声学辅助的空气过滤器及其空气过滤方法与流程

本文中所描述的本申请大体上涉及空气过滤的领域，且更确切地说，涉及一种声学辅助的空气过滤器及其实现空气过滤的方法。
背景技术：
：在本发明情境中，大于80％的空气过滤器的生命周期成本是能源成本，这归因于驱动风扇在维持指定空气流速的同时克服流经空气过滤器的空气流的压降所消耗的额外能量。根据观察，空气过滤器的过滤效率越高，跨越过滤器的压降越大，进而产生越高能量消耗。现今，配备有中央空调的每座建筑物在其空气处理单元中的每一者中都具有一或多个空气过滤器，这表明空气过滤在室内环境质量方面发挥重要作用且占建筑物中的能量消耗的一大部分。高效率空气过滤在半导体和制药行业以及医疗设备中也是必需的。高效率颗粒空气(hepa)过滤器通常包含致密的纤维材料，其在成本和能量两者上都是昂贵的。空气过滤器通常对于较小颗粒具有较低过滤效率，这对健康以及需要洁净空气环境的制造工艺具有更为显著的影响。为有效地去除这些极细颗粒，通常使用致密的过滤介质，其引起跨越过滤器的高压降。与由高效率空气过滤器的效率等级指示的值相比，高效率空气过滤器通常对具有大于1微米的大小的颗粒具有较高过滤效率。在过去，已致力于空气过滤器的微型和小型结构以减少压降。然而，由于流体力学的物理限制，仍然对可尤其在高效率空气过滤器中促进进一步减少压降的改进的系统/装置和方法存在长期需要。技术实现要素：提供此
发明内容是为了引入与声学辅助的空气过滤器和用于空气过滤的方法有关的概念，且下文在具体实施方式中进一步描述所述概念。此
发明内容并不意图识别所主张的标的物的基本特征，也并不意图用于确定或限制所主张的标的物的范围。在一种实现中，公开了一种空气过滤器。所述空气过滤器包括过滤介质层，其适于从空气捕获并过滤一或多种杂质。所述空气过滤器还包括一或多个声波产生构件，其附接于所述过滤介质层的一或多个侧边处，其中所述一或多个声波产生构件产生将传播到所述过滤介质层中的声波。所述声波到所述过滤介质层中的所述传播有助于增加所述杂质在所述过滤介质层内部的行进距离，进而使所述过滤介质层能够截获所述一或多种杂质。所述声波到所述过滤介质层中的所述传播还有助于在所述过滤介质层中产生湍流，进而使所述过滤介质层能够基于增强的湍流扩散效应而增强对所述一或多种杂质的所述捕获。所述声波到所述过滤介质层中的所述传播还有助于在所述过滤介质层上产生摩擦静电电荷，进而使所述过滤介质层能够吸引所述一或多种杂质。在另一种实现中，公开了一种空气过滤方法。所述方法包括：经由过滤介质层从空气捕获一或多种杂质。所述方法还包括经由一或多个声学产生构件产生将传播到所述过滤介质层中的声波。所述声波到所述过滤介质层中的所述传播有助于增加所述杂质在所述过滤介质层内部的行进距离，进而使所述过滤介质层能够截获所述一或多种杂质。所述声波到所述过滤介质层中的所述传播还有助于在所述过滤介质层中产生湍流，进而使所述过滤介质层能够基于增强的湍流扩散效应而增强对所述一或多种杂质的所述捕获。所述声波到所述过滤介质层中的所述传播还有助于在所述过滤介质层上产生摩擦静电电荷，进而使所述过滤介质层能够吸引所述一或多种杂质。在又一种实现中，公开了一种空气过滤设备。所述空气过滤设备包括空气过滤介质层。所述空气过滤设备还包括一或多个声波产生装置，其附接于所述过滤介质层的一或多个侧边处，其中所述一或多个声波产生装置产生声波，所述声波将在所述空气过滤介质层内部传播，进而使所述过滤介质层能够从空气截获并过滤一或多种杂质。进一步的，所述空气过滤设备还包括框架，其紧固所述空气过滤介质层和所述一或多个声波产生装置。所述空气过滤设备还包括电子电路或预编程芯片，其用以控制所述所产生的声波的频率。进一步的，所述空气过滤设备还包括电源，其为所述一或多个声波产生装置和所述电子电路或所述预编程芯片供电。附图说明参考附图描述具体实施方式。在图中，参考标号的最左边数字识别所述参考标号最初出现的图。