CN102962137A - 气体环境中悬浮的微粒的静电收集装置及其使用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过电晕效应收集气体环境中悬浮的微粒的静电收集装置（1）及其使用。通过明智地对导线（4）形式的放电电极的两端（40，41）进行保持来产生该效应，收集腔室（2）下游的保持装置（7）在内部延伸至少一个空间，该空间由横断于形成收集电极的收集壁（3）的部分（30）的壁（9）界定，横向壁具有的形状适于使存在于气体中且在所述收集壁上流动的液体的路径偏转至所述横向壁，使得所述液体与所述保持装置（7）不直接接触。

Description

气体环境中悬浮的微粒的静电收集装置及其使用

技术领域

本发明涉及用于气体环境（更特别地，是潮湿的或甚至非常潮湿气体环境的）中悬浮的微粒的一种静电收集装置。

更特别地，其涉及一种用于在执行电晕放电效应（也称作电晕效应）的收集装置的收集腔室中将放电电极保持为细导线形式的解决方案。

背景技术

对存在于周围空气中的微粒的检测和分析指定目前主要的关注点，无论是用于监督周围空气中由人类活动产生的难以量化的纳米微粒的存在，还是用于明显需要保护人们不受到空气传播的病原体（军团菌、流感等）的健康问题和安全问题（生物侵蚀的检测）。

目前存在许多装置用于净化（清洁）空气和/或收集空气中悬浮的微粒。通常，根据用来收集最初悬浮在空气中的微粒的物理原理对所述装置进行分类。尤其是，通过施加强电场来产生电晕放电效应的某些功能：其通常称作电过滤器或静电沉淀器。

静电沉淀器（ESP）是一种通过在气体中悬浮的微粒的路径上施加电场来收集存在于所述气体中的微粒的设备。更精确地，用布置得彼此靠近的两个电极来感生所述强电场（在放电电极附近达到每厘米几万伏特），所述两个电极为：第一偏振电极或放电电极，通常是导线或点的形式，被布置为面向第二电极，所述第二电极是反电极的形式，通常是圆柱形的几何形状。存在于这两个电极之间的电场使位于电极间空间中的大量气体（特别是位于放电电极周围的大量气体）电离。此现象称作电晕放电效应或电晕效应。所产生的电荷在向反电极迁移过程中使待捕获的微粒电离。然后，由此产生的带电微粒迁移至反电极，该带电微粒可被收集在反电极上。所述反电极通常称作收集电极。此现象称作电晕放电效应或电晕效应。由于所需电场的强度的原因，必须使用具有非常小的曲率半径的放电电极，以减小利用的电压。因此，所遇到的放电电极通常是点或导线。

但是，这种物理原理的执行首先是繁杂的，因为所需的从几千到几万伏特的高电压会导致短路，所述短路会损坏装置本身。事实上，所述装置需要能够承受若干应用约束。首先，微粒悬浮于其中的空气可能具有较高等级的湿度；因此，即使在潮湿的大气中也需要能够使用该装置。其次，必须提供装置的清洁，并且，必要时提供装置的净化。最后，所述装置必须能够允许注入微小液滴形式的液体（例如水），例如在专利申请WO2004/041412和WO 00/00291中描述的；或所述装置必须能够允许注入蒸汽，例如在申请WO 2007/012447中描述的，以改进其收集性能和/或改进通过静电效应收集的微粒的实际回收。这些后面所述的装置可称作湿法静电沉淀器（当液滴被注入到由该装置处理的气体时），或半湿法静电沉淀器（当蒸汽被注入到该装置中时）。

此外，当希望制造小型装置（换句话说，可运输或甚至便携式的装置）时，此物理原理的执行是特别繁杂的。事实上，在小型装置中，已证明不容易确保放电电极与反电极（收集电极）之间的电绝缘，通常，通过将放电电极与反电极彼此隔开来获得所述绝缘。在湿法静电沉淀器的情况中更是如此的。

