CN104888961B - 车载式仿生静电除尘空气净化器 - Google Patents

Abstract

本发明属于空气净化技术领域，尤其涉及一种车载式仿生静电除尘空气净化器。该净化器底板为鱼形平面，鱼口宽、鱼尾窄，外壳为与底板配套的且凸起的鱼形曲面；鱼口为净化器的入风口，鱼尾为净化器的出风口，鱼背处安装有菲涅尔透镜，鱼肚处安装有排尘鳃叶；在入风口与出风口之间且位于鱼背与鱼肚之间安装有风道，出风口处安装有静电除尘模块。风道包括：旋风阶梯管、滤网、整流栅；滤网安装在排尘鳃叶的正上方，整流栅位于风道末端；静电除尘模块包括：金属层、尖端阵列及固定层、石墨层、波浪极板；尖端阵列呈现正态波形，石墨层表面包含大量的鼓包。外壳侧面安装有三道侧棱，用于空气引流，减少风的阻力。菲涅尔透镜使得空气产生热扩散凝聚作用。

Description

车载式仿生静电除尘空气净化器

技术领域

本发明属于空气净化技术领域，尤其涉及一种车载式仿生静电除尘空气净化器。

背景技术

雾霾天气是工业化进程中的常见现象。在工业化高速发展时期，大气污染物的主要来源包括排放到空气中的大量工业废气、燃煤烟尘以及逐渐增加的汽车尾气。雾霾天气导致空气质量和能见度下降，其复杂的化学成分和沉降过程给人体健康和自然环境带来巨大的危害。

虽然空气净化器产品早已问世多年，但由于人们观念意识的局限，一直处于边缘化地位。但伴随着环境恶化，人们对于空气质量的重视以及对健康生存环境的诉求，为空气净化器的发展带来了爆发式的增长。由于市场的净化器都用于室内或车厢内的空气，电机和风扇必不可少。微风扇使室内空气循环流动，污染的空气通过机内的空气过滤器和负离子发生器等组件处理后，被微风扇送出，形成气流。风机、电路和高压负离子发生器都需要电能，虽然能够减少室内污染，但电能的需求间接的增加了燃煤的消耗，其隐形污染不可忽视。

发明内容

针对现有空气净化技术的不足，本发明提出了一种车载式仿生静电除尘空气净化器，该净化器底板为鱼形平面，鱼口宽、鱼尾窄，外壳为与底板配套的且凸起的鱼形曲面；鱼口为净化器的入风口，鱼尾为净化器的出风口，鱼背处安装有菲涅尔透镜，鱼肚处安装有排尘鳃叶；在入风口与出风口之间且位于鱼背与鱼肚之间安装有风道，出风口处安装有静电除尘模块。

所述风道包括：旋风阶梯管、滤网、整流栅；其中，旋风阶梯管包括螺旋导向板、四种栅板、引流管，引流管位于风道前端，螺旋导向板贯穿整个风道，四种栅板分别为弹性上钩板、上坡板、弹性下钩板、下坡板，依次固定在螺旋导向板上，且相邻的两个栅板之间分别呈180°安装角度安装；弹性上钩板和弹性下钩板均为钩状，上坡板和下坡板均为抛物线状；

滤网安装在排尘鳃叶的正上方，用于将附近颗粒物挡在滤网上，并降落后从排尘鳃叶处排出；

整流栅位于风道末端，用于整流，使气体由紊流变成层流。

所述静电除尘模块位于外壳与底板之间，依次包括：金属层、尖端阵列及固定层、石墨层、波浪极板；其中，薄金属层为与外壳凸起曲面相贴合的曲面，尖端阵列是由直径为微米级的钨丝所组成的阵列，固定层为绝缘橡胶，并固定在金属层上，石墨层固定在尖端阵列及固定层上，波浪极板为负电极，安装在底板上。

