CN1951571B - 电动吸尘设备 - Google Patents

Abstract

电动吸尘设备包括电晕放电型充电部和吸尘部，充电部配置成对空中浮尘充电，吸尘部配置成吸收带电尘粒。吸尘部中，在一对接地电极与高压电极之间施加频率为0.1～2Hz的矩形波型交流高压，在里面产生静电场。空中浮尘在通过充电部时被充电，并被吸尘部的静电场吸到接地电极(吸尘电极)上。

Description

电动吸尘设备

本申请是申请日为2003年8月4日、申请号为03153005.2、发明名称为“电动吸尘设备”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种应用矩形波形交流高压清洁隧道内空气的高压发生部。

背景技术

众所周知，汽车排气中的有害气体与烟炭和汽车行驶时轮胎或路面沥青磨损造成得亚微米级的浮尘，都会污染隧道中汽车行车道的空气，因而为了消除污染空气中的这些烟尘，就要使用一种空气清洁设备，该设备应用了一种双级型电动吸尘设备，包括充电部分与吸尘部。

图20示出常见的双级型电动吸尘设备的结构。图20中的电动吸尘设备100包括充电部1和吸尘部2。充电部1配备一种“直线4与平板电极3a，3b”结构，在电极间加上直流高压，就产生电晕放电。吸尘部2配备一种平行平板电极结构5a，5b和6，在平行平板电极间加上直流高压，形成一静电场。在上述结构的常规双级型电动吸尘设备中，尘粒在充电部1以单极性充电，并被吸尘部2的静电场捕获到吸尘电极5a与5b上。

双级型电动吸尘设备还对纳米(亚微米)尘粒装备了高吸尘率，适宜处理大的流速。

但当所含的低电阻碳粒等成为隧道中汽车行车道的主要浮粒成分时，就存在这样一种情况，其中捕获到吸尘电极上的尘粒重新散开，并与气流一起从电动吸尘设备里排出。该现象称为再散开现象。出现再散开现象时，由于明显降低了大粒度尘粒的吸尘率，所以再散开现象提出了一个有待改进的重要问题。

图21的说明图示出了上述再散开现象的机理。尘粒在充电部以单一的负极性充电，此时的再散开现象机理如下。

首先如图21(A)所示，在充电部以负极性充电的尘粒9被捕获到吸尘部接地电极8上，被捕获接地电极板8上的碳粒9立即失去电荷，其极性与接地电极一样，因而接地电极8上捕获尘粒附近的电场得以增强。另如图21(B)所示，当气流中以负极性充电的尘粒被吸到接地电极8上时，它与接地电极8上的尘粒10絮凝，通过电场沿负极性电极方向利用库仑力形成玫瑰花坛状的念珠形尘粒。随着这种念珠形尘粒絮凝成块状(见图21(c))，流体阻力与库仑力的剥离力得到增强，当这些力变成大于接地电极与念珠形尘粒间的粘附力时，尘粒就再散开。

作为一种极有效的防止再散开现象的方法，曾提出过一种应用矩形的交流高压的电动吸尘设备。

图22示出应用矩形波形交流电压的电动吸尘设备的简要结构。该设备包括充电部40和吸尘部50，前者构成直线对平板电极结构，包括作为一对平板的接地电极21与22和形成直线形的高压电极23。高压电源20在接地电极21与22同高压电极23之间施加直流高压，在充电部40产生电晕放电。直流高压的极性或正或负，该高压可以是脉冲电压。

吸尘部50构成平行平板电极结构，包括作为一对平板的接地电极31与32和作为一块平板的高压电极33。交流高压电源30在接地电极31与32同高压电极33之间施加矩形波形的交流高压。若不用交流高压电源30，可应用产生正弦波形交流高压的交流高压电源。

这类交流电压电源的电压范围，在电极间每1mm间隔为等于或低于3kv，一般为每1mm约0.9kV。另外，施加电压的频率范围为几HZ～几KHZ。但问题在于，频率越高，要求的电源容量越大。反之，把频率调低时，则存在产生再散开并对大粒度尘粒降低吸尘率的问题。

发明内容

本发明可解决上述诸问题，因而本发明的一个目的是提供一种电动吸尘设备，即使降低了加到吸尘部的交流高压的频率，就是说，即使减小了电源容量，该设备也能保持高的吸尘率。

而本发明另一目的所提供的电动吸尘设备，能在使用矩形波形的交流高压时，即可实现高的吸尘率，又具有必需的最小的dv/dt电压变化率值(即矩形波形的升降倾斜)，还能简化电源设备与电缆。

