Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Gitterstruktur mit Querstegen und Längsstegen gemäß Patentanspruch 1 und 2. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Behälter, insbesondere eine Filterkartusche, mit solchen Gitterstrukturen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14.
Unter der lichten Weite der Gitteröffnung wird beispielsweise bei einer kreisförmigen Öffnung der Durchmesser und bei einer rechteckigen Öffnung der Abstand der Schmalseiten verstanden.
Aus der
Zu Beginn des Filtrationsprozesses muss Wasser in die Filterkartusche eindringen und die in der Filterkartusche befindliche Luft entweichen können. Zu diesem Problem wird mitgeteilt, dass bei Verwendung von siebartigen Flächengebilden ein geringer Gegendruck bereits ausreicht, um die Siebporen zu verschließen. In der Gewebetechnik wird das Verschließen der Poren mit einem Feuchtefilm als Segelbildung bezeichnet.
Das z. B. domartig gewölbte siebartige Flächengebilde kann aus einem Kunststoffgewebe bestehen, wobei die Segelbildung im oberen Teil des Flächengebildes, wo der Luftaustritt stattfindet, durch hydrophobe Anteile vermieden werden soll. Der untere Teil des Flächengebildes im Bereich der Einlassöffnungen für das zu filtrierende Wasser weist für den Durchtritt von Flüssigkeit hydrophile Teile auf. Diese Maßnahmen reichen jedoch nicht aus, um eine ungehinderte Befüllung mit Wasser sicherzustellen.
Aus der
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Die Filterkartusche gemäß der
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Auch diese Gitterstrukturen haben den Nachteil, dass zu Beginn des Befüllens Verzögerungen oder sogar Blockaden auftreten können.
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein sicheres Einströmen bzw. Ausströmen eines Mediums gegenüber einem anderen Medium durch eine Gitterstruktur zu gewährleisten und ein Blockieren des Stroms zu verhindern. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, einen Behälter mit solchen Gitterstrukturen zu schaffen, der von unterschiedlichen Medien, wie Flüssigkeit und Gas durchströmt wird, wobei die Strömungseigenschaften durch die Gitterstrukturen verbessert werden sollen.
Als Lösung wird gemäß der Patentansprüche 1 und 2 vorgeschlagen, im Falle einer Flüssigkeitsströmung hydrophile Materialien und im Falle einer Gasströmung hydrophobe Materialien für die Gitterstruktur zu verwenden, wobei gleichzeitig an der abströmseitigen Oberfläche des Gitters Rippen unterschiedlicher Länge angebracht sind, die für eine verbesserte Abteilung der Strömung sorgen.
Unter den Quer- und Längsstegen werden flache Gitterelemente gleicher Dicke D verstanden, die das Grundgerüst der Gitterstruktur bilden. Diese Stege können in einer gemeinsamen Ebene liegen oder die Längsstege können in einer ersten Ebene und die Querstege in einer zweiten Ebene liegen, die um das Maß der Höhe der Längsstege versetzt ist.
Unter den Rippen werden Erhöhungen auf diesen Stegen verstanden.
Es hat sich überraschend herausgestellt, dass zu Beginn der Durchströmung der Gitterstruktur, wenn nämlich die Gitterstruktur sich in einem ersten Medium befindet und von einem zweiten Medium gegen den Widerstand des ersten Mediums durchströmt werden soll, keine Verzögerung oder gar Blockaden auftreten, wie dies bei Gitterstrukturen der Fall ist, die nur Quer und Längsstege entweder ohne Rippen oder mit Rippen einer einzigen Rippenhöhe aufweisen.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn sich die Rippen der ersten Gruppe mit Rippen der zweiten Gruppe in einer regelmäßigen Folge zur Bildung einer Rippenanordnung abwechseln. Insbesondere bei der Durchströmung der Gitterstruktur mittels Luft gegen Wasser bzw. Wasser gegen Luft, werden die besten Ergebnisse erzielt, wenn sich jeweils zwei Rippen der zweiten Gruppe mit jeweils einer Rippe der ersten Gruppe abwechseln.
Die Rippenanordnung ist vorzugsweise entweder auf den Querstegen oder auf den Längsstege angeordnet. Es ist auch möglich, die Rippenanordnung sowohl auf den Längsstegen als auch auf den Querstegen vorzusehen.
Die Rippenanordnung kann auf beiden Seiten der Gitterstruktur identisch sein, wobei die Rippenhöhen auf beiden Seiten gleich oder unterschiedlich gewählt werden können.
Auch kann die Rippenstruktur auf der einen Seite um den Winkel β gegenüber der Rippenanordnung auf der anderen Seite gedreht sein. Welche Kombination der Anordnungen am besten geeignet ist, hängt von der jeweiligen Anwendung, d. h. von den jeweils verwendeten Medien ab.
