DE19919623A1

DE19919623A1 - Luftaufbereitungssystem zum wirksamen Abbau von luftgetragenen Gerüchen, Keimen und Schadstoffen

Info

Publication number: DE19919623A1
Application number: DE19919623A
Authority: DE
Inventors: Hanns Rump; Rainer Klein; Olaf Kiesewetter
Original assignee: T E M TECH ENTWICKLUNGEN und M
Current assignee: Automotive AG
Priority date: 1999-04-29
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2000-11-02

Description

PROBLEMSTELLUNG

Die Luft, in von Menschen genutzten Wohnräumen, öffentlichen Gebäuden, Kraftfahrzeuginnenräumen, öffentlichen Verkehrsmitteln, Krankenhäusern, Arztpraxen und ähnlichen geschlossenen Räumen ist häufig mit unangenehmen Gerüchen und Schadstoffen wie z. B. krankheitserregenden Keimen (Pilzsporen, Bakterien, Viren) oder toxikologisch wirksamen gasförmigen chemischen Verbindungen belastet. Die Folgen sind neben allgemeinen, durch unangenehme Gerüche bedingten, Komforteinbußen, aber auch durch Keime und Schadstoffe bedingte Erkrankungen.

Das menschliche Immunsystem ist in der Regel in der Lage diese Anrufe abzuwehren, aber insbesondere alte Menschen, geschwächte oder bereits erkrankte Menschen sowie Kinder mit einem noch im Aufbau befindlichen Immunsystem sind gefährdet.

Entsprechend einer wissenschaftliche Studie des Robert Koch Instituts (Quelle: Bundesgesundheitsblatt Heft 7/96, S. 246) sterben allein in Deutschland jedes Jahr 40.000 Menschen an Infektionskrankheiten, die durch luftgetragene Keime z. B. in Krankenhäusern, Hotels, Restaurants oder öffentlichen Verkehrsmittel ausgelöst werden. Die Kosten dieser sogenannten nosokominalen Infektionen werden von den Autoren auf mehr als 3 Milliarden Mark jährlich geschätzt.

Es ergibt sich damit die Aufgabenstellung, ein Verfahren anzugeben, mit dem luftgetragene Gerüche, Keime und sonstige Schadstoffe wirksam reduziert werden können.

Stand der Technik Filtertechniken

Zur Beseitigung von luftgetragenen Keimen sind z. B. Partikelfilter bekannt, die u. a. auch allergieauslösende Partikel aus der Luft entfernen können. Diese HEPA-Filter (High Efficiency Particle Filter) erfordern jedoch einen häufigen Filterwechsel, da die Keime auf dem Filtermaterial in der Regel einen idealen Nährboden zur Vermehrung finden. Bei nicht regelmäßiger Wartung (Desinfektion und Filterwechsel) bewirken diese Filter unter Umständen das Gegenteil von dem wofür sie eingesetzt werden, sie reichern die Luft mit zusätzlichen Keimen an. Ein weiter Nachteil dieses Verfahrens ist, daß aufgrund der hohen Strömungswiderstände dieser feinporigen Filter, entsprechend dimensionierte Lüfter mit hoher Leistung und damit verbundener Lärmemission eingesetzt werden müssen. Neben dem intensiven, mit hohen Kosten verbundenen Wartungsaufwand spricht also auch die Lärmentwicklung gegen einen weitverbreiteten Einsatz dieser Systeme.

Zur Entfernung von Gerüchen und gasförmigen chemischen Verbindungen aus der Luft werden auch Filter aus Aktivkohle verwendet. Die Filterwirkung beruht hierbei auf der Adsorption der Schad- und Geruchsstoffe an der Oberfläche der Aktivkohle. Modifizierte Aktivkohle kann über eine innere Oberfläche von über 100 m²/g verfügen.

Gegen den allgemeinen weitverbreiteten Einsatz dieser Aktivkohlefilter sprechen aber auch hier sinngemäß die Einschränkungen die für die Partikelfilter angeführt wurden, hohe Kosten durch regelmäßige Wartung und Austausch der Filtermedien sowie Geräuschentwicklung der erforderlichen Ventilatoren.

