Область техники
Настоящее изобретение относится к области устройств для обработки воздуха, частности, к устройствам для воздействия на текучую среду, содержащую аэрозольные частицы (различные частицы пыли или молекулы и т.д.), электростатическим полем со значительными изменениями амплитуды и направления для осуществления определенного электромагнитного воздействия на эти частицы. Такое электромагнитное воздействие на частицы производится с целью получения различных механических, физических или химических эффектов и т.д.
Устройство для генерирования электростатического поля в соответствии с настоящим изобретением представляет собой устройство, которое содержит пористый электростатический модуль из диэлектрического материала, установленный между двумя пористыми электропроводными электродами, находящимися под различным электрическим напряжением, для индуцирования распределения зарядов и электрического поля внутри электростатического данного модуля. Текучую среду прогоняют через эту пористую трехслойную структуру, в частности, с использованием вентилятора. Такие устройства для электростатического воздействия на аэрозольные частицы в настоящее время используются, в основном, для электростатической фильтрации переносимых потоком воздуха частиц. В устройствах применяются неструктурированные электростатические модули в трехмерной решетчатой системе, то есть структура ячеек в них является случайной. В таких устройствах используется электростатическое поле со слабым локальным усилением и с незначительными изменениями амплитуды и направления.
Электростатический модуль генератора в соответствии с настоящим изобретением построен в виде ячеистой сети, ячейки которой имеют организованную трехмерную периодичность, причем каждая ячейка имеет структуру с компактными углублениями, выпуклыми снаружи и вогнутыми изнутри, с определенной соответствующей конфигурацией, предназначенной для обеспечения требуемого эффекта усиления и структуры электростатического поля.
Предшествующий уровень техники
Устройство для усиленного электростатического воздействия в соответствии с настоящим изобретением имеет гораздо более широкие возможности применения, чем устройства согласно уровню техники, используемые для фильтрации. Ближайшие устройства из известного уровня техники, по существу, построены в виде электростатических фильтров для пыли. В связи с этим приведенный ниже анализ известного уровня техники ограничивается этой областью техники и, в общем, относится к различным технологиям фильтрации пыли.
С точки зрения применения в медицине, санитарии и для обеспечения чистого воздуха, предпочтительно, отфильтровывать малые частицы, содержащиеся в воздухе, и, в частности, промышленную пыль, пыльцу растений, бактерии, вирусы, грибки, морские водоросли и другие мелкие частицы пыли. Кроме систем, работающих на принципе гравитации (осаждение частиц под действием их веса) и циклонных систем, работающих с использованием эффекта центробежных сил (оба эти принципа в некоторых промышленных вариантах осуществления используются совместно, что приводит к получению систем с большими габаритными размерами), можно выделить два наиболее часто используемых способа обеспечения очистки воздуха от частиц пыли. Первый предназначен для блокирования потока воздуха с помощью определенного материала (механический фильтр). Второй основан на принципе отклонения и захвата частиц с использованием электростатического способа (электрофильтра).
В соответствии с первым способом, в котором используется механический фильтр, воздух пропускают через пористый фильтрующий материал. Следует различать механические фильтры с поверхностной фильтрацией и механические фильтры с глубинной фильтрацией.
В случае механических фильтров с поверхностной фильтрацией используют материал, в основном, имеющий форму листа из переплетенных металлических нитей, сетчатого материала, бумажных фильтров, мембраны и т.д. Материал содержит поверхностные поры или отверстия. Размер пор среды выбирают таким образом, чтобы через них проходил воздух, а "крупные частицы", из-за их размера, захватывались бы и удерживались на волокнах или на поверхности материала. Хотя на практике механические фильтры редко выполняют с отверстиями меньшими, чем размер частиц, которые они должны улавливать, они работают так, как если бы размер пор был меньше размера отфильтровываемых частиц. Частицы постепенно захватываются на краях отверстий и создают тенденцию смыкания отверстия пористой стенки из-за их прилипания. Собранные частицы, слипшиеся вместе на поверхности фильтрующего материала, постепенно накапливаются в виде "осадка" увеличивающейся толщины. При этом в ходе использования "осадок" из собранных частиц начинает выполнять функцию фильтра, а исходная среда становится держателем фильтра.
В случае механических фильтров с глубинной фильтрацией из частиц формируется не только осадок со связанной поверхностью, но частицы также собираются на определенной глубине вблизи к поверхности среды. Примером такого фильтра является сигаретный фильтр. Среда имеет определенную толщину. Волокна среды не переплетены для формирования поверхности, а собраны вместе в толще в соответствии с более или менее случайными направлениями. Когда текучая среда сталкивается с волокнами, расположенными по существу поперечно, поток распределяется вокруг волокна, но часть частиц, имеющих большую плотность, чем газ, имеет тенденцию меньшего отклонения. Они сталкиваются с волокном, удерживаются и не следуют дальше с газом. Отделение пыли осуществляется благодаря инерционным столкновениям с волокнами. Захваченные частицы затем частично удерживаются на месте под действием электростатических сил Ван дер Ваальса.
В вариантах осуществления, требующих высокой эффективности фильтрации, например для обеспечения стерильных помещений, используется вариант механического фильтра, в котором применяют картриджи из сложенной фильтрующей среды, которые называются высокоэффективными фильтрами (НЕРА) или фильтрами очень высокой эффективности (ULPA).
Второй способ, основанный на использовании электростатического фильтра или электрофильтра, основан на том явлении, что частицы с определенным зарядом притягиваются электродом коллектора с противоположным зарядом. Этот способ широко используется в промышленности с момента его изобретения автором F.G. Cottrell в 1910 году. Первичное средство используется для придания электростатического заряда частицам и под действием электростатического поля эти заряженные частицы могут осаждаться на стенке сбора или материале сбора, на которой поддерживается напряжение с противоположным знаком. При этом существуют два основных класса структуры электростатических фильтров: однокаскадные и двухкаскадные. Существуют также два варианта осуществления средств электростатического осаждения: средство с электродами, напряжение на которых генерируется с помощью внешнего источника электричества, и средство с самозарядом электростатического поля, благодаря трению воздуха.
Однокаскадные электрофильтры или фильтры, заряжаемые электростатически, строят в соответствии с принципом самозаряда, в соответствии с которым на их фильтрующей среде накапливается электростатический заряд, получающийся в результате прохода потока воздуха через материал, составляющий его. В общем, в них также используется тот принцип, что частицы предварительно электростатически заряжают под действием трения воздуха. Такие фильтры имеют низкую стоимость и низкую эффективность.
Двухкаскадные электрофильтры, также называемые электростатическим осадителями, имеют более сложную конструкцию, более высокую стоимость и более высокую эффективность. Они содержат каскад электрического заряда частиц, осуществляемого с помощью эффекта коронного разряда, а также каскад осаждения. В каскаде электрического заряда воздух проходит через зону ионизации, состоящую из одного или нескольких наборов проводников, находящихся под высоким напряжением, с помощью которых генерируется интенсивное электростатическое поле, в котором электрические частицы приобретают электрический заряд под действием ионизации. Затем поток воздуха, содержащий заряженные частицы, проходит через второй каскад накопления. Существуют два типа двухкаскадных электростатических фильтров в зависимости от структуры каскада накопления заряженных частиц (с пластинами, или с фильтрующей средой).
