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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feinstaubfiltersystem mit einem Filterkörper zum Filtern von Feinstaub aus der Luft. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Feinstaubfiltersystem.
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Der in der Luft enthaltende Feinstaub stammt in der Regel aus unterschiedlichen Quellen wie Kraftfahrzeugen, Industrieanlagen sowie Flugzeugen. Aufgrund der negativen Einflüsse eines erhöhten Feinstaubgehalts in der Luft ist es wünschenswert, den Feinstaubgehalt in der Luft zu reduzieren. Ein Ansatz zur Reduzierung des Feinstaubgehalts in der Luft ist grundsätzlich die Reduzierung der Entstehung des Feinstaubs.
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Um im Luft enthaltenen Feinstaub aus der Luft zu entfernen, können ferner Filterkörper zum Einsatz kommen, welche im Betrieb von der Luft durchströmt sind und somit den in der Luft enthaltenen Feinstaub binden und somit filtern. Derartige Filterkörper können dabei aus unterschiedlichen Filtermaterialien hergestellt sein. Hierzu gehört beispielsweise Aktivkohle und dergleichen.
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Solche Filterkörper können Bestandteil eines Feinstaubfiltersystems sein, welches neben dem Filterkörper Mittel zum Fördern der Luft durch den Filterkörper, beispielsweise eine Fördereinrichtung, aufweisen kann.
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Grundsätzlich besteht das Problem, dass die Leistungsfähigkeit derartiger Feinstaubfiltersysteme verbesserungsbedürftig ist. Darüber hinaus besteht das Problem, dass die entsprechenden Filterkörper nach kurzer Einsatzzeit derart mit Partikeln aus der Luft verstopft sind, dass sie einerseits die gewünschte Filterwirkung nicht bereitstellen und andererseits zu einem erhöhten Strömungswiderstand für die Luft führen. Dieser Effekt ist insbesondere dadurch bedingt, dass Feinstaubpartikel üblicherweise Größen von wenigen Mikrometern bis 10 µm aufweisen, so dass die Filterkörper zum Filtern von Feinstaubpartikeln aus der Luft entsprechende Strömungsquerschnitte und Porositäten bereitstellen müssen, was dazu führt, dass der Strömungswiderstand derartiger Filterkörper von Anfang an erhöht ist und größere Partikel aus der Luft den Filterkörper leicht verstopfen.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein Feinstaubfiltersystem zum Filtern von Feinstaub aus der Luft sowie für ein Kraftfahrzeug mit einem derartigen Feinstaubfiltersystem verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsformen anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Effizienz und/oder Lebensdauer auszeichnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegend Erfindung beruht auf der überraschenden Kenntnis, dass in einem Filterkörper anfallendes Wasser in der Lage ist, Feinstaub aus durch den Filterkörper strömender Luft mit einer auffällig erhöhten Effizienz, das heißt in erhöhtem Umfang, zu filtern. Dementsprechend beruht die vorliegende Erfindung auf dem allgemeinen Gedanken, ein Feinstaubfiltersystem bereitzustellen, in welchem beim Durchströmen des Filterkörpers Wasser aus der Luft im Filterkörper anfällt, um somit eine effiziente Entfernung von Feinstaub aus der Luft zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Idee führt also einerseits dazu, dass Feinstaub mit einer erhöhten Effizienz und einem größeren Umfang aus der Luft entfernt wird. Andererseits erlaubt es der erfindungsgemäße Gedanke, den Filterkörper mit einem größeren Anteil an von Luft durchströmbaren Querschnitten zu versehen, so dass der Filterkörper einen geringeren Strömungswiderstand für die Luft darstellt. Hierbei wird die überraschende Kenntnis genutzt, dass Feinstaubpartikel vom anfallenden Wasser absorbiert und/oder aufgenommen werden. Mit der erfindungsgemäßen Idee ist es also möglich, die Effizienz des Filterns von Feinstaub aus der Luft erheblich zu steigern und zugleich einen Strömungswiderstand des Filterkörpers von Luft zu reduzieren. Da das Gemisch aus Wasser und Feinstaub, nahfolgend auch kurz Gemisch genannt, zudem aus dem Filterkörper strömt, ist ferner die Lebensdauer des Filterkörpers erhöht, ein Austausch des Filterkörpers also nicht oder in größeren Intervallen notwendig.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist das Feinstaubfiltersystem neben dem Filterkörper, der im Betrieb von Luft durchströmt ist und Feinstaub aus der Luft filtert, eine Vorrichtung auf, die zum Anfallen von Wasser aus der Luft im Filterkörper führt. Insbesondere ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass im Betrieb beim Durchströmen des Filterkörpers im Filterkörper Wasser aus der Luft kondensiert.