本发明的又一目的的所提供的电动吸尘设备，通过有效地防止再散开，能以低成本实现高吸尘率。

为实现这些目的，本发明的第一个方面提出的电动吸尘设备包括：配置成对空中浮尘充电的电晕放电型充电部；和位于充电部下游被配置成吸收带电尘粒的吸尘部，其中电晕放电型充电部包括一直流高压发生部，配置成对其电极之间施加直流高压而对尘粒充电，而其中的吸尘部包括一交流高压发生部，配置成在其电极之间施加频率为0.1HZ～2HZ的矩形波形交流高压而实现吸尘。

本发明第二方面所提供的电动吸尘设备包括：配置成对空中浮尘充电的电晕放电型充电部；和位于充电部下游被配置成吸收带电尘粒的吸尘部，其中充电部包括一直流高压发生部，配置成在其电极之间施加直流高压而对尘粒充电，而其中的吸尘部包括一交流高压发生部，配置成在其电极之间施加电压变化率dv/dt在50～2000V/msec内的矩形波形交流高压以实现吸尘。

本发明第三个方面所提供的电动吸尘设备包括：配置成对空中浮尘充电的电晕放电型充电部；和位于充电部下游吸收带电尘粒的吸尘部，其中充电部包括一交流高压发生部，配置成在其电极之间施加交流高压而对尘粒充电，而其中的吸尘部包括一交流高压发生部，配置成在其电极之间施加交流高压而实现吸尘。

附图说明

通过以下结合附图的详述，可以更全面地了解本发明的种种目的和优点，其中：

图1是本发明第一实施例的电动吸尘设备的剖视图。

图2示出在图1所示吸尘部中捕获带电尘粒并防止其再散开的模型。

图3示出加到吸尘部的高压波形。

图4示出实验提供的吸尘率的频率特性(加直线(DC)，加0.001HZ～1HZ的频率)。

图5示出该实验提供的吸尘率的频率特性(加直线(DC)，加0.01HZ～1HZ的频率)。

图6示出另一试验提供的吸尘率的频率特性(频率为0.1HZ～10HZ)。

图7示出对吸尘部加正弦波形交流高压时的吸尘率的频率特性。

图8示出各频率下的尘粒振荡模型。

图9是本发明第二实施例的电动吸尘设备的剖视结构。

图10示出加到图9所示吸尘部的电压波形。

图11表示在直流电动吸尘设备和矩形波形交流电动吸尘设备中，吸尘率与dv/dt公差Dh之间的关系。

图12是实验所使用的设备的框图。

图13示出第二实施例中电动吸尘设备的电极结构。

图14示出管道中的电极配置。

图15示出dv/dt对吸尘率粒度特性的影响。

图16是示出本发明第三实施例的电动吸尘设备的剖视结构。

图17是示出本发明第四实施例的电动吸尘设备的剖视结构图。

图18举例说明充电部的各种电极结构。

图19举例说明各种一般的电极形状。

图20示出双极型电动吸尘设备的一般已知结构。

图21示明再散开现象的机理。

图22示出应用矩形波形交流电压的电动吸尘设备的简要结构。

具体实施方式

现参照附图详述本发明诸较佳实施例。

第一实施例

图1是本发明第一实施例的电动吸尘设备的剖视结构。

该电动吸尘设备包括充电部40和吸尘部50。充电部40有一直线对平板电极结构，包括作为一对平板的接地电极21与22和直线形高压电极23。高压电源20在接地电极21和22同高压电23之间施加直流高压，在充电部40产生电晕放电。直流高压的极性或正或负，电压可以是脉冲电压。

吸尘部50具有平行平板电极结构，包括作为一对平板的接地电极31与32和作为一块平板的高压电极33。交流高压电源60在接地电极31与32同高压电极33之间施加交流高压(频率为0.1～2HZ)，产生矩形波形的交流高压。施加该高压，在吸尘部50产生静电场。含浮尘气流通过充电部40而带电，浮尘被吸尘部50的静电场捕获到吸尘电极上。

接着参照图2和图3说明对吸尘部50施加交流高压时防止再散开的机理。图2示出吸尘部50吸收带电尘粒并防止其再散开的模型。这里，充电部40(见图1)加有直流负高压，尘粒带负电。图3示出加到吸尘部50的交流高压波形。