В соответствии с первым типом электростатического фильтра с параллельными пластинами электрическое поле в котором направлено поперечно потоку (такая конструкция используется, в частности, для обработки промышленных газообразных отходов), коллектор сформирован из чередующегося множества установленных параллельно пластин, находящихся под высоким напряжением и заземленных пластин, ориентированных параллельно потоку воздуха. Заряженные частицы отклоняются перпендикулярно по направлению к потоку под действием поперечно направленного электрического поля, перпендикулярного к пластинам и, таким образом, к потоку. В результате, частицы осаждаются на пластинах.
В соответствии со вторым типом электростатического фильтра, в котором используется фильтрующий материал, каскад сбора состоит из одной или нескольких сетей или пористых электродов (на которые обычно подают чередующееся напряжение), разделенных пластинами фильтрующего пористого накопительного материала. Сеть и пластины установлены перпендикулярно к потоку воздуха. Поле направлено близко к продольному направлению или несколько под наклоном по отношению к потоку текучей среды. Такой тип электрического фильтра используется, в основном, в домашних условиях, в частности, в области кондиционирования воздуха и центрального отопления.
Среди различных типов известных из уровня техники фильтров и, в общем, среди электростатических систем из известного уровня техники электростатические фильтры с поперечно установленным фильтрующим материалом и осевые механические фильтры с фильтрацией в глубине по своей структуре являются наиболее близкими к электростатическому устройству, в соответствии с настоящим изобретением.
Первый основной недостаток механических или электростатических фильтров с фильтрующим материалом состоит в том, что самые малые частицы и, в частности, частицы микробов (бактерий и вирусов) проходят через поры, так, что эффективность механических фильтров существенно ухудшается в функции размера обрабатываемых частиц.
Таким образом, для того, чтобы обеспечить фильтрацию частиц с очень малым размером, в частности бактерий и вирусов, размер пор должен быть уменьшен в той же пропорции или волокна должны быть более плотно упакованными. Вследствие этого происходят существенные потери из-за падения давления при проходе через фильтрующий материал, что приводит к существенному повышению потребления энергии.
Это означает, что второй недостаток механических или электростатических фильтров с фильтрующим материалом состоит в том, что они приводят к значительной потере заряда и высокому потреблению энергии.
Третий недостаток механических или электростатических фильтров состоит в том, что обеспечивается плохая эффективность физических способов фильтрации фильтрующего материала (когда он функционирует на принципе столкновений, диффузии или электростатического воздействия). Это означает, что поры фильтрующего материала (размер пор) должны быть того же порядка, что и размер фильтруемых частиц, или, во всяком случае, они должны быть достаточно небольшими. Следовательно, используемая фильтрующая среда имеет низкое отношение пористости (объем пустот пор к отношению объема фильтрующего материала). Это является недостатком и приводит к низкой эффективности использования фильтрующего материала по глубине, малому объему задержания по сравнению с толщиной среды и, таким образом, по сравнению с получаемой в результате потерей заряда и быстрому забиванию пор, что быстро снижает эффективность фильтрующего материала фильтра.
Четвертый недостаток фильтров, действующих на основе фильтрующего материала, независимо от того, являются ли они механическими фильтрами с поверхностной фильтрацией или глубинной фильтрацией, или электростатическими фильтрами состоит в том, что они задерживают крупные частицы в большей степени на поверхности, чем в глубине. Такие фильтры работают, по существу, на поверхности или на небольшой глубине вблизи к поверхности. На них быстро формируется "осадок" или слой из крупных частиц пыли, прилипающих к волокнам, плотность которого уменьшается с глубиной материала, что в этих двух случаях постепенно блокируются поры среды, существенно уменьшая поперечное сечение пор, что увеличивает потери заряда и снижает скорость потока и эффективность фильтрации.
Пятый недостаток, вытекающий из предыдущих недостатков, состоит в том, что требуется полностью очищать фильтрующую среду или часто заменять эту среду (картриджи фильтров НЕРА или ULPA и др). Это является дорогостоящей и достаточно трудоемкой процедурой, которую трудно осуществлять с достаточной степенью надежности. Так дело обстоит, в случае, например, предприятий пищевой промышленности или больниц, где следует обслуживать большое количество фильтров или часто заменять их фильтрующий материал из-за постоянного забивания.
Шестой недостаток фильтров с фильтрующим материалом состоит в их низкой надежности. Эффективность и блокирование фильтрующего материала весьма чувствительны к состоянию окружающего воздуха, в частности, его влажности и концентрации частиц. Эти параметры часто носят случайный характер и на практике их очень трудно учитывать при оценке требуемой периодичности технического обслуживания.
Седьмой недостаток, связанный с электростатическими фильтрами, когда используются фильтры пластинчатого типа или типа с накопительным материалом, обусловлен осаждением крупных частиц на электродах или на активных частях фильтрующего материала, с последующим постепенным снижением эффективности фильтра, благодаря диэлектрическому эффекту (который описан ниже). В результате осаждения частиц постепенно формируется диэлектрическая поверхность из пыли. Силы электрического прилипания должны быть достаточной величины для предотвращения выноса этих частиц потоком воздуха. Одно из свойств слоя пыли, которое чрезвычайно важно для обеспечения работы электрических фильтров, представляет собой электрическое сопротивление этого слоя. Из-за очень широкого спектра свойств фильтруемых частиц, электрическое сопротивление может изменяться от 10 ехр-3 до 10 ехр 14 (Ом· см). При очень низком сопротивлении (меньше, чем 10 ехр 4 Ом· см) происходит очень быстрая утечка заряда от осевших частиц пыли на электропроводную пластину. Таким образом на собранных частицах остается недостаточный электростатический заряд для их удержания. Это приводит к частому повторному сбору частиц и к снижению эффективности электрического фильтра. С другой стороны, если сопротивление пленки пыли будет слишком высоким, больше, чем 10 ехр 10 Ом· см, эффективность электрического фильтра существенно снижается. При этом, фактически, большая часть изменения электрического потенциала происходит через пленку пыли с высоким сопротивлением, а не в воздухе. Частицы в меньшей степени притягиваются из-за снижения напряжения. Кроме того, электрическое сопротивление слоя со временем меняется. Следовательно, восьмой недостаток электростатических фильтров с пластинами или фильтрующим материалом состоит в снижении их электростатической эффективности с течением времени.
Девятый недостаток электростатических воздушных фильтров с фильтрующим материалом в соответствии с известным уровнем техники состоит в том, что они не позволяют осуществлять пространственную избирательность при захвате частиц в соответствии с их размером. Это означает, что частицы любого размера захватываются практически равномерно в каждой зоне среды. Крупные частицы (также как и мелкие) осаждаются равномерно на поверхности захвата фильтрующего материала. Постепенно мелкие частицы, а также крупные частицы (равномерно) захватываются все в меньшей и меньшей степени. Другими словами, фильтрация мелких частиц затрудняется тем фактом, что среда загромождается крупными частицами. Когда воздух содержит частицы с широким спектром размеров, воздействие на мелкие частицы постепенно становится неэффективным, из-за блокирования крупными частицами.
Согласно известному уровню техники хорошо известно, как размещать пористый фильтрующий материал в виде трехслойной структуры между двумя пористыми наборами электродов, на которые подают различные напряжения с целью создания электрического поля внутри фильтрующего материала, и как заставить поток воздуха, загруженного частицами, проходить перпендикулярно через эту трехслойную структуру. Такая структура представляет собой классическую структуру каскада сбора электростатического воздушного фильтра с поперечно установленным материалом. В патенте США US-A-3999964 описан электростатический воздушный фильтр такого типа с поперечно установленным пористым материалом в виде трехслойной структуры между двумя V-образными сетями с перфорированной поверхностью. На одну из сетей подают напряжение 6000 В, а вторую заземляют. Воздух принудительно прогоняют через эту трехслойную структуру, составленную из двух сетей и слоя материала. В патенте США US-A-5108470 также описана система такого типа. Такая система также описана в патенте США US-A-5330559. Использование такой технологии также описано в европейском патенте WO 93/23171, выданном на имя авторов настоящего изобретения.
