CN110753584A - 用于分离材料的装置和方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个示例性方面，提供了一种用于从气流中分离颗粒和/或液滴形式的材料(尤其是直径从一纳米变化到几十纳米的颗粒和/或液滴)的装置(1)，包括用于待净化的进入空气(3)的入口(2)，收集室(4)，用于净化后的空气(7)的出口(6)，带有致动器的电压源(8)，以及已连接有离子产生尖端(10)的固定柱(9)。该装置(1)构造成将高电压引导至离子产生尖端(10)，以将离子束(11)从离子产生尖端(10)提供至收集表面(12)。导电的收集表面(12)通过电绝缘件与收集室(4)的外壁(5)电绝缘。该装置(1)构造为将与引导到收集表面(12)的电压的符号相反的电压引导至离子产生尖端(10)。离子产生尖端(10)直接布置在具有一定长度(L_col)的固定柱(9)的表面(13)上，并且从固定柱(9)的表面(13)凸出到收集室(4)的空腔(14)中。

Description

用于分离材料的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于从气流中分离颗粒和/或液滴形式的材料的装置。此外，本发明涉及一种从气流中分离颗粒和/或液滴形式的材料的方法。

背景技术

目前，在气体净化系统中使用了过滤器、旋风分离器或电气方法(例如电过滤器或离子吹气方法)，以用于从气流中分离颗粒。用于从气流中分离颗粒或液滴的方法和装置例如可从DE1471620A1和DE19751984A1中已知。

当前使用的空气净化器已经远离了使用过滤器的常规方法，以便从空气中机械式地提取不需要的颗粒。这种传统的过滤系统具有以下缺点：必须将空气流限制为缓慢的气流，并且必须定期取出过滤器以进行清洁。另外，当颗粒的直径在一纳米到几十纳米之间的范围内时，用已知技术不可能获得良好的清洁效果。

旋风分离器的操作基于气体流速的降低，使得气体流中的重颗粒能落入收集器具中。因此，旋风分离器可用于分离重颗粒。

在电过滤器中，将气体中的颗粒分离到收集板上或管道的内表面上。电过滤器中的流动气体的速度通常必须低于1.0m/s，制造商的建议约为0.3-0.5m/s。气体流速小的原因是，较高的流速会释放出堆积在板上的颗粒，从而会大幅降低减少效率。电过滤器的运行基于颗粒的静电荷。但是，给纳米级的颗粒充电是有挑战性的。此外，所有材料都不带电。考虑到收集板的清洁阶段，也必须使用低气体流速。在清洁板时，会向板吹气，释放出所收集的颗粒材料。其目的是只有在净化阶段从板中释放出的可能最少量的颗粒材料才能回到流动的气体中。气体流速小时，可以实现允许的颗粒通过。

此外，电空气净化器利用电离气体中电荷的性质、并使用静电装置来从定向气流中提取带电粒子。这种提取方法不仅在提取的颗粒总量的方面，而且在颗粒类型的方面都提高了效率。空气净化器通常会利用带正电或带负电的颗粒的特性，其中电场将与这些带电粒子相互作用。带电粒子将响应于该电场，并作为离子流被拉向收集表面。

例如，文献EP1165241B1公开了一种用于从气流中分离颗粒和/或液体形式的材料的方法和装置，在该方法中，气流被引导通过收集室，该收集室的外壁接地，并且其中高电压被引导到布置在收集室中的离子产生尖端，从而提供从离子产生尖端朝向收集表面的离子流，以从气流中分离出所期望的材料。该发明的特征在于，导电的收集表面与外壳是电绝缘的，并且与指向离子产生尖端的高电压的符号相反的高电压指向收集表面。根据该发明的一个实施例，电绝缘体由ABS制成，并且导电的表面包括布置在绝缘层上的薄铬层。离子产生尖端布置成环，借此来缩短离子产生尖端与收集表面之间的距离。因此，缓慢气流中所包含的一些颗粒不会通过离子束，而是由固定杆和离子产生尖端之间通过。

