DE3685580T2

DE3685580T2 - Verfahren und vorrichtung zur reinigung von luft durch bestrahlen mittels ultraviolettstrahlen.

Info

Publication number: DE3685580T2
Application number: DE8686901131T
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Fujii
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1985-02-04
Filing date: 1986-02-04
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2006-02-05
Also published as: EP0241555A1; EP0241555A4; JPH035859B2; DE3685580D1; US4750917A; WO1986004529A1; JPS61178050A; EP0241555B1

Description

Technischer Hintergrund

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Luft in reinen Räumen, reinen Zellen, reinen Tunneln, an reinen Arbeitsplätzen, Sicherheitsschränken, keimfreien Räumen, Räumen mit Bädern, keimfreien Luftschleusen, gereinigten Röhren in der elektronischen Industrie, der medizinischen Fertigung, der Nahrungsmittelindustrie, der Land- und Forstwirtschaft, bei medizinischen Einrichtungen und bei der Fertigung von Präzisionsgeräten.

Stand der Technik

Bekannte Luftreinigungsverfahren oder entsprechende Geräte in einem Raum werden allgemein in zwei Gruppen eingeordnet:
(1) mechanische Filter (z.B. HEPA-Filter) und
(2) Filtertypen, die z.B. aus der DE-A 19 50 532 bekannt sind und mit denen feine Partikel elektrisch auf eine hohe Spannung aufgeladen und elektrostatisch mittels leitender Filter (z.B. einem MESA-Filter) eingesammelt werden.
Diese Filtertypen haben die folgenden Nachteile:
Bei mechanischen Filtern ist es erforderlich, zur Verbesserung der Qualität (Reinheitsklasse der Luft) ein feines Filter zu verwenden. In diesem Fall ist der Druckverlust hoch, der Anstieg des Druckverlustes aufgrund von Verstopfung und Verschmutzung erheblich, die Lebensdauer des Filters kurz und die Wartung, der Einsatz und der Austausch des Filters kompliziert. Wenn das Filter ausgetauscht wird, ist es erforderlich, den Betrieb einzustellen, und es dauert lange, bis das System wieder voll arbeitet, so daß die Effektivität der Produktion verschlechtert wird.
Zur Verbesserung der Qualität, d.h. zur Erhöhung der Reinheitsklasse der Luft wird die Anzahl der Durchlüftungen (die Anzahl von Luftzirkulationen mittels eines Gebläses) erhöht, wodurch jedoch auch die Energiekosten steigen.
Da der einzige Zweck des bekannten Filterverfahrens darin besteht, feine Partikel zu entfernen, kann es für saubere Räume in der Industrie verwendet werden. Da das Filter jedoch immer Befestigungslöcher aufweist, durch die verschmutzte Luft hindurchdringen kann, ist die Verwendung für biologisch reine Räume nur begrenzt möglich.
Zur elektrostatischen Entfernung von feinen Partikeln ist in einer Vor-Aufladeeinheit eine hohe Spannung im Bereich von z.B. 15 bis 70 kV erforderlich, was eine Vergrößerung der Abmessungen des Systems sowie Sicherheits-, Wartungs- und Handhabungsprobleme mit sich bringt.
Aus der GB-A-931 625 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung von Luft in der Weise bekannt, daß:
ein Fotoelektronenabgabeelement mit ultravioletten Strahlen bestrahlt wird,
die feinen Partikel mittels der aufgrund der Bestrahlung erzeugten Fotoelektronen elektrisch aufgeladen werden und
danach die aufgeladenen feinen Partikel aus der Luft entfernt werden.
Ein solches System ist auf verschiedenen Anwendungsgebieten und für verschiedene Gebrauchszwecke ausreichend wirksam, es ist jedoch nicht geeignet zur Reinigung von Luft mit besonders feinen Partikeln und für spezielle Anwendungsfälle.

Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Luft mit folgenden Schritten:
Bestrahlung eines Fotoelektronenabgabeelementes mit ultravioletten Strahlen,
Elektrisches Aufladen der feinen Partikel unter Verwendung der durch die Bestrahlung erzeugten Fotoelektronen und
Entfernung der geladenen feinen Partikel aus der Luft, wobei die Bestrahlung des Fotoelektronenabgabeelementes mit ultravioletten Strahlen in einem elektrischen Feld durchgeführt wird.
Zur Ausführung des oben beschriebenen Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Reinigung von Luft angegeben, welche ein Fotoelektronenabgabeelement zur elektrischen Aufladung der in der Luft enthaltenen feinen Partikel, einen UV-Bestrahlungsbereich zur Bestrahlung einer Metalloberfläche des Fotoelektronenabgabeelementes mit ultravioletten Strahlen und einen geladene feine Partikel sammelnden Bereich in einem Luftströmungsweg zwischen einem Lufteinlaß und einem Luftauslaß aufweist, wobei das Fotoelektronenabgabeelement weiterhin eine Elektrode aufweist und eine Spannung zwischen diese Elektrode und die Metalloberfläche des Fotoelektronenabgabebereiches angelegt wird.
Als Fotoelektronenabgabeelement wird vorzugsweise eine Substanz mit geringer fotoelektrischer Austrittsarbeit gewählt, und zwar ein Gemisch oder eine Legierung solcher Substanzen, die als zusammengesetztes Material allein oder in Kombination mit anderen Materialtypen verwendet werden.

