DE19919623A1 - Luftaufbereitungssystem zum wirksamen Abbau von luftgetragenen Gerüchen, Keimen und Schadstoffen - Google Patents
Luftaufbereitungssystem zum wirksamen Abbau von luftgetragenen Gerüchen, Keimen und SchadstoffenInfo
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Description
Die Luft, in von Menschen genutzten Wohnräumen, öffentlichen Gebäuden,
Kraftfahrzeuginnenräumen, öffentlichen Verkehrsmitteln, Krankenhäusern, Arztpraxen und
ähnlichen geschlossenen Räumen ist häufig mit unangenehmen Gerüchen und Schadstoffen
wie z. B. krankheitserregenden Keimen (Pilzsporen, Bakterien, Viren) oder toxikologisch
wirksamen gasförmigen chemischen Verbindungen belastet. Die Folgen sind neben
allgemeinen, durch unangenehme Gerüche bedingten, Komforteinbußen, aber auch durch
Keime und Schadstoffe bedingte Erkrankungen.
Das menschliche Immunsystem ist in der Regel in der Lage diese Anrufe abzuwehren, aber
insbesondere alte Menschen, geschwächte oder bereits erkrankte Menschen sowie Kinder mit
einem noch im Aufbau befindlichen Immunsystem sind gefährdet.
Entsprechend einer wissenschaftliche Studie des Robert Koch Instituts (Quelle:
Bundesgesundheitsblatt Heft 7/96, S. 246) sterben allein in Deutschland jedes Jahr 40.000
Menschen an Infektionskrankheiten, die durch luftgetragene Keime z. B. in Krankenhäusern,
Hotels, Restaurants oder öffentlichen Verkehrsmittel ausgelöst werden. Die Kosten dieser
sogenannten nosokominalen Infektionen werden von den Autoren auf mehr als 3 Milliarden
Mark jährlich geschätzt.
Es ergibt sich damit die Aufgabenstellung, ein Verfahren anzugeben, mit dem luftgetragene
Gerüche, Keime und sonstige Schadstoffe wirksam reduziert werden können.
Zur Beseitigung von luftgetragenen Keimen sind z. B. Partikelfilter bekannt, die u. a. auch
allergieauslösende Partikel aus der Luft entfernen können. Diese HEPA-Filter (High
Efficiency Particle Filter) erfordern jedoch einen häufigen Filterwechsel, da die Keime auf
dem Filtermaterial in der Regel einen idealen Nährboden zur Vermehrung finden. Bei nicht
regelmäßiger Wartung (Desinfektion und Filterwechsel) bewirken diese Filter unter
Umständen das Gegenteil von dem wofür sie eingesetzt werden, sie reichern die Luft mit
zusätzlichen Keimen an. Ein weiter Nachteil dieses Verfahrens ist, daß aufgrund der hohen
Strömungswiderstände dieser feinporigen Filter, entsprechend dimensionierte Lüfter mit
hoher Leistung und damit verbundener Lärmemission eingesetzt werden müssen. Neben dem
intensiven, mit hohen Kosten verbundenen Wartungsaufwand spricht also auch die
Lärmentwicklung gegen einen weitverbreiteten Einsatz dieser Systeme.
Zur Entfernung von Gerüchen und gasförmigen chemischen Verbindungen aus der Luft
werden auch Filter aus Aktivkohle verwendet. Die Filterwirkung beruht hierbei auf der
Adsorption der Schad- und Geruchsstoffe an der Oberfläche der Aktivkohle. Modifizierte
Aktivkohle kann über eine innere Oberfläche von über 100 m2/g verfügen.
Gegen den allgemeinen weitverbreiteten Einsatz dieser Aktivkohlefilter sprechen aber auch
hier sinngemäß die Einschränkungen die für die Partikelfilter angeführt wurden, hohe Kosten
durch regelmäßige Wartung und Austausch der Filtermedien sowie Geräuschentwicklung der
erforderlichen Ventilatoren.
Ein wirksamer Schutz vor Gerüchen, Keimen und gasförmigen Schadstoffen in
geschlossenen Räumen kann aber durch eine intensive Be- und Entlüftung erreicht werden.
Die hierzu erforderlichen Luftwechselzahlen verursachen jedoch, da die ausgewechselte Luft
ja immer auch klimatisiert werden muß, immense Kosten. Dies führt dazu, daß in der Regel
mit reduzierten Luftwechselzahlen gearbeitet wird, die einen Kompromiß zwischen Kosten
und Komfort darstellen. Außerdem tritt auch in der klassischen Klimatisierung von
geschlossenen Räumen das Problem der in der Praxis nicht ausreichenden Wartung auf. Dies
führt dazu, daß die Anlagen (Filter, Luftbefeuchter, Luftentfeuchter, Luftkanäle) verkeimt sind
und somit genau das Gegenteil von dem bewirken, wofür sie eingesetzt werden. Dieses
Phänomen ist unter dem Begriff "Thick-Building Syndrom" bekannt, was nichts anderes
besagt, als daß die Menschen in klimatisierten Gebäuden (Räumen) bedingt durch eine (nicht
sachgerechte) Klimatisierung erkranken.