整个图式使用相同标号指代相同特征和组件。图1说明根据本申请的实施例的包含过滤介质层101和框架102的空气过滤设备100的正视图。图2说明根据本申请的实施例的在框架102内部包含一或多个声波产生构件201的空气过滤设备100的横截面视图。图3说明根据本申请的实施例的包含过滤介质层101和框架102中的一或多个声波产生构件201的空气过滤设备100的侧视图和横截面视图。图4说明根据本申请的实施例的包含过滤介质层101和框架102的空气过滤设备100的三维正视图。图5说明根据本申请的实施例的包含过滤介质层101和一或多个声波产生构件201的空气过滤设备100的三维正透视图。图6说明根据本申请的实施例的空气过滤设备100的三维侧视图。图7说明根据本申请的实施例的包含一或多个声波产生构件201的空气过滤设备100的三维侧透视图。图8说明根据本申请的实施例的多个开口位置。图9说明根据本申请的实施例的空气过滤设备100的方形塑料管道901、全频程扬声器201和计算机。图10说明根据本申请的实施例的含有连接到方形塑料管道以用于测试空气过滤设备100的柔性管道和鼓风机的实验性设置。应注意，本申请的随附图式是用于说明性目的且并非按比例绘制。此外，为了清楚起见，在图中未示出空气过滤器的电线/电缆及其它电子组件。具体实施方式现将详细论述本发明的说明其所有特征的一些实施例。词语“包括”、“具有”、“含有”和“包含”以及其它形式意图在含义上等同且为开放式的，因为跟在这些词语后面的一或多个项并不意在是对此类项的穷尽性列举，也不意在仅限于所列的一或多个项。还必须注意，如本文中和所附权利要求书中所使用，除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包含复数指代。尽管可在实践或测试本发明的实施例时使用类似或等效于本文中所描述的设备、装置和方法的任何设备、装置和方法，但现描述示范性设备、装置和方法。所揭示的实施例仅是本发明的示范性实施例，其可以各种形式体现。对实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且本文中的一般原则可应用于其它实施例。然而，本领域的普通技术人员将容易地认识到，本发明并非意图限于所说明的实施例，而是符合本文中所描述的原理和特征相一致的最宽泛的范围。本申请涉及空气过滤设备(在下文还可互换地称为“声学辅助的空气过滤器”或“空气过滤器”)和借助于声波的增强型空气过滤方法。与常规空气过滤器相比，本申请中提出的空气过滤器在以低压降捕获空气中颗粒时具有高效率。与常规空气过滤器相比，本申请中提出的空气过滤器进一步由于较低压降而在运作期间消耗较少能量。实施本申请中提出的空气过滤方法以提高其它空气过滤器的性能。本申请的空气过滤器可与其它空气过滤器组合以形成具有较高效率的空气过滤系统或装置。根据本申请的实施例，可产生声波(acousticwave或soundwave)以便提高空气过滤器的过滤效率。在低或中频下，声波诱发悬浮于空气中的颗粒的振动运动。由于在颗粒上诱发的振动运动，颗粒撞击和附着到空气过滤器中的过滤介质的固体表面上的机率显著地增加。给定大表面积的多孔空气过滤介质，声波显著地增加将颗粒/杂质捕集到空气过滤器上的机率，进而提高过滤效率。过滤介质层还可以为抗菌层或可洗涤层。在实施例中，颗粒/杂质可进一步包括灰尘、颗粒、空气传播的微生物、病毒和过敏原中的一或多者。过滤介质层可为由选自包括以下各项的群组的材料制成的多孔层：天然纤维、金属纤维、金属泡沫体和合成纤维。天然纤维可进一步包括纸或棉。合成纤维可进一步包括聚酯塑料材料。根据本申请的方面，可由选自包括以下各项的群组的一或多个声波产生装置产生声波：扬声器、声学换能器、超声换能器，以及包含用以移动和控制膜片的单个驱动器元件或音圈的装置，以及类似者。声波可传播到多孔空气过滤介质中且可垂直于空气流。