CN106999948B - 方法、过滤器模块和空气净化设备 - Google Patents

Abstract

本发明的主题是用于高效净化包含小污染颗粒的空气的方法、过滤器模块及包括这样的过滤器模块的空气净化设备。本发明的必要部分是过滤器模块(1)，过滤器模块(1)配备有包括收集器(5)和位于给定距离处的分离器(6)的诸电极(7)，这些电极(7)被连接到正或负高压(8，9)并被一外壳包围，该外壳由连接到零电势(10)的基板、诸侧板和盖板组成。两个电极(7)形成电极对，并且两个电极对形成过滤器模块(1)，其中电极对被放置成使得有一个相反电势的电极(7)被安装在两个相同电势的电极(7)之间。

Description

方法、过滤器模块和空气净化设备

技术领域

本发明的主题是用于高效净化包含小污染颗粒的空气的方法、过滤器模块及包括这样的过滤器模块的空气净化设备。

根据本发明的解决方案可被有利地应用来捕捉小于1微米的纳米尺寸的颗粒(例如，化学分子、浮质、重金属、金属蒸汽、辐射元素、细菌、孢子)，并因此防止人体直接中毒。它还适于分离分子尺寸的固体、化学及生物污染颗粒，由此提供洁净的空气。

根据本发明的方法和设备的技术特性还使得有可能将其连接到已经存在的中央送风和空调系统，因为它不在导气管中形成任何阻碍，并且它甚至有助于空气移动，而不会改变已经存在且正在操作的系统的技术特性。

背景技术

已知，作为文明和发展的结果，现代技术和科技改善了社会成员所有生活领域(营养、医疗护理、医疗保健、文化、工作环境、减少用电量等)的生活质量。

然而，发展也具有一些负面影响，一个重大的负面影响是增加的空气污染。它极大损害了生活质量，并且它导致疾病以及其他健康损害。这些主要包括需要通过药物或甚至在严重的情况下需要通过手术来进行治疗的呼吸系统损害(哮喘、过敏症、花粉不耐症、支气管扩张等)。这样的治疗也具有对人体有害的负面影响。

增加的空气污染曾经只是自然灾害(火山爆发、浮尘、毒气)的结果，现在却在很大程度上由文明和发展引起。

空气质量也受增加的车辆交通、由工业设施产生的有害材料、清洁剂和金属蒸汽、微尘、柴油尘埃等显著影响。此外，灰尘、尘螨、香烟烟气、油汽和来自现代公寓中的霉菌的真菌孢子也有显著影响。定居和居住在现代空调和送风系统中的细菌和病原菌培养导致对空气的生物污染，并可引起已经公知的军团病。

代表现有技术的已知空气净化设备是复杂的诸子单元：针对粗颗粒的过滤器、HEPA过滤器、活性炭、灭菌灯、电离器。这些设备尝试通过按顺序安装这样的物品来产生洁净的空气。空气由通风器移动。由于逐渐填满，这些系统需要越来越多的能量，并且滤芯也需要被频繁替换。然而，它们无法捕捉小于1微米以及落入纳米尺寸范围的污染物(化学分子、重金属、金属蒸汽、辐射元素、细菌、孢子)，同时这样的污染物也不会从呼吸系统中被清除，而去往肺的支气管，并随后进入血流，由此直接毒害人体。

这样的纳米尺寸的颗粒、浮质和生物污染物仅可用特殊或间接的方法来测量。

关于工业产权领域的文献，现有技术例如由专利描述No.US 2004089156表示，该专利描述了一种可用于分离和移除悬浮在空气中的颗粒的动态静电浮质分离器设备。该已知解决方案的缺点之一在于它仅可从空气中移除浮质，但它无法捕捉固体颗粒、化工材料或生物污染物；它还包括在其操作期间产生噪声的通风器。

文献No.US 6805732中描述的针对浮质静电处理的设备和方法也表示现有技术。该已知解决方案仅适于去除化学材料，并且出于所有实用的目的，它包括在充满时需要替换的滤芯，因为空气无法通过这样的滤芯。这一发明的另一缺点在于其功耗很大，并且它还包括通风器，对该通风器的使用使得该设备的操作有噪声，如以上所提到的。

发明内容

本发明旨在消除已知解决方案的缺点，并实现一种具有模块化结构、操作安静、净化高效、功耗低、运行经济、维护廉价且简单并且可能安装在已经存在的系统中的可出于各种目的被用于捕捉小于一微米并落在纳米尺寸范围内的污染物颗粒并分离分子尺寸的固体、化学及生物污染物的方法、过滤器模块和包括这样的过滤器模块的空气净化设备。

