DE102004002774B3 - Sorptiver Kanalfilter - Google Patents

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Abstract

Es wird ein sorptiver Kanalfilter, insbesondere für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, beschrieben, der mittels seines Sorptionsmittels einen Filter für VOCs sowie einen Puffer für Wasser als auch einen Ozonfilter bildet. Der Kanalfilter weist eine wabenförmige Kanalstruktur auf, wobei die offene Kanalfläche mindestens 55% bzw. mindestens 75% und die Zelligkeit maximal 45 Zellen/cm·2· bzw. maximal 15 Zellen/cm·2· beträgt. Das Sorptionsmittel weist eine Porengrößenverteilung mit einem Mikroporenvolumen von mindestens 0,4 cm·3·/g und mit einem Mesoporenvolumen von mindestens 0,15 cm·3·/g auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen sorptiven Kanalfilter, insbesondere für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, der mittels seines Sorptionsmittels sowohl einen Filter für VOC's als auch einen Puffer für Wasser sowie einen Ozonfilter bildet.
  • Klimaanlagen von Automobilen weisen einen Filter zur Filtration von Partikeln und Gasen auf. Dieser Filter ist in Ansaugrichtung vor dem Verdampfer der Klimaanlage angeordnet. Üblicherweise bestehen diese Filter aus plissierten Strukturen.
  • Die WO 01/91886 A1 beschreibt einen plissierten Filter, der zur Gasfiltration vorgesehen ist. Plissierte Filter besitzen eine große Anströmfläche und eine geringe Filtertiefe. Die Filtertiefe wird im wesentlichen durch die Faltenhöhe bestimmt.
  • Der Trend im Klimaanlagenbau für Kraftfahrzeuge führt zu einem immer kleiner werdenden Volumen, das für den Filter zur Verfügung steht. Große Anströmflächen in Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge stehen in Zukunft nur noch direkt vor dem Verdampfer – allerdings auch nur noch mit einer geringen Filtertiefe – zur Verfügung. Es wird folglich immer schwieriger, bei dieser Reduzierung des Filtervolumens die geforderte Filterleistung aufrechtzuerhalten. Ideal wäre es, wenn die Filterleistung direkt in bereits vorhandene Kanalabschnitte integriert werden könnte. Hierzu müsste das Prinzip der großen Anströmfläche und der geringen Filtertiefe in eine kleine Anströmfläche bei einer großen Filtertiefe umgewandelt werden. Ein solcher in einen Kanalabschnitt integrierter Filter würde, von der Anordnung in der Klimaanlage her, hinter den Verdampfer wandern. In diesen Kanalfilter wird nur die Funktion der Gasfiltration integriert. Die Partikelfiltration kann als flacher plissierter Filter direkt vor dem Verdampfer verbleiben.
  • Ein Filter gemäß der oben genannten WO 01/91886 A1 mit einer kleinen Anströmfläche und einer großen Filtertiefe würde jedoch zu einem enormen Anstieg des Druckabfalls führen. Die Plissiertechnik eignet sich also kaum für einen in einen Kanalabschnitt zu integrierenden Filter. Eine bessere Lösung bietet hier beispielsweise die WO 01/12295 A1, die einen Filter mit einer wabenförmigen Struktur offenbart. Die durchgehenden Kanäle der wabenförmigen Struktur führen zu einem niedrigen Druckabfall, wie er für einen solchen kanalintegrierten Filter benötigt wird. Ein Mangel dieser bekannten Filterstruktur besteht darin, dass ein erheblicher Teil der Filterstruktur von einem Trägergerüst gebildet ist, so dass wertvolles Volumen für die in die Filterstruktur zu integrierenden Adsorbentien verloren geht.