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Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Lösung erfolgt dies dadurch, dass das Wasser im Filterkörper kondensiert. Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung vorteilhaft einen mit dem Filterkörper wärmeübertragend verbundenen Kühler auf, wobei der Kühler den Filterkörper unterhalb des Taupunkts von Wasser kühlt, so dass in der Luft enthaltenes Wasser beim Durchströmen des Filterkörpers kondensiert und somit Wasser im Filterkörper anfällt.
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Der Kühler kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Kühler um einen Verdampfer handeln.
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Die wärmeübertragende Verbindung zwischen dem Kühler und dem Filterkörper kann beliebig ausgestaltet sein.
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Vorstellbar ist es, den Filterkörper wärmeübertragend und mechanisch mit dem Kühler zu verbinden. Zu denken ist hierbei insbesondere an eine Anlage des Filterkörpers am Kühler, derart, dass der Kühler von der Luft durchströmt ist.
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Denkbar ist es auch, die Luft mit dem Kühler in Strömungsrichtung der Luft stromauf des Filterkörpers zu kühlen, so dass die Luft an sich zu einer Kühlung des Filterkörpers führt.
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Gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Lösung, welche alternativ oder zusätzlich zur ersten erfindungsgemäßen Lösung umgesetzt sein kann, wird das Anfallen von Wasser im Filterkörper dadurch realisiert, dass die Luft in Strömungsrichtung der Luft stromauf des Filterkörpers mit Wasser angereichert wird.
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Zu diesem Zweck weist die Vorrichtung bevorzugt einen Wasserstäuber auf, welche im Betrieb in der Strömungsrichtung der Luft stromauf des Filterkörpers Wasserteilchen in die Luft einbringt.
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Unter Wasserteilchen sind hierbei insbesondere Wasserteilchen mit Größen, insbesondere Durchmessern, zwischen 10 µm und 50 µm zu verstehen.
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Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen, bei denen der Wasserstäuber einen Ultrasschallerzeuger aufweist, der im Betrieb Ultraschall erzeugt, wobei der Ultraschall Wasser zerstäubt, so dass der Wasserstäuber Wasser zerstäubt und somit die Wasserteilchen erzeugt, welche in der Luft eingebracht werden. Dies ermöglicht es, Wasserteilchen mit vordefinierten Größen und/oder in einer vordefinierten Dichte auf einfache Weise und präzise in den Luftstrom einzubringen.
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Prinzipiell kann der Filterkörper beliebig ausgestaltet sein, sofern er sich im Rahmen der Erfindung zum Filtern von Feinstaub aus der Luft eignet. Zu denken ist hierbei an einen Aktivkohlefilter.
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Es hat sich überraschend herausgestellt, dass sich Filterkörper mit textilartigen Strukturen, insbesondere Gewirke, aber auch Gewebe, in Kombination mit der erfindungsgemäßen Lösung als besonders effizient zum Filtern von Feinstaub aus der Luft eignen.
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Dementsprechend ist es bevorzugt, wenn der Filterkörper eine solche textilartige Struktur, insbesondere ein solches Gewirke und/oder ein solches Gewebe, vorzugsweise ein Gewebe, aufweist, die im Betrieb von Luft durchströmt ist, wobei in der textilartigen Struktur das Wasser anfällt. Insbesondere kann der Filterkörper als eine solche textilartige Struktur, insbesondere als ein solches Gewirke und/oder als ein solches Gewebe, ausgebildet sein. Vorteilhaft sind hierbei Ausführungsformen, bei denen die textilartige Struktur dreidimensional ist. Besonders vorteilhaft ist das Gewirke als ein dreidimensionales Gewirke oder 3D-Gewirke ausgebildet.
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Unter textile Struktur, insbesondere unter Gewirke, ist vorliegend ein solcher Aufbau zu verstehen, bei dem zumindest ein Draht oder Faden, vorzugsweise mehrere Drähte und Fäden, eine für Luft durchströmbare Struktur bilden.
