DE102022203769A1

DE102022203769A1 - Luftreinigungseinrichtung

Info

Publication number: DE102022203769A1
Application number: DE102022203769.3A
Authority: DE
Inventors: Daniel Eberle; Sven Petzner
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2022-04-14
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2023-10-19
Also published as: CN116901668A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftreinigungseinrichtung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (3),- mit einem Ionisator (4) mit zumindest einer Sprühelektrode (5), die zum Aussenden negativer oder positiver Ionen ausgebildet ist,- mit einer Filtereinrichtung (6) mit zumindest einer über eine Spannungsquelle mit einer positiven oder negativen Spannung beaufschlagten, elektrisch leitenden Filterlage (7, 8),- wobei die zumindest eine Sprühelektrode (5) und die Spannungsquelle zumindest einer Filterlage (7, 8) der Filtereinrichtung (6) an derselben Masse (GND) angeschlossen sind.Hierdurch lässt sich eine langfristig hohe Abscheidewirkung auch bei gealterter Filtereinrichtung (6) während des Betriebs erreichen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Luftreinigungseinrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft außerdem eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit einer solchen Luftreinigungseinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Klimaanlage.
Für eine angenehme und gesunde Luftqualität sollte Luft, die sich in einem Fahrgastraum befindet und/oder welche in den Fahrgastraum eingespeist wird, von Schadstoffen (z.B. Feinstaub), Schadgasen (z.B. Kohlenwasserstoffe, Stickoxide) und unangenehmen Gerüchen (z.B. Ammoniak, Trimethylamin, Schwefelwasserstoff u.ä.) gereinigt werden. Ein großes Problem, insbesondere im urbanen Raum, stellen dabei hohe Feinstaubbelastungen in der Außenluft dar. Diese liegen in manchen Großstädten im Tagesmittel oftmals über dem von der WHO vorgeschriebenen PM2.5-Wert Tagesmittelwert von derzeit 15µg/m3. Die Abreinigung von Stäuben, welche über die Klimaanlage in den Fahrzeuginnenraum gelangen, geschieht heutzutage mittels eines Faserfilters. Dieses ist in der Klimaanlage verbaut und ausschlaggebend für die Luftqualität im Fahrzeuginnenraum.
In heutigen Klimaanlagen ist der Bauraum für solche Filter meist sehr beengt. Deshalb müssen diese einen geringen Strömungswiderstand / Druckverlust aufweisen, damit trotzdem noch der vorgegebene Luftstrom in den Fahrzeuginnenraum transportiert werden kann, was jedoch den Nachteil hat, dass der mechanische Staubabscheidegrad der Filter meist nur sehr gering ist. Viele Filterhersteller sorgen deshalb im Produktionsprozess der Filter dafür, dass diese elektrostatisch aufgeladen werden. Dadurch werden die oftmals ebenfalls elektrostatisch aufgeladenen Partikel mit Hilfe der elektrostatischen Abscheidung abgeschieden. Durch diesen Abscheidemechanismus können auch noch sehr kleine Partikel < 0,3µm abgeschieden werden ohne dass der Strömungswiderstand / Druckverlust des Filters erhöht werden muss. Jedoch wird die im Produktionsprozess aufgebrachte elektrostatische Ladung mit der Alterung des Filters und der dadurch zunehmenden Staubbeladung des Filters im Fahrbetrieb schnell unwirksam. Die elektrostatische Ladung des Filters wirkt somit hauptsächlich nur zu Beginn seines Lebenszyklus. Ein großer Einbruch der Elektrostatik kann je nach dem Grad der Außenluftverschmutzung schon nach wenigen Wochen oder Monaten erfolgen.
