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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektroabscheider mit näherungsweise punktförmigen Sprühelektroden. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Elektroabscheider mit Verminderung entladungsbedingter Degenerationserscheinungen durch Modifikationsmaßnahmen an den Sprühelektroden.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Sprühionisationsquelle zur Verwendung bei einem derartigen Elektroabscheider.
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Aus der
WO 2021/185418 A1 ist ein gattungsgemäßer, hinsichtlich Effizienz, Baugröße, Stromverbrauch und Ozonemissionen optimierter Elektroabscheider bekannt, der als mobiles Stand-Alone-Gerät oder auch als Komponente von Klima- und Lüftungsanlagen, z.B. dezentralen oder zentralen Raumbelüftungsanlagen, eingesetzt werden kann. Auch sind vielfältige industrielle Applikationen im Bereich der Luftreinigung und grundsätzlich auch im Bereich der Reinigung anderer Gase, z.B. im Bereich Rauchgasreinigungen, oder auch im Automotive-Bereich (z.B. HVAC-Systeme für Fahrzeuginnenräume) denkbar.
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In den vergangenen Jahren wurde erkannt, welche gravierenden Auswirkungen in der Luft befindliche Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von 10 µm oder weniger - der sog. Feinstaub - oder auch Aerosole - insbesondere Bioaerosole, man denke an die Verbreitung des Coronavirus durch Aerosole, auf die menschliche Gesundheit haben können.
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Da konventionelle Filter, wie z.B. Filtermatten, hinsichtlich ihrer Filterleistung insbesondere bei kleineren Partikeln, wie Feinstäuben oder Aerosolen, nicht sehr leistungsfähig sind, jedenfalls dann nicht, wenn größere Druckverluste vermieden werden sollen, wurden im Rahmen der o.g. Druckschrift mit Hochspannung betriebene Elektroabscheider oder Elektrofilter (auch als Anordnungen für elektrische Staubabscheidung bekannt) vorgeschlagen, um die in der Luft vorhandenen Partikel durch elektrische Ladungen abzuscheiden.
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Diese haben gegenüber den konventionellen, auf Adsorptions- und Desorptionseffekten und Filtermatten beruhenden Filtern auch noch den Vorteil, dass viele aerosolgebundene Viren, insbesondere das Coronavirus, bei hohen elektrischen Feldstärken unmittelbar biologisch inaktiviert werden, so dass von diesen keine Gefahr mehr ausgeht, selbst wenn man den Filter reinigt.
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Für die Raumluftreinigung - z.B. für Wohn- oder Arbeitsräume - werden insbesondere zweistufige Elektroabscheider nach dem sog. Penney-Prinzip verwendet, wenngleich die vorliegende Erfindung nicht grundsätzlich auf Entladungen nach dem Penney-Prinzip mit positivem lonisatorpotential beschränkt sein sollen; es wäre grundsätzlich auch die Verwendung negativer lonisatorpotentiale denkbar.
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Bei einem Elektroabscheider werden die abzuscheidenden Partikel generell zunächst mittels eines sog. Ionisators elektrisch aufgeladen. Bei Anlegen einer ausreichend hohen Spannung an den Ionisator stellt sich eine hohe Feldstärke und dementsprechend durch lokale Feldionisation eine Koronaentladung ein. Diese Koronaentladung erzeugt zunächst in einer räumlich eng begrenzten Zone um den Ionisator herum (sog. Koronaplasmaregion) positiv (oder auch negativ) ionisierte Gasmoleküle, die sich zu den negativen Elektroden hinbewegen und dabei auf ihrem weiteren Weg außerhalb der Koronazone mit den abzuscheidenden (Feinstaub-)-Partikel oder Aerosole zusammenstoßen bzw. kollidieren und diese ebenfalls aufladen.
