專利名稱：氣體環境中懸浮的微粒的靜電收集裝置及其使用的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于氣體環境(更特別地，是潮濕的或甚至非常潮濕氣體環境的)中懸浮的微粒的一種靜電收集裝置。更特別地，其涉及一種用于在執行電暈放電效應(也稱作電暈效應)的收集裝置的收集腔室中將放電電極保持為細導線形式的解決方案。
背景技術：
對存在于周圍空氣中的微粒的檢測和分析指定目前主要的關注點，無論是用于監督周圍空氣中由人類活動產生的難以量化的納米微粒的存在，還是用于明顯需要保護人們不受到空氣傳播的病原體(軍團菌、流感等)的健康問題和安全問題(生物侵蝕的檢測)。目前存在許多裝置用于凈化(清潔)空氣和/或收集空氣中懸浮的微粒。通常，根據用來收集最初懸浮在空氣中的微粒的物理原理對所述裝置進行分類。尤其是，通過施加強電場來產生電暈放電效應的某些功能其通常稱作電過濾器或靜電沉淀器。靜電沉淀器(ESP)是一種通過在氣體中懸浮的微粒的路徑上施加電場來收集存在于所述氣體中的微粒的設備。更精確地，用布置得彼此靠近的兩個電極來感生所述強電場(在放電電極附近達到每厘米幾萬伏特)，所述兩個電極為第一偏振電極或放電電極，通常是導線或點的形式，被布置為面向第二電極，所述第二電極是反電極的形式，通常是圓柱形的幾何形狀。存在于這兩個電極之間的電場使位于電極間空間中的大量氣體(特別是位于放電電極周圍的大量氣體)電離。此現象稱作電暈放電效應或電暈效應。所產生的電荷在向反電極遷移過程中使待捕獲的微粒電離。然后，由此產生的帶電微粒遷移至反電極，該帶電微粒可被收集在反電極上。所述反電極通常稱作收集電極。此現象稱作電暈放電效應或電暈效應。由于所需電場的強度的原因，必須使用具有非常小的曲率半徑的放電電極，以減小利用的電壓。因此，所遇到的放電電極通常是點或導線。但是，這種物理原理的執行首先是繁雜的，因為所需的從幾千到幾萬伏特的高電壓會導致短路，所述短路會損壞裝置本身。事實上，所述裝置需要能夠承受若干應用約束。首先，微粒懸浮于其中的空氣可能具有較高等級的濕度；因此，即使在潮濕的大氣中也需要能夠使用該裝置。其次，必須提供裝置的清潔，并且，必要時提供裝置的凈化。最后，所述裝置必須能夠允許注入微小液滴形式的液體(例如水)，例如在專利申請W02004/041412和W00/00291中描述的；或所述裝置必須能夠允許注入蒸汽，例如在申請WO 2007/012447中描述的，以改進其收集性能和/或改進通過靜電效應收集的微粒的實際回收。這些后面所述的裝置可稱作濕法靜電沉淀器(當液滴被注入到由該裝置處理的氣體時)，或半濕法靜電沉淀器(當蒸汽被注入到該裝置中時)。此外，當希望制造小型裝置(換句話說，可運輸或甚至便攜式的裝置)時，此物理原理的執行是特別繁雜的。事實上，在小型裝置中，已證明不容易確保放電電極與反電極(收集電極)之間的電絕緣，通常，通過將放電電極與反電極彼此隔開來獲得所述絕緣。在濕法靜電沉淀器的情況中更是如此的。
由于上述原因，在靜電沉淀器中使用的放電電極通常是點，點組合(點群，associations of points),或導線所述點具有僅保持在其一端的優點，但是，由于只在其另一端處產生電暈放電，所以，通常必須在同一收集裝置內使用多個點。這會對靜電沉淀器的小型化產生不利影響。例如接有導線的圓柱形導體具有在其整個長度上(換句話說，在收集腔室的整個長度上)產生電暈放電區域的優點。當所述圓柱形導體足夠大以具有足夠的比剛度(specific rigidity)時,可僅在實際收集腔室外部的一個點處確保它們的保持，和/或通過使用具有足夠長度的保持裝置來確保足夠的電絕緣。