根据本发明的解决方案基于认识到甚至小于1微米的颗粒且甚至微生物都可被分离并被捕捉，并且本发明的目的(即高效空气净化)可通过以下方式来实现：设置连接到正或负高压并包括两部分(即收集器及位于距该收集器给定距离处的分离器)的电极，使得这些电极被外壳包围，该外壳连接到零电势并由基板、诸侧板和盖板组成；用连接到正或负高压及零电势的两个相反的电极创建电极对；创建有两个电极对的过滤器模块，其中这些电极对被放置为使得一相反电势的电极被安装在两个相同电势的电极之间；以及创建包括以串行和/或并行位置连接的必要数目的过滤器模块的设备，该设备不仅净化空气而且还像准电动线性引擎一样移动要被净化的空气，使得在通过两个经连接的过滤器模块的过程中，凝结的颗粒的质量和/或尺寸按需增加2的幂次方，最高到最大值2²⁰。

本发明的主题是用于高效净化包含小污染颗粒的空气的方法、过滤器模块及包括这样的过滤器模块的空气净化设备。

权利要求1中描述了根据本发明的方法的最一般的实现形式。权利要求2到5中描述了该方法的各变体。

权利要求6中描述了根据本发明的过滤器模块的最一般的实现形式。可根据权利要求7实现一示例。

权利要求8中描述了包括根据本发明的过滤器模块并用于实现根据本发明的方法的空气净化设备的最一般的实现形式。权利要求9到15中描述了各种实现形式。

附图说明

在以下附图的基础上更详细地呈现根据本发明的解决方案：

图1示出根据本发明的过滤器模块的有利实现的正视图，

图2示出两个过滤器模块在它们以并行位置连接之前的轴测图，

图3示出以串行位置连接的三个过滤器模块的正视图，其中两端上都有传感器模块，

图4示出四个过滤器模块以并行位置连接时的轴测图，

图5示出两个过滤器模块以镜像位置安装时的轴测图，

图6示出以并行的镜像位置连接和安装的三个过滤器模块的轴测图，

图7示出两个串行连接的过滤器模块在被安装在现有管道中时的理论图。

具体实施方式

出于本发明的目的，镜像安装意味着过滤器模块1被安装在基板2的相对侧(背面)，被旋转了180度，并配备有外壳旋转部分19。

图1示出根据本发明的过滤器模块1的有利实现的正视图。过滤器模块1被安装在基板2上，基板2就像该图中没有示出的侧板和盖板一样被连接到零电势10。该图还示出了两个电极轨道3，这两个电极轨道3具有四个绝缘块4并被连接正高压8或负高压9。正高压8和负高压9由图3所示的电源单元17产生。四个电极7(每一电极都包括收集器5和分离器6)被连接到这两个电极轨道3。一电极对有分别连接到正高压8和负高压9以及零电势10的两个相反的电极7，并且两个电极对形成过滤器模块1，其中这些电极对被安装成使得一个相反电势的电极7被安装在两个相同电势的电极7之间，如该图中清楚示出的。

图2示出两个(n＝2)过滤器模块在它们以并行位置连接之前的轴测图。该图指示了基板2、垂直的盖板11(前板)、一个侧板12和基板2上的四个连接孔13。基板2、盖板11和两个侧板12形成过滤器模块1的外壳14。

图3示出三个(n＝3)过滤器模块以串行位置连接时的正视图，其中该结构的每一端处都有一个传感器模块15，传感器模块15可被连接到大型工业设备，例如它们可被构建在现有的送风系统中。一个，有利地多个传感器16被安装在处于该结构的两端上的过滤器模块1的2个入口开口和出口开口上。每一过滤器模块1都配备有向控制单元18供电的电源单元17和容纳传感器16的传感器模块15。传感器模块15和传感器16被设计为能够测量和显示污染水平以及流入和流出的空气的特性，并确保符合所需的空气净化水平，以及按需调节正或负高压8、9。控制单元18被设计为能够接收和传送关于传感器16所测量的值的信号，并调节确保操作的正或负高压8、9的电平。向各个体单元供电的电源单元17以及传感器16被设计成能够在230V电网供电、电池或太阳能电池板上运行。

该图上的箭头指示气流的方向。在左侧的箭头指示流入且受污染的空气流，而在右侧的箭头指示健康空气的离开。

图4示出以并行位置连接的四个过滤器模块的轴测图，这意味着过滤器模块1的数目n等于四。

在这样的情况下，四个过滤器模块1以并行位置并沿着垂直于图2所示的位置的轴按可拆卸的方式安装到彼此上。该图示出过滤器模块1、基板2、电极轨道3、绝缘块4和电极7的收集器5和分离器6部分。在该图中示出并指向同一方向的箭头指示要被净化的受污染的流入空气的方向。

