DE102019203032A1

DE102019203032A1 - Elektrostatische Filtereinheit für Luftreinigungsvorrichtung und Luftreinigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019203032A1
Application number: DE102019203032.7A
Authority: DE
Inventors: Georg Hepperle; Daniel Vollmar
Original assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2019-03-06
Filing date: 2019-03-06
Publication date: 2020-09-10
Also published as: EP3934811A1; WO2020178153A1; CN113573816A; US20220134355A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrostatische Filtereinheit für eine Luftreinigungsvorrichtung, wobei die Filtereinheit (1) eine Ionisationseinheit (2) und eine Abscheideeinheit (3) mit mindestens einer spannungsführenden Niederschlagselektrode (30) und mindestens einer geerdeten Niederschlagselektrode (31) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Niederschlagselektroden (30, 31) luftdurchlässig sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrostatische Filtereinheit für eine Luftreinigungsvorrichtung, insbesondere Dunstabzug, und eine Luftreinigungsvorrichtung mit mindestens einer elektrostatischen Filtereinheit.
Luftreinigungsvorrichtungen können beispielsweise Luftreiniger zum Filtern von Raumluft, Vorrichtungen zum Filtern von in einer Fahrgast-Kabine im Automobilbereich angesaugter Luft oder Dunstabzüge für Küchen, die beispielsweise Dunstabzugshauben darstellen, sein. Bei diesen Luftreinigungsvorrichtungen ist es bekannt, flüssige und feste Verunreinigungen sowie Gerüche aus der verunreinigten Luft oder den beim Kochen entstehenden Dünsten und Wrasen auszufiltern. Hierzu werden meist mechanische Filter eingesetzt. Als mechanische Filter werden beispielsweise Streckmetallfilter, Lochblechfilter, Baffle-Filter, die auch als Wirbelstromfilter bezeichnet werden können, Randabsaugungsfilter und poröse Schaumstoffmedien verwendet. Alle diese genannten Filtermedien filtern nach mechanischen Abscheidemechanismen wie dem Diffusionseffekt, Sperreffekt und maßgebend dem Trägheitseffekt.
Ein Nachteil dieser Filtereinheiten besteht darin, dass insbesondere eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden muss, um eine ausreichende Filtereffizienz auch bei kleineren Partikeln zu gewährleisten.
Zudem ist beispielsweise aus der DE 2146288 A eine Dunstabzugshaube bekannt, bei der eine elektrostatische Filtereinheit verwendet wird. Die elektrostatische Filtereinheit besteht bei dieser Dunstabzugshaube aus plattenförmigen Abscheide- und Gegenelektroden sowie drahtförmigen Ionisationselektroden. Die plattenförmigen Abscheide- und Gegenelektroden sind über elektrisch leitende Stege miteinander verbunden und sind so angeordnet, dass die in das Filterelement eintretende Luft zunächst die Abscheideelektroden mit dazwischen liegenden drahtförmigen lonisationselementen anströmt und anschließend zu den nach oben versetzten Gegenelektroden gelangt. Die Abscheideelektroden sind über eine Trennwand an dem Gehäuse der Dunstabzugshaube befestigt. Zudem ist in dem Gehäuse der Dunstabzugshaube ein Hochspannungsgerät vorgesehen, das mit den Elektroden der Filtereinheit verbunden ist.
Ein Nachteil dieser Filtereinheit besteht darin, dass diese einen großen Bauraum in Anspruch nimmt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Lösung zu schaffen, mittels derer bei einfachem Aufbau zuverlässig eine ausreichende Filtereffizienz gewährleistet werden kann.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe daher gelöst durch eine elektrostatische Filtereinheit für eine Luftreinigungsvorrichtung, die eine Ionisationseinheit und eine Abscheideeinheit mit mindestens einer spannungsführenden Niederschlagselektrode und einer geerdeten Niederschlagselektrode umfasst. Die Filtereinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Niederschlagselektroden luftdurchlässig sind.
Die elektrostatische Filtereinheit wird im Folgenden auch als Filtereinheit oder als elektrostatischer Filter bezeichnet. Die Filtereinheit weist eine Ionisationseinheit und eine Abscheideeinheit auf. Die Ionisationseinheit kann auch als lonisationsbereich bezeichnet werden und die Abscheideeinheit als Abscheidebereich. Die Abscheideeinheit ist der Ionisationseinheit in Strömungsrichtung nachgeschaltet. Die Ionisationseinheit weist vorzugsweise mindestens eine lonisationselektrode und mindestens eine Gegenelektrode auf. Die lonisationselektrode wird mit Spannung, vorzugsweise Hochspannung, beaufschlagt. Beim Durchströmen von verunreinigter Luft durch die Ionisationseinheit werden feste und flüssige Partikel elektrostatisch mittels der lonisationselektrode, die auch als Sprühelektrode bezeichnet werden kann, mittels Koronaentladung elektrisch aufgeladen. Die lonisationselektrode, die eine Draht-Ionisationselektrode darstellen kann, ist in der Ionisationseinheit vorzugsweise zwischen zwei plattenförmigen Gegenelektroden angeordnet. Dies ist notwendig, da die Partikel für gewöhnlich in ihrem ursprünglichen Zustand keine beziehungsweise für eine effiziente elektrostatische Abscheidung ungenügende elektrische Ladung aufweisen. Ziel der Ionisationseinheit ist die elektrische Partikelaufladung jedes einzelnen Partikels bis zu einer maximalen elektrischen Sättigungsladung.
