ФИЛЬТРАЦИОННЫЙ БЛОК
FILTRATION UNIT

Изобретение относится к фильтрационному блоку.
Известно, что воздух, вводимый в замкнутые пространства с помощью систем климат-контроля, аэрационных, вентиляционных, отопительных систем и т.д., является потенциальным переносчиком загрязняющих веществ различных видов, среди которых органические загрязняющие вещества, такие как вирусы, споры, плесень, грибки и т.п., являются особо опасными (для людей в замкнутом пространстве).
В связи с этим на воздуховыпускных отверстиях, ведущих в замкнутое пространство, иногда устанавливают фильтрационные блоки, предназначенные для выборочного удаления загрязняющих веществ в зависимости от их физического состояния (твердого, газообразного, микробиологического и электрического).
Эти фильтрационные блоки могут иметь перегородки из ткани, предназначенные для того, чтобы в них ударялся поток воздуха перед тем, как он введется в замкнутое пространство, и способные задерживать присутствующие в воздухе частицы загрязняющего вещества и микроорганизмы.
Однако такие конструктивные решения имеют недостатки.
Удерживаемые загрязняющие вещества фактически накапливаются на поверхности перегородки, постепенно закупоривая ее поры (уменьшая эффективность фильтрации), и, следовательно, требуется периодическое техническое обслуживание специалистами (соответственно с высокими затратами).
Кроме того, загрязняющие вещества, накопленные на перегородке и своевременно не удаленные, иногда могут вновь вводиться в замкнутое пространство при следующем запуске вентиляционной системы.
Эти недостатки отчасти решены в фильтрационном блоке, описанном в документе ЕР 06425389.1.
Известное устройство содержит наружный кожух с перфорированной решеткой, расположенной на пути протекания подлежащего фильтрации воздуха и имеющей заранее заданную величину отрицательного электрического потенциала, следовательно, способной испускать электроны, когда через нее проходит поток текучей среды.
Такая перфорированная решетка снабжена множеством заостренных выступов, предназначенных для рассеивания электронов, когда поток текучей среды проходит сквозь отверстия в решетке, чтобы способствовать их присоединению к частицам загрязняющих веществ.
Таким образом, частицы загрязнителя электрически заряжаются и могут притягиваться осадительным пластинчатым электродом с положительным электрическим потенциалом (снабженным средствами для деактивации микроорганизмов), расположенным по потоку за решеткой.
Однако это конструктивное решение также, несмотря на исключение необходимости в частом техническом обслуживании и риска повторного введения загрязняющих веществ в замкнутое пространство, не лишено недостатков.
Так, наблюдалось, что использование описанного выше устройства обеспечивает абсолютно неудовлетворительные результаты (в отношении удаления загрязняющих частиц).
Прежде всего, количество загрязняющих веществ, которое способно покидать фильтр, все еще остается достаточно высоким. Кроме того, описанный выше фильтр оказался абсолютно неэффективным против мелкодисперсных частиц (с размерами менее 0,3 мкм), представляющих собой наибольшую опасность для здоровья людей.
Задачей изобретения является решение вышеупомянутых проблем путем разработки блока, обеспечивающего высокую эффективность фильтрации.
В частности, задачей изобретения является создание фильтрационного блока, обеспечивающего высокую эффективность против ультрамелких частиц с размерами порядка нанометров.
Дополнительными задачами изобретения являются:
- создание фильтрационного блока, который требует простого и нечастого технического обслуживания;
- создание блока, обеспечивающего высокую надежность в эксплуатации;
- создание блока, который может быть легко получен, начиная с широко коммерчески доступных элементов и материалов;
- создание блока умеренной стоимости и безопасного в применении.