所述钨丝的长度并不一致，其组成的尖端阵列在鱼形前后方向上呈现正态波形，加强对亚微米级颗粒物的荷电效果，提高除尘效率。

所述石墨层表面包含大量的鼓包，每个鼓包上都有无数个微米级微孔，起到扩大吸附面积的作用。

所述金属层为比尖端阵列材质还原性高的材质，采用牺牲阳极的阴极保护法，防止因尖端阵列表面生成氧化膜而产生的被膜和肥大效应。

所述外壳里面安装有隔板，将多个安装在风道内的旋风阶梯管隔离成多个独立风道。

所述外壳在前后方向上即鱼的侧面安装有三道侧棱，用于空气引流，减少风的阻力。

所述菲涅尔透镜由一层凸锯齿线透镜和一层凹锯齿线透镜所组成，实现聚光预热作用，使得风道内空气产生热扩散凝聚作用。

所述静电除尘模块位根据正态分布的钨丝长度和位置，从前往后依次分为六个区域，分别为低阶碰撞区、低阶扩散区、中阶磁聚区、中阶引流区、高阶过渡区和高阶电幕区；对低阶扩散区和中阶磁聚区外加磁场；

低阶碰撞区内，少量的离子在电场力的作用下与粒径大于2μm的颗粒物碰撞并使之荷电；低阶扩散区内，大量的离子通过扩散作用与粒径大于2μm的颗粒物结合，同时通过磁场束缚尖端产生的离子，使得离子在这一区域大量聚集；离子粒径较小，受风速影响忽略不计，而带电颗粒物质量较大，在磁场内不会滞留；中阶磁聚区较长，离子通过磁聚在此区域内存储，并与上一区流入的颗粒物结合；带电粒子被吸附后部分失去电性的粒子飞离负极板，出现跳跃现象；中阶引流区内，跳跃的颗粒物重新附着上粒子，然后再次回到负极板上；高阶过渡区，主要起到吸附残余在空气中的带电粒子的作用；高阶电幕区产生离子幕，起到阻挡和保障作用。

所述净化器安装在自行车前轮侧面，利用人脚转动脚踏板使车载发电机发电，使尖端阵列能释放足够的电子净化空气，出气口通过导管与呼吸面罩相连，为骑车人提供干净空气。

本发明的有益效果在于：1)仿生于鱼鳃的呼吸原理和鱼的流线型外形，设计更贴近自然，根据流体力学原理，骑车阻力更小；2)在无需额外电力的作用下，利用人脚转动脚踏板使发电机发电，使尖端阵列能释放足够的电子，波浪形极板产生足够的电能；3)尖端阵列利用静电学，降低极板间的电晕电压；4)波浪状极板的流体力学构造，使得带电粒子更易吸附于极板。

附图说明

图1为本发明空气净化器结构示意图。

图2为本发明的外壳尺寸图。

图3为本发明的外壳背面图。

图4为本发明的风道结构图。

图5为本发明的旋风阶梯管结构示意图。

图6为本发明的旋风阶梯管轴截面示意图。

图7为本发明的旋风阶梯管沿螺旋线方向栅板截面图。

图8为本发明的静电除尘模块结构示意图。

图9为本发明的静电除尘工作流程示意图。

图10为本发明的菲涅尔透镜局部放大图。

其中，1-外壳、2-隔板、3-菲涅尔透镜、4-整流栅、5-旋风阶梯管、6-滤网、7-底板、8-侧棱、9-排尘鳃叶、10-金属层、11-尖端阵列及其固定层、12-石墨层、13-波浪极板、14-下坡板、15-弹性下钩板、16-上坡板、17-螺旋导向板、18-弹性上钩板、19-引流管。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例进行详细说明。

本发明提出了一种车载式仿生静电除尘空气净化器，如图1所示，该净化器底板7为对称鱼形平面，鱼口宽、鱼尾窄，外壳1为与底板1配套的且凸起的鱼形曲面；鱼口为净化器的入风口，鱼尾为净化器的出风口，鱼背处安装有菲涅尔透镜3，鱼肚处安装有排尘鳃叶9；在入风口与出风口之间且位于鱼背与鱼肚之间安装有风道，出风口处安装有静电除尘模块。外壳具体尺寸图如图2所示。外壳1背面如图3所示。外壳里面安装有隔板2，将多个安装在风道内的旋风阶梯管隔离成多个独立风道。外壳在前后方向上即鱼形的侧面安装有三道侧棱8，用于空气引流，减少风的阻力。

