УЛУЧШЕННЫЙ ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ВОЗДУХООЧИСТИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ ПОЛЯРИЗУЕМОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ МАТЕРИАЛА
IMPROVED FILTERING MATERIAL FOR AIR PURIFIER BASED ON MATERIAL POLARISED WITH ELECTRIC FIELD

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к системам очистки воздуха, в частности к воздухоочистителям, использующим электростатическое 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 поляризуемого под действием электрического поля материала.
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.
В воздухоочистителе на основе поляризуемого под действием электрического поля материала используется 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 электрическому току, 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 №1,272,453 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.
Рассматриваемые воздухоочистители могут быть установлены в разнообразных конфигурациях и ситуациях как в качестве составной части системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ (HVAC)), так и в качестве автономной системы перемещения/очистки воздуха. В системах HVAC небольшого размера (например, в системах бытового назначения или небольших коммерческих системах) воздухоочистительные панели часто устанавливают в плоской конфигурации (перпендикулярно потоку воздуха) или в изогнутых под углом фильтрующих линиях. В системах большего размера обычно применяют V-образную конфигурацию групп воздушных фильтров, где несколько раздельных фильтров размещают в виде зигзагообразной фильтрующей структуры перпендикулярно направлению воздушного потока.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении воплощены несколько индивидуальных усовершенствований фильтрующего материала для воздухоочистителей на основе поляризуемых под действием электрического поля материалов и различные сочетания таких усовершенствований. Настоящее изобретение имеет следующие признаки:
1. В частности, фильтрующий материал, являющийся предметом настоящего изобретения, включает в себя два слоя волокнистого диэлектрического материала (например, полиэстер) и слой воздухопроницаемого материала с более высоким сопротивлением (например, сетка из стекловолокна), вложенный между слоями диэлектрика (полиэстера) с меньшим сопротивлением.
2. В другом варианте настоящего изобретения фильтрующий материал включает в себя слой волокнистого диэлектрического материала, образующий смешанный фильтрующий слой с волокнами материалов с разных концов трибоэлектрического ряда (трибоэлектрической шкалы) для использования в воздухоочистителе на основе поляризуемого под действием электрического поля материала.
3. Еще в одном варианте настоящего изобретения фильтрующий материал содержит слой диэлектрического материала с относительно более высокой плотностью (например, такого как волокнистый полиэстер), за которым следует слой материала с относительно более низкой плотностью (например, менее плотного волокнистого полиэстера).
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - сечение фильтрующего материала, содержащего воздухопроницаемую сетку с более высоким сопротивлением между волокнистыми опорами из диэлектрического материала с относительно более низким сопротивлением согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 - сечение фильтрующего материала, содержащего волокнистую опору из диэлектрического материала и слой из смешанного волокна, имеющий волокна материалов с разных концов трибоэлектрического ряда, согласно настоящему изобретению.
Фиг.3 - сечение фильтрующего материала, содержащего признаки, показанные на фиг.1 и 2, согласно настоящему изобретению.
Фиг.4 - сечение фильтрующего материала, содержащего слой диэлектрического материала с более высокой плотностью и за ним слой диэлектрического материала с меньшей плотностью согласно настоящему изобретению.
Фиг.5 - сечение фильтрующего материала, содержащего признаки, показанные на фиг.1-4, согласно настоящему изобретению.
Фиг.6 - сечение фильтрующего материала, содержащего признаки, показанные на фиг.1-5, согласно настоящему изобретению.
Фиг.7 - сечение фильтрующего материала, содержащего признаки, показанные на фиг.3 и 6, согласно настоящему изобретению.
Фиг.8 - сечение фильтрующего материала, содержащего слой смешанного волокна, имеющий волокна материалов с разных концов трибоэлектрического ряда, согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Вариант осуществления воздухоочистителя на основе поляризуемого под действием электрического поля материала в соответствии с настоящим изобретением показан на фиг.1. На фиг.1 (как и на фиг.2-7) воздушный поток через фильтр проходит в направлении вниз от верхнего края схемы к нижнему краю. Фильтр состоит из рамы, которая удерживает фильтрующий материал.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения фильтрующий материал состоит из рамы 120 для опоры диэлектрического материала, первого опорного слоя 16А из волокнистого диэлектрического материала, сетки 14А из стекловолокна, второго опорного слоя 16В из волокнистого диэлектрического материала, центральной сетки 13, третьего опорного слоя 16С из волокнистого диэлектрического материала, другой сетки 14В из стекловолокна и четвертого опорного слоя 16D из диэлектрического фильтрующего материала. Рама, на которой закреплен фильтрующий материал, содержит первую электропроводную крепежную раму 116А с первой электропроводной наружной сеткой 12А и вторую электропроводную крепежную раму 116В со второй электропроводной наружной сеткой 12В. Хотя для ясности на всех чертежах показана одна и та же базовая конфигурация с использованием рамы 120 для материала и крепежных рам 116А, В, это лишь один, но не единственный вариант осуществления изобретения. Важными элементами рассматриваемого изобретения являются различные конфигурации материала между двумя электродами в воздухоочистителе с поляризуемым материалом. Хотя конкретные варианты, показанные на этих чертежах, обладают определенными преимуществами, тем не менее, центральная сетка не обязательно должна доходить до края, равно как и быть окружена рамой и слоями материала.
