ПЫЛЕСОС С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ФИЛЬТРОМ (ВАРИАНТЫ)
VACUUM CLEANER WITH ELECTROSTATIC FILTER (OPTIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к пылесосам, в частности - но не исключительно – к пылесосам для применения в быту.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как правило, известные пылесосы работают, создавая разность давлений посредством вращающегося вентилятора или крыльчатки, приводимого или приводимой в действие электродвигателем. Избыточное давление стравливается в атмосферу через рассеивающую систему, а разрежение направляется к концу жесткого переходника или трубки, граничащему с полом или объектом, который надлежит очистить. Получаемый поток воздуха, идущий через пылесос, проходит либо через пылеулавливающую камеру в виде пористого мешка, обладающего пористостью, достаточно малой, чтобы улавливать частицы, либо через циклонную камеру, которая захватывает частицы посредством центробежного воздействия, прикладываемого к завихряющимся частицам. Поток воздуха продолжается от верхушки циклонной камеры или через ограждающую камеру - в случае пористого мешка - к выходному фильтру перед тем, как поступает в атмосферу в виде выхлопа диффузора.
За прошедшие годы предприняты различные попытки улучшения рабочих характеристик, например, путем повышения эффективности вентилятора с крыльчаткой, путем увеличения скорости вентилятора с крыльчаткой, путем тщательной инженерной проработки крыльчатки, что приводит к некоторому типу многолопастной турбины спиральной формы, путем использования циклонной технологии, в соответствии с которой воздух направляется так, что получается завихрение, с целью создания центробежной составляющей потока и обеспечения увеличения скорости за счет постепенного сокращения диаметра вихревого потока.
В принципе, пылеудаление в современных агрегатах является функцией рабочих характеристик вакуума или разрежения. Эти рабочие характеристики, в свою очередь, зависят главным образом от конструкции и кпд крыльчатки. Как правило, возникает ситуация, в которой кпд крыльчатки будет ниже 50%. Вместе с тем, о некоторых недавно разработанных крыльчатках типа турбин сообщалось, что их кпд якобы достигает 70%. Общая производительность системы дополнительно снижается такими факторами, как потери через систему жесткого патрубка и конструкция щеточной головки, - с учетом того, как ограничивается поток воздуха из атмосферы в ту зону головки, где вход в вакуум.
При наличии фильтров мешочного типа, малая пористость будет способствовать улавливанию большинства частиц, но слишком малая пористость приводит к ограничениям потока и большому падению давления на мешке. Таким образом, существует компромисс, который требуется для того, чтобы малые частицы могли проходить через фильтрующую систему. Циклонные системы захватывают основные частицы пыли за счет завихряющей центробежной силы, действующей на частицы и вызывающей их отбрасывание к стенке контейнера. Поток воздуха из контейнера фильтруется через вспомогательную систему, которая опять должна иметь пористость, чтобы обеспечить пропускание воздуха, и поэтому должна иметь канал для частиц. Таким образом, и метод фильтрации не является идеальным или близким к совершенному, и поток отработанного воздуха в обеих системах - мешочного и циклонного типа - по определению содержит частицы пыли и/или микробы, которые слишком малы для захвата фильтрующими системами.
Проблемы также связаны с простотой опорожнения пылесборников. Мешки нужно вынимать, раскупоривать и вытряхивать в мусорное ведро. Зачастую мешок не является предметом многоразового пользования, и весь мешок выбрасывается, когда заполнен. В циклонной системе опорожнение, как правило, предусматривается посредством съемного сосуда, который просто опрокидывают для утилизации содержимого; по меньшей мере, так должно быть теоретически. На практике сосуд часто сконструирован из пластмассы или покрыт пластмассой, которая оказывается статически заряженной из-за движения и последующего трения частиц пыли о внутренние поверхности сосуда. Этот трибоэлектрический эффект заставляет частицы прилипать к поверхностям сосуда, и поэтому опорожнение последнего становится трудным.
