專利名稱：電動吸塵設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種應用矩形波形交流高壓清潔隧道內空氣的高壓發生部。
背景技術：
眾所周知，汽車排氣中的有害氣體與煙炭和汽車行駛時輪胎或路面瀝青磨損造成得亞微米級的浮塵，都會污染隧道中汽車行車道的空氣，因而為了消除污染空氣中的這些煙塵，就要使用一種空氣清潔設備，該設備應用了一種雙級型電動吸塵設備，包括充電部分與吸塵部。
圖20示出常見的雙級型電動吸塵設備的結構。圖20中的電動吸塵設備100包括充電部1和吸塵部2。充電部1配備一種“直線4與平板電極3a，3b”結構，在電極間加上直流高壓，就產生電暈放電。吸塵部2配備一種平行平板電極結構5a，5b和6，在平行平板電極間加上直流高壓，形成一靜電場。在上述結構的常規雙級型電動吸塵設備中，塵粒在充電部1以單極性充電，并被吸塵部2的靜電場捕獲到吸塵電極5a與5b上。
雙級型電動吸塵設備還對納米(亞微米)塵粒裝備了高吸塵率，適宜處理大的流速。
但當所含的低電阻碳粒等成為隧道中汽車行車道的主要浮粒成分時，就存在這樣一種情況，其中捕獲到吸塵電極上的塵粒重新散開，并與氣流一起從電動吸塵設備里排出。該現象稱為再散開現象。出現再散開現象時，由于明顯降低了大粒度塵粒的吸塵率，所以再散開現象提出了一個有待改進的重要問題。
圖21的說明圖示出了上述再散開現象的機理。塵粒在充電部以單一的負極性充電，此時的再散開現象機理如下。
首先如圖21(A)所示，在充電部以負極性充電的塵粒9被捕獲到吸塵部接地電極8上，被捕獲接地電極板8上的碳粒9立即失去電荷，其極性與接地電極一樣，因而接地電極8上捕獲塵粒附近的電場得以增強。另如圖21(B)所示，當氣流中以負極性充電的塵粒被吸到接地電極8上時，它與接地電極8上的塵粒10絮凝，通過電場沿負極性電極方向利用庫侖力形成玫瑰花壇狀的念珠形塵粒。隨著這種念珠形塵粒絮凝成塊狀(見圖21(c))，流體阻力與庫侖力的剝離力得到增強，當這些力變成大于接地電極與念珠形塵粒間的粘附力時，塵粒就再散開。
作為一種極有效的防止再散開現象的方法，曾提出過一種應用矩形的交流高壓的電動吸塵設備。
圖22示出應用矩形波形交流電壓的電動吸塵設備的簡要結構。該設備包括充電部40和吸塵部50，前者構成直線對平板電極結構，包括作為一對平板的接地電極21與22和形成直線形的高壓電極23。高壓電源20在接地電極21與22同高壓電極23之間施加直流高壓，在充電部40產生電暈放電。直流高壓的極性或正或負，該高壓可以是脈沖電壓。
吸塵部50構成平行平板電極結構，包括作為一對平板的接地電極31與32和作為一塊平板的高壓電極33。交流高壓電源30在接地電極31與32同高壓電極33之間施加矩形波形的交流高壓。若不用交流高壓電源30，可應用產生正弦波形交流高壓的交流高壓電源。
這類交流電壓電源的電壓范圍，在電極間每1mm間隔為等于或低于3kv，一般為每1mm約0.9kV。另外，施加電壓的頻率范圍為幾HZ～幾KHZ。但問題在于，頻率越高，要求的電源容量越大。反之，把頻率調低時，則存在產生再散開并對大粒度塵粒降低吸塵率的問題。
發明內容
本發明可解決上述諸問題，因而本發明的一個目的是提供一種電動吸塵設備，即使降低了加到吸塵部的交流高壓的頻率，就是說，即使減小了電源容量，該設備也能保持高的吸塵率。
而本發明另一目的所提供的電動吸塵設備，能在使用矩形波形的交流高壓時，即可實現高的吸塵率，又具有必需的最小的dv/dt電壓變化率值(即矩形波形的升降傾斜)，還能簡化電源設備與電纜。
本發明的又一目的的所提供的電動吸塵設備，通過有效地防止再散開，能以低成本實現高吸塵率。
為實現這些目的，本發明的第一個方面提出的電動吸塵設備包括配置成對空中浮塵充電的電暈放電型充電部；和位于充電部下游被配置成吸收帶電塵粒的吸塵部，其中電暈放電型充電部包括一直流高壓發生部，配置成對其電極之間施加直流高壓而對塵粒充電，而其中的吸塵部包括一交流高壓發生部，配置成在其電極之間施加頻率為0.1HZ～2HZ的矩形波形交流高壓而實現吸塵。