Die Abscheideeinheit umfasst zumindest zwei Niederschlagselektroden, von denen mindestens eine eine spannungsführende Niederschlagselektrode und mindestens eine eine geerdete Niederschlagselektrode ist. Die mindestens zwei Niederschlagselektroden sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Die mindestens eine spannungsführende Niederschlagselektrode steht unter elektrischer Hochspannung. Die geerdete Niederschlagselektrode liegt an Masse oder einem Schutzleiter (PE Protective Earth) an. Somit bauen die Niederschlagselektroden ein elektrisches Feld zueinander auf. Die Höhe beziehungsweise der Betrag der elektrischen Feldstärke ist dabei maßgebend abhängig vom elektrischen Potential, das heißt von dem Betrag der Spannung in kV, dem Abstand der spannungsführenden und geerdeten Niederschlagselektroden zueinander sowie der geometrischen Form der Niederschlagselektroden.
Die aus der Ionisationseinheit austretende Luft mit den elektrisch geladenen Partikeln strömt in die Abscheideeinheit. Aufgrund des dort zwischen den Niederschlagselektroden aufgebauten elektrischen Feldes werden die Partikel an den Niederschlagselektroden abgeschieden und damit aus der Luft ausgefiltert.
Die Filtereinheit ist dadurch gekennzeichnet, dass die Niederschlagselektroden luftdurchlässig sind. Hierdurch wird eine Reihe von Vorteilen erzielt. Zum einen kann der Luftstrom nicht nur, wie im Stand der Technik an den Niederschlagselektroden entlang strömen, sondern kann durch diese hindurchströmen. Aufgrund der Luftdurchlässigkeit der Niederschlagselektroden können diese somit als mechanischer Filter dienen. Da die Abscheideeinheit der Ionisationseinheit in Strömungsrichtung nachgelagert ist, treten die in der Luft enthaltenen Partikel in einem elektrisch geladenen Zustand in die Abscheideeinheit ein. Somit wird die Abscheidung der Partikel an den Niederschlagselektroden sowohl durch die mechanischen Filtereffekte als auch durch die elektrische Ladung bewirkt, das heißt durch den elektrostatischen Filtereffekt erzielt.
Klassische, mechanische Filter haben die Eigenschaft, dass aufgrund des dominierenden Trägheitseffekts für Partikeldurchmesser >1 µm die Filtereffizienz mit steigender Strömungsgeschwindigkeit steigt. Bei reinem elektrostatischem Filter hingegen steigt die Filtereffizienz mit sinkender Strömungsgeschwindigkeit, weil die Verweilzeit des Partikels im lonisations- und Abscheidebereich damit zunimmt. Durch die Kombination der vorliegenden Erfindung werden die Vorteile sowohl der mechanischen als auch der elektrostatischen Filtermechanismen effizient ausgenutzt.
Zudem ist bei klassischen, elektrostatischen Filtern die Filtereffizienz signifikant vom Betrag der elektrischen lonisations- und Abscheidespannung abhängig. Falls es zu einem Versagen der elektronischen Hochspannungskomponente (Spannungsausfall) kommt oder diese aufgrund von Kurzschlüssen ausfällt, ist gar keine Filterleistung mehr gegeben. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen bleiben die mechanischen Filtermechanismen beziehungsweise Filtereffekte weiterhin erhalten. Ein Totalausfall der Gesamtfilterleistung tritt somit nicht ein.
Schließlich können aufgrund der Luftdurchlässigkeit der Niederschlagselektroden Partikel zumindest teilweise in den Poren oder anderen Luftdurchlassöffnungen der Niederschlagselektroden gehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Strömungsrichtung der Luft, die die Niederschlagselektroden anströmt, in einem Winkel α im Bereich von 0 ≤ α ≤ 90°, beispielsweise 45° oder 90° zu der Fläche der Niederschlagselektroden. Die Niederschlagselektroden können somit auch in einem von der Senkrechten abweichenden Richtung angeströmt werden. Der Winkel zwischen der Luftströmungsrichtung und der Fläche der Niederschlagselektroden kann im Bereich zwischen 0 und 90° beispielsweise bei 45° liegen.
Sind die Gegenelektroden der Ionisationseinheit als ebene Platten ausgestaltet und liegen diese parallel zu der Luftströmungsrichtung der Luft durch die Ionisationseinheit, so können die Niederschlagselektroden quer und beispielsweise senkrecht oder in einem Winkel von 0 bis 90° zu der oder den Gegenelektroden der Ionisationseinheit geneigt liegen.
Durch diese Ausrichtung der luftdurchlässigen Niederschlagselektroden kann der Luftstrom, der in die Abscheideeinheit eintritt, vollständig durch die Niederschlagselektroden geführt werden. Somit wird die Filtereffizienz weiter gesteigert. Zudem kann durch diese Ausrichtung der Niederschlagselektroden der Bauraum, der für die Filtereinheit erforderlich ist, minimiert werden. Im Gegensatz zu Filtereinheiten, bei denen die Niederschlagselektroden parallel zu dem Luftstrom und vorzugsweise parallel zu der oder den Gegenelektroden der Ionisationseinheit liegt, ist die Höhe oder Länge dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filtereinheit geringer, da in dieser Richtung die Niederschlagselektroden quer liegen.
