DE69309908T2

DE69309908T2 - Elektrostatischer zwei-stufen filter

Info

Publication number: DE69309908T2
Application number: DE69309908T
Authority: DE
Inventors: Andrzej Loreth; Vilmos Toeroek
Original assignee: TL-Vent AB
Current assignee: TL-Vent AB
Priority date: 1992-02-20
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2013-02-20
Also published as: EP0626886B1; FI103767B1; FI943861A0; ATE151667T1; US5993521A; WO1993016807A1; JP3424754B2; SE9200515L; KR100259675B1; SE469466B; JPH07503897A; PL170661B1; AU3581493A; FI103767B; SE9200515D0; EP0626886A1; KR950700124A; FI943861A; DE69309908D1

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Zwei-Stufenfilter (elektrostatischer Separator) und insbesondere einen elektrostatischen Zwei-Stufenfilter, wie er in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist.
Elektrostatische Filter, auch elektrostatische Staubseparatoren genannt, werden sowohl in industriellen Produktionsanlagen, wobei in diesem Fall die elektrostatischen Filter in der Form großer und teurer Vorrichtungen vorliegen, als auch in Vorrichtungen, in denen Luft für Komfortzwecke gereinigt wird, wie bei Klimaanlagen und anderen Vorrichtungen für den Einsatz in inneren Wohngebäuden, Büros und anderen Arbeitsplätzen, Schulen, Krankenhauseinrichtungen, Motorfahrzeugen und anderen Orten, bei denen die Luft mit vergleichsweise kleineren Vorrichtungen gereinigt werden kann, eingesetzt.
In dem letzteren Fall, bei dem meist die in besetzten Räumen vorhandene Luft oder die zu solchen Plätzen eintretende Luft zu reinigen ist, haben die bis jetzt eingesetzten Filter im wesentlichen mechanische Filter umfaßt, die mit Faserfiltergewebe, Textilien oder auf Papier basierende Faserfiltermatten oder Filtermatten aus Elektret versehen sind.
In diesem letzteren Fall wurden auch elektrostatische Filter bis zu einem gewissen Ausmaß eingesetzt. Diese elektrostatischen Filter waren normalerweise elektrostatische Zwei-Stufenfilter, womit gemeint ist, elektrostatische Filter, in denen feste oder flüssige Teilchen, Aerosole, die durch den Luftstrom mitgetragen werden und die davon zu extrahieren sind, in einem separaten lonisierungsabschnitt aufgeladen werden, während der aktuelle Trennungsprozeß in einem Kondensatorseparator stattfindet, der stromabwärts von dem Ionisierungsabschnitt positioniert ist. Die vorliegende Beschreibung richtet sich auf elektrostatische Zwei-Stufenfilter, wenn nichts anderes erwähnt ist.
Mechanische Luftfilter verwenden meistens ausschließlich entsorgbare oder austauschbare Filterelemente. Diese Teile des Filters, die hauptsächlich das separierte Material einfangen und welche daher die Filterkomponenten sind, die am meisten dem Schmutz und dem Verstopfen ausgesetzt sind, bilden folglich Einheiten, die leicht ausgetauscht werden können. Diese Elemente oder Einheiten werden verwendet, bis sie nicht mehr länger ihre beabsichtigte Funktion auf befriedigende Weise erfüllen können, und werden dann durch neue Einheiten ersetzt und verschrottet.
Bis jetzt wurden keine entsorgbaren Einheiten bei elektrostatischen Filtern eingesetzt. Der Kondensatorseparator umfaßte typischerweise höchstens Aluminiumplatten und hochgradiges Isolierungsmaterial, die die Form von Kassetten erhalten haben, die leicht von der Filtervorrichtung für Reinigungszwecke entfernt werden können. Die Aufgabe der Reinigung dieser Kassetten ist jedoch sowohl zeitaufwendig als auch teuer und kann in der Verbreitung von ungesundem Schmutz resultieren. Elektrostatische Filter sind auch teuer zu betreiben.
Wegen dieser hohen Betriebskosten wurden elektrostatische Filter nicht in einem Ausmaß eingesetzt, daß mit ihren wichtigen Vorteilen, die die elektrostatischen Filter gegenüber mechanischen Filtern leisten, korrespondiert.
Eine weitere einen Beitrag liefernde Ursache liegt in der Tatsache, daß derzeitige elektrostatische Filter eine komplizierte und teure Konstruktion aufgrund der Verwendung von hohen Spannungen und den damit verbundenen Sicherheitsanforderungen, wie das Erfordernis von berührungssicheren Designs und der Verwendung von hochgradigen Materialien, beispielsweise für die Isolatoren, besitzen. Eine weitere dazu beitragende Ursache liegt in der Notwendigkeit der Verwendung hoher Stromintensitäten, um einen geringen Trennungswirkungsgrad zu vermeiden, was wiederum zu einer wesentlichen Erzeugung von reizenden Geruchsstoffen (Ozon) in der chemisch hochaktiven Plasmaschicht benachbart zu der Koronaelektrode führt, oder die Reinigungskapazität der Vorrichtung begrenzt.
Ferner verursacht bei konventionellen Filtern der an den Elektroden des Kondensatorseparators angesammelte Schmutz oft einen Funkenübertritt zwischen den Elektroden, was zu Problemen führt, wenn der Filter in empfindlichen Umgebungen eingesetzt wird und zur Gefahr des vollständigen Verlustes der Trennungsfunktion führt.
Einer der Vorteile, die elektrostatische Filter im Vergleich mit mechanischen Filtern leisten, ist, daß neben dem Verursachen eines sehr kleinen Druckabfalls in der zu reinigenden Gasströmung die elektrostatischen Filter die Fähigkeit haben, extrem kleine Teilchen, typischerweise haben die atembaren Teilchen einen Durchmesser von ungefähr 0,3 µm, von der Gasströmung zu trennen. Mechanische Filter haben immer einen beträchtlichen Druckabfall. Insbesondere in dem Fall, daß die Filter konstruiert sind, um atembare Teilchen von der Gasströmung zu trennen , ist der Druckabfall entlang der aktuellen Filterteile (das Filterelement) extrem hoch. Der hohe Druckabfall erfordert den Einsatz von lauten und stromerfordernden Gebläsen zum Transport des Gases durch die Filter.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten elektrostatischen Filter der in der Einleitung beschriebenen Art zu schaffen, und insbesondere einen elektrostatischen Filter zu schaffen, der effizient ist und wenig Ozon produziert und einfach und billig hergestellt werden kann. Der Einschluß in einer entsorgbaren Einheit der Filterteile, die im Betrieb so schmutzig werden oder auf andere Weise so beeinträchtigt werden, daß sie eine Wartung erfordern, wird dabei ökonomisch gerechtfertigt. In dieser Hinsicht ist die entsorgbare Einheit vorzugsweise so gestaltet, daß sie keine ernsthaften Umweltprobleme erzeugt, wenn sie ausgemustert wird.
Diese Aufgabe wird in Übereinstimmung mit der Erfindung mit einem elektrostatischen Filter mit den charakteristischen Merkmalen erreicht, wie sie in den folgenden Ansprüchen angegeben sind.
Ein spezieller wichtiger Aspekt der Erfindung besteht in der Konstruktion des Ionisierungsabschnitts des elektrostatischen Filters. Diese Konstruktion ermöglicht der Filterkonstruktion nicht nur in einem solchen Ausmaß vereinfacht zu werden, wie es ermöglicht, die Hauptfilterteile in einer ökonomisch entsorgbaren Einheit einzuschließen, sondern ermöglicht dem elektrostatischen Filter auch, bei einer Koronastromintensität betrieben zu werden, die in Relation zu der Koronastromintensität, wie sie bei bekannten elektrostatischen Filtern mit äquivalenten Funktionen erforderlich ist, stark reduziert ist, wobei die Erzeugung von Ozon in einem korrespondierenden Ausmaß reduziert wird; der Anteil an erzeugtem Ozon ist proportional zu der Intensität des Koronastroms.
Es ist bekannt, daß zwei Entlademechanismen in einem Raumladungsfeld, beispielsweise einem Feld, das zwischen der Koronaelektrode und der Zielelektrode in dem Ionisierungsabschnitt eines elktrostatischen Filters existiert, zu finden sind. Diese zwei Entlademechanismen werden jeweils als Feldladungsmechanismus und Diffusionsladungsmechanismus bezeichnet und sind innerhalb der kritischen Teilchengröße von 0,1 - 1 µm aktiv. Die Ladung der Teichen findet weiter bis zu einem Endzustand mit einer Zeitkonstante statt, die direkt proportional zu der Ionisierungsstromdichte und invers proportional zu der elektrischen Feldstärke an dem Teilchen ist.
In der Ionisierungskammer des Ionisierungsabschnitts in der die Luftionen durch einen Koronadraht erzeugt werden, der eine gegebene Koronastromintensität pro Drahtlängeneinheit hat, hat die elektrische Ladung der Luftionen einen dominanten Einfluß auf die elektrischen Bedingungen über den Hauptteil des Volumens der Ionisierungskammer. Wenn man ein insignifikantes Volumen um den Koronadraht ignoriert, finden die folgenden Faktoren entlang des Volumens der Ionisierungskammer Anwendung:
- die elektrische Feldstärke ist praktisch unabhängig von dem Abstand zu dem Koronadraht;
- die Ionenstromdichte ist invers proportional zu dem Abstand von dem Koronadraht.
Die Konstante für die Teilchenladungszeit ist daher direkt proportional zu dem Abstand von dem Koronadraht.
Wenn man ein Teilchen betrachtet, das bei einer gegebenen Geschwindigkeit und dem größtmöglichen Abstand von dem Koronadraht durch eine gedachte Ionisierungskammer strömt, die einen quadratischen Querschnitt mit rechten Winkeln zu dem Koronadraht hat, wird heraus gefunden, daß sowohl die Konstante für die Teilchenladungszeit und die Verweilzeit für die Teilchen in der Ionisierungskammer proportional zu der Weite der Ionisierungskammer, beispielsweise den Dimensionen der Kammer zu rechten Winkeln zu dem Koronadraht und rechten Winkeln zu der Durchflußrichtung, sind. Der Quotient zwischen der Teilchenverweilzeit in der Ionisierungskammer und der Konstante für die Teilchenladungszeit ist daher konstant.
Es folgt daher, daß bei einer gegebenen Koronastromdichte und einer gegebenen Luftströrnungsgeschwindigkeit der Ladungszustand der Teilchen nachfolgend zu ihrern Passieren durch die Ionisierungskammer nicht von der Breite der Kammer abhängt.
Diese neue Realisierung führt zu dem Schluß, daß bei einer gegebenen Koronastromdichte und einer gegebenen Luftströmungsgeschwindigkeit es möglich ist, die Breite der Ionisierungskammer und dadurch auch den Volumenstrom der Luftströmung durch die Kammer zu erhöhen, ohne die Ladung der durch den Luftstrom getragenen Aerosolteilchen zu beeinflussen.
Obwohl eine Erhöhung der Breite der Ionisierungskammer auch eine Erhöhung der Versorgungsspannung des Koronadrahts erforderlich macht, ist die Notwendig Erhöhung der Versorgungsspannung weniger als proportional zum Anstieg der Breite der Ionisierungskammer. Folglich wird eine moderate Erhöhung der Versorgungsspannung ermöglichen, die Breite der Ionisierungskammer stark zu erhöhen; die Kammer kann eine Breite so groß wie 0,2 m oder noch größer erhalten, selbst in dem Fall von elktrostatischen Filtern, die für den Haushaltsgebrauch oder für den Einsatz in Krankeneinrichtungen, etc. vorgesehen sind, ohne daß es notwendig ist, die Versorgungsspannung auf Werte zu erhöhen, die als ungeeignet für einen solchen Einsatz angesehen werden.
Eine Ionisierungskammerbreite der vorgenannten Größenordnung ist in der Größenordnung von zehn mal der Breite der Ionisierungskammer, die bei konventionellen elektrostatischen Filtern eingesetzt wird, die für einen äquivalenten Einsatz vorgesehen sind. Die größere Breite der Ionisierungskammer ist für die vorliegende Erfindung charakteristisch und ermöglicht daher eine radikale Reduzierung in der Koronastromintensität, die im Vergleich mit standartisierten oder konventionellen elektrostatischen Filtern erreicht wird, während zu der gleichen Zeit eine Erhöhung der Koronastromintensität pro Drahtlängeneinheit, d. h. des Primärfaktors, der in dem aktuellen Teilchenladeprozeß entscheidend ist, ermöglicht.
In dem Fall eines elektrostatischen Filters, der in Übereinstimmung mit der Erfindung konstruiert ist, kann die Koronastromintensität um einen Faktor von zehn oder mehr reduziert werden, ohne die Spannung um mehr als das zu erhöhen, was leicht mit heutigen Techniken in dem Gebiet von kleinen Hochspannungsquellen erreicht werden kann.
Die äußere Begrenzung der Ionisierungskammer, die den Koronadraht umgibt, ist vorzugsweise in dem größtmöglichen Ausmaß durch eine Zielelektrodenoberfläche beschichtet, um die größtmöglich Ionisierungszone bereitzustellen. In dieser Hinsicht ist es insbesondere effektiv, einen Teil der Zielelektrodenoberfläche quer entlang der Luftströmungspassage stromaufwärts der Koronaelektrode zu plazieren, so daß ein Teil des Ionenstroms gerade gegenüber zu der Luftströmungsrichtung gerichtet wird. Als ein Ergebnis werden die Aerosolteilchen in Beziehung zu der Luftströmung verlangsamt, so daß ihre Verweilzeit in der Ionisierungszone verlängert wird. Eine lange Verweilzeit ist nicht nur nützlich, weil eine längere Zeitperiode dann für den Teilchenladeprozeß verfügbar ist, sondern auch weil die individuellen elektrisch geladenen Teilchen Zeit haben zu koagulieren und größere Teilchenaggregate innerhalb der Ionisierungszone zu bilden, durch die die Trennung der Teilchen in dem Kondensatorseparator vereinfacht wird.
Ein Zielelektrodenelement, das quer entlang der Durchflußpassage für die Luft in der oben beschriebenen Weise plaziert ist, muß natürlich dem Luftstrom erlauben, ohne einen nennenswerten Druckabfall zu passieren. Dies kann leicht innerhalb des Umfangs der Erfindung erreicht werden, da das Zielelektrodenelement aus einer Anzahl von dünnen Drähten oder Garnen, einem Gitter, Lamellen oder Streifen, einer perforierten Platte oder ähnlichem gebildet sein kann. Der Abstand der Koronaelektrode und einem solchen Zielelektrodenelement wird vorzugsweise ungefähr derselbe sein, wie der Abstand zwischen der Koronaelektrode und einem seitlich plazierten Zielelektrodenelement.
Es ist auch möglich innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, obwohl nicht bevorzugt, zwei oder mehr Koronaelektroden in einer Seite-an-Seite- Beziehung in der Richtung der durchgehenden Luftströmung gesehen, beispielsweise in einer gemeinsamen Ebene, die sich quer zu der Durchflußpassage für die Luft erstreckt, anzuordnen. In diesem Fall ist es in der Praxis notwendig ein Zielelektrodenelement quer zu der Durchflußpassage für die Luft in der vorgenannten Weise stromaufwärts der Drähte zu plazieren, urn zu gewährleisten, daß die durch den Luftstrom getragenen Teilchen ausreichend geladen werden.
Die durch die vorliegende Erfindung errnöglichte Reduzierung der Koronastromintensität führt nicht nur zu einer Reduzierung der Erzeugung von problematischen Ozon, sondern ermöglicht auch, daß die Hochspannungsquelle, die die Koronaelektrode versorgt, so konstruiert ist, daß der gelieferte Strom so schwach ist, daß das System für einen Menschen harmlos gemacht ist.
Zu diesem Zweck können passive Strombegrenzungselemente mit sehr hohen Widerstandswerten in den Koronastromkreislauf in Übereinstimmung mit der Erfindung eingeschlossen werden. Die Strombegrenzung, die in dem Fall eines durch Berührung des Systems verursachten Kurzschlusses in der vorgenannten Weise gesichert ist, macht es unnötig, die Koronaelektrode und andere leicht zugängliche Teile des elektrostatischen Filters, auf den hohe Spannungen angelegt werden, vor Berührungen zu schützen. Ferner werden in der Praxis das Risiko der Entzündung von nicht brennbarem Schmutz oder anderen extrahierten Materialien in dem elektrostatischen Filter als ein Resultat des Funkenflugs in der Ionisierungskammer oder in anderen Plätzen in dem elektrostatischen Filter eliminiert.
Dies ermöglicht, daß die Wände der Ionisierungskammer aus Pappe, Kartonage, Kraftpapier oder anderen nicht teuren Materialien hergestellt sind. Die Isolatoren der Koronaelektrode können aus einfachem Kunststoffrnaterial, wie beispielsweise Polyurethan hergestellt sein. Die Oberfläche der die Wände bildenden Teile sind vorzugsweise mit einem elektrisch leitfähigen oder halbleitfähigen Material (antistatisches oder dissipatives Material) beschichtet oder aus diesem gebildet. Die Oberflächen können gleichzeitig die Zielelektrodenoberfläche und Oberflächen zum verbinden derselben und der äußeren Oberfläche der Ionisierungskammer mit der Erde oder anderen Referenzpotentialen bilden.
Die oben gemachten Kommentare hinsichtlich der Ionisierungskammer sind auch für den Kondensatorseparator anwendbar.
In heutigen elektrostatischen Filtern werden alle Kondensatorelektrodenelemente, die vorgesehen sind, um dieselbe Spannungspolarität zu haben, elektrisch parallel geschaltet; eine Gruppe von Elektrodenelementen ist parallel verbunden, beispielsweise mit dem Erdpotential, während die verbleibenden Kondensatorelektrodenelemente parallel verbunden sind, beispielsweise mit einem positiven Pol einer Hochspannungsquelle.