如图4所示，风道包括：旋风阶梯管5、滤网6、整流栅4；其中，旋风阶梯管5包括螺旋导向板17、四种栅板、引流管19，引流管位于风道前端，螺旋导向板17贯穿整个风道，四种栅板分别为弹性上钩板18、上坡板16、弹性下钩板15、下坡板14，依次固定在螺旋导向板17上，且相邻的两个栅板之间分别呈180°安装角度安装；弹性上钩板18和弹性下钩板15均为钩状，上坡板16和下坡板14均为抛物线状；螺旋导向板17如图5所示。

滤网6安装在排尘鳃叶9的正上方，用于将附近颗粒物挡在滤网上，并降落后从排尘鳃叶处排出；

整流栅4位于风道末端，用于整流，使气体由紊流变成层流。

风道中包括设计成类DNA-U型的旋风阶梯管。含霾空气由进风口进入风道，在风道的旋风阶梯管内受动力凝聚和紊流凝聚的机械预除尘作用。车鳃包含三个主风道，每个风道内置有旋风阶梯管。旋风阶梯管包含螺旋导向器、四种栅板和引流管。

含尘空气在管内回转运动，通过对粒子施加离心力而使粒子从气流中分离出来，吸附在管壁。如图6所示，气体在螺旋导向器的作用下，导向器内的层流气体形成外涡流。

气流在收到导向器离心力的同时，受到栅板的惯性力作用，气流与栅板的冲击使得粒子被栅板捕集下来。根据伯努利方程我们知道，外涡流的速度损失导致气压增大，空气流入引流管，产生涡流核芯，并流入整流栅。

栅板的作用是阻挡气流，使得颗粒物受惯性力被捕集下来。在导向器的一个螺旋周期内包含四个栅板，分别为弹性上钩板(A板)，弹性下钩板(T板)，上坡板(G板)和下坡板(C板)。

A板和T板沿径向看呈钩状，为了更加高效的拦截撞击在栅板上的尘粒。同时A板和T板为弹性材质，板面平行于铅垂面。气流流经栅板时，A板和T板达到最大弹性形变；空气停止流动时，A板和T板振动使得附着在栅板上的颗粒物被抖落，进入排尘鳃叶。同时，板面产生的回旋气流也使得颗粒物受离心力撞击在AT板上。

G板和C板沿径向看呈抛物线性，起作用是对流出A板或T板的紊流气流边界层进行整流，使其进入过渡层，避免反混流和二次涡旋流产生，提供除尘效率。沿螺旋线方向栅板截面图如图7所示。

所述静电除尘模块位于外壳1与底板7之间，依次包括：金属层10、尖端阵列及固定层11、石墨层12、波浪极板13；其中，如图8所示，金属层10为与外壳1凸起曲面相贴合的曲面，尖端阵列是由直径为微米级的钨丝所组成的阵列，固定层为绝缘橡胶，并固定在金属层10上，石墨层12固定在尖端阵列及固定层11上，波浪极板13为负电极，安装在底板7上。

静电除尘模块中的尖端阵列的电极由毫米级铁柱替换成80微米的钨丝，数量为15×15个。石墨层表面布满鼓包，鼓包包含大量微孔，起到扩大吸附面积的作用。由于钨丝的直径微小，抗弯刚度过小，容易因气流或电子轰击而倾斜。而绝缘橡胶起到防护隔离和稳定钨丝的作用。金属层起固定作用。

静电除尘模块的加工工艺如下：

①将钨丝固定在绝缘橡胶上，并固定在金属层上；

②用石墨导电胶在上表面进行浇筑，将导电胶略微风干；

③用射频电路对石墨表面进行等离子刻蚀，直至胶体完全凝固

射频电路产生大量的高温等离子体，轰击在石墨层表面，使得表面产生无数个微米级的凹坑。石墨层表面的粗糙度随着刻蚀时间的增加而增加，该方法可以使得表面与液体的接触角变大，产生超疏水表面，降低空气中液体对电鳃丝的腐蚀作用。石墨层表面的超疏水性使其具有类似荷叶的自清洁能力，方便富集灰尘的电鳃丝进行清洗。

