgewebe besteht. Infolge der hohen Feldgradienten am Filter 8 lagern sich die magnetisierbaren Partikel im Drahtgewebe an. Die Feldstärke kann entsprechend der Drehung (Rotor 10) oder Verschiebung (linear verschiebbares Stück 11) des Permanetmagneten 9 unterschiedlich stark eingestellt werden.
2. 2. Danach wird in der weiteren Schrittfolge das Magnetfeld des Permanentmagneten 9 (Rotor 10 / linear verschiebbares Stück 11) abgeschaltet. Das oder ein Medium 2 mit einem nun umgekehrt gerichteten Vorlauf 3 und Rücklauf 4 (z.B. entsprechend der Fig. 2) entfernt die am Drahtgewebe des Filters 8 angelagerten und separierten Partikel in einem Spülvorgang. Diese Spülung ist in mehreren Variationen durchführbar, indem z.B.
   • ein zu reinigendes und von den Partikeln zu befreiendes Medium 2 als Spülmedium oder
   • ein separates Medium 2 als Spülmedium
   durch entsprechende Führung im Rohrsystem mittels Ventilsteuerung im Vorlauf 3 und Rücklauf 4 verwendet werden.
3. 3. Wiederholung dieser vorbeschriebenen Schrittfolgen im ständigen wechselseitigen Umlauf, wobei das Filter 8 je nach Zustand oder Verbrauch aus der Filterkammer 7 herausnehmbar oder austauschbar ist, um es z. B. zu ersetzen.

Beide Variationen sind im Gegenstrom- (Anspruch 21 b)) oder im Gleichstromverfahren (Anspruch 22) baulich ausführbar.

Mit einem Programm nach Anspruch 25 können die Takte des vor- und rücklaufenden Mediums 2 bzw. Spülmediums in dem wechselseitigen Umlauf in Wirkverbindung mit dem ein- und abzuschaltenden Magnetfeld und der einzustellenden Magnetfeldstärke für sämtliche Konstruktions- und Verfahrensvarianten gesteuert werden.

Das Verfahren ist mit den in den Ansprüchen 26 bis 28 beschriebenen Merkmalen sowohl komplex als auch variabel für die unterschiedlichen Anwendungszwecke abstimmbar.

Das erfindungsgemäße Konstruktions- und Verfahrensprinzip zeichnet sich in seiner gewerblichen Anwendung dadurch aus, daß

• einerseits eine kompakte, wartungs- sowie reparaturarme Baueinheit mit für die Wartung vorteilhaft austauschbaren Baugruppen geschaffen wird und
• andererseits der Ablauf und der Betrieb der Abtrennung der Partikel aus flüssigen Medien einfach sowie kostengünstig durchgeführt werden können, wobei
• schließlich die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik beseitigt sind und eine vielfältige Anwendung in verschiedenen einschlägigen Industrien möglich wird.

1 =

Gehäuse

2 =

Flüssiges Medium

3 =

Vorlauf

4 =

Rücklauf

5 =

Eisenkreis

6 =

Polschuh

7 =

Filterkammer

8 =

Filter

9 =

Permanentmagnet

10 =

Rotor

11 =

linear verschiebbares Stück

12 =

Einzelperrnanentmagnet

13 =

Antrieb

14 =

Achse

15 =

Lager

N =

Nordpol

S =

Südpol