一种可循环使用的高效复合超声过滤器的制作方法

本发明涉及一种空气过滤器，尤其是涉及了一种可循环使用的高效复合超声过滤器。

背景技术：

随着现代工业的蓬勃发展，使社会飞速进步，人民生活水平也得到了迅速提高，但随之而来的是生态环境的恶化，空气粉尘的性质及其分布也产生了变化。2013年12月，雾霾席卷中华大地，使我国半壁江山笼罩在茫茫雾海中，空气质量(aqi)屡创新高，pm2.5值也频频爆表。2014年初，新一轮雾霾天气再次来袭，影响国土面积约为143万平方公里，其中重雾霾面积约为81万平方公里，北京重污染天气更是持续超90小时。雾霾天气给人们日常生活带来诸多不便，更重要的是，雾霾严重危害着人们的身体健康。pm2.5，即可入肺颗粒物，是指大气中粒径小于或者等于2.5微米的颗粒物。pm2.5粒径小，富含大量的有毒、有害物质，并且在大气中停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

为应对现阶段空气污染问题，人们使用高效过滤器拦截颗粒污染物。高效过滤材料是起过滤作用的主要部件，是决定空气过滤精度高低的关键。与本发明最相似的技术方案是使用超细玻璃纤维做成的滤芯，主要用来去除颗粒物体，并且还使用光触媒、活性炭等，去除甲醛等有害气体。

当前使用的空气过滤器技术方案主要包括使用超细玻璃纤维纸过滤颗粒物、使用活性炭和光触媒技术去除甲醛等有害气体。结合市场上的产品分析，现有的技术中有很多问题，这些问题极大的降低了空气过滤器的使用性能，具体问题如下：

(1)单纯的使用玻璃纤维纸进行过滤，颗粒物的透过率比较高，达不到净化效果。

(2)为了达到去除颗粒物和有害气体的双重效果，大多过滤器采用的是用玻璃纤维纸滤网和活性炭滤网分别去除颗粒物和有害气体，但多层过滤网的使用会导致过滤器体积变大。

(3)空气过滤器中的滤网为一次性的，有的滤网使用不到三个月就需要被替换，寿命为3～18个月不等，不仅增加了用户的使用成本，还造成资源的浪费，是一种间接的环境污染。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种可循环使用的高效复合超声过滤器。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括壳体和安装在壳体内的滤芯和风机，风机置于壳体的上部，滤芯置于壳体的下部，风机侧方的壳体侧壁开有出风口，滤芯侧方的壳体侧壁开有进风口，滤芯内设置有超声换能器，超声换能器置于滤芯中间。

本发明通过超声换能器使颗粒物运动更为激烈，更利于滤芯对颗粒物的过滤。

所述的滤芯包括三层复合过滤纸、波浪纸和超声换能器，三层复合过滤纸以s形卷曲布置，三层复合过滤纸s形卷曲后的相邻层之间布置有波浪纸，超声换能器放置在位于滤芯中间的波浪纸上。

所述的波浪纸采用双胶纸。

所述三层复合过滤纸中，第一层是玻璃纤维，第二层为活性炭纤维，第三层为玻璃棉，具体是由玻璃纤维、活性炭纤维和玻璃棉混合后制备而成。

所述三层复合过滤纸中，玻璃纤维直径为7μm，纤维长度为3～10mm，所占质量比例为15％；活性炭纤维直径为2.6μm，纤维长度为3～10mm，所占质量比例为30％；玻璃纤维棉直径为0.6μm，纤维长度为3～10mm，所占质量比例为55％。

滤芯是空气过滤器最关键的部件，滤芯的性能好坏直接决定了过滤效果。判断滤芯性能的参数有两个：过滤效率和过滤阻力，“高效低阻”是滤芯的最佳状态，一般使用品质因子来综合评判滤芯的性能。为提高滤芯的性能，本发明对滤纸以及滤芯的组成进行了改进。

本发明的滤纸采用“粗骨架(玻璃纤维)+过度物质(活性炭纤维)+细填充(玻璃棉)”的配比方式形成复合，这样即保证了过滤效率，同时也维持了低阻力。其中以活性炭纤维作为滤纸的过度物质，活性炭纤维具有吸收甲醛等有害气体的功效，这样在保证滤纸过滤颗粒物性能的同时，还有去除有害气体的功效。

本发明三层滤纸的过滤将远小于材料孔隙的粉尘过滤掉，并非简单的筛滤，过滤机理大致可以分为惯性碰撞、布朗扩散、直接拦截和静电效应等。非常小的颗粒主要进行布朗运动，最终被捕捉；较大的颗粒具有较大的动量，惯性碰撞概率大，主要由惯性效应被捕捉；对于一些小型颗粒(0.04～0.4um)，布朗扩散和惯性效应都不显著，这类颗粒最不容易被捕捉。

