CN116272211A - 一种介电电泳电极结构、制备方法及气体净化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种介电电泳电极结构、制备方法及气体净化装置，应用于流体净化、分离领域。本发明中的介电电泳电极结构包括陶瓷体，其中陶瓷体为高介电常数的圆柱结构的介电陶瓷，并在陶瓷体上设有垂直于其底面的中心通孔和阵列通孔，阵列通孔设于中心通孔与陶瓷体的外侧壁之间，中心通孔内壁和陶瓷体外侧壁均涂覆有电极层而形成中心电极和环形电极；气体净化装置包括设有进气口、腔体、出气口和集尘袋，其中腔体内部设置有前置滤网、风机和净化单元，净化单元包括介电电泳电极结构、安装结构和高频率的交流电源。本发明结构设计科学合理，结构简单、制作安装容易、成本较低，除尘效果好、效率高、清理容易，易于工业化批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及流体净化、分离技术领域，特别是涉及了一种介电电泳电极结构、制备方法及气体净化装置。
背景技术
随工业的快速发展，生态环境面临压力。重工业生产中，粉尘粒子的排放对空气污染不可忽视，特别空气中微小粉尘是形成雾霾的主要原因之一，因此需要对工业排气进行粉尘净化处理。同时，燃油汽车，特别是柴油机机车的气体排放需要对粉体粒子进行净化处理。
当前对气体中粉尘的净化技术中，主要有滤网式过滤净化器、高压静电除尘器、湿式除尘器等。滤网式过滤方式可以对大颗粒粉尘进行高效过滤，而当对超小粉尘进行过滤时，则需要过滤网具有小的孔隙，这样会造成风阻变大而减小净化效率，同时过滤网易于堵塞，滤网需要频繁更换；高压静电除尘则需要对粒子进行高压电离处理后才能进行吸附，耗能较大。中国的专利申请号201610168299.0公开了一种使用柱状介电电泳电极的家用空气净化器，在其背景技术中公开了静电除尘法，是利用高压直流电场产生使空气中的气体分子电离，产生大量电子和离子，然后在电场力的作用下向两极移动，在移动过程中碰到气流中的粉尘颗粒使其荷电，荷电颗粒在电场力作用向极板运动，实现固体粒子或液体粒子与气流的分离。工业上广泛应用的是管式电除尘器和板式电除尘器。静电除尘法与介电电泳技术(Dielectrophoresis，DEP)不同的是：(1)介电电泳操纵的是中性颗粒，使其由于介电极化的作用而产生的平移运动；电泳操纵的是电子和离子，使其负荷在粉尘颗粒上产生定向移动。(2)介电电泳中颗粒运动方向与电场的方向无关，只与其本身的介电常数和介质的介电常数有关；电泳中颗粒运动方向取决于颗粒所带电荷的符号和电场的方向，电场方向反转则运动方向反转。(3)介电电泳需要非均匀电场；电泳在均匀或非均匀的电场中都可发生。(4)介电电泳力的大小正比于颗粒直径的立方；电泳力的大小正比于颗粒所带电荷的多少。
另外，该专利技术方案也公开了包括外壳、柱状电极组件和风机组成的空气净化器，所述风机设置在外壳内部，所述风机的出气口设置在所述外壳的侧壁上；与所述出气口不同或相同的侧壁上设置入风口；与所述入风口对应的外壳内部设置柱状电极组件；柱状电极组件包括第一电极板及第二电极板，在第一电极板、第二电极板上均分布设置有柱状突起和孔位，第一电极板的柱状突起及孔位与第二电极板的孔位及柱状突起位置互补；第一电极板与第二电极板的带有柱状突起的突起面相对扣合后，其中一电极板的柱状突起嵌入至另一电极板的孔位之内；第一电极板和第二电极板分别连接高频交流电源的不同输出端，在第一电极板和第二电极板的非突起面上形成向外发射非均电场的作用面，所述柱状电极组件的第一电极板及第二电极板上均设置使气体通过的缝隙；所述柱状电极组件垂直于气流方向，或与气流方向有锐角夹角。在该方案中采用不同的电极板组成柱状电极组件，在电极板之间形成气流通道，但是不同电极板的柱状突起和孔位相互配合，柱状突起增加了风阻，影响空气流速，降低了空气的净化效率，并且柱状电极组件结构较为复杂，在对吸附的灰尘进行清理或者清洗时，需要拆解和重新组装，在清洁方面还存在一定的局限性。