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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Luftreiniger mit elektrostatischer
katalytischer Kaltplasma-Vorrichtung.
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Bekanntermaßen besteht
eine sehr wichtige Vorgabe im Bereich der Luftreinigung darin, dass
ein Luftreiniger so zu konzipieren ist, dass er verunreinigende
Stoffmengenpartikel aus der Luft filtert.
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Luftreiniger
nach dem Stand der Technik sehen traditionell dafür Filterprozesse
unter Einsatz elektrischer, aerodynamischer und mechanischer Kraftgrundsätze vor.
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So
wäre ein
nach dem Schwerkraftprinzip arbeitender Luftfilter insbesondere
für das
Herausfiltern vergleichsweise schwerer Partikel sehr gut geeignet.
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Bei
solchen nach dem Schwerkraftprinzip arbeitenden Vorrichtungen werden
die Verunreinigungspartikel in so genannten Abscheidekammern oder
Sammelvorrichtungen abgeschieden.
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Andere
frühere
Luftreinigungs- oder Filterprozesse arbeiten mit Wasserzyklonen,
bei denen Wasser zur Erhöhung
des Gewichts der schwebenden Verunreinigungspartikel zum Einsatz
kommt.
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Bei
weiteren Trockenzyklonfilterprozessen dagegen wird mit hoher Geschwindigkeit
ein Luftstrom angelegt, der durch Erzeugung einer Drehbewegung die
Stoffmengenpartikel mittels Fliehkraft abscheidet.
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Ein
weiterer Filtermechanismus ist die so genannte „Siebfilterung", bei der Partikel
mit einem Durchmesser herausgefiltert werden, der größer ist als
der der Maschen des Fasernetzes, das als Filterpanel fungiert.
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Ein
weiterer Luftfilterprozess ist das so genannte Trägheits-
oder Aufprallverfahren, bei dem der Luftstrom abrupt abgelenkt wird,
während
die Verunreinigungspartikel unter dem Eindruck der Trägheitskräfte auf
die Filterkonstruktion aufprallen, auf der sie sich dann ablagern.
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Die
vom Luftstrom bzw. -fluss mitgenommenen leichteren Partikel jedoch
folgen der Kontur bzw. dem Profil der Filterfasern.
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Verläuft jedoch
die Bewegungsbahn dieser leichteren Partikel in einer geringeren
Entfernung als der Partikelstrahl, so haften diese Partikel aufgrund der
elektrostatischen oder Van der Vaal'schen Kräfte, entsprechend dem so genannten
Sperr- oder Abfangmechanismus, an der Faser.
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Partikel
mit einem noch kleineren Durchmesser werden nach dem Diffusionsprinzip
eingefangen, nach dem der Partikel unter Einwirkung der Brownschen
Molekularbewegung entlang einer ungleichmäßigen Bewegungsbahn geführt wird,
so dass er, immer unter dem Einfluss elektrostatischer Kräfte, an einer
Faser hängen
bleibt.
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Ausgehend
davon, dass bei den meisten Filtermechanismen elektrostatische Kräfte beteiligt sind,
wurden seit dem Ende des XIX. Jahrhunderts bis heute weitere Luftreinigungsfilter
entwickelt, die durch Anlegen induzierter und ionisierender elektrischer
Felder dazu geeignet sind, kleine Verunreinigungspartikel abzufangen.
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Das
ideale Einsatzgebiet dieser elektrostatischen Filter waren industrielle
Anwendungen, bei denen große
Mengen an Gas bzw. Luft bei geringer Leistungsaufnahme und hoher
Filterleistung verarbeitet werden mussten.
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In
den letzten Jahren wurden diese elektrostatischen Filter darüber hinaus
auch in breitem Maße
zur Luftreinigung im Innenbereich (Büro oder Haushalt) eingesetzt.
Dies aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads bei der Aufnahme des so
genannten „einatembaren
Anteils" im Luftstaub,
der sich aus Partikeln mit einem Durchmesser von unter 6 μm zusammensetzt,
welche bis in die tiefsten Regionen der Atemwege gelangen können, was
sehr schwerwiegende Folgen nach sich ziehen kann.
