用于极化空气净化器的波纹状过滤介质的制作方法

本发明一般涉及空气净化系统，并且特别涉及用于空气净化器的过滤介质，该种空气净化器使用静电场使介质极化并使颗粒极化以增加介质上的颗粒收集效率。
背景技术：
：静电吸引的原理多年来已经被用于增强污染物从空气流中的去除。存在三种主要类型的空气静电净化器：静电除尘器、无源静电过滤器和有源场极化介质空气净化器，有时这些净化器以不同的术语被知晓。静电除尘器使颗粒带电荷，并然后将其捕获在带有相反电荷和/或接地的收集板上。无源静电过滤器(也称为驻极体)采用通过处理和/或固有性质的某些组合具有静电电荷的介质(或不同介质的组合)。进入过滤介质的具有静电电荷的颗粒被吸引到具有相反静电电荷的带电介质过滤材料。有源场极化介质空气净化器使用由两个电极之间的电压差产生的静电场。介电过滤介质设置在两个电极之间的静电场中。静电场使介质纤维和进入的颗粒两者都极化，从而提高介质和空气净化器的效率。介电材料是电绝缘体或高度耐电流的材料，其也可以存储电能。介电材料倾向于将施加的电场集中在其内部，并因此成为静电场的有效支持者。在加拿大专利no.1,247,453中公开了另一种静电空气过滤器设计，其中一次性矩形盒连接到高压电源。该盒包含导电的内中心筛网，该筛网夹在两层介电纤维材料(塑料或玻璃)之间。这两个介电层又转而夹在导电材料的两个外筛网之间。导电内中心筛网升到高电压，从而在保持在相反或接地电位的两个导电外筛网和内中心筛网之间产生静电场。高压静电场使两个介电层的纤维极化。空气净化器可以安装在各种配置和情况下，既可作为加热通风和空调(hvac)系统的一部分，也可作为独立的空气移动/清洁系统。在较小的hvac系统(例如住宅和小型商业)中，空气净化器面板通常安装在平坦结构(垂直于气流)或成角度的过滤器轨道中。在较大的系统中，空气过滤器组通常排列成v形槽结构，其中定位多个分离的过滤器以形成垂直于气流轴线的z形折叠过滤器。技术实现要素：过滤介质包括被起波纹形成蜂窝状基体(matrix)的平板，其中空气流过材料，以及空气传播的污染物被捕获在材料的侧壁上，其中有源静电场被施加到所述平板上。附图说明图1是根据本发明的在具有相对较低电阻的介电材料的纤维垫之间包含较高电阻的透气筛网的过滤介质的横截面图。图2是根据本发明的包含介电材料的纤维垫和具有来自摩擦电标(triboelectricscale)的不同端的纤维的混合纤维层的过滤介质的横截面图。图3是根据本发明包含图1和图2的特征的过滤介质的横截面。图4是根据本发明包含较高密度介电材料的层及随后的较低密度介电材料的过滤介质的横截面图。图5是根据本发明的包含图1至图4的特征的过滤介质的横截面图。图6是根据本发明的包含图1和图5的特征的过滤介质的横截面图。图7是根据本发明的包含图3和图6的特征的过滤介质的横截面图。图8是根据本发明的包含具有来自摩擦电标的不同端的纤维的混合纤维层的过滤介质的横截面图。图9示出光催化设备实施方式。图10示出可替代的光催化设备实施方式。图11示出通过过滤介质的替代实施方式的横截面。图12示出通过过滤介质的替代实施方式的横截面。图12a示出图12的过滤介质的替代实施方式的等距视图。图13和13a示出过滤器的替代实施方式的等距视图。图14-17示出在过滤介质组件和极化环境中使用的过滤介质的替代实施方式。具体实施方式根据本发明的有源场极化介质空气净化器的实施方式在图1中示出。在图1中(-也包括在图2-7中)，通过过滤器的气流从图的顶部向下到图的底部。过滤器包含支持过滤介质的框架。在本发明的一种实施方式中，过滤介质本身包含介电介质支撑框架120、第一纤维介电材料垫16a、玻璃纤维网筛14a、第二纤维介电材料垫16b、中心筛网13、第三纤维介电材料垫16c、另一玻璃纤维网筛14b及第四介介电过滤材料垫16d。