由于上述原因，在静电沉淀器中使用的放电电极通常是点，点组合（点群，associations of points），或导线：

所述点具有仅保持在其一端的优点，但是，由于只在其另一端处产生电晕放电，所以，通常必须在同一收集装置内使用多个点。这会对静电沉淀器的小型化产生不利影响。

例如接有导线的圆柱形导体具有在其整个长度上（换句话说，在收集腔室的整个长度上）产生电晕放电区域的优点。

当所述圆柱形导体足够大以具有足够的比刚度（specific rigidity）时，可仅在实际收集腔室外部的一个点处确保它们的保持，和/或通过使用具有足够长度的保持装置来确保足够的电绝缘。这里可引用专利申请WO00/00291，其中示出了由支撑部14支撑的放电电极15、16、17的组件，支撑部14本身由位于收集腔室3外部且位于所述收集腔室上方的绝缘环12保持在一个点处。还可引用专利申请WO 2004/041412，其公开了若干静电沉淀器结构，在所述结构中，由位于电极部分外部且位于所述电极部分上方的绝缘环2将放电电极1保持在收集腔室中一个点处，所述电极部分会产生实际的电晕放电效应。

当圆柱形导体由于太细而没有其自己的硬度时，已证明其两端保持它们是基本的。将这种细导体实现为这样的装置中的放电电极，所述装置即，希望其是小型的，和/或当必须使所需电压（尽管保持较高）减到最小时：使圆柱形导体能够作为导线。这里可引用专利申请WO 2007/012447和FR2929860，其中描述了将这种导线用作用于小型装置的放电电极的可能性。因此，在本发明的范围内，采用导线形式的放电电极意味着，导电元件典型地具有10μm与几百μm之间的直径的拉长形状且能够被供以几千伏（kV）至几十kV之间的电压。

已知的是，在暴露于恶劣天气的高压电力线的技术领域中，用玻璃或陶瓷绝缘体来保持所述高压电力线，该绝缘体通常具有板形的一般形状。它们连接在一起以形成绝缘体串。还发现了柱形状的绝缘体，其同样具有使泄漏路径延长的翅片的轮廓，换句话说，所述泄漏路径为沿所述绝缘体的轮廓测量的绝缘体的端子之间的距离。所述已证明的结构适合于大尺寸的设备。其小型化具有技术限制，因为两个翅片之间的距离必须始终足够大，使得在其边缘之间不会形成导电桥接。因此，本发明人认为，装有翅片的绝缘体并不能适用于有效地保持空气中悬浮的微粒的静电收集装置的电极之间的电绝缘，如果希望该静电收集装置是小型的（换句话说，是可运输或可携带的）。事实上，当两个翅片之间的距离接近于或小于毛细管长度（capillary length）时，会在两个相邻的翅片之间形成电桥。后面定义毛细管长度的概念。

此外，如上所述，在所述装置的使用约束中，包括：清洁设备，更特别地，用于那些为了微粒分析的目的而设计的；以及净化设备，用于那些为了生物分析的目的而设计的。然而，装有翅片的绝缘体本质上具有较大的展开表面，特别是在难以进入的翅片之间具有接合处。换句话说，本发明人认为，这种装有翅片的绝缘体由于难于有效地被清洁，因此也并不适合于作为静电收集装置的电极的电绝缘的装置。

此外，在两个电极之间具有梁形式的现有绝缘装置的事实并不是足够的。事实上，本发明人已经注意到，由于使用这种没有额外预防措施的装置，可在所述装置的表面处形成液体膜。结果，这会在所述电极之间形成电弧，其会导致装置的退化。而且，经验表明，通过用简单的绝缘梁使中心电极与环形反电极绝缘，通过沉积于所述梁的表面上的薄膜的媒介，在放电电极与反电极之间形成电弧。本发明人有时观察到绝缘装置的裂隙。

如之前提到的，专利申请WO 2007/012447和FR 2929860公开了小型静电收集装置，换句话说，使其可运输或甚至可携带。

发明内容

本发明的一般目的是，提出一种通过静电效应收集可能具有较高的湿度等级的气体环境中悬浮的微粒的装置，所述装置包括导线形式的放电电极，其保持是可靠的，并使得能够在放电电极与收集电极之间产生持久的电绝缘，这对该装置的小型或或沿着任何物理方向使用所述装置的可能性不会产生不利影响。

