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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Filterungssystem, das an einem
Gebläserad
in einem HVAC-System lösbar
befestigt werden kann, und insbesondere eine Filterpatrone mit mehreren
Kammern, die ein Filtermedium und mehrere im wesentlichen ungehinderte
Luftströmungsdurchgänge enthalten,
die selbst dann eine hohe Strömungsrate
aufrechterhalten, wenn das Filtermedium in einem voll beaufschlagten
Zustand ist.
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Stand der Technik
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Angesichts
zunehmender Besorgnis über
die Qualität
der Umgebungsluft werden innovative Lösungen angestrebt, um neue
und vorhandene Umwälzsysteme,
wie beispielsweise Heiz-, Belüftungs- und
Kühlsysteme
(HVAC: heating, ventilation and cooling) für Gebäude und Fahrzeuge, mit zusätzlicher
Filterungsleistung auszustatten. Die HVAC-Systeme in den meisten
Fahrzeugen beinhalten beispielsweise keine Luftfilter. Für die Nachrüstung eines
HVAC-Systems mit einem Filter steht allgemein nur minimaler Platz
zur Verfügung.
Darüber
hinaus kann es erforderlich sein, einen Filter für einströmende Luft und einen zweiten
Filter für
innerhalb des Fahrzeuginnenraums umgewälzte Luft bereitzustellen.
Selbst bei Neufahrzeugen ist Platz innerhalb des HVAC-Systems äußerst wertvoll,
und für
einige Hersteller ist es schwierig, eine Einbaustelle für einen zweckentsprechenden
Filter bereitzustellen.
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Zusätzlich zu
der Schwierigkeit, ausreichenden Platz für einen Filter zu finden, bereitet
auch die Ausfallart der meisten Filtermedien Probleme. Im Laufe
der Zeit sammeln sich Schmutzstoffe aus der Umwelt in den Filtern
an, was typischerweise eine reduzierte Strömungsrate durch das Luftumwälzsystem
zur Folge hat. Wenn die Filtermedien nicht regelmäßig ersetzt
werden, führt
dies zu einem erhöhten statischen
Luftdruckabfall im Filter und zu einem verringerten Wirkungsgrad
des Luftumwälzsystems.
Die reduzierte Strömungsrate
durch einen beaufschlagten Filter kann auch zu Sicherheitsrisiken
führen, wenn
beispielsweise nur eine unzureichende Luftströmung für den Betrieb des Defrostersystems
eines HVAC-Systems zur Verfügung
steht.
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Ein
Lösungsweg
zur Nachrüstung
eines HVAC-Systems eines Fahrzeugs mit einem Luftfilter ist im US-Patent
5,683,478 (Anonychuk) beschrieben. Der Luftfilter ist so dimensioniert
und geformt, daß er
in einen innerhalb einer Gebläsemotoreinheit befindlichen
Hohlraum paßt.
Eine sich nach außen erstreckende
Lippe ist an der Basis des Luftfilters zur starren Befestigung an
einem Rand vorgesehen, der sich unterhalb des Propellers am Automobil
befindet. Der Propeller in der Gebläsemotoreinheit dreht sich um
den stationären
Filter. Obwohl das Patent '478
die Notwendigkeit erkennt, einen Filterungswirkungsgrad ohne Behinderung
der Luftströmung
bereitzustellen, reduziert sich die Luftströmung zwangsläufig, wenn
der Filter mit Schmutzstoffen aus der Umwelt beaufschlagt wird.
Die Ausfallart des Filterelements kann in einer nicht akzeptablen
Reduzierung der Luftströmung
durch die Gebläsemotoreinheit
bestehen.
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Im
US-Patent 5,265,348 (Fleishman et al.) ist die Verwendung eines
rotierenden Schaummaterials an einem sich drehenden Propeller beschrieben,
um Geräusche
zu reduzieren.
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Verschiedene
Filter für
Gebläseräder sind
in den gemeinsam übertragenen
US-Patenten 09/126,189 mit dem Titel "Filtration System for HVAC Applications", 09/126,190 mit
dem Titel "Moving
Sorbent Filter Device" und
09/126,181 mit dem Titel "Moving
Filter Device having Filter Elements with Flow Passages and Method
of Filtering Air" beschrieben, die
alle am 30. Juli 1998 eingereicht wurden.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Filterungssystem, das an einem
Gebläserad
in einem HVAC-System befestigt werden kann. Das vorliegende Filterungssystem
ist besonders nützlich,
um eine Innenraumluftfilterung für
Fahrzeuge bereitzustellen, die derzeit nicht mit einem für das HVAC-System ausgelegten
Filter ausgestattet sind. Eine Bewegung der Filterpatrone mit dem
Gebläserad
erhöht
den Filterungswirkungsgrad während
des Gebläsebetriebs. Die
vorliegende bewegbare Filterpatrone kann als Nachrüstung für die meisten
vorhandenen Gebläseräder vorgesehen
werden. Die Filterpatrone kann entweder am Außenumfang oder am Innenumfang des
Gebläserads
lösbar
befestigt sein.
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Ein
Vorteil des vorliegenden Filterungssystems besteht darin, daß die meisten
vorhandenen Fahrzeuge damit nachgerüstet werden können. Da die
meisten Autos ein Gebläserad
haben, ist Platz vorhanden, um die vorliegende Filterpatrone einzubauen.
