DE69809581T2

DE69809581T2 - Gasfilter

Info

Publication number: DE69809581T2
Application number: DE69809581T
Authority: DE
Inventors: Virve Christiansen; Kimmo Heinonen
Original assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Current assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Priority date: 1997-09-19
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2003-08-14
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: EP1021239A1; CA2304156A1; WO1999015259A1; AU9268798A; EP1021239B1; DE69809581D1; ATE228029T1; JP2001517544A; US6379437B1; CA2304156C

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasfilter, der in dem Oberbegriff des nachfolgenden Anspruches 1 aufgeführt ist.
Solch ein Gasfilter wird eingesetzt, z. B. wenn er in einer Lüftungsanlagenleitung angeordnet ist, um gasförmige Verunreinigungen aus der Einströmluft eines Raumes zu entfernen.
Gefährliche Gase werden üblicherweise aus der einströmenden Luft über Filter entfernt, die in der Lüftungsanlagenleitung angeordnet sind und die ein granulatartiges Material mit einer großen spezifischen Oberfläche enthalten. Gase, die mit solchen Filtern ausgefiltert werden, umfassen z. B. Schwefeldioxid, Stickstoffoxyde, Chlorgas, Chlorwasserstoff und Ozon.
Zusätzlich zu herkömmlichen Arbeitsräumen und Gesellschaftsräumen gibt es eine Gruppe von speziellen Räumen, für die hinsichtlich der Reinheit von Luft vergleichsweise hohe Anforderungen festgelegt sind. Solche speziellen Räume umfassen z. B. sogenannte Reinräume, wo z. B. Komponenten für empfindliche Elektronikbauteile und/oder solche Bauteile hergestellt werden. Ebenfalls müssen die Räume, in denen diese Bauteile verwendet werden, sogar mit bauteilspezifischen Filtern geschützt werden, um deren zuverlässige Funktion sicherzustellen.
Die Filterung der einströmenden Luft wurde und wird zunehmend eingesetzt, im wesentlichen auch in Verbindung mit verschiedenen Fahrzeugen und Arbeitsmaschinen, wo insbesondere die Filterung von Abgasen wichtig ist, ebenso wie die Filterung solcher Verunreinigungen, die durch die Verwendung des Fahrzeuges oder der Arbeitsmaschine gehandhabt werden (z. B. das Versprüchen von Pestiziden mit einem Traktor).
Es ist allgemein bekannt, die Filtrationseffizienz von Filtern dadurch zu erhöhen, dass die Kontaktzeit oder die Verweilzeit zwischen dem Filtermaterial und der zu filternden Luft erhöht wird, z. B. durch Erhöhung der Dicke des Filters, das heißt, der Dicke der Schicht, durch welche die zu filternde Luft strömt. Ein Problem in diesem Fall besteht in dem ansteigenden Luftdruckverlust, was für den Betrieb eines Lüftungssystemes nicht von Vorteil ist.
Es ist ein Filter aus dem französischen Patent 7232725 (Veröffentlichungs-Nr.: 2199479) bekannt, bei dem ein zu filternder Gasstrom durch eine Schicht Filtermaterial hindurchgeführt wird. Solche Schichten können aus zwei Fasermaterialschichten und einem dazwischen angeordnetem Granular- Adsorbens bestehen. In der konkreten Filterstruktur können diese Schichten parallel angeordnet sein, um einen Stapel zu bilden oder, wie in den Fig. 8 und 9 der Veröffentlichungen dargestellt, in einer Spiralform aufgewickelt und in einem Gehäuse angeordnet sein, wobei das zu filternde Material in der axialen Richtung und gleichzeitig von dem Kern der Spirale nach außen hindurchgeführt wird.
Weiterhin beschreibt die europäische Patentveröffentlichung 504389 eine Filterstruktur, in der das zu filternde Material durch Schichten eines. Filtermaterials, das in einer Spiralform aufgewickelt ist, von dem Kern nach außen hindurchgeführt werden soll. Das Filtermaterial wird durch das Mischen von Adsorbens-Körnern mit Adsorbens-Fasern hergestellt.
Auch bei diesen Filtern muss der Strömungswiderstand, verursacht durch das Material, berücksichtigt werden, wenn ein zu reinigendes Gas durch das Filtermaterial hindurchgeführt wird, das ein Adsorbens enthält, verbunden mit den oben beschriebenen Problemen.
Das finnische Patent FI-94724 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Gasfilters, wobei der Filter aus übereinandergelegten Schichten zusammengesetzt ist, die aus einem Trägermaterial hergestellt sind, das geriffelt ist und mit einer Lösung imprägniert ist, das eine Chemosorption einleitet, wobei die Längsrichtung der Wellen mit der Durchgangsrichtung der Luft übereinstimmen und die Schichten separate, langgestreckte Strömungszellen ausbilden. Das Trägermaterial ist ein Aluminiumblech, das auf beiden Oberflächen mit Tonerde beschichtet ist, die eine poröse Oberfläche ausbildet. Solch ein Filter verursacht keinen Strömungswiderstand für die zu filternde Luft, aber eine wesentliche größere Kontaktfläche wird bei einem gleichen Volumen erreicht, als bei der Verwendung von körnigen Materialien. Ein Filter mit dem gleichen Basisaufbau ist ebenfalls z. B. aus dem US-Patent 4,391,616 bekannt.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neue Art des Filteraufbaues bereitzustellen, die einen geringen Strömungswiderstand und eine gute Filtrationswirksamkeit aufgrund des großen Oberflächenbereiches miteinander verbindet. Zur Erreichung dieses Zieles ist der erfindungsgemäße Filter vorzugsweise durch das gekennzeichnet, was in dem kennzeichnenden Teil des angeführten Anspruches 1 beschrieben ist.