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Die zweite Stufe derartiger Elektroabscheider stellt eine in Strömungsrichtung abstromseitig der lonisatoreinheit angeordnete sog. Kollektoreinheit dar, in der Regel bestehend aus einer Abfolge polarisierter Platten bzw. Platten mit alternierend anliegenden Hochspannungen, durch die die zu reinigende Luft mit den durch die lonisatoreinheit vorher geladenen Partikeln strömt. Durch die Coulombkräfte driften die positiv geladenen Partikel zu den negativ oder zumindest auf einem geringeren Spannungspotential (z.B. auch auf Massepotential) befindlichen Platten, den sog. Kollektorplatten ab, haften dort an und können durch periodische Reinigung oder Abklopfen entfernt werden. Bei Abscheidung von negativ geladenen Partikeln sind die Potentialverhältnisse der Platten selbstverständlich entsprechend umgekehrt. Die entgegengesetzt zu den Kollektorplatten geladenen Platten der Kollektoreinheit werden als Treiberplatten bezeichnet; diese stellen zusammen mit den jeweils gegenüberliegenden Kollektorplatten das elektrische Feld für die elektrostatische Abscheidung bereit.
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Ein Nachteil von Elektrofiltern stellt die durch die hochspannungsinduzierten Gasionisationsprozesse bedingte Ozonbildung dar, was insbesondere bei Einsatz derartiger Elektroabscheider in Innenräumen von geringfügigen gesundheitlichen Beeinträchtigungen, wie leichten Augenreizungen, bis hin zu gravierenderen gesundheitlichen Problemen, wie Kopfschmerzen oder Atemwegsproblemen, bzw. zu Überschreitungen der zulässigen Grenzwerte für Ozon führen kann.
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Auch ist für die Stoßionisationsprozesse ein gewisser elektrischer Energieaufwand erforderlich, so dass in Anbetracht des Umstandes, dass Elektrofilter häufig im Dauerbetrieb eingesetzt und die entsprechenden Hochspannungsnetzteile prinzipiell recht stark verlustbehaftet sind, im Hinblick auf einen möglichst energiesparenden Betrieb auf eine hohe Effizienz der lonenerzeugung zu achten ist.
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Der aus der eingangs genannten
WO 2021/185418 A1 bekannte Elektrofilter arbeitet mittels näherungsweise punktförmiger Sprühionisationsquellen, bevorzugt mittels leitfähiger Faserbündel, insbesondere graphithaltige Faserfilamente enthaltend.
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Der Einsatz derartiger Faserbüschel im Bereich der Elektroabscheider ist grundsätzlich auch bereits im Stand der Technik bekannt, vgl. die
US 10 384 517 B2 .
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Durch die Spitzenwirkung der dünnen Filament-Enden werden hohe lokale Feldstärken erreicht bei gleichzeitig kleinen Krümmungsradien, was günstig im Hinblick auf das Verhältnis Abscheidungsrate / Ozonerzeugungsrate ist, da kleine Krümmungsradien zu hohen lokalen Feldstärken und diese wiederum zu einer kleinen Koronaplasmaregion führen, was wie erwähnt eine geringere Ozonproduktion zur Folge hat.
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Bei dem bekannten Elektroabscheider nutzt man eine relativ große Vielzahl von matrixartig angeordneter Sprühionisationsquellen, wobei jede Sprühionisationsquelle ein elektrisches Feld gegenüber zugeordneten Lochrändern einer elektrisch auf entgegengesetztem Potential befindlichen Lochplatte aufspannt.
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Die im Stand der Technik, so auch der
US 10 384 517 B2 , eingesetzten lonisationsspannungen liegen typischerweise deutlich unterhalb von 8 kV, was bei relativ kleinen Distanzen zwischen Ionisationselektrode und Gegenelektrode ausreichen mag.
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Im Rahmen der eingangs erwähnten
WO 2021/185418 A1 wird jedoch eine Anordnung mit größeren Abständen zwischen Sprühionisationsquellen und Gegenelektroden zu den Elektroden vorgeschlagen. In diesem Zusammenhang wurde nämlich erkannt, dass derartige Anordnungen aufgrund der verbesserten Partikel-Ionisations-Wirkungsquerschnitte hinsichtlich Abscheideleistung, Stromverbrauch und Ozongeneration deutlich besser als andere bekannte Anordnungen abschneiden können.