Klimatisierung

Ein wirksamer Schutz vor Gerüchen, Keimen und gasförmigen Schadstoffen in geschlossenen Räumen kann aber durch eine intensive Be- und Entlüftung erreicht werden. Die hierzu erforderlichen Luftwechselzahlen verursachen jedoch, da die ausgewechselte Luft ja immer auch klimatisiert werden muß, immense Kosten. Dies führt dazu, daß in der Regel mit reduzierten Luftwechselzahlen gearbeitet wird, die einen Kompromiß zwischen Kosten und Komfort darstellen. Außerdem tritt auch in der klassischen Klimatisierung von geschlossenen Räumen das Problem der in der Praxis nicht ausreichenden Wartung auf. Dies führt dazu, daß die Anlagen (Filter, Luftbefeuchter, Luftentfeuchter, Luftkanäle) verkeimt sind und somit genau das Gegenteil von dem bewirken, wofür sie eingesetzt werden. Dieses Phänomen ist unter dem Begriff "Thick-Building Syndrom" bekannt, was nichts anderes besagt, als daß die Menschen in klimatisierten Gebäuden (Räumen) bedingt durch eine (nicht sachgerechte) Klimatisierung erkranken.

Ozonisierung

Ozon ist nach Fluor das stärkste, bekannte Oxidationsmittel und ist in der Lage sowohl Keime abzutöten als auch Geruchsstoffe zu oxidieren. Es sind Verfahren und Geräte bekannt, die mit Hilfe der Ozonanreicherung von Luft, luftgetragene Schadstoffe oxidieren und Keime abtöten. Dabei muß unterschieden werden, zwischen Geräten, die eine hohe Ozonkonzentration <100 ppb erzeugen und solchen, die eine relativ niedrige Ozonkonzentration <100 ppb in dem zu behandelnden Raum erzeugen. Bei der Anwendung von Geräten, die eine hohe Ozonkonzentration erzeugen dürfen Menschen oder Tiere den Raum für die Dauer der Behandlung und einige Stunden darüber hinaus nicht betreten. Aber auch bei Konzentration unterhalb von 100 ppb ist besondere Vorsicht geboten. Der MAK- Wert (Maximale Arbeitsplatzkonzentration) lag ursprünglich bei 100 ppb Ozon. Es ist lange bekannt, daß Ozon als Reizgas eine schädigende Wirkung auf die Schleimhäute und die Atemwege hat. Es wird dem Ozon neuerdings aber auch ein krebserzeugendes Potential zugeschrieben, so daß auch geringere Konzentrationen als 140 ppb als kritisch zu bewerten sind. Ozon hat ein eindeutig gentoxisches Potential. Dies ist auch der Grund dafür, daß die MAK-Kommission den MAK-Wert für Ozon bis auf weiteres ausgesetzt hat. (Quelle: H. Blome, T. Smola "Ozon und Arbeitsschutz", Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft 56 (1996) 231-237, Springer Verlag 1996).

Ein weiteres Risikopotential bei der Ozon-Exposition ganzer Räume ist darin zu sehen, daß durch heterogene Reaktionen mit den im Raum vorhandenen Stoffen in und auf Oberflächen z. B. Kunststoffen in Teppichböden oder Beschichtungen von Wänden und Möbeln unbekannte, nicht vorhersehbare Folgeprodukte entstehen, die zu einer Erhöhung der VOC's (Volatile Organic Compounds) in der Raumluft führen und somit eher Schad- und Geruchsstoffe erzeugen als abbauen.

Es ist bekannt, daß durch Ozon in der Raumluft z. B. in Verbindung mit Teppichböden die Konzentration von Formaldehyd, Acetaldehyd und weiteren Aldehyden mit 5 bis 10 Kohlenstoffatomen, in der Raumluft signifikant ansteigen (Quelle: Ch. J. Weschler, A. T. Hodgson, J. D. Wooley, "Indoor Chemistry: Ozone, Volatile Organic Compounds, and Carpets", Eniron. Sci. Technol. 1992, 26, 2371-2377).

Diese Verfahren eignen sich demzufolge nicht für den permanenten Einsatz zur Luftautbereitung, sondern sind nur in einigen ausgewählten Einzelfällen unter Beachtung und Gewährleistung entsprechender Sicherheitsvorkehrungen einsetzbar.

In DE 196 03 623 wird ein Gebläse angegeben, mit dem wechselweise Ozon erzeugt und Ozon zerstört wird. Für dieses Gerät gelten z. B. die oben angegebenen erheblichen Nachteile.

