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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mehrlagiges Filtermaterial für einen Innenraumluftfilter eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Filterelement eines Fahrzeugs, welcher mit Hilfe des erfindungsgemäßen mehrlagigen Filtermaterials hergestellt ist.
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Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Personenkraftfahrzeugen, besteht ein Bedarf, einen Fahrzeuginnenraum, vorzugsweise einen Passagierraum, mit sauberer Luft zu versorgen. Die Luftversorgung des Fahrzeuginnenraums erfolgt üblicherweise mit Hilfe einer Klimatisierungsanlage, die Luft aus dem Innenraum ansaugt, mit Hilfe eines Innenraumluftfilters reinigt und dem Innenraum zurückführt (Umluftbetrieb) oder frische Luft aus der Umgebung ansaugt und mit Hilfe des Innenraumluftfilters reinigt und dem Innenraum zuführt (Frischluftbetrieb). Ebenso sind bei modernen Klimatisierungsanlagen beliebige Zwischenstellungen zwischen einem derartigen Umluftbetrieb und einem derartigen Frischluftbetrieb möglich (Mischluftbetrieb). Während ein derartiges Innenraumluftfilter ursprünglich nur grobe Verunreinigungen aus der Luft herausfiltern musste, sind die Anforderungen an derartige Innenraumluftfilter und die dabei zum Einsatz kommenden Filtermaterialien ständig gestiegen. Zwischenzeitlich soll mit Hilfe eines Innenraumluftfilters eine Reinigung der angesaugten Luft von Pollen, Feinstaub und Gerüchen erreicht werden. Für jede Anforderung wird dabei eine eigenständige Filterlage benötigt. Dieser Typ Filter wird auch als Hybridfilter bezeichnet. Insbesondere stellen dabei die hohen Feinstaubbelastungen in urbanen Räumen eine große Schwierigkeit dar, da die Feinstaubpartikel sehr feine Filtermaterialien benötigen. Hierdurch steigt der Durchströmungswiderstand des gesamten Luftfilters was eine ökonomische Betriebsweise der Klimatisierungsanlage behindert. Es kommen daher bevorzugt mehrlagige Filtermaterialien zum Einsatz, die stets einen optimierten Kompromiss für die jeweilige Reinigungsaufgabe repräsentieren, welche den heutigen Anforderungen nicht mehr gerecht werden. Insbesondere in urbanen Ballungsräumen liegen heutzutage Feinstaubbelastungen im Tagesmittel weit über dem PM2.5-Wert von 25µg/m3, welchen die Weltgesundheitsbehörde als Grenzwert vorgibt. Daher besteht gerade im Bereich der Feinstaubfiltration erheblicher Handlungsbedarf.
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Die 10 2015 205 551 A1 beschreibt ein Adsorptionsfiltermedium für einen Innenraumluftfilter eines Fahrzeugs mit mehreren Adsorptionslagen zur Reinigung von Gerüchen. Um den Durchströmungswiderstand bei dieser Art Filter gering zu halten wird dabei auf einen zusätzliche Partikelfilterlage verzichtet womit die Feinstaubgrenzwerte der WHO im Fahrzeuginnenraum nicht eingehalten werden können.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Filtermaterialaufbau der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere einen besseren Abscheidegrad von Feinstaubpartikeln und Geruchsstoffen aufweist und dabei einen geringen Durchströmungswiderstand hat.