這里可引用專利申請W000/00291，其中示出了由支撐部14支撐的放電電極15、16、17的組件，支撐部14本身由位于收集腔室3外部且位于所述收集腔室上方的絕緣環12保持在一個點處。還可引用專利申請WO 2004/041412，其公開了若干靜電沉淀 器結構，在所述結構中，由位于電極部分外部且位于所述電極部分上方的絕緣環2將放電電極I保持在收集腔室中一個點處，所述電極部分會產生實際的電暈放電效應。當圓柱形導體由于太細而沒有其自己的硬度時，已證明其兩端保持它們是基本的。將這種細導體實現為這樣的裝置中的放電電極，所述裝置即，希望其是小型的，和/或當必須使所需電壓(盡管保持較高)減到最小時使圓柱形導體能夠作為導線。這里可引用專利申請WO 2007/012447和FR2929860，其中描述了將這種導線用作用于小型裝置的放電電極的可能性。因此，在本發明的范圍內，采用導線形式的放電電極意味著，導電元件典型地具有IOym與幾百Pm之間的直徑的拉長形狀且能夠被供以幾千伏(kV)至幾十kV之間的電壓。已知的是，在暴露于惡劣天氣的高壓電力線的技術領域中，用玻璃或陶瓷絕緣體來保持所述高壓電力線，該絕緣體通常具有板形的一般形狀。它們連接在一起以形成絕緣體串。還發現了柱形狀的絕緣體，其同樣具有使泄漏路徑延長的翅片的輪廓，換句話說，所述泄漏路徑為沿所述絕緣體的輪廓測量的絕緣體的端子之間的距離。所述已證明的結構適合于大尺寸的設備。其小型化具有技術限制，因為兩個翅片之間的距離必須始終足夠大，使得在其邊緣之間不會形成導電橋接。因此，本發明人認為，裝有翅片的絕緣體并不能適用于有效地保持空氣中懸浮的微粒的靜電收集裝置的電極之間的電絕緣，如果希望該靜電收集裝置是小型的(換句話說，是可運輸或可攜帶的)。事實上，當兩個翅片之間的距離接近于或小于毛細管長度(capillary length)時，會在兩個相鄰的翅片之間形成電橋。后面定義毛細管長度的概念。此外，如上所述，在所述裝置的使用約束中，包括清潔設備，更特別地，用于那些為了微粒分析的目的而設計的；以及凈化設備，用于那些為了生物分析的目的而設計的。然而，裝有翅片的絕緣體本質上具有較大的展開表面，特別是在難以進入的翅片之間具有接合處。換句話說，本發明人認為，這種裝有翅片的絕緣體由于難于有效地被清潔，因此也并不適合于作為靜電收集裝置的電極的電絕緣的裝置。此外，在兩個電極之間具有梁形式的現有絕緣裝置的事實并不是足夠的。事實上，本發明人已經注意到，由于使用這種沒有額外預防措施的裝置，可在所述裝置的表面處形成液體膜。結果，這會在所述電極之間形成電弧，其會導致裝置的退化。而且，經驗表明，通過用簡單的絕緣梁使中心電極與環形反電極絕緣，通過沉積于所述梁的表面上的薄膜的媒介，在放電電極與反電極之間形成電弧。本發明人有時觀察到絕緣裝置的裂隙。如之前提到的，專利申請WO 2007/012447和FR 2929860公開了小型靜電收集裝
置，換句話說，使其可運輸或甚至可攜帶。
發明內容
本發明的一般目的是，提出一種通過靜電效應收集可能具有較高的濕度等級的氣體環境中懸浮的微粒的裝置，所述裝置包括導線形式的放電電極，其保持是可靠的，并使得能夠在放電電極與收集電極之間產生持久的電絕緣，這對該裝置的小型或或沿著任何物理方向使用所述裝置的可能性不會產生不利影響。為此，本發明的主題是用于氣體中懸浮的微粒的靜電收集裝置，所述靜電收集裝置包括 -具有收集壁的收集腔室，所述收集壁的一部分形成稱作收集電極的電極，所述收集電極被布置為面向導線形式的放電電極，從而在所述放電電極本身與收集電極之間產生電暈放電，所述收集壁延伸至所述放電電極的外圍；-第一保持裝置，由電絕緣材料制成，以將導線的一端保持在腔室中。 