本發明第二方面所提供的電動吸塵設備包括配置成對空中浮塵充電的電暈放電型充電部；和位于充電部下游被配置成吸收帶電塵粒的吸塵部，其中充電部包括一直流高壓發生部，配置成在其電極之間施加直流高壓而對塵粒充電，而其中的吸塵部包括一交流高壓發生部，配置成在其電極之間施加電壓變化率dv/dt在50～2000V/msec內的矩形波形交流高壓以實現吸塵。
本發明第三個方面所提供的電動吸塵設備包括配置成對空中浮塵充電的電暈放電型充電部；和位于充電部下游吸收帶電塵粒的吸塵部，其中充電部包括一交流高壓發生部，配置成在其電極之間施加交流高壓而對塵粒充電，而其中的吸塵部包括一交流高壓發生部，配置成在其電極之間施加交流高壓而實現吸塵。
通過以下結合附圖的詳述，可以更全面地了解本發明的種種目的和優點，其中圖1是本發明第一實施例的電動吸塵設備的剖視圖。
圖2示出在圖1所示吸塵部中捕獲帶電塵粒并防止其再散開的模型。
圖3示出加到吸塵部的高壓波形。
圖4示出實驗提供的吸塵率的頻率特性(加直線(DC)，加0.001HZ～1HZ的頻率)。
圖5示出該實驗提供的吸塵率的頻率特性(加直線(DC)，加0.01HZ～1HZ的頻率)。
圖6示出另一試驗提供的吸塵率的頻率特性(頻率為0.1HZ～10HZ)。
圖7示出對吸塵部加正弦波形交流高壓時的吸塵率的頻率特性。
圖8示出各頻率下的塵粒振蕩模型。
圖9是本發明第二實施例的電動吸塵設備的剖視結構。
圖10示出加到圖9所示吸塵部的電壓波形。
圖11表示在直流電動吸塵設備和矩形波形交流電動吸塵設備中，吸塵率與dv/dt公差Dh之間的關系。
圖12是實驗所使用的設備的框圖。
圖13示出第二實施例中電動吸塵設備的電極結構。
圖14示出管道中的電極配置。
圖15示出dv/dt對吸塵率粒度特性的影響。
圖16是示出本發明第三實施例的電動吸塵設備的剖視結構。
圖17是示出本發明第四實施例的電動吸塵設備的剖視結構圖。
圖18舉例說明充電部的各種電極結構。
圖19舉例說明各種一般的電極形狀。
圖20示出雙極型電動吸塵設備的一般已知結構。
圖21示明再散開現象的機理。
圖22示出應用矩形波形交流電壓的電動吸塵設備的簡要結構。
具體實施例方式
現參照附圖詳述本發明諸較佳實施例。
第一實施例圖1是本發明第一實施例的電動吸塵設備的剖視結構。
該電動吸塵設備包括充電部40和吸塵部50。充電部40有一直線對平板電極結構，包括作為一對平板的接地電極21與22和直線形高壓電極23。高壓電源20在接地電極21和22同高壓電23之間施加直流高壓，在充電部40產生電暈放電。直流高壓的極性或正或負，電壓可以是脈沖電壓。
吸塵部50具有平行平板電極結構，包括作為一對平板的接地電極31與32和作為一塊平板的高壓電極33。交流高壓電源60在接地電極31與32同高壓電極33之間施加交流高壓(頻率為0.1～2HZ)，產生矩形波形的交流高壓。施加該高壓，在吸塵部50產生靜電場。含浮塵氣流通過充電部40而帶電，浮塵被吸塵部50的靜電場捕獲到吸塵電極上。
接著參照圖2和圖3說明對吸塵部50施加交流高壓時防止再散開的機理。圖2示出吸塵部50吸收帶電塵粒并防止其再散開的模型。這里，充電部40(見圖1)加有直流負高壓，塵粒帶負電。圖3示出加到吸塵部50的交流高壓波形。
圖3中，把加到吸塵部50的電壓分為三段，A段是對吸塵部50加正高壓的區域，B段是加到吸塵部50的電壓由正變為負的瞬變區域(幾毫秒)，C段是對吸塵部50加負高壓的區域。在A段，充電部40的負電塵粒被捕獲到正極性高壓吸塵電極板上(見圖2(a))，吸塵被立即充電為正，形成玫瑰壇狀的念珠性塵粒。之后在B段，電壓極性由正迅速變為負(見圖2(b))。由于吸塵電極板極性由正迅速變負，電極板上絮凝成玫瑰壇狀的塵粒沿吸塵電極板方向受到靜電力的影響，變為球形的絮凝塵粒。這樣，通過變成球形絮凝塵粒，減小了起剝離力作用的風力或靜電力，不會出現再散開(見圖2(c))。