Den Mechanismus der elektrostatischen Aufladung von Partikeln machen sich auch sogenannte Ionisatoren zu Nutze. Dem Filter vorgeschaltet laden diese die im Luftstrom enthaltenen Partikel auf. Außerdem wird durch die Ionen, die in die Luft eingebracht werden, auch das Filter zum Teil wieder aufgeladen. Diese Kombination sorgt für eine Steigerung zusätzlich zur rein mechanischen Abscheideleistung des Partikelfilters durch die über einen längeren Zeitraum aufrecht erhaltene elektrostatische Abscheidung. Die eingesetzten Ionisatoren weisen zur Partikelaufladung oftmals eine negative Sprühelektrode bzw. Koronaentladung auf. Bei der negativen Koronaentladung werden mehr Gasionen gebildet als bei der positiven Koronaentladung, da Elektronen durch die geringe Größe schneller wandern.
Es entstehen somit positive und negative Ionen im Gasstrom, welche sich wiederum an die Partikel anlagern. Die Nettoladung ist jedoch für eine negative Koronaentladung immer auch negativ, da Elektronen in den Luftstrom eingebracht werden. Dies hat zur Folge, dass bei einer negativen Sprühelektrode die Partikel auch überwiegend negativ aufgeladen werden. Ein Filter, beispielsweise ein konventioneller Fahrzeughybridfilter, mit einer positiven Polarität weist daher eine verbesserte Abscheideleistung auf. Die Elektrostatik des Filters nimmt aber mit zunehmender Beladung bzw. Betriebszeit ab, da durch die Staubschicht auf dem Filter auch die Elektrostatik des Filters verloren geht. Die überwiegend auf dem Filter negativ geladenen Partikel sorgen somit für eine sehr starke Reduktion der positiven Polarität des Filters mit zunehmender Lebenszeit bzw. Betrieb. Für die durch den Ionisator überwiegend negative geladene Partikel wird der Filter somit mit zunehmender lonisatorbetriebsdauer bzw. Alterung des Filters unempfänglicher und die Abscheideeffizienz des Systems nimmt hiermit ab.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Luftreinigungseinrichtung eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine Luftreinigungseinrichtung mit einem Ionisator und einer Filtereinrichtung zu versehen, die mit entgegengesetzter Spannung beaufschlagt und gleichzeitig an einer gemeinsamen Masse (GND) angebunden sind. Die erfindungsgemäße Luftreinigungseinrichtung, welche beispielsweise zur Reinigung einer Innenluft eines Fahrgastraumes eingesetzt werden kann, weist dabei einen Ionisator mit zumindest einer Sprühelektrode auf, die zum Aussenden negativer oder positiver Ionen ausgebildet ist. Ebenfalls besitzt die Luftreinigungseinrichtung eine Filtereinrichtung mit zumindest einer über eine Spannungsquelle mit einer positiven oder negativen Spannung beaufschlagten oder beaufschlagbaren, elektrisch leitenden Filterlage, wobei die zumindest eine Sprühelektrode und die Spannungsquelle zumindest einer Filterlage der Filtereinrichtung an derselben Masse angeschlossen sind. Die an der Sprühelektrode angelegte Spannung weist dabei eine andere Polarität auf, als die an der Filterlage der Filtereinrichtung angelegte Spannung. Sowohl die Sprühelektrode als auch die Spannungsquelle der Filterlage der Filtereinrichtung sind dabei an derselben Masse angeschlossen, wodurch eine langfristig verbesserte und erhöhte Staubabscheidung durch eine elektrostatische Abscheidung erreicht werden kann. Dieser deutlich verbesserte Abscheideeffekt für insbesondere Feinstaubpartikel kann darüber hinaus mit vergleichsweise geringem Druckverlust erreicht werden, was insbesondere in eng bauenden Klimaanlagen moderner Kraftfahrzeuge von großem Vorteil ist. Damit wird der Alterungseffekt der Filtereinrichtung bzw. deren Filterlagen reduziert, d.h. der elektrostatische Effekt der Filterlage nimmt nicht so schnell ab bzw. wird dadurch wieder ganz oder teilweise erzeugt. Hierdurch weist die Filtereinrichtung eine langfristig hohe Feinstaubabscheidung auf.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Luftreinigungseinrichtung ist die Filterlage als elektrisch leitfähige Partikelfilterlage ausgebildet. Die Filterlage dient in diesem Fall zum Abscheiden von Partikeln, insbesondere Feinstaubpartikeln. Die Filterlage kann dabei eine elektrisch leitfähige Partikelfilterlage oder eine elektrisch leitfähige Adsorptionslage (vorzugsweise Aktivkohle oder ein anderes adsorptives Material, welches leitend ist) aufweisen. Selbstverständlich können auch mehre Filterlagen vorgesehen werden. Diese Filterlagen sind vorzugsweise in direktem Kontakt zueinander. Hierbei ist die elektrisch leitfähige Filterlage, z.B. die Adsorptionslage, an die Spannungsquelle angeschlossen. In Versuchen konnte eine signifikante Steigerung der Partikelabscheideeffizienz erreicht werden.