Andererseits ist es nicht möglich,
ein Fahrzeug problemlos mit einem herkömmlichen Innenraumluftfilter
nachzurüsten,
da nur wenig zusätzlicher
Platz zur Verfügung
steht. Wenn die Filterpatrone am Gebläserad vorgesehen ist, kann
sowohl die in das HVAC-System eintretende Außenluft als auch die innerhalb
des Systems umgewälzte
Luft gefiltert werden. Die meisten Innenraumluftfilter filtern lediglich
die in das Fahrzeug eintretende Luft.
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Die
vorliegende Filterpatrone beinhaltet Kammern, die sowohl ein Filtermedium
als auch Strömungsdurchgänge in einer
solchen Größe, Dichte und
Form enthalten, daß eine
hohe Strömungsrate selbst
dann aufrechterhalten wird, wenn die Filtermedien voll beaufschlagt
sind. Durch die Drehung der Filterpatrone wird bewirkt, daß das in
den Kammern enthaltene Filtermedium mit Luft zusammenprallt, während sie
durch die Strömungsdurchgänge strömt. Ein
gewisser Filterungswirkungsgradverlust aufgrund der Strömungsdurchgänge wird
durch den erhöhten Wirkungsgrad
kompensiert, der sich aufgrund der Bewegung der Filterpatrone mit
dem Gebläserad
ergibt.
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Das
Filterungssystem dreht sich in Verbindung mit einem Gebläserad. Das
Gebläserad
hat mehrere Propellerflügel,
die radial um einen Gebläsehohlraum
herum mit Abstand voneinander vorgesehen sind. Das Gebläserad definiert
einen Strömungsweg,
der sich vom Gebläsehohlraum
aus radial nach außen
und durch die Propellerflügel
erstreckt, wenn sich das Gebläserad
dreht. Das vorliegende Filterungssystem kann die Luftströmung durch
das Gebläserad
reduzieren, wodurch der Stromverbrauch des Motors verringert wird.
Das Verhältnis zwischen
elektrischem Strom und Strömung
ist eine kubische Funktion. Wenn die Belastung (d.h. der Stromverbrauch)
verringert wird, verlängert
sich die Lebensdauer des Motors.
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In
einer Ausführungsform
umfaßt
die Filterpatrone eine Maschenstruktur, die einen allgemein ringförmigen Zylinder
mit einer zentralen Öffnung
bildet, mehrere Kammern, die ein Filtermedium enthalten, sowie Räume zwischen
den Kammern. Die Räume
zwischen den Kammern umfassen im wesentlichen ungehinderte Luftströmungsdurchgänge, die selbst
dann eine Luftströmung
zulassen, wenn das Filtermedium voll beaufschlagt ist.
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Die
Kammern können
sich radial in die zentrale Öffnung
erstrecken. In einer Ausführungsform umfassen
die Kammern Wellen oder Falten in einer oder mehreren der Maschenschichten.
Die Kammern können
so geformt sein, daß sie
als Propellerflügel dienen.
Die Kammern sind typischerweise als getrennte Taschen ausgeführt. Das
Maschenmaterial umfaßt
typischerweise ein Streckgittersieb. In einer Ausführungsform
erstreckt sich ein Maschenmaterial über eine obere Öffnung des
ringförmigen
Zylinders. Das Filtermedium kann aus einer Gruppe ausgewählt sein,
die aus elektretgeladenem Medium, Partikelmedium, Sorbensmedium,
agglomeriertem Kohlenstoff oder Kombinationen davon besteht.
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Die
Filterpatrone umfaßt
mindestens eine Endkappe. Ein Luftströmungsdurchgang kann sich wahlweise
durch die mindestens eine Endkappe erstrecken. Die Endkappe kann
auch Gewichtsausgleichshohlräume
und/oder entfernbare Gewichtsausgleichszungen beinhalten.
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In
einer anderen Ausführungsform
umfaßt die
Filterpatrone eine erste Maschenschicht mit mehreren erhabenen Abschnitten
und eine zweite Maschenschicht, die so in die erste Maschenschicht
eingreift, daß die
erhabenen Abschnitte Kammern umfassen. Ein Filtermedium wird in
den Kammern zurückgehalten.
Räume zwischen
den Kammern umfassen im wesentlichen ungehinderte Luftströmungsdurchgänge, die
selbst dann eine Luftströmung
zulassen, wenn das Filtermedium voll beaufschlagt ist. Bei dem Filtermedium
handelt es sich vorzugsweise um agglomerierten Kohlenstoff oder
um ein anderes Filtermedium, wie beispielsweise Aktivkohle oder
andere Sorbensmaterialien, die Gerüche und Gase aus der Luft entfernen,
wie z.B. Dieselabgase, Autoabgase, städtische oder landwirtschaftliche
Gerüche, Kohlenmonoxid
und Ozon.