鉴于上述情况，提供能进一步提高减少效率的方法和系统将是有益的。该系统应能够以工业规模来制造。

发明内容

本发明由独立权利要求的特征限定。在从属权利要求中定义了一些具体实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于从气流中分离颗粒和/或液滴形式的材料的装置，该装置包括用于待净化的进入空气的入口、收集室、用于净化后的空气的出口、带有致动器的电压源，以及已连接有离子产生尖端的固定柱，该装置构造成将高电压引导至离子产生尖端，从而将离子束从离子产生尖端提供至收集表面，导电的收集表面通过电绝缘件与收集室的外壁电绝缘，并且该装置构造为将与引导到收集表面的电压的符号相反的电压引导至离子产生尖端，其中，离子产生尖端直接布置在具有一定长度的固定柱的表面上，并且离子产生尖端从固定柱的表面凸出到收集室的空腔中。

第一方面的各种实施例可以包括下列中的至少一个特征：

·收集室形成为圆柱形、椭圆形或环形的

·固定柱形成为圆柱形、椭圆形或环形的

·圆柱形的固定柱的直径在40-150mm的范围内，优选在80-120mm的范围内，例如为100mm

·椭圆形的固定柱的长轴在40-150mm的范围内，优选在80-120mm的范围内，例如为100mm，和/或，椭圆形的固定柱的短轴在20-120mm的范围内，优选在50-100mm的范围内，例如为80mm

·收集室的最大直径或最大长轴在200-1600mm的范围内

·电压在10-100kV的范围内，优选在10-60kV的范围内

·电流在50-5000μA的范围内，优选在400-2300μA的范围内，例如为1500μA

·离子产生尖端的长度在1-40mm的范围内，优选在5-20mm的范围内

·离子产生尖端设置成螺旋式地围绕着固定柱的表面

·空气的体积流量为20-800m³/h的范围内，例如为200m³/h

·通过空腔的空气流速度在0.5-2.5m/s的范围内，例如大于1.0m/s

·一组离子产生尖端中的多个离子产生尖端彼此等距地排列

·至少一部分离子产生尖端在下游方向上相对于固定柱的表面以40°-50°(优选为45°)的角度定向，在上游方向上相对于固定柱的表面以40°-50°(优选为45°)的角度定向，或者相对于固定柱的表面以80°-100°(优选为垂直)的角度定向

·固定柱包括形成封闭体的外表面

·该装置构造为引导气流通过固定柱和收集表面之间的空腔

·收集室的外壁的至少一部分或由导电材料制成的带的至少一部分(该带围绕着收集室的外壁)接地

根据本发明的第二方面，提供了一种用于从气流中分离颗粒和/或液滴形式的材料的方法，该方法包括：引导气流通过收集室；在固定柱和导电的收集表面(其与收集室的外壁电绝缘)之间提供用于气体流动的空腔；在固定柱的表面上设置离子产生尖端，在离子产生尖端和收集表面之间产生高电压，以在具有一定长度和直径的固定柱的表面上设置离子产生尖端，其中离子产生尖端从固定柱的表面凸出到收集室的空腔中；将与引导到离子产生尖端的高电压的直流电压符号相反的高电压引导至收集表面；在收集室内将至少一部分材料从气流中分离出来。

第二方面的各种实施例可以包括下列中的至少一个特征：

·气流被引导通过固定柱的表面和收集表面之间的空腔

·气流沿着固定柱的表面被引导

·气流暴露在离子产生尖端和收集表面之间的空腔内的电场中，并且包含在气流中的所有材料均流过空腔

·在该方法中使用10-100kV的电压，优选10-60kV的范围内的电压

·在该方法中使用的固定柱的直径在40-150mm的范围内

·在该方法中使用的电流在50-5000μA的范围内，优选在400-2300μA的范围内，例如为1500μA

·气流被引导通过空腔，空气的体积流量在20-800m³/h的范围内，例如为200m³/h

·被引导通过空腔的气流的速度在0.5-2.5m/s的范围内，例如大于1.0m/s

通过本发明的某些实施例获得了明显的优点。提供了一种从气流中分离出颗粒和/或液滴形式的材料的系统和方法。通过本发明的某些实施例，可以进一步对从气流中分离出材料进行改善。特别地，可以实现高的减少效率。