In DE 44 24 834 wird ein Verfahren zur Entkeimung von Luft angegeben, das ebenfalls auf Ozonanreicherung beruht. Das überschüssige Ozon soll am Ende eines Kanals durch ein Aktivkohlefilter geleitet und dadurch abgebaut werden. Nachteilig ist an diesem Verfahren, daß die Reaktion zwischen Keimen und Ozon erfindungsgemäß in einem Luftkanal erfolgen soll. Bei der zu erwartenden geringen Konzentration von Keimen und aktivem Sauerstoff ist die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion entsprechend gering. Am Ende des Kanals soll überschüssiges Ozon (atomarer Sauerstoff) durch ein Aktivkohlefilter abgebaut werden. Nachteilig hierbei ist, daß herkömmliche Aktivkohlefilter je nach Auslegung nur ca 40% des Ozons abbauen können. Um also die Ozonkonzentration am Luftaustritt entsprechend gering halten zu können ist es erforderlich die Konzentration im Luftkanal bereits entsprechend niedrig zu halten, was die Wirksamkeit weiter einschränkt. Außerdem besteht bei der Verwendung von Aktivkohlefiltern zum Ozonabbau bei hohen Konzentrationen, durch die entstehende Reaktionswärme in Verbindung mit Staubanlagerungen die Gefahr der Selbstenzündung.

Ionisierung

Es sind auch Verfahren bekannt, die mit Hilfe der Luftionisierung einen Abbau von Keimen und Schadstoffen bewirken sollen. Eine Wirksamkeit dieser Verfahren hinsichtlich Schadstoffabbau wird von uns aber ernsthaft angezweifelt.

Diese Ionisierungsverfahren arbeiten mit Ionenkonzentrationen im Bereich von einigen zehntausend Ionen pro Kubikzentimeter Raumluft. Dies entspricht einer Konzentration von einem Ion auf 10¹⁵ Teilchen oder 10^-9 ppm.

Ausgehend davon, daß Schadstoffe in Konzentrationen von einigen ppm bis ppb vorliegen, darf eine wirksame Reduzierung angezweifelt werden. Ähnliches gilt auch für Keime in der Luft. Normale Raumluft enthält ca. 1000 Keime pro Kubikmeter Luft. Die Wahrscheinlichkeit einer "Reaktion" zwischen Ion und Keim dürfte also sehr nahe bei Null liegen.

Der vorliegenden Erfindung liegt also die erweiterte Aufgabenstellung zugrunde ein Verfahren anzugeben, mit dem luftgetragene Gerüche, Keime und sonstige Schadstoffe wirksam reduziert werden können ohne daß die angegebenen Nachteile wie

- toxisches Potential bei hohen Ozonkonzentrationen in Räumen
- geringe Wirksamkeit bei niedrigen Konzentrationen
- geringe Effizienz bei Reaktionen in der Gasphase
- nicht vorhersehbare Folgeprodukte durch heterogene Reaktionen von Ozon z. B. mit Kunststoffen in und auf Oberflächen im Raum
- Gefahr der Selbstentzündung bei Ozonaubbau an Aktivkohle.

Offenbarung der Problemlösung

Erfindungsgemäß wird dies durch das mit Abb. 1 erläuterte Verfahren, das im folgenden mit - Physical Air Treatment Technology - (PATT) bezeichnet wird, gelöst. Es wird ein elektrisch betriebener Ventilator 1.1, eine Ionisierungseinheit 1.2, eine Hochspannungsquelle 1,3, eine Sorptionskatalysatoreinheit bestehend aus Katalysator I (1.4) und Ozonkatalysator II (1.5), einer Ozonsensoreinheit, einer Sensoreinheit zur Messung der Ozonkonzentration (1.6) einem Staubfilter (1.7), einer Sensoreinheit zu Messung der Luftqualität (1.8), sowie einer Steuerelektronik (1.9) benötigt. Ausformungen dieses Verfahrens sind in den Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben.

Die mit Schad-/Geruchsstoffen und Keimen belastete Luft wird mit einem geeigneten Fördermittel vorzugsweise einem elektrisch betriebenem Lüfter durch die PATT-Einheit geleitet. In der mit einer steuerbaren Hochspannungsquelle verbundenen Ionisierungseinheit (1.2) werden Schadstoffe sowie Luftmoleküle teilweise ionisiert. Neben Sauerstoffionen entsteht auch atomarer Sauerstoff und Ozon. Das hohe Oxidationspotential von Sauerstoffionen (O₂ ^-), atomaren Sauerstoff (O^-) und Ozon (O₃) ist bekannt und wurde oben bereits erläutert. Es wurde jedoch festgestellt, daß Reaktionen zwischen Keimen und Schad- /Geruchsstoffen einerseits und atomarem Sauerstoff, Sauerstoffionen und Ozon andererseits in der Gasphase aufgrund der geringen Konzentration der Reaktionspartner (ppb bis einige ppm) nur in sehr geringem Umfang stattfinden. Daher ist der Ionisierungseinheit in Strömungsrichtung ein Katalysator I (1.4) nachgeschaltet. Durch Adsorption der gasförmigen Reaktionspartner an der Oberfläche des Katalysators I (1.4) erhöht sich lokal die Konzentration, so daß die Ausbeute (keimtötende Wirkung, Oxidation von Schad- /Geruchsstoffen) deutlich erhöht wird. Zusätzlich wird durch die katalytische Wirkung der Oberfläche die Aktivierungsenergie herabgesetzt, was zusätzlich zu einer größeren Reaktionswahrscheinlichkeit führt.