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Dabei hat sich allerdings auch herausgestellt, dass die größeren Elektrodenabstände es für eine optimale Performance erforderlich machen, die Sprühionisationsquellen mit deutlichen höheren Spannungen als im Stand der Technik gebräuchlich, d.h. mit Spannungen ≥ 8 kV, typischerweise sogar mit mehr als 10 kV, oder gar mit ca. 12 kV oder mehr (z.B. ≥ 15 kV oder ≥ 20 kV) zu betreiben.
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Wird eine derartig hohe Spannung ≥ 8 kV an eine sehr spitz ausgebildete, näherungsweise punktförmige Sprühionisationselektrode angelegt, steigt an den Kanten der Elektrode die Feldstärke stark an.
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Können nun die Ionen nicht schnell genug abtransportiert werden, kann es zu sog. Streaming-Effekten kommen, wobei derartige Streamingeffekte unerwünschte Geräusche verursachen, zu vermehrter Ozon Produktion und elektromagnetischen Störungen führen und den Ionisatorverschleiß stark beschleunigen.
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Die besagten Streamingeffekte werden in der Theorie primär darauf zurückgeführt, dass hohe lokale Feldstärken dazu führen, dass Elektronen und negative Gasionen auf die Oberfläche der Sprühelektrode (Anode) mit hoher kinetischer Energie prallen, dort Material herausreißen und somit mikroskopische „Krater“ mit scharfen Kanten entstehen. Diese scharfen Kanten können wiederum so hohe elektrische Feldstärken erzeugen, dass die genannten Streamer auftreten.
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Diese Streaming-Effekte sind unerwünscht und es besteht das Bedürfnis, diese zu eliminieren bzw. wenigstens zu minimieren, um einen vorzeitigen Verschleiß der Sprühionisationsquellen zu verhindern.
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Zwar sind die Sprühionisationsquellen grundsätzlich Verschleißteile und auswechselbar ausgebildet. Angestrebte Standzeiten der Sprühionisationsquellen von typischerweise einem Jahr und mehr lassen sich jedoch aufgrund der Streaming-Effekte ohne zusätzliche Maßnahmen bei den angestrebten höheren Ionisationsspannungen häufig nicht erreichen, denn ohne spezifische Maßnahmen können die Sprühionisationsquellen schon nach wenigen Wochen Dauerbetrieb verschlissen sein.
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Ein Elektroabscheider der eingangs erwähnten Art unter Einsatz leitfähiger Faserbündel als Ionisationsquellen mit einer typischen Betriebsspannung von ca. 10 kV mit nachgeschalteter Kollektoreinheit ist auch aus der
EP 3 932 563 A1 bekannt.
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Aus der
US 2008 / 0 190 296 A1 ist ein industrieller Elektroabscheider, insbesondere für die Rauchgasreinigung, bekannt, bei dem parallel angeordnete Ionisatorelektroden- und Kollektorplatten vorgesehen sind, wobei diese lonisatorelektrodenplatten mit Hochspannungen von 20 kV bis 35 kV beaufschlagt werden können. Die lonisatorelektrodenplatten können dabei aus einem Verbundmaterial mit aus der Oberfläche herausragenden leitenden Fasern hergestellt sein, wobei die herausragenden Faserenden zur Vermeidung von Beschädigungen aufgrund von elektrischen Überschlägen oder aufgrund von Verschleiß durch das abrasive Rauchgasmedium mit einem Metall beschichtet sein können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Maßnahmen bereitzustellen, mittels derer unerwünschte Streamingeffekte auch bei Ionisationsspannungen von mehr als ca. 8 kV minimiert bzw. eliminiert werden können.
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Die Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels eines Elektroabscheiders bzw. einer Sprühionisationsquelle für einen derartigen Elektroabscheider gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen erläutert.