图5示出两个(n＝2)过滤器模块以镜像位置安装时的轴测图。在这样的情况下，两个过滤器模块1沿着其垂直轴以并行位置按可拆卸的方式彼此连接。该图示出过滤器模块1、基板2、电极轨道3、绝缘块4、收集器5、分离器6、和用于反转要被净化的空气的流动方向的外壳旋转部分19。在这样的情况下，过滤器模块1的电极对被安装在各个体过滤器模块1中，使得它们彼此镜像，并且它们在与原始流动方向相对的端部由上述外壳旋转部分19封闭(closed)。有利地，外壳旋转部分19具有半管状或倒U形。要被净化的受污染空气在一个过滤器模块1的左上部中朝向分离器6流入，而经净化的空气在另一过滤器模块1的右下部中离开，如也由该图中的箭头指示的。

图6示出以串行镜像位置连接的三个过滤器模块1对(n＝6)的轴测图。这些以镜像位置安装的过滤器模块对按可拆卸的方式彼此串行连接，使得在中间的那对的过滤器模块1通过柔性管20连接到相邻的过滤器模块1。

除了过滤器模块1和柔性管20以外，该图还示出外壳旋转部分19和气流的方向。

图7示出构建在现有管道21中的两个串行连接的过滤器模块1的理论图。配备有电源单元17和控制单元18的两个过滤器模块1被构建在诸如抽气机之类的具有圆截面的形状中。相对于下部的过滤器模块1，在上面的另一过滤器模块1被旋转90度角，因为这么做会改善空气净化效率。在该图底部的两个箭头指示要被净化的空气的流动方向，而上面的箭头指示经净化的空气的流动方向。

关于以上考虑，使用根据本发明的方法和过滤器模块1实现的空气净化设备如下操作。要被净化的空气被引导到包括合适数目n的根据本发明的过滤器模块1的设备，每一过滤器模块1包括两个电极对，并且该设备吸入并移动空气。附着和排斥效应的原理被利用来捕捉污染颗粒。在该操作期间，电极对中的电极7(每一电极包括收集器5和分离器6)被连接到由电源单元17生成的正或负高压8、9，并且它们的外壳14被连接到零电势10。

通过这种方式，电极对中的一个电极7具有正电荷，另一电极7具有负电荷。被粘到带正电荷的分离器6的污染颗粒分子因相同电荷的排斥效应而被推离，使得该分子向相邻的带负电荷的电极7的收集器5移动，并且它加入已经粘在那里并具有相反电荷的其他分子并与其凝结，并且该对继续该过程，并保持移动通过电极7。随后，凝结的对移动通过过滤器模块1，并且其质量按2的幂次方增加，直到它们达到使它们从气流中掉落所需的尺寸，并且它们粘到配备有收集器5的电极7之一上或者粘到具有零电势10的外壳14上。总之，空气的流动由两个效应(即，气流的牵引效应和具有相同电荷的颗粒的排斥效应)促成，直到具有持续增加的质量的颗粒的附着力变得比相同电荷的排斥效应更强，并直到污染颗粒由于其增加的质量而从气流中掉落，使得污染颗粒可被从气流中移除，由此允许高效率地净化空气。

在该方法的过程中，污染颗粒的分离是关于诸如初始尺寸、流动速度和过滤器模块1的数目n之类的工作参数执行的。

在该方法的过程中，相比于较低流动速度或要被移除的污染颗粒的尺寸在微米范围内时的情况，高流动速度和具有处于纳米范围的初始尺寸的污染颗粒的分离是通过使用更多过滤器模块1来实现的。

根据该任务，反转要被净化的气流的方向可能是必要的。在这样的情况下，过滤器模块1的电极对在各个体过滤器模块1中以镜像位置安装，并且它们还在与原始流动方向相对的端部由外壳旋转部分19封闭，如图5和6所示。

在实现根据本发明的方法的过程中，要被净化的空气除了被净化以外，还像准电动线性引擎一样移动，使得在通过两个相继过滤器模块1时，凝结的颗粒的质量和/或尺寸按需按2的幂次方增加，最高到为2²⁰的值，该值超过原始尺寸的一百万倍。

根据本发明的空气净化设备的最重要的单元是根据本发明设计的过滤器模块。

过滤器模块1具有电极7，电极7包括收集器5和位于距收集器5给定距离处的分离器6并被连接到正高压8或负高压9，并被由连接到零电势10的基板2、侧板12和盖板11组成的外壳14包围。连接到相反的正或负高压8、9并连接到零电势10的两个电极7形成电极对，并且两个电极对形成过滤器模块1。这些电极对在过滤器模块1中被放置成使得有一个相反电势的电极7被安装在两个相同电势的电极7之间。