根據本發明，該裝置還包括-至少一個橫向壁，相對于所述外圍壁伸出，-第二保持裝置，由電絕緣材料制成，以將導線的另一端保持在腔室中，所述第二保持裝置布置在所述橫向壁的下游，-所述橫向壁具有的形狀適于使存在于氣體中且在收集壁上流動的液體的路徑偏轉至所述橫向壁，使得其不會與第二保持裝置接觸。有利地，橫向壁沿著比氣體中的液體的毛細管長度大的距離相對于所述收集壁突伸。這里回想到，毛細管長度是這樣的尺寸，其是液體的毛細力和重力具有相同量值的特征。對于水，毛細管長度Ic具有以下值Lc I丄 2.7 mm其中，A代表水的表面張力常數r70_73mj/m2) ;g代表重力加速度，P代表密度rikg/L)。一般來說，在大多數情況中，將考慮2mm與IOmm之間的毛細管長度，最通常是在2mm和5mm之間的毛細管長度。通過明智地選擇相對于腔室的收集壁延伸一定距離(該距離比氣體內的可能的液相的毛細管長度大)的橫向壁，由于促進了重力，所以減小了出現由毛細力保持的液體橋接(liquid bridge)的風險。在一優選方式中，橫向壁與第二保持裝置之間的距離比所述毛細管長度大。當橫向壁是管時，則其內徑優選使得將管道與保持裝置的橫過其的部分隔開的距離大于所述氣體內的液相的毛細管長度。當橫向壁是管形狀的時，其可能有利地是傾斜的(bevelled)，使得管的端部與腔室的外圍收集壁之間的距離沿著液體流動的方向減小。因此，根據本發明，限定了氣體出口側部上的導線的第二端的保持裝置，所述保持裝置從收集腔室外部的區域延伸，或者換句話說，從收集腔室外部的區域懸掛，由于橫向壁使沿著收集壁流動的液體偏離，因而包含微粒的可能的液體膜不會使所述特定區域潤濕。
因此，當在收集壁上存在液體時，由于所述橫向壁的存在而減小了位于氣體環境出口側部上的第二保持裝置潤濕的風險，并從而減小了產生其介電擊穿的風險。有利地，橫向壁在收集壁中界定出開口，其適于使第二保持裝置通過并將其固定在離收集腔室一定距離處。因此，保持裝置的固定遠離電離區域，從而，甚至在通過橫向壁上的毛細作用攜帶液體的情況中也會進一步減小介電擊穿的風險，這是因為所攜帶的液體在最壞的情況下也僅會使位于遠離收集腔室中的電離區域的其固定距離處的所述保持裝置潤濕。根據一個優選實施方式，所述開口與抽吸裝置連接，這使得能夠抽吸除去了微粒的氣體，所述微粒被收集在收集腔室的下游。因此，根據此實施方式，不僅橫向壁具有使沿著收集壁流動的液體朝著實際收集偏轉的功能，而且其用來引導收集腔室下游的氣體。此夕卜，抽吸的氣體有利地能夠干燥和/或攜帶有可能使橫向壁的內部和/或通過所述開口的保持裝置潤濕的任何液滴和/或任何液體膜。
根據一個優選實施方式，外圍收集壁是圓柱形的，該裝置包括數量為n個以2^1/n成角度隔開地展開的橫向壁，并且，第二保持裝置由中心支撐部和數量為n個固定至所述中心支撐部的懸梁構成，所述懸梁也以2 /n成角度隔開地展開，并且，其在由每個橫向壁界定的空間中獨立地延伸。有利地，數量n等于3。根據一個實施方式，可以以與第二保持裝置相同的方式布置放電電極的輸電線(supply cable)。例如，其可與第二保持裝置整體形成。因此，第二保持裝置除了其機械地保持放電電極并使其電絕緣的功能以外，還用作收集電極的輸電線的支撐部。換句話說，當第二保持裝置由中心支撐部和n個固定至中心支撐部的懸梁構成時，使充電電極導線的供電導體橫斷至少一個懸梁和支撐部。同樣有利地，由被供電導體橫斷的懸梁構成的組件包括由PTFE或PVDF制成的絕緣高壓屏蔽電纜。第二保持裝置和/或橫向壁的電絕緣材料相對于液相的流體不會被潤濕，優選地是疏水性的。本發明還涉及之前描述的靜電收集裝置的使用，在該裝置中，氣體是可能包含液體或蒸汽形式的水的空氣。優選地，該裝置的用途是作為空氣凈化器。
