Воздухоочиститель с поляризуемым под действием электрического поля материалом с электропроводными утолщениями

Изобретение относится к системам очистки воздуха с использованием электрического поля для поляризации частиц и материала и может использоваться в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, автономных блоках фильтров или вентиляторах, а также в промышленных системах очистки воздуха. Гофрированный фильтрующий материал содержит множество параллельных электропроводных утолщений, обеспечивающих опору для материала и разнесение поверхностей складок одна от другой. Высокое напряжение, прикладываемое между соседними электропроводными утолщениями, индуцирует в фильтрующем материале электростатическое поле, увеличивая тем самым эффективность фильтра. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Настоящее изобретение относится в целом к системам очистки воздуха, в частности к воздухоочистителям, использующим электрическое поле для поляризации материала и для поляризации частиц с целью повышения эффективности сбора частиц на материале.

Уровень техники

Принцип электростатического притяжения используется уже в течение многих лет для усиления удаления загрязнений из воздушных потоков. Существуют три основные категории электростатических воздухоочистителей: электростатические осадители, пассивные электростатические фильтры и воздухоочистители на основе материала, поляризуемого под действием электрического поля.

Электростатические осадители заряжают частицы и затем улавливают их на противоположно заряженных и/или заземленных собирающих пластинах.

Пассивный электростатический фильтр (известный также под названием электрета) использует материал (или комбинацию различных материалов), который в результате некоторой последовательности технологических операций и/или за счет собственных свойств обладает статическим электрическим зарядом. Имеющие статический электрический заряд частицы, входящие в фильтр, притягиваются материалом фильтра, обладающим противоположным электрическим зарядом.

Воздухоочиститель на основе материала, поляризуемого под действием поля, использует электростатическое поле, создаваемое разностью потенциалов между двумя электродами. В электростатическое поле между этими двумя электродами помещен диэлектрический фильтрующий материал. Электростатическое поле поляризует и волокна материала, и входящие в фильтр частицы, повышая тем самым эффективность фильтрующего материала и воздухоочистителя. Диэлектрический материал представляет собой электрический изолятор или вещество с высоким сопротивлением для электрического тока, способное также запасать электрическую энергию. Диэлектрический материал стремится сконцентрировать приложенное электрическое поле в себе и тем самым является эффективным носителем электростатических полей.

В патенте Канады №1272453 описана еще одна конструкция электростатического воздушного фильтра, в котором сменный прямоугольный картридж соединен с источником высокого напряжения. Такой картридж состоит из электропроводной внутренней центральной сетки, вложенной между двумя слоями волокнистого диэлектрического материала (пластмассы или стекла). Эти два слоя диэлектрика в свою очередь вложены между двумя наружными сетками из электропроводного материала. На электропроводную внутреннюю центральную сетку подают высокое напряжение, создавая тем самым электростатическое поле между внутренней центральной сеткой и двумя электропроводными наружными сетками, имеющими противоположный потенциал или потенциал заземления. Высоковольтное электростатическое поле поляризует волокна в указанных двух слоях диэлектрика.

Гофрированные фильтры также хорошо известны. Гофрированный фильтр выполнен из листа фильтрующего материала, сложенного в виде ряда складок. Один из типов гофрированных фильтров, известный под названием мини-гофрированный фильтр, имеет более мелкие и более тесно расположенные складки. Пики между соседними складками мини-гофрированного фильтра отстоят один от другого на расстоянии не более 20 мм, а обычно в пределах от 5,0 до 7,0 мм. Мини-гофрированные воздушные фильтры обычно имеют складки глубиной от 22,2 мм (7/8 дюйма) до 31,8 мм (11/4 дюйма) с очень узкими (3,2 мм (1/8 дюйма)) воздушными промежутками между ними, что позволяет упаковать больше фильтровальной бумаги в стандартной раме по сравнению с тем, что можно сделать в случае с обычными глубокими гофрированными складками. Смежные складки мини-гофрированного фильтра отделяют одну от другой и удерживают в таком положении посредством клеевых валиков, нитей, тесьмы, лент, полосок материала или непрерывных деталей из стекла, пеноматериала или пластмассы, расположенных в пределах ширины фильтра. Мини-гофрированные фильтры содержат почти вдвое больше фильтровальной бумаги по сравнению с фильтрами с глубоким гофрированием или фильтрами с гофрированными сепараторами с таким же размером рамы.

В патенте США 2908348, выданном Rivers, показано использование электропроводных полосок, наложенных на гофрированный материал для генерации электростатических полей. Эти полоски служат для создания электростатического поля в гофрированном фильтрующем материале.