Ozon ist nach Fluor das stärkste, bekannte Oxidationsmittel und ist in der Lage sowohl Keime
abzutöten als auch Geruchsstoffe zu oxidieren. Es sind Verfahren und Geräte bekannt, die mit
Hilfe der Ozonanreicherung von Luft, luftgetragene Schadstoffe oxidieren und Keime
abtöten. Dabei muß unterschieden werden, zwischen Geräten, die eine hohe
Ozonkonzentration <100 ppb erzeugen und solchen, die eine relativ niedrige
Ozonkonzentration <100 ppb in dem zu behandelnden Raum erzeugen. Bei der Anwendung
von Geräten, die eine hohe Ozonkonzentration erzeugen dürfen Menschen oder Tiere den
Raum für die Dauer der Behandlung und einige Stunden darüber hinaus nicht betreten. Aber
auch bei Konzentration unterhalb von 100 ppb ist besondere Vorsicht geboten. Der MAK-
Wert (Maximale Arbeitsplatzkonzentration) lag ursprünglich bei 100 ppb Ozon. Es ist lange
bekannt, daß Ozon als Reizgas eine schädigende Wirkung auf die Schleimhäute und die
Atemwege hat. Es wird dem Ozon neuerdings aber auch ein krebserzeugendes Potential
zugeschrieben, so daß auch geringere Konzentrationen als 140 ppb als kritisch zu bewerten
sind. Ozon hat ein eindeutig gentoxisches Potential. Dies ist auch der Grund dafür, daß die
MAK-Kommission den MAK-Wert für Ozon bis auf weiteres ausgesetzt hat. (Quelle: H.
Blome, T. Smola "Ozon und Arbeitsschutz", Gefahrstoffe - Reinhaltung der Luft 56 (1996)
231-237, Springer Verlag 1996).
Ein weiteres Risikopotential bei der Ozon-Exposition ganzer Räume ist darin zu sehen, daß
durch heterogene Reaktionen mit den im Raum vorhandenen Stoffen in und auf Oberflächen
z. B. Kunststoffen in Teppichböden oder Beschichtungen von Wänden und Möbeln
unbekannte, nicht vorhersehbare Folgeprodukte entstehen, die zu einer Erhöhung der VOC's
(Volatile Organic Compounds) in der Raumluft führen und somit eher Schad- und
Geruchsstoffe erzeugen als abbauen.
Es ist bekannt, daß durch Ozon in der Raumluft z. B. in Verbindung mit Teppichböden die
Konzentration von Formaldehyd, Acetaldehyd und weiteren Aldehyden mit 5 bis 10
Kohlenstoffatomen, in der Raumluft signifikant ansteigen (Quelle: Ch. J. Weschler, A. T.
Hodgson, J. D. Wooley, "Indoor Chemistry: Ozone, Volatile Organic Compounds, and
Carpets", Eniron. Sci. Technol. 1992, 26, 2371-2377).
Diese Verfahren eignen sich demzufolge nicht für den permanenten Einsatz zur
Luftautbereitung, sondern sind nur in einigen ausgewählten Einzelfällen unter Beachtung und
Gewährleistung entsprechender Sicherheitsvorkehrungen einsetzbar.
In DE 196 03 623 wird ein Gebläse angegeben, mit dem wechselweise Ozon erzeugt und
Ozon zerstört wird. Für dieses Gerät gelten z. B. die oben angegebenen erheblichen Nachteile.
In DE 44 24 834 wird ein Verfahren zur Entkeimung von Luft angegeben, das ebenfalls auf
Ozonanreicherung beruht. Das überschüssige Ozon soll am Ende eines Kanals durch ein
Aktivkohlefilter geleitet und dadurch abgebaut werden. Nachteilig ist an diesem Verfahren,
daß die Reaktion zwischen Keimen und Ozon erfindungsgemäß in einem Luftkanal erfolgen
soll. Bei der zu erwartenden geringen Konzentration von Keimen und aktivem Sauerstoff ist
die Wahrscheinlichkeit einer Reaktion entsprechend gering. Am Ende des Kanals soll
überschüssiges Ozon (atomarer Sauerstoff) durch ein Aktivkohlefilter abgebaut werden.
