Die Erfindung betrifft ein Filtersystem für ein Fluid.

In einer Vielzahl technischer Anwendungen existieren mit Partikeln verunreinigte Fluide, d.h. Flüssigkeiten oder Gase, aus denen diese Partikel entfernt werden müssen. Beispiele hierfür sind Abgase von stationären oder mobile Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen oder Anlagen, oder Abluft in industriellen Anlagen wie z.B. Lackieranlagen oder im Heimbereich wie z.B. in Küchen (Dunstabzugshaube) oder Heizungsöf en .

Hierfür werden häufig Filter verwendet, die nach dem Siebeffekt funktionieren. Es wird ein feinporiges Filtermaterial verwendet, das das Fluid passieren muss. Hierbei werden die Partikel, sofern sie größer sind als die Poren, nicht in das Filtermedium eindringen und werden so aus dem Fluid entfernt. Für Partikelfilter in Kraftfahrzeugen wird hierfür beispielsweise eine Keramik verwendet.

Problematisch ist hierbei, dass die Durchlässigkeit des Filters nach einer gewissen Zeit abnimmt, da sich die abgeschiedenen Partikel im Filtermaterial ansammeln. Entweder ist dann eine Reinigung des Filters notwendig, oder das Filtermaterial muss ausgetauscht werden .

Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Filtersystem für Fluide anzugeben, welches eine lange Einsatzdauer aufweist .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Filtersystem für ein Fluid, umfas send : ein Filterelement mit einer eine erste Elektrode bildenden Fläche , wobei die Fläche mit einer elektrostatisch aufladbaren Beschichtung versehen ist , und wobei das Filtersystem derart angeordnet ist , dass die Beschichtung im Betrieb des Filtersystems mit dem Fluid in Kontakt steht ; eine zweite , auf der der elektrisch leitenden Fläche abgewandten Seite der Beschichtung angeordnete Elektrode ; eine Spannungsquelle , wobei die Spannungsquelle derart mit der ersten und der zweiten Elektrode verbunden ist , dass eine die Beschichtung elektrostatisch aufladende Spannung zwischen den Elektroden entsteht .

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus , in Abkehr vom bekannten Siebef fekt einen Filter vorzusehen, der auf dem Prinzip der elektrostatischen Anziehung beruht . Hierbei sollten das Filtersystem eine Kontakt fläche umfassen, die elektrostatisch aufgeladen wird, und in Kontakt mit dem Fluid steht . Diese Kontakt fläche muss aus einem elektrostatisch aufladbaren Material bestehen . Hierfür ist vorgesehen, eine erste Elektrode flächig aus zugestalten und diese mit einer elektrostatisch aufladbaren Beschichtung zu versehen . Die zweite Elektrode sollte dann auf der gegenüberliegenden Seite der Beschichtung angeordnet werden, entweder die Beschichtung kontaktierend oder in einem Abstand über der Beschichtung . Die Beschichtung liegt dadurch zwischen erster und zweiter Elektrode . Weiterhin wird eine Spannungsquelle vorgesehen, die eine Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode erzeugt , so dass die Beschichtung im elektrischen Feld zwischen den Elektroden elektrostatisch aufgeladen wird . Die an der Beschichtung im Fluid vorbeiströmenden Partikel werden so elektrostatisch angezogen und bleiben an der Beschichtung haften . Dadurch werden sie aus dem Fluid entfernt und das

Fluid gereinigt .

In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Beschichtung einen Kunststof f , bevorzugt einen Halbleiter, besonders bevorzugt Selen . Halbleiter, insbesondere Selen eignen sich besonders für die elektrostatische Aufladung, da sie nach der Exposition im elektrischen Feld den Ladungs zustand vergleichsweise lange aufrecht erhalten können . Hierdurch können die Partikel besonders gut aus dem Fluid entfernt werden .

