CN101365542B - 用于有效场极化介质空气净化器的改进的过滤介质 - Google Patents

用于有效场极化介质空气净化器的改进的过滤介质 Download PDF

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Abstract

一种用于有效场极化介质空气净化器的过滤介质，包括两层介电材料，并且在低阻抗的该介电层之间夹设有高阻抗的透气网。该过滤介质还可以包括混合的纤维过滤层，该层具有来自摩擦静电等级不同侧的纤维。该过滤介质还可以包括密度相对较高的介电材料层及随后的密度相对较低的介电材料层。

Description

用于有效场极化介质空气净化器的改进的过滤介质
技术领域
本发明大致涉及空气净化系统，具体涉及用于一种空气净化器的过滤介质，该类型的空气净化器使用静电场来极化介质并且极化颗粒，以提高介质上的颗粒收集效率。
背景技术
静电吸引的原理被使用了多年以增强污染物从气流中的去除。空气静电净化器主要分为三类：静电沉淀器、无源静电过滤器(passive electrostaticfilter)和有效场极化介质空气净化器(active field polarized media air cleaner)，这些空气静电净化器有时以不同的名称为人所知。
静电沉淀器使颗粒带电，然后将该颗粒捕获到带相反电荷和/或接地的收集板上。
无源静电过滤器(也被称为驻极体(electret))使用介质(或不同介质的组合)，该介质(或不同介质的组合)通过一些处理和/或固有性质的组合而具有静电电荷。进入到带静电电荷的过滤介质中的颗粒被吸引到具有相反静电电荷的带电过滤材料上。
有效场极化介质空气净化器使用由两个电极之间的电压差产生的静电场。介电过滤介质被放置在两个电极之间的静电场中。所述静电场将介质纤维和进入的颗粒极化，从而提高所述介质和空气净化器的效率。介电材料是电绝缘体或者对电流具有高阻抗并且仍能存储电能的物质。介电材料可以将施加在该介电材料内的电场进行集中，因此是一种静电场的有效的支持物。
另一种静电空气过滤器的设计公开在加拿大专利号为1,272,453的专利中，在该专利中，将一次性矩形滤筒连接到高压电源。该滤筒包括导电内部中心网，该中心网夹设在两个介电的纤维质材料(塑料或玻璃)层之间。该两个介电层则进一步夹设在两个导电材料外网之间。导电内部中心网被施加到高电压，由此在内部中心网与两个导电外网之间产生静电场，所述两个导电外网保持在相反电位或接地电位。高压静电场将极化两个介电纤维层。
空气净化器可以安装在各种结构和环境中，作为冷暖风空调(HVAC)系统的一部分，以及安装在独立的空气移动/净化系统中。在小型HVAC系统中(例如住宅和小型商用)，空气净化器面板经常安装在平板结构(垂直于气流)中或者有角度的过滤通道内。在大型系统中，多组空气过滤器通常布置在V型结构中，其中设置多个独立的过滤器以形成垂直于气流轴线的Z型折叠的过滤器。
发明内容
本发明包含对用于有效场极化介质空气净化器的过滤介质的若干单独的改进及其组合。本发明的单独的特征如下：
1、具体地，本发明的过滤介质包括两层纤维质介电材料(比如聚酯)，并且在低阻抗的该介电(聚酯)层之间夹设有高阻抗的透气性材料(比如玻璃纤维网)。
2、在本发明的另一实施方式中，过滤介质包括纤维质介电材料层形成混合的纤维层，该纤维层具有来自材料的摩擦静电序列(摩擦静电等级)的不同侧的纤维，用在有效场极化介质空气净化器中。
3、在本发明的再一实施方式中，过滤介质包括密度相对较高的介电材料层(比如纤维聚酯)，随后设置有密度相对较低的材料层(比如低密度纤维聚酯)。
附图说明