Die Höhen H1, H2 der Rippen unterscheiden sich vorzugsweise deutlich voneinander, wobei bevorzugt H2 < ¾ H1 ist. Weitere bevorzugte Wertebereiche für die Höhen H1 und H2 sind H2 < ½ H1 und H2< 1/3 H1.
Beim Vorhandensein von drei oder mehr Gruppen von Rippen gelten vorzugsweise analoge Abstufungen, z. B. H3< ¾ H2 und H2< ¾ H1.
Die Breite aller Stege kann gleich sein. Es ist jedoch u. a. aus Stabilitätsgründen bevorzugt, die Breite B1 der Stege mit Rippen der ersten Gruppe größer der Breite B2 der Stege mit Rippen der zweiten Gruppe zu wählen.
Eine weitere Verbesserung der Durchströmung kann erzielt werden, wenn die Seitenflächen der Rippen einen Neigungswinkel α mit 0 ≤ α ≤ 12° aufweisen. Der Winkel α wird zwischen der Seitenwand der betreffenden Rippe und der Senkrechten auf der Gitterebene gemessen. Gitterstrukturen mit nicht geneigten Seitenflächen, d. h. mit α = 0, liefern die besten Ergebnisse.
Wenn die Gitterstruktur beispielsweise spritzgegossen ist, dann sind Winkel mit α = 0 nur mit hohem Aufwand realisierbar, so dass der Neigungswinkel zur Gewährleistung der Entformbarkeit bei Werten > 0 liemuss. Hierbei sollten Winkel > 12°, vorzugsweise > 4°, insbesondere > 3° nicht überschritten werden, weil große Winkel einen unmittelbaren Einfluss auf die Durchströmungseigenschaften der Gitterstruktur zeigen. Besonders bevorzugt sind Neigungswinkel α im Bereich von 3° bis 4°.
Vorzugsweise wird eine Gitterstruktur aus spritzgegossenem Kunststoff verwendet.
Wenn die Gitterstruktur für den Durchtritt von Flüssigkeit gegen Gas, insbesondere Wasser gegen Luft, eingesetzt wird, sind die Rippen mindestens auf der der Gasseite zugewandten Seite angeordnet sind.
Bei dem Einsatz von Wasser gegen Luft ist die bereits zuvor beschriebene Ausfühnrngsform, wonach sich die Rippen der ersten Gruppe mit Rippen der zweiten Gruppe in einer regelmäßigen Folge zur Bildung einer Rippenanordnung abwechseln, besonders bevorzugt.
Möglicherweise ist dies darauf zurückzuführen, dass zwischen den Rippen Strömungskanäle gebildet werden, wobei zunächst die schmalen Kanäle zwischen den Rippen der zweiten Gruppe bzw. den Rippen der zweiten und der ersten Gruppe und anschließend bei weiterer Durchströmung die breiten Kanäle zwischen den Rippen der ersten Gruppe wirksam werden, in denen sich die schmalen Teilströme aus den schmalen Kanälen vereinigen, bevor sie die Gitterstruktur verlassen.
Für diesen Einsatzzweck wird die Gitterstruktur aus einem hydrophilen Material, insbesondere hydrophilen Kunststoffmaterial wie z. B. Polyamid, gefertigt.
Unter hydrophilen Materialien werden solche verstanden, die im Kontakt mit Wasser einen Kontaktwinkel θ < 80° zeigen.
Bei horizontaler Anordnung der Gitterstruktur und Beaufschlagung mit Wasser senkrecht von oben gegen unter der Gitterstruktur befindliche Luft, wirken die Schwerkraft des Wassers und in den Kanälen die Kapillarkräfte in gleicher Richtung, wobei die Kapillarkraft umso größer ist, je geringer die Wandneigung der Seitenflächen der Rippen ist, d. h. je kleiner α ist.
Wenn die Gitterstruktur für den Durchtritt von Gas gegen Flüssigkeit, insbesondere von Luft gegen Wasser eingesetzt wird, sind die Rippen mindestens auf der der Flüssigkeit zugewandten Seite angeordnet sind.
Bei dieser Anwendung besteht die Gitterstruktur aus einem hydrophoben Material, insbesondere hydrophoben Kunststoffmaterial wie z. B. Polypropylen.
Unter hydrophoben Materialien werden solche verstanden, die im Kontakt mit Wasser einen Kontaktwinkel θ > 100° zeigen.
Bei horizontaler Anordnung der Gitterstruktur und Beaufschlagung mit Luft gegen eine über der Gitterstruktur stehenden Wassersäule, kommt es ebenfalls darauf an, dass die Kapillarkraft, die in diesem Fall der Schwerkraft der Wassersäule entgegenwirkt, möglichst groß ist, damit die Luft nach oben durch die Gitterstruktur entweichen kann.
Die erfindungsgemäßen Gitterstrukturen werden bevorzugt als Bauteile in Behältern zur Wasseraufbereitung eingesetzt.
