ES2220494T3 - Cartucho de filtro y combinacion de rotor de soplante y cartucho de filtro. - Google Patents
Cartucho de filtro y combinacion de rotor de soplante y cartucho de filtro.Info
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Abstract
Un cartucho de filtro que comprende una estructura de malla que forma un cilindro generalmente anular que comprende una abertura central, formando además la estructura de malla una pluralidad de compartimientos, cuyos compartimientos contienen un medio de filtro, y espacios entre los compartimientos, comprendiendo los espacios entre los compartimientos pasos de circulación de aire sustancialmente sin obstáculos que permiten el paso de aire aún cuando el medio de filtro esté completamente cargado.
Description
Cartucho de filtro y combinación de rotor de
soplante y cartucho de filtro.
El presente invento se refiere a un sistema de
filtración que puede unirse de forma separable a un rotor de
soplante en un sistema de HVAC y, en particular, a un cartucho de
filtro que tiene una pluralidad de compartimientos que contienen un
medio de filtro y una pluralidad de pasos para el flujo de aire
sustancialmente sin impedimentos, que mantiene un caudal elevado aún
cuando el medio de filtro se encuentre en estado completamente
cargado.
En vista de la cada vez mayor preocupación acerca
de la calidad del aire ambiente, se han buscado soluciones
innovadoras para añadir capacidad de filtración a sistemas de
circulación de aire nuevos y existentes, tales como sistemas de
calefacción, ventilación y refrigeración (HVAC) para edificios y
vehículos. Por ejemplo, los sistemas HVAC de la mayoría de los
vehículos no incluyen filtros de aire. Generalmente, se dispone de
un espacio mínimo para añadir un filtro en el sistema de HVAC.
Además, puede ser necesario proporcionar un filtro para el aire que
entra y un segundo filtro para la recirculación de aire en el
compartimiento de pasajeros. Incluso en vehículos nuevos, el espacio
dentro del sistema de HVAC está muy solicitado y es difícil, para
algunos fabricantes, proporcionar un lugar para un filtro
apropiado.
Además de la dificultad que supone encontrar
espacio suficiente para un filtro, el modo de fallo de la mayoría de
los medios de filtro también es causa de preocupaciones. Con el
tiempo, los contaminantes ambientales se acumulan en los filtros,
dando como resultado, típicamente, una reducción del caudal a través
del sistema de circulación de aire. La no sustitución periódica del
medio de filtro puede tener como consecuencia una caída incrementada
de la presión neumática estática a través del filtro y una eficacia
reducida del sistema de circulación de aire. El caudal reducido a
través de un filtro cargado puede originar, asimismo, riesgos para
la seguridad al hacer, por ejemplo, que el flujo de aire para hacer
funcionar el sistema de descongelación de un sistema de HVAC, sea
insuficiente.
Un enfoque para incorporar un filtro de aire a un
sistema de HVAC de un vehículo, se expone en la patente
norteamericana núm. 5.683.478 (de Anonychuk). El filtro de aire
está dimensionado y configurado para ajustar en una cavidad situada
dentro de un conjunto de motor de una soplante. En la base del
filtro de aire está previsto un labio que se extiende hacia fuera,
para unión rígida a un reborde situado debajo del ventilador del
automóvil. El ventilador del conjunto de motor de la soplante gira
alrededor del filtro estacionario. Aunque la patente 5.683.478
reconoce la necesidad de proporcionar eficacia de filtración sin
impedir la circulación del aire, el flujo de aire se verá reducido
inevitablemente a medida que el filtro se cargue con contaminantes
ambientales. El modo de fallo del elemento de filtro puede
consistir en una reducción inaceptable del flujo de aire a través
del conjunto de motor de la soplante.
La patente norteamericana núm. 5.265.348 (de
Fleishman y otros) describe el uso de un material de espuma que
gira en un ventilador rotativo para reducir el ruido.
Diversos filtros para rotores de soplantes se
describen en las solicitudes de patente norteamericanas, cedidas en
común, núms. 09/126.189, titulada "Sistema de filtración para
aplicaciones de HVAC"; 09/126.190, titulada "Dispositivo de
filtro absorbente móvil"; y 09/126.181, titulada "Dispositivo
de filtro móvil que tiene elementos de filtro con pasos de flujo y
método de filtrar aire", todas ellas presentadas el 30 de Julio
de 1998.
El presente invento está dirigido a un sistema de
filtración que puede unirse a un rotor de soplante en un sistema de
HVAC. El presente sistema de filtración es particularmente útil para
proporcionar filtración del aire del habitáculo para vehículos que,
en la actualidad carecen de un filtro diseñado en el sistema de
HVAC. El movimiento del cartucho de filtro con el rotor de la
soplante aumenta la eficacia de la filtración durante el
funcionamiento de la soplante. El presente cartucho de filtro móvil
puede incorporarse a la mayoría de los rotores de soplante
existentes. El cartucho de filtro se une de forma separable al
perímetro exterior o al perímetro interior del rotor de la
soplante.