Die Niederschlagselektroden sind vorzugsweise in einem geringen Abstand zueinander angeordnet. Gemäß einer Ausführungsform weisen benachbarte Niederschlagselektroden zueinander einen Abstand d von größer gleich Null auf. Der Abstand kann beispielsweise in einem Bereich von 0 bis 20mm, vorzugsweise von 0 bis 6mm, 0 bis 4mm oder 0 bis 2mm liegen. Gemäß einer Ausführungsform liegen die Niederschlagselektroden aneinander an. Bei klassischen elektrostatischen Filtern mit Platten- oder Rohrabscheidern in der Abscheideeinheit, ist relativ betrachtet deutlich mehr Platzbedarf für den elektrostatischen Filter im Ganzen und speziell für den Abscheidebereich notwendig. Bei der erfindungsgemäßen Filtereinheit sind die Niederschlagselektroden luftdurchlässig. Vorzugsweise stellen die Niederschlagselektroden luftdurchlässige Platten oder Lagen dar. Somit ist auch beim Vorsehen mehrerer Niederschlagselektroden, die aufeinander aufliegen, die Gesamthöhe des Stapels an Niederschlagselektroden gering. Zudem kann durch den geringen Abstand der Niederschlagselektroden zueinander das zwischen den einzelnen luftdurchlässigen Niederschlagselektroden abgeschiedene / gefilterte Partikelgut aufgrund von Kapillarität zwischen den Niederschlagselektroden gehalten werden. Somit kann der erfindungsgemäße Abscheidebereich diese Partikel zusätzlich zu einer Speicherung in der Niederschlagselektrode selber speichern.
Die Reihenfolge der Niederschlagselektroden in der Abscheideeinheit kann erfindungsgemäß frei gewählt werden. So ist es beispielsweise möglich an der Seite der Abscheideeinheit, die der Ionisationseinheit zugewandt ist und über die Luft in die Abscheideeinheit eintritt, eine spannungsführende Niederschlagselektrode anzuordnen und anschließend alternierend jeweils geerdete und spannungsführende Niederschlagselektroden anzuordnen. Alternativ kann aber auch eine geerdete Niederschlagselektrode an der der Ionisationseinheit zugewandten Seite als erste Niederschlagselektrode angeordnet sein und anschließend alternierend spannungsführende und geerdete Niederschlagselektroden angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es aber auch möglich, dass mindestens zwei zueinander benachbarte Niederschlagselektroden spannungsführende oder mindestens zwei zueinander benachbarte Niederschlagselektroden geerdete Niederschlagselektroden sind. Somit können beispielsweise zwischen zwei spannungsführenden Niederschlagselektroden zwei oder mehr geerdete Niederschlagselektroden angeordnet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der Niederschlagselektroden eine elektrische Isolierungsbeschichtung auf. Die elektrische Isolierungsbeschichtung besteht vorzugsweise aus einem Dielektrikum. Die Isolierungsbeschichtung kann mittels Pulverbeschichtung, Tauchlackierung oder einem anderen Beschichtungsverfahrens auf die Niederschlagselektroden aufgebracht sei / werden. Hierbei wird vorzugsweise die jeweilige Niederschlagselektrode vollständig elektrisch isoliert, wobei an der jeweils erforderlichen elektrischen Kontaktstelle zur Beaufschlagung der Niederschlagselektrode mit Spannung die Isolierungsbeschichtung ausgespart wird. Hierdurch können elektrische Kurzschlüsse und damit verbundene Spannungseinbrüche zwischen den einzelnen alternierenden unter Spannung stehenden Niederschlagselektroden vermieden werden.
Es können erfindungsgemäß alle Niederschlagselektroden der Abscheideeinheit mit einer Isolierungsbeschichtung versehen werden. Vorzugsweise werden jedoch nur die spannungsführenden Niederschlagselektroden elektrisch isoliert. Die Partikel werden in der Ionisationseinheit geladen. Trifft ein positiv geladenes Partikel auf eine geerdete Niederschlagselektrode auf, so soll dieses seine Ladung auch wieder abgeben können, da sonst das elektrische Feld zwischen den Lagen dadurch mit der Zeit geschwächt wird. Indem aber bei der genannten Ausführungsform die spannungsführenden Niederschlagselektroden eine Isolierungsbeschichtung aufweisen, kann ein elektrischer Kurzschluss zwischen den spannungsführenden und geerdeten Niederschlagselektroden auch bei einem geringen Abstand oder einem Anliegen der Niederschlagselektroden aneinander verhindert werden.
Gemäß einer Ausführungsform bestehen die Niederschlagselektroden aus luftdurchlässigem Material. Bei dieser Ausführungsform werden die Niederschlagselektroden auch als poröse Niederschlagselektroden bezeichnet. Die Niederschlagselektroden können alle aus dem gleichen luftdurchlässigen Material bestehen. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, dass verschiedene Niederschlagselektroden aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Der Vorteil der Verwendung von luftdurchlässigem Material für die Niederschlagselektroden besteht darin, dass zum einen die Herstellung des elektrostatischen Filters erleichtert ist, da die geforderte Luftdurchlässigkeit durch das Material selber gegeben ist. Zum anderen weisen bei einem luftdurchlässigen Material die Öffnungen in dem Material eine geringe Größe auf, wodurch ein effizientes Abscheiden von Partikeln aufgrund des mechanischen Abscheideeffekts gewährleistet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform bestehen die Niederschlagselektrode aus einem luftundurchlässigen Material mit mindestens einer Luftdurchlassöffnung. Es ist auch möglich, dass nur einige der Niederschlagselektroden, beispielsweise nur die spannungsführenden oder nur die geerdeten Niederschlagselektroden aus einem solchen Material bestehen und die jeweils anderen Niederschlagselektroden aus luftdurchlässigem Material bestehen. Weiterhin ist es auch möglich, dass beispielsweise nur die erste, das heißt der Ionisierungseinheit zugewandte, Niederschlagselektrode aus einem luftundurchlässigen Material mit Luftdurchlassöffnungen besteht. Das luftundurchlässige Material kann beispielsweise ein Blech sein. Die Luftdurchlassöffnungen können beispielsweise Löcher sein, die in das Blech gestanzt oder auf andere Art eingebracht werden. Insbesondere kann das luftundurchlässige Material mit Luftdurchlassöffnungen Streckmetall sein.