Ein solcher Behälter, der insbesondere eine Filterkartusche sein kann, ist mit jeweils mindestens einem Wassereinlassfenster, einem Wasserauslassfenster und einem Luftaustrittsfenster versehen, wobei mindestens das Wassereinlassfenster und das Luftaustrittsfenster mit den erfindungsgemäßen Gitterstrukturen versehen sind.
Die Gitterstruktur des Wassereinlassfensters besteht aus einem hydrophilen Material und die Gitterstruktur des Luftaustrittsfensters aus einem hydrophoben Material, wobei auf mindestens der dem Luftraum zugewandten Seite der Gitterstruktur des Wassereinlassfensters und auf mindestens der dem Wasserraum zugewandten Seite der Gitterstruktur des Luftaustrittsfensters die Querstege und/oder die Längsstege eine Rippenanordnung aus senkrecht zur Gitterebene aufragenden Rippen aufweisen, wobei die Rippenanordnung mindestens eine erste Gruppe und eine zwei Gruppe von Rippen aufweist, die sich mindestens durch ihre Rippenhöhen H1, H2 mit H1 >H2 unterscheiden.
Wenn es sich bei einem solchen Behälter um eine Filterkartusche handelt, ist dieser mit einem Filtermittel gefüllt. Das durch das Wassereinlassfenster einströmende Rohwasser fließt in das Innere der Filterkartusche, durchströmt das Filtermittel und verlässt als gefiltertes Wasser die Filterkartusche durch das Wasserauslassfenster. Hierbei kommt es darauf an, dass zu Beginn der Wasserfiltration das Wasser ungehindert und ohne Verzögerung durch das Wassereinlassfenster in die Filterkartusche eindringen kann. Andererseits muss die Luft, die sich über dem Filtermittel innerhalb der Filterkartusche befindet, genauso schnell durch das Luftäuslassfenster entweichen können.
Durch die erfindungsgemäßen Gitterstrukturen wird dies gewährleistet, wobei die Gitteröffnungen mit Abmessungen ≤ 300 µm die Partikel des Filtermittels wirksam zurückhalten.
Vorzugsweise besteht die Gitterstruktur des Wassereinlassfensters aus einem hydrophilen Kunststoff und die Gitterstruktur des Luftauslassfensters aus einem hydrophoben Kunststoff. Der Behälter selbst ist vorzugsweise aus einem der beiden Kunststoffmaterialien gefertigt.
Der Behälter ist vorzugsweise im Zweikomponenten-Spritzgussverfahren hergestellt.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
In der
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Auf einer derartigen bekannten Gitterstruktur 1' sind erfindungsgemäß Rippen 31, 41 angeordnet, wie dies in der
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Die Rippen 31, 41 besitzen an ihrer Basis die Breiten B1 bzw. B2 und weisen jeweils Seitenflächen 33 und 43 auf, die mit der Senkrechten 7 auf der Gitterebene 6 einen Winkel α bilden.
Von der Oberseite 2 wird Wasser aus dem Wasserraum 60 gegen den unter der Gitterstruktur 1 befindlichen Gasraum 61 durch die Öffnungen 4 zugeführt. Das Wasser strömt durch die Öffnungen 4 zunächst in die zwischen den Rippen 41 und den Rippen 31 gebildeten schmalen Kanäle 35 nach unten. Unterhalb der Rippe 41 vereinigen sich die aus dien schmalen Kanälen 35 kommenden Teilströme im Kanal 45, der zwischen den beiden Rippen 31 gebildet wird. Der gebildete Gesamtstrom fließt in Pfeilrichtung nach unten ab.
Aufgrund der hydrophilen Materialien, die für die Rippen 31, 41 verwendet werden, bildet sich zwischen der Flüssigkeit und der Seitenwand 33 ein Kontaktwinkel θ aus, der bei ca. 70° liegt.
Aufgrund dieser Kanalbildung durch die Rippen 31 und 41 erfolgt ein ungehinderter Durchtritt durch die Gitterstruktur 1.
Typische Werte für die Höhen H1, H2 der Rippen liegen bei 0,5 bis 2 mm, insbesondere bei 0,5 bis 1,5 mm. Die Rippenbreiten an der Basis, was der Stegbreite entspricht, liegen bei 0,3 bis 1,5 mm, bevorzugt bei 0,3 bis 1,1 mm.
In der
Im Filtrationsbetrieb strömt das Wasser in Pfeilrichtung 57 durch die Fenster 54 in das Innere des Behälters 50, wo zunächst der Wasserspiegel 59 nach oben ansteigt. Die Luft 58 wird nach oben gedrückt, und tritt durch das Luftaustrittsfenster 55 nach oben aus.
Im Falle, dass sich im Raum oberhalb des Deckels 53 bereits Wasser befindet, muss die Luft gegen das darüber befindliche Wasser nach oben austreten. Die Fenster 54 und das Fenster 55 sind jeweils mit den erfindungsgemäßen Gitterstrukturen 1 ausgestattet.
Es ist in der Draufsicht gemäß
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