Una ventaja del presente sistema de filtración es
que puede incorporarse en la mayoría de los vehículos existentes.
Como la mayor parte de los automóviles tienen un rotor de soplante,
hay sitio para colocar el presente cartucho de filtro. Por otra
parte, no es factible dotar fácilmente a un vehículo de un filtro de
aire usual para el habitáculo ya que hay poco espacio adicional
disponible. La colocación del cartucho de filtro en el rotor de la
soplante proporciona filtración tanto del aire exterior que entra al
sistema de HVAC como del aire que se hace recircular dentro del
sistema. La mayoría de los filtros de aire para el habitáculo
solamente filtran el aire cuando éste entra en el vehículo.
El presente cartucho de filtro incluye
compartimientos que contienen un medio de filtro y pasos de flujo
con un tamaño, una densidad y una forma tales que se mantenga un
caudal elevado aún cuando el medio de filtro esté totalmente
cargado. La acción de centrifugación del cartucho de filtro hace
que el medio de filtro contenido en los compartimientos choque con
el aire cuando éste circula por los pasos de flujo. Cualquier
pérdida de eficacia de filtración debida a los pasos de flujo, es
compensada por la eficacia incrementada debida al movimiento del
cartucho de filtro con el rotor de la soplante.
El sistema de filtración gira conjuntamente con
un rotor de soplante. El rotor de soplante tiene una pluralidad de
paletas de ventilador dispuestas en relación de espaciadas
radialmente en torno a una cavidad de soplante. El rotor de soplante
define una trayectoria de flujo que se extiende radialmente hacia
fuera desde la cavidad de la soplante y a través de las paletas de
ventilador cuando el rotor de la soplante está girando. El presente
sistema de filtración puede reducir el flujo de aire a través del
rotor de la soplante reduciendo así el consumo de potencia del
motor. La relación entre potencia y flujo responde a una función
cúbica. Al reducir la carga (es decir, el consumo de potencia), se
alarga la vida del motor.
En una realización, el cartucho de filtro
comprende una estructura de malla que forma un cilindro
generalmente anular que comprende una abertura central, una
pluralidad de compartimientos que contienen un medio de filtro, y
espacios entre los compartimientos. Los espacios entre los
compartimientos comprenden pasos para circulación de aire
sustancialmente sin impedimentos, que permiten la circulación del
aire aún cuando el medio de filtro esté completamente cargado.
Los compartimientos pueden extenderse radialmente
dentro de la abertura central. En una realización, los
compartimientos comprenden ondulaciones o pliegues en una o más de
las capas de malla. Los compartimientos pueden estar configurados
para funcionar como paletas de ventilador. Los compartimientos son,
típicamente, cavidades discretas. La malla comprende, típicamente,
una tela metálica expandida. En una realización, un material de
malla se extiende a través de una abertura superior del cilindro
anular. El medio de filtro puede seleccionarse de entre un grupo
que consiste en medio cargado electreto, medio en partículas, medio
absorbente, carbón aglomerado o combinaciones de los mismos.
El cartucho de filtro comprende, al menos, una
tapa de extremo. Opcionalmente, un paso para circulación de aire
puede extenderse a través de dicha, al menos, una tapa de extremo.
La tapa de extremo puede incluir, también, cavidades de equilibrado
y/o lengüetas de contrapeso separables.
En otra realización, el cartucho de filtro
comprende una primera capa de malla que tiene una pluralidad de
partes realzadas y una segunda capa de malla en aplicación con la
primera capa de malla, de tal forma que las partes realzadas
comprendan compartimientos. Un medio de filtro es retenido en los
compartimientos. Los espacios entre compartimientos comprenden
pasos para el flujo de aire sustancialmente sin impedimentos, que
permiten la circulación de aire aún cuando el medio de filtro esté
completamente cargado. El medio de filtro es, preferiblemente,
carbón aglomerado u otro medio de filtro tal como carbón activado u
otros materiales absorbentes que eliminen los olores y los gases del
aire, tales como escapes de motores diesel, escapes de automóviles,
olores urbanos o de granjas, monóxido de carbono y ozono.
La Figura 1 es una vista en perspectiva de un
cartucho de filtro de acuerdo con el presente invento.
La Figura 1a es una vista en sección desde arriba
del cartucho de filtro de la Figura 1.
La Figura 1b es una vista en sección desde arriba
de un cartucho de filtro alternativo de acuerdo con el presente
invento.
La Figura 2a es una vista en sección del cartucho
de filtro de la Figura 1.
La Figura 2b es una vista en sección de un
cartucho de filtro alternativo de acuerdo con el presente
invento.
La Figura 2c es una vista en sección de otro
cartucho de filtro alternativo de acuerdo con el presente
invento.
La Figura 3 es una vista en perspectiva de un
cartucho de filtro acoplado con un rotor de soplante de acuerdo con
el presente invento.
La Figura 4 es una vista en sección de un
cartucho de filtro acoplado con un rotor de soplante de acuerdo con
el presente invento.