支持过滤介质的过滤器框架包括具有第一导电外筛网12a的第一导电支持框架116a以及具有第二导电外筛网12b的第二导电支持框架116b。虽然为了清楚起见，使用介质框架120和支持框架116a、116b的相同的基本配置用于附图，但这仅是一个可能的实施方式。本发明的基本要素是在极化介质空气净化器中的两个电极之间的介质的各种配置。虽然在图示中公开的特定实施方式具有某些优点，但是中心筛网不一定总是到达边缘，也不必在其周围具有框架和介质层。第一介质过滤材料垫16a通过合适的方式(例如粘合材料121a或超声波焊接)附着到电介质支撑框架120和/或中心电极13。第四介电过滤材料垫16d通过合适的方式(例如粘合材料121b或超声波焊接)附着到电介质支撑框架120上。在没有介质支撑框架的实施方式中，介质16a-d及14a和b和中心筛网13的各种层通常将通过合适的方式(诸如粘合剂、超声波焊接、缝合或夹紧)附着在一起。第一导电外筛网12a由第一导电支持框架116a支持就位。第二导电外筛网1213通过第二导电支持框架116b支持就位。在操作中，高压电源108的一个端子被连接到中心筛网13。高压电源108的另一个端子被耦合到第一导电外筛网12a和第二导电外筛网12b，第二导电外筛网12b通常被保持为地电位。通过图1的有源场极化介质空气净化器的介电过滤材料16a、16b、16c和16d的进入的空气中的颗粒被其中的电场极化，并被收集在第一和第二介电过滤材料垫16a、16b、16c和16d上。本发明的过滤介质包括两层纤维介电材料，其中较高电阻的透气材料夹在较低电阻介电层之间。虽然其他材料组合是可能的，但是特别地，在图1中，玻璃纤维筛网14a被夹在聚酯层16a和聚酯层16b之间，聚酯层16b被布置在中心筛网13的上方。类似地，在中心筛网13的下方是夹在聚酯层16c和聚酯层16d之间的玻璃纤维筛网14b。已经发现，这种材料布置容许电极之间的更高和更稳定的电压差。这提高了颗粒去除效率，因为较高的电压意味着更高的场强，并因此达到更高的效率。具体地，已经发现，上述材料布置容许高达25％的更高的电压，而无需电极之间的电弧和喷涂。本发明的过滤介质包括有源场极化介质空气净化器中的混合纤维层，所述混合纤维层具有来自摩擦电序的材料的不同部分的纤维。大多数材料将产生并存储一些静电。材料产生和存储电荷的能力定义它在摩擦电标上的位置。引起静电的材料的摩擦电序。一些材料比其他材料生成更多的静电。由于静电是材料表面上的带电粒子的收集，各种材料具有放弃电子并成为带有正(+)电荷或吸引电子并成为带有负(-)电荷的趋势。摩擦电序是材料列表，示出哪些材料有更大的趋势成为带正(+)电荷的，以及哪些材料有更大的趋势成为带负(-)电荷的。该列表用于确定哪些材料组合产生最多静电。为了说明的目的，下面列出了一些常见的材料，根据在与另一种材料摩擦时它们产生静电的情况，以及材料将具有哪种电荷。该列表并不是详尽的列表，并每种材料适用于正或负摩擦电标的某些情况。成为带有正电荷的材料。当与其他材料接触时，以下材料将倾向于放弃电子。它们被以具有最大趋势给电子的材料至几乎不放弃电子的材料的方式列出。注释中性材料。当与其他材料接触或摩擦时不容易吸引或放弃电子的材料很少。注释棉用于无静电衣服最好钢铁对于静电无用成为带有负电荷的材料。当与其他材料接触时，以下材料将倾向于吸引电子。它们被以具有最小趋势吸引电子的材料到容易吸引电子的材料的方式列出。注释产生静电的材料的最佳组合将是正电荷列表中的一者和负电荷列表中的一者。然而，可以从正电荷列表上的两种材料或负电荷列表上的两种材料产生适量的静电。