一種顆粒過濾裝置的制作方法

本發明涉及一種顆粒過濾裝置，采用異于傳統的膜過濾或電過濾方法，該顆粒過濾裝置通過交變電場產生的具有遠程作用的電場力而實現非接觸式顆粒過濾，避免了顆粒在過濾裝置表面的沉積。

背景技術：

一般而言，顆粒過濾用于從流體中去除其所攜帶的顆粒物質，是一種與人們日常生活、生產息息相關的活動。一個最常見的例子是人們帶口罩去除空氣中的污染物，口罩因而起到了凈化空氣、減小污染物危害的作用。可見顆粒過濾在時常遭受空氣污染的國家和地區具有重要的意義。除了空氣凈化外，顆粒過濾還廣泛用于其他領域，如在健康領域，經常需要將細胞從血漿中分離出來。

經過長年實踐，人們開發了多種多種顆粒過濾方法，但總體可以分為膜過濾和電過濾方法。從原理上講，膜過濾是讓流體通過膜的孔洞，而其所攜帶的顆粒不能穿過孔洞而被膜阻礙，或被多孔結構吸收；電過濾首先讓顆粒帶上靜電荷，然后被高壓的正負極板所吸引并沉積，而流體不能承載靜電荷而得以保持繼續向前移動。

盡管這些現存的過濾方法一直都被廣泛使用，但他們的缺點也是明顯的：或產生較大的流體阻力，或需要復雜龐大的設備。為了實現過濾，在膜過濾中，所采用的膜或多孔結構通常需要具有比顆粒粒徑還要小的孔。由于孔越小，流體的阻力越大，那么膜或多孔結構過濾的效率就大打折扣。同時，精確制備大量的小尺度（特別是微米尺度下）的孔結構是極其困難的和昂貴的，因此通常具有缺陷孔是難以避免的，從而使膜或多孔結構失去部分效能。此外，顆粒在膜或多孔結構內部微孔上的持續粘附，將不可避免地使尚失功能。因此，幾乎所有的過濾裝置都必須定期更新濾芯，從而帶來了額外的材料消耗和維護成本。在電過濾方面，顆粒在電極板表面的沉積到一定量時，會形成層結構而妨礙后續顆粒繼續受電場力作用，導致電極板功能失效，需要設置復雜的敲打機構將塵埃去除。因此設備具有成本高、占地大的缺點。

本發明提出一種顆粒過濾裝置，利用平行交替電極產生的交變電場，實現遠距離非接觸式阻止顆粒物質趨近多孔過濾板，而流體不受電場力能夠自由穿過多孔過濾板。其原理在于，顆粒（例如灰塵）在趨近通電的平行交替電極時受到電場力作用，從而被遠距離地阻止和驅離，無法接觸到多孔過濾板。而攜帶顆粒物質的的流體（典型為氣體、液體）則能夠自由穿過多孔濾板的孔，因其是基底物質，不通電場力作用。因此，由于平行交替電極的作用，顆粒物質無法在多孔濾板的表面沉積，在無需機械機構（如敲打裝置）的情況下，就能使濾板能夠連續、持續地工作，且不額外增加流體的阻力。

技術實現要素：

本發明提出了一種全新的、可持續地工作的顆粒過濾方式。通過在多孔濾板上排布平行交替電極，遠距離地將顆粒和流體分離，從而防止了顆粒在濾板上的沉積。和現有過濾方法的明顯不同在于，顆粒與濾板的非接觸性確保了濾板工作的連續性，無額外流體阻力及引起的功效損失。

本發明的特點在于，當流體攜帶顆粒趨近過濾裝置時，只有顆粒物質能夠受到電場力作用，而流體本身不受電場影響。當顆粒流進入具有梯度的電場時，所有與流體具有不同電性（典型為介電常數）的顆粒物質都將受到電場力作用。平行交替電極可以很容易產生梯度電場，從而顆粒或被電極吸引，或被電極排斥。當施加在電極上的電壓是交流時，產生的電場為時域和空域同時可變，那么進入該電場的顆粒將受介電泳力和庫侖力等作用，從而被驅離電極的鄰近區域。顆粒受到流體的拖曳力和重力等也將影響顆粒運動的過程，但通過諸如調節流體速度，改量電場強度，及使顆粒預先帶電（電化或相互摩擦）等方法，使顆粒最終的總受力仍為阻止其與過濾板接觸，或遠離過濾板。

