DE202020105775U1

DE202020105775U1 - Rohrfilter und System zur Filtration verschmutzter Umgebungsluft

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Publication number: DE202020105775U1
Application number: DE202020105775.8U
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Filing date: 2020-10-08
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Also published as: KR20210002528U; WO2021224774A1; CN215233042U; CA3101055A1; WO2021224671A1; WO2021224650A1; BR202020023884U2

Abstract

Rohrfilter (21) zur dynamischen Reinigung eines Schwebepartikel enthaltenden Luftstroms, umfassend
wenigstens einen Strömungskanal (1), der wenigstens an einem Abschnitt gekrümmt mit einem vorgegebenen festen oder änderbaren Krümmungsradius ausgebildet ist,
eine Vorrichtung (6, 8) zur Erzeugung eines Luftstroms in dem Strömungskanal (1),
eine Niederdruckkammer (2), in der wenigstens teilweise der gekrümmte Abschnitt des Strömungskanals (1) angeordnet ist und die so ausgebildet ist, dass ein im Verhältnis zu dem Druck des Stroms in dem Strömungskanal (1) reduzierter Druck erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung (6, 8) zur Erzeugung des Luftstroms so ausgebildet ist, dass an dem gekrümmten Abschnitt des Strömungskanals (1) Dean-Wirbel entstehen, und
an dem äußeren und dem inneren Teil des gekrümmten Abschnitts des Strömungskanals (1) äußere (10) bzw. innere (20) Öffnungen zum Abführen der Schwebepartikel aus dem Strömungskanal (1) in die Niederdruckkammer (2) ausgebildet sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Gebrauchsmuster betrifft einen Rohrfilter und ein System zur Filtration verschmutzter Umgebungsluft. Insbesondere findet die beanspruchte Vorrichtung Anwendung bei der dynamischen Reinigung eines Luftstroms von darin enthaltenen Schwebepartikeln wie Stäuben, Rußen, Pollen, Bakterien, Viren, Wassertropfen, Ölen und anderen festen Partikeln und Flüssigkeiten.
STAND DER TECHNIK
Es sind Systeme bekannt, die einen Luftstrom von darin enthaltenen Schwebepartikeln reinigen. Solche Systeme werden üblicherweise in Kraftfahrzeug-Filtern, Personen-Atemschutzgeräten und anderen Luftfiltersystemen für Personen verwendet. Es sind Zyklotron-Anlagen zur Luftreinigung bekannt, die die Bewegung der zu reinigenden Luft entlang einer schraubenförmigen Linie verwenden, wodurch unter Einwirkung von Zentrifugalkräften die in der Luft enthaltenen Partikel zu der Außenwand des zylindrischen Filters verschoben werden, entlang der sich der Luftstrom bewegt, und anschließend auf eine oder andere Weise aus den an die seitliche Außenwand angrenzenden Bereichen abgeführt werden, wodurch sich die Konzentration der Schwebepartikel in dem restlichen Luftstrom verringert. Als ein Beispiel für die Verwendung einer solchen Reinigung eines Luftstroms, der sich entlang einer schraubenförmigen Linie im Inneren eines zylindrischen Gehäuses bewegt, dient ein Luftfilter, der aus der US 4 491 460 bekannt ist. Ein Nachteil der Systeme dieser Art ist die Möglichkeit einer Lokalisierung an der zylindrischen Oberfläche lediglich der größten Partikel, wobei die zylindrische Oberfläche die Richtung der Bewegung des zu reinigenden Luftstroms ablenkt, sodass die größten Partikel den bei der schraubenförmigen Bewegung auftretenden Zentrifugalkräften unterworfen sind. Die kleinen Schwebepartikel bleiben dabei in dem Luftstrom, was dessen weitere Reinigung erfordert.
Das erfindungsgemäße Gebrauchsmuster ermöglicht es, aus dem gekrümmten Fluidstrom nicht nur die größten Schwebepartikel auszuleiten, sondern auch kleinere Partikel, die praktisch nicht dem Einfluss der Zentrifugalkräfte unterworfen sind, sowie ein System zur Reinigung von Luft zu schaffen, das auf diesem Prinzip basiert.
OFFENBARUNG DES GEBRAUCHSMUSTERS
Aufgabe des Gebrauchsmusters ist es, einen Rohrfilter für eine dynamische Reinigung eines Fluidstroms und ein System zur Filtration verschmutzter Umgebungsluft unter Verwendung eines derartigen Filters zu schaffen, bei denen die Reinigung des Fluidstroms von Schwebepartikeln unter anderem bei einer Bewegung des Fluids entlang einer gekrümmten Trajektorie sowohl für verhältnismäßig große als auch für verhältnismäßig kleine Schwebepartikel erfolgt.
Die Aufgabe wird durch den Rohrfilter gemäß Anspruch 1 des Gebrauchsmusters und durch das den Filter verwendende System zur Luftfiltration gemäß Anspruch 3 des Gebrauchsmusters gelöst. Besonders bevorzugte Ausführungsformen des Gebrauchsmusters sind in den Unteransprüchen des Gebrauchsmusters dargestellt.
Das Prinzip der Reinigung des Fluids von darin schwebenden Partikeln beruht auf der Verwendung von Dean-Wirbeln, die in gekrümmten Rohren entstehen und die nach dem britischen Gelehrten genannt werden, der sie als erster theoretisch erforschte. In 1a ist schematisch ein Teil eines gekrümmten Rohrs unter Angabe der Richtung der Bewegung des Fluidstroms darin dargestellt. In 1b sind zwei Bereiche im Inneren des Strahls des Stroms dargestellt, die auch zwei gegenläufig rotierende Dean-Wirbel darstellen, die im Inneren des gekrümmten Kanals gebildet werden, der in 1a dargestellt ist. Aus dem Artikel von D. Greenspan, „Secondary flow in a curved tube", J. Fluid Mech., 1973, Bd. 57. S. 167-176, ist bekannt, dass Dean-Wirbel im Inneren eines gekrümmten Kanals in einem Dean-Zahlenbereich von 10 bis 5000 gebildet werden. Die Dean-Zahl Dn kann über die Reynolds-Zahl Re, die charakteristische Querschnittsgröße des Kanals L, das ist üblicherweise der Durchmesser des Rohrs und der Krümmungsradius des Kanals r, durch den die Flüssigkeit fließt, wie folgt ausgedrückt werden: $Dn = Re \sqrt{\frac{L}{r}}$
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Gebrauchsmusters wurde als Ergebnis der durchgeführten theoretischen Berechnungen und Experimente festgestellt, dass die in dem Strom enthaltenen großen Partikel, auf die die Zentrifugalkraft einwirkt, am stärksten an dem äußeren Teil des gekrümmten Kanals konzentriert sind, der in 1a mit dem Buchstaben B bezeichnet ist. Die kleinen Schwebepartikel des Stroms sind stärker der Wirkung der Dean-Wirbel unterworfen, die sie zu dem inneren Teil des gekrümmten Kanals befördern, der in 1a mit dem Buchstaben C bezeichnet ist. Auf diese Weise konzentrieren sich die verhältnismäßig großen Schwebepartikel des Stroms im Wesentlichen am äußeren Teil des gekrümmten Kanals, während die verhältnismäßig kleinen Schwebepartikel des Stroms sich am inneren Teil des gekrümmten Kanals konzentrieren. Gemäß dem erfindungsgemäßen Gebrauchsmuster ist der gekrümmte Kanal in einer Niederdruck-Fluidkammer mit einem Druck, der im Verhältnis zu dem Druck des Stroms in dem Strömungskanal reduziert ist, angeordnet, aufgrund dessen die verhältnismäßig großen Schwebepartikel aus dem Strom durch äußere Öffnungen im äußeren Teil des gekrümmten Kanals (Bezugszeichen 10 in 1a) ausgeleitet werden, während die verhältnismäßig kleinen Schwebepartikel aus dem Strom durch innere Öffnungen in dem inneren Teil des gekrümmten Kanals (Bezugszeichen 20 in 1a) in eine Niederdruckkammer ausgeleitet werden. Alternativ können die Öffnungen im Strömungskanal überall auf der Oberfläche des Strömungskanals angeordnet sein.
Das Wesen des Gebrauchsmusters ist ausführlich in der angeführten Beschreibung dargelegt und durch die Zeichnungen erläutert. Jedoch dienen sowohl die Beschreibung als auch die Zeichnungen lediglich der Illustration des Gebrauchsmusters und schränken seine Ausführungsformen im Bereich der Schutzansprüche des Gebrauchsmusters nicht ein.
Figurenliste
In den Zeichnungen zeigen:

1 schematisch die Entstehung von Dean-Wirbeln in dem gekrümmten Kanal;
2 eine der Ausführungsformen des Rohrfilters;
3 schematisch drei mögliche Ausführungsformen des Rohrfilters;
4 schematisch der prinzipielle Aufbau der Ausführungsform des Filtrationsblocks;
5 schematische Darstellung des Filtrationsblocks mit dem Rohrfilter und fünf zusätzlichen Kammern;
6 prinzipielles Schema der Funktionsweise des Filtrationssystems;
7 Ausführungsbeispiel des Filtrationssystems mit dem Filtrationsblock, der einen Rohrfilter und eine erste Kammer des Filtrationsblocks umfasst;
8 schematische Darstellung des Filtrationsblocks mit einer Ausbringeinheit mit Eingangs- und Ausgangsöffnungen des Filtrationsblocks;
9 Ausführungsbeispiel einer Atemmaske mit dem Aufbau einer Verbindungseinheit;
10 alternative Ausführungsform der Atemmaske mit einer haltenden Verbindungseinheit.

