DE4317543A1

DE4317543A1 - Filteranordnung

Info

Publication number: DE4317543A1
Application number: DE4317543A
Authority: DE
Inventors: Stephen A Geibel; Scott D Hopkins; William L Murphy; John D Miller
Original assignee: Pall Corp
Current assignee: Pall Corp
Priority date: 1992-05-26
Filing date: 1993-05-26
Publication date: 1993-12-02
Also published as: GB2267231A; US5510026A; GB9308383D0; FR2691644B1; FR2691644A1; GB2267231B; IT1270376B; ITTO930362A0; ITTO930362A1

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Filteranordnungen und insbesondere Verfahren und Einrichtungen zur Gewährleistung einer lecksicheren Abdichtung zwischen einer Filterpatrone und einem Gehäuse und zur Befestigung der Filterpatrone am Gehäuse.

In Filteranordnungen wird im allgemeinen eine Filterpatrone in einem Gehäuse angebracht und an diesem befestigt. Die Filterpatrone wird häufig durch eigene Elemente, wie Verbindungsstangen, Flansche oder Bolzen und dergl., befestigt. Diese eigenen Elemente führen jedoch zu zusätzlichen Aufwendungen für Entwicklung und Ausrüstung sowie zu zusätzlichen Kosten.

Die Filterpatrone wird typischerweise an ihrem Einlaß und Auslaß dicht mit dem Gehäuse verbunden, um einen Nebenstrom von Fluiden oder verunreinigenden Bestandteilen auszuschließen. Ein Ersatz der Filterpatrone kann vorgenommen werden, indem man die gesamte Filteranordnung in einem Gehäuse, das beispielsweise durch Verschweißen dauerhaft verschlossen ist, ersetzt. Eine andere Möglichkeit besteht bei Anordnungen, deren Gehäuse nicht dauerhaft verschlossen ist, den Filter aus dem Gehäuse zu entnehmen, um ihn getrennt zu ersetzen oder zu entsorgen.

Filterpatronen umfassen im allgemeinen ein Filtermaterial und eine oder mehrere Endkappen (Verschlußkappen). Die Endkappen von Filterpatronen werden häufig aus polymeren Materialien gefertigt, während die Gehäuse im allgemeinen aus Metall oder dergl. bestehen. Die Filterpatrone wird mit dem Gehäuse häufig durch ein getrenntes elastomeres Material abgedichtet, das zwischen den zusammenpassenden Oberflächen der Endkappen und des Gehäuses angeordnet ist. Bei derartigen elastomeren Dichtungen handelt es sich typischerweise um flache oder O-Ring-förmige Dichtungen, die zwischen Ringflächen der Endkappe und des Gehäuses angeordnet sind.

Einrichtungen, die sich separater Sicherungsvorrichtungen oder Dichtungen, wie elastomerer Dichtungen, bedienen, sind mit einer Anzahl von Nachteilen verbunden. Beispielsweise müssen zur Aufnahme von kolbenartigen O-Ringdichtungen Rillen oder komplexe Spalten in der Ringfläche der Endkappe durch Verformung oder maschinelle Bearbeitung vorgesehen werden. In ähnlicher Weise müssen bei Verwendung von separaten Sicherungsvorrichtungen das Gehäuse und/oder die Filterpatrone zur Aufnahme der separaten Vorrichtungen durch Verformung oder maschinelle Bearbeitung entsprechend ausgestaltet werden. Die Herstellung dieser Elemente kann eine recht komplexe Bearbeitung oder zusätzliche Arbeitsgänge erfordern und führt somit zu zusätzlichen Kosten. Ferner schaffen Spalten in derartigen Konstruktionen häufig ein Totvolumen, das für die Filtration von ultrareinen Gassystemen unerwünscht sein kann. Außerdem besitzen elastomere Dichtungen und insbesondere O-Ringdichtungen ein relativ geringe Beständigkeit gegen eine relative Längsbewegung der zusammenpassenden Teile. Eine relative Bewegung zwischen den Komponenten kann zu einem Abrieb der Komponenten und zur Bildung von Bruchstücken innerhalb des Strömungswegs führen. In besonders extremen Situationen kann es dazu kommen, daß der Filter durch einen umgekehrten Strom aus dem zusammenpassenden Gehäuseanschlußstück gedrängt wird oder daß das System "hämmert". Infolgedessen umfaßt die Filteranordnung häufig eine zusätzliche Einrichtung zum Ausschluß einer Längsbewegung der Filterpatrone innerhalb des Gehäuses, beispielsweise durch eine mechanische Verriegelung.

Ferner kommt es bei elastomeren Materialien unter bestimmten Bedingungen häufig zum Entgasen. Diese Erscheinung ist bei einer mit hohem Reinheitsgrad ablaufenden Gasfiltration, wie bei der Herstellung von elektronischen Chips, besonders lästig. Bei der Chipherstellung werden die Filterelemente typi scherweise vollständig aus Teflon®-PFA hergestellt. Infolgedessen kann es Schwierigkeiten bereiten, eine wirksame Dichtung zwischen der Filterendkappe und dem Gehäuse bereitzustellen. Außerdem können elastomere Dichtungen sowie separate Dichtungsvorrichtungen eine Quelle der Kontamination und der möglichen chemischen Unverträglichkeit darstellen.

Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist es, eine Filteranordnung und ein Verfahren zur wirksamen Abdichtung einer Filierendkappe mit einem Gehäuse ohne Verwendung eines Dichtungsrings bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine wirksame Dichtungsanordnung bereitzustellen, die die mit der Verwendung von derartigen Dichtungen einhergehenden Nachteile mildert.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Befestigung einer Filteranordnung an einem Gehäuse ohne Verwendung von separaten Strukturelementen.