本发明在滤芯中间放置两个超声换能器，增加对小型颗粒(0.04～0.4um)的捕捉能力。小型颗粒在超声的作用下，运动会更加剧烈，布朗扩散效应会更加明显，更易于捕捉。

还包括安装多层滤芯结构外部的超声清洗滤芯模块，超声清洗滤芯模块包括超声探头和静电膜，超声探头布置在滤芯位于朝向过滤进口的侧方，静电膜布置在滤芯位于朝向过滤出口的侧方。

本发明通过超声清洗滤芯模块清洗滤芯是使用超声技术将滤芯内的颗粒物运动到滤芯外部并收集，使滤芯能够循环使用。

所述的静电膜采用pvc材料，具有较好的粘性，静电阻值高，静电效果好。只有在清洗滤芯的时候才在空气净化器内放入静电膜，正常清洁空气时，必须将该膜从机器内取出。

本发明在过滤器内增加超声清洗滤芯模块来主动的清洗滤芯，而无需将滤芯取出替换或者手动清洗。清洗原理是利用超声的作用使滤芯收集的颗粒运动到滤芯外，在滤芯外用静电膜收集这些颗粒。待清洗结束后，对静电膜进行清扫即可。具体实施是在过滤器内测试滤芯的阻力，当阻力值达到初阻力的1.5倍时，将提醒用户需要对滤芯进行清洗。

所述的超声换能器包括聚氨酯、压电陶瓷环、尼龙螺杆、尼龙固定片、充电电池、针脚、连接线；两片尼龙固定片分别连接在压电陶瓷环两端，两片尼龙固定片中间分别与穿设于压电陶瓷环的尼龙螺杆的两端连接，通过尼龙螺杆和尼龙固定片之间螺纹旋紧将尼龙固定片和压电陶瓷环形成内部中空的固定结构；内部中空的固定结构外用聚氨酯包裹保护，内部中空的空间内设置有充电电池，充电电池经连接线与外部驱动电路连接，压电陶瓷环引出两端分别连接两根针脚，针脚穿出聚氨酯后连接外部驱动电路。

本发明专门设计的的超声换能器是能够放在滤芯内部，能够方便地给驱动电路供电。

本发明的过滤器内部的结构主要是空气流动的走向方式，通过测滤芯的阻力，提醒使用者清洗滤芯。

本发明的有益效果是：

本发明的过滤器结构增强了滤芯的过滤效果，同时使得滤芯具有过滤颗粒和去除甲醛等有害气体的双重功能。并且能对滤芯进行清洁，使滤芯达到重复多次使用的效果。

现有市场上的空气过滤器采用的是多个滤芯，本发明这样的滤芯设计将过滤颗粒与过滤有害气体合二为一，减少了滤芯的数量，过滤器的体积也得到了优化。

本发明通过超声装置的布置提高了过滤效率，并且使滤芯可以循环多次使用，增加了滤芯的使用寿命。

附图说明

图1为滤芯的结构立体图；

图2为滤芯的侧视图；

图3为滤芯的正视图；

图4为滤芯内部超声声场示意图；

图5为超声换能器结构图；

图6为超声清洗滤芯示意图；

图7为空气过滤器整体结构正视图；

图8为空气过滤器整体结构侧视图；

图9为实施例无超声探头滤芯的空气净化器的cadr测试数据图。

图10为实施例有超声探头的空气净化器的cadr测试数据图。

图中：三层复合过滤纸1、波浪纸2、超声换能器3、滤芯4、壳体5、风机6、进风口7、出风口8、超声探头9、静电膜10、飘离出的颗粒物11、吸收到的颗粒物12，聚氨酯13、压电陶瓷环14、尼龙螺杆15、尼龙固定片16、充电电池17、针脚18、电池与驱动电路的连接线19。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图7和图8所示，本发明包括壳体5和安装在壳体5内的滤芯4、风机6和超声清洗滤芯模块，风机6置于壳体5的上部，滤芯4置于壳体5的下部，风机6侧方的壳体5侧壁开有出风口8，滤芯4侧方的壳体5侧壁开有进风口7，滤芯4内设置有超声换能器3，超声换能器3置于滤芯4中间；超声清洗滤芯模块包括超声探头9和静电膜10，超声探头9布置在滤芯4位于朝向过滤进口的侧方，静电膜10布置在滤芯4位于朝向过滤出口的侧方。