VERWIRKLICHUNG DES GEBRAUCHSMUSTERS
Das Gebrauchsmuster beschreibt einen Rohrfilter und ein Filtrationssystem unter Verwendung dieses Rohrfilters zur erzwungenen Reinigung eines Fluids von darin schwebenden Partikeln. Das Fluid kann Luft mit darin enthaltenen verschmutzenden Substanzen und Partikeln oder ein beliebiges anderes Fluid sein. Zu den Schwebepartikeln gehören Partikel von Staub, Ruß, Pollen, Bakterien, Viren sowie beliebige andere kleine Partikel, die sich in schwebendem Zustand in dem Fluidstrom befinden. Der Filter wird entweder als stationäre Vorrichtung in einem Transportmittel zur Reinigung von einströmenden Gasen, in einem Ventilationssystem zur Reinigung der Luft, die in einen Raum oder einen Fassungsraum gelangt, oder als erfindungsgemäße tragbare mobile Benutzervorrichtung verwendet, beispielsweise als ein mobiles System zur Luftfiltration mit Maske, oder als ein einbaubares Atemschutzgerät, das in einen Fahrrad- oder Motorradhelm integriert ist, oder Ähnliches.
Das Hauptelement des beanspruchten Filtersystems ist der Rohrfilter mit gekrümmtem Strömungskanal, der die Schaffung eines kompakteren Fluid-Reinigungssystems im Vergleich zu einem geraden Strömungskanal ermöglicht, mit einer qualitativ besseren Reinigung des Fluids von darin schwebenden Partikeln. Ein solches kompaktes System ist bequemer für den Benutzer und ermöglicht gleichzeitig eine Verbesserung des Ergebnisses der Reinigung des Fluids im Vergleich zu bekannten Strömungsfiltern.
Wie bereits oben angegeben zeigt 1b schematisch die Entstehung von Dean-Wirbeln in dem gekrümmten Strömungskanal 1 des Rohrfilters, der (der Kanal) in 1a) dargestellt ist in der ihn umschließenden Niederdruckkammer (in 1a) nicht gezeigt). Der Luftfluidstrom, der in dem Kanal von links nach rechts gerichtet ist, führt in dem gekrümmten Strömungskanal 1 zur Bildung von Dean-Wirbeln, die in 1b) dargestellt sind. Das Verhältnis des Krümmungsradius des Strömungskanals 1 und des Durchmessers des Strömungskanals 1 ist so gewählt, dass in dem gekrümmten Strömungskanal 1 Dean-Wirbel für ein konkretes Fluid in einem Dean-Zahlenbereich von 10 bis 5000 entsprechend der oben genannten Formel (1) gebildet werden können. Der Krümmungsradius der Achse des gekrümmten Strömungskanals 1 sowie der Radius des Strömungskanals 1 selbst können für den gesamten Strömungskanal 1 konstant sein oder sich von der Eingangsöffnung des Strömungskanals zu seiner Ausgangsöffnung ändern, wobei die Bedingungen für die Bildung von Dean-Wirbeln in dem Strömungskanal erhalten bleiben. Bei der am stärksten bevorzugten Ausführungsform des Strömungskanals ist dieser mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet. Jedoch kann der Querschnitt auch elliptisch oder rechteckig sein. Auch die Form des Kanals selbst kann schraubenförmig, spiralförmig oder wenigstens teilweise mäanderförmig ausgebildet sein.
Wie oben angegeben, richten sich in dem gekrümmten Strömungskanal 1 die größten Schwebepartikel unter Einwirkung der Zentrifugalkraft zu der Außenwand des Kanals, die einen größeren Krümmungsradius im Vergleich zu der Achse des Kanals hat, während die verhältnismäßig kleinen Schwebepartikel von der sekundären Strömung, d.h. den Dean-Wirbeln, zu der Innenwand des Kanals mitgerissen werden, die einen kleineren Krümmungsradius im Vergleich zu dem Krümmungsradius der Achse des Strömungskanals hat.
Der gekrümmte Strömungskanal ist in einer Niederdruckkammer angeordnet, in der der Druck niedriger als der Druck des Fluids in dem Strömungskanal ist. An der Außenwand des Strömungskanals 1 sind Öffnungen 10 angeordnet, durch die die verhältnismäßig großen Schwebepartikel aufgrund des unterschiedlichen Drucks in dem Strömungskanal 1 und in der Niederdruckkammer aus dem Strömungskanal 1 ausgeleitet werden. An der Innenwand des Strömungskanals 1 sind Öffnungen 20 angeordnet, durch die die verhältnismäßig kleinen Schwebepartikel aufgrund des unterschiedlichen Drucks in dem Strömungskanal 1 und in der Niederdruckkammer aus dem Strömungskanal 1 ausgeleitet werden. Gemäß einer Ausführungsform des Gebrauchsmusters ist der Durchmesser der äußeren Öffnungen 10 im Vergleich zu dem Durchmesser der inneren Öffnungen 20 größer oder kleiner ausgebildet. Alternativ kann der Durchmesser der äußeren Öffnungen 10 gleich dem Durchmesser der inneren Öffnungen 20 ausgebildet sein. Dabei können die Öffnungen im Strömungskanal auf der gesamten seitlichen Oberfläche des Strömungskanals 1 angeordnet sein. In diesem Fall stellen die äußeren Öffnungen die Öffnungen dar, die bevorzugt auf dem äußeren Abschnitt des Strömungskanals 1 angeordnet sind, d.h. die in einem Abstand zum Krümmungsmittelpunkt der Krümmung des Strömungskanals angeordnet sind, der größer oder gleich dem Krümmungsradius der Krümmung des Strömungskanals ist. Dementsprechend stellen die inneren Öffnungen die Öffnungen dar, die die bevorzugt auf dem inneren Abschnitt des Strömungskanals 1 angeordnet sind, d.h. die in einem Abstand zum Krümmungsmittelpunkt der Krümmung des Strömungskanals angeordnet sind, der kleiner als der Krümmungsradius der Krümmung des Strömungskanals 1 ist.
In 2 ist eine der Ausführungsformen der Rohrfilters 21 gemäß dem Gebrauchsmuster dargestellt. Der Strömungskanal 1 ist als gekrümmtes Rohr mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet, das entlang einer schraubenförmigen Linie mit drei Windungen gekrümmt ist. Die drei Windungen des Strömungskanals 1 sind lediglich der Anschaulichkeit halber dargestellt, es können sowohl mehr als auch weniger als drei sein. Der Strömungskanal kann auch spiralförmig, wenigstens teilweise mäanderförmig oder als Kombination dieser drei Formen ausgebildet sein. Der Strömungskanal 1 weist eine Eingangsöffnung 12 und eine Ausgangsöffnung 14 auf. Der gekrümmte Strömungskanal 1 ist in einem dichten Gehäuse eingeschlossen, das für das Fluid undurchlässig ist und die Niederdruckkammer 2 bildet. Die Niederdruckkammer 2 liegt an der Seite der Ausgangsöffnung 14 des Strömungskanals 1 dicht an dem Strömungskanal 1 an. Die Niederdruckkammer 2 ist an der Seite der Eingangsöffnung 12 des Strömungskanals 1 offen ausgebildet, wodurch die Ausgangsöffnung 8 der Niederdruckkammer 2 gebildet wird. Vor der Eingangsöffnung 12 des Strömungskanals 1 ist eine Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Luftströmung in dem Strömungskanal 1 angeordnet, die in Form einer Einspritzpumpe ausgebildet ist, die dicht an der Eingangsöffnung 12 des Strömungskanals 1 anliegt. Die Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Luftströmung in dem Strömungskanal 1 dient der Erzeugung des Fluidstroms in dem Strömungskanal 1, wobei das Fluid insbesondere in diesen gelangt, wie durch den Pfeil 3 gezeigt, den Kanal 1 durchläuft, wobei es von Schwebepartikeln gereinigt wird, und durch die Ausgangsöffnung 14 aus dem Strömungskanal 1 austritt, wie durch den Pfeil 4 gezeigt. Durch die Einspritzung des Fluids in den Strömungskanal 1 durch die Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Luftströmung entsteht ein Druckunterschied mit erhöhtem Druck des Fluids in dem Strömungskanal 1 im Verhältnis zu dem Druck in der Niederdruckkammer 2, in der die Windungen des Strömungskanals 1 angeordnet sind.