Vorteilhafter Weise ist die Filterlage als elektrisch leitfähige Adsorptionslage ausgebildet, wobei die elektrisch leitfähige Adsorptionslage Aktivkohle aufweist. Aktivkohle ermöglicht dabei zwei Funktionen, zum einen die Eliminierung von Gerüchen bzw. eine Adsorption unterschiedlichster Stoffe bzw. Gaskomponenten, zum anderen eine hohe elektrische Leitfähigkeit. Die hohe elektrische Leitfähigkeit in Kombination mit einer Beaufschlagung der Aktivkohle mit Spannung sorgt dafür, dass die Filtereinrichtung auch bei der Alterung ihren elektrostatischen Effekt behält und dadurch die Partikelabscheideeffizienz langfristig gewährleistet werden kann. Die Adsorptionslage bzw. deren Aktivkohlefiltermedium kann dabei beispielsweise als Granulatfüllung oder als zick-zack-förmig gefaltetes Filtermedium ausgebildet sein.
Zweckmäßig ist eine Trägerschicht vorgesehen, auf der die zumindest eine Filterlage angeordnet ist. Die Trägerschicht dient dabei lediglich der Aussteifung der Filterlage.
Sind mehrere Filterlagen vorgesehen, so stehen diese in direktem Kontakt und sind beispielsweise miteinander verklebt oder anderweitig verbunden. Auch ein Verkleben der Filterlage mit der Trägerschicht ist denkbar. Auch kann die Filterlage in der Art eines Blocks ausgebildet sein, muss also demzufolge nicht flächig sein.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Luftreinigungseinrichtung ist die Filtereinrichtung stromab der Sprühelektrode angeordnet. Über die Sprühelektrode können je nach Beaufschlagung mit entweder positiver oder negativer (Gleich-)Spannung positive oder negative Ionen erzeugt werden, wobei positiv geladene Ionen einen Elektronenmangel aufweisen und als Kationen bezeichnet werden, während negative Ionen einen Elektronenüberschuss besitzen und als Anionen bezeichnet werden. Wird beispielsweise eine negative Hochspannung an die Sprühelektroden angelegt, treten Elektronen auf, die im elektrischen Nahfeld der Sprühelektrode stark beschleunigt werden und auf Gasmoleküle treffen, die durch diesen Stoß ein weiteres Elektron verlieren und dadurch positiv ionisiert werden. Es entsteht somit ein positives Gasmolekül und zwei Elektronen. Dieser Effekt tritt jedoch nur bei sehr hohen Feldstärken in kurzer Distanz zur Sprühelektrode auf. In größerer Distanz lagern sich einfach nur schnell wandernde Elektronen an Gasmoleküle an und bieten negative Gasionen. Bei einer negativen Koronaentladung, das heißt einer Beaufschlagung der Sprühelektrode mit negativer Hochspannung, werden mehr Gasionen gebildet als bei einer positiven Koronaentladung, da die Elektronen durch die geringere Größe schneller wandern.