Vorteile der Erfindung

1. Wenn das Fotoelektronenabgabeelement in einem durch Anlegen einer relativ hohen Spannung erzeugten elektrischen Feld mit Ultraviolettstrahlen bestrahlt wird, wird dadurch
(1) die Aufladung der feinen Partikel in der Luft im Vergleich zur Aufladung durch bekannte elektrostatische Filter wesentlich effektiver bewirkt:
(2) aufgrund der wirksamen Aufladung der feinen Partikel Luft von hoher Qualität, d.h. hoher Reinheitsklasse nur durch Anordnung eines geeigneten Kollektors, wie z.B. eines elektrostatischen Filters in der abströmenden Luft erzielt;
(3) durch die elektrische Aufladung und Einsammlung auch hochfeiner Partikel ein Raum von höchster Reinheit geschaffen; und
(4) ein sicherer und kostengünstiger Betrieb ermöglicht, da im Vergleich zu bekannten elektrostatischen Filtertypen für hochfeine Partikel eine hohe Spannung nicht erforderlich ist.
2. Bei der Sterilisation mit Ultraviolettstrahlen ergeben sich folgende Vorteile:
(1) es wird sterile und saubere Luft geschaffen;
(2) die Erfindung ist besonders in den Fällen geeignet, in denen das Vorhandensein von Mikroorganismen Bedeutung hat, wie z.B. in der Biotechnologie;
(3) wenn die Anforderungen an die Entfernung geladener Partikel nicht so hoch sind, wie auf dem Gebiet der Biotechnologie, ist die Vorrichtung sehr kostengünstig, da geringe Undichtigkeiten zulässig sind.
3. Es ist sehr einfach, eine Luftumgebung mit besonders hoher Qualität, d.h. Reinheitsklasse 1 zu erzielen, während Reinheitsklasse 10 mit den bekannten Verfahren nicht erzielt werden konnte.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie anhand der Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 die schematische Darstellung eines sauberen Arbeitsbereiches in einem biologisch reinem Raum, also eines hochreinen Arbeitsbereiches, und
Fig. 2 die schematische Darstellung einer Ausführungsform eines UV-Bestrahlungsbereiches und eines Fotoelektronenabgabebereiches.
Gemäß Fig. 1 werden grobe Teilchen der in einen hochreinen Raum über eine Leitung 2 zugeführten atmosphärischen Luft in einem Vorfilter 3 ausgefiltert. Temperatur und Feuchtigkeit der Luft werden mit einer Klimaanlage 6 geregelt, zu der die Luft zusammen mit aus dem reinen, staubfreien Raum 1 durch eine Auslassöffnung 4 entfernter Luft über ein Gebläse 5 zugeführt wird. Feine Partikel werden dann mit einem HEPA-Filter 7 aus der Luft entfernt. Die Luft wird anschließend dem Raum 1 zugeführt und zirkuliert dort, so daß eine Reinheitsklasse von näherungsweise 10.000 eingehalten werden kann.
Über eine Arbeitsfläche 13 wird in einem hochreinen Arbeitsbereich 11 keimfreie atmosphärische Luft mit hoher Reinheitsklasse (Klasse 10) geführt. Der Arbeitsbereich 11 ist mit einem Gebläse und einer Spannungsversorgungseinheit 8, einem Ultraviolettbestrahlungsbereich 9 und einem Filter 10 innerhalb des Raumes 1 versehen.
Im einzelnen wird die in dem Raum 1 vorhandene Luft der Reinheitsklasse von näherungsweise 10.000 durch das Gebläse und das Gebläse der Spannungsversorgungseinheit 8 in den hochreinen Arbeitsbereich 11 geführt. Ultraviolette Strahlen werden von dem Bestrahlungsbereich 9 ausgesandt, um die in der Luft enthaltenen feinen Partikel elektrisch aufzuladen und Mikroorganismen, wie z.B. Viren, Bakterien, Hefekulturen oder ähnliches abzutöten. Die aufgeladenen feinen Partikel werden dann durch das Filter 10 entfernt, so daß Luft mit einer hohen Reinheitsklasse über der Arbeitsfläche 13 zur Verfügung steht.
Der die Ultraviolettstrahlen und die Fotoelektronen abgebende Bereich ist jeweils, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, im wesentlichen aus einer Abgabeelektrode 20, einer Metalloberfläche 21 des Fotoelektronenabgabeelementes und einer ultravioletten Strahlungslampe 22 gebildet. Zwischen die Elektrode 20 und die Metalloberfläche 21 wird durch die Gebläse/Spannungsversorgungseinheit 8 eine Spannung angelegt. Die ultravioletten Strahlen werden von der Lampe 22 erzeugt und auf die Metalloberfläche 21 gestrahlt, wodurch die feinen Partikel in der Luft 50, die zwischen der Elektrode 20 und der Metalloberfläche 21 strömt, wirksam aufgeladen werden.
Der Abstand zwischen der Elektrode 20 und der Metalloberfläche 21 liegt in jeder Zelleneinheit im allgemeinen zwischen 2 und 20 cm in Abhängigkeit von den Abmessungen der Vorrichtung und beträgt 5 cm bei dieser Ausführungsform.
Das Material und die Konstruktion der Elektrode 20 entspricht den üblicherweise in Ladeeinrichtungen verwendeten Elektroden. Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird ein Wolframdraht verwendet. In Figur 2 ist ein Grobfilter 23 sowie ein elektrostatischer Filter 24 vorgesehen.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 2 sind zur Erzeugung eines elektrischen Feldes die Metalloberfläche 21 und die Elektrode 20 des Fotoelektronenabgabebereiches getrennt ausgebildet. Die Metalloberfläche 21 des die Fotoelektronen abgebenden Materials kann jedoch auch als Abgabeelektrode eingesetzt werden. In diesem Fall wird die Elektrode 20 in dem Beispiel gemäß Figur 2 weggelassen, und die Spannung von dem Gebläse und der Spannungsversorgungseinheit 8 an die Metalloberfläche 21 des Fotoelektronenabgabeelementes angelegt.