Durch den oben genannten Druckunterschied in dem Strömungskanal 1 und in der Niederdruckkammer 2 werden die verhältnismäßig großen Schwebepartikel, die an dem äußeren Teil des Kanals 1 konzentriert sind, durch die Öffnungen 10 aus dem Kanal 1 in die Niederdruckkammer 2 abgeführt. Durch das Entstehen der Dean-Wirbel in dem Strömungskanal 1 werden die verhältnismäßig kleinen Schwebepartikel zu der Seite des inneren Teils des Kanals 1 transportiert und an dem inneren Teil des Kanals 1 konzentriert bzw. werden durch die inneren Öffnungen 20 aus dem Kanal 1 in die Niederdruckkammer 2 ausgeleitet. Das durch die äußeren Öffnungen 10 und die inneren Öffnungen 20 abgeführte Fluid mit den Schwebepartikeln wird durch die Ausgangsöffnung 5 der Niederdruckkammer 2 nach außen ausgeleitet, wie durch die Pfeile 30 gezeigt. In 2 ist die Ausgangsöffnung 5 der Niederdruckkammer 2 in unmittelbarer Nähe der Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Luftströmung in dem Strömungskanal 1 angeordnet. Bevorzugt ist jedoch eine Ausrichtung des abzuführenden Stroms 30 aus der Niederdruckkammer 2 in Richtung weg von dem Eingangsstrom 3, d.h. mit einer räumlichen Trennung von dem Eingangsstrom 3 zur Vermeidung einer Vermischung des aus der Niederdruckkammer 2 abzuführenden Stroms 30 mit dem Eingangsstrom 3. Die Ausgangsöffnung 8 der Niederdruckkammer 2 kann an einer beliebigen Stelle der Niederdruckkammer 2 angeordnet sein, beispielsweise in ihrem seitlichen Teil (nicht gezeigt).
Gemäß einer Ausführungsform des Gebrauchsmusters ist der Durchmesser der äußeren Öffnungen 10, die an dem äußeren Teil des gekrümmten Abschnitts des Strömungskanals 1, d.h. in maximalem Abstand vom Krümmungsmittelpunkt des gekrümmten Abschnitts angeordnet sind, größer als der Durchmesser der inneren Öffnungen 20, die an dem inneren Teil des gekrümmten Abschnitts des Strömungskanals 1, d.h. in minimalem Abstand vom Krümmungsmittelpunkt des gekrümmten Abschnitts ausgebildet sind. Der Durchmesser der äußeren und der inneren Öffnungen 10, 20 ist in Abhängigkeit von der Größe der Schwebepartikel ausgebildet, die sich in dem konkreten zu filternden Fluid befinden. Alternativ kann der Durchmesser der äußeren und der inneren Öffnungen 10 und 20 gleich ausgebildet sein. Bei Experimenten wurde festgestellt, dass in dem Kanal 1 an seiner äußeren Oberfläche lokale Bereiche erhöhten Drucks entstehen können, die von der Geometrie des gekrümmten Abschnitts des Kanals 1 und den Strömungsparametern des Fluids abhängen, wo die Konzentration der verhältnismäßig großen Partikel erhöht ist. Bei einer der Anordnungsvarianten der äußeren Öffnungen 10 ist eine Anordnung dieser Öffnungen genau in diesen Bereichen erhöhten Drucks vorgesehen, was ein wirksameres Abführen der verhältnismäßig großen Partikel aus dem Fluidstrom ermöglicht. Außerdem wurde festgestellt, dass die Anordnung der Dean-Wirbel auch von der lokalen Krümmungsstärke des Strömungskanals 1 und von den Strömungsparametern abhängt, wobei die Dean-Wirbel an dem inneren Teil des gekrümmten Abschnitts des Strömungskanals 1 einen Bereich reduzierten Drucks mit erhöhter Konzentration der verhältnismäßig kleinen Schwebepartikel bilden. Bei einer der Ausführungsformen des Filters ist eine Anordnung der inneren Öffnungen an dem inneren Teil des gekrümmten Abschnitts des Strömungskanals 1 genau in diesen Bereichen reduzierten Drucks vorgesehen, was ein wirksameres Abführen der verhältnismäßig kleinen Schwebepartikel aus dem Strom ermöglicht. Die Bildung von lokalen Bereichen erhöhten Drucks an dem äußeren Teil des gekrümmten Abschnitts des Strömungskanals bzw. von Bereichen reduzierten Drucks an dem inneren Teil des gekrümmten Abschnitts des Strömungskanals wird auch durch lokale Änderungen des Krümmungsradius des Strömungskanals 1 (nicht gezeigt) oder durch eine Ausbildung der inneren Oberfläche des Kanals 1 mit lokalen Verengungen oder Hindernissen (nicht gezeigt) erzielt, die die Wirkung der Erzeugung der Bereiche erhöhten Drucks und der Bildung der Dean-Wirbel in dem Fluidstrom verstärken, wodurch ein Bereich der Ansammlung der auszuleitenden Schwebepartikel gebildet wird. In diesem Fall sind die äußeren Öffnungen 10 und die inneren Öffnungen 20 in entsprechenden Bereichen erhöhten Drucks bzw. Bereichen reduzierten Drucks angeordnet, oder die Konzentration dieser Öffnungen in diesen Bereichen übersteigt die Konzentration dieser Öffnungen in den übrigen Bereichen des Kanals 1.
Bei einer der Ausführungsformen des Gebrauchsmusters ist vorgesehen, dass an der inneren Oberfläche der Niederdruckkammer Verengungen oder Hindernisse ausgebildet sind, die einen Bereich der Ansammlung und/oder Ausfällung der aus dem Strömungskanal 1 ausgeleiteten Schwebepartikel bilden (nicht gezeigt). Diese Ausführungsform des Gebrauchsmusters ermöglicht, dass die Schwebepartikel nicht mit dem Strom 30 ausgestoßen werden, der aus der Niederdruckkammer 2 austritt, oder dass nicht alle Schwebepartikel ausgestoßen werden, sondern an den Innenwänden der Niederdruckkammer 2 gesammelt werden, um nachfolgend regelmäßig entfernt zu werden.
Bei einer der Ausführungsformen des Gebrauchsmusters ist die Ausbildung äußerer und innerer Öffnungen 10, 20 mit der Möglichkeit ihrer kontrollierten Abdeckung vorgesehen, was es ermöglicht, nur die Öffnungen offen zu lassen, die sich in den oben beschriebenen Bereichen erhöhten oder reduzierten Drucks in dem Strömungskanal 1 mit maximaler Konzentration der Schwebepartikel befinden.
Der Strömungskanal 1 kann in das Gehäuse integriert oder abnehmbar ausgebildet sein, d.h. mit der Möglichkeit, ihn aus der Niederdruckkammer 2 zu entnehmen, was es ermöglicht, den Strömungskanal 1 regelmäßig zu reinigen.
Zusätzlich kann an der inneren Oberfläche des Strömungskanals 1 und/oder der Niederdruckkammer 2 eine Zusammensetzung aufgebracht werden, die adhäsive und/oder desinfizierende Eigenschaften aufweist, auf der sich die Schwebepartikel und/oder Viren und Bakterien absetzen und/oder neutralisiert werden. Das ermöglicht eine wirksamere Durchführung der Reinigung des Fluids von darin schwebenden Partikeln (nicht gezeigt). Als eine Variante kann eine Eiweißzusammensetzung aufgebracht werden, an der Viren oder Bakterien bei Berührung damit durch ionisch-kationische Bindungen anhaften. Die Imprägnierung kann andere Substanzen in ihrer Zusammensetzung aufweisen, die Eigenschaften zum Verbinden der Schwebepartikel haben, einschließlich Desinfektions- oder Klebesubstanzen.
Gemäß einer der Ausführungsformen des Gebrauchsmusters weist der Filter mehrere Strömungskanäle auf (nicht gezeigt), die eine gemeinsame Eingangsöffnung zur Aufnahme des Fluids und eine gemeinsame Ausgangsöffnung zum Auslassen des gereinigten Fluids aus den Strömungskanälen aufweisen. Das ermöglicht eine Steigerung der Produktivität des Filters durch eine Erhöhung des Volumens des verarbeiteten Fluids.
In 3 sind unter den Buchstaben a, b und c drei mögliche Anschlussmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Rohrfilters 21 gezeigt. In 3a ist schematisch die Ausführungsform des Rohrfilters 21 gezeigt, die in 2 dargestellt ist. Die Bezugszeichen entsprechen dabei den Bezugszeichen in 2. 3 ist nur ein allgemeines grundsätzliches Schema der Anschlussfolge der verschiedenen Elemente des Rohrfilters 21 im Verhältnis zueinander. Der schematisch dargestellte Strömungskanal 1 ist in der Niederdruckkammer 2 eingeschlossen, die eine Austrittsöffnung 5 aufweist. Am Eingang des Strömungskanals 1 ist die Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Luftströmung angeordnet, durch die das Fluid 3 aus der Umgebung aufgenommen und in den Strömungskanal 1 eingespritzt wird, aus dem das durch den Rohrfilter 21 gereinigte Fluid 4 abgeführt wird. Durch die Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Luftströmung wird in dem Strömungskanal 1 ein im Vergleich zu der Niederdruckkammer 2 erhöhter Druck erzeugt. Die gefilterten Schwebepartikel treten aus dem Strömungskanal 1 in die Niederdruckkammer 2 ein und werden durch die Austrittsöffnung 5 der Niederdruckkammer 2 in Richtung des Pfeils 30 in die Umgebungsatmosphäre abgeführt.
