CN1646227A - 静电过滤结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种静电过滤结构(2)，其包括与第一电位连接的第一电极(14)，与第一电极(14)电绝缘的第二电极(15)，和作为粒子过滤器的绝缘材料(12)，其位于第一电极和第二电极之间。根据本发明，在两个电极(14、15)中，所使用的电极材料为例如活性碳这样的材料，该材料可以透过气体并过滤该气体，并且具有低的电导率，而且两个电极(14、15)设置为基本上平行于空气流动的方向。

Description

静电过滤结构
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于气体和粒子过滤的静电过滤结构。
背景技术
近年来，人们对空气中的污染物及其所引起的健康危险的认识已显著提高。研究表明，气体的和颗粒的污染物是环境暴露动因，它会明显地增加疾病和健康危险。这个问题在大城市尤为严重，其中交通和发电所散发的物质污染了空气。除了它们的健康危险外，室外空气中的污染物还会影响物质的腐蚀和氧化。
通过过滤引入的空气，人们试图减少从室外传播到建筑物或车辆的室内的空气中的污染物。现在，用于住所、办公室、和商业建筑物的置换的空气只是使用颗粒过滤器来清洁，气体过滤主要只用于特殊的场合，例如绝对无尘室、电器或电子设备室。
颗粒过滤器的分离能力根据颗粒的大小差别很大。如果颗粒大于5微米，例如花粉，纤维过滤器(fibre filter)分离颗粒的效果就很好。然而，绝大部分交通和发电所散发的物质是小颗粒(粒径小于1微米)，它们更难以过滤。
过滤小颗粒的一个有效的方法是如图1所示的静电沉淀器(precipitator)，其操作原理是基于带电的粒子和一个电场对该粒子施加的力。在传统的用于空调的两级式静电沉淀器中，其中的气流和颗粒首先通过一个充电器部分1，在这里它们被充电。图中显示出离子的电晕线4和路线3。之后，气流行进到收集器部分2，其由交替的收集器9和高压电极15形成，如图1所示。图中显示来自过滤器的带正电的颗粒5的路径。该电晕电压值通常是+8kV，而收集器板的值为+4kV。板之间的距离典型的是大约5mm，这样通常尺寸的单元包含大约100块板。该静电沉淀器的缺点在于这种技术方案复杂，从而费用昂贵。同时，收集器板上收集的灰尘可能会产生火花放电，这会导致产生对健康有害的臭氧、难听的声音、和短时间降低过滤效率。
根据图2，静电沉淀器还可以用于纤维过滤器。颗粒以与静电沉淀器相同的方式充电，但是收集部分2由纤维过滤器7形成，在其上通过金属网7设置一电源电场。这种技术方案也不能消除产生臭氧的问题。该金属网7没有过滤性能。
最近，市场上出现了组合过滤器，该过滤器可过滤气体和颗粒。然而，组合过滤器的小颗粒分离效率非常有限(它们通常属于过滤器级别EU6-EU7，这意味着，例如，它们过滤一半或更少的0.3微米的颗粒)。该过滤器对带电气体的(过滤)能力相对于一般的气流非常低。美国专利5,108,470(用于静电空气过滤器的具有异味和气体吸收性能的充电部件，Charging element having odour and gasabsorbing properties for an electrostatic air filter)披露了一种过滤器，其中一个包含活性碳的平的电极被设置在两个过滤构件之间。该活性碳电极与一个电源电路连接。该结构由没有过滤性能的金属电极包围。该过滤器结构与(气体)流动方向征直角。
国际申请WO98/22222(与静电过滤器连接的装置，Device inconnection with an electrostatic filter)又披露了将纤维过滤器放置在两个或者多个活性碳电极之间。在此情况下，(气流)流动方向与电极成直角。
