DE10001043A1 - Desorbierbares Sorptionsfilter, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein desorbierbares Sorptionsfilter, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einem metallischen Träger (12), der durch Stromfluß aufheizbar ist und mit einem an oder auf dem Träger (12) aufgebrachten Adsorber. Um ein verbessertes, direkt aufheizbares Sorptionsfilter bereitzustellen, das insbesondere eine kostengünstige Herstellung und eine gute elektrische und wärmeleitende Kontaktierung ohne den Einsatz von Klebstoffen ermöglicht, wird vorgeschlagen, daß der Adsorber (14) flächig ausgebildet ist und mit dem Träger (12, 112) über an dem Träger (12, 112) angeordnete Halteelemente (26) mechanisch verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein desorbierbares Sorptionsfilter, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Sorptions­ filters.

Eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage dient heute unter anderem der Erhöhung des Komforts bezüglich Lufttemperatur, Luftfeuchte und Luftqualität. Neben den Funktionen Belüftung, Heizung und Kühlung des Fahrgastraumes ist die Befreiung der Luft von festen und gasförmigen Geruchs-, Reiz- und Schad­ stoffen sowie Luftfeuchtigkeit eine wichtige Aufgabe, die nicht nur den Kom­ fort, sondern auch die Fahrsicherheit und Gesundheit der Insassen beein­ flußt.

Für die Luftreinigung werden Partikelfilter für die festen Bestandteile und Sorptionsfilter, beispielsweise Aktivkohlefilter für die Abscheidung von uner­ wünschten Gasen eingesetzt.

Es sind mit Aktivkohle beladene Polyurethan-Schaumfilter bekannt, die als reine Verbrauchsfilter regelmäßig gewechselt werden müssen, um eine aus­ reichende Filterwirkung langfristig aufrechtzuerhalten. Sie müssen daher an einer leicht zugänglichen Stelle innerhalb der Klimaanlage angeordnet sein. Zudem genügen diese Filter nicht dem sich abzeichnenden Trend zu war­ tungsfreien Fahrzeugen und Ressourcenschonung. Die Überschreitung der Wartungsintervalle ist gesundheitlich bedenklich.

Deshalb wurden desorbierbare Filterkonzepte vorgeschlagen, mit denen prinzipiell die Filterstandzeit erheblich verlängert werden kann, so daß ein Lebenszeitfilter, also ein Filter, das über die Lebensdauer eines Kraftfahr­ zeuges nicht ausgetauscht werden muß, darstellbar ist. Hierzu muß die Fil­ terstruktur in gewissen Zeitabständen zur Austreibung der adsorbierten Schadstoffe auf Temperaturen um ca. 200°C erhitzt werden. Dazu werden heute im wesentlichen drei Wege verfolgt, die alle jedoch unterschiedliche Nachteile besitzen.

Aus der DE 43 04 077 und der DE 195 12 844 sind Filter bekannt, die indi­ rekt mittels Heißluft desorbiert werden können. Der zur Desorption benötigte Energieverbrauch durch die Erhitzung großer Luftmengen ist jedoch untrag­ bar hoch. Außerdem findet durch die Heißluft eine große Verschleppung von Wärme statt, wodurch größere Anlagenbereiche temperaturbeständig aus­ geführt werden müssen.

Weiter sind Aktivkohlefilter bekannt, bei denen die Aktivkohle direkt durch Stromfluß beheizt werden kann. Diese direkt aufheizbaren Aktivkohlegewe­ befilter sind heute sehr teuer und schwer zu konfektionieren. Außerdem ist die mechanische Stabilität im Betrieb gering. Dies kann zwar durch Aufbau eines Laminats bestehend aus Aktivkohlegewebe, Stützgewebe und/oder - vlies verbessert werden, jedoch erhöht dies die Kosten und den Durchströ­ mungswiderstand. Zudem ist die dauerhaft gute elektrische Kontaktierung des Gewebes an metallische Stromzuführleitungen sehr problematisch. Weiterhin kann sich der elektrische Widerstand im Laufe der Zeit durch Oxi­ dation erhöhen, wodurch sich Inhomogenitäten in der Stromdichteverteilung ergeben können, so dass die Temperaturüberwachung schwieriger wird und die Gefahr der "hotspot"-Bildung steigt. Ein weiterer Nachteil ist die relativ geringe Kohlemenge dünner Gewebe, die geringe Strömungsgeschwindig­ keiten und relativ kurze Adsorptions-/Desorptionszyklen erfordern. Hohe Gaskonzentrationen können die geringe Kohlemenge u. U. zu schnell sätti­ gen, wodurch die Filterleistung einbrechen kann. Dies wirkt sich, z. B. bei auftretenden geruchsintensiven Schadstoffspitzen, wie sie im Straßenver­ kehr häufig vorkommen, komfortmindernd aus.