Указанные задачи решаются в фильтрационном блоке, содержащем кожух, образующий канал для прохождения текучей среды, которая несет подлежащие удалению частицы загрязняющего вещества, причем в первом поперечном сечении указанного канала установлена по меньшей мере одна перфорированная электропроводная решетка, поддерживаемая под отрицательным электрическим потенциалом для испускания в указанный канал электронов, которые могут присоединяться к частицам загрязняющего вещества, придавая им отрицательный электрический заряд, при этом внутри указанного канала по потоку за решеткой имеется по меньшей мере одна накопительная пластина, поддерживаемая под положительным электрическим потенциалом для сбора частиц загрязняющего вещества, отрицательно заряженных посредством электронов, выпущенных решеткой, а вблизи накопительной пластины расположен по меньшей мере один отклоняющий элемент, поддерживаемый под отрицательным электрическим потенциалом для создания электрического поля внутри канала для направления отрицательно заряженных частиц к накопительной пластине, причем фильтрационный блок содержит по меньшей мере одну электропроводную нить, расположенную напротив и вблизи соответствующего отверстия указанной решетки и поддерживаемую под отрицательным электрическим потенциалом для испускания электронов, которые могут присоединяться к частицам загрязняющего вещества, переносимым по меньшей мере частью текучей среды, проходящей через указанное соответствующее отверстие.
Другие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего описания четырех предпочтительных возможных вариантов его осуществления со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 схематично показан фильтрационный блок согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в продольном разрезе;
на фиг. 2 - электропроводная решетка блока, показанного на фиг. 1, вид в перспективе;
на фиг. 3 - увеличенный вид части решетки, показанной на фиг. 2;
на фиг. 4 схематично показан фильтрационный блок согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в продольном разрезе;
на фиг. 5 - электропроводная решетка блока, показанного на фиг. 4, вид в перспективе;
на фиг. 6 - увеличенный вид части решетки, показанной на фиг. 5;
на фиг. 7 схематично показан фильтрационный блок согласно третьему варианту осуществления изобретения, вид в продольном разрезе;
на фиг. 8 - электропроводная решетка блока, показанного на фиг. 7, вид в перспективе;
на фиг. 9 схематично показан фильтрационный блок согласно четвертому варианту осуществления изобретения, вид в продольном разрезе;
на фиг. 10 - электропроводная решетка блока, показанного на фиг. 9, вид в перспективе.
Фильтрационный блок согласно изобретению, обозначенный в целом позицией 1, содержит кожух 2, образующий канал 3 для прохождения текучей среды, как правило, воздуха, несущего частицы А загрязняющего вещества, которые необходимо удалить.
Блок 1 может располагаться в трубопроводе любой системы климат-контроля, аэрационной, вентиляционной, отопительной системы и т.п., и его можно заранее настраивать для фильтрации и очищения протекающего через трубопровод воздуха от примесей, перед вводом этого воздуха в замкнутое пространство, для которого он предназначен.
Кожух 2 может быть выполнен в виде трубки, которая может вставляться коаксиально в трубопровод, или может быть образована частью самого трубопровода.
Предпочтительно кожух 2 представляет собой коробообразный корпус, который может быть установлен на выпускном патрубке описанных выше систем, вынуждая воздух проходить по каналу 3 (который является внутренним относительно коробообразного корпуса), перед тем как он будет введен в замкнутое пространство, в которое направлен выход системы.
Протекающая через канал 3 текучая среда предпочтительно представляет собой воздух, но не исключено и использование блока 1 для фильтрации других типов текучих сред, и такой блок может быть использован в других областях, коротко упомянутых выше.
Подлежащие удалению частицы А загрязняющего вещества могут быть любого типа (как в отношении их электрических и/или микробиологических свойств, так и в отношении их физического состояния - твердого, жидкого или газообразного, и могут быть органическими или неорганическими), но предпочтительно они представляют собой органические загрязняющие вещества, такие как вирусы, бактерии, споры, плесень, грибки и т.п. (или являются неорганическими веществами, представляющими собой носитель для таких загрязняющих веществ).
Как показано на чертежах, в первом поперечном сечении канала 3 установлена по меньшей мере одна перфорированная электропроводящая решетка, поддерживаемая под отрицательным электрическим потенциалом (величина которого может изменяться с течением времени и выбираться в зависимости от конкретных требований) для испускания в канал 3 электронов, которые могут присоединяться к частицам А загрязняющего вещества, переносимым протекающей по каналу 3 текучей средой, которая ударяется в перфорированную решетку 4 и проходит сквозь нее.
Таким образом, частицам А загрязняющего вещества придается отрицательный электрический заряд, который позволяет осуществлять их сбор с помощью по меньшей мере одной накопительной пластины 5, поддерживаемой под положительным электрическим потенциалом и расположенной внутри канала 3 по потоку за решеткой 4.