Der Katalysator I (1.4) ist vorzugsweise so gestaltet, daß er Ozon nicht oder nur in sehr geringem Umfang katalytisch zu Sauerstoff zersetzt, da dieses Ozon ansonsten nicht für die erforderlichen Reaktionen zur Verfügung steht. Der Katalysator I (1.4) verfügt über eine große innere Oberfläche und ist bevorzugt aus entsprechend modifiziertem keramischen Material wie Siliziumoxid (SiO₂) oder alternativ aus Aluminiumoxid Al₂O₃. Es sind auch andere Materialien denkbar.

Damit kein überschüssiges Ozon in die Umwelt gelangt und Menschen und Tiere gefährden kann, ist dem Katalysator I (1.4) ein weiterer Ozonkatalysator II (1.5) in Strömungsrichtung nachgeschaltet. Dieser Katalysator hat erfindungsgemäß die Aufgabe das verbleibende Ozon katalytisch in Sauerstoff umzuwandeln. Dieser Ozonkatalysator verfügt ebenfalls über eine große innere Oberfläche und besteht aus modifizierter Aktivkohle als Trägermaterial, die bevorzugt mit Mangandioxid oder Kupferoxid oder mit einer Mischung aus Mangandioxid/Kupferoxid zumindest teilweise beschichtet ist. Alternativ können auch andere Oxide von Übergangsmetallen wie z. B. Palladium verwendet werden. Es sind auch andere Beschichtungen und andere Trägermaterialien wie z. B. Aluminiumoxid denkbar.

Die beiden Katalysatoren (1.4, 1.5) können auch zu einer Funktionseinheit zusammengefaßt werden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist erfindungsgemäß vorgesehen die Wirksamkeit des Systems zu steigern, indem ein großer Teil der durch das Luftaufbereitungssystem geleiteten Luft zusätzlich ionisiert wird. Dies geschieht vorteilhaft mit Hilfe einer Sprühelektrode, die mit einer geeigneten Hochspannungsquelle verbunden ist. Die Sprühelektrode wird vorteilhaft aus einer Vielzahl dünner Drähte oder feiner Spitzen gebildet. Zusammen mit der Luft werden auch darin enthaltene Inhaltsstoffe wie z. B. Geruchsmoleküle ionisiert. Zusätzlich wird einer oder beide Sorptionskatalysatoren mit einer geeigneten Hochspannungsquelle verbunden, wobei die Polarität so gewählt ist, daß sie entgegengesetzt zu der Polarität der mit Hilfe der Sprühelektrode erzeugten Ionen ist. Hierdurch wird erreicht, daß sich die Ionen, ähnlich wie in einem elektrostatischen Staubfilter, bevorzugt am Katalysator anlagern und die Wahrscheinlichkeit einer Oxidation von Schad- und Gersuchstoffen sowie die Abtötung von Keimen ansteigt.

Katalysatoren können durch Bedeckung der Oberfläche mit nicht katalytisch wirksamen Stoffen wie z. B. Staubverunreinigungen oder durch sogenannte Katalysatorgifte wie z. B. Halogenverbindungen in ihrer Wirksamkeit stark eingeschränkt oder irreversibel zerstört werden. Daher ist es erforderlich weitere Maßnahmen zu treffen, die die erfindungsgemäße Funktion von PATT (Physikal Air Treatment Technology) sicherstellen und zusätzlich sicherstellen, daß auch bei einem Versagen des Ozonkatalysators II (1.5) kein Ozon in die Umwelt gelangt. Erfindungsgemäß geschieht dies zum einen durch einen feinporigen Staubflilter (1.7), welcher in Strömungsrichtung vor dem Lüfter (1.1) angeordnet ist. Alternativ kann auch ein elektrostatischer Staubfilter verwendet werden wie er dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Als weitere Sicherheitsmaßnahme befindet sich in Strömungsrichtung hinter dem Ozonkatalysator II (1.5) ein Sensorsystem zu Ozondetektion (1.6). Dieses Sensorsystem besteht bevorzugt aus einem Metalloxidhalbleitergassensor bevorzugt auf der Basis von Wolframtrioxid (WO₃), sowie einer Steuerungs- und Auswerteeinheit mit Mikroprozessor und entsprechender integrierter Software. Es sind auch andere Metalloxidhalbleitersensoren wie z. B. auf der Basis von Zinndioxid denkbar.