例如，当趋向于放弃电子的两种材料在一起摩擦时，具有最大趋势放弃电子的材料将适度地变为带有正(+)电荷。同样地，当倾向于吸引电子的两种材料在一起摩擦时，具有最大趋势吸引电子的材料将适度地变为带有负(-)电荷。图2示出在使用来自摩擦电标的不同部分和/或优选地不同侧的纤维的混合物的有源场极化介质空气净化中使用的本发明的过滤介质。具体地，过滤层15a包含来自摩擦电标的不同侧的纤维的混合物(混合的摩擦电过滤层)。过滤层15a的不同纤维可以在整个过滤层15a中交织并混合在一起，或者替代地，过滤层15a的不同纤维可以是彼此接触放置的第一和第二单独的过滤材料板。也就是说，第一过滤材料板由摩擦电标的一侧的纤维制成，以及第二过滤材料板由摩擦电标的另一侧的纤维制成。将第一和第二过滤材料板彼此接触放置以形成混合的摩擦电过滤层15a。混合的摩擦电过滤层15b类似于混合的摩擦电过滤层15a。来自摩擦电标的不同侧的纤维混合在一起(通过交织或接触)的重要特征是这种纤维的混合在这种混合的摩擦电纤维层15a、15b中的纤维上产生相对正电荷和负电荷的坐落。除了其它之后，这种集成材料可从alhstromairmedia获得，该公司的hp系列材料是改性聚丙烯和聚丙烯的混合物，以及从hollingsworthandvose获得，该公司的technostat材料是丙烯酸和聚丙烯的混合物。在制造和设计无源静电过滤器时，众所周知的是，摩擦电标不同侧的材料的合适混合将提高介质的效率，超出仅从介质密度(即从无源介质机制)所预期的效率。其他类型的无源静电过滤器通过各种技术对介质施加电荷。有源静电过滤器的一个问题是，由于静电吸引的初始效率实际上随着纤维被污染物覆盖和/或由于各种因素(湿度、化学物质和温度)而逐渐放电而下降。尽管将许多过滤介质放置在静电场中可以提高它们的效率，但并不是普遍的情况。事实上，许多无源静电介质显示出没有改善或实际表现更差。然而，已经发现将摩擦电型驻极体介质放置在极化场中确实提高了其有效性并且消除了所看到的效率下降。摩擦电层倾向于相对较薄，因此其可以在空气净化器介质中的各个位置处一起或分开使用一个或多个层(即与位于其一侧或两侧上的其它介质材料)。在本发明的另一实施方式中，上述混合的摩擦电过滤层15a是相对稀疏的纤维层16e。中心筛网13上方的过滤介质结构在中心筛网13的下方重复，即在第二混合的摩擦电过滤层15b上方的第二相对稀疏的纤维层16f。相对稀疏的层可以是各种材料或彼此不同的材料。用于有源场极化介质空气净化器的本发明的过滤介质在图3中示出，其结合了玻璃纤维中心筛网14a、14b和来自摩擦电标的不同侧的纤维混合物。图3中的过滤介质是图1和图2所示的过滤介质的组合。这种组合结合了每个实施方式的优点，顾及最大的系统效率。包含较高密度介电材料层和随后的低密度介电材料层的过滤介质在图4中示出。图4所示的过滤介质与图2所示的相类似。然而，在图4中，相对较高密度的材料的附加过滤层25a被布置在过滤层16e之后，过滤层16e具有相对高密度材料。包含较低密度介电材料层和随后的较高密度介电材料层的另一过滤介质在图5中示出。图5所示的过滤介质图5与图3所示的相类似。然而，在图5中，相对较低致密的材料的附加过滤层25a被布置在过滤层16b之后。此外，在图5中，在通过有源场极化介质空气净化器的气流末端，相对较低致密材料的第二摩擦电过滤器层25b被设置在过滤层16d之后。这些实施方式的好处是降低了对气流的阻力。最致密的介质层将具有对气流的最高阻力。如果最致密的层对着电极中的一者，则其面积将被电极的面积有效地减小。这将增加通过剩余区域的空气速度并增加对气流的阻力。通过在电极和最致密层之间放置较低致密层，这增加了空气通过较低致密的材料而不是更致密的材料的速度，从而显着降低对气流的阻力。