В патентах США US-A-5368635 и US-A-5540761 описана такая система, особенность которой кроме того, состоит в том, что скорость газа уменьшают на уровне слоя материала так, что в большей степени обеспечивается поперечное движение частиц для повышения эффективности захвата и для обеспечения возможности увеличить размеры пор, ограничивая, таким образом, скорость забивания пор частицами пыли. В частном варианте осуществления этих изобретений рекомендуется использовать среду, состоящую из связанных электропроводных и/или изолирующих волокон, расположенных случайным образом так, что они формируют отверстия, в которых формируются "интенсивные поля". Предусматривается возможность использования различных типов материалов (бумага, стекловолокно, природные волокна и др.) структура которых, по существу, является случайной. Это означает, что в структуре отсутствует какая-либо определенная внутренняя организация.
Из предшествующего уровня техники также известно, как построить электрический фильтр с поперечно установленной средой путем пропускания потока воздуха, загрязненного частицами, через пористый собирающий материал, который самостоятельно электростатически заряжается (однокаскадный электрический фильтр), где собирающий материал содержит узел из каналов, сформированных случайной структурой материала в виде ячеистого вспененного материала. В частности, известно, как использовать в качестве фильтрующего материала синтетическую пену с открытыми ячейками. При этом для построения электростатического фильтра в патенте США US-A-4115082 предлагается устанавливать два расположенных рядом листа, изготовленных из "синтетической смолы с открытыми ячейками", которыми покрывают узел с двумя пленками из волокон из синтетической смолы, которая позволяет удерживать отрицательный заряд, и весь этот узел помещают между двумя рядами стержней из акрилового пластика, способных вырабатывать положительный электростатический заряд. В патенте США US-A-5336299 описан электрофильтр с самозарядом такого же типа, фильтрующий материал которого состоит из "центральной пленки из плексигласа с сотовым переплетением".
В устройствах согласно известному уровню техники не учитывается ни определенная общая структура расположения ячеек используемого пористого материала (периодичность ячеек), ни внутренняя организация каждой из этих ячеек (структура ячеек).
В патенте США US-A-4115082 рекомендуется использовать в качестве материала - "пену с открытыми ячейками из полиуретана" без указания важности придания материалу определенной структуры или организации этих ячеек. То же касается устройства согласно патенту США US-A-5336299.
Известен принцип пропускания текучей среды через параллельные каналы с широким удлиненным прямоугольным поперечным сечением. Электрический фильтр такого типа описан в патенте США US-A-4007024. Каналы прохода сформированы между множеством удлиненных разделенных друг от друга параллельных коллекторных пластин, в центре между которыми установлен ионизирующий провод. Такая же система описана в патенте США US-A-5198003. Еще одна такая система описана в патенте США US-A-5484473.
Известен принцип принудительного пропускания текучей среды поблизости удлиненных параллельных пластин, которые могут быть описаны как "крылья", которые наклонены по отношению к направлению протекания текучей среды и на которых сформированы клиновидные замыкающие кромки. В патенте США US-A-4007024 описаны такие параллельные пластины, на которых сформированы клиновидные замыкающие кромки, выполненные в форме стрел так, что они отклоняют и замедляют текучую среду. Эти крылья расположены не в трех, а в двух измерениях.
Из известного уровня техники известно использование "сотового" материала в качестве материала накопления, составленного из параллельных каналов, которые можно назвать параллельными открытыми удлиненными ячейками. В патенте США US-A-4205969, предложено располагать материал накопителя, составленный из одной или нескольких пластин из "сотового" диэлектрического материала, между двумя металлическими электродами, также имеющими "сотовую" структуру. "Сотовый" материал состоит из удлиненных параллельных каналов, открывающихся друг в друга, расположенных вдоль оси текучей среды или под небольшим наклоном к ней. Такая особенность также описана в патенте США US-A-3988131. Такие ячейки повторяются в двух измерениях, а не в трех измерениях.
Из уровня техники известно как заставить текучую среду проходить между широкими и длинными параллельными пластинами, на которые подано различное напряжение. Электрические фильтры с двумя каскадами и с пластиной такого типа описаны в патенте США US-A-4259093. В данном случае обеспечивается одномерная повторяемость.
Из уровня техники известно, как придать фильтрующему материалу форму слоя с мелкой открытой структурой в виде переплетенных проводов. В патенте США US-A-5037455 предложено изготовлять подобную структуру из переплетенных полипропиленовых волокон. В таком материале не формируются ячейки.
Из предшествующего уровня техники известно использование в качестве собирающей поверхности сборки из очень удлиненных параллельных каналов, выполненных в форме трубок, расположенных между электродами. При этом каналы и электроды установлены параллельно направлению движения текучей среды. Такая структура предложена в патенте США US-A-4234324. Аналогичная структура также описана в патенте США US-A-5198003, а также в патенте США US-A-4284420.
Известно из уровня техники расположение материала тонкой фильтрации типа НЕРА между электродами под напряжением для повышения эффективности фильтрации. Это описано в патенте США US-A-4357150 и в патенте США US-A-4509420.
Из предшествующего уровня техники известно расположение микропористого порошкообразного материала в виде случайной структуры между двумя электродами, с различными электрическими потенциалами, с пропусканием через него текучей среды, загрязненной частицами. Такое устройство описано в патенте США US-A-4224710, в котором микропористый порошкообразный материал состоит из частиц древесного угля.
Из уровня техники известна подача текучей среды в извилистый проход, через пористый диэлектрический материал, расположенный между двумя электродами под напряжением и с включением полей с локальным наклоном в этом диэлектрике. Такое устройство описано в патенте США US-A-4759778.
Известна из уровня техники установка на электродах электрического фильтра фильтрующего материала с острыми концами, предназначенными для усиления ионизации частиц воздуха. Такая компоновка описана, например, в патенте США US-A-5573577. В известном уровне техники не рассматривается какая-либо определенная комбинация между электродами с острыми концами, взаимодействующими с определенной структурой также имеющего острые концы фильтрующего материала для увеличения эффективности поля в этом материале.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение относится к объемному генератору хаотичного электростатического поля, который обеспечивает локальное усиление электростатического поля при подаче текучей среды, загрязненной аэрозольными частицами для воздействия на нее электростатическим полем с высокими локальными изменениями по амплитуде и направлению.
Генератор электростатического поля в соответствии с настоящим изобретением представляет собой генератор, содержащий:
- модуль, приспособленный для индуцирования в нем электростатического поля, выполненный из пористого материала,
- два электрода, индуцирующие электростатическое поле, расположенные друг напротив друга по обеим сторонам электростатического модуля, разделенные друг от друга этим модулем,
- источник электрического тока,
- по меньшей мере, два проводника, соединяющих выводы источника электрического тока с электродами, и
- средство для придания текучей среде избыточного давления для обеспечения ее протекания через электроды и электростатический модуль.