La Figura 5 es una vista en sección de un
cartucho de filtro alternativo acoplado con un rotor de soplante de
acuerdo con el presente invento.
La Figura 6 es una vista en sección de otro
cartucho de filtro acoplado con un rotor de soplante de acuerdo con
el presente invento.
La Figura 6a es una vista en sección de un
cartucho de filtro acoplado con el perímetro exterior de un rotor
de soplante de acuerdo con el presente invento.
La Figura 7 es una vista desde arriba de un
cartucho de filtro acoplado con un rotor de soplante de acuerdo con
el presente invento.
La Figura 8 es una representación gráfica de
datos relacionados con la eficacia de la eliminación de gases de
los presentes cartuchos de filtro y de un cartucho de filtro
usual.
La Figura 9 es una representación gráfica de
datos relacionados con el efecto de la inclinación de una paleta
conformada sobre el comportamiento del flujo de aire.
La Figura 10 es una representación gráfica de
datos relacionados con el efecto de la orientación de una paleta
conformada sobre el comportamiento del flujo de aire.
La Figura 11 es una representación gráfica de
datos relacionados con el efecto de la permeabilidad de la tapa del
cartucho de filtro sobre el comportamiento del flujo de aire.
La Figura 12 es una representación gráfica de
datos relacionados con el efecto de la permeabilidad de la tapa del
cartucho de filtro sobre la eficacia de la eliminación de gas.
La Figura 13 es una representación gráfica de
datos relacionados con el efecto de la permeabilidad de la tapa del
cartucho de filtro sobre el comportamiento del flujo de aire.
Las Figuras 1, 1a y 2a ilustran un cartucho de
filtro 20 de acuerdo con el presente invento. El cartucho de filtro
20 incluye una primera capa de malla 22 que define una superficie
de filtro interna 24 y una segunda capa de malla 26 que define una
superficie de filtro externa 28. La primera capa de malla 22 incluye
una pluralidad de partes realzadas 30 que penetran en la abertura
central 32 del cartucho de filtro 20. Huecos o espacios 34 situados
entre las partes realzadas 30 de la primera capa de malla 22 están
limitados por la segunda capa de malla 26 de forma que las partes
realzadas 30 definen una pluralidad de compartimientos 40. Los
compartimientos 40 están llenos, de preferencia, con un medio de
filtro 42 (véase, por ejemplo, la Figura 1a). En la realización
ilustrada cada uno de los compartimientos 40 define una bolsa
discreta que no comunica con los compartimientos adyacentes. En una
realización alternativa, los compartimientos 40 pueden estar
formados en una capa de malla única, prescindiéndose de la segunda
capa de malla.
Los huecos o espacios 34 entre los
compartimientos 40 comprenden pasos 44 para circulación de aire que
permiten un elevado flujo de aire inicial a través del cartucho de
filtro 20, que no disminuye con el transcurso del tiempo. Es decir,
los pasos 44 para circulación de aire no presentan,
sustancialmente, impedimentos cuando el medio de filtro 42 está
completamente cargado.
El cartucho de filtro 20 incluye una tapa
superior 50 y una tapa inferior 52. Como se ilustra del mejor modo
en la Figura 2a, las tapas 50,52 sirven para asegurar la primera y
la segunda capas de malla 22, 26 juntas. Las tapas 50, 52 también
pueden utilizarse para retener el medio de filtro 42 en el cartucho
20 de filtro. Las tapas 50, 52 pueden construirse a partir de una
variedad de materiales tales como plastisol. Tapas flexibles
construidas de plastisol o de otro material elastómero mejoran la
capacidad de adaptación del cartucho de filtro 20 y proporcionan un
ajuste por fricción con un rotor de soplante.
La primera y la segunda capas de malla 22, 26
pueden construirse de una variedad de mallas o rejillas de polímero
o de metal. En la realización ilustrada en la Figura 1, la primera
y la segunda capas de malla 22, 26 están construidas de metal
expandido. Las capas de malla 22, 26 tienen un área abierta
sustancial de, aproximadamente un 70% o mayor. El contacto 33 entre
los espacios 34 de la primera capa de malla 22 y la segunda capa de
malla 26 puede mantenerse mediante adhesivos, soldadura por puntos o
diversas otras técnicas.
Cuando se utiliza un medio de filtro 42 de
partículas sueltas, el tamaño o diámetro de las aberturas de las
capas de malla 22, 26 es, de preferencia, menor que la dimensión
mínima de las partículas. Alternativamente, puede disponerse carbón
aglomerado en los compartimientos 40 y fijarlo por calor para
formar una masa absorbente unitaria. En consecuencia, el área
abierta de la primera y de la segunda capas de malla 22, 26 puede
incrementarse espectacularmente. Un aglomerado de partículas de
carbón moldeado, adecuado para uso en el presente cartucho de filtro
20, se describe en la patente norteamericana núm. 5.332.426 (de
Tang y otros).