Nachteilig hierbei ist, daß herkömmliche Aktivkohlefilter je nach Auslegung nur ca 40% des
Ozons abbauen können. Um also die Ozonkonzentration am Luftaustritt entsprechend gering
halten zu können ist es erforderlich die Konzentration im Luftkanal bereits entsprechend
niedrig zu halten, was die Wirksamkeit weiter einschränkt. Außerdem besteht bei der
Verwendung von Aktivkohlefiltern zum Ozonabbau bei hohen Konzentrationen, durch die
entstehende Reaktionswärme in Verbindung mit Staubanlagerungen die Gefahr der
Selbstenzündung.
Es sind auch Verfahren bekannt, die mit Hilfe der Luftionisierung einen Abbau von Keimen
und Schadstoffen bewirken sollen. Eine Wirksamkeit dieser Verfahren hinsichtlich
Schadstoffabbau wird von uns aber ernsthaft angezweifelt.
Diese Ionisierungsverfahren arbeiten mit Ionenkonzentrationen im Bereich von einigen
zehntausend Ionen pro Kubikzentimeter Raumluft. Dies entspricht einer Konzentration von
einem Ion auf 1015 Teilchen oder 10-9 ppm.
Ausgehend davon, daß Schadstoffe in Konzentrationen von einigen ppm bis ppb vorliegen,
darf eine wirksame Reduzierung angezweifelt werden. Ähnliches gilt auch für Keime in der
Luft. Normale Raumluft enthält ca. 1000 Keime pro Kubikmeter Luft. Die
Wahrscheinlichkeit einer "Reaktion" zwischen Ion und Keim dürfte also sehr nahe bei Null
liegen.
Der vorliegenden Erfindung liegt also die erweiterte Aufgabenstellung zugrunde ein
Verfahren anzugeben, mit dem luftgetragene Gerüche, Keime und sonstige Schadstoffe
wirksam reduziert werden können ohne daß die angegebenen Nachteile wie
- - toxisches Potential bei hohen Ozonkonzentrationen in Räumen
- - geringe Wirksamkeit bei niedrigen Konzentrationen
- - geringe Effizienz bei Reaktionen in der Gasphase
- - nicht vorhersehbare Folgeprodukte durch heterogene Reaktionen von Ozon z. B. mit Kunststoffen in und auf Oberflächen im Raum
- - Gefahr der Selbstentzündung bei Ozonaubbau an Aktivkohle.
Erfindungsgemäß wird dies durch das mit Abb. 1 erläuterte Verfahren, das im folgenden
mit - Physical Air Treatment Technology - (PATT) bezeichnet wird, gelöst. Es wird ein
elektrisch betriebener Ventilator 1.1, eine Ionisierungseinheit 1.2, eine Hochspannungsquelle
1,3, eine Sorptionskatalysatoreinheit bestehend aus Katalysator I (1.4) und Ozonkatalysator II
(1.5), einer Ozonsensoreinheit, einer Sensoreinheit zur Messung der Ozonkonzentration (1.6)
einem Staubfilter (1.7), einer Sensoreinheit zu Messung der Luftqualität (1.8), sowie einer
Steuerelektronik (1.9) benötigt. Ausformungen dieses Verfahrens sind in den
Unteransprüchen zu Anspruch 1 angegeben.
Die mit Schad-/Geruchsstoffen und Keimen belastete Luft wird mit einem geeigneten
Fördermittel vorzugsweise einem elektrisch betriebenem Lüfter durch die PATT-Einheit
geleitet. In der mit einer steuerbaren Hochspannungsquelle verbundenen Ionisierungseinheit
(1.2) werden Schadstoffe sowie Luftmoleküle teilweise ionisiert. Neben Sauerstoffionen
entsteht auch atomarer Sauerstoff und Ozon. Das hohe Oxidationspotential von
Sauerstoffionen (O2 -), atomaren Sauerstoff (O-) und Ozon (O3) ist bekannt und wurde oben
bereits erläutert. Es wurde jedoch festgestellt, daß Reaktionen zwischen Keimen und Schad-
/Geruchsstoffen einerseits und atomarem Sauerstoff, Sauerstoffionen und Ozon andererseits
in der Gasphase aufgrund der geringen Konzentration der Reaktionspartner (ppb bis einige
ppm) nur in sehr geringem Umfang stattfinden. Daher ist der Ionisierungseinheit in
Strömungsrichtung ein Katalysator I (1.4) nachgeschaltet. Durch Adsorption der gasförmigen
Reaktionspartner an der Oberfläche des Katalysators I (1.4) erhöht sich lokal die
Konzentration, so daß die Ausbeute (keimtötende Wirkung, Oxidation von Schad-
/Geruchsstoffen) deutlich erhöht wird. Zusätzlich wird durch die katalytische Wirkung der
Oberfläche die Aktivierungsenergie herabgesetzt, was zusätzlich zu einer größeren
Reaktionswahrscheinlichkeit führt.