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In
diesem Zusammenhang sollte erwähnt werden,
dass die vorstehend erwähnten
elektrostatischen Filter aufgrund ihrer hohen Kosten und ihrer Größe nicht
für Dunstabzugshauben,
Klimaanlagen, Kfz-Klimaanlagen oder dergleichen in Frage kamen.
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Ein
erheblicher inhärenter
und im Wesentlichen nicht zu beseitigender Nachteil der vorstehend dargelegten
Methode ist die Erfordernis des zusätzlichen Einsatzes adsorbierender
Schichten, so z. B. von Aktivkohlekörnern oder mit chemisch reaktiven Substanzen
getränkten
Körnern,
mit denen auch andere Verunreinigungen als Partikel herausgefiltert werden
können.
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Das
Hinzufügen
einer solchen Filterstufe wäre
mit enormen Kosten- und Verbrauchssteigerungen verbunden, wofür u. a.
auch die dadurch verursachten hohen Lastverluste im System verantwortlich
wären.
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Konventionelle
elektrostatische Filter haben also, ungeachtet ihres hohen Wirkungsgrads
(der in der Tat nach dem DOP Penetration Teststandard bei mindestens
99% liegt), folgende Nachteile: Die Betriebseffizienz ist ausschließlich auf
Partikel beschränkt,
es besteht ein hohes Maß an
Komplexität mit
Blick auf Kosten, Größe und Bau,
darüber
hinaus bereiten Wartung und Montage Schwierigkeiten.
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Ein
konventioneller elektrostatischer Filter besteht bekanntermaßen aus
Dutzenden oder Hunderten von Elementen, die von geschulten Fachkräften von
Hand montiert werden müssen,
was viele Arbeitsstunden bei hohen Kostensteigerungen erfordert.
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Darüber hinaus
müssen
im Rahmen der regelmäßig und
in kurzen Abständen
durchzuführenden
Wartung eines solchen elektrostatischen Filters die Komponenten
in speziellen Waschanlagen mit beweglichen Düsen oder aber in mit Ultraschall
arbeitenden Maschinen gewaschen werden.
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Katalytische
Gasbehandlungsvorrichtungen, die mit Kaltplasma arbeiten, sind in WO-A-9943419
und US-A5746051 beschrieben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Mit
der vorliegenden Erfindung sollen deshalb die vorstehend dargelegten
Nachteile beseitigt und insbesondere ein elektrostatischer Filter
präsentiert
werden, dessen Leistung der einer konventionellen elektrostatischen
Filterzelle entspricht bzw. diese übertrifft.
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Im
Rahmen dieser Zielsetzung besteht eine der mit der vorliegenden
Erfindung verfolgten Hauptabsichten darin, einen solchen Luftreiniger
zu schaffen, der Partikel- und sonstige Verunreinigungsanteile unterschiedlicher
Natur mit hoher Effizienz aus der Luft herausfiltert.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Präsentation
eines Luftfilters mit vergleichsweise niedriger Leistungsaufnahme,
der in vergleichsweise kurzer Zeit montiert und gewartet werden
kann und außerdem über eine
hohe Betriebszuverlässigkeit
und -sicherheit verfügt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorstehenden Erfindung werden die vorstehend dargelegten
ziele und Absichten sowie weitere, im Folgenden deutlicher zutage
tretende Ziele durch einen Luftreiniger erreicht, der aus einer
elektrostatischen katalytischen Vorrichtung besteht, die auf der
Grundlage der Kaltplasma-Eigenschaften arbeitet.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich aus
der nachstehenden detaillierten Offenlegung der bevorzugten, wenngleich
nicht einzigen, Ausgestaltung eines Luftreinigers mit elektrostatischer
katalytischer Kaltplasma-Vorrichtung zeigen, die mittels eines indikativen, jedoch
nicht einschränkenden
Beispiels in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, wobei:
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1 eine
Perspektivansicht eines Luftreinigers gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 einen
Seitenquerschnitt des Luftreinigers gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt;
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3 das
Funktionsprinzip des elektrostatischen Luftreinigers gemäß der Erfindung
illustriert;
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4 eine
3-D-Explosionsansicht einer modifizierten Ausgestaltung des Luftreinigers
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit austauschbarem Filterelement ist.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSGESTALTUNGEN
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Unter
Bezugnahme auf die nummerierten Referenzen der vorstehend erwähnten Abbildungen besteht
der Luftreiniger gemäß der vorliegenden
Erfindung, welcher generell durch Referenznummer 1 bezeichnet
ist, aus einem Tragrahmen, der generell durch Referenznummer 6 bezeichnet
ist. Dieser besteht durchgehend in der Tiefe aus einer Sandwich-Konstruktion in Form
eines Metallnetzes 5, gekoppelt mit einem Hochspannungsgenerator 7 mit
einer mit Aktivkohle geladenen Perforationsschicht aus Polyesterfaser,
einer mit einer dünnen
Titandioxid (TiO2) versehenen Polyesterfaserschicht 3,
einer mit Aktivkohle beschichteten Polyesterfaserschicht 4,
einem Metallnetz 8, das mit der Masse des besagten Hochspannungsgenerators 7 gekoppelt
ist.