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种介电电泳电极结构、制备方法及气体净化装置。本发明中的介电电泳电极结构采用圆柱型的高介电陶瓷体为载体，并在圆柱型陶瓷体上设置垂直于圆柱底面的中心通孔和阵列通孔，而且在中心通孔和陶瓷体外侧壁均涂覆电极层而形成中心电极和环形电极，并将中心电极与环形电极与交流电源相连。本发明中的介电电泳结构在工作时，利用高介电陶瓷的在电场中高度极化的特点，使陶瓷体阵列通孔区域内形成高梯度变化的电场强度，从而增强介电电泳力对粒子的吸附捕捉能力。通过这种方式形成的介电电泳电极结构，对气体中灰尘粒子的净化率高，可以达到超级净化的效果，并且在净化装置使用时可以实现自动清洁；另外，陶瓷体中的中心通孔和阵列通孔采用直线式通孔结构，在陶瓷体制备时可以采用挤压的方式批量制备陶瓷坯体，制备工艺成熟，易于工业化批量生产。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下所述的技术方案：
一种介电电泳电极结构，其应用于流体净化、分离技术领域，具体包括陶瓷体；所述陶瓷体的介电常数大于5000；所述陶瓷体为圆柱结构，所述陶瓷体上设有垂直于其底面的中心通孔和至少一排阵列通孔，所述阵列通孔由若干个圆周分布的通孔组成，所述中心通孔与陶瓷体中心轴同轴设置，所述阵列通孔设于中心通孔与陶瓷体的外侧壁之间，所述阵列通孔围绕中心通孔圆周分布；所述中心通孔内壁和陶瓷体外侧壁均涂覆有电极层，分别形成中心电极和环形电极；所述中心电极制作完成后，中心通孔通过填充物封闭。
作为本发明提供的所述介电电泳电极结构的一种优选实施方式，所述陶瓷体的直径为20-50mm，高度为20-1000mm，所述中心通孔的直径为2-6mm，所述阵列通孔中通孔的直径为0.5-2mm，所述阵列通孔中相邻通孔间的最小壁厚为0.5-4.5mm。
作为本发明提供的所述介电电泳电极结构的一种优选实施方式，所述陶瓷体的介电常数为11800-26300。
作为本发明提供的所述介电电泳电极结构的一种优选实施方式，所述中心通孔的截面为圆形，所述阵列通孔的截面为圆形、正多边形的其中一种或两种组合。
作为本发明提供的所述介电电泳电极结构的一种优选实施方式，还包括防护结构，所述防护结构包括套筒，所述套筒包裹在环形电极的外侧，所述套筒上设有安装件。
上述介电电泳电极结构的制备方法，包括如下步骤：采用介电材料作为陶瓷粉体，通过挤压的方式制备陶瓷胚体，经过高温烧结后形成陶瓷体；然后在陶瓷体的中心通孔和陶瓷体的外侧壁涂覆银浆层，经过200-220℃烘干、550-600℃烧结后形成中心电极和环形电极，并在中心电极和环形电极上焊接引线电极；中心电极制作完成后，中心通孔通过填充物封闭，填充物阻断气流从中心电极通过。
本发明还提供了一种气体净化装置，其包括腔体；所述腔体设有进气口和出气口；所述出气口处设置有集尘袋；所述腔体内部设置有前置滤网、风机和净化单元；所述净化单元包括安装结构、高频率的交流电源和至少一个上述所述的介电电泳电极结构；所述介电电泳电极结构通过安装结构固定在腔体内，所述交流电源的两个电极分别与中心电极和环形电极电性连接。
作为本发明提供的所述气体净化装置的一种优选实施方式，所述交流电源的频率为800-3000kHz，所述交流电源的电压满足接入到介电电泳电极结构后，所述中心电极到环形电极的场强大于350V/cm。
作为本发明提供的所述气体净化装置的一种优选实施方式，所述交流电源的波形为正弦波、方形波和脉冲波的其中一种。
作为本发明提供的所述气体净化装置的一种优选实施方式，所述安装结构包括安装板，所述安装板与腔体内壁紧密贴合安装，所述安装板上设有至少一个通槽，所述介电电泳电极结构嵌入安装在通槽内。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明提供的介电电泳电极结构，其用于安装在气体净化装置上，采用高介电的陶瓷体作为介电电泳电极结构的主体结构，中心电极和环形电极直接涂覆并烧结在在陶瓷体上，结构简单稳定，易于制备。