Schließlich sind beispielsweise aus der DE 42 25 272 A1 und der DE 195 17 016 A1 Sorptionsfilter bekannt, bei denen ein Kohlegranulat mittels Spezial­ kleber auf elektrisch beheizbare Metallträgerstrukturen aufgebracht ist. In der DE 42 25 272 A1 ist ein Adsorptionsfilter beschrieben, das aus einer zwei- oder dreidimensionalen Trägerstruktur und daran fixierten Adsorber­ körnern besteht. Diese Trägerstruktur besteht aus einem elektrisch leitfähi­ gen Material und wird durch Stromdurchfluß aufgeheizt. Auf diese Weise kann eine Desorption des Adsorbermaterials erfolgen. Die DE 195 17 016 A1 beschreibt eine Luftaufbereitungsanlage, insbesondere für einen Fahr­ zeuginnenraum, mit zumindest zwei Aktivkohlefiltereinheiten, von denen al­ ternierend jeweils eine elektrisch beheizt wird und durch einen Abluftstrom die Schadstoffe fortgetragen werden. Gleichzeitig wird über die andere Fil­ tereinheit der zu behandelnde Luftstrom geführt, der schließlich dem Fahr­ zeuginnenraum zugeleitet wird. Die Aktivkohlefiltereinheiten weisen metalli­ sche, luftumströmte Trägerkörper auf, die mit Aktivkohle beschichtet sind. Dabei sind die metallischen Trägerkörper als elektrische Heizwiderstände ausgebildet, so daß bei Stromdurchfluß eine ausreichende Erwärmung zur Desorption der Aktivkohle erzeugt wird.

Derartige Sorptionsfilter, deren Kohle mittels bestrombarer Metallträger auf­ heizbar ist, lassen sich zwar kostengünstiger herstellen und können einfa­ cher in eine geometrisch stabile, plissierte Form gebracht werden, haben aber den Nachteil, daß die üblicherweise durch spezielle Beschichtungs­ verfahren aufgebrachte Granulatkohle bei den aufgebrachten geringen Kohlemengen eine zu geringe Adsorptionskinetik aufweisen und damit zu einem hohen Sofortdurchbruch führen. Grund hierfür sind die langen Diffu­ sionswege der zu adsorbierenden Gase hin zu den im Innern der Granulat­ körner liegenden Mikroporen und die großen Luftzwischenräume zwischen den einzelnen Aktivkohlepartikeln. Außerdem ist die Haftung der einzelnen Kohlepartikel auf den Trägern mittels eines Klebers bei hohen Desorptionstemperaturen um 200°C häufig unzureichend. Grundsätzlich ist der Einsatz eines Klebers auch deshalb problematisch, da entweder beim Beschich­ tungsvorgang oder beim Aufheizvorgang auf Temperaturen um ca. 200°C Fremdstoffe aus dem Kleber ausdampfen können und die Aktivkohle irrever­ sibel kontaminieren können. Auch treten im Betrieb Probleme bei der Wär­ meisolation der Partikel und bei der Langzeitstabilität der Haftung der Parti­ kel auf.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes, direkt aufheizbares Sorptionsfilter bereitzustellen, das insbe­ sondere eine kostengünstige Herstellung, eine gute elektrische Kontaktie­ rung ermöglicht, eine gute Adsorptionskinetik aufweist, wobei auf Klebesy­ steme ganz verzichtet werden soll.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Sorptionsfilter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13.

Das erfindungsgemäße Sorptionsfilter weist einen metallischen Träger, der durch Stromfluß aufheizbar ist und einen auf den Träger aufgebrachten Ad­ sorber auf, wobei der Adsorber flächig ausgebildet ist und mit dem Träger über an dem Träger angeordnete Halteelemente mechanisch verbunden ist.