La Figura 1b ilustra una realización alternativa
del cartucho de filtro 20' con una banda 35' que sigue el contorno
de la primera capa de malla 22'. La banda 35' puede ser un filtro
de partículas o una rejilla para ayudar a retener el medio de filtro
42' en los compartimientos 40'. Por ejemplo, la banda 35' puede ser
útil para retener el carbón suelto en los compartimientos 40'. Es
importante evitar que el medio de filtro 42' escape de los
compartimientos 40' para impedir que se produzcan desequilibrios de
peso en el cartucho de filtro 22' durante el uso. En otra
realización, la banda 35' es un filtro de partículas situado, en
general, en el centro de los compartimientos 40' y rodeado,
sustancialmente, por el medio de filtro 42'. En todavía otra
realización, la banda 35' está situada en la superficie exterior de
la capa de malla 22'.
El cartucho de filtro 20' puede construirse
utilizando una variedad de técnicas. Por ejemplo, la banda 25'
puede unirse o estratificarse con la primera capa de malla 22'
antes o después de la formación de las partes realzadas 30'. Una vez
formadas las partes realzadas 30', se quita la parte de la banda
35' situada a lo largo de los espacios 34' empleando métodos
mecánicos o térmicos. En consecuencia, la segunda capa de malla 26'
se posiciona directamente contra la primera capa de malla 22' de
forma que los pasos 44' de flujo no se vean obstaculizados
sustancialmente por la banda 35'. En otra realización, no se quitan
las partes de la banda 35' a lo largo de los espacios 34', siempre
que la banda 35' posea una porosidad suficiente. Es decir, la banda
35' puede formar una capa continua en torno al filtro 20'.
La Figura 2b es una vista en sección de un
cartucho de filtro alternativo 70 con una tapa superior 72 que
tiene uno o más pasos 80, 81 para la circulación de aire. Un paso
80 para circulación de aire se extiende a través del material de
malla superior 74 y la capa de malla exterior 84 del cartucho de
filtro 70. Un paso 81 para circulación de aire se extiende a través
de la malla interior 77 y de la malla exterior 84. La tapa superior
72 está construida de un material elastómero que asegura la capa de
malla exterior 84 al material 74 de malla superior. El material de
malla superior 74 incluye una lengüeta 75 que se envuelve alrededor
y está unida, opcionalmente, a la capa de malla interior 77 para
darle al cartucho de filtro 70 integridad estructural
adicional.
La Figura 2c es una vista en sección de un
cartucho de filtro alternativo 70' con una tapa superior 72' que
tiene uno o más pasos 80', 81' para circulación de aire,
sustancialmente como se muestra en la Fig. 2b. El paso 80 para
circulación de aire se extiende a través del material de malla
superior 74' y de la capa de malla exterior 84' del cartucho de
filtro 70'. La tapa superior 72' asegura la capa de malla exterior
84' al material de malla superior 74'. En la realización de la
Figura 2c, el material de malla superior 74' se extiende a través
de la abertura central 86 para evitar que se recojan desechos en el
cartucho de filtro 70'.
La Figura 3 es una vista en despiece ordenado de
un cartucho de filtro 100 de acuerdo con el presente invento y del
sistema 104 de soplante esquemático. El cartucho de filtro incluye
una capa de malla interior 112 y una capa de malla exterior 114,
pero carece de tapas extremas. En la realización de la Figura 3, el
medio de filtro (no mostrado) es retenido en los compartimientos
por fricción, mediante adhesivos y/o una variedad de otros
mecanismos. Por ejemplo, el medio de filtro puede ser retenido en un
saco o bolsa construida de una rejilla o de otro material
poroso.
El cartucho de filtro 100 puede estar situado en
la cavidad 106 de la soplante de forma que la superficie exterior
108 del filtro forma un ajuste de fricción con las paletas 110 del
ventilador del rotor 102 de la soplante. Alternativamente, el
cartucho de filtro 100 puede ser retenido con respecto al rotor 102
de la soplante por una diversidad de técnicas activas de fijación
de modo retirable que incluyen sujetadores mecánicos tales como
grapas, ganchos y sujetadores de ganchos y bucles, y/o lengüetas de
retención.
Cuando el rotor 102 de la soplante y el cartucho
de filtro 100 unido giran, las paletas 110 de ventilador generan
una condición de presión reducida que aspira aire por la
trayectoria de circulación 116 a la abertura central 118. La
diferencia de presión aspira el aire a través del cartucho de
filtro 100 y lo expulsa radialmente hacia fuera a través de las
paletas 110 de ventilador, al alojamiento 120. A medida que aumenta
la presión en el alojamiento 120, el aire continúa por la
trayectoria de circulación 116' a través de la salida 122 de
aire.
El presente cartucho de filtro 100 puede
utilizarse como un filtro en línea usual para un sistema de HVAC,
tal como el descrito en la patente norteamericana núm. 5.683.478
(Anonychuk). Alternativamente, el cartucho de filtro 100 puede
unirse a un rotor 102 de soplante tal como se ilustra en la Fig. 3.