Eine weitere Aufgabe steht in der Bereitstellung einer Filteranordnung, die eine minimale Anzahl an Bauelementen umfaßt und auf einfache und wirtschaftliche Weise hergestellt und zusammengebaut werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Dichtungs- und Befestigungsanordnung mit verbessertem strukturellem Zusammenhalt. Eine damit verwandte Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Dichtungsanordnung, die gegenüber einer relativen Längsbewegung von zusam menpassenden Bauteilen beständig ist und nicht der Verwendung separater Stützvorrichtungen, wie mechanischer Verriegelungen, bedarf, um eine relative Längsbewegung zu verhindern. Eine damit verwandte Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Einrichtung, die eine Filteranordnung mit einem Gehäuse abdichtet und daran befestigt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Dichtungsanordnung, die die Verträglichkeitsprobleme zwischen den Konstruktionsmaterialien und den zu filtrierenden Fluiden minimiert. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Filteranordnung, die keine zusätzlichen Verunreinigungsquellen einführt, wie sie beispielsweise durch Entgasung von elastomeren O-Ringen oder durch Gase, die im Totvolumen in den für O-Ringe vorgesehenen Rillen zurückgehalten werden, entstehen.

Zur Lösung dieser und weiterer Ziele der Erfindung wird eine Filteranordnung und ein Verfahren zur wirksamen Abdichtung und Befestigung einer Filterendkappe an einem Gehäuse bereitgestellt, wobei die Endkappe als Ergebnis einer thermischen Kontraktion oder Expansion eine Verbindung mit dem Gehäuseanschlußstück eingeht. Die Filtereinrichtung umfaßt eine Gehäu seanordnung mit einer Gehäusekammer mit mindestens zwei Öffnungen, die einen durchgehenden Fließweg definieren. Die Gehäuseanordnung umfaßt ferner mindestens eine Erweiterung (Verlängerung), die im wesentlichen ringförmig ausgestaltet sein kann und sich in die Gehäusekammer erstreckt. Die Erweiterung, die in Form eines Anschlußstückes vorliegen kann, weist eine innere Bohrung auf, die innerhalb des Fließwegs an einer der Öffnungen angeordnet ist. Eine Filteranordnung mit einem Filtermaterial und mindestens einer Endkappe, die eine im wesentlichen ringförmige Öffnung aufweist, ist innerhalb der Gehäuse kammer im Fließweg angeordnet. Die Endkappenöffnung und die ringförmige Erweiterung sind miteinander durch eine Dichtung verbunden, die bei Betriebs- oder Umgebungstemperatur thermisch kontrahiert oder expandiert wird. Der In nendurchmesser der Endkappenöffnung ist bei Umgebungstemperatur vorzugsweise geringer als der Außendurchmesser der Erweiterung, so daß eine Wechselwirkung zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser in der Weise besteht, daß eine Spannung in der Endkappe und/oder der Gehäuseerweiterung herbeigeführt wird, um den Bestand der Dichtung aufrechtzuerhalten. Um die Endkappe und die Gehäuserweiterung zusammenzu bauen wird entweder die Endkappe zur Expansion der Bohrung erwärmt oder die Gehäuseerweiterung zur Kontraktion und Verringerung des Außendurchmessers der Erweiterung gekühlt. Die Bauteile werden dann zusammengesetzt und wieder auf Raum- oder Umgebungstemperatur gebracht, um eine Abdichtung als Er gebnis des gegenseitigen Kontakts zwischen den Komponenten zu gewährleisten. Durch Berechnung der in der Endkappe und/oder der Gehäuseerweiterung induzierten theoretischen Spannung und Druckbelastung, und zwar zu Beginn und nach einer bestimmten Dauerbeanspruchungszeit, können die optimalen Abmessungen der Endkappe und der Erweiterung so gewählt werden, daß eine maximale Dichtungskraft zwischen den Bestandteilen nach der Dauerbeanspruchung gewährleistet wird, indem man die Abmessungen der Bauteile so wählt, daß eine maximale Restspannung in der Endkappe und/oder der Gehäuseerweiterung nach der Dauerbelastung gegeben ist.

Die Filteranordnung bedarf nicht des Einsatzes eines Dichtrings, um die Filterpatrone am Gehäuse abzudichten. Ferner erfordert die Einrichtung im allgemeinen nicht den Einsatz von separaten Strukturen zur Befestigung der Filterpatrone am Gehäuse. (Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß es wünschens wert sein kann, das Gewicht einer besonders großen oder schweren Filterpatrone abzustützen, um eine übermäßige Belastung der Dichtung zu verhindern.) Somit wird durch die vereinfachte Einrichtung die Anzahl von erforderlichen Bauteilen minimiert und die Konstruktion der Bauteile selbst erleichtert, was sowohl die Herstellungskosten als auch die Montagekosten vermindert. Beispielsweise lassen sich aufgrund des Wegfalls eines Dichtrings die Endkappe und die Erweiterung leichter herstellen, da keine komplizierten Endbearbeitungsschritte erforderlich sind. In ähnlicher Weise erfordert die Einrichtung nicht den Einsatz von separaten Stützstrukturen, da die Bauteile keine komplizierten Maßnahmen zur Befestigung der Filterpatrone am Gehäuse benötigen. Infolgedessen werden die Einrichtearbeit stark vereinfacht und die Herstellungskosten verringert.

Ferner bringt die Einrichtung eine Milderung zahlreicher Nachteile, die mit der Verwendung von separaten Tragestrukturen, elastomeren Dichtungen oder dergl. verbunden sind. Durch eine Verringerung der Anzahl an Materialien, die in der Anordnung eingesetzt werden, kommen den Überlegungen hinsichtlich der Verträglichkeit zwischen den Materialien der Filteranordnung und den zu filtrierenden Fluiden eine verminderte Bedeutung zu. Ferner konnten in ähnlicher Weise Verunreinigungsquellen, wie sie beispielsweise durch die Entgasung von elastomeren Dichtungen oder durch Gase, die in den für elastomere Dichtungen vorgesehenen Rillen zurückgehalten werden, eingeführt werden, eine verringerte Bedeutung zu.