В некоторых вариантах осуществления изобретения в состав устройства можно дополнительно включить ионизатор, расположенный вверх по потоку от генератора, для предварительного придания частицам электрического заряда и для повышения их взаимодействия с генерируемым электростатическим полем.
Настоящее изобретение касается главным образом усовершенствования составляющей структуры электростатического модуля генератора электростатического поля. В наиболее общем варианте осуществления в настоящем изобретении рекомендуется использовать электростатический модуль, составленный из сети, состоящей из трехмерных ячеек, проявляющей, по меньшей мере, локально свойство периодичности (или псевдопериодичности) в трех измерениях, по меньшей мере, в трех направлениях. В соответствии с настоящим изобретением каждая ячейка трехмерной сети состоит из выпуклой снаружи элементарной ячейки с углублением в центре и поэтому вогнутой изнутри, выполненной с возможностью заключать компактный пустой объем элементарной ячейки. Это означает, что заключаемый пустой объем элементарной ячейки имеет поперечные размеры одного порядка во всех трех направлениях. В соответствии с настоящим изобретением, пустой объем элементарной ячейки для большинства ячеек, расположенных в центре электростатического модуля, открыт по направлению к пустым объемам соседних элементарных ячеек, по меньшей мере, через четыре углубления на их элементарной поверхности.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения электростатический модуль представляет собой сборку из множества ребер с продольными частями, выполненными из диэлектрического или полупроводникового материала. Эти ребра имеют тонкое или не очень широкое поперечное сечение с гораздо меньшей толщиной, чем их продольный размер, и содержат, по меньшей мере, одну поперечную заднюю кромку, выполненную удлиненной и клиновидной. Ребра физически и электрически соединены вместе на каждом конце так, что составляют диэлектрическую трехмерную сеть. В трех направлениях пространства сеть может представлять собой либо строго повторяющуюся ячеистую структуру или квазипериодичную ячеистую структуру (квазисеть). Ребра связаны и перегруппированы геометрически так, что образуют множество элементарных ячеек (ячеек сети). Большинство внутренних ребер электростатического модуля являются общими для нескольких элементарных ячеек.
В соответствии с данным предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения большинство взаимосвязанных ребер, принадлежащих одной внутренней ячейке электростатического модуля, окружают элементарную поверхность, заключающую пустой объем элементарной ячейки, располагаясь тангенциально по отношению к ней с перекрытием вдоль, по меньшей мере, одной из их боковых продольных фасок.
Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения состоит в том, что внутренние объемы элементарных ячеек имеют выпуклую компактную структуру. Под термином компактный здесь подразумевается, что поперечный размер объема элементарной ячейки имеет размеры одного порядка в трех геометрических направлениях. Под термином выпуклый подразумевается, что геометрически объем элементарной ячейки имеет общую форму, близкую к правильному или слегка деформированному шару, эллипсоиду или к правильному и не удлиненному параллелепипеду, такому, как, например, труба или неструктурированный объем такой, как получается при пересечении множества волокон, перегруппированных случайным образом. Взаимосвязанные углубления между соседними ячейками окружены боковыми кромками ребер, принадлежащими этой ячейке, которые являются общими для соседних ячеек.
Генератор электростатического поля в соответствии с настоящим изобретением содержит в электростатическом модуле трехмерное множество зон электростатической индукции, распределенных по трехмерной, периодической или псевдопериодической сети. В предпочтительном варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением, зоны индукции расположены тесно вокруг объемов ячеек и вблизи к конечным кромкам ребер, в области соединения между ячейками.
При пересечении частицами таких зон электростатической индукции создается высокая степень локальных изменений электростатического поля по отношению к средней интенсивности поля, оценка которой производится по всему электростатическому модулю, и/или высокая степень изменения направлений электростатического поля по отношению к среднему преимущественному направлению электрического поля, оценка которого производится по всему электростатическому модулю.
Краткое описание чертежей
Дальнейшее описание ведется со ссылками на фигуры чертежей, на которых:
фиг.1 изображает общий вид различных элементов, составляющих электростатический генератор, в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 и 3 изображают узел ребер, составляющий трехмерную сетчатую структуру и ее электростатический модуль в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 и 5 - детально ячейку сети электростатического модуля;
фиг.6-8 и 10 - сети электростатического модуля в соответствии с настоящим изобретением, получаемые при пересечении тонкостенных сфер;
фиг.9 и 11 - другой вариант электростатического модуля в соответствии с настоящим изобретением, полученный путем сборки сети из многогранников (двенадцатигранников) с проколотыми гранями;
фиг.12 и 13 - в перспективе боковую стенку и внутреннюю структуру сети электростатического модуля в соответствии с настоящим изобретением.
фиг.14-19 - схематично показан очень упрощенный вид (в двух измерениях), геометрической структуры и структуры электростатического поля, через которые проходит поток воздуха, пропускаемый через электростатический модуль, в соответствии с настоящим изобретением;
Фиг.20 изображает упрощенный вид в поперечном разрезе (с увеличенным размером ячеек сети) предпочтительного варианта осуществления для производства электростатического модуля и электродов электростатического модуля в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.21 и 22 изображают внешний вид предпочтительного варианта осуществления электростатического модуля и электродов в соответствии с настоящим изобретением.
Описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения
На фигуре 1 изображена общая структура объемного генератора 1 в соответствии с настоящим изобретением.
Объемный генератор 1 хаотичного электрического поля Е (Е=E1, Е2, Е3... ) имеет классическую структуру модуля 2 с индуцированным электростатическим полем, состоящего из двух электродов 4, 5 электростатической индукции, расположенных по обеим сторонам электростатического модуля 2 так, что они обращены друг к другу, источника 6 тока, и двух проводников 7 и 8, соединенных с электродами 4, 5 и с источником 6 тока.
Электростатический модуль 2 состоит из диэлектрического или полупроводникового материала (md). Предпочтительно, он имеет плоскую форму и пористую внутреннюю структуру, проницаемую для потока U текучей среды. С обеих сторон он содержит, по меньшей мере, две обращенные друг к другу боковые контактные поверхности L1 и L2.
Электроды 4, 5 электростатической индукции состоят из электропроводного материала (mc). Предпочтительно, они имеют плоскую форму. Их структура выполнена пористой и проницаемой для потока U текучей среды. Они установлены так, что обращены друг к другу и разделены друг от друга, и с обеих сторон находятся в контакте с электростатическим модулем 2. Каждый из них взаимодействует через одну из боковых опорных поверхностей S1, S2 с одной из двух боковых контактных поверхностей L1, L2 электростатического модуля 2.
Источник 6 тока содержит, по меньшей мере, два металлических вывода В+, В-, приспособленных для использования с очень высокой разностью потенциалов между ними. При применении настоящего изобретения для фильтрации пыли рекомендуется использовать источник тока, генерирующий напряжения В+=+5000В и В-=-5000В.
Два проводника 7, 8 соединены одними концами 9, 10 соответственно с одними из выводов В+, В- напряжения и/или с заземлением, и другими концами 11, 12 соединены с одним из электродов 4, 5 с различной полярностью. В представленном варианте проводник 7 частично заменен заземлением G.
Как показано на фигуре 5, между двумя электродами 4, 5, и, таким образом, внутри электростатического модуля 2 создается распределение заряда q по поверхности Sd составляющего его материала md. В результате создается объемное распределение внутреннего электрического поля Е.
Осевой вентилятор 3 используется в качестве средства нагнетания текучей среды U при повышенном давлении для обеспечения ее протекания через трехслойную структуру, состоящую из электродов 4, 5 и электростатического модуля 2.
Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения для построения объемного электростатического генератора 1 хаотичного электростатического поля Е, в соответствии с настоящим изобретением, показан на фигурах 2 и 3. Электростатический модуль 2 состоит из множества ребер А=(... , А13, А14, А15... , An,... ) с продольно-линейными частями, выполненными из диэлектрического или полупроводникового материала (md). Ребра An имеют тонкое поперечное сечение St которое выполнено не очень широким, то есть их толщина е которого гораздо меньше, чем продольная длина l. Они содержат, по меньшей мере, одну поперечную концевую кромку bn, которая выполнена удлиненной и клиновидной, а также ориентирована в направлении xn, x'n вдоль длины ребер.
Как более подробно показано на фигуре 7, в конкретном варианте осуществления настоящего изобретения, поперечное сечение ребра An, вблизи к его конечной кромке bn имеет малый поперечный локальный радиус кривизны Rn.
На фигурах 3-6 можно видеть, что ребра (... , А13, А14, А15,... , An,... ) соединены друг с другом физически и электрически на их концах (А13_1, А13_2, А14_1, А15-1,... ) так, что они составляют трехмерную диэлектрическую сеть (Rxyz). Они взаимосвязаны и перегруппированы геометрически так, что составляют множество элементарных ячеек (С1... , С16, С17,... ). Внутренние ребра А13 электростатического модуля 2, в основном, являются общими для нескольких элементарных ячеек (... , С1... , С17,... ).
На фигурах 4 и 5 показано, что большинство взаимосвязанных ребер (... , А13, А14, А15,... ) принадлежат к одной и той же внутренней ячейке С1 электростатического модуля 2 так, что они окружают только одну виртуальную элементарную поверхность S1, которая заключена внутри каждой элементарной ячейки С1, располагаясь тангенциально по отношению к ней с перекрытием вдоль, по меньшей мере, одной из их боковых продольных фасок (s1 13/1, s1 14/1, s115/1,... ). При этом ячейки (C1,... ), в общем, сформированы выпуклыми снаружи и вогнутыми изнутри.
Как показано на фигурах 4-6, очевидно, что структура такой элементарной поверхности S1 является замкнутой, так, что она содержит пустой объем V1 элементарной ячейки, которая выполнена компактной и выпуклой снаружи и вогнутой изнутри. Это означает, что поперечные размеры dx1, dy1, dz1 объема V1 ячейки будут иметь размеры одного порядка в трех геометрических направлениях х, у, z.
Как показано на фигуре 5, можно видеть, что объем V1 элементарной пустой ячейки для большинства ячеек С1, расположенных в центре электростатического модуля 2, является открытым к элементарным пустым объемам (V16, V17,... ), соседних ячеек (С16, С17,... ) по меньшей мере, со стороны четырех углублений (е16, е17, е18, е19,... ) через их элементарную поверхность S1. Как показано на фигуре 3, каждое из углублений е16 окружено боковой кромкой (b161, b172,... ) ребер (... , А16, А17,... ), принадлежащих к своей ячейке С16, которые являются общими с соседними ячейками (С16, С17,... ).
На фигурах 14 и 18 показана значительно упрощенная схема (в двух измерениях) воздействия электростатического генератора 1, в соответствии с настоящим изобретением, на поток W, представляющий собой часть воздушной струи, загруженной частицами Р, пересекающей электростатический модуль 2. При этом понятно, что упрощения, используемые для показа в двух измерениях, не позволяют выполнить изобретение в строгом соответствии с действительностью, но позволяют представить визуально понятную схему. Проведенные измерения и электромагнитные вычисления показывают, что во внутренней части электростатического модуля 2 содержится трехмерное множество зон электростатической индукции, (ZE)=(ZE1, ZE2, ZE3, ZE4,... Zen), распределенных в трехмерной сети, тесно располагаясь вокруг объемов (V1,... ) ячейки и вблизи к концевым кромкам bn ребер.
Трехмерное представление структуры (Е1, Е2, Е3, Е4,... ) поля в зонах (Z1, Z2, Z3, Z4,... ) электростатической индукции вблизи к углублению ячейки С1 показано на фигуре 5.
Разность потенциалов между электродами 4, 5 индуцирует существенную поляризацию диэлектрика md, из которого выполнен электростатический модуль 2. Как схематически показано на фигурах 14 и 15 измерения показали, что комбинация трехмерного повторения и формы, которая является выпуклой снаружи и вогнутой изнутри, а также компактных размеров ячейки С1 сети Rxyz из ребер An привела к неожиданному результату, проявляющемуся под действием такой электростатической поляризации. Как показано на фигуре 15 в направлении потока W можно отметить высокую степень изменения амплитуды электростатического поля Е вдоль диэлектрического материала md и, таким образом, на пути потока W, по отношению к средней интенсивности Еm, оценка которой производится по всему электростатическому модулю 2. При напряжении между электродами 4, 5, В-=-5000 В и В+=+5000 В, что составляет разность потенциалов 10000 вольт, и для электростатического модуля 2 толщиной 1 см, поле Em имеет среднюю интенсивность приблизительно 10000 В/см. Внутри электростатического модуля 2, в соответствии с настоящим изобретением, было рассчитано и измерено, что интенсивность электростатического поля (Е1, Е2,... ) вблизи к точкам концевых кромок bn ребер An достигает 300000 В/см в зонах (ZE1, ZE2... ) индукции, окружающих концевые кромки этих ребер. При этом получается эффект очень сильного локального усиления электрического поля с коэффициентом больше, чем 30 раз.
Другой неожиданный результат показан на фигуре 16. Вдоль потока W можно отметить значительные изменения направления электростатического поля Е, характеризующиеся углом (α ) отклонения по отношению к среднему направлению (α =0) электрического поля, оценка которого производится по всему электростатическому модулю 2. Ориентация электрического поля Е вблизи к концевым кромкам bn перекрывает практически все угловые значения (от -90° до +90° ).
Как изображено геометрически на фигурах 17 и 18, и в виде электростатической схемы на фигуре 19, частицы Р, р потока W текучей среды U подвергаются при проходе через модуль 2 действию в значительной степени хаотичного поля Е, со значительными изменениями интенсивности и направления, по сравнению с системами из известного уровня техники.
В соответствии с первым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, который показан на фигуре 4, ребра А13, А14, А15, также показанные на фигуре 5 и составляющие трехмерную сеть Rxyz электростатического модуля 2, имеют практически одинаковую форму и одинаковые размеры.
В соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения, который показан на фигуре 9 и фигуре 11, ребра (А13, А15,... ) соединены в трехмерную сеть Rxyz, с образованием ячеек, состоящих из расположенных близко друг к другу многогранных ячеек (C1, C16, С17... ), соединенных друг с другом. Авторы настоящего изобретения установили, что при использовании структуры двенадцатигранника можно получить очень хорошие результаты.
В соответствии с третьим предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, который показан на фигурах 2-4, углубления (е16, е17, е18, е19,... ) между соседними внутренними элементарными объемами (C1, C16, С17,... ) электростатического модуля 2, в основном, имеют форму, близкую к круглой или эллиптической форме.