Da die zu detektierenden Ozonkonzentrationen mit <20 ppb sehr gering sind und das Signal/Rauschverhältnis der Metalloxidhalbleitersensoren unter normalen Umständen keine Messung ermöglicht - und zusätzlich Drifterscheinungen auftreten, die eine Absolutwertmessung normalerweise nicht ermöglichen -, werden zwei Verfahren vorgeschlagen, die in Verbindung mit einer Steuerelektronik erfindungsgemäß sicherstellen, daß unter allen denkbaren Umständen die Ozonkonzentration am Luftaustritt des PATT- Systems nicht größer als ein vorgegebener Grenzwert von z. B. 20 ppb (40 ng/m³) werden kann.

Verfahren 1

Durch Modulation der Hochspannungsversorgung der Ionisationseinheit wird auch die Ozonkonzentration im Luftstrom entsprechend moduliert. Ein gleichartig moduliertes Signal wird auch vom Ozonsensor detektiert. Durch frequenz- und phasensynchrone Demodulation des Sensorsignals kann dieses aus dem Rauschsignal isoliert werden. Zusätzlich erhält man mit den oberen und unteren Scheitelwerten eine Referenz, die es erlaubt die Überschreitung eines vorgegeben Grenzwertes zu überwachen. Dies ist möglich, da die Abhängigkeit der Ozonkonzentration von der Hochspannung nicht linear ist.

Verfahren 2

Die Hochspannung der Ionisationseinheit wird entsprechend Abb. 2 verändert. Ausgehend von einem vorgegebenen Normalwert 2.1 wird die Hochspannung auf einen Wert (2.2) reduziert, bei dem mit Sicherheit keine Ozonbildung auftritt. Anschließend wird die Hochspannung wieder erhöht bis das Sensorsystem ein deutliches Signal liefert (2.3). Im nächsten Schritt wird die Hochspannung wieder auf den vorgegebenen Normalwert (2.4) reduziert. Die beiden Sensorwerte bei 2.2 und 2.3 ermöglichen eine Referenzbildung, da die Quereinflüsse auf den Sensor in beiden Fällen gleich sind und Drifterscheinungen innerhalb des kurzen Zeitraumes zwischen 2.2 und 2.3 nicht relevant sind. Die Zeit t₁ muß dabei sehr klein im Vergleich zur Zeit t₂ sein. Damit ist erfindungsgemäß sichergestellt, daß die an die Umgebung abgegebene Ozonmenge pro Zeiteinheit einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.

Sollte vom Sensor ein Überschreiten des vorgegebenen Grenzwertes detektiert werden, wird von der Steuerelektronik 1.9 die Hochspannung automatisch soweit reduziert, daß keine Ozonproduktion mehr erfolgt. Zusätzlich wird über optische und (oder) akustische Signalgeber eine Fehlfunktion signalisiert.

Unter ungünstigen Umständen kann aber auch bei einer Ozonkonzentration von <20 bbp am Ausgang des PATT-Systems die Konzentration im behandelten Raum über diesen Wert ansteigen. Dies ist der Fall, bei kleinen Räumen und hoher Luftleistung, da Ozon nicht in dem Maße abgebaut wird wie es vom System nachgeliefert wird.

Damit aber auch in diesen Fällen sichergestellt ist, daß die Ozonkonzentration im Raum nicht über einen vorgegebenen Wert ansteigen kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, auch am Lufteinlaß des PATT-Sytems einen Ozonsensor zu positionieren, dessen Signal der Steuereinheit zugeführt wird. Für den Fall der Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes wird die Ionisationsleistung automatisch entsprechend reduziert.

Ionisierungseinheit

Die in dem PATT-System eingesetzte Ionisierungseinheit besteht bevorzugt aus einer Anordnung, wie sie ähnlich in Abb. 3 dargestellt ist. Es handelt sich dabei um eine planare Elektrode (3.1) aus einem leitfähigen Material, bevorzugt aus Metall, die von einem Dielektrikum (3.2), bevorzugt Quarzglas, umgeben ist. Außen befindet sich in einem geringen Abstand vom Dielektrikum eine Gitterelektrode (3.3) aus einem feinmaschigen Drahtgeflecht vorzugsweise aus einem korrosionsfesten Metall wie z. B. Edelstahl. An die beiden Elektroden wird eine Wechselspannung von mindestens 3500 Volt und einer Wechselfrequenz zwischen 30 kHz und 100 kHz angelegt. Dabei befindet sich die äußere Gitterelektrode bevorzugt auf Massepotential. Durch das Dielektrikum kann keine direkte Entladung zwischen den Elektroden stattfinden. Aufgrund der hohen Feldstärke treten aber Elektronen aus der Gitterelektrode aus und ionisieren die in der näheren Umgebung befindlichen Gase, erfindungsgemäß den in der Luft befindlichen Sauerstoff und vorhandene Schad-/Geruchsstoffe . Die Strömungsrichtung ist bevorzugt parallel zur Oberfläche.