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Die
Elemente 5 und 2 bilden eine Elektrode einer Vorrichtung
zur Erzeugung eines starken Flusses freier Elektronen, instabiler
Ionen und Moleküle mit
stark reaktiven Eigenschaften.
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Der
vorstehend erwähnte
Fluss wird als „Kaltplas ma" bzw. nicht-thermisches
Plasma bezeichnet, um ihn vom Plasma mit thermischem Status zu unterscheiden,
in dem die molekulare Ionisierung mittels der durch einen Temperaturanstieg
erzeugten thermischen Energie eingeleitet wird.
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Das
nicht-thermische oder Kaltplasma dagegen wird durch elektromagnetische
Energie erzeugt, also durch Anlegen einer hochpulsierenden Potentialdifferenz
zu einer Referenzelektrode, bestehend aus den Stufen 4 und 8 und
mit elektrischer Kopplung zur Masse.
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Besagte
Potentialdifferenz erzeugt durch Induktion ein elektrisches Feld
mit entsprechender Amplitude oder Stärke und entgegengesetzter Ausrichtung,
das den Ionisationsprozess ausführt.
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Der
vorstehend offen gelegte Strom überquert
die erwähnte
Schicht 3. Da er zwischen den beiden erwähnten Elektroden
angeordnet ist, übt
er eine Doppelfunktion als Sammelgefäß oder Verteiler und katalytischer
Reaktor aus.
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Die
in der Luft schwebenden Verunreinigungspartikel nehmen bei Kontakt
mit dem besagten Kaltplasma eine elektrostatische Ladung an, durch welche
sie von den Polyesterfasern der Schicht 3 mit ihrer entgegengesetzten
elektrostatischen Ladung angezogen werden können.
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Je
nach Stärke
der benötigten
Ladung, die wiederum abhängig
ist von den physikalisch-geometrischen und chemischen Eigenschaften
der einzelnen Partikel, werden diese Partikel von den Fasern von
Schicht 3 oder von den Fasern der nachfolgenden Schicht 4 angezogen.
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In
ihrer Bewegungsbahn entsprechend Schicht 3 werden die flüchtigen
organischen Substanzen dann einem Oxidationsprozess unterzogen.
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In
der Tat ist das Kaltplasma gekennzeichnet durch das Vorhandensein
stark beschleunigter und hochenergetischer Elektronen, welche beim
Aufprall auf die auf Umgebungstemperatur aufgeheizten Luftmoleküle oxidierende
Radikale OH und O bilden, die direkt mit den Verunreinigungssubstanzen
reagieren und damit Oxidationssubstanzen wie O3,
OOH, O2 bilden können.
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Darüber hinaus
werden große
Photonenmengen mit einer Wellenlänge
im UV-Spektralbereich zwischen 160 und 220 nm erzeugt, die zwei
bedeutende Effekte bewirken.
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Der
erste dieser Effekte besteht in der Auslösung der photokatalytischen
Eigenschaften des besagten Titandioxids durch Übergang der Elektroden vom
Valenzband auf das Leitungsband, wofür eine Photonenenergie von
3,2 eV, also eine Wellenlänge von
unter 387 nm, ausreicht.