Por rotor 102 de soplante debe entenderse, genéricamente,
cualesquiera rotores en jaula de ardilla, rotores centrífugos y
similares. Pueden utilizarse grapas o sujetadores para unir el
cartucho de filtro 100 al rotor 102 de la soplante, tal como se
describe en la solicitud de patente norteamericana, cedida en
común, número de serie 09/126.189, titulada "Sistema de filtración
para aplicaciones de HVAC", presentada el 30 de Junio de 1998.
El cartucho de filtro 100 tiene, de preferencia, una altura
generalmente igual a la altura del rotor 102 de soplante. En una
realización en que el cartucho de filtro 100 tiene una altura menor
que la altura del rotor 102 de la soplante, el espacio libre define
un paso de circulación que permite que parte del aire que circula a
través del sistema 104 de soplante, se salte el cartucho de filtro
100.
La Figura 4 es una vista en sección de un
cartucho de filtro 130 acoplado con una rueda 132 de soplante, de
acuerdo con el presente invento. La flecha 131 muestra la dirección
de rotación del conjunto 130, 132. La capa de malla interior 134
conformada tiene una serie de partes realzadas 136, separadas por
espacios 140. La capa de malla exterior 138 está posicionada contra
la capa de malla interior 134, para formar los compartimientos
radiales 144. El medio de filtro 142 se deposita en los
compartimientos radiales 144 formados por las partes realzadas 136
apoyadas contra la capa de malla exterior 138. El número de
compartimientos 144 puede ser mayor, menor o igual que el número de
paletas que tiene el rotor 132 de la soplante.
Los espacios 140 forman pasos 146 para
circulación de aire a través del cartucho de filtro 130. En
consecuencia, cuando el medio de filtro 142 se encuentra
completamente cargado, los pasos 146 para circulación de aire
sustancialmente sin impedimentos, mantienen un flujo de aire
adecuado a través del cartucho de filtro 130. El cartucho de filtro
130 se une de forma separable al perímetro exterior o al perímetro
interior del rotor 132 de la soplante (véanse las Figuras 6 y
6a).
La Figura 5 es una vista en sección de un
cartucho de filtro alternativo 160 acoplado con un rotor 162 de
soplante de acuerdo con el presente invento. La flecha 161 ilustra
el sentido de giro del conjunto 160, 162. En la realización
ilustrada en la Figura 5, las partes realzadas 164 formadas en la
capa de malla interior 166, están inclinadas de modo que los
compartimientos 165 actúan como prolongaciones de las paletas 168 de
ventilador. Las partes realzadas 164 pueden estar inclinadas con un
ángulo de inclinación 167 inferior a unos 45 grados con relación a
un eje geométrico 163 perpendicular al cartucho de filtro 160. Para
algunas aplicaciones también es posible una inclinación de -45
grados con relación al eje 163. En una realización en que el
cartucho 160 de filtro está unido al perímetro exterior del rotor
162 de la soplante, el ángulo de inclinación 167 está invertido (el
cartucho de filtro 160 está invertido).
Es crítico mantener un flujo de aire elevado en
el sistema de soplante para calentar y enfriar, de manera efectiva,
el habitáculo de un vehículo. La configuración o inclinación de las
partes realzadas 164 incrementa el flujo de aire a través del
cartucho de filtro 160 y el rotor 162 de la soplante. En la
realización de la Figura 5, las partes realzadas 164 están
alineadas y en coincidencia con las paletas 168 del ventilador. Como
se describe en el Ejemplo 4, el situar las partes realzadas 164
fuera de coincidencia o desplazadas con respecto a las paletas 168
del ventilador no disminuye el flujo de aire en forma
significativa.
La Figura 6 es una vista en sección de un
cartucho de filtro 180 alternativo en aplicación con un rotor 182
de soplante de acuerdo con el presente invento. La realización de
la Figura 6 se corresponde, en general, con la de la Figura 4,
excepto porque las partes realzadas 184 están formadas en la capa
de malla exterior 186. La capa de malla interior 188, que encierra
las partes realzadas 184 para formar los compartimientos 189, es
cilíndrica. En una realización alternativa, la capa de malla
interior 188 puede incluir partes realzadas que pueden estar
alineadas o no con las partes realzadas 184 de la capa de malla
exterior 186.
La Figura 6a es una vista en sección de un
cartucho de filtro 180' alternativo en aplicación con el perímetro
exterior de un rotor 182' de soplante, de acuerdo con el presente
invento. Hay partes realzadas 184' formadas en la capa de malla
exterior 186'. La capa de malla interior 188' encierra las partes
realzadas 184' para formar los compartimientos 189' y se aplica con
el perímetro exterior del rotor 182' de soplante.
La Figura 7 es una vista desde arriba de un
cartucho de filtro 190 en aplicación con un rotor 192 de soplante,
de acuerdo con el presente invento. La tapa superior 194 incluye
una serie de lengüetas de contrapeso 196 retirables que pueden
recortarse o eliminarse por completo para equilibrar el conjunto
rotor de soplante/cartucho de filtro. Alternativamente, la tapa
superior 194 puede incluir una pluralidad de espacios 198 de volumen
conocido. Depositando un material de densidad conocida en los
espacios 198, puede ejecutarse el mismo procedimiento de
equilibrado.