为此，本发明的主题是用于气体中悬浮的微粒的静电收集装置，所述静电收集装置包括：

-具有收集壁的收集腔室，所述收集壁的一部分形成称作收集电极的电极，所述收集电极被布置为面向导线形式的放电电极，从而在所述放电电极本身与收集电极之间产生电晕放电，所述收集壁延伸至所述放电电极的外围；

-第一保持装置，由电绝缘材料制成，以将导线的一端保持在腔室中。

根据本发明，该装置还包括：

-至少一个横向壁，相对于所述外围壁伸出，

-第二保持装置，由电绝缘材料制成，以将导线的另一端保持在腔室中，所述第二保持装置布置在所述横向壁的下游，

-所述横向壁具有的形状适于使存在于气体中且在收集壁上流动的液体的路径偏转至所述横向壁，使得其不会与第二保持装置接触。

有利地，横向壁沿着比气体中的液体的毛细管长度大的距离相对于所述收集壁突伸。

这里回想到，毛细管长度是这样的尺寸，其是液体的毛细力和重力具有相同量值的特征。对于水，毛细管长度lc具有以下值：

$\mathrm{Lc}~\sqrt{\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ρ}\·g}}~2.7\mathrm{mm}$

其中，λ代表水的表面张力常数（~70-73mJ/m²）；g代表重力加速度，ρ代表密度（~1kg/L）。一般来说，在大多数情况中，将考虑2mm与10mm之间的毛细管长度，最通常是在2mm和5mm之间的毛细管长度。

通过明智地选择相对于腔室的收集壁延伸一定距离（该距离比气体内的可能的液相的毛细管长度大）的横向壁，由于促进了重力，所以减小了出现由毛细力保持的液体桥接（liquid bridge）的风险。在一优选方式中，横向壁与第二保持装置之间的距离比所述毛细管长度大。当横向壁是管时，则其内径优选使得将管道与保持装置的横过其的部分隔开的距离大于所述气体内的液相的毛细管长度。当横向壁是管形状的时，其可能有利地是倾斜的（bevelled），使得管的端部与腔室的外围收集壁之间的距离沿着液体流动的方向减小。

因此，根据本发明，限定了气体出口侧部上的导线的第二端的保持装置，所述保持装置从收集腔室外部的区域延伸，或者换句话说，从收集腔室外部的区域悬挂，由于横向壁使沿着收集壁流动的液体偏离，因而包含微粒的可能的液体膜不会使所述特定区域润湿。

因此，当在收集壁上存在液体时，由于所述横向壁的存在而减小了位于气体环境出口侧部上的第二保持装置润湿的风险，并从而减小了产生其介电击穿的风险。

有利地，横向壁在收集壁中界定出开口，其适于使第二保持装置通过并将其固定在离收集腔室一定距离处。因此，保持装置的固定远离电离区域，从而，甚至在通过横向壁上的毛细作用携带液体的情况中也会进一步减小介电击穿的风险，这是因为所携带的液体在最坏的情况下也仅会使位于远离收集腔室中的电离区域的其固定距离处的所述保持装置润湿。

根据一个优选实施方式，所述开口与抽吸装置连接，这使得能够抽吸除去了微粒的气体，所述微粒被收集在收集腔室的下游。因此，根据此实施方式，不仅横向壁具有使沿着收集壁流动的液体朝着实际收集偏转的功能，而且其用来引导收集腔室下游的气体。此外，抽吸的气体有利地能够干燥和/或携带有可能使横向壁的内部和/或通过所述开口的保持装置润湿的任何液滴和/或任何液体膜。

根据一个优选实施方式，外围收集壁是圆柱形的，该装置包括数量为n个以2π/n成角度隔开地展开的横向壁，并且，第二保持装置由中心支撑部和数量为n个固定至所述中心支撑部的悬梁构成，所述悬梁也以2π/n成角度隔开地展开，并且，其在由每个横向壁界定的空间中独立地延伸。有利地，数量n等于3。