In dem Filter bildet das Adsorbens-Filtermaterial ebenfalls die Wandungen, die die langgestreckten Strömungskanäle voneinander trennen. In diesen Strömungskanälen findet die Strömung zwischen ihren Startpunkten und Endpunkten in Richtung des Filtermaterials statt, das heißt, das Filtermaterial adsorbiert die spezifizierten Verunreinigungen aus dem vorbeiströmenden Gasstrom. In der Filtermaterialschicht, die sich vorwiegend in der Richtung einer Ebene erstreckt, sind zumindest zwei übereinandergelegte Schichten vorhanden: eine poröse Stützschicht und eine poröse Adsorbens-Materialschicht. Weiterhin sind die Filtermaterialschichten durch erhöhte Bereiche voneinander getrennt, die von der Hauptrichtung der Filtermaterialschicht abweichen, wie z. B. langgestreckte Abstandshalter, die sich von der Oberfläche der Materialschichten erheben, die sonst eine gleichmäßige Dicke aufweist oder Wellenspitzen in einer geriffelten Materialschicht mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dicke, die ebenfalls poröses Adsorbens-Material in ihrem inneren Volumen beinhaltet. Die Filtermaterialschichten können eine Mehrfachschichtstruktur dergestalt aufweisen, dass auf einer Seite der Stützschicht eine Adsorbens-Materialschicht vorhanden ist, die die poröse äußere Oberfläche der Filtermaterialschicht ausbildet, oder die Filtermaterialschicht hat vorzugsweise einen Aufbau, bei dem die Schicht des Adsorbens-Materials zwischen zwei porösen Stützschichten angeordnet ist, wobei die Stützschichten auf beiden Seiten der äußeren Oberfläche der Filtermaterialschicht ausgebildet sind.
Die langgestreckten Strömungskanäle sind daher in den Richtungen senkrecht zu der Strömungsrichtung durch Wände begrenzt, die ein Adsorbens enthalten: in den Richtungen senkrecht zu den Filtermaterialschichten auf gegenüberliegenden Seiten durch die Bereiche zwischen den Abstandshaltern der Filtermaterialschicht oder der Wellentäler einer geriffelten Materialschicht und einer geraden Materialschicht und in der Richtung der Filtermaterialschichten auf gegenüberliegenden Seiten durch die Abstandshalter oder entsprechend die Wellenspitzen einer geriffelten Materialschicht.
Im Hinblick auf weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen wird auf die angefügten Unteransprüche und die nachfolgende Beschreibung verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die angeführten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 ein Filtermaterial in einer Querschnittsansicht zeigt, das in einem erfindungsgemäßen Filter eingesetzt werden soll;
Fig. 2 einen Aufbau für den erfindungsgemäßen Filter in einer perspektivischen Ansicht zeigt;
Fig. 3 einen zweiten Aufbau des erfindungsgemäßen Filters in einer Querschnittsansicht senkrecht zu den Strömungskanälen zeigt;
Fig. 4 einen dritten Aufbau des erfindungsgemäßen Filters in einer Querschnittsansicht senkrecht zu den Strömungskanälen zeigt;
Fig. 5 eine vorteilhafte Alternative für das Filtermaterial in einer Querschnittsansicht zeigt;
Fig. 6 ein Filtermaterial darstellt, das in dem Filter eingesetzt werden soll;
Fig. 7 die Bildung eines Filters aus dem Material gemäß der Fig. 6 darstellt;
Fig. 8 einen Filter in einer perspektivischen Ansicht zeigt, der aus dem Material gemäß Fig. 6 hergestellt wurde;
Fig. 9 das Funktionsprinzip eines erfindungsgemäßen Filters in einem Längsschnitt in Richtung der Kanäle darstellt; und
Fig. 10-12 die Ergebnisse von Versuchen zeigt, die mit den Filtern durchgeführt wurden.
Die Filtermaterialschicht, die in der folgenden Beschreibung dargestellt werden soll, umfasst eine poröse Adsorbens-Materialschicht, die durch eine Stützschicht in Position gehalten wird. Die Stützschicht bildet eine Stützstruktur für den Filter aus und kann dazu verwendet werden, den Filter als eine stabile Konstruktion mit einer gewünschten Form herzustellen, und das poröse Adsorbens-Material, das relativ geringe Festigkeitseigenschaften aufweist, kann somit in der gewünschten Gestalt geformt werden.