两个过滤器模块1可被用于实现双模块，该双模块也可被有利地使用。如上所述，某些任务可需要反转要被净化的空气的流动方向。在这样的情况下，过滤器模块1的电极对在各个体过滤器模块1中以镜像位置安装，并且它们在与原始流动方向相对的端部由外壳旋转部分19封闭。

使用以上所述的过滤器模块1，根据本发明的空气净化设备可被实现，该设备配备有数目n的过滤器模块1，这些过滤器模块1取决于任务以串行和/或并行位置彼此连接，以便实现物理颗粒的尺寸和质量方面的所需增加。净化效率可通过使用混合连接按需增加。

过滤器模块1的数目n是通过考虑以下来确定的：在通过两个相继过滤器模块1时，凝结的颗粒的质量和/或尺寸按2的幂次方增加，最高到为2²⁰的值，直至当原始尺寸达到允许污染颗粒肯定被过滤或分离的阈值时。

为了捕捉尺寸为0.1微米或更大的颗粒，过滤器模块1沿着其垂直轴以并行位置按可拆卸的方式连接。

为了捕捉纳米或分子尺寸的颗粒，过滤器模块1沿着其纵轴通过其侧板12串行地并按可拆卸的方式彼此连接，其纵轴与垂直轴垂直。

在这两种情况下，可拆卸连接都起作用而不损坏；它可能是例如用于并行连接的螺纹连接，或者例如是用于串行连接的螺纹连接或凸轮式连接。

当被连接到大型工业设备时，过滤器模块1配备有放置在输入开口和输出开口处的包含传感器16的传感器模块15、以及控制单元18、以及允许以上组件的操作的电源单元17，如图3所示。

传感器模块15和传感器16被设计为能够测量和显示污染水平以及流入和流出的空气的特性(例如，流动速度、湿度、温度)，并确保符合所需的空气净化水平，以及按需调节工作正或负高压8、9。

控制单元18被设计为能够接收和传送关于传感器16所测量的值的信号，并调节确保操作的正或负高压8、9的电平。

在一有利实现示例中，控制单元18也可被实现在电源单元17内作为其子单元。

电源单元17被设计成在230V电网供电、电池或太阳能电池板上运行，因为仅需要小电气性能(其为10³/h，大约1W)来移动并净化空气。

在实现根据本发明的空气净化设备时，绝缘块4由陶瓷、玻璃或塑料制成，基板2是金属板，外壳14由金属或塑料制成，电极7的收集器5的截面显著地大于分离器6的截面，这两个截面之间的关系至少为4倍。

电极的工作正或负高压8、9为几kV，至少为4kV。

根据需要，具有20m³/h、150m³/h或500m³/h容量的过滤器模块1可被生产，并且它们也可根据所需的效率水平以串行和/或并行位置彼此连接。

对于工业应用，具有例如20,000m³/h容量的滤器单元也可通过组合500m³/h容量的过滤器模块1来构造。

根据本发明的方案可按通用方式被使用，尤其是在以下领域：

–在民间环保领域，用作独立的前置或后置过滤器，诸如：

–净化工业厂房(铸造车间、喷漆车间、引起化学污染的车间)的烟囱中的空气及废气；

–净化受污染的城市空气(交通枢纽、隧道、有害烟雾位置等)；

–从空气封闭的场所(医院、实验室、餐厅、居住房间等)中净化掉、清除和过滤花粉；

–NBC安全领域上的军事应用，用作前置过滤器。

根据本发明的解决方案实现了其目的，并具有以下优点：

–它可用于捕捉小于1微米并在纳米范围中的污染颗粒，并分离分子尺寸的固体、化学和生物污染物；

–它具有模块化结构；

–空气可在没有通风设备器的情况下移动，并以安静模式运行；

–不需要滤芯；

–可容易地反转流动的方向；

–净化高效，大致95％；

–节能；

–运行经济；

–维护简单且廉价；

–易于安装在现有系统中。

参考符号列表

1 过滤器模块

2 基板

3 电极轨道

4 绝缘块

5 收集器

6 分离器

7 电极

8 正高压

9 负高压

10 零电势

11 盖板

12 侧板

13 连接孔

14 外壳

15 传感器模块

16 传感器

17 电源单元

18 控制单元

19 外壳旋转部分

20 柔性管

21 管道

n 数目

Claims (10)