Die Möglichkeit, ein flächiges Adsorbermaterial einsetzen zu können, erlaubt durch seinen moderaten Preis eine besonders kostengünstige Herstellung eines regenerativen Filters. Es kann eine relativ große Menge adsorptions­ fähigen Materials, beispielsweise Aktivkohle, mit größerer primärer Oberflä­ che und kurzen Diffusionswegen untergebracht werden als in bekannten Filtern mit Granulatkohle, wodurch sehr geringe Durchbruchswerte erreich­ bar sind. Eventuell schleichende Oxidation und Veränderung des elektri­ schen Widerstandes des Adsorbers kann wegen der indirekten Heizung über den metallischen Träger nicht zu Problemen mit der Temperaturrege­ lung oder gar zu "hotspots" führen. Das erfindungsgemäße Filter läßt sich in kostengünstiger Weise in einer automatischen Fertigung herstellen. Es läßt sich zunächst als Meterware fertigen und dann auf die gewünschten Größen konfektionieren und falls gewünscht, auch plissieren. Auf Klebstoffe kann vollständig verzichtet werden. Die das Adsorbermaterial haltenden Haltee­ lemente begünstigen durch ihre Wärmeleitung ein schnelles Erreichen der Desorptionstemperatur. Das schwierige elektrische Kontaktierproblem mit­ tels elektrischer Leiter entfällt. Die mechanische Stabiblität des Filters im Betrieb ist gegeben. Eine Temperaturregelung des Filters in der Desorpti­ onsphase ist mit einfachen, an den metallischen Träger wärmeleitend ange­ brachten Kontaktfühlern möglich und zuverlässig.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängi­ gen Ansprüche.

Als Träger wird bevorzugt ein gitterförmiger, metallischer Träger, insbeson­ dere ein Streckgitter, eingesetzt. Streckgitter sind gängig und in fast beliebi­ gen Maschenparametern herstellbar. Der Einsatz von Streckgittern in desor­ bierbaren Filtern ist Gegenstand der älteren deutschen Patentanmeldung DE 198 05 011, auf die hiermit Bezug genomen wird und deren Inhalt, ins­ besondere bezüglich des Streckmetalls und seiner Ausgestaltungen, in der vorliegenden Beschreibung durch diese Bezugnahme enthalten sein soll.

Alternativ könnte als Träger auch ein Lochblech, ein Drahtgitter, ein Draht­ gestrick oder dergleichen, eingesetzt sein.

Die Halteelemente sind bevorzugt aus dem Trägermaterial selbst gebildet, beispielsweise durch Stanzen und/oder Umformen, indem beispielsweise Knotenpunkte des Gitters ausgestanzt werden und freie, durch das Ausstan­ zen enstandene Enden des Trägermaterials zur Bildung der Halteelemente umgebogen werden, so dass sie wie Stacheln aus dem Trägergitter hervor­ stehen. Beim Auflegen des Adsorbers auf den Träger dringen die Stacheln in den Adsorber ein. Durch anschließendes Umformen der Stacheln, indem beispielsweise der Träger mit dem aufgelegten Adsorber durch Walzen mit­ einander verpresst werden und die sich umbiegenden Stacheln sich mit dem Adsorber verkrallen, wird der Adsorber fest mit dem Träger verbunden.

Ein Adsorber, der als Adsorberfaserverbund, beispielsweise Aktivkohlege­ webe, -gestrick, -filz oder -vlies, ausgebildet ist, ist sehr kostengünstig her­ stellbar und bietet eine sehr große primäre Oberfläche mit kurzen Trans­ portwegen für die Schadstoffe zu den sorptionsaktiven Mikroporen. Dies er­ gibt eine schnelle Adsorptionskinetik und geringe Durchbruchswerte.

Wenn der Sorptionsfilter zusätzlich eine den Adsorber abdeckende, eben­ falls mechanisch mit dem Träger verbundene Schicht aufweist, kann das Eindringen von abgelösten Fasern des Adsorbers in den Fahrzeuginnen­ raum verhindert werden. Die zusätzliche Deckschicht kann in dem Herstel­ lungsprozess zusammen mit dem Adsorber mit dem Träger verbunden wer­ den.