在參考以下附圖閱讀本發明的詳細描述的基礎上，本發明的其他優點和特征將變得更清楚，其中圖I是根據本發明的靜電收集裝置的縱向截面示意圖；圖2是根據圖I的裝置的橫向截面示意圖。
具體實施例方式在以下描述中，關于從頂部向底部豎直地發生的空氣抽吸的方向，使用術語“入口”、“出口”、“上游”、“下游”。類似地，關于根據圖中的本發明圖示的靜電收集裝置的豎直物理方向，使用術語“上”、“下”、“之上”、“之下”。根據本發明的裝置I構成用于收集懸浮在流體中的微粒的裝置，所述流體包含作為氣相的空氣，因此，所述裝置是用于凈化空氣的靜電沉淀器。在這種裝置中，液體(例如水或水溶液)可以如下方式被導入-以與由該裝置處理的氣體同時的方式(例如，以水蒸氣或液滴的形式)被導入，并且，這稱作濕法(液滴的注入)或半濕法(蒸汽的注入)靜電沉淀器，-或在氣體的處理之后，在此情況中，沿著所述收集壁被導入，以收集所收集的微粒，-或在氣體的處理之前，在此情況中，沿著所述收集壁被導入，以在其使用前清潔該裝置。可能在該裝置中累積液體的這些不同類型的導入(在處理之前，在處理過程中，在處理之后)。 在所有情況中，液滴沿著收集壁形成和/或流動，并且，當液體是導電的時，必須避免所述液滴在該裝置的兩個電極之間在保持裝置的表面處積聚并形成電橋。采用氣體意味著流體介質包括氣體或氣體混合物，已知所述介質還可能包括固體微粒以及以液滴或蒸汽形式分散的液體。采用氣體的處理意味著，所述氣體攜帶的微粒的靜電提取以及通過收集電極進行的其收集。裝置I首先包括在上部中具有入口 20的收集腔室2，包含待收集的懸浮微粒的空氣通過來自腔室下部中的出口 21的抽吸而穿過所述入口。收集腔室2由收集壁3界定，所述收集壁包括稱作收集電極的第一電極30。當該裝置處于操作中時，可使所述收集電極30接地。如所示出的，收集壁3在其整個高度上包括收集電極30，但是也可在所述電極的上游和/或下游延伸。在收集腔室2內部布置有稱作放電電極的導線形式的第二電極4。在此實例中，放電電極4沿著收集電極3的軸線延伸。收集電極30的面向第二電極4的表面形成收集表面的一部分，因為其旨在接收由電場分離出的微粒，所述電場被限定在放電電極4與環形收集電極30之間。在此實例中，收集電極30完全包圍放電電極4，以獲得最佳的收集表面。收集電極30也可僅部分地包圍放電電極4，不限定圓柱體而是限定圓柱體的一部分。收集電極30還可能是平坦的，并設置成面向放電電極4。典型地，放電電極4是直徑在10和幾百微米(iim)之間的導線其適于當被供以幾kV和幾十kV之間的電壓時在其自身與收集電極3之間產生電暈放電。例如，所示裝置可為濕法或半濕法類型的靜電沉淀器，其中，待處理的氣體包括蒸汽和/或液相，例如液滴的形式。在這些不同的情況中，易于在收集壁上形成液滴。因此，當該裝置處于操作中時，包含懸浮微粒的氣體以及用來幫助捕獲所收集的微粒的蒸汽和/或液體，通過入口 20進入放電電極4和收集電極30之間的腔室2。然后，通過電暈放電，空氣中懸浮的微粒被收集在收集電極30上，并且在收集腔室的下游，氣體通過與下文中詳細描述的腔室2的出口 21連通的出口 5被排出。如之前描述的，通過與氣體同時添加以液滴或以汽相形式分散的液體，攜帶著所提取的微粒的液滴在收集壁上被收集。也可在氣體的處理之后注入液體，以在收集壁的表面處形成液滴，然后，所述液滴攜帶處理過程中所提取的微粒。