3b zeigt eine alternative Anschlussmöglichkeit des beanspruchten Rohrfilters 21, die sich von der in 3a gezeigten Ausführungsform nur dadurch unterscheidet, dass an die Austrittsöffnung 5 der Niederdruckkammer 2 eine Vorrichtung 7 zur Erzeugung eines Niederdrucks angeschlossen ist, die in Form einer ersten Absaugpumpe ausgebildet ist, die eine Reduzierung des Drucks in der Niederdruckkammer 2 ermöglicht und damit den Fluidstrom aus dem Strömungskanal 1 durch die äußeren und inneren Öffnungen in die Niederdruckkammer 2 verstärkt, wobei dieser Strom die herausgefilterten Schwebepartikel abführt. Diese Konstruktion der Filtervorrichtung ermöglicht eine Erhöhung der Wirksamkeit des Filterungsprozesses.
3c zeigt eine alternative Anschlussmöglichkeit des beanspruchten Rohrfilters 21, die sich von der in 3b gezeigten Ausführungsform nur dadurch unterscheidet, dass als Vorrichtung zur Erzeugung einer Luftströmung in dem Strömungskanal 1 anstelle der Einspritzpumpe 6, die an die Eintrittsöffnung des Strömungskanals 1 angeschlossen ist, eine zweite Absaugpumpe 8 vorgesehen ist, die an die Austrittsöffnung des Strömungskanals 1 angeschlossen ist. In diesem Fall wird der Fluidstrom in dem Strömungskanal 1 durch die zweite Absaugpumpe 8 erzeugt, die das Fluid in die Eintrittsöffnung des Strömungskanals 1 in der durch den Pfeil 3 bezeichneten Richtung ansaugt, und nach dem Passieren des Strömungskanals 1 wird der von Schwebepartikeln gereinigte Fluidstrom durch die zweite Absaugpumpe 8 gepumpt und in die durch den Pfeil 4 bezeichnete Richtung geleitet. Bei dieser Ausführungsform ist es wichtig, dass die Vorrichtung 7 zur Erzeugung eines Niederdrucks weniger Druck in der Niederdruckkammer erzeugt als die zweite Absaugpumpe 8 in dem Strömungskanal 1.
Bei jeder der oben genannten Anschlussmöglichkeit des erfindungsgemäßen Rohrfilters 21 ist die Möglichkeit einer Reinigung des Strömungskanals 1 und/oder der Niederdruckkammer 2 durch ein Verfahren des Durchblasens, Durchspülens oder Eintauchens in eine Reinigungslösung vorgesehen.
4 zeigt einen prinzipiellen Aufbau eines Filtrationsblocks 22 mit in ihm aktivierten Fluidströmen, insbesondere Luft. Pfeil 3 zeigt symbolisch auf einen eintretenden Luftstrom, der zu reinigen ist. Pfeil 30 bezieht sich auf einen aus der Niederdruckkammer hinauszuführenden Luftstrom. Pfeil 4 bezieht sich auf einen durch den Filtrationsblock 22 gereinigten Luftstrom.
5 zeigt ein prinzipielles Block-Schema einer Vorrichtung des Filtrationsblocks 22 gemäß einer Ausführungsform des Filtrationsblocks 22. Einen unerlässlichen Bestandteil des Filtrationsblocks 22 stellt der Rohrfilter 21 in jeglicher oben beschriebenen Ausführungsform dar. Der eintretende Luftstrom 3, der zu reinigen ist, gelangt in den Rohrfilter 21 durch die Eintrittsöffnung 11 zur Einbringen der Umgebungsluft in den Rohrfilter 21. Der Pfeil 30 bezieht sich auf den durch die Austrittsöffnung 16 aus der Niederdruckkammer abzuleitenden Luftstrom, der durch den Rohrfilter 21 ausgefilterte Schwebepartikel enthält. Der durch den Rohrfilter 21 gereinigte Luftstrom 4 gelangt in die erste Kammer des Filtrationsblocks 22. Die in 5 gezeigten Kammern 31-35 sind Bereiche, die eigene unten beschriebene Funktionen erfüllen. Die Anzahl und die Reihenfolge der Anordnung der Kammern 31-35 kann variieren in Abhängigkeit von der durch das Filtrationssystem zu erfüllenden Aufgabe. In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel des Filtrationsblocks 22 wird der zu reinigende Luftstrom nacheinander von einer Kammer in die nächste geleitet, wie dies durch die nach oben gerichteten Pfeile gezeigt ist, die zwischen den einzelnen Kammern 31-35 angeordnet sind.
Die erste Kammer 31 ist die Kammer zum Absetzen von durch den Strömungskanal 1 nicht ausgefilterten Schwebepartikeln auf ihren Wänden und/oder auf dem Boden der ersten Kammer. Die Eintrittsöffnung in die erste Kammer 31 ist mit der Austrittsöffnung des Strömungskanals des Rohrfilters 21 verbunden, und die erste Kammer 31 selbst ist so ausgebildet, dass der Luftstrom in wenigstens einem ihrer Bereiche von unten nach oben bewegt werden kann, wobei sie selbst einen Gravitationsfilter darstellt. Dabei können die durch den Strömungskanal 1 nicht ausgefilterten Schwebepartikeln sich auf dem Boden der ersten Kammer 31 und/oder ihren Wänden absetzen. Der Austritt der ersten Kammer 31 ist an den Eintritt der zweiten Kammer 32 angeschlossen, in der Filter des Typs HEPA oder ULPA angeordnet sind zur Filterung von Schwebepartikeln, die durch die erste Kammer 31 nicht ausgefiltert wurden. Funktionell ist eine Trennung der ersten und der zweiten Kammer 31, 32 nicht zwingend erforderlich, alternativ können die oben genannten Filter der zweiten Kammer 32 im oberen Bereich der ersten Kammer 31 angeordnet sein. Das Vorhandensein der ersten Kammer 31 ist optional, so dass in den alternativen Ausführungsformen des Filtrationsblocks 22 die erste Kammer 31 fehlen kann. Der Austritt der zweiten Kammer 32 ist mit dem Eintritt in die dritte Kammer 33 zum Einbringen von zusätzlichen Stoffen in den Luftstrom verbunden. So befinden sich in der dritten Kammer 33 Düsen (nicht gezeigt) zum Einspritzen von aromatischen und/oder Arzneistoffen in den durch die Kammer strömenden Luftstrom. Dadurch ist es möglich, bei Bedarf die zum Atmen des Benutzers zugeführte Luft zu aromatisieren und/oder dem vorab gereinigten Luftstrom Arzneimittel zuzufügen, zum Beispiel bei asthmatischen Erkrankungen. Das Vorhandensein der dritten Kammer 33 ist optional, so dass in den alternativen Ausführungsformen des Filtrationsblocks 22 die dritte Kammer 33 fehlen kann. Der Austritt der dritten Kammer 33 ist mit dem Eintritt in die vierte Kammer 34 verbunden, die eine Konditionierungskammer des vorab gereinigten Luftstroms darstellt. In der vierten Kammer 34 ist eine Vorrichtung zum Erwärmen und/oder Abkühlen des durch sie durchströmenden Luftstroms vorgesehen. Dadurch ist es möglich, in Ländern mit einem heißen Klima den Strom der gereinigten Luft abzukühlen, oder umgekehrt, bei niedrigen Temperaturen der Umgebungsluft den durch diese Kammer durchlaufenden gereinigten Luftstrom bis zu einer angenehmen Temperatur zu erwärmen, beispielsweise von 20°C bis 40°C. Das Vorhandensein der vierten Kammer 34 ist optional, so dass in den alternativen Ausführungsformen des Filtrationsblocks 22 die vierte Kammer 34 fehlen kann. Der Austritt der vierten Kammer 34 ist mit dem Eintritt in die fünfte Kammer 35 zur Befeuchtung und Trocknung des durch diese Kammer strömenden Luftstroms verbunden. Das Vorhandensein der fünften Kammer ermöglicht es, dem durch sie strömenden Luftstrom ein für den Benutzer angenehmes Niveau der Luftfeuchtigkeit zu verleihen, beispielsweise durch Befeuchten oder Trocknen der durch sie strömenden Luft bis zu einem annehmbaren Niveau, beispielsweise bis zu einem Feuchtigkeitsniveau von 30% bis 60%. Das Vorhandensein dieser Kammer 35 ist ebenfalls optional, so dass in den alternativen Ausführungsformen des Filtrationsblocks 22 die fünfte Kammer 35 fehlen kann.