В соответствии с четвертым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, который также показан на фигурах 2-5, ребра (А13, А14, А15,... ), составляющие трехмерную сеть Rxyz электростатического модуля 2, имеют относительные продольные размеры l и физически соединены друг с другом в такой конфигурации, что элементарные поверхности (внутренние расположенные тангенциально к ребрам) (S1, S16, S17,... ) внутренних ячеек (C1, C16, С17,... ) трехмерной сети Rxyz близки к закрытой квадратичной форме (то есть сферической форме или форме эллипсоида). Таким образом, внутренние объемы (V1, V17,... ) элементарных пустых ячеек трехмерной сети Rxyz близки к пустой выпуклой шарообразной или яйцевидной форме.
В соответствии с пятым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения ребра трехмерной сети Rxyz электростатического модуля 2 имеют такие относительные продольные размеры l и так физически соединены друг с другом в конфигурацию, что закрытые квадратичные элементарные поверхности (S1, S16, S17,... ) внутренних ячеек (C1, C16, С17,... ) сети Rxyz тесно распределены в соответствии с указанной структурой наибольшей компактности, так, как показано на фигурах 4 и 5.
Наиболее простой способ осуществления настоящего изобретения показан на фигуре 10. Он состоит в построении трехмерной сети Rxyz путем приближения, пересечения и объединения закрытых квадратичных форм (C1, C16, С17,... ) малой толщины, в частности, сфер или эллипсоидов. Например, она может быть получена путем комбинирования между химическим действием и действием давления на пену, формируемую из пластического материала.
В соответствии с шестым вариантом осуществления настоящего изобретения, который показан на фигуре 11, трехмерная сеть Rxyz получена путем приближения и объединения независимых форм (P1, P16, Р17... ), имеющих, по существу, многогранную исходную форму небольшой толщины, где большинство граней F выполнены проколотыми с образованием углублений е. Многогранники (Р1... ) соединены вместе так, что они находятся в физическом контакте, таким образом, что их углубления е соединены.
В соответствии с седьмым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, который показан на фигурах 2-4, ребра (А13, А14, А15, А16,... ), составляющие трехмерную сеть Rxyz электростатического модуля 2, имеют длину l и физически соединены друг с другом в такую конфигурацию, что замкнутые элементарные поверхности (S1, S16, S17,... ) внутренних ячеек (C1, C16, С17,... ) сети Rxyz тесно распределяются таким образом, что большинство объемов (V1,... ) внутренних элементарных ячеек сети Rxyz раскрыты по направлению к 12 элементарным объемам (V16, V17,... ) соседних ячеек (C16, С17,... ) через 12 углублений (е16, е17,... ), проходящих через их элементарные поверхности (S16, S17,... ). Сеть может быть построена таким образом, что ячейки будут распределены приблизительно в виде центрованной кубической грани.
Авторы настоящего изобретения установили, что для осуществления настоящего изобретения, предпочтительно, можно использовать полиуретан в качестве диэлектрического материала md, из которого формируются ребра (А13, А14, А15,... ) трехмерной сети Rxyz электростатического модуля 2.
В соответствии с восьмым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, его авторы установили путем проведения измерений эффективности электростатического усиления, как показано на фигурах 19 и 20, что, предпочтительно, по меньшей мере, одна из боковых контактных поверхностей L1, L2 электростатического модуля 2 (предпочтительно две), находящаяся в контакте с боковой опорной поверхностью S1, S2, соответствующей одному из электродов 4, 5, должна быть покрыта практически равномерно множеством острых форм TD с остриями 21, 22, выполненными с малым радиусом кривизны, которые распределены по этой боковой поверхности L1, L2. Острия 21, 22 находятся в контакте с соответствующей опорной поверхностью S1, S2 электрода 4, 5.
Авторы настоящего изобретения с помощью измерений также установили, что, как показано на фигурах 19 и 20, предпочтительно, по меньшей мере, одна из боковых опорных поверхностей S1, S2, по меньшей мере, одного из электродов 4, 5 поляризации (и предпочтительно двух), находящаяся в контакте с боковой контактной стороной L1, L2 электростатического модуля 2, должна быть покрыта практически равномерно множеством острых выступов 31, 32, распределенных по этой боковой опорной поверхности S1, S2. Такие острия 31, 32 находятся в контакте с соответствующей контактной поверхностью L1, L2 электростатического модуля 2 и взаимодействуют с остриями 21, 22 электростатического модуля 2.
С помощью вычислений и измерений было установлено, что эффект локального усиления магнитного поля Е в электростатическом модуле 2 повышается, вместе с амплитудой локальных изменений интенсивности электрического поля Ei в пределах зон ZE=(ZE1... , ZEi,... Zen,... ) электростатической индукции.
Авторы настоящего изобретения смогли установить, что эффективность электростатического генератора 1 повышается и потери его заряда уменьшаются, если, как показано на фигуре 20, диэлектрический электростатический модуль 2 и его электропроводящие электроды 4, 5 будут иметь одинаковую ячеистую структуру.
В соответствии с восьмым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения диэлектрический электростатический модуль 2 и электропроводные электроды 4, 5 имеют одинаковую структуру, состоящую из сети тонких и продольно-линейных ребер А13, соединенных на концах А131 и распределенных в трехмерной сети Rxyz и R'xyz так, как показано на фигурах 4-6. Ребра двух сетей формируют множество ячеек CD, СЕ, соединенных по углублениям (е13,... ) и окружающих компактные пустые объемы V1 элементарных ячеек, поперечные размеры которых имеют один порядок в трех направлениях dx, dy, dz. Диэлектрический электростатический модуль 2 и электропроводящие электроды 4, 5 содержат ребра А13 практически идентичной формы и размеров l. При этом диэлектрический электростатический модуль 2 и электропроводящие электроды 4, 5 состоят из ячеек CD, СЕ, с практически идентичными размерами и структурой. Они отличаются материалом (электропроводным, проводящим), из которого они сформированы.
В соответствии с девятым предпочтительным вариантом настоящего изобретения, который описан со ссылкой на фигуру 20, установлено, что острия 21, 22 боковых контактных поверхностей L1, L2 электростатического модуля 2 состоят из участков множества элементарных ячеек CDe, расположенных на внешней поверхности трехмерной сети Rxyz, которые распределены по поверхности, по меньшей мере, одной из боковых поверхностей L1, L2 и из которых сформировано множество острых концов TDe, расположенных под прямым углом к каждой внешней разрезанной ячейке CDe с заостренными кромками 21, 22, которая имеет практически круглую форму, так, что они обращены к соответствующей боковой опорной поверхности S1, S2. Точно так же, острия 31, 32 боковой опорной поверхности S1, S2, по меньшей мере, одного из электродов 4, 5, (предпочтительно двух), состоят (как и в случае электростатического модуля) из среза множества элементарных ячеек СЕе на внешней поверхности трехмерной сети R'xyz этого электрода 4, 5, которые распределены, по меньшей мере, по одной боковой опорной поверхности S1, S2. Такое сечение приводит к разрезу под прямым углом каждой внешней ячейки СЕе и формирует множество металлических острых концов ТЕе с заостренными кромками 31, 32, имеющими практически круглую форму и расположенными так, что они обращены к соответствующей боковой контактной поверхности L1, L2.