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Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe wird bei einer lonisatoreinheit, die ein oder mehrere innerhalb des Luftstroms angeordnete Ionisator-Reihen aufweist, wobei jede Ionisator-Reihe jeweils mindestens eine, mit einem elektrischen lonisatorpotential beaufschlagte, näherungsweise punktförmige Sprühionisationsquelle aufweist, wobei wenigstens eine der Sprühionisationsquellen im Wesentlichen aus einem Bündel elektrisch leitfähiger Fasern gebildet ist, und mit einer stromabwärts der lonisatoreinheit angeordneten Kollektoreinheit zur Partikelabscheidung, mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen parallel angeordneten, elektrisch leitfähigen, von dem Luftstrom durchströmten Kollektor- und Treiberplatten, die alternierend mit elektrischen Kollektor- bzw. entgegengesetzten Treiberpotentialen beaufschlagt sind, vorgeschlagen, dass die elektrisch leitfähigen Fasern der Sprühionisationsquelle wenigstens teilweise mit einer metallischen Beschichtung versehen sind.
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Diese Modifikationsmaßnahmen an den Sprühionisationsquellen selbst können im Übrigen zusätzlich noch durch sog. feldmodifizierende Maßnahmen unterstützt werden, durch welche die maximalen Feldstärken in unmittelbarer Nähe der Sprühionisationsquelle abgesenkt wird und/oder durch welche der lonenabtransport aus der Koronazone verbessert wird, um so die Streamingeffekte insgesamt noch stärker zu reduzieren bzw. zu eliminieren.
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Bevorzugt besteht die Beschichtung im Wesentlichen aus Nickel oder wenigstens aus einer Nickellegierung, vorzugsweise mit mehr als 50% Nickelgehalt.
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Es ist aber auch denkbar, dass andere leitende Metalle oder Metalllegierungen für eine derartige Beschichtung eingesetzt werden, z.B. Edelmetalle, wie Gold, Silber, Platin, Iridium, Palladium, oder Halbedelmetalle wie Kupfer oder Nebengruppenelemente wie Chrom, Molybdän oder Wolfram oder Legierungen dieser Elemente oder weiterer Elemente.
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Bevorzugt besteht die Beschichtung jedoch aus reinem Nickel, welches bevorzugt mittels chemischer Gasphasenabscheidung auf die Fasern aufgebracht ist.
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Bei den elektrisch leitenden Fasern handelt es sich bevorzugt um Carbon- oder Graphitfilamente oder ggf. auch um als aus derartigen Filamenten gesponnene Fasern, wobei bevorzugt Büschel von Einzelfilamenten (im Gegensatz zu Multifilamentfasern) eingesetzt werden.
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Bei Carbon- oder Graphitfilamenten - diese Begriffe sollen hier synonym verstanden werden - handelt es sich um Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien, die über chemische Prozesse in graphitartig angeordneten Kohlenstoff in Faserform umgewandelt werden, wodurch bei den vorliegend bevorzugten sog. anisotropen Typen bekanntermaßen sehr günstige mechanische Eigenschaften bei gleichzeitig sehr guter Leitfähigkeit erzielt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Bündel elektrisch leitender Fasern der Sprühionisationsquelle außerdem ein oder mehrere der folgenden Eigenschaften aufweist:
- - die elektrisch leitenden Fasern des Faserbündels (40) sind als Graphit- oder Carbonfilamente oder als aus derartigen Filamenten gesponnene Fasern ausgebildet; und/oder
- - die elektrisch leitenden Fasern sind als synthetische Fasern aus einem leitfähigen Polymer oder aus einem Polymer mit leitfähigkeitserhöhenden Zuschlägen ausgebildet; und/oder
- - die einzelnen Fasern weisen einen Faserdicke von jeweils weniger als 20 µm auf; und/oder
- - das Faserbündel (40) besteht aus 16 Einzelfasern oder mehr.
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Somit können auch zusätzlich oder anstelle von reinen Karbonfilamenten oder -fasern auch grundsätzlich andere leitfähige Fasern eingesetzt werden, z.B. elektrisch sog. selbstleitende Polymere oder beispielsweise graphitverstärkte Kunststoffe (Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP).
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Dabei muss die intrinsische Leitfähigkeit der Fasern nicht unbedingt zwingend sehr hoch sein - wenngleich diese bei den bevorzugt verwendeten Kohlefasern tatsächlich recht hoch ist -, weil die metallische Beschichtung ggf. ebenfalls zur Leitfähigkeit der Fasern beitragen kann.
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Besonders bevorzugt weisen die Fasern des Faserbündels einen Durchmesser von 5 µm bis 20 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 10 µm, auf.