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Insbesondere
die innerhalb des Plasmas erzeugten Photonen sind dazu geeignet,
das Titandioxid zu aktivieren bzw. zu energetisieren, wobei sie nach
einer Reihe von Reaktionen unter Beteiligung von Ladungstransfers
weitere freie oxidierende Radikale erzeugen.
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Eine
direkte Folge dieses Vorgangs besteht darin, dass die Verunreinigungsmoleküle, die
durch eine von stark oxidierend wirkenden chemischen Bestandteilen
gesättigte
Umgebung strömen,
schnell zerlegt werden.
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Der
zweite Effekt besteht in einer durch die UV-Strahlung (160–220 nm) bewirkten starken
Biozidaktion, auf welche die meisten pathogenen Mikroorganismen
wegen der durch die UV-Strahlung in der intrazellulären Struktur
bewirkten irreversiblen und schädlichen
Veränderungen
(z. B. Bildung freier Radikale im Zytoplasma) sehr sensibel reagie ren.
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Die
mit einem sehr niedrigen elektrischen spezifischen Widerstand ausgestattete
Schicht 4 fungiert in erster Linie als Referenzelektrode
für das elektrische
Feld, welches das Kaltplasma erzeugt.
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Außerdem fungiert
besagte Schicht 4 als Verteiler zum Sammeln der in den
vorangehenden Abschnitten des Luftreinigers vorhandenen elektrostatisch
geladenen Partikel.
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Die
bekannten Absorptionseigenschaften der gasförmigen Verunreinigungssubstanzen
werden der Schicht 4 durch die Präsenz von Aktivkohlenstoff zugeführt, der
zur Neutralisierung der gasförmigen Verunreinigungssubstanzen
beiträgt.
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Für den vorstehend
offen gelegten Luftreiniger sind unterschiedliche modifizierte Ausgestaltungen
möglich.
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Für zivile
und industrielle Anwendungen kann die in Sandwich-Bauweise konzipierte
Faserschicht in eine flexible Konstruktion eingepasst werden. Damit
kann den Volumina des vorhandenen Geräts, für welche der Platzparameter
von äußerst kritischer
Bedeutung ist (z. B. in der Kfz- oder Luftfahrttechnik), besser
Rechnung getragen werden.
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In
der in 4 dargestellten Ausgestaltung ist die Sandwich-Konstruktion
der Faserschicht als Kartuschenelement ausgestaltet, das in Form
einer Kartusche 10, welche in einem Metallrahmen 9 eingeführt wird,
problemlos eingesetzt und ausgetauscht werden kann.
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Der
Metallrahmen 9, welcher auch als „Caddy" bezeichnet wird und in Form und Außenabmessungen
dem vorstehend erwähnten
Rahmen 6 gemäß der Erfindung
entspricht, be steht an der vorderen Lufteinlassseite aus einer elektrostatischen
Ionisationsbarriere, die durch ein Gitter von in gleichem Abstand
zueinander stehenden, massegekoppelten Elektroden 11 und
einem weiteren Gitter gebildet wird, das mit dem vorangehenden Gitter
verwoben ist und aus in gleichen Abständen liegenden Wolfram- oder
Kohlenstahldrähten 12 besteht
und mit der durch den Hochspannungsgenerator 7 erzeugten Hochspannung
gekoppelt ist.
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Der
restliche Teil des Volumens auf der Rückseite des Metallrahmens 9 ist
zur Aufnahme der erwähnten
austauschbaren oder auswechselbaren Kartusche 10 vorgesehen.
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Diese
modifizierte Ausgestaltung verfügt über die
gleiche große
Bandbreite an Filterbetriebseigenschaften, d. h., sie ist ebenfalls
zum Filtern von Partikeln, chemischen Substanzen, verunreinigenden
Gasen und anderen Substanzen geeignet.
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Mit
dieser modifizierten Ausgestaltung ist es jedoch am Ende der Filternutzungsdauer
möglich, anstelle
der Entsorgung der Komplettvorrichtung lediglich die auswechselbare
Kartusche 10 auszutauschen und damit die Funktionsstruktur
des Luftreinigers wiederherzustellen, wobei nur der Verteiler ausgetauscht
wird, in dem die herausgefilterten Verunreinigungsrückstände gesammelt
werden.