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist die Fläche , auf der die Beschichtung angeordnet ist, d . h die erste Elektrode zylindermantel förmig ausgebildet . Grundsätzlich kann hier j ede Form der Grundfläche vorgesehen sein; wesentlich ist , das eine Form in der Art eines Rohres vorgesehen ist . Besonders vorteilhaft ist eine kreis förmige oder sechseckige Grundfläche . Die Beschichtung ist dabei vorteilhafterweise entlang des gesamten Umfangs vorgesehen, idealerweise sogar auf der gesamten Fläche . Sie kann auf der Innen- oder der Außenseite aufgebracht sein, j e nachdem, welche Seite in Kontakt mit dem Fluid steht . Auch eine Beschichtung auf beiden Seiten ist denkbar . Von besonderem Vorteil ist eine kreisrunde oder sechseckige Grundfläche insbesondere dann, wenn eine Mehrzahl gleichartiger Filterelemente vorgesehen ist . Diese können dann nämlich mit j eweils paralleler Achse des Zylindermantels nebeneinander angeordnet werden, so dass ein größerer Querschnitt durchströmt werden kann . Dies kann für Anwendungen mit einer großen zu filternden Fluidmenge sinnvoll sein . Entweder ist dabei die j eweilige Fläche mit der Beschichtung j eweils auf der Innenseite der Filterelemente angeordnet und die Filterelemente sind dicht gepackt ( dies ist insbesondere bei der sechseckigen Grundfläche vorteilhaft ) , oder die j eweilige Fläche mit der Beschichtung ist j eweils auf der Außenseite der Filterelemente angeordnet und die Filterelemente sind beabstandet voneinander angeordnet .

Je nach Geometrie des Filtersystems , insbesondere bei einer großen Oberfläche kann es schwierig sein, die gesamte Oberfläche in einem Zustand der elektrostatischen Aufladung zu halten, da sich die Beschichtung durch den Fluidstrom wieder entlädt . Die zweite Elektrode muss also entweder permanent in der Nähe der Beschichtung gehalten werden oder regelmäßig in ihre Nähe gebracht werden, um diese wieder auf zuladen . Hierzu ist die zweite Elektrode vorteilhafterweise gegenüber der Beschichtung beweglich angeordnet , und überstrei ft bevorzugt die Beschichtung zyklisch . Die Geometrie und Bewegung sollten dabei so abgestimmt sein, dass die gesamte Oberfläche der Beschichtung überstrei ft wird . Hierbei können sich sowohl die erste Elektrode mit der Beschichtung als auch die zweite Elektrode innerhalb des Filtersystems bewegen . Jeweils eine der beiden Elektroden kann fixiert sein . I st die erste Elektrode zylinderförmig ausgeführt , wie oben beschrieben, ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dadurch, dass die zweite Elektrode linear ausgebildet und parallel zur Achse des Zylindermantels angeordnet ist , und die erste Elektrode um die Achse des Zylindermantels rotierend ausgebildet ist . Die erste Elektrode rotiert also um ihre eigene Achse und die zweite Elektrode ist - bei innenliegender Beschichtung innen und bei außenliegender Beschichtung außen angeordnet . Sie ist dabei als einfacher Draht ausgestaltet und parallel zur Achse des Zylinders angeordnet , so dass die zylindermantel förmige Oberfläche entlang der zweiten Elektrode rotiert . Von besonderem Vorteil ist eine solche Ausgestaltung bei einer kreisrunden Grundfläche des Zylindermantels .

Für den Fall , dass keine Bewegung der zweiten Elektrode gegenüber der Beschichtung vorgesehen ist , kann in alternativer vorteilhafter Ausgestaltung die zweite Elektrode in Form eines Geflechts auf der Beschichtung angeordnet sein . Der Begri f f Geflecht meint hier, dass die Elektrode in der Art eines Netzes aus Drähten, die nebeneinander in der Art eines Gitters oder miteinander verflochten sind, auf der Beschichtung integriert ist . Das Geflecht sollte sich dabei über den gesamten Wirkbereich, d . h . die gesamte Fläche der Beschichtung erstrecken und einen ausreichend hohen Bereich der Fläche unbedeckt lassen, um mit dem Fluid in Kontakt zu bleiben .

Das Filtersystem ist bevorzugt in einem Fluidkanal angeordnet , der von dem zu filternden Fluid durchflossen wird . Hierbei kann entweder das Fluid durch den Fluidkanal fließen oder der Fluidkanal wird durch das ruhende Fluid bewegt . Im ersten Fall umfasst das Filtersystem vorteilhafterweise eine Fördereinrichtung für das Fluid, die im Fluidkanal angeordnet ist .

Für die elektrostatische Aufladung der Beschichtung sind hohe Spannungen von Vorteil . Die Spannungsquelle umfasst daher vorteilhafterweise eine Zündspule . Hierdurch ist es möglich, hohe Spannungen zwischen den beiden Elektroden auf zubauen, und dennoch nur vergleichsweise niedrige Spannungen auf der Primärseite zu verwenden . Dies reduziert den Energieverbrauch des Filtersystems .

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung umfasst das Filtersystem ein Steuersystem, welches dazu ausgebildet ist , intermittierend die Spannung umzupolen . Durch ein Umpolen der Spannung können in einfacher Weise die angesammelten Partikel von der Beschichtung entfernt werden . Dies kann bedarfswei se oder in festgelegten Abständen erfolgen .