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Die (mittlere) Metallbeschichtungsdicke kann bevorzugt zwischen 0,05 µm und 1,0 µm, vorzugsweise zwischen 0,2 µm und 0,5 µm liegen.
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Erfindungsgemäß sind die Fasern des Faserbündels im Wesentlichen entlang der Faserumfangsseiten, wenigstens in räumlicher Nähe der freien Stirnenden, metallisch beschichtet, wobei die Stirnseiten der freien Stirnenden dagegen unbeschichtet sind, so dass die Beschichtung vor Konfektionierung der Fasern erfolgen kann.
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Bevorzugt wird wenigstens eine Sprühionisationsquelle bzw. werden bevorzugt alle der Sprühionisationsquellen mit einem relativ hohen lonisatorpotential von jeweils wenigstens 8 kV, vorzugsweise von mehr als 10 kV, und ganz besonders bevorzugt mehr als 12 kV, beaufschlagt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung kann der Ionisationsstrom pro Sprühionisationsquelle auf weniger als 100 µA begrenzt werden.
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Ferner beträgt der räumliche Abstand jeder Sprühionisationsquelle von der entsprechenden Gegenelektrode der Kollektoreinheit oder von einer sonstigen, auf dem gegensätzlichstem Potential befindlichen Elektrode (z.B. den auf Massepotential befindlichen leitenden Außenwandungen des Strömungskanals) bevorzugt wenigstens ca. 75mm, wobei dieser Wert beispielhaft zu verstehen ist und von vielen konstruktiven Parametern abhängt.
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Ferner wird im Rahmen der Erfindung eine Sprühionisationsquelle aus einem Bündel elektrisch leitfähiger Fasern mit einer metallischen Beschichtung wie vorstehend beschrieben vorgeschlagen, die dementsprechend - ggf. als auswechselbares Teil - für den Einsatz in dem vorbeschriebenen Elektroabscheider vorgesehen ist.
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Neben dem Bündel der beschichteten leitfähigen Fasern kann diese Sprühionisationsquelle selbstverständlich auch weitere Elemente, wie eine elektrisch leitfähige Fassung zum Halten des Faserbüschels sowie eine ggf. isolierte elektrische Zuleitung aufweisen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines zweistufigen Elektrofilters unter Verwendung einer Sprühionisationsquelle;
- 2a,b eine schematische isometrische Ansicht sowie eine Draufsicht auf ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Sprühionisationsquelle;
- 3a,b schematische Darstellungen zum Abnutzungsverhalten (vorher - nachher) bei einem unbeschichteten Karbonfilament;
- 4a,b schematische Darstellungen zum Abnutzungsverhalten (vorher - nachher) bei einem nickelbeschichteten Karbonfilament;
- 5a,b mikroskopische Aufnahmen zum Abnutzungsverhalten (vorher - nachher) bei einem unbeschichteten Karbonfilamentbündel; und
- 6a,b mikroskopische Aufnahmen zum Abnutzungsverhalten (vorher - nachher) bei einem nickelbeschichteten Karbonfilamentbündel.
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Der in
1 schematisch dargestellte zweistufige Elektroabscheider nach dem Penney-Prinzip geht auf die eingangs erwähnte
WO 2021/185418 A1 zurück, wobei dieses Dokument hinsichtlich weiterer Einzelheiten des entsprechenden Elektrofilters hier durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht werden soll.
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Der Elektrofilter 10 gemäß 1 befindet sich in einem in 1 nicht dargestellten Luftkanal - dabei kann es sich z.B. um einen Luftkanal in einem separatem Luftreiniger oder z. B. auch um einen Kanal einer zentralen oder dezentralen Wohnraumbelüftungsanlage handeln, oder einen Kanal in der HVAC-Anlage eines Kraftfahrzeugs. In dem Luftkanal wird durch geeignete Mittel, insbesondere durch eine oder mehrere Ventilatoren, eine Zwangsdurchströmung in Richtung des Pfeils 22 erzeugt.