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In
diesem Zusammenhang sollte darauf hingewiesen werden, dass die hier
beschriebene Luftreinigervorrichtung dadurch charakterisiert ist,
dass sie über
eine Ionisationsbarriere mit elektrischer Teilentladung verfügt, die
einen Teil eines Aggregats darstellt, welches zur Bildung eines
Raumtemperatur-Plasmagenerators beiträgt.
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Diese
Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Metallnetz bzw. aus
einem anderen geeigneten, elektrisch leitfähigen Material, das gekoppelt ist
mit einem speziell konzipierten Hochspannungsgenerator, der in Kontakt
steht mit einer darauf folgenden Schicht aus elektrisch leitfähigem Material, das
z. B. aus mit Aktivkohlenstoff beschichteten Polyesterfasern, aus
Metallfasern, aus Kohlenstofffasern und dergleichen besteht.
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Durch
die erwähnte
Fasermaterialschicht wurden eine oder mehrere Öffnungen gebildet, welche von
beliebiger Form und Größe sein
können. Durch
Aufbringen eines Films aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten
Material kann der nicht in besagte Öffnungen einbezogene Bereich
das Durchströmen
von Luft zulassen oder auch nicht.
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Die
erwähnte
Vorrichtung besteht außerdem aus
einem Verteiler, welcher eine Schicht aus losem fasrigem oder körnigem Material
umfasst, die durch einen Halterahmen gehalten wird oder von schwammartiger
Bauweise und elektrisch nicht leitfähig ist. Dieser Rahmen ist
aus flachem oder gefaltetem Blech angefertigt, dem Titandioxid (TiO2) vom Typ Anatas oder Rutil oder in einer
geeigneten Kombination aus diesen beiden Typen hinzugefügt wird,
wobei wahlweise noch Substanzen hinzugefügt werden können, die so adaptiert sind,
dass sie den Wellenlängenbereich
der zur Aktivierung des besagten T TiO2 erforderlichen
elektromagnetischen Strahlung erweitern (z. B. Ru-Verbindungen und Ähnliches).
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Die
betreffende Vorrichtung umfasst des Weiteren einen zweiten Verteiler,
der aus einem Teil eines Aggregats besteht, das einen Raumtemperatur-Plasmagenerator
bildet, wozu eine Schicht aus losem fasrigem oder körnigem Material
gehört,
die von einem Halterahmen gehalten wird oder von texturierter Bauweise
(z. B. eine Extruder-Konstruktion oder eine schwammartige Konstruktion)
und elektrisch leitfähig
ist, wobei eine wahlweise Hinzufügung von
TiO2 unter einer flachen oder gefalteten
Blechkonfiguration möglich
ist, und die mit einem Metallnetz oder einem Netz aus beliebigem
anderem geeignetem, elektrisch leitfähigem Material in Kontakt steht,
das mit dem Erdungspol eines geeigneten Hochspannungsgenerators
gekoppelt ist.
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Die
Luftreinigervorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst zwischen ihren beiden Komponententeilen eine Schicht
aus losem fasrigem oder körnigem
Material, die von einem Halterahmen gehalten wird oder in Form einer
texturierten Konstruktion (z. B. eine extrudierte Konstruktion)
oder einer elektrisch leitfähigen
schwammartigen Konstruktion ausgestaltet ist.
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Besagte
Vorrichtung kann darüber
hinaus auch mit Aktivkohlenstoff beschichtete Polyesterfasern, Metallfasern,
Kohlenstofffasern und dergleichen aufweisen, die entweder in einer
flachen oder gefalteten Blechkonfiguration ausgestaltet sind.
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Die
vorliegende Luftreinigervorrichtung umfasst in anderen Worten eine
speziell zur Erzeugung von Raumtemperatur- oder Kaltplasma konzipierte Konstruktion,
die eine oder mehrere Wicklungen elektrisch leitfähigen Materials
aufweist, das um Kanäle
aus dielelektrischem Material gewickelt ist, durch deren Inneres
die auf die nachfolgende Konstruktion gerichtete Luft strömt.