前述由空气过滤器实施的空气过滤方法可由于以下各项而提高空气过滤器的过滤效率：●颗粒在过滤器内部由于其额外振动动作而增加的行进距离，这使其更容易被过滤介质截获。●由声学驱动的气流产生的空气湍流通过过滤介质，由于增强的湍流扩散效应引起颗粒被过滤介质捕获的机率增加。●声学驱动的气流在过滤介质上产生额外摩擦静电电荷，这有助于将颗粒吸引到过滤介质。应注意，空气中颗粒不管其大小如何，都可在低或中频声波内部在相同振幅下振荡。因为此现象，本申请的空气过滤器还可比常规空气过滤器显著更有效地去除较小颗粒。由于声波不增加通过空气过滤器的空气流的压降，因此本申请的空气过滤方法不增加空气过滤器的压降。因此，可使用具有较低压降的空气过滤介质实施本申请的空气过滤方法以达成较高过滤效率。在一个示范性实施例中，在由声学辅助的顆粒空气过滤器中的仅具有3瓦额定功率的微型扬声器产生的声波下，可使亚微米级颗粒能够以高于1.5微米的振幅在一秒内振荡数百次。此外，通过应用垂直于空气流的声波，过滤介质可截获极细颗粒，如大小大于一微米的颗粒。在产生声学功率时仅使用数瓦，会显著地改进空气过滤器的过滤效率而不增加空气过滤器的压降。因此，与常规空气过滤器相比，显著地改进了本申请的空气过滤器的过滤和能量效率两者。在实施例中，基于工程计算，观察到，与具有相同过滤效率的常规空气过滤器相比，声学辅助的空气过滤器消耗的功率要少30％到50％。如可受益于本申请的本领域普通技术人员将理解，本申请不限于额定功率和振幅的任何特定值。因此，可在不脱离本申请的范围的情况下实现额定功率和振幅的任何其它值。在本申请的实施例中，两个或大于两个声波产生装置可与低/中等效率空气过滤介质组合以形成声学辅助的顆粒空气过滤器。声波产生装置及其夹具经特征化以使得其为不可消耗的且可运作很长时间，而低/中等效率空气过滤介质是可更换的组件。声波产生装置可以使产生的声波传播穿过多孔空气过滤器的整个面积和深度的方式来配置。此外，声波产生装置可以使得声波的叠加最小化的方式来定位以便避免多孔空气过滤器内部具有低声学功率的区域。超低压电缆可连接到声波产生构件以用于供电。在另一实施例中，本申请的空气过滤方法可使用任何多孔空气过滤器作为空气过滤介质。本申请的空气过滤方法可改进空气过滤器的过滤效率，而不增加跨越空气过滤器的压降。应注意，实现能量、过滤和成本的优化的声学辅助顆粒空气过滤器的性能是基于以下参数：●声波的频率——增加产生的声波的频率可有益于过滤效率，但同时引起扬声器消耗的功率增加。因此，需要声波的频率与功率消耗之间的平衡，但优化频率取决于目标过滤效率等级和所使用的空气过滤器。因此，产生的声波的频率在声学辅助顆粒空气过滤器的不同配置中不同。●位移振幅——声波中的空气的位移振幅直接影响声波中的空气的运动。空气的较高位移振幅引起过滤介质中的颗粒的较大振动运动，这对过滤效率具有正面影响。然而，为增加空气的位移振幅，需要增加声压级，这会引起扬声器的较高功率消耗。因此，需要位移振幅与功率消耗之间的平衡，但优化位移振幅取决于目标过滤效率等级和所使用的空气过滤器。因此，位移振幅在声学辅助顆粒空气过滤器的不同配置中不同。●空气过滤介质——本申请的空气过滤器的性能可进一步取决于所使用的空气过滤介质。总过滤效率取决于所使用的空气过滤介质的材料和纤维密度。因此，空气过滤介质在声学辅助的顆粒空气过滤器的不同配置中不同。在示范性实施例中，基于工程计算，观察到，为了保持能量与过滤效率之间的平衡，需要在50hz到1000hz的范围内的声波频率和在1.5μm到2.2μm的范围内的位移振幅。在本申请的示范性实施例中，声波的频率、位移振幅以及声学辅助顆粒空气过滤器(具有约merv12(ashrae52.2-1999)的过滤效率等级)中的合成纤维空气过滤器的过滤效率等级分别为60hz到80hz、1.5μm到1.8μm以及merv9。如可受益于本申请的本领域普通技术人员将理解，本申请不限于声波频率和位移振幅的任何特定值。