由于構成放電電極的導線本身不具有足夠的硬度，所以，根據本發明，一方面通過布置于入口 20上方的第一保持裝置6將其保持在收集腔室2中。所述第一裝置6包括中心支撐部60和多個懸梁61，中心支撐部60由電絕緣材料制成，導線的上端40保持在所述中心支撐部中，懸梁61也由電絕緣材料制成，每個懸梁61 —方面固定至中心支撐部60，另一方面固定至由電絕緣材料制成的外圍支撐部62，所述外圍支撐部本身固定至收集壁3的上端。此外，提供了布置于收集腔室2的出口 21下方的第二保持裝置7。所述第二裝置7包括中心支撐部70和多個懸梁71，中心支撐部70由電絕緣材料制成，導線的下端41被保持在所述中心支撐部中，懸梁71也由電絕緣材料制成，每個懸梁71 一方面固定至中心支撐部70，另一方面固定至另一外圍壁80，所述外圍壁80界定管道8，所述管道用于排出凈化 空氣，如下所述的。優選地，排出管道8由電絕緣材料制成。更精確地，根據本發明，所述第二保持裝置7被設計為，使得每個懸梁71均在由壁9界定的出口 5內延伸，所述壁9在實際收集腔室2的下游橫斷于所述收集壁3。橫向壁9 (優選地為管，或為管的一部分，具有圓形或多角形截面)具有的形狀適于使液滴的路徑偏轉，所述液滴沿著收集電極30流動，通過重力且通過抽吸作用被攜帶直達所述橫向壁9，使得所述液滴不會與懸梁71直接接觸。管或管的一部分形式的所述橫向壁沿著長度d從收集壁伸出，所述長度d大于或等于流體內的液體的毛細管長度。當橫向壁是管形式的時，有利地，其可能是傾斜的，以使得管端部與腔室3的外圍收集壁之間的距離沿著液體流動的方向減小。優選地，支撐部60、70和懸梁61、71由對于該裝置中使用(換句話說，在收集腔室2中循環)的液體不潤濕的電絕緣材料制成。至于所使用的液體通常是水溶液，電絕緣材料有利地是疏水的，例如聚四氟乙烯(代號為PTFE ),例如特氟絕 ，或聚偏氟乙烯(代號為PVDF)。如圖2所示，懸梁71的數量優選地是3個，彼此以120°成角度地展開，并沿著圓柱形收集腔室2的軸線將放電電極4的中心支撐部70定位在中心。可以設想，使放電電極4的導線的兩端40，41處的相同組件具有相同數量的懸梁61，其相對于彼此并相對于中心支撐部60具有相同的相關布局。類似地，橫向壁9優選地由對該裝置中使用(換句話說，在收集腔室2中循環)的液體不潤濕的電絕緣材料制成。與保持裝置7類似，構成橫向壁9的電絕緣材料有利地是疏水的，例如聚四氟乙烯(代號為PTFE)，例如特氟論 ，或聚偏氟乙烯(代號為PVDF)。當該裝置處于操作中時，通過在管9與懸梁71之間界定的出口 5，將凈化空氣或去除了最初懸浮的微粒的空氣抽吸至排出管道8，所述排出管道8由壁80，81界定，并與未示出的泵吸裝置(通風裝置)連接。換句話說，在操作中，凈化氣體通過由管9界定的開口 5被抽吸，這另外具有潛在的干燥懸梁71的優點。為了限制其功率并附帶地限制其發出的噪聲的等級，有利地，盡量使得出口 5的總表面足夠大，以不會對空氣的流動產生過大的阻力。根據一個實施方式，放電電極的輸電線與第二保持裝置整體制成。因此，第二保持裝置除了其機械地保持放電電極并使其電絕緣的功能以外，還用作收集電極的輸電線的支撐部。因此，根據一個有利的實施方式變型，導線4的供電導體橫過至少一個懸梁71 :因此，所述導線可為由PTFE或PVDF制 成的絕緣的HT高壓屏蔽電纜。還可以與第二保持元件相同的方式布置該電纜，同時所述電纜獨立于所述第二保持元件(換句話說，不與所述第二保持元件整體制成)。
權利要求