令人惊讶的是，与已知的系统相比，增加固定柱的直径、并由此还增加空腔中的局部流动速度不会降低减少效率。出人意料的是，看起来，在固定柱和收集表面之间的空腔中增加电场和电流的影响比气流速度增加的影响更为重要。例如，根据本发明的某些实施例的使用直径为100mm的固定柱、60kV的电压以及1400μA的电流的装置提供了优异的减少效率，例如对于具有大于50-200nm的尺寸的颗粒来说就是如此。借助于本发明的某些实施方案，减少效率可以从约70％提高到约80％。可以在固定柱的表面上直接布置适当数量的离子产生尖端。气流暴露在离子产生尖端和收集表面之间的空腔内的电场中，并且气体中包含的所有材料都流过该空腔。没有气体流过电场之外的环。根据某些实施例，对于直径从1纳米变化至10纳米或20纳米或几十纳米的颗粒和/或液滴来说，也可以提高减少效率。特别地，根据本发明的某些实施例的系统还提高了直径小于10纳米的颗粒和/或液滴的减少效率。

附图说明

图1示出了根据本发明的至少一些实施例的用于分离材料的装置的示意图；以及

图2示出了根据本发明的至少一些实施例的固定柱的示意性侧视图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于从气流中分离颗粒和/或液滴形式的材料的装置，该装置包括布置在壳体内的腔室，其提供了用于空气流的入口和出口。壳体提供了用作收集表面的表面。在壳体内部的大致中央处，设有具有圆柱形或椭圆形主体的柱。在圆柱形或椭圆形主体的表面上设置了一系列离子产生尖端，用于将离子束引导至收集表面。该柱连接到电源，该电源允许离子产生尖端产生电场，其形式为从离子产生尖端中发出的离子束。壳体和柱彼此隔离，它们可以连接到不同的电源上，以便使它们具有不同的电荷，以用于引导电场。柱通常至少部分地为圆柱形主体，其具有由其横截面的直径和主体的长度所限定的表面。柱的尺寸限定了柱与收集表面之间的空腔的横截面积。可以通过增大柱的直径来增加空腔中的气流的局部速度。此外，表面积越大，就可以在主体上布置更多的离子产生尖端，从而增大所产生的围绕着主体的电场和电流。这允许包含在待充电的气流中的颗粒更充分地暴露在电场中，然后将其引向收集表面以进行去除。空腔内产生的高密度电场通过从快速的空气流中提取更多的颗粒来提高颗粒的提取效率。此外，气流中包含的所有颗粒都必须穿过柱和收集表面之间的空腔。

在图1中示出了根据本发明的至少一些实施例的用于分离材料的装置的示意图。该装置1设计用于从气流中分离出颗粒和/或液滴形式的材料。特别地，该装置设计成可分离直径从一纳米变化到几十纳米的颗粒和/或液滴。该装置包括用于待净化的进入空气3的入口2、收集室4、用于净化空气7的出口6、具有致动器的电压源，以及已经连接有离子产生尖端10的固定柱9。围绕着收集室的外壁的金属带(未示出)接地。固定柱9包括形成封闭体的外表面。装置1构造成引导空气流经过固定柱9和收集表面12之间的空腔14。装置1进一步构造成将高电压引导至离子产生尖端10，将离子束11从离子产生尖端10提供至收集表面12。

导电的收集表面12通过电绝缘件与收集室4的外壁5电绝缘。电绝缘件例如可以借助于固定件(未示出)附接到收集室4的外壁5上。电绝缘件例如可以是玻璃、塑料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)，或者能绝缘高电压的一些其他类似物质。

此外，装置1构造为将与引向收集表面12的电压符号相反的电压引向离子产生尖端10。换句话说，具有与引向离子产生尖端10的高电压(在图中为负)的符号相反的电压(在图中为正)被引向导电的表面12。因此，电压是相反的，即对于离子产生尖端10而言为正，而对于导电的表面12而言为负，或者对于离子产生尖端10而言为负，对于导电的表面12而言为正。通常，离子产生尖端10的电压基本上等于收集表面12的电压，但是也可以使用不同幅度的电压。相等电压的优点是高电压中心的结构简单。在相同的电压下还能获得更好的净化效果。