Das Material der mindestens einen Niederschlagselektrode kann daher beispielsweise Drahtgitter, insbesondere Schweißgitter sein. Alternativ kann das Material der mindestens einen Niederschlagselektrode auch Streckmetall, Drahtgewebe, Faserwerkstoff, Vlies, Lochblech, Sinterkunststoff oder Schaumstoff sein.
Das Material einer Niederschlagselektrode, die aus einem luftundurchlässigen Material mit mindestens einer Luftdurchlassöffnung besteht, kann so gewählt, dass dieses mindestens eine Kante, Spitze oder Ecke an der Luftdurchlassöffnung aufweist. An scharfen Kanten, Spitzen oder Ecken des Materials der Niederschlagselektrode findet eine Überhöhung der elektrischen Feldstärke statt. In diesen Bereichen, das heißt an den Kanten, Spitzen oder Ecken sind die elektrischen Felder daher stark inhomogen, was zu einer Vervielfachung der homogenen elektrischen Feldstärke führt. Dadurch ist das geladene Partikel einer relativ betrachtet höhere Feldstärke ausgesetzt und wird effizienter an den jeweiligen Niederschlagselektroden abgeschieden.
Vorzugsweise wird aber das Material der Niederschlagselektrode so gewählt, dass dieses keine scharfen Kanten, Spitzen oder Ecken aufweist. Beispielsweise kann ein Drahtgitter als Material für die Niederschlagselektrode verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass mit einem solchen Material, das abgerundete Querschnitte, beispielsweise kreisrunde Querschnitte aufweist ebenfalls eine effiziente Abscheidung von Partikeln an den Niederschlagselektroden erzielt werden kann.
Vorzugsweise ist die relative Anordnung der einzelnen Niederschlagselektroden zueinander so, dass die in der jeweiligen Niederschlagselektrode vorhandenen Luftdurchlassöffnungen oder Poren zu den Luftdurchlassöffnungen oder Poren der nächsten Niederschlagselektrode versetzt liegen. Hierdurch können sowohl die mechanischen als auch die elektrostatischen Filtermechanismen genutzt werden.
Gemäß einer Ausführungsform sind mindestens zwei Niederschlagselektroden so zueinander angeordnet, dass deren Struktur um eine Achse in der Ebene der Niederschlagselektrode gedreht, liegen. Als Struktur der Niederschlagselektroden wird die Anordnung der Luftdurchlassöffnungen in der Niederschlagselektrode bezeichnet. Bei einem Streckmetall weisen die Luftdurchlassöffnungen beispielsweise eine längliche Form auf. Bei diesem Material der Niederschlagselektroden wird daher beispielsweise eine Niederschlagselektrode so ausgerichtet, dass die Längserstreckung der Luftdurchlassöffnungen in dieser Niederschlagselektrode zu der Richtung der Längserstreckung in einer weiteren, vorzugsweise benachbarten Niederschlagselektrode gedreht ist. Die einzelnen Niederschlagselektroden können hierbei um eine Rotationsachse, die senkrecht zu der Ebene der Niederschlagselektrode steht, in der Ebene der Niederschlagselektrode um einen Winkel von größer 0° bis kleiner 360° zueinander gedreht sein. Beispielsweise liegen die Niederschlagselektroden um 45° zueinander verdreht.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Luftreinigungsvorrichtung, die zumindest eine erfindungsgemäße elektrostatische Filtereinheit aufweist.
Vorteile und Merkmale, die bezüglich der elektrostatischen Filtereinheit beschrieben werden, gelten - soweit anwendbar - entsprechend für die Luftreinigungsvorrichtung und umgekehrt.
Die Luftreinigungsvorrichtung kann beispielsweise ein Luftreiniger zum Filtern von Raumluft, eine Vorrichtung zum Filtern von in einer Fahrgast-Kabine im Automobilbereich angesaugter Luft oder einen Dunstabzug für Küchen sein. Die Luftreinigungsvorrichtung kann mehrere erfindungsgemäße elektrostatische Filtereinheiten gemäß der Erfindung aufweisen. Die mindestens eine elektrostatische Filtereinheit ist vorzugsweise an der Ansaugseite der Luftreinigungsvorrichtung angeordnet. Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung zusätzlich oder alternativ mindestens eine elektrostatische Filtereinheit an der Luftauslassseite der Luftreinigungsvorrichtung vorzusehen.
Gemäß einer Ausführungsform stellt die Luftreinigungsvorrichtung eine Dunstabzugshaube dar und die mindestens eine elektrostatische Filtereinheit ist an der Lufteinlassöffnung der Dunstabzugshaube angeordnet. Insbesondere bei Dunstabzugshauben wird Luft angesaugt, die mit Partikeln verunreinigt ist, die beispielsweise aus Fett bestehen. Durch die Anordnung der elektrostatischen Filtereinheit an der Lufteinlassöffnung kann verhindert werden, dass diese Partikel in das Innere der Dunstabzugshaube gelangen und dort gegebenenfalls den Lüfter verunreinigen.