因此，可在不脱离本申请的范围的情况下实现声波频率和位移振幅的任何其它值。下文将结合附图来详细描述本申请的各种实施例。参考图1，说明根据本申请的实施例的空气过滤设备100(还可互换地称为“空气过滤器100”)的正视图。此外，图4说明根据本申请的实施例的空气过滤设备100的三维正视图。如图1和图4中所展示，空气过滤设备100可包括空气过滤介质101。空气过滤介质101可为由纸、棉、合成纤维、聚合物纤维、金属纤维以及类似者中的任一者制成的多孔介质。如所展示，框架102可紧固空气过滤介质101。框架102可由选自包括纸、金属、塑料和陶瓷等的群组的材料制成。空气过滤介质101和框架102可为可更换的和一次性的。空气过滤设备100可进一步包括共同实现空气过滤的一或多个组件/装置，下文结合对应的图式进一步描述其细节。参考图2，说明根据本申请的实施例的在框架102内部包含一或多个声波产生构件201的空气过滤设备100的横截面视图。如所展示，声波产生构件201可紧固于框架102中。声波产生构件201的数目和位置可取决于声学辅助的空气过滤器100的大小而不同。声波产生构件201可进一步包含以下各项中的一者：具有多个预设频率的扬声器、具有可行频率控制的扬声器、全频程扬声器、具有预设频率的全频程扬声器、具有可行频率控制的全频程扬声器、麦拉(mylar)扬声器、具有预设频率的麦拉扬声器、具有可行频率控制的麦拉扬声器、声学换能器、具有预设频率的声学换能器、具有可行频率控制的声学换能器、超声换能器、具有预设频率的超声换能器、具有可行频率控制的超声换能器，以及类似者。可经由如图2中所展示的预编程芯片202(例如，频率控制芯片)控制声波产生构件201。声波产生构件201可产生传播到空气过滤介质101中的声波。如图2中所展示，声波在方向203上朝向空气过滤介质101传播。在实施例中，空气过滤器100可进一步包括电池(图中未示出)，其经配置以将电力供应给一或多个声学产生构件201和预编程芯片202。电池连接可进一步被电源连接替换以为一或多个声学产生构件201和预编程芯片202供电。参考图3，说明根据本申请的实施例的包含过滤介质层101和框架102中的一或多个声波产生构件201的空气过滤设备100的侧视图和横截面视图。为了获得优化性能，框架102可适于围封空气过滤介质101且在侧边上无任何空隙。声波产生构件201可紧固于框架102内部的顶部和底部空间上。图3的最右边顶部说明声波诱发的空中颗粒的额外振动运动。此外，展示了颗粒302在经由声波产生装置201产生的声波303的控制下通过空气过滤介质的轨迹301(呈波形形式)。此外，在图3的最右边底部，展示了在不使用声波的情况下颗粒通过空气过滤介质的轨迹304(呈直线形式)。参看图5，说明根据本申请的实施例的包含过滤介质层101和一或多个声波产生构件201的空气过滤设备100的三维正透视图。如图5中所展示，框架102可包括两个水平板501以紧固空气过滤介质101。两个水平板501可防止空气颗粒进入空气过滤器100的顶部和底部的空间。两个水平板501中的每一者可具有开口502以使由声波产生构件201产生的声波能够传播到空气过滤介质101中。参考图6和图7，分别说明空气过滤器100的三维侧视图和三维侧透视图。如图6中所展示，空气在方向601上朝向空气过滤器100流动。空气通过空气过滤器100，其中声波产生装置201可产生传播到空气过滤介质中的声波。声波可诱发空气流中的空气颗粒的额外振动动作，这可增加颗粒捕集到过滤器100上的机率。下文参考图8到图10进一步描述根据示范性实施例的示范性声学辅助的空气过滤器100的工作以及其测试、测试结果以及对结果的分析。声学辅助的空气过滤器在示范性实施例中，基于具有12英寸长度、12英寸宽度和4英寸厚度的纤维折叠介质过滤器构建声学辅助的顆粒空气过滤器。所述过滤器根据en799归类为f5。纤维折叠介质过滤器具有纸框架。