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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Luftreinigung, insbesondere mit einer
regenerierbaren Luftreinigungsvorrichtung.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Geschlossene
Bereiche, die einer Ansammlung von schädlichen Schwebstoffen, wie
etwa organische Lösemittel
oder Zigarettenrauch, ausgesetzt sind, können sich negativ auf die Gesundheit
einer Person auswirken, die eine beträchtliche Zeit in einem derartigen
Bereich verbringt. Die Reinigung der Luft in dem geschlossenen Bereich
durch Filtern, Absorption oder Adsorption von Schadstoffen reduziert
die Möglichkeit, dass
diese gegebenenfalls negativen Auswirkungen hervorgerufen werden.
Die Kapazität
eines Filters oder eines Adsorptionsmittels verringert sich jedoch
infolge des Gebrauchs und schließlich kommt es zur Sättigung. Dadurch
wird häufiges
Austauschen gesättigter
Filter notwendig. Dies ist unpraktisch und kostspielig. Zudem, wenn
ein Filter in Rohrleitungssystemen integriert ist, die Luft in,
aus oder innerhalb eines geschlossenen Raums bewegen, kann ein regelmäßiges Austauschen
des integrierten Filters unpraktisch sein.
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Die
FR-A-2 744 375 beschreibt ein Aktivkohlefilter, das in die Rohrleitungen
eines Heizungs-, Belüftungs-
und Klimasystems (HLK) eines Kraftwagens integriert ist. Das Aktivkohlefilter
wird vor Ort durch Wärme induzierte
Desorption adsorbierter Moleküle
regeneriert. Ein Gebläse
bläst dann
die desorbierten Moleküle weg.
Wenn das elektrische System des Kraftwagens angeschaltet wird, verstellt
somit ein Steuersystem automatisch die Ventile im HLK-System, um
eine Luftströmung
von außerhalb
des Fahrzeugs durch das Filter und wieder aus dem Fahrzeug heraus
zu erlauben. Eine Wärmequelle,
die entweder mit dem Filter einstückig ist oder sich in seiner
Nähe befindet,
wird erhitzt und das Gebläse
wird aktiviert, um Luft durch oder über das Filter aus dem Fahrzeug
heraus strömen
zu lassen. Durch die Wärme
wird das auf dem Filter adsorbierte Material freigegeben, und die
Luftströmung
trägt das
freigegebene Material aus dem Fahrzeug heraus. Dieser Ereignisablauf
erfolgt während
einer vorbestimmten Zeit unabhängig
von dem eigentlichen Verschmutzungsgrad des Filters. Dies geschieht
jedes Mal, wenn der Fahrzeugmotor gestartet wird, und wird nicht
davon beeinflusst, wie lange der Motor weiterläuft. Somit sind Häufigkeit
und Ausmaß der
Regenerierung weder von dem eigentlichen Zustand des Filters noch
von dem Zeitraum, über
den das Filter aktiv war, abhängig.
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Das
Erhitzen des Filters für
die Regenerierung belastet das elektrische System des Kraftwagens
zusätzlich
und benötigt
zusätzliche
Kapazität.
Beim Betrieb zum Ablassen der desorbierten Moleküle erhöht der Kühleffekt des Gebläses noch
die Anforderung an das elektrische System, um eine geeignete Regenerierungstemperatur
in dem Filter aufrechtzuerhalten. Dieses Problem ist in den in Nordamerika üblichen
kalten wintern besonders ausgeprägt.
Ferner ist das HLK-System während
der vorbestimmten Regenerierungszeit nicht in der Lage, seine vorgesehene
Heizungs-, oder Kühlungs- und Lüftungsfunktion
auszuführen.
Dies ist nicht wünschenswert,
besonders unter extremen Wetterbedingungen.
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Das
Filter der FR-A-2 744 375 ist mit einem HLK-System eines Kraftwagens
einstückig.
Es ist nicht tragbar und bietet sich nicht zum Aufrüsten vorhandener
Kraftwagen an, die nicht über
ein solches Filter als Teil ihrer HLK-Systeme verfügen. Das
Aufrüsten
vorhandener Fahrzeuge würde
erheblich viel Arbeit und Kosten erfordern. Dies wäre für viele
Verbraucher unerschwinglich teuer.
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Die
US-A-5 827 355 beschreibt ein regenerierbares Kohlenstofffaserverbundfilter.
Das Verbundmaterial ist steif und umfasst Kohlenstofffasern und
ein Bindemittel, wie etwa Phenolharzpulver. Das Vorhandensein des
Bindemittels und die im Allgemeinen poröse Struktur des steifen Filters
führen
dazu, dass ein starker Strom (1 bis 20A) erforderlich ist, um das
Filter zu Regenerierungszwecken zu erhitzen. Der Stromfluss verläuft parallel
zu den Falten. Eine derartige Anordnung macht einen guten elektrischen
Kontakt am Rand der Falten schwierig. Es ist zu erwarten, dass der
Stromfluss, und somit das Erhitzen des Filters, über die steife Struktur hindurch
wegen der Porosität
der Struktur und auch wegen des Vorhandenseins des Bindemittels,
das während
der Regenerierung Bereiche mit hohem Widerstand und sich daraus
ergebenden Heißstellen
schaffen kann, ungleichmäßig ist.
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Ebenfalls
in der US-A-5 827 355 offenbart ist eine Klimaanlage, die den steifen
Verbundluftfilter umfasst. Die Klimaanlage ist zur Montage in eine
wand und zum Anschluss an Außenluft
ausgelegt. Durch Anordnen eines beweglichen Schiebers wählt man
entweder frische Außenluft
oder Umlaufluft aus dem Innern des Raums, oder beide. Ein erstes
Gebläse
wird bereitgestellt, um zu verarbeitende Luft über das Filter und in den Raum
zu schicken. Wenn es sich im Regenerierungsmodus befindet, wird
das Filter erhitzt und der Schieber wird angeordnet, um Luft, die
von einem zweiten Gebläse über das
erhitzte Filter bewegt wird, durch einen Ablassausgang zu leiten.
Wie oben erläutert,
ist Luftblasen während
der Regenerierung wegen des Kühleffekts der
Luftbewegung nicht erwünscht.
Die Vorrichtung der US-A-5 827 355, die über zwei Gebläse und einen
beweglichen Schieber, der mehrere Luftwege bereitstellt, verfügt, ist
unhandlich und mehr für
mechanische Pannen anfällig
als eine Vorrichtung mit weniger Bauteilen dieser Art.
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Die
US-A-5 980 612 beschreibt eine regenerierbare Luftreinigungsvorrichtung,
die einen Filterhalter, der ein Regenerativfilterblatt trägt, das
Aktivkohlefasern umfasst, und ein Steuersystem, das dazu geeignet
ist zu bestimmen, wann das regenerierbare Filter zu regenerieren
ist, umfasst. Diese Bestimmung erfolgt auf Zeit (d.h. einer spezifischen
Anzahl von Verwendungspotenzen) oder auf dem Ausgangssignal eines
Sensors, falls dieser in dem Filtersystem integriert ist, basierend.
Für die
Regenerierung muss das Filterblatt mit dem Filterhalter aus der
regenerierbaren Luftreinigungsvorrichtung in eine Reaktivierungskammer
entfernt werden, die zum Regenerieren des Filters auf hohe Temperaturen
erhitzt wird.
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Aus
den japanischen Patentzusammenfassungen Vol. 013, Nr. 516 (C-656)
17.11.89 und der JP-A-01 210 018 ist ein deodorisierendes Filter
bekannt, das Aktivkohlefasern umfasst. Das Deodorisieren erfolgt
durch diskontinuierliches Erhitzen einer Elektroheizung.