В патенте США 6497754, выданном Joannou, показан гофрированный фильтр с электропроводными струнами, прикрепленными к верхним краям и нижним краям (пикам) гофрированных складок. При подаче высокого напряжения между верхними и нижними пиками гофрированных складок в гофрированном фильтрующем материале возникает электростатическое поле.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение реализовано в фильтрующем материале, в котором используют электропроводные утолщения для опоры и/или для удерживания фильтрующего материала и генерации электростатического поля в этом материале.

Настоящее изобретение реализовано также в гофрированном фильтрующем материале, в котором используют электропроводные утолщения или элементы для опоры материала, поддержания промежутка между поверхностями складок и повышения прочности всей структуры в многослойном материале, удержания слоев вместе и во всех случаях генерации электростатического поля в материале.

Согласно настоящему изобретению электростатическое поле в материале создают путем подачи высокого напряжения между соседними электропроводными утолщениями, повышая тем самым эффективность фильтра.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - мини-гофрированный фильтр, содержащий электропроводные утолщения согласно настоящему изобретению.

Фиг.2А - изометрический чертеж, частично в схематическом виде, мини-гофрированного фильтра, содержащего электропроводные утолщения согласно настоящему изобретению.

Фиг.2В - изометрический чертеж, частично в схематическом виде, негофрированного фильтра, содержащего электропроводные утолщения согласно настоящему изобретению.

Фиг.3 - сечение фильтрующего материала и электропроводных утолщений для фильтра, показанного на фиг.2 В, согласно настоящему изобретению.

Фиг.4 - первый вариант для приложения электростатического поля к фильтрующему материалу согласно настоящему изобретению.

Фиг.5 - второй вариант для приложения электростатического поля к фильтрующему материалу согласно настоящему изобретению.

Фиг.6 - третий вариант для приложения электростатического поля к фильтрующему материалу согласно настоящему изобретению.

Фиг.7 - сечение фильтрующего материала и электропроводных утолщений фильтра, показанного на фиг.2А, согласно настоящему изобретению.

Подробное описание изобретения

Гофрированный фильтр 10, показанный на фиг.1, содержит жесткую раму 12 обычно из пластмассы или металла, окружающую гофрированный фильтрующий материал 14. Показанный на фигуре фильтр представляет собой мини-гофрированный фильтр с параллельными электропроводными утолщениями, удерживающими на месте складки мини-гофрированного фильтра. В частности, на фиг.1 показаны по существу параллельные электропроводные утолщения 16 и 18. В зависимости от размеров мини-гофрированного фильтра он может иметь одну, две или более параллельных электропроводных утолщений, удерживающих гофрированный фильтрующий материал 14 на месте.

Как показано на фиг.2А, гофрированный фильтрующий материал 14 удерживают на месте посредством верхнего электропроводного утолщения 16А и нижнего электропроводного утолщения 16В, расположенных соответственно над и под гофрированным фильтрующим материалом 14. Параллельно электропроводным утолщениям 16А и 16В располагается соседняя пара рядов электропроводных утолщений, а именно верхнее электропроводное утолщение 18А и нижнее электропроводное утолщение 18В. Обычно параллельные ряды электропроводных утолщений расположены через интервалы от 12,7 мм до 19,1 мм (от 1/2 до 3/4 дюйма) на каждой стороне фильтрующего материала 14.

Сечение фильтрующего материала и электропроводных утолщений, показанных на фиг.2А, изображено на фиг.7. Фильтрующий материал 14 вложен между верхним и нижним электропроводными утолщениями 16А и 16В. В частности, указанный фильтрующий материал 14 удерживается на месте посредством верхнего электропроводного утолщения 16А. Кроме того, фильтрующий материал 14 удерживается на месте посредством нижнего электропроводного утолщения 16 В.

Как показано на фиг.2А и фиг.4, одна клемма источника 108 высокого напряжения соединена с электропроводными утолщениями 16А и 16В на верхней стороне фильтрующего материала 14. Другая клемма источника 108 высокого напряжения соединена с электропроводными утолщениями 18А и 18В на нижней стороне фильтрующего материала 14. В одном из вариантов высокое напряжение, подаваемое на электропроводные утолщения, создает электростатическое поле напряженностью 3-30 кВ/см в фильтрующем материале 14.

Расстояние между электропроводными утолщениями и напряжение, подаваемое на эти утолщения, можно выбрать должным образом для генерации требуемой напряженности поля для конкретного фильтрующего материала. Установлено, что при нанесении электропроводных утолщений на гофрированный материал с номинальной величиной параметра минимальной эффективности (MERV) 11 и создании электростатического поля эффективность фильтра с точки зрения улавливания частиц размером 0,3 мкм изменилась от 31% до 59% (увеличение на 90%).