  • Neben der Nutzung des vorhandenen Bauraumes in Kanalleitungen gibt es noch drei weitere Aspekte, die den Einbau eines sorptiven Filters hinter dem Verdampfer einer Klimaanlage als sinnvolle Lösung erscheinen lassen:
    1. Bei der richtigen Wahl des Adsorptionsmittels kann ein solcher Kanalfilter außer der Filtration von VOC's auch als Wasserpuffer wirken. Damit kann gleichzeitig das Problem des "Flash-Fogging" gelöst werden. Flash-Fogging tritt dann auf, wenn sich nach dem Betrieb der Klimaanlage auf dem Verdampfer noch kondensierte Restmengen an Wasser befinden, die im abgeschalteten Zustand der Klimaanlage nicht mehr verdampfen. Beim Wiedereinschalten der Klimaanlage wird dieses kondensierte Wasser mittels der durchströmenden Luft verdunstet und gelangt in den Innenraum des Fahrzeuges, wo es an kalten Oberflächen wieder kondensiert. Das führt insbesondere in der kalten Jahreszeit und während der sogenannten Übergangszeiten zu einem Beschlagen der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs. In der Regel tritt dieses Beschlagen der Windschutzscheibe zeitlich verzögert nach dem Start der Klimaanlage auf, d.h. das Fahrzeug kann dann bereits in Bewegung sein.
  • Die DE 100 58 946 A1 beschreibt den Einsatz eines passiven Entfeuchtungsfilters, der in einer Klimaanlage hinter dem Verdampfer angeordnet ist, um den oben beschriebenen Effekt des Flash-Foggings zu verhindern. Es wird dort jedoch nicht beschrieben, wie der Filter ausgelegt sein muss, um zum einen einen niedrigen Druckabfall zu besitzen und zum anderen auch als guter Wasserpuffer zu wirken.
  • 2. Klimaanlagen haben sehr oft die Eigenschaft, dass sie aufgrund des hohen Feuchtegehaltes im Verdampferbereich unangenehme Gerüche entwickeln. Diese Geruchsentwicklung tritt ähnlich wie das Flash-Fogging-Problem nur innerhalb der ersten Minuten nach dem Einschalten der Klimaanlage auf. Hier könnte ein adsorptiver Filter für eine Pufferung der Geruchsstoffe sorgen. Diese Geruchsstoffe werden von dem Filter anschließend während der Fahrzeit in deutlich kleineren Konzentrationen wieder abgegeben, so dass dann keine Geruchsbelästigung auftritt.
  • 3. Um das Geruchsproblem von Klimaanlagen zu lösen, gibt es Entwicklungen, die durch eine Entkeimung des Verdampfers eine entsprechende Geruchsentwicklung verhindern sollen.
  • In der DE 196 51 403 A1 und in der DE 199 19 623 A1 werden Luftaufbereitungssysteme beschrieben, bei welchen durch die Erzeugung von Ozon sowohl Schadstoffe als auch Keime in der Zuluft zerstört werden. Das ist jedoch nur mit einem bestimmten Ozonüberschuss möglich. Ein Ozonfilter am Ausgang der Klimaanlage könnte das überschüssige Ozon abbauen, damit jederzeit sichergestellt ist, dass im Fahrzeug-Innenraum der zulässige MAK-Wert für Ozon nicht erreicht bzw. deutlich unterschritten wird. Bei der richtigen Wahl des Sorptionsmittels kann der Filter auch die Funktion eines Sorptionskatalysators, wie er als Bestandteil des in der genannten DE 199 19 623 A1 beschriebenen Systems aufgeführt wird, erfüllen und Ozon wirkungsvoll abbauen.
  • Eine wabenförmige Ausführung eines Sorptionskatalysators ist in der DE 100 14 485 A1 beschrieben. Nachteilig ist dort, dass das Sorptionsmittel auf einen vorhandenen Träger aufgebracht ist und somit wertvolles Volumen verloren geht.
  • Ein Filter in Wabenform, integriert in einen vorhandenen Kanalabschnitt, hätte noch eine weitere nützliche Eigenschaft; er kann nämlich als Strömungsgleichrichter wirken, wodurch sich je nach der Gestaltung der Klimaanlage Optimierungen hinsichtlich des gesamten Druckverlustes über die Anlage als auch hinsichtlich der Geräuschentwicklung ergeben.
