CN114711662A - 用于从空气和流体中分离颗粒的装置、方法和系统 - Google Patents

Abstract

本公开的一些实施例涉及一种空气/流体过滤设备，包括初始配置在一个或多个平面部分中的材料片材、布置在所述片材上并配置成允许所述空气/流体流经所述片材的多个组织的空气/流体出口以及与所述片材连接的多个旋风室，每个室包括旋风结构，所述旋风结构包括圆锥体或圆柱体中的至少一个，所述圆锥体或圆柱体包括切向入口和连接到所述片材的所述旋风结构端部处的旋风出口。在一些实施例中，每个切向开口与所述片材的相应进入空气/流体侧处于空气/流体连通，并且每个旋风出口连接到所述片材的相应出口。

Description

用于从空气和流体中分离颗粒的装置、方法和系统

本申请是申请号为201680054762.7，申请日为2016年7月25日，发明名称为“用于从空气和流体中分离颗粒的装置、方法和系统”的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求名称为“Filter Sheets with Embedded Hollow Vortex Elements”、申请号为62/196,686、申请日为2015年7月24日的美国临时申请，名称为“Filter Embeddedwith Vortex Elements”、申请号为62/248,852，申请日为2015年10月30日的美国临时申请和名称为“Self-Contained Miniature Cyclonic Scrubber for Air Cleaning”、申请号为62/275,807，申请日为2016年1月7日的美国临时申请的优先权，其中的每一个通过引用，将其整体并入本文。

技术领域

本公开的实施例总体上涉及用于从气体中减少多余颗粒的装置、系统和方法，特别是包括大型阵列的超小型旋风分离器和/或独立的旋风或涡旋式洗涤器的装置和系统以及制造和使用它们的方法。

背景技术

过滤空气用于除去细颗粒物对于人类健康、空气质量以及许多工业和机械应用而言是重要的。许多室内通风系统包括空气过滤器，其主要作用是捕获悬浮颗粒并阻止其与气流一起行进。但是，这种过滤器可能需要经常更换，并且可能会随着在介质中捕获的灰尘积累而迅速失效。干式旋风分离器广泛用于从气流中分离相对较大的颗粒，并具有更大的分离和捕获固体颗粒的能力。然而，这样的干式旋风分离器对于从空气中分离非常细的颗粒不是非常有效，因此不能用于过滤室内空气(例如在通风系统中)。旋风式洗涤器是已知的，其使用旋流分离原理与喷水结合来改善捕获细颗粒。然而，这种洗涤器需要恒定的水流量供应以及排水，这极大地限制了这种技术在通风系统中的可用性。

发明内容

本发明的实施例提供了涡旋设备，从空气/气流中分离颗粒的系统和相应的方法，以及制造方法。本公开的至少一些实施例的特定特征是大量阵列的小型涡旋/旋风设备(这些用于本主题公开的术语可以互换使用，其也可以称为涡旋分离器)组装在一起以形成可用作过滤器或分离器(例如，以取代目前的过滤器设备，且在一些实施例中，这样的过滤器可以配置为具有与目前使用的过滤器/滤筒相对应的尺寸和形状)的系统(例如，“片材”)来从气流中去除颗粒。根据实施例的这种小型旋风分离器配置为具有在正常流动和压力下大大地增大离心力的设计、尺寸和形状。因此，这样的实施例允许除去气流中夹带的更细颗粒；例如，可以使用公开的实施例去除平均尺寸的范围为约0.01μm到约5μm、约0.1μm到约4.5μm、约0.25μm到约4μm、约0.5μm到约3μm、约0.75μm到约2μm、约1μm到约1.5μm、约1.25μm，包括其间的所有值和子范围的颗粒。

根据一些实施例，旋风分离器的极端小型化使得能够实现这种小颗粒的分离，导致每个旋风分离器的流量的相应减少。然而，由于典型的通风系统需要非常大的气流，所以根据本公开的实施例的小尺寸旋风分离器设备可以配置和定制成非常大的单体阵列，以处理任何期望的气流(例如根据一些实施例的从几个到数十、数百个和数千到数百万的多个)。此外，这些阵列(如上所表明的)配置为用于各种HVAC系统的过滤器/滤筒。因此，可以使用若干这样的滤筒来处理一定的量。

可以使用低成本的大规模生产技术(例如三维(3D)打印和真空/热成形)来制造高达数千(或更多)微/小型旋风分离器设备的这种单片阵列。在一些实施例中，这样的阵列可以分层制造——即旋风分离器/涡旋设备的某些部分可以是一层的一部分，然后将这些层装配到结构中。所提到的制造技术可以用来制造这样的层。

捕获的颗粒可以保存在与旋风分离器连接的容器中。容器可以做得足够大，用于长时间持续地清洁空气。此外，容器可以形成单独的可移动/可更换/一次性的阵列，要么被清洁和返回，要么被新的容器阵列替换，使得可以一次又一次地使用具有阵列式旋风分离器设备的滤筒。

本公开的其他实施例涉及另外称为湿式旋风分离器设备的洗涤式旋风分离器设备系统，其可以具有任何尺寸(尽管在一些实施例中，可以按照上述小型设备阵列的尺寸来确定尺寸)。在这些实施例的一部分中，湿式旋风分离器利用液体来从气流中消除(例如“洗涤”)颗粒，并且具体地(在一些这样的实施例中)，其中液体不是水。在一些这样的实施例中，可以使用非水清洁液体。传统的水基湿式旋风分离器设备/系统不适用于通风过滤，因为(1)必须将水分开并连续地提供给旋风分离器，然后随着使用了水，对其进行处理(需要管道、泵、排水道等)和(2)湿式旋风分离器中的水蒸发并有效地加湿空气——这在许多情况下是不希望的，例如在空调系统中。为了克服这些问题，在本公开的一些实施例中，独立的被动湿式旋风式洗涤器配置有附接的液体(例如，非水)储存器，以清洁空气并捕获细颗粒。

这样的洗涤器实施例设计为使得进入的气流的能量可以用来搅动清洁液体，同时防止液滴随着输出气流逸出。通过配置旋风分离器和相应的附接储存器以防止液体逸出，并且通过选择用于该任务的低蒸汽压液体，可以在延长的操作时间内保持液体的体积，而没有常规的旋风式洗涤器的缺点。

根据本公开的一些实施例，描述了用于空气过滤器设备的系统、设备和方法，包括：初始配置在一个或多个平面部分中的片材；多个组织的空气出口，所述多个组织的空气出口布置在所述片材上并且构造成允许空气流过所述片材；多个旋风室，连接到所述片材，每个室包括旋风结构，所述旋风结构包括圆锥体或圆柱体中的至少一个，所述圆锥体或圆柱体包括切向入口和在与所述片材连接的所述旋风结构的末端处的旋风出口。在一些实施例中，每个切向开口与片材的相应进入空气侧空气连通，并且每个旋风出口连接到片材的相应出口。

进一步，所述设备可以包括构造成与旋风结构流体连通的多个容器，其中每个容器构造为相应的旋风结构的顶点或边缘的至少一部分；每个旋风结构内的气流配置为在气流通过该结构期间形成至少一个涡旋；所形成的涡旋配置为从气流中分离颗粒；分离的颗粒容纳在容器中；并且每个容器可以连接多个旋风结构。此外，该设备包括多个中空管和/或锥体，每个中空管和/或锥体在两端都具有开口，并且构造成相对于第一平面或第二平面在大致垂直的方向上从每个相应的旋风开口延伸到每个相应的空气出口，其中至少所述多个室配置为整体结构；整体结构配置为过滤元件；并且整体结构配置为滤筒。

在一些实施例中，所述设备还包括内部涂层或液体，其中涂层或液体布置或引入每个锥体或容器内，并且涂层或液体配置成具有粘合性、抗微生物性和/或吸附性或化学性质。所述设备还可以包括固体颗粒，其中颗粒布置或引入到旋风结构和/或容器内，并且可以用作吸附剂、催化剂或抗微生物剂。在一些实施例中，制造上述公开的过滤设备的方法包括挤压、模制、铸造和分层这些装置中的至少一个，其中该装置制造成整体结构。在一些实施例中，分层包括增材制造，其中增材制造包括三维打印。在一些实施例中，分层包括平面制造，其中平面制造选自热成型、真空成型、冲压、薄片加工、光刻、压印、铭印、卷到卷加工或任何其他适合的赋予表面特征的平面技术。

在一些实施例中，所述设备制造成多个层，其中多个层同时或随后对齐和连接。在一些实施例中，所述方法包括将预成型的旋风结构附接到图案化的片材，其中这些出气口或者是预成型的或者是在附接之后随后制造的。

在一些实施例中，包括多个上述公开的空气过滤设备的空气过滤子组件包括多个有组织的气流入口；多个有组织的气流出口；多个隔间，每个隔间包括中空旋风结构，所述中空旋风结构具有包括近似同心的开口和切向开口的基部部分以及顶部部分；以及多个容器，每个容器与所述顶部部分空气连通；其中：每个切向开口与相应的空气入口空气连通，每个同心开口与相应的空气出口空气连通，并且每个容器构造为顶点的至少一部分。