图1是根据本发明的在阻抗相对较低的纤维质介电材料垫之间具有高阻抗透气网的过滤介质的横截面图。
图2是根据本发明的具有纤维质介电材料垫和混合的纤维层的过滤介质的横截面图，所述混合的纤维层具有来自静电摩擦等级不同侧的纤维。
图3是根据本发明的具有图1和图2中特征的过滤介质的横截面图。
图4是根据本发明的具有高密度介电材料层和随后的低密度介电材料层的过滤介质的横截面图。
图5是根据本发明的具有图1至图4中特征的过滤介质的横截面图。
图6是根据本发明的具有图1和图5中特征的过滤介质的横截面图。
图7是根据本发明的具有图3和图6中特征的过滤介质的横截面图。
图8是根据本发明的具有混合的纤维层的过滤介质的横截面图，所述混合的纤维层具有来自静电摩擦等级不同侧的纤维。
具体实施方式
根据本发明的有效场极化介质空气净化器的一种实施方式显示于图1中。在图1中(图2-7中也是如此)，通过过滤器的气流从视图的顶部下行到视图的底部。过滤器包括保持过滤介质的框架。
在本发明的一种实施方式中，过滤介质本身包括介电的介质支撑框架120、第一纤维质介电材料垫16A、玻璃纤维筛网14A、第二纤维质介电材料垫16B、中心网13、第三纤维质介电材料垫16C、另一玻璃纤维筛网14B和第四纤维质介电材料垫16D。保持过滤介质的过滤器框架包括带有第一导电外网12A的导电第一保持框架116A和带有第二导电外网12B的第二导电保持框架116B。出于清楚的原因，使用介质框架120和保持框架116A、116B的相同的基础结构用于整个附图中，但这些附图仅仅是一种可能的实施方式。本发明的本质要素是极化介质空气净化器中的两个电极之间的介质的各种结构。虽然对于说明书中公开的特定实施方式来说具有一些优点，但是中心网并不是必需一直延伸到边缘，也不是必需在中心网和介质层的周围具有框架。
通过适当的手段，比如粘结材料121A或者超声波焊接，第一介电过滤材料垫16A接合到介电的介质支撑框架120上和/或中心电极13上。通过适当的手段，比如粘结材料121B或者超声波焊接，第四介电过滤材料垫16D接合到介电的介质支撑框架120上。在没有介质支撑框架的实施方式中，通常各层介质16A-D、14A、14B以及中心网13将通过适当的手段如粘结剂、超声波焊接、缝合或者夹持等接合在一起。第一导电外网12A通过第一导电保持框架116A保持固定。第二导电外网12B通过第二导电保持框架116B保持固定。
操作中，高压电源108的一端连接到中心网13。高压电源108的另一端连接到第一导电外网12A和第二导电外网12B，其通常保持在接地电位。
穿过图1中有效场极化介质空气净化器的介电过滤材料16A、16B、16C和16D的进入空气中的颗粒被其中的电场极化，并被吸附到第一和第二介电过滤材料垫16A、16B、16C和16D上。
本发明的过滤介质包括两层纤维质介电材料，且在低阻抗的该介电层之间夹设有高阻抗的透气性材料。但其它材料组合也是可能的。具体如图1所示，玻璃纤维网14A夹设在聚酯层16A与聚酯层16B之间，其设置在中心网13的上方。类似地，在中心网13的下方，玻璃纤维网14B夹设在聚酯层16C与聚酯层16D之间。
已经发现，这种材料布置允许在电极之间实现更高和更稳定的电压差。这增加了颗粒清除效率，因为更高的电压意味着更高的场强以及更高的效率。具体地，已经发现，上述材料布置允许提高达25％的高压而不会在电极之间产生放电和火花。
本发明的过滤介质包括有效场极化介质空气净化器中的混合纤维层，所述混合纤维层具有来自材料的摩擦静电序列中不同部分的纤维。大多数材料会产生和储存一些静电。材料产生和储存电荷的能力定义了其属于摩擦静电等级中的位置。
产生静电的材料的摩擦静电序列