如图1-3所示，滤芯4包括三层复合过滤纸1、波浪纸2和超声换能器3，三层复合过滤纸1以s形卷曲布置，三层复合过滤纸1s形卷曲后的相邻层之间布置有波浪纸2，超声换能器3放置在位于滤芯4中间的波浪纸2上。

如图5所示，具体实施的超声换能器3采用如图5所示的结构，具体包括聚氨酯13、压电陶瓷环14、尼龙螺杆15、尼龙固定片16、充电电池17、针脚18、连接线19；两片尼龙固定片16分别连接在压电陶瓷环14两端，两片尼龙固定片16中间分别与穿设于压电陶瓷环14的尼龙螺杆15的两端连接，通过尼龙螺杆15和尼龙固定片16之间螺纹旋紧将尼龙固定片16和压电陶瓷环14形成内部中空的固定结构；内部中空的固定结构外用聚氨酯13包裹保护，内部中空的空间内设置有充电电池17，充电电池17经连接线19与外部驱动电路连接，压电陶瓷环14引出两端分别连接两根针脚18，针脚18穿出聚氨酯13后连接外部驱动电路。

超声换能器的工作过程：外部电路产生激励电场，超声换能器中的压电陶瓷环在激励电场的作用下产生机械形变，从而产生超声信号。对于一个边缘固定的压电陶瓷，当有电压加到其两端时，将会产生一个垂直方向的位移量，这个位移量在一定范围内与加在其两端的电压成线性关系。

其中，聚氨酯13是超声探头外壳的材料，起到保护内部器件的作用；尼龙固定片16与尼龙螺杆15用来支撑和固定内部结构；充电电池17通过电池与外部驱动板的线给外部驱动板充电；驱动电路板通过针脚驱动内部的压电陶瓷环产生超声。

三层复合过滤纸1中，第一层是玻璃纤维，第二层为活性炭纤维，第三层为玻璃棉，具体是由玻璃纤维、活性炭纤维和玻璃棉混合后制备而成。三层复合过滤纸1中，玻璃纤维直径为7μm，纤维长度为3～10mm，所占质量比例为15％；活性炭纤维直径为2.6μm，纤维长度为3～10mm，所占质量比例为30％；玻璃纤维棉直径为0.6μm，纤维长度为3～10mm，所占质量比例为55％。

本发明的具体实施工作过程是：

对于进行过滤使用时，开启超声换能器3和风机6，使得在超声换能器3作用下，利用超声的物理特性，经过滤芯的颗粒物运动更为激烈，有助于颗粒与滤纸的接触，利于滤芯对颗粒物的充分过滤。

如图4所示，根据超声波声场分布可知，在超声近场声压高，声场分布密集；而在远场超声主瓣开角扩大，其声压幅度逐渐降低。远场和近场的分界点zg＝a²/λ，a表示声源半径，λ表示声波波长。因此，考虑到空气净化器的尺寸大小，选用合适的超声频率，以使超声作用效果达到最优。由于具体实施的滤网是60*60*19cm.用的超声换能器频率为100-120khz，近场范围为32-35cm，可覆盖整个滤网，符合要求。

经过长时间过滤使用后，通过在过滤器内测试滤芯的阻力，当阻力值达到初阻力的1.5倍时，将对滤芯进行清洗。

清洗时开启超声清洗滤芯模块，具体实施是在滤芯的进口侧方放置两个超声探头，如图6所示，将滤芯内的颗粒物运动到滤芯外部，形成飘离出的颗粒物11，并通过静电膜12进行吸附收集，获得吸收到的颗粒物12(数量越多，清洗效果越好)，从而完成滤芯的主动清洗。清洗时，超声探头的功率是150w，超声频率：28khz～40khz。

具体实施中采用高功率的超声促使滤芯中的颗粒离开滤芯，使用静电膜对飘离的颗粒进行收集，最后对静电膜进行清扫即可。

按照gb/t18801-2015空气净化器标准中的方法，分别检测了有超声探头滤芯与没有超声探头滤芯的空气净化器的cadr(洁净空气量)，得到的结果如下：

无超声探头滤芯的空气净化器：cadr值为777.96，具体数据如下表1和附图9。

表1

有超声探头的空气净化器：cadr值为：913.90，具体数据如下表2和附图10。

表2

根据空气净化器gb/t18801-2015标准中的规定，累积净化量(表示滤芯的寿命)表示空气净化器的洁净空气量(cadr)衰减至初始值50％时，累积净化处理的目标污染物总质量。

当滤芯中吸收的颗粒越多，滤芯的阻力就会增大，洁净空气量(cadr)值就会减少。有上述实施对比可见本发明通过大功率超声对滤芯进行清洗，去除滤芯内的颗粒物，这样可以使滤芯多次循环使用，延长滤芯的使用寿命。