Alternativ oder zusätzlich umfasst das Filtersystem eine der j eweiligen Fläche zugeordnete mechani sche Reinigungsvorrichtung . Diese kann z . B . mittels Bürsten oder Schabern die Beschichtung von angesammelten Parti keln befreien, ebenfalls wieder bedarfsweise oder in festgelegten Abständen .

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung des Prinzips der elektrostatischen Anziehung in einem Filtersystem Partikel aus einem Fluidstrom besonders einfach und ef fi zient ausgefiltert werden können . Die Entfernung der abgeschiedenen Partikel ist einfach, zudem lässt sich das System besonders einfach auf unterschiedlichste Fluidstrommengen und Fluidarten anpassen, so dass es in einer Viel zahl von konkreten Anwendungen einsetzbar ist .

Aus führungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert . Darin zeigen :

FIG 1 eine Prinzipski z ze eines Filtersystems ;

FIG 2 eine schematische Darstellung einer konkretis ierten Aus führungs form des Filtersystems zur Anwendung als Abgas filter in einem Kraftfahrzeug;

FIG 3 eine schematische Darstellung einer alternativen Aus führungs form mit einem Sechseck als Grundfläche der zylindermantel förmigen beschichteten Fläche und auf der Beschichtung integrierter zweiter Elektrode ;

FIG 4 eine schematische Darstellung einer dichten Packung von mehreren Zylindern mit sechseckiger Grundfläche zu einem Filtersystem;

FIG 5 eine schematische Darstellung einer dichten Packung von mehreren Zylindern mit kreisrunder Grundfläche zu einem Filtersystem; und

FIG 6 eine schematische Darstellung einer beabstandeten Anordnung von mehreren Zylindern mit kreisrunder Grundfläche zu einem Filtersystem .

Gleiche Teile sind in allen Zeichnungen mit denselben

Bezugs zeichen versehen .

Die FIG 1 zeigt eine Prinzipski z ze eines Filtersystems 100 , anhand dessen die grundsätzliche Funktion und Aus führungsmöglichkeiten für alle denkbaren Aus führungs formen erläutert werden . Die Funktion des Filtersystems basiert auf elektrostatischer Anziehung . Ein elektrostatisch aufladbares Material wird entsprechend aufgeladen und zieht so Partikel aus einem daran vorbeiströmendem Fluid an, so dass das Fluid gefiltert wird. Die Prinzipskizze des Filtersystems 100 zeigt eine zylinderförmige Mantelfläche 106 mit einer elektrostatischen Fläche 202, die sich je nach Anwendungs zweck und Anströmung durch das Fluid auf der Außenoder der Innenseite des Zylinders befinden kann. Die elektrostatische Aufladung erfolgt über einen Coronadraht, der an eine Spannungsquelle 112 angeschlossen ist und so eine Elektrode 110 bildet. Der Draht kann von der Fläche 202 beabstandet oder auf oder in ihrer Oberfläche angeordnet sein. Es kann auch ein Drahtgeflecht vorgesehen sein oder es können mehrere, z.B. parallel angeordnete Drähte vorliegen. Der Draht kann auch ring- oder spiralförmig ausgebildet sein. Wesentlich ist, dass er für eine geeignete elektrostatische

Aufladung der Fläche 202 sorgt.

Die FIG 2 zeigt ein konkreter ausgestaltetes Filtersystem 100, welches für die Abgasreiningung in einem nicht näher dargestellten Kraftfahrzeug geeignet ist. Es zeigt einen Fluidkanal 102, in durch den das Abgas des Kraftfahrzeuges geleitet wird. Der Fluidkanal 102 weist eine Revisionsklappe 104 auf. Im Fluidkanal 102 ist eine kreiszylindermantelförmige Fläche 106 angeordnet, d.h. in Form eine Rolle. Diese ist aus einem Metall, z.B. Aluminium gefertigt und auf ihrer Außenseite mit einer nicht näher dargestellten Halbleiterbeschichtung versehen.

Die dargestellte Rolle ist an ihrer Achse 108 drehbar gelagert und kann durch einen nicht näher dargestellten Antriebsmechanismus gedreht werden. Die Achse 108 ist in Flußrichtung des Abgasstromes ausgerichtet. Zum Aus filtern von Partikeln aus dem Abgas wird die Beschichtung elektrostatisch aufgeladen . Hierzu bildet die Fläche 106 selbst eine erste Elektrode . Die zweite Elektrode 110 wird durch einen Draht gebildet , der auf der Außenseite der Beschichtung beabstandet angeordnet ist . Der Draht verläuft parallel zur Achse 108 und erstreckt sich entlang der gesamten Höhe des Zylinders . Weiterhin ist eine Spannungsquelle 112 vorgesehen, die eine Zündspule umfas st , um eine ausreichend hohe Spannung über die Beschichtung zwischen Draht und Fläche 106 zu erzeugen, um die Beschichtung elektrostatisch auf zuladen .