一些材料能比其它材料产生更多的静电。因为静电是在材料表面上吸附带电粒子，所以各种材料都具有或者失电子而带正(+)电荷，或者得电子而带负(-)电荷的趋势。摩擦静电序列(等级)是一种材料列表，其中表示了哪些材料具有更大的趋势带正电(+)、哪些材料具有更大的趋势带负电(-)。该列表用来确定哪些材料组合能产生最多的静电。
为了说明的目的，根据材料在与另一种材料摩擦时产生静电的情况以及该材料将携带何种电荷，下面列出了一些常见的材料。该列表不是穷举性的列表，每种材料位于正摩擦静电等级或者负摩擦静电等级中的某处。
带正电的材料
下面的材料在与其它材料接触时将趋向于失电子。它们是按照从最容易失电子的材料到几乎不会失电子的材料的顺序而列出。
注释
干燥的皮肤 最容易失电子而高度带正电(+)
皮革
兔毛 毛皮经常用来产生静电
玻璃 电视屏幕上的玻璃带电而吸附灰尘
人的头发 “飞起的头发”是带有适量正(+)电的最好例证
尼龙
羊毛
铅 很惊讶，铅能如同猫的皮毛携带一样多的静电
猫的皮毛
丝绸
铝 能失一些电子
纸
中性材料
有非常少的材料在与其它材料接触或者摩擦时不容易得失电子。
注释
棉 对于非静电衣物是最好的
钢 对静电不实用
带负电的材料
下面的材料在与其它材料接触时将趋向于得电子。它们是按照从最难得电子的材料到容易得电子的材料的顺序而列出。
注释
木材 能得一些电子，但几乎是中性
琥珀
硬质橡胶 一些梳子是由硬质橡胶制得
镍、铜 一些铜刷用在维姆胡斯特静电发电机中
黄铜、银
金、铂 很惊讶，这些金属几乎和聚酯一样容易得电子
聚酯 衣物具有静电贴附
苯乙烯(泡沫聚苯乙烯) 包装材料似乎粘帖任何东西
赛纶包装纸 您能看到赛纶包装纸是如何粘帖到物体上的
聚亚安酯
聚乙烯(象透明胶带) 将透明胶带从表面上揭开，它将会带电
聚丙烯
乙烯基(PVC) PVC表面会聚集很多电子
硅
特氟纶 最容易在表面上吸附电子，高度带负电(-)
产生静电的最佳材料组合是一种来自正电列表，另一种来自负电列表。但是由正电列表中的两种材料或者负电列表中的两种材料也能产生适量的静电。例如，在将趋向于失电子的两种材料放在一起摩擦时，趋向最大的材料将适当带正电(+)。同样地，在将趋向于得电子的两种材料放在一起摩擦时，趋向最大的材料将适当带负电(-)。
如图2所示，用在有效场极化介质空气净化器中的本发明的过滤介质使用了来自摩擦静电等级中不同部分的和/或优选是不同侧的纤维混合物。具体地，过滤层15A含有来自摩擦静电等级的不同侧的纤维混合物(混合的摩擦静电过滤层)。过滤层15A中的不同纤维可以是在整个过滤层15A中交织和混合在一起，或者作为替换，过滤层15A中的不同纤维可以是将单独的第一和第二过滤材料层放置在一起彼此接触。也就是说，第一过滤材料层由来自摩擦静电等级一侧的纤维制得，第二过滤材料层由来自摩擦静电等级另一侧的纤维制得。第一和第二过滤材料层放置在一起彼此接触以形成混合的摩擦静电过滤层15A。
混合的摩擦静电过滤层15B类似于混合的摩擦静电过滤层15A。将来自摩擦静电等级不同侧的纤维混合在一起(通过交织或者接触)的重要特征在于，这些纤维的混合物在这种混合的摩擦静电纤维层15A、15B中的纤维上产生相对的正电荷和负电荷的聚集。这种结合的材料可以从Alhstrom AirMedia获得，该公司的HP材料系列是变性聚丙烯睛和聚丙烯的混合物，以及从Hollingsworth and Vose获得，该公司的Technostat材料是丙烯酸和聚丙烯的混合物。