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Filtermaterialaufbau mit mindestens zwei Lagen bereitzustellen, die in der Durchströmungsrichtung des Filtermaterials aneinander angeordnet sind bzw. aneinander anliegen. Hierbei handelt es sich erfindungsgemäß um eine erste Lage, aufweisend Glasfasern, die zur Feinstaubfiltration dient und eine ausreichende Steifheit aufweist, um das Medium zu stabilisieren, und eine zweite Lage, aufweisend ein adsorbierendes Material, die zur Filtration von Gerüchen dient und zusätzlich ein Entweichen, sogenanntes „Shedding“, von Glasfasern aus der ersten Lage verhindert. Als adsorbierendes Material wird Aktivkohlematerial und/oder Zeolithe verstanden, wobei diese funktionalisiert sein können. Es werden daher mindestens zwei Lagen für den mehrlagigen Filtermaterialaufbau vorgeschlagen, wovon beide Lagen eine eigenständige Funktion übernehmen jedoch in gegenseitiger Wechselwirkung stehen. Die Partikelfiltration und die Reinigungsfunktion von Gerüchen sind dabei in besonders effizienter Weise abgestimmt, um den Durchstörmungswiderstand gering zu halten. Insbesondere hat sich gezeigt, dass durch den Einsatz von Glasfasern sehr hohe Abscheidegrade in gleichbleibender Abscheidequalität erreicht werden, ohne den Durchstörmungswiderstand deutlich zu erhöhen. Durch den Einsatz von Glasfasern ist es möglich Feinstaubpartikel bis zu einer Größe von 0,2 µm abzuscheiden womit die WHO Feinstaubgrenzwerte im Fahrzeuginnenraum mit den Vorgaben von PM 2.5-Wert von 25 µg/m erreicht werden. Die Messung der Feinstaubpartikelabscheidung erfolgt dabei nach ISO 16890.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, weist der Filtermaterialaufbau eine weitere Lage aus einem synthetischen Material auf, welches zwischen der Glasfaserlage und der absorbierenden Lage angeordnet ist. Durch die abströmseitige Anordnung der synthetischen Lage hinter der Glasfaserlage wird das Shedding der Glasfasern zusätzlich verhindert. Die synthetische Lage besteht aus Polyester, Polypropylen, Polycarbonat oder Bi-Komponentenfasern bestehend aus Polyethylen und Polyamid. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die synthetische Lage zusätzlich funktionalisiert. Die Funktionalisierung der weiteren Lage kann dabei katalytisch, biofunktional, hydrophil, elektrisch leitfähig, mittels Einbringung von Käfigmolekülen oder durch Einfärbung realisiert sein. Dabei können die Funktionalisierungen einzeln verwendet werden oder beliebig kombiniert werden.
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Die katalytische Funktionalisierung dient dabei zur Umsetzung bzw. Adsorption von Aldehyd insbesondere Acetaldehyd, um dieses aus der Luft herauszufiltern. Die biofunktionale Funktionalisierung dient der Entfernung von Mikroorganismen, Viren und Allergenen und kann unter anderem durch eine Beschichtung der Faserlage mittels Polyphenol realisiert werden.
Die hydrophile Funktionalisierung dient der Entfeuchtung der Luft, da das in der Luft enthaltende Wasser am Filter zurückgehalten wird.
Die elektrisch leitfähige Funktionalisierung kann durch das Einbringen von elektrisch leitenden Fasern realisiert werden. Hierdurch wird die Partikelabscheidung verbessert, da die Partikel von den elektrisch geladenen Fasern angezogen werden.
Die Funktionalisierung mittels Einbringung von Käfigmolekülen in die Faserstruktur dient der Einkapselung von Gerüchen, welche durch insbesondere Stickstoffe und/oder Schwefelwasserstoffe hervorgerufen werden. Eingekapselte Stoffe reagieren nicht mehr und werden nicht mehr als unangenehmer Geruch wahrgenommen.
Die Funktionalisierung mittels Einfärbung der Fasern dient zur optischen Kennzeichnung des Mediums womit dargestellt werden kann, für welchen Einsatzzweck ein Medium verwendet werden kann oder wie das Medium in den Filterbauraum eingesetzt werden muss indem die Rein- oder die Rohseite farblich eingefärbt wird.
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Die Funktionalisierung kann entweder direkt in die Faserschmelze eingebracht werden oder nachträglich durch eine Beschichtung mittels eines Walzenfoulards oder dergleichen auf die jeweilige Lage aufgebracht werden.
