DE102021001828A1 - Filtervorrichtung sowie Verfahren zum Abtöten von Viren, Bakterien, Sporen und ähnliche flüchtige organische Substanzen und Partikel in kleinster Partikelgröße durch Aufbau eines internen Hitzefeldes mittels sandwichartigen, wechselnden Filterschichten - Google Patents

Abstract

Filtervorrichtung sowie Verfahren zum Abtöten von Viren, Bakterien, Sporen und ähnliche flüchtige organische Substanzen und Partikel in kleinster Partikelgröße durch den Aufbau eines internen Hitzefeldes mittels sandwichartigen, wechselnden Filterschichten, abwechselnd durch offenporige, bzw. offenkanalige stromleitende Materialien und isolierenden ebenfalls offenporigen Schichten.Im Luftkanal wird die Hitze von Lage zu Lage übertragen und insgesamt durch jeweilige Zufuhr von elektrischer Energie stufenartig gesteigert. Die schlussendlich erreichte Hitze wird lediglich durch den Material-Schmelzpunkt der eingesetzten Legierungen und Keramiken limitiert.Integrierte Sensoren sind mit einem Mikro-Kontroller verbunden und kontrollieren, bzw. regeln die Hitze-Entwicklung.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung, sowie ein Verfahren zum sicheren Abtöten von kleinsten Viren, Bakterien, Sporen und anderen organischen Schadstoffpartikeln in der Luft und in Aerosolen durch eine Hitze erzeugende Filterkonstruktion und Vorrichtung.
• Aerosol ist ein heterogenes Gemisch aus festen oder flüssigen Schwebeteilchen in einem Gas. Die Schwebeteilchen sind die Aerosolpartikel oder auch Aerosolteilchen. Die kleinsten Partikel sind dabei wenige Nanometer groß. Das aktuelle Corona Covid-19 Virus weist eine Größe von nur 0.1µm auf.
• Filtervorrichtungen zur Filterung von Luft sind bekannt und werden vielseitig genutzt. Nur sind die bisherigen Lösungen für solch kleinen, nur Mikrometer (µm) große Teilchen wie das Corona Covid-19 Virus, nicht geeignet.
• Gängige HEPA-Filter basieren auf Filtermaterialien mit geringen und großen Porendurchmessern innerhalb des gewählten Filtermaterials. Sind die Porendurchmesser zu groß, passieren die Viren den Filter ohne Mühen völlig unbeschadet. Würde man die Porendurchmesser aber physikalisch verkleinern, verstopfen die größeren Partikel mühelos und sehr rasch den Filter. Deshalb müssen HEPA-Filter sehr häufig in kurzfristigen Intervallen gewechselt werden.
• Der Energiebedarf für die Ventilatoren zur Durchlüftung steigert sich sehr rasch. In vielen Fällen versagen dann die Motoren wegen Überlastung, verursacht durch den erhöhten Luftstromwiderstand.
• UV-Licht wirkt gegenüber Viren und Bakterien nicht sofort, sondern erst nach einer längeren Lichteinwirkung. Bei einem Luftstrom in Luftreinigern und Luftfilteranlagen muss die Luft deshalb so lange wie möglich dem Licht ausgesetzt werden.
• Das Licht muss von ausreichender Intensität sein und benötigt große Mengen an Energie (hohe elektrische Energie = hohe Kosten). In fast allen Fällen werden UV-Röhren eingesetzt, da UV-LED's noch viel zu teuer sind und die notwendige Leistung nicht erzeugen können.
• UV-Strahlung kann Hautreizungen verursachen und die Augen schädigen (The World Health Organization). UV-Licht tötet die Mikroorganismen nicht ab, kann aber Stränge, die die helikale Struktur der DNA / RNA bilden, verändern und sie so inaktivieren.
• Elektrofilter haben positive und negativ geladene Platten im Luftkanal. Bei zunehmender Verschmutzung nimmt die Reinigungsleistung linear ab. Die Effizienz liegt in der Regel deutlich unter HEPA Filtern. Das filterlose System kann vor allem Partikel unter 0,3µm (Mikrometern) nicht effizient aus der Luft entfernen - es versagt entsprechend im Kampf gegen das Corona Covid-19 Virus mit einer Größe von nur 0,1µm.
• Luftionisatoren haben ebenfalls keinen physikalischen Filter. Als sogenannte negative Ionen-Generatoren emittieren sie eine negative lonenladung, die sich an die Partikel in der Luft anlagern sollen. Staub, Pollen oder Schimmelpilzsporen sollen diese elektrische Ladung aufnehmen und dann aufgrund ihrer negativen Aufladung sich an Oberflächen anhaften. Ein Problem ist dabei, dass die Partikel nicht unterscheiden, woran sie sich anheften. In Teppichen werden diese Teilchen wieder durch Schritte von Personen oder Tieren aufgewirbelt und zum Fliegen gebracht.