Пластину 5 можно периодически легко снимать для очистки ее от накопленных частиц А, предотвращая чрезмерное их скопление.
Блок 1 может быть снабжен любым числом накопительных пластин 5, расположенных в канале 3, в зависимости от различных конфигураций и особых требований: например, на чертежах показаны конструктивные решения с тремя накопительными пластинами 5, расположенными параллельно вдоль канала 3.
Кроме того, внутренние стенки кожуха 2, около которых расположены две из трех накопительных пластин 5, могут быть покрыты пленкой 2а из электроизоляционного материала (расположенной между стенками кожуха и пластинами 5).
Чтобы способствовать сбору отрицательно заряженных частиц А, вблизи накопительной пластины 5 расположен по меньшей мере один отклоняющий элемент 6 (и предпочтительно, но не исключительно так, чтобы он находился напротив нее), который поддерживается под отрицательным электрическим потенциалом (в некоторых случаях такой же величины, что и потенциал решетки 4) для создания электрического поля внутри канала 3, результате чего частицы А отклоняются по направлению к накопительной пластине 5.
Число отклоняющих элементов 6, расположенных внутри канала 3, также может быть различным. На чертежах показано восемь отклоняющих элементов 6, выровненных попарно в четыре взаимно параллельных ряда (которые параллельны внутренним стенкам кожуха 2 и накопительным пластинам 5, напротив которых они расположены, чтобы лучше отклонять и осаждать частицы А загрязняющего вещества, обеспечивая тем самым оптимальный результат).
Фильтрационный блок 1 согласно изобретению содержит по меньшей мере одну электропроводную нить 7, которая расположена напротив и вблизи соответствующего отверстия 8 решетки 4. Нить 7 поддерживается под отрицательным электрическим потенциалом (который может быть равным потенциалу решетки 4 и/или отклоняющего элемента 6) так, чтобы она образовывала специальный источник эмиссии электронов, расположенный точно в зоне прохождения по меньшей мере одной части текучей среды (которая проходит через отверстие 8), для обеспечения присоединения электронов к частицам А загрязняющего вещества, переносимым этой частью текучей среды.
В частности, фильтрационный блок 1 содержит по меньшей мере одну первую электропроводящую нить 7, которая находится напротив соответствующего отверстия 8 вблизи него и расположена по потоку, по существу, за решеткой 4, и по меньшей мере одну вторую электропроводную нить 7, которая находится напротив соответствующего отверстия 8 вблизи него и расположена по потоку, по существу, перед решеткой 4.
Таким образом, возможны различные конструктивные решения, в одних из которых по меньшей мере одна нить 7 расположена по потоку только за (или только перед) решеткой 4 (как показано на фиг. 1, 2 и 3), а в других (предпочтительных) - по меньшей мере одна нить 7 расположена по потоку перед решеткой 4, и по меньшей мере одна нить 7 расположена по потоку за решеткой (как показано на фиг. 4, 5 и 6).
Следует отметить, что все предложенные варианты могут быть выполнены (даже когда это не указано конкретно) как с нитями 7, расположенными по потоку только за (или только перед) решеткой 4, так и с нитями 7, расположенными по потоку как перед, так и за решеткой 4 (решение, которое обеспечивает наивысшую эффективность фильтрации).
В частности, блок 1 содержит множество нитей 7 (количество, выбранное по желанию), которые расположены напротив и вблизи по меньшей мере одного соответствующего отверстия 8 решетки 4. Каждая нить 7 поддерживается под заранее заданным отрицательным электрическим потенциалом для испускания электронов, которые могут присоединяться к частицам А загрязняющего вещества, переносимым текучей средой, проходящей через соответствующее отверстие 8.
Точнее, каждое отверстие 8 решетки 4 расположено напротив и вблизи множества нитей 7, которые поддерживаются под заранее заданным отрицательным электрическим потенциалом.