介电电泳电极结构采用高介电常数的介电陶瓷材料，陶瓷体极化强度高，在阵列通孔处形成的电场强度梯度高，介电电泳力对粉尘颗粒的作用显著增强，可以实现对空气中粉尘粒子的高效率捕捉，并对空气中的灰尘颗粒达到超级净化效果。
介电电泳电极结构中的陶瓷体中的阵列通孔采用直线通孔形式，当对空气净化时，空气气流可以直接通过阵列通孔，风阻小，可显著提高空气净化效率和净化量。
本发明提供的介电电泳电极结构的制备方法，采用挤压的方式制备陶瓷坯体，制备工艺成熟，易于工业化批量生产。
本发明提供的介电电泳电极结构及气体净化装置，其中由介电电泳电极结构组成的净化单元可以实现自动清理的功能。当净化单元接通交流电源后，气体在风机的作用下穿过介电电泳电极结构中的阵列通孔，气体中的灰尘颗粒在介电电泳力的作用下，向陶瓷体通孔的内壁定向运动并被捕捉，能够对气体中的微小粒子进行吸附净化；当需要对吸附在阵列通孔内壁上的灰尘颗粒进行清理时，关闭交流电源，陶瓷体内部非均匀电场随即消失，粉尘颗粒受到的介电电泳力也随之消失，附着在陶瓷体阵列通孔内壁的颗粒在气流作用下被吹离并通过出气口收集到集尘袋，从而达到自动清理的效果。
因此，本发明所提供的介电电泳电极结构及净化装置，整体结构技术先进、结构简单、制作容易、成本较低、便于保养清洁、使用寿命长以及除尘效果好、效率高，可应用在室内空气净化、微小粒子净化分离等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的介电电泳电极结构的整体结构立体示意图；
图2为本发明提供的介电电泳电极结构的整体结构部分剖面示意图；
图3为图2中套筒结构示意图；
图4为本发明提供的气体净化装置在收集细小灰尘时的结构示意图；
图5为图4的剖面示意图；
图6为图5的另一个视角示意图；
图7为本发明提供的气体净化装置的净化单元部分结构分解示意图；
图8为图7的另一个视角示意图；
图9为本发明提供的气体净化装置对空气净化时的结构示意图；
图10为图9的剖面示意图。
图中标记说明如下：
100、介电电泳电极结构；1、陶瓷体；2、中心通孔；3、阵列通孔；4、中心电极；5、环形电极；6、套筒；7、耳板；8、螺纹孔；9、引线电极；10、腔体；11、进气口；12、出气口；13、前置滤网；14、风机；15、净化单元；1501、安装板；1502、交流电源；1503、通槽；1504、螺栓；16、集尘袋；17、管道。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如背景技术所述的，当前对气体中粉尘的净化技术中，滤网式过滤方式可以对大颗粒粉尘进行高效过滤，而当对超小粉尘进行过滤时，则需要过滤网具有小的孔隙，这样会造成风阻变大而减小净化效率，同时过滤网易于堵塞，滤网需要频繁更换；高压静电除尘则需要对粒子进行高压电离处理后才能进行吸附，耗能较大；使用柱状介电电泳电极的家用空气净化器中不同电极板的柱状突起和孔位相互配合，柱状突起增加了风阻，影响空气流速，降低了空气的净化效率，并且柱状电极组件结构较为复杂，在对吸附的灰尘进行清理或者清洗时，需要拆解和重新组装，在清洁方面还存在一定的局限性。
为了解决此技术问题，本发明提供了一种介电电泳电极结构100，其应用于流体净化、分离技术。
具体地，请参考图1-3，所述介电电泳电极结构100，具体包括陶瓷体1，所述陶瓷体1的介电常数大于5000。所述陶瓷体1为圆柱结构，所述陶瓷体1上设有垂直于其底面的中心通孔2和至少一排阵列通孔3，所述阵列通孔3由若干个圆周分布的通孔组成，所述中心通孔2与陶瓷体1中心轴同轴设置；所述阵列通孔3设于中心通孔2与陶瓷体1的外侧壁之间，所述阵列通孔3围绕中心通孔2圆周分布，所述中心通孔2内壁和陶瓷体1外侧壁均涂覆有电极层，分别形成中心电极4和环形电极5。所述中心电极4制作完成后，中心通孔2通过填充物封闭，填充物阻断气流从中心电极4通过。
本发明提供的一种介电电泳电极结构100，其用于安装在气体净化装置上，采用高介电的陶瓷体1作为介电电泳电极结构100的主体结构，中心电极4和环形电极5直接涂覆在陶瓷体1上，结构简单稳定，易于制备；采用高介电陶瓷材料，陶瓷体1极化强度高，在通孔处形成的电场强度梯度高，介电电泳力对颗粒的作用显著增强，可以实现对空气中粉尘粒子的高效率捕捉，对空气中的灰尘颗粒达到超级净化效果；陶瓷体1采用直线通孔形式，空气净化时，空气气流可以直接通过通孔，风阻小，提高空气净化效率和净化量。