• Die Erfindungsdarstellung hat die Aufgabe, eine Filterlösung zu zeigen, welche in der Lage ist, ein wirksames Verfahren zum Abtöten von kleinsten Viren, Bakterien, Sporen und ähnlichen organischen Schadstoffteilchen (z.B. Pollen) zu ermöglichen.
• Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausführungsformen und Varianten der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
• Erfindungsgemäß vorgesehen ist eine Filtervorrichtung, die die erzeugte Hitze als Mittel der Wahl vorsieht.
• Hitze wiederum ist für alle Viren und Bakterien der sichere Tod, wenn die Hitze hoch genug ist. In einem Luftstrom ist die Hitze-Einwirkung zeitlich nur im Mikro-Sekunden-Bereich möglich. Daher muss auch die Hitze wesentlich höher sein, als wenn man Hitze über Sekunden einwirken lassen kann. Durch den Einsatz von speziellen Legierungen, bzw. Keramiken ist es möglich, lokal begrenzte Hitzefelder zu erzeugen, die nur durch den Schmelzpunkt der eingesetzten Materialien begrenzt sind. Mittels einer stufenweisen Erhöhung der Hitze in Filterschichten in den Sandwichlagen, welche von Lage zu Lage durch isolierendes porenoffenes Material getrennt sind, wird diese Hitze übertragen und somit kann am Ende der Luftausstromöffnung die Hitze so gesteigert werden, dass keine Kleinstpartikel, wie z.B. Covid-19 oder auch andere Viren, Bakterien und Sporen, überleben können.
• Durch eine offenporige, bzw. offenkanalige Konstruktion der Sandwichlagen kann die Luft bzw. können Aerosole auch niemals geradlinig hindurchströmen. Durch die vielen Verästelungen und Querverstrebungen wird die durchströmende Luft auch immer an eine Wandung anstoßen, wo die Hitze nochmals um einiges höher ist als im Luftfeld innerhalb der Poren oder Kanäle.
• Die Hitze wird durch Zuführung elektrischer Energie des leitenden, offenporigen Materials erzeugt. Die Übertragung entlang des Luftstromes zur nächsten Schicht erfolgt durch einen ebenfalls offenporigen, aber nicht-leitenden Zwischenträger, wie z.B. Keramik, ist aber nicht darauf beschränkt. Die Funktion dieses nicht-leitenden Zwischenträgers dient der Isolierung der Ebenen mit leitendem Material und der Übertragung der zuvor gewonnenen Hitze. Ein solches Filter-Sandwich kann zwei-, drei- oder mehrlagig sein.
• Der wesentliche Vorteil ist eine Verbesserung der Filterwirkung durch die stufenweise Erhöhung der Hitze durch die Sandwich-Anordnung des Gesamt-Filters.
• Die Filterwirkung lässt auch über einen längeren Zeitraum nicht nach (Haltbarkeit normalerweise bis zu 2 Jahren!), weil die Poren, im Gegensatz zu HEPA-Filtern nicht verstopfen.
• Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens liegt unter anderem auch darin, dass der Energiebedarf für die Ventilation nicht sonderlich erhöht ausfällt.
• Die Größe der Viren, Bakterien und Sporen spielt bei dieser Lösung keine Rolle mehr.

Claims (6)

1. Filtervorrichtung zum Abtöten von kleinsten Viren, Bakterien, Sporen und weiteren in der Luft befindlichen schädlichen Partikel/flüchtige organische Substanzen, die beim Queren eines zu passierenden Hitzefelds abgetötet werden. Die bisher gängige Methode, solche winzigen Schädlinge zum Beispiel in einer Größe von 0,3µm (Mikrometer) aus der Luft zu filtern war der Einsatz von HEPA-Filtern (High-Efficiency Particulate Air/Arrestance). Das funktioniert kurzzeitig bis zu dieser Größe von 0,3µm. Das seit 2019 zu bewältigende Covid-19 Virus ist jedoch mit 0,1µm sehr viel kleiner und kann somit sehr leicht durch die HEPA-Filter durchkommen. Natürlich könnte man die Poren eines HEPA-Filters verkleinern, nur verstopft der Filter durch Schmutzpartikel dann noch viel schneller, als das bei den derzeitigen HEPA-Filtern schon der Fall ist.