图3中，把加到吸尘部50的电压分为三段，A段是对吸尘部50加正高压的区域，B段是加到吸尘部50的电压由正变为负的瞬变区域(几毫秒)，C段是对吸尘部50加负高压的区域。在A段，充电部40的负电尘粒被捕获到正极性高压吸尘电极板上(见图2(a))，吸尘被立即充电为正，形成玫瑰坛状的念珠性尘粒。之后在B段，电压极性由正迅速变为负(见图2(b))。由于吸尘电极板极性由正迅速变负，电极板上絮凝成玫瑰坛状的尘粒沿吸尘电极板方向受到静电力的影响，变为球形的絮凝尘粒。这样，通过变成球形絮凝尘粒，减小了起剥离力作用的风力或静电力，不会出现再散开(见图2(c))。

第一实验

图4和5示出第一实验提供的吸尘率的频率特性(加直线(DC)，加频0.001～1HZ的矩形波形电压)。作为实验条件，风速设为5m/s，吸尘部50长为206mm，充电电压为11kv，吸尘电压为±5kV矩形波，吸尘部50的电极间距离为6mm。粒度为0.3μm～0.5μm的第一实验的结果示于图4(A)，粒度为0.5μm～1μm的第一实验的结果示于图4(B)，粒度为1μm～2μm的第一实验的结果示于图5(A)，粒度为2μm～5μm的第一实验的结果示于图5(B)。

根据实验结果，在任何粒度下，频率越高，吸尘率增大越多，尤其在0.1～1HZ频率下显示出最高的吸尘率。

第二实验

图6示出第二实验提供的吸尘率的频率特性(矩形波形频率为0.1～10HZ时)。作为实验条件，风速为7m/s，温度为13℃，湿度为25％，大气压为1031hpa，充电部由1个单元组成，吸尘部有206mm的2个单元组成，充电电压为11kv，吸尘电压为±7.5kV矩形波，吸尘部50的电极间距离为9mm，操作吸尘部的时间周期为30分钟。

根据实验结果，在任何频率下，吸尘率在粒度为0.5μm～2μm时趋于最大。另在频率为0.1HZ与1HZ时，可比4HZ与10HZ时形成高吸尘率。

如上所述，可以这么说，该电动吸尘设备的最佳频率范围为0.1～2HZ。

参照实验

作为参照，图7示出对吸尘部50施加正弦波形交流高压时的吸尘率的频率特性。图7中，图7(A)示出粒度为0.3μm～0.5μm的情况，图7(B)示出粒度为2μm～5μm的情况。作为实验条件，风速为5m/s，吸尘部50长206mm，充电电压为直流11kv，吸尘电压为5kVrms，正弦波形交流，频率变化范围为25～100HZ，吸尘部的电极间距离为6mm。根据实验结果，频率越高，吸尘率越低。其原因如图8所示(各频率下的尘粒振荡模型)，由于频率高，流入吸尘部50的带电尘粒在电极之间的空间被俘获和放电，不被捕获到吸尘电极上。

如上所述，根据第一实施例的电动吸尘设备，通过以小的电源容量有效地防止再散开，可实现高吸尘率。换言之，可以选用最佳频率来保持低频(小电源容量)下的高吸尘率。

第二实施例

可以推测，在矩形电压波形中，相应于图3中B段的变化电压倾斜的电压变化率dv/dt越大，则越能限制再散开，并保持更高的吸尘率。但问题是，电压变化率dv/dt越高，感应电流值就增大得越多，因而要求增大高压电源设备内部某部件的电流阻值，而且出于同样理由，还提出了电缆尺寸增厚的问题。在选择优化的电压变化率dv/dt值时，成为重要的实际问题。

在这方面，下面将描述本发明第二实施例的电动吸尘设备，该设备在使用矩形波形交流高压时，既实现了高吸尘率，又具有必需的最小电压变化率dv/dt值，还能简化电源设备与电缆。

图9是本发明第二实施例的电动吸尘设备的剖视结构。

第二实施例的电动吸尘设备包括充电部40和吸尘部50，前者具有直线对平板电极结构，包括作为一对平板的接地电极21与22和直线形高压电极23。高压电源20在接地电极21与22同高压电极23之间施加直流高压，在充电部40产生电晕放电。直流高压的极性或正或负，电压可以是脉冲电压。

吸尘部50具有平行平板结构，包括作为一对平板的接地电极31与32和一块平板形式的高压电极33。交流高压电源70在接地电极31与32同高压电极33之间施加交流高压(梯形波形高压)，产生矩形波形的交流高压。

该交流高压(梯形波形高压)的频率等于或低于几KHZ，上下沿的变化率dv/dt为50～2000V/msec。含浮尘气流通过充电部40而带电，浮尘被捕获到吸尘部50的接地电极31于32(吸尘电极)上。

