CN1781578A - 吸附式过滤器 - Google Patents

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Abstract

介绍一种具有至少一个活性碳颗粒层的吸附式过滤器，其目的是这样地改进开头所述类型的吸附式过滤器，使它在尽可能简单和成本低廉的结构的情况下具有与普通过滤器相比好得多的击穿特性，其特征为：至少20％重量百分比的活性碳颗粒具有小于0.180mm的粒度，活性碳的总面重量为100至500g/m2之间。本发明的吸附式过滤器的特征是高的即时吸附效率。

Description

吸附式过滤器
技术领域
本发明涉及一种具有至少一个活性碳颗粒层的吸附式过滤器。
背景技术
目前在许多系统中，特别是在汽车空调中采用所谓的组合过滤器。这里它是用于颗粒分离的带有连接在后面的用来吸附气体的活性碳层的颗粒过滤器。这里活性碳层通常由碳粒组成，它可以结合在一例如由无纺布组成的基体上。这里所用的粒度和碳量是吸附容量、击穿特性(Durchbruchcharakteristik)和透气性之间的一个折衷。所用活性碳颗粒的粒度通常在20×60网目(mesh)范围内(按ASTM的D2862-97的网目尺寸)。这相当于粒度为0.25mm至0.85mm之间。单位面积上正常的活性碳涂抹量在250-500g/m2之间。
由现有技术已知大量关于改善吸附式过滤器的击穿特性的建议。通常它牵涉到过滤器结构，其中普通的带有颗粒状或球状碳的吸附式过滤器补充一具有高自发吸附/即时吸附(Spontanadsorption)的过滤区。
例如由DE19708692已知一种吸附式过滤器，为了改善击穿特性它在保持尽可能高的透气性和尽可能高的吸附容量的同时分成两个过滤区。第一个过滤区应该接收99％的有害物质，从而具有高的容量。第二个区域应该只有小的容量，但是具有高的吸附速度。对于第一个区域在文献中建议采用颗粒状或球状活性碳(粒度约0.3-1.0mm；总碳量为：约400-500g/m2)作为吸附剂，对于第二个区域最好采用由活性碳组成的纺织平面结构。
用已知过滤器可以达到非常好的击穿特性。但这种和文献中推荐的其它过滤器通常结构非常复杂和昂贵，它不仅在材料成本也在制造成本方面没有优势。
发明内容
本发明的目的是，这样地改进开头所述类型的吸附式过滤器，使它在尽可能简单和成本低廉的结构的情况下具有与普通过滤器相比好得多的击穿特性。
这个目的用具有权利要求1特征的吸附式过滤器实现。本发明优良的结构在从属权利要求中介绍。
按本发明设想，在包括至少一个活性碳颗粒层的吸附过滤器中，至少20％重量百分比的活性颗粒具有小于0.180mm的粒度，活性碳的总的面重量在100至500g/m2之间。
本发明的吸附式过滤器具有非常好的击穿特性。通过采用较小的粒度大大提高了吸附速度。通常随着粒度的减小带来不希望的过滤介质透气性的降低。这按照本发明通过这样的方法解决，即所用活性碳的量远远低于常用的量，而付出降低吸附容量的代价。与现有技术中盛行的观点不同，即高效率的吸附过滤器除了高的吸附速度外还必须具有尽可能大的吸附容量，因此例如由开头所述的DE 197 08 692 C2所知的高效吸附式过滤器既具有高吸附速度区，又具有高活性碳成分区，从而具有高的吸附容量，而本专利发明人认为：可以达到的吸附容量的大小对于过滤器的功能没有太大意义，这只是人们的主观猜想。
发明人特别是认识到，在公路交通中存在的有害气体负荷大多仅仅作为短时间的浓度高峰出现，它们可以通过一具有高即时吸附的快速反应吸附式过滤器非常好地消除，这里吸附容量只起次要作用。此外在带普通吸附式过滤器的组合过滤器的持续运行测试和主体效率评定范围内(DIN10950：“sensorisches Training”和DIN 13725：“Olfaktometrie”)显示，按DIN 71460/2吸附容量的大小不是组合过滤器过滤器寿命或主体气味降低性能的衡量标准。