离子产生尖端10直接布置在具有长度L_col和直径D_col的固定柱9的表面13上，其中离子产生尖端10从固定柱的表面13凸出到收集室4的空腔14中。固定柱9的尺寸确定了在固定柱和收集表面之间的空腔14的横截面积。因此，对于给定的空气体积流量，连续性方程的应用导致通过空腔14的空气流的局部速度随着固定柱直径的增加而增加。

在图2中示出了根据本发明的至少一些实施例的固定柱9的示意性侧视图。固定柱9的直径D_col例如可以在40-150mm之间的范围内。特别地，固定柱的直径D_col例如可以是40mm、100mm或150mm。直径D_col与收集室的最大直径之间的比率例如可以是1:3。固定柱9例如可以包括48个离子产生尖端10。离子产生尖端10的长度例如可以在2-15mm的范围内。特别地，离子产生尖端10的长度例如可以是5mm或10mm。在图2中，离子产生尖端相对于彼此以均匀的距离布置。根据某些实施例，离子产生尖端10布置成螺旋式地围绕固定柱9的表面13设置。

在根据图1的装置1中使用所示的固定柱9的期间，空气流经收集室4的环形空腔14。空气的体积流量例如可约为200m³/h。通过空腔14的气流的速度可以在0.5-2.5m/s的范围内，例如为1.5m/s。

空气流中包含的所有颗粒和/或液滴都经过收集表面12和固定柱9的表面13之间的空腔14。因此，所有颗粒和/或液滴都会经过离子束11，从而改善了空气的净化过程。

应当理解，所公开的本发明的实施例不限于本文所公开的特定结构、工艺步骤或材料，而是可以扩展至相关领域的普通技术人员可认识到的等效物。还应理解，本文采用的术语仅用于描述特定实施方案，而非限制性的。

在整个说明书中对一个实施例或类似用语的引用意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或类似用语并不一定都指同一个实施例。在使用诸如大约或基本上的术语来限定数值的情况下，该确切的数值也被公开。

如在此使用的那样，为了方便，可以在一个列表中呈现多个项目、结构要素、组成要素和/或材料。但是，这些列表应被解释为好像列表中的每个成员都被单独标识为单独且唯一的成员。因此，如无相反的指示，仅基于它们在共同组中的出现，不能将该列表的任何单个成员解释为该同一列表的任何其他成员的事实上的等同物。另外，在此可以参考本发明的各种实施例和示例，以及用于其的各种部件的替代方案。应该理解的是，这样的实施例、示例和替代物不应被理解为彼此的实际上等同，而是应被认为是本发明的独立和自主的表示。

此外，在一个或多个实施例中，所描述的特征、结构或特性可以任何合适的方式组合。在下面的描述中提供了许多具体细节，例如长度、宽度、形状等的例子，以提供对本发明实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下，或者在利用其他方法、部件、材料等的情况下来实施本发明。在其他情况下，公知的结构、材料或操作未详细示出或描述，以便避免混淆本发明的各个方面。

尽管上述示例在一个或多个特定应用中说明了本发明的原理，但是对于本领域的普通技术人员而言显而易见的是，在不背离本发明的原理和概念的前提下，可以不付出创造性劳动而对形式、使用和细节进行多种修改。因此，本发明仅由下面提出的权利要求书来限制。

动词“包含”和“包括”在本文中作为开放式限制，其既不排除也不要求还存在未叙述的特征。除非另有明确说明，否则从属权利要求中记载的特征可以相互自由地组合。此外，应当理解，在整个文件中使用“一”或“一个”，即单数的形式并不排除多个。

工业适用性

本发明的至少一些实施例在空气净化器和/或净化空气方面有工业应用。非常合适的用途特别是医院中的隔离室、手术室、制造微芯片的工厂，以及其中必须驱除生物武器的这类房间的进气口。当然，本发明还可应用于家庭和办公室的房间净化。