第一實驗圖4和5示出第一實驗提供的吸塵率的頻率特性(加直線(DC)，加頻0.001～1HZ的矩形波形電壓)。作為實驗條件，風速設為5m/s，吸塵部50長為206mm，充電電壓為11kv，吸塵電壓為±5kV矩形波，吸塵部50的電極間距離為6mm。粒度為0.3μm～0.5μm的第一實驗的結果示于圖4(A)，粒度為0.5μm～1μm的第一實驗的結果示于圖4(B)，粒度為1μm～2μm的第一實驗的結果示于圖5(A)，粒度為2μm～5μm的第一實驗的結果示于圖5(B)。
根據實驗結果，在任何粒度下，頻率越高，吸塵率增大越多，尤其在0.1～1HZ頻率下顯示出最高的吸塵率。
第二實驗圖6示出第二實驗提供的吸塵率的頻率特性(矩形波形頻率為0.1～10HZ時)。作為實驗條件，風速為7m/s，溫度為13℃，濕度為25％，大氣壓為1031hpa，充電部由1個單元組成，吸塵部有206mm的2個單元組成，充電電壓為11kv，吸塵電壓為±7.5kV矩形波，吸塵部50的電極間距離為9mm，操作吸塵部的時間周期為30分鐘。
根據實驗結果，在任何頻率下，吸塵率在粒度為0.5μm～2μm時趨于最大。另在頻率為0.1HZ與1HZ時，可比4HZ與10HZ時形成高吸塵率。
如上所述，可以這么說，該電動吸塵設備的最佳頻率范圍為0.1～2HZ。
參照實驗作為參照，圖7示出對吸塵部50施加正弦波形交流高壓時的吸塵率的頻率特性。圖7中，圖7(A)示出粒度為0.3μm～0.5μm的情況，圖7(B)示出粒度為2μm～5μm的情況。作為實驗條件，風速為5m/s，吸塵部50長206mm，充電電壓為直流11kv，吸塵電壓為5kVrms，正弦波形交流，頻率變化范圍為25～100HZ，吸塵部的電極間距離為6mm。根據實驗結果，頻率越高，吸塵率越低。其原因如圖8所示(各頻率下的塵粒振蕩模型)，由于頻率高，流入吸塵部50的帶電塵粒在電極之間的空間被俘獲和放電，不被捕獲到吸塵電極上。
如上所述，根據第一實施例的電動吸塵設備，通過以小的電源容量有效地防止再散開，可實現高吸塵率。換言之，可以選用最佳頻率來保持低頻(小電源容量)下的高吸塵率。
第二實施例可以推測，在矩形電壓波形中，相應于圖3中B段的變化電壓傾斜的電壓變化率dv/dt越大，則越能限制再散開，并保持更高的吸塵率。但問題是，電壓變化率dv/dt越高，感應電流值就增大得越多，因而要求增大高壓電源設備內部某部件的電流阻值，而且出于同樣理由，還提出了電纜尺寸增厚的問題。在選擇優化的電壓變化率dv/dt值時，成為重要的實際問題。
在這方面，下面將描述本發明第二實施例的電動吸塵設備，該設備在使用矩形波形交流高壓時，既實現了高吸塵率，又具有必需的最小電壓變化率dv/dt值，還能簡化電源設備與電纜。
圖9是本發明第二實施例的電動吸塵設備的剖視結構。
第二實施例的電動吸塵設備包括充電部40和吸塵部50，前者具有直線對平板電極結構，包括作為一對平板的接地電極21與22和直線形高壓電極23。高壓電源20在接地電極21與22同高壓電極23之間施加直流高壓，在充電部40產生電暈放電。直流高壓的極性或正或負，電壓可以是脈沖電壓。
吸塵部50具有平行平板結構，包括作為一對平板的接地電極31與32和一塊平板形式的高壓電極33。交流高壓電源70在接地電極31與32同高壓電極33之間施加交流高壓(梯形波形高壓)，產生矩形波形的交流高壓。
該交流高壓(梯形波形高壓)的頻率等于或低于幾KHZ，上下沿的變化率dv/dt為50～2000V/msec。含浮塵氣流通過充電部40而帶電，浮塵被捕獲到吸塵部50的接地電極31于32(吸塵電極)上。
理論研究下面說明第二實施例的電動吸塵設備的理論吸塵率。
公式是所謂的“Deutscn方程”，為本例電動吸塵設備的吸塵率計算公式ηt＝{1-exp(-αVD)}×100[％] (公式1)這里，參數VD指加到吸塵部的直線電壓(V)，參數a指比例系數。當參數Ni指電動吸塵設備入口的塵粒密度[塵粒/m3]時，則其出口的塵粒密度No由公式(2)給出