在图6中，中心筛网13上方的过滤介质的部分与图1中所示的相同；中心筛网13下方的过滤介质的部分与图5中所示的相同。该实施方式提供优异的负载特性。通过捕获较小密度和/或较低动量的颗粒或较大颗粒，在较低致密的上游层上，较致密的层不会被堵塞，并且能够主要收集较小的(即，较高的密度和/或更高的动量)的颗粒，并因此具有更长的使用寿命。因此，介质允许颗粒在介质体积内均匀分布。在图7中，中心筛网13上方的过滤介质的部分与图3所示的相同；中心筛网13下方的过滤介质的部分与图5或图6所示的相同。在图8中，根据本发明，中心筛网13上方的过滤介质15c、15d是具有摩擦电标的不同端的纤维的混合纤维层。在本发明的另一个实施方式中，介质的最外层中的一者可以用光催化材料处理。然后，空气净化器可以与uv光耦合以用于气相污染物的破坏。在该实施方式中生产的羟基可以使生物物质失去活性并破坏气相污染物。在这种实施方式中，在uv光的影响下，介质产生羟基自由基和超氧化物离子以与捕获的和空气传播的生物气溶胶和气相污染物反应。光催化层可以是最远的下游层。这将使其基本上保持没有颗粒污染。在本发明的进一步实施方式中，过滤框架的外部筛网/电极用光催化剂处理。在本发明的另一实施方式中，中心筛网可以具有气味吸收性质，例如碳浸泡的泡沫或网。较低密度材料的下游层可以用用于分解voc、其它反应性气相污染物和/或臭氧和/或生物污染物的催化剂来处理。外部筛网和/或介质层中的至少一者可以用光催化剂处理，该光催化剂在存在光(通常为uv光)的情况下倾向于破坏诸如voc和生物污染物的气态杂质。后一种配置可以与一个或多个uv源紧密耦合，从而引起光催化作用。所得到的组件的集成将显着降低对空气流施加光催化的成本。催化剂可以被应用于上游或下游筛网。该系统可以包括中央uv灯，以在处理的筛网的上游和下游照射处理的筛网。在将光催化剂施加到介质层的情况下，优选的实施方式是使其作为最下游层，因为该层不太可能被污染物污染。图9示出了光催化设备实施方式。已经使用催化氧化(pco)来净化各种液体和气体流，但是在pco中，有时候存在催化剂可能未粘附到其已经被施加到基板上的问题和pco工艺效率的问题。可以使用二氧化钛作为涂覆过滤器或电极的光催化剂，使得pco可以被用于净化气流。如图9所示，将基板放置在静电场中导致催化剂与基板901的更好粘附和更快的反应时间。例如，如图9所示，如果催化剂被施加到无纺玻璃纤维材料901上且将该材料放置在具有5-15kvdc的电压差并且间隔开大约0.5"的两个电极912a、912b之间，在紫外光源940下，催化剂通过所得到的极化场保持在玻璃纤维材料901上，并且不容易脱落。此外，场自身的能量加速了气流中挥发性化合物的分解。在初步测试中，当将基板设置在静电场中时，相同催化剂的情况下，tvoc等级迅速降低了近两倍。实验如下：具有风扇的u形管道被配置成从大约1000立方英尺的房间抽吸和返回空气。将甲苯(tolulene)倒在布上，并将布留在空间中几分钟。空气质量最佳(aircuityoptima)单元被用于测量房间中的tvoc等级。v型空气净化器被放置在管道中，上游具有254urn的uvc灯。循环风扇被设定为1,000cfm。空气净化器框架可以保持介质并且能够在介质内部产生静电场。25分钟后，在没有过滤器的情况下，tvoc等级下降了6％。没有静电场下催化剂涂覆的介质且uv灯打开，降低了12％。具有相同的布置且静电场通电，降低了24％。这种设备可以应用于各种hvac和空气移动系统以净化气流。催化剂也可以被施加于编织材料，并且可以是玻璃以外的各种材料。催化剂涂覆的材料可以被喷涂或浸入到催化剂中。