К раме 120 для опоры диэлектрического материала и/или к центральному электроду 13 подходящими средствами, например клеем 121А или посредством ультразвуковой сварки, прикреплен первый опорный слой 16А диэлектрического фильтрующего материала. Четвертый опорный слой 16D диэлектрического фильтрующего материала прикреплен походящими средствами, например клеем 121В или посредством ультразвуковой сварки, к раме 120 для опоры фильтрующего материала. В варианте без рамы для опоры фильтрующего материала различные слои 16A-D и 14А и В материала и центральная сетка 13 обычно должны быть скреплены вместе подходящими средствами, например клеем, посредством ультразвуковой сварки, посредством сшивания или зажимами. Первую электропроводную наружную сетку 12А удерживает на месте первая электропроводная крепежная рама 116А. Вторую электропроводную наружную сетку 12В удерживает на месте вторая электропроводная крепежная рама 116В.
Во время работы одну клемму высоковольтного источника 108 питания соединяют с центральной сеткой 13. Другую клемму указанного высоковольтного источника 108 питания соединяют с первой электропроводной наружной сеткой 12А и со второй электропроводной наружной сеткой 12В, на которой обычно поддерживают потенциал заземления.
Частицы, присутствующие во входящем воздушном потоке, проходящем сквозь диэлектрический фильтрующий материал 16А, 16В, 16С и 16D в показанном на фиг.1 воздухоочистителе на основе поляризуемого под действием электрического поля материала, поляризуются электрическим полем в материале и собираются на первом и втором опорных слоях диэлектрического фильтрующего материала 16А, 16В, 16С и 16D.
Фильтрующий материал согласно настоящему изобретению содержит два слоя волокнистого диэлектрического материала, причем воздухопроницаемый материал с более высоким сопротивлением - между диэлектрическими слоями с меньшим сопротивлением. В то же время возможны и другие сочетания материалов, и в частности, на фиг.1 сетка 14А из стекловолокна расположена между слоем 16А полиэстера и слоем 16В полиэстера, расположенным над центральной сеткой 13. Аналогично под указанной центральной сеткой 13 находится сетка 14В из стекловолокна, вложенная между слоем 16С полиэстера и слоем 16D полиэстера.
Оказалось, что такое расположение материалов позволяет поддерживать более высокую и более стабильную разность потенциалов между электродами. Это повышает эффективность удаления частиц, поскольку более высокое напряжение означает более высокую напряженность электрического поля и, соответственно, более высокую эффективность. В частности, установлено, что вышеуказанное расположение материалов позволяет повысить напряжение до 25% без зажигания электродугового разряда и распыления материала между электродами.
Фильтрующий материал согласно настоящему изобретению содержит слой смешанных волокон в составе воздухоочистителя на основе поляризуемого под действием электрического поля материала, этот слой смешанных волокон имеет волокна материалов из различных частей трибоэлектрического ряда. Большинство материалов могут генерировать и накапливать некоторое количество статического электричества. Способность материала генерировать и сохранять электрический заряд определяет место этого материала на трибоэлектрической шкале.
Трибоэлектрический ряд материалов, порождающих статическое электричество
Некоторые материалы генерируют больший электростатический заряд, чем другие. Поскольку статическое электричество представляет собой накопление электрически заряженных частиц на поверхности материала, различные материалы имеют склонность отдавать электроны и приобретать в результате положительный (+) заряд или притягивать электроны и приобретать тем самым отрицательный (-) заряд. Трибоэлектрический ряд представляет собой перечень материалов, показывающий, какие из этих материалов больше склонны приобретать положительный (+) заряд и какие больше склонны заряжаться отрицательно (-). Указанный перечень используют, чтобы определить, какие сочетания материалов могут создать наибольший электростатический заряд.