为达到以上技术效果，本发明提供了一种介电电泳电极结构100的制备方法，具体包括以下步骤：采用高介电常数的介电陶瓷粉体为原料，通过挤压的方式制备陶瓷胚体，经过高温烧结后形成陶瓷体1，之后在陶瓷体1的中心通孔2的内壁和陶瓷体1的外侧壁涂覆银浆层，经过200-220℃烘干、550-600℃烧结后形成中心电极4和环形电极5，中心电极4和环形电极5上焊接有引线电极9；中心电极4制作完成后，中心通孔2通过填充物封闭，填充物阻断气流从中心电极4通过。
本发明提供的介电电泳电极结构100的制备方法，采用挤压的方式能够批量制备陶瓷坯体，制备工艺成熟，易于工业化批量生产。
为了解决当前技术存在的问题，本发明提供了一种气体净化装置，其应用于空气过滤。
具体地，请参考图4-10，所述气体净化装置，其包括腔体10，所述腔体10设有进气口11和出气口12，所述出气口12处设置有集尘袋16，所述腔体10内部从进气口11到出气口12依次设置有前置滤网13、风机14和净化单元15；所述净化单元15包括安装结构、高频率的交流电源1502和至少一个上述所述的介电电泳电极结构100，所述介电电泳电极结构100通过安装结构固定在腔体10内，所述交流电源1502的两个电极分别与中心电极4和环形电极5电性连接。
本发明提供的气体净化装置，在腔体10内设置前置滤网13、风机14和包括高介电陶瓷体1的介电电泳电极结构100组成的净化单元15。本发明中所述气体净化装置是这样工作的：对气体进行净化时，净化单元15接通交流电源1502，气体在风机14的作用下穿过介电电泳电极结构100中的阵列通孔3，在介电电泳力的作用下，粉尘颗粒向陶瓷体1中阵列通孔3的内壁定向运动并被吸附捕捉，从而实现对空气中的微小粒子的吸附净化；当需要对净化单元15中介电电泳电极结构100中的灰尘颗粒清理时，关闭交流电源1502，陶瓷体1内部非均匀电场消失，介电电泳力也随之消失，附着在陶瓷体1中阵列通孔3内壁的颗粒在气流作用下被吹离，通过出气口12收集到集尘袋16，从而达到自动清理的效果。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例1
请参考图1-3，提供了一种介电电泳电极结构100，具体包括陶瓷体1。陶瓷体1的介电常数大于5000；陶瓷体1为圆柱结构，陶瓷体1的直径为20-50mm，高度为20-1000mm，陶瓷体1上设有垂直于其底面的中心通孔2和若干排阵列通孔3。中心通孔2的直径为2-6mm，阵列通孔3由若干个圆周分布的通孔组成，阵列通孔3中通孔的直径为0.5-2mm，阵列通孔3中相邻通孔间的最小壁厚为0.5-4.5mm，中心通孔2与陶瓷体1中心轴同轴设置，阵列通孔3设于中心通孔2与陶瓷体1的外侧壁之间；阵列通孔3围绕中心通孔2圆周分布，中心通孔2的截面为圆形，阵列通孔3的截面为圆形、正多边形的其中一种或两种组合，正多边形可以为正方形或正六边形。在本例中，阵列通孔3的所有通孔截面均采用圆形，中心通孔2的内壁和陶瓷体1外侧壁均涂覆有电极层，分别形成中心电极4和环形电极5，中心电极4制作完成后，中心通孔2通过填充物封闭，填充物阻断气流从中心电极4通过。另外，为了保护以及便于安装陶瓷体1，在陶瓷体1的外部设置有防护结构，防护结构包括套筒6，套筒6的上下端均为开口状，且开口处设有向内侧延伸的边沿，便于与陶瓷体1卡接，套筒6采用绝缘材料，套筒6包裹在环形电极5的外侧，套筒6上设有安装件，安装件设于套筒6的一端，并且安装件采用圆周分布的耳板7，耳板7上设有螺纹孔8，通过耳板7上的螺纹孔8便于安装固定陶瓷体1。
下面结合实施对比例验证陶瓷体1的介电常数的关键作用。