Anstelle der Gitterelektrode kann das dielektrische Material auch mit Beschichtungsverfahren wie z. B. Hochvakuumbedampfung, oder HF-Sputtern mit leitfähigen Material beschichtet werden. Durch Photolithographie und geeignete Ätzverfahren können die Elektroden anschließend strukturiert werden. In Abb. 6 ist eine Elektrodenstruktur angegeben wie sie vorteilhaft verwendet wird. Es handelt sich um eine Struktur mit einer Vielzahl feiner Spitzen. Die Gegenelektrode auf der Rückseite des dielektrischen Substratmaterials ist erfindungsgemäß eine planare, nicht-strukturierte Elektrode. Es kann aber auch eine ähnliche Struktur mit einer Vielzahl feiner Spitzen verwendet werden. Alternativ können die strukturierten Elektroden auch durch Siebdruckverfahren oder durch Hochvakuumbedampfung/HF-Sputtern durch eine Schattenmaske hindurch hergestellt werden.

In Abb. 4 ist eine weitere alternative Ausgestaltung der Ionisierungseinheit dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Vielzahl dünner Drähte (4.1) aus einem leitfähigen Material, bevorzugt Metall, die jeweils von einem Dielektrikum in Form von Kapillarrohren (4.2) umgeben sind. Als Dielektrikum wird bevorzugt Quarzglas verwendet, es ist aber auch normales Glas z. B. ein Borosilikatglas oder andere dielektrische Materialien denkbar. Die Kapillarrohre sind jeweils von einer zylinderförmigen Gitterelektrode (4.3) aus einem feinmaschigen Drahtgeflecht vorzugsweise aus einem korrosionsfesten Metall wie z. B. Edelstahl umgeben. Die einzelnen Einheiten aus dünnem Draht, umgebendem Dielektrikum und Gitterelektrode können sowohl elektrisch parallel als auch seriell hintereinandergeschaltet werden und werden mit einer Hochspannungsquelle wie sie bereits oben beschrieben ist verbunden. Der Wirkmechanismus ist analog zu dem oben beschriebenen. Die Strömungsrichtung der Luft kann dabei sowohl parallel als auch senkrecht zur Symmetrieachse der zylinderförmigen Elektrodenanordnung sein.

Eine Variation dieser Ionisierungseinheit ist ähnlich wie in Abb. 5 dargestellt. Dabei befinden sich jeweils zwischen zwei planaren Gitterelektroden (5.1) eine Vielzahl von Drahtelektroden (5.2) mit umgebenden Kapillarrohr (5.3) aus einem dielektrischen Material, wie oben beschrieben. Die Strömungsrichtung kann hierbei sowohl senkrecht als auch parallel zur Oberfläche der planaren Gitterelektroden sein.

Als Ionisierungseinheit können aber auch eine Vielzahl feiner Spitzen, die mit einer Hochspannungsquelle elektrisch verbunden werden, erfindungsgemäß verwendet werden. Es handelt sich dabei um sogenannte Sprühelektroden.

Zur Ionisierung und Ozonerzeugung können alternativ aber auch andere Ionen- und Ozongeneratoren wie sie z. B. in US 4559467, DE 197 14 176, US 5136461, DE 196 27 509, US 5483117, angegeben sind, verwendet werden. Für die erfindungsgemäße Anwendung in PATT gelten die entsprechenden Patentschriften in Bezug auf den mechanischen und elektronischen Aufbau als in dieser Anmeldung geoffenbart.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die im PATT-System ablaufenden physikalisch/chemischen Prozesse, der katalytischen Oxidation von in der Luft vorhandenen Keimen und gasförmigen Schad-/Geruchstoffen, sowie die katalytische Zersetzung des überschüssigen Ozons, bei Raumtemperatur erfolgen. Zur Erhöhung der erfindungsgemäßen Wirkung kann aber die Temperatur zusätzlich durch geeignete Heizer, die an geeigneter Stelle angebracht werden, bevorzugt elektrische Heizer an den Katalysatoren, auf einen vorgegeben Wert oberhalb der Raumtemperatur erhöht werden.