在一些实施例中，公开了一种从气流中分离颗粒的方法，包括：在结构阵列中组织多个旋风过滤室，所述阵列配置有长度、宽度和厚度，适合用作HVAC或通风系统中的替换过滤器或滤筒，以用于占用空间，其中：每个室包括中空旋风过滤器结构，所述中空旋风过滤器结构具有包括同心开口和切向开口的基部部分，可选的顶部部分以及容器；每个切向开口配置为接收室内和/或室外气流的一部分；旋风部分配置为为气流形成至少一个涡旋，所述涡旋配置为分离夹带在气流中的颗粒；所述容器配置为接收分离的颗粒，并且每个同心开口配置为在受到至少一个涡旋的作用之后排出气流。在一些实施例中，每个容器配置为顶点的至少一部分。

在一些实施例中，公开了一种空气净化设备，包括与液体储存器流体连通的旋风结构，其中：所述旋风结构包括大致圆柱体和圆锥体空腔中的至少一个，具有大致切向的空气入口和大致同心的空气出口，以及所述液体储存器配置有通向腔的开口或通道中的至少一个，以通过旋风结构中的气流的作用，将一部分液体从储存器吸入旋风结构。在某些实施例中，所述设备进一步包括至少一个附加通道，该至少一个附加通道布置在空腔和储存器之间，并配置成排出吸入到空腔中的液体的至少一部分，并且将排出的流体返回到储存器。在某些实施例中，允许液体从储存器进入空腔的开口/通道接近空气入口或空气循环路径，并且其中所述设备还包括第二通道，所述第二通道在旋风腔壁中包括至少一个开口并且配置成将液体从所述腔处排出，其中通过离心力、重力和压差中的至少一个排出所述液体。在一些实施例中，所述液体在环境温度下的蒸气压比水低至少50％。液体可以是硅树脂或矿物油中的至少一种。在一些实施例中，所述液体包括添加剂，所述添加剂包括抗微生物剂、催化剂、表面活性剂、溶剂、盐、稳定剂、染料中的至少一种。在一些实施例中，所述液体储存器的至少一部分位于所述旋风结构的基部下方，并且配置为在没有气流的情况下接收所述旋风结构的大部分液体，其中所述腔的内壁包括多个突起、特征和纹理化表面中的至少一个，并且其中所述多个突起、特征和/或纹理化表面配置为促进在腔中形成液体或湍流的气溶胶。

在一些实施例中，公开了一种空气过滤器系统，包括旋风元件的单片阵列，其中每个元件包括旋风腔，所述旋风腔具有基本切向的空气入口和基本同心的空气出口。所述阵列形成配置有布置在片材的一侧上的大部分入口和片材的另一侧上的大部分出口的所述片材；每个元件与液体储存器流体连通，其中元件配置为使得每个元件中的进入空气的流动从储存器吸取液体以在腔中循环并且与气流接触。此外，所述系统包括布置在每个旋风腔和相应的储存器之间的附加液体通道，所述附加液体通道配置为排出循环液体腔的一部分并且将该液体返回到储存器，其中在使用之前或者在组装系统之前，液体最初包括在每个元件中。所述系统还包括可移除的薄膜或密封件，所述薄膜或密封件布置成用于连接至片材的至少一侧以在运输期间约束液体。

附图说明

参考附图和以下描述，可以更好地理解根据本公开的一些实施例的系统、装置和方法的原理和操作。这些图仅出于说明的目的而给出，并不意味着限制。

图1A-E示出了一些实施例的配置用于捕获气体/气流中的悬浮颗粒的涡旋分离器的示例性图示；

图2A-B示出了一些实施例的涡旋分离器的示例性图示，所述涡旋分离器具有到储存器的多个连接并配置为捕获气体/气流中的悬浮颗粒；

图3A-K示出了一些实施例的包含配置用于捕获气体/气流中的悬浮颗粒的涡旋分离器的组装阵列的整体片材的示例性图示；

图4A-C示出了一些实施例的形成包含使用两个冲压层的涡旋分离器的组装阵列的整体片材的过程的示例性图示；

图5A-K示出了一些实施例的形成包含使用多个层的涡旋分离器的组装阵列的整体片材的过程；

图6A-B示出一些实施例的涡旋分离器片材的示例性图示，包括配置用于在使用片材形成涡旋式洗涤器时进行打褶的毛坯条；

图7A-D和8A-C描绘了一些实施例的计算流体动力学(CFD)模拟结果，示出了在不同尺寸的涡旋分离器中正被清洁的空气的流动路径、速度和压力；

图9A-B示出了一些实施例的配置用于捕获气体中的悬浮颗粒的另一个涡旋分离器的示例性图示；以及

图10A-I示出了一些实施例的由所述涡旋分离器形成的替代性涡旋分离器和空气洗涤器的整体片材的阵列的示例性图示。

具体实施方式

在一些实施例中，旋风分离器或涡旋式洗涤器可用作从气体(例如室内空气)中去除悬浮固体颗粒(例如污染物)的机构。可以引导注入到诸如但不限于圆柱体或圆锥体容器的容器中的气体(例如室内空气)，以沿容器的边缘切向流动(即，当螺旋向下时沿着壁成圆形)。在一些实施例中，气体然后可以垂直地离开容器，例如沿着圆柱体或圆锥体的中心轴线。当在容器内循环时，进入的气体可以形成涡旋或旋风，其中离心力将一些或全部悬浮颗粒推向边缘，并且排出气体以减少量的悬浮颗粒离开容器。

在一些实施例中，可以包括洗涤液(例如，根据一些实施例的非水)，由此液滴与涡旋分离器内的空气接触。液滴可以从气体中捕获细颗粒和分子，并且离心力将液滴推动到容器的内壁，之后再使用液滴(含有诸如污染物的固体颗粒)。

在一些实施例中，容器可以包括配置为容纳洗涤液的储存器，当涡旋或旋风形成时，所述洗涤液可以作为液滴的来源。所述储存器可以是旋风式洗涤器的底部，或者可以是通过一个或多个开口连接到洗涤器的单独的储存器。在捕获悬浮的固体颗粒之后，储存器也可用于收集液滴。

在其他实施例中，液体可以在旋风或涡旋式洗涤器的操作期间以连续的方式供应(即，不重新使用)，并且这种恒定的或持续的供应可以由机构提供，所述机构包括至少液体的来源、迫使液体通过喷嘴进入旋风分离器的泵以及收集废液的排放组件。

参考图1A-E，在一些实施例中，描绘了配置用于捕获气体中的悬浮颗粒的涡旋分离器100的示例性图示。图1A示出了涡旋分离器100，涡旋分离器100包括配置成促进形成涡旋的涡旋室110、流体入口120和储存器130。尽管图1示出涡旋室110为锥形，但是涡旋室110可以具有各种形状，这些形状配置成当气体经由入口120进入涡旋室时形成涡旋，并且围绕涡旋室110的轴线旋转。例如，涡旋室110可以是圆柱体或具有圆柱对称性的任何其他涡旋室，即圆形内表面，其允许气体围绕纵向(竖直)轴线旋转并导致形成旋风或涡旋。在一些实施例中，涡旋室可以是锥体、圆柱体或其分段组合(即，同心的、拼接的圆锥体和圆柱体部分的组合)。在一些实施例中，旋风分离器的顶部部分可以是圆柱体的，在其下面可以是截头圆锥体，随后是另一个圆柱体。在一个实施例中，旋风分离器的顶部部分是圆柱体的，在其下面是截头圆锥体，随后是另一个圆柱体。在图1A中，气体可以通过流体入口120进入中空锥形涡旋室110，然后其在涡旋室110内部循环，形成旋风，然后通过出口180离开。流体入口120可以位于洗涤器100的切向侧上的任何期望的位置，包括沿着涡旋室110的唇缘的顶部上的任何位置。其也可以位于涡旋室110的切向侧上的任何位置，但是在顶部边缘以下。在离开之前，悬浮在气体中的颗粒可以从气体中分离出来并沉降下来；因此，经由出口180离开的气体可以包含比通过流体入口120进入的气体更少的悬浮颗粒。例如，随着空气的循环，颗粒可能经历离心力，将其朝向内壁并向下推送到涡旋室110的底部，在该处可以放置配置为捕获沉淀颗粒的中空容器或储存器130。在一些实施例中，涡旋分离器100可以不连接到储存器130，而是可以将涡旋室110的底部用作沉淀颗粒的容器。

为了有效性、便利性、效率和成本等原因(至少前述中的一个)，人们可能希望大幅度减小涡旋分离器100的尺寸，同时仍保持来自涡旋分离器100在处理大风量和去除悬浮在空气中的细颗粒方面的期望水平的性能。使旋风分离器的直径小型化的重要原因是通过获得相当高的离心力来使细颗粒分离。质量为m的颗粒的圆周运动的离心力由下式给出：F_c＝mv²/r，其中v是颗粒的速度，即涡旋室110中气体的局部速度，r是圆形路径的半径。这样，当速度v增加时，悬浮在旋转气体中的颗粒推离圆形路径的中心轴线朝向边缘，即朝向涡旋室110的内表面，导致这些颗粒朝向底部(例如储存器)沉淀。在一些实施例中，速度的大小可以基于产生期望驱动压力的可用基础结构来确定，所述期望驱动压力又将确定旋风分离器内的流速。通风系统中可用的压力通常在10—2500帕斯卡(Pa)的范围内，相当于0.04”—10.0”水位表(英寸WG)，更典型地在100—500帕(0.4”—2”)之间。可以使用风扇、鼓风机等产生每分钟从约几百到约几千米范围的速度。速度的大小可以在从约200m/min到约5000m/min、约400m/min到约4000m/min、约500m/min到约2500m/min、约750m/min到约1500m/min、约1000m/min的范围内，包括其间的所有值和子范围。