对比实验1：选用三组对比例，其中，对比例1、对比例2、对比例3中的陶瓷体1均采用高介电常数的陶瓷粉体通过胚体制备、烘干、高温烧结所形成，陶瓷粉采用高介电常数的介电材料，可选用的介电材料包括但不限于钙铜钛氧（CaCu3Ti4O12，简记为CCTO）、TiO2或SrTiO3，其中，CCTO的烧结温度为1100℃，TiO2的烧结温度为1400-1500℃，SrTiO3的烧结温度为1150-1250℃。在本对比试验中，介电材料均采用CCTO陶瓷粉体制备陶瓷体1，其中陶瓷体1的高度为H=80mm，直径D=45mm，中心通孔2的直径d=4mm，阵列通孔3中的通孔的直径为1.2~1.5mm且相邻通孔最薄壁厚为1mm。在陶瓷坯体制备阶段，为了验证所用陶瓷体1的介电常数对净化效果的影响，通过在CCTO陶瓷粉体中掺杂少量的氧化铝粉体后，再进行陶瓷体1的制备，用于改变陶瓷体1的介电常数。具体的，对比例1未掺杂氧化铝粉体，对比例2中掺杂1wt%的氧化铝粉体，对比例3中掺杂5wt%的氧化铝粉体。当陶瓷烧结完成后，测得对比例1、对比例2、对比例3在1000-2000Hz频率范围内的介电常数分别为23400~26300、11800~12760、6780~7440。之后，分别在三个对比实验中所得的陶瓷体1的中心通孔2的内壁和陶瓷体1的外侧壁涂覆银浆，经过200℃烘干、550℃烧结后形成中心电极4和环形电极5；之后在中心电极4和环形电极5上分别焊接引线电极9，并将中心通孔2采用填充物填充封闭，以阻挡气流从中心通孔2通过。
为检测本发明中介电电泳电极结构对灰尘颗粒的净化效果，把对比例1、对比例2、对比例3中制备的带有中心电极4和环形电极5的陶瓷体1安装到气体净化装置的结构中，其中腔体10的直径为50mm，陶瓷体1装入腔体10后，陶瓷体1的边缘与腔体10内壁之间的缝隙通过胶泥密封；最后，并把两个引线电极9与高频率的交流电源1502连接。
进行粉尘净化检测时，打开风机14和高频率的交流电源1502，分别测试进气口11和出气口12处的粉尘粒子的含量。首先在腔体10的进气口11处放置粒子检测仪进行粉尘微粒检测，然后再将粒子检测仪转移到出气口12一端，并将检测探头放进出气口12约2-3cm的位置进行检测。检测时，调节交流电源1502的电压（1600-2000V）和频率（1500-1800Hz）。检测结果如表1。
表1 对比例1、对比例2、对比例3的测试结果
根据表1对比结果可知，对于对比例2，当陶瓷体1陶瓷基体的介电常数为11800~12760时，对PM2.5~PM5.0粉尘的净化率达到100%，对于较小的PM0.3和PM0.5粉尘的净化率分别为97.7%和98.9%；而对于对比例1，当陶瓷体1陶瓷基体的介电常数提高到23400~26300时，对PM2.5~PM5.0粉尘的净化率达到100%，特别是对微小粉尘的净化率进一步提高，对PM0.3的净化率达到98.2%，由此说明陶瓷体1的介电常数越高，对于粉尘粒子的净化越好，特别是对超微小粒子的净化效果更为明显。而对于对比例3，当陶瓷体1陶瓷基体的介电常数相对较低为6780~7440，对粉尘的净化效果明显下降，对PM2.5的净化率仅为42.2%，而对于较小的PM0.3粉尘粒子，净化效果则更差，仅为8.7%。
以上结果说明，在本发明所述的介电电泳电极结构中，陶瓷体1的高介电常数是非常关键的。从上述结果可以得出，陶瓷体1的介电常数可以为11800-26300，对空气中微小粒子可以达到较佳净化效果。
下面结合实施对比例验证陶瓷体1的阵列通孔3的通孔直径的关键作用。
对比实验2：选用对比例4和对比例5两组对比例进行说明，其中，对比例4中的陶瓷体1采用高介电常数的陶瓷粉体通过胚体制备、烘干、高温烧结所形成，陶瓷粉采用高介电常数的钙铜钛氧（CCTO），其中陶瓷体1的高度为H=100mm，直径D=45mm，中心通孔2的直径d=4mm，阵列通孔3中的通孔的直径为1.0-1.2mm且相邻通孔最薄壁厚为1mm；对比例5中除了阵列通孔3的通孔为2.8~3.0mm外，其制备方法以及其他结构参数与对比例4均相同。通过检测对比例4和对比例5所得陶瓷体1基体的介电常数得出，对比例4和对比例5中陶瓷体1基体的介电常数基本相同，在2000-4000Hz频率范围内的介电常数为24500~22560。对比例4和对比例5中的陶瓷体1在烧结完成后，分别在中心通孔2的内壁和陶瓷体1的外侧壁涂覆银浆，经过200℃烘干、550℃烧结后形成中心电极4和环形电极5，之后在中心电极4和环形电极5上分别焊接引线电极9，之后并采用胶塞把中心通孔2封闭。