在无源静电过滤器的制造和设计中众所周知，适当混合来自摩擦静电等级不同侧的材料将会提高介质的效率，这种提高不同于仅根据介质的密度、即介质的无源机理所作出的预期。其它类型的无源静电过滤器通过各种各样的技术在介质上产生电荷。无源静电过滤器的一个问题在于，随着纤维被污染物覆盖和/或由于各种因素(湿度、化学、温度)逐渐放电，归因于静电吸引的初始效率实际上将会下降。
虽然在静电场中放置大量的过滤介质能够提高它们的效率，但情况并非总是如此。事实上，许多无源静电介质表现为没有提高，或者实际上表现的更糟。但已经发现，将摩擦静电类型的驻极体(electret)介质放置到极化场中确实能提高其效力并消除其可见的效率下降。(在这里引证对于混合的摩擦静电过滤层的原因)摩擦静电层可以相对较薄，因此可以在空气净化器介质内的不同位置一起或者单独使用一层或者多层，即在其一侧或者两侧放置其它介质材料。
在本发明的另一实施方式中，在混合的摩擦静电过滤层15A的上方是相对稀疏的纤维层16E。中心网13上面的过滤介质结构重复设置在中心网13的下面，即第二相对稀疏的纤维层16F位于第二混合的摩擦静电过滤层15B的上方。相对稀疏的层可以是各种材料或者彼此不同的材料。
如图3所示，用在有效场极化介质空气净化器中的本发明的过滤介质组合了玻璃纤维中心网14A、14B和来自摩擦静电等级不同侧的纤维的混合物。图3中的过滤介质是图1和图2中所示过滤介质的组合。
这种组合合并了每个实施方式的优点，能使系统的效率最大化。
具有密度较高的介电材料层及随后的密度较低的介电材料层的过滤介质显示于图4中。图4中所示的过滤介质类似于图2中所示的过滤介质。但在图4中，在材料密度相对较高的过滤层16E的后面设置有材料密度相对较低的附加过滤层25A。
具有密度较低的介电材料层及随后的密度较高的介电材料层的另一种过滤介质显示于图5中。图5中所示的过滤介质类似于图3中所示的过滤介质。但在图5中，在过滤层16B的后面设置有材料密度相对较低的附加过滤层25A。另外，在图5中，在过滤层16D的后面、在穿过有效场极化介质空气净化器的气流末端设置有材料密度相对较低的第二附加过滤层25B。
这些实施方式的优点是减小了气流阻力。密度最高的介质层具有最大的气流阻力。如果密度最高的层与其中一个电极相对，则其面积将由该电极的面积而被有效减小。这将增加空气穿过剩余面积的速度，并提高了气流阻力。通过将密度较低的层置于电极和密度最高的层之间，将增加穿过密度较低的材料而不是密度最高的材料的空气速度，从而显著减小了气流阻力。
在图6中，中心网13上方的过滤介质部分与图1中所示的相同；中心网13下方的过滤介质部分与图5中所示的相同。
该实施方式提供了优异的装载特性。通过将较大的颗粒或者密度较低和/或动量较小的颗粒捕获到密度较低的上游的层上，密度更高的层则不会被堵塞且能够主要吸附较小(即密度较高和/或动量较大)的颗粒，因此具有较长的使用寿命。因此，该介质允许颗粒在介质容积内均匀分布。
在图7中，中心网13上方的过滤介质部分与图3中所示的相同；中心网13下方的过滤介质部分与图5或图6中所示的相同。
在图8中，根据本发明，中心网13上方的过滤介质15C、15D是混合的纤维层，该纤维层具有来自摩擦静电序列不同侧的纤维。
在本发明的另一实施方式中，最外层介质之一可以使用光催化材料进行处理。然后空气净化器可以与紫外(UV)光源连接来分解气相污染物。理想情况下光催化层可以是最下游的层。这可以使其保持基本免受颗粒污染。
在本发明的另一实施方式中，过滤器框架的外网/电极使用光催化剂进行处理。
在本发明的另一实施方式中，中心网可以具有除臭特性，比如渗碳泡沫或网。
下游的低密度材料层可以使用催化剂进行处理，用于分解VOC、其它活性气相污染物和/或臭氧和/或生物污染物。