增加离心力以分离和除去悬浮的细颗粒的另一种方法可以是减小圆形路径半径r；换句话说，减小涡旋室的尺寸。涡旋室尺寸的减小量可以取决于人们希望从旋转的气体中去除的悬浮颗粒的尺寸。例如，亚微米颗粒(即具有小于约1微米的平均尺寸(以半径、直径、宽度或其他线性尺寸测量的尺寸)的颗粒)可以被直径低于约1cm的涡旋分离和捕获。因此，可通过涡旋分离器100和/或涡旋室110分离和收集微米或亚微米范围内(例如，小于约5000nm、小于约2500nm、小于约1000nm、小于约500nm、小于约250nm、小于约100nm、小于约50nm、小于约10nm，包括其间的所有值和子范围)的大小的悬浮颗粒，所述涡旋分离器100和/或涡旋室110的直径小于约10mm、小于约5mm、小于约3mm和小于约1mm，包括其间的所有值和子范围。

根据至少一些实施例，启发性地考虑到系统中的实际离心力的。例如，具有半径1mm(直径2mm)、速度10m/s的离心力约为10⁵m/s²，其约为10000g(g是重力加速度)。这样的半径具有将颗粒运送到收集它们的内壁的更短漂流距离的进一步优点。小型化在本公开的至少一些实施例中代表了微粒的涡旋分离适用性的关键特征和巨大变化。尽管单个涡旋室(根据一些实施例)通常承载非常小的气体通过量(例如，随着流量通过量减小了r²倍，1mm涡旋可能仅具有10cm涡旋的空气流量的1/10,000)，对于典型的通风系统所需要的流量可以从事于将大量的涡旋分离器布置在一起。涡旋分离器的这种构造可以维持甚至提高悬浮颗粒分离效率的同时服务更大的气体通过量。例如，图1B示出涡旋分离器190，该涡旋分离器190配置为用作形成大量多个涡旋分离器片材的几何单元格；图3A-B中示出了这种片材的例子。涡旋分离器190类似于图1A的涡旋分离器100，但是也可以包含底部表面160，其包括入口170，入口170配置为允许气体进入包括多个涡旋分离器190的旋风式洗涤系统。在一些实施例中，如图3A-B所示，当多个这样的分离器并排布置时，需要入口170。入口170的形状和尺寸可以设计成促进气体流入旋风式洗涤系统，以有效地洗涤气体。例如，入口可以是圆形的、矩形的、方形的等，并且可以具有从约1mm到约10mm、从约2mm到约8mm、从约3mm到约7mm、从约4mm到约6mm和约5mm的范围内的线性尺寸(例如，半径、直径、宽度等)，包括其间的所有值和子范围。在其他实施例中，线性尺寸可以小于1mm。在一些实施例中，涡旋分离器190还可以包括上表面150，该上表面150包括出口140，出口140配置为至少部分地与涡旋分离器100的出口180对准。如果没有底部片材，或者在旋风分离器与其相邻旋风分离器之间至少在其一侧上存在间隙，则可以不需要入口，例如，如图3E或4A所示。

在一些实施例中，人们可以通过使用一个或多个涡旋分离器190作为几何单位格以重复(并且可选地周期性)方式布置大量的阵列/多个涡旋分离器190来配置能够处理大的气体通过量的整体片状结构。在这样的实施例中，进入的空气冲击洗涤器片材的一侧，并且在除去进入的气体中的一些或全部悬浮颗粒之后，处理过的气体经由出口140/180离开片材的另一侧上的洗涤器。去除的颗粒可收集在容器或储存器130中。在一些实施例中，洗涤器片材可以以一个或多个储存器可以彼此流体连通的方式布置，以允许将所收集的颗粒输送到储存器之间(例如通过导管)。在一些实施例中，例如图3I-3K，多个涡旋室110可以共享一个或多个储存器130，在一些情况下由分隔器(未示出)划分，以保持有待收集于其中的悬浮颗粒的均匀分布和/或沉降。容器可以由多个连接成整体阵列的涡旋分离器共享，并配置成平行流体流动元件。例如，可以在涡旋室110的底部形成中空颗粒室，使得颗粒通过涡旋室110底部的开口落入该室中。然后可以连接多个锥形体的颗粒室以形成较大的共同颗粒容器(或“垃圾箱”)空间(参见例如图3K)。在一些实施例中，颗粒容器可以变成整个中空层。在其它实施例中，颗粒容器可以用壁分隔或中断，例如以促进颗粒的沉降(图3H)，或者可以将其配置为可替换的。在一些实施例中，储存器/容器可以是可分离的或可从涡旋分离器100的主体(即，涡旋室110)移除。在一些实施例中，储存器/容器可以不必与涡旋分离器的主体(即涡旋室)分离即保持可用性，从而允许去除和/或替换储存器/容器的内容物(例如，下面讨论的固体或液体试剂材料等)，而储存器/容器仍然是涡旋分离器的一部分。当储存器充满或更换储存器试剂材料时，主旋风分离器仍可以重新使用。

在一些实施例中，所公开的涡旋分离器100、190可以以重复的(在一些情况下是周期性的)方式布置，以形成过滤片。图1B的多个涡旋分离器可以布置在干燥过滤片中，其允许具有悬浮固体颗粒的气体经由多个入口170(或者图3E中的旋风分离器林场间)流过片，随后通过涡旋分离器入口120流入多个涡旋分离器190，在过滤的气体最终通过出口140释放在过滤片的另一侧之前。然后，由于每个涡旋分离器中的涡旋的离心力而从气体中分离和捕获的悬浮颗粒可以沉降到涡旋分离器的底部或连接到分离器的容器或储存器130。因此，这些片材用作过滤设备，因为片材接收污染的气体并释放净化的气体(即，比接收到的气体具有较少污染的气体)。图3A-B示出了包括多个以重复方式布置的涡旋分离器190以形成大的过滤结构的干燥过滤片的示例性实施例。作为说明，图3A-B的过滤片可以制造成封闭的，即允许气体仅通过入口350进入片(污染的气体)，并通过出口340离开(净化的气体)，如此，作为一个大型的、封闭的被动干燥过滤系统。在一些实施例中，过滤片可以是单一的整体结构，或者其可以包括多个整体片，其中至少一个片包括多于一个的涡旋分离器。

涡旋分离器在片材中的数量可能很大，特别是在现代制造技术的情况下。例如，如果涡旋在阵列上间隔为5mm，那么1m²(平方米)的平整片材就会有4万个元件。如果间距是2mm，一平方米的片材上将有多达250,000个涡旋。在亚毫米间距内，每平方米的涡旋数量是数百万。通过减小每个组成涡旋分离器的尺寸，人们可以至少提高过滤片的过滤能力，而不会显着增加其尺寸。

在一些实施例中，例如参考图1E，也可以在涡旋分离器的底部和/或在涡旋分离器的储存器中包括配置为增强空气净化性能的固体试剂材料116(其也可以称为颗粒或过滤颗粒)。这些颗粒可以包含催化剂、吸附剂、抗微生物剂、清洁剂等。

在一些实施例中，在涡旋/旋风分离器中捕获细颗粒包括在旋风分离器内形成喷雾或气溶胶的液体试剂，其可以捕获细颗粒。本公开的这些实施例称为湿式气旋式洗涤器系统(其可以简称为湿式洗涤器或湿式气旋式洗涤器——所有这些术语可以互换使用)。在一些这样的实施例中，图1B的多个涡旋分离器可以布置到湿式气旋式洗涤器中，该湿式气旋式洗涤器配置成使用液体擦洗污染的气体。如上所述，在一些实施例中，可以在旋风分离器或涡旋式洗涤器的操作期间经由外部供应机构和/或基础设施(例如，包括液体源、泵、喷嘴、排放组件和/或类似物中的一个或多个)提供这些液体。

在一些实施例中，包括洗涤液但不包括诸如源、排水管、泵等的外部液体供应基础设施的独立的“被动”湿式气旋式洗涤器实现“闭环”系统。图1C和1D分别示出涡旋分离器的示例形实施例，涡旋分离器包括涡旋室110(例如，涡旋分离器的锥体的底部部分)的至少一部分和一些或整个储存器中的洗涤液112。