Gegebenenfalls kann das erfindungsgemäße Sorptionsfilter mehrschichtig aufgebaut sein, wobei Träger und Adsorberschichten abwechselnd ange­ ordnet sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines metallischen Trägers des erfindungsgemäßen Sorptionsfilters;

Fig. 2 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Filters;

Fig. 3 eine Ausführungsform des Trägers;

Fig. 4 einen Querschnitt einer Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Filters mit einem Träger aus Fig. 3;

Ein erfindungsgemäßes Filter 10, das insbesondere zum Filtern von Luft zum Einsatz in einer Heizungs- oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges geeignet ist, weist einen metallischen Träger 12, der durch Stromfluß aufheiz­ bar ist und einen auf den Träger 12 aufgebrachten Adsorber 14 auf.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform des metallischen Trägers 12 darge­ stellt, wobei der Träger 12 aus einem Streckmetallgitter 16 besteht, das eine Vielzahl von maschenartigen Gitterstegen 18 umfasst, die sich an Knoten­ punkten 20 schneiden und zwischen denen Öffnungen 22 ausgebildet sind. Dieses Streckmetallgitter 16 dient als Trägerstruktur für den Adsorber 14.

Einige der Knotenpunkte 20 sind ausgestanzt und durch das Ausstanzen entstehende freie Enden 24 der Gitterstege 18 sind in etwa senkrecht aus der Trägerebene herausgebogen. Diese freien Enden 24 stehen wie Sta­ cheln von dem Träger 12 ab (Fig. 1 und 3).

Der Adsorber 14, der vorzugsweise Aktivkohle aufweist und gegebenfalls vollständig aus Aktivkohle besteht, liegt in flächiger Form, beispielsweise als Adsorberfaserverbund, -gewebe, -gestrick, -gewirk oder -vlies vor.

Bei der Herstellung wird der flächige Adsorber 14 auf den Träger 12 aufge­ legt, wobei die stachelartigen, freien Enden 24 in das Adsorbermaterial ein­ dringen. Dann wird der Träger 12 zusammen mit dem Adsorber 14, bei­ spielsweise durch Walzen oder Pressen miteinander verpresst, wobei sich die stachelartigen Enden 24 umformen und dann Halteelemente 26 bilden, die sich mit dem Adsorber 14 verkrallen und diesen fest auf dem Träger 12 halten, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Abstände zwischen benachbarten Ver­ krallungspunkten werden in Abstimmung mit der Maschenweite des Streck­ metallgitters 16 so gewählt, dass das elektrisch erhitzte Streckmetallgitter 16 einen geeigneten elektrischen Widerstand aufweist und sich über die ge­ samte Fläche des flächigen Adsorbers 14 eine homogene Desorptionstem­ peratur einstellt.

Zusätzlich kann das erfindungsgemäße Sorptionsfilter 10 eine das Sorpti­ onsfilter 10 abdeckende Deckschicht 28 auf wenigstens einer Seite des Fil­ ters 10 aufweisen, die verhindert, dass eventuell Fasern des Adsorbers 14 durch den Luftstrom aus dem Filter 10 ausgetragen werden. Die Deckschicht 28 kann auf die gleiche Art wie der Adsorber 14 über die Halteelemente 26 gehalten sein. Die Deckschicht 28 kann aus Polyester- oder Glasfasergewe­ be, flächiges Aktivkohlematerial in Papierform u. ä. bestehen.

In Fig. 3 ist ein Träger 112 gezeigt, dessen durch Ausstanzen entstandene freie Enden 124 der Gitterstege 118 nach beiden Seiten des Trägers 112 umgebogen sind, so daß auf der einen Seite der Adsorber 114 und auf der anderen Seite die Deckschicht 128 in gleicher Weise gehalten sind (Fig. 4).

Es wäre auch denkbar auf der gleichen Seite des Trägers 12 mehr als eine Schicht von Adsorbern mittels der Halteelemente 26 zu halten. Die Haltee­ lemente müßten dann lang genug sein, um alle Schichten fassen zu können. Ebenso könnten mehrere parallel angeordnete Träger und Adsorber vorge­ sehen sein, die abwechselnd angeordnet sind und wobei die Träger über die Halteelemente mit dem benachbarten Adsorber verbunden sind.

Das erfindungsgemäße Sorptionsfilter 10 ist als Meterware herstellbar und kann auf eine gewünschte Größe konvektioniert werden. Auch könnte das Sorptionsfilter plissiert sein.

Durch die Anzahl der ausgestanzten Knotenpunkte läßt sich der elektrische Widerstand des Trägers einstellen. Dabei muß einerseits gewährleistet blei­ ben, dass aus Festigkeitsgründen nicht zuviel Knotenpunkte ausgestanzt werden und andererseits nicht zu wenig ausgestanzt werden, damit genü­ gend Halteelemente zum Halten des Adsorbers gebildet werden können. In einer weiteren Ausführungsform werden nicht ganze Knotenpunkte ausge­ stanzt, sondern beispielsweise nur einzelne Gitterstege durchtrennt und die durch das Trennen entstandenen zwei freien Enden zu Halteelementen um­ geformt.