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Geeignete Materialien für die textile Struktur sind Polyamid, Polyester, Polyethylen, Polypropylen und Edelstahl, zudem Polyphenylensulfid (PPS), Polyarylat (PAR), Polyetheretherketon (PEEK), Etylentetrafluorethylen (ETFE).
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Bevorzugt ist es, wenn das im Filterkörper anfallende Wasser, welches mit dem Feinstaub angereichert ist, also das Gemisch, aufgefangen wird. Insbesondere kann das vom Filterkörper abfließende, Gemisch aufgefangen werden. Zu diesem Zweck weist das Feinstaubfiltersystem bevorzugt eine Sammeleinrichtung auf, die vorzugsweise vom Filterkörper separat ist und mit der das im Filterkörper anfallende Gemisch gesammelt wird. Somit wird verhindert, dass das mit Feinstaub belastete Gemisch unkontrolliert in die Umgebung und/oder Umwelt gelangt.
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Das somit gesammelte Gemisch wird vorteilhaft anschließend auf geeignete Weise entsorgt.
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Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, das Gemisch, insbesondere das mit der Sammeleinrichtung gesammelte Gemisch, aufzubereiten, derart, dass nach der Aufbereitung im Wesentlichen vom Feinstaub freies Wasser und ein Konzentrat mit feinstaubhaltiger Flüssigkeit, insbesondere mit feinstaubhaltigem Wasser, übrig bleiben. Das vom Feinstaub freie Wasser kann weiter verwendet und/oder in die Umgebung abgegeben werden. Das feinstaubhaltige Wasser, insbesondere das Konzentrat, kann auf geeignete Weise entsorgt werden. Dies führt zu einer erheblichen Verbesserung der Umweltbilanz des Feinstaubfiltersystems.
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Bevorzugt sind daher wenn das Feinstaubfiltersystem eine Wasseraufbereitungseinrichtung zum Aufbereiten des Gemisch auf die genannte Art aufweist.
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Als vorteilhaft erweisen sich Ausführungsformen bei denen die Wasseraufbereitungseinrichtung einen Membrandestillator zur Aufbereitung des Gemischs aufweist. Zu diesem Zweck weist der Mebrandestillator eine entsprechende Membran auf, durch welche im Betrieb das Gemisch strömt, sodass es so besagter Trennung von Konzentrat und von Feinstaub freiem Wasser kommt.
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Die Wasseraufbereitungseinrichtung ist vorteilhaft vom Filterkörper separat. Das heißt, dass die Wasseraufbereitungseinrichtung vom Filterkörper separate Bestandteile aufweist, mit denen einen Aufbereitung des mit Feinstaub angereicherten Wassers erfolgt. Insbesondere ist der Membrandestillator vom Filterkörper separat.
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Der Filterkörper kann prinzipiell derart im Filtersystem angeordnet und/oder vorgesehen sein, dass ein natürlicher Luftstrom, beispielsweise ein Fahrtwind, zur Durchströmung des Filterkörpers mit Luft führt.
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Um eine zuverlässige und/oder variable Durchströmung des Filterkörpers zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn das Feinstaubfiltersystem eine Fördereinrichtung zum Fördern der Luft aufweist, die im Betrieb Luft durch den Filterkörper fördert. Die Fördereinrichtung kann beispielsweise als ein Gebläse ausgebildet sein oder zumindest ein solches Gebläse aufweisen.
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Das Feinstaubfiltersystem kann in einer beliebigen Anwendung zum Einsatz kommen. Zu denken ist hierbei insbesondere an Einsätzen des Feinstaubfiltersystems in mobilen Anwendungen.
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Insbesondere kann das Feinstaubfiltersystem Bestandteil eines Kraftfahrzeugs sein, das einen Innenraum aufweist, der mit Hilfe eines Luftstroms klimatisiert wird. Zu diesem Zweck weist das Kraftfahrzeug eine Klimaanlage auf.
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Bevorzugt ist es, wenn der Filterkörper stromauf des Innenraums angeordnet ist und somit den Luftstrom vor dem Strömen in den Innenraum filtert und somit den Feinstaubgehalt in der Luft vor dem Einströmen in den Innenraum reduziert. Auf diese Weise kann der Innenraum, in dem üblicherweise Fahrzeuginsassen des Kraftfahrzeugs Platz nehmen, besonders effektiv mit von Feinstaub befreiter Luft oder zumindest mit Luft mit erheblich reduziertem Gehalt an Feinstaub versorgt werden.