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Kurze Beschreibung der
verschiedenen Abbildungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Filterpatrone in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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1a ist
eine Aufrißschnittansicht
der Filterpatrone der 1;
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1b ist
eine Aufrißschnittansicht
einer alternativen Filterpatrone in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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2a ist
eine Schnittansicht der Filterpatrone der 1;
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2b ist
eine Schnittansicht einer alternativen Filterpatrone in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2c ist
eine Schnittansicht einer anderen alternativen Filterpatrone in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer Filterpatrone in Eingriff mit
einem Gebläserad
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine Schnittansicht einer Filterpatrone in Eingriff mit einem Gebläserad in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine Schnittansicht einer alternativen Filterpatrone in Eingriff
mit einem Gebläserad
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine Schnittansicht einer anderen alternativen Filterpatrone in
Eingriff mit einem Gebläserad
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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6a ist
eine Schnittansicht einer Filterpatrone in Eingriff mit einem Außenumfang
eines Gebläserads
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
eine Draufsicht einer Filterpatrone in Eingriff mit einem Gebläserad in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung;
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8 ist
eine grafische Darstellung von Daten zum Gasentfernungswirkungsgrad
der vorliegenden Filterpatronen und einer herkömmlichen Filterpatrone;
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9 ist
eine grafische Darstellung von Daten zur Neigung geformter Flügel im Verhältnis zur Luftströmungsleistung;
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10 ist
eine grafische Darstellung von Daten zur Orientierung geformter
Flügel
im Verhältnis zur
Luftströmungsleistung;
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11 ist
eine grafische Darstellung von Daten zur Durchlässigkeit der Filterpatronenkappe
im Verhältnis
zur Luftströmungsleistung;
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12 ist
eine grafische Darstellung von Daten zur Durchlässigkeit der Filterpatronenkappe
im Verhältnis
zum Gasentfernungswirkungsgrad;
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13 ist
eine grafische Darstellung von Daten zur Durchlässigkeit der Filterpatronenkappe
im Verhältnis
zur Luftströmungsleistung.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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Die 1, 1a und 2a zeigen
eine Filterpatrone 20 in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung. Die Filterpatrone 20 beinhaltet eine eine innere
Filteroberfläche 24 definierende
erste Maschenschicht 22 und eine eine äußere Filteroberfläche 28 definierende
zweite Maschenschicht 26. Die erste Maschenschicht 22 beinhaltet
mehrere erhabene Abschnitte 30, die in die zentrale Öffnung 32 der
Filterpatrone 20 hineinragen. Spalte oder Räume 34,
die sich zwischen den erhabenen Abschnitten 30 an der ersten
Maschenschicht 22 befinden, grenzen stumpf so an die zweite
Maschenschicht 26 an, daß die erhabenen Abschnitte 30 mehrere
Kammern 40 definieren. Die Kammern 40 sind vorzugsweise
mit einem Filtermedium 42 gefüllt (siehe z.B. 1a).
In der dargestellten Ausführungsform
definiert jede der Kammern 40 eine getrennte Tasche, die
nicht mit den angrenzenden Kammern in Verbindung steht. In einer
alternativen Ausführungsform
können
die Kammern 40 in einer einzelnen Maschenschicht ausgebildet
sein, so daß die
zweite Maschenschicht entfallen kann.
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Die
Spalte oder Räume 34 zwischen
den Kammern 40 umfassen Luftströmungsdurchgänge 44, die eine hohe
anfängliche
Luftströmung
durch die Filterpatrone 20 zulassen, die im Laufe der Zeit
nicht abnimmt. Das heißt,
die Luftströmungsdurchgänge 44 sind
im wesentlichen ungehindert, wenn das Filtermedium 42 voll
beaufschlagt ist.
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Die
Filterpatrone 20 beinhaltet eine obere Kappe 50 und
eine untere Kappe 52. Wie am besten aus 2a ersichtlich,
dienen die Kappen 50, 52 dazu, die erste und die
zweite Maschenschicht 22 bzw. 26 zusammenzuhalten.
Die Kappen 50, 52 können auch verwendet werden,
um das Filtermedium 42 in der Filterpatrone 20 zurückzuhalten.
Die Kappen 50, 52 können aus einer Vielzahl von
Materialien bestehen, wie beispielsweise Plastisol. Flexible Kappen, hergestellt
aus Plastisol oder einem anderen elastomeren Material, verstärken das
Formanpassungsvermögen
der Filterpatrone 20 und stellen eine Reibungspassung mit
einem Gebläserad
bereit.
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Die
erste und die zweite Maschenschicht 22 bzw. 26 kann
aus einer Vielzahl von aus polymerem Material oder Metall bestehenden
Sieben oder Glasgarngelegen bestehen. In der in 1 dargestellten Ausführungsform
bestehen die erste und die zweite Maschenschicht 22 bzw. 26 aus
Streckgitter. Die Maschenschichten 22, 26 haben
eine im wesentlichen offene Fläche
von etwa 70% oder mehr. Die Grenzfläche 33 zwischen den
Spalten 34 an der ersten Maschenschicht 22 kann
gegenüber
der zweiten Maschenschicht 26 durch Verkleben, Punktschweißen oder
eine Vielzahl anderer Methoden zusammengehalten werden.