    •
  • Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen sorptiven Kanalfilter zu schaffen, der einen niedrigen Luftwiderstand aufweist und als Strömungsgleichrichter wirkt, und der aufgrund der Eigenschaften der eingesetzten Sorptionsmittel sowohl als Filter für VOC's als auch als Puffer für Wasser sowie aufgrund seiner großen Oberfläche als Ozonfilter arbeitet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Aus- bzw. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Filters sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Filtersysteme, die gemäß dem Stand der Technik in flacher Bauform vor dem Verdampfer der Klimaanlage eingebaut werden, besitzen üblicherweise eine Anströmfläche zwischen 4,5 und 6,5 dm2. Durch die Nutzung von vorhandenem Rohrleitungsbauraum ergeben sich bei gleichem Volumendurchsatz um bis zu 5,5fach höhere Strömungsgeschwindigkeiten. Wabenstruktur und Zelligkeit des erfindungsgemäßen Kanalfilters sind so gestaltet, dass sich trotz der Querschnittsverengung keine zu hohen Druckabfälle ergeben. Diese dürfen maximal in der Größenordnung der bekannten Geruchsfilter liegen. Durch den geringen zur Verfügung stehenden Bauraum ist auch die Menge an Adsorber, die in dem erfindungsgemäßen Kanalfilter unterbringbar ist, eingeschränkt. Erfindungsgemäß ist es in vorteilhafter Weise möglich, trotz der Vorgaben hinsichtlich offener Fläche und Zelligkeit soviel Adsorptionsmittel zu integrieren, dass die Leistung eines an sich bekannten Kombinationsfilters erreicht wird.
  • Wabenkörper aus Aktivkohle sind z.B. in der DE 101 04 882 A1 oder in der DE 102 13 016 A1 beschrieben. Der Einsatz solcher Aktivkohlewabenstrukturen zum Filtern von VOC's ist bekannt. Um jedoch die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Wassersorption und Adsorption von Kohlenwasserstoffen zu erreichen, muss das Sorptionsmittel richtig gewählt werden. Hier hat sich überraschend gezeigt, dass die Verwendung eines Sorptionsmittels wie Aktivkohle mit einem großen Mesoporenanteil vorteilhaft ist. Für die VOC-Adsorption muss das Sorptionsmittel einen Mindestanteil an Mirkoporen aufweisen. Das kann z.B. dadurch erreicht werden, dass einer mesoporösen Aktivkohle ein gewisser Anteil einer mikroporösen Aktivkohle zugemischt wird.
  • Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen sorptiven Kanalfilters.
    •
  • Ausführungsbeispiel 1:
  • Es wird eine Aktivkohle verwendet, die folgende Porengrößenverteilung besitzt:
    Mikroporenvolumen: 0,85 cm3/g
    ermittelt aus der Stickstoffisotherme nach Barrett, Joyner und Halenda
    Mesoporenvolumen: 0,92 cm3/g
    berechnet aus einem Quecksilberintrusionsdiagramm nach der Washburn-Gleichung. Mit dieser Aktivkohle wurde ein Aktivkohlewabenkörper gemäß der DE 101 04 882 mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
    35,3% Aktivkohle, 11,7% pulverförmiges Phenolharz, 8% Ton, 28,7% Wasser, 9,5% eines Celluloseethers, 4,5% Glycerin, 0,7% Ölsäure und 1,6% Seife.
  • Die Außenabmessungen dieses Wabenkörpers sind: Durchmesser 120 mm, Länge 100 mm. Die Anzahl von Zellen/cm2 beträgt 43 und die offene Querschnittsfläche 55%.
  • Ausführungsbeispiel 2:
  • Es wurde dieselbe Aktivkohle und dieselbe Rezeptur wie bei Ausführungsbeispiel 1 verwendet. Es wurde wieder ein Wabenkörper mit einem Durchmesser von 120 mm, diesmal jedoch mit einer Länge vom 150 mm, einer Zelldichte von 15 Zellen/cm2 und mit Verstärkungen an den Kreuzungspunkten hergestellt. Ein Abschnitt des Querschnittes des Kanalfilters mit seinen Zellwänden mit den Verstärkungen an den Kreuzungspunkten ist in 1 dargestellt. Der Vorteil dieser Zellstruktur besteht darin, dass mit den Verstärkungen auf den Kreuzungspunkten zusätzliche Aktivkohle in dem Filter unterbringbar ist, ohne dass zusätzlich ein großer Differenzdruck aufgebaut wird. Das liegt daran, dass bei der Durchströmung von quadratischen Kanälen eine Kernströmung gegeben ist, während die Ecken nur wenig durchströmt werden. Diese wenig durchströmten Ecken werden durch die Verstärkungen ausgefüllt. Die offene Querschnittsfläche beträgt 75%.