El medio de filtro es, preferiblemente, un
material que tiene un valor útil de resistencia a la penetración o
a la transferencia de partículas y/o de aerosoles, al tiempo que
conserva un nivel deseable de capacidad para transportar gas a
través del material. La resistencia a la permeación o a la
transferencia de partículas y/o aerosoles, puede medirse
determinando la retención (filtración) de partículas y puede
expresarse como el régimen de entrega de aire limpio (CADR), según
lo define la norma ANSI
AC-1-1988.
El medio de filtro puede estar constituido por
papel, películas porosas o materiales termoplásticos o
termocurables, bandas no tejidas de fibras naturales o sintéticas,
rejillas, materiales tejidos o tricotados, espumas o materiales
cargados electrostáticamente o electretos. Los medios de filtro
pueden incluir, también, absorbentes, catalizadores y/ carbón
activado (gránulos, fibras, tela, y formas moldeadas). Las bandas de
filtro de electreto pueden formarse a partir de las fibras cargadas
desfibradas, cortadas, como se describe en la patente
norteamericana núm. Re. 30.782. Estas fibras cargadas pueden
conformarse a modo de banda no tejida por medios usuales y,
opcionalmente, unirse a una rejilla de soporte tal como se describe
en la patente norteamericana núm. 5.230.800 formando una capa de
soporte exterior. La rejilla de soporte puede ser una banda formada
por hilatura de fibras unidas por calor y presión, una red, una
banda Claf o similar. Alternativamente, la banda de filtro fibrosa
no tejida puede ser una banda no tejida de microfibras soplada en
fusión, tal como se describe en la patente norteamericana núm.
4.817.942 que puede unirse a una capa de soporte durante la
formación de la banda como se expone en esa patente, o unirse
subsiguientemente a una banda de soporte de cualquier forma
usual.
Se probó el comportamiento del presente cartucho
de filtro y se comparó con un filtro de aire estacionario usual
para habitáculo fabricado por Minnesota Mining and Manufacturing
Company. La Figura 8 muestra una comparación de la eficacia en la
eliminación de gases de un filtro usual y de dos cartuchos de filtro
de acuerdo con el presente invento, en comparación con un filtro de
aire usual para habitáculo. El filtro usual tenía aproximadamente
82 gramos de carbón. El filtro de soplante, con un diámetro de unos
12,95 cm (5,1 pulgadas) tenía aproximadamente 55 gramos de carbón y
el filtro de soplante de 11,4 cm (4,5 pulgadas) de diámetro, tenía
unos 20 gramos de carbón. Cada uno de los filtros de soplante tenía
el carbón dividido generalmente por igual entre 44 compartimientos,
aproximadamente (el mismo número de paletas de ventilador del rotor
de soplante). Los compartimientos penetraban radialmente en la
abertura central del rotor de soplante, como se ilustra en general
en la Figura 4.
El ensayo se llevó a cabo vaporizando tolueno en
una cámara de vaporización y entregando el tolueno vaporizado en
una corriente de transporte a un sistema de soplante sin cartucho
de filtro. Se determinó la cantidad de tolueno necesaria para
entregar una concentración de 80 partes por millón a un caudal de
unos 200 metros cúbicos/hora (117 pies cúbicos/minuto) a través del
rotor de la soplante. Una vez determinada la concentración de
tolueno, se introdujo en el rotor de la soplante uno de los
cartuchos de filtro descritos en lo que antecede.
Cada uno de los cartuchos de filtro fue sometido
a un enfrentamiento con una concentración de tolueno de
aproximadamente 80 partes por millón, con un caudal de,
aproximadamente, 200 metros cúbicos/hora (117 pies cúbicos/minuto).
15 minutos de este ensayo acelerado equivalen, aproximadamente, a
un año de uso en un coche. La reducción inicial del flujo de aire
debida al filtro de la soplante es, aproximadamente, igual a la
reducción del 22% del flujo del filtro de aire usual para
habitáculo. Sin embargo, el flujo de aire en el filtro usual
disminuye con el paso del tiempo, mientras que el filtro de
soplante no se comporta así debido a los pasos de circulación de
aire que no se atascan. Es decir, el modo de fallo del filtro de
aire usual es una reducción del flujo de aire, mientras que los
presentes filtros de soplante mantienen constante el flujo de aire
aún cuando el medio de filtro esté saturado.
El tamaño del filtro y la cantidad de medio en el
mismo afectan mucho al comportamiento del filtro. Utilizando un
filtro de soplante de diámetro ligeramente mayor, puede conseguirse
un comportamiento equivalente al de los filtros tradicionales de
aire para habitáculo. Sin embargo, durante el diseño o la
optimización del filtro de soplante, se encontraron diversos otros
factores que afectan al comportamiento, incluyendo el uso de
cavidades conformadas para mejorar el flujo del aire y que la parte
superior abierta mejora el flujo de aire y la eficacia de
eliminación de gases.