Электропроводные утолщения согласно настоящему изобретению можно применять в фильтрах с различными конструктивными характеристиками, например мешочных фильтрах или многослойных фильтрах. Более того, электропроводные утолщения согласно настоящему изобретению можно также использовать с фильтрующими материалами различных типов. Например, фильтрующий материал 14 может быть выполнен из волокон, соответствующих различным участкам трибоэлектрической шкалы (электрет). Фильтрующий материал 14 может представлять собой один фильтрующий материал или несколько слоев различных фильтрующих материалов.

Используемый здесь термин «утолщение» обозначает любой материал, например клей, нить, тесьму, ленту, полосу или непрерывный отрезок стекла, пеноматериала, металла или пластмассы, который прилипает к поверхности фильтрующего материала или выполнен с возможностью приклеиваться к поверхности фильтрующего материала, на которой он остается, и обеспечивает в некоторой степени механическую опору для такого фильтрующего материала.

Фиг.2В и фиг.3 служат иллюстрацией использования электропроводных утолщений согласно настоящему изобретению в по существу плоском фильтрующем материале 20. В частности, верхнее электропроводное утолщение 22А и нижнее электропроводное утолщение 22В, расположенные над и под плоским фильтрующим материалом 20, служат опорой для плоского фильтрующего материала 20. Параллельно электропроводным утолщением 22А и 22В располагается соседняя пара рядов электропроводных утолщений, а именно верхнее электропроводное утолщение 24А и нижнее электропроводное утолщение 24В, которое также служит опорой для плоского фильтрующего материала 20.

Одна клемма источника 108 высокого напряжения соединена с электропроводными утолщениями 22А и 22В на верхней стороне фильтрующего материала 20. Другая клемма источника 108 высокого напряжения соединена с электропроводными утолщениями 24А и 24В на нижней стороне фильтрующего материала 20.

Альтернативные способы соединения источника 108 высокого напряжения с электропроводными утолщениями на верхней и нижней сторонах фильтрующего материала показаны на фиг.5 и 6. На фиг.5 одна клемма источника 108 высокого напряжения соединена с первым электропроводным утолщением 16В на нижней стороне фильтрующего материала 14. Другая клемма источника 108 высокого напряжения соединена со вторым электропроводным утолщением 18А на верхней стороне фильтрующего материала 14. При подаче высокого напряжения на проводники, расположенные на чередующихся сторонах фильтрующего материала 14, электростатическое поле проходит сквозь фильтрующий материал 14 и может иметь более высокую напряженность внутри фильтрующего материала 14.

На фиг.6 одна клемма источника 108 высокого напряжения соединена с первым электропроводным утолщением 16А. Другая клемма источника 108 высокого напряжения соединена со вторым электропроводным утолщением 18А на той же самой стороне фильтрующего материала 14, как и первое электропроводное утолщение 16А. Подача высокого напряжения на проводники, расположенные на одной и той же стороне фильтрующего материала 14, может облегчить соединение с источником 108 высокого напряжения.

Возможны также другие сочетания соединений. Например, одна клемма источника 108 высокого напряжения может быть соединена с проводниками на верхней и нижней сторонах фильтрующего материала 14, а другая клемма источника 108 высокого напряжения может быть соединена с одним проводником на верхней или на нижней стороне фильтрующего материала 14.

Применение настоящего изобретения делает воздухоочиститель с материалом, поляризуемым под действием электрического поля, более простым в изготовлении и вследствие этого более экономичным для приобретения. Хотя электропроводные утолщения согласно настоящему изобретению могут быть нанесены как на плоский, так и на гофрированный фильтрующий материал, особенно предпочтительно, когда они являются нераздельной частью мини-гофрированного фильтра с утолщениями из электропроводного клея.

Вышеописанное изобретение(я) могут быть использованы различными способами, включая, но не ограничиваясь, применение в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), автономных блоках фильтров или вентиляторах, а также в промышленных системах очистки воздуха и пылесборниках. Хотя приведенные выше варианты описывают в первую очередь плоские конфигурации фильтров, настоящее изобретение можно применить также к другим конфигурациям, включая, но не ограничиваясь, V-образные группы из нескольких плоских панелей, соединенные между собой группы из панелей и V-образных блоков, цилиндрические фильтры для систем сбора пыли и т.д. Кроме того, любой из этих вариантов может быть соединен с ионизационными или поляризационными решетками, установленными перед устройством по ходу потока воздуха или после устройства, для повышения эффективности.

1. Фильтр, содержащий:
лист фильтрующего материала;
первое электропроводное утолщение, выполненное на листе фильтрующего материала и обеспечивающее опору для фильтрующего материала;
второе электропроводное утолщение, по существу параллельное первому электропроводному утолщению, выполненное на листе фильтрующего материала и обеспечивающее опору для фильтрующего материала, причем первое и второе электропроводные утолщения выполнены на противоположных сторонах указанного листа фильтрующего материала; при этом первое электропроводное утолщение содержит параллельные и соседние ряды электропроводных утолщений; и второе электропроводное утолщение содержит параллельные и соседние ряды электропроводных утолщений; и
источник напряжения, обеспечивающий разность потенциалов между первым электропроводным утолщением и вторым электропроводным утолщением для создания электростатического поля, проходящего сквозь фильтрующий материал.