根据一个实施方式，可以以与第二保持装置相同的方式布置放电电极的输电线（supply cable）。例如，其可与第二保持装置整体形成。因此，第二保持装置除了其机械地保持放电电极并使其电绝缘的功能以外，还用作收集电极的输电线的支撑部。换句话说，当第二保持装置由中心支撑部和n个固定至中心支撑部的悬梁构成时，使充电电极导线的供电导体横断至少一个悬梁和支撑部。

同样有利地，由被供电导体横断的悬梁构成的组件包括由PTFE或PVDF制成的绝缘高压屏蔽电缆。第二保持装置和/或横向壁的电绝缘材料相对于液相的流体不会被润湿，优选地是疏水性的。

本发明还涉及之前描述的静电收集装置的使用，在该装置中，气体是可能包含液体或蒸汽形式的水的空气。优选地，该装置的用途是作为空气净化器。

附图说明

在参考以下附图阅读本发明的详细描述的基础上，本发明的其他优点和特征将变得更清楚，其中：

图1是根据本发明的静电收集装置的纵向截面示意图；

图2是根据图1的装置的横向截面示意图。

具体实施方式

在以下描述中，关于从顶部向底部竖直地发生的空气抽吸的方向，使用术语“入口”、“出口”、“上游”、“下游”。类似地，关于根据图中的本发明图示的静电收集装置的竖直物理方向，使用术语“上”、“下”、“之上”、“之下”。

根据本发明的装置1构成用于收集悬浮在流体中的微粒的装置，所述流体包含作为气相的空气，因此，所述装置是用于净化空气的静电沉淀器。在这种装置中，液体（例如水或水溶液）可以如下方式被导入：

-以与由该装置处理的气体同时的方式（例如，以水蒸气或液滴的形式）被导入，并且，这称作湿法（液滴的注入）或半湿法（蒸汽的注入）静电沉淀器，

-或在气体的处理之后，在此情况中，沿着所述收集壁被导入，以收集所收集的微粒，

-或在气体的处理之前，在此情况中，沿着所述收集壁被导入，以在其使用前清洁该装置。

可能在该装置中累积液体的这些不同类型的导入（在处理之前，在处理过程中，在处理之后）。

在所有情况中，液滴沿着收集壁形成和/或流动，并且，当液体是导电的时，必须避免所述液滴在该装置的两个电极之间在保持装置的表面处积聚并形成电桥。

采用气体意味着流体介质包括气体或气体混合物，已知所述介质还可能包括固体微粒以及以液滴或蒸汽形式分散的液体。

采用气体的处理意味着，所述气体携带的微粒的静电提取以及通过收集电极进行的其收集。

装置1首先包括在上部中具有入口20的收集腔室2，包含待收集的悬浮微粒的空气通过来自腔室下部中的出口21的抽吸而穿过所述入口。收集腔室2由收集壁3界定，所述收集壁包括称作收集电极的第一电极30。当该装置处于操作中时，可使所述收集电极30接地。如所示出的，收集壁3在其整个高度上包括收集电极30，但是也可在所述电极的上游和/或下游延伸。

在收集腔室2内部布置有称作放电电极的导线形式的第二电极4。在此实例中，放电电极4沿着收集电极3的轴线延伸。收集电极30的面向第二电极4的表面形成收集表面的一部分，因为其旨在接收由电场分离出的微粒，所述电场被限定在放电电极4与环形收集电极30之间。在此实例中，收集电极30完全包围放电电极4，以获得最佳的收集表面。