Fig. 1 zeigt eine Materialschicht, die als strukturelles Element in einem erfindungsgemäßen Filter eingesetzt werden soll. Die Materialschicht besteht aus einem Filtermaterial, das eine Schicht 1 mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dicke ausbildet. Die Schicht ist aus drei Unterschichten zusammengesetzt, das heißt, zwei Stützschichten 1a aus einem gewebeartigen, nicht gewobenen Stoff, die die äußeren Oberflächen der Schicht bilden, und aus einer Schicht körnigen Adsorbens, das dazwischen angeordnet ist und eine poröse Adsorbens- Materialschicht 1b bildet.
Weiterhin zeigt die Fig. 1 langgestreckte Streifen, die voneinander getrennt sind und sich im wesentlichen in einer zueinander parallelen Zuordnung erstrecken, die auf der Oberseite der Schicht angeordnet sind. Diese Streifen können die gleiche Struktur wie das Material aufweisen, das die Schicht 1 bildet, wobei sie als schmalere Streifen aus einem breiteren, ebenen Material, das für die Schicht 1 verwendet wird, herausgeschnitten werden und auf der Oberseite der Schicht 1 angeordnet sein können. Die Streifen bilden daher langgestreckte Erhöhungen auf der Materialschicht 1 und wirken als Abstandshalter 2, um übereinander angeordnete Schichten 1 voneinander zu trennen.
Die Fig. 2 zeigt einen möglichen Filter oder eine zellulare Filterstruktur, die unter Verwendung des Filtermaterials hergestellt werden kann. Die Schichten 1 des Materials gemäß Fig. 1, mit auf deren Oberseite angeordneten, getrennten Streifen, sind übereinander geschichtet und bilden dadurch langgestreckte, parallele Strömungskanäle 3, die sich entlang der Ebenen der Schichten erstrecken. Einzelne Kanäle 3 werden auf der einen Seite durch Abstandshalter 2 begrenzt, die die Schichten 1 voneinander trennen und aus eben jenen schmaleren Streifen des oben beschriebenen Filtermaterials bestehen, und auf der anderen Seite durch die Schichten 1 des Filtermaterials. Somit bestehen alle Wandungen des Strömungskanals 3 aus dem Filtermaterial, das heißt, sie enthalten poröses Absorbens-Material. In der dadurch erhaltenen zellularen Struktur wird Luft durch die Kanäle 3 hindurchgeführt und die gasförmigen Substanzen, die herausgefiltert werden sollen, werden an den Wandungen der Kanäle 3 gebunden. Alle Wandungsoberflächen der Kanäle sind porös, weil sie aus den gleichen Schichten des Filtermaterials aus der porösen Stützschicht 1a bestehen, die für Gase sehr durchlässig ist, und aus den Abstandshaltern 2, die unmittelbar aus dem porösen Absorbens-Material bestehen.
Für den Fall, dass die äußere Oberfläche der Filtermaterialschicht aus porösem Adsorbens-Material auf der einen Seite und aus der porösen Stützschicht 1a auf der gegenüberliegenden Seite besteht, sind die Wandungen der Kanäle 3 durch die poröse Stützschicht auf der einen Seite der ersten Filtermaterialschicht und durch das poröse Adsorbens-Material auf der Seite der zweiten Filtermaterialschicht begrenzt. Es ist also möglich, die Schichten so übereinander zu stapeln, dass ähnliche Seiten aneinander liegen.
Fig. 2 zeigt eine zellulare Struktur in der Form eines rechtwinkligen Prismas, das einfach herzustellen ist, z. B. durch Zuschneiden in diejenige Form, die durch eine vorgegebene Verwendung festgelegt ist.
Eine ähnliche Stapelstruktur kann ebenfalls durch Falten eines durchgängigen, ebenen Materials dergestalt erzeugt werden, dass aufeinanderfolgende Bereiche des gleichen Materials parallele, übereinander geschichtete Schichten 1 in der zellularen Struktur bilden. Dieses Prinzip ist in der Fig. 3 gezeigt, bei dem die Erhebungen auf der Materialschicht 1 ineinandergreifen, wenn die Oberflächen, die die Erhebungen aufweisen, gegeneinander in der Faltung gewendet werden, wobei diese Erhebungen natürlich in ausreichenden Abständen auf der Oberfläche der Materialschicht verteilt sind. Die glatten Oberflächen auf der anderen Seite liegen aneinander in der gleichen Art und Weise.
Fig. 4 zeigt eine andere Alternative, bei der das Basisprinzip der Struktur das gleiche wie das in der Fig. 2 ist. Hier wird die zellulare Filterstruktur durch Aufwickeln des gleichen, ebenen Filtermaterials zu einer Rolle gebildet, wobei übereinander geschichtete Filtermaterialschichten 1 aus aufeinanderfolgenden Bereichen des gleichen Materials, das miteinander in einer ununterbrochenen Art und Weise verbunden ist, bestehen. Ebenfalls kann diese Art des Materials grundsätzlich ähnlich zu demjenigen sein, das in der Fig. 1 gezeigt ist, wobei die Streifen auf der Oberseite die oben beschriebenen Abstandshalter 2 beim Aufwickeln bilden. Daher, im Querschnitt senkrecht zu den Durchgangskanälen 3 gesehen, hat die erhaltene zellulare Filterstruktur eine Spiralform. Ebenfalls kann diese Art einer Filterzelle an ihren Enden ausgeformt sein, beispielsweise durch Zuschneiden auf die gewünschte Form.