Способ, рекомендуемый для производства усилительных металлических электродов 4, 5 для построения объемного электростатического генератора 1 в соответствии с настоящим изобретением, состоит, прежде всего, в изготовлении первичной сети R1xyz, выполненной из диэлектрика или полупроводника. Эта сеть R1xyz имеет структуру, идентичную показанной на фигурах 4-9. Она сформирована из множества ребер А13, сформированных из диэлектрика md или полупроводникового материала. Ребра А13 сети R1xyz имеют тонкое поперечное сечение St, толщина е которого очень мала по сравнению с их продольным размером l. Они содержат, по меньшей мере, одну боковую концевую кромку bn, которая выполнена удлиненной и клиновидной (то есть, с малым локальным поперечным радиусом кривизны), которая сориентирована в направлении хх' по отношению к их длине. Ребра А13 сети R1xyz физически и электрически соединены друг с другом на каждом из своих концов А131, так что они составляют трехмерную сеть R1xyz. Они взаимосвязаны и перегруппированы геометрически в множество элементарных ячеек С1. Большинство взаимосвязанных ребер А13, принадлежащих одной и той же ячейке С1 сети R1xyz, окружают с перекрытием, по меньшей мере, одной из их боковых продольных фасок, внутреннюю виртуальную элементарную поверхность S1 замкнутой структуры, включающую пустой объем V1 элементарной ячейки, который является компактным и выпуклым. Объем V1 элементарной ячейки для большинства ячеек С1, расположенных в центре сети R1xyz, раскрывается так, что он обращен к объемам соседних элементарных ячеек, по меньшей мере, четырьмя, и предпочтительно, двенадцатью углублениями Е, проходящих через их соответствующую элементарную поверхность S. Каждое из таких углублений Е окружено боковыми кромками ребер, принадлежащими своей ячейке, которые являются общими для соседних ячеек.
Для получения первичной сети R1xyz, предпочтительно, осуществляют пересечение множества (предпочтительно двенадцати) закрытых поверхностей S=(S1... , Si,... , Sn,... ) из материала оболочки 2 малой толщины е, которая распределена практически равномерно в трех направлениях х, у, z, и выполнена из первого материала 11 диэлектрика и, в частности, из полиуретана.
Затем выполняют гальванопокрытие первичной сети R1xyz вторым металлическим материалом mc, например, никелем. При этом получается трехмерная сеть R2xyz с внешней металлической поверхностью.
В настоящем изобретении электроды 4, 5 рекомендуется изготовлять способом гальванопокрытия никелем полиуретановой сети R1xyz.
Способ состоит, прежде всего, в производстве пористой сетчатой пластины R1xyz с крыльями из полиуретана, в соответствии с настоящим изобретением, как показано на фигурах 4-9. Затем полученной полиуретановой сети R1xyz придают электропроводность, погружая ее в сенсибилизирующий раствор типа: SnCl1 - 25 г/л; НСl - 40 мл/л. Сеть R1xyz выдерживают в растворе в течение 10 минут и затем промывают в горячей воде в течение 10 минут. После этого сеть R1xyz погружают на 5 минут в резервуар, содержащий активирующий раствор типа: PdCl1 - 0,5 г/л; НСl - 10 мл/л. Затем ее промывают горячей водой в течение 10 минут.
Затем на сеть R1xyz наносят химический слой никеля. С этой целью сеть погружают в следующий раствор (в мл/л):
NiSO4·7Н2O - 25
NаН2РО2·Н2O - 25
NaP2O7·10Н2О - 50
NH4OH (28% раствор) - 23
Сеть R1xyz выдерживают в этом растворе в течение 30 минут. Затем ее промывают в воде в течение 10 минут.
Затем выполняют гальванопокрытие никелем. С этой целью два анода из никеля помещают в электролизную ванну. Сеть R1xyz помещают между двумя анодами в ванне. Ванну заполняют раствором со следующим составом (в г/л):
NiSO4·7Н2О - 250
1,4 бутандиол - 0,15
NiCl2 - 50
фталамид - 0,12
Н3ВO3 – 30
рН - 4,3-5,2
Аноды и сеть R1xyz соединяют с различными полюсами генератора постоянного тока. (Аноды с положительным полюсом, сеть R1xyz с отрицательным полюсом). Интенсивность тока осаждения регулируют на уровне 0,5 А/дм2 в течение 7-10 минут. Выполняют 10 последовательных циклов гальванопокрытия.
После гальванопокрытия металлом электропроводного материала mc, выполняют удаление каркаса, состоящего из находящегося внутри материала md диэлектрика, под действием тепла или химическим воздействием на внешнюю металлическую поверхность трехмерной сети R2xyz. При этом получается полностью металлическая структура R'2xyz. Предпочтительно, расположенная внутри структура из полиуретана удаляется под действием тепла. Для выполнения такого извлечения сеть, покрытую никелем, помещают в разреженную атмосферу при температуре 1100° С на период времени 4 часа. После этого сеть R2xyz будет готова.
В соответствии с одиннадцатым предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, который показан на фигуре 20, электростатический модуль состоит из сети Rxyz с полиуретановыми ребрами, и электроды которой состоят из сети R'xyz с исходной основой из полиуретана, которая впоследствии была металлизирована, в соответствии с вышеописанным способом. Внутренняя структура ячеек CD электростатического модуля 2 и ячеек СЕ электродов 4, 5 идентична и соответствует виду, показанному в разрезе на фигуре 8. Структура внешней поверхности S1, S2 сети R2xyz электродов 4, 5 и поверхности L1, L2 сети Rxyz электростатического модуля 2 является квазиидентичной. Это показано на фигурах 21 и 22.
Сети Rxyz и R'xyz состоят из ячеек С со структурой, близкой к многогранной (двенадцатигранной) структуре, внутренние полости которой имеют форму удлиненной сферы (эллипсоида). Основные оси ячейки С ориентированы приблизительно в одних направлениях. Среднее отношение между размерами D11 и D12 эллипсоидов по их основным взаимно перпендикулярным осям составляет приблизительно 1,1-1,3. Ячейки расположены в соответствии с распределением их наибольшей плотности и граничат с двенадцатью соседними ячейками. Их стенки проколоты с образованием двенадцати углублений.
На фигуре 12 показана в увеличенном виде форма внешней части боковой контактной стороны L1 электростатического модуля 2. Можно видеть, что острия 21, 22 боковых контактных поверхностей L1, L2 электростатического модуля 2 получены при рассечении множества элементарных ячеек CDe на внешней поверхности L1 трехмерной сети Rxyz. Эти полученные рассечением части распределены по поверхности, по меньшей мере, одной из боковых поверхностей L1, L2, и формируют множество острых концов TDe, расположенных под прямым углом к каждому сечению внешней ячейки CDe, с заостренными кромками 21, 22, имеющей приблизительно круглую форму и обращенную к соответствующей боковой опорной плоскости S1, S2 электродов.
Работа генератора 1 более подробно показана на фигуре 18. Поток W струи F проходит через сеть Rxyz электростатического модуля 2 через большое количество (более 3) поочередно соединенных последовательностей, с одной стороны, полей локальных градиентов давления, grad Рn, на нижней поверхности in ребер An сети Rxyz, и с другой стороны локальных градиентов En электростатических полей на конечных кромках bn. Локальные градиенты давления grad Рn создают зоны ZPn локального воздействия, окружающие точки An действия давления. Они распределены в сети последовательно вдоль внешней поверхности потока W. Большинство из этих областей расположены на нижней поверхности in ребер An, и большая часть более крупных частиц Р осаждается здесь и прилипает в отдельных местах к материалу md под действием сил Ван-дер-Ваальса.
Локальные градиенты электростатического поля, в основном, увеличиваются локально в пределах зон ZEn электростатической индукции, окружающих точки Вn электростатического воздействия, расположенные на концевых кромках bn. Они также распределены в сети последовательно вдоль внешней поверхности S потока W.