理论研究

下面说明第二实施例的电动吸尘设备的理论吸尘率。

公式是所谓的“Deutscn方程”，为本例电动吸尘设备的吸尘率计算公式：

η_t＝{1-exp(-αV_D)}×100[％]    (公式1)

这里，参数V_D指加到吸尘部的直线电压(V)，参数a指比例系数。当参数N_i指电动吸尘设备入口的尘粒密度[尘粒/m³]时，则其出口的尘粒密度No由公式(2)给出：

N₀＝N_iexp(-αV_D)[尘粒/m³]    (公式2)

当加到吸尘部的交流电压波形定义为图10所示时，则电动吸尘设备出口侧在时刻t1的尘粒密度N_ot1如公式(3)所示：

N_0t1＝N_iexp(-αV)[尘粒/m³]    (公式3)

同时，电动吸尘设备出口侧在时刻t2的平均尘粒密度N_ot2如公式(4)所示：

$N_{0t2}=N_i\exp (-\mathrm{\α}\frac{V}{2})$ [尘土/m³](公式4)

因此，电动吸尘设备出口侧在时刻t的平均尘粒密度N_ot如公式(S)所示：

$N_{0t}=N_i\{\frac{t_1}{t}\exp (-\mathrm{\αV})+\frac{t_2}{t}\exp (-\mathrm{\α}\frac{V}{2})\}$ [尘粒/m³](公式5)

这样，电动吸尘设备的吸尘率η_A如公式(6)所示：

${\mathrm{\η}}_A=\{1-\frac{t_1}{t}\exp (-\mathrm{\αV})-\frac{t_2}{t}\exp (-\mathrm{\α}\frac{V}{2})\}\×100[\%]$ (公式6)

所以，加直流时的吸尘率η_D与加矩形波形交流高压时的吸尘率η_A之差Δη如公式(7)所示：

$\mathrm{\Δ\η}={\mathrm{\η}}_D-{\mathrm{\η}}_A$

$=\frac{t_2}{t}\{\exp (-\mathrm{\αV})+\exp (-\mathrm{\α}\frac{V}{2})\}\×100[\%]$ (公式7)

上面假设了直流电压V_D等于矩形波形交流高压的绝对值|V|。dv/dt与t2/t之间的关系如公式(8)所示：

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\frac{2V}{t}\frac{t}{t_2}$ (公式8)

由公式(7)和(8)得出下式(公式(9))：

$\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dt}}=\frac{2V}{t}\frac{1}{\mathrm{\Δ\η}}\{\exp (-\mathrm{\αV})+\exp (-\mathrm{\α}\frac{V}{2})\}\×100[\%]$ (公式9)

利用公式(9)，可在理论上算出直流电动吸尘设备的吸尘率η_D与交流电动吸尘设备的吸尘率η_A的公差Δη所必需的dv/dt。

图11另出了由公式(9)算出的公差Δη与dv/dt的关系。根据计算结果，使公差Δη落在1％～15％范围内所必需的dv/dt列于表1，一般变为约50～2000v/msec。

表1

直流吸尘率	交流矩形波必需的dV/dt
		70	167
80	129
		90	83
95	55

公差Δη＜15％所需的dV/dt值

图12是实验设备的框图。实验中，作为被兼样的尘粒，使用了柴油发动机排气用支管71拾取后，在混合槽72里与大气混合而稀释，稀释的气体被鼓风机73送入管道，再与进气口已吸入的大气稀释。气体通过ESP(静电吸尘器)74进行处理并通过吸风机75排出管道外。利用吸风机75的转数将管道内的流速设定为7m/s。第二实施例的电动吸尘设备设备在鼓风机73与ESP74之间的管道内，此时，吸尘部诸电极间的流速变为约9m/s。

图13示出上述试验使用的充电部和吸尘部的简要电极结构。充电部(如图13(A)所示)的平板接地电极由铝制成，导线电极用直径为0.26mm的铝制作，用于施加高压。在充电部中，由一对电极配置的充电空间排成与气流平行的5级和串行的3级，因而其有15个充电空间。作为吸尘部(图13(B)所示)，接地的平板电极和施加高压用同尺寸铝制作的平板电极以9mm间距交替排列。

图14示出管道中各电极的安置。如图所示，充电部40和吸尘部50沿气流方向串行安置。吸尘部50位于充电部40的下游。充电部所加的电压为负极性直流11kV，吸尘部所加的电压为矩形波形交流±7.5kV。矩形波形(梯形波形)交流高压的频率为1HZ，dv/dt为46～646V/msec。就是说，充电部40通过负电晕放电而带负电的尘粒，被吸尘部50的矩形波形交流电场吸到接地电极与高压平板电极上。