2. Die Filtervorrichtung zum Abtöten von kleinsten Viren, Bakterien, Sporen und weiteren in der Luft befindlichen schädlichen Partikel (flüchtige organische Substanzen) zeichnet sich durch offenporige oder offenkanalige Lagen aus. Diese sind abwechselnd aus elektrisch-leitenden und isolierenden Materialien schichtweise im Luftstrom angeordnet, dadurch gekennzeichnet, dass a) Die Lagen schichtweise abwechselnd elektrisch-leitend und isolierend im Luftstrom angeordnet sind. b) Der Luftstrom durch Querstege an einem direkten geradlinigen Durchlauf gehindert wird. Der Luftstrom wird durch diese Hindernisse verwirbelt und stößt daher auch bei seinem Passieren des Filter-Feldes an eine Wandung aus Metall oder Keramik an. c) Der Filter kann aufgrund seiner Sandwich - Bauweise in seiner Stärke und Dicke variabel skaliert werden. Die Anzahl der Lagen kann flexibel erhöht werden, ohne dass der Widerstand für den Luftstrom substantiell erhöht wird. Dies spart Energie. Die Dicke der einzelnen Lage kann ebenfalls unterschiedlich stark ausgelegt werden. d) Der Filter durch seinen Lagenaufbau eine stufenweise Erhöhung der elektrisch erzeugten Hitze ermöglicht. Die Hitze in einer Lage ist limitiert durch die Abgabe von Stromstärke und Spannung eines Elektrischen Netzteiles. Durch den Luftstrom reduziert sich die Hitze drastisch gegenüber einem Aufbau bei stehender Luft. Die in einer Lage erzeugte Hitze kann jedoch in diesem Aufbau durch eine isolierende, ebenfalls offenporige oder offenkanalige Übertragungslage an die nächste Lage im Sandwich übergeben werden. Der Luftstrom, angetrieben durch einen Ventilator, nimmt die Hitze der jeweilig vorherigen hitzeerzeugenden Lage mit. Durch die stufenförmige Erhöhung der Hitze herrschen in den jeweilig nachfolgenden Lagen wesentlich höhere Hitzegrade, als in den Lagen zuvor. Dieser Skalierungs-Effekt erzeugt dann Hitzefelder, die für das Virus, sei es noch so klein, schlussendlich tödlich ist. Dieses betrifft auch Bakterien, Sporen und ähnliche Schadstoffen in der Luft und Aerosolen. e) Die Hitzefelder sind getrennt durch Netzteile regulierbar und werden durch integrierte Sensoren genau überwacht. f) Die leitenden und nicht-leitenden Lagen des Filters können durch Änderungen der Materialien, bzw. Legierungen angepasst werden. Die Limitierung der Hitzeerzeugung liegt jeweilig am Schmelzpunkt einer solchen Legierung. g) Durch eine mäanderförmige Verlegung und Auswahl der elektrischen Verschaltung der leitenden Schichten wird der elektrische Strom energetisch bestens geleitet. h) Das zusammengebaute Filter-Sandwich in einer Schublade gesichert montiert ist. Das offenporige Sandwich muss dabei in hitzebeständigen Materialien völlig abgedichtet eingebettet sein. Eine Übertragung der entwickelten Hitze auf die Halterung wird dadurch vermieden, ebenso das nicht gewollte seitliche Ausweichen der durchströmenden Luft. i) Die Schublade mit dem Filter-Sandwich ist austauschbar. Mittels hochbelastbarer, leichtgängiger Steckverbindung erfolgt die Stromversorgung der einzelnen Sandwich-Module-Lagen. j) Die Regelung der Stromzufuhr und somit die Hitzeerzeugung innerhalb der einzelnen Sandwich-Lagen erfolgt durch eine Reihe von Sensoren, die die Hitze im Sandwich pro Lage und die Außenaktivität rund um das filterhaltende Gerät, hier als Luftreiniger bezeichnet, überwachen und steuern. Außeneinflüsse wie Temperatur, Luftqualität, Aktivität von Personen oder Tieren im Umfeld, bilden beinflussende Faktoren ab, die dann die zu erzeugende Hitze steuern. Die Software wägt durch KI (Künstliche Intelligenz) immer ab, was im Moment wichtiger ist: Energie-Einsparung vs. Erhitzung.
3. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Außenseite zumindest ein Personen-Erkennungs-Sensor angeordnet ist zur Erfassung einer zumindest unmittelbar angenäherten Person.
4. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Steuereinheit für die involvierten Sensoren vorhanden ist und die Signalerfassung veranlasst und / oder empfangene Signale auswertet, insbesondere Signale als Temperaturzustände der überwachten Sandwich-Ebene interpretiert und einen aktuell erfassten Zustand mit zumindest einem vorher erfassten Zustand vergleicht.
5. Filtervorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelle zur Kommunikation mit den Sensoren vorhanden ist, insbesondere zum Empfang der Sensordaten sowie deren Zwischenspeicherung, Verarbeitung und / oder deren Weiterleitung.
6. Nebengeordneter Anspruch auf das Filterverfahren, gemäß Anspruch 1