DE3802748C2

DE3802748C2 -

Info

Publication number: DE3802748C2
Application number: DE3802748A
Authority: DE
Inventors: Paul J. M. 8878 Bibertal De Haufe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-01-30
Filing date: 1988-01-30
Publication date: 1990-02-08
Also published as: DE3802748A1

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrostatisches Filter zur Reinigung der Luft in Innenräumen von Gebäuden, Fahrzeugen und dergleichen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Ein derartiges elektrostatisches Filter ist aus dem DE-GM 72 45 046 bekannt. Die Kollektorplatten bestehen hier aus im wesentlichen massiven Material. Ihre Oberfläche ist daher in verhältnismäßig kurzer Zeit mit einem Schmutzfilm überzogen, so daß sie einer Reinigung bedürfen. Dem eigentlichen elektrostatischen Filter ist als gesonderter Bestandteil ein katalytisch aktives Filter nachgeschaltet. Diese getrennten Vorrichtungen bedeuten doppelten Raumbedarf, doppelte Herstellungskosten und doppelten Wartungsaufwand.

Die DE-OS 20 58 685 beschreibt Filtermatten, also Gewebe oder Geflechte, die ggf. mehrfach gestapelt sein können und mittels eingewobener Metallfäden als Kollektoren elektrostatischer Luftfilter eingesetzt werden. Nicht die gesamte innere Oberfläche ist auch elektrisch leitfähig. Diese bekannten Filtermatten wirken an denjenigen Stellen, die nicht den eingewobenen Metallfäden unmittelbar benachbart sind, ausschließlich als mechanische Filter. Die innere Oberfläche ist verhältnismäßig klein.

In der DE-OS 21 43 280 sind Filterschichten beschrieben, die aus Kunststoffschaum mit offenen Zellen gefertigt sein können. Diese sind jedoch nicht als Kollektorplatten geschaltet, besitzen also weder einen elektrisch leitenden Überzug noch sind sie an eine Spannung angelegt. Sie dienen ausschließlich als rein mechanisches Filter. Gleiches gilt für ein Vorfilter aus geschäumter Aluminiumfolie, welches bei diesem Stande der Technik unmittelbar am Eintritt der Luft in die gesamte Filteranordnung vorgesehen ist und aus Massepotential liegt. Eine Abscheidungstendenz, die auf einer elektrostatischen Wirkung beruhen würde, ist in diesem Vorfilter nicht gegeben.

Aus der DE-OS 34 35 953 ist ein Abscheider für die Abgasreinigung bekannt, bei welchem die Kollektorelektroden gleichzeitig mit katalytisch aktivem Material beschichtet sind. Der Kern der Kollektorelektroden besteht jedoch aus massivem Material, so daß sich erneut nach verhältnismäßig kurzer Zeit eine auf Verschmutzung zurückgehende Erschöpfung der aktiven Abscheideoberflächen ergibt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Filter der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art derart auszugestalten, daß ein einfacherer, raumsparenderer und preiswerterer Aufbau gewährleistet ist, wobei gleichzeitig höhere Standzeiten erzielt werden sollen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches beschriebene Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß wird als Kern der Kollektorplatten ein nicht leitender Schaum verwendet, dessen offene Poren eine ganz bestimmte Größe besitzen sollen. Die Porengröße ist dabei in doppelter Hinsicht von Bedeutung: Zum einen bestimmt sie die Drosselung der durchströmenden Gase, die die Wechselwirkung mit der Elektrodenoberfläche mitbestimmt. Zum anderen beeinflußt die Porengröße die innere Oberfläche. Die Forderung einerseits nach verhältnismäßig geringer Drosselung, andererseits nach hoher Wechselwirkung der durchströmenden Luft mit den aktiven Oberflächen der Kollektorplatten sowie das Bestreben, möglichst große innere Oberflächen zu erzielen, ist in sich widersprüchlich und bedarf eines besonders gut ausgewogenen Kompromisses. Dieser wird mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Daten erzielt. Da der elektrisch nicht leitende Kunststoffschaum unverändert als Kollektormaterial nicht geeignet wäre, muß er an seinen inneren Oberflächen mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen werden. Erfindungsgemäß wird hierfür nicht irgendein Metall, sondern eine katalytisch aktive Substanz eingesetzt. Das elektrostatische Filter wird damit gleichzeitig zum katalytisch aktiven Filter; die räumliche und vorrichtungsmäßige Trennung, die beim Gegenstand des DE-GM 72 45 046 noch vorhanden war, wird aufgegeben. Dies spart nicht nur Platz; auch für den Katalysator ist die Oberflächenvergrößerung von außerordentlicher Bedeutung. Je mehr katalytisch aktive Oberfläche sich den vorbeiströmenden Gasen darbietet, umso wahrscheinlicher ist die chemische Reaktion, umso vollständiger ist die Umwandlung schädlicher Substanzen und umso später tritt die Erschöpfung des Katalysators durch Verunreinigungen ein.