1.一種用于氣體中懸浮的微粒的靜電收集裝置(1)，包括 -具有收集壁(3)的收集腔室(2)，所述收集壁的部分(30)形成稱作收集電極的電極，所述收集電極被布置為面向導線形式的放電電極(4)，以在所述放電電極本身與所述收集電極之間產生電暈放電，所述收集壁(3)延伸至所述放電電極(4)的外圍； -第一保持裝置(6，60，61)，由電絕緣材料制成，以通過所述導線的一端(40)將所述導線保持在所述腔室中， -至少一個橫向壁(9 )，相對于所述收集壁突伸出， -第二保持裝置(7，70，71)，由電絕緣材料制成，以通過所述導線的另一端(41)將所述導線保持在所述腔室中，所述第二保持裝置相對于氣體的流動方向被布置在所述橫向壁(9)的下游， -所述橫向壁(9)具有的形狀適于使存在于氣體中且在所述收集壁上流動的液體的路徑偏轉至所述橫向壁，使得所述液體與所述第二保持裝置(7，70，71)不接觸。
2.根據權利要求I所述的靜電收集裝置，其中，所述橫向壁(9)沿著比所述氣體中的液體的毛細管長度大的距離相對于所述收集壁(3)突伸出。
3.根據權利要求I或2所述的靜電收集裝置，其中，在所述收集壁中在由所述橫向壁界定的空間處，所述靜電收集裝置具有開口(5)，所述開口適于使所述第二保持裝置通過并將其固定在離所述收集腔室一定距離(80)處。
4.根據權利要求3所述的靜電收集裝置，其中，所述開口(5)與抽吸裝置連接。
5.根據權利要求I或2所述的靜電收集裝置，其中，外圍收集壁(3)是圓柱形的，并且，所述裝置包括n個以2 /n成角度隔開地分布的橫向壁(9)，并且，所述第二保持裝置由中心支撐部(70)和n個固定至所述中心支撐部的懸梁(71)構成，所述懸梁也以2 /n成角度隔開地分布，并且，其在由每個橫向壁界定的空間中獨立地延伸。
6.根據權利要求5所述的靜電收集裝置，其中，n等于3。
7.根據權利要求5所述的靜電收集裝置，其中，充電電極導線的供電導體橫斷至少一個懸梁(71)和所述支撐部。
8.根據權利要求I或2所述的靜電收集裝置，其中，所述第二保持裝置和/或橫向壁的電絕緣材料相對于流體的液相是非潤濕的。
9.根據權利要求8所述的靜電收集裝置，其中，所述電絕緣材料是疏水的。
10.根據權利要求7所述的靜電收集裝置，其中，所述電絕緣材料是疏水的，并且，由被供電導體橫斷的懸梁構成的組件通過PTFE或PVDF制成的絕緣高壓屏蔽電纜構成。
11.根據權利要求I或2所述的靜電收集裝置，其中，每個橫向壁均由管(9)構成，所述管具有的內徑使得將所述管與所述第二保持裝置的橫斷其的部分(71)隔開的距離大于所述氣體內的液相的毛細管長度。
12.根據權利要求I至11中的任一項所述的靜電收集裝置的使用，其中，所述氣體是可選地包含液體形式或蒸汽形式的水的空氣。
13.根據權利要求12所述的使用，所述靜電收集裝置用作空氣凈化器。
全文摘要
本發明涉及一種用于通過電暈效應收集氣體環境中懸浮的微粒的靜電收集裝置(1)及其使用。通過明智地對導線(4)形式的放電電極的兩端(40，41)進行保持來產生該效應，收集腔室(2)下游的保持裝置(7)在內部延伸至少一個空間，該空間由橫斷于形成收集電極的收集壁(3)的部分(30)的壁(9)界定，橫向壁具有的形狀適于使存在于氣體中且在所述收集壁上流動的液體的路徑偏轉至所述橫向壁，使得所述液體與所述保持裝置(7)不直接接觸。
文檔編號B03C3/45GK102962137SQ20121031391
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月29日 優先權日2011年8月29日
發明者讓-馬克西姆·魯 申請人:法國原子能及替代能源委員會