No=Niexp(-αVD)[塵粒／m3] (公式2)當加到吸塵部的交流電壓波形定義為圖10所示時，則電動吸塵設備出口側在時刻tl的塵粒密度Notl如公式(3)所示Not1=Niexp(-αV)[塵粒/m3] (公式3)同時，電動吸塵設備出口側在時刻t2的平均塵粒密度Not2如公式(4)所示 (公式4)因此，電動吸塵設備出口側在時刻t的平均塵粒密度Not如公式(S)所示 (公式5)這樣，電動吸塵設備的吸塵率ηA如公式(6)所示ηA={1-t1texp(-αV)-t2texp(-αV2)}×100[%]]]>(公式6)所以，加直流時的吸塵率ηD與加矩形波形交流高壓時的吸塵率ηA之差Δη如公式(7)所示Δη=ηD-ηA]]>=t2t{exp(-αV)+exp(-αV2)}×100[%]]]>(公式7)上面假設了直流電壓VD等于矩形波形交流高壓的絕對值|V|。dv/dt與t2/t之間的關系如公式(8)所示dVdt=2Vttt2]]>(公式8)由公式(7)和(8)得出下式(公式(9))dVdt=2Vt1Δη{exp(-αV)+exp(-αV2)}×100[%]]]>(公式9)利用公式(9)，可在理論上算出直流電動吸塵設備的吸塵率ηD與交流電動吸塵設備的吸塵率ηA的公差Δη所必需的dv/dt。
圖11另出了由公式(9)算出的公差Δη與dv/dt的關系。根據計算結果，使公差Δη落在1％～l5％范圍內所必需的dv/dt列于表1，一般變為約50～2000v/msec。
表1
公差Δη＜15％所需的dV/dt值圖12是實驗設備的框圖。實驗中，作為被兼樣的塵粒，使用了柴油發動機排氣用支管71拾取后，在混合槽72里與大氣混合而稀釋，稀釋的氣體被鼓風機73送入管道，再與進氣口已吸入的大氣稀釋。氣體通過ESP(靜電吸塵器)74進行處理并通過吸風機75排出管道外。利用吸風機75的轉數將管道內的流速設定為7m/s。第二實施例的電動吸塵設備設備在鼓風機73與ESP74之間的管道內，此時，吸塵部諸電極間的流速變為約9m/s。
圖13示出上述試驗使用的充電部和吸塵部的簡要電極結構。充電部(如圖13(A)所示)的平板接地電極由鋁制成，導線電極用直徑為0.26mm的鋁制作，用于施加高壓。在充電部中，由一對電極配置的充電空間排成與氣流平行的5級和串行的3級，因而其有15個充電空間。作為吸塵部(圖13(B)所示)，接地的平板電極和施加高壓用同尺寸鋁制作的平板電極以9mm間距交替排列。
圖14示出管道中各電極的安置。如圖所示，充電部40和吸塵部50沿氣流方向串行安置。吸塵部50位于充電部40的下游。充電部所加的電壓為負極性直流11kV，吸塵部所加的電壓為矩形波形交流±7.5kV。矩形波形(梯形波形)交流高壓的頻率為1HZ，dv/dt為46～646V/msec。就是說，充電部40通過負電暈放電而帶負電的塵粒，被吸塵部50的矩形波形交流電場吸到接地電極與高壓平板電極上。
圖15示出dv/dt對吸塵率粒度特性的相依性。作為實驗條件，風速為7m/s，溫度為15.5℃，濕度為35％，大氣壓為1032hpa，充電部由1個單元構成，吸塵部由4個單元構成，各單元長208mm，充電電壓為11kV，吸塵電壓為±7.5kV矩形波形，吸塵部50電極間距離為9mm，操作吸塵部的時間周期為20分鐘。
為作比較，圖中還示出了對吸塵部加直流高壓的結果(加-7.5kV直流電壓，吸塵率約為70％)。在粒度為0.3μm～1μm時，對于吸塵率，dv/dt越大，吸塵率增大得越多。當dv/dt＝433V/msec或更高時，吸塵率基本上相當于加直流的情況。同時，粒度為1μm或更大時，與加直流情況相比，吸塵率在任何dv/dt下都具有高值。
圖15的實驗結果與圖11的計算結果不相符，因為在任何粒度時，加直流的吸塵率被再散開現象降低了。