Die Größe der Poren des Kunststoffschaumes kann vorzugsweise zwischen 300 und 900 µ liegen. Die spezifische Porenzahl sollte zwischen 10 und 100 pro Zoll (PPI) betragen.

Günstig ist eine spezifische innere Oberfläche des Materials der Kollektorplatten zwischen 500 und 2000 m²/g.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Kunststoffschaum ein porengesteuerter Polyurethanschaum. Derartige Kunststoffschäume sind im Einsatz als Luftfilter oder Flüssigkeitsfilter bekannt. Sie sind jedoch von Hause als nicht elektrisch leitend.

Der Kunststoffschaum kann mit Aktivkohle imprägniert sein; hierdurch wird die spezifische innere Oberfläche noch weiter erhöht, wie dies an und für sich für Aktivkohle bekannt ist. Die Aktivkohle darf jedoch nicht frei an der Oberfläche liegen, da sonst einerseits Brandgefahr besteht und zum anderen nicht die erforderliche elektrische Leitfähigkeit erzielt wird.

Der Kunststoffschaum des Kernes des Materials, aus dem die Kollektorplatten bestehen, kann auch keramisiert sein. Derartige keramisierte Kunststoffschäume sind ebenfalls im Einsatz als Flüssigmetall- und Heißgasfilter an und für sich bekannt.

Die katalytisch aktive Substanz kann die ungefähre folgende Zusammensetzung aufweisen:

80 Gew.-% Aluminiumoxid (Al₂O₃)
6,6 Gew.-% Silber (Ag)
6,6 Gew.-% Platin (Pt)
6,6 Gew.-% Rhodium (Rh).

Alternativ kann die katalytisch aktive Substanz Ruthenium (Ru) oder eine Mischung (Legierung) aus gleichen Teilen aus Platin (Pt) und Rhodium (Rh) oder auch eine Mischung (Legierung) aus gleichen Teilen an Platin (Pt) und Ruthenium (Ru) sein. In allen Fällen werden diese Edelmetalle am zweckmäßigsten im Vakuum durch Sputtern aufgetragen. Dieser Vorgang läßt sich so steuern, daß erneut eine zusätzliche Mikroporosität entsteht, welche weiter zur Vergrößerung der spezifischen inneren Oberfläche und somit zur Standzeit und Wirksamkeit des elektrostatischen Filters beiträgt.

Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Stromwächter vorgesehen, der den von der Hochspannungsquelle abgegebenen Strom überwacht und beim Überschreiten eines bestimmten Stromwertes einen Alarm oder eine andere Hilfsfunktion auslöst. Bei dieser Variante der Erfindung wird von der Biegsamkeit der erfindungsgemäßen Kollektorplatten Gebrauch gemacht. Setzt sich eine dieser Kollektorplatten (im allgemeinen zunächst die stromauf liegende) im Verlauf des Betriebes des elektrostatischen Filters mit Verunreinigungen zu, so steigt der Druckabfall an dieser Kollektorplatte. Dies hat zur Folge, daß sich die Kollektorplatte etwas zur benachbarten, stromabwärts liegenden Kollektorplatte durchbiegt und sich auf diese Weise der Abstand verringert. Dies hat eine Vergrößerung des dort herrschenden elektrischen Feldes zur Folge, was den Stromfluß ansteigen läßt. Schließlich kann es zwischen den beiden benachbarten Elektroden sogar zu elektrischen Durchbrüchen oder Spitzenentladungen kommen. In jedem Falle wird dann ein Stromwert erreicht, der von dem erfindungsgemäßen Stromwächter erfaßt und zur Auslösung eines Alarmes herangezogen wird. Statt des Alarmes oder zusätzlich kann eine andere Hilfsfunktion eingeleitet werden, insbesondere kann die Hochspannungsquelle abgeschaltet werden.

Die höchste Wirksamkeit des erfindungsgemäßen elektrostatischen Filters wird dann erzielt, wenn die zu reinigende Luft die Kollektorplatten im wesentlichen senkrecht durchströmt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt durch ein elektrostatisches Filter mit der zugehörigen elektrischen Beschaltung;

Fig. 2 eine starke Vergrößerung des Materials der Kollektorplatten des in Fig. 1 gezeigten Filters;

Fig. 3 einen noch einmal vergrößerten Schnitt gemäß Linie III-III von Fig. 2.