Для иллюстрации ниже приведен перечень некоторых широко распространенных материалов в соответствии с тем, насколько хорошо они генерируют статическое электричество при трении с другим материалом, а также с учетом того, какой заряд приобретает при этом материал. Данный перечень не является исчерпывающим, и любой материал соответствует какому-либо месту на положительной или отрицательной трибоэлектрической шкале.
Материалы, приобретающие положительный заряд
Следующие материалы склонны отдавать электроны при контакте с другими материалами. Они перечислены по порядку начиная с тех, которые обладают большей склонностью отдавать электроны, к тем, которые отдают электроны с трудом.
Комментарии
Сухая человеческая кожа
Обладает наибольшей склонностью отдавать электроны и приобретает большой положительный заряд (+)
Кожа
Кроличий мех
Мех часто используют для получения статического электричества
Стекло
Стекло на экране вашего телевизора заряжается и притягивает пыль
Человеческие волосы
«Пушистые развевающиеся волосы» являются хорошим примером умеренного положительного (+) заряда
Нейлон
Шерсть
Свинец
Как ни странно, свинец так же накапливает статическое электричество, как и кошачий мех
Кошачий мех
Шелк
Алюминий
Отдает некоторое количество электронов
Бумага
Нейтральные материалы
Имеется очень мало материалов, не склонных легко притягивать или отдавать электроны при контакте или трении с другими материалами.
Комментарии
Хлопок
Наилучший материал для антистатической одежды
Сталь
Не применяется для получения и использования статического электричества
Материалы, приобретающие отрицательный заряд
Следующие материалы склонны притягивать электроны при контакте с другими материалами. Они перечислены по порядку начиная с тех, которые обладают наименьшей склонностью притягивать электроны, к тем, которые легко притягивают электроны.
Комментарии
Древесина
Притягивает некоторое количество электронов, но почти нейтральна
Янтарь
Эбонит
Некоторые гребни для волос делают из эбонита
Никель, медь
Медные щетки применяют в генераторе статического электричества Уимшерста
Латунь, серебро
Золото, платина
Как ни удивительно, но эти металлы притягивают электроны почти как полиэстер
Полиэстер
Одежда со статическим прилипанием
Стирол (пенопласт)
Упаковочный материал, липнущий, кажется, ко всему
Пленка длязаворачиванияпродуктов
Легко заметить, как эта пленка прилипает к предметам
Полиуретан
Полиэтилен (типа «скотча»)
Оторвите липкую ленту «скотч» от поверхности и она окажется электрически заряженной
Полипропилен
Винил (ПВХ)
На поверхности поливинилхлорида (ПВХ) накапливается большое количество электронов
Кремний
Тефлон
Наибольшая склонность собирать электроны на поверхности и приобретать значительный отрицательный (-) заряд
Наилучшая комбинация материалов для получения статического электричества содержит один материал из списка положительно заряжаемых материалов и один материал из списка отрицательно заряжаемых материалов. Однако даже при использовании двух материалов из положительно заряжаемого списка или двух материалов из отрицательно заряжаемого списка можно получить умеренный электростатический заряд. Например, если два материала, склонных отдавать электроны, потереть один о другой, то материал с большей склонностью к отдаче электронов приобретет некоторый положительный (+) заряд. Аналогично, если два материала, склонных притягивать электроны, потереть один о другой, то материал с большей склонностью к притягиванию электронов приобретет некоторый отрицательный (-) заряд.
На фиг.2 показан фильтрующий материал согласно настоящему изобретению для применения в воздухоочистителе на основе поляризуемого под действием электрического поля материала, использующий смесь волокон из разных частей и/или предпочтительно с разных сторон трибоэлектрической шкалы. В частности, фильтрующий слой 15А содержит смесь волокон с разных сторон трибоэлектрической шкалы (смешанный трибоэлектрический фильтрующий слой). Различные волокна фильтрующего слоя 15А могут быть переплетены и перемешаны в фильтрующем слое или в качестве альтернативы различные волокна фильтрующего слоя 15А могут быть в виде первого и второго отдельных листов фильтрующего материала, помещенных в контакте один с другим. То есть первый лист фильтрующего материала выполнен из волокон с одной стороны трибоэлектрической шкалы, а второй лист фильтрующего материала выполнен из волокон с другой стороны трибоэлектрической шкалы. Первый и второй листы фильтрующего материала помещены в контакте один с другим для образования смешанного трибоэлектрического фильтрующего слоя 15А.