图15示出dv/dt对吸尘率粒度特性的相依性。作为实验条件，风速为7m/s，温度为15.5℃，湿度为35％，大气压为1032hpa，充电部由1个单元构成，吸尘部由4个单元构成，各单元长208mm，充电电压为11kV，吸尘电压为±7.5kV矩形波形，吸尘部50电极间距离为9mm，操作吸尘部的时间周期为20分钟。

为作比较，图中还示出了对吸尘部加直流高压的结果(加-7.5kV直流电压，吸尘率约为70％)。在粒度为0.3μm～1μm时，对于吸尘率，dv/dt越大，吸尘率增大得越多。当dv/dt＝433V/msec或更高时，吸尘率基本上相当于加直流的情况。同时，粒度为1μm或更大时，与加直流情况相比，吸尘率在任何dv/dt下都具有高值。

图15的实验结果与图11的计算结果不相符，因为在任何粒度时，加直流的吸尘率被再散开现象降低了。

根据上述结果，电动吸尘设备中交流高压波形的dv/dt可被说成等于或高于50V/msec。再者，在dv/dt等于或高于约400V/msec时，可实现等于或高于加直流的吸尘率。因此，当矩形波形的交流高压的dv/dt落在50～2000V/msec范围内时，就可实现是够高的吸尘率。

如上所述，根据本例，通过设置必要的最小电压变化率dv/dt值，它代表着矩形的升降倾斜，就可实现高功能。另根据本例，以操作的观点来看，可以简化电源设备并减小电缆厚度。

第三实施例

图16示出本发明第三实施例的电动吸尘设备。

充电部40和吸尘部50的电极结构与图1的类似，故不再详述。

在图16情况中，加到充电部40的电压由交流高压组成(即正弦波形或矩形的交流高压)。

交流高压加在充电部40的直线电机23和平板电极21与22之间。作为交流高压，不仅可使用正弦波形的交流高压，也可使用矩形波形的交流高压。因此根据本例，可任意选择交流高压电源80的输出波形。同样对吸尘部50的交流高压电源90的输出波形而言，不仅可选用正弦波形的交流高压，也可选用矩形波形的交流高压。

第四实施例

图17示出本发明第四实施例的电动吸尘设备。根据本例，交流高压电源80为充电部40和吸尘部50共用，施加同样的交流高压可构制更简单的系统。

还可任意选用图17所示交流高压电源80的输出波形，即作为交流高压，可使用矩形波、正弦波等交流高压。

根据图16和17的实施例，对充电部40加交流高压，从而交替产生正负电晕放电。因此，利用交流电晕放电，通过充电部40的尘粒也交替带正负电，并在吸尘部50被有效地中和。

尤其是兼纳图17的电动吸系统后，充电部40的再散开受到抑制，充电部40和吸尘部50各自所需的高压发生设备得以节省，灰尘可用单个高压发生设备吸收。

图18列举了充电部各种电极结构(引用自“Theory and practice of removingdust and collecting dust”by Chotaro Ono，Ohm-sha，1978)。如图所示，可使用任一种电极结构，不加限制。而图19示出各种常用的放电电极形状(引用自K.R.Parker著的：“Applied Electrostatic Precipitation”，Blackie Academic and Professional)。可使用任一种放电电极形状，不加限制。

如上所述，根据本发明第三和第四实施例，能有效地防止再散开，并以低成本实现高吸尘率。

尤其根据第四实施例，通过对充电部和吸尘部加同样的交流高压，能简化系统并防止再散开。

上述本发明诸较佳实施例用于示例与说明，但并非无遗漏或将本发明限于揭示的精密形式，根据以上内容或通过本发明的实施，可做各种修改与变动。选用并描述这些实施例，旨在说明本发明的原理及其实际应用，是本领域的技术人员会在各种实施例中应用本发明，并使各种修改适合预想的特定应用。因此，本发明的范围由所附的权项及其等效文件限定。

Claims (2)

1.一种电动吸尘设备，其特征在于，包括：

配置成对空中浮尘充电的电晕放电型充电部；和

位于充电部下游配置成吸收带电尘粒的吸尘部，

其中充电部包括配置成在电极间施加直流高压以对尘粒充电的直流高压发生部，

而吸尘部包括配置成在其电极间施加电压变化率dv/dt为50～2000V/msec的梯形波型交流高压以便吸尘的交流高压发生部。

2.如权利要求1所述的电动吸尘设备，其特征在于，充电部电极包括一种直线与平板电极结构，而吸尘部电极包括一种平行平板电极结构。

Images