平板过滤器的技术方案的一个普遍的问题在于气体过滤材料的量较少：微粒使过滤器能够有效地分离气体污染物，通过过滤材料的通过时间应足够长，少量的吸附材料意味着对于气体污染物该技术方案的充电能力仍然低。因此，过滤器的使用寿命短。通过增加连续的过滤级，上述方案的替换例的气体过滤能力可以提高，但同时压降也会增加。
气体过滤器的能力可以通过使用一种波纹结构来提高，如美国专利US5,549,735(静电微孔过滤器，Electrostatic fibrous filter)所披露的。该专利披露了一种技术方案，其中有一个充电器部分，带有与该充电器部分相同极性的高压电极，和一个接地的活性碳电极。该高压用于在金属网与活性碳电极之间形成一个电场。
该金属网不具有过滤性能。因为接近波纹结构的顶端电极的距离容易与在平的部分的距离产生差异，所以难以形成一个均匀的电场。在形成折缝时，波纹结构的上部和下部必须密封。另外，该部分必须是可以透气的，原因在于该上部和下部不参与过滤。
为了产生干净的引入空气，过滤器必须能够不仅过滤小颗粒，还要能过滤气体污染物。一个问题在于通过过滤器的压降：目前的技术方案不能以低的压降同时提供有效的颗粒和气体过滤。实施有效的过滤也是费用昂贵的。在实践中，这意味着现有的空调机需要更大的功率和噪音更大风扇，以便补偿有增加的过滤所产生的压降。通过过滤器增加的压降需要相应地风扇能量，这就相应地提高了风扇的能耗。
发明内容
本发明提供了一种完全新型的颗粒过滤器，在该过滤器的帮助下可以消除上述现有技术的缺陷。
本发明基于以下事实：至少一个过滤器电极由具有低电导率的可透气的，典型的多孔材料形成，例如袋形的活性碳。另外，该电极被定位于基本上平行于气体流动的方向。
更具体的，根据本发明的颗粒过滤器的特征在于权利要求1的特征部分所述的内容。
通过本发明可以获得许多优点。
通过本发明，空气(或者其它气体)中的气体和颗粒污染物被有效清除。该结构还使技术方案具有低的压降。因此，该过滤器可以被安装在现有的换气系统上，而无需更换风扇。除了具有较低的操作费用外，该技术方案在实施上也很经济。
该技术方案的优点如下：
-有效的结合了气体和颗粒过滤，
-使用寿命长，如果用于单个房间的过滤器，
-压降低，从而能耗费用低，
-控制在静电过滤器中出现的有害臭氧的产生：该气体过滤器消除了在电晕放电中产生的臭氧，
-不需要在静电过滤器中所需的过滤器室清理：脏的过滤器经常更换，
-该结构的生产简单且费用低，
-所用的可更换的部件可以用可以通过例如燃烧方式处理的材料来制造，
-纤维过滤器可以作为电极的绝缘材料，
-碳纤维电极可以优选通过例如缝制来制造，使可更换的过滤器部件制造成本很低。
过滤器的更换还消除了静电过滤器的典型问题，即清理过滤器室收集的污物。所收集的污物通常难于清理，它会腐蚀收集器电极，并在收集器与电极之间产生火花放电。这继而造成臭氧的产生，降低收集效率，产生难听的声音。现在不可靠对于静电过滤器来说确实是一个最大的问题。
下面，结合实施例并参照附图对本发明进行说明。
附图说明
图1是现有技术中的一种过滤器的技术方案的示意图；
图2是现有技术中的第二种过滤器的示意图；
图3是根据本发明的过滤器的技术方案的示意图；
图4是根据本发明的颗粒过滤器和一个商业颗粒过滤器的压降示意图；
图5是根据本发明的过滤器的分离度作为气流的函数的示意图；
图6是现有技术和本发明的颗粒分离的比较图；
图7是根据本发明的静电过滤器的侧视图；
图8示出从气流方向观看图7的过滤器的示意图；
图9示出从气流方向观看图7的过滤器的不带充电单元的示意图；以及
图10示出从后面(相对于空气流动)观看的图7的过滤器的示意图。
具体实施方式