Der Katalysator I (1.4) ist vorzugsweise so gestaltet, daß er Ozon nicht oder nur in sehr
geringem Umfang katalytisch zu Sauerstoff zersetzt, da dieses Ozon ansonsten nicht für die
erforderlichen Reaktionen zur Verfügung steht. Der Katalysator I (1.4) verfügt über eine
große innere Oberfläche und ist bevorzugt aus entsprechend modifiziertem keramischen
Material wie Siliziumoxid (SiO2) oder alternativ aus Aluminiumoxid Al2O3. Es sind auch
andere Materialien denkbar.
Damit kein überschüssiges Ozon in die Umwelt gelangt und Menschen und Tiere gefährden
kann, ist dem Katalysator I (1.4) ein weiterer Ozonkatalysator II (1.5) in Strömungsrichtung
nachgeschaltet. Dieser Katalysator hat erfindungsgemäß die Aufgabe das verbleibende Ozon
katalytisch in Sauerstoff umzuwandeln. Dieser Ozonkatalysator verfügt ebenfalls über eine
große innere Oberfläche und besteht aus modifizierter Aktivkohle als Trägermaterial, die
bevorzugt mit Mangandioxid oder Kupferoxid oder mit einer Mischung aus
Mangandioxid/Kupferoxid zumindest teilweise beschichtet ist. Alternativ können auch andere
Oxide von Übergangsmetallen wie z. B. Palladium verwendet werden. Es sind auch andere
Beschichtungen und andere Trägermaterialien wie z. B. Aluminiumoxid denkbar.
Die beiden Katalysatoren (1.4, 1.5) können auch zu einer Funktionseinheit zusammengefaßt
werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist erfindungsgemäß vorgesehen die
Wirksamkeit des Systems zu steigern, indem ein großer Teil der durch das
Luftaufbereitungssystem geleiteten Luft zusätzlich ionisiert wird. Dies geschieht vorteilhaft
mit Hilfe einer Sprühelektrode, die mit einer geeigneten Hochspannungsquelle verbunden ist.
Die Sprühelektrode wird vorteilhaft aus einer Vielzahl dünner Drähte oder feiner Spitzen
gebildet. Zusammen mit der Luft werden auch darin enthaltene Inhaltsstoffe wie z. B.
Geruchsmoleküle ionisiert. Zusätzlich wird einer oder beide Sorptionskatalysatoren mit einer
geeigneten Hochspannungsquelle verbunden, wobei die Polarität so gewählt ist, daß sie
entgegengesetzt zu der Polarität der mit Hilfe der Sprühelektrode erzeugten Ionen ist.
Hierdurch wird erreicht, daß sich die Ionen, ähnlich wie in einem elektrostatischen Staubfilter,
bevorzugt am Katalysator anlagern und die Wahrscheinlichkeit einer Oxidation von Schad-
und Gersuchstoffen sowie die Abtötung von Keimen ansteigt.
Katalysatoren können durch Bedeckung der Oberfläche mit nicht katalytisch wirksamen
Stoffen wie z. B. Staubverunreinigungen oder durch sogenannte Katalysatorgifte wie z. B.
Halogenverbindungen in ihrer Wirksamkeit stark eingeschränkt oder irreversibel zerstört
werden. Daher ist es erforderlich weitere Maßnahmen zu treffen, die die erfindungsgemäße
Funktion von PATT (Physikal Air Treatment Technology) sicherstellen und zusätzlich
sicherstellen, daß auch bei einem Versagen des Ozonkatalysators II (1.5) kein Ozon in die
Umwelt gelangt. Erfindungsgemäß geschieht dies zum einen durch einen feinporigen
Staubflilter (1.7), welcher in Strömungsrichtung vor dem Lüfter (1.1) angeordnet ist.
Alternativ kann auch ein elektrostatischer Staubfilter verwendet werden wie er dem
Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Als weitere Sicherheitsmaßnahme befindet sich in Strömungsrichtung hinter dem
Ozonkatalysator II (1.5) ein Sensorsystem zu Ozondetektion (1.6). Dieses Sensorsystem
besteht bevorzugt aus einem Metalloxidhalbleitergassensor bevorzugt auf der Basis von
Wolframtrioxid (WO3), sowie einer Steuerungs- und Auswerteeinheit mit Mikroprozessor und
entsprechender integrierter Software. Es sind auch andere Metalloxidhalbleitersensoren wie
z. B. auf der Basis von Zinndioxid denkbar.