  • Eine andere Möglichkeit, eine optimale Durchströmung der Querschnittsfläche des Kanalfilters zu erhalten, ist eine Ausgestaltung mit hexagonalen Kanälen. Ein Muster einer solchen Zellstruktur ist in 2 verdeutlicht. Die Ecken dieser Struktur sind durch 120°-Winkel des jeweiligen Hexagons gegeben, sie werden besser durchströmt und ausgenutzt als quadratische Kanäle. Auch bei dieser Ausbildung mit hexagonalen Kanälen können die Ecken derselben mit Verstärkungen ausgebildet sein.
  • Die optimale Kanalgeometrie ist die eines zylinderförmigen Kanals mit einer kreisrunden Querschnittsfläche. Um auch in diesem Fall eine möglichst große offene Kanalfläche zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Kanäle in einem hexagonalen Muster angeordnet sind. 3 verdeutlich ein Muster für eine solche Kanalstruktur der zuletzt genannten Art.
  • In 4 sind die Differenzdruck-Kennlinien der Filter gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 (Sterne mit der Bezugsziffer 2) und gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 (Dreiecke mit Bezugsziffer 3) dargestellt. Bei einem Volumendurchsatz von 2,5 m3/min ergibt sich für die Anströmfläche von 1,1 dm2 (= 120 mm Durchmesser) eine Durchströmgeschwindigkeit von 3,7 m/s. Dieser Arbeitspunkt ist als senkrechte Linie 4 dargestellt. Ebenfalls eingezeichnet ist die Druckabfallkennlinie eines reinen Geruchsfilters (Kreise mit der Bezugsziffer 1). Der mit der Bezugsziffer 5 bezeichnete Arbeitspunkt liegt für diesen Filter bei 0,8 m/s, da er aufgrund der flachen Bauweise eine deutlich größere Anströmfläche aufweist. 4 verdeutlicht, dass die beiden erfindungsgemäßen Kanalfilter, normiert auf die Anströmgeschwindigkeit, gegenüber dem Stand der Technik einen deutlich niedrigeren Druckabfall aufweisen. Der Druckabfall des Geruchsfilters wird jedoch erst durch die Reduzierung auf 15 Zellen pro cm2 erreicht.
  • 5 zeigt die Durchbruchskurven für n-Butan des erfindungsgemäßen Kanalfilters gemäß den beiden Ausführungsbeispielen 1 (Sterne mit der Bezugsziffer 22) und 2 (Dreiecke mit der Bezugsziffer 33). Die Filter wurden mit der oben angegebenen Anströmgeschwindigkeit von 3,7 m/s vermessen, wobei 50% relative Feuchte und eine Temperatur von 23°C eingestellt waren. Das Testgas wurde mit einer Konzentration von 80 ppm dosiert. Zum Vergleich ist die Durchbruchskurve eines bekannten Kombinationsfilters dargestellt (Rauten mit der Bezugsziffer 11). Der bekannte Kombinationsfilter besitzt eine Anströmfläche von 5,4 dm2 und eine Filtertiefe von 30 mm. Der Gehalt an einer mikroporösen Aktivkohle betrug in diesem bekannten Kombinationsfilter 150 g. Es zeigt sich, dass die erfindungsgemäßen Kanalfilter gemäß Ausführungsbeispiel 1 und gemäß Ausführungsbeispiel 2 hinsichtlich Kapazität und Adsorptionsdynamik die gleiche Leistung wie der bekannte Kombinationsfilter besitzen.
  • Das Wasseraufnahmevermögen und den Arbeitshub zwischen 81% relativer Feuchte und 53% relativer Feuchte der in den beiden erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen verwendeten Aktivkohle ist in 6 verdeutlicht. Es zeigt sich, dass die Aktivkohle zwischen 53% und 81% relativer Feuchte bis zu 30 ihres Eigengewichts an Wasser aufnehmen kann.