Außerdem ergibt die Filtereinrichtung und das Verfahren zum Abdichten des Filters am Gehäuse einen verbesserten strukturellen Zusammenhalt der Dichtung selbst. Da die Anordnung eine hohe Beständigkeit gegenüber relativen Bewegungen zwischen den zusammenpassenden Bauteilen aufweist, erfordert die Dichtungsanordnung nicht den Einsatz von separaten Stützeinrichtungen, um eine relative Längsbewegung zu verhindern. Somit bewirkt die Anordnung sowohl eine Abdichtung als auch eine Befestigung der Filteranordnung am Gehäuse.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Studium der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 einen Grundriß einer Filtereinrichtung, die die Lehre der Erfindung verkörpert. Die Filtereinrichtung ist teilweise weggelassen, um die Filteranordnung selbst zu zeigen.

Fig. 2 ist eine vergrößerte, Teilansicht der Filtereinrichtung von Fig. 1 in Schnitt- und Explosionsdarstellung um das Anschlußstück und die Endkappe zu zeigen.

Fig. 3 ist ein Diagramm der zeitlichen Abhängigkeit der Gesamtdeformation eines Teflon®-PFA-Fluorkohlenstoffharzes unter Belastung bei 73°F(23°C).

Fig. 4 ist ein Diagramm, bei dem die ursprüngliche Spannung gegen die Restspannung nach einer Dauerbelastungszeit von 10000 Stunden für eine repräsentative Kombination aus Endkappe und Anschlußstück aufgetragen ist.

Nachstehend wird die Erfindung zwar anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen näher beschrieben, was jedoch keine Beschränkung auf diese Ausführungsformen darstellen soll. Im Gegenteil, es sollen sämtliche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente, die unter den Geist und Umfang gemäß der De finition in den beigefügten Ansprüchen fallen, umfaßt werden.

In Fig. 1 ist eine Filtereinrichtung 10 mit einem Gehäuse 12 gezeigt. Das Gehäuse umfaßt eine hohle Gehäusekammer 14 mit Fließöffnungen 16, 18, die einen Einlaß und einen Auslaß darstellen, durch den ein Fluid in das Gehäuse 12 hinein und aus diesem heraus strömen kann, so daß ein Fließweg durch das Gehäuse 12 gebildet wird. (In der folgenden Beschreibung wird davon gesprochen, daß ein Fluid durch die Filtereinrichtung strömt, wobei der Ausdruck "Fluid" Flüssigkeiten und Gase oder Kombinationen davon umfassen soll.) Das Gehäuse 12 ist so dargestellt, daß die Fließöffnungen 16, 18 sich an beiden Enden der Gehäusekammer 14 befinden; es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Fließ öffnungen gemäß einer alternativen Ausgestaltung auch an anderen Positionen des Gehäuses vorgesehen sein können.

Das Gehäuse 12 umfaßt ferner eine Erweiterung, die sich in die Gehäusekammer 14 erstreckt. In der dargestellten Ausführungsform liegt die Erweiterung in Form eines Anschlußstücks vor, das durch beliebige geeignete Einrichtungen am Gehäuse 12 an einer Fließöffnung 18 abgedichtet sein kann. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Erweiterung gemaß einer alternativen Ausführungsform in Form einer Erweiterung des Gehäusematerials selbst, das in die Gehäusekammer hineinragt, vorliegen kann. Obgleich das Anschlußstück 20 sowohl am Einlaß- als auch am Auslaßende des Gehäuses 12 angeordnet sein kann, wird für Erläuterungszwecke die Filtereinrichtung 10 nachstehend so beschrieben, daß sich das Anschlußstück 20 am Auslaßende des Gehäuses 12 befindet. Außerdem umfaßt die dargestellte Ausführungsform nur ein einziges Anschlußstück 20; es jedoch darauf hinzuweisen, daß die Einrichtung Anschlußstücke aufweisen kann, die innerhalb der Fließöffnungen sowohl am Einlaß- als auch am Auslaßende angeordnet sind.

Das Anschlußstück 20 kann aus verschiedenartigen metallischen Materialien, unter Einschluß von Legierungen, verschiedenen Metallen und Kombinationen von Metallen und Legierungen, hergestellt sein. Beispielsweise werden Nickel/Chrom-Legierungen, wie Hastelloys-Legierungen, Monel-Legierungen und Inconel-Legierungen, bevorzugt. Darunter stellen rostfreie Stahllegierungen wegen ihrer Korrosionsbeständigkeit bevorzugte Materialien für Anschlußstücke dar. In ähnlicher Weise können auch metallische Materialien, wie Aluminium, Magnesium oder dergl., geeignet sein. Ferner ist darauf hinzuweisen, daß das Anschlußstück 20 gemäß einer Alternative aus einem geeigneten nicht metallischen Material hergestellt sein kann.