Смешанный трибоэлектрический фильтрующий слой 15В аналогичен смешанному трибоэлектрическому фильтрующему слою 15А. Важная особенность смешивания (путем переплетения или приведения в контакт) волокон с разных сторон трибоэлектрической шкалы состоит в том, что смесь таких волокон создает зоны с относительными положительным и отрицательным зарядами на волокнах в пределах таких смешанных трибоэлектрических фильтрующих слоев 15А, 15В. Такие интегрированные материалы можно приобрести, среди прочего, в компании Alhstrom Air Media, материалы серии HP представляют собой смесь модакрильных и полипропиленовых волокон; или в компании Hollingsworth and Vose, выпускаемые материалы марки Technostat представляют собой смесь акриловых и полипропиленовых волокон.
В сфере производства и проектирования пассивных электростатических фильтров хорошо известно, что правильно подобранная смесь материалов с разных сторон трибоэлектрической шкалы способна повысить эффективность фильтрующего материала сверх того уровня, который можно было ожидать исключительно за счет подбора плотности материала, т.е. за счет использования пассивных свойств материала. В пассивных электростатических фильтрах других типов присутствует электрический заряд, нанесенный на фильтрующий материал различными способами. Одна из проблем пассивных электростатических фильтров состоит в том, что первоначальная эффективность такого фильтра, обусловленная электростатическим притяжением, на деле снижается по мере того, как волокна покрываются загрязнениями и/или постепенно теряют электрический заряд под воздействием различных факторов (влажность, химические реагенты и температура).
Хотя поместив много фильтрующих материалов в электростатическое поле, можно повысить их эффективность, такой способ не является универсальным. На деле многие пассивные электростатические материалы не показывают улучшения или даже работают хуже. Однако было установлено, что введение электретного фильтрующего материала трибоэлектрического типа в поляризующее электрическое поле повышает его эффективность и устраняет наблюдаемый провал эффективности (см. причины этого явления для смешанного трибоэлектрического фильтрующего слоя здесь). Трибоэлектрический слой, как правило, является довольно тонким, что позволяет использовать такие материалы в виде одного или нескольких слоев, вместе или по отдельности в разных позициях в фильтрующем материале воздухоочистителя, т.е. так, что другие фильтрующие материалы могут располагаться с одной или с обеих сторон от трибоэлектрического слоя.
В другом варианте настоящего изобретения над смешанным трибоэлектрическим фильтрующим слоем 15А расположен довольно разреженный волокнистый слой 16Е. Структура фильтрующего материала над центральной сеткой 13 повторяется под центральной сеткой 13, а именно, второй довольно разреженный волокнистый слой 16F расположен над вторым смешанным трибоэлектрическим фильтрующим слоем 15В. Указанные довольно разреженные слои могут быть выполнены из разнообразных материалов или из материалов, отличающихся один от другого.
На фиг.3 показан фильтрующий материал согласно настоящему изобретению для применения в воздухоочистителе на основе поляризуемого под действием электрического поля материала, сочетающий центральную сетку 14А, 14В из стекловолокна и смесь волокон с разных сторон трибоэлектрической шкалы. Фильтрующий материал, показанный на фиг.3, представляет собой комбинацию фильтрующих материалов, показанных на фиг.1 и 2.
Эта комбинация объединяет преимущества каждого из вариантов и позволяет добиться максимальной эффективности системы.
На фиг.4 показан фильтрующий материал, содержащий слой диэлектрического материала с более высокой плотностью и за ним слой диэлектрического материала с меньшей плотностью. Фильтрующий материал, показанный на фиг.4, аналогичен материалу, показанному на фиг.2. Однако на фиг.4 после фильтрующего слоя 16Е из материала с относительно более высокой плотностью расположен дополнительный фильтрующий слой 25А из материала с относительно меньшей плотностью.
На фиг.5 показан фильтрующий материал, содержащий слой диэлектрического материала с меньшей плотностью и за ним слой диэлектрического материала с более высокой плотностью. Фильтрующий материал, показанный на фиг.5, аналогичен материалу, показанному на фиг.3. Однако на фиг.5 после фильтрующего слоя 16В расположен дополнительный фильтрующий слой 25А из материала с относительно меньшей плотностью. Кроме того, на фиг.5 после фильтрующего слоя 16D в конце воздушного потока через воздухоочиститель на основе поляризуемого под действием электрического поля материала помещен второй трибоэлектрический фильтрующий слой 25В из материала с относительно меньшей плотностью.