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Eine besonders bevorzugte Synergie ergibt sich, wenn eine Kühlung des Filterkörpers mit Hilfe des Kühlers erfolgt, wobei besagter Kühler, insbesondere Verdampfer, zugleich ein solcher der Klimaanlage ist, so dass mit demselben Kühler auch eine Kühlung des Innenraums erfolgt.
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Alternativ oder zusätzlich kann, sofern das Feinstaubfiltersystem über eine Wasseraufbereitungseinrichtung mit dem Membrandestillator verfügt, eine besondere Synergie dadurch erreicht werden, dass eine Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs wärmeübertragend mit dem Membrandestillator, insbesondere der Membran, verbunden ist, um dem Membrandestillator, insbesondere der Membran, Wärme zuzuführen. Dies führt zu einer erhöhten Effizienz der Wasseraufbereitungseinrichtung. Zudem kann somit Abwärme der Antriebseinrichtung, die beispielsweise als eine Brennkraftmaschine ausgebildet sein kann, zur Effizienzsteigerung der Wasseraufbereitung eingesetzt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Feinstaubfiltersystem,
- 2 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung einer Vorrichtung des Feinstaubfiltersystems,
- 3 die Darstellung aus 2 bei einem anderen Ausführungsbeispiel.
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Ein Feinstaubfiltersystem 1, wie es in der stark vereinfachten und schaltplanartigen Darstellung der 1 beispielhaft gezeigt ist, weist einen Filterkörper 2 zum Filtern von Feinstaub aus der Luft sowie eine Vorrichtung 3 auf, mit der eine Maßnahme derart durchgeführt wird, dass beim Durchströmen des Filterkörpers 2 innerhalb des Filterkörpers Wasser aus der Luft anfällt. Das Wasser fällt dabei insbesondere an Feinstaubteilchen, die bereits im Filterkörper 2 ausgeschieden bzw. gefiltert sind, an, kondensiert dort, wobei das Wasser wiederum Feinstaubteilchen und mehr Wasser anzieht, so dass sich das Volumen der innerhalb des Filterkörpers 2 anfallenden Wasserteilchen erhöht, was wiederum zu einem besseren Filtern von Feinstaub aus der Luft führt. Die Wasserteilchen mit darin enthaltenem Feinstaub werden nachfolgend auch als Gemisch 18 bezeichnet. Im Betrieb führt ein Luftstrom 4 der Luft durch den Filterkörper 2, wobei im gezeigten Beispiel die Vorrichtung 3 in Strömungsrichtung der Luft stromauf des Filterkörpers 2 angeordnet ist, derart, dass die Vorrichtung 3 von Luft durchströmt ist. Die 2 und 3 zeigen zwei unterschiedliche Varianten der Vorrichtung 3, welche alternativ oder gemeinsam vorliegen können.
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Beim in 2 gezeigten Beispiel ist die Vorrichtung 3 als ein Kühler 5, insbesondere ein Verdampfer 6, ausgebildet, bzw. weist die Vorrichtung 3 einen solchen Kühler 5, insbesondere Verdampfer 6, auf. Im Betrieb führt der Luftstrom 4 durch den Kühler 5, so dass die Luft gekühlt wird und wiederum zu einer Kühlung des Filterkörpers 2 führt. Diese Kühlung erfolgt derart, dass der Filterkörper 2 eine Temperatur unterhalb des Taupunkts von Wasser aufweist, so dass beim Durchströmen des Filterkörpers in der Luft enthaltendes Wasser kondensiert und somit Wasser anfällt. Der Kühler 5, insbesondere der Verdampfer 6, können dabei, vom Luftstrom 4 fluidisch getrennt, von einem Kühlmedium oder Kältemedium durchströmt sein, so dass ein Strömungspfad 7 des Kühlmittels bzw. Kältemittels vom Luftstrom 4 getrennt durch den Kühler 5, insbesondere den Verdampfer 6, führt.
