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Diese
Erfindung betrifft eine Luftreinigungsvorrichtung und insbesondere,
aber nicht ausschließlich,
eine Luftreinigungsvorrichtung, die Ozon erzeugt.
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Mit
Luftreinigungsvorrichtung meint man eine Vorrichtung, die benutzt
werden kann, um die Qualität
der Luft durch Entfernen von mindestens einem Teil der Verunreinigungssubstanzen,
Geruchsstoffe, Schwebstoffe, Bakterien und/oder dergleichen aus
der Luft zu verbessern. Eine derartige Vorrichtung kann verwendet
werden, um Abgase von Kraftfahrzeugen und von anderen umweltbelastenden Prozessen
zu reinigen, für
Sterilisierungszwecke in „sauberen" Herstellungsanlagen,
Krankenhäusern, Lebensmittellagerbereichen
und -herstellungsbereichen, usw.
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Es
ist bekannt, dass die Einführung
von Ozon in die Luft, typischerweise durch eine elektrische Erzeugung
von Ozon, als eine Möglichkeit
zur Reinigung der Luft angewandt werden kann. Ozon ist für Bakterien
und Mikroorganismen giftig und oxidiert ebenfalls viele organische
Verbindungen, die in Geruchsstoffen vorhanden sein können; jedoch,
da Ozon ebenfalls für
die Menschen giftig ist, hat seine Verwendung als ein Luftreiniger
eine begrenzte Anwendung.
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Konventionell
werden Ozonisatoren betätigt, indem
die „stille
Entladung" oder
das „dielektrische Sperrprinzip" angewandt wird,
um Sauerstoff in Ozon umzuwandeln. Bei derartigen Erzeugern ist
das Einsatzmaterial typischerweise Sauerstoffgas, weil die Verwendung
von Luft in einer konventionellen Vorrichtung zur Herstellung von
unerwünschten
Endprodukten führen
kann, wie beispielsweise Oxiden des Stickstoffes (z.B. NOx). Die Verwendung von Luft als ein Einsatzmaterial
kann jedoch bei Verwendung der Erzeuger des dielektrischen Sperrtyps
erfolgen, vorausgesetzt, dass sie mit einer hohen Frequenz betätigt werden.
Vorrichtungen mit einer derartigen hohen Frequenz weisen zwei Elektroden
auf, die einen Spalt zwischen sich aufweisen, wobei Luft durch den Spalt
geführt
wird, so dass die elektrische Entladung über die Elektroden bewirkt,
dass der Sauerstoff in der Luft in Ozon umgewandelt wird. Diese
Vorrichtungen weisen im allgemeinen sehr schmale Spalten zwischen
den Elektroden auf und bieten daher einen beträchtlichen Widerstand gegen
den Luftstrom durch die Vorrichtung, wodurch erforderlich ist, dass eine
Pumpe den Luftstrom liefert.
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Wenn
derartige Vorrichtungen bei Luftreinigungsanwendungen eingesetzt
werden, müssen
sie im allgemeinen über
eine lange Zeitdauer (beispielsweise über Nacht) in Betrieb bleiben,
so dass genügend
Luft durch die Elektroden hindurchgehen kann, um in Ozon umgewandelt
zu werden. Die Konzentrationen des erzeugten Ozons können ziemlich
hoch sein, und es ist daher erforderlich, einen Zugang zu dem Bereich
zu verhindern, der gereinigt wird. Konventionelle Vorrichtungen
können
daher nur in abgesperrten Räumen
eingesetzt werden, die leicht kontrolliert werden können.
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Das
GB-A-2296172 offenbart einen Ozonisator mit dielektrischen Abstandshaltern
zwischen den Elektroden. Die Abstandshalter halten den Abstand zwischen
den Elektroden aufrecht, was wichtig ist, da der Druck zwischen
den Elektroden auf über den
atmosphärischen
Druck angehoben werden kann, was bewirkt, dass sich die Elektroden
krümmen
oder verziehen. Der Spalt zwischen den Elektroden liegt in der Größenordnung
von einigen Millimetern oder weniger, um dabei zu helfen, die Spannung zu
verringern, die für
das Bewirken einer Koronaentladung erforderlich ist. Bei bestimmten
Ausführungen werden
ein offener dielektrischer Schaumstoff, ein dielektrisches Elementarfadenmaterial
oder unregelmäßig beabstandete
dielektrische Teilchen im Elektrodenspalt um die Abstandshalter
herum angeordnet, um eine Impedanz gegen den Gasstrom durch den
Elektrodenspalt zu bewirken, so dass der Gasstrom zwischen den Elektroden und
daher die Koronaentladung gleichmäßig ist. Der Luftstrom durch
die Vorrichtung ist nicht stark genug, dass die Vorrichtung als
eine Luftreinigungsvorrichtung verwendet werden kann.