Bevor die zellulare Struktur gebildet wird, können die Abstandshalter 2 auf der Oberfläche der Schicht 1 in einer geeigneten Art und Weise angebracht werden, beispielsweise durch Verwendung von Fasern der Stützschicht 1a, die in den Schichten 1 und/oder in den Abstandshaltern 2 vorhanden sind; diese Fasern können z. B. thermisch bindbare Fasern sein, wobei die Schicht und die Abstandshalter durch Hitze aneinander angebracht werden können. Ebenfalls kann ein Klebeverfahren eingesetzt werden. Die endgültige zellulare Struktur, das heißt ein Stapel oder eine Rolle, kann mechanisch zusammengehalten werden, z. B. durch Anordnen in einem geeigneten Gehäuse.
Die Fig. 5 zeigt eine vorteilhafte Alternative für die Struktur der Materialschicht 1. Während in Fig. 1 die Erhebungen, die als Abstandshalter 2 wirken, als getrennte Stücke auf der Oberseite der Materialschicht angeordnet sind, sind die Erhebungen hier aus der gleichen Materialschicht gebildet, wobei deren äußere Schicht gleichzeitig die ununterbrochene äußere Schicht der Materialschicht ist, in diesem Fall die poröse Stützschicht 1a. Inder Praxis kann die Struktur der Figur durch Einführen einer Schicht 1b aus Adsorbens-Partikeln zwischen zwei Stützschichten 1a unter Verwendung eines geeigneten Vielschichten-Netzbildungsverfahrens hergestellt werden, wonach die erhaltene Vielschichtstruktur zwischen zwei Pressoberflächen hindurchgeführt wird, z. B. Rollen, wobei eine der Rollen eine Oberfläche mit Erhebungen aufweist, die das gewünschte Muster auf der einen Oberfläche der Materialschicht 1 erzeugt. Im Hinblick auf diesen mechanischen Arbeitsgang kann die Oberflächenschicht, das heißt die Stützschicht, auf dessen Seite die Erhebungen erzeugt wurden, breiter als die Oberflächenschicht auf der gegenüberliegenden Seite sein, da die Bearbeitung sie in der Breitrichtung schmaler macht. Obwohl Fig. 5 Erhebungen mit annähernd geraden Flanken und einem rechtwinkligen oder trapezförmigen Querschnitt darstellt, ist es möglich, bei einer geeigneten Auswahl der behandelnden Pressoberfläche, eine abweichende Form zu erzeugen, z. B. eine gewellte Oberfläche. Wie dem auch sei, der Unterschied zu den bekannten Filtermaterialien, die aus gewellten Trägermaterialien hergestellt wurden, besteht darin, dass die Dicke der Materialschicht 1 sich aufgrund der Erhebungen verändert und dass in der Dickenrichtung mehr poröses Adsorbens-Material vorhanden ist als zwischen den Erhebungen.
Fig. 6 zeigt ein weiteres mögliches Trägermaterial für einen erfindungsgemäßen Filter in gerader und in gewellter Form. Das Trägermaterial, mit dem die Strömungskanäle hergestellt werden, hat eine Struktur, die durch Wellung einer Materialschicht 1 mit einer gleichmäßigen Dicke erhalten wird. Die geschichtete Struktur der Materialschicht 1 besteht aus drei Schichten, das heißt zwei Stützschichten 1a aus einem gewebeartigen, nicht gewobenen Stoff, die die äußeren Oberflächen der Schicht bilden und einer Schicht aus körnigem Adsorbens, das dazwischen angeordnet ist und eine poröse Adsorbens- Materialschicht 1b bildet. Die Stützschichten 1a auf gegenüberliegenden Seiten der Schicht 1b wurden in einer korrespondierenden Art und Weise gewellt und ihre Wellen sind zueinander ausgerichtet.
Der erfindungsgemäße Filter wurde aus einem gewellten Trägermaterial W und einem geraden Trägermaterial S hergestellt. Die so behandelten Materialien S, W sind auf den Oberseiten aufeinander angeordnet und erzeugen dadurch eine Schicht 4, die zueinander benachbarte Strömungskanäle 3 enthält. Die Materialien S, W können aneinander angebracht sein, z. B. über ein Bindemittel. Zum Herstellen des endgültigen Filters werden Schichten 4 dicht übereinander geschichtet, so dass auf beiden Seiten des gewellten Materials W sich immer eine gerade Materialschicht S befindet, wodurch individuelle Strömungszellen 3 auf beiden Seiten der gewellten Materialschicht W zwischen dieser und der geraden Materialschicht S gebildet werden.
Fig. 7 beschreibt ebenfalls einen Weg, wie ein Filter gemäß der Fig. 8 gebildet werden kann, wobei die Schicht 4 zu einem engen, zylindrischen Stück aufgewickelt ist, das leicht angeordnet werden kann, z. B. innerhalb eines Lüftungsrohres mit einem kreisförmigen Querschnitt. Wenn die Stützschicht 1a thermisch verbindbare Fasern enthält, können die Trägermaterialien W, S in der Schicht 4 durch Einsatz der Hitzeversiegelbarkeit der Stützschichten verbunden werden.
Es ist offensichtlich, dass Strukturen anderer Art ebenfalls verwendet werden können, um den Filter zu bilden. Verschiedene Stücke verschiedener Schichten 4 können aufeinander zu einem festen Stapel angeordnet werden oder ein Stapel kann durch Falten einer breiten Schicht 4 hergestellt werden, wobei die jeweils nachfolgenden Bereiche mit der Oberseite aufeinander liegen. Ein Stapel, der auf diese Art und Weise zusammengestellt ist, kann einfach weiter geformt werden, z. B. bezüglich seines Querschnittes, um die Anforderungen der in Frage kommenden Verwendungen zu erfüllen.