Преимуществом этих вариантов является уменьшение сопротивления воздушному потоку. Самый плотный слой фильтрующего материала будет иметь самое большое сопротивление воздушному потоку. Если самый плотный слой находится вплотную к одному из электродов, площадь этого слоя будет эффективно уменьшена на величину площади электрода. Это приведет к увеличению скорости воздушного потока через остальную область слоя и увеличению сопротивления воздушному потоку. Если поместить слой меньшей плотности между электродом и самым плотным слоем, это приведет к увеличению скорости воздушного потока в менее плотном материале, а не в самом плотном материале и тем самым значительно уменьшится сопротивление воздушному потоку.
На фиг.6 часть фильтрующего материала над центральной сеткой 13 такая же, как показано на фиг.1, а часть фильтрующего материала под центральной сеткой 13 такая же, как показано на фиг.5.
Этот вариант обеспечивает превосходные нагрузочные характеристики. В результате улавливания частиц большего размера или с меньшей плотностью, и/или с меньшим количеством движения в менее плотных слоях выше по потоку более плотные слои не засоряются и могут собирать преимущественно более мелкие (т.е. обладающие большей плотностью и/или большим количеством движения) частицы и вследствие этого их срок службы увеличивается. Таким образом, фильтрующий материал позволяет получить равномерное распределение частиц по объему материала.
На фиг.7 часть фильтрующего материала над центральной сеткой 13 такая же, как показано на фиг.3, а часть фильтрующего материала под центральной сеткой 13 такая же, как показано на фиг.5 или 6.
На фиг.8 фильтрующий материал 15С, 15D над центральной сеткой 13 представляет собой слой смешанных волокон, содержащий волокна с разных концов трибоэлектрической шкалы, согласно настоящему изобретению.
Еще в одном варианте настоящего изобретения один из наружных слоев фильтрующего материала может быть обработан фотокаталитическим материалом. Воздухоочиститель может быть затем связан с источником ультрафиолетового излучения для разрушения газофазных загрязнений. Фотокаталитический слой в идеале должен бы быть самым нижним слоем по ходу воздушного потока. Это позволило бы сохранять данный слой свободным от загрязнения частицами.
В следующем варианте настоящего изобретения фотокатализатором обрабатывают внешнюю сетку/электрод рамы фильтра.
Еще в одном варианте настоящего изобретения центральная сетка должна иметь свойства поглотителя запаха, как, например, импрегнированные углем пеноматериал или сетка.
Нижний по ходу воздушного потока слой материала меньшей плотности может быть обработан катализатором для разрушения летучих органических соединений (VOC), других загрязняющих газофазных реагентов, и/или озона, и/или биологических загрязнений.
По меньшей мере, одна из наружных сеток и/или слой фильтрующего материала может быть обработан фотокатализатором, способствующим разрушению газообразных примесей, например летучих органических соединений (VOC) и биологических загрязнений, в присутствии света, обычно ультрафиолетового излучения. Последняя конфигурация может быть связана с одним или несколькими источниками ультрафиолетового излучения, расположенными в непосредственной близости к фильтру, для реализации фотокаталитического эффекта. Полученная в результате интеграция компонентов может значительно снизить стоимость применения фотокатализа для воздушного потока. Катализатор может быть нанесен либо на входную, либо на выходную сетку. Система может включать в себя центральные ультрафиолетовые лампы для освещения обработанных сеток как с входной, так и с выходной стороны этих сеток. В случае нанесения фотокатализатора на слой фильтрующего материала в предпочтительном варианте это должен быть самый нижний по ходу потока слой, поскольку этот слой будет в наименьшей степени засорен загрязнениями.
Хотя настоящее изобретение описано выше на примере различных вариантов этого изобретения, в структуру и различные элементы изобретения могут быть внесены различные изменения, не выходящие за рамки существа и объема настоящего изобретения в целом. В частности, различные слои или элементы могут быть соединены или повторены для достижения разнообразных эффектов. Например, тогда как на фиг.7а показана базовая концепция рассматриваемого воздухоочистителя, фиг.7b показывает конфигурацию одного типа системы в сборе. Хотя в целях большей ясности различные элементы показаны в виде отдельных слоев, два или более таких «слоев» могут быть объединены в один слой или материал.
Вышеописанное изобретение(я) может быть использовано различными способами, включая, но не ограничиваясь, применение в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), автономных блоках фильтров с вентиляторами и 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 множества плоских панелей, соединенные между собой группы из панелей и V-образных блоков и цилиндрические фильтры для систем сбора пыли.