Sollte folglich das von dem Luftstrom getrennte Material gesammelt sein, um eine Ablage zu bilden, die einen Funkenflug zwischen zwei benachbarten Elektrodenelementen zu verursachen, wird folglich der gesamte Trennungsteil des Filters vollständig ineffektiv werden. Die Spannungshöhe muß daher einen niedrigen Wert haben, der auf der Basis der niedrigsten erwarteten elektrischen Stärke des Kondensatorseparators gewählt ist, d. h. auf der Basis seines elektrisch schwächsten Punkts, so daß ein Funkenübertritt nicht befürchtet werden muß.
Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind eine Gruppe von Kondensatorelektrodenelementen elektrisch von einander und von der Hochspannungsquelle isoliert. Eine Spannung wird auf jede dieser Elektrodenelemente individuell aufgebracht, weil mindestens ein Elektrodenelementabschnitt, der der Koronaelektrode zugewendet ist, sich in die Ionisierungszone erstreckt, und folglich in der stromaufwärts liegenden Richtung hinter diesen Elektrodenelementen ist, wobei diese Gruppe von Elektrodenelementen elektrisch geladen wird, obwohl sie keine galvanische Verbindung miteinander oder mit der Hochspannungsquelle haben.
Dieser individuelle Spannungsanschluß eliminiert die Spannungsbegrenzung, die in dem Fall von bekannten elektrostatischen Filtern unternommen werden muß, weil in ihnen jeder lokale Funkenübertritt den gesamten Kondensatorseparator inoperativ machen wird. Statt dessen nimmt jedes Elektrodenelement, auf das eine Spannung aufgebracht ist, die höchste Spannung die es akzeptieren kann auf und der Kondensatorseparator wird dabei immer den bestrnöglichen Wirkungsgrad haben.
Das Risiko des Funkenübertritts von einem der Elektrodenelemente auf die die Spannung individuell aufgebracht wird, ist in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Merkrnal der Erfindung eliminiert, dadurch, daß diese Elektrodenelemente feldkonzentrierende Forrnationen haben. Eine schwache sekundäre Koronaentladung beginnt bei diesen Formationen, wenn der Spannungsunterschied zwischen einem solchen Elektrodenelement und einem benachbarten Elektrodenelement dazu neigt, zu hoch zu werden. Der Spannungsunterschied ist dabei automatisch auf einen Wert begrenzt, der für das Stattfinden eines Funkenübertritts unzureichend ist.
Der hohe Widerstandscharakter bei der Entladung und der niedrigen Koronastromintensität macht die elektrisch geladenen Elektrodenelemente zum Berühren recht sicher. Jeder, der in Kontakt mit den elektrisch geladenen Elektrodenelemente kommt, kann sich vollständig der Tatsache unbewußt sein, da der Empfindlichkeitsschwellenwert von Menschen auf durch den Körper durchfließenden Strom ungefähr 100 µA ist und weil die Stromintensität leicht auf einen Wert unterhalb dieses Schwellenwertes begrenzt werden kann, wenn die Erfindung praktiziert wird. Folglich braucht der Kondensatorseparator nicht mit einem Berührungswächter versehen sein, um das Risiko der Unannehmlichkeit oder der Gefahr in dem Fall der Berührung des Kondensatorseparators zu eliminieren, und wenn ein Berührungswächter trotzdem aus anderen Gründen vorgesehen wird, muß er nicht aus starkem Material hergestellt sein.
Damit das Konzept der individuellen Anschließung einer Spannung an den Elektrodenelementen mit den besten Resultaten in der Praxis realisiert werden kann, sollte die Spannung der Koronaelektrode viel höher (2 bis 3 mal höher) als die Spannung sein, auf die es wünschenswert ist, die individuellen Elektrodenelemente des Kondensatorseparators zu laden. Dieses Erfordernis kann jedoch leicht mit dem erfindungsgernaßen elektrostatischen Filter zufrieden gestellt werden, da in Anbetracht der breiten Ionisierungskammer sie in allen Fällen für die Spannung an den Koronadrähten geeignet ist, und da die notwendige Spannung leicht erhalten werden kann und kein erhöhtes Risiko beinhaltet.
Wie aus dem vorangegangenen offensichtlich wird, können die Elektrodenelemente des Kondensatorseparators aus einem nicht teuren Material, beispielsweise Pappe oder anderen zellulosehaltigen Fasermaterialien mit ausreichender Leitfähigkeit, oder aus Material, dem ausreichend hohe Leitfähigkeit durch Beschichtung gegeben werden kann oder das mit geeigneten Substanzen imprägniert wird (sogenannte dissipative oder antistatische Materialien) hergestellt sein.
Wenn Material der oben genannten Art verwendet wird, könnte die oben erwähnten feldkonzentrierenden Formationen erhalten bleiben, ohne erforderliche separate Maßnahrnen unternehmen zu müssen. Die scharfen Kanten, die Platten oder Blätter solcher Materialien normalerweise erhalten, wenn sie geschnitten, beispielsweise aus größeren Blechen gestanzt, werden, forrnen durch sich selber solche Formationen. Wenn es natürlich so gewünscht wird, können spitze Zungen oder ähnliches an geeigneten Plätzen an den Elektrodenelementen gebildet werden, urn feldkonzentrierende Formationen bereitzustellen.
Die Ionisierungskammer, die Koronaelektrode und der Kondensatorseparator können in vorteilhafter Weise kornbiniert werden, urn eine einzige entsorgbare Einheit zu bilden. Diese Einheit kann in einem sterilisierten Paket enthalten sein, wenn dies erforderlich ist, beispielsweise wenn sie in einer Krankenhausumgebung eingesetzt wird.
Wenn die entsorgbare Einheit in Umgebungen verwendet wird, die dafür verantwortlich sind, die Einheit mit schwebenden patogenen Organisrnen zu kontaminieren, kann es notwendig, oder passend sein, die entsorgbare Einheit mit einer frischen Einheit zu ersetzen, bevor die Einheit so mit von dem Luftstrom getrennten Materialien kontaminiert wird, daß die Notwendigkeit des Wechseins der Einheit unter allen Umständen besteht. Bevor die verwendete entsorgbare Einheit von der Filtervorrichtung entfernt wird, kann sie abgedichtet werden, um das Risiko der Verteilung von patogenen Organismen zu reduzieren.
Da das entsorgbare Material, d.h. Material, daß nicht gereinigt oder aufbereitet werden muß, auch für die Isolatoren der Elektrodenelemente des Kondensatorseparators verwendet werden kann, kann der Abstand zwischen den Platten im Vergleich zu bekannten elektrostatischen Filtern reduziert werden. Das Reinigen oder Aufbereiten erfordert einen größeren Abstand zwischen den Platten als der, der erforderlich ist, wenn kein Reinigen oder Aufbereiten notwendig ist. Wie bekannt ist, macht ein kleinerer Abstand zwischen den Elektrodenelementen den Separator effektiver.
Der durch die Reduzierung des Abstandes zwischen den Elektrodenelementen verbesserte Wirkungsgrad kann eingesetzt werden, um das Volumen des Kondensatorseparators zu reduzieren. Diese Möglichkeit, das Separatorvolumen zu reduzieren, ist insbesondere bei Anwendungen erheblich, bei denen ein Erfordernis für einen kleinen Raum für den elektrostatischen Filter wichtig oder entscheidend für die Nützlichkeit des Filters ist. Dies ist beispielsweise in Luftreinigunssytemen in Autos, Luftreinigern bei Staubsaugern, etc. der Fall. In diesen Fällen kann der elektrostatische Filter zusammen mit einem mechanischen Grobfilter eingesetzt werden, der funktioniert, um die größeren Teilchen zu extrahieren, bevor sie den elektrostatischen Filter erreichen, so daß der elektrostatische Filter nur den feineren Teilchen ausgesetzt ist, die oft für die Gesundheit am schädlichsten sind und die zur Zeit nicht durch mechanische Filter in den oben genannten Anwendungen entfernt werden können.
Wenn ein getrenntes Gebläse eingesetzt wird, um die Luft durch den elektrostatischen Filter zu transportieren, kann das Gebläse ein relativ langsames Gebläse sein, während es noch den gewünschten Luftstrom mit einem niedrigen Druckabfall produziert, da der breite Querschnitt für den Luftdurchfluß dies durch die breite Ionisierungskammer möglich macht. Folglich kann das Gebläse durch einen kleinen und billigen elektrischen Motor, beispielsweise einen mehrpoligen, permanent magnetisierten, synchronisierten Motor mit einfachem Design angetrieben werden. Eine Rutschkupplung kann zwischen der Motorwelle und dem Gebläserotor montiert werden, um ein Selbststarten des Motors zu ermöglichen.