绝缘橡胶的绝缘能力达到15KV，能够有效的隔离等离子群与装置，保证使用者的安全。在装置运行过程中，钨丝会受到风力的横向载荷作用，底部的橡胶产生弹性应变。由于采用的材料拥有很高的弹性模量E，因此抵抗弹性应变的能力很强。由于弹性应变的过程中符合胡克定律，对于材料的二维分析可以等效成双弹簧的阻尼运动，

金属层为比尖端阵列还原性高的材质，采用牺牲阳极的阴极保护法，防止因尖端表面生成氧化膜而产生的被膜和肥大效应。

通过采用正离子电晕技术，利用尖端阵列网为尘粒充电，使得空气中产生的臭氧量极少，装置使用过程更加安全。虽然正电离的电晕起始电压和闪络电压的差值小，与负电离相比，除尘效率较低，但是空气与粉尘的性状变化小，没有较大影响。负电极采用经低温等离子体刻蚀的波浪状极板，其作用是防止因粉尘的跳跃现象而产生的二次扬尘。

因为根据实际测定，生产过程中随机产生的颗粒物服从正态分布，因此我们将钨丝的长度随气流的运动路径设计为正态型，如图9所示，并引入适当磁场对离子进行磁凝聚。因其具有类似音阶琴格的形状，我们称其为“磁聚式正态音阶电鳃丝”。静电除尘模块根据正态分布的鳃丝长度和位置，大致分为六个区域，分别为低阶碰撞区、低阶扩散区、中阶磁聚区、中阶引流区、高阶过渡区和高阶电幕区。对低阶扩散区和中阶磁聚区外加磁场。通过合理规划的鳃丝长度和位置，能够间接的分配各区域正离子和自由电子的电流密度，加强对亚微米级颗粒物的荷电效果，提高除尘效率。

低阶碰撞区内，少量的离子在电场力的作用下与粒径大于2μm的颗粒物碰撞并使之荷电；低阶扩散区内，大量的离子通过扩散作用与粒径大于2μm的颗粒物结合，同时通过磁场束缚尖端产生的离子，使得离子在这一区域大量聚集；离子粒径较小，受风速影响忽略不计，而带电颗粒物质量较大，在磁场内不会滞留；中阶磁聚区较长，离子通过磁聚在此区域内存储，并与上一区流入的颗粒物结合；带电粒子被吸附后部分失去电性的粒子飞离负极板，出现跳跃现象；中阶引流区内，跳跃的颗粒物重新附着上粒子，然后再次回到负极板上；高阶过渡区，主要起到吸附残余在空气中的带电粒子的作用；高阶电幕区产生离子幕，起到阻挡和保障作用。

鱼背处安装有菲涅尔透镜。空气进入旋风管后，受到车鳃顶部透镜的聚光预热作用，产生热扩散凝聚。如图10所示，组合聚光鳍由一层凸锯齿线和一层凹锯齿线组成，一束平行斜光在上层凸锯齿的作用下折射呈垂直平行光，在下层凹锯齿的作用下射出透镜，进行汇聚成线。

本发明工作原理：1)首先含霾空气由进入进气口，实现多层物理粗过滤；2)当气流流至高压静电区域，颗粒物通过与极板间的电子和离子结合而荷电，而波浪状能够降低空气流速，使得流场紊流，波谷处存在涡流，微小颗粒物相互聚集成大颗粒物之后被极板吸附，达到净化效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种车载式仿生静电除尘空气净化器，其特征在于，该净化器底板为鱼形平面，鱼口宽、鱼尾窄，外壳为与底板配套的且凸起的鱼形曲面；鱼口为净化器的入风口，鱼尾为净化器的出风口，鱼背处安装有菲涅尔透镜，鱼肚处安装有排尘鳃叶；在入风口与出风口之间且位于鱼背与鱼肚之间安装有风道，出风口处安装有静电除尘模块；