Da die zu detektierenden Ozonkonzentrationen mit <20 ppb sehr gering sind und das
Signal/Rauschverhältnis der Metalloxidhalbleitersensoren unter normalen Umständen keine
Messung ermöglicht - und zusätzlich Drifterscheinungen auftreten, die eine
Absolutwertmessung normalerweise nicht ermöglichen -, werden zwei Verfahren
vorgeschlagen, die in Verbindung mit einer Steuerelektronik erfindungsgemäß sicherstellen,
daß unter allen denkbaren Umständen die Ozonkonzentration am Luftaustritt des PATT-
Systems nicht größer als ein vorgegebener Grenzwert von z. B. 20 ppb (40 ng/m3) werden kann.
Durch Modulation der Hochspannungsversorgung der Ionisationseinheit wird auch die
Ozonkonzentration im Luftstrom entsprechend moduliert. Ein gleichartig moduliertes Signal
wird auch vom Ozonsensor detektiert. Durch frequenz- und phasensynchrone Demodulation
des Sensorsignals kann dieses aus dem Rauschsignal isoliert werden. Zusätzlich erhält man
mit den oberen und unteren Scheitelwerten eine Referenz, die es erlaubt die Überschreitung
eines vorgegeben Grenzwertes zu überwachen. Dies ist möglich, da die Abhängigkeit der
Ozonkonzentration von der Hochspannung nicht linear ist.
Die Hochspannung der Ionisationseinheit wird entsprechend Abb. 2 verändert.
Ausgehend von einem vorgegebenen Normalwert 2.1 wird die Hochspannung auf einen Wert
(2.2) reduziert, bei dem mit Sicherheit keine Ozonbildung auftritt. Anschließend wird die
Hochspannung wieder erhöht bis das Sensorsystem ein deutliches Signal liefert (2.3). Im
nächsten Schritt wird die Hochspannung wieder auf den vorgegebenen Normalwert (2.4)
reduziert. Die beiden Sensorwerte bei 2.2 und 2.3 ermöglichen eine Referenzbildung, da die
Quereinflüsse auf den Sensor in beiden Fällen gleich sind und Drifterscheinungen innerhalb
des kurzen Zeitraumes zwischen 2.2 und 2.3 nicht relevant sind. Die Zeit t1 muß dabei sehr
klein im Vergleich zur Zeit t2 sein. Damit ist erfindungsgemäß sichergestellt, daß die an die
Umgebung abgegebene Ozonmenge pro Zeiteinheit einen vorgegebenen Grenzwert nicht
überschreitet.
Sollte vom Sensor ein Überschreiten des vorgegebenen Grenzwertes detektiert werden, wird
von der Steuerelektronik 1.9 die Hochspannung automatisch soweit reduziert, daß keine
Ozonproduktion mehr erfolgt. Zusätzlich wird über optische und (oder) akustische
Signalgeber eine Fehlfunktion signalisiert.
Unter ungünstigen Umständen kann aber auch bei einer Ozonkonzentration von <20 bbp am
Ausgang des PATT-Systems die Konzentration im behandelten Raum über diesen Wert
ansteigen. Dies ist der Fall, bei kleinen Räumen und hoher Luftleistung, da Ozon nicht in dem
Maße abgebaut wird wie es vom System nachgeliefert wird.
Damit aber auch in diesen Fällen sichergestellt ist, daß die Ozonkonzentration im Raum nicht
über einen vorgegebenen Wert ansteigen kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, auch am
Lufteinlaß des PATT-Sytems einen Ozonsensor zu positionieren, dessen Signal der
Steuereinheit zugeführt wird. Für den Fall der Überschreitung eines vorgegebenen
Grenzwertes wird die Ionisationsleistung automatisch entsprechend reduziert.
Die in dem PATT-System eingesetzte Ionisierungseinheit besteht bevorzugt aus einer
Anordnung, wie sie ähnlich in Abb. 3 dargestellt ist. Es handelt sich dabei um eine
planare Elektrode (3.1) aus einem leitfähigen Material, bevorzugt aus Metall, die von einem
Dielektrikum (3.2), bevorzugt Quarzglas, umgeben ist. Außen befindet sich in einem
geringen Abstand vom Dielektrikum eine Gitterelektrode (3.3) aus einem feinmaschigen
Drahtgeflecht vorzugsweise aus einem korrosionsfesten Metall wie z. B. Edelstahl. An die
beiden Elektroden wird eine Wechselspannung von mindestens 3500 Volt und einer
Wechselfrequenz zwischen 30 kHz und 100 kHz angelegt. Dabei befindet sich die äußere
Gitterelektrode bevorzugt auf Massepotential. Durch das Dielektrikum kann keine direkte
Entladung zwischen den Elektroden stattfinden. Aufgrund der hohen Feldstärke treten aber
Elektronen aus der Gitterelektrode aus und ionisieren die in der näheren Umgebung
befindlichen Gase, erfindungsgemäß den in der Luft befindlichen Sauerstoff und vorhandene
Schad-/Geruchsstoffe . Die Strömungsrichtung ist bevorzugt parallel zur Oberfläche.