Als Metalloberfläche 21 kann dann jede Fläche verwendet werden, die bei Einfall von ultravioletten Strahlen Fotoelektronen abgibt. Vorzugsweise wird solches Material gewählt, bei dem die Ablösearbeit der Fotoelektronen gering ist. Sowohl in Bezug auf die Vorteile als auch in Bezug auf ökonomische Gesichtspunkte können einzelne stoffe, ein Gemisch oder eine Legierung folgender Materialien verwendet werden: Ba, Sr, Ca, Y, Gd, La, Ce, Nd, Th, Pr, Be, Zr, Fe, Ni, Zn, Cu, Ag, Pt, Cd, Pb, Al, C, Mg, Au, In, Bi, Nb, Si, Ta, Ti, Sn oder P. Für ein zusammengesetztes oder physikalisch gemischtes Material kann auch Amalgam oder ähnliches verwendet werden.
Weitere Beispiele sind zusammengesetzte Materialien aus Oxiden, Boriden und Carbiden. Die Oxide enthalten BaO, SrO, CaO, Y&sub2;O&sub6;, Gd&sub2;O&sub3;, Nd&sub2;O&sub3;, ThO&sub2;, ZrO&sub2;, Fe&sub2;O&sub3;, ZnO, CuO, Ag&sub2;O, PtO, PbO, Al&sub2;O&sub3;, MgO, In&sub2;O&sub3;, BiO, NbO und BeO, die Boride enthalten YB&sub6;, GdB&sub6;, LaB&sub6;, CeB&sub6;, PrB&sub6; und ZrB&sub2;, und die Carbide enthalten ZrC, TaC, TiC und NbC.
Die Legierungen enthalten Messing, Bronze, Phosphorbronze, Legierungen aus Ag und Mg (2 - 20 Gew.% Mg), Legierung aus Cu und Be (1 - 10 Gew.% Be) und Legierungen aus Ba und Al. Vorzugsweise werden Legierungen aus Ag und Mg, Cu und Be und Ba und Al verwendet. Die Oxide können durch Erhitzung nur der Metalloberfläche an Luft oder durch Oxidieren mit sauren Stoffen erhalten werden.
Bei einem anderen Verfahren wird die Metalloberfläche vor der Verwendung erhitzt, so daß sich auf der Oberfläche eine für lange Zeit stabile Oxidschicht bildet. Dazu wird zum Beispiel eine Legierung aus Mg und Ag in Dampf auf 300 - 400ºC erhitzt, so daß sich eine dünne Oxidschicht bildet, die gleichzeitig für eine lange Zeitdauer stabilisiert wird.
Die Form der zu verwendenen Materialien kann plattenartig, klein segmentiert oder netzartig in der Weise sein, daß die Kontaktfläche mit der Luft und die Bestrahlungsfläche für ultraviolette Strahlen möglichst groß ist. Für diese Anforderungen ist insbesondere die Netzform geeignet.
Die Größe der angelegten Spannung liegt zwischen 0,1 und 10 kV, vorzugsweise zwischen 0,1 und 5 kV und insbesondere zwischen 0,1 und 1 kV und hängt von der Form der Vorrichtung, den verwendeten Elektroden und deren Material und der Zusammensetzung oder Effektivität des Metalls ab.
Die Art der ultravioletten Strahlen kann beliebig gewählt werden, solange sie aus dem Fotoelektronenabgabeelement Fotoelektronen durch Bestrahlung freisetzen und ist vorzugsweise so gewählt, daß sie sterilisierende Wirkung aufweist. Diese Parameter können in einfacher Weise in Abhängigkeit von dem Anwendungsfeld, dem Arbeitsvolumen, dem erforderlichen Zuverlässigkeitsgrad und der gewünschten Wirtschaftlichkeit bestimmt werden. Bei biologischen Anwendungen sind für eine sterilisierende Wirkung und eine hohe Effektivität zum Beispiel Strahlen im entfernten Ultraviolett geeignet.
Geladene feine Partikel, die abgetötete Organismen enthalten, werden mit dem elektrostatischen Filter 10 ausgefiltert. Zum Einsammeln der geladenen Partikel können verschiedene Filtertypen verwendet werden. Es kann zum Beispiel die Staub-Sammelplatte (Staub-Sammelelektrode) einer normalen Ladeeinrichtung oder eines elektrostatischen Filters verwendet werden, wobei die Elektrode auch aus Stahlwolle gebildet sein kann. In diesem Fall ist das elektrostatische Filter in einfacher Weise handhabbar, besonders wirksam und wirtschaftlich. Wenn das Filter eine bestimmte Zeitdauer verwendet worden ist, besteht die Möglichkeit der Verstopfung. In diesem Fall kann es für einen kontinuierlichen Betrieb vorteilhaft sein, eine Filterkassette oder ähnliches zu verwenden, die bei Auftreten eines Druckverlustes ausgewechselt wird.
Das Einbringen und Entfernen von Teilen und Werkstücken auf bzw. von der Arbeitsfläche 13 des Arbeitsplatzes 11 kann durch eine in dem allseitig umschlossenen Arbeitsplatz 11 vorgesehene bewegliche Klappe 12 erfolgen.
Die Aufladung der feinen Partikel in der Luft erfolgt gemäß Beschreibung durch Abgabe von Fotoelektronen aufgrund der Bestrahlung der die Fotoelektronen abgebenden Metalloberfläche mit ultravioletten Strahlen in einem durch Anlegen einer relativ hohen Spannung erzeugten elektrischen Feld. Feine Partikel in der Luft können jedoch auch durch Bestrahlung des die Fotoelektronen abgebenen Materials mit Ultraviolettstrahlen aufgeladen werden, ohne daß ein elektrisches Feld erzeugt wird. In diesem Fall können bei den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen die zur Erzeugung des elektrischen Feldes notwendigen Teile weggelassen werden.
Insgesamt gibt es zwei Verfahrensarten zur Reinigung von Luft. Mit der einen werden Teile eines Arbeitsbereiches, mit der anderen ein ganzer Raum gereinigt. Das erst genannte Verfahren ist im allgemeinen wirtschaftlicher einsetzbar. Wenn die Erfindung auf dem Gebiet der Biotechnologie angewandt wird, kann in wirksamer Weise eine Stickstoffreiche Atmosphäre geschaffen werden.