为检测对比例4和对比例5中介电电泳电极结构的净化效果，把对比例4和对比例5中制备的带有中心电极4和环形电极5的陶瓷体1安装到气体净化装置的结构中，其中腔体10的直径为50mm，陶瓷体1装入腔体10后，陶瓷体1的边缘与腔体内壁之间的缝隙通过胶泥密封，保证陶瓷体1安装的密封性；之后，把两个引线电极9与高频率的交流电源1502连接，进行测试。测试方法与对比实验1相同，在此不另加叙述。进行检测时，调节交流电源1502的电压（1000~1800V）和频率（2000~3500Hz）。检测结果如表2。
表2 对比例4、对比例5的测试结果
根据表2的对比结果可知，对于对比例4，当陶瓷体1的介电常数为24500~22560时，对PM2.5~PM5.0粉尘的净化率达到100%，对于较小的粉尘的净化率达到98.9%以上；而对于对比例5，虽然陶瓷体1的介电常数与对比例4基本相同，但阵列通孔3采用2.8~3.0mm较大的通孔直径时，对粉尘的净化效果明显下降，对PM2.5的净化率仅为49.8%，而对于PM0.3~PM1.0较小粉尘粒子，净化效果则更差，仅为6.7%~22.6%。
对比实验2的结果说明，在本发明所述的介电电泳电极结构中，陶瓷体1的阵列通孔3中通孔的直径也是非常关键的。从上述测试结果可以得出，陶瓷体1的阵列通孔3中通孔的直径为1.0-1.2mm，对空气中微小粒子可以达到较佳净化效果。
另外，在上述两组对比实验中，通过实验验证得出介电电泳力的大小也与高频交流电源1502的频率和电压有关。具体的实验验证方式与上述两组对比实验一样，也是通过控制变量的方式进行对比。对于高介电陶瓷体1所形成的介电电泳电极结构100，通过调节交流电源1502的频率为800-3000Hz、电压大于1600V时，对空气中微小粒子可以达到较佳净化效果。
该高介电陶瓷体1的介电电泳电极结构100的工作原理为：由于高介电陶瓷具有高的介电常数，当处于电场中时，介电极化强度高；同时由于采用具有一定尺寸的阵列排布的通孔结构的圆柱形陶瓷体1，当中心电极4和环形电极5之间接入电源后，在中心电极4和环形电极5之间形成非均匀的电场；由于陶瓷体1具有很高的介电常数而被高度极化，并且阵列通孔3的通孔内壁为曲面或者折面结构，从而使得在阵列通孔3内的电场强度的梯度大幅增强，而介电电泳力的大小与电场梯度的平方成正比，即电场梯度的增强，使得粉尘粒子所受到的介电电泳力大幅增加，因此可以对通过陶瓷体1中阵列通孔3中的气体中的粉尘颗粒进行强力捕捉，并使粉尘粒子吸附在阵列通孔3的内壁上，从而达到对空气中的灰尘颗粒超级净化的效果。本发明中的介电电泳电极结构100简单，当用于净化装置时可以整体安装，便于装配；另外，通过高介电陶瓷为介电电泳的主体结构，介电电泳电极直接涂覆并烧结在陶瓷体1上，结构简单、稳定，便于制备生产；除此之外，陶瓷体1中阵列通孔3采用直线通孔形式，当对空气净化时，空气气流可以直接通过通孔，风阻小，可以提高空气净化量和净化效率。
实施例2
在本例中提供了高介电陶瓷体1的介电电泳电极结构100的制备方法，包括如下步骤：采用钙铜钛氧作为陶瓷粉体，通过挤压的方式制备陶瓷胚体，经过1080-1120℃高温烧结后形成陶瓷体1，在陶瓷体1的中心通孔2的内壁和陶瓷体1的外侧壁涂覆银浆层，银浆层即为导电层，经过200-220℃烘干、550-600℃烧结后形成中心电极4和环形电极5，中心电极4和环形电极5上焊接有引线电极9，中心电极4制作完成后，中心通孔2通过填充物封闭，填充物阻断气流从中心电极4通过。如图1-2所示，采用挤压的方式能够批量制备陶瓷坯体，制备工艺成熟，易于工业化批量生产。
实施例3