Die Erfindung wird im Folgenden erneut unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren genauer beschrieben. Es zeigen:

1: eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Filtereinheit;
2: eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Filtereinheit;
3: eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Filtereinheit;
4: eine schematische perspektivische Detailansicht der Ausführungsform nach 1;
5: eine schematische Detailansicht der Niederschlagselektroden einer weiteren Ausführungsform der elektrostatischen Filtereinheit;
6: eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Filtereinheit;
7: eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Filtereinheit;
8: eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrostatischen Filtereinheit; und
9: eine schematische Darstellung der Anströmung zweier Niederschlagselektroden.

In 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrostatischen Filtereinheit 1 in Perspektivansicht gezeigt. Die Filtereinheit 1 weist vorzugsweise ein Gehäuse auf, das in den Figuren aber nicht gezeigt ist.
Die Filtereinheit 1 besteht aus einer Ionisationseinheit 2 und einer Abscheideeinheit 3. Die Abscheideeinheit 3 ist der Ionisationseinheit 2 in Strömungsrichtung S nachgeschaltet. Die Ionisationseinheit 2 weist Ionisationselektroden 20 und Gegenelektroden 21 auf. In der gezeigten Ausführungsform weist die Ionisationseinheit 2 drei Ionisationselektroden 20 und vier Gegenelektroden 21 auf. Die Anzahl der jeweiligen Elektroden 20, 21 ist aber nicht auf die gezeigte Anzahl beschränkt. Es können auch mehr oder weniger Elektroden 20, 21 vorgesehen sein.
Die lonisationselektrode 20 ist als ein Draht gezeigt. Die lonisationselektrode 20 kann aber beispielsweise auch ein Zahnprofil darstellen. In diesem Fall kann die lonisationselektrode 20 auch als Sprühelektrode bezeichnet werden. Die Gegenelektrode 21 stellt eine Platte dar. Die Gegenelektroden 21 sind zueinander parallel angeordnet. Insbesondere sind die Gegenelektroden 21 so ausgerichtet, dass diese in der oder parallel zu der Strömungsrichtung S liegen, in der Luft die Filtereinheit 1 anströmt. Zwischen zwei Gegenelektroden 21 ist jeweils eine lonisationselektrode 20 angeordnet.
Die Abscheideeinheit 3 besteht aus Niederschlagselektroden 30, 31. Die Niederschlagselektroden 30 stellen Niederschlagselektroden dar, die mit positiver oder negativer Hochspannung beaufschlagt sind und werden im Folgenden daher auch als spannungsführende Niederschlagselektroden bezeichnet. Die Niederschlagselektroden 31 stellen Niederschlagselektroden dar, die auf der elektrischen Masse an oder auf der Schutzerde (PE) liegen, und werden im Folgenden daher auch als geerdete Niederschlagselektroden bezeichnet. Die Niederschlagselektroden 30, 31 sind jeweils luftdurchlässig. Die Niederschlagselektroden 30, 31 stellen flächige Elektroden dar, die zueinander parallel angeordnet sind und in der gezeigten Ausführungsform aneinander anliegen. Zudem liegen die Niederschlagselektroden 30, 31 senkrecht zu der Ausrichtung der Gegenelektroden 21 der Ionisationseinheit 2 und damit senkrecht zu der Strömungsrichtung S der Luft.
In der 1 sind vier Niederschlagselektroden 30, 31 vorgesehen. Diese liegen in der Abscheideeinheit 3 alternierend vor. In der 1 ist die erste, das heißt die der Ionisationseinheit 2 zugewandte Niederschlagselektrode 30 eine spannungsführende Niederschlagselektrode 30.
In der 2 ist eine weitere Ausführungsform der elektrostatischen Filtereinheit 1 gezeigt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 1 lediglich durch die Anzahl und Anordnung der Niederschlagselektroden 30, 31 in der Abscheideeinheit. Der weitere Aufbau der elektrostatischen Filtereinheit 1 entspricht dem Aufbau der Ausführungsform nach 1. In der 2 sind fünf Niederschlagselektroden 30, 31 vorgesehen. Die Niederschlagselektroden 30, 31 sind alternierend in der Abscheideeinheit 3 angeordnet. Die erste Niederschlagselektrode 31 ist in dieser Ausführungsform eine geerdete Niederschlagselektrode 31.
In der 3 ist eine weitere Ausführungsform der elektrostatischen Filtereinheit 1 gezeigt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 1 lediglich durch die Anzahl und Anordnung der Niederschlagselektroden 30, 31 in der Abscheideeinheit. Der weitere Aufbau der elektrostatischen Filtereinheit 1 entspricht dem Aufbau der Ausführungsform nach 1. In der 3 sind fünf Niederschlagselektroden 30, 31 vorgesehen. Die erste Niederschlagselektrode 31 ist in dieser Ausführungsform eine spannungsführende Niederschlagselektrode 30. Auf diese erste Niederschlagselektrode 31 folgen zwei geerdete Niederschlagselektroden 31, eine weitere spannungsführende Niederschlagselektrode 30 und eine letzte geerdete Niederschlagselektrode 31. Somit sind bei dieser Ausführungsform zwischen zwei spannungsführenden Niederschlagselektroden 30 zwei geerdete Niederschlagelektroden 31 angeordnet.
