用于空气过滤装置的滤材极化模块及空气过滤装置

技术领域

本申请属于室内空气净化技术领域，特别地涉及一种用于空气过滤装置的滤材极化模块及空气过滤装置。

背景技术

中国经济社会快速发展为环境带来了严重负担。例如室外大气颗粒物污染形势十分严峻。

室外的颗粒物可以通过自然通风或机械通风系统进入室内。现代社会中，人员在室内停留、工作、生活的时间可能占据全部生命时长的80％以上，室内人员的颗粒物暴露量十分可观。大量研究表明，颗粒物对人体健康有严重影响。颗粒物暴露导致的临床症状包括植物花粉诱发的过敏性鼻炎与呼吸道炎症，重金属盐、氧化物、多环芳烃等导致的癌症，肺部沉积导致的肺部纤维化以及颗粒携带微生物感染等。因此寻找有效的室内颗粒物净化控制技术，营造洁净，健康的室内环境对人体健康的意义不言而喻。

常见的颗粒物净化技术包括机械过滤、静电除尘、等离子体净化等。其中，机械过滤技术装置简单、效率高，被广泛地应用于建筑空调系统中。以高效过滤器为元件的机械过滤技术效率高，生产制造成熟，可以模块化整合至集中处理式空气调节装置中，具有非常广泛的应用。但是，高效过滤器的应用存在寿命短、更换成本高、过滤阻力大等先天劣势。此外，静电除尘器则具有易产生大量臭氧、体积庞大、容尘量小等缺点。

为实现低阻力，高效率，研究中发现了一些将过滤和静电结合起来的净化方法，如电晕预荷电-静电增强型过滤技术。这一净化装置的主体由颗粒物荷电模块与滤材极化模块组成。颗粒物荷电模块利用静电放电，使气流中的颗粒物带有电荷。而滤材极化模块则通过在过滤材料(滤材)过流两端附加高压电场使极性滤材产生正负电性的分离，强化对荷电颗粒物的过滤作用。这种技术保留了机械纤维过滤的高效率特点，是一种有效的颗粒物净化方法。

申请公布号为CN107115727A的“一种基于粗效滤网的空气过滤装置”专利，应用带孔金属板与金属放电丝之间的颗粒物预荷电部分以及金属放电丝与金属网之间的粗效滤网极化部分，对单层粗效滤网进行了过滤效率的增强，具有结构简单、阻力低的优点。但是该专利存在如下不足：金属网产生的极化电场较金属极板更弱，理论上需要使用更高的极化电压或更近的极化距离才可以达到金属极板形成的极化场强水平。但是一旦提高极化电压或者缩短极化距离，将有可能会造成空气击穿放电，带来电源短路、出现电火花等使用风险，造成织物滤材表面焦化甚至燃烧等，带来安全隐患。

申请公布号为CN107649290A的专利所述的静电除尘模块使用集尘板贴附绝缘膜的方法，避免了高极化场强下极板之间的击穿，可以提高模块的颗粒物过滤效率。但是该装置本质上仍属于静电除尘器，颗粒物直接被金属板收集，仍然具有静电除尘器的劣势：结构复杂、易产生臭氧、长期使用效率降低快。

发明内容

本申请的目的在于，提供一种用于空气过滤装置的滤材极化模块及空气过滤装置，解决或改善以上至少一个技术问题。

本申请提供了一种用于空气过滤装置的滤材极化模块，所述滤材极化模块包括滤网且能够对所述滤网进行极化，包含颗粒物的气体能够通过所述滤网而使得所述颗粒物被至少部分地留在所述滤网中，