Anstelle der Gitterelektrode kann das dielektrische Material auch mit Beschichtungsverfahren
wie z. B. Hochvakuumbedampfung, oder HF-Sputtern mit leitfähigen Material beschichtet
werden. Durch Photolithographie und geeignete Ätzverfahren können die Elektroden
anschließend strukturiert werden. In Abb. 6 ist eine Elektrodenstruktur angegeben wie
sie vorteilhaft verwendet wird. Es handelt sich um eine Struktur mit einer Vielzahl feiner
Spitzen. Die Gegenelektrode auf der Rückseite des dielektrischen Substratmaterials ist
erfindungsgemäß eine planare, nicht-strukturierte Elektrode. Es kann aber auch eine ähnliche
Struktur mit einer Vielzahl feiner Spitzen verwendet werden. Alternativ können die
strukturierten Elektroden auch durch Siebdruckverfahren oder durch
Hochvakuumbedampfung/HF-Sputtern durch eine Schattenmaske hindurch hergestellt
werden.
In Abb. 4 ist eine weitere alternative Ausgestaltung der Ionisierungseinheit dargestellt.
Es handelt sich dabei um eine Vielzahl dünner Drähte (4.1) aus einem leitfähigen Material,
bevorzugt Metall, die jeweils von einem Dielektrikum in Form von Kapillarrohren (4.2)
umgeben sind. Als Dielektrikum wird bevorzugt Quarzglas verwendet, es ist aber auch
normales Glas z. B. ein Borosilikatglas oder andere dielektrische Materialien denkbar. Die
Kapillarrohre sind jeweils von einer zylinderförmigen Gitterelektrode (4.3) aus einem
feinmaschigen Drahtgeflecht vorzugsweise aus einem korrosionsfesten Metall wie z. B.
Edelstahl umgeben. Die einzelnen Einheiten aus dünnem Draht, umgebendem Dielektrikum
und Gitterelektrode können sowohl elektrisch parallel als auch seriell hintereinandergeschaltet
werden und werden mit einer Hochspannungsquelle wie sie bereits oben beschrieben ist
verbunden. Der Wirkmechanismus ist analog zu dem oben beschriebenen. Die
Strömungsrichtung der Luft kann dabei sowohl parallel als auch senkrecht zur
Symmetrieachse der zylinderförmigen Elektrodenanordnung sein.
Eine Variation dieser Ionisierungseinheit ist ähnlich wie in Abb. 5 dargestellt. Dabei
befinden sich jeweils zwischen zwei planaren Gitterelektroden (5.1) eine Vielzahl von
Drahtelektroden (5.2) mit umgebenden Kapillarrohr (5.3) aus einem dielektrischen Material,
wie oben beschrieben. Die Strömungsrichtung kann hierbei sowohl senkrecht als auch parallel
zur Oberfläche der planaren Gitterelektroden sein.
Als Ionisierungseinheit können aber auch eine Vielzahl feiner Spitzen, die mit einer
Hochspannungsquelle elektrisch verbunden werden, erfindungsgemäß verwendet werden. Es
handelt sich dabei um sogenannte Sprühelektroden.
Zur Ionisierung und Ozonerzeugung können alternativ aber auch andere Ionen- und
Ozongeneratoren wie sie z. B. in US 4559467, DE 197 14 176, US 5136461, DE 196 27 509,
US 5483117, angegeben sind, verwendet werden. Für die erfindungsgemäße Anwendung in
PATT gelten die entsprechenden Patentschriften in Bezug auf den mechanischen und
elektronischen Aufbau als in dieser Anmeldung geoffenbart.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die im PATT-System ablaufenden
physikalisch/chemischen Prozesse, der katalytischen Oxidation von in der Luft vorhandenen
Keimen und gasförmigen Schad-/Geruchstoffen, sowie die katalytische Zersetzung des
überschüssigen Ozons, bei Raumtemperatur erfolgen. Zur Erhöhung der erfindungsgemäßen
Wirkung kann aber die Temperatur zusätzlich durch geeignete Heizer, die an geeigneter Stelle
angebracht werden, bevorzugt elektrische Heizer an den Katalysatoren, auf einen vorgegeben
Wert oberhalb der Raumtemperatur erhöht werden.