在图10所示的另一个实施方式中，催化剂涂覆的材料1012可以是在uv光源1040s的存在下在电极1012a、1012b之间包含涂覆材料1012和未涂覆层1020的多层过滤介质的一个层。电极可以由各种导电材料制成，并且可以是电均匀的，并且在涂覆的介质材料的任一侧上包括均匀间隔的网格。此外，它们可以尽可能地敞开以允许最大的光穿透到涂覆的材料中。电极本身也可以用催化剂涂覆。在所有情况下，设备可以靠近uv光源(一个或多个)放置以提供催化反应的一次能量。在这种情况下生产的羟基可以使生物物质失去活性，并使气相污染物破坏。在这种实施方式中，在uv光的影响下，介质产生羟基自由基和超氧化物离子以与捕获的和空气传播的生物气溶胶和气相污染物反应。虽然上述已经参考各种实施方式描述了本发明，但是在不背离本发明的整体的精神和范围的情况下，可以对本发明的结构和要素进行修改。特别地，可以组合或重复各种层或元素以实现各种效果。例如，图7a示出空气净化器的基本概念。图7b示出了一种类型的组装系统的配置。虽然为了清楚起见，各种元素已经显示为分开的层，但是可以将两个或多个“层”组合成单层或材料。图11-17示出了用于极化介质空气净化器的收集介质的替代实施方式。在图11、图12和图12a中，过滤介质1100、1200板被起波纹1110、1210成蜂窝状基体中，其中空气流过通道1150、1250，并且空气污染物被捕获到材料的侧壁1140、1240上。该材料可以在波纹状1120、1220和平坦层1130、1230之间交替，或者仅仅是被堆叠的波纹状层。波纹状材料(cm)的这种结构的优点是具有相对低的且恒定的气流阻力。如图14和15所示的材料1100、1200的有源场极化显著增强了空气传播颗粒的颗粒捕集率。这对于基材cm和电离cm都是适用的。以下表1示出不同大小范围的颗粒的上游/下游颗粒去除速率。材料1100、1200的极化改善了非极化cm上的粒子捕获。对于电离和极化二者均存在的情况下，材料1100、1200呈现更好的性能。表1这种材料1100、1200的一种示例是来自3m开发的并且作为hapa销售的产品系列。已经发现，将这种材料放置于有源静电场中显著提高了短期和长期效率。波纹状介质(cm)可以被用于具有其他cm或其他材料的层的组件中。例如，玻璃或无纺材料的上游层可以帮助捕获空气中较大的灰尘颗粒并防止它们堵塞cm的相对小的通道。cm的另一个优点是其相当刚性的结构(v.膨松和/或无纺介质)给出将具有施加到一个或多个层的有源电压的介质组件绝缘和密封的选择。波纹状材料的另一个优点是可以在较高的电压下使用。在正常操作中，过滤器依靠气隙来阻止带电中心筛网与地面筛网形成电弧。地面筛网和中心筛网越平坦，距离越一致，可施加的电压越高。这种更高的电压导致更强的场和更高的效率。图13是替代实施方式，其中将导电板/带/构件1310并入至cm1300中，使得在材料板内产生场。这些可以具有气味吸收性质，并且包括例如固定化的碳板、沸石或其它材料。图13a示出延伸到cm1300a中并不仅仅是沿着cm表面的板1310a。图15示出cm与另一种材料1500(例如上述那些或诸如无纺玻璃的材料)的组合。图16示出如图15所示的组件，其中绝缘/密封件120被附接到cm1100。在图17中，cm1100的形状使得它为带电的中心筛网108产生中空1710并且充当绝缘体。另一材料1500可以充当第二过滤材料。上述公开的发明(一个或多个)可以以各种方式来使用，包括但不限于在hvac系统、独立的过滤器/风扇单元和工业空气净化系统以及集尘器中使用。虽然上述实施方式主要描述扁平滤波器配置，但是本发明也可以适用于其他配置，包括但不限于用于集尘的圆柱形滤波器系统以及多个平板的v型分组、板和v组单元的互连组。当前第1页12