在洗涤液112不由外部液体供应基础结构供应的实施例中，旋风式洗涤器可以是独立“被动”元件的形式，并且可以依靠外部引起的气流来启动旋风洗涤动作。例如，独立旋风式洗涤器可以包括具有切向入口和轴向出口的被动式旋风涡旋室，其中洗涤液储存器与流动的污染气体(例如，含有悬浮颗粒的气流)流体接触，并且配置使得在旋风分离器中外部引起的气流提升并携带至少一些洗涤液并产生用于捕获和分离悬浮在气体中的颗粒的液体流或气溶胶。这样的实施例的一个主要优点是很少或根本没有洗涤液112从湿式气旋式洗涤器中取出(与大部分外部提供洗涤流体的系统相反)。换句话说，在湿式气旋式洗涤器的操作期间，可以通过循环利用提升和雾化的液体以连续的方式返回并混合在储存器中，以此重复使用相同的洗涤液112。这是因为当液滴与污染的气体(例如，空气或含有悬浮颗粒的流体)接触时，颗粒被液滴捕获，并且液滴被离心力推向外壁(并且最终返回到储存器)，同时处理的气体从旋风式洗涤器的出口140或180出来。这样，洗涤液112可以在不使用导管、泵和阀的情况下连续可用，而且可以是无尽的来源，否则将需要补充液体。这可以用于减少或完全消除补充洗涤液112的需要，因为旋风分离器中的离心力将液滴分离时液体体积可以基本保持。在这样的实施例中，不仅消除了对液体管道和泵送基础设施的需要，而且还能够使用不是水的液体，否则将太昂贵而不能不断补充。

在一些实施例中，配置为增强过滤性能的湿式旋风式洗涤器中的洗涤液112和/或干式过滤器中的固体试剂材料116的选择可取决于多种因素，例如但不限于要从流动流体中去除的悬浮颗粒的类型、环境温度和压力、污染的气体和从涡旋分离器中释放的期望性质(例如，其湿度等)。在一些实施例中，空气清洁系统可以包含洗涤液和固体试剂材料。对于湿式气旋式洗涤器，在一些实施例中，水可以是合适的液体。在其他情况下，水的自然蒸发可能会限制其在非补给水储存器中的有用性。在一些实施例中，水(或任何其他液体)可以用去污剂、表面活性剂、抗微生物剂、催化剂、染料、盐、溶剂或任何其他添加剂(不管是否可溶)来增强。在一些实施例中，液体蒸发可以随时间减小体积，但是这可以通过使用诸如矿物油或硅酮的低蒸汽压液体代替水或除水之外还有该液体来减小。在一些实施例中，可以选择其环境温度下的蒸气压显着低于水温的液体作为洗涤液。例如，可以使用环境温度为约0.0001托到约10托、约0.001托到约1托、约0.01托到约0.1托(包括其间所有值和子范围)的蒸气压的液体作为洗涤液。人们也可以使用大部分具有低蒸气压的油和硅酮。例如，许多油的蒸气压小于水的一半，许多油的蒸气压远低于10托、低于1托、低于0.1托、甚至低至0.00001atm。可以用作洗涤液的流体的实例包括矿物油、硅油和植物油。可以用作洗涤液的硅酮的实例包括PSF-5cSt硅酮液，其根据制造商可以在25℃下具有1托的蒸汽压和具有甚至更低蒸汽压的PSF-50cSt硅酮液(来自Willow Grove，PA的Clearco Products Co.的硅酮)。尽管使用油和硅酮作为洗涤液可能比水贵，但是允许再循环洗涤液的封闭系统使其使用更为经济。另一个优点是与水不同，油和硅酮不会释放湿气到空气中，这在希望控制湿度的应用中是满足需要的，例如空气调节。在一些实施例中，洗涤液可以完全不含水。在一些实施例中，与其他液体(例如前述的油、硅酮等)相比，洗涤液可以包含少量的水。例如，洗涤液中的水分数可以小于约1％、小于约2％、小于约3％、小于约4％、小于约5％、小于约10％、小于约15％、小于约20％、小于约25％和/或类似分数的洗涤液总体积。

在一些实施例中，对于湿式旋风式洗涤器和/或干式旋风过滤器，诸如锥形物的涡旋室110或颗粒容器130可以在内部涂覆，填充或部分地填充有增强过滤性能的固体试剂材料116和/或液体试剂材料112。在一个实施例中，涂层或液体可以是具有粘合剂或抗微生物性质的材料，以改善捕获和保留细颗粒和微生物。在其他实施例中，可以将液体放置在涡旋室110(例如腔)的内表面内，以便在旋风分离器处于活性状态时，在侧壁上形成膜或喷雾或气溶胶，使得气溶胶颗粒改善捕获和保留细颗粒。低蒸气压和稳定性好的液体可以长期提高过滤性能。在装有液体试剂的涡旋室110的情况下，一旦试剂耗尽、消耗或需要更换，就可以再充填试剂。通过适当地配置在涡旋室110的壁中的开口或再填充端口可以促进再填充。

这样的实施例的一个有用的应用可以用于气体—气体分离。例如，在一些实施例中，可以将液体溶剂引入到每个涡旋室110中，其中一旦由于室中的涡旋而被激发成雾，则液滴可以用来溶解气体中的某些种类的分子。在其它实施例中，诸如吸附剂颗粒的固体试剂材料116可放置在可用于选择性捕获目标气体组分的涡旋室110内，这样的吸附剂的实例包括活性炭、分子筛、二氧化硅、粘土、氧化铝和/或任意其他合适的固体吸附剂。在一些实施例中，吸附剂颗粒可附着到涡旋室110的内表面，并提升以形成流化床。目标在于从流体流中去除的种类的实例包括粉尘、病原体、污染物、过敏原等。例如，所公开的涡旋分离器可以设计为来完全机械地(即，利用旋风效应，其中种类被洗涤液的雾化液滴捕获和沉淀)和/或辅助地通过存在化学活性的抗微生物液体或困在涡旋中或涡旋室110的内表面上的固体，特别地去除这种物质。

参考图2A-2B，在一些实施例中，涡旋分离器200的涡旋室110可以经由多个开口或连接而与储存器210流体连通。流体连通可通过合适的开口来促成，例如在涡旋分离器200的底部末端或沿着上部边缘，或沿着其圆柱体或圆锥体表面的任意位置。例如，当存在两个导管时，一个导管可以用作入口导管205，用于使容纳在储存器210中的洗涤液进入涡旋室220，而另一个导管可以用作出口导管207，以允许液体用于捕获(污染气体的)悬浮颗粒回到液体储存器210中。在这种类型的构造中，洗涤液的连续循环可以由污染气体的流动引起。含有悬浮颗粒的污染气体可以通过入口201进入涡旋室220，形成旋风206，同时沿着涡旋室220的内壁循环，然后通过出口202排出。来自储存器210的洗涤液可以通过下部连接或导管205进入旋风腔，由于由含有悬浮颗粒的气体产生的涡旋，其可以如箭头206所示那样诱发循环。在循环的同时，洗涤液然后可以从入口导管205上升到出口导管207，同时还由于圆周运动的离心力而推向涡旋室220的壁。当它到达腔的顶部时，它可以推出并返回并进入(208)到储存器210中，在那里它与储存液的其余部分混合并最终流回入口导管205中。这样，只要有气体通过入口201流入涡旋室220并在涡旋室220中形成涡旋之后通过出口202流出，就会发生洗涤液从储存器210通过入口导管205到涡旋室220的连续流动，随后通过出口导管207流回到储存器210中。

在这样的实施例中，液体可以循环使用一段延长的时间而不需要更换，从而导致在储存器210中由洗涤液捕获并浸没或溶解在其中的颗粒和污染物的逐渐累积。随着洗涤液中颗粒/污染物的浓度增加，浓度可能最终达到洗涤液的理想清洁性能或流动性能可能受损的程度。在这种情况下，人们可以移除并重新充注洗涤液(可选地或者另外地，可以更换整个旋风元件)。根据涡旋分离器的生产成本，后者可能在许多情况下更容易且更具成本效益。洗涤液的使用寿命可以取决于捕集的污染物的量以及液体储存器210中的洗涤液和其他固体和/或液体试剂材料的总量。一般而言，进入的流体/气流中的颗粒浓度越高，储存器210中捕获的颗粒的累积将越快。流体/气流、压力差、气液摩擦和液体特性都可能有助于这种均等液体的旋风分离器的动力学。重力也可以发挥作用，特别是在影响进入和离开储存器210的液体的流动以及涡旋室220内部的液体和气溶胶的流动方面。

参考图2B，在一些实施例中，旋风分离器通常垂直放置，使得重力最终起到在涡旋分离器200的底部或者位于涡旋分离器200的底部的容器中收集和维持分离的颗粒的作用。例如，当由多个以某种重复和周期性方式排列的涡旋分离器200形成片材时，涡旋分离器200相对于整个平面片材的方向可以是垂直的，或者可以远离垂线倾斜。在某些实施例中，可以将涡旋分离器200水平定位或者至少基本上朝向水平方向倾斜。从垂直(竖直)方向测量的倾斜角可以从约0度到约90度、从约0度到约30度、从约30度到约60度、从约60度到约90度内变动，包括其间的所有值和子范围。在一些实施例中，片材内的涡旋分离器200(例如，即如图2A-B所示的多个涡旋分离器)的水平方向(约90度的倾斜角)允许片材自身竖直站立，如果进入的空气蒸汽是水平的，则这可以是优选的配置。