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Wenn
aus losen Partikeln bestehende Filtermedien 42 verwendet
werden, ist die Größe oder
der Durchmesser der Öffnungen
in den Maschenschichten 22, 26 vorzugsweise kleiner
als die kleinste Abmessung der Partikel. Alternativ kann agglomerierter Kohlenstoff
in die Kammern 40 eingebracht und heißfixiert werden, um eine einheitliche
Sorbensmasse zu bilden. Folglich kann die offene Fläche der
ersten und der zweiten Maschenschicht 22 bzw. 26 dramatisch vergrößert werden.
Aus geformten Kohlenstoffpartikeln bestehendes Agglomerat, das für eine Verwendung
in der vorliegenden Filterpatrone 20 geeignet ist, ist
im US-Patent 5,332,426 (Tang et al.) beschrieben.
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1b zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Filterpatrone 20' mit
einer Bahn 35',
die der Kontur der ersten Maschenschicht 22' folgt. Die Bahn 35' kann ein Partikelfilter
oder ein Glasgarngelege sein, der bzw. das dazu beiträgt, das
Filtermedium 42' in
den Kammern 40' zurückzuhalten.
Die Bahn 35' ist
beispielsweise nützlich,
um losen Kohlenstoff in den Kammern 40' zurückzuhalten. Es ist wichtig, ein
Austreten des Filtermediums 42' aus den Kammern 40' zu verhindern,
um auszuschließen,
daß sich
im Gebrauch Unwuchten in der Filterpatrone 22' bilden. In
einer anderen Ausführungsform
ist die Bahn 35' ein
Partikelfilter, der sich allgemein im Zentrum der Kammern 40' befindet und
im wesentlichen von Filtermedium 42' umgeben ist. In einer noch anderen
Ausführungsform
befindet sich die Bahn 35' an der
Außenfläche der
Maschenschicht 22'.
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Die
Filterpatrone 20' kann
unter Anwendung einer Vielzahl von Methoden hergestellt werden.
Die Bahn 35' kann
beispielsweise entweder vor oder nach der Bildung der erhabenen
Abschnitte 30' mit der
ersten Maschenschicht 22' verklebt
oder darauf auflaminiert werden. Sobald die erhabenen Abschnitte 30' gebildet sind,
wird der entlang den Spalten 34' befindliche Abschnitt der Bahn 35' unter Verwendung mechanischer
oder thermischer Verfahren entfernt. Folglich ist die zweite Maschenschicht 26' direkt an der
ersten Maschenschicht 22' positioniert,
so daß die
Strömungsdurchgänge 44' durch die Bahn 35' im wesentlichen
ungehindert sind. In einer anderen Ausführungsform werden die Abschnitte
der Bahn 35' entlang
den Spalten 34' nicht
entfernt, vorausgesetzt, daß die
Bahn 35' ausreichend
porös ist.
Das heißt, die
Bahn 35' kann
eine durchgehende Schicht um den Filter 20' herum bilden.
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2b ist
eine Schnittansicht einer alternativen Filterpatrone 70 mit
einer oberen Kappe 72, die einen oder mehrere Luftströmungsdurchgänge 80, 81 aufweist.
Der Luftströmungsdurchgang 80 erstreckt
sich durch das obere Maschenmaterial 74 und die äußere Maschenschicht 84 der
Filterpatrone 70. Der Luftströmungsdurchgang 81 erstreckt
sich durch die innere Maschenschicht 77 und die äußere Maschenschicht 84.
Die obere Kappe 72 besteht aus einem elastomeren Material,
das die äußere Maschenschicht 84 am
oberen Maschenmaterial 74 sichert. Das obere Maschenmaterial 74 beinhaltet
eine Zunge 75, die die innere Maschenschicht 77 umgreift
und wahlweise daran befestigt sein kann, um der Filterpatrone 70 zusätzliche
konstruktive Unversehrtheit zu verleihen.
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2c ist
eine Schnittansicht einer alternativen Filterpatrone 70' mit einer oberen
Kappe 72',
die einen oder mehrere Luftströmungsdurchgänge 80', 81' aufweist, wie
im wesentlichen in 2b dargestellt. Der Luftströmungsdurchgang 80 erstreckt
sich durch das obere Maschenmaterial 74' und die äußere Maschenschicht 84' der Filterpatrone 70'. Die obere
Kappe 72' sichert
die äußere Maschenschicht 84' am oberen Maschenmaterial 74'. In der in 2c dargestellten
Ausführungsform
erstreckt sich das obere Maschenmaterial 74' über die zentrale Öffnung 86,
um zu verhindern, daß sich
Schmutzstoffe in der Filterpatrone 70' ansammeln.
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3 ist
eine auseinandergezogene Ansicht einer Filterpatrone 100 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung und des schematischen Gebläsesystems 104.
Die Filterpatrone beinhaltet eine innere Maschenschicht 112 und
eine äußere Maschenschicht 114,
aber keine Endkappen. In der in 3 dargestellten
Ausführungsform
wird das (nicht dargestellte) Filtermedium durch Reibung, Verkleben und/oder
eine Vielzahl anderer Mechanismen in den Kammern zurückgehalten.
Das Filtermedium kann beispielsweise in einem aus einem Glasgarngelege oder
einem anderen porösen
Material bestehenden Sack oder einem ebensolchen Beutel zurückgehalten
werden.