Таким образом, испускание электронов решеткой 4 сконцентрировано на нитях 7, и поскольку нити 7 расположены напротив отверстий 8, через которые вынуждена проходить вся масса текучей среды, блок 1 согласно изобретению обеспечивает очень высокую эффективность, т.к. поток текучей среды проходит через зону, в которой эмиссия электронов является наивысшей, тем самым обеспечивая присоединение их к очень большому числу частиц А загрязняющего вещества.
Каждая нить 7 может иметь разную длину и предпочтительно (но не исключительно) выбрана многополярного типа и изготовлена из металлического материала.
Предпочтительно каждая нить 7 первым концом 7а прикреплена к решетке 4. Как показано на фиг. 3 и 6, противоположный второй конец каждой нити 7 представляет собой свободный конец 7b, который имеет скошенную, по существу, заостренную (сужается наружу) форму, в результате чего дополнительно увеличивается эмиссия электронов.
Фильтрационный блок 1 содержит по меньшей мере один элемент 9 для деактивации органических загрязняющих веществ, таких как вирусы, бактерии, споры, плесень, грибки и т.п., содержащихся в переносимых текучей средой частицах А загрязняющих веществ. Элемент 9 расположен вблизи накопительной пластины 5, чтобы обезвреживать загрязняющие вещества. Кроме того, возможно расположение вдоль канала 3 нескольких элементов 9 (например, два, как показано на чертежах).
Даже если периодически не снимать накопительную пластину 5, наличие элемента 9 предотвратит размножение собранных на пластине 5 частиц А органических загрязняющих веществ и сделает их полностью безвредными. Таким образом, любое отделение их от пластины 5 с последующим потенциальным введением в замкнутое пространство, расположенное далее по потоку, не станет источником биологического загрязнения и вреда для людей.
В частности, дезактивирующий элемент 9 может быть бактерицидной лампой ультрафиолетового излучения, которая расположена напротив накопительной пластины 5 для ее непрерывного облучения с деактивацией микроорганизмов любого типа, независимо от времени деактивации.
Каждое отверстие 8 может быть, по существу, круглым и пересекаться по диаметру ребром 10. Первые концы 7а всех нитей 7, которые расположены напротив и вблизи соответствующего отверстия 8, прикреплены, по существу, к центру ребра 10, как показано, например, на фиг. 3 и 6.
Блок 1 содержит по меньшей мере одну задающую раму, которая расположена вблизи отверстий 8 и поддерживается под другим электрическим потенциалом относительно электрического потенциала нитей 7. Предпочтительно указанная рама поддерживается под электрическим потенциалом, равным потенциалу заземления. Таким образом, внутри канала 3, в частности между пластиной 5 и рамой, можно генерировать поток электронов, испускаемых нитями 7 и притягиваемых в действительности рамой, которая ориентирована вдоль заранее заданного направления.
Согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 7 и 8, рама, поддерживаемая под электрическим потенциалом, предпочтительно равным потенциалу заземления, может быть образована, по существу, закрывающим листом 11, изготовленным из металлического материала (например, меди) и расположенным по меньшей мере вдоль поверхности решетки 4, которая направлена в сторону накопительной пластины 5 (так чтобы он закрывал ее частично или предпочтительно полностью).
Таким образом, электронам, испускаемым нитями 7 и притягиваемым посредством листа 11, придается траектория, которая имеет по меньшей мере одну (начальную) часть, по существу, перпендикулярную к направлению перемещения текучей среды, поскольку они испускаются свободными концами 7b нитей 7 и попадают, по существу, на плоскость, образованную решеткой 4, на которой в действительности лежит лист 11.
Однако не исключена возможность расположения соответствующего листа 11 на каждой поверхности решетки 4, если нити 7 расположены по потоку как до, так и после решетки 4 (как описано выше).
Как вариант, рама, поддерживаемая, как уже отмечалось, под электрическим потенциалом, предпочтительно равным потенциалу заземления, может быть образована, по существу, металлической сеткой, которая расположена параллельно решетке 4 и вблизи нее для притягивания электронов, излучаемых нитями 7.
Если нити 7 расположены по потоку только до или после решетки 4, металлическая сетка тоже может располагаться по потоку только до или только после решетки 4 соответственно. Если нити расположены по потоку как до, так и после решетки 4, блоки 1 могут снабжаться одной или двумя металлической сетками.