最后按本发明认为：小于0.180mm的活性碳颗粒提高到20％重量百分比已经造成即时吸附的显著改善。这里按照本发明活性碳的总面重量在100和500g/m2之间。这个数值是过滤介质良好的透气性和足够的吸附容量之间的一个折衷。如果活性碳的总面重量低于100g/m2的数值，那么待吸附分子与活性碳接触的几率便减小。其结果是过滤器的吸附效率变差，并且可以出现Channeling效应。相反如果超过上限500g/m2，过滤介质的透气性便大大下降。
本发明的核心在于这样地合适选择活性碳细颗粒成分和粗颗粒成分的涂抹量的混合，使得可以在尽可能好的透气性和过滤效果的情况下实现高的吸附速度。在这方面本发明还包括这样的吸附式过滤器，它包括由活性碳颗粒组成的混合物，其中混合物包括粗细成分，这里粗颗粒成分和细颗粒成分的混合比以及活性碳颗粒的总量这样选择，使得实现本发明吸附式过滤器的过滤性能。
本发明一种优选的实施形式中至少30％，特别优先50％以上重量百分比的活性碳颗粒具有小于0.180mm的粒度，从而进一步提高吸附速度，而另一方面透气性足够好。
在透气性方面非常良好的数值还用250g/m2的活性碳总面重量达到。用在150至230g/m2之间的活性碳总面重量达到在击穿性能、透气性和吸附容量方面特别好的结果。
活性碳颗粒最好结合在由无纺布组成的基体材料上或内。这方面的技术是公知的，在专利文献中有很多说明。
吸附式过滤器特别是可以用在开头所述类型的组合过滤器中，它包括一颗粒过滤区，例如由无纺布组成的颗粒过滤器，它可以静电充电，和包括一有害物质吸附区。
吸附式过滤器也可以和多个颗粒过滤器和/或其它吸附式过滤器-它们例如可以分别针对专门的有害物质并具有不同的吸附剂-组合使用。活性碳颗粒和/或用在吸附式过滤器中的吸附剂可以用已知方法局部或整体配备酸性、催化或者碱性(物质)。
吸附式过滤器可以具有和普通过滤器一样的几何形状，例如做成板式过滤器或之字形过滤器。
还可以设想，将吸附式过滤器做成过滤筒。这种结构使得可以将过滤器紧凑地布置在一个合适的壳体内。
吸附式过滤器可以做成呼吸保护过滤器。这种结构使得可以用在防护对肺有害物质的装置中。
吸附式过滤器可以例如用作特别是在自动汽车(KFE)空调装置中的组合过滤器的组成部分。这种空调装置越来越具有这样的特征，即在有害气体含量或者说浓度高时自动地切换到室气循环运行，这时停止从外部输入空气，而是使空气在汽车内部空间内循环流动。为此在空气入口处设置有害气体传感器，它们测量抽入的空气的有害气体含量或者说浓度(主要是碳氢化合物和氮氧化物)，并给空调装置的控制装置发出一个信号，以关闭所述的循环空气阀，从而防止外界空气中高的有害气体浓度进入乘客车厢。这里的问题是，从在抽吸区内有害气体浓度超标和与之相关的有害气体传感器发生信号起的时刻到循环空气阀完全关闭为止要经过几秒钟的时间间隔，在这段时间内高浓度的有害气体进入空调装置内，从而通过组合过滤器。这时有害气体击穿过滤器的危险很大。事实表明，本发明的吸附式过滤器具有这么高的即时吸附效率，使得即使在高的有害气体浓度时完全防止在由系统决定的几秒钟的循环空气阀关闭时间期间有害气体击穿(过滤器)而进入汽车内部空间。这种效果允许，在采用这里所述的过滤器时在结构上大大简化循环空气阀系统，由此减缓其关闭性能。由此可以节省可观的费用。另一方面本发明的吸附式过滤器的吸附容量对于还没有促使有害气体传感器作出反应的较低的有害气体含量时吸附流过的有害气体是足够的。
传感器部分选择性地工作，不测量包含在气味和有害气体内的所有分子。但是吸附式过滤器即使在传感器未开始工作时仍吸附经过它的分子，由此确保，不会出现不希望的有害气体。
也可以采取使有害物质从吸附式过滤器中解吸的措施，例如如通过通入热空气加热过滤器，或提高过滤器的入流量，这时在解吸期间带有有害气体的空气必须通过旁路管道从汽车内部空间旁边引开。
吸附式过滤器与手动操作的循环空气阀相结合也带来优点。