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Schließlich offenbart
die US-A-5 827 355 ein elektrisch regenerierbares Gasfiltersystem,
das ein Filtermittel mit Kohlenstofffaser-Verbundmolekularsieb (CFCMS)
umfasst. Nachdem ein getrenntes mittelmäßig wirksames vorfilter Partikel
aus dem zugeführten
Luftstrom entfernt hat, sorbiert das CFCMS-Filter gasförmige Luftschadstoffe,
bevor die Luft in den Raum umgewälzt
wird. Wenn es gesättigt
ist, wird das CFCMS-Mittel regeneriert unter Verwendung eines Niederspannungsstroms,
der durch das Filtermittel geführt
wird, um sorbierte Schadstoffe aus dem Filtermittel zu desorbieren.
Das Filtermittel hat eine gefaltete Form, und die Elektroden, welche
die Spannung an dem Mittel liefern, erstrecken sich rechtwinklig
zu den Falten des Mittels.
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In
der regenerierbaren Luftreinigungsvorrichtung, in der der Filterhalter
und das Filter bevorzugt einstückig
und nicht demontierbar sind, obwohl auch eine regenerierbare Luftreinigungsvorrichtung
in Betracht gezogen wird, in welcher der Filterhalter und das Filter
demontierbar sind, so dass das Filter für die Regenerierung durch die
Wärmequelle
entfernt und dann wieder angebracht werden kann.
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Ferner
kann die Vorrichtung aufweisen ein Gehäuse mit einer Lufteinlassöffnung und
einer Luftauslassöffnung,
die in Verbindung stehen, um einen Durchgang bereitzustellen, damit
Luft durch das Gehäuse
gehen kann, wobei das Filter sich in dem Durchgang befindet; und
ein Gebläse,
das sich in dem Durchgang befindet, um Luft durch das Gehäuse zu ziehen;
wodurch das Filter im Betrieb die Schmutzstoffe aus der durch das
Gehäuse
gezogenen Luft entfernt.
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Nach
einem anderen Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zur Luftreinigung in einem geschlossenen Raum bereit,
das den Betrieb der hier offenbarten regenerierbaren Luftreinigungsvorrichtung
in dem geschlossenen Raum aufweist.
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Ein
Vorteil der Filter-Steuersystem-Kombination der vorliegenden Erfindung
ist, dass das Filter hohe Leistung und eine lange Lebensdauer über zahlreiche,
in manchen Fällen
mehr als 50 Regenerierungszyklen aufweist. Die Lebensdauer des Filters
soll gleich oder länger
sein als die Lebensdauer der anderen Bestandteile der Vorrichtung.
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In
ihrer einfachsten Ausführungsform
kann die Filter-Steuersystem-Kombination
der vorliegenden Erfindung zur Verwendung z.B. in einer Dunstabzughaube über einem
Kochherd geeignet sein. Eine derartige Ausführungsform würde nur
ein Filter in einem Filterhalter und ein integriertes Steuersystem
erfordern, die jeweils zum Anschluss an eine passende Stromversorgung
geeignet sind.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch eine Luftreinigungsvorrichtung
bereit, welche die Filter-Steuersystem-Kombination
aufweist und selbstständig
sein kann. Sie kann unabhängig
von einem HLK-System, wie man es in Kraftwagen und anderen Fahrzeugen,
wie etwa Luftfahrzeugen, Booten und dergleichen vorfindet, funktionieren
oder darin integriert sein. Sie kann auch in nicht fahrzeugartigen
Anwendungen verwendet werden, z.B. zum Luftreinigen an Orten wie
Restaurants, Großküchen, Reinräumen, Operationssälen, Labors, Häusern, Garagen,
Fabriken, Toiletten oder Büros,
verwendet werden.
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Noch
allgemeiner kann sie in jedem Wohn-, Geschäfts- oder sonstigen Gebäude verwendet werden, das einer
Ansammlung von Dämpfen,
Gasen oder Gerüchen
ausgesetzt sein kann, die z.B. unmittelbar oder mittelbar durch
menschliche oder tierische Bewohner erzeugt werden (z.B. Zigarettenrauch,
Farb- und Anstrichgerüche,
usw.) .
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Eine
selbstständige
Vorrichtung der Erfindung, welche die Filter-Steuersystem-Kombination
enthält, kann
zur Tragbarkeit und für
diverse Anwendungen, einschließlich
Einsetzen in einen geschlossen Raum, wie etwa der Fahrgastraum eines
Kraftwagens, abgemessen sein. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die für einen
Kraftwagen ausgelegt ist, kann durch den 12V-Stromanschluss (Feuerzeugbuchse)
oder einen 12V-Wechselstromadapter des Fahrzeugs gespeist werden.
Bei einer derartigen Ausgestaltung kann sie gleichzeitig mit dem
HLK-System des Fahrzeugs funktionieren. Eine derartige Vorrichtung
kann einfach aufgebaut sein, mit einem einzelnen Gebläse oder
Ventilator und einem Luftkanal, ohne bewegliche Teile, wie Schieber
oder Ventile, zu benötigen.
Sie hat geringe Energieanforderungen und stellt keine erhebliche
zusätzliche
Last für
das elektrische System eines Fahrzeugs dar. Demnach ist keine zusätzliche
Kapazität
oder Änderung
für das elektrische
System erforderlich.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die
Erfindung ist ferner in den beiliegenden Zeichnungen abgebildet,
die beispielhaft einige Ausführungsformen
der Erfindung zeigen.
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1 ist
eine aufgelöste
perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer gefalteten ACF-Filteranordnung der
Erfindung.
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2 ist
eine aufgelöste
perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer gefalteten ACF-Filteranordnung der
Erfindung.
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3 ist
eine aufgelöste
perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform einer gefalteten ACF-Filteranordnung der
Erfindung.
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4 ist
eine aufgelöste
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Flachblatt-ACF-Filteranordnung
der Erfindung.
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5 ist
ein Blockschaltbild einer Ausführungsform
der elektronischen Schaltkreise der Luftreinigungsvorrichtung.
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6 ist
eine aufgelöste
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Luftreinigungsvorrichtung
der Erfindung.
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7 ist
eine Schnittansicht der Ausführungsform
der Vorrichtung aus 6.
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8 ist
eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung einer
Ausführungsform
der Luftreinigungsvorrichtung der Erfindung, die einen abnehmbaren
Filterrahmen aufweist.
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9 ist
eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung einer
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Regenerierungseinheit
zum Regenerieren eines Filters auf dem Filterrahmen aus 8.
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10 ist
ein Diagramm der erfassten Toluolkonzentration (ppm) im Verhältnis zur
Zeit (Minuten) bei einem Durchfluss von 40 L/Min. unter Verwendung
einer Gesamttoluolkonzentration von 190 ppm und 309,6 cm2 (48 Inch2) eines
ACF-Blatts (Kuractive CH700-15).
Das ACF-Blatt wurde zwischen Reihe 1 und 2 regeneriert.
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11 ist
ein Diagramm der Toluolkonzentration (ppm) im Verhältnis zur
Zeit (Minuten) bei unterschiedlichen Gebläseeinstellungen (niedrig, mittel
und hoch), durch eine 12V-Versorgung gespeist.
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12 ist
ein Diagramm der Pentankonzentration (ppm) im Verhältnis zur
Zeit (Minuten) bei unterschiedlichen Gebläseeinstellungen (niedrig, mittel
und hoch), durch eine 12V-Versorgung gespeist.
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13 ist
ein Diagramm der Temperatur (°C
(°F)) im
Verhältnis
zur Zeit (Sekunden) für
einen Regenerierungszyklus.
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14 ist
ein Diagramm der Toluolkonzentration (ppm) im Verhältnis zur
Zeit (Minuten) während
eines Adsorptions- und Regenerierungszyklus.