在一些实施例中，涡旋分离器200可以平躺放置，即，圆柱轴线大致沿着它们的过滤片的共同平面定向，其中切向入口全部通向平面的一侧，而轴向出口通向平面的另一侧。与垂直涡旋分离器片相反，这可以称为“平面内”旋风片。更一般地，涡旋分离器200对平面的方向可以是从垂直到平行的任何角度。如下面将更详细地讨论的那样，打褶可应用于平面内的旋风片，以获得打褶的益处，例如利用垂直的褶皱线。在这种配置中，所有涡旋分离器200具有相同的取向，而不需要反转旋风分离器或毛坯段。用来塑造和形成整个片材的其他方式是可能的。在一个实施例中，片材本身可以形成为具有平面内旋风分离器的垂直圆柱体；这种构造允许圆柱体用作圆柱过滤器，空气沿着圆柱体内部轴向进入并径向离开。它可以与垂直打褶结合使用。由大片涡旋元件形成的这个大圆柱体不能与可能形成这些涡旋元件中的每一个的小圆柱体相对应。

在一些实施例中，涡旋分离器200的倾斜也可以促进固体或液体试剂与形成在涡旋室200中的涡旋的相互作用。例如，在涡旋分离器200充有液体或固体试剂(即，涡旋室的内表面可以包括液体或固体试剂，所述液体或固体试剂配置为促进捕获和分离诸如灰尘、污染物等悬浮颗粒)的情况下，水平方向可用于防止试剂材料沉降在旋风分离器的底部，从而减少其与流过旋风分离器的空气的相互作用。涡旋分离器200的倾斜导致试剂材料沿着旋风分离器的下边缘而不是其下部尖端沉降，并且循环气体用于不断地提升和再分配试剂——无论是液体还是颗粒——并且增加其与空气的相互作用。例如，范围为约5度到约75度、约15度到约60度或约30度至45度，包括其间的所有值和子范围的倾斜角(相对于涡旋分离器200的竖直轴线或纵向轴线)可增强液体和固体试剂与漩涡气体形成的涡旋的相互作用。

如上所讨论的，小型涡旋分离器允许悬浮颗粒与循环气体的有效分离。然而，如上所述，使涡旋分离器小型化可能导致洗涤器容量的减小，即，小的涡旋室可能承载小得多的气体通过量。增加容量的一个解决方案可以是将多个小型涡旋分离器布置成能够处理期望量的大的气体通过量的大型片材，同时仍然使用小型化的洗涤器或过滤器的增强的清洁或过滤能力来分离来自气体的悬浮颗粒。因此，为了克服小型涡旋式洗涤器/涡旋室，包括锥体、锥体结构或圆柱体(其可以称为旋风结构)的小通过能力，可以构造非常多数量的并行旋风分离器，使得总的气流符合系统的需求。例如，如果旋风式洗涤器的端口是毫米级的，空气速度与1000立方英尺/分钟(CFM)旋风分离器的空气速度在相同的范围内，那么这种小型旋风分离器的数量可能必须在10⁵—10⁶个或更多，以获得相当的总空气流量。在一些实施例中，小型旋风分离器的数量可以在约10²到约10⁸、约10³到约10⁷、约10⁴到约10⁶、约10⁵的范围内，包括其间的所有值和子范围。

图3A-K示出了基于使用平面制造技术、3D打印、注塑和/或类似的技术制造结构上配置为包含小型涡旋分离器(以下统称为旋风形成结构310)的整体片材300的大量小型旋风分离器或涡旋分离器的组件的示例性实施例。在一些实施例中，片材300包括形成二维矩形阵列的连续单元(其可以是相同的)的重复几何图案。尽管图3A-B示出了以相同的周期性或重复的方式布置的小型旋风形成结构310，但是应该注意，可以使用旋风形成结构310的任何布置来形成整体片材300。例如，片材可以包括一些旋风形成结构310，其相对于片材/阵列的平面垂直取向，而其他为水平取向，或者可以以任何角度倾斜。此外，旋风形成结构310之间的间隔可以在单片内变化，即，旋风形成结构310的布置可以是周期性的(例如，片材300的一些区域可以具有周期性布置的旋风形成结构310，而其他区域是稀疏的或者不包含)。在一些实施例中，每个旋风形成结构310可以是毫米级涡旋分离器，并且整个片材300可以切割成任何期望的尺寸以用作平面空气过滤器。在一些实施例中，片材300可以不是整体的，而是可以包括多个整体片材300。

图3C-K中示出了显示包含大量涡旋分离器的大型过滤片材的形成的其他示例性实施例。图3C-D示出了具有圆柱体(或半圆柱体)和圆锥体轮廓的组合的示例涡旋分离器360，该圆柱体(或半圆柱体)和圆锥体轮廓的组合配置成当气体通过入口350进入涡旋分离器360时，有助于产生涡旋。图3D(以及3G和3J)显示涡旋的空心体积。图3F-G和图3I-J中示出了具有不同轮廓的其他示例，其示出了可以具有几种形状和轮廓，人们可以将其用于涡旋分离器，如果当气体流入涡旋分离器的室时，形状和轮廓有利于形成涡旋。当气体进入涡旋分离器360时，其面对锥形入口端口340，该入口端口340将气体引导为围绕涡旋分离器360的中心轴线的逐渐的和环形的流动。这样的流动有利于在涡旋分离器360的室中产生涡旋。在一些实施例中，入口端口的斜率可以改变以控制进入涡旋分离器360的气体流量，从而减小流动阻力和湍流。此外，如前所公开的，涡旋分离器的尺寸可设计成支撑具有超小直径的旋涡，从而悬浮在气体中的颗粒所经历的离心力非常高。例如，涡旋分离器和涡旋的直径可以在约1mm到约10mm、约2mm到约8mm、约4mm到约6mm等的范围内。涡旋分离器的小尺寸可以限制可通过分离器处理的气体通过量。然而，在一些实施例中，大量的涡旋分离器360可以以重复的方式布置到能够处理(handling and treating)大的气体通过量的整体式过滤片材370中。比如，可以布置(例如，以重复和/或周期性图案)约10²到约10⁸、约10³到约10⁷、约10⁴到约10⁶、约10⁵个涡旋分离器以形成能够处理大的气体流量(例如，约100CFM、约1000CFM、约2500CFM等)的整体式过滤片材。图3E和3H显示了包含大片涡旋分离器的这种整体式过滤片370的示例性实施例。在这个特定实施例中，每个涡旋分离器连接到在单块内配置的单独的储存器，用于接收捕获的固体颗粒和/或包含用于旋风式洗涤污染气体的洗涤流体。在这个实施例中，示出的另一个特征是在那之间使用具有间隙(“街道”)的整体排。空气通过这些间隙流到这些整体排的侧面的切向入口。在一些实施例中，过滤片材可以包括多个整体片材，每个整体片材包含大量的涡旋分离器。

在图3K中，多个涡旋分离器共享单个大储存器，允许涡旋分离器之间流体连通。在某些情况下，可能有几个储存器，其中至少有一个储存器可被多于一个涡旋分离器共用。在一些实施例中，共享储存器可具有配置为辅助沉积在储存器中的捕获的固体颗粒的均匀分布和沉降的分离器(例如，部分或完整)。

如图3A-B所示，整体片材300包括多个涡旋分离器190(例如，图1B)，所述涡旋分离器190以从平面片材的一侧接收气体并在相对侧上释放处理过的气体的方式布置。要注意的是，尽管平面片材包括多个图1B的涡旋分离器190，但是在一些实施例中，平面片材300可以是整体片材。例如，如图4A所示，片材300的上平面320可以是穿孔(即，具有开口、孔)的单个平坦的平面，其中孔可以与涡旋分离器100或190的出口180(例如，图1A)同心地对齐。类似地，底部平面330可以是包含一系列入口170的整体式平面，用于允许气体进入洗涤系统进行处理。虽然整个结构是根据其单元格的几何重复来理解的，但是这些阵列的整体实现是有用的，并且在一些情况下对于促进大量非常小的特征的实际制造和部署非常重要，这非常类似于单片集成电路(“半导体芯片”)是大规模数字电子产品的必要促成者。

在一些实施例中，整个片材300可以代表可以由任何合适的塑料、树脂、聚合物、金属、纤维基材、玻璃、陶瓷、结晶固体、有机材料、复合材料等通过注射成型来批量生产的单个整体单元。整体片材300可以由穿孔的上平面320和向下延伸的小型中空圆锥体来限定，并且适当的开口配置为用于空气流入和流出圆锥体。片材的尺寸仅受模具成本和注塑流动参数的限制。较大的片材可以通过将几个较小的片材放在一起简单地配置。例如，如果单元格(例如，图1B的涡旋分离器190)是2mm×2.5mm的矩形，则每平方厘米有20个格，每平方米有20万个格。尽管可能将整个平方米片材制造成整体结构，但是可以更容易地组装每个50cm×50cm的整体片材的4片片材。在一些实施例中，可以制造尺寸在亚毫米范围内的单元涡旋分离器。例如，单元涡旋分离器的宽度和长度可以在约0.1mm到约5mm、约0.25mm到约2.5mm、约0.5mm到约2mm、约1mm到约2mm的范围内，包括之间的所有值和子范围。