Exemplarische Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen elektrostatischen Filters werden nun im Detail mit bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des elektrostatischen Filters entlang der Durchflußrichtung ist;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines leicht austauschbaren, entsorgbaren Teils des in Fig. 1 gezeigten elektrostatischen Filters ist, wobei diese Einheit den Ionisierungsabschnitt und den Kondensatorseparator des elektrostatischen Filters enthält;
Fig. 3 eine Schnittansicht der entsorgbaren Einheit entlang der Linie III-III in Fig. 2 ist;
Fig. 4 eine Schnittansicht der entsorgbaren Einheit entlang der Linie IV-IV in Fig. 2 ist;
Fig. 5 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels entlang einer Ebene parallel mit den Elektrodenelementen in dem Kondensatorseparator ist, und
Fig. 6 und 7 Ansichten entlang der Linie VI-VI bzw. Linie VII-VII in Fig. 5 sind.
Der erfindungsgemäße elektrostatische Filter, der exemplarisch in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt ein äußeres Gehäuse 11, das die Form eines Rohres mit rechteckigem Querschnitt hat, und eine Lufteinlaßöffnung 12 und eine Luftauslaßöffnung 13 enthält. Das Gehäuse beinhaltet ein Gebläse 15, das durch einen elektrischen Motor 14 angetrieben ist, und beinhaltet Verbindungs- und Betriebseinrichtungen, die symbolisch durch einen Block 16 dargestellt sind, der auch die Hochspannungseinheit des elektrostatischen Filters enthält. Der elektrische Motor 14 ist vorzugsweise ein mehrpoliger, permanent magnetisierter Synchronmotor, dessen Rotor antriebsmäßig durch die Zwischenschaltung einer Rutschkupplung mit dem Gebläserotor verbunden ist.
Das Gehäuse 11 enthält auch die vorgenannte entsorgbare Einheit, die generell durch das Bezugszeichen 20 identifiziert ist und mit starken Konturlinien hervorgehoben ist. Diese entsorgbare Einheit kann in das Gehäuse durch dessen Lufteinlaßende eingefügt oder herausgezogen werden oder kann in das Gehäuse durch eine seiner Seitenwände plaziert und entfernt werden. Die entsorgbare Einheit 20 ist in dem Gehäuse mit der Hilfe von geeigneten nicht gezeigten Haltevorrichtungen in Position zu halten. Alle vorgenannten Teile des elektrostatischen Filters können in Übereinstimmung mit bekannten Techniken mit Ausnahme der entsorgbaren Einheit 20 konstruiert werden, und folglich werden solche Teile hier nicht im Detail beschrieben. Zusätzlich zu den bereits genannten Teilen kann der elektrostatische Filter auch andere Bauteile, beispielsweise Vorfilter, Luftführungselemente, etc. enthalten. Solche Bauteile können jedoch von herkömmlicher Art sein und bilden nicht einen Teil der Erfindung und wurden folglich in den Zeichnungen weggelassen.
Die entsorgbare Einheit 20 hat im wesentlichen die Form einer Box, die an einer Seite, nämlich der Seite, die dem Gebläse 15 und der Luftauslaßöffnung 13 des Gehäuses benachbart ist, offen ist. An der gegenüberliegenden Seite der Box, nämlich der Seite, die der Lufteinlaßöffnung 12 des Gehäuses 11 zugewandt ist, ist eine Vorderwand 21 befestigt, die sich in der gesamten Höhe und Breite des Gehäuses erstreckt und die im Wesentlichen über die Gesamtheit seines Oberflächenbereichs mit relativ großen und nah beabstandeten Perforationen perforiert ist. Der durch das Gebläse 15 erzeugte und mit einem Pfeil 23 in Fig. 1 bezeichnete Luftstrom ist daher fähig, in die Durchflußpassage 28 ohne auf irgendeinen großen Widerstand zu treffen einzutreten, die durch die Seitenwände 24, 25, 26 und 27 der entsorgbaren Einheit gebildet wird.
Der Abschnitt der Luftdurchflußpassage 28, der zu dem Einlaßende oder dem stromaufwärtigen Ende der Einheit angeordnet ist, bildet eine Ionisierungkammer 29. Diese Kammer ist in die stromaufwärtige Richtung, d.h. vorwärts, durch die innere Oberfläche der Vorderwand 21 und in die stromabwärtige Richtung, oder rückwärtige Richtung durch den Kondensatorseparator der allgemein mit 30 bezeichnet ist, begrenzt. Die Ionisierungskammer 29 ist seitlich durch ein Paar von Wandelementen begrenzt, die innerhalb der Vorderabschnitte 26a und 27a der Seitenwände 26 und 27 positioniert sind, und die im folgenden im Detail beschrieben werden.
In dem Fall der dargestellten Orientierung des elektrostatischen Filters sind die vorgenannten Wände vertikal und werden auch aus Gründen der Vereinfachung im folgenden als vertikal angesehen, obwohl es verständlich ist, daß wenn der elektrostatische Filter anders als gezeigt positioniert wird, diese Seitenwände sich auch beispielsweise horizontal erstrecken können.
Entsprechend werden andere Teile des elektrostatischen Filters, beispielsweise die vorgenannte Wandelemente, die sich in der dargestellten Position des elektrostatischen Filters vertikal erstrecken, auch als vertikal bezeichnet werden, während Teile, die horizontal gezeigt sind, beispielsweise die Wände 24 und 25, als horizontale Teile bezeichnet werden.
Eine Koronaelektrode 31 in der Form eines dünnen Metalldrahts erstreckt sich vertikal durch die Ionisierungskammer 29 zwischen den vertikalen Wänden 26 und 27 und zwischen der Vorderwand 21 und dem Kondensatorseparator 30. Der Koronaelektrodendraht ist zwischen Isolatoren 31a an den horizontalen Wänden 24 und 25 gespannt und ist in einer nicht im Detail gezeigten Weise mit der Hochspannungseinheit in Block 16 verbunden, wenn die entsorgbare Einheit 20 in Position in das Gehäuse 11 eingesetzt ist. Wenn der elektrostatische Filter in Betrieb ist, hält die Hochspannungseinheit die Koronaelektrode 31 auf einer im Verhältnisse zur Erde oder einem anderen Referenzpotential ausreichend in Spannung, um eine Koronaentladung, vorzugsweise eine Spannung von mindestens + 10 kV zu erzeugen.
Der Kondensatorseparator 30 enthält im wesentlichen zwei Reihen von Elektrodenelementen in der Form von rechteckigen Lamellen oder Platten. Eine Elektrodenelementreihe ist mit 32 bezeichnet und bildet eine erste Elektrode, die mit der Erde oder einem Referenzpotential verbunden ist. Die zweite Reihe von Elektrodenelementen ist mit 33 bezeichnet und bildet eine zweite Elektrode. Wie detaillierter unten beschrieben ist, wird diese Elektrode während des Betriebs bei einem Potential relativ zu dem Potential der Elektrodenelemente 32 gehalten, was beträchtlich niedriger als das Potential der Koronaelektrode ist, beispielsweise bei einem Potential, was zwischen einem drittel und einem halben Koronapotential liegt.
Die Elektrodenelemente 32 und 33 erstrecken sich entlang des gesamten Innenraums zwischen den vertikalen Wänden 26 und 27 und sind eines über dem anderen in horizontalen Positionen angeordnet, um einen Stapel mit den Elektrodenelementen 32 zu bilden, die wechselnd dazu und vertikal beabstandet von den Elektrodenelementen 33 plaziert sind. Folglich bilden die Elektrodenelemente eine Vielzahl von breiten und tiefen parallelen Unterpassagen 28a, die zusammen den Abschnitt der Durchflußpassage 28 in der entsorgbaren Einheit 20 bilden, der durch den Kondensatorseparator 30 besetzt ist.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Elektrodenelemente 33 der zweiten Separatorelektrode leicht in stromaufwärtige Richtung der Luftdurchflußpassage 28 im Verhältnis zu den Elektrodenelementen 32 der ersten Separatorelektrode angeordnet, so daß das stromaufwärtige Ende der Elektrodenelemente 33 etwas näher, beispielsweise 5 - 10 mm näher, an der Koronaelektrode 31 ist, als die stromaufwärtigen Enden oder vorderen Ende der Elektrodenelemente 32. Dasselbe trifft auf die stromabwärtigen Enden oder hinteren Enden der Elektrodenelemente zu.
Es ist auch aus Fig. 1 ersichtlich, daß alle Elektrodenelemente 33 im gleichen Abstand zu der Koronaelektrode 31 angeordnet sind.
Die vertikalen Wände 26 und 27 der entsorgbaren Einheit 20 enthalten eine innere Platte 268 bzw. 278, die aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise von expandiertem Kunststoff (beispielsweise Styropor ) hergestellt ist. Die Innenseite jeder inneren Platte ist für jedes Elektrodenelement 32, 33 mit einer flachen, sich längs streckenden Rille 34 bzw. 35 versehen, die zu der stromabwärtigen Kante der Platte offen ist und sich in die stromaufwärtige Richtung bis zu einer Position erstreckt, an der die stromaufwärtige Kante des Elektrodenelements positioniert werden soll. Die Elektrodenelemente sind sicher mit ihren in den Rillen 34, 35 angeordneten Seitenkanten gehalten. Abgesehen davon, daß die Elektrodenelemente in die stromaufwärtige- stromabwärtige Richtung nur durch Reibung befestigt sind, sind sie trotzdem vollständig zufriedenstellend befestigt, da die Elektrodenelemente im Betrieb keinen Kräften ausgesetzt sind, die dazu neigen, sie zu verschieben.