在纸框架上切割两个圆形开口(其中的每一者具有8cm直径)，以允许声波从侧边传播到纤维折叠介质中。在图8中指示开口801的位置。接着将过滤器固定于方形塑料管道中，其中侧边上的两个开口匹配过滤器纸框架上的开口的位置。使用两个全频程扬声器产生声波。所述全频程扬声器连接到计算机且经固定以使其膜片与两个开口对准。扬声器受安装于计算机中的频率产生器软件控制。图9展示方形塑料管道901、全频程扬声器201和计算机。扬声器可被嵌入到过滤器框架中的薄的小型扬声器/麦拉扬声器替换。此外，预设频率信号芯片可建置到框架中以替换计算机控制。下文参考图10进一步描述使用各种设施和仪器测试声学辅助的过滤器。设施和仪器在40m2的房间中进行测试。在测试期间在房间中不存在其它活动。如图10中所展示，两个柔性管道连接到方形塑料管道。此外，如所展示，鼓风机(550w型，jiayi)连接到较长柔性管道的另一端。鼓风机驱动空气通过过滤器和柔性管道。很好地密封所有连接。图10展示连接的柔性管道和鼓风机。在测试中使用以下测量仪器：制造商类型/型号设备metone公司aerocet-531s便携式颗粒计数器制造商类型/型号设备德尔特(deltaohm)公司hd2010uc/a声级计制造商类型/型号设备skywatch公司xplorer1风速计便携式颗粒计数器用以测量在有或无声波效应的情况下pm1、pm2.5和pm10颗粒的浓度。声压计用于测量和调整扬声器的声功率输出(以db为单位)。风速计用于测量和调整鼓风机的流速。在从测试日起的1年内校准所有测量仪器。测试方法使用来自发烟熏香的颗粒作为测试颗粒。来自发烟熏香的颗粒通过开口传递到在方形塑料管道901(在图9中展示)之前约1.5m处的柔性管道的中间段中。测量在扬声器接通和不接通的情况下在过滤器之后的稳态颗粒浓度以用于比较。重复所有测量3次，且在比较和分析中使用平均值。在测试中考虑2个不同流速(约0.5m/s和约1m/s)下共计3个不同声波频率65hz、150hz和300hz。结果在65hz和150hz的声波下，颗粒浓度与在无声波下的浓度相比减小8％到50％以上(平均减小：26.9％)。对于300hz的声波，浓度减小通常低于65hz或150hz的情况。下文的表1概述测试结果。表1：浓度数据和浓度减小(浓度单位：μg/m3)的概述基于上文说明的结果，观察到，声学辅助的顆粒空气过滤器可显著地减小空气中颗粒的浓度。一般来说，与较大颗粒(pm10)相比，声学辅助的顆粒空气过滤器装置可更有效地减小较小颗粒(pm1和pm2.5)的浓度。分析测试结果指示声学辅助的顆粒空气过滤器提高了空气过滤器的过滤效率。结果表明较高频率可能不会改进效率。此可与声波在颗粒上诱发的振动运动的量值有关。尽管较高声波频率增加空气中颗粒的振动频率，然而，较高声波频率也减小相同声压级下的颗粒振动运动的量值。此在能量效率方面也是有利的，因为需要较少能量产生较低频率声波。此外，观察到，流速确实影响声学辅助的顆粒空气过滤器的效率。在实践中，应在空气流速的常见范围内选择频率和声功率级以优化性能。当前装置基于en799f5级过滤器。预期在与较高级别过滤器组合时可进一步提高声学辅助的顆粒空气过滤器的性能，因为所述较高级别过滤器具有更致密纤维介质。用于65hz和150hz测试的声压级分别为约55dba和65dba。这些声级比mvac机房安静，且当系统在管道中运作时，其应甚至更低。因此，系统对听觉噪音具有极低作用。越小的空气中颗粒对健康状况和洁净制造具有越大影响。声学辅助的顆粒空气过滤器可显著地提高pm1和pm2.5的去除率。因此，本申请的声学辅助的顆粒空气过滤器在医疗保健和洁净制造领域具有很有前景的应用。尽管已经用特定于结构特征和/或方法的语言描述了用于空气过滤的设备、装置和方法的实施方案，但应理解，所附权利要求书未必限于所描述的特定特征或设备、装置和方法。实情为，揭示所述特定特征和设备、装置和方法作为用于空气过滤的实施方案的实例。当前第1页12