本發的優勢在于，電場力對顆粒物質的作用是遠距離的，能夠在直接接觸前就對顆粒進行驅離，從而避免了顆粒在過濾板表面的沉積。而由于顆粒沉積引發的問題，膜過濾法和傳統電過濾法都無法保持持續性地工作。或者需要定期更換濾芯，或者需要確保時時將沉降的顆粒移除。而本發明中，由于顆粒自始至終均無法接觸濾板，過濾裝置的功能不會受到顆粒沉積的干擾，完全無需更換濾板。本發明的優勢在那些貴重的設備上更能體現，例如頻繁更換濾芯將可能損壞敏感部件，對設備的壽命造成不利影響；以及那些濾芯更換十分不便的場合。

此外，本發明所涉的過濾裝置具有實時可調的特點，而其結構無需機械性改變。施加在顆粒上的電場力的大小由所施加的交變電流決定，而交變電流可以方例地由電路模塊來控制，因此，過濾裝置的功能可以方便地通過控制單元來調節，并容易實現閉環控制。例如，將本發明的顆粒過濾裝置用于空氣凈化，當工作時顆粒平均粒徑為10微米時，可以啟動輕載荷模式；而當檢測到顆粒平均粒徑為2.5微米時，可以啟動重載荷模式。

本發明所述的顆粒過濾裝置可通過印制電路板(PCB)方法進行批量制作。平行交替電極可以通過傳統的銅蝕刻方法實驗，而多孔濾板中的通孔可以通過鉆孔、切割、沖壓或銑的方法得到。電極表面需要一層防擊穿保護膜，可以在制孔之前或之后沉積或噴涂而實現。其他的制備方法也可以用于制備本發明所述的顆粒過濾裝置，比如包含金屬纖維的和非導電纖維的編織方法。編織金屬纖維已經被證明是一種有效的制作平行電極的方法，特別是制備柔性的或可變形的電極。因此，編織在制備本發明所述的顆粒過濾裝置，如口罩時，是十分具有潛力的。

本發明所述顆粒過濾裝置的一個基本運用是空氣凈化，面向的塵埃顆粒為1微米到100微米。將該過濾裝置安裝于顆粒凈化機，將無需更換濾板。與傳統的HEPA過濾技術相比，可以大為節省濾芯材料和維護費用，需知HEPA濾芯通常需要每隔3-4個月進行更換，且價格不菲。因此，該本發明所述過濾裝置可以用于建筑物內的空氣質量控制，交通工具內的塵埃過濾，或設備和儀器內部阻礙塵埃穿入或穿出，例如在發電站中、散熱器中、換氣機入口。基于同樣的工作原理，該本發明所述過濾裝置可以適用于顆粒為固體、流體為氣體或液體，顆粒為氣體、流體為液體（如氣泡），或顆粒為液體、流體為氣體（氣霧）或液體（乳濁液）的情況。

本發明所述顆粒過濾裝置可以很容易地擴展到顆粒分離或顆粒選擇的應用。不同大小的顆粒或不同材料的顆粒在平行交替電極附近將受到不同大小的電場力作用。因此，通過調節交變電的大小，某組顆粒（如某尺寸的顆粒群）將可以穿過濾板，而其他組的顆粒無法穿過。在生物醫學領域，不同種類的細胞可能通到電極的不能大學的作用力，從而可以對這些細胞進行分組分離。

本發明所述顆粒過濾裝置，性能由其結構尺寸和電學參數決定。相鄰平行交替電極的間距參照所工作對像的顆粒粒徑來擇取。如于較小的顆粒，電極間距也相應減小。同理，多孔濾板上的通孔大小由電極的間距來決定，通常通孔盡可能多地占據電極之間的空隙。電極的寬度通常在不顯著增加制作成本的范圍內盡可能小。防電擊穿的保護膜的厚度要結構所施加的交變電場的大小來選擇。為了實施實時控制和調節，通常所施加的交流電要具有較大的可調范圍。

附圖說明

圖1 是本發明的一種實現方式，其中平行交替的電極(4)布置于多孔濾板(2)表面，圓形通孔(3)嵌入多孔濾板(2)之中。

圖2 是圖1所述過濾裝置的截面圖，其中多孔濾板(2)包含大量圓通孔（3），其表面布置平行交替電極(4)，以及防擊穿保護層(5)。

圖3是本發明在空氣凈化方面的一個應用，圖中顯示流體的入口(6)，出口(7)，以及塵埃收集器(8).