在一些实施例中，整体片材可以通过单元格的重复几何图案形成，其中每个格可以包含多于一个涡旋分离器和/或涡旋室。多个涡旋分离器可以共享共同的入口，以便于空气流入洗涤器(同样，关于共同的出口开口，便于处理的流体从洗涤器中流出)。例如，共同入口开口可以功能性连接到每个涡旋分离器的入口170。在一些实施例中，多个涡旋分离器可以共享共同的出口开口，以允许经处理的气体离开洗涤系统。例如，共同出口开口可以功能性连接到每个涡旋分离器的出口180。在一些实施例中，全体多个洗涤器可以在几何上重复，以形成任何期望尺寸的大片材。在这样的实施例中，每个涡旋分离器可以如所希望的那样小，促进从循环气体中有效地洗涤悬浮颗粒。作为一个具体的示例，四个锥体可以在下平面上具有共同的开口，以将进入的空气馈送到四个锥体中的每一个中。可选地，四个锥体在上部位置也可以具有共同的开口，允许释放经处理的空气。然后可以在几何上重复整个四锥体单元格，单元格之间的小间隙用于空气进入入口，以形成具有任何所需尺寸的大片材，而锥体可以根据需要尽可能小，以实现有效分离细颗粒。

虽然上述讨论涉及塑料注塑成型作为制造旋风洗涤片材的制造工艺，但是在一些实施例中，也可以使用其他技术来制造片材。最初，模塑可以不限于塑料或注塑成型，而是可以应用于可以形成预设模具并随后硬化或固化的任何柔软或可锻材料。此外，除注塑成型之外的替代制造工艺还包括三维打印，也称为增材制造。它可以用来实现非常高的精度和精细特征，远低于100微米，并且允许生产亚毫米级旋风分离器的整体阵列(例如线性尺寸范围从约0.01mm到约5mm、约0.05mm到约2mm、约0.1mm到约1mm、约0.5mm到约1mm，包括其间的所有值和子范围)，每平方米具有数百万个格。

另一种制造技术可以是一类平面成形或铭印工艺中的任何一种。它可以包括分别铭印的两层或多层，然后对齐和连接。热成型、真空成型、压花、冲压和纳米铭印都是在平面材料中创造重复的几何和形貌特征的低成本工艺，并且可以实现极高的重复精度和高分辨率，在某些情况下远低于一微米。片材材料可以是任何合适的材料，包括塑料、金属、复合材料、纤维或其它材料。使用机械压力、真空和热量中的任何一种，在硬质印章中形成这些特征，转移到平面片材上。这个过程不仅可以使大面积的图案快速成型，还可以用于连续的卷对卷生产。

在一些实施例中，这些制造技术中的任何一种可以与其他制造技术中的一种或多种相结合来制造擦洗清洁系统的部件。例如，可以通过注塑成型分别形成两层或多层，然后将它们彼此附接以形成完整的结构。它们可以通过粘合剂、焊接或者(如果设计合理)简单的机械附件(“扣合”)来连接。在另一个示例中，注塑成型的锥体元件可以作为单独件来大量生产，然后以延伸的卷对卷工艺对准并附接到穿孔片材。

图4A-C示出了形成期望尺寸的过滤片材的混合的、2层工艺的原理。层440和450可以通过任何合适的技术来生产，包括热/真空成型、冲压、压花和/或类似技术。顶层440可以对应于整体片材300的上平面320，而下平面450可以对应于涡旋分离器的涡旋室310的至少一部分。本领域技术人员将认识到，层不需要用相同的技术制造，例如440可以通过真空成型而450通过注射成型来制造。图4B特别示意性地示出了两个层的附着，以形成具有涡旋分离器的整体式过滤片材。在一些实施例中，可以添加形貌特征480、490以引导两层440、450在附接之前的精确对准。可通过粘合剂或通过热、压力或超声波焊接进行的焊接来促进附接。在一个实施例中，可以使用多片材热成形来形成并附接各自具有其自身结构的两个片材材料。这些平面工艺中的一些可以在连续卷上实施，这是一种在低成本塑料包装生产中已知的技术。这种通用的多层形貌方法可以实现多种变化，并且可以在几乎任何尺寸下工作，包括在微米范围以下(例如，当洗涤系统的线性尺寸低于一微米时)。在一些实施例中，所得到的片材可以是刚性的或柔性的。然后可以将柔性片材配置成形成紧凑的过滤器或洗涤器，例如通过折叠、打褶、形成V型槽结构、滚压成圆柱体或任何其他形状，从而允许增强和有效地过滤或洗涤气体，同时通过涡旋分离器最小化所占据的体积。

图5A-5H更详细地示出了根据一些实施例的使用三层形成包含涡旋分离器的组装好的阵列的整体片材的过程。虽然附图显示了三层，但是应该注意，过滤或旋风式洗涤器片材原则上可以由任何数量的层(例如，1、2、3、4、5、6等)形成。类似于由两层形成的片材的实施例，可以使用上述制造技术中的任何一种来形成三层片材(并且实际上包含任意数量的层)。在一些实施例中，可以使用单一技术(例如，平面冲压技术)来生产每个片材。在这个例子中，片材全部利用真空成型制造技术来制造。图5A-5C详细地示出了通过连接3个真空成形层而制成的单个涡旋元件的设计。图5D-5F显示了如何通过附着层来制造小阵列(9个元件)：图5D示出了附着的三个层，而图5E-5F示出了附着之前各层的分解图。最后，图5G-5H说明了如何将结构扩展到大型阵列，在可扩展性方面基本上是无限的。

然而，在一些实施例中，可以使用不同的技术来生产片材的不同层。特别地，情况可能是这样，当一些层可以具有平坦的2D结构时，而其他层本身是3D形状，其不易通过简单地使平面变形而产生。例如，图5I-5K显示了包括顶部2D平坦层和两个3D底部层的三层过滤或洗涤片材。在这样的实施例中，例如，真空成形工艺和/或打印/冲压可以用于顶层，而注塑可以用于底部两层。制造技术的选择可以由诸如所需的形状和公差、成本效益等原因来驱动。图5K示出了四层过滤或洗涤片材的示例性实施例。

在一些实施例中，可以使用旋风洗涤片材的打褶来最小化过滤器或旋风式洗涤器的体积，同时仍然保持有效和增强的气体清洁性能。如在图6A中示意性示出的，例如，可以通过附接上层630和下层640来形成涡旋分离器。然而，在制造涡旋片材600时，上平面630的区域(610)可以不具有特征或者穿孔。也就是说，例如，一半的片材可以留下“空白”，即只有没有旋风分离器以及没有气道的平片褶。并且在下部片材640的与不存在的穿孔对齐的区域中，在一些实施例中，对应于涡旋室的特征(例如诸如锥体、出口等的特征)也可能缺失。这样，当通过一种或多种上述制造技术将上平面630和下部片材640附接以形成涡旋分离器600片材时，存在诸如610的区域不包含涡旋分离器，而其他区域620包含涡旋分离器。因此，如图6B中示意性示出的那样，旋风分离器的整个片材600可以以“之字形”或手风琴的形式打褶，从而允许连续的无旋风区域610和旋风区域620相互平行，并且因此增加可用于过滤或洗涤污染气体的整个系统的表面积(和流体流量)。片材中涡旋分离器数量的减少可以通过较高的打褶密度来平衡，而较高的密度则是由于整个洗涤系统的空间和厚度的减小。涡旋分离器阵列的片状特性使其自身具有这种褶皱以获得更多的表面积，即更高的旋风数和更高的空气流量。

在一些实施例中，打褶也可以允许过滤器单元定位在具有大致水平的褶皱的整体垂直方向上，适合于水平的气流，例如，如图6B所示。在主空气流动路径可以水平的系统中操作时，水平褶皱允许如前所示的垂直旋风分离器保持在垂直方向正交于重力。例如，污染气体650可以在水平方向上进入整个片材，而涡旋分离器670具有正交的垂直方向(例如，相对于重力)，并且处理过的气体660仍然可以在水平方向上流出。此外，在打褶配置中，打褶表面的一半可能是“倒置的”，这将使得这些部分中的旋风分离器倒置，并因此可能不起作用。这可以通过几种方式解决。在一个实施例中，在制造时，预期到褶皱构造，旋风分离器的一半倒置在片材中。打褶后，所有的旋风分离器都可以垂直于地面。在这种配置中，可以注意使得颠倒的旋风分离器的入口和出口位于通用片材的相反侧，使得在它们翻转之后，它们可以接收相对于片材在特定方向上的气流。

参考图7A-D，在一些实施例中，提供了显示具有8mm(图7A-B)和4mm(图7C-D)的顶部边缘直径的小型涡旋分离器的流动路径、速度和压力分布的计算流体动力学(CFD)仿真结果。在模拟过程中，在入口和出口之间建立约100帕的静压差(即100帕的驱动压力)的模型。模拟结果表明，对于在100帕驱动压力下的这些几何尺寸，旋风分离器的典型速度在4–8m/s之间。图8A-C示出了甚至更小的涡旋分离器的速度结果，约4mm(图8A)和约2.5mm(图8B)的顶部边缘直径具有约250帕(＝1”水位表压力)甚至更高的驱动压力。图8C显示了这些条件下的预期漩涡速度。在这些实施例中，颗粒容器或储存器被分隔以减少容器内的气流。图7A-D和图8A-C的分析允许优化入口和出口形式以及锥体的形状(例如，斜率)。此外，结果提供了对于各种驱动压力的流体流速以及向心加速度(对应于涡旋室中的离心力)的可测试值，并且可以用于预测各种颗粒尺寸的颗粒捕获效率。图11A-11B展示了具有不同设计的各种涡旋阵列过滤器的实验结果。图8A的结果显示了空气流量与压降之间的关系，而图8B显示了颗粒捕获效率与颗粒尺寸的关系。结果与计算模型充分相符。