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Beim in 3 gezeigten Beispiel ist die Vorrichtung 3 als ein Wasserstäuber 8 ausgebildet oder weist einen solchen Wasserstäuber 8 auf, der im Betrieb Wasserteilchen 9 aus Wasser 10 erzeugt und der Luft stromauf des Filterkörpers 2 zuführt, die Luft also stromauf des Filterkörpers 2 mit Wasserteilchen 9 anreichert. Auf diese Weise fällt auch bei einer solchen Ausgestaltung der Vorrichtung 3 in der Luft enthaltendes Wasser beim Durchströmen des Filterkörpers 2 im Filterkörper 2 an. Beim in 3 gezeigten Beispiel weist der Wasserstäuber 8 einen Ultraschallerzeuger 11 auf, der im Betrieb Ultraschall erzeugt, um Wasserteilchen 9 aus Wasser 10 zu erzeugen.
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Im gezeigten Beispiel ist der Filterkörper 2 als eine textile Struktur 27, insbesondere ein Gewirke 12, beispielsweise als 3D-Gewirke 13, ausgebildet. Somit ist ein verstärktes und effizienteres Filtern von Feinstaub aus der Luft möglich. Zugleich führt ein solcher Filterkörper 2 zu einem reduzierten Strömungswiderstand für die Luft.
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Im gezeigten Beispiel weist das Feinstaubfiltersystem 1 zudem eine Fördereinrichtung 14, beispielsweise ein Gebläse 15, auf, welche die Luft fördert, so dass sie durch den Filterkörper 2 und durch die Vorrichtung 3 strömt.
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Das Feinstaubfiltersystem 1 kann ferner eine Sammeleinrichtung 16 aufweisen, in der das aus dem Filterkörper 2 stammende Gemisch 18, das, wie in 1 angedeutet, als Tröpfchen 17 aus dem Filterkörper 2 und in die Sammeleinrichtung 16 strömt, gesammelt wird. Dieses Gemisch 18 kann dann auf geeignete Weise entsorgt werden. Im gezeigten Beispiel verfügt das Feinstaubfiltersystem 1 zudem über eine Wasseraufbereitungseinrichtung 19, mit der eine Aufbereitung des Gemischs 18 erfolgt, so dass der Feinstaub aus dem Gemisch 18 möglichst entfernt wird. Mit der Wasseraufbereitungseinrichtung 19 erfolgt also eine Trennung des Gemischs 18 in von Feinstaub gereinigtem Wasser (nicht gezeigt) und ein Konzentrat aus hochfeinstaubhaltigem Wasser (nicht gezeigt), wobei das Konzentrat auf geeignete Weise entsorgt werden kann, während das vom Feinstaub befreite Wasser anderweitig eingesetzt, insbesondere dem Wasserstäuber 8 zugeführt, oder in die Umgebung abgegeben werden kann. Die Wasseraufbereitungseinrichtung 19 kann einen Membrandestillator 20 aufweisen oder als ein solcher Membrandestillator 20 ausgebildet sein. Der Membrandestillator 20 weist eine Membran 21 auf, die besagte Trennung des Gemischs 18 durchführt.
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Das Feinstaubfiltersystem 1 lässt sich im Prinzip in beliebigen Anwendungen einsetzen.
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Eine besonders synergetische Anwendung des Feinstaubfiltersystems 1 ist in einem Kraftfahrzeug 22, das neben dem Feinstaubfiltersystem 1 einen Innenraum 23, insbesondere für nicht gezeigte Insassen, sowie eine Klimaanlage 24 zum Klimatisieren des Innenraums 23 aufweist, umsetzen. Die Klimaanlage 24 führt besagten Luftstrom 4 zum Klimatisieren des Innenraums 23 in den Innenraum 23, wobei der Filterkörper 2 stromauf des Innenraums 23 angeordnet ist, so dass die Luft vor dem Einströmen in den Innenraum 23 durch den Filterkörper 2 strömt. Darüber hinaus kann der Kühler 5, insbesondere der Verdampfer 6, gemeinsamer Bestandteil des Feinstaubfiltersystems 1 und der Klimaanlage 24 bzw. ist das Feinstaubfiltersystem 1 Bestandteil der Klimaanlage 24.
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Das Kraftfahrzeug 22 weist ferner eine Antriebseinrichtung 25, insbesondere eine Brennkraftmaschine 26, auf, welche im Betrieb Abwärme erzeugt, wobei die Abwärme, wie mit einem gepunkteten Pfeil angedeutet, der Wasseraufbereitungseinrichtung 19, insbesondere dem Membrandestillator 20 oder der Membran 21, zugeführt wird. Diese Abwärme führt zu einer Effizienzsteigerung der Wasseraufbereitungseinrichtung 19, so dass wiederum eine Synergie geschaffen ist.