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Die
bekannten Vorrichtungen neigen ebenfalls oftmals zur Überhitzung,
was den Wirkungsgrad der Ozonerzeugung verringert, da sich Ozon
oberhalb etwa 50 °C
thermisch abbaut und ein Versagen der Entladungselektrodenanordnung
infolge einer Verzerrung, wie beispielsweise eines Krümmens oder
Verziehens, hervorrufen kann.
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Aus
dem
US 3654126 ist bekannt,
dass ein Wirbelbett eines Dielektrikums verwendet wird, wie beispielsweise
Sand, um eine Abkühlung
der Elektroden zu bewirken, und um dadurch den Wirkungsgrad der
Ozonerzeugung zu erhöhen.
Der Sand wird durch eine hohe Geschwindigkeit des Gasstromes fluidisiert,
der zwischen den Elektroden passiert. Die bei dieser früheren Veröffentlichung
beschriebene Vorrichtung ist jedoch groß, kostspielig und mechanisch
kompliziert. Sie ist daher nicht für eine Verwendung bei Luftreinigungsanwendungen
geeignet.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Luftreinigungsvorrichtung
bereitzustellen, die einige oder alle der bei den Vorrichtungen
nach dem bisherigen Stand der Technik erwähnten Probleme verhindert oder
mildert.
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Entsprechend
einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung
für die
Reinigung von Luft bereitgestellt, die aufweist: zwei Elektroden
mit einem dielektrischen Material dazwischen; und eine Einrichtung
für das
Anlegen einer Potentialdifferenz über die Elektroden, worin die
Elektroden luftdurchlässig
sind, und worin das dielektrische Material eine Dielektrizitätskonstante
von weniger als 20 aufweist und in der Form eines luftdurchlässigen Festbettes
vorliegt, und worin eine Einrichtung für das Bereitstellen eines Luftstromes
durch eine Elektrode, über
das Festbett aus dielektrischem Material und durch die andere Elektrode
bereitgestellt wird.
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Entsprechend
einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren
zum Reinigen von Luft bereitgestellt, das das Führen der Luft durch eine luftdurchlässige Elektrode,
ein luftdurchlässiges Festbett
aus dielektrischem Material, worin das dielektrische Material eine
Dielektrizitätskonstante
von weniger als 20 aufweist, und eine zweite luftdurchlässige Elektrode
aufweist, während
eine Potentialdifferenz über
das Bett angelegt wird, um den Sauerstoff in der Luft in Ozon umzuwandeln.
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Der
Begriff „Festbett" soll ein Material
beschreiben, das sich zwischen den Elektroden erstreckt, so dass
es sich nicht bei der normalen Benutzung der Vorrichtung bewegt,
das aber luftdurchlässig
ist, so dass Luft durch die darin vorhandenen Spalten strömen kann.
Der Begriff soll unter anderem ein Bett aus einzelnen Teilchen,
einem Schaumstoff, einem schwammartigen Gefüge und ein Bett aus länglichen
Elementen, wie beispielsweise Elementarfäden, einschließen, die
in einer Kontaktbeziehung mit Luftspalten dazwischen angeordnet
sind.
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Die
Erfindung bewirkt, dass Luft durch die luftdurchlässigen Elektroden
und das dielektrische Material vorzugsweise in einer Richtung parallel
zum angelegten elektrischen Feld strömt, wodurch der Luftstrom durch
die Vorrichtung im wesentlichen verstärkt wird. Das bedeutet, dass
ein einfaches Gebläse
verwendet werden kann, um Luft durch die Vorrichtung zu drücken, eher
als eine kostspielige Luftpumpe. Die Luftreinigungsvorrichtung der
vorliegenden Erfindung erzeugt daher Ozon bei einem hohen Volumen
des Luftstromes, aber in niedrigen Konzentrationen, wobei die Probleme
des Überschreitens der
Toxizitätspegel
in „besiedelten" Gebieten eliminiert
werden.