Ein Erfindungsgegenstand des vorliegenden Gebrauchsmusters ist ein System zur Filtration von verschmutzter Umgebungsluft gemäß Anspruch 3. Das erfindungsgemäße System zur Filtration von verschmutzter Umgebungsluft umfasst wenigstens einen Filtrationsblock 22, der beispielsweise in 4 oder 5 gezeigt ist, mit wenigstens einem Rohrfilter 21. Der Filtrationsblock hat dabei eine Eintrittsöffnung 11 zum Zuführen eines Stroms Umgebungsluft in den Rohrfilter 21, eine Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks 22 zum Abführen gereinigter Luft aus dem Filtrationsblock 22 und eine Austrittsöffnung 16 zum Abführen schwebender Partikel aus einer Niederdruckkammer. Der Filtrationsblock 22 hat ebenso eine Steuereinheit zum kontrollierten Steuern einer Vorrichtung 6 zum Erzeugen einer Strömung in einem Strömungskanal 1, sowie eine elektrische Stromquelle. Ein derartiges Filtrationssystem kann Anwendung finden beispielsweise beim Reinigen von Luft bei ihrem Einbringen in Wohngebäude, in Innenräume von Kraftfahrzeugen oder in Atemmasken zum Tragen auf dem Gesicht eines Nutzers. Der Vorteil des genannten Filtrationssystems ist die Möglichkeit zum Durchspülen und/oder Desinfizieren der Elemente des Rohrfilters oder anderer in dem Filtrationssystem verwendeten Filtervorrichtungen mit ihrer mehrmaligen nachfolgenden Verwendung.
Der prinzipielle Aufbau einer Ausführungsform des Filtrationssystems ist in 6 gezeigt. Das Filtrationssystem hat einen Filtrationsblock 22, der, wie oben dargelegt ist, wenigstens einen Rohrfilter (nicht gezeigt) umfasst. Die Umgebungsluft gelangt in den Filtrationsblock 22 durch die Eintrittsöffnung 11 zu ihrer Weiterleitung in den Rohrfilter (nicht gezeigt). Die Bewegungsrichtung der in den Filtrationsblock 22 eintretenden Luft wird durch den Pfeil 3 gezeigt. Ferner wird, wie oben beschrieben, der in den Filtrationsblock 22 eintretende Luftstrom 3 in den Strömungskanal des Rohrfilters (nicht gezeigt) durch die Vorrichtung 6 zur Erzeugung der Strömung geleitet. Die aus dem eintretenden Strom 3 herausgefilterten Schwebepartikel werden aus einer Niederdruckammer (nicht gezeigt), die in dem Filtrationsblock 22 angeordnet ist, durch die Austrittsöffnung 16 geleitet. Die durch den Filtrationsblock 22 gereinigte Luft wird aus ihm über die Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks abgeführt, und gelangt über eine Luftleitung 43 in eine Atemmaske 40. Zu den Bestandteilen des Filtrationsblocks 22 gehören eine Steuereinheit 17 zur kontrollierten Steuerung der Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Strömung, eine elektrische Stromquelle 18 zur Gewährleistung der Funktionsweise der Steuereinheit 17 und der Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Strömung. Es versteht sich von selbst, dass die elektrische Stromquelle 18 ebenso für andere Systeme verwendet werden kann, die optional im Filtrationsblock 22 eingesetzt werden. Die Atemmaske 40 ist zum Tragen auf dem Gesicht eines Benutzers vorgesehen und sie weist einen vorderen Teil 41 auf, der wenigstens den Nasen- und Mundbereich des Benutzers bedeckt, sowie einen Kopfhalter 42 zum Befestigen der Maske auf dem Gesicht des Benutzers. Anstelle der in 6 gezeigten Maske 40 eines Benutzers kann die gereinigte Luft gemäß einer anderen Ausführungsform des Gebrauchsmusters in den Innenraum eines Kraftfahrzeugs oder in ein Wohngebäude geleitet werden.
7 zeigt eine Ausführungsform des Filtrationssystems, dessen Bezugszeichen den Bezugszeichen in 6 entsprechen. Zur Vermeidung von Wiederholungen von Merkmalen, die in Bezug auf das Filtrationssystem nach 6 beschrieben wurden, werden bei der Ausführungsform des Filtrationssystems nach 7 nur die konkretisierenden Merkmale betrachtet. Der in 7 gezeigte Filtrationsblock 22 hat einen Rohrfilter, zu dessen Bestandteilen eine Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Luftströmung in einem Strömungskanal 1 gehört, der Strömungskanal 1, dessen Eintritt an die genannte Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Strömung und der Austritt an die erste Kammer 31 angeschlossen ist. Der Strömungskanal 1 ist in die Niederdruckkammer 2 eingeschlossen, die eine Austrittsöffnung 16 zum Abführen von Schwebepartikeln aus der Niederdruckkammer 2 hat und eine Vorrichtung 7 zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Niederdruckkammer 2. Die erste Kammer 31 ist mit einer Austrittsöffnung 14 des Strömungskanals 1 verbunden und so ausgebildet, dass der Luftstrom von unten nach oben in der Verwendungsposition des Filtrationsblocks 22 bewegt werden kann. Die erste Kammer 31 stellt dabei einen Gravitationsfilter dar, in dem die durch den Strömungskanal 1 nicht ausgefilterten Schwebepartikel durch die Wirkung der Schwerkraft absinken und sich auf dem Boden und/oder den Wänden der ersten Kammer 31 absetzen. Das Quermaß und die Höhe der ersten Kammer 31 sind so gewählt, dass die Schwebepartikel, die im durch den Rohrfilter gereinigten Luftstrom 4 enthalten sind, die Möglichkeit haben, durch eigenes Gewicht sich auf dem Boden der Kammer abzusetzen und nicht durch den Strom in den oberen Bereich der ersten Kammer 31 getragen zu werden. Im oberen Bereich der ersten Kammer 31 ist ein HEPA-Filter zur zusätzlichen Reinigung der Luft angebracht und es ist eine Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks vorgesehen, durch die der aus dem Filtrationsblock 22 abgeleitete Strom 37 über die an die Austrittsöffnung 15 angeschlossene Luftleitung 43 zu der Atemmaske 40 geleitet wird. Die Luftleitung 43 ist an die Atemmaske 40 mittels zweier Verbindungseinheiten 44 angeschlossen, die an beiden Seiten der Maske 40 angebracht sind, wobei die Luftleitung 43 auf der Maskenseite zweigeteilt ausgebildet ist, so dass der aus dem Filtrationsblock abgeführte Strom 37 über beide Verbindungseinheiten 44 in die Maske gelangt, nämlich in den Bereich, der durch den vorderen Teil 41 der Maske und das Gesicht des Benutzers begrenzt ist. Auf der Seite des Anschlusses an die Austrittsöffnung 15 kann die Luftleitung 43 ebenfalls zweigeteilt oder zu einem einzelnen Rohr verbunden sein.
Die Steuereinheit 17 ist so ausgebildet, dass eine kontrollierte Steuerung der Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Strömung in einem Strömungskanal und der Vorrichtung 7 zur Erzeugung eines Niederdrucks in der Niederdruckkammer 2 durchgeführt werden kann. Dabei ist die Steuereinheit 17 so ausgebildet, dass der Druck der gereinigten Luft in der Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks 22 mittels eines Drucksensors 19 gesteuert wird, der in unmittelbarer Nähe der Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks angeordnet ist. Alternativ kann der Drucksensor 19 überall in der ersten Kammer 31, überall in der Luftleitung 43 oder in einer der Verbindungseinheiten 44 angeordnet sein. Die funktionelle Verbindung zwischen der Steuereinheit 17 und den oben aufgezählten Vorrichtungen, mit denen sie verbunden ist, sind in 7 schematisch mit Strichlinien gezeigt. Die elektrische Stromquelle 18 ist funktionell verbunden mit der Steuereinheit 17, der Vorrichtung 6 zur Erzeugung einer Strömung, der Vorrichtung 7 zur Erzeugung eines Niederdrucks und abhängig von der Konstruktion des Drucksensors 19 mit diesem Drucksensor 19. Die Steuereinheit 17 ist so ausgebildet, dass mit der Takt und das Volumen der in den Rohrfilter zugeführten Luft in Abhängigkeit von dem Druck der gereinigten Luft in der Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks reguliert wird, wobei durch den Druckabfall in der Maske 40 und der Luftleitung 43 bzw. in der Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks beim Einatmen des Benutzers und beim Druckanstieg beim Ausatmen des Benutzers die Steuerung der Funktionsweise der Vorrichtung 6 zur Erzeugung eines Luftstroms in dem Rohrfilter ermöglicht wird. In einer alternativen Ausführungsform des Filtrationssystems ist die Steuereinheit 17 so ausgebildet, dass der Takt und das Volumen der durch die Vorrichtung 7 zur Erzeugung eines Niederdrucks eingesaugten Luft in Abhängigkeit von dem Druck der gereinigten Luft in der Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks reguliert wird.