Die inneren Platten 26b und 27b haben die Funktion, der entsorgbaren Einheit eine gute Stabilität zu verleihen und die Elektrodenelemente 32 und 33 in Position zu halten, und dabei die Elektrodenelemente 33 elektrisch voneinander und von den Seitenwänden 26 und 27 und von den Elektrodenelementen 32 zu isolieren. In einem alternativen Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) sind die inneren Platten durch getrennte Halter für die Elektrodenelemente 33 ersetzt. Diese separaten Halter haben die Form eines kleinen Blocks, die an der Innenseite der Seitenwände 26, 27 befestigt sind, und mit Aussparungen versehen sind, in die die Elektrodenelemente leicht plaziert und in einer vorgegebenen Position befestigt werden können. Die Elektrodenelemente 32 dieses alternativen Ausführungsbeispiels sind direkt an den Seitenwänden eingesetzt.
Wie aus dem Vorangegangenen ersichtlich wird, besteht keine elektrische Leitung oder galvanische Verbindung zwischen den Elektrodenelementen 33 selber oder mit anderen Teilen des elektrostatischen Filters. Der Zweck dieser Anwendung wird aus dem folgenden ersichtlich werden.
Die Kanten der Elektrodenelemente 32 der ersten Separatorelektrode, deren Elemente auch eine elektrische leitfähige Oberfläche enthalten, und die über die Elektrodenelemente 33 in die stromabwärtige Richtung hervorstehen, haben eine elektrisch leitende Verbindung miteinander durch die Wirkung eines elektrisch leitenden Streifens aus einem geeigneten Gummi oder Kunststoffmaterial, beispielsweise einem antistatischen Material. Dieser Streifen, der in Fig. 1 mit 40 bezeichnet ist, ist in elektrischer Verbindung mit der Erde oder einem Referenzpotentialanschluß (nicht gezeigt), wenn die entsorgbare Einheit 20 in das Gehäuse eingefügt ist.
Bei dem dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel der entsorgbaren Einheit 20 sind die Elektrodenelemente 32 und 33 vorzugsweise aus Pappe, beispielsweise gewellter Pappe, die auf einer oder beiden Seiten davon mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, beispielsweise einer Schicht aus elektrisch leitfähiger Farbe, die auf die Pappe gesprüht oder darauf auf andere Weise aufgebracht ist, beschichtet werden kann. Eine solche Schicht ist nicht immer notwendig; gewisse Typen von Pappe oder ähnlichen Materialien funktionieren sehr gut ohne eine spezielle Behandlung zur Erhöhung der Leitfähigkeit.
Keine hohen Anforderungen sind an die elektrische Leitfähigkeit der Elektrodenelemente 32, 33 oder ihre jeweiligen Oberflächen gerichtet. Einzige Erfordernis ist, daß die Elektrodenelemente leicht völlig auf das gewünschte Potential geladen werden können. Dementsprechend können halbleitende Elektrodenelemente oder halbleitende Oberflächenschichten an den Elektrodenelementen auch als elektrisch leitfähig in dem vorliegenden Kontext angesehen werden. Die Elektrodenelemente oder ihre jeweiligen Oberflächenschichten können bequem ein antistatisches oder ein sogenanntes dissipatives Material enthalten, durch was ein Material mit einem Oberflächenwiderstand von 10&sup9; - 10¹&sup5; Ohm gemeint ist.
Aus Gründen, die aus dem Folgenden offensichtlich werden, ist es in Übereinstimmung mit einem charakteristischen Merkmal der Erfindung passend, daß die Elektrodenelemente feldkonzentrierende Formationen enthalten. Wenn die Elektrodenelemente aus Pappe hergestellt sind, können diese Formationen ohne die Notwendigkeit separate technische Maßnahmen durchzuführen, nämlich als ein Resultat des Ausschneidens der Elektrodenelemente erhalten werden. Die scharfen Kanten, die beim Ausschneiden der Elektrodenelemente gebildet werden, sind fähig, als feldkonzentrierende Formationen zu wirken.
Natürlich ist es auch möglich solche Formationen durch Ausschneiden oder Ausstanzen gezielter Konfigurationen oder ähnliches durch die Elektrodenplatten zu erzeugen.
Der Ionisierungsabschnitt der entsorgbaren Einheit 20 umfaßt die Ionisierungskammer 29, die Koronaelektrode 31 und die Elektrodeneinrichtungen, die als Zielelektroden für die Koronaelektrode funktionieren. Der Ionisierungsabschnitt enthält auch ein zweites Zielelektrodenelement, das durch die luftdurchlässige Vorderwand 21 der entsorgbaren Einheit gebildet ist (das erste Zielelektrodenelement ist durch die Teile der Elektrodenelemente 33 gebildet, die am nächsten zu der Koronaelektrode liegen). Aus diesem Grund ist die Vorderwand zumindest an ihrer inneren Oberfläche mit einer Oberflächenschicht versehen, die in der vorgenannten Bedeutung des Begriffs elektrisch leitfähig ist. Die Vorderwand 21 kann ein separates Wandelement sein oder kann einen integralen Teil der Horizontalwände 24, 25 der entsorgbaren Einheit 20 bilden und kann ähnlich zu diesen Wänden auch passend aus demselben Material wie die Elektrodenelemente 32 und 33 gebildet sein. Die verbleibenden Teile der Seitenwände der entsorgbaren Einheit 20 können auch aus einem ähnlichen Material hergestellt sein.
Wie aus Fig. 2 offensichtlich ist, hat der die Ionisierungskammer 29 aufnehmende vordere Teil der entsorgbaren Einheit 20 von oben gesehen die Form eines gleichschenkligen Trapezes, dessen kürzeste Parallelseite nach vorne gerichtet ist und durch die Vorderwand gebildet ist, wobei das hintere Teil, das den Kondensatorseparator aufnimmt, mit der längsten Parallelseite des Trapezes verbunden ist, und eine parallelepipede Form und die selbe Höhe wie der vordere Teil hat.
Aufgrund der Trapezform des vorderen Teils der entsorgbaren Einheit 20 erweitert der vordere Teil den Raum, der durch die vertikalen Seitenwandabschnitte 26a und 27a des vorderen Teils und des Vorderabschnitt der horizontalen Seitenwände 24, 25 der entsorgbaren Einheit von der Vorderwand 21 zu der Position, an der die Ionisierungskammer 29 an den Kondensatorseparator 30 angrenzt, gebildet ist.
Die Luftdurchflußpassage 28 ist jedoch seitlich an dem Vorderteil der Ionisierungskammer 29 durch ein Paar von parallelen, vertikalen Wandelementen 37 begrenzt, wobei jede sich rückseitig von einer jeweiligen vertikalen Seitenkante der Vorderwand 21 grob zu einer Position in gleicher Richtung von der Koronaelektrode 31 oder zu einer leicht hinter der Koronaelektrode in stromabwärtige Richtung erstreckt. Folglich hat die Luftdurchflußpassage einen generell konstanten Querschnittsbereich bis zu der Position der hinteren Kante der Wandelemente 37, während die Luftströmung fähig ist, über einen größeren Querschnittsbereich durch den verbleibenden Teil des Strömungsweges bis zu der Position 30 sich zu verteilen, wobei der Querschnittsbereich für den Durchfluß wieder konstant und beträchtlich größer wird als zwischen den Wandelementen 37.
Die Abschnitte der Wandelemente 37, die am nächsten zu dem Kondensatorseparator liegen, sind passend perforiert (nicht gezeigt), um die Verteilung des Luftstromes zu erleichtern.
Die Wandelemente 37 sind vorzugsweise aus demselben Material wie die anderen Wände der entsorgbaren Einheit gebildet und funktionieren auch als Zielelektroden für die Koronaelektrode 31, die folglich Zielelektrodenoberflächen hat, die sich über die Höhe der Ionisierungskammer 29 erstrecken, und an der vorderen, an der hinteren und an beiden seitlichen Seiten positioniert sind. Die durch die Wandelemente 37 gebildeten Zielelektrodenoberflächen sind näherungsweise im gleichen Abstand von der Koronaelektrode 31 positioniert, obwohl sie bei einem etwas größeren Abstand von der Elektrode als die vorderen Seiten des Elektrodenelements 33 positioniert sind.
Vorzugsweise liegen alle Teile der entsorgbaren Einheit 20 außer der Koronaelektrode 31, der verbundenen Isolatoren und die Elektrodenelemente 33 auf dem Erdpotential oder auf einem Referenzpotential, da sie elektrisch miteinander und dem Streifen 36 (40) verbunden sind, und mit einem leitfähigen Material beschichtet sind oder aus diesem bestehen.