Можно видеть, что точки bn электростатического действия расположены в геометрических местах положения, которые размещены зигзагообразно поперечно по отношению к точкам An соответствующего воздействия давления, в соответствии с общим средним локальным направлением, xx'n потока U и в соответствии с локальным направлением yy'n, перпендикулярным к потоку U.
Поток окружающей частицы р, Р текучей среды W, прежде всего, подвергается воздействию локального градиента давления grad Pi вверх по потоку, с целью отклонения потока перед тем, как он войдет в зону ZEn электростатической индукции, которая расположена ниже по потоку.
Преимущества изобретения по сравнению с известным уровнем техники
Первое преимущество генератора 1 в соответствии с настоящим изобретением, состоит в том, что с его помощью можно получить усиленную, периодически повторяющуюся электростатическую индукцию во множестве мест и избирательную фильтрацию в зависимости от размера частиц р, Р аэрозоля в потоке F несущей текучей среды U.
Второе преимущество настоящего изобретения состоит в том, что на уровне каждой ячейки Сn происходит избирательная фильтрация крупных частиц Р с большой массой в основном за счет столкновения на уровне поверхностей столкновения Zpn еще до осуществления физического электростатического воздействия (и в частности, фильтрации или химического воздействия) на малые частицы р с малой массой, благодаря, предпочтительно, электростатическому притяжению на уровне зон ZEn электростатической индукции. Это означает, что генератор 1 в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает лучшую пространственную избирательность воздействия на частицы в зависимости от их размера.
Третье преимущество настоящего устройства состоит в том, что крупные частицы Р осаждаются, в основном, в "пассивных" зонах центральной части нижней поверхности in на ребрах An во внутреннем объеме Vn ячеек Сn, а не в "активных" зонах электростатической индукции, ZEn. Внутренний объем ячеек составляет достаточно большую емкость для накопления крупных частиц Р. При этом электростатический генератор 1, в соответствии с настоящим изобретением с меньшей вероятностью блокируется крупными частицами Р, чем в системах согласно известному уровню техники. Эффективность электростатического воздействия будет более стабильной. Продолжительность работы между требуемым техническим обслуживанием при этом увеличивается.
Четвертое преимущество состоит в том, что эффект значительного усиления электростатического поля генератора 1 в соответствии с настоящим изобретением, позволяет осуществлять более сильное физическое воздействие на малые частицы р, что невозможно при использовании систем известного уровня техники. Кроме того, было установлено дополнительное неожиданное преимущество, состоящее в том, что физическая эффективность электростатического генератора 1 в соответствии с настоящим изобретением существенно повышается, когда размер малых частиц р становится меньше 1 микрона.
Пятое преимущество генератора 1 в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что при эффективности равной эффективности системы, в соответствии с известным уровнем техники, благодаря усилению воздействия электростатического поля, в настоящем генераторе можно использовать больший размер ячеек и за счет этого обеспечить меньшие потери заряда и потребление энергии.
Шестое преимущество генератора в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что его физическое воздействие на частицы р, Р осуществляется в большей степени в глубине. Это повышает эффективность и уменьшает скорость забивания сети крупными частицами.
Седьмое преимущество генератора, в соответствии с настоящим изобретением, состоит в том, что, помимо того, что более крупные частицы Р оказывают меньшее воздействие на зоны Zen электростатической индукции, физическое воздействие остается практически постоянным. При этом обеспечивается большая надежность и меньшие потери рабочих характеристик с течением времени. При этом генератор, в соответствии с настоящим изобретением, может использоваться без специального обслуживания в течение 5 лет в обычной атмосфере, в зонах с плотностью аэрозоля меньше 1 мг/м3.
Восьмое преимущество генератора, в соответствии с настоящим изобретением, состоит в том, что зоны Zen с высоким градиентом электростатического поля являются очень концентрированными. Это означает, что при эквивалентной эффективности в генераторе, в соответствии с настоящим изобретением, вырабатывается меньшее количество озона, чем в системе, в соответствии с известным уровнем техники.
Промышленная применимость
Электростатический генератор в соответствии с настоящим изобретением во всех вариантах осуществления может использоваться для усиления электростатического воздействия там, где требуется удалять аэрозольные частицы, в частности, очень мелкие частицы из текучей среды для получения результатов физического, химического и т.д. воздействия.
Применение настоящего генератора возможно для замены всех типов электрофильтров для обеспечения более высокой производительности с меньшим потреблением электроэнергии и при более высокой и стабильной эффективности фильтрации частиц с размером меньше 1 микрона. При этом можно обеспечить рабочие характеристики, соответствующие фильтру ULPA, но с более высокой надежностью.
Дополнительный неожиданный вариант применения электростатического генератора согласно настоящему изобретению связан с его способностью разрушать слабые химические связи. Независимые испытания, проведенные недавно Российским институтом биологических проблем с участием Европейского космического агентства и Японского космического агентства, показали весьма высокую эффективность генератора в соответствии с настоящим изобретением при разрушении молекул вредных веществ, находящихся в воздухе. В ходе проведенных испытаний электростатического генератора в соответствии с настоящим изобретением, который проработал в течение 30 дней при напряжении в 10000 В в помещении объемом 300 м3, было продемонстрировано, что концентрация некоторых вредных газообразных молекул в воздухе изменилась следующим образом.
Результаты этих испытаний представляют практическое подтверждение высокого уровня энергии, высвобождаемой в электростатическом модуле в зонах усиленного электростатического поля, что позволяет разрушать химические связи.
Предусматривается также вариант осуществления изобретения, обеспечивающий химическое разрушение с помощью электростатического способа молекул вредных веществ и воздействие на свободные радикалы в воздухе.
Объем настоящего изобретения определяется приведенной формулой изобретения и ее юридических эквивалентов. Приведенные примеры следует рассматривать как неограничивающие объем данного изобретения иллюстрацию вариантов его осуществления.
Изобретение относится к области устройств для обработки воздуха и обеспечивает локальное усиление электростатического поля при подаче текучей среды, загрязненной аэрозольными частицами для воздействия на нее электростатическим полем с высокими локальными изменениями по амплитуде и направлению. Объемный генератор хаотичного электростатического поля с локальным усилением для воздействия на текучую среду, загрязненную аэрозольными частицами, электростатическим полем с высокой степенью вариаций локальной амплитуды и ориентации, содержит модуль с индуцированным электростатическим полем, состоящий из пористого диэлектрического материала, двух пористых электродов с электростатической индукцией, источника электрического тока, средства для надува текучей среды. Электростатический модуль состоит из трехмерной сетчатой системы, имеющей, по меньшей мере, в отдельных местах трехмерную периодичность (или псевдопериодичность), по меньшей мере, в трех направлениях. Каждая сеть системы состоит из выпуклой снаружи и вогнутой изнутри элементарной ячейки, с углублением в центре для заключения компактного пустого объема ячейки, то есть с поперечными размерами одного порядка в трех направлениях. Предпочтительно, сеть состоит из множества физически и электрически взаимно соединенных ребер в форме двенадцатигранника. Генератор используется для фильтрации воздуха и в химической промышленности. 2 н. и 18 з.п.ф-лы, 22 ил., 1 табл.
| US 5609736 A, 11.03.1997 | |||
| EP 0425433 A1, 02.05.1991 | |||
| US 3999964 A, 28.12.1976 | |||
| US 5540761 A, 30.07.1996 | |||
| US 3988131 A, 26.10.1976 | |||
| УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ И ТОНКОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗА | 1992 |
|
RU2026751C1 |