In 4 ist schematisch der Aufbau der Abscheideeinheit 3 im Detail gezeigt. Hierzu sind die einzelnen Niederschlagselektroden 30, 31 jeweils nur teilweise gezeigt, um einen Blick auf die jeweils anderen Niederschlagselektroden 30, 31 zu erlauben. Die Niederschlagselektroden 30, 31 weisen in der dargestellten Ausführungsform eine Gitterstruktur auf. Die durch die Gitterstege gebildeten Luftdurchlassöffnungen sind bei der Ausführungsform nach 1 und 4 in der gleichen Richtung ausgerichtet. Die Niederschlagselektroden 30, 31 sind aber so angeordnet, dass die Luftdurchlassöffnungen der einen Lage zu den der nächsten Lage versetzt sind.
In der Ausführungsform nach 5 sind zudem die Niederschlagselektroden 30, 31 so zueinander in der Ebene verdreht, dass die Luftdurchlassöffnungen zueinander in einem Winkel von 45° verdreht sind.
In den 6, 7 und 8 sind die elektrischen Felder, die sich in der Ionisationseinheit 2 und der Abscheideeinheit 3 ausbilden schematisch angedeutet.
In 6 sind die Niederschlagselektroden beispielsweise aus einem Gittermaterial, wie in den 4 und 5 gezeigt, hergestellt. In der 7 bestehen die Niederschlagselektroden 30, 31 aus Lochblechen und in der 8 aus Streckmetall.
In 9 ist schematisch die Anströmung zweier Niederschlagselektroden 31, 30 gezeigt. Die Luft strömt hierbei die obere Niederschlagselektrode 31 so an, dass der Vektor der partiellen Luftströmung, der die Luftströmungsrichtung L angibt, in einem Winkel α zu der Oberfläche der jeweiligen Niederschlagselektrode 31, 30 liegt. Die partielle Luftströmung durch die Elektrodenanordnung kann senkrecht zur Oberfläche der Niederschlagselektrode 31 hindurch strömen. Es ist aber auch möglich, dass, wie in der 9 gezeigt, die Luftströmungsrichtung L in einem Winkel α auf die Niederschlagselektrode 31 trifft, der kleiner als 90° ist. Der Winkel α kann in einem Bereich von 0 bis 90° liegen. Zudem kann der Winkel β unter dem ein Vektor der partiellen Luftströmung, der in einem Winkel α von kleiner 90° auf die Niederschlagselektrode 31 auftrifft, jeder beliebige Winkel zwischen 0° und 360° sein. Die Winkel α und β und damit die Luftströmungsrichtung L hängen von der Einbaulage der Filtereinheit in der Luftreinigungsvorrichtung ab.
Insbesondere bei der Ausgestaltung nach 8, erfolgt durch die scharfen Kanten des Streckmetalls eine Überhöhung der elektrischen Feldstärke. In diesen Bereichen sind die elektrischen Felder stark inhomogen, was zu einer Vervielfachung der homogenen elektrischen Feldstärke führt. Dadurch ist das geladene Partikel einer relativ betrachtet höhere Feldstärke ausgesetzt und wird effizienter an den jeweiligen Niederschlagselektroden 30, 31 abgeschieden.
Die elektrostatische Krafteinwirkung F auf das Partikel zwischen den Niederschlagselektroden wird nach der Gleichung: $F [N] = E [V/m] X q [C]$
bestimmt. E stellt dabei die elektrische Feldstärke dar und q die elektrische Ladung des Partikels.
Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Kombination von mechanischer Abscheidewirkung und elektrostatischer Abscheidewirkung genutzt. Hierzu werden luftdurchlässige Niederschlagselektroden verwendet.
Die Erfindung wird nun erneut, insbesondere hinsichtlich der genutzten Effekte, beschrieben. Die erfindungsgemäße elektrostatische Filtereinheit, die auch als Filtermodul oder Filterkassette bezeichnet werden kann, kann beispielsweise verwendet werden in Dunstabzügen, Luftreinigern oder um bei Fahrgast-Kabinen im Automobilbereich den angesaugten Luftstrom zu filtern. Um eine elektrostatische Abscheidung von Partikeln zu ermöglichen, welche sich in der Luft befinden, müssen diese zunächst elektrostatisch aufgeladen (ionisiert) werden. Für die Ionisation von Luftpartikeln, als auch deren Abscheidung, ist eine elektrische Hochspannung von mehreren tausend Volt notwendig. Dabei kann sowohl positive Hochspannung als auch negative Hochspannung Anwendung finden. Für die Generierung/Erzeugung dieser notwendigen elektrischen Hochspannung wird ein Hochspannungsübertrager, der auch als Hochspannungserzeuger oder Hochspannungsnetzteil bezeichnet werden kann, eingesetzt. Dieser Hochspannungsübertrager versorgt die Ionisationseinheit, die auch als lonisationsbereich bezeichnet werden kann, und den Abscheidebereich, der auch als Abscheideeinheit bezeichnet werden kann, mit elektrischer Hochspannung beziehungsweise elektrischer Energie. Der Hochspannungsübertrager ist dabei vorzugsweise in das Filtermodul implementiert. Das elektrostatische Filtermodul ist vorzugsweise im Lufteinsaugbereich der Luftreinigungsvorrichtung angeordnet, um die dahinterliegenden Komponenten beispielsweise bei einer Dunstabzugshaube nicht mit Kochwrasen/Aerosolen/Schmutz zu kontaminieren. Jedoch kann die Filtereinheit optional auch im Luftausblasbereich in der Luftreinigungsvorrichtung angeordnet sein oder entlang der Luftströmungsführung zwischen dem Einlass- und Auslassbereich der Luftreinigungsvorrichtung.