En la Figura 9 se muestra una comparación del
flujo de aire utilizando las paletas de carbono de forma radial y
la paleta de carbono inclinada u oblicua, con diversos voltajes de
soplante. El ángulo de inclinación de las paletas conformadas era de
unos 25 grados respecto a un eje perpendicular al cartucho de
filtro (radialmente hacia dentro a lo largo del paso de flujo). Las
barras estadísticas muestran el margen de valores que se ofrecen en
la parte superior de cada barra. A todos los voltajes de la
soplante, las paletas de carbono conformadas, inclinadas hacia
delante, proporcionaron un flujo de aire a través del presente
sistema de filtración mayor que las paletas de carbono conformadas
radiales o que las paletas de carbono conformadas, curvadas hacia
atrás. El flujo de aire máximo se consiguió utilizando un cartucho
de filtro con pasos de circulación que se extienden a través de la
tapa superior, tal como se expuso en relación con las Figuras 2 Y
2a.
La Figura 10 ilustra el resultado de un ensayo
realizado para determinar el efecto de la dirección de inclinación
o de la oblicuidad de las paletas de carbono conformadas sobre el
flujo de aire. El ángulo de inclinación de las paletas conformadas
era de unos 25 grados respecto a un eje perpendicular al cartucho
de filtro. Las barras de estadística muestran el margen de valores
que se ofrecen en la parte superior de cada barra. Se utilizó el
mismo filtro para ambos ensayos. Se colocó el filtro en la rueda de
soplante de tal forma que las cavidades de carbono estaban
inclinadas en una configuración curvada hacia atrás (BC). Luego se
le dio la vuelta al mismo filtro de tal forma que las cavidades de
carbono formaban una configuración curvada hacia delante (FC). La
configuración curvada hacia delante mostró una mejora del flujo de
aire de un 18%, aproximadamente, en comparación con la
configuración curvada hacia atrás (reducción del 33% contra el 27%).
Este ensayo muestra claramente la sensibilidad del flujo de aire a
la orientación de las paletas de carbono.
Se llevó a cabo un ensayo para determinar la
sensibilidad del flujo de aire a la alineación de las paletas de
carbono con el rotor de soplante. El ángulo de inclinación de las
paletas conformadas era de unos 25 grados respecto a un eje
perpendicular al cartucho de filtro. En un caso, las paletas de
carbono del filtro estaban alineadas y en coincidencia con las
paletas del rotor de la soplante. En el segundo caso, las paletas
del filtro estaban desplazadas en, aproximadamente, 1/88 de
revolución con respecto a las paletas del rotor de la soplante. El
caso de alineación en coincidencia mejoró el flujo de aire en,
aproximadamente, un 1%. Este ensayo estableció que no es necesario
proporcionar una característica para alinear el cartucho de filtro
con las paletas de la rueda de soplante.
Si bien típicamente se necesita algún tipo de
tapa superior para situar el filtro en la soplante y mantener en
posición el carbón, no tiene por qué ser, necesariamente, un anillo
cerrado. La Figura 11 ilustra la reducción respectiva del flujo de
aire empleando una tapa perforada y una tapa sin orificios en el
cartucho de filtro. El cartucho de filtro tenía un diámetro de 11,4
cm (4,5 pulgadas) y contenía aproximadamente 20 gramos de carbón.
El ángulo de inclinación de las paletas conformadas era de unos 25
grados respecto a un eje perpendicular al cartucho de filtro. En la
parte superior de cada una de las barras de estadística se muestra
el margen de valores. Empleando una tapa de metal perforada (con un
70% de aberturas), el flujo de aire del filtro se incrementó en,
aproximadamente, un 4% con diversos voltajes de la soplante.
El Ejemplo 6 pretende evaluar la eficacia en la
eliminación de gas de los cartuchos de filtro ensayados en el
Ejemplo 5. Como se ilustra en la Figura 12, la eficacia en la
eliminación de gas del diseño de tapa perforada fue aproximadamente
del 4-7% mayor que en el caso del diseño de tapa
sin perforaciones. En el ensayo con gas se utilizó tolueno con una
concentración de, aproximadamente, 80 partes por millón y un caudal
de unos 200 metros cúbicos/hora (117 pies cúbicos por minuto) como
se describe en el Ejemplo 1. Este ensayo se llevó a cabo varias
veces con el mismo resultado.
Una posible explicación de la menor eficacia del
diseño de tapa sin perforaciones es que el carbón situado
directamente debajo de la tapa no está sometido a un flujo de aire
elevado. Para determinar si esto era cierto, se realizó un ensayo en
un filtro de 11,4 cm (4,5 pulgadas) de diámetro, con 20 gramos de
carbón. El ángulo de inclinación de las paletas conformadas era de
unos 25 grados respecto de un eje perpendicular al cartucho de
filtro. En los ensayos se utilizó el mismo filtro con y sin tapas
superiores. Se probó, primero, el filtro sin tapa superior. Se
envolvieron una serie de tiras de cinta de enmascarar, de unos 2,54
milímetros (0,10 pulgadas) de anchura, alrededor de la
circunferencia del filtro, empezando por arriba. El filtro abierto
por la parte superior mostró una reducción lineal del flujo a
medida que anchuras progresivas de la cinta enmascaraban el filtro.