Um das durch das Gehäuse 12 fließende Fluid zu filtrieren, ist eine Filterpatrone 22 im Fließweg innerhalb des Gehäuses 12 angeordnet. Die Filterpatrone 22 umfaßt eine Filtermedium 24, an das eine oder mehrere Endkappen 26, 28 gekuppelt sind. Das Filtermedium 24 kann eine poröse Membran oder ein ge webtes oder nicht-gewebtes faseriges Material oder ein anderes geeignetes Material umfassen. Obgleich die Endkappen 26, 28 im allgemeinen aus einem polymeren Material, z. B. einem Fluorkohlenstoffharz, hergestellt sind, ist darauf hinzuweisen, daß sie auch aus alternativen Materialien gefertigt sein können, die die gewünschten Expansions- und Temperatureigenschaften aufweisen. Die dargestellte Filterpatrone 22 umfaßt einen zylindrischen Faltenfilter 24, an dem eine blinde Endkappe 26 und eine Endkappe 28 mit einer Bohrung 30 angekuppelt sind. Bei dieser Ausführungsform wird das durch das Gehäuse 12 strömende Fluid filtriert, wenn es von außen kommend durch den Filter 24 und anschließend durch die Bohrung 30 fließt, oder durch die Bohrung und von innen kommend durch den Filter 24 nach außen fließt.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Filterpatrone und ihre Bauteile auch in alternativer Weise konstruiert sein können. Beispielsweise kann der Filter eine zylindrische, nicht-gefaltete Bauweise oder eine Bauweise aus gestapelten dünnen Platten aufweisen. Ferner kann die Patrone Bohrungen an beiden Endkappen aufweisen, wobei der Filter dazwischen angeordnet ist, so daß das Fluid durch eine Bohrung und den Filter fließt und durch die andere Bohrung austritt. Eine andere Möglichkeit besteht in einer "dosenartigen" Konstruktion des Filters, und die Patrone kann auch nur eine einzige Endkappe mit einer Bohrung aufweisen.

Um zu gewährleisten, daß das Fluid beim Durchströmen des Filters 24 gereinigt wird, ist mindestens eine Endkappe 28 am Gehäuse 12 abgedichtet. Dies wird im allgemeinen erreicht, indem man die im wesentlichen ringförmige Bohrung 30 an der Endkappe 28 mit einem im wesentlichen ringförmigen Bereich oder Ende 32 des Anschlußstückes 20, das sich in die Gehäusekammer 14 erstreckt, abdichtet.

Erfindungsgemaß werden eine Filtereinrichtung 10 und ein Verfahren zur Befestigung und Abdichtung einer Endkappe 28 an einem Gehäuseanschlußstück 20 bereitgestellt. Die erfindungsgemäße Dichtungseinrichtung erfordert nicht die Verwendung von zusätzlichen Dichtungsmaterialien, wie einem O-Ring oder einem flachem Dichtungsring, um eine wirksame Abdichtung zwischen den Bauteilen zu gewährleisten. Der Innendurchmesser der Bohrung 30 der Endkappe 28 (ID, gemäß Fig. 2), ist vielmehr kleiner als der Außendurchmesser des Ende 32 des Anschlußstückes 20 (OD gemäß Fig. 2), um bei Umgebungstemperatur einen Festsitz (Interferenzsitz) zu gewährleisten. Die Endkappe 28 wird am Anschlußstück 20 installiert, indem man die Endkappe 28 auf eine erste vorbestimmte Temperatur erwärmt, um den Innendurchmesser (ID) der Bohrung 30 zu expandieren, und/oder indem man das Anschlußstück 20 kühlt, um dessen Außendurchmesser (OD) zu vermindern und ein Ineinandergleiten der Bauteile zu ermöglichen. (Im folgenden Beispiel wird eine aus Teflon®-PFA-Material hergestellte Endkappe auf 525°F(274°C) erwärmt, um den Innendurchmesser zu erweitern.) Sodann läßt man die Anordnung auf eine zweite vorbestimmte Tem peratur, z. B. Umgebungstemperatur, zurückkehren. Beim Abkühlen der Endkappe 28 und Kontrahieren der Bohrung 30 und/oder beim Erwärmen und Expandieren des männlichen Anschlußstückes 20 wird ein inniger thermischer Kontakt zwi schen den Oberflächen der Endkappen-Bohrung 30 und dem Gehäu seanschlußstück 20 erreicht, wodurch die Bauteile in dichtender Verbindung blei ben.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung weisen das Ende 32 des Anschlußstückes 20, das sich in die Gehäusekammer 14 erstreckt, und die Bohrung 30 der Endkappe 28 vorzugsweise eine im wesentlichen ringförmige Gestalt auf, es ist aber darauf hinzuweisen, daß das Ende 32 und die Bohrung 30 auch eine andere Form haben könnten, sofern sie im montierten Zustand einen Festsitz bilden können, der eine stabile Dichtung zwischen den Bauteilen gewährleistet.

Bei einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Ende 32 eine die Rückbewegung verhindernde Formgebung auf, d. h. das Ende 32 selbst ist so geformt, daß es nach der erfolgten Montage in der Bohrung 30 einer Bewegung wider steht. Somit ist ersichtlich, daß die Form des Endes 32 selbst die Wirksamkeit der Dichtung steigert und die Beständigkeit der Filterpatrone 22 gegenüber einer Längsbewegung relativ zum Gehäuse 12 erhöht. Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, umfaßt der Außendurchmesser des Endes 32 eine ringförmige Erweiterung entlang des Bereichs, der nach der Montage zentral innerhalb der Bohrung 30 angeordnet ist. Die Ringfläche des Endes 32 ist außen zu einer im wesentlichen flachen Ringfläche oder unter Bildung eines sphärischen Abschnitts abgeschrägt. Diese Anordnung ist besonders wünschenswert, da sie leicht maschinell hergestellt werden kann. Obgleich die Bohrung 30 eine passende ringförmige Ausnehmung aufweisen kann, weist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine zylindrisch geformte Bohrung 30 auf.