Durch die Verwendung der Materialien W, S, die eine poröse Oberfläche aufweisen und ein poröses Adsorbens enthalten und durch Formen einer solchen zellularen Adsorbensstruktur wird ein beachtlicher Zuwachs bezüglich des absorbierenden Oberflächenbereiches auch in den Ausführungsformen der Fig. 6-8 erhalten, ohne dass irgend ein signifikanter Anstieg des Strömungswiderstandes verursacht wird, weil die zu reinigende Luft entlang der Kanäle strömt und die gasförmigen Substanzen, die herauszufiltern sind, zu dem adsorbierenden Material durch die Stützschichten 1a hindurchtreten kann, die die Wandungen der Kanäle 3 bilden. Weiterhin besteht die verwirklichbare Alternative, dass die poröse Adsorbens-Materialschicht 1b unmittelbar die zweite äußere Oberfläche der Trägermaterialien W, S ausbildet, wobei die porösen Wandungen der Kanäle 3 zumindest teilweise aus der porösen Adsorbens- Materialschicht 1b zusammengesetzt sind.
Der Filter gemäß der Ausführungsform der Fig. 6-8 kann durch Verfahren hergestellt werden, bei denen eine Schicht 1a von adsorbierenden Partikeln zwischen zwei Stützschichten 1a durch ein geeignetes Vielschicht- Netzbildungsverfahren eingeführt wird, wonach das gewellte Material W auf einer Wellpapier-Herstellungsmaschine nach einem Verfahren hergestellt werden kann, das aus der Papierindustrie bekannt ist. In den Strukturen der Fig. 1 und 5 bilden die Abstandshalter 2 erhöhte Bereiche, die von der Hauptrichtung der Materialschicht 1 abweichen und poröses Adsorbens-Material in ihrem Inneren enthalten. Zum Beispiel besteht der Querschnitt des erhöhten Bereiches (Abstandshalter 2) oberhalb der oberen Oberfläche des Bereiches konstanter Dicke, der sich parallel zu der Hauptrichtung der Materialschicht erstreckt, in den Bereich innerhalb des möglichen porösen Oberflächenschichtmaterials, überwiegend (mehr als 50 Volumenprozent vorzugsweise mehr als 75 Volumenprozent der festen Masse) aus porösem Adsorbens-Material.
Ähnlich, in dem gewellten Material W der Fig. 6, bilden die Spitzen der Wellen erhöhte Bereiche, die sich von der Hauptrichtung der Materialschicht 1 abheben und poröses Adsorbens-Material in ihrem Inneren enthalten. Zum Beispiel ist der Querschnitt des Bereiches zwischen der Ebene parallel zu der Hauptrichtung der Materialschicht und tangential zu dem Wellenboden gegenüber der Wellenspitze (unterbrochene Linie C, Fig. 6) und der äußeren Oberfläche der Wellenspitze, in dem Bereich innerhalb des porösen Oberflächenschichtmaterials, vorwiegend (mehr als 50 Volumenprozent, bevorzugt mehr als 75 Volumenprozent von fester Masse) aus dem porösen Adsorbens-Material zusammengesetzt.
Fig. 9 stellt das Funktionsprinzip des Filters in einer schematischen Seitenansicht dar. Die Strömungskanäle 3 erstrecken sich im wesentlichen parallel zueinander durch die gesamte zellulare Filterstruktur, so dass ihre Anfangsenden in Richtung auf einen Gaseinlaß A offen sind und ihre hinteren Enden zu einem Gasauslaß B offen sind. Die Schichten 1 des Filtermaterials und die Streifen auf dessen Oberseite oder die gewellten Formen in ihr bilden die Wandungen, die die Strömungskanäle in Richtungen senkrecht zu ihrer Hauptströmungsrichtung umgeben und Verunreinigungen in einer Richtung quer zu der Hauptstromrichtung aus dem zu filternden Gas aufnehmen, das in den Kanälen entlangströmt. Das Gehäuse, in dem die zellulare Filterstruktur angeordnet ist, ist mit dem Bezugszeichen 5 versehen.
Es bestehen verschiedene Alternativen zu den Schichten des Filtermaterials. Eine große Adsorbtionsoberfläche wird in den Wandungen durch das Anordnen getrennter Adsorbenspartikel zwischen zwei porösen Stützschichten 1a erzielt. Diese Stützschichten bestehen vorteilhafterweise aus miteinander verbundenen Fasern, zwischen denen das Gas in das Adsorbens hindurchtreten kann. Solche faserige Schicht kann aus einem offenen, nicht gewebten Stoff oder Gaze bestehen. Die Rohmaterialien für die fasrige Schicht können z. B. synthetische Fasern sein, wie z. B. thermisch verbindbare Fasern, die ein thermoplastisches Material enthalten. Die faserartige Schicht kann ebenfalls aus porösem Papier bestehen. Allgemein gesprochen sollte die Stützschicht 1a dergestalt ausgebildet sein, dass an denjenigen Punkten, an denen sie die Wandung für Strömungskanäle 3 bildet, Gas durch die Stützschicht 1a hindurch treten kann, um in Kontakt mit dem porösen Adsorbens-Material auf der anderen Seite zu gelangen.