И, наконец, процесс движения воздуха с высокими скоростями по изолирующим поверхностям приводит к нарастанию заряда и существенной положительной ионизации отработанного воздуха. В частности, это является проблемой в высокоскоростных системах циклонного типа, где трибоэлектрический эффект усиливается скоростью и трением частиц. Электродвигатель вызывает магнитно индуцируемую положительную ионизацию, а с универсальными индукторными двигателями связана проблема искрения щеток, добавляющаяся к эффекту ионизации и создающая опасность возгорания. Положительная ионизация в худшем случае представляет собой известную опасность для здоровья, а в лучшем - считается вносящей вклад в нечеткость соображения и повышенную предрасположенность к заболеваниям.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявитель данной заявки установил необходимость усовершенствованного пылесоса, который преодолевает или, по меньшей мере, смягчает проблемы, связанные с известными техническими решениями.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается пылесос, содержащий в себе:
корпус, ограничивающий впускное отверстие для воздуха, выпускное отверстие для воздуха и канал, проходящий между ними,
пылевой фильтр для удаления пыли из воздуха, проходящего по каналу и
воздушный насос для всасывания воздуха во впускное отверстие для воздуха и по каналу к выпускному отверстию для воздуха, характеризующийся тем, что он
дополнительно содержит в себе электродный узел, выполненный с возможностью обеспечения движущей силы для привода электростатического индукторного двигателя, механически соединенного с воздушным насосом, или с возможностью обеспечения движущей силы для непосредственного привода воздушного насоса.
Пылесос может быть выполнен в виде обычного бытового пылесоса (например передвижного, с колесами, или ручного).
В одном из вариантов воплощения, воздушный насос содержит турбину Тесла, содержащую, по меньшей мере, один диск статора в сочетании, по меньшей мере, с одним диском ротора, а электродный узел предусмотрен на упомянутом, по меньшей мере, одном диске статора, чтобы вызывать вращение соответствующего диска ротора.
В еще одном варианте воплощения, канал или компонент, находящийся в канале, включает в себя контактирующую с потоком воздуха поверхность, содержащую трибоэлектрическое покрытие, предусмотренное на электропроводном подслое, конфигурация которого обеспечивает подачу напряжения в электродный узел.
При наличии трибоэлектрического покрытия, статические заряды, сгенерированные трением воздуха и частиц пыли также могут быть использованы для улучшения фильтрации или стерилизации.
В другом варианте воплощения, воздушный насос содержит активный элемент, включающий в себя контактирующую с потоком воздуха поверхность, содержащую трибоэлектрическое покрытие, предусмотренное на электропроводном подслое, конфигурация которого обеспечивает подачу напряжения в электродный узел.
В одном варианте воплощения, электростатический пылевой фильтр включает в себя ступень циклонного фильтра, включающую в себя контактирующую с циклонным потоком воздуха поверхность, содержащую трибоэлектрическое покрытие, предусмотренное на электропроводном подслое, конфигурация которого обеспечивает подачу напряжения в электродный узел.
В еще одном варианте воплощения, конфигурация которого обеспечивает создание потока ионизированного воздуха через выпускное отверстие для воздуха.
В еще одном своем аспекте изобретение относится к пылесосу, содержащему в себе:
корпус, ограничивающий впускное отверстие для воздуха, выпускное отверстие для воздуха и канал, проходящий между ними,
электростатический пылевой фильтр для удаления пыли из воздуха, проходящего по каналу и
воздушный насос для всасывания воздуха во впускное отверстие для воздуха и по каналу к выпускному отверстию для воздуха,
причем электростатический пылевой фильтр содержит электродный узел, имеющий конфигурацию, позволяющую убивать микроорганизмы, присутствующие в воздухе, проходящем по каналу, подвергая этот воздух воздействию напряжения, превышающего пороговое напряжение, характеризующийся тем, что
канал или компонент, находящийся в канале, включает в себя контактирующую с потоком воздуха поверхность, содержащую трибоэлектрическое покрытие, предусмотренное на электропроводном подслое, конфигурация которого обеспечивает подачу напряжения в электродный узел.
В этом варианте помимо эффективной фильтрации обеспечивается обезвреживание микроорганизмов.
В одном варианте воплощения, пороговое напряжение составляет, по меньшей мере, 1000 В.
В еще одном варианте воплощения, пороговое напряжение составляет, по меньшей мере, 10000 В.
В другом варианте воплощения, пороговое напряжение обеспечивает возможность, по существу, стерилизации воздуха, проходящего по каналу
В одном варианте воплощения, воздушный насос содержит активный элемент, включающий в себя контактирующую с потоком воздуха поверхность, содержащую трибоэлектрическое покрытие, предусмотренное на электропроводном подслое, конфигурация которого обеспечивает подачу напряжения в электродный узел.
В еще одном варианте воплощения, электростатический пылевой фильтр включает в себя ступень циклонного фильтра, включающую в себя контактирующую с циклонным потоком воздуха поверхность, содержащую трибоэлектрическое покрытие, предусмотренное на электропроводном подслое, конфигурация которого обеспечивает подачу напряжения в электродный узел.