Wenn der elektrostatische Filter in Betrieb ist, tritt der durch das Gebläse 15 erzeugte Luftstrom in die Ionisierungskammer 29 der entsorgbaren Einheit 20 durch die Perforationen 22 in der Vorderwand ein. Die mit dem Luftstrom getragenen Teilchen werden in der Ionisierungskammer dem Ionisierungsstrom ausgesetzt, der zwischen der Koronaelektrode 31 und den Elektrodenelementen strömt, die als Zielelektroden für die Koronaelektrode funktionieren, nämlich die Vorderwand 21, die Wandelemente 37 und die Teile der Elektrodenelemente 33, die am nächsten zu der Koronaelektrode sind.
Aufgrund dieser Anordnung mit Zielelektrodenelementen, die stromaufwärts, stromabwärts und seitlich von der Koronaelektrode 31 und mit einem Abstand dazu positioniert sind, der relativ lang im Vergleich mit bekannten elektrostatischen Filtern ist, werden die durch den Luftstrom getragenen Teilchen ein lange Verweilzeit in dem Ionisierungsstrom haben, der im Wesentlichen die ganze Ionisierungskammer füllt. Dies führt zu zwei Effekten, die vorteilhaft für den Wirkungsgrad der Trennung sind.
Erstens werden die schwebenden Teilchen zu einem Maxirnurn während ihrer Bewegung durch den Kondensatorseparator 30 geladen, und zweitens haben die Teilchen Zeit, sich während ihrern Passieren durch den Kondensatorseparator zusammenzuballen. Beide dieser Umstände machen die Trennung in dem Kondensatorseparator 30 effektiver.
Wenn die geladenen Teilchen in den Passagen 28a zwischen den Elektrodenelementen 32, 33 des Kondensatorseparators 30 ankommen, werden die Teilchen zu den Elektrodenelementen 32 in einer an sich bekannten Weise, nämlich unter dem Einfluß des elektrischen Feldes, das sich quer zu den Passagen erstreckt, bewegt und werden an den Elektrodenelementen niedergeschlagen. Das elektrische Feld existiert, weil die Elektrodenelemente 33 auf einem Potential liegen, das höher ist als das Potential (das Erdpotential oder das Referenzpotential) auf dem die Elektrodenelemente 32 liegen. Das Laden der Elektrodenelemente 33 auf dieses Potential erfolgt aufgrund des Ladungstransports zu diesen Elektrodenelementen 33, der durch den Ionenstrom stattfindet, der von der Koronaelektrode 31 zu der Vorderkante der Elektrodenelemente 33, die in die Ionisierungskammer hervorstehen, strömt.
Das Potential auf dem die Elektrodenelemente 33 liegen hängt von der Größe der Distanz von der Koronaelektrode 31 zu dem nächsten Ort an der Vorderkante der Elektrodenelemente 33 ab. Diese Distanz ist vorzugsweise so gewählt, daß das Potential im Verhältnis zu dem Erd- oder Referenzpotential zwischen einem drittel und einem halben Potential der Koronaelektrode 31 im Verhältnis zu dem Erd- oder Referenzpotential ist.
Da die Elektrodenelemente 33 elektrisch voneinander isoliert sind, werden die Elemente unabhängig voneinander geladen. Wenn ein Funkenübertritt zwischen einem Elektrodenelement 33 und einem benachbarten Elektrodenelement 32 auftreten sollte (ein solcher Funkenübertritt kann als ein Ergebnis einer Schmutzansammlung an den Elektrodenelementen 33 auftreten), und dabei bewirkt, daß sich das Elektrodenelement entlädt, werden die verbleibenden Elektrodenelemente 33 folglich nicht beeinflußt. In dem Fall des Funkenübertritts ist es folglich nur das Elektrodenelement 33, an dem der Funkenübertritt auftritt, dessen Funktion beeinträchtigt ist, weil das Potential dieses Elements sich zu einem leicht niedrigeren Level als ein Resultat der elektrischen Ladung, die zu den benachbarten Elektrodenelement 32 leckt, verschiebt.
Da die Konsequenzen eines "Kurzschlusses" aufgrund der individuellen Ladung der Elektrodenelemente 33 und ihrer relativ niedrigen Leitfähigkeit nicht ernsthaft sind, kann der Abstand zwischen den benachbarten Elektrodenelementen 32 und 33, d.h. die Breite der Passagen 28a, kleiner gemacht werden als anderenfalls möglich wäre, wenn alle Elektrodenelemente 33 galvanisch miteinander verbunden wären. Ein reduzierter Abstand ist vorteilhaft, weil der mittlere Abstand, den die Teilchen benötigen, um sich seitwärts, beispielsweise quer zu den Elektrodenelementen, zu bewegen, um die niederschlagenden Elektrodenelemente 32 zu erreichen, dann kürzer werden.
Eine solche Verkürzung der Seitenbewegung erlaubt wiederum eine Verkürzung der Passagen 28a zwischen den Elektrodenelementen 32, 33 in die Strömungsrichtung oder resultiert alternativ in einem vollständigerem Schmutztrennungsprozeß bei ungekürzter Länge der Passagen.
Die Elektrodenelemente 32, 33 des Kondensatorseparators 30 und irgendwelche anderen Teile mit denen die Luftströmung in ihrer Passage von der Ionisierungskammer 29 in Kontakt kommt, können vorteilhafterweise mit einem leicht oxidierten Material beschichtet oder aus diesem hergestellt sein. Dies ermöglicht dem Ozon, das in der Nähe der Koronaelektrode 31 unvermeidbar erzeugt wird, leicht vor dem Verlassen des entsorgbaren Elements 20 eliminiert zu werden.
Es wird auch bemerkt werden, daß der Anteil an in dem erfindungsgemäßen elektrostatischen Filter erzeugten Ozon im Vergleich mit dem Anteil, der in bekannten elektrostatischen Filtern erzeugt wird, klein ist. Der Grund hierfür ist, daß der elektrostatische Filter entsprechend der Erfindung mit einem schwachen Koronastrom, der niedriger als 100 µA ist, betrieben werden kann, teilweise weil die Zusammensetzung des Ionisierungsabschnitts in einer effektiven Ladung der Teilchen resultiert, und teilweise weil die Passagen zwischen den Elektrodenelementen des Kondensatorseparators eng gemacht werden können.
Der schwache Koronastrom hat einen weiteren Effekt, der vorteilhaft zu der Vereinfachung der entsorgbaren Einheit ist, weil die hohe Spannungseinheit eingesetzt werden kann, um einen so niedrigen Strom zu erzeugen, der den Hochspannungsteil berührungssicher macht. Folglich ist es nicht notwendig, die entsorgbare Einheit mit einem Berührungswächter für die elektrisch aktiven Teile aus Sicherheitsgründen zu versehen, und wenn ein Berührungswächter trotzdem vorgesehen wird, ist es nicht notwendig, ihn aus einem sehr starken Material herzustellen. Der Kurzschlußstrom durch die Koronaelektrode kann leicht auf einen Wert begrenzt werden, der aus Sicherheitsaspekten akzeptabel ist, d. h. 750 µA, mit Widerständen mit einem hohen Widerstand (in dem Mega- Ohmbereich).
Das in den Fig. 1-4 dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt eine einzige drahtartige Koronaelektrode 31 für alle Paare von Elektrodenelementen 32, 33 in dem Kondensatorseparator 30, wobei diese Koronaelektrode sich senkrecht zu den Ebenen erstreckt, die die Elektrodenelemente enthalten. Weil die Passagen 28a, die sich zwischen den Elektrodenelementen erstrecken, eine sehr kleine Höhe, d. h. eine Dimension in der Längsrichtung der Koronaelektrode, haben können, kann der Stapel von Elektrodenelementen ein große Anzahl von Passagen für eine gegebene Länge der Koronaelektrode enthalten.
Ein Umstand, der zusammen mit den engen Passagen 28a zu dem hohen Trennungswirkungsgrad des erfindungsgernäßen elektrostatischen Filters bei einem sehr kleinen Koronastrom beiträgt, besteht in der Konfiguration des Ionisierungsabschnitts, insbesondere der Vorsehung der Zielelektroden sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts der Koronaelektrode und vorzugsweise auch an den Seiten der Ionisierungskammer, so daß die Koronaelektrode siber einen großen Teil des Umfangs der Ionisierungskammer Zielelektrodenoberflächen in einem relativ großen Abstand von der Koronaelektrode hat. Dieser Abstand ist vorzugsweise mindestens ein mehrfaches des Abstandes zwischen den benachbarten Separatorelektrodenelementen 32, 33 und ist vorzugsweise nicht weniger als drei und vorzugsweise nicht rnehr als fünf oder sechs mal der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenelementen, und ist vorzugsweise nicht weniger als ungefähr vier Zentimeter.
Die in den Fig. 5 bis 7 dargestellten Bauteile, deren Funktionen den Funktionen der in den Fig. 1-4 dargestellten Bauteile entsprechen, wurden mit dem Bezugszeichen der zuletzt genannten Figuren mit einer vorangestellten Eins identifiziert.
Das in den Fig. 5-7 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in den Fig. 1-4 dargestellten Ausführungsbeispiel hauptsächlich in zwei Aspekten.