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Die
Filterpatrone 100 kann so im Gebläsehohlraum 106 vorgesehen
sein, daß die äußere Filteroberfläche 108 eine
Reibungspassung mit den Propellerflügeln 110 am Gebläserad 102 bildet.
Alternativ kann die Filterpatrone 100 durch eine Vielzahl aktiver
entfernbarer Befestigungsmittel, zu denen mechanische Verbindungselemente
zählen,
wie beispielsweise Klammern, Haken sowie Haken- und Schlaufenbefestigungselemente
und/oder Rückhaltezungen,
am Gebläserad 102 zurückgehalten
werden.
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Wenn
sich das Gebläserad 102 und
die befestigte Filterpatrone 100 drehen, erzeugen die Propellerflügel 110 einen
Zustand verringerten Drucks, wodurch Luft entlang dem Strömungsweg 116 in
die zentrale Öffnung 118 hineingezogen
wird. Aufgrund der Druckdifferenz wird Luft durch die Filterpatrone 100 gezogen
und radial nach außen
durch die Propellerflügel 110 in
das Gehäuse 120 ausgetragen. Wenn
der Druck innerhalb des Gehäuses 120 zunimmt,
strömt
Luft weiterhin entlang dem Strömungsweg 116' durch den Luftauslaß 122.
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Die
vorliegende Filterpatrone 100 kann als ein herkömmlicher
zwischengeschalteter Filter für
ein HVAC-System
verwendet werden, wie beispielsweise im US-Patent 5,683,478 (Anonychuk) beschrieben.
Alternativ kann die Filterpatrone 100 an einem Gebläserad 102 befestigt
sein, wie aus 3 ersichtlich. Das Gebläserad 102 entspricht
gattungsmäßig beliebigen
Käfigrotoren,
Zentrifugalrotoren und dergleichen. Klammern oder Verbindungselemente
können
verwendet werden, um die Filterpatrone 100 am Gebläserad 102 zu
befestigen, wie beispielsweise in dem am 30. Juni 1998 eingereichten,
gemeinsam übertragenen
US-Patent 09/126,189 mit dem Titel "Filtration System for HVAC Applications" beschrieben. Die
Filterpatrone 100 hat vorzugsweise eine Höhe, die
allgemein der Höhe
des Gebläserads 102 entspricht.
In einer Ausführungsform,
in der die Filterpatrone 100 eine geringere Höhe als das
Gebläserad 102 hat,
definiert der Spalt einen Strömungsdurchgang,
der es zuläßt, daß ein Teil
der durch das Gebläsesystem 104 strömenden Luft
im Bypass um die Filterpatrone 100 herumgeleitet wird.
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4 ist
eine Schnittansicht einer Filterpatrone 130 in Eingriff
mit einem Gebläserad 132 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Der Pfeil 131 zeigt die
Drehrichtung der Einheit 130, 132 an. Die geformte
innere Maschenschicht 134 hat eine Reihe erhabener Abschnitte 136,
die durch Spalte 140 getrennt sind. Die äußere Maschenschicht 138 ist
gegenüber
der inneren Maschenschicht 134 positioniert, um radiale
Kammern 144 zu bilden. Das Filtermedium 142 ist
in den radialen Kammern 144 gelagert, die durch die erhabenen
Abschnitte 136 gebildet sind, die stumpf an die äußere Maschenschicht 138 angrenzen.
Die Zahl der Kammern 144 kann größer oder kleiner als die Zahl
der Flügel
am Gebläserad 132 sein
oder dieser Zahl entsprechen.
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Die
Spalte 140 bilden Luftströmungsdurchgänge 146 durch die
Filterpatrone 130. Folglich, wenn das Filtermedium 142 voll
beaufschlagt ist, halten die im wesentlichen ungehinderten Luftströmungsdurchgänge 146 eine
adäquate
Luftströmung durch
die Filterpatrone 130 aufrecht. Die Filterpatrone 130 ist
entweder am Außenumfang
oder am Innenumfang des Gebläserads 132 lösbar befestigt (siehe 6 und 6a).
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5 ist
eine Schnittansicht einer alternativen Filterpatrone 160 in
Eingriff mit einem Gebläserad 162 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Der Pfeil 161 zeigt die
Drehrichtung der Einheit 160, 162 an. In der in 5 dargestellten Ausführungsform
sind die in der inneren Maschenschicht 166 gebildeten erhabenen
Abschnitte 164 so abgewinkelt oder geneigt, daß die Kammern 165 als Verlängerungen
der Propellerflügel 168 dienen.
Die erhabenen Abschnitte 164 können mit einem Neigungswinkel 167 von
weniger als etwa 45 Grad zu einer Achse 163 senkrecht zur
Filterpatrone 160 abgewinkelt oder geneigt ausgeführt sein.
Eine Abwinkelung von –45
Grad im Verhältnis
zur Achse 163 ist für einige
Anwendungen ebenfalls möglich.
In einer Ausführungsform,
in der die Filterpatrone 160 am Außenumfang des Gebläserads 162 befestigt
ist, ist der Neigungswinkel 167 umgekehrt (die Filterpatrone 160 ist
umgedreht vorgesehen).
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Die
Aufrechterhaltung einer hohen Luftströmung im Gebläsesystem
ist von großer
Bedeutung, um den Innenraum eines Fahrzeugs wirksam zu heizen und
zu kühlen.