请参考图4-10，提供了一种气体净化装置，其包括管道17，管道17内设有腔体10，管道17截面为矩形或圆形，或者其他形状。在本例中管道17截面为矩形，管道17的两端设有与腔体10连通的进气口11和出气口12，出气口12为锥形结构，在出气口12处设置有集尘袋16。腔体10内部从进气口11到出气口12依次设置有前置滤网13、风机14和净化单元15，其中前置滤网13的孔径为0.5mm-0.8mm，用于过滤大尺寸灰尘颗粒，前置滤网13通过插板式安装在腔体10内，可以通过插拔的方式进行更换。该部分为对现有常规结构，具体不再进行叙述。风机14选用鼓风机，风机14设在介电电泳电极结构100前50-60mm的位置。净化单元15包括四个矩阵分布且相同的高介电陶瓷体1的介电电泳电极结构100，介电电泳电极结构100中陶瓷体1的高度为H=100mm，直径D=45mm，中心通孔2的直径d=4mm，阵列通孔3中的通孔的直径为1.0-1.2mm且相邻通孔最薄壁厚为1mm，其陶瓷体1基体的介电常数为24500~22560。净化单元15还包括安装板1501和高频率的交流电源1502，其中安装板1501上设有四个通槽1503，介电电泳电极结构100嵌入安装在通槽1503内，螺栓1504穿过耳板7上的螺纹孔8与安装板1501固定连接，并且安装板1501上也设有与螺栓1504对应的螺孔，并且介电电泳电极结构100与通槽1503内壁密封连接，具体可以在套筒6的外侧设置密封圈，使得套筒6与通槽1503密封连接。安装板1501与管道17内壁焊接或者通过螺栓1504固定连接，并且安装板1501的外围轮廓与腔体10一致，使得安装板1501能够完全覆盖腔体10，为了增加密封性，可以在安装板1501的外侧也设置一个密封圈。在净化单元15安装完成后，四个介电电泳电极结构100的相应的中心电极4和环形电极5并联后，分别与交流电源1502的电极连接，其中所用交流电源1502的频率为800-3000kHz，其波形为正弦波、方形波和脉冲波的其中一种。优选的，本实施例中选用正弦交流电为交流电源1502，所用交流电源1502的电压U满足接入到介电电泳电极结构100后，中心电极4到环形电极5的场强大于350V/cm（即交流电源的电压U与中心电极和环形电极之间距离d的比值大于350V/cm）。在本实施例中，交流电源1502的电压选用800~1600V。出气口12外面配的集尘袋16，用于收集清理介电电泳电极结构100时排出的灰尘颗粒；当正常净化时，去除集尘袋16。
当进行净化时，打开介电电泳电极结构100连接的交流电源1502，取下集尘袋16，然后打开风机14，进行净化。为检测净化效果，分别在进气口11和出气口12进行粒子浓度检测，检测结果如表3。
表3 实施例3测试结果
由上述表3可知，本实施例中的气体净化装置对PM2.5~PM5.0粉尘的净化率达到100%，对于较小的粉尘的净化率达到98.8%以上，对空气中微小粒子可以达到较佳净化效果。
当需要对介电电泳电极结构100进行清理时，在出气口12处安装集尘袋16，关闭介电电泳电极结构100的交流电源1502，原来吸附在介电电泳电极结构100中陶瓷体1阵列通孔3内壁上粉尘被吹离，收集到集尘袋16中。
本发明提供的气体净化装置的工作原理：风机14开启时，空气通过进气口11进入管道17的腔体10。首先，前置滤网13对于气体中的大颗粒物质进行初步过滤净化；然后，初步净化后的空气进入介电电泳电极结构100，小颗粒的粒子在介电电泳力的作用下，向陶瓷体1中的阵列通孔3中通孔的内壁定向运动并被捕捉，气体则通过阵列通孔3并经过出气口12排出。当气体净化装置长时间工作后，陶瓷体1阵列通孔3的通孔内壁聚集大量粉尘粒子后需要清理时，打开风机14，然后关闭高频交流电源1502，同时在出气口12安装集尘袋16。由于关闭了高频交流电源1502，陶瓷体1内部非均匀电场消失，介电电泳力也随之消失，附着在陶瓷体1通孔内壁的颗粒在气流作用下被吹离，通过出气口12收集到集尘袋16，从而达到自动清理的效果，因此，当需要对净化单元进行清理时，无需更换净化单元15。这样，不仅可以省去更换净化单元15结构件的环节，同时还可以免去耗材的使用。而在介电电泳电极结构100遇到损坏后，可以单独更换损坏的介电电泳电极结构100，不影响其他介电电泳电极结构100的使用，更换也方便。本发明所提供的介电电泳电极结构100和净化装置整体结构技术先进、结构简单、制作容易、成本较低、便于保养清洁、使用寿命长以及除尘效果好、效率高。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