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Kernelement des Elektroabscheiders ist die im Beispiel mit einem positiven Hochspannungspotential beaufschlagte (die Hochspannungsquelle sowie Versorgungsleitungen sind jeweils nicht dargestellt), näherungsweise punktförmige Sprühelektrode 40, bei der es sich um die Enden eines Bündels dünner leitfähiger Fasern, in der Regel Graphitfilamente, die auch als Kohlefasern oder Karbonfasern bezeichnet werden, handelt.
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Diese Sprühelektrode 40 ist Hauptbestandteil einer lonisatoreinheit, die in anderen Ausführungsformen auch mehrere Sprühelektroden sowie mechanische Unterstützungs- und Stromversorgungsstrukturen aufweisen kann.
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Der Begriff „näherungsweise punktförmig“ soll dabei zum Ausdruck bringen, dass die Sprühionisation von einer Spitze eines faserartigen Elements mit einem (gegenüber den sonstigen Dimensionen der Einrichtung) sehr kleinem Krümmungsradius ausgeht, so dass aufgrund der elektrischen Spitzenwirkung das entsprechende elektrische Feld und die Ionisationswirkung als näherungsweise primär als von einem Punkt ausgehend angesehen werden kann, wenngleich der Punkt hier selbstverständlich eine mathematische Idealisierung darstellt.
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Im Beispiel von
1 ist nur eine einzelne Sprühionisationsquelle 40 dargestellt. Es können aber durchaus mehrere, z.B. matrixartig angeordnete, Sprühionisationsquellen in verschiedenen Konfigurationen vorgesehen sein, wie dies auch in der
WO 2021/185418 A1 näher erläutert ist.
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Die Sprühionisationsquelle 40 erzeugt - wie einleitend bereits beschrieben - eine Korona-Entladung mit Ausbildung einer lokalen Koronazone, die zu einer Ionisation der Luftmoleküle und durch Anlagerungs- und Wechselwirkungsprozesse in einem weiteren Volumenbereich zur positiven (oder ggf. auch negativen) Aufladung durchströmender abzuscheidender Partikel führt.
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Diese werden dann in einer Kollektoreinheit 12, die sich auf einem gegenüber der Ionisationsquelle hohen absoluten Spannungspotential (positiv oder negativ) befindet, abgeschieden, wofür zwischen positiv bzw. negativ geladenen Treiberelektrodenplatten 16 und Kollektorelektrodenplatten 14 ein elektrostatisches Feld generiert wird, so dass die positiv ionisierten Partikel durch elektrostatische Anziehung auf den mit niedrigerem Spannungspotential oder Massepotential beaufschlagten Kollektorplatten abgeschieden werden. Das absolute Treiberpotential ist dabei in der Regel zur Vermeidung von Überschlägen zwischen den vorzugsweise recht nah beabstandeten Plattenpaaren geringer gewählt als das lonisatorpotential.
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Im Rahmen der in der
WO 2021/185418 A1 beschriebenen Erfindung werden außerdem noch negativ beaufschlagte zusätzliche Elektroden zur Verbesserung der Abscheideleistung vorgeschlagen; u.a. sog. Rand-Gegenelektroden 18. Diese zusätzlichen Elektroden können vorteilhaft in Zusammenwirkung mit der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden; dies muss aber ausdrücklich nicht so sein, d.h., die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Anwendung bei dem in der
WO 2021/185418 A1 beschriebenen Elektrofilter mit zusätzlichen Kollektorelektroden beschränkt.
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Vielmehr ist die vorliegende Erfindung allgemein bei Elektroabscheidern mit näherungsweise punktförmigen Sprühionisatoren einsetzbar, unabhängig übrigens auch von der konkreten Ausgestaltung der Kollektoreinheit 12 sowie unabhängig von dem Vorhandensein weiterer Elektroden und auch unabhängig von der Art und Anordnung von Lüftern.
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In den 2a,b ist schematisch eine Sprühionisationsquelle 40 mit einem Graphitfaser-Filamentbüschel in isometrischer Ansicht und in Draufsicht dargestellt. Die einzelnen Fasern sind mit 44 bezeichnet, wobei Anzahl und Durchmesser der Filamente nicht maßstäblich sind.