Dieses Verfahren zur gegenseitigen Abdichtung der Bauteile und insbesondere die eine Rückbewegung verhindernde Form des Endes 32 tragen ferner zu einer Befestigung der Filterpatrone 22 am Gehäuse 12 bei. Im allgemeinen sind keine zusätzlichen Befestigungsvorrichtungen, wie Verbindungsstangen oder dergl., erforderlich, um eine zusätzliche Befestigung der Patrone 22 am Gehäuse 12 zu gewährleisten. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß es bei Filteranordnungen, bei denen der Einsatz von relativ großen oder schweren Filterpatronen erforderlich ist, wünschenswert sein kann, eine zusätzliche Stütze für die Patrone an dem dem Anschlußstück 20 gegenüberliegenden Ende zu gewährleisten. Eine derartige zu sätzliche Stütze kann auch wünschenswert sein, wenn die Filteranordnung in einer Umgebung mit großen Druckschwänkungsbereichen eingesetzt wird, beispielsweise bei Anwendungen, wo die Filteranordnung großen Schlägen oder Stößen ausgesetzt ist. Eine derartige Stütze kann durch einfache Vertiefungen oder dergl. am Gehäuse, die in der Gehäusekammer vorstehen und in Kontakt mit der Filterpatrone 22 gelangen, gewährleistet werden.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung sind die Endkappe 28 und das Ende 32 so dimensioniert, daß die elastischen Spannungen, die in den Bauteilen als Ergebnis des Festsitzes erhalten bleiben, während der gesamten Lebensdauer der Anordnung 10 optimal sind. Um die optimale Anfangsabmessung der Endkappen-Bohrung 30 in Bezug zum Ende 32 festzulegen, müssen die anfänglichen Werte und Restwerte für Spannung und Belastung, die in der Endkappe 28 und/oder dem Ende 32 des Anschlußstückes 20 in Folge der Wechselwirkung herbeigeführt werden, in Betracht gezogen werden. Zu Erläuterungszwecken werden nachstehend nur die Spannung und Druckbelastung in der Endkappe 28 berücksichtigt, da der Elastizitätsmodul der Endkappe 28 typischerweise wesentlich größer als der entsprechende Wert des Anschlußstückes 20 ist. Liegt der Wert des Elastizitätsmoduls des Anschlußstückes 20 nahe beim entsprechenden Wert der Endkappe 28 oder darüber, dann können die Werte für Spannung und Belastung, die sowohl im Anschlußstück 20 als auch in der Endkappe 28 auftreten, in Betracht gezogen werden. Hierbei gelten analoge Überlegungen.

Repräsentative Größen einer Endkappe, die aus dem derzeit bevorzugten Teflon®-PFA-Material gefertigt ist, und eines Anschlußstückes aus rostfreien Stahl werden nachstehend zu Beispielzwecken herangezogen. Teflon®-PFA wird aufgrund seiner wünschenswerten Hochtemperatureigenschaften derzeit bevorzugt; Teflon®-PFA widersteht relativ hohen Temperaturen ohne Schmelzen. Es ist jedoch ersichtlich, daß andere polymere Materialien, wie Polypropylen oder Polyester, in ähnlicher Weise verwendet werden können. Somit ist nicht beabsich tigt, die Erfindung auf die erwähnten speziellen Materialien oder erwähnten speziellen Abmessungen zu beschränken. Ferner ist zu erwarten, daß die Anordnung auch für Anschlußstücke und/oder Endkappen-Bohrungen in der Größenordnung von 1/4 bis 21/2 Zoll (6,35 bis 38,1 mm) Durchmesser oder darüber geeignet ist.

In der nachstehenden Tabelle sind Berechnungen für Spannungs- und Druckbelastungswerte, die in einer Endkappe als Ergebnis von unterschiedlichen Festsitzen für verschiedene Kombinationen aus Endkappen-ID und Anschlußstück-OD entstehen. Die Tabelle zeigt die ursprünglichen Werte für Spannung und Druckbelastung sowie die entsprechenden Restwerte nach Ablauf von 10000 Stunden bei Raumtemperatur.

Die in der Endkappe entstehenden Anfangswerte für Spannung und Belastung lassen sich unter Berücksichtigung der Anfangsabmessungen der Endkappe und der Abmessungen der Endkappe nach der Montage am Anschlußstück bestimmen. Der Durchmesserdruck (E) wird gemäß folgender Gleichung berechnet, wobei DD durch Bestimmung der Veränderung des ID-Werts als Folge des Festsitzes berechnet wird und D den anfänglichen Innendurchmesser bedeutet:

ε = DD/D.

Die Umfangsspannung ((7) kann sodann durch Multiplikation des Durchmesserdrucks mit dem Elastizitätsmodul (E) für das speziell in der Endkappe verwendete Material berechnet werden.

E = σ/ε.

Wie vorstehend erwähnt, setzt man bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine aus Teflon®-PFA gefertigte Endkappe 28 ein. Der Elastizitätsmodul für dieses Material beträgt 10000 psi (69,0 MPa).

Die sich im zeitlichen Verlauf ergebende Deformation der Endkappe läßt sich unter Bezugnahme auf die in Fig. 3 gezeigten Dauerversuchswerte ermitteln. Diese Figur zeigt die unter verschiedenen Belastungen bei Raumtemperatur (d. h. 73°F oder 23°C) beobachtete Zugbeanspruchung. Das beobachtete Dauerbe lastungsverhalten, das als prozentuale Druckbelastung bei einer gegebenen Last beschrieben wird, läßt sich dann ermitteln, indem man die logarithmische Skala interpoliert. Beispielsweise ist ersichtlich, daß nach 1000() Stunden die Zug beanspruchung für eine Umfangsspannung von 1033 psi (7, 13 MPa) in der Größenordnung von 2,5 % liegt. Die Restspannung in der Endkappe nach 10000 Stunden kann dann bestimmt werden, indem man die natürlichen Abmessungen der Endkappe nach der Dauerbeanspruchung heranzieht. Diese Bestimmung beinhaltet eine mehrstufige Berechnung. Zunächst können die natürlichen Ab messungen der Endkappe nach 10000-stündiger Dauerbelastung gemaß folgender Beziehung berechnet werden:

Anfänglicher ID + (anfänglicher ID) (% Druck nach 10000 Stunden).