所述净化器安装在自行车前轮侧面，利用人脚转动脚踏板使车载发电机发电，使静电除尘模块能释放足够的电子净化空气，出风口通过导管与呼吸面罩相连，为骑车人提供干净空气。

2.根据权利要求1所述净化器，其特征在于，所述风道包括：旋风阶梯管、滤网、整流栅；其中，旋风阶梯管包括螺旋导向板、四种栅板、引流管，引流管位于风道前端，螺旋导向板贯穿整个风道，四种栅板分别为弹性上钩板、上坡板、弹性下钩板、下坡板，依次固定在螺旋导向板上，且相邻的两个栅板之间分别呈180°安装角度安装；弹性上钩板和弹性下钩板均为钩状，上坡板和下坡板均为抛物线状；

滤网安装在排尘鳃叶的正上方，用于将附近颗粒物挡在滤网上，并降落后从排尘鳃叶处排出；

整流栅位于风道末端，用于整流，使气体由紊流变成层流。

3.根据权利要求1所述净化器，其特征在于，所述静电除尘模块位于外壳与底板之间，依次包括：薄金属层、尖端阵列及固定层、石墨层、波浪极板；其中，薄金属层为与外壳凸起曲面相贴合的曲面，尖端阵列是由直径为微米级的钨丝所组成的阵列，固定层为绝缘橡胶，并固定在薄金属层上，石墨层固定在尖端阵列及固定层上，波浪极板为负电极，安装在底板上。

4.根据权利要求3所述净化器，其特征在于，所述钨丝的长度并不一致，其组成的尖端阵列在鱼形前后方向上呈现正态波形，加强对亚微米级颗粒物的荷电效果，提高除尘效率。

5.根据权利要求3所述净化器，其特征在于，所述石墨层表面包含大量的鼓包，每个鼓包上都有无数个微米级微孔，起到扩大吸附面积的作用。

6.根据权利要求3所述净化器，其特征在于，所述薄金属层为比尖端阵列材质还原性高的材质，采用牺牲阳极的阴极保护法，防止因尖端阵列表面生成氧化膜而产生的被膜和肥大效应。

7.根据权利要求1所述净化器，其特征在于，所述外壳里面安装有隔板，将多个安装在风道内的旋风阶梯管隔离成多个独立风道。

8.根据权利要求1所述净化器，其特征在于，所述外壳在前后方向上即鱼的侧面安装有三道侧棱，用于空气引流，减少风的阻力。

9.根据权利要求1所述净化器，其特征在于，所述菲涅尔透镜由一层凸锯齿线透镜和一层凹锯齿线透镜所组成，实现聚光预热作用，使得风道内空气产生热扩散凝聚作用。

10.根据权利要求4所述净化器，其特征在于，所述静电除尘模块根据正态分布的钨丝长度和位置，从前往后依次分为六个区域，分别为低阶碰撞区、低阶扩散区、中阶磁聚区、中阶引流区、高阶过渡区和高阶电幕区；对低阶扩散区和中阶磁聚区外加磁场；

低阶碰撞区内，少量的离子在电场力的作用下与粒径大于2μm的颗粒物碰撞并使之荷电；低阶扩散区内，大量的离子通过扩散作用与粒径大于2μm的颗粒物结合，同时通过磁场束缚尖端产生的离子，使得离子在这一区域大量聚集；离子粒径较小，受风速影响忽略不计，而带电颗粒物质量较大，在磁场内不会滞留；中阶磁聚区较长，离子通过磁聚在此区域内存储，并与上一区流入的颗粒物结合；带电粒子被吸附后部分失去电性的粒子飞离负极板，出现跳跃现象；中阶引流区内，跳跃的颗粒物重新附着上粒子，然后再次回到负极板上；高阶过渡区，主要起到吸附残余在空气中的带电粒子的作用；高阶电幕区产生离子幕，起到阻挡和保障作用。