收集电极30也可仅部分地包围放电电极4，不限定圆柱体而是限定圆柱体的一部分。

收集电极30还可能是平坦的，并设置成面向放电电极4。

典型地，放电电极4是直径在10和几百微米（μm）之间的导线：其适于当被供以几kV和几十kV之间的电压时在其自身与收集电极3之间产生电晕放电。

例如，所示装置可为湿法或半湿法类型的静电沉淀器，其中，待处理的气体包括蒸汽和/或液相，例如液滴的形式。在这些不同的情况中，易于在收集壁上形成液滴。因此，当该装置处于操作中时，包含悬浮微粒的气体以及用来帮助捕获所收集的微粒的蒸汽和/或液体，通过入口20进入放电电极4和收集电极30之间的腔室2。然后，通过电晕放电，空气中悬浮的微粒被收集在收集电极30上，并且在收集腔室的下游，气体通过与下文中详细描述的腔室2的出口21连通的出口5被排出。

如之前描述的，通过与气体同时添加以液滴或以汽相形式分散的液体，携带着所提取的微粒的液滴在收集壁上被收集。

也可在气体的处理之后注入液体，以在收集壁的表面处形成液滴，然后，所述液滴携带处理过程中所提取的微粒。

由于构成放电电极的导线本身不具有足够的硬度，所以，根据本发明，一方面通过布置于入口20上方的第一保持装置6将其保持在收集腔室2中。所述第一装置6包括中心支撑部60和多个悬梁61，中心支撑部60由电绝缘材料制成，导线的上端40保持在所述中心支撑部中，悬梁61也由电绝缘材料制成，每个悬梁61一方面固定至中心支撑部60，另一方面固定至由电绝缘材料制成的外围支撑部62，所述外围支撑部本身固定至收集壁3的上端。

此外，提供了布置于收集腔室2的出口21下方的第二保持装置7。所述第二装置7包括中心支撑部70和多个悬梁71，中心支撑部70由电绝缘材料制成，导线的下端41被保持在所述中心支撑部中，悬梁71也由电绝缘材料制成，每个悬梁71一方面固定至中心支撑部70，另一方面固定至另一外围壁80，所述外围壁80界定管道8，所述管道用于排出净化空气，如下所述的。优选地，排出管道8由电绝缘材料制成。

更精确地，根据本发明，所述第二保持装置7被设计为，使得每个悬梁71均在由壁9界定的出口5内延伸，所述壁9在实际收集腔室2的下游横断于所述收集壁3。

横向壁9（优选地为管，或为管的一部分，具有圆形或多角形截面）具有的形状适于使液滴的路径偏转，所述液滴沿着收集电极30流动，通过重力且通过抽吸作用被携带直达所述横向壁9，使得所述液滴不会与悬梁71直接接触。管或管的一部分形式的所述横向壁沿着长度d从收集壁伸出，所述长度d大于或等于流体内的液体的毛细管长度。

当横向壁是管形式的时，有利地，其可能是倾斜的，以使得管端部与腔室3的外围收集壁之间的距离沿着液体流动的方向减小。

优选地，支撑部60、70和悬梁61、71由对于该装置中使用（换句话说，在收集腔室2中循环）的液体不润湿的电绝缘材料制成。至于所使用的液体通常是水溶液，电绝缘材料有利地是疏水的，例如聚四氟乙烯（代号为PTFE），例如特氟或聚偏氟乙烯（代号为PVDF）。

如图2所示，悬梁71的数量优选地是3个，彼此以120°成角度地展开，并沿着圆柱形收集腔室2的轴线将放电电极4的中心支撑部70定位在中心。可以设想，使放电电极4的导线的两端40，41处的相同组件具有相同数量的悬梁61，其相对于彼此并相对于中心支撑部60具有相同的相关布局。

类似地，横向壁9优选地由对该装置中使用（换句话说，在收集腔室2中循环）的液体不润湿的电绝缘材料制成。与保持装置7类似，构成横向壁9的电绝缘材料有利地是疏水的，例如聚四氟乙烯（代号为PTFE），例如特氟

或聚偏氟乙烯（代号为PVDF）。

当该装置处于操作中时，通过在管9与悬梁71之间界定的出口5，将净化空气或去除了最初悬浮的微粒的空气抽吸至排出管道8，所述排出管道8由壁80，81界定，并与未示出的泵吸装置（通风装置）连接。换句话说，在操作中，净化气体通过由管9界定的开口5被抽吸，这另外具有潜在的干燥悬梁71的优点。