Prinzipiell entstehen bei einer negativen Sprühelektrode sowohl positive als auch negative Ionen im Gasstrom, die sich wiederum an die Staubpartikel anlagern. Die Nettoladung ist dabei jedoch für eine negative Koronaentladung immer auch negativ, da die Elektronen in den Luftstrom eingebracht werden, was zur Folge hat, dass bei einer negativen Sprühelektrode die Partikel auch überwiegend negativ aufgeladen werden. Durch die mit positiver Hochspannung beaufschlagte Filtereinrichtung werden die negativ geladenen Staubpartikel von der Filtereinrichtung angezogen und geben ihre Ladung beim Auftreffen auf die Filterlage der Filtereinrichtung, beispielsweise das Aktivkohlefiltermedium, ab. Nachdem die Staubpartikel ihre Ladung abgegeben haben, werden sie aufgrund der innerhalb der anhaftenden Staubpartikel herrschende elektrischen Feldstärke und die hierdurch erzielten Haftkräfte gehalten.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit einer in den vorherigen Absätzen beschriebenen Luftreinigungseinrichtung auszustatten und dadurch eine langfristig hohe Abscheidewirkung bezüglich Staubpartikel, das heißt insbesondere Feinstaub, zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Klimaanlage auszustatten, wodurch sich die bezüglich der Klimaanlage und der Luftreinigungseinrichtung beschriebenen Vorteile auch auf das Kraftfahrzeug übertragen lassen. Diese Vorteile liegen insbesondere in einer langfristigen hohen Reinigungswirkung der Luftreinigungseinrichtung und damit einer hohen Luftqualität im Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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.
Dabei zeigen, jeweils schematisch

1 eine erfindungsgemäße Luftreinigungseinrichtung,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einer anderen Filtereinrichtung.

Entsprechend den 1 und 2, weist eine erfindungsgemäße Luftreinigungseinrichtung 1, welche beispielsweise Bestandteil einer Klimaanlage 2 in einem Kraftfahrzeug 3 sein kann, einen Ionisator 4 mit zumindest einer Sprühelektrode 5, hier mit zwei Sprühelektroden 5, auf, welche zum Aussenden negativer oder positiver Ionen ausgebildet sind. Selbstverständlich können auch noch mehr Sprühelektroden 5 vorgesehen sein. Ebenfalls vorgesehen ist eine Filtereinrichtung 6 mit zumindest einer über eine Spannungsquelle mit einer positiven oder negativen Spannung beaufschlagten oder beaufschlagbaren, elektrisch leitenden Filterlage 7, 8. Die zumindest eine Sprühelektrode 5 und die Spannungsquelle zumindest einer Filterlage 7, 8 der Filtereinrichtung 6 sind dabei erfindungsgemäß an derselben Masse (GND) angeschlossen.
Die Spannung der elektrisch leitenden Filterlage 7, 8 ist im vorliegenden Fall eine positive Hochspannung, in jedem Fall aber mit umgekehrter Polarität in Bezug auf die Spannungsbeaufschlagung des Ionisators 4 bzw. dessen Sprühelektroden 5. Dabei sind die Sprühelektroden 5 und die Spannungsquelle der Filtereinrichtung 6 bzw. der zumindest einen Filterlage 7, 8 an derselben Masse GND angeschlossen. Durch den gemeinsamen Masse Bezug entsteht zwischen den Partikeln und der Filterlage 7, 8 der Filtereinrichtung 6 die Spannungsdifferenz aus der Summe der Sprühelektrode 5 und der Spannungsquelle der Filtereinrichtung 6. Die elektrostatische Abscheidung der Partikel funktioniert dann, unter anderem über die Abscheidung der Partikel mittels der Coulombkraft besser.
Die Filterlage 7 der Filtereinrichtung 6 kann dabei als elektrisch leitfähige Partikelfilterlage 7a ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Filterlage 8 als elektrisch leitfähige Adsorptionslage 8a ausgebildet sein und insbesondere Aktivkohle aufweisen. Zumindest eine Filterlage 7, 8 kann auch plissiert sein.