1.一种用于净化包含小于1微米的纳米尺寸的污染颗粒的空气的方法，使得要被净化的空气被促使流经包括合适数目的过滤器模块(1)的设备，所述过滤器模块包括两个电极对以及外壳(14)，其中附着和排斥效应的原理被利用来捕捉所述污染颗粒，其特征在于，电极(7)被连接到正或负高压(8、9)，每一电极包括收集器(5)和分离器(6)部分；所述外壳(14)由围绕电极(7)的基板(2)、盖板(11)和诸侧板(12)组成并被连接到零电势(10)；由此形成被连接到正或负高压(8，9)的毗邻电极对；随后被附着到带正电荷的分离器(6)的污染颗粒分子因相同电荷的排斥效应而被推离，使得所述分子移动到相邻的带负电荷的电极(7)的收集器(5)，并加入已经粘在那里并具有相反电荷的其他分子，并且所述方法随着分子移动通过所述电极(7)被继续，并且经凝结的颗粒移动通过所述过滤器模块(1)且其质量和/或尺寸被按2的幂次方增加，直到它们达到使它们从气流中掉落所需的尺寸，并且它们被粘到具有收集器(5)部分的所述电极(7)之一上或者被粘到具有零电势(10)的所述外壳(14)上，使得总之空气的流动由两个效应即所述气流的牵引效应和具有相同电荷的颗粒的排斥效应促成，直到具有持续增加的质量和/或尺寸的颗粒的附着力变得比相同电荷的排斥效应更强，并直到所述污染颗粒由于其增加的质量而从所述气流中掉落，使得所述污染颗粒能被从所述气流中移除，由此允许净化所述空气。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述污染颗粒从所述气流中的分离是在考虑工作参数的情况下被执行的。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述工作参数包括初始尺寸、流动速度和所述过滤器模块(1)的数目(n)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，相比于较低流动速度，或要被移除的污染颗粒的尺寸处于微米范围时的情况，高流动速度和具有处于纳米范围的初始尺寸的污染颗粒的分离是使用更多过滤器模块(1)来实现的。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了反转要被净化的所述气流的方向，所述过滤器模块(1)的所述电极对以镜像位置被安装在各个体过滤器模块(1)中，并且它们还在与原始流动方向相反的端部由外壳旋转部分(19)封闭，所述外壳旋转部分(19)反转气流的原始方向。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，要被净化的空气除了被净化以外，还像准电动线性引擎一样移动，使得在通过两个相继过滤器模块(1)时，凝结的颗粒的质量和/或尺寸按需按2的幂次方增加，最高到2²⁰的值。

7.一种包括诸过滤器模块的空气净化设备，其使用在外壳(14)内部的至少一个过滤器模块(1)，所述外壳由基板(2)、诸侧板(12)和盖板(11)组成，其特征在于，所述过滤器模块(1)具有安装在基板(2)上的连接到相反高电势的至少两个电极对；电极对各自由两个相同电荷的电极(7)形成，电极在一端经由电极轨道(3)连接，其中电极轨道(3)经由绝缘元件(4)附连到零电势基板(2)；在所述过滤器模块(1)中，每一电极(7)由两个对应部分形成，来自气流的方向的部分包括较粗的收集器(5)部分，而来自另一方向的部分包括较细的分离器(6)部分，其长度对应于收集器(5)部分的长度且具有相同电荷，这两个部分在它们的自由端非可拆卸地结合且具有4:1的截面比率；这两个电极对的电极(7)以如下方式形成：在气流的方向上取向，使得一个电极对的两个正电极(7)和另一电极对的两个负电极(7)按梳状一个接一个地在单个平面中布置在所述基板(2)上，使得一个电极对的带正电荷的电极(7)后随有另一电极对的带负电荷的电极(7)，其中所述外壳(14)也连接到零电势。

8.根据权利要求7所述的空气净化设备，其特征在于，为了通过增加电极(7)来提高净化效率，两个相继电极对各自平行于被污染气流的方向按镜像位置作为彼此的镜像图像安装在一个过滤器模块(1)上在基板(2)的两侧上，并且在与原始流动方向相反的端部由外壳旋转部分(19)封闭。

9.根据权利要求7或8所述的空气净化设备，其特征在于，为了工业应用，该设备配备有传感器模块(15)，所述传感器模块(15)包含放置在前进气口或出气口开口中的传感器(16)；并且所述过滤器模块(1)配备有分开的控制单元(18)和操作它们所需的电功率供应单元(17)。

10.根据权利要求7所述的空气净化设备，其特征在于，所述设备具有连接到230伏电网功率供应单元、发电机、或太阳能面板的电功率供应单元(17)。

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