Auf der anderen Seite existieren verschiedene Alternativen für das poröse Adsorbens-Material. Die poröse Adsorbens-Materialschicht 1b kann aus separaten Adsorbenspartikeln hergestellt werden, die im Prinzip aus irgendeinem bekannten körnigen oder faserartigem Material bestehen, wie z. B. Aktivkohle. Eine breitere poröse Struktur, die aus Fasern gebildet ist, ist ebenfalls machbar, wie z. B. gewebtes, nicht gewebtes oder gestricktes Gewebe; es können ein oder mehrere solcher Gewebe aufeinander in der Adsorbens-Materialschicht gelegt sein. Auch diese Strukturen können aus Aktivkohle bestehen. Das Adsorbens kann selbstverständlich gemäß dem Gas, das entfernt werden soll, ausgesucht werden, und die Adsorption kann deshalb eine physikalische Sorption oder Chemosorption sein, wobei das Adsorbens-Material mit einer entsprechenden Chemikalie imprägniert worden ist. Selbstverständlich sollte das Adsorbens, sei es in getrennten Partikeln oder in einer breiten porösen Struktur vorhanden, nicht zu eng in der Schicht 1b angeordnet sein, so dass das Gas zwischen den Partikeln hindurchgehen kann, dieses ist insbesondere bei der Verwendung von faserartigen Partikeln wichtig.
Wenn getrennte Adsorbenspartikel verwendet werden, werden diese innerhalb der Wandung gehalten, da sie zwischen den Stützschichten 1a angeordnet sind und die Stützschichten diese an Ort und Stelle halten, wobei sie relativ locker im Verhältnis zueinander angeordnet sind, was die Filtrationsoberfläche erhöht. Dies ist eine gute Art und Weise, um insbesondere ein körniges Adsorbens als Filtrationsmaterial zu binden. Wie dem auch sei, ist es möglich, die Adsorbenspartikel auf einer Seite der porösen Stützschicht 1a anzuordnen, um eine der äußeren Oberflächen der Filtermaterialschicht 1 zu bilden, wobei diese gebunden sein können, z. B. insbesondere über Bindemittelfasern an dieser Schicht, die als Stützstruktur wirken. In den Strukturen der Fig. 1 und 5 ist es möglich, eine poröse Adsorbens- Materialschicht 1b auf beiden Seiten der Stützschicht 1a anzuordnen, wobei die Stützschicht 1a ebenfalls geschlossen sein kann, ohne eine Möglichkeit für ein Gas, durch diese hindurch zu strömen. Getrennte Adsorbenspartikel in Gestalt von Schichtfasern oder größere poröse Strukturen, die aus Fasern gebildet sind, können insbesondere auf diese Art und Weise auf der Oberfläche der Stützschicht 1a angeordnet werden.
Ebenfalls in der strukturellen Alternative, in welcher sich die poröse Adsorbens-Materialschicht 1b ganz außen in einer Vielschichtstruktur befindet, können die Abstandshalter gemäß dem oben beschriebenen Prinzip entweder aus separaten Streifen mit enthaltenem Adsorbens-Material oder aus dickeren, langgestreckten Bereichen der gleichen Schicht 1b gebildet sein.
Die Erfindung ist nicht allein auf die oben beschriebenen Alternativen beschränkt, sondern sie kann innerhalb des Bereiches des Erfindungsgedankens, der in den Ansprüchen dargelegt ist, verändert werden. Obwohl oben dargelegt wurde, dass die separaten Streifen, die die Abstandshalter bilden, um die Schichten in dem fertiggestellten Filter voneinander getrennt zu halten, aus dem gleichen Filtermaterial herausgeschnitten werden können, das verwendet wird, um die Schichten zu bilden, können diese ebenfalls als getrennte Stücke hergestellt werden, die Adsorbenspartikel enthalten. Daher können diese z. B. langgestreckte Stücke sein, in denen das Adsorbens in einer porösen Stützschicht eingeschlossen ist, z. B. ein Fasergewebe, die das Adsorbens auf allen Seiten in Richtung senkrecht zu der Längserstreckung des Stückes umgibt. Ebenfalls können diese Abstandshalter ein poröses Adsorbens-Material in einer von der Adsorbens-Materialschicht 1b verschiedenen Struktur enthalten.
Die Korngröße des eingesetzten körnigen Adsorbens kann von grob bis fein variieren. Gleichermaßen können die Fasergrößen des faserartigen Adsorbens variieren. Die Dicken der Schichten 1 des Filtermaterials, das heißt die Dicke der Wandungen in den Strömungskanälen 3, kann variieren und zwar überwiegend in einem Bereich von 1-10 mm. Mit kleinen Fasern und kleinen Adsorbenspartikelgrößen ist es möglich, Materialien mit einer Dicke von 1 mm zu produzieren, andererseits kann die Schichtdicke bei entsprechender Materialauswahl 1 cm betragen.
Die Materialschicht kann auch andere Teile als die Materialien der Stützschicht 1a und das poröse Adsorbens-Material enthalten; z. B. insbesondere Adsorbenspartikel können mit Bindemitteln, insbesondere Bindemittelfasern, gemischt werden, die eingesetzt werden, um die Schichten der Adsorbenspartikel zu verfestigen und diese mit anderen Schichten zu verbinden. Der Mengenanteil der Bindemittel muss klein sein, so dass diese keine umfangreiche Verringerung bei der Adsorbtionsoberfläche bewirken.
Es ist ebenfalls möglich, dass mehr als drei Schichten in der Filtermaterialschicht 1 vorhanden sind, z. B. dergestalt, dass die Stützschichten 1a und die Adsorbensschichten 1b sich in derselben Schicht 1 abwechseln.
Die Erfindung wird anhand des folgenden Beispiels dargestellt, das nicht einschränkend ist.