Die Formgebung oder Neigung der erhabenen Abschnitte 164 verstärkt die
Luftströmung
durch die Filterpatrone 160 und das Gebläserad 162.
In der in 5 dargestellten Ausführungsform
sind die erhabenen Abschnitte 164 zu den Propellerflügeln 168 ausgerichtet
und damit synchronisiert. Wie im Beispiel 4 erörtert, wird die Luftströmung, wenn
die erhabenen Abschnitte 164 nicht mit den Propellerflügeln 168 synchronisiert
sind oder versetzt dazu vorgesehen sind, nicht wesentlich vermindert.
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6 ist
eine Schnittansicht einer alternativen Filterpatrone 180 in
Eingriff mit einem Gebläserad 182 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Die Ausführungsform der 6 entspricht allgemein
derjenigen der 4, mit der Ausnahme, daß die erhabenen
Abschnitte 184 an der äußeren Maschenschicht 186 gebildet
sind. Die innere Maschenschicht 188, die die erhabenen
Abschnitte 184 einschließt, um Kammern 189 zu
bilden, ist zylindrisch. In einer alternativen Ausführungsform
kann die innere Maschenschicht 188 erhabene Abschnitte
beinhalten, die zu den erhabenen Abschnitten 184 an der äußeren Maschenschicht 186 ausgerichtet
oder nicht ausgerichtet sein können.
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6a ist
eine Schnittansicht einer alternativen Filterpatrone 180' in Eingriff
mit einem Außenumfang
des Gebläserads 182' in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Erhabene Abschnitte 184' sind an der äußeren Maschenschicht 186' gebildet. Die
innere Maschenschicht 188' schließt die erhabenen
Abschnitte 184' ein,
um Kammern 189' zu bilden,
und greift in den Außenumfang
des Gebläserads 182' ein.
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7 ist
eine Draufsicht einer Filterpatrone 190 in Eingriff mit
einem Gebläserad 192 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Die obere Kappe 194 beinhaltet
eine Reihe entfernbarer Gewichtsausgleichszungen 196, die
getrimmt oder gänzlich
entfernt werden können,
um die Gebläserad/Filterpatronen-Einheit
auszugleichen. Alternativ kann die obere Kappe 194 mehrere
Spalte 198 mit bekanntem Volumen beinhalten. Indem ein
Material bekannter Dichte in den Spalten 198 gelagert wird, kann
das gleiche Ausgleichsverfahren durchgeführt werden.
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Das
Filtermedium ist vorzugsweise ein Material, das einen nützlichen
Widerstandsgrad gegenüber
einem Eindringen oder Transfer von Partikeln und/oder Aerosolen
bietet und gleichzeitig ein erwünschtes
Gastransportniveau durch das Material aufrechterhält. Der
Widerstand gegenüber
einem Eindringen oder Transfer von Partikeln und/oder Aerosolen
kann durch Bestimmung der Retention (Filterung) von Partikeln gemessen
und als Reinluftzufuhrrate (CADR) ausgedrückt werden, wie in der ANSI-Norm
AC-1-1988 definiert.
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Bei
den Filtermedien kann es sich um Papier, poröse Folien aus Thermo- oder
Duroplasten, nichtgewebte Bahnen aus Synthese- oder Naturfasern, Glasgarngelege,
gewebte oder gewirkte Materialien, Schäume sowie elektretgeladene
oder elektrostatisch geladene Materialien handeln. Zu den Filtermedien
können
auch Sorbensmedien, Katalysatoren und/oder Aktivkohle (Granulate,
Fasern, Gewebe und Formstoffe) zählen.
Elektretfilterbahnen können aus
den spleißfasergefüllten Fasern
gebildet sein, wie sie im US-Patent Re. 30,782 beschrieben sind. Diese
gefüllten
Fasern können
mit herkömmlichen Mitteln
zu einer nichtgewebten Bahn verarbeitet und wahlweise mit einem
eine äußere Abstützungsschicht
bildenden abstützenden
Glasgarngelege, wie im US-Patent 5,230,800 beschrieben, verbunden sein.
Das Abstützungsglasgarngelege
kann eine Spinnbahn, eine Gitterfolie, eine Claf-Bahn oder dergleichen
sein. Alternativ kann die nichtgewebte faserstoffartige Filterbahn
eine schmelzgeblasene nichtgewebte Mikrofaserbahn sein, wie im US-Patent 4,817,942
beschrieben, die, wie im vorgenannten Patent beschrieben, während der
Bahnbildung mit einer Abstützungsschicht
verbunden oder nachträglich in
einer beliebigen herkömmlichen
Weise mit einer Abstützungsbahn
verbunden werden kann.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Die
Leistung der vorliegenden Filterpatrone wurde getestet und mit einem
von Minnesota Mining and Manufacturing Company hergestellten herkömmlichen stationären Innenraumluftfilter
verglichen. 8 zeigt einen Vergleich des
Gasentfernungswirkungsgrads eines herkömmlichen Filters und von zwei
Filterpatronen gemäß der vorliegenden Erfindung
gegenüber
einem herkömmlichen
Innenraumluftfilter. Der herkömmliche
Filter enthielt etwa 82 g Kohlenstoff. Der Gebläsefilter mit einem Durchmesser
von etwa 12,95 cm (5,1 Zoll) enthielt etwa 55 g Kohlenstoff, und
der Gebläsefilter
mit einem Durchmesser von 11,4 cm (4,5 Zoll) enthielt etwa 20 g
Kohlenstoff. In jedem der Gebläsefilter
war der Kohlenstoff allgemein gleich unter etwa 44 Kammern aufgeteilt
(gleich der Zahl der Propellerflügel
am Gebläserad).