In einer alternativen Ausführungsform des Filtrationssystems ist die Steuereinheit 17 so ausgebildet, dass der Druck in der Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks bzw. in der Atemmaske 40 um 0,001-20% über dem Atmosphärendruck sowohl beim Einatmen als auch beim Ausatmen des Benutzers aufrechterhalten wird. Dabei ist die Atemmaske 40 so ausgebildet, dass die Luft aufgrund eines in ihr erzeugten Überdrucks im Vergleich zum Umgebungsdruck entweder durch eine Einlage 49 zwischen dem Gesicht des Benutzers und dem vorderen Teil 41 und/oder durch undicht anliegende Stellen des vorderen Teils 41 der Maske an das Gesicht des Benutzers und/oder durch eine in der Maske 40 vorgesehene wenigstens eine Öffnung und/oder Ventil (nicht gezeigt) austreten kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Filtrationssystems ist der in 4 gezeigte Filtrationsblock 22 in einem gemeinsamen Gehäuse mit einer Eintrittsöffnung 11 zum Zuführen der Umgebungsluft in den Rohrfilter, mit der Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks zum Abführen der gereinigten Luft und mit der Austrittsöffnung 16 zum Abführen der Schwebepartikel aus der Niederdruckkammer ausgebildet. Dies ermöglicht, den Filtrationsblock 22 als eine mobile Vorrichtung zu verwenden, die am Körper des Benutzers mittels Riemen- oder anderer Haltevorrichtungen befestigt werden kann.
8 zeigt eine alternative Ausführungsform des Filtrationsblocks 22, bei dem die Eintrittsöffnung 11 zum Einführen der Umgebungsluft in den Rohrfilter, die Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks zum Abführen der gereinigten Luft und die Austrittsöffnung 16 zum Abführen der Schwebepartikel aus der Niederdruckkammer in einem von dem gemeinsamen Gehäuse des Filtrationsblocks 22 räumlich getrennten Modul 38 angeordnet sind. Dies ermöglicht die Platzierung des Filtrationsblocks 22 in einem gewöhnlichen Rucksack, wobei das externe Modul 38 mit Eintritts- und Austrittsöffnungen des Filtrationsblocks 22 auf der Außenseite des Rucksacks angeordnet ist, wobei die Eintrittsöffnung 11 zum Einführen der Umgebungsluft in den Rohrfilter und die Austrittsöffnung 16 zum Abführen der Schwebepartikel aus der Niederdruckkammer einen direkten Kontakt zur Umgebungsluft haben, so dass die Luftströme 3 und 30 ungehindert in den Filtrationsblock 22 gelangen können bzw. aus diesem abgeführt werden können. In dieser Ausführungsform des Filtrationssystems ist die Luftleitung 43 direkt an die Austrittsöffnung 15 des Filtrationsblocks 22 angeschlossen, der auf dem externen Modul 38 angeordnet ist.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Atemmaske 40 mit dem Aufbau einer Verbindungseinheit 44. Auf den gegenüberliegenden Endabschnitten des transparenten vorderen Teils 41 der Atemmaske ist jeweils ein Befestigungsring 45 mit darauf ausgebildeten magnetischen Ringelementen 52 angeordnet. Jede Verbindungseinheit 44 ist ebenfalls ringförmig und die Form eines flachen Zylinders aufweisend ausgebildet. Auf der äußeren Oberfläche der Verbindungseinheit 44 befindet sich ein magnetisches Ringelement 50, das beim Anlegen der Verbindungseinheit 44 an den Befestigungsring 45 magnetisch darauf gehalten wird aufgrund der gegenseitigen Anziehung des magnetischen Ringelements 50 der Verbindungseinheit 44 und des magnetischen Ringelements 52 des Befestigungsrings 45, sowie aufgrund der Elastizität des vorderen Teils 41, dessen Befestigungsringe 45 die Verbindungseinheiten 44 an den Kopf des Benutzers drücken, von außen an diese aufliegend. Eine derartige Befestigung der Verbindungseinheit 44 auf dem Befestigungsring 45 ermöglicht ein Drehen der Verbindungseinheit 44 um einen gemeinsamen Mittelpunkt 51, der durch die magnetischen Elemente 50 und 52 gebildet wird. Die Drehrichtungen der Verbindungseinheit 44 bezüglich des Befestigungsrings 45 sind mit dem Pfeil 54 gezeigt. Anstelle der magnetischen Ringelemente 50 und 52 oder zusätzlich zu diesen können Magnete 53 verwendet werden, die bogenförmig um den geometrischen Mittelpunkt 51 des Befestigungsrings 45 bzw. der Verbindungseinheit 44 herum in festen abstandsgleichen Winkelentfernungen von einander auf der Oberfläche des Befestigungsrings 45, wie dies in 9 gezeigt ist, bzw. auf der äußeren Oberfläche der Verbindungseinheit 44 angeordnet sind. Eine derartige magnetische Befestigung der Verbindungseinheit 44 an dem Befestigungsring 45 ermöglicht eine schrittweise Änderung des Drehwinkels der Verbindungseinheit 44 bezüglich des Befestigungsrings 45. Dies ermöglicht eine Änderung des Tragewinkels der Atemmaske 40 auf dem Gesicht des Benutzers, so dass der Benutzer eigenständig den erforderlichen Haltewinkel der Maske 40 in einer für ihn angenehmen Position einstellen kann. Alternativ zu der in 9 gezeigten Befestigungsvariante der Verbindungseinheit 44 an den Befestigungsring 45 mittels Magneten, kann die Befestigung mit jedem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren beweglich oder unbeweglich erfolgen, beispielsweise über Zahnräder mit festen Verstellschritten.
Im äußeren Bereich der Verbindungseinheit 44 ist eine Befestigungseinheit 56 der Luftleitung 43 an der Verbindungseinheit 44 angeordnet, in der eine Vertiefung 48 zur trennbaren Verbindung der Luftleitung 43 und der Verbindungseinheit 44 vorgesehen ist. Die Befestigungseinheit 56 der Luftleitung ist drehbar in der Ebene der Verbindungseinheit 44 in einer Richtung vorgesehen, die durch den Pfeil 58 gezeigt ist. Eine derartige Gelenkhalterung der Befestigungseinheit der Luftleitung an der Verbindungseinheit 44 erlaubt die Einstellung der Luftleitung 43 in einem für den Benutzer angenehmeren Tragewinkel der Luftleitung 43. Alternativ zu der in 9 gezeigten Variante der Befestigung der Luftleitung 43 an der Verbindungseinheit 44 kann die Luftleitung 43 untrennbar an diesem befestigt werden. Die Befestigungseinheit 56 der Luftleitung 43 ist so ausgeführt, dass ein ungehindertes Eindringen des aus dem Filtrationsblock 22 abgeführten Luftstroms in den Raum unterhalb der Maske möglich ist, der durch den vorderen Teil 41 der Atemmaske, die Einlage 49 und das Gesicht des Benutzers begrenzt ist. Die Einlage 49 ist an den Randbereichen des vorderen Teils 41 der Atemmaske angebracht und gewährleistet eine sich anpassende Ausfüllung der Randregionen des Raums zwischen dem Gesicht des Benutzers und der Maske sowie dem Befestigungsring 45 des vorderen Teils der Maske 40. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einlage 49 aus einem weichen luftdurchlässigen Material gefertigt, beispielsweise Schaumstoff.
Auf der Seitenoberfläche der Verbindungseinheit 44 ist ferner eine Vertiefung 46 zur Befestigung des Kopfhalters 42 auf der Verbindungseinheit 44 ausgeführt. Der Kopfhalter 42 kann mit seinem Endelement trennbar in der Vertiefung 46 befestigt werden. Alternativ kann die Befestigung des Kopfhalters 42 an der Verbindungseinheit 44 untrennbar ausgeführt sein. Der Kopfhalter 42 ist in Form eines gebogenen Ohrhalters ausgeführt, der am Hinterkopf des Benutzers angeordnet wird. Alternativ kann der Kopfhalter als ein Riemenhalter ausgebildet sein, der um die Scheitelgegend des Benutzers verläuft. Die in 9 gezeigte Ausführungsform der Maske ermöglicht ein Trennen und erneutes Verbinden jedes der Elemente, nämlich der Maske 40 selbst, des Kopfhalters 42 oder der Luftleitung 43 von der Verbindungseinheit 44, ohne dass die Verbindungseinheit 44 vom Kopf genommen wird, und ein Befestigen auf dem Kopf mit daran angeschlossenen Luftleitungen 43. Außerdem erlaubt dies einen Austausch der Maske 40, ohne dass die restlichen Elemente von der Verbindungseinheit 44 getrennt werden, wobei die Austauschmaske so ausgebildet sein kann, dass sie das Gesicht des Benutzers entweder zur Hälfte oder sie das Gesicht des Benutzers vollständig bedeckt.