Die Verwendung einer Heizung zur Temperaturerhöhung an den Katalysatoren bietet
außerdem einen weiteren Vorteil. Bei vergifteten oder durch Adsorption in ihrer Funktion
eingeschränkten Katalysatoren können diese durch kurzzeitige Temperaturerhöhung und
Belüftung regeneriert werden, da die adsorbierten Gase in diesem Falle wieder desorbieren
und die Oberfläche des Katalysators somit gereinigt wird.
Da die Ionisierungseinheit (1.2) und der Katalysator (1.4, 1.5) in ihrer erfindungsgemäßen
Funktion durch kleinste Partikel (Staub) beeinträchtigt werden können, ist vorgesehen das
PATT-Gerät (Abb. 1) eingangsseitig mit einem hochwirksamen Partikelfilter (1.7)
(HEPA-Filter) auszustatten, wie er zum Stand der Technik gehört. Durch einen
hochwirksamen Partikelfilter werden aber auch Pilzsporen und Bakterien zurückgehalten, so
daß ohne weitere Maßnahmen eine zusätzliche Verkeimung des Partikelfilters zu erwarten ist.
Insbesondere Pilze können im Laufe einer längeren Betriebszeit ohne Wechsel des
Partikelfilters durch den Filter hindurch wachsen, und so strömungstechnisch hinter dem
Partikelfilter erneut Sporen freisetzen. Um eine Verkeimung des Partikelfilters dauerhaft
auszuschließen ist daher im Sinne dieser Erfindung vorgesehen, einen Teil der hinter der
Ionisierungseinheit (1.2) befindlichen Luft, die mit Ionen und Ozon angereichert ist, über
zusätzliche Luftkanäle (1.10) an den Lufteintritt vor den Partikelfilter (1.7) zurückzuführen.
Durch diese Maßnahme wird der Partikelfilter mit Luft durchströmt, die mit Ionen und Ozon
angereichert ist. Diese tötet die am Partikelfilter befindlichen Keime (Pilzsporen, Bakterien)
zuverlässig ab.
Für eine bedarfsgerechte Steuerung von PATT ist in einer weiteren Ausführungsform
erfindungsgemäß vorgesehen das System mit einer zusätzlichen Sensoreinheit (1.8) zur
Messung der Luftqualität auszustatten. Diese zusätzliche Sensoreinheit verfügt über einen
Metalloxidhalbleitersensor, bevorzugt auf der Basis von Zinnoxid als Sensormaterial, wie sie
in der Patentanmeldung 199 11 876.1 angegeben ist und in dieser Form als in der vorliegenden
Patentschrift geoffenbart gilt. Das Sensorsystem detektiert oxidierbare Luftinhaltsstoffe wie
z. B. Gerüche oder Schadstoffe. Das Sensorsignal wird verwendet, um mit der Steuerelektronik
(1.9) die Ionisationsleistung und geförderte Luftmenge den tatsächlichen Erfordernissen im
Sinne einer Regelung anzupassen. Das Sensorelement zur Messung der Luftqualität kann
dabei am Lufteinlaß der PATT-Einheit oder an beliebiger Stelle im Raum angebracht werden.
Claims (18)
1. Luftaufbereitungssystem zur Reduktion von luftgetragenen Schadstoffen, Gerüchen und
Keimen, bestehend aus elektrisch betriebenen Ventilator, Hochspannungserzeugung,
Ionisationseinheit, Sorptionskatalysatoreinheit, Steuerungselektronik, und Sensorsystem
in einem geschlossenem Regelkreis.
2. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ionisationseineinheit ähnlich wie in Abb. 3 aus einer metallischen Elektrode besteht,
die sich zwischen zwei Platten aus einem dielektrischen Material bevorzugt aus
Quarzglas, befindet. Die vollständig im Dielektrikum gekapselte Elektrode ist von einer
zweiten Elektrode umgeben, die vorteilhaft als Gitterelektrode ausgebildet ist.
3. Luftaufbereitungssytem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Elektroden aus strukturierten dünnen Metallfilmen bestehen, die durch
Metallbeschichtungsverfahren bevorzugt durch Hochvakuum Bedampfung oder HF-
Sputtern auf das Dielektrikum aufgebracht werden und anschließend durch
Photolithographie und Ätztechniken strukturiert werden.
4. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ionisationseinheit ähnlich wie in Abb. 4 dargestellt, aus einer Vielzahl dünner
Drähte besteht, die sich jeweils in einem Kapillarrohr aus dielektrischem Material,
bevorzugt aus Glas, befinden. Die Kapillarrohre sind jeweils mit einer Außenelektrode
versehen. Die Außenelektrode ist vorzugsweise so gestaltet, daß sie jedes einzelne
Kapillarrohr zylindrisch umgibt.
5. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Außenelektrode planar ist und für mehrere in einer Ebene angeordnete Kapillarrohre mit
innerer Drahtelektrode, die Gegenelektrode bildet.
6. Luftaufbereitungssytem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ionisationseinheit aus einer Vielzahl feiner Spitzen besteht.
7. Luftautbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sorptionskatalysator aus einem Material mit großer
innerer Oberfläche, bevorzugt aus einer modifizierten Aktivkohle, besteht.
8. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere
Oberfläche des Sorptionskatalysators zumindest teilweise mit Mangandioxid (MnO2)
beschichtet ist.
9. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere
Oberfläche des Sorptionskatalysators zumindest teilweise mit Kupferoxid (CuO)
beschichtet ist.
10. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere
Oberfläche des Sorptionskatalysators zumindest teilweise mit einer Mischung aus
Mangandioxid (MnO2) und Kupferoxid (CuO) beschichtet ist.
11. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die innere
Oberfläche des Sorptionskatalysators zumindest teilweise mit Oxiden der
Übergangsmetalle bevorzugt Palladium beschichtet ist.
12. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 7, und mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Sorptionskatalysator ein zusätzlicher Katalysator aus
einem Material mit großer innerer Oberfläche vorgeschaltet wird und mit diesem eine
Funktionseinheit bildet. Dieser zusätzliche Katalysator hat die Eigenschaft, daß er Schad-
und Geruchstoffe an seiner inneren Oberfläche adsorbiert aber Ozon nicht oder nur im
geringen Umfang zu Sauerstoff zersetzt. Dieser zusätzliche Katalysator ist bevorzugt aus
keramischen Material z. B. modifiziertes (SiO2) oder modifiziertes Aluminiumoxid
(Al2O3).
13. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sorptionskatalysator mit einem geeigneten Heizsystem
ausgestattet ist, das es ermöglicht die Temperatur des Sorptionskatalysators
bedarfsgerecht zu erhöhen.
14. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2-13,
dadurch gekennzeichnet, daß strömungstechnisch am Eingang des Systems eine
zusätzliche Sprühelektrode, bevorzugt aus einem oder mehreren dünnen Drähten,
angebracht wird. Die Sprühelektrode wird mit einer geeigneten Hochspannungsquelle
verbunden, hierdurch erfolgt eine zusätzliche Ionisierung der Luft und deren Inhaltsstoffe.
Zusätzlich wird einer oder beide Katalysatoren mit einer Hochspannungsquelle
verbunden, wobei das Potential entgegengesetzt zu dem der Sprühelektrode ist. Hierdurch
wird vorteilhaft erreicht, daß sich die Ionen bevorzugt am Katalysator niederschlagen.
15. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2-14,
dadurch gekennzeichnet, daß strömungstechnisch am Eingang des Systems ein
Partikelfilter zum Schutz der Elektroden und Katalysatoren vorgesehen ist. Um eine
Verkeimung des Partikelfilters zu verhindern, ist zusätzlich vorgesehen, einen Teil der im
Gerät mit Ozon angereicherten Luft erneut vor dem Staubfilter einzuleiten.
16. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß sich strömungsseitig hinter dem Sorptionskatalysator ein
Sensorsystem zur Ozondetektion befindet. Für den Fall, daß die Ozonkonzentration in der
Abluft des Luftaufbereitungssystems einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, wird
ein Signal generiert, das über die Steuerelektronik die Hochspannung für die
Ionisationseinheit soweit reduziert, bis ein vorgegebener Grenzwert für Ozon wieder
unterschritten wird. Zusätzlich wird bevorzugt ein optisches und (oder) akustisches Signal
ausgelöst, das dem Betreiber eine mögliche Fehlfunktion signalisiert.
17. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß für einen
kurzen Zeitraum über die Steuerelektronik die Hochspannung sukzessive erhöht wird, bis
das Sensorsystem zur Ozondetektion einen voreingestellten Wert der Ozonkonzentration
in der Abluft detektiert. Anschließend wird die Hochspannung für einen längeren
Zeitraum wieder auf einen voreingestellten Betrag reduziert.
18. Luftaufbereitungssystem nach Anspruch 1 und mindestens einem der Ansprüche 2 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Luftaufbereitungssystem strömungstechnisch am
Lufteintritt ein Sensorsystem vorgeschaltet ist, das die Belastung der Luft mit Schad- und
Geruchsstoffen detektiert. Das Signal dieses Sensorsystems wird verwendet, um die
wesentlichen Parameter wie Strömungsgeschwindigkeit, Hochspannung, Ionisationsrate
und Ozonmenge über die Steuerelektronik für einen optimalen Abbau der Schad- und
Geruchsstoffe bedarfsgerecht anzupassen.
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