2. Фильтр по п.1, в котором лист фильтрующего материала представляет собой минигофрированный материал.

3. Фильтр по п.1, в котором лист фильтрующего материала представляет собой электретный материал с присущими ему свойствами, который обладает статическим электрическим зарядом.

4. Фильтр по п.1, в котором лист фильтрующего материала представляет собой электретный материал, состоящий из волокон из разных участков трибоэлектрического ряда.

5. Фильтр по п.1, в котором первое или второе электропроводное утолщение по существу состоит из клея, или нити, или тесьмы, или ленты, или полосы, или стекла, или пеноматериала, или пластмассы.

6. Фильтр по п.1, в котором первое электропроводное утолщение или второе электропроводное утолщение по существу состоит из электропроводного материала, который приклеивается к поверхности листа фильтрующего материала, на которой он остается и обеспечивает некоторую механическую опору для листа фильтрующего материала.

7. Фильтр по п.1, в котором лист фильтрующего материала является гофрированным, но не минигофрированным.

8. Фильтр по п.1, в котором лист фильтрующего материала является по существу плоским.

9. Фильтр по п.1, в котором лист фильтрующего материала имеет множество слоев.

10. Фильтр, содержащий:
гофрированный лист фильтрующего материала, имеющий верхнюю сторону и нижнюю сторону;
первое электропроводное утолщение, выполненное на верхней стороне гофрированного листа фильтрующего материала и обеспечивающее опору для гофрированного листа фильтрующего материала; и
второе электропроводное утолщение, по существу параллельное первому электропроводному утолщению, выполненное на нижней стороне гофрированного листа фильтрующего материала и обеспечивающее опору для гофрированного листа фильтрующего материала;
третье электропроводное утолщение, выполненное на верхней стороне гофрированного листа фильтрующего материала и обеспечивающее опору для гофрированного листа фильтрующего материала; и
четвертое электропроводное утолщение, по существу параллельное первому электропроводному утолщению, выполненное на нижней стороне гофрированного листа фильтрующего материала и обеспечивающее опору для гофрированного листа фильтрующего материала;
при этом третье и четвертое электропроводные утолщения расположены в виде соседней параллельной пары рядов электропроводных утолщений по отношению к первому и второму электропроводным утолщениям; и
источник напряжения, обеспечивающий разность потенциалов между первым электропроводным утолщением и вторым электропроводным утолщением, а также третьим электропроводным утолщением и четвертым электропроводным утолщением для создания электростатического поля, проходящего сквозь фильтрующий материал.

11. Фильтр по п.10, в котором гофрированный лист фильтрующего материала представляет собой электретный материал с присущими ему свойствами, который обладает статическим электрическим зарядом.

12. Фильтр по п.10, в котором гофрированный лист фильтрующего материала представляет собой электретный материал, состоящий из волокон из разных участков трибоэлектрического ряда.

13. Фильтр по п.10, в котором первое, или второе, или третье, или четвертое электропроводное утолщение по существу состоит из клея, или нити, или тесьмы, или ленты, или полосы, или стекла, или пеноматериала, или пластмассы.

14. Фильтр по п.10, в котором первое, или второе, или третье, или четвертое электропроводное утолщение по существу состоит из электропроводного материала, который приклеивается к поверхности гофрированного листа фильтрующего материала, на которой он остается и обеспечивает некоторую механическую опору для гофрированного листа фильтрующего материала.

15. Фильтр по п.10, в котором лист фильтрующего материала является минигофрированным.

16. Фильтр по п.10, в котором гофрированный фильтрующий материал является не минигофрированным.

17. Фильтр по п.10, в котором лист фильтрующего материала имеет множество слоев.

18. Фильтр, содержащий
мешочный фильтр;
первое электропроводное утолщение, выполненное на мешочном фильтре и обеспечивающее опору для мешочного фильтра;
второе электропроводное утолщение, по существу параллельное первому электропроводному утолщению, выполненное на мешочном фильтре и обеспечивающее опору для мешочного фильтра; при этом указанные утолщения представляют собой материал, который прилипает к поверхности фильтрующего материала, или материал, который приклеивается к поверхности фильтрующего материала; и
источник напряжения, обеспечивающий разность потенциалов между первым электропроводным утолщением и вторым электропроводным утолщением для создания электростатического поля, проходящего сквозь мешочный фильтр.