Die Verwendung einer Heizung zur Temperaturerhöhung an den Katalysatoren bietet außerdem einen weiteren Vorteil. Bei vergifteten oder durch Adsorption in ihrer Funktion eingeschränkten Katalysatoren können diese durch kurzzeitige Temperaturerhöhung und Belüftung regeneriert werden, da die adsorbierten Gase in diesem Falle wieder desorbieren und die Oberfläche des Katalysators somit gereinigt wird.

Da die Ionisierungseinheit (1.2) und der Katalysator (1.4, 1.5) in ihrer erfindungsgemäßen Funktion durch kleinste Partikel (Staub) beeinträchtigt werden können, ist vorgesehen das PATT-Gerät (Abb. 1) eingangsseitig mit einem hochwirksamen Partikelfilter (1.7) (HEPA-Filter) auszustatten, wie er zum Stand der Technik gehört. Durch einen hochwirksamen Partikelfilter werden aber auch Pilzsporen und Bakterien zurückgehalten, so daß ohne weitere Maßnahmen eine zusätzliche Verkeimung des Partikelfilters zu erwarten ist. Insbesondere Pilze können im Laufe einer längeren Betriebszeit ohne Wechsel des Partikelfilters durch den Filter hindurch wachsen, und so strömungstechnisch hinter dem Partikelfilter erneut Sporen freisetzen. Um eine Verkeimung des Partikelfilters dauerhaft auszuschließen ist daher im Sinne dieser Erfindung vorgesehen, einen Teil der hinter der Ionisierungseinheit (1.2) befindlichen Luft, die mit Ionen und Ozon angereichert ist, über zusätzliche Luftkanäle (1.10) an den Lufteintritt vor den Partikelfilter (1.7) zurückzuführen. Durch diese Maßnahme wird der Partikelfilter mit Luft durchströmt, die mit Ionen und Ozon angereichert ist. Diese tötet die am Partikelfilter befindlichen Keime (Pilzsporen, Bakterien) zuverlässig ab.

Für eine bedarfsgerechte Steuerung von PATT ist in einer weiteren Ausführungsform erfindungsgemäß vorgesehen das System mit einer zusätzlichen Sensoreinheit (1.8) zur Messung der Luftqualität auszustatten. Diese zusätzliche Sensoreinheit verfügt über einen Metalloxidhalbleitersensor, bevorzugt auf der Basis von Zinnoxid als Sensormaterial, wie sie in der Patentanmeldung 199 11 876.1 angegeben ist und in dieser Form als in der vorliegenden Patentschrift geoffenbart gilt. Das Sensorsystem detektiert oxidierbare Luftinhaltsstoffe wie z. B. Gerüche oder Schadstoffe. Das Sensorsignal wird verwendet, um mit der Steuerelektronik (1.9) die Ionisationsleistung und geförderte Luftmenge den tatsächlichen Erfordernissen im Sinne einer Regelung anzupassen. Das Sensorelement zur Messung der Luftqualität kann dabei am Lufteinlaß der PATT-Einheit oder an beliebiger Stelle im Raum angebracht werden.

Claims

1. Luftaufbereitungssystem zur Reduktion von luftgetragenen Schadstoffen, Gerüchen und Keimen, bestehend aus elektrisch betriebenen Ventilator, Hochspannungserzeugung, Ionisationseinheit, Sorptionskatalysatoreinheit, Steuerungselektronik, und Sensorsystem in einem geschlossenem Regelkreis.

2. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationseineinheit ähnlich wie in Abb. 3 aus einer metallischen Elektrode besteht, die sich zwischen zwei Platten aus einem dielektrischen Material bevorzugt aus Quarzglas, befindet. Die vollständig im Dielektrikum gekapselte Elektrode ist von einer zweiten Elektrode umgeben, die vorteilhaft als Gitterelektrode ausgebildet ist.

3. Luftaufbereitungssytem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus strukturierten dünnen Metallfilmen bestehen, die durch Metallbeschichtungsverfahren bevorzugt durch Hochvakuum Bedampfung oder HF- Sputtern auf das Dielektrikum aufgebracht werden und anschließend durch Photolithographie und Ätztechniken strukturiert werden.

4. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationseinheit ähnlich wie in Abb. 4 dargestellt, aus einer Vielzahl dünner Drähte besteht, die sich jeweils in einem Kapillarrohr aus dielektrischem Material, bevorzugt aus Glas, befinden. Die Kapillarrohre sind jeweils mit einer Außenelektrode versehen. Die Außenelektrode ist vorzugsweise so gestaltet, daß sie jedes einzelne Kapillarrohr zylindrisch umgibt.

5. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode planar ist und für mehrere in einer Ebene angeordnete Kapillarrohre mit innerer Drahtelektrode, die Gegenelektrode bildet.

6. Luftaufbereitungssytem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationseinheit aus einer Vielzahl feiner Spitzen besteht.

7. Luftautbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sorptionskatalysator aus einem Material mit großer innerer Oberfläche, bevorzugt aus einer modifizierten Aktivkohle, besteht.

8. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Sorptionskatalysators zumindest teilweise mit Mangandioxid (MnO₂) beschichtet ist.

9. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Sorptionskatalysators zumindest teilweise mit Kupferoxid (CuO) beschichtet ist.

10. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Sorptionskatalysators zumindest teilweise mit einer Mischung aus Mangandioxid (MnO₂) und Kupferoxid (CuO) beschichtet ist.

11. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche des Sorptionskatalysators zumindest teilweise mit Oxiden der Übergangsmetalle bevorzugt Palladium beschichtet ist.

12. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 7, und mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sorptionskatalysator ein zusätzlicher Katalysator aus einem Material mit großer innerer Oberfläche vorgeschaltet wird und mit diesem eine Funktionseinheit bildet. Dieser zusätzliche Katalysator hat die Eigenschaft, daß er Schad- und Geruchstoffe an seiner inneren Oberfläche adsorbiert aber Ozon nicht oder nur im geringen Umfang zu Sauerstoff zersetzt. Dieser zusätzliche Katalysator ist bevorzugt aus keramischen Material z. B. modifiziertes (SiO₂) oder modifiziertes Aluminiumoxid (Al₂O₃).

13. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sorptionskatalysator mit einem geeigneten Heizsystem ausgestattet ist, das es ermöglicht die Temperatur des Sorptionskatalysators bedarfsgerecht zu erhöhen.

14. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2-13, dadurch gekennzeichnet, daß strömungstechnisch am Eingang des Systems eine zusätzliche Sprühelektrode, bevorzugt aus einem oder mehreren dünnen Drähten, angebracht wird. Die Sprühelektrode wird mit einer geeigneten Hochspannungsquelle verbunden, hierdurch erfolgt eine zusätzliche Ionisierung der Luft und deren Inhaltsstoffe. Zusätzlich wird einer oder beide Katalysatoren mit einer Hochspannungsquelle verbunden, wobei das Potential entgegengesetzt zu dem der Sprühelektrode ist. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß sich die Ionen bevorzugt am Katalysator niederschlagen.

15. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2-14, dadurch gekennzeichnet, daß strömungstechnisch am Eingang des Systems ein Partikelfilter zum Schutz der Elektroden und Katalysatoren vorgesehen ist. Um eine Verkeimung des Partikelfilters zu verhindern, ist zusätzlich vorgesehen, einen Teil der im Gerät mit Ozon angereicherten Luft erneut vor dem Staubfilter einzuleiten.

16. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich strömungsseitig hinter dem Sorptionskatalysator ein Sensorsystem zur Ozondetektion befindet. Für den Fall, daß die Ozonkonzentration in der Abluft des Luftaufbereitungssystems einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird ein Signal generiert, das über die Steuerelektronik die Hochspannung für die Ionisationseinheit soweit reduziert, bis ein vorgegebener Grenzwert für Ozon wieder unterschritten wird. Zusätzlich wird bevorzugt ein optisches und (oder) akustisches Signal ausgelöst, das dem Betreiber eine mögliche Fehlfunktion signalisiert.

17. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß für einen kurzen Zeitraum über die Steuerelektronik die Hochspannung sukzessive erhöht wird, bis das Sensorsystem zur Ozondetektion einen voreingestellten Wert der Ozonkonzentration in der Abluft detektiert. Anschließend wird die Hochspannung für einen längeren Zeitraum wieder auf einen voreingestellten Betrag reduziert.

18. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Luftaufbereitungssystem strömungstechnisch am Lufteintritt ein Sensorsystem vorgeschaltet ist, das die Belastung der Luft mit Schad- und Geruchsstoffen detektiert. Das Signal dieses Sensorsystems wird verwendet, um die wesentlichen Parameter wie Strömungsgeschwindigkeit, Hochspannung, Ionisationsrate und Ozonmenge über die Steuerelektronik für einen optimalen Abbau der Schad- und Geruchsstoffe bedarfsgerecht anzupassen.