Erstens ist eine separate Ionisierungskammer 140 zurn Laden dieser Elektrodenelemente 133 vorgesehen, die ein höheres Potential als die Elektrodenelemente 132 haben sollen, die mit dem Erd- oder Referenzmaterial verbunden sind. Wie in Fig. 6 gezeigt ist, kann diese Ionisierungskammer 140, die von der Strömungspassage für die zu reinigende Luft getrennt ist, gemeinsam zu den zwei wesentlichen ähnlichen Abschnitten 110a des elektrostatischen Filters ausgebildet sein.
Zweitens ist die drahtartige Koronaelektrode 131 in einer Ebene angeordnet, die generell parallel zu den Ebenen ist, in denen die Elektrodenelemente 132 und 133 liegen. Wie in dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel ist die Koronaelektrode für alle Paare von benachbarten Elektrodenelementen 132, 133, d. h. zu allen Passagen 128a zwischen den Elektrodenelementen gleich.
Da die zu reinigende Luft nicht dafür vorgesehen ist, durch die Ionisierungskammer 140 zu strömen, kann die Ionisierungskammer luftdicht oder im wesentlichen luftdicht gemacht werden. Die Ionisierungskammer 140 nimmt eine drahtartige Koronaelektrode 141 auf, die für alle Elektrodenelemente 133 gemeinsam ist. Die Koronaelektrode kann mit der Hochspannungseinheit verbunden werden, um auf dem gleichen Potential wie die Koronaelektrode 131 zu liegen, obwohl sie alternativ auf einem höheren Potential liegen kann. Obwohl der Anstieg in der Ozonerzeugung nicht wünschenswert ist, die von einem höheren Potential resultiert, ist es im Hinblick auf die Ionisierungskammer 140 nicht speziell problematisch, da das Ozon nicht die durch den elektrostatischen Filter transportierte Luft begleiten wird.
Für eine Zielelektrode für die Koronaelektrode 141 ist für jedes Elektrodenelement in jedem der Filterabschnitte 110a, 110b ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement 142 vorgesehen, das an der benachbarten äußeren Seite der Seitenwand 126b der entsorgbaren Einheit 120 befestigt ist, und das in leitenden Kontakt mit dem verbundenen Elektrodenelement 133 durch die Seitenwand 126b ist.
Da die Elektrodenelemente 133 in dem Kondensatorseparator 130 in diesem Fall nicht von der Koronaelektrode 133 geladen werden, die für die Ladung der Teilchen verantwortlich ist, sondern von der weiteren Koronaelektrode 141, sind die Elektrodenelemente 133 nicht vorwärts zu der Koronaelektrode 131 wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispiele verschoben, aber sind statt dessen in der stromabwärtigen Richtung irn Verhältnis zu den Elektrodenelementen 132, die mit dem Erd- oder Referenzpotential verbunden sind, zurückgezogen.
Die Elektrodenelemente 133 sind dabei von dem Ionenstrom abgeschirrnt, der von der Koronaelektrode 131 durch die Elektrodenelemente 132 ausströrnt, wobei die vorderen Kanten davon passend in ungefähr dernselben Abstand von der Koronaelektrode 131 wie die perforierte Vorderwand 121 liegen. Die Elektrodenelemente 131 und die Vorderwand 121 funktionieren als Zielelektrodenelemente für die Koronaelektrode 131. Dies gilt auch für die horizontalen Wandelemente 137, die die Ionisierungskammer 129 oberhalb und unterhalb begrenzen.
Das in den Fig. 5-7 dargestellte Ausführungsbeispiel ist am besten für elektrostatische Filter geeignet, die eine relativ kleine Anzahl an Elektrodenelementenpaaren oder Passagen in dem Kondensatorseparator umfassen.
In einer (nicht dargestellten) Modifikation des elektrostatischen Filters der Fig. 5-7 bildet die separate Ionisierungskammer 140 einen Teil der Durchflußpassage für die zu reinigende Luft und ist benachbart zu dem Kondensatorseparator 130 an einem stromabwärtigen Ende der Passage angeordnet.
Wie am besten aus dem Vorangegangenen ersichtlich ist, errnöglicht die vorliegende Erfindung es einer entsorgbaren Einheit mit dem Ionisierungsabschnitt und dem Kondensatorseparator aus einigen, nicht teuren und leicht zusammensetzbaren Bauteilen konstruiert zu werden, die nach der Verwendung ohne ernsthafte Konsequenzen für die Umwelt verschrottet werden können. Wenn die entsorgbare Einheit in einem elektrostatischen Filter eingesetzt wird, der für den Einsatz in einer Umgebung vorgesehen ist, die gegen Infektion geschützt sein muß, kann die entsorgbare Einheit leicht sterilisiert oder desinfiziert werden und in ein sterilisiertes Paket eingeschlossen werden, so daß die entsorgbare Einheit frei von patogenen Organismen ist, wenn das Paket geöffnet wird und die entsorgbare Einheit in das Gehäuse des elektrostatischen Filters eingefügt wird.
Die mit der vorliegenden Erfindung erreichte Vereinfachung des elektrostatischen Filters ist jedoch nicht auf die entsorgbare Einheit beschränkt. Der reduzierte Koronastrom, der mit einer entsorgbaren Einheit erreicht werden kann, die entsprechend der Erfindung konstruiert ist, ermöglicht es auch, die Hochspannungseinheit zu vereinfachen und sie billiger herzustellen.
Obwohl in den dargestellten Ausführungsbeispielen die Koronaelektrode 31, 131 in der entsorgbaren Einheit 20, 120 eingeschlossen ist, ist es innerhalb des Umfangs der Erfindung möglich, sie aus der entsorgbaren Einheit auszuschließen und sie für den Dauereinsatz, beispielsweise durch ihre Befestigung an dem Filtergehäuse 11, anzuordnen.
Der erfindungsgernäße elektrostatische Filter und seine entsorgbare Einheit können für Gas- oder Luftreinigungszwecke in breiten getrennten Feldern eingesetzt werden, sowohl in den Fällen, in denen kleine Größen erforderlich sind und das Volumen an Gas, welches durch den Filter pro Zeiteinheit strömt, relativ klein ist, und in solchen Fällen, bei denen sehr große Volumen von Gas oder Luft gereinigt werden und die erforderlichen Dimensionen entsprechend groß sind. Der erste Fall wird die Reinigung von Abgasluft von Staubsaugern, die Luftreinigung in Motorfahrzeugen und in Abschlußvorrichtungen für die Luftversorgung von Raumventilationssystemen und auch in kleineren Klimaanlagen, die bei solchen Systemen eingesetzt werden, enthalten.
Beispiele von Fällen, bei denen ein Bedarf zur Reinigung größerer Volumen von Luft besteht, enthalten zentrale Luftverarbeitungs- oder Klimaeinheiten für große Ventilationssysteme, Fabriken und Arbeitsplatzlokalitäten, Hallensportarenen und Ausstellungshallen, etc.
Die einfache und nicht teure Konstruktion der entsorgbaren Einheit ermöglicht auch, daß Außenluft zu vernünftigen Kosten insbesondere in kontaminierten Plätzen, beispielsweise eingegrenzte Plätze, Plätze mit viel Verkehr oder andere Plätze, die stark kontaminierter Luft ausgesetzt sind, zu reinigen.
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der elektrostatische Filter mit einem eigenen Gebläse versehen, das für den Transport der Luft durch den Filter verantwortlich ist. Es ist jedoch in vielen Fällen möglich, den Einsatz einer getrennten Vorrichtung für den Transport von Luft durch den elektrostatischen Filter zu vermeiden, da der Druckunterschied entlang des Filters, der zum Transport der Luft durch den Filter erforderlich ist, im Vergleich mit mechanischen Filtern sehr klein ist, und ohne in dem aktuellen Filter oder in direkter Verbindung mit dem Filter erzeugt zu werden, erhalten werden kann. Beispiele solcher Fälle umfassen elektrostatische Filter für die Versorgung von Luft zu Abschlußvorrichtungen von Ventilationssystemen, oder für Staubsauger, etc.
Damit der erfindungsgemäße elektrostatische Filter seine beabsichtigte Funktion erfüllt, ist es nur notwendig, entlang der Einheit, die aus dem lonisierungsabschnitt und dem Kondensatorseparator besteht, einen Druckabfall zu erzeugen, der ausreichend ist, die Luft durch den Filter zu transportieren.
Wenn der elektrostatische Filter zur Abtrennung von hochwiderstandsfähigem Schmutz aus dem Luftstrom eingesetzt wird, könnten die Oberflächen der Ionisierungskammer mit einer isolierenden Schmutzschicht überzogen werden, die elektrisch geladen ist und dabei den Koronastrom in der Ionisierungskammer reduziert. Dieses unerwünschte Phänomen kann durch die Ausstattung der Ionisierungskammer mit beweglichen, beispielsweise netzartigen oder bandförmigen Wänden und mit Abstreifern oder anderen Mitteln eliminiert werden, die die Schmutzschicht von den Abschnitten der beweglichen Wände entfernen, die außerhalb des Ionenstroms sind. Alternativ können die schmutzbeladenen Oberflächen einer Ionisierungskammer mit stationären Wänden während des Betriebs des Filters mittels hin- und herbewegbaren Abstreifern gereinigt werden, die innerhalb der Ionisierungskammer betätigt werden.