Согласно еще одному варианту осуществления изобретения, показанному на фиг. 9 и 10, каждое, по существу, круглое отверстие 8 снабжено кольцевым буртиком 12, имеющим, по существу, цилиндрическую форму и отходящим от края отверстий 8 под прямым углом к решетке 4 или в направлении к накопительной пластине 5, и/или в противоположном направлении (в зависимости от расположения нитей 7). В этом варианте осуществления изобретения рама, поддерживаемая под электрическим потенциалом, предпочтительно равным потенциалу заземления, может быть образована покрывающим слоем (выполненным из металлического материала, предпочтительно меди) верхней части каждого буртика 12, имеющей такой размер, чтобы он выступал в осевом направлении дальше свободных концов 7b нитей 7.
Таким образом, электроны, испускаемые нитями 7 (и, в частности, их свободными концами 7b) и притягиваемые буртиками 12, следуют по траектории, которая имеет по меньшей мере одну (начальную) часть, по существу, параллельную направлению перемещения текучей среды, что обеспечивает поток электронов, имеющий часть траектории, которая, по существу, совпадает с потоком текучей среды, продлевая период времени, в течение которого электроны и переносимые воздухом частицы А загрязняющего вещества могут контактировать друг с другом, способствуя их соединению.
Отверстия 8 могут иметь, по существу, шестиугольную (гексагональную) форму (но блоки 1 могут быть снабжены отверстиями 8 и другой формы), и решетка может иметь, по существу, треугольные язычки, выступающие из каждой стороны шестиугольного периметра отверстий 8 (так что решетка 4 имеет внешний вид терки) и направленные в сторону накопительной пластины 5.
Задающая рама тогда расположена напротив отверстий 8 и поддерживается под другим электрическим потенциалом относительно электрического потенциала нитей 7, предпочтительно под электрическим потенциалом, равным потенциалу заземления, для генерации потока электронов, испускаемых нитями 7 и язычками и притягиваемых рамой, которая ориентирована вдоль заранее заданного направления. В этом варианте осуществления изобретения рама может быть предпочтительно выполнена в виде металлической решетки, которая расположена параллельно решетке по потоку за (и/или перед) ней и вблизи нее.
Кроме того, блок 1 может быть снабжен ионизатором, расположенным, по существу, в концевой части канала 3, т.е. в месте выхода воздуха из блока 1, и предназначенным для восстановления отрицательных электрических зарядов, которые присутствуют в воздухе.
Блок 1 согласно изобретению может содержать средства 13 для поддержания и образования формы отклоняющих элементов 6.
Блок работает следующим образом.
Как уже отмечалось блок 1, может быть установлен вдоль трубопровода или у выпускного отверстия системы и оборудования для вентиляции, климат-контроля и т.п. любого замкнутого пространства (гражданского, больничного и т.п.), а также любых транспортных средств (самолетов, поездов, судов, военных автомобилей, космических аппаратов и других), чтобы защищать здоровье людей. В медицинской и больничной областях блок 1 может дополнительно использоваться также для изоляции отдельных кроватей в случае эпидемии.
В любом случае, каким бы ни было целевое применение (включенное или не включенное в применения, кратко описанные выше), подлежащий фильтрации воздух (или другая текучая среда) проходит через канал 3 (по существу, заключенный между накопительными пластинами 5 и отклоняющими элементами 6), образованный кожухом 2.
В частности, вся масса воздуха проходит через отверстия 8 решетки 4 и затем ударяется о нити 7, которые рассеивают электроны (поскольку решетка 4 и нити поддерживаются под отрицательным электрическим потенциалом). Электроны (дополнительно направляемые для удобства к задающей раме, которая предпочтительно поддерживается под потенциалом заземления) могут таким образом присоединяться к частицам А загрязняющего вещества, сообщая им отрицательный электрический заряд.
Накопительные пластины 5, расположенные соответствующим образом относительно решетки 4 и поддерживаемые под положительным электрическим потенциалом, притягивают отрицательно заряженные частицы А загрязняющего вещества, тем самым удаляя их из воздуха.
Вблизи накопительных пластин 5 имеются отклоняющие элементы 6, которые помогают создавать электрическое поле, способствующее сбору частиц А загрязняющего вещества на пластинах 5.