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15 ist
ein Diagramm der Pentankonzentration (ppm) im Verhältnis zur
Zeit (Minuten) während
eines Adsorptions- und Regenerierungszyklus.
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16 ist
ein Diagramm der ACF-Filtertemperatur (°C (°F)) im Verhältnis zur angelegten Spannung (V).
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17 ist
ein Diagramm der Druckabfalls (bar (Inch H2O))
im Verhältnis
zum Kohlenstofftyp.
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18 ist
ein Diagramm des Gaswirkungsgrades im Verhältnis zum Kohlenstofftyp, auf
Flächeneinheitsbasis,
unter Verwendung von n-Butan als Absorptionsgas.
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19 ist
ein Diagramm des Gaswirkungsgrades im Verhältnis zum Kohlenstofftyp, auf
Grammbasis, unter Verwendung von n-Butan als Absorptionsgas.
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20 ist
ein Diagramm des Wirkungsgrades eines Einfachfilters im Verhältnis zur
Regenerierungsanzahl (149 °C
(300 °F)).
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung weist ferner ein Steuerbord
auf, das mindestens eine Anzeigevorrichtung umfasst, die einen Benutzer über den
Status mindestens einer Steuersystemfunktion informiert. Weiter
bevorzugt stellt die Anzeigevorrichtung einem Benutzer eine Angabe
bereit, dass eine voreingestellte Zeit abgelaufen ist, und dass
eine Regenerierung des Luftreinigers erforderlich ist. Praktischerweise
kann die Vorrichtung tragbar sein. Es wird eine Ausführungsform
in Betracht gezogen, bei der das Gehäuse einen Partikelfilter aufweist,
der die Lufteinlassöffnung
verschließt.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Vorrichtung weist ferner auf ein Gebläsegeschwindigkeits-Steuergerät, das betriebsmäßig an das
Gebläse
angeschlossen ist; und einen Gassensor, der betriebsmäßig an das
Gebläsegeschwindigkeits-Steuergerät angeschlossen
ist; wodurch die Gebläsegeschwindigkeit
automatisch in Reaktion auf die vom Gassensor erfasste Schmutzstoffkonzentration
angepasst wird.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung weist das Steuersystem einen Gassensor vor dem Filterhalter
und einen Gassensor nach dem Filterhalter auf; wobei die Gassensoren
betriebsmäßig an ein Filterleistungsüberwachungsgerät angeschlossen
sind, um zu bestimmen, wann das Filter zu regenerieren ist.
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Ebenso
wird eine Ausführungsform
in Betracht gezogen, bei der das Steuersystem die Zeit, während der
das Filter den Schmutzstoffen ausgesetzt ist, verwendet, um zu bestimmen,
wann das Filter zu regenerieren ist, wobei die Expositionszeit praktischerweise
von einem Kumulationsfestkörper-Laufzeitmesser
gemessen wird.
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Ebenso
wird eine Ausführungsform
der Vorrichtung der Erfindung in Betracht gezogen, bei der Filterhalter
ein abnehmbarer Einsatz ist, der einen Rahmen aufweist, der das
ACF-Blatt trägt,
wobei der Einsatz dazu geeignet ist, in einen komplementären Steckplatz
in dem Gehäuse eingefügt zu werden.
Bei einer derartigen Ausführungsform
wird es bevorzugt, dass die Wärmequelle
eine getrennte Regenerierungseinheit ist, die geeignet ist, um den
Einsatz aufzunehmen.
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Bei
der Vorrichtung der Erfindung kann der Halter für die ACF viele verschiedene
Formen annehmen, wie etwa ein Rahmen, ein versteifter Gitterstoff
oder ein gefaltetes Netzgewebe.
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Ein
Filter der vorliegenden Erfindung weist bevorzugt ein Blatt aus
Aktivkohlefaser (ACF) auf. Im Allgemeinen adsorbiert das ACF-Blatt
Stoffe und wird anschließend
auf gesteuerte Art und Weise, z.B. durch Erhitzen, dazu gebracht,
diese adsorbierten Stoffe freizugeben, um seine gesamte, oder fast
seine gesamte ursprüngliche
Adsorptionskapazität
zurück
zu gewinnen. Die einheitliche Struktur der ACF-Folie stellt einen
noch gleichmäßigeren
Stromfluss als Grießkohle
oder ein mit Kohlenstoff gefüllter
Vliesstoff bereit, wodurch die Bildung vereinzelter Heißstellen
während
des von der vorliegenden Erfindung bereitgestellten gesteuerten
Erhitzens minimiert wird.
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Durch
das Steuern der Zeit, während
der das ACF-Blatt den Schmutzstoffen ausgesetzt wird, und der Zeit
der Regenerierung erweist die vorliegende Erfindung, dass die Lebensdauer
des Filters beachtlich sein kann. Die Erfinder haben mehr als 50
Regenerierungen erreicht. Insbesondere durch diese Steuerung kann die
hohe anfängliche
Wirksamkeit eines ACF-Blatts verlängert werden.
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Es
wird bevorzugt, dass die Vorrichtung die Exposition des Filters
an adsorbierbare Schmutzstoffe misst. Die kumulierte Expositionszeit
ist ein Maß der
Exposition, es ist jedoch ebenfalls möglich, Gassensoren (Luftqualitätssensoren)
zu verwenden, die vor und nach dem Filter angeordnet werden und
jeweils die Schmutzstoffkonzentration messen und eine Echtzeit-Vergleichsanalyse
der Wirksamkeit des ACF-Blatts bereitstellen. Die Daten werden dann
verwendet, um eine "Regenerierungs"-Anzeigevorrichtung
auszulösen,
um den Benutzer zu informieren, dass das ACF-Blatt regeneriert werden
sollte.
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Die
Verwendung eines ACF-Blatts bei der vorliegenden Erfindung bietet
mehrere Vorteile gegenüber anderen
Formen von Kohlenstoff. Ein ACF-Blatt hat eine große Mantelfläche und
stellt eine bessere Adsorption (höhere Wirksamkeit) als Grießkohle bereit.
Die durchgehenden Aktivkohlefasern stellen auch eine bessere elektrische
Leitfähigkeit
bereit und ermöglichen
einen noch gleichmäßigeren
Stromfluss als Grießkohle,
wodurch sie ein gleichmäßiges Erhitzen
des ACF-Blatts während
der Regenerierung bereitstellen. Da zudem das regenerierbare Filter
der vorliegenden Erfindung gereinigt und nicht routinemäßig ausgetauscht
wird, ist die Verwendung von ACF-Blättern nicht unerschwinglich
teuer im Vergleich mit der Verwendung von Einwegfiltern, die z.B.
billigere Grießkohle
enthalten.
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Die
ACF haben bevorzugt einen Faserdurchmesser von ungefähr 5 bis
20 Mikrometern, weiter bevorzugt von 7 bis 11 Mikrometern. Die ACF
ermöglichen
die Zubereitung von ACF-Stoffblättern,
die entweder gewebt oder nicht gewebt (z.B. ein Filzstoff) sein
können.
Bevorzugt haben die ACF eine Mantelfläche von ungefähr 250 bis ungefähr 2000
m2/g, weiter bevorzugt von ungefähr 1000
bis 1500 m2/g. Geeignete Kohlefaserblätter umfassen
KuractiveTM CH700-15 (Kuraray Chemical Company)
mit einer Mantelfläche
von 1500 m2/g, oder KynolTM ACC-5092-10 (American Kynol)
mit einer Mantelfläche
von 1000 m2/g. Ein bevorzugtes ACF-Blatt ist
KuractiveTM CH700-15 (Kuraray Chemical Company).