特别是与在有害物质含量高时切换到循环空气运行的可能性相结合本发明的吸附式过滤器尽管纯粹用测量技术(按DIN 71460/2)测出的吸附容量较小，但是在实际使用中在外界空气有害气体含量高时过滤器通过关闭循环空气阀“保护”，因此吸附材料没有有害气体负荷，因此它具有和已知过滤器一样的使用寿命。在循环空气运行时吸附式过滤器既可以位于循环空气阀的空气输入端，因此在循环空气阀的关闭时不再有外部空气流过，但是也可以位于循环空气阀的输出端，并在循环空气运行时只有汽车内部的空气流过。与已知过滤器不同在按本发明的吸附式过滤器中使用效果，亦即主体的气味减小，显著改善。
尽管上面结合在汽车中的应用介绍本发明的吸附式过滤器的性能和优点，但本发明的吸附式过滤器绝不局限于这种应用。它可以用在任何过滤装置中，例如用在用于房间调温的空调装置中和不可移动或可移动的室内空气净化装置中。
下面借助于实施例和附图详细说明本发明。
附图说明
附图中唯一的图形表示：
标准过滤器与动态优化过滤器在正丁烷-击穿测量方面比较的图表
具体实施方式
实施例：
对三个具有带不同活性碳量的吸附式过滤器的组合过滤器以及市场上可买到的标准组合过滤器确定正丁烷击穿。过滤器设计成具有之字形折叠的过滤介质的公知的折叠式过滤器，它被一框架包围。所有过滤器都由无纺布制成。
过滤器的制造是有偏差的，这里应该考虑到，实际的活性碳涂抹量可能与理论值相差20g/m2。，其大小在一规定的粒度以下的活性碳颗粒的份量可以与理论值偏离10％。
测量按适用于汽车内部过滤器的气体吸附标准DIN 71460-2进行。
过滤器的具体结构如下：
组合过滤区具有一由聚丙烯(PP)组成的单层颗粒过滤器。颗粒过滤器的面重量为60g/m2，过滤材料静电充电，纤维直径为20-40μm。
化学过滤器包括面重量为约43g/m2和纤维直径为约10至25μm的聚酯(PES)基体材料。它载有颗粒形活性碳。面重量为150、200和250g/m2。粒度为0.106至0.425mm。在这种粒度分布时40％重量百分比以上的颗粒小于0.180mm。
用来进行比较的标准组合过滤器具有一带有静电充电、面重量为60g/m2、纤维直径为约30μm的聚丙烯(PP)过滤层的单层颗粒过滤器。
化学过滤区包括面重量为350g/m2的颗粒状活性碳(0.25-0.6mm)，它涂覆在面重量为约50g/m2的PES基体上。粒度为0.25至0.6mm，在这种粒度时只有约1％重量百分比的颗粒小于0.180mm。
测量结果表示在附图唯一的图形中。
图中的图表表示测量值，它们在采用四种不同过滤器的情况下在正丁烷击穿测量时测得。试验用23℃和50％相对湿度的空气进行，流量为180m3/h，空气带有80ppm的正丁烷。
在图中的图表中可以看到，在标准组合过滤器时大致为约7％的(面积)立即击穿，这虽然可以通过提高活性碳的总量略微减轻，但不能完全排除，因为随着压力损失的加大，活性碳量不能任意增加。
而在这里我们所述的组合过滤器时根据活性碳量的不同立即击穿显著减少，亦即在150或200g/m2的活性碳量时在2至3％，在250g/m2的活性碳量时甚至达到数值0。此外显示出，在标准过滤器时击穿的增长(线)比我们所述的吸附式过滤器时陡得多。在对于循环空气阀的关闭假设的最大时间间隔10秒钟后对于标准过滤器正丁烷击穿的数值为17％，已经比较高，对于具有150,200和250g/m2活性碳的过滤器则低得多，只有10％、5％和3.5％。

Claims (6)

1.吸附式过滤器，具有至少一个活性碳颗粒层，其特征为：活性碳颗粒的至少20％具有小于0.180mm的粒度，活性碳总的面重量在100至500g/m2之间。
2.按权利要求1所述的吸附式过滤器，其特征为：活性碳颗粒的至少30％具有小于0.180mm的粒度。
3.按权利要求1或2所述的吸附式过滤器，其特征为：活性碳的总面重量在150至230g/m2之间。
4.按权利要求1至3之任一项所述的吸附式过滤器，其特征为：活性碳的基体材料包括无纺布。
5.包括按权利要求1至4之任一项所述的吸附式过滤器的组合过滤器。
6.按权利要求5所述的组合过滤器，其特征为：用于组合过滤器颗粒过滤区的材料包括无纺布。
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