Los resultados se presentan en la Figura 13.
Se tapó entonces el mismo filtro y se repitió el
ensayo. Este ensayo mostró que el enmascaramiento de,
aproximadamente, los 5,1 milímetros (0,20 pulgadas) superiores del
filtro con una tapa, no afectaba al flujo de aire, indicando esto
que la tapa impedía que pasase aire a través de la región del
filtro (véase la Figura 13). El carbón situado en la región de
debajo del filtro con tapa no filtraba, aparentemente debido a la
falta de circulación. En un filtro con, aproximadamente, 20 gramos
de carbón, la tapa puede llegar a bloquear hasta unos 2,5 gramos
(más del 10%) del carbón, En consecuencia, parece que el diseño de
tapa abierta ofrece un flujo de aire y una eficacia superiores a
las del diseño equivalente con una tapa sin perforar.
Claims (13)
1. Un cartucho de filtro que comprende una
estructura de malla que forma un cilindro generalmente anular que
comprende una abertura central, formando además la estructura de
malla una pluralidad de compartimientos, cuyos compartimientos
contienen un medio de filtro, y espacios entre los compartimientos,
comprendiendo los espacios entre los compartimientos pasos de
circulación de aire sustancialmente sin obstáculos que permiten el
paso de aire aún cuando el medio de filtro esté completamente
cargado.
2. El cartucho de filtro de la reivindicación 1,
en el que los compartimientos se extienden generalmente en
dirección radial hacia la abertura central.
3. El cartucho de filtro de la reivindicación 1,
en el que los compartimientos están conformados para funcionar como
paletas de ventilador.
4. El cartucho de filtro de la reivindicación 1,
en el que los compartimientos comprenden cavidades discretas.
5. El cartucho de filtro de la reivindicación 1,
en el que el cartucho de filtro comprende al menos una tapa de
extremo con un paso de circulación de aire que se extiende a través
de, al menos, una tapa de extremo y al menos una tapa de extremo
comprende cavidades de contrapeso.
6. El cartucho de filtro de la reivindicación 6,
en el que dicha al menos una tapa de extremo comprende lengüetas de
contrapeso separables.
7. El cartucho de filtro de la reivindicación 1,
en el que el medio de filtro se selecciona de un grupo que consiste
en medio cargado electreto, medio en partículas, medio absorbente,
carbón aglomerado o sus combinaciones.
8. El cartucho de filtro de la reivindicación 1,
que comprende un material de malla que se extiende a través de una
abertura superior del cilindro anular.
9. El cartucho de filtro de la reivindicación 1,
en el que la estructura de malla comprende una primera capa de
malla que tiene una pluralidad de partes realzadas y una segunda
capa de malla en aplicación con la primera capa de malla de tal
forma que las partes realzadas comprenden compartimientos; y
espacios entre las partes realzadas que forman
los pasos de circulación de aire sustancialmente sin obstáculos que
permiten el flujo de aire aún cuando el medio de filtro esté
totalmente cargado.
10. Un sistema de filtración que comprende un
cartucho de filtro que gira conjuntamente con un rotor de soplante,
teniendo éste una pluralidad de paletas de ventilador dispuestas en
relación de espaciadas radialmente en torno a una cavidad de
soplante para definir un trayecto de flujo que se extiende
radialmente hacia fuera desde la cavidad de la soplante, a través
de las paletas de ventilador cuando el rotor de la soplante está
girando;
pudiendo unirse el cartucho de filtro de forma
separable al rotor de la soplante en configuración aplicada,
comprendiendo el cartucho de filtro una estructura de malla con una
abertura central y una superficie de malla configurada para
encontrarse en general junto a las paletas de ventilador y para
extenderse a través de, al menos, parte del trayecto de flujo
cuando se encuentra en la configuración aplicada, comprendiendo la
estructura de malla una pluralidad de compartimientos que contienen
un medio de filtro y una pluralidad de pasos de circulación de aire
sustancialmente sin obstáculos que permiten el flujo de aire aún
cuando el medio de filtro esté totalmente cargado.
11. El sistema de la reivindicación 10, en el que
la estructura de malla comprende una primera capa de malla con una
pluralidad de partes realzadas y una segunda capa de malla en
aplicación con la primera capa de malla de tal forma que las partes
realzadas comprendan los compartimientos y los espacios entre las
partes realzadas comprendan los pasos de circulación de aire.
12. El sistema de la reivindicación 10, en el que
el cartucho de filtro comprende un cilindro anular con al menos una
tapa de extremo, extendiéndose un paso de circulación de aire a
través de dicha al menos una tapa de extremo.
13. El sistema de la reivindicación 12, en el que
dicha al menos una tapa de extremo comprende cavidades de
contrapeso.
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