Aktivkohlefasern, die von Actitex Rayonfasern abgeleitet werden,
wie etwa Actitex RS-1301, sind ebenfalls geeignet.
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Die
Webdichte kann den Luftstrom durch das Gewebe beeinflussen. ACF-Folie
ist wegen ihrer einfachen Handhabung und Formgebung bei automatischer
Einstellung für
die Herstellung von Vorteil. Wegen der Flexibilität des Blattes
ist ein dichtes Zusammenfalten mit einem Blatt aus ACF-Stoff und
einem geeigneten Träger
möglich.
Das Vorhandensein der Faltung und/oder eine niedrige Webdichte tragen
im Vergleich zu einem ACF-Blatt,
das flach ist und/oder eine hohe Webdichte aufweist, zu einem geringeren
Druckabfall durch ein Blatt aus ACF-Stoff bei. Die Druckabfalleigenschaften
der ACF-Folie sind im Vergleich zu anderen Aktivkohleausgestaltungen
besonders vorteilhaft.
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Eine
erste Ausführungsform
des ACF-Filterhalters 2 wird in 1 gezeigt.
Sie weist einen oberen Rahmen 4, einen unteren Rahmen 6 und
ein Blatt aus ACF-Stoff 8 zwischen den oberen und unteren
Rahmen auf. An jedem Ende der Rahmen befinden sich Elektrodengehäuse 10, 10 und
Kupferelektroden 12, 12.
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Die
oberen und unteren Rahmen 4 und 6 sind im Allgemeinen
rechteckig und jeder verfügt über eine Vielzahl
von im Wesentlichen parallelen Faltstegen 14.
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Die
Elektroden 12 sind stabförmig und die Elektrodengehäuse 10 befinden
sich an gegenüberliegenden
Enden der Anordnung 2. Die Elektroden sind im Wesentlichen
parallel zu einander. Die Faltstege 14 sind beabstandet,
um ein Verriegeln der oberen und unteren Rahmen zu ermöglichen,
wenn die Rahmen zusammengebracht werden. Ein Blatt aus ACF-Stoff 8,
das während
des Verriegelungsvorgangs zwischen die Rahmen gesetzt wird, wird
durch die Wirkung der Faltstege 14 des oberen Rahmens 4 gefaltet,
indem es zwischen den Faltstegen 14 des unteren Rahmens 6 hindurchgeht,
wenn die Rahmen verriegelt werden. Das Einfügen von Falten ergibt eine
größere Filtermantelfläche für eine bestimmte
Rahmengröße.
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Wenn
die Anordnung fertig gestellt ist, befinden sich die Elektroden 12 in
elektrischem Kontakt mit dem ACF-Blatt 8.
Die Enden des Blattes 8 sind zwischen jeder Elektrode 12 und
ihrem entsprechenden Gehäuse 10 befestigt.
Der obere Rahmen 4 und der untere Rahmen 6 werden
zusammen befestigt, um den Filterhalter 2 zu sichern. Wenn
die Elektroden 12 an eine geeignete Stromversorgung angeschlossen
sind, fließt
Strom durch das ACF-Blatt 8 rechtwinklig zu der Richtung
der Falten. Eine geringe Energie, im Bereich von 0,3 bis 3,0 Watt/6,45
cm2 (0,3 bis 3,0 Watt/Inch2),
ist notwendig, um das Blatt 8 auf eine Temperatur von bevorzugt ungefähr 93 °C (200 °F) bis ungefähr 316 °C (600 °F), weiter
bevorzugt von ungefähr
121 °C (250 °F) bis ungefähr 204 °C (400 °F), und noch
weiter bevorzugt von ungefähr
149 °C (300 °F), zu erhitzen.
Die Wärme
verursacht die Desorption zuvor adsorbierter Substanzen und die
Regenerierung des Blattes 8. Die Energieversorgung könnte Gleich-
oder Wechselstrom sein, die bevorzugte Ausführungsform verwendet jedoch
die Haushaltsnetzstromversorgung, wie etwa die 120V-Wechselstromversorgung,
die man in Nordamerika vorfindet, oder die 240V-Wechselstromversorgung
in Großbritannien,
so dass die Regenerierung eine schwächere Energieversorgung, wie
etwa die eines Kraftwagenstromsystems, nicht belastet. Nach der
Regenerierung lässt man
das ACF-Filter wieder zur Umgebungstemperatur zurückkehren,
und dann ist es fertig für
weitere Verwendung.
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2 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der ACF-Filteranordnung 2,
bei der ein Blatt aus ACF-Stoff 8 einer Länge, die über die
Länge des
Filterhalters 2 hinausgeht, über und unter Faltstegen 14 gefaltet
wird. Diese Faltstege 14 werden als aus ihrer Betriebsposition
in dem oberen Rahmen 4 entfernt gezeigt.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
einer Filteranordnung 2 mit einem ACF-Blatt 8,
das zwischen einem oberen Rahmen 4 und einem unteren Rahmen 6 gehalten
wird. Gefaltete elektrische Leiter 5 werden bereitgestellt,
um das ACF-Blatt 8 zu berühren, wenn die Anordnung 2 zusammengesetzt
wird, um eine Stromquelle durch das ACF-Blatt 8 bereitzustellen.
Ein gefalteter Glaspapiernetzhalter 16 faltet das ACF-Blatt 8 zusammen mit
den gefalteten Abschnitten 18 des oberen Rahmens und den
gefalteten Elektroden 5, wenn die Anordnung 2 zusammengesetzt
wird. Ein geeigneter Netzhalter kann auch aus anodisiertem Aluminium
gefertigt werden.
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Eine
andere Ausführungsform
eines Filterhalters 2, der zwei ACF-Blätter 8 ohne Falten
enthält,
wird in 4 gezeigt. Die ACF-Blätter 8 sind
durch einen mittleren Rahmen 22 getrennt und werden zwischen
einem oberen Rahmen 4 und einem unteren Rahmen 6 gehalten.
Eine Bodenplatte 24, die einen Einlassadapter in Form eines
Schlauchs 26 durch seine Mitte hindurch aufweist, wird
auf dem unteren Rahmen 6 bereitgestellt. Die oberen und
unteren Rahmen umfassen Kupferelektroden 12. Messingschrauben 28 und
Nylonschrauben 30 halten die Anordnung 2 zusammen,
wobei die Messingschrauben 28 auch als elektrische Anschlussklemmen
dienen.
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Eine
Ausführungsform
einer tragbaren Vorrichtung 32 der Erfindung wird in 6 gezeigt.
Ein Aktivkohlefaser(ACF) Filterhalter, der ein ACF-Blatt (nicht
gezeigt) umfasst, ist auf einem Träger 36 montiert und neben
einem Gebläse 38,
das in einem Gebläselaufrad 40 (Spirale)
untergebracht ist, gesichert. Ein Gehäuse 34 wird bereitgestellt,
um das Gebläse 38 und
die ACF-Filteranordnung 2 einzufassen,
wobei das Gehäuse 34 einen
Sockel 42 umfasst, auf dem das Gebläselaufrad 40 und ein
Gebläsemotor 44 montiert
sind. Das Gehäuse 34 definiert
einen Durchgang mit einer Lufteinlassöffnung 46 und einer
Luftauslassöffnung 48,
wobei das Gebläse 38 und
die ACF-Filteranordnung 2 sich in dem Durchgang zwischen
der Lufteinlassöffnung 46 und der
Luftauslassöffnung 48 befinden.
Die Lufteinlassöffnung 46 wird
von einem elektrostatisch aufgeladenen Polypropylenfilter 50,
z.B. Filtrete® (3M),
abgedeckt, das regelmäßig ersetzt
werden kann. Die Luftauslassöffnung 48 wird
zum Ausgang der gefilterten Luft bereitgestellt, nachdem das Gebläse 38 verbrauchte
Luft durch das Filter gezogen hat. Während der Regenerierung tragen
Konvektionsströme,
die sich aus dem Erhitzen des Filters ergeben, desorbierte Gase
nach oben und durch die Öffnung 46 hinaus.