尽管前面关于涡旋分离器的讨论集中在圆锥涡旋室上，但是在一些实施例中，涡旋分离器和/或涡旋室可以具有促使流体流动形成涡旋的任何结构。此外，讨论集中在涡旋分离器上，其中用于释放处理过的气体的出口位于洗涤器的顶部(即，处理过的气体在离开洗涤器时与重力相反地行进)。在一些实施例中，例如参考图9A-B，涡旋分离器旋风元件可以颠倒，使得空气出口可以在底部。在图9A-B中，旋风腔(旋涡分离器腔)是简单的圆柱体(尽管也可以制成圆锥体或具有锥形和圆柱体部分的多节)。受污染的气体通过靠近顶部的入口710进入(在这种情况下显示为软管适配器，但可以是简单的开口)。气体沿着圆柱体的外部例如740向下流动，并且通过圆柱体760的底部处的入口750切向进入圆柱体760。在圆柱体内，气体向上循环，如虚线箭头所示，并且最终向下流出并通过圆柱腔体中间的同心出口管720。液体储存器730具有在圆柱体下方的部分，并且也在图中圆柱体的右侧上示出为竖直地延伸，并且部分地填充有洗涤液。

圆柱体底部有开口通向储存器，液体通过开口进入圆柱体。根据空气压力和流率以及储存器中的液体量，几个力可能有助于将液体吸入圆柱体中。这些力包括但不限于伯努利效应、空气对液体的阻力以及液柱的静水压力。洗涤液可以通过循环空气流以气雾剂形式以向上螺旋(如虚线箭头所示)(例如780)运送。在圆柱体的上端有通向储存器的开口，在那里液体被推出并返回到储存器中，例如770。

开口的尺寸和形状可以根据例如气流速度、液体性质和/或圆柱体的整体尺寸而变化。在一个实施例中，开口是旋风分离器腔体的侧壁中的多个小孔。在另一个实施例中，开口是基本上水平的细长狭缝，使得液体在到达该开口的高度时排出。在另一个实施例中，开口垂直延伸，允许液体相对于涡旋分离器(旋风分离器)在一定高度范围内排出。在又一个实施例中，圆柱腔体的整个顶部通向与储存器连通的空间。

旋风分离器腔的内壁可以是平滑的或可以包括形貌特征。光滑的表面对于将固体颗粒和液滴沉积在壁上并由此将其与通过同心出口排出的气流分开是理想的。另一方面，纹理和特征可以促进液体连续转化成气溶胶，从而增加了从气流中捕获固体颗粒的能力。在一些实施例中，内壁的某些部分可以纹理化，而其他部分是光滑的。在一些实施例中，配置成协助俘获悬浮在循环气体中的颗粒的液体和/或固体试剂材料可以沿着内壁定位。

所示单元的大小可以从非常大到非常小。在一些实施例中，整个旋风洗涤元件的总高度可以在约0.5mm到约25cm、约1mm到约20cm、约50mm到约15cm、约500mm到约15mm、约1cm到约10cm、约5cm到约10cm的范围内变化，包括其间的值和子范围。类似地，同心出口管的高度可以设计为实现最佳的空气清洁，同时最小化可以收集到出口处由此逸出的液滴量。在一个实施例中，出口管可以是圆柱体高度的约10％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％，包括其间的值和子范围。

在这种“颠倒”配置中，涡旋分离器(旋风分离器)不必是精确的圆柱体，并且可以具有锥形斜面轮廓。它可以有圆锥体和圆柱体段的组合。在一些实施例中，出口管也可以具有圆锥形或锥形轮廓，例如在出口管的入口端口比出口窄的情况下，以提供良好的选择性而不会引起过多的寄生流动阻力。

通过若干设计特征可以实现减少液体通过空气出口的逸出。在一些实施例中，出口管延伸超过侧壁液体开口以使通过管逃逸的液体最小化。在一些实施例中，可以在腔内或在出口管周围或附近结合任何数量的挡板或挡水板，以阻止液滴向出口管行进。

在一些实施例中，人们可以使用如上面关于图3A-E和6A-B所描述的图9A-B的涡旋分离器形成阵列或片材，从而允许低成本、大规模生产的空气清洁组件，其可以根据现有的空气流放置，例如通风系统、空气处理系统或空气过滤系统中存在的空气流。例如，图10A-B示出了可以用作整体阵列的一部分的单个被动涡旋分离器元件，其中图10A示出了主要类似于图9A-B但在顶侧具有平面入口810的外部结构以及底部的出口820。图10B示出与图10A完全相同的元件，但是处于半透明形式，示出了内部旋风腔以及液体储存器。图10C示出了图10A的半透明俯视图，其表示流体进入的方向(即，流体从顶部到底部流动，其中图像在元件的顶部向下看)。在一些实施例中，整个涡旋分离器元件的长度范围可以从约0.5mm到约15mm、从约1mm到约12mm、从约5mm到约10mm、约8mm，包括其间的值和子范围。

元件可以由任何合适的材料制成，包括各种各样的塑料、树脂、聚合物、玻璃、陶瓷、金属和任何其他可模制材料，并且元件的尺寸可以非常小。在一些实施例中，可以使用3D打印技术来制造整体高度具有约0.1cm到约5cm、约0.2cm到约2cm、约0.5cm到约1.5cm、约1cm范围的元件，壁厚范围从约0.05mm到约2mm、约0.1mm到约1mm、约0.1mm到约0.5mm、约0.2mm，包括其间的值和子范围。

在一些实施例中，人们可以使用如上面关于图3A-E和6A-B所描述的图10A-B的涡旋分离器形成阵列或片材。多个涡旋分离器元件可并排配置在单个整体片材中，其基本形成作为涡旋分离器的被动过滤器，其示例在图10D-E中示出，其中单元格为图10A-B的涡旋分离器。任何尺寸的阵列都可以用现有技术制造，例如注塑成型、热成型、真空成型、3D打印、光刻和任何其他合适的技术。此外，类似于关于图6A-B的讨论，由图9A或10A-B的涡旋分离器打褶形成的阵列或片材。图10F-G示出了与图9A和图10A中的至少一些方面类似的涡旋分离器的另一个实施例。在这些实施例中，在靠近出口1010的(涡旋分离器的)涡旋室的内壁中可以存在切口1020，气体通过该出口1010离开涡旋分离器。捕获悬浮在气体中的污染物的液滴然后可以流过切口1020朝向储存器1030，将涡旋分离器的洗涤流体与捕获的污染物一起返回到储存器中。如上面关于涡旋分离器的其他实施例所讨论的那样，这种系统允许涡旋分离器独立并且关闭。在这样的实施例中，人们可以使用更昂贵的洗涤流体，如果洗涤流体允许以至少实质的方式离开分离器，则这将是不实际的。图10H-I示出了基于图10F-G的涡旋分离器(包括顶层片材1040)形成单个整体片材旋风式洗涤器的示例性实施例。如上所述，可以通过利用许多上述制造技术来形成单个整体片材，例如但不限于真空成型加工、注塑成型等。

在一些实施例中，洗涤液可以在制造过程中通过入口或出口供应。在这个过程中液体的数量可以通过若干方式来控制。例如，可以使用与每个元件对齐并且分配所需量的液体的单独喷嘴阵列，将期望体积的液体分配到阵列中的每个元件中。

在另一个实施例中，可以将过量的液体开始分配到每个涡旋分离器中，并且精确的量可以通过精确地去除过量的量来实现。在制造过程中，可以在初始加料之后，通过根据角度和时间的规定的倾斜程序去除超过一定量的任何液体来去除过量的液体。多余的液体也可以通过在系统的某个特定的倾斜下用气流吹出来去除，其组合达到了所需的精度。

在一些实施例中，为了在运输和安装期间使充液保留在储存器中，人们可以将可移除的粘合剂膜或密封件施加到阵列或片材的一侧或两侧(例如图10D-E)。在阵列安装之前或之后，可以在阵列过滤器的安装位置处剥离该膜。在另一个实施例中，可以将多个片材紧紧地包装在一起，使得每个片材用于密封相邻片材的入口或出口，从而保护容器中的液体不会意外地泄漏或倾泻出来，直到片材在安装位置被拆开。可以在片材中设计形貌特征以便在片材堆叠和包装时有效地密封入口。

应该理解的是，虽然公开的实施例涉及空气的清洁(过滤、洗涤等)，但是实施例也可以应用于其他系统，例如但不限于其他气体以及其他流体(例如液体，如水等)。本公开的实施例的应用可以取决于待处理的流体的类型。例如，这些实施例可以应用于类似于其在空气过滤系统中的应用的水过滤系统。然而，在这样的实施例中，本公开的旋风过滤器或涡旋洗涤系统可能必须由更坚固的材料构造，因为例如流体流动可能需要比气体更高的压力和力。