Claims

1. Elektrostatischer Zwei-Stufenfilter mit einem Ionisierungsabschnitt, der in einem stromaufwärts liegenden Bereich einer Durchflußpassage angeordnet ist und eine Ionisierungskammer (29, 129) umfaßt, in der zumindest eine längliche, vorzugsweise drahtartige Koronaelektrode (31, 131) angebracht ist, die mit einem Pol einer elektrischen Hochspannungsquelle und einer Zielelektrode verbunden ist, die von der Koronaelektrode beabstandet ist und mit einem anderen Pol der Hochspannungsquelle verbunden ist,

einem Kondensatorseparator, der in einem stromabwärts liegenden Bereich der Durchflußpassage angeordnet ist und eine erste und eine zweite Gruppe von Elektrodenelementen (32, 33, 132, 133) umfaßt, die Seite an Seite in einer beabstandeten Beziehung angeordnet sind, wobei die Elektrodenelemente der ersten Gruppe wechselweise mit den Elektrodenelementen der zweiten Gruppe angeordnet sind und dafür bestimmt sind, auf einem unterschiedlichen Potential als die Elektrodenelemente der zweiten Gruppe zu liegen, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ionisierungskammer (29, 129) eine Zielelektrodenoberfläche (37, 137; 21, 121; 132, 133) aufnimmt, die sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts von der Koronaelektrode (31, 131) angeordnet ist; und der Abstand der Koronaelektrode (31, 131) von der Zielelektrodenoberfläche, wenn er senkrecht zu der Stromaufwärts-/Stromabwärtsrichtung der Durchflußpassage (28, 128) und der Längsrichtung der Koronaelektrode gemessen wird, mindestens viermal der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenelementen (32, 33; 132, 133) ist.

2. Elektrostatischer Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Zielelektrodenoberfläche durch Zielelektrodenelemente (37, 137) gebildet ist, die auf gegenüberliegenden Seiten der Koronaelektrode (31, 131) angeordnet sind und die gegenüberliegenden Seitenwände des stromaufwärts von der Durchflußpassage (28, 128) liegenden Bereichs bilden.

3. Elektrostatischer Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Zielelektrodenoberfläche durch ein Zielelektrodenelement (21, 121) gebildet ist, das schräg zu der Durchflußpassage (28, 128) stromaufwärts von der Koronaelektrode (31, 131) angeordnet ist und Durchflußöffnungen (22, 122) für die Luft hat.

4. Elektrostatischer Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Zielelektrodenoberfläche durch ein Zielelektrodenelement (33, 132) gebildet ist, das schräg zu der Durchflußpassage stromabwärts von der Koronaelektrode (31, 131) angeordnet ist.

5. Elektrostatischer Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil des Zielelektrodenelements, das sich schräg zu der Durchflußpassage (28, 128) stromabwärts von der Koronaelektrode erstreckt, durch Elektrodenelemente (33, 132) des Kondensatorseparators (30, 130) gebildet ist.

6. Elektrostatischer Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (32) der ersten Gruppe mit einem Referenzpotential verbunden sind, vorzugsweise mit dem Erdpotential; und daß die Elektrodenelemente (33) der zweiten Gruppe einander gegenüber und von den Elektrodenelementen der ersten Gruppe elektrisch isoliert sind und in einem kürzeren Abstand zu der Koronaelektrode (31) liegen als diese Elektrodenelemente; und daß die Elektrodenelemente der zweiten Gruppe so nahe an der Koronaelektrode verlaufen, daß sie mit einem Potential im Verhältnis zu den Elektrodenelementen der ersten Gruppe beaufschlagt werden, das zwischen dem Referenzpotential und dem Potential der Koronaelektrode liegt und vorzugsweise nicht höher als ungefähr die Hälfte dieses Potentials ist.

7. Elektrostatischer Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (32, 33; 132, 133) des Kondensatorseparators (30, 130) im wesentlichen von einem nicht-metallischen Material, vorzugsweise einem zellulosehaltigen Fasermaterial wie Karton, Kraftpapier oder ähnliches, umfaßt sind.

8. Elektrostatischer Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (32, 33; 132, 133) mit einem antistatischen (dissipativen) oder elektrisch leitfähigen oder halbleitfähigen Material beschichtet sind.

9. Elektrostatischer Filter nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (32, 33; 132, 133) des Kondensatorseparators (30, 130) einen Teil (20, 120) des elektrostatischen Filters, der die Form einer Einweg-Einheit hat, umfassen oder in ihm enthalten sind.

10. Elektrostatischer Filter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einweg-Einheit ein Gehäuse (20, 120) umfaßt, das die Durchflußpassage bildet und die im wesentlichen von einem nicht-metallischen Material, vorzugsweise einem zellulosehaltigen Fasermaterial wie Karton oder Kraftpapier, umfaßt ist.

11. Elektrostatischer Filter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Außen- und Innenseite des Gehäuses (20, 120) von einem beschichteten, mit einem antistatischen (dissipativen) oder halbleitfähigen Material umfaßt ist; und daß mindestens ein Teil der Zielelektrodenoberfläche durch Teile (37, 137; 21, 121) der Innenseite des Gehäuses gebildet ist, wobei diese Teile, die die Zielelektrodenoberfläche und die erste Gruppe von Elektrodenelementen (32, 33; 132, 133) des Kondensatorseparators (30, 130) bilden, elektrisch durch Mittel dieses Materials verbunden sind.

12. Elektrostatischer Filter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenüberliegenden Kanten der ersten Gruppe von Elektrodenelementen (32, 33; 132, 133) des Kondensatorseparators (30, 130) direkt an die innere Oberfläche des Gehäuses (20, 120) anstoßen und elektrisch durch die Wirkung der inneren Oberfläche miteinander verbunden sind; und daß die zweite Gruppe von Elektrodenelementen (33, 133) des Kondensatorseparators von benachbarten Elektrodenelementen (32, 132) durch Zwischenisolatoren beabstandet gehalten sind.

13. Elektrostatischer Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (33, 133) der zweiten Gruppe von Elektrodenelementen des Kondensatorseparators (30, 130) mit die Feldstärke konzentrierenden Gebilden versehen ist.

14. Elektrostatischer Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine zweite Ionisierungskammer (140), die eine zweite, vorzugsweise drahtartige Koronaelektrode (141) und eine Zielelektrode (142) umfaßt, die von der zweiten Koronaelektrode beabstandet ist und die elektrisch mit der zweiten Gruppe von Elektrodenelementen (133) des Kondensatorseparators (130) verbunden ist, wobei diese Elektrodenelemente vorzugsweise elektrisch voneinander isoliert sind und in einem größeren Abstand von der Koronaelektrode (131) der ersten Ionisierungskammer (129) als die erste Gruppe von Elektrodenelementen (132) beabstandet sind.

15. Elektrostatischer Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (32, 33; 132, 133) des Kondensatorseparators (30, 130) im wesentlichen eben und plattenförmig sind und in einem Stapel angeordnet sind, wobei die Koronaelektrode (31) oder die Koronaelektroden (31, 131) vorzugsweise sich allgemein in einem rechten Winkel zu den Ebenen der Elektrodenelemente erstrecken.

16. Elektrostatischer Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsquelle einen sehr hochohmigen Strom umfaßt, der den Widerstand in dem Stromkreislauf, der mit den Koronaelektroden verbunden ist, begrenzt.

17. Elektrostatischer Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Luft durch die Filter mit der Hilfe eines Ventilatorrotors (15) transportiert wird, der durch einen mehrpoligen, permanent magnetisierten Synchronmotor angetrieben ist; und daß eine Gleitkupplung zwischen dem Ventilatorrotor und dem Motor vorgesehen ist, um einen automatischen Start des Motors zu ermöglichen.

18. Elektrostatischer Filter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ionisierungskammer an oder in dem stromabwärts liegenden Ende der Durchflußpassage angeordnet ist.

19. Elektrostatischer Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenelemente (32, 33; 132, 133) von einem Hochwiderstands- oder Halbleitermaterial umfaßt sind.