Ein Steuerbord 52 wird bereitgestellt, um es dem Benutzer
zu ermöglichen,
die hier z.B. mit Bezug auf 5 beschriebenen
Steuersysteme zu bedienen.
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7 zeigt
die Luftströmung
durch die Vorrichtung 32 aus 6 im Betrieb.
Der Gebläsemotor 44 treibt
das Gebläse 38 innerhalb
des Gebläselaufrads 40 an,
um Luft durch das Partikelfilter 50 und den Filterhalter 2,
der das ACF-Blatt 8 (nicht gezeigt) hält, zu ziehen. Die gereinigte
Luft wird dann durch die Luftauslassöffnung 48 gedrückt. Ebenso
gezeigt wird die relative Position des Steuerbords 52,
der Leiterplatte 54 und des 120V-Anschlusses 56.
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Das
Gehäuse 34 wird
aus Pressmasse gefertigt, ebenso wie das Gebläselaufrad 40. Der
Sockel 42 und der Filterrahmenträger 36 werden aus
Blech gefertigt. Es können
andere Materialien verwendet werden, um diese Elemente zweckmäßig herzustellen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Luftreinigungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung (6 und 7),
die sich zur Verwendung z.B. in einem Kraftfahrzeug eignet, umfasst
folgende Systeme.
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Steuersysteme
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Die
elektronischen Steuerungen des regenerierbaren Luftfilters gehören ganz
zu seiner Funktionalität und
Leistung. Die Steuersysteme stellen nicht nur Optionen zur Steuerung
der Gebläsegeschwindigkeit
bereit, sondern überwachen
auch den Gebrauch der Luftreinigungsvorrichtung um sicherzustellen,
dass die Regenerierungsprogramme eingehalten werden. Somit wird die
Filterleistung auf einem optimalen Niveau gehalten, um eine lange
Lebensdauer sicherzustellen. Eine Reihe von einfachen akustischen
und visuellen Anzeigevorrichtungen informieren den Benutzer über den
Status der Luftreinigungsvorrichtung und geben an, wann es Zeit
zur Regenerierung ist. Ein Funktionsschema der Elektronik wird in 5 gezeigt.
Die Funktion des Schaltkreises wird nachstehend beschrieben.
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Elektronik
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Es
gibt zwei Hauptteile der Elektronik, nämlich die Filterungssteuerschaltungen
und die Regenerierungsschaltungen.
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Filterungssteuerschaltungen
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Die
vorliegende regenerierbare Fahrgastraumluftfilter(RCAF) Vorrichtung
kann über
eine 12V-Feuerzeugbuchse eines Kraftwagens oder einen Stromanschluss
mit einem Feuerzeugbuchsenadapter versorgt werden. Der Adapter verfügt über einen
Schalter mit mehreren Stellungen, der es dem Benutzer ermöglicht, den
Strom auszuschalten oder verschiedene Gebläsegeschwindigkeiten zu wählen, wenn
sich die Vorrichtung im manuellen Modus befindet. Die Signale der
Kraftwagenbatteriespannung, der Gebläsegeschwindigkeitssteuerung
und der Masse werden alle der RCAF-Vorrichtung über ein Dreileiterkabel, einen
Leiterstecker und eine Steckdose zugeführt.
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Wenn
die Batteriespannung unter 11 Volt absinkt, hält ein Batteriespannungsmonitor
den Gebläsemotor
an, trennt die Wärmequelle
des Luftqualitätssensors,
hält den
Laufzeitmesser an und schaltet eine "Spannung niedrig"-Anzeigevorrichtung ein. Dadurch wird
verhindert, dass sich die Kraftwagenbatterie entleert, falls die
Vorrichtung lange Zeit angeschaltet bleibt, wenn das Fahrzeug nicht
fährt.
Ein Batterietrennschaltkreis trennt die RCAF-Vorrichtung von dem
12V-System des Kraftwagens,
wenn eine 120V-Quelle angelegt ist, um das Filter zu regenerieren.
Dies schützt
die Fahrzeugbatterie und die Benutzer der Vorrichtung vor Starkstrom, falls
der Stromadapter während
der Regenerierung eingesteckt bleibt.
-
Ein
Manuell/Automatik-Steuerschalter gibt dem Benutzer die Möglichkeit,
die Gebläsegeschwindigkeit entweder
manuell oder automatisch zu steuern. Im manuellen Modus werden die
Gebläsegeschwindigkeit
und die sich ergebende Luftströmung
der RCAF-Vorrichtung durch eine Einstellung an dem 12V-Feuerzeugbuchsenadapter
gesteuert. Im automatischen Modus wird die Gebläsegeschwindigkeit durch einen
Luftqualitätssensor
unabhängig
von der manuellen Einstellung am Adapter gesteuert.
-
Der
Luftqualitätssensor
(Geschwindigkeitssteuerung) umfasst einen Sensor aus Metalloxyd,
wie etwa den FigaroTM TGS-800 (Figaro),
der Schmutzstoffe erfasst und ein Signal erzeugt, das verstärkt und
einem Gebläsemotortreiber
zugeleitet wird, der ein Schaltkreis ist, der die Geschwindigkeit
des Gebläses
steuert. Obwohl derartige Sensoren und Schaltkreise auf verschiedene
Schmutzstoffe unterschiedlich ansprechen, liegt der allgemeine Effekt
darin, die Geschwindigkeit des Gebläsemotors zu steigern, wenn
die Schmutzstoffniveaus steigen. Der Gebläsemotortreiber ist eine Festkörpervorrichtung,
wie etwa ein Stromfeldeffekttransistor, der ein und ausgeschaltet
oder über
ein verstellbares Spannungsniveau auf diverse Geschwindigkeiten
eingestellt werden kann.
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Ein
Laufzeitmesser wird bereitgestellt, der ein Kumulationsfestkörper-Zeitmesser
ist, der die Anzahl der Stunden überwacht,
während
der der Gebläsemotor
läuft.
Wenn der Motor eine vorbestimmte Anzahl von Stunden gelaufen ist,
bevorzugt 120 Stunden, teilen visuelle und/oder akustische Anzeigevorrichtungen
dem Benutzer mit, dass es Zeit ist das Filter zu regenerieren. Diese
gesteuerte Laufzeit erhält
die Fähigkeit
des Filters Gerüche
zu entfernen. Eine Ersatzbatterie in der Vorrichtung wird verwendet,
um den Zählerstand
im Laufzeitmesser zu versorgen und beizubehalten, wenn die RCAF-Vorrichtung
ausgeschaltet oder vom Stromadapter getrennt wird.
-
Regenerierungsschaltungen
-
Ein
120V-Wechselstromsignal von einer Netzversorgung wird von der Regenerierungs-Gleichstromversorgung
in 12V-Wechselstrom für
einen Regenerierungszeitmesser und Filtertreiberschaltungen gewandelt.
Eine ähnliche
schwache 12V-Gleichstromversorgung wird verwendet, um die Batterietrennschaltungen
zu erregen, wenn die 120V-Wechselstromversorgung
angeschlossen ist.
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Es
wird ein Festkörper-Regenerierungszeitmesser
verwendet, um die Dauer des Regenerierungszyklus zu steuern, die
bei der bevorzugten Ausführungsform
von 6 ungefähr
30 Minuten lang ist. Bei Vorrichtungen, die eine Regenerierungstemperatur
aufweisen, die niedriger als 149 °C
(300 °F)
ist, ist dieser Zyklus länger.