Beispielsweise berechnet sich für die Endkappe mit einem anfänglichen Innendurchmesser von 0,271 Zoll der Durchmesser nach 10000-stündiger Dauerbelastung folgendermaßen:
0,271 Zoll + (0,271 Zoll) (2,5 %) = 0,278 Zoll.

Sodann läßt sich der Durchmesserdruck nach 10000 Stunden unter Heranziehung der natürlichen Abmessung der Endkappe berechnen. Setzt man dieses Beispiel fort, so läßt sich für die Endkappe mit einem anfänglichen Innendurchmesser von 0,271 Zoll der Durchmesserdruck nach 10000-stündiger Dauerbelastung folgendermaßen berechnen:
(0,299 Zoll - 0,278 Zoll)/0,278 Zoll = 0,076 Zoll/Zoll.

Als dritter Schritt kann die Restspannung nach 10000-stündiger Dauerbelastung auf die vorstehend beschriebene Weise berechnet werden, indem man die Umfangsspannung mit dem Elastizitätsmodul multipliziert. Im vorstehenden Beispiel kann die Restspannung auf folgende Weise berechnet werden:
(0,076 Zoll/Zoll) (10000 psi) = 764 psi (0,53 MPa).

In den Beispielen der vorstehenden Tabelle wurde angenommen, daß die Anordnung während der gesamten Gebrauchsdauer der Anordnung vorwiegend auf Raumtemperatur gehalten wird. Es ist jedoch ersichtlich, daß eine Beschränkung der Anwendung der Anordnung bei Raumtemperatur nicht beabsichtigt ist. Die sich ergebende Deformation und infolgedessen die Restspannung können in ähnlicher Weise unter Bezugnahme auf die Zeit- Deformations-Kurven für bei anderen Temperaturen angelegte Belastungen bestimmt werden. Außerdem weist in der bevorzugten Ausführungsform im allgemeinen die polymere weibliche Endkappe einen höheren Ausdehnungskoeffizienten als das metallische männliche Anschlußstück auf. Infolgedessen wird bei Anwendung von erhöhten Temperaturen die weibliche Endkappe nicht überbeansprucht und dauerhaft deformiert.

Für die bevorzugte Kombination aus Anschlußstück und Endkappe kommt eine Endkappe in Betracht, die für die gesamte Gebrauchsdauer des Teils eine maximale Restspannung aufweist (d. h. eine optimale Umfangsspannung nach 10000-stündiger Dauerbelastung). Die maximale verbleibende Umfangsspannung ist graphisch in Fig. 4 dargestellt. Die Werte für die Restspannung für in der vorstehenden Tabelle aufgeführte Endkappen sind als Funktion der Anfangsspannung aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß im allgemeinen die Abmessungen für das Anschlußstück und die Endkappe, die der höchsten Stelle der Kurve entsprechen, den optimalen Festsitz für die Restspannung ergeben. Bei diesen beispielhaften Berechnungen handelt es sich bei der Endkappe, die die optimale Restspannung nach 10000 Stunden bei Raumtemperatur aufweist, um die Endkappe mit einer Anfangsspannung von 1673 psi (11,5 MPa) oder die Endkappe mit einem Innendurchmesser von 0.263 Zoll, die auf ein Anschlußstück mit einem Außendurchmesser von 0,037 Zoll montiert ist.

Unter Berücksichtigung praktischer Herstellungserwägungen lassen sich die Anfangs- und Endwerte für Druck und Spannung unter Berücksichtigung der Konstruktionstoleranzen gemäß den vorstehend erläuterten Verfahren berechnen.

In der nachstehenden Tabelle sind die Berechnungen für Spannungs- und Druckbelastungswerte zusammengestellt, die in der optimal bemessenen Endkappe (ID = 0,262 +/- 0,003 Zoll) und Anschlußstück (OD = 0,305 +/- 0,002 Zoll) entstehen. Ferner sind in der folgenden Tabelle auch die Abmessungen für den Innendurchmesser der Endkappe nach 10000 Stunden bei Raumtemperatur angegeben. Es ist ersichtlich, daß der verbleibende Restdruck der Endkappe ausreicht, um einen Festsitz zwischen den Bauteilen zu gewährleisten und den Zusammenhalt der Dichtung aufrechtzuerhalten.

Ferner kann die Anordnung bei höheren Temperaturen unter Aufrechterhaltung des Zusammenhalts der Dichtung eingesetzt werden. Wie die nachstehend angegebenen Abmessungen zeigen, behalten die Endkappe und das Anschlußstück nach 10000 Stunden bei 392°F (200°C) ihren Festsitz. (Die Abmessungen der Bau teile lassen sich auf die vorstehend beschriebene Weise berechnen.)

Da bei der beschriebenen Konstruktion kein Dichtungsring erforderlich ist, sind bei ihrer Herstellung keine komplizierten Einrichtearbeiten oder Maschinenarbeitsgänge erforderlich. Somit ist es für den Fachmann ersichtlich, daß die Endkappe und das Anschlußstück gemaß der vorstehenden Beschreibung im Vergleich zu Anordnungen, die einen Dichtungsring umfassen, einfacher und wirtschaftlicher hergestellt werden können.

Die praktischen Erwägungen für die Anordnung müssen in entsprechender Weise auch bei der Konstruktion der Endkappe und des Anschlußstückes berücksichtigt werden. Um zu gewährleisten, daß die optimale Kombination aus Endkappe und Anschlußstück leicht zusammengebaut werden kann, können die Abmessungen für die Endkappe nach Erwärmung unter Heranziehung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (α) in Zoll/Zoll/°F gemäß folgender Gleichung berechnet werden, wobei DT den Anfangsdurchmesser der Endkappe in Zoll, D die Temperaturänderung in °F und 6 die sich ergebende Durchmesseränderung in Zoll bedeuten:

δ = α D DT.

Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist für einen beträchtlichen Temperaturbereich relativ konstant. Im allgemeinen nimmt der Koeffizient mit steigender Temperatur zu. Beispielsweise ergibt sich für ein Teflon®-PFA-Material folgender Wärmeausdehnungskoeffizient:

70°-212°F α = 7,6(10^-5) Zoll/Zoll/°F
212°-300°F α = 9,2 (10^-5) Zoll/Zoll/°F
300°-525°F α = 11,5(10^-5) Zoll/Zoll/°F.

(Alternative Materialien weisen höhere oder niedrigere Wärme ausdehnungskoeffizienten auf. Beispielsweise weist jungfräuliches homogenes Polypropylen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 5,0 (10^-5) Zoll/Zoll/°F auf, während ein Polyestermaterial einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der Größenordnung von 3,3-5,2 (10^-5) Zoll/Zoll/°F besitzt. Es ist jedoch ersichtlich, daß die Temperatur der Umgebung, in der die Endkappe verwendet werden kann, durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials, aus dem die Endkappe gefertigt ist, begrenzt ist.) Nachstehend sind die Abmessungen von repräsentativen Endkappen (bei den vorstehend angegebenen Toleranz-Extremwerten für die Konstruktion) bei 525°F (274°C) aufgeführt. Obgleich repräsentative beispielhaft aufgeführte Bauteile bei der Montage einen Festsitz ergeben, lassen sich die Endkappen und Anschluß stücke leicht zusammenbauen.

Anschlußstück
Endkappe
AD
ID
(Zoll)	(Zoll)	0,303	0,277
0,307	0,271

Ferner wurde experimentell festgestellt, daß sich die Bauteile leicht bei erheblichen geringeren Temperaturen zusammenbauen lassen. Da die Endkappe erwärmt wird, erweicht sie in ausreichendem Maße, um den Zusammenbau mit dem Anschlußstück unabhängig von der Wechselwirkung der Bauteile zu er möglichen. Nachstehend sind Abmessungen für repräsentative Endkappen (bei den vorstehend angegebenen Toleranz-Extremwerte für die Konstruktion) bei 300°F (149°C) (angegeben. Obgleich eine verbleibende Wechselwirkung zur Gewährleistung eines Paßsitzes besteht, lassen sich die Bauteile leicht zusammen bauen.

Anschlußstück
Endkappe
AD
ID
(Zoll)	(Zoll)	0,303	0,270
0,307	0,264

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die Filtereinrichtung und das Verfahren zum Abdichten der Filterendkappe 28 mit dem Gehäuse 12 als Folge einer thermischen Kontraktion der Endkappe 28 und/oder einer Expansion des Endes 32 des Anschlußstückes 20 erreicht wird. Die optimalen Abmessungen der Bau teile lassen sich so berechnen, daß sich ein maximaler Restdruck innerhalb der Endkappe 28 und/oder des Endes 32 des Anschlußstückes 20 über die gesamte Lebensdauer der Filterpatrone 22 ergibt. Durch Bereitstellung einer auf thermischem Wege erzielten Abdichtung, ist für die Anordnung kein zusätzlicher Dichtungsring erforderlich. Somit werden erfindungsgemäß zahlreiche Nachteile, die sich bei der Verwendung von Dichtungsringen, z. B. von elastomeren Dichtungen, ergeben, beseitigt.

Claims

1. Filtereinrichtung, gekennzeichnet durch ein Anschlußstück mit einem Bereich, mit einer die Rückbewegung verhindernden Formgebung und eine an dem Anschlußstück angebrachte Filteranordnung, wobei die Filteranordnung einen Filter und eine Endkappe, die am Filter angebracht ist und eine Wand definierende Bohrung aufweist, wobei die Endkappe bei einer ersten vorbestimmten Temperatur auf eine erste Größe expandierbar ist, wobei die Bohrung groß genug ist, um den eine Rückbewegung verhindernden Bereich des Anschlußstückes aufzunehmen, und bei einer zweiten vorbestimmten Temperatur auf eine zweite Größe kontraktierbar ist, wobei die Wand der Endkappe mit dem die Rückbewegung verhindernden Bereich des Anschlußstückes hermetisch abgedichtet ist.

2. Filtereinrichtung, kennzeichnet durch: ein Anschlußstück und eine Filteranordnung, die eine eine Wand definierende Endkappe umfaßt, wobei das Anschlußstück und die Wand der Endkappe durch thermische Expansion und Kontraktion unter elastischer Spannung so aneinander angepaßt und geformt sind, daß eine Befestigung und Abdichtung des Filters am Anschluß stück gewährleistet wird.

3. Filtereinrichtung, gekennzeichnet durch eine Kombination aus:
einer Gehäuseanordnung, die eine Gehäusekammer mit mindestens zwei Öffnungen, die einen durchgehenden Fließweg definieren, umfaßt, wobei die Gehäuseanordnung ferner mindestens eine innerhalb des Fließweges an einer der Öffnungen angeordnete Erweiterung umfaßt, wobei die Erweiterung einen im we sentlichen ringförmigen Bereich, der sich in die Gehäusekammer erstreckt, und
eine innere Bohrung, in der ein Fließvorgang abläuft, aufweist, wobei der im wesentlichen ringförmig ausgebildete Bereich der Erweiterung durch einen äußeren Durchmesser begrenzt wird, und
einer Filteranordnung, die ein Filtermaterial und mindestens eine Endkappe umfaßt, wobei die Endkappe eine im wesentlichen ringförmig ausgebildete Bohrung, die durch einen Innendurchmesser definiert ist, aufweist,
wobei der Innendurchmesser bei Umgebungsstemperatur kleiner als der Außen durchmesser des im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Bereichs der Erweiterung ist, wenn der im wesentlichen ringförmig ausgebildete Bereich nicht innerhalb der Endkappen-Bohrung angeordnet ist,
wobei die Filteranordnung innerhalb der Gehäusekammer im Fließweg angeordnet ist, wobei der im wesentlichen ringförmig ausgebildete Bereich während der Anwendung innerhalb der Endkappen-Bohrung so angeordnet ist, daß es eine Wechselwirkung zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser gibt, die eine Spannung in der Endkappe herbeiführt, wobei die Endkappen-Bohrung und der ringförmig ausgebildete Bereich der Erweiterung durch eine Dichtung abgedichtet sind, bei der es sich um eine unter elastischer Spannung bei Umgebungstemperatur ineinandergreifende Dichtung in der Form handelt, daß die Endkappen-Bohrung ohne Anwesenheit eines Dichtungsrings einen engen Paß am ringförmig ausgebildeten Bereich aufweist.

4. Filtereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappen-Bohrung und der im wesentlichen ringförmig ausgebildete Bereich der Erweiterung miteinander verbunden werden, indem man die Temperatur der Endkappe erhöht, um das Aufbringen der Endkappen-Bohrung über den im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Bereich der Erweiterung zu erleichtern und dann die Temperatur der Endkappe wieder auf Umgebungstemperatur bringt, um die Abdichtung zu bewerkstelligen.

5. Filtereinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Endkappen-Bohrung und der um wesentlichen ringförmig ausgebildete Bereich der Erweiterung verbunden werden, indem man die Temperatur des im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Bereichs der Erweiterung verringert, um das Aufbringen der Endkappen-Bohrung über den im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Bereich der Erweiterung zu erleichtern, und die Temperatur des im wesentlichen ringförmig ausgebildeten Bereichs der Erweiterung wieder auf Umgebungstemperatur zurückbringt, um die Abdichtung zu bewerkstelligen.

6. Filtereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser und der Innendurchmesser relativ zueinander so bemessen sind, daß sich eine maximale Restspannung in der Erweiterung und/oder der Endkappe für eine maximale Lebensdauer der Filtereinrichtung ergibt.

7. Filtereinrichtung nach Anspruch 6, wobei die optimale Spannung bestimmt wird, indem man die maximale zurückbleibende Spannung in der Endkappe bei gegebener Haltbarkeitsdauer berechnet.

8. Filtereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen ringförmig ausgebildete Bereich der Erweiterung eine Formgebung aufweist, die eine Rückbewegung verhindert.

9. Filtereinrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen ringförmigen Vorsprung entlang einer äußeren Ringfläche der Erweiterung.

10. Filtereinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappe eine ringförmige Ausnehmung entlang des Innendurchmessers der ringförmigen Endkappen-Bohrung aufweist, wobei der ringförmige Vorsprung innerhalb der ringförmigen Ausnehmung angeordnet ist.

11. Filtereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die ringförmige Oberfläche nach außen zu einer im wesentlichen flachen ringförmigen Oberfläche abgeschrägt ist.

12. Filtereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Oberfläche nach außen unter Bildung eines sphärischen Bereichs abgeschrägt ist.

13. Filtereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung zwischen der Endkappen-Bohrung und dem ringförmigen ausgebildeten Bereich der Erweiterung die Filteranordnung mit dem Gehäuse abdichtet und an diesem befestigt.

14. Filtereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappe ein polymeres Material aufweist.

15. Filtereinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material Teflon®-PFA umfaßt.

16. Filtereinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentliche ringförmig ausgebildete Bereich der Erweiterung aus Metall ist.

17. Filtereinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentliche ringförmig ausgebildete Bereich der Erweiterung aus rostfreiem Stahl ist.

18. Filtereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselwirkung eine Spannung in der Endkappe herbeiführt, die unterhalb der Streckspannung des Materials, aus dem die Endkappe gefertigt ist, liegt.

19. Filtereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmig ausgebildete Bereich der Erweiterung ein mit einer der Öffnungen gekuppeltes Anschlußstück umfaßt.

20. Filtereinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappen-Bohrung und das Anschlußstück miteinander verbunden werden, indem man die Temperatur der Endkappe erhöht, um das Aufbringen der Endkappen-Bohrung über das Anschlußstück zu erleichtern, und anschließend die Temperatur der Endkappe wieder auf Umgebungstemperatur zurückbringt, um eine durch thermische Kontraktion bewerkstelligte Dichtung zu erzielen.

21. Filtereinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Endkappen-Bohrung und das Anschlußstück miteinander verbunden werden, indem man die Temperatur des Anschlußstückes verringert, um das Aufbringen der Endkappen-Bohrung über das Anschlußstück zu erleichtern, und anschließend die Temperatur des Anschlußstückes wieder auf Umgebungstemperatur zurückbringt, um eine durch thermische Expansion gezielte Dichtung zu bewerkstelligen.

22. Verfahren zur Befestigung einer Filterendkappe auf einem Anschlußstück, gekennzeichnet durch folgende Stufen: Anheben der Temperatur der Endkappe über die Umgebungstemperatur, Aufbringen einer Bohrung der Endkappe auf ein eine Rückkehr verhinderndes Formstück des Anschlußstückes und Verringern der Temperatur der Endkappe um den Filter am Anschlußstück zu befestigen und eine durch thermische Kontraktion erzielte Dichtung zwischen der Endkappe und dem Anschlußstück zu bewerkstelligen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Zusammenbauen die Bewerkstelligung einer verbleibenden Wechselwirkung zwischen dem Innendurchmesser und dem Außendurchmesser bewirkt, die eine Spannung in der Endkappe herbeiführt.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Außendurchmesser und der Innendurchmesser im nicht-zusammengebauten Zustand so dimensioniert werden, daß sich eine optimale Spannung in der Endkappe für eine gegebene Haltbarkeitsdauer der Filtereinrichtung im zusammengebauten Zustand ergibt.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die optimale Spannung bestimmt wird, indem man die maximale zurückbleibende Spannung in der Endkappe bei der gegebenen Haltbarkeitsdauer berechnet.