В другом варианте воплощения, конфигурация которого обеспечивает создание потока ионизированного воздуха через выпускное отверстие для воздуха.
В одном варианте воплощения, воздушный насос представляет собой электростатический воздушный насос.
Теперь, в качестве примера, приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, будут описаны варианты осуществления данного изобретения, при этом:
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлено схематическое изображение пылесоса в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения.
На фиг. 2 представлен схематический вид электростатического циклонного фильтра для использования в пылесосе согласно фиг. 1.
На фиг. 3 представлен схематический вид воздушного насоса для использования в пылесосе согласно фиг. 1.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показан пылесос 10 содержащий: корпус 20, ограничивающий впускное отверстие 22 для воздуха, выпускное отверстие 24 для воздуха и канал 26, проходящий между ними; электростатический пылевой фильтр 30 для удаления пыли из воздуха, когда тот проходит по каналу 26; и воздушный насос 40 для всасывания воздуха во впускное отверстие 22 для воздуха и по каналу 26 к выпускному отверстию 24 для воздуха. Хотя на схематическом изображении впускное отверстие 22 для воздуха и выпускное отверстие 24 для воздуха показаны на противоположных сторонах корпуса 20, впускное отверстие 22 для воздуха и выпускное отверстие 24 для воздуха могут быть расположены по соседству друг с другом или - предпочтительно - концентрически в месте входа пыли (например, выпускное отверстие 24 для воздуха при этом окружает щеточную головку жесткого патрубка пылесоса).
В соответствии с данным изобретением, электростатический пылевой фильтр 30 имеет две основные функции: 1) борьба с электростатическим зарядом на частицах пыли, проходящих по каналу 26, так что можно электростатически отфильтровывать частицы пыли; и 2) стерилизация воздуха, проходящего по каналу 26. В одном варианте, пылесосу 10 можно также придать конфигурацию (либо посредством самого электростатического пылевого фильтра 30, либо посредством дополнительного устройства для борьбы с зарядом, находящегося ниже по течению от электростатического пылевого фильтра 30), позволяющую бороться с электростатическим зарядов в воздухе, покидающем канал 26 через выпускное отверстие 24 для воздуха (например, чтобы позволить пылесосу выпускать или иным образом исторгать воздух в выгодном состоянии, как правило, в состоянии отрицательной ионизации).
Электростатический пылевой фильтр 30 содержит электродный узел 32, конфигурация которого позволяет убивать микроорганизмы (например, бактерии и микробы), присутствующие в воздухе, проходящем через пылесос, подвергая этот воздух воздействию напряжения, превышающего пороговое напряжение, по меньшей мере, 1000 В, и позволяет, по существу, стерилизовать воздух, проходящий по каналу. В одном варианте осуществления, пороговое напряжение составляет, по меньшей мере, 10000 В.
Технические средства для борьбы с состоянием ионизации воздуха и/или частиц пыли и для стерилизации воздуха можно воплотить разными способами.
В первом варианте осуществления, электростатический пылевой фильтр 30 может содержать ионизационную камеру, конфигурация которой позволяет работать с активным подводом мощности, а конструкция обеспечивает минимальное полное сопротивление потоку воздуха, тогда как камера оснащена электродным узлом 32 (например, из двух или более плоских электродов), питаемым так, чтобы поддерживать электрическое поле адекватной длины в направлении потока воздуха, гарантируя захват подходящей доли частиц пыли (например, по существу, всех частиц в случае, когда ионизационная камера принадлежит единственному пылевому фильтру - или фильтру основных частиц пыли - пылесоса). Это применяется для удаления пыли из поступающего воздуха, а также для выгодной ионизации выпускаемого воздуха.
В другом варианте осуществления, электростатический пылевой фильтр может содержать электродный узел 32 в виде электростатического сетчатого фильтра, содержащего электропроводный корпус, соединенный с накопителем энергии на основе импульсного конденсатора. Поверхность сетчатого фильтра может быть покрыта трибоэлектрическим материалом, который находится на отрицательном конце трибоэлектрического ряда и поэтому развивает отрицательный заряд, когда поток воздуха проходит над поверхностью. Покрытие выбирают достаточно тонким (толщиной, например, 5 нм или менее), чтобы обеспечить квантовое туннелирование тока к электропроводному корпусу. Это приводит к потоку воздуха, заряжаемому положительно, когда он покидает фильтр, и накапливанию электронов в накопителе энергии.