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Die Sprühionisationsquelle 40 wird dabei von einem Halter bzw. einer Fassung 42, gehalten, der auch elektrisch leitend ausgebildet ist und die einzelnen Fasern 44 über eine hier nicht dargestellte Hochspannungsquelle mit dem lonisatorpotential beaufschlagt.
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Bei relativ hohen lonisatorpotentialen ab ca. 8 kV, bevorzugt aber ca. 10 kV oder ca. 12 kV oder mehr, treten bei der Verwendung unbeschichteter Graphitfilamente mit der Zeit die eingangs erwähnten Streaming- oder Streamereffekte auf, so dass die Standzeit der Sprühionisationsquellen unbefriedigend ist.
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Anhand der Mikroskopaufnahmen in den 5a und 5b, die Graphitfilamente im Ursprungszustand (5a) im Vergleich zu durch Streamingeffekte beeinträchtigten Fasern (5b) zeigen, ist ersichtlich -zu sehen vor allem anhand der untersten Faser in 5b -, dass die ursprünglich „runde“ Faserspitze jetzt asymmetrisch ist. Eine derartiges „zugespitztes“ Faserende weist nicht mehr die erforderliche mechanische Stabilität auf und neigt zu zur Entstehung von Streaming-Effekten, zumal durch die noch stärkere elektrische Spitzenwirkung die Verschleißintensität wächst.
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Vor diesem Hintergrund wird im Rahmen der Erfindung eine metallische Beschichtung der Fasern, bevorzugt mit einer Nickelschicht, vorgeschlagen.
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Der entsprechende Vorher-Nachher-Vergleich ist in den 6a und 6b dargestellt, wobei die entsprechenden in den 5a,b und 6a,b vergleichbaren Parametern (Entladungsgeometrie, Ionisationsspannung, Standzeit etc.) ausgesetzt wurden. Die in 6b erkennbaren beschichteten Fasern weisen auch nach längerer Standzeit noch eine „runde“ Spitzenform auf, so dass sich selbstverstärkende Streamingeffekte ausbleiben.
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Die Erfinder vermuten, dass das bessere Standverhalten maßgeblich auf dem in den 3a,b bzw. 4a,b schematisch illustrierten unterschiedlichen Verschleißverhalten beruht:
- Bei dem in den 3a (vorher) und 3b (nachher) dargestellten unbeschichteten Faserende 44 setzt der Verschleiß durch die Entladungsprozesse an der schwarz markierten oberen Kante ein und führt zu einer „Zuspitzung“ der Geometrie, die hier symmetrisch ist, aber in der Praxis wie aus 5b ersichtlich auch asymmetrisch verlaufen kann und zu den erwähnten Streamer-Effekten führt.
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Bei einem nickelbeschichteten Faserende 44 gemäß den 4a (vorher) und 4b (nachher) - die Nickelbeschichtung ist nicht maßstäblich gestrichelt dargestellt mit 46 bezeichnet - wird die stirnendseitige Kante vor einem Verschleiß dagegen geschützt, so dass es insgesamt zu einer gleichmäßigeren Abnutzung ohne „Zuspitzung“ kommt, wie in 4b angedeutet. Vor diesem Hintergrund ist eine metallische Beschichtung der Stirnseite der Faser nicht unbedingt erforderlich (diese wäre produktionstechnisch auch recht aufwendig, weil dann die Filamente in konfektionierter Form beschichtet werden müssten), weil es für die Erzielung der erfinderischen Wirkung wesentlich auf den Kantenschutz ankommt.
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Ferner ist es denkbar, dass die verschleißschützende Wirkung einer Nickelbeschichtung mit der Bildung einer schützenden Oxidationsschicht auf dem Metall zusammenhängt.
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Ein für die Zwecke der Erfindung einsetzbares Beispiel für eine derartiges beschichtetes Karbonfaserfilament wäre eine Karbonfaser mit einem Filamentdurchmesser von ca. 7 µm, die an den Außenflächen, aber nicht an den Stirnflächen mit einer Nickelbeschichtung in einer Dicke von ca. 0,25 µm beschichtet ist. Diese Beschichtung kann insbesondere mittels chemischer Gasphasenabscheidung erfolgen.