Durch die asymmetrische Anordnung des Drahtes wird die Beschichtung zunächst nur im Bereich des Drahtes elektrostatisch aufgeladen . Durch eine gleichmäßige Drehung des Zylinders überstrei ft der Draht j edoch den gesamten Umfang, so dass die gesamte Beschichtung elektrostatisch aufgeladen wird und Partikel aus dem Abgasstrom aus filtert . Als vorteilhafter Nebenef fekt ergibt sich hierbei , dass die elektrostatische Aufladung nicht über eine gesamte Umdrehung aufrecht erhalten bleibt , so das s sich vor Abschluss einer gesamten Umdrehung die ausgefilterten Partikel von der Beschichtung lösen und nach unten fallen . Hierdurch reinigt sich das Filtersystem 100 selbständig .

In einem konkreten Versuch wurde die Filterleistung des Filtersystems 100 getestet . Hierfür wurden insgesamt vier in FIG 2 dargestellte Filterelemente in Form von Zylindern im Abgasstrang eines älteren Diesel fahrzeuges angeordnet . Der Durchmesser j edes Zylinders betrug hierbei ca . 4 cm und die Zylinder wurden kontinuierlich mit ca . einer Umdrehung pro

Sekunde gedreht . Der Draht als zweite Elektrode 110 hatte eine Dicke von ca . 0 , 5 mm und war im Abstand von 4 mm von der Beschichtung entfernt. Die Beschichtung bestand aus Selen. Als Primärspannungsquelle vor der Zündspule wurde eine 6 V Batterie genutzt, so dass sekundärseitig zwischen den Elektroden ca. 1000 V anlagen.

Die Messungen wurden ohne und mit dem beschriebenen Filtersystem mit einem üblichen zugelassenen Abgasmessgerät, wie es auch bei regulären Abgasuntersuchungen verwendet wird, vorgenommen. Hierbei wurden der sogenannte K-Wert, der ein Maß für die Trübung des Abgases durch Rußpartikel ist, sowie N2 (Stickstoff) gemessen. Bei 770 Umdrehungen pro Minute des Motors des Kraftfahrzeugs konnte durch den Einsatz des Filtersystems der K-Wert von 5,4 auf 5,0 gesenkt werden (- 7,4%) . N2 konnte von 0,14 auf 0,12 gesenkt werden (-14,3%) . Bei 2090 Umdrehungen pro Minute des Motors des Kraftfahrzeugs konnte durch den Einsatz des Filtersystems der K-Wert von 22 auf 16 gesenkt werden (-27,3%) . N2 konnte von 0,57 auf 0,40 gesenkt werden (-29,8%) . Bei 2500 Umdrehungen pro Minute des Motors des Kraftfahrzeugs konnte schließlich durch den Einsatz des Filtersystems der K-Wert von 35 auf 22 gesenkt werden (-37,1%) . N2 konnte von 1,00 auf 0,55 gesenkt werden (-45%) .

Trotz eines vergleichsweise einfachen Aufbaues konnten somit erhebliche Filterungsraten erreicht werden.

In einer alternativen, nicht bildlich dargestellten Aus führungs form kann der in FIG 1 dargestellte Zylinder auch auf der Innenseite beschichtet sein. Dementsprechend ist auch der Draht als zweite Elektrode innerhalb des hohlen Zylinders - wiederum parallel zur Achse - angeordnet und das Fluid durchströmt den Zylinder innen. FIG 3 zeigt eine alternative Aus führungs form des Filtersystems 200 . Die Grundfläche des Zylinders ist hier ein Sechseck, so dass die beschichtete Fläche 202 einen sechseckigen Zylinder darstellt . Die Beschichtung ist auf der Innenseite des Zylinders angeordnet .

Im Aus führungsbeispiel der FIG 3 ist die zweite Elektrode 204 als nicht näher dargestelltes Geflecht von Drähten auf der gesamten Oberfläche der Beschichtung verteilt angeordnet , beispielsweise in einer netz- oder gitterartigen Anordnung . Auf diese Weise kann die gesamte Beschichtung kontinuierlich elektrostatisch aufgeladen werden, ohne dass eine Bewegung einer Elektrode erforderlich wäre . Die Aus führung der zweiten Elektrode als direkt auf der Beschichtung angeordnetes Geflecht ist natürlich auch bei anderen Flächenformen möglich .