Durchdringung und Kapazitätsmessungen der Gasfilterzelle

1. Aufbau der zellularen Gasfilterstruktur

Die getestete zellulare Gasfilterstruktur wurde aus einem Dreischichtmaterial mit Aktivkohlekörnern (Durchmesser ca. 1 mm) zwischen zwei synthetischen Faserschichten hergestellt. Das Material war nicht für den Gebrauch in einer Zellstruktur optimiert. Die Daten des Materials, von dem Hersteller zur Verfügung gestellt, sind die folgenden:
Gesamtes Quadratmetergewicht (g/m²) 480
Quadratmetergewicht der Aktivkohle (g/m²) 350
Dicke (mm) 1,35
Von dem vorhandenen Material, mit einer Dicke von 1135 mm, wurden Streifen (Abstandshalter) mit einer Breite von 3 mm-4 mm ausgeschnitten und auf eine ebene Oberfläche des gleichen Materials aufgeklebt, so dass Ausnehmungen mit einer Breite von 3 mm-4 mm zwischen ihnen vorhanden blieben (Fig. 1). Das in der oben beschriebenen Art und Weise hergestellte Material wurde zu einer spiralförmigen zellularen Struktur mit einem Durchmesser von 35 mm und einer Länge von 32 mm (Fig. 4) aufgewickelt, in denen 52 Strömungskanäle ausgebildet wurden.

2. Messmethoden

2.1 Ozonbelastung

Die zellulare Struktur wurde in einen Stahlzylinder mit einem inneren Durchmesser von 35 mm eingesetzt. Der Stahlzylinder wurde zwischen zwei konische Halter aus Aluminium gesetzt, die Abzweigungen für eine Probenentnahme aufwiesen. Der Filter wurde über einen Massenstromdurchflußregler mit trockener Druckluft versorgt, der Ozon über ein Ozongenerator der Thermo Environmental Instruments Inc. 165 zugesetzt wurde. Der gesamte Luftstrom betrug 24 l/min und der Druckverlust in der Zelle 25 Pa. Der Ozongehalt wurde vor und nach der zellularen Filterstruktur mit einem Ozonanalysierer von Environnement Sa O&sub3;41 M, basierend auf der Adsorbtion von UV-Licht, gemessen. Die Veränderung des Ozongehalts wurde über einen Datenspeicher aufgezeichnet. Der Ozongehalt der der Zelle zugeführten Luft betrug 0,112-0,120 ppm bei einer Temperatur von 20ºC-22ºC. Die Retentionszeit, errechnet von der Vorderseite des Filters, betrug 0,077 Sekunden.

2.2 Cyklohexan und Ozonbelastung

Eine andere zellulare Struktur, hergestellt in der in Abschnitt 1 beschriebenen Art und Weise, wurde mit einem Gemisch aus Cyklohexan und Ozon beaufschlagt. Das Cyklohexan wurde durch Aufwallen von Cyklohexan in zwei aufeinanderfolgenden Gaswaschflaschen hergestellt, wonach es mit Luft gemischt wurde, die durch einen Gasfilter gereinigt wurde (relative Feuchtigkeit 40%-60% und Temperatur 20ºC-24ºC). Das Ozon wurde mit einem RedO&sub3;xPlus-Ozongenerator hergestellt. Die Luft wurde mit 25 l/min durch die zellulare Struktur über eine Sammelpumpe hindurch gezogen. Der gesamte Luftstrom, der durch die zellulare Struktur hindurchging, wurde durch die Messkammer eines Miran 1A Infrarot-Gasanalysators hindurchgeführt. Der Miran wurde eingesetzt, um den Cyklohexangehalt zu messen. Der Ozongehalt wurde mit einem Environnement SA O&sub3;41 M-Ozonanalysator gemessen. Der Cyklohexangehalt der Luft, mit der die zellulare Struktur versorgt wurde, betrug 7,5 ppm und der Ozongehalt betrug 0,5 ppm. Die Retentionszeit, berechnet von der Vorderseite des Filters, betrug 0,074 Sekunden.

2.3 Toluen-Belastung

Zwei zellulare Filterstrukturen, belastet mit Ozon und Cyklohexan, wurden hintereinander in dem gleichen Stahlzylinder angeordnet, so dass ein Abstand von ca. 5 mm zwischen ihnen verblieb. Heiße Luft (Temperatur größer als 80ºC) wurde durch die zellulare Struktur geleitet, um die zellulare Struktur zu regenerieren. Nach der Regeneration wurden die Zellen mit Toluen belastet.
Toluen wurde durch Aufwallen von Toluen in einem Kessel in einem Wasserbad hergestellt. Das hergestellte Toluen wurde zu einem Luftstrom geleitet, von dem 18,5 l/min über eine Sammelpumpe durch die zellulare Struktur hindurchgeführt wurde. Der gesamte Luftstrom, der durch die zellulare Struktur hindurchgegangen ist, wurde durch die Messkammer des Miran 1 A hindurchgeführt. Der Miran wurde eingesetzt, um den Toluengehalt zu messen. Der Toluengehalt vor der Zelle betrug 20 ppm-22 ppm. Die Retentionszeit, berechnet von der Endfläche des Filters, betrug 0,20 Sekunden.
Eine Toluen-Belastung wurde ebenfalls an herkömmlichen zylindrischen Aktivkohlekörnern (Durchmesser 4 mm und durchschnittliche Länge ca. 5 mm) vorgenommen. Die Körner wurden in einem Gehäuse mit stirnseitigen Abmessungen von 430 · 170 mm und einer Tiefe von 80 mm angeordnet. Die Stirnseiten wurden mit durchlöcherten Platten versehen. Der Luftstrom durch den Filter betrug 35 l/s und der Druckverlust betrug 160 Pa. Der Toluengehalt vor der Zelle betrug 20 ppm-22 ppm. Die Retentionszeit, errechnet von der Stirnseite des Filters, betrug 0,17 s.