10 zeigt eine alternative Ausführungsform der Maske 40, die in dem erfindungsgemäßen Filtrationssystem verwendet werden kann. Die Maske 40 hat einen vorderen Teil 41, der eine Vollmaske darstellt, d.h. dass er das Gesicht des Benutzers vollständig bedeckt, vom Kinn bis zur Stirn des Benutzers. Der vordere Teil 41 ist transparent ausgeführt und kann wenigstens teilweise getönt sein. Im oberen Bereich des vorderen Teils 41 ist ein Halteelement 55 angebracht, das wenigstens mit seinem unteren Teil an der Scheitelgegend des Benutzers (nicht bezeigt) anliegend ausgebildet ist. In 10 ist das Halteelement 55 in ovaler Form ausgebildet dargestellt in Richtung von dem vorderen Teil 41 zu dem hinteren Kopfteil des Benutzers. Das Halteelement 55 ist derart gebogen ausgeführt, dass sein unterer Teil, der an dem vorderen Teil 41 anliegt, nach innen gebogen ist, um die Scheitelgegend des Benutzers zu umschließen. Alternativ kann das Halteelement 55 in der Ansicht von oben in jeder Form ausgeführt sein, beispielsweise rund, im Wesentlichen rechteckig oder im Wesentlichen dreieckig. Dabei ist es wichtig, dass sein unterer Teil die Scheitelgegend des Benutzers umschließt, um die Maske 40 auf dem Kopf des Benutzers ohne zusätzliche Haltevorrichtungen zu halten. Im hinteren Bereich der verbindenden Halteeinheit 55, d.h. an deren Ende, das von dem vorderen Teil 41 der Maske beabstandet ist, ist eine Vertiefung 48 zur trennbaren oder nicht trennbaren Verbindung der Luftleitung 43 vorgesehen, durch die in die Maske 40 die durch den Filtrationsblock gereinigte Luft über einen in 10 nicht gezeigten Kanal zugeführt wird, der im Halteelement 55 angeordnet ist, beginnend in seinem hinteren Teil in der Vertiefung 48 und endend im vorderen Teil des Halteelements 55 mit einem Austritt in den Raum, der durch die innere Oberfläche der Maske 40 und das Gesicht bzw. den Kopf des Benutzers gebildet wird. Die gereinigte Luft wird in die Maske 40 geleitet, wobei sie durch die in der Vertiefung 48 angeordnete Luftleitung 43 in den vorderen Teil 41 der Atemmaske 40 fließt. Am Rande des unteren Teils des Halteelements 55 sowie am Rande des vorderen Teils 41 sind Einlagen vorgesehen, die eine sich anpassende Ausfüllung der Randregionen des Raums zwischen der Scheitelgegend des Benutzers und der verbindenden Halteeinheit bzw. zwischen dem Gesicht des Benutzers und dem vorderen Teil 41 gewährleisten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einlage 49 aus einem weichen luftdurchlässigen Material gefertigt, beispielsweise Schaumstoff. Der Vorteil der Ausführungsform der Maske, die in 10 gezeigt ist, ist die Anordnung der Schwerpunkts der Maske mit dem auf ihr angeordnetem Halteelement 55 im Bereich der Scheitelgegend des Kopfes des Benutzers, wodurch das Halten der Maske auf dem Kopf des Benutzers ohne die Verwendung zusätzlicher Haltevorrichtungen möglich ist.
Die beschriebenen Ausführungsformen des Filtrationssystems ermöglichen die Reinigung des Filtrationsblocks 22 mittels Durchpumpen durch wenigstens eine seiner Kammern 2, 31-35 eines spülenden und/oder desinfizierenden Fluidstroms und ihre nachfolgende Trocknung. Beispielsweise kann das Filtrationssystem mit fließenden Wasser durchgespült werden, wobei es durch die Eintritts- und/oder Austrittsöffnungen des Filtrationsblocks 22 gegossen wird. Ein Durchspülen des Filtrationssystems kann ebenso erfolgen unter Verwendung einer stationären Basis (nicht gezeigt), die so ausgebildet ist, dass eine manuelle oder automatische Reinigung des Filtrationsblocks 22 mittels Durchpumpen durch wenigstens eine seiner Kammern 2, 31-35 eines spülenden und/oder desinfizierenden Fluidstroms und ihre nachfolgende Trocknung erfolgen kann. Der Trocknungsvorgang umfasst die Verwendung von Ventilatoren, die in der stationären Basis vorgesehen sind, zum Trocknen der inneren Oberflächen der oben genannten Kammern, und Abgießen der restlichen Feuchtigkeit. Ebenso können Ventilatoren-Pumpen verwendet werden, die in der stationären Basis vorgesehen sind zum Abpumpen der restlichen Spülflüssigkeit. Die stationäre Basis hat ebenso die Möglichkeit eines Aufladens der elektrischen Stromquelle 18.
In einer alternativen Ausführungsform des Filtrationssystems ist die Steuereinheit 17 so ausgebildet, dass eine kabellose oder kabelgebundene Verbindung zu einer mobilen Vorrichtung (nicht gezeigt) erfolgen kann, die die Funktionsweise des Filtrationssystems steuert und/oder der Anzeige der Funktionsparameter des Filtrationssystems dient.
Das erfindungsgemäße Filtrationssystem kann sowohl in individuellen Luftreinigungssystemen sowie in Luftreinigungssystemen in Kraftfahrzeugen und Luftreinigungssystemen in Gebäuden zum Einsatz kommen.
Beim Verwenden des erfindungsgemäßen Filtrationssystems zum Filtern der Luft in Kraftfahrzeugen, zur Reinigung von in den Innenraum eingeführten Luft, zur Innenzirkulation der Luft im Innenraum oder zur Reinigung der Luft beim Einführen in den Motor kann das System eingesetzt werden wie das oben beschriebene System in Form des erfindungsgemäßen Rohrfilters, in den Luft eingeblasen wird, mit nachfolgendem Übergang der Luft in eine Kammer mit zusätzlicher Reinigung durch einen HEPA-Filter, wie dies in 7 gezeigt ist, oder jeden anderen Feinreinigungsfilter. Das System kann als ein vollwertiges Filtrationssystem fungieren oder als ein Filter zur Vorreinigung für Hauptsysteme zur Luftreinigung für Kraftfahrzeuge.
Die Verwendung des Systems erlaubt eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer von Feinreinigungsfiltern, die zur Filtration von Partikeln aus der Luft verwendet werden, die nicht durch den Rohrfilter herausgefiltert wurden.
Bezugszeichenliste

1: Strömungskanal
2: Niederdruckkammer
3: eintretender Fluidstrom, der zu reinigen ist
4: gereinigtes Fluid
5: Austrittsöffnung der Niederdruckkammer
6: Vorrichtung zur Erzeugung einer Luftströmung im Strömungskanal 1
7: Vorrichtung zur Erzeugung eines Niederdrucks
8: zweite Pumpe zum Abpumpen
10: äußere Öffnungen
11: Eintrittsöffnung zum Einleiten eines Stroms Umgebungsluft in den Rohrfilter
12: Eintrittsöffnung des Strömungskanals 1
14: Austrittsöffnung des Strömungskanals 1
15: Austrittsöffnung des Filtrationsblocks
16: Austrittsöffnung zum Ableiten von Schwebepartikeln aus der Niederdruckkammer 2
17: Steuereinheit
18: elektrische Stromquelle
19: Drucksensor
20: innere Öffnungen
21: Rohrfilter
22: Filtrationsblock
30: abzuleitender Strom aus der Niederdruckkammer
31: erste Kammer
32: zweite Kammer
33: dritte Kammer
34: vierte Kammer
35: fünfte Kammer
36: HEPA-Filter
37: abzuleitender Strom aus dem Filtrationsblock 22
38: externes Modul mit Eintritts- und Austrittsöffnungen des Filtrationsblocks 22
40: Atemmaske
41: vorderer Teil der Atemmaske
42: Kopfhalter der Atemaske
43: Luftleitung
44: Verbindungseinheit
45: Befestigungsring des vorderen Teils der Maske 40
46: Vertiefung in der Verbindungseinheit zur Befestigung des Kopfhalters der Maske
48: Vertiefung in der Verbindungseinheit zur Befestigung der Luftleitung
49: Einlage
50: magnetisches Element der Verbindungseinheit
51: Symmetriemittelpunkt der magnetischen Ringelemente 50, 52
52: magnetisches Element des Befestigungsrings 45
53: Magnete
54: Drehrichtung der Verbindungseinheit 44
55: Halteelement der Maske 40
56: Befestigungseinheit der Luftleitung 43 an der Verbindungseinheit 44
58: Drehrichtung des Befestigungselements der Luftleitung 43

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4491460 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

D. Greenspan, „Secondary flow in a curved tube“, J. Fluid Mech., 1973, Bd. 57. S. 167-176 [0006]

Claims

Rohrfilter (21) zur dynamischen Reinigung eines Schwebepartikel enthaltenden Luftstroms, umfassend wenigstens einen Strömungskanal (1), der wenigstens an einem Abschnitt gekrümmt mit einem vorgegebenen festen oder änderbaren Krümmungsradius ausgebildet ist, eine Vorrichtung (6, 8) zur Erzeugung eines Luftstroms in dem Strömungskanal (1), eine Niederdruckkammer (2), in der wenigstens teilweise der gekrümmte Abschnitt des Strömungskanals (1) angeordnet ist und die so ausgebildet ist, dass ein im Verhältnis zu dem Druck des Stroms in dem Strömungskanal (1) reduzierter Druck erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (6, 8) zur Erzeugung des Luftstroms so ausgebildet ist, dass an dem gekrümmten Abschnitt des Strömungskanals (1) Dean-Wirbel entstehen, und an dem äußeren und dem inneren Teil des gekrümmten Abschnitts des Strömungskanals (1) äußere (10) bzw. innere (20) Öffnungen zum Abführen der Schwebepartikel aus dem Strömungskanal (1) in die Niederdruckkammer (2) ausgebildet sind.