Воздушный насос 40 может содержать любые средства для создания вакуума, включая - но не в ограничительном смысле - вытяжной вентилятор, турбину Тесла и электростатический усилитель текучей среды (ЭУТС). В одном варианте осуществления, электродный узел 32 может обеспечивать движущую силу для привода электростатического индукторного двигателя, механически сочлененного с воздушным насосом, или может даже иметь конфигурацию, обеспечивающую движущую силу для непосредственного привода воздушного насоса (см. обсуждение варианта осуществления с турбиной Тесла ниже).
В случае механического воздушного насоса, активная часть (например, движущиеся лопасти) воздушного насоса 40 может включать в себя электропроводный подслой с тонким (например, толщиной 5 нм или менее) трибоэлектрическим слоем, на этот раз - на положительном конце шкалы и поэтому имеющим конфигурацию, обеспечивающую развитие положительного заряда за счет подвода электронов к положительному заряду движущегося воздуха и/или движущихся частиц. Положительный заряд накапливается на противоположной стороне накопителя энергии и обеспечивает баланс с отрицательной стороной накопителя. Этот накопленный заряд можно использовать как часть процесса очистки и/или очищающей ионизации и/или фильтрации.
На фиг. 2 показана устанавливаемая по выбору ступень 50 циклонного электростатического пылевого фильтра для использования совместно с электростатическим пылевым фильтром 30. Ступень 50 циклонного фильтра содержит цилиндрическую камеру 52, включающую в себя входное отверстие 54 на своем верхнем конце и полую центральную цилиндрическую выходную трубку 56, ограничивающую множество выходных отверстий 58 у ее нижнего конца.
Запыленный воздух всасывается через входное отверстие 54, откуда он направляется к нижним выходным отверстиям 58, совершая круговое движение главным образом у электропроводной внутренней стенки 52А камеры, которая принадлежит камере 52 и электрически соединена с одной клеммой источника постоянного тока. Частицы пыли притягиваются к электропроводной внутренней стенке 52А камеры и это - вместе с центробежной силой - вызывает отделение пыли от потока воздуха и удержание ее на внутренней стенке 52А камеры. Кстати, воздух покидает камеру 52 через выпускное отверстие 59 на верхнем конце центральной выходной трубки 56.
Поскольку для внутренней стенки 52А камеры выгодно иметь большую площадь поверхности, чтобы лучше притягивать больше частиц пыли, поверхность может быть рифленой в вертикальном направлении, обеспечивая некоторую локализованную степень турбулентности и дополнительную поверхность для удержания пыли.
Полярность поверхности внутренней стенки может быть положительной или отрицательной в соответствии с обстоятельствами конкретного типа пыли и условиями, которые преобладают в локальной атмосфере.
Центральная выходная трубка 56 электрически соединена с соединением источника постоянного тока, имеющим полярность, противоположную полярности внутренней стенки 52А камеры. Таким образом, в пространстве между центральной выходной трубкой 56 и внутренней стенкой 52А камеры имеется электрическое поле. Это поле действует на частицы пыли, притягивая их к внутренней стенке 52А камеры.
Когда камера 52 оказывается, по существу, наполненной частицами пыли, ее можно опорожнять, обеспечивая соединение внутренней стенки 52А камеры с «землей» или заземляющим соединением, а не с клеммой источника постоянного тока. Это обеспечивает частичную разрядку заряда, накопленного в и на частицах пыли, и освобождение пыли от ее притяжения к внутренней стенке 52А камеры.
За камерой 52 может следовать вторая камера (не показана), которая имеет аналогичную функцию и в которой любые остаточные частицы улавливаются до того, как переносимый воздух направляется к месту выхода в атмосферу.
На обеспечиваемом им пути выхода в атмосферу, пылесос 10 может - по выбору - балансировать суммарный заряд, несомый потоком воздуха, таким образом, что на выходе из пылесоса наступает общее состояние отрицательного заряда.
В одном варианте осуществления, проводящая внутренняя стенка 52А камеры содержит проводящую подложку, покрытую тонким покрытием из изолирующего материала, предпочтительно - хотя и не исключительно - керамического материала, выбираемого имеющим максимальные трибоэлектрические свойства и поэтому легко отдающего или принимающего электроны вследствие трения с частицами пыли, проходящими по его поверхности. Покрытие является очень тонким (его толщина не превышает, например, 5 нм), чтобы обеспечить реализацию квантового туннелирования и обеспечить миграцию заряда в проводящую подложку, а это позволяет току течь в подходящее накопительное устройство, такое, как конденсатор, или - в альтернативном варианте - непосредственно в цепь нагрузки некоторого рода.