为了限制其功率并附带地限制其发出的噪声的等级，有利地，尽量使得出口5的总表面足够大，以不会对空气的流动产生过大的阻力。

根据一个实施方式，放电电极的输电线与第二保持装置整体制成。因此，第二保持装置除了其机械地保持放电电极并使其电绝缘的功能以外，还用作收集电极的输电线的支撑部。因此，根据一个有利的实施方式变型，导线4的供电导体横过至少一个悬梁71：因此，所述导线可为由PTFE或PVDF制成的绝缘的HT高压屏蔽电缆。还可以与第二保持元件相同的方式布置该电缆，同时所述电缆独立于所述第二保持元件（换句话说，不与所述第二保持元件整体制成）。

Claims (13)

1.一种用于气体中悬浮的微粒的静电收集装置（1），包括：

-具有收集壁（3）的收集腔室（2），所述收集壁的部分（30）形成称作收集电极的电极，所述收集电极被布置为面向导线形式的放电电极（4），以在所述放电电极本身与所述收集电极之间产生电晕放电，所述收集壁（3）延伸至所述放电电极（4）的外围；

-第一保持装置（6，60，61），由电绝缘材料制成，以通过所述导线的一端（40）将所述导线保持在所述腔室中，

-至少一个横向壁（9），相对于所述收集壁突伸出，

-第二保持装置（7，70，71），由电绝缘材料制成，以通过所述导线的另一端（41）将所述导线保持在所述腔室中，所述第二保持装置相对于气体的流动方向被布置在所述横向壁（9）的下游，

-所述横向壁（9）具有的形状适于使存在于气体中且在所述收集壁上流动的液体的路径偏转至所述横向壁，使得所述液体与所述第二保持装置（7，70，71）不接触。

2.根据权利要求1所述的静电收集装置，其中，所述横向壁（9）沿着比所述气体中的液体的毛细管长度大的距离相对于所述收集壁（3）突伸出。

3.根据权利要求1或2所述的静电收集装置，其中，在所述收集壁中在由所述横向壁界定的空间处，所述静电收集装置具有开口（5），所述开口适于使所述第二保持装置通过并将其固定在离所述收集腔室一定距离（80）处。

4.根据权利要求3所述的静电收集装置，其中，所述开口（5）与抽吸装置连接。

5.根据权利要求1或2所述的静电收集装置，其中，外围收集壁（3）是圆柱形的，并且，所述装置包括n个以2π/n成角度隔开地分布的横向壁（9），并且，所述第二保持装置由中心支撑部（70）和n个固定至所述中心支撑部的悬梁（71）构成，所述悬梁也以2π/n成角度隔开地分布，并且，其在由每个横向壁界定的空间中独立地延伸。

6.根据权利要求5所述的静电收集装置，其中，n等于3。

7.根据权利要求5所述的静电收集装置，其中，充电电极导线的供电导体横断至少一个悬梁（71）和所述支撑部。

8.根据权利要求1或2所述的静电收集装置，其中，所述第二保持装置和/或横向壁的电绝缘材料相对于流体的液相是非润湿的。

9.根据权利要求8所述的静电收集装置，其中，所述电绝缘材料是疏水的。

10.根据权利要求7所述的静电收集装置，其中，所述电绝缘材料是疏水的，并且，由被供电导体横断的悬梁构成的组件通过PTFE或PVDF制成的绝缘高压屏蔽电缆构成。

11.根据权利要求1或2所述的静电收集装置，其中，每个横向壁均由管（9）构成，所述管具有的内径使得将所述管与所述第二保持装置的横断其的部分（71）隔开的距离大于所述气体内的液相的毛细管长度。

12.根据权利要求1至11中的任一项所述的静电收集装置的使用，其中，所述气体是可选地包含液体形式或蒸汽形式的水的空气。

13.根据权利要求12所述的使用，所述静电收集装置用作空气净化器。