显然，以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围。本发明可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。
Claims (10)
1.一种介电电泳电极结构，其特征在于，所述介电电泳电极结构（100）包括陶瓷体（1），所述陶瓷体（1）的介电常数大于5000；所述陶瓷体（1）为圆柱结构，所述陶瓷体（1）上设有垂直于其底面的中心通孔（2）和至少一排阵列通孔（3），所述中心通孔（2）与陶瓷体（1）中心轴同轴设置，所述阵列通孔（3）设于中心通孔（2）与陶瓷体（1）的外侧壁之间；所述中心通孔（2）的内壁和陶瓷体（1）外侧壁均涂覆电极层，分别形成中心电极（4）和环形电极（5）；所述中心电极（4）制作完成后，所述中心通孔（2）通过填充物封闭。
2.根据权利要求1所述一种介电电泳电极结构，其特征在于，所述陶瓷体（1）的直径为20-50mm，高度为20-1000mm；所述中心通孔（2）的直径为2-6mm，所述阵列通孔（3）中通孔的直径为0.5-2mm；所述阵列通孔（3）中相邻通孔间的最小壁厚为0.5-4.5mm。
3.根据权利要求1所述一种介电电泳电极结构，其特征在于，所述陶瓷体（1）的介电常数为11800-26300。
4.根据权利要求1所述一种介电电泳电极结构，其特征在于，所述中心通孔（2）的截面为圆形，所述阵列通孔（3）的截面为圆形、正多边形的其中一种或两种组合。
5.根据权利要求1所述一种介电电泳电极结构，其特征在于，所述介电电泳电极结构（100）还包括防护结构，所述防护结构包括套筒（6），所述套筒（6）包裹在所述环形电极（5）的外侧，所述套筒（6）上设有安装件。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述介电电泳电极结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：采用介电材料作为陶瓷粉体，通过挤压的方式制备陶瓷胚体，经过高温烧结后形成陶瓷体（1），在陶瓷体（1）的中心通孔（2）内壁和陶瓷体（1）的外侧壁均涂覆银浆层，经过200-220℃烘干、550-600℃烧结后形成中心电极（4）和环形电极（5），所述中心电极（4）和环形电极（5）上焊接有引线电极（9），所述中心电极（4）制作完成后，所述中心通孔（2）通过填充物封闭。
7.一种气体净化装置，其包括腔体（10），所述腔体（10）设有进气口（11）和出气口（12），其特征在于，所述腔体（10）内部设置有前置滤网（13）、风机（14）和净化单元（15），所述净化单元（15）包括安装结构、高频率的交流电源（1502）和至少一个如权利要求1-5任意一项所述的介电电泳电极结构（100），所述介电电泳电极结构（100）通过所述安装结构固定在腔体（10）内，所述交流电源（1502）的两个电极分别与中心电极（4）和环形电极（5）电性连接。
8.根据权利要求7所述一种气体净化装置，其特征在于，所述交流电源（1502）的频率为800-3000kHz，所述交流电源（1502）的电压满足接入到介电电泳电极结构（100）后，所述中心电极（4）到环形电极（5）的场强大于350V/cm。
9.根据权利要求7所述一种气体净化装置，其特征在于，所述交流电源（1502）的波形为正弦波、方形波和脉冲波的其中一种。
10.根据权利要求7所述一种气体净化装置，其特征在于，所述安装结构包括安装板（1501），所述安装板（1501）与腔体（10）内壁紧密贴合安装，所述安装板（1501）上设有至少一个通槽（1503），所述介电电泳电极结构（100）嵌入安装在通槽（1503）内。
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