В качестве примера, отметим, что если ступень 50 циклонного фильтра работает при отрицательном напряжении на подложке (относительно выходной трубки 56), то частицы пыли будут находиться во фрикционном контакте с внутренней стенкой 52А камеры, которая имеет положительную трибоэлектрическую характеристику - т.е. легко отдает электроны. Когда частицы пыли извлекают электроны с поверхности покрытия на внутренней стенке 52А камеры, они становятся отрицательно заряженными, а материал поверхности приобретает положительный заряд. По мере аккумулирования этого положительного заряда, квантовое туннелирование приводит к миграции электронов из проводящей подложки на поверхность покрытия, нейтрализуя заряд и обеспечивая протекание цикла. Таким образом, устанавливается поток электронов. Кстати, пыль сначала притягивается к поверхности покрытия, а потом - после нейтрализации электронов - получает возможность падать и накапливаться на дне камеры 52. В этом примере воздух также заряжается отрицательно и поэтому находится в состоянии повышенного качества перед тем, как выходит в месте выпуска.
Как поймет квалифицированный читатель, полярность на ступени 50 циклонного фильтра можно изменить на противоположную, так что воздух, покидающий камеру 52, будет находиться в состоянии положительного заряда. В этом случае, выходящий воздух можно пропустить через ступень кондиционера, которая удаляет положительный заряд и выдает воздух с отрицательным зарядом, - тем самым опять повышая общее качество воздуха. Можно также предусмотреть дополнительное улавливание и/или удаление любых остаточных частиц пыли. Однако в этом последнем случае баланс положительного заряда, первоначально приобретаемого воздухом, и последующего отрицательного заряда приводит к замкнутой цепи потока зарядов между двумя секциями. Таким образом, этот поток зарядов представляет собой систему для вывода энергии, отбирающую электрическую энергию из кинетического потока воздуха. Эту энергию можно либо аккумулировать для использования с целью подвода мощности в сам процесс, либо выводить для других целей (например, электропитания другой части пылесоса).
Дополнительные варианты осуществления ступени 50 электростатического циклонного фильтра включают в себя комплект вертикально ориентированных электродов вместо непрерывной проводящей подложки, при этом каждый электрод подсоединен к отличающейся фазе средства управления. Путем последовательного запитывания электродов можно установить вращающееся электрическое поле. Это вращающееся поле можно использовать как для приведения потока воздуха и частиц пыли в движение, так и для упорядочения сбора электронов из создаваемого трибоэлектрического потока.
Дополнительной компоновке можно придать коническую форму, так что скорости вращающихся потоков можно будет оптимизировать.
На фиг. 3 показано устройство 60 в виде крыльчатки турбины Тесла для использования в качестве воздушного насоса 40 в пылесосе 10.
Турбина 60 Тесла содержит совокупность дисков 62 ротора, которые установлены на общей оси так, что заключены между перемежаемыми дисками 64 статора с рабочим зазором 66.
Как и в обычной турбине Тесла, воздух всасывается у оси, ускоряется и выбрасывается на периферии, где вмещающая камера захватывает и направляет его к выходу. Этот процесс обеспечивает очень тихую работу, как будто лопастей крыльчатки нет.
Чередуя положительный и отрицательный заряд дисков 62, 64 ротора и статора, получают результирующий электростатический заряд, дополнительно увеличивающий лобовое сопротивление, а значит - и эффективность перекачивания, при одновременном обеспечении либо повышения качества воздуха, либо ионизации частиц пыли, либо и того, и другого. Тогда ионизацию и/или зарядку пыли можно впоследствии использовать для отфильтровывания пыли посредством сбора на должным образом заряженных пластинах после ступени турбины.
Кроме того, диски 62, 64 ротора и статора могут быть покрыты тонким (толщиной, например, 5 нм или менее) трибоэлектрическим покрытием для индуцирования потока электронов, создаваемого трением, и сбора их посредством эффекта квантового туннелирования на проводник или проводники подложки.
Надлежащим образом располагая электроды радиально на дисках статора устройства в виде турбины Тесла (например, на основе принципов известных электростатических индукционных двигателей), можно обеспечить силу электростатического взаимодействия, которая вращает диски 62 ротора относительно дисков 64 статора. Таким образом, двигатель также может работать как воздушный насос (например, крыльчатка), когда требуется, чтобы движение воздуха было таким же, как в случае крыльчатки простой турбины Тесла. То есть, роторами и статорами двигателя являются роторы и статоры 62, 64 турбины.