Die Kammern erstreckten sich radial in die zentrale Öffnung des
Gebläserads
hinein, wie allgemein in 4 dargestellt.
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Der
Test wurde durchgeführt,
indem Toluol in einer Verdampfungskammer verdampft und das verdampfte
Toluol in einem Trägerstrom
zu einem Gebläsesystem
ohne eine Filterpatrone geleitet wurde. Die erforderliche Toluolmenge
für eine
Konzentration von 80 ppm bei einer Strömungsrate von etwa 200 m3/h (117 Kubikfuß/Minute) durch das Gebläserad wurde
bestimmt. Nachdem die Toluolkonzentration bestimmt worden war, wurde
eine der vorstehend beschriebenen Filterpatronen in das Gebläserad eingesetzt.
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Jede
der Filterpatronen wurde einer Toluolkonzentration von etwa 80 ppm
bei einer Strömungsrate
von etwa 200 m3/h (117 Kubikfuß/Minute)
ausgesetzt. In diesem beschleunigten Test entsprechen etwa 15 Minuten
ungefähr
einer einjährigen
Verwendung in einem Auto. Die anfängliche Luftströmungsreduzierung
aufgrund des Gebläsefilters
entspricht ungefähr
der 22%igen Strömungsreduzierung
des herkömmlichen
Innenraumluftfilters. Die Luftströmung des herkömmlichen
Filters nimmt jedoch im Laufe der Zeit ab, während dies beim Gebläsefilter aufgrund
der ungehinderten Luftströmungsdurchgänge nicht
der Fall war. Das heißt,
die Ausfallart des herkömmlichen
Luftfilters besteht in einer Luftströmungsreduzierung, während die
vorliegenden Gebläsefilter
die Luftströmung
selbst dann aufrechterhalten, wenn die Filtermedien gesättigt sind.
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Beispiel 2
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Die
Größe des Filters
und die darin befindliche Menge an Filtermedium haben großen Einfluß auf die
Filterleistung. Wenn ein Gebläsefilter
mit einem geringfügig
größeren Durchmesser
verwendet wird, kann eine Leistung erzielt werden, die derjenigen
traditioneller Innenraumluftfilter entspricht. Während der Auslegung oder Optimierung
des Gebläsefilters
wurde jedoch festgestellt, daß mehrere
andere Faktoren die Leistung beeinflussen, beispielsweise die Verwendung
geformter Taschen zur Verbesserung der Luftströmung sowie einer offenen Oberseite zur
Verbesserung der Luftströmung
und des Gasentfernungswirkungsgrads.
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Ein
Vergleich der Luftströmung
bei Verwendung der radial geformten Kohlenstoffflügel und
des geneigten oder abgewinkelten Kohlenstoffflügels ist in 9 für verschiedene
elektrische Gebläsespannungen
dargestellt. Der Neigungswinkel für die geformten Flügel betrug
etwa 25 Grad zu einer Achse senkrecht zur Filterpatrone (radial
nach innen entlang dem Strömungsdurchgang).
Die statistischen Daten, die den Wertebereich anzeigen, sind oben
an jeder Säule
vorgesehen. Bei allen elektrischen Gebläsespannungen ergaben nach vorne
geneigte Kohlenstoffflügel
eine größere Luftströmung durch
das erfindungsgemäße Filterungssystem
als entweder die radial geformten Kohlenstoffflügel oder nach hinten gekrümmte geformte
Kohlenstoffflügel.
Die größte Luftströmung wurde
bei Verwendung einer Filterpatrone mit Strömungsdurchgängen erzielt, die sich durch
die obere Kappe erstrecken, wie in Verbindung mit den 2 und 2a erörtert.
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Beispiel 3
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10 zeigt
das Ergebnis eines Tests zur Bestimmung der Wirkung der Neigungs-
oder Abwinkelungsrichtung der geformten Kohlenstoffflügel auf die
Luftströmung.
Der Neigungswinkel der geformten Flügel betrug etwa 25 Grad zu
einer Achse senkrecht zur Filterpatrone. Statistische Daten, die
den Wertebereich anzeigen, sind oben an jeder Säule vorgesehen. Für beide
Tests wurde derselbe Filter verwendet. Der Filter wurde so im Gebläserad plaziert,
daß die
Kohlenstofftaschen in einer rückwärts gerichteten Konfiguration
(BC) geneigt waren. Derselbe Filter wurde dann so umgedreht, daß die Kohlenstofftaschen
eine vorwärts
gerichtete Konfiguration (FC) bildeten. Die vorwärts gekrümmte Konfiguration zeigte eine
etwa 18%ige Verbesserung der Luftströmung gegenüber der rückwärts gekrümmten Konfiguration (33%ige
Reduzierung gegenüber
27%). Dieser Test belegt eindeutig die Empfindlichkeit der Luftströmung gegenüber der
Orientierung der Kohlenstoffflügel.