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Durch die Kombination der Glasfaserlage, der adsorbierenden Lage und der funktionalisierten synthetischen Lage wird die Filtrationsleistung des Filtermaterialaufbaus je nach Funktionalisierung sowohl gegenüber der Feinstaubabscheidung als auch gegenüber einer Filtration von Gerüchen verbessert.
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Der Filtermaterialaufbau kann eine weitere, vierte Lage aufweisen. Die vierte Lage ist abströmseitig an der zweiten Lage angeordnet, insbesondere mit dieser verbunden bevorzugt mittels Kleben, Ultraschallschweißen, anhand eines Thermokalanders verbunden oder lose beim Faltprozess mit plissiert. Beim Einsatz von Bi-Komponentenfasern wird die Verbindung mittels Erwärmung über den Schmelzpunkt der äußeren Lage der Bi-Komponentenfaser erzeugt. Die vierte Lage besteht aus einem synthetischen Vlies und dient als Träger für die zweite Lage, welche als Aktivlage ausgebildet ist. Insbesondere dient diese zur Stützung der Aktivkohlelage. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die vierte Lage funktionalisiert. Prinzipiell kann jegliche bereits genannte Funktionalisierung verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die vierte Lage mittels lonentauscherflüssigkeit insbesondere mit einer kationischen lonentauscherflüssigkeit oder mit einem antiallergenen und/oder antiviralen Wirkstoff funktionalisiert, um basische Gase zu adsorbieren sowie das Medium antiallergen und/oder antiviral auszustatten.
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Das Filtermaterialaufbau kann mittels einer weiteren fünften Lage ausgestattet sein. Diese Lage ist anströmseitig an der ersten Lage angeordnet, insbesondere mit dieser verbunden bevorzugt mittels Kleben, Ultraschallschweißen, anhand eines Thermokalanders. Bei dem Einsatz von Bi-Komponentenfasern wird die Verbindung mittels Erwärmung über den Schmelzpunkt der äußeren Lage der Bi-Komponentenfaser erzeugt. Die fünfte Lage ist als Grobstaubspeicher aus einem synthetischen Faserstoff ausgebildet und kann zudem zu einer weiteren Stabilisierung beitragen, sofern dies erforderlich ist. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die fünfte Lage funktionalisiert. Prinzipiell kann jegliche bereits genannte Funktionalisierung verwendet werden. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist die fünfte Lage elektrisch leitfähig funktionalisiert, um den Abscheidegrad zu verbessern.
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Die einzelnen Lagen der Erfindung können dabei beliebig im Sinne der Durchströmungsrichtung kombiniert werden, um den erfindungsgemäßen Filtermaterialaufbau zu erhalten, sofern mindestens eine Glasfaserlage und eine Adsorberlage vorgesehen sind.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Filtermaterialaufbaus,
- 2 eine schematische Ansicht eines besonders bevorzugten Filtermaterialaufbaus,
- 3 ein plissiertes Flachfilterelement aufweisend das erfindungsgemäße Filtermaterial
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Filtermaterialaufbau 1 zwei Lagen, eine erste Lage 2 und eine zweite Lage 3 auf. Die erste Lage 2 ist dabei anströmseitig angeordnet. Die zweite Lage 3 abströmseitig. Die beiden Lagen sind aneinander angeordnet, insbesondere fest aneinander angebunden, vorzugsweise miteinander verschweißt, verklebt oder thermoverbunden. Die erste Lage 2 weist Glasfasern 10 auf, welche einen Faserdurchmesser von 0,25 µm - 5µm aufweisen und dient als Partikelfilter. Durch die feinen Faserdurchmesser ist es möglich Partikel bis zu einem Durchmesser von 0,5 µm, insbesondere 0,2 µm, mit einem Anteil von mindestens 75 % abzuscheiden, was einer Abscheiderate von 80% einer PM2.5 Belastung entspricht.
Die zweite Filterlage 3 weist ein adsorbierendes Material 9, insbesondere Aktivkohle 11 und/oder Zeolith 12 auf. Die Aktivkohle 11 kann dabei imprägniert sein oder als eine Mischung aus imprägnierter und nicht imprägnierter Aktivkohle vorliegen.