Der Regenerierungsschaltkreis hat keinen An/Aus-Schalter sondern
wird automatisch zurückgesetzt und
startet jedes Mal, wenn die Vorrichtung in eine 120V-Wechselstromversorgung
eingesteckt wird, was den Filtertreiberschaltkreis und die "In Betrieb"-Anzeigevorrichtung einschaltet, bis
die Zeit abgelaufen ist. Ist sie abgelaufen, so wird die "Bereitschaft"-Anzeigevorrichtung eingeschaltet und
ein Rücksetzimpuls
wird an den Laufzeitmesser gesendet, wodurch die Regenerierungsplanung
und -zeitmessung automatisiert wird, um eine gleich bleibende Leistung
der Filtervorrichtung sicherzustellen.
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Der
Filterstromtreiber schaltet das 120V-Wechselstromsignal für das Filter
ein und aus. Die Ausgabe von dem Filterstromtreiber wird durch eine
variable dimmerartige Spannungssteuerung abgegeben, um das Hochspannungssignal
auf 50 Volt zu verstellen, was zu einer Filtertemperatur von 149 °C (300 °F) führte. Ein Wärmeschutz
von der Art Elmwood Sensors DXXX wird mit den Filterstromanschlüssen in
Reihe geschaltet und in unmittelbarer Nähe des Filters angeordnet.
Wenn ein Problem bei der RCAF-Vorrichtung auftritt, das zu einem Überhitzen
des Filters bis auf eine gefährliche
oder selbst zerstörerische
Temperatur führt, öffnet sich der
thermische Auslöser
und trennt den Strom für
das Filter ab.
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Alternative Schaltungen
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Eine
Alternative zu den oben beschriebenen Blöcken der Schaltkreise aus getrennten
Bestandteilen ist ein auf einem Mikroprozessor basierender Schaltkreis.
Ein Mikroprozessor ist in der Lage, alle oben beschriebenen Steuerfunktionen
mit einem Chip, ein paar externen Bestandteilen und Anzeigevorrichtungen
zu übernehmen.
Wird ein Mikroprozessor mit nicht flüchtigem Speicher auf der Karte
gewählt,
dann ist die Batteriereserve nicht notwendig, um den Laufzeitzählerstand
beizubehalten. Die Verwendung eines derartigen Schaltkreises im
Gegensatz zu dem standardmäßigen Schaltkreis
mit getrennten Bestandteilen würde
zu einem einfacheren, kleineren, anpassungsfähigeren und weniger kostspieligen
Steuersystem führen.
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Obwohl
eine Ausführungsform
mit Bezug auf 6 und 7 ausführlich beschrieben
wurde, wird man verstehen, dass die Erfindung auf viele verschiedene
Weisen ausgeführt
werden kann.
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10 ist
eine Grafik, welche die Durchgangsmenge eines Schadstoffes (Toluol)
durch das Filter als Funktion der Zeit zeigt. Sie zeigt die hohe
Wirksamkeit der ACF-Folie, wenn 200 ppm Toluol und 40 Feuchtigkeit
vorliegen, und die anschließende
Abnahme der Wirksamkeit mit zunehmender Sättigung. Während der ersten 20 Minuten
gab es keinen erfassbaren Durchgang von Toluol, d.h. das gesamte
Toluol wurde adsorbiert. Die Regenerierung, die zwischen den Reihen
1 und 2 erfolgte, erwies sich ebenfalls als erfolgreich, indem die Wirksamkeit
wie in den Ergebnissen der Reihe 2 gezeigt zurück gewonnen wurde.
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Die
Regenerierung kann zufrieden stellend bei ungefähr 149 °C (300 °F) oder mehr ausgeführt werden.
Bevorzugt beträgt
die in dem Filter verwendete Temperatur ungefähr 149 °C (300 °F). Es stellte sich heraus,
dass die Energie, die erforderlich ist, um das Filter aus 1 widerstandsmäßig auf
149 °C (300 °F) zu erhitzen,
ungefähr
25 Watt beträgt.
Mit einer 50V-Klemmenspannung
am Filter, beträgt
die Stromentnahme etwa 0,5 A. Andere Ausführungsformen können unterschiedliche
Energieanforderungen haben, die leicht zu bestimmen sind.
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Neben
einer Wärmeerzeugung,
die einen elektrischen Widerstand verwendet, in 1 als
ein Paar Elektroden ausgeführt,
die sich in der Phase des ACF-Blattes erstrecken, darauf beabstandet
sind und an eine geeignete Stromversorgung (nicht gezeigt) angeschlossen
sind, ist auch eine Strahlungswärmequelle
möglich. Bei
einer derartigen Strahlungswärmequelle
muss darauf geachtet werden, die Wärme gleichmäßig auf dem ACF-Blatt zu verteilen.
Bei einer Ausführungsform
der Erfindung, die Teil eines HLK eines Kraftfahrzeugs ist, kann
die Wärmequelle
eine Strahlungswärmequelle
neben dem Filter sein, wie etwa Rohrleitungen, die an ein Fahrzeugmotorkühlsystem
angeschlossen sind, das die eigene Heizkapazität des Fahrzeugsmotors verwendet,
wenn dieser läuft.
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Es
ist möglich,
das ACF-Blatt zu erhitzen, indem man sowohl Widerstandsheizung in
dem ACF-Blatt als auch Strahlungswärme aus einer benachbarten
Quelle verwendet. Ein wichtiger Faktor beim Erhitzen des ACF-Blattes ist es, gleichmäßige Wärme über das
Blatt bereitzustellen.
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Es
ist möglich,
das ACF-Filter und das Gebläse
zu integrieren, indem man mindestens einen Teil einer inneren Fläche des
Gebläselaufrads
mit ACF-Stofffolie abdeckt und sie zum Regenerieren anpasst. Dies
ist z.B. möglich,
indem Elektroden auf dem ACF-Blatt wie hier besprochen bereitgestellt
werden.
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Ein
Steuerbord kann auf dem Gehäuse
bereitgestellt werden, um den Benutzern bei der Eingabe der Einstellungen
und der Überwachung
des Status der Vorrichtung zu helfen. Bei der Ausführungsform
aus 6 wird eine Reihe einfacher akustischer und visueller
Anzeigevorrichtungen in das Steuerbord eingebaut, um den Benutzer über den
Status der Vorrichtung zu informieren und anzugeben, wann es Zeit
zum Regenerieren ist. Die akustische Anzeigevorrichtung kann ein
Summer oder eine Klingel oder dergleichen sein. Visuelle Anzeigevorrichtungen
können
Leuchten oder LED oder andere derartige optische Anreger sein.
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Obwohl
in 5 ein 12V-Feuerzeugbuchsenadapter als Anschluss
gezeigt wird, um das Gebläse
zu versorgen, könnte
der Anschluss zum Anschluss an eine Netzstromversorgung, wie etwa
120V-Wechselstrom in Nordamerika oder 240 V in Europa, oder an eine
Batterie gedacht sein. Es werden auch Anschlussmittel in Betracht
gezogen, die einen Anschluss für
mindestens zwei der oben angegebenen Stromquellen aufweisen, zusammen
mit einem Schalter, um die Wahl eines geeigneten Anschlusses für eine gewählte Stromversorgung zu
ermöglichen.
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Ein
geeigneter Motor für
das Gebläse 38 ist
ein Modell RER125/12NG (EBH/PAPST) mit einem Durchmesser von 13,7
cm (5,4 Inch), das ungefähr
1,4 m3 (50 Kubikfuß) pro Minute bei eingesetztem
Filter bewegen kann. Bei diesem Leistungsgrad wird ein 1,68 m3 (60 Kubikfuß) großer Wageninnenraum in wenigen
Minuten gereinigt. Der Motor ist bürstenlos und verfügt über nach
hinten gekrümmte
Gebläseflügel, die
für ruhiges
Laufen und eine lange Lebensdauer sorgen.