Weiterhin ist es möglich, bereits beim Herstellungsprozess des Gitters ein­ zelne Stege durchzuschneiden und entsprechend so umzuformen, dass sich ein Gitter mit rechtwinklig abstehenden Stacheln ergibt.

In einer weiteren Ausführungsform können in regelmäßigen Abständen me­ tallische Leiterbahnen aus dem Streckmetallgitter entfernt werden, um des­ sen elektrischen Widerstand auf einen gewünschen Wert einzustellen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung könnte der Träger ein Lochblech, ein Drahtgitter, ein Drahtgetrick oder dergleichen sein. Aus allen diesen Trägern lassen sich durch Ausstanzen und Umformen der durch das Ausstanzen freigewordenen Enden der Gitterstege Halteelemente gemäß der Erfindung herstellen.

Im Einsatz des erfindungsgemäßen Sorptionsfilters kommt das stützende und heizende Streckmetallgitter bevorzugt auf der Luftabströmseite zu lie­ gen.

Claims (14)

1. Desorbierbares Sorptionsfilter, insbesondere für eine Heizungs- oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, mit einem metallischen Träger (12), der durch Stromfluß aufheizbar ist und mit einem an oder auf dem Träger (12) gelagerten organischem oder anorganischem Adsor­ ber (14), dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber (14) flächig ausgebildet ist und mit dem Träger (12, 112) über an dem Träger (12, 112) angeordnete Halteelemente (26) mechanisch verbunden ist.

2. Sorptionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (26) als Haken ausgebildet sind.

3. Sorptionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (26) durch Stanzen und/oder Biegen aus dem Trägermaterial (12, 112) gebildet sind.

4. Sorptionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12, 112) ein gitterförmiger, metalli­ scher Träger, insbesondere ein Streckmetallgitter (12), ist.

5. Sorptionsfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (26) durch Ausstanzen von Knotenpunkten (20) und Biegen von durch das Ausstanzen enstandenen freien Enden (24, 124) des Trägermaterials (12, 112) gebildet sind.

6. Sorptionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger ein Lochblech, ein Drahtgitter, ein Drahtgestrick oder dergleichen ist.

7. Sorptionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber (14) als Adsorberfaserverbund, beispielsweise Adsorbergewebe, -gestrick oder -vlies, ausgebildet ist.

8. Sorptionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber Aktivkohle aufweist.

9. Sorptionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter mit seinem Träger und Adsorber plis­ siert ist.

10. Sorptionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beidseits des Trägers jeweils eine Adsorber­ schicht vorgesehen ist.

11. Sorptionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Adsorber eine ebenfalls mechanisch mit dem Träger (12, 112) verbundene Deckschicht (28, 128) vorgese­ hen ist, um abgelöste Fasern des Adsorbers (14, 114) zurückzuhalten.

12. Sorptionsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mehreren, abwechselnd angeordneten Trägern und Adsorberschichten besteht.

13. Verfahren zur Herstellung eines Sorptionsfilters nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfah­ rensschritte:

• - Herstellen des Adsorbers (14), beispielsweise eines Adsorberfaser­ verbundes, Aktivkohle-Gewebes oder eines Aktivkohle enthaltenden Vlieses oder anderem kohlenstoffhaltigem faserigem Grundmaterial, das durch Verkokung und Aktivierung von textilen Garnen, Schnüren, Dochten, Seilen oder anderen Faserbündeln z. B. aus Viskose erhal­ ten ist,
• - Herstellen des Trägers (12, 112) mit den Halteelementen (26) durch Ausstanzen von Knotenpunkten (20) und Umformen von durch das Ausstanzen entstandener freier Enden (24, 124) des Trägermaterials (12, 112),
• - Auflegen des Adsorbers (20) auf den Träger (12, 112) und gegebe­ nenfalls Unterlegen einer Schutzschicht, z. B. eines Schutzvlieses, unter den Träger,
• - Verbinden von Träger (12, 112) und Adsorber (14, 114) durch Ver­ formen der Haltelemente (26).

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente (26) durch Walzen oder Pressen verformt werden.