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Beispiel 4
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Es
wurde ein Test durchgeführt,
um die Empfindlichkeit der Luftströmung gegenüber der Ausrichtung der Kohlenstoffflügel zum
Gebläserad
zu bestimmen. Der Neigungswinkel der geformten Flügel betrug
etwa 25 Grad zu einer Achse senkrecht zur Filterpatrone. In einem
Fall waren die Kohlenstoffflügel
des Filters zu den Flügeln
des Gebläserads
ausgerichtet und damit synchronisiert. Im zweiten Fall waren die
Flügel
des Filters um etwa 1/88stel einer Drehung gegenüber den Gebläseradflügeln versetzt. Im
Fall der ausgerichteten und synchronisierten Flügel war die Luftströmung um
etwa 1% verbessert. Dieser Test belegt, daß es nicht erforderlich ist,
ein Merkmal zur Ausrichtung der Filterpatrone zu den Gebläseradflügeln bereitzustellen.
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Beispiel 5
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Obwohl
eine gewisse Ausführung
einer oberen Kappe typischerweise erforderlich ist, um den Filter
im Gebläse
zu plazieren und den Kohlenstoff an seinem Platz zu halten, muß es sich
dabei nicht notwendigerweise um einen geschlossenen Ring handeln. 11 zeigt
die jeweilige Luftströmungsreduzierung
bei Verwendung einer perforierten Kappe und einer massiven Kappe
an der Filterpatrone. Die Filterpatrone hatte einen Durchmesser
von 11,4 cm (4,5 Zoll) und enthielt etwa 20 g Kohlenstoff. Der Neigungswinkel
der geformten Flügel
betrug etwa 25 Grad zu einer Achse senkrecht zur Filterpatrone.
Statistische Daten, die den Wertebereich anzeigen, sind oben an
jeder Säule
vorgesehen. Bei Verwendung einer perforierten Metallkappe (etwa
70% offen) war die Luftströmung
des Filters bei verschiedenen elektrischen Gebläsespannungen um etwa 4% höher.
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Beispiel 6
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Beispiel
6 betrifft die Bewertung des Gasentfernungswirkungsgrads der im
Beispiel 5 getesteten Filterpatronen. Wie aus 12 ersichtlich,
war der Gasentfernungswirkungsgrad der Ausführung mit perforierter Kappe
etwa 4 – 7%
höher als
derjenige der Ausführung
mit massiver Kappe. Bei dem Gastest wurde Toluol mit einer Konzentration
von etwa 80 ppm und einer Strömungsrate
von etwa 200 m3/h (117 Kubikfuß/Minute)
verwendet, wie im Beispiel 1 beschrieben. Dieser Test wurde mehrere
Male mit dem gleichen Ergebnis durchgeführt.
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Beispiel 7
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Eine
mögliche
Erklärung
für den
niedrigeren Wirkungsgrad der Ausführung mit massiver Kappe liegt
darin, daß der
direkt unterhalb der massiven Kappe befindliche Kohlenstoff keiner
hohen Luftströmung
ausgesetzt ist. Um festzustellen, ob dies zutrifft, wurde ein Test
mit einem 20 g Kohlenstoff enthaltenden Filter mit einem Durchmesser
von 11,4 cm (4,5 Zoll) durchgeführt.
Der Neigungswinkel der geformten Flügel betrug etwa 25 Grad zu
einer Achse senkrecht zur Filterpatrone. Derselbe Filter wurde für Tests
mit und ohne obere Kappen verwendet. Der Filter wurde zunächst ohne
eine obere Kappe getestet. Eine Reihe von selbsthaftenden Klebebandstreifen mit
einer Breite von etwa 2,54 mm (0,10 Zoll) wurden, oben am Filter
beginnend, um den Umfang des Filters gewickelt. Der oben offene
Filter zeigte, während zunehmende
Breiten des Klebebands den Filter abdeckten, eine lineare Strömungsabnahme.
Die Ergebnisse sind in 13 dargestellt.
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Dann
wurde derselbe Filter mit einer Kappe versehen und der Test wiederholt.
Dieser Test zeigte, daß,
wenn die oberen etwa 5,1 mm (0,20 Zoll) des Filters mit einer Kappe
abgedeckt waren, diese Abdeckung keinen Einfluß auf die Luftströmung hatte, woraus
sich ergibt, daß die
Kappe Luft daran hinderte, durch diesen Bereich des Filters zu strömen (siehe 13).
Im Bereich unterhalb der Filterkappe befindlicher Kohlenstoff bewirkte
aufgrund der mangelnden Strömung
offensichtlich keine Filterung. In einem Filter mit etwa 20 g Kohlenstoff
kann die Kappe tatsächlich
etwa 2,5 g (mehr als 10%) des Kohlenstoffs blockieren. Es hat folglich
den Anschein, daß die
Ausführung
mit offener Kappe, verglichen mit der gleichen Ausführung mit
massiver Kappe, eine höhere
Luftströmung
und einen höheren
Wirkungsgrad aufweist.