在下面，本发明借助下述术语进行说明：
1充电部分
2分离部分，静电过滤器
3离子路径
4电晕线
5正电荷
6气流
7纤维过滤器
8金属网
9分离板
10充电单元
11高(电)压
12纤维过滤器
13活性碳过滤器
14活性碳过滤器的正电极
15活性碳过滤器的接地电极
图3显示根据本发明的技术方案。在该过滤器中，电力的使用方式如下：借助于产生的电晕放电使颗粒充电，例如，使用电晕线4；在收集器装置2中借助于电场收集(充过电的颗粒)。在充电单元10和收集器单元2中，可以使用大约8-10kV的电压。借助电力，也可以实现对小颗粒的有效过滤，而没有高压降。
该过滤器中一个新的特征在于电极14和电极15两者都是由活性碳或者其它含有用于过滤气体的物质并具有低电导率的材料制成。在此情况下，具有低电导率的材料是指表面电阻为大约109-1015欧姆的材料。
电极14和15采用典型的多孔材料。构成电极14的一种材料可以是，例如，具有低电导率的多孔聚合物。在电极14和电极15之间放置有粗糙的(rough)过滤材料(纤维过滤器)12，该材料经济且具有低的压降。其它的透气材料也可以用作过滤材料，只要有足够的渗透性。纤维过滤器12还用作高压电极14和接地电极15之间的分离物，以防止火花放电。
根据图3，电极结构15优选被定位于形成一个袋状的空穴(pocket)，要过滤的气体必须通过它。纤维过滤器12和电极14被放置在袋状电极15中，放置的方式为电极14和15或多或少地平行(接近平行)。在空气流动的方向纤维过滤器12的最大深度可以与袋状电极15形成的空穴的深度相同。
电极14和15基本上根据空气流动的方向设置。根据本发明，这意味着电极14和15的角度相对于气流方向不大于45°。当检查该角度时，必须要考虑电极的有效区域(面积)。在电极14和15的小的交叠(fold)区域，电极的角度可以从上述极限值偏离，该区域占气流的百分之几。
为了清楚地说明，横向过滤器(不在本发明的范围内)通常与气流方向成90°角。
为了使电过滤的效果达到充分的水平，在电极14和15之间应当有高的电压差。这可以通过两种方式来实现，但在实践中，一种简单的结构是电极14与高压连接，电极15接地，如图3所示。这种电极还可以是浮动的，尽管这可能削弱过滤效果。
自然地，图3中的接地电极和带电电极可以互换，即高压可以与电极15连接而电极14可以接地或浮动。
在根据本发明的技术方案中，含有过滤材料的部件12优选是可以更换的。作为替换方式，整个收集部分2可以是可更换的。更换的时间间隔取决于环境条件和气流。如果该技术方案是用于在单个的房间中过滤进来的空气，更换的时间间隔可以是大约1000-3000小时，即明显的高于将本发明的过滤器安装于中央空调机时的一个数量级。由于换气一般只用于一部分时间，更换间隔可以是大约6-12个月。在另一方面，该技术方案中最昂贵的部件，即高压供应和充电器10，是永久性的，这降低了该过滤器的操作费用。过滤的总费用的检查显示对于过滤器的整个使用寿命该费用很低。
该技术方案紧密地结合了颗粒和气体过滤。所需要的空间明显地小于当使用相应能力的分离过滤器(空气过滤器+颗粒过滤器)时的空间。例如，对于50l/s的气流，需要的空间大约为0.3m×0.3m×0.3m。对于特定过滤器，其外部尺寸甚至可以进一步减小，而没有效率损失，尽管这样也会降低气体过滤器的能力(更换间隔将缩短)
在本发明中，具有低电导率的材料被用作电极。这将在可能的短路情况下限制电流的增加，这样该过滤器即使在其它电过滤器无法运行的故障情况下仍然可以运行。
测量结果
图4-6显示用于该技术方案的模型过滤器的初步测量结果。该模型的外部尺寸为大约30cm×30cm×30cm。在该模型中，过滤器的性能还没有被优化，这样通过选择材料和更换结构有可能获得更好的数值。然而，该结果显示，即使目前的水平仍然可以以低的压降得到有效的颗粒和气体过滤。