外网和/或介质层中的至少一者可以使用光催化剂进行处理，在光照、尤其是UV光照下，光催化剂可以破坏气态杂质，比如VOC和生物污染物。后面的结构可以是与一个或者多个UV光源近距离接合，从而获得光催化效果。各构件综合能够显著地降低向气流施加光催化剂的成本。催化剂可以施用到上游或者下游的网。系统可以包括中央UV光源来照射经过处理的网的上游和下游的处理过的网。在对介质层施用光催化剂的情况下，优选实施方式中可以是最下游的层，因为该层最不容易被污染物污染。
虽然上述本发明参考了各种实施方式，但是在总体上不偏离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明的结构和元素进行修改。具体地，各种层或元素可以进行组合或者重复以实现各种效果。例如，图7a显示了空气净化器的基础原理，图7b显示了一种类型的组装系统的结构。虽然出于清楚方面的原因，各种元素作为独立的层予以显示，但是两个或者更多个“层”可以是组合到单个层或材料中。
上述公开的本发明可以各种方法使用，包括但不限于，用在HVAC系统、自容式过滤器/风扇装置、工业空气净化系统、除尘器等中。虽然上述实施方式主要描述了扁平型过滤器结构，但本发明可以同样适用于其它结构，包括但不限于，多平板V型结构组合、板的互联组合和V型结构单元以及用于除尘系统的圆柱形过滤器。

Claims (8)

1.一种用于有效场极化介质空气净化器的过滤介质，该过滤介质包括：
第一介电过滤材料垫；
第二介电过滤材料垫；
置于所述第一介电过滤材料垫与所述第二介电过滤材料垫之间的第一透气网，所述第一透气网的电阻率大于所述第一介电过滤材料垫的电阻率并且大于所述第二介电过滤材料垫的电阻率；
邻近所述第二介电过滤材料垫设置的导电中心网；
邻近所述导电中心网设置的第三介电过滤材料垫；
第四介电过滤材料垫；
置于所述第三介电过滤材料垫与所述第四介电过滤材料垫之间的第二透气网，所述第二透气网的电阻率大于所述第三介电过滤材料垫的电阻率并且大于所述第四介电过滤材料垫的电阻率；
混合摩擦静电材料垫，该混合摩擦静电材料垫包括来自摩擦静电等级中不同部分的纤维；所述混合摩擦静电材料垫邻近所述第四介电过滤材料垫设置；以及
邻近所述混合摩擦静电材料垫设置的第五过滤材料垫，其中所述第五过滤材料垫的密度小于所述混合摩擦静电材料垫的密度。
2.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第一介电过滤材料垫和所述第二介电过滤材料垫为纤维聚酯。
3.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第一透气网为玻璃纤维网。
4.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第三介电过滤材料垫和所述第四介电过滤材料垫为纤维聚酯。
5.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述第二透气网为玻璃纤维网。
6.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述混合摩擦静电材料垫包括来自摩擦静电等级中一个部分的第一纤维层，以及来自摩擦静电等级中不同部分的第二纤维层。
7.根据权利要求1所述的过滤介质，其中所述混合摩擦静电材料垫包括第一纤维和第二纤维的混合物，所述第一纤维来自摩擦静电等级中的一个部分，所述第二纤维来自摩擦静电等级中的不同部分。
8.根据权利要求1所述的用于有效场极化介质空气净化器的过滤介质，其中所述第五过滤材料垫为纤维聚酯。
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