圖4是本發明在空氣凈化方面的另一個應用，其中顆粒凈化裝置為圓環狀。

圖5是本發明的一種實現方式，其實多孔濾板包含的通口為長方形。

圖6是本發明的一種實現方式，其中所述的平行交替電極為螺旋形導體，具有由3組螺旋導體構成，需要3相交變電作為饋源。

圖7是本發明的一種實現方式，其中交行交替電極具有等級結構。

附圖詳解。圖1顯示了本發明的一個主要實現方式，其中所述顆粒過濾裝置包含平行交替電極(4)布置于多孔濾板(2)的表面，圓形通孔(3)包含在多孔濾板(2)之中。平行交替電極可以分為兩組，每組形成一個梳形結構，兩組梳形結構的梳齒（即所述平行交替電極）正對地、平行地、交替地錯開布置。工作時每組電極分別與交流電源的一個接線端相連。

圖2是本發明一種主要實現方式的截面圖，所述顆粒過濾裝置包含多孔濾板(2)，通孔(3)，平行交替電極(4)和防擊穿保護膜(5)。所述的通孔(3)同時穿過多孔濾板(2)和防擊穿保護膜(5)，從而流體（典型為空氣和液體）得以通過這些通孔(3)穿過多孔濾板(2)及防擊穿保護膜(5)。防擊穿保護膜(5)將交行交替電極(4)完全覆蓋。相鄰平行交替電極(4)的間距(p)由所過濾的顆粒粒徑決定，而通孔(3)的直徑或寬度(d)略小于平行交替電極(4)的間距(p)。平行交替電極(4)的寬度(a)可以盡量小，典型為與平行交替電極(4)的厚度相近。

圖3顯示了本發明所述的顆粒過濾裝置應用于空氣凈化。顆粒過濾裝置包含交變電接線柱(1)、多孔濾板(2)、通孔(3)、平行交替電極(4)和防擊穿保護膜，安裝于空氣流(9)的入口(6)和出口(7)之間。攜帶污染物的空氣流(9)在經過所述顆粒過濾裝置后變成潔凈的顆粒流(10)。空氣流(9)所攜帶的塵埃顆粒在接近平行交替電極(4)之后，通到電場力驅使而水平地沿多孔濾板(2)表面移動，最終落入位于過濾裝置兩邊的集塵器(8)之中。本實現方式中，空氣流的入口(6)略大于出口(7)。本空氣凈化裝置的使用者只需要定期將集塵器(8)取出清理，而無需對濾芯進行更換，因為塵埃粒子無法接觸平行交替電極(4)和多孔濾板(2)，從而二者將一直保持潔凈狀態。

圖4是所述發明用于空氣進化的一種實現方式，其中所述顆粒過濾裝置呈圓環柱狀。攜帶污染物的空氣流(9)從凈化器腔體兩邊的孔狀通帶(11)進入，并穿過過濾裝置的通孔(3)，而由平行交替電極(4)將所攜帶的塵埃顆粒阻礙截攔。塵埃顆粒(12)最終落入位于凈化器底部的集塵器(8) 中。

圖5顯示本發明的另一種實現方式，所述的通孔(3)為長方形，而平行交替電極如圖1所述保持不變。長方形的通孔具有簡化加工過程的優點，又能夠盡可能占滿電極之間的空間，從而降低流體通過多濾板所受到的阻力。

圖6顯示本發明的另一種實現方式，其中所述的平行交替電極具有螺旋形的外形，并可分為3組結構，每組電極與3相交流電的一個接線柱相連。通過施加3相交流電，所需要施加的電壓可以降低。通常2相交流電只能產生駐波電場，而3相交流電能夠產生行波電場，將更有效地驅使顆粒進行表面移動。也可以采用更多相的交流電，但所需要的電極也將分為更多組。

圖7是本發明的另一種實現方式，其中所述的平行交替電極具有分等級的結構，即具有不同間距和大小的平行交替電極對，每組電極對將對某一粒徑的顆粒起到作用。分等級的結構也可視為一種增大過濾板的方法，即高層次上的具有較大間距的電極可以視為低層次上的具有較小間距的電極的供電線路。

如前所述，所述的多孔濾板(2)和防擊穿保護膜(5) 中包含的通孔(3)是流體的通道，而平行交替電極(4)產生電場力阻止顆粒的穿過起到過濾屏作用。因此，相鄰平行交替電極(4)之間的間距對產生足夠強的電場和電場力具有關鍵的意義。而所述的通孔一般盡可能占滿電極所形成的間距，以減少流體通過多孔濾板(2)的阻力。防擊穿保護膜(5)是必須的,同時防止電極的電擊穿損傷和機械損傷。但在實現防擊穿的情況下，保護膜(5)的厚度應盡量小，以免減弱電極對顆粒的作用力，因為保護膜的厚度決定了顆粒對電極和濾板的趨近程度。