-
In 8 wird
ebenfalls eine Ausführungsform
einer tragbaren oder integrierten Filtervorrichtung in Betracht
gezogen, bei welcher der Filterhalter in Form eines Einsatzes 58 vorliegt
und abnehmbar in einem Steckplatz in dem Gehäuse 34 auf luftdichte
Art und Weise montiert ist. Der Einsatz 58 ist dazu geeignet,
nach der Entnahme in eine getrennte Regenerierungseinheit (9)
eingefügt
werden zu können,
die eine elektrische Stromversorgung enthält, die vorstehende Elektroden 64 berührt und
das ACF-Blatt regeneriert, wenn Strom fließt. Es können z.B. elastische Klammern
auf dem Einsatz 58 bereitgestellt werden, um den Einsatz 58 in
der Vorrichtung zu montieren. Eine luftdichte Dichtung kann z.B.
durch eine flexible Gummidichtung bereitgestellt werden, die an
der Vorrichtung befestigt wird und in den Steckplatz gerichtet ist,
der den Einsatz 58 berührt, wenn
er in dem Steckplatz montiert ist.
-
Mit
Bezug auf die hier offenbarten Ausführungsformen der Luftreinigungsvorrichtung
der Erfindung wäre
es für
den Fachmann offensichtlich, dass gewisse Elemente durch andere
Elemente ersetzt werden können,
welche die notwendigen Funktionen ausführen. Z.B. müssen die
oberen und unteren Rahmen 4 und 6 des Filterhalters 2 in
der Lage sein, den Regenerierungstemperaturen standzuhalten und
werden aus einem auf Epoxydharz basierenden Polymer, einem Phenoplast
oder Polytetrafluorethylen (PTFE) hergestellt, obwohl andere Substanzen,
welche die erforderlichen Eigenschaften bereitstellen, verwendet
werden können.
-
Obwohl
die Elektroden aus Kupfer gefertigt werden, gibt es natürlich viele
andere leitfähige
Materialien, die verwendet werden können.
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Obwohl
Schrauben verwendet werden, um den Filterhalter 2 zu befestigen,
können
beliebige geeignete Befestigungsmittel (z.B. Nieten, elastische
Klammern, Klebstoff, usw.) verwendet werden.
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Ergebnisse
-
Die
Vorrichtung aus 6 wurde in drei Kategorien geprüft: Schmutzstoffentfernungsrate,
Belastbarkeit und Regenerierungsfähigkeit. Die Wirksamkeit des
Filters in diesen Kategorien wurde mit den Schmutzstoffen Toluol
und Pentan geprüft.
Ausgewählte
Prüfungen
wurden auch mit Schwefeldioxid, n-Butan und Isobutan durchgeführt.
-
Die
Experimente wurden innerhalb einer luftdichten Prüfzelle aus
Acryl (510 L/0,5 m3 (510 L/18,01 ft3)) vorgenommen. Die Zelle wurde mit einer
Einspritzöffnung,
einem internen Luftumwälzgebläse, einer
Versorgungsschiene, einem 12V-Wechselstromadapter, einem Thermoelement
mit Digitalausgabe und einem Auslassvakuum zu einer nahe liegenden
Abzugshaube ausgestattet. Es wurden Dichtheits- und natürliche Auflösungsprüfungen mit
jedem Schmutzstoff vorgenommen, und die natürliche Auflösungsrate erwies sich in jedem
Fall als unbedeutend.
-
Mit
einem eingesetzten ACF-Filter (Kuractive 700-15, 1500 m
2/g)
wurde der Volumendurchfluss der Vorrichtung bei verschiedenen Gebläseeinstellungen
(12 und 14,5V-Wechselstromversorgung)
gemessen. Unter Verwendung eines großen Plastikbeutels bekannten
Rauminhalts und einer Stoppuhr wurden die Durchflüsse für die niedrigen,
mittleren und hohen Gebläseeinstellungen berechnet. 12V-Wechselstromversorgung
| Niedrig | 15,4
CFM/43,3 L/Min. |
| Mittel | 24,9
CFM/704,6 L/Min. |
| Hoch | 27,9
CFM/791,7 L/Min. |
14,5V-Wechselstromversorgung
| Niedrig | 16,8
CFM/475,7 L Min. |
| Mittel | 28,6
CFM/809,9 L/Min. |
| Hoch | 32,7
CFM/927,3 L/Min. |
- CFM
- = Kubikfuß pro Minute
-
Diese
Werte wurden bei allen Berechnungen verwendet, wobei die Einheit
für alle
Prüfungen über 12V-Wechselstrom versorgt
wurde. Ein zwanzigminütiger
Regenerierungszyklus, der eine Höchsttemperatur von
153 °C (308 °F) erreichte,
wurde für
die meisten Prüfungen
verwendet.
-
Die
Menge des in der Prüfkammer
vorliegenden Schmutzstoffes wurde im ppm-Bereich gehalten und wurde
ständig
unter Verwendung eines FT-IR Systems der MIDAC Reihe I (MIDAC Corporation,
Irvine, Kalifornien) überwacht.
Es wurde angenommen, dass das interne Umwälzgebläse eine gleichförmige Konzentration
des gasförmigen
Schmutzstoffes beibehalten würde.
Bekannte Mengen von flüssigem
Toluol und Pentan wurden in die Prüfkammer eingespritzt, wo sie
schnell verdampften.
-
Bekannte
Volumina von n-Butan, Isobutan und Schwefeldioxid wurden dem System
in der Gasphase hinzugefügt.
-
Um
die Schmutzstoffentfernungsrate durch die Filtervorrichtung zu prüfen, wurde
das Gebläse
aktiviert, nachdem die Konzentration an Schmutzstoffen in der Kammer
ein Gleichgewicht erreicht hatte. Das Gebläse wurde ausgeschaltet, als
die Schmutzstoffkonzentration aufhörte, sich zwischen den Abtastintervallen (10s)
wesentlich zu ändern
(> 0,5 der ursprünglichen
Konzentration). Die Einheit wurde dann außerhalb der Zelle regeneriert
und auf Umgebungstemperatur abgekühlt, bevor mit der nächsten Prüfung fort
gefahren wurde.
-
Um
die Belastbarkeit der Filtervorrichtung zu prüfen, wurde der Schmutzstoff
in bekannten Mengen in die Kammer eingespritzt, es wurde ein Konzentrationsgleichgewicht
erreicht, und anschließend
wurde das Gebläse
(auf Hoch) eingeschaltet. Sobald die Konzentration des Schmutzstoffes
aufhörte,
sich zwischen den Abtastintervallen (10s) wesentlich zu ändern (> 0,5 % der ursprünglichen
Konzentration), wurde das Gebläse
ausgeschaltet und es wurde noch mehr von demselben Schmutzstoff
eingeführt.
Dies ging weiter, bis die Einheit es nicht mehr schaffte, die Konzentration
des Schmutzstoffes auf ein angebrachtes Niveau (unterhalb 100 ppm)
zurückzubringen.
-
Analyseverfahren
-
Es
wurde ein Pseudomodell erster Ordnung verwendet, um die Geschwindigkeitskonstante
(Kad) für die
Entfernung des Schmutzstoffes zu berechnen. Dieser Wert wurde bestimmt,
indem die negative Neigung des natürlichen Logs der Schmutzstoffkonzentration
während
des Adsorptionszyklus berechnet wurde, als das Gebläse angeschaltet
war. Die Reinluftförderrate
(CADR) wurde dann durch Multiplizieren der Geschwindigkeitskonstante mit
dem Volumen der Prüfkammer
berechnet. Die Wirksamkeit der Filtervorrichtung bei der Reinigung
der verbrauchten Luft innerhalb der Prüfkammer wurde durch Teilen
der CADR durch den Durchfluss der Filtervorrichtung bei dieser spezifischen
Gebläseeinstellung
berechnet.