Bei der Abscheidung nach dem Trägheitseffekt kann das Partikel aufgrund seiner Masseträgheit der Stromlinie des Gases (Luft) um die einzelnen Filterfasern, Streckmetalllagen, porösen Medien oder ähnliches nicht folgen und kollidiert infolge dessen mit diesen. Die Wahrscheinlichkeit des Auftreffens eines Partikels auf die einzelnen Filterfasern des Filtermediums, die letztendlich der Filterabscheide-Effizienz im Ganzen entspricht, auf Basis des Trägheitseffekts steigt unter anderem mit steigender Partikelgeschwindigkeit, größer werdendem Partikeldurchmesser, steigender Filter-Packungsdichte und Filterdicken in Strömungsrichtung sowie kleiner werdendem Filterfaser-Durchmesser des Filtermediums. Weist das Partikel aufgrund seiner elektrischen Ladung ein elektrisches Potential zum Filtermedium auf, so wird das Partikel durch die elektrostatische Anziehungskraft vom Filtermedium beziehungsweise der kleinstmöglichen Filterfaser angezogen. Durch die zusätzliche Überlagerung des elektrostatischen Filtereffekts / Filtermechanismus zu den bereits vorhandenen mechanischen Filtermechanismen (Diffusionseffekt, Sperreffekt, Massenträgheitseffekt) lässt sich mit der vorliegenden Erfindung eine höhere Filterabscheideeffizienz erreichen, speziell für kleinere Partikeldurchmesser und bei niedrigen Luftströmungsgeschwindigkeiten.
Die erfindungsgemäße Filtereinheit stellt eine Kombination aus mechanischem Filter nach den bereits erwähnten Filtermechanismen und dem elektrostatischen Filtermechanismus dar. Die Filtereinheit besteht aus einem lonisationsbereich und einem Abscheidebereich. Im lonisationsbereich werden die in der Luft befindlichen Partikel (fest und flüssig) mittels einer Koranaentladung elektrisch aufgeladen. Dies geschieht beispielsweise mittels einer Draht-Ionisationselektrode, die zwischen zwei Gegenelektroden angeordnet ist. Dies ist notwendig, da der Partikel für gewöhnlich in seinem ursprünglichen Zustand keine beziehungsweise für eine effiziente elektrostatische Abscheidung ungenügende elektrische Ladung aufweist. Ziel der Ionisationseinheit ist die elektrische Partikelaufladung jedes einzelnen Partikels bis zu einer maximalen elektrischen Sättigungsladung. Anschließend strömt das Partikel durch den Abscheidebereich hindurch, der aus einzelnen übereinander angeordneten luftdurchlässigen Niederschlagselektroden besteht und wird an diesen abgeschieden / gefiltert. Diese einzelnen luftdurchlässigen Medien (spannungsführende beziehungsweise geerdete Niederschlagselektroden) stehen beispielsweise alternierend unter elektrischer Hochspannung und bauen dadurch ein elektrisches Feld zueinander auf. Die Höhe/Betrag der elektrischen Feldstärke ist dabei maßgebend abhängig vom elektrischen Potential (vom Betrag der Spannung in kV), dem Abstand der spannungsführenden und geerdeten Niederschlagselektrode zueinander sowie der geometrischen Form der einzelnen Medien der Niederschlagselektroden.
Bei den erfindungsgemäß verwendeten Niederschlagselektroden kann es sich grundsätzlich um jedes Material/Medium handeln, welches luftdurchlässig ist. Als Beispiel kommen hier Drahtgewebe, Faserwerkstoffe und Vliese, Lochbleche, Streckmetalle, Sinterkunststoffe und Schaumstoff in Betracht. Werden poröse Kunststoffmedien verwendet, so müssen diese elektrisch leitend oder elektrisch ableitend in Hinblick auf Ihre spezifischen Eigenschaften beschaffen sein, damit sich ein elektrisches Feld zwischen den einzelnen Lagen aufbauen kann. Die Niederschlagselektroden sollten vorzugsweise aufeinander aufliegen (um die mechanische und elektrostatischen Filtermechanismen effizient auszunutzen sowie zur Bauraumeinsparung), können jedoch auch im beliebigen Abstand zu einander in Strömungsrichtung angeordnet werden.
Bezüglich der Reihenfolge kann die erste in Strömungsrichtung angeordnete Niederschlagselektrode entweder eine spannungsführende oder eine geerdete Niederschlagselektrode darstellen. Die Anzahl der Niederschlagselektroden, die auch als Filterlagen bezeichnet werden können, ist >2 und hängt von der geforderten Filtereffizienz ab. Die elektrischen Feldlinien treten stets orthogonal aus einer Fläche aus beziehungsweise wieder ein. Fliegt ein geladenes Partikel durch den Abscheidebereich hindurch, wird dieses durch mechanische und elektrostatische Abscheidemechanismen in Abhängigkeit seiner Polarität an den spannungsführenden beziehungsweise geerdeten Niederschlagselektroden abgeschieden. Positiv geladene Partikel werden an der geerdeten Niederschlagselektrode und negativ geladene Partikel an der spannungsführenden Niederschlagselektrode abgeschieden. Der Betrag der elektrischen Spannungsdifferenz zwischen der spannungsführenden und geerdeten Niederschlagselektrode liegt üblicherweise bei >= 1 kilo Volt (kV). Die geerdeten Niederschlagselektroden sind über Kontaktstellen miteinander verbunden und liegen üblicherweise auf Masse/Erde. Die spannungsführenden Niederschlagselektroden liegen untereinander vorzugsweise ebenfalls auf demselben elektrischen Potential und sind über Kontaktstellen elektrisch miteinander verbunden sowie mit dem Hochspannungserzeuger, der die Hochspannung liefert.