附图标记列表

1 用于分离材料的装置

2 入口

3 进入空气

4 收集室

5 外壁

6 出口

7 净化空气

9 固定柱

10 离子产生尖端

11 离子束

12 收集表面

13 表面

14 空腔

L_col 长度

D_col 直径

引文清单

专利文献

EP 1165241 Bl

Claims (17)

1.一种用于从气流中分离颗粒和/或液滴形式的材料的装置(1)，所述装置(1)包括：

用于待净化的进入空气(3)的入口(2)，

收集室(4)，

用于净化空气(7)的出口(6)，

带有致动器的电压源(8)，以及

连接有离子产生尖端(10)的固定柱(9)，

其中，所述装置(1)构造成将高电压引导至所述离子产生尖端(10)，以将离子束(11)从所述离子产生尖端(10)提供至收集表面(12)，

导电的所述收集表面(12)通过电绝缘件与所述收集室(4)的外壁(5)电绝缘，并且

所述装置(1)构造为将与引导到所述收集表面(12)的电压的符号相反的电压引导至所述离子产生尖端(10)，

其特征在于，所述离子产生尖端(10)直接布置在具有一定长度(L_col)的固定柱(9)的表面(13)上，并且所述离子产生尖端(10)从所述固定柱(9)的表面(13)凸出到所述收集室(4)的空腔(14)中。

2.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述收集室(4)形成为圆柱形、椭圆形或环形的。

3.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述固定柱(9)形成为圆柱形、椭圆形或环形的。

4.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，圆柱形的固定柱(9)的直径(D_col)在40-150mm的范围内，优选在80-120mm的范围内，例如为100mm。

5.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，椭圆形的固定柱(9)的长轴在40-150mm的范围内，优选在80-120mm的范围内，例如为100mm，和/或，

椭圆形的固定柱(9)的短轴在20-120mm的范围内，优选在50-100mm的范围内，例如为80mm。

6.根据权利要求1所述的装置(1)，其特征在于，所述收集室(4)的最大直径(D_chamber)或最大长轴在200-1600mm的范围内。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的装置(1)，其特征在于，电压在10-100kV的范围内，优选在10-60kV的范围内。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的装置(1)，其特征在于，电流在50-5000μA的范围内，优选在400-2300μA的范围内，例如为1500μA。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的装置(1)，其特征在于，所述离子产生尖端的长度在1-40mm的范围内，优选在5-20mm的范围内。

10.根据权利要求1到9中任一项所述的装置(1)，其特征在于，空气的体积流量在20-800m³/h的范围内，例如为200m³/h。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的装置(1)，其特征在于，通过所述空腔(14)的气流速度在0.5-2.5m/s的范围内，例如大于1.0m/s。

12.一种用于从气流中分离颗粒和/或液滴形式的材料的方法，所述方法包括：

引导气流通过收集室(4)，

在固定柱(9)和导电的收集表面(12)之间提供用于气体流动的空腔(14)，所述收集表面(12)与所述收集室(4)的外壁电绝缘，

在具有一定长度(L_col)和直径(D_col)的所述固定柱(9)的表面(13)上设置离子产生尖端(10)，所述离子产生尖端(10)从所述固定柱(9)的表面(13)凸出到所述收集室(4)的空腔(14)中，

在所述离子产生尖端(10)和所述收集表面(12)之间形成高电压，

将与引导到所述离子产生尖端(10)的高电压的直流电压符号相反的高电压引导至所述收集表面(12)，

在所述收集室(4)内将至少一部分材料从气流中分离出来。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述方法中使用的电压在10-100kV的范围内，优选在10-60kV的范围内。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在所述方法中使用的固定柱(9)的直径(D_col)在40-150mm的范围内。

15.根据权利要求12到14中任一项所述的方法，其特征在于，在所述方法中使用的电流在50-5000μA的范围内，优选在400-2300μA的范围内，例如为1500μA。

16.根据权利要求12到15中任一项所述的方法，其特征在于，所述气流被引导通过所述空腔，其中空气的体积流量在20-800m³/h的范围内，例如为200m³/h。

17.根据权利要求12到16中任一项所述的方法，其特征在于，被引导通过所述空腔的气流的速度在0.5-2.5m/s的范围内，例如大于1.0m/s。

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