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Das
Abkühlen
der Vorrichtung, das den Wirkungsgrad der Ozonerzeugung erhöht, wird
durch die Anwendung eines starken Luftstromes durch die Vorrichtung
bewirkt, was bei einem festen undurchlässigen dielektrischen Material
und ohne die Notwendigkeit der Fluidisierung eines Teilchenbettes, wie
es beim bisherigen Stand der Technik beschrieben wird, nicht möglich ist.
Das Abkühlen
wird auf diese Weise ohne eine kostspielige und voluminöse Fluidisierungsvorrichtung
oder Luftpumpen oder Kühlwasser
zustande gebracht.
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Die
Verwendung des Festbettes gestattet ebenfalls, dass die Entladung
an Kontaktpunkten des Dielektrikums erfolgt (wenn das Dielektrikum
in der Form von einzelnen Teilchen vorliegt), so dass die Entladung über die
Elektroden gleichmäßig ist.
Im Ergebnis dessen kann der Abstand zwischen den Elektroden vergrößert werden,
verglichen mit Vorrichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik,
wodurch ein stärkerer
Luftstrom durch die Vorrichtung gestattet wird. Das Festbett verringert
das Niveau der luftübertragenen
Verunreinigungssubstanzen (insbesondere Partikel, wie beispielsweise
Rauch, Staub, Ruß,
usw.; Aerosole; und Bakterien) durch elektrostatische Entstaubung
und durch die chemischen Prozesse der Ozonolyse, Oxidation und Sterilisation und
dadurch, dass Teilchen infolge einer elektrischen Entladung an den
Kontaktpunkten des Dielektrikums weggebrannt werden.
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Die
Elektroden können
aus einer Metallgaze oder -sieb gebildet werden. Geeignete Metalle
umfassen Stahl und Nickel.
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Das
dielektrische Material kann irgendein geeignetes Material sein,
aber ist vorzugsweise Glas. Die Verwendung eines Materials mit einer
ziemlich niedrigen Dielektrizitätskonstanten,
wie beispielsweise Glas, gestattet Kosteneinsparungen gegenüber dielektrischen
Materialien mit einer höheren
Dielektrizitätskonstanten,
während
dennoch gestattet wird, dass die Vorrichtung für eine Verwendung bei Lufteinigungsanwendungen
ausreichend wirksam ist. Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder irgendein
anderes geeignetes Dielektrikum (Zirconiumdioxid, Saphir, usw.)
könnten
anstelle von Glas verwendet werden.
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Vorzugsweise
wird das dielektrische Material aus einem Bett aus einzelnen Körpern in
einer Kontaktbeziehung gebildet. Die einzelnen Körper sind vorzugsweise Teilchen,
vorzugsweise regelmäßig geformte
Teilchen und mehr bevorzugt Kügelchen. Der
Durchmesser der Kügelchen
beträgt
vorzugsweise etwa 1 mm bis 6 mm. Glaswolle, Splitter oder extrudierter
Schaumstoff könnten
anstelle der Kügelchen
verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Luftdurchlässigkeit
beibehalten wird, und dass die Elemente des dielektrischen Materials
in einer Kontaktbeziehung sind, obgleich regelmäßig beabstandete Kügelchen
einen Vorteil darin liefern, dass ein besserer Luftstrom durch das
dielektrische Bett gestattet wird.
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Die über die
Elektroden angelegte Potentialdifferenz kann Vpk-pk =
10-20 kV und 10-15 kHz betragen, obgleich eine Spannung, wie beispielsweise eine
Netzspannung mit 50 Hz oder 60 Hz, angewandt werden könnte.
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Eine
Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird jetzt als Beispiel mit Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, die zeigen:
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1 eine
auseinandergezogene schematische Schnittdarstellung eines Luftreinigers
entsprechend der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine
schematische perspektrivische Darstellung einer Füllkörperelektrode
entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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Mit
Bezugnahme auf die Zeichnungen wird ein Luftreiniger 1 veranschaulicht,
der ein Gebläse 2 in
einem Gehäuse 3,
stromabwärts
davon einen Abstandshalter 4 und Haltegitter 5 und 6 aufweist.