Vorzugsweise sind die Ionisationseinheit und die Abscheideeinheit in einem Gehäuse angeordnet. Jedoch ist ein Gehäuse nicht zwingend erforderlich. Die Ionisationseinheit und die Abscheideeinheit können in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen sein. Optional können die Ionisationseinheit und die Abscheideeinheit in räumlich voneinander getrennten Gehäusen oder ohne Gehäuse räumlich voneinander getrennt sein.
Weiterhin können optional zur Erzielung einer höheren Filtereffizienz mehrere Niederschlagselektroden beziehungsweise Filterlagen >= 1 als gleichgepolte Niederschlagselektrode hintereinander eingesetzt werden. Die Anzahl der geerdeten Niederschlagselektroden zwischen zwei spannungsführenden Niederschlagselektroden kann >= 1 sein. Dasselbe gilt auch im umgekehrten Fall, das heißt die Anzahl der spannungsführenden Niederschlagselektroden zwischen zwei geerdeten Niederschlagselektroden kann >= 1 sein.
Die vorliegende Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf.
Insbesondere wird mit der Erfindung eine Senkung der Komplexität erzielt. Durch den einfachen Aufbau der Abscheideeinheit entstehen, relativ betrachtet, Kostenvorteile zu elektrostatischen Filtern mit Platten- und Rohrabscheidern, die im Allgemeinen höhere Material- und Fertigungsaufwendungen erfordern.
Bei klassischen elektrostatischen Filtern mit Platten- oder Rohrabscheidung werden die festen und flüssigen Partikel an den Platten oder Rohrwänden abgeschieden. Aufgrund der glatten Oberflächenbeschaffenheit dieser Platten/Rohre fließt das Öl in Richtung der Erdanziehung ab. Dabei ist bei diesen Systemen steht ein Ölauffangbehälter oder eine Auffangrinne vorzusehen, da diese Abscheideplatten beziehungsweise Abscheidrohre das Öl an deren Oberflächen nicht speichern können. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen sind keine zusätzlichen Ölauffangbehälter oder Auffangrinnen notwendig. Das zwischen den einzelnen luftdurchlässigen Niederschlagselektroden abgeschiedene / gefilterte Partikelgut bleibt aufgrund von Kapillarität zwischen diesen hängen. Somit vermag der erfindungsgemäße Abscheidebereich diese Partikel zu speichern.
Bezugszeichenliste

1: Filtereinheit
2: Ionisationseinheit
20: lonisationselektrode
21: Gegenelektrode
3: Abscheideeinheit
30: spannungsführende Niederschlagselektrode
31: geerdete Niederschlagselektrode
32: Luftdurchlassöffnung
L: Luftströmungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2146288 A [0004]

Claims

Elektrostatische Filtereinheit für eine Luftreinigungsvorrichtung, wobei die Filtereinheit (1) eine Ionisationseinheit (2) und eine Abscheideeinheit (3) mit mindestens einer spannungsführenden Niederschlagselektrode (30) und mindestens einer geerdeten Niederschlagselektrode (31) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Niederschlagselektroden (30, 31) luftdurchlässig sind.
Elektrostatische Filtereinheit nach Anspruch 1, wobei die Strömungsrichtung (L) der Luft, die die Niederschlagselektroden (30, 31) anströmt, in einem Winkel α im Bereich von 0 ≤ α ≤ 90°, beispielsweise 45° oder 90° zu der Fläche der Niederschlagselektroden (30, 31) liegt.
Elektrostatische Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei benachbarte Niederschlagselektroden (30, 31) zueinander einen Abstand in einem Bereich von 0 bis 20mm, vorzugsweise 0 bis 2mm.
Elektrostatische Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mindestens zwei zueinander benachbarte Niederschlagselektroden spannungsführende Niederschlagselektroden (30) oder mindestens zwei zueinander benachbarte Niederschlagselektroden geerdete Niederschlagselektroden (31) sind.
Elektrostatische Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens eine der Niederschlagselektroden (30, 31), insbesondere die spannungsführenden Niederschlagselektroden (30), eine elektrische Isolierungsbeschichtung aufweist.
Elektrostatische Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Niederschlagselektroden (30, 31) aus luftdurchlässigem Material bestehen.
Elektrostatische Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Niederschlagselektroden (30, 31) aus einem luftundurchlässigen Material mit mindestens einer Luftdurchlassöffnung (32) bestehen.
Elektrostatische Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mindestens eine Niederschlagselektrode (30, 31) aus Streckmetall, Drahtgitter, Drahtgewebe, Faserwerkstoff, Vlies, Lochblech, Sinterkunststoff oder Schaumstoff besteht.
Elektrostatische Filtereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens zwei Niederschlagselektroden (30, 31) so zueinander angeordnet sind, dass deren Struktur um eine Achse in der Ebene der Niederschlagselektrode (30, 31) gedreht, liegen.
Luftreinigungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das dieser zumindest eine elektrostatische Filtereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.
Luftreinigungsvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Luftreinigungsvorrichtung eine Dunstabzugshaube darstellt und die mindestens eine Filtereinheit (1) an der Lufteinlassöffnung der Dunstabzugshaube angeordnet ist.