3. Ergebnisse

Die Ergebnisse der Messungen bezüglich der Durchlässigkeit und der Belastung der zellularen Strukturen sind in den Fig. 10-12 dargestellt, wobei die Fig. 10 die Veränderung in dem Strom durch die zellulare Struktur unter Ozonbelastung zeigt, die Fig. 1 l die Veränderung in dem Strom durch die zellulare Struktur unter Cyklohexan und Ozonbelastung zeigt und Fig. 12 die Veränderung indem Strom durch die zellulare Struktur und einen bekannten Filter unter Ozonbelastung zeigt. Die Figuren stellen die Veränderung in dem Strom durch die zellulare Struktur als eine Funktion der Zeit dar. Durchlässigkeit für Ozon unter Cyklohexan und Ozonlast wurde nur zum Beginn der Belastung gemessen.

4. Schlußfolgerungen

Die Ergebnisse der Messungen an der zellularen Filterstruktur sind, in Anbetracht der Tatsache, dass das Material nicht im Hinblick auf die in Frage stehende Verwendung optimiert war, vielversprechend. Die Durchlässigkeit der zellularen Filterstruktur kann beträchtlich durch das Ausdehnen der Retentionszeit in dem Filter reduziert werden. Die Retentionszeit kann durch die Auswahl der Strukturlänge, des Stirnflächenbereiches und des Luftstromes eingestellt werden. Ein Vergrößern der Länge der zellularen Struktur wird den Druckverlust vergrößern, jedoch ist dieses möglich, weil in den durchgeführten Tests der Druckverlust der zellularen Struktur gering war.

Claims

1. Gasfilter, insbesondere für eine Lüftungsanlage, versehen mit langgestreckten Strömungskanälen (3), die zumindest teilweise durch sich überlagernde Materialschichten (1) gebildet sind, zwischen denen die Strömungskanäle (3) derart gebildet sind, dass deren Anfangsenden in Richtung auf ein Gaseinlaß (A) offen sind und deren Endenden in Richtung auf einen Gasauslaß (B) offen sind, wobei der Gasstrom zwischen den Anfangsenden und den Endenden in den Kanälen (3) parallel zu den Ebenen der Materialebenen (1) angeordnet ist und die Schichten ein Adsorbens enthalten, in dem Verunreinigungen aus dem Strom in den Kanälen (3) adsorbiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschichten auf den Oberseiten aufeinander zumindest eine Stützschicht (1a) und eine poröse Adsorbens-Materialschicht (1b), die an dem Platz durch die Stützschicht (1a) gehalten wird, aufweisen, und dass die Kanäle (3) zwischen Abstandshaltern (2) oder zwischen Wellen, die durch das Riffeln der Materialschichten (1) von im wesentlichen gleicher Dicke erhalten werden, ausgebildet sind, wobei die Abstandshalter (2) oder Wellen erhöhte Bereiche ausbilden, die von der Hauptrichtung der Materialschicht (1) abweichen und die Materialschichten (1) getrennt an den Kanälen (3) halten und an ihren Innenseiten poröses Adsorbensmaterial enthalten, und dass die Kanäle (3) allseitig von porösen Wandungen umschlossen sind, durch die eine Strömungsverbindung zu dem Adsorbens-Material vorhanden ist, das die Kanäle an allen Seiten umgibt.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützschicht (1a) porös ist.

3. Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die adsorbierende Materialschicht (1b) zwischen zwei porösen Stützschichten (1a) angeordnet ist.

4. Filter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Stützschicht (1a) eine Schicht ist, die aus Fasern, zum Beispiel einem Fasergewebe, oder einem für Gase durchlässigen Papier gebildet ist.

5. Filter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (2), die die Materialschichten (1) voneinander trennen, aus dickeren, langgestreckten Bereichen der adsorbierenden Materialschicht (1b) bestehen.

6. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (2), die die Materialschichten voneinander trennen, zwischen den Schichten (1) als Streifen, getrennt von den Materialschichten (1), angeordnet sind.

7. Filter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandshalter (2) aus Streifen gebildet sind, getrennt von dem gleichen, planaren Material, aus dem die Materialschichten (1) bestehen.

8. Filter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine geriffelte Materialschicht (W) zumindest eine geriffelte, poröse Stützschicht (1a) und poröses, adsorbierendes Material auf ihrer Oberseite aufweist, wobei die Strömungskanäle (3) auf beiden Seiten des geriffelten Materiales (W) ausgebildet sind.

9. . Filter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse, adsorbierende Materialschicht (1b) aus voneinander getrennten, adsorbierenden Partikeln, wie körnige oder faserige Elemente, besteht.

10. Filter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse, adsorbierende Material Aktivkohle ist.

11. Filter nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter aus übereinander geschichteten, parallelen Materialschichten besteht, die eine stapelförmige Struktur bilden.

12. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter durch Drehen einer oder mehrere Materialschichten (1; W, S) in einer Form ausgebildet ist, die in einem Querschnitt rechtwinklig zu den Strömungskanälen spiralförmig ist.