Rohrfilter (21) nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser der äußeren Öffnungen (10) im Vergleich zu dem Durchmesser der inneren Öffnungen (20) größer ausgebildet ist.
System zur Filtration verschmutzter Umgebungsluft, aufweisend - wenigstens einen Filtrationsblock (22) mit wenigstens einem Rohrfilter (21) nach Anspruch 1 oder 2, umfassend > eine Eintrittsöffnung (11) zum Einführen eines Stroms der Umgebungsluft in den Rohrfilter (21), > eine Austrittsöffnung (15) des Filtrationsblocks (22) zum Abführen der gereinigten Luft, > eine Austrittsöffnung (16) zum Abführen von Schwebepartikeln aus der Niederdruckkammer (2), - eine Steuereinheit (17) zur kontrollierten Steuerung der Vorrichtung (6) zur Erzeugung eines Luftstroms im Strömungskanal (1). - elektrische Stromquelle (18).
System zur Filtration nach Anspruch 3, umfassend eine Atemmaske (40) zum Tragen auf dem Gesicht eines Benutzers, umfassend einen vorderen Teil (41), der wenigstens den Nasen- und Mundbereich des Benutzers bedeckt, und wenigstens eine Luftleitung (43) zum Zuführen der durch den Filtrationsblock (22) gereinigten Luft aus der Austrittsöffnung (15) des Filtrationsblocks (22) in die Atemmaske (40).
System zur Filtration nach Anspruch 3 oder 4, umfassend eine Vorrichtung (7) zur Erzeugung eines Niederdrucks in der Niederdruckkammer (2), wobei die Steuereinheit (17) eine kontrollierte Steuerung der Vorrichtung (7) zur Erzeugung eines Niederdrucks und/oder des Drucks der gereinigten Luft in der Austrittsöffnung (15) des Filtrationsblocks (22) erlaubt.
System zur Filtration nach Anspruch 4 oder 5, in dem die Steuereinheit (17) so ausgebildet ist, dass der Takt und das Volumen der in den Rohrfilter eingeführten Luft in Abhängigkeit von dem Druck der gereinigten Luft in der Austrittsöffnung (15) des Filtrationsblocks (22) regulierbar ist, wobei durch den Druckabfall in der Maske (40) und der Luftleitung (43) bzw. in der Austrittsöffnung (15) des Filtrationsblocks (22) beim Einatmen des Benutzers und beim Druckanstieg beim Ausatmen des Benutzers die Funktionsweise der Vorrichtung (6) zur Erzeugung eines Luftstroms in dem Rohrfilter (21) steuerbar ist.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 4 bis 6, in dem die Steuereinheit (17) so ausgebildet ist, dass der Druck in der Austrittsöffnung (15) des Filtrationsblocks (22) bzw. in der Atemmaske (40) um 0,01-20% über dem Atmosphärendruck sowohl beim Einatmen als auch beim Ausatmen des Benutzers aufrechterhaltbar ist, wobei die Atemmaske (40) so ausgebildet ist, dass die Luft austritt - entweder durch eine Einlage (49) zwischen dem Gesicht des Benutzers und dem vorderen Teil (41) und/oder - durch undicht anliegende Stellen des vorderen Teils (41) an das Gesicht des Benutzers und/oder - durch eine in der Maske (40) vorgesehene wenigstens eine Öffnung und/oder Ventil aufgrund eines Überdrucks der in die Maske (40) durch die Luftleitung (43) eingeführten Luft.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 3 bis 6, in dem wenigstens einer der Filtrationsblöcke (22) wenigstens eine oder mehrere der nachfolgend aufgezählten zusätzlichen Kammern aufweist, die hintereinander an eine Austrittsöffnung (14) des Strömungskanals (1) angeschlossen sind: - eine erste Kammer (31) zum Absetzen von durch den Strömungskanal (1) nicht ausgefilterten Schwebepartikeln auf ihren Wänden und/oder auf dem Boden der ersten Kammer (31), - eine zweite Kammer (32), umfassend Filter des Typs HEPA oder ULPA, - eine dritte Kammer (33) zum Einspritzen von aromatischen und/oder Arzneistoffen in die durch sie strömende gereinigte Luft, - eine vierte Kammer (34) zum Erwärmen und/oder Abkühlen der in die Luftleitung (43) einzuführenden Luft, - eine fünfte Kammer (35) zur Befeuchtung und Trocknung der in die Luftleitung (43) einzuführenden Luft.
System zur Filtration nach Anspruch 8, in dem der Filtrationsblock (22) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist, in dem der Rohrfilter (21), die Eintrittsöffnung (11) zur Einführen des Stroms der Umgebungsluft in den Rohrfilter (21), die Austrittsöffnung (15) des Filtrationsblocks (22) zum Abführen der gereinigten Luft, die Austrittsöffnung (16) zum Abführen der Schwebepartikel aus der Niederdruckkammer (2), die Vorrichtung (7) zur Erzeugung eines Niederdrucks in der Niederdruckkammer (2), die zusätzlichen Kammern (31-35), die Steuereinheit (17), die elektrische Stromquelle (18) angeordnet sind, oder die Eintrittsöffnung (11) zur Einführen des Stroms der Umgebungsluft in den Rohrfilter (21), die Austrittsöffnung (15) des Filtrationsblocks (22) zum Abführen der gereinigten Luft, die Austrittsöffnung (16) zum Abführen der Schwebepartikel aus der Niederdruckkammer (2) in einem von dem gemeinsamen Gehäuse räumlich getrennten Modul (38) angeordnet sind.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei dem ein spiralförmiger Strömungskanal (1) mit einem inneren Durchmesser von 1 mm bis 30 mm und einem äußeren Krümmungsdurchmesser des Kanals selbst in Richtung seiner mittleren Linie von 10 mm bis 100 mm ausgebildet ist, wobei die Öffnungen (10, 20) rund oder oval mit einer Größe von 0,1 mm bis 2 mm ausgebildet sind.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 8 bis 10, in dem die erste Kammer (31) mit einer Austrittsöffnung (14) des Strömungskanals (1) verbunden und so ausgebildet ist, dass der Luftstrom wenigstens in einem ihrer Bereiche von unten nach oben bewegt wird, und sie dabei einen Gravitationsfilter darstellt.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 4 bis 11, in dem der vordere Teil (41) der Atemmaske (40) in Form eines transparenten Gesichtsschutzes ausgebildet ist, dessen Ränder im Wesentlichen die an sie anliegende Gesichtskonturen des Benutzers wiederholen.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 4 bis 12, in dem an beiden Seiten der Maske (40) jeweils eine Verbindungseinheit (44) angebracht ist, die so ausgebildet ist, dass eine stationäre oder trennbare Verbindung miteinander des vorderen Teils (41) der Maske, eines Kopfhalters (42) und der Luftleitung (43) gewährbar ist.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 4 bis 12, in dem die Maske (40) den Kopfhalter (42) zum Befestigen der Maske auf dem Gesicht des Benutzers aufweist.
System zur Filtration nach Anspruch 14, in dem der Kopfhalter (42) zum Anbringen der Maske (40) auf dem Gesicht des Benutzers in Form eines gebogenen Ohrhalters ausgeführt ist, der am Hinterkopfbereich des Benutzers angeordnet wird, oder mit wenigstens einem Riemen kombiniert ist, der um den Hinterkopf und die Scheitelgegend des Benutzers verläuft.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 4 bis 12, in dem die Maske (40) eine Vollmaske ist mit einem im oberen Bereich des vorderen Teils (41) der Maske angeordneten, die Maske (40) auf dem Kopf des Benutzers haltenden Halteelement (55) ausgebildet ist, das so ausgebildet ist, dass es stationär oder trennbar mit der Luftleitung (43) verbindbar ist, wobei das Halteelement (55) wenigstens teilweise der Form nach an der Scheitelgegend des Benutzers anliegend.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 3 bis 16, aufweisend wenigstens ein Analysegerät zum Analysieren der Zusammensetzung der in den Rohrfilter (21) eingeführten Luft, das so ausgebildet ist, dass es eine qualitative und/oder quantitative Bewertung der in der Luft enthaltenen anorganischen und/oder organischen Komponenten vornehmbar ist.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 3 bis 17, das derart ausgebildet ist, dass der Filtrationsblocks (22) mittels Durchpumpen durch wenigstens eine seiner Kammern (2, 31-35) eines spülenden und/oder desinfizierenden Fluidstroms gereinigt werden kann mit nachfolgender Trocknung.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 3 bis 18, aufweisend eine stationäre Basis, die ausgebildet ist mit der Möglichkeit - zur manuellen oder automatischen Reinigung des Filtrationsblocks (22) mittels Durchpumpen durch wenigstens eine seiner Kammern (2, 31-35) eines spülenden und/oder desinfizierenden Fluidstroms und nachfolgender Trocknung, - und/oder eines Aufladens der elektrischen Stromquelle 18.
System zur Filtration nach einem der Ansprüche 3 bis 19, aufweisend eine Anwendung für eine mobile Vorrichtung als Steuerungsschnittstelle für den Benutzer und/oder zur Anzeige der Funktionsparameter des Filtrationssystems.