  • 7 verdeutlicht die Reduktion einer hohen Luftfeuchtigkeit in einem Luftstrom durch einen erfindungsgemäßen Kanalfilter. In dieser Figur ist der Verlauf der relativen Feuchte vor dem Kanalfilter durch die durchgezogene Kurve 111 und hinter dem Kanalfilter mit der strichlierten Kurve 222 bei der Vermessung eines erfindungsgemäßen Kanalfilters gemäß Ausführungsbeispiel 2 dargestellt. Die Strömungsgeschwindigkeit bei dieser Messung betrug 0,5 m/s. Diese geringe Strömungsgeschwindigkeit stellt das langsame Anlaufen eines Lüfters einer Klimaanlage dar.
  • Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kanalfilters ergibt sich, wenn der Filter zusätzlich mit einer Imprägnierung versehen wird, oder wenn als Aktivkohle eine katalytisch wirksame Aktivkohle verwendet wird. Ein solcher Filter hat dann eine filtrierende Wirkung gegenüber sauren Gasen wie SO2 und H2S. Weiterhin ist es möglich, imprägnierte bzw. mit einer katalytischen Aktivkohle hergestellte Filter und einen rein adsorptiven Filter hintereinander zu schalten.

Claims (19)

  1. Sorptiver Kanalfilter, insbesondere für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, der mittels seines Aktivkohle aufweisenden Sorptionsmittels sowohl einen Filter für VOC's als auch einen Puffer für Wasser sowie einen Ozonfilter bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalfilter eine wabenförmige Kanalstruktur aufweist, wobei die offene Kanalfläche mindestens 55% und die Zelligkeit maximal 45 Zellen/cm2 beträgt, und dass das Sorptionsmittel eine Porengrößenverteilung mit einem Mikroporenvolumen von mindestens 0,4 cm3/g und mit einem Mesoporenvolumen von mindestens 0,15 cm3/g aufweist.
  2. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Kanalfläche mindestens 60% beträgt.
  3. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Kanalfläche mindestens 70% beträgt.
  4. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die offene Kanalfläche mindestens 75% beträgt.
  5. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelligkeit maximal 35 Zellen/cm2 beträgt.
  6. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelligkeit maximal 20 Zellen/cm2 beträgt.
  7. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelligkeit maximal 15 Zellen/cm2 beträgt.
  8. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroporenvolumen mindestens 0,7 cm3/g und das Mesoporenvolumen mindestens 0,25 cm3/g aufweist.
  9. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsmittel ein Gemisch aus mesoporöser Aktivkohle und mikroporöser Aktivkohle aufweist.
  10. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mesoporöses Sorptionsmittel mit mikroporöser Aktivkohle gemischt ist.
  11. Sorptiver Kanalfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalfilter eine Imprägnierung aufweist.
  12. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Imprägnierung von einem Metallsalz gebildet ist.
  13. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sorptionsmittel eine katalytische Aktivkohle aufweist.
  14. Sorptiver Kanalfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalfilter aus mindestens zwei Filterteilstücken zusammengesetzt ist.
  15. Sorptiver Kanalfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalfilter folgende Zusammensetzung (in Gew-%) aufweist: 35,3% Aktivkohle, 11,7% pulverförmiges Phenolharz, 8,0% Ton, 18,7% Wasser, 9,5% eines Celluloseethers, 4,5% Glycerin, 0,7% Ölsäure, und 1,6% Seife.
  16. Sorptiver Kanalfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalfilter durchgehende Kanäle mit einem kreisrunden lichten Querschnitt aufweist, die in einem hexagonalen Rastergitter angeordnet sind.
  17. Sorptiver Kanalfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalfilter Durchgangskanäle mit einem hexagonalen lichten Querschnitt aufweist, die in einem hexagonalen Rastergitter angeordnet sind.
  18. Sorptiver Kanalfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanalfilter Durchgangskanäle mit einem quadratischen lichten Querschnitt aufweist, die in einem orthogonalen Rastergitter angeordnet sind.
  19. Sorptiver Kanalfilter nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken der Kanäle mit Verstärkungen ausgebildet sind.
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