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Der in 1 gezeigte Filtermaterialaufbau weist bei einem üblichen Volumenstrom für einen Innenraumluftfilter eines Fahrzeugs von 300 m3/h einen Druckverlust von weniger als 70 Pa aufweist.
Somit ist es zum ersten Mal möglich ein Filtermaterial bereitzustellen, welches die Anforderung der Feinstaubgrenzwerte und die Eliminierung von Gerüchen für den Innenraum eines Fahrzeugs ermöglicht ohne erheblichen Druckverlust bereitzustellen.
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2 offenbart eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Filtermedienaufbaus aus 1. Der Filtermedienaufbau aus 2 weist fünf Lagen auf, wobei auf der Anströmseite 8 ein Grobstaubabscheider 6, welche der fünften Lage 6 entspricht, vor der Glasfaserlage 2, welche der ersten Lage 2 entspricht, angeordnet ist, um den Wert der Dust Holding Capacity (DHC) weiter zu verbessern und somit die Standzeit des Filters zu verlängern. Zwischen der Glasfaserlage 2 und der Adsorberlage 3, welche der zweiten Lage 3 entspricht, ist eine weitere Lage 4 aus einem synthetischen Material, welche der dritten Lage 4 entspricht, angeordnet ist, welche ein mögliches Glasfaser-Shedding verhindern bzw. zumindest reduzieren soll. Nach der Adsorberlage 3 ist in Durchströmungsrichtung eine Trägerlage 5, welche der vierten Lage 5 entspricht, angeordnet, welche dazu dient die Adsorberlage 3 zu stützten.
Die dritte 4, vierte 5 und/oder fünfte 6 Lage können dabei funktionalisiert sein. Die Funktionalisierung der Lagen kann dabei gleich sein, um eine erhöhte Wirksamkeit hervorzurufen. Die einzelnen Lagen können jedoch auch unterschiedlich funktionatisiert sein, um ein Medium für verschiedene Anwendungen bereitzustellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Mediums nach 2 ist die dritte Lage 4 mit einer antiallergenen Beschichtung funktionalisiert, um Allergene zu neutralisieren. Die vierte Lage 5 ist ebenfalls mit einer antiallergenen Beschichtung funktionalisiert, um die Neutralisierung der Allergene zu verbessern. Die fünfte Lage 6 ist elektrisch leitfähig und hydrophil funktionalisiert, um die Partikelabscheidung zu verbessern und zudem die Luft zu entfeuchten.
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3 zeigt ein gefaltetes Flachfilterelement 13 mit einem umlaufenden Rahmen 15 und einem gefalteten Filtermaterial 1 aufweisend mindestens eine Falte 14. Der Rahmen 15 kann eine zusätzliche Dichtung aufweisen. Wenn der Rahmen 15 eine zusätzliche Dichtung aufweist besteht der Rahmen 15 aus einem Kunststoff, vorzugsweise einem Polyamid. Die Dichtung kann dabei aufgeknüpft, geklebt oder angeschäumt sein.
In einer alternativen Ausgestaltung kann der Rahmen 15 selbst als Dichtung dienen. In dieser Ausführung ist der Rahmen 15 aus einem Vliesstoff, einem Kunststoff oder aus einem geschäumten Material, insbesondere einen PUR-Schaum, hergestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Filtermaterial
- 2
- erste Lage, Glasfaserlage
- 3
- Adsorberlage, zweite Lage
- 4
- synthetische Zwischenlage, dritte Lage
- 5
- Trägerlage, vierte Lage
- 6
- Grobstaubfilterlage, fünfte Lage
- 7
- Abströmseite
- 8
- Anströmseite
- 9
- adsorbierendes Material
- 10
- Glasfasern
- 11
- Aktivkohle
- 12
- Zeolith
- 13
- Filterelement
- 14
- Falte
- 15
- Rahmen