Ein Granulatbett 7 ist zwischen den Haltegittern angeordnet,
so dass das Gitter 5 stromaufwärts und das Gitter 6 stromabwärts vom
Granulatbett 7 ist. Elektroden 8, 9 sind
ebenfalls vorhanden, wobei sich die Elektrode 8 zwischen
dem Haltegitter 5 und dem Granulatbett 7 befindet,
wobei sich die Elektrode 9 zwischen dem Haltegitter 6 und
dem Granulatbett 7 befindet.
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Das
Gebläse 2 und
das Gehäuse 3 können von
irgendeiner geeigneten Ausführung
sein. Bei Versuchen wurde ein 240-Volt Gebläse in einem Gehäuse 3 mit
quadratischem Querschnitt mit Abmessungen von 120 mm × 120 mm
verwendet. Der Abstandshalter 4 kann ein Perspex (RTM)
sein und sollte vorzugsweise die gleichen Querschnittsabmessungen
wie das Gebläsegehäuse 3 aufweisen.
Ein Abstandshalter mit Außenabmessungen
von 120 mm × 120
mm mit einer Innenaussparung von 95 mm × 95 mm und einer Dicke von
1,8 cm wurde erfolgreich bei den Versuchen eingesetzt.
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Die
Haltegitter 5 und 6 bestehen aus einem Kunststoffmaterial
mit den gleichen Querschnittsabmessungen wie das Gebläsegehäuse 3 und
der Abstandshalter 4. Die Haltegitter sollen eine Verstärkung für das Granulatbett 7 bewirken
und müssen
so viele Löcher
wie möglich
aufweisen, um einen guten Luftstrom durch die Vorrichtung zu bewirken,
müssen aber
eine ausreichende Steifigkeit beibehalten, um die erforderliche
Verfestigung des Granulatbettes 7 zu bringen.
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Das
Granulatbett 7 weist zwei Gazeelektroden 8, 9 auf,
die durch einen Perspex (RTM)-Abstandshalter 10 getrennt
sind. Der Abstandshalter 10 ist von einer gleichen Form
wie der Abstandshalter 4, um ein Gehäuse für ein Granulatbett 7 zu
bilden. Glaskügelchen 11 werden
in den Zwischenraum zwischen den Elektroden 8, 9 gefüllt, der
durch den Abstandshalter 10 gebildet wird. Die Gazeelektrode 8 ist eine
Hochspannungsstahlgaze mit hoher Durchlässigkeit, obgleich sie aus
Nickel gebildet werden kann, wobei derartige Gazen als Hochfrequenzstörschirme verfügbar sind.
Die Elektrode wird bei Verwendung einer Gaze mit einer grundlegenden
Abmessung von 120 mm × 120
mm hergestellt, die um 5 mm um jeden Rand herum beschnitten wird,
wobei die Ränder
danach mit Epoxid abgedichtet werden. Die Gaze wird zwischen dem
Haltegitter 5 und dem Perspex-Abstandshalter 10 mit
einer Siliconkautschukverbindung abgedichtet. Ein Hochspannungskabel
(nicht gezeigt) wird an der Gaze durch Löten und eine Epoxidbeschichtung
befestigt. Die Gazeelektrode 9 gleicht der Gazeelektrode 8,
außer
dass die Epoxideinfassung nicht auf die Gaze aufgebracht werden muss.
Eine Standarderdleitung (nicht gezeigt) wird an der Elektrode anstelle
des Hochspannungskabels befestigt.
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Die
Glaskügelchen 11 werden
in das Innere des Granulatbettes 7 gefüllt, das zwischen den Elektroden 8, 9 und
dem Perspex (RTM)-Abstandshalter 10 gebildet wird. Die
Kügelchen 11 können einen Durchmesser
von 6 mm aufweisen und werden vorzugsweise in mindestens zwei Schichten
eingefüllt. Der
Abstand zwischen den Kügelchen
gestattet einen Luftstrom durch das Bett 7.
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Der
Ozonisator 1 würde
bei Verwendung durch ein Gehäuse
mit einem Lufteintritt und einem Luftaustritt umgeben, und er würde eine
Stromversorgung und Bedienungsschalter aufweisen. Diese zusätzlichen
charakteristischen Merkmale werden nicht in den Zeichnungen gezeigt,
da sie Standardbauteile aufweisen. Ein Schaltuhrmechanismus kann ebenfalls
in der Vorrichtung enthalten sein.