Claims

1. Verfahren zur Reinigung von Luft, mit den Schritten:

ein Photoelektronenabgabeelement (20, 21) mit Ultraviolettstrahlen zu bestrahlen, die feinen Partikel durch Verwendung der aufgrund der Bestrahlung erzeugten Photoelektronen elektrisch aufzuladen und anschließend die aufgeladenen feinen Partikel aus der Luft zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung des Photoelektronenabgabeelementes (20, 21) mit Ultraviolettstrahlen in einem elektrischen Feld durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Spannung des elektrischen Feldes zwischen 0,1 bis 10 kV, vorzugsweise zwischen 0,1 bis 1 kV, liegt.

3. Vorrichtung zur Reinigung von Luft gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Photoelektronenabgabeelement (20, 21) zur elektrischen Aufladung der in der Luft enthaltenen feinen Partikel, einem Ultraviolettbestrahlungsbereich (9), welcher eine Metalloberfläche (21) des Photoelektronenabgabeelementes (20, 21) mit Ultraviolettstrahlen bestrahlt, und einem geladene feine Partikel sammelnden Bereich (10) in einem Luftflußweg zwischen einem Lufteinlaß und einem Luftauslaß, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelektronenabgabeelement außerdem eine Elektrode (20) aufweist und daß eine Spannung zwischen dieser Elektrode (20) und der Metallfläche (21) des Photoelektronenabgabebereiches (20, 21) angelegt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelektronenabgabeelement (20, 21) ein Material mit geringer photoelektrischer Austrittsarbeitsfunktion ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher das Photoelektronenabgabeelement (21) aus einem Material gebildet ist, welcher aus einer Gruppe, bestehend aus Ba, Sr, Ca, Y, Gd, La, Ce, Nd, Th, Pr, Be, Zr, Fe, Ni, Zn, Cu, Ag, Pt, Cd, Pb, Al, C, Mg, Au, In, Bi, Nb, Si, Ta, Ti, Sn und P und deren Komponenten, ausgewählt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher das Photoelektronenabgabeelement (21) aus einem Material besteht, das aus mindestens zwei Substanzen zusammengesetzt ist, welche aus der Gruppe, bestehend aus Ba, Sr, Ca, Y, Gd, La, Ce, Nd, Th, Pr, Be, Zr, Fe, Ni, Zn, Cu, Ag, Pt, Cd, Pb, Al, C, Mg, Au, In, Bi, Nb, Si, Ta, Ti, Sn und P und deren Komponenten, ausgewählt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelektronenabgabeelement (21) aus einer Legierung aus Ag und Mg, Cu und Be oder Ba und Al gebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoelektronenabgabeelement (21) aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe, bestehend aus Messing, Bronze und Phosphorbronze, ausgewählt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (20) und die Metallfläche (21) aus separatem Material gebildet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (20) Maschenform besitzt.