-
Ergebnisse der Prüfungen der
Entfernungsrate Prüfung
der Entfernungsrate: Toluol
-
Es
wurde Toluol als Prüfschmutzstoff
für die
Filtervorrichtung verwendet. Drei Prüfungen der Entfernungsrate
wurden bei jeder Gebläseeinstellung
ausgeführt.
Mit zunehmender Gebläsegeschwindigkeit
stieg die CADR leicht an, was darauf schließen lässt, dass die Filterwirksamkeit
bei hohen Gebläsegeschwindigkeiten
niedriger ist. Die Ergebnisse der Untersuchung der Entfernungsrate
für Toluol
zeigt die Tabelle 1. Ein Diagramm Konzentration gegen Zeit zeigt 11.
-
Prüfung der Entfernungsrate: Pentan
-
Es
wurde auch Pentan als Prüfschmutzstoff
für die
Filtervorrichtung verwendet. Die Gebläsegeschwindigkeit hatte eine
minimale Auswirkung auf die Entfernungsrate. Eine 80%ige Erhöhung des
Durchflusses führte
zu einer annähernden
Erhöhung
der CADR von nur 5 %. Die Ergebnisse der Untersuchung der Entfernungsrate
für Pentan
zeigt die Tabelle 1. Ein Diagramm Konzentration gegen Zeit zeigt 12.
-
Die
Prüfschmutzstoffe
n-Butan und Schwefeldioxid wurden ebenfalls unter Verwendung der
oben beschriebenen Verfahren untersucht. Die Ergebnisse sind ebenfalls
in der Tabelle 1 enthalten.
-
-
Ergebnisse der Prüfung der
Filterregenerierung Regenerierungszyklus
-
Die
Regenerierungsfähigkeit
des ACF-Filters wurde während
der Prüfungen
der Entfernungsrate und der Belastbarkeit überwacht. 13 zeigt
das Diagramm Temperatur gegen Zeit an der ACF-Filteroberfläche während eines
zwanzigminütigen
Regenerierungszyklus. Alle Regenerierungszyklen, die in dieser Prüfreihe verwendet
wurden, dauerten zwanzig Minuten mit einem Höchsttemperaturziel von ungefähr 149 °C (300 °F).
-
Als
die Prüfung
mit Toluol und Pentan ausgeführt
wurde, wurde fast der gesamte adsorbierte Schmutzstoff während des
Regenerierungszyklus aus dem Filter desorbiert. Die Ergebnisse der
Prüfungen
der Regenerierungswirksamkeit zeigen 14 (Toluol)
und 15 (Pentan). Nach dem Regenerierungszyklus wurde die Schmutzstoffkonzentration
auf ihr ursprüngliches
Niveau zurückgebracht.
Die Filtervorrichtung wurde mehr als 50mal ohne wesentliche Anzeichen
von Verschlechterung außer
einer gewissen Verfärbung
des inneren Filters durch Wärmeexposition
regeneriert (20). Für die meisten Zyklen wurde
vor der Regenerierung eine bestimmte Menge von VOC absorbiert. Es
gab ein paar Zyklen, bei denen um die Filterkapazität zu prüfen, das Filter
vor der Regenerierung gesättigt
wurde.
-
Prüfung der Schmutzstoffrückstände
-
Nachdem
die Filtervorrichtung voll geladen wurde, wurden die auf dem Filter
verbleibenden Schmutzstoffrückstände nach
einem Regenerierungszyklus untersucht. Nachdem die Einheit auf Umgebungstemperatur
abgekühlt
war, wurde sie wieder in die Prüfkammer
gesetzt. Die Einheit wurde dann ein zweites Mal regeneriert, während die
Schmutzstoffkonzentration durch das FT-IR-System überwacht
wurde.
-
Nach
der Adsorption und Regenerierung von ungefähr 1,4 g Toluol gab das Filter
bei der zweiten Regenerierung eine Rückstandsmenge von ungefähr 90 mg
Toluol ab. Das Filter adsorbierte ungefähr 0,6 g Pentan während der
Belastbarkeitsprüfung
und gab dann bei der zweiten Regenerierung eine Rückstandsmenge von
ungefähr
5 mg Pentan ab.
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Untersuchungen
von Regenerierung und Temperatur Die Filtervorrichtung wurde auch
für VOC-Rückhaltung
bei hohen Temperaturen bewertet. Zunächst wurde ein Temperatur/Spannungs-Verhältnis für die Filtervorrichtung
erstellt (
16). Dann wurde Toluol oder
Pentan bei verschiedenen Lasten in das Filter eingeführt und
absorbiert. Das Filter wurde dann auf voreingestellte Temperaturen,
die man in einem Kraftwagen erfahren kann (d.h. 38 °C bis 66 °C (100 bis
150 °F)),
erhitzt und konnte sich dann ausgleichen. Die Dampfkonzentration
wurde dann gemessen und mit der Gesamtlast verglichen. K
d stellt das Molverhältnis des VOC in der Dampfphase
zu dem auf dem Filter adsorbierten dar. Die Ergebnisse zeigt die
Tabelle 2. Tabelle
2
- Molverteilungskonstanten (Kd)
für ACF-Filter
-
Die
obige Tabelle erläutert,
dass, obwohl die Fähigkeit
des ACF-Filters, VOC zurückzuhalten,
sehr temperaturabhängig
ist, sie nur wenig lastabhängig
ist.
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Lebensdauer
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Das
ACF-Filter erbrachte gleich bleibende Leistung in mehr als 60 Adsorptions-
und Desorptionszyklen. Das Filter blieb in gutem Zustand mit nur
einer geringen Verfärbung
der Faltstege.
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Druckabfallvergleich
-
Der
Druckabfall verschiedener Formen von Aktivkohle wurde gemessen und
mit ACF verglichen. Die verwendeten Materialien waren 125 g/m2 ACF, 375 g/m2 Grießkohle auf
einem Plastiknetz und 1750 g/m2 Verbundmaterial,
das aus Grießkohle
und einem Urethanbindemittel bestand. Alle Materialien wurden bei
einer Einströmungsgeschwindigkeit
von 1 m/s in flacher Form geprüft.
Wie in 17 gezeigt, haben die Grießkohlematerialien Druckabfälle von
bis zu 60 % mehr als die ACF auf einer Basis pro Flächeneinheit.
Das Falten des ACF-Blatts wird den Druckabfall weiter reduzieren,
wenn man die Materialien auf Volumenflussbasis vergleicht.
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Vergleich der Gasentfernungswirksamkeit
-
Die
gleichen Materialien, die für
den Druckabfallvergleich verwendet wurden, wurden auch zum Vergleichen
der Gasentfernung verwendet. Bei einem Vergleich wurden 60 mm × 60 mm
große
flache Proben gegen n-Butan bei einer Konzentration von 80 ppm und
einem Fluss von 0,14 m/s geprüft.
Wie in 18 gezeigt, haben die Grießkohle und
Verbundkohlenstoffe höhere
Gasentfernungswirksamkeiten als ACF, auf der Basis gleichflächiger flacher
Proben. Da das ACF jedoch flexibel ist, kann es gefaltet werden.
Deshalb erhöht
gefaltete ACF-Folie die Kohlenstoffmenge in einem Filter, wodurch
die Gasentfernungswirksamkeit gesteigert wird. Vergleicht man die
ACF mit Grießkohle
oder Verbundkohlenstoffmaterial pro Gramm, so sind die ACF wirksamer
(siehe 19).