Das in Fig. 1 gezeigte elektrostatische Filter umfaßt ein Gehäuse 1 aus elektrisch isolierendem Kunststoffmaterial. Die zu reinigende Luft tritt, wie dies durch Pfeile angedeutet ist, über einen Lufteinlaß 2 in das Innere des Gehäuses 1 ein und durchtritt dann im wesentlichen senkrecht - von einem Gebläse geführt - eine Vielzahl von Kollektorelektroden 3. Die Kollektorelektroden 3 sind in an und für sich bekannter Weise abwechselnd an die beiden Pole einer Hochspannungsquelle 6 gelegt, so daß zwischen den Kollektorelektroden 3 hohe elektrische Felder mit abwechselnder Richtung wirken. Ein Stromwächter 7 überwacht den Strom, der von der Hochspannungsquelle 6 abgegeben wird, und löst beim Überschreiten eines bestimmten Stromwertes einen Alarm 8 aus. Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen.

Bei den Kollektorelektroden 3 handelt es sich um offenporiges, oberflächlich leitendes, flexibles Material mit hoher spezifischer innerer Oberfläche.

Die genaue Struktur des Materials, aus dem die Kollektorplatten 3 bestehen, sei nachfolgend anhand der Fig. 2 und 3 näher erläutert. Die Fig. 2 zeigt eine starke Vergrößerung, während die Fig. 3 einen weiter vergrößerten Schnitt gemäß Linie III-III von Fig. 2 darstellt.

Das Material der Kollektorplatten 3 besitzt einen Kern 10 aus Polyurethanschaum mit offenen Poren 9. Die Porengröße liegt bei etwa 600 bis 1000 µ, die Porenzahl beträgt etwa 10 bis 45 Poren pro Zoll (PPI), und die spezifische innere Oberfläche liegt bei ca. 1200 m²/g. Derartige Schäume sind kommerziell erhältlich.

Wie insbesondere der Fig. 3 zu entnehmen ist, ist der Kern 10 aus Polyurethanschaum mit einer Schicht 11 aus Aktivkohle imprägniert. Die Aktivkohleschicht 11 liegt jedoch nicht frei, da hierdurch einerseits nicht die erforderliche elektrische Leitfähigkeit erzielt würde und andererseits Brandgefahr bestünde. Aus diesem Grunde ist die Aktivkohleschicht 11 durch einen Sputtervorgang im Vakuum mit einer metallischen Schicht 12 überzogen. Sie weist nicht nur die erforderliche elektrische Leitfähigkeit, sondern zusätzlich katalytisch wirksame Funktionen auf. Hierzu besitzt sie die folgende Zusammensetzung:

Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung besteht die Metallschicht 12 aus Ruthenium (Ru) oder auch aus einer Mischung (Legierung) aus gleichen Teilen an Platin (Pt) und Rhodium (Rh) oder aus einer Mischung (Legierung) aus gleichen Teilen an Platin (Pt) und Ruthenium (Ru).

Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, sind die Kollektorplatten 3 von einem Metallrahmen 5 gefaßt, der am Gehäuse 1 in geeigneter Weise befestigt ist und der gleichzeitig dem Anschluß der Hochspannungsleitungen dient.

Die Funktion des beschriebenen elektrostatischen Filters ist wie folgt:

Die zu reinigende Luft wird von dem in der Zeichnung nicht dargestellten Gebläse im Sinne der Pfeile über den Lufteinlaß 2 den Kollektorplatten 3 zugeführt und durchtritt diese. Die elektrostatische Wirkung in den mit elektrischen Feldern gefüllten Räumen zwischen den Kollektorplatten 3 tritt in bekannter Weise ein. Das heißt, in der Luft enthaltene Schwebstoffe schlagen sich auf der äußeren, elektrisch leitenden Metallschicht 12 des Materials, aus dem die Kollektorplatten 3 bestehen, nieder. Die außerordentlich hohe innere Oberfläche, welche der Kern 10 bereitstellt, evtl. verstärkt durch eine zusätzliche Oberflächenstrukturierung der darüber aufgebrachten Schichten 11 und 12, sorgt dafür, daß außerordentlich hohe Standzeiten des Filters erzielbar sind, daß also sehr hohe Mengen an Schmutz gebunden werden können. Beim Vorbeistreichen der Luft an der Metallschicht 12 treten zudem deren katalytische Eigenschaften in Funktion: Dabei werden insbesondere Kohlenmonoxid, Nitrosegase (NO_x ) und nicht verbrannte Kohlenwasserstoffe (CH_x ) nachverbrannt und in chemisch beständigere, weniger schädliche im allgemeinen ebenfalls gasförmige Produkte umgesetzt. Diese Funktion des beschriebenen elektrostatischen Filters mußte bisher durch eine gesonderte Filterstufe übernommen werden.