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Die
Größe des Glasteilchens,
das in der Vorrichtung verwendet wird, ist nicht entscheidend, und Teilchen
mit einem Durchmesser zwischen 1 mm und 6 mm können erfolgreich verwendet
werden. Bei Teilchen von kleiner Größe wird der Luftstrom durch
die Vorrichtung jedoch begrenzt. Die Verwendung von Glas eher als
einem Material mit einer hohen Dielektrizitätskonstante verringert den
Wirkungsgrad, mit dem Ozon erzeugt wird, aber bei einer Vorrichtung zur
Verbesserung der Luftqualität
könnten
hohe Produktionsraten an Ozon extrem gefährlich sein, wenn jemand in
den zu reinigenden Bereich eintreten würde, bevor das Ozon abgebaut
oder abgeleitet ist. Der Wirkungsgrad der Ozonerzeugung muss daher
nicht sehr hoch sein. Glas ist ebenfalls eine billige Substanz,
die einen bedeutenden Kostenvorteil liefert.
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Um
die Toxizitätsprobleme
in Verbindung mit der Ozonerzeugung weiter zu verringern, könnte eine Kammer
stromaufwärts
vom Füllkörper an
der Vorrichtung befestigt werden, in der die Reaktion des Ozons
mit luftübertragenen
Verunreinigungen stattfinden könnte.
Eine weitere metallische Gaze oder Gitter stromabwärts von
der Reaktionskammer wird verwendet, um das Ozon aufzuspalten, bevor
die Luft zum Raum zurückgeführt wird.
Diese Gaze könnte ebenfalls
mit einem geeigneten Material für
das Deaktivieren des Ozons beschichtet sein.
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Ein
grober Filter könnte
der Vorrichtung stromaufwärts
vom Gebläse
hinzugefügt
werden, um große
Teilchen aus der Luft zu entfernen.
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Bei
der Benutzung wird die Vorrichtung in einem Raum oder an einer anderen
Stelle angeordnet, wo die Luft gereinigt werden soll, entweder für die Eliminierung
der Geruchsstoffe oder für
das Entfernen der Verunreinigungssubstanzen, Bakterien oder anderen
Verunreinigungen. Das Gebläse 2 wird
zusammen mit der Spannungsversorgung zum Granulatbett 7 eingeschaltet.
Das Gebläse
bewirkt, dass Luft durch das Bett 7 gedrückt wird,
während
die Elektroden 8, 9 und die Glasteilchen 11 bewirken,
dass Ozon aus der Luft durch Entladung infolge eines elektrischen
Feldes mit hoher Frequenz, das über dem
Bett 7 erzeugt wird, in Übereinstimmung mit den bekannten
Entladungsprinzipien erzeugt wird.
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Die
an der Vorrichtung angelegte Spannung beträgt typischerweise Vpk-pk = 10-20 kV und 10 bis 15 kHz. Eine
hohe Spannung, wie beispielsweise eine Netzspannung mit 50 Hz oder
60 Hz, könnte
ebenfalls verwendet werden.
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Die
Vorrichtung wird über
eine ausreichende Zeitdauer in Betrieb gelassen, damit das erzeugte Ozon
die Luft gereinigt hat. Mit Luftreinigung meint man eine Verbesserung
der Qualität
der Luft infolge des Entfernens von mindestens einigen Schwebstoffen,
Verunreinigungssubstanzen und Geruchsstoffen, die anfangs in der
Luft vorhanden waren. Die elektrische Entladung, die im Füllkörper bewirkt
wird, wird ebenfalls einige Feststoffteilchen zerstören, die in
der Luft vorhanden sein können,
entweder durch Wegbrennen dieser oder mittels einer elektrostatischen
Ausfällung
auf die dielektrischen Teilchen, was weiter die Luftqualität verbessern
wird.
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Während die
Luft durch die Gazeelektroden strömt, eher als dass sie durch
den Spalt zwischen den Elektroden strömen muss, wird die Luftstromgeschwindigkeit
durch die Vorrichtung gegenüber
den Vorrichtungen nach dem bisherigen Stand der Technik bedeutend
verbessert. Der Füllkörper aus
dem Dielektrikum bedeutet, dass die elektrische Entladung an den
Kontaktpunkten zwischen den dielektrischen Teilchen stattfindet,
wodurch die Entladung sehr gleichmäßig wird und die Vergrößerung des
Abstandes zwischen den Elektroden gestattet.