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Besagte
Wicklungen sind mit einem geeigneten RF-Generator gekoppelt, um das besagte
Kaltplasma in besagter gas- oder luftförmigen Substanz zu bilden.
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Die
Luftreinigervorrichtung umfasst des Weiteren insbesondere eine Konstruktion
bestehend aus einem Rahmen aus dielelektrischem Material, welcher
eine Anordnung von Drähten
aus elektrisch leitfähigem
Material (z. B. Wolfram oder Kohlenstoff) trägt, die in gleichem Abstand
zueinander liegen und mit einem geeigneten Hochspannungsgenerator
gekoppelt sind. Dazwischen können
miteinander verwobene erdgekoppelte Platten aus leitfähigem Material
liegen.
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Die
Konstruktion der hier beschriebenen Vorrichtung kann ferner mit
einem Metallrahmen versehen werden, welcher wiederum die in einem
als Verteilerelement fungierenden, auswechselbaren Kastenelement
enthaltenen Strukturen aufnehmen kann.
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Am
Ende der Betriebslebensdauer der Vorrichtung kann somit das besagte
Kastenelement ausgebaut und durch ein neues ersetzt werden, womit die
Luftreinigervorrichtung wieder in vollem Umfang einsatzfähig ist.
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Der
besagte Metallrahmen ist durch eine solche Form, Größe und Anordnung
der elektrischen Kontakte gekennzeichnet, die einen problemlosen Austausch
der handelsüblichen
elektrostatischen Filter in der fertigen Vorrichtung erlauben, ohne
dass weitere Modifikationen an den tragenden Strukturen vonnöten sind.
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Des
Weiteren ist vorgesehen, auf den Strukturen für die der Luft ausgesetzten
gasförmigen
Substanzen einen Titandioxidfilm (TiO2)
vom Anatas- oder Rutil-Typ oder in einer beliebigen Mischung beider
Typen aufzubringen, wobei eine wahlweise Hinzufügung solcher Substanzen möglich ist,
welche den Wellenlängenbereich
der zur Aktivierung des besagten TiO2 erforderlichen
elektromagnetischen Strahlung erweitern (z. B. Ru- und ähnliche
Verbindungen) erweitern. Dies nach folgender Methode:
- a) Herstellung einer 15%igen Lösung von Polyvinylalkohol in
Wasser; Eintauchen des zu beschichtenden Partikelmaterials in diese
Lösung und
anschließendes
Trocknen bei Raumtemperatur;
- b) Bereitstellen einer 15%igen Suspension von TiO2 in
Wasser;
- c) Eintauchen des zu beschichtenden Partikelmaterials in diese
Suspension und Perkolieren des überschüssigen Materials;
- d) Schnelltrocknung des Partikelmaterials durch Kontakt mit
einem RF-Feld mit einer Frequenz von 2 bis 4 GHz über einige
Sekunden.
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Die
vorstehende Methode erlaubt die Herstellung einer stark reaktiven
Filmschicht, da sie keine verunreinigenden Substanzen einschließt und das Trägermaterial
auch dann nicht beschädigt
wird, wenn es, wie z. B. Polyesterfasern, über eine schlechte Beständigkeit
gegenüber
hohen Temperaturen und organischen Lösungsmitteln verfügt.
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Aus
der vorstehenden Offenlegung sollte ersichtlich sein, dass die Erfindung
die vorgesehenen Ziele und Absichten in vollem Umfang erreicht.
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Insbesondere
ist darauf hinzuweisen, dass damit ein elektrostatischer Luftreiniger
gegeben ist, welcher durch den Einsatz einer Kaltplasma-Barriere (d.
h. bei Raumtemperatur) gekennzeichnet und speziell dazu konzipiert
ist, die verunreinigenden Substanzen in optimaler Weise und in breitem
Spektrum herauszufiltern.
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Der
Luftreiniger verfügt über eine
sehr hohe Filtereffizienz, ist in der Herstellung und Wartung sehr kostengünstig und
hat eine sehr niedrige Leistungsaufnahme.