Die gereinigte Luft tritt dann aus dem Gehäuse 1 über eine dem Lufteinlaß 2 gegenüberliegende, in der Zeichnung nicht dargestellte Öffnung aus.

Wenn sich die dem Lufteinlaß 2 am nächsten liegende Kollektorplatte 3, die am stärksten mit Schmutz belastet wird, im Laufe des Betriebes zusetzt, so vergrößert sich der an ihr anliegende Druckabfall. Unter dem Einfluß dieses Druckabfalles beginnt sich diese Kollektorplatte 3 auszubauchen und nähert sich so weiter an die benachbarte, stromabwärts liegende Kollektorplatte 3 an. Durch den verringerten Abstand bei gleichbleibender elektrischer Spannung erhöht sich das elektrische Feld, was ein Ansteigen des Stromflusses aus der Hochspannungsquelle 6 zur Folge hat. Das elektrische Feld zwischen den beiden benachbarten Kollektorplatten 3 kann so hoch ansteigen, daß es zu elektrischen Durchbrüchen oder Spitzenentladungen kommt. Dies spätestens ist der Zeitpunkt, zu dem dann die Kollektorplatten ausgetauscht und ggf. regeneriert werden müssen. Dieser Zeitpunkt wird durch einen charakteristischen Stromwert gekennzeichnet. Wird dieser Stromwert durch den Stromwächter 7 festgestellt, löst dieser einen Alarm 8 aus. Gleichzeitig kann die Hochspannungsquelle 6 außer Funktion gesetzt werden.

Bei einem alternativen, in der Zeichnung nicht gesondert dargestellten Ausführungsbeispiel des elektrostatischen Filters besteht der Kern 10 des Materials, aus dem die Kollektorplatten 3 hergestellt sind, aus keramisiertem Polyurethanschaum, der ebenfalls offene Poren 9 aufweist. Die Daten für die Porenhäufigkeit und die innere Oberfläche sind ähnlich wie beim oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel. Eine gesonderte Imprägnierung mit Aktivkohle ist in diesem Falle entbehrlich; die möglichen Zusammensetzungen und die Art der Aufbringung der katalytisch aktiven Metallschicht 12 stimmt jedoch mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein.

Claims

1. Elektrostatisches Filter zur Reinigung der Luft in Innenräumen von Gebäuden, Fahrzeugen und dergleichen mit einer Vielzahl von abwechselnd an die beiden Pole einer Hochspannungsquelle angeschlossenen Kollektorplatten zur Abscheidung der in der Luft enthaltenen Verunreinigungen, mit einem die Kollektorplatten mit der zu reinigenden Luft beaufschlagenden Gebläse und mit zur katalytischen Umwandlung schädlicher Substanzen vorgesehenem Katalysatormaterial, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das Material der Kollektorplatten (3) einen Kern aus offenporigem, nichtleitendem Schaum besitzt;
b) die Größe der Poren (9) zwischen 100 und 2000 µ liegt;
c) der Kern aus Kunststoffschaum an der Oberfläche mit einer elektrisch leitenden Schicht aus katalytisch aktiver Substanz überzogen ist.

2. Elektrostatisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Poren (9) zwischen 300 und 900 µ liegt.

3. Elektrostatisches Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Porenzahl zwischen 10 und 100 pro Zoll (PPI) beträgt.

4. Elektrostatisches Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische innere Oberfläche des Materials der Kollektorplatten (3) zwischen 500 und 2000 m²/g liegt.

5. Elektrostatisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffschaum ein Polyurethanschaum ist.

6. Elektrostatisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffschaum mit Aktivkohle imprägniert ist.

7. Elektrostatisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffschaum keramisiert ist.

8. Elektrostatisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Substanz die ungefähre folgende Zusammensetzung aufweist: 80 Gew.-% Aluminiumoxid (Al₂O₃)
6,6 Gew.-% Silber (Ag)
6,6 Gew.-% Platin (Pt)
6,6 Gew.-% Rhodium (Rh).

9. Elektrostatisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Substanz Ruthenium (Ru) ist.

10. Elektrostatisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Substanz eine Mischung (Legierung) aus gleichen Teilen an Platin (Pt) und Rhodium (Rh) ist.

11. Elektrostatisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Substanz eine Mischung (Legierung) aus gleichen Teilen an Platin (Pt) und Ruthenium (Ru) ist.

12. Elektrostatisches Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromwächter (7) vorgesehen ist, der den von der Hochspannungsquelle (6) abgegebenen Strom überwacht und beim Überschreiten einer bestimmten Stromstärke einen Alarm (8) oder eine andere Hilfsfunktion auslöst.

13. Elektrostatisches Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu reinigende Luft die Kollektorplatten (3) im wesentlichen senkrecht durchströmt.