Die Filtereinrichtung 6 ist dabei in Bezug auf eine Strömungsrichtung 9 der die Luftreinigungseinrichtung 1 durchströmenden Luft stromab des Ionisators 4 und damit auch stromab der Sprühelektroden 5 angeordnet. Durch die Beaufschlagung der Sprühelektroden 5 mit negativer Hochspannung werden von den Sprühelektroden 5 Elektronen ausgesandt, die durch das elektrische Nahfeld stark beschleunigt werden. Diese Elektronen stoßen dabei auf Gasmoleküle, welche durch diesen Stoß ein weiteres Elektron verlieren und dadurch positiv ionisiert werden. Mittels der negativen Sprühelektrode 5 werden die im Luftstrom strömenden Partikel auch überwiegend negativ geladen. Da die Filtereinrichtung 6 und insbesondere dessen Filterlage 7, 8 mit einer positiven elektrischen Hochspannung beaufschlagt werden, erfolgt ein Anziehen der negativ geladenen Staubpartikel hin zur positiv geladenen Filterlage 7, 8, wodurch sich die Staubpartikel, insbesondere die Feinstaubpartikel, besser auf der Adsorptionslage 8a bzw. auf der Partikelfilterlage 7a ablagern.
Die Adsorptionslage 8a bzw. deren Aktivkohlefiltermedium kann dabei beispielsweise als Granulatfüllung oder als zick-zack-förmig gefaltetes Filtermedium ausgebildet sein.
Betrachtet man die 2 so kann man erkennen, dass zusätzlich auch noch eine Trägerschicht 10 vorgesehen ist, auf der die zumindest eine Filterlage 7, 8, angeordnet ist. Die Trägerschicht 10 dient dabei der Aussteifung der Filterlage 7, 8, kann aber auch noch andere Funktionen übernehmen, insbesondere antiallergen oder antibakteriell ausgebildet sein du dadurch die Innenluft des Kraftfahrzeugs 3 verbessern.
Sind mehrere Filterlagen 7, 8 vorgesehen, so stehen diese in direktem Kontakt und sind beispielsweise miteinander verklebt, aufgeprägt oder anderweitig verbunden. Auch ein Verkleben der Filterlage 7 mit der Trägerschicht 10 ist denkbar.
Auch kann die Filterlage 8, das heißt insbesondere die Aktivkohle aufweisende Adsorptionslage 8a in der Art eines Blocks 11 (vgl. 2) oder Waben ausgebildet sein, muss also demzufolge nicht flächig sein. Die Aktivkohle der Adsorptionslage 8a kann auch geschäumt sein.
Insgesamt kann somit eine langfristig eine hohe Abscheidewirkung aufweisende Luftfiltereinrichtung 1 geschaffen werden.

Claims

Luftreinigungseinrichtung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug (3), - mit einem Ionisator (4) mit zumindest einer Sprühelektrode (5), die zum Aussenden negativer oder positiver Ionen ausgebildet ist, - mit einer Filtereinrichtung (6) mit zumindest einer über eine Spannungsquelle mit einer positiven oder negativen Spannung beaufschlagbaren, elektrisch leitenden Filterlage (7, 8), - wobei die zumindest eine Sprühelektrode (5) und die Spannungsquelle zumindest einer Filterlage (7, 8) der Filtereinrichtung (6) an derselben Masse (GND) angeschlossen sind.
Luftreinigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterlage (7) als elektrisch leitfähige Partikelfilterlage (7a) ausgebildet ist.
Luftreinigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (6) stromab der zumindest einen Sprühelektrode (5) angeordnet ist.
Luftreinigungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterlage (8) als elektrisch leitfähige Adsorptionslage (8a) ausgebildet ist.
Luftreinigungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Adsorptionslage (8a) Aktivkohle aufweist.
Luftreinigungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trägerschicht (10) vorgesehen ist, auf der die zumindest eine Filterlage (7, 8) angeordnet ist.
Luftreinigungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (10) mit der Filterlage (7, 8) verbunden, insbesondere verklebt, ist.
Klimaanlage (2) eines Kraftfahrzeugs (3) mit einer Luftreinigungseinrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug (3) mit einer Klimaanlage (2) nach Anspruch 8.