在本申请的任何地方提出的对出版物或其他文件(包括但不限于专利、专利申请、文章、网页、书等)的任何和全部参考在此全文通过引用而全部并入。

本文已经描述了设备、系统和方法的示例性实施例。正如其他地方所指出的那样，这些实施例仅仅是为了说明的目的而描述的，而不是限制性的。其他实施例是可能的，并且由本公开所涵盖，这从本文所包含的教导下将是显而易见的。因此，本公开的宽度和保护范围不应限制于任何上述实施例，而应仅根据本公开所支持的权利要求及其等同物来限定。此外，本公开的实施例可以包括方法、系统和设备，它们可以进一步包括来自任何其他公开的方法、系统和设备的任何和全部元件/特征，包括对应于易位控制的任何和全部特征。换句话说，来自一个和/或另一个公开的实施例的特征可以与来自其他公开的实施例的特征互换，该特征又对应于其他实施例。此外，所公开的实施例的一个或多个特征/元件可以移除并且仍然得到可专利性的客体(并且因此得到本主题公开的更多实施例)。同样在本公开的一些实施例的范围内的是特定的缺少现有技术中可能存在的一个或多个特征。在这样的实施例中，可授予专利的权利要求可以包括否定的限制，以指示例如在某些公开的装置、系统和方法中的任何一个或多个中在现有技术中教导的一个或多个特征的缺乏。

Claims (44)

1.一种空气/流体过滤设备，包括：

多个空气/流体出口，所述多个空气/流体出口组织成一个或多个平面部分并且配置为允许所述空气/流体流经片材；

多个旋风室，所述旋风室对应于多个空气/流体出口，每个室包括旋风结构，所述旋风结构包括圆锥体、圆柱体或圆柱对称结构中的至少一个，包括切向入口以及在与所述片材连接的所述旋风结构的端部处的旋风出口；

其中：

每个切向开口与一个或多个平面部分的相应进入空气/流体侧处于空气/流体连通，以及

每个旋风出口形成或连接到所述一个或多个平面部分另一侧上的相应出口。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述旋风出口包括同心出口。

3.如权利要求1所述的设备，还包括多个配置用于与所述旋风结构空气/流体连通的容器。

4.如权利要求3所述的设备，其中每个容器配置为相应旋风结构的顶点部分的至少一部分。

5.如权利要求1-4中任一项所述的设备，其中每个旋风结构内的所述空气/流体流配置为在气流通过所述结构期间形成至少一个涡旋。

6.如权利要求5所述的设备，其中形成的涡旋配置为从所述空气/流体流中分离颗粒。

7.如权利要求6所述的设备，其中所述分离的颗粒接收在所述容器中。

8.如权利要求1-7中任一项所述的设备，还包括室，其中每个室包括多个旋风结构。

9.如权利要求1-8中任一项所述的设备，还包括多个中空管和/或锥体，每个中空管和/或锥体在两端都具有开口，并且配置为相对于第一平面或第二平面在大致垂直的方向上从每个相应的旋风出口延伸到每个相应的空气/流体出口。

10.如权利要求1-9中任一项所述的设备，其中至少所述多个室配置为整体结构。

11.如权利要求10所述的设备，其中所述整体结构配置为过滤器元件。

12.如权利要求10所述的设备，其中所述整体结构配置为滤筒。

13.如权利要求1-12中任一项所述的设备，还包括涂层或液体，其中所述涂层或液体布置或引入每个锥体或容器内。

14.如权利要求13所述的设备，其中所述涂层或液体配置为具有粘合性、抗微生物和/或气溶胶性质。

15.如权利要求1-14中任一项所述的设备，还包括过滤颗粒，其中所述过滤颗粒布置或引入所述旋风结构和/或所述容器内。

16.一种制造如权利要求1-15中任一项所述的过滤设备的方法，包括挤压、模制、成形和分层权利要求1所述设备中的至少一种。

17.如权利要求16所述的方法，其中权利要求1中的所述设备制造为整体结构。

18.如权利要求16所述的方法，其中分层包括增材制造。

19.如权利要求18所述的方法，其中增材制造包括三维打印。

20.如权利要求16所述的方法，其中分层包括平面制造。

21.如权利要求20所述的方法，其中平面制造选自由热成形、真空成形、冲压、薄片处理、光刻、压印、铭印、卷至卷处理或任何其它赋予形貌特征的合适的平面技术。

22.一种制造如权利要求1-15中任一项所述的过滤设备的方法，其中所述设备制造为多个层。

23.如权利要求22所述的方法，其中所述多个层同时或随后对齐和连接。

24.一种制造如权利要求1-15中任一项所述的过滤设备的方法，包括将预成型的旋风结构附接到片材上，其中所述空气/流体出口既能够预成型，也能够在附接之后制造。

25.一种空气过滤子组件，包括多个如权利要求1-15中任一项所述的空气过滤设备。

26.一种空气/流体过滤设备，包括：

多个组织的空气/流体流入口；

多个组织的空气/流体流出口；

多个室，每个室包括中空的旋风结构，所述旋风结构具有包括近似同心开口和切向开口的基部部分以及顶部部分；以及

多个容器，每个容器与所述顶部部分处于空气/流体连通；

其中：

每个切向开口与相应的空气/流体入口处于空气/流体连通，

每个同心开口与相应的空气/流体出口处于空气/流体连通。

27.如权利要求26所述的设备，其中每个容器配置为所述顶部的至少一部分。

28.一种从空气/流体流中分离颗粒的方法，包括：

在结构阵列中组织多个过滤室，所述阵列配置有适合用作HVAC或通风系统中的替换过滤器或滤筒的长度、宽度和厚度，

其中：

每个室包括中空旋风过滤器结构，所述中空旋风过滤器结构具有包括同心开口和切向开口的基部部分、顶部部分和容器，

每个切向开口配置为接收室内和/或室外气流的一部分，

旋风部分配置为形成用于气流的至少一个涡旋，所述涡旋配置为分离夹带在气流中的颗粒，

所述容器配置为接收分离的颗粒，以及

每个同心开口配置为在经受所述至少一个涡旋之后排出气流。

29.如权利要求28所述的方法，其中每个容器配置为所述顶部的至少一部分。

30.一种空气清洁设备，包括：

与液体储存器流体连通的气旋结构，

其中：

所述旋风结构包括具有近似切向空气入口和近似同心空气出口的大致圆柱形和圆锥形腔中的至少一个，

以及

所述液体储存器配置有至少一个通向腔的开口或通道，以通过所述气旋结构中的气流的作用将一部分液体从所述储存器吸入到所述旋风结构中。

31.如权利要求30所述的设备，还包括至少一个附加通道，其布置在所述腔和所述储存器之间，并配置为排出吸入到所述腔中的液体的至少一部分，并且将排出的流体返回到所述储存器。

32.如权利要求30所述的设备，其中允许液体从储存器进入腔的所述开口/通道接近所述空气入口，并且其中所述设备还包括第二通道，所述第二通道在所述旋风腔壁中包括至少一个开口并且配置为将液体从所述腔中排出。

33.如权利要求30所述的设备，其中所述液体经过由所述气流引起的离心力和压差中的至少一个排出。

34.如权利要求30所述的设备，其中所述液体在环境温度下具有比水低至少50％的蒸气压。

35.如权利要求30所述的设备，其中所述液体为硅酮或矿物油中的至少一种。

36.如权利要求30所述的设备，其中所述液体包括包含抗微生物剂、催化剂、表面活性剂、溶剂、盐、稳定剂、染料中的至少一种的添加剂。

37.如权利要求30所述的设备，其中所述液体储存器的至少一部分位于所述旋风结构的所述基部下方，并配置为在没有气流的情况下接收所述旋风结构的大部分液体。

38.如权利要求30所述的设备，其中所述腔的内壁包括多个突起和纹理化表面中的至少一个。

39.如权利要求38所述的设备，其中所述多个突起和/或纹理化表面配置为促进在所述腔中形成液体或湍流的气溶胶。

40.一种包括整体式旋风元件阵列的空气过滤系统，其中：

每个元件包括具有基本上切向的空气入口和基本上同心的空气出口的旋风腔，

所述阵列形成配置为具有布置在片材的一侧上的大部分所述入口和片材的另一侧上的大部分所述出口的所述片材，

每个元件与液体储存器流体连通，其中元件配置为使得每个元件中的进入空气的流动从所述储存器吸取液体，以在所述腔中循环并且与所述气流接触。

41.如权利要求40所述的系统，还包括布置在每个旋风腔和相应的储存器之间的附加的液体通道，所述附加的液体通道配置为排出所述循环液体腔的一部分并且将所述液体返回到所述储存器。

42.如权利要求40所述的系统，其中所述液体在使用之前或在所述系统组装之前最初包括在每个元件中。

43.如权利要求40所述的系统，还包括可移除的膜或密封件，所述可移除的膜或密封件布置成用于连接至所述片材的至少一侧，以在运输期间抑制液体。

44.一种基本上相似或相同的小型涡旋分离器的平面阵列，其中：

每个分离器包括旋风结构，所述旋风结构至少包括中空锥体、圆柱体或混合圆柱对称结构、切向入口以及旋风结构的端部处的同心出口中的至少一个；

所述阵列包括形成所述阵列元件的一个或多个连接层；以及

所述阵列配置为气流仅分别经由所述入口和所述出口从第一侧到第二侧。

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