Использование нитей 7, расположенных около отверстий 8, пересекаемых потоком текучей среды, обеспечивает максимальную эффективность фильтрации, создавая высокое рассеяние электронов и концентрирование их в зоне, окружающей свободные концы 7b нитей (которые в действительности пересекаются потоком текучей среды), тем самым обеспечивая присоединение между очень большого количества электронов к частицам А загрязняющего вещества (и, следовательно, их последующее накопление на пластинах 5).
В действительности высокая эффективность фильтрации, достигаемая с помощью описанных выше конструкций, также дает возможность удалять из потока текучей среды даже ультрамелкие частицы и, следовательно, частицы А загрязняющего вещества особо малого размера (зачастую наиболее опасные для людей) с размером менее 0,3 мкм и до размеров порядка нанометров.
Кроме того, наличие бактерицидной лампы (или другого элемента 9 дезактивации) дает возможность обезвредить путем удаления органические загрязняющие вещества (кроме того, предотвращая их размножение), позволяя проводить работы по техобслуживанию с ограниченной частотой, даже, к примеру, всего лишь раз в год.
Этот результат достигается, по существу, за счет действия электрического эффекта, а не за счет механических свойств пористой мембраны, как это происходит при использовании традиционных фильтров. Последние подвержены в случае плохого техобслуживания постепенному закупориванию пор, в результате чего уменьшается эффективность фильтрации. При этом на способность отрицательно заряжать частицы А загрязняющего вещества и собирать их на накопительных пластинах 5 не влияет частота очистки и техобслуживания.
Кроме того, следует отметить, что блок 1 не оказывает какого-либо существенного сопротивления протеканию воздуха и, следовательно, после его запуска не выбрасывает материал любого вида в замкнутое пространство, поскольку частицы А загрязняющего вещества удерживаются на пластинах 5. Опять же, это позволяет выполнять работы по техобслуживанию редко (и очень просто) без снижения при этом эффективности фильтрации (которая остается максимальной даже без выполнения какого-либо техобслуживания и/или когда доверяют его выполнение неспециалистам).
Было обнаружено, что блок согласно изобретению полностью достигает поставленной цели, поскольку наличие по меньшей мере одной электропроводной нити, поддерживаемой под отрицательным электрическим потенциалом, которая расположена напротив и вблизи соответствующего отверстия решетки, способствует присоединению испускаемых нитью электронов к по меньшей мере части подлежащей фильтрации текучей среды, которая проходит через отверстие, обеспечивая высокую эффективность фильтрации блока.
Изобретение допускает многочисленные модификации и изменения, которые не выходят за объем формулы изобретения. Кроме того, все описанные выше детали могут быть заменены другими механически эквивалентными элементами.
Например, не исключена возможность выполнения блоков 1 из нескольких модулей, расположенных последовательно вдоль трубопровода или у выходного отверстия системы, причем каждый модуль имеет описанные выше элементы, т.е. по меньшей мере одну решетку 4, по меньшей мере одну накопительную пластину 5 и по меньшей мере один отклоняющий элемент 6.
Таким образом, общая эффективность блока 1 согласно изобретению может быть увеличена в еще большей степени, поддерживая при этом ограничение скорости, с которой воздух проходит через канал 3 (еще один фактор, который позволяет обеспечить максимальную фильтрацию).
В приведенных выше вариантах осуществления изобретения отдельные характеристики, данные в отношении конкретных примеров, могут фактически быть взаимозаменяемыми с другими характеристиками, которые существуют в других вариантах осуществления изобретения.
На практике используемые материалы, а также размеры могут быть любыми согласно требованиям и современному уровню техники.
Когда за техническими элементами, упомянутыми в каком-либо пункте формулы изобретения, следуют условные обозначения, эти условные обозначения были включены с единственной целью увеличения понятности формулы изобретения и соответственно такие условные обозначения не имеют никакого ограничивающего влияния на интерпретацию каждого элемента, идентифицируемого посредством примера такими условными обозначениями.
Ссылочные обозначения технических элементов, приведенные в каком-либо пункте формулы изобретения, включены с единственной целью повышения ясности формулы изобретения и соответственно не ограничивают толкование каждого элемента, идентифицируемого ссылочным обозначением.