根據上述結果，電動吸塵設備中交流高壓波形的dv/dt可被說成等于或高于50V/msec。再者，在dv/dt等于或高于約400V/msec時，可實現等于或高于加直流的吸塵率。因此，當矩形波形的交流高壓的dv/dt落在50～2000V/msec范圍內時，就可實現是夠高的吸塵率。
如上所述，根據本例，通過設置必要的最小電壓變化率dv/dt值，它代表著矩形的升降傾斜，就可實現高功能。另根據本例，以操作的觀點來看，可以簡化電源設備并減小電纜厚度。
第三實施例圖16示出本發明第三實施例的電動吸塵設備。
充電部40和吸塵部50的電極結構與圖1的類似，故不再詳述。
在圖16情況中，加到充電部40的電壓由交流高壓組成(即正弦波形或矩形的交流高壓)。
交流高壓加在充電部40的直線電機23和平板電極21與22之間。作為交流高壓，不僅可使用正弦波形的交流高壓，也可使用矩形波形的交流高壓。因此根據本例，可任意選擇交流高壓電源80的輸出波形。同樣對吸塵部50的交流高壓電源90的輸出波形而言，不僅可選用正弦波形的交流高壓，也可選用矩形波形的交流高壓。
第四實施例圖17示出本發明第四實施例的電動吸塵設備。根據本例，交流高壓電源80為充電部40和吸塵部50共用，施加同樣的交流高壓可構制更簡單的系統。
還可任意選用圖17所示交流高壓電源80的輸出波形，即作為交流高壓，可使用矩形波、正弦波等交流高壓。
根據圖16和17的實施例，對充電部40加交流高壓，從而交替產生正負電暈放電。因此，利用交流電暈放電，通過充電部40的塵粒也交替帶正負電，并在吸塵部50被有效地中和。
尤其是兼納圖17的電動吸系統后，充電部40的再散開受到抑制，充電部40和吸塵部50各自所需的高壓發生設備得以節省，灰塵可用單個高壓發生設備吸收。
圖18列舉了充電部各種電極結構(引用自“Theory and practice of removingdust and collecting dust”by Chotaro Ono，Ohm-sha，1978)。如圖所示，可使用任一種電極結構，不加限制。而圖19示出各種常用的放電電極形狀(引用自K.R.Parker著的“Applied Electrostatic Precipitation”，Blackie Academic and Professional)。可使用任一種放電電極形狀，不加限制。
如上所述，根據本發明第三和第四實施例，能有效地防止再散開，并以低成本實現高吸塵率。
尤其根據第四實施例，通過對充電部和吸塵部加同樣的交流高壓，能簡化系統并防止再散開。
上述本發明諸較佳實施例用于示例與說明，但并非無遺漏或將本發明限于揭示的精密形式，根據以上內容或通過本發明的實施，可做各種修改與變動。選用并描述這些實施例，旨在說明本發明的原理及其實際應用，是本領域的技術人員會在各種實施例中應用本發明，并使各種修改適合預想的特定應用。因此，本發明的范圍由所附的權項及其等效文件限定。
權利要求
1.一種電動吸塵設備，其特征在于，包括配置成對空中浮塵充電的電暈放電型充電部；和位于充電部下游配置成吸收帶電塵粒的吸塵部，其中充電部包括配置成在電極間施加直流高壓以對塵粒充電的直流高壓發生部，而吸塵部包括配置成在其電極間施加電壓變化率dv/dt為50～2000V/msec的矩形波型交流高壓以便吸塵的交流高壓發生部。
2.如權利要求1所述的電動吸塵設備，其特征在于，充電部電極包括一種直線與平板電極結構，而吸塵部電極包括一種平行平板電極結構。
全文摘要
電動吸塵設備包括電暈放電型充電部和吸塵部，充電部配置成對空中浮塵充電，吸塵部配置成吸收帶電塵粒。吸塵部中，在一對接地電極與高壓電極之間施加頻率為0.1～2Hz的矩形波型交流高壓，在里面產生靜電場。空中浮塵在通過充電部時被充電，并被吸塵部的靜電場吸到接地電極(吸塵電極)上。
文檔編號B03C3/40GK1951571SQ20061010858
公開日2007年4月25日 申請日期2003年8月4日 優先權日2002年8月2日
發明者瑞慶覧章朝, 安本浩二, 河野良宏, 伊藤泰郎 申請人:富士電機株式會社, 伊藤泰郎