图4显示根据本发明的和现有的制造商的相同尺寸等级的颗粒过滤器的压降。该颗粒过滤器为HEPA级，分离能力为对于0.3微米(μm)的颗粒＞95％，即其过滤能力与本发明的过滤器的过滤能力是同一级别。图中显示即使颗粒过滤器自身的压降也大于本发明的压降。
图5显示该模型过滤器在过滤测试气体(甲苯，通常用作测试气体)中的效率。图中显示随着气流的增加，渗透性增加(分离效率变小)，但是对于50l/s的气流，分离效率仍然在大约95％。这与商业制造商的结合的气体和颗粒过滤器的气体分离效率基本相同。
图6将本发明与商业产品的分离能力进行了比较。在没有电力的情况下(U＝0kV)，分离效率非常低，但是借助于颗粒充电和电场的作用，分离效率极大地提高。对于小颗粒该商业过滤器具有相对低的分离效率，而装有活性碳袋的过滤器将分离95％以上的0.3微米(μm)的颗粒，此时气流为大约50l/s。准确地说这些小颗粒对认定健康最为有害，原因在于它们可以传播到远至肺的最里面的部分。
图7-10示出了图3所示结构的示意图。这些示意图显示袋状的活性碳电极15和组合结构，其使过滤器的横向尺寸可以通过增加更多的“袋状部件”而容易地改变。
根据本发明，电极中的一个可以由导电材料制成。在这种情况下，该袋状电极可以是具有低电导率的材料。
总结
借助于本发明，可以有效地和经济地过滤出对人体健康最有害的小颗粒。而且，气体过滤可以消除对健康有害的气体，以及难闻的气味。通过选择适当的材料和填充的物质，该技术方案可以用于保护产品和装置免于腐蚀和氧化。
由于其良好的性能值和简单的结构，本发明的技术方案在清洁空气和其它气体方面具有广泛的应用。

Claims (8)

1.一种组合的气体和静电过滤结构(2)，包括：
第一电极(14)，
第二电极(15)，所述第二电极与所述第一电极(14)电绝缘，和
作为粒子过滤器的绝缘材料(12)，所述绝缘材料被设置在所述第一电极(14)和第二电极(15)之间，从而
在所述电极(14、15)之间可以产生一电位差，以便在所述电极(14、15)之间产生一个电场，
其特征在于，
所述电极(14、15)中的至少一个的材料(14、15)为例如活性碳这样的材料，所述材料可以透过空气并过滤气体，并且具有低的电导率，
这两个电极(14、15)被设置为基本上平行于空气流动的方向，以及
所述气体过滤电极(15)的形状形成一个袋子。
2.根据权利要求1所述的静电过滤结构(2)，其特征在于，一个具有低的电导率的电极(15)被构建为一个袋子形状，并且在所述过滤材料(12)和所述电极(14、15)的帮助下在它的内部进行粒子过滤。
3.根据权利要求1或2所述的静电过滤结构(2)，其特征在于，所述电极(14、15)中的一个具有低的电导率，而另一个是导电的。
4.根据前述任一权利要求所述的静电过滤结构(2)，其特征在于，所述电极(14、15)中的一个与地电位连接，另一个与高电位连接。
5.根据前述任一权利要求所述的静电过滤结构(2)，其特征在于，所述电极(14、15)中的一个允许浮动，另一个与地电位连接。
6.根据前述任一权利要求所述的静电过滤结构(2)，其特征在于，所述电极(14、15)被设置为使至少大部分气流穿过所述袋状电极(15)。
7.根据前述任一权利要求所述的静电过滤结构(2)，其特征在于，充电部分(1)被设置在空气流动路径中所述过滤器(2)的前面，所述充电部分用于为要过滤的粒子充电。
8.根据前述任一权利要求所述的静电过滤结构(2)，其特征在于，所述过滤材料(12)被设置为可以更换。
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