Die in FIG 3 gezeigte Aus führung mit sechseckiger Grundfläche und innenliegender zweiter Elektrode ermöglicht auch eine dichte Packung mehrerer Zylinder in einem Filtersystem 300 , wie in schematisch in FIG 4 dargestellt . Die Zylinder werden dabei achsparallel angeordnet und die Durchflussrichtung des Fluids ist ebenfalls parallel zur Achse , so dass die Zylinder in Längsrichtung durchströmt werden . Alternativ ist eine derartige achsparallele Anordnung auch mit Zylindern mit kreisrunder Grundfläche möglich, wie das Filtersystem 400 der FIG 5 zeigt . Allerdings verbleiben hier im Gegensatz zur sechseckigen Aus führung Zwischenräume .

Alternativ ist es auch möglich, mehrere Zylinder als Filterelemente beabstandet voneinander anzuordnen, wie das Filtersystem 500 der FIG 6 zeigt . Dies ist insbesondere bei außen beschichteten Zylindern von Vorteil . Die Zylinder im Filtersystem 500 können beliebig angeordnet werden und von beliebigen Richtungen angeströmt werden, so dass das Filtersystem 500 besonders flexibel an unterschliedlichste Fluidarten und -mengen, sowie unterschiedlichste Anwendungen anpassbar ist.

Das beschriebene Filtersystem 100, 200, 300, 400, 500 kann für verschiedenste Anwendungen zum Einsatz kommen. Neben der zu FIG 2 beschriebenen Anwendung zur Filterung von Abgasen von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren lässt sich das Filtersystem 100, 200, 300, 400, 500 beispielsweise auch in Heizungsöfen verwenden, insbesondere solchen, in denen Holz verbrannt wird. Hier lassen sich die beim Verbrennen des Holzes entstehenden Abgase und Feinstaub mittels einem Filtersystem 100, 200, 300, 400, 500 im Ofenrohr reinigen. Das Filtersystem 100, 200, 300, 400, 500 wird hierzu in das bestehende Ofenrohr am äußeren Gebäude integriert.

Eine weitere Anwendung ist die Reinigung von Wasser durch Integration eines Filtersystems 100, 200, 300, 400, 500 im Wasserkreislauf eines Hauses. Hier können Partikel wie z.B. Mikroplastik oder Medikamentenrückstände aus dem Wasser gefiltert werden. Weiterhin ist in Haushalten eine Luftreinigung denkbar, indem ein Filtersystem 100, 200, 300, 400, 500 in einem freistehenden oder eine Belüftungsanlage integrierten Gehäuse angeordnet wird und die Luft mittels einer Ventilation durch das Filtersystem 100, 200, 300, 400, 500 gesaugt oder geblasen wird.

Entsprechende freistehende oder in Belüftungssysteme integrierte Filtersysteme 100, 200, 300, 400, 500 können - mit entsprechend größerer Filterfläche - auch unter freiem Himmel zum Einsatz kommen. So können die Filtersysteme 100, 200, 300, 400, 500 zur Reinigung von Partikeln in Städten an verkehrsreichen Straßen eingesetzt werden. Die Filtersysteme 100, 200, 300, 400, 500 können hierbei auch an vorhandenen Masten wie z.B. Ampeln oder Straßenlaternen angebracht werden. Weiterhin können Filtersysteme 100, 200, 300, 400, 500 in die Belüftungsanlagen von Tunneln integriert werden, um auch hier die Luft zu reinigen.

Weiterhin ist der Einsatz von Filtersystemen 100, 200, 300, 400, 500 nach dem obigen Prinzip an allen Arten von beweglichen Fahrzeugen, Eisenbahnen, Schiffen oder Flugzeugen möglich. Hierbei wird durch die Fortbewegung das umgebende Medium (Luft oder Wasser) durch den Filter gefördert. Das Filtersystem 100, 200, 300, 400, 500 ist hierbei so ausgelegt, dass die Fortbewegungsrichtung parallel zur Durchströmungsrichtung ausgerichtet ist.

Bezugszeichenliste

100 Filtersystem 102 Fluidkanal

104 Revisionsklappe

106 Fläche

108 Achse

110 zweite Elektrode

112 Spannungsquelle

200 Filtersystem

202 Fläche

204 zweite Elektrode

300 Filtersystem

400 Filtersystem

500 Filtersystem