所述滤材极化模块包括高压直流电源、第一电极板和第二电极板，

所述滤网位于所述第一电极板和所述第二电极板之间，

所述第一电极板和所述第二电极板通过与所述高压直流电源连接形成电场而使得所述滤网被极化，

所述第一电极板与所述第二电极板中的仅一块电极板的朝向所述滤网的一面设置有绝缘层。

在至少一个实施方式中，所述第一电极板连接所述高压直流电源的正极，所述第二电极板接地或连接所述高压直流电源的负极；或者

所述第一电极板接地或连接所述高压直流电源的负极，所述第二电极板连接所述高压直流电源的正极。

在至少一个实施方式中，所述第一电极板和/或所述第二电极板具有多个电极板孔，所述包含颗粒物的气体能够通过所述电极板孔流向所述滤网。

在至少一个实施方式中，所述电极板孔为圆孔，且所述电极板孔的开孔边缘设置有倒角。

在至少一个实施方式中，所述绝缘层在所述电极板孔的对应位置具有绝缘层孔，且所述绝缘层孔的面积小于所述电极板孔的面积。

在至少一个实施方式中，所述绝缘层的材料包括聚乙烯、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯中的至少一种。

在至少一个实施方式中，所述滤网为如下粗效低阻力滤网：在迎面风速为1m/s的情况下，所述滤网产生的压降小于25Pa，

所述滤网的材料包括聚氨酯发泡材料或聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维。

在至少一个实施方式中，所述滤材极化模块包括绝缘外壳和固定部，所述固定部固定在所述绝缘外壳上，所述滤网可拆卸地安装于所述固定部而能够实现对所述滤网的更换。

在至少一个实施方式中，所述高压直流电源的正极与所述第一电极板相连，所述第二电极板接地，所述第二电极板和所述滤网互相接触贴紧且共同可拆卸地安装于所述固定部。

本申请提供了一种空气过滤装置，所述空气过滤装置包括为空气中的颗粒物附加电荷的颗粒物荷电模块和对滤材进行极化并对包含颗粒物的空气起到过滤作用的滤材极化模块，

所述滤材极化模块为前述的滤材极化模块，

所述颗粒物荷电模块和所述滤材极化模块之间的距离不超过200mm。

本申请对滤材极化模块的其中一块电极板内侧涂覆绝缘层，对另一块电极板内侧不涂覆绝缘层。相比于利用金属丝极化滤材，本申请利用电极板极化滤材，减少了现有技术提到的金属丝、金属网方案可能会产生的尖端放电等安全隐患。利用绝缘层阻挡放电，在一定程度上防止电极板与滤材(滤网)距离过近时出现“击穿现象”。至少因为绝缘层的存在，提高了滤材极化模块的最高耐受电压。可以因此适当减小极板之间，极板与滤材之间的距离，提升极板之间的极化电压，对滤材产生更强的极化作用，提升荷电颗粒物的过滤效率。

同时，空气过滤装置应用上述的滤材极化模块使滤材对荷电颗粒物的过滤能力增强，位于滤材极化模块前端的颗粒物荷电模块(静电放电装置)的放电电压可以相应减小，除了减少尖端放电导致的臭氧产生以外，还可以避免长期使用时造成的滤材焦化、甚至燃烧的安全隐患。

附图说明

图1示出了根据本申请实施方式的滤材极化模块的结构示意图。

图2示出了根据本申请实施方式的第一电极板外侧面的结构示意图。

图3示出了根据本申请实施方式的第一电极板内侧面的结构示意图。

图4示出了根据本申请实施方式的第一电极板的立体示意图。

1高压直流电源；2第一电极板；3第二电极板；4滤网；5绝缘层；6绝缘外壳；7固定部；8极板孔；9绝缘层孔；

a、b气体流向。

具体实施方式

下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。

为了方便描述本申请引入a、b表示气体流向，气体从a流向b，a与b不代表具体的位置。

本申请基于颗粒物荷电-滤材极化过滤技术，颗粒物荷电模块(未示出)使上游气体中的颗粒物带上电荷，滤材极化模块使下游的滤网4(后面介绍)被极化感应，产生材料内部正负电性的分离，包含荷电颗粒物的气体能够通过滤网4而使得颗粒物由于静电吸引力被至少部分地留在滤网4中。

本申请提供了用于空气过滤装置的滤材极化模块及空气过滤装置。如图1所示，该滤材极化模块可以包括高压直流电源1、第一电极板2、第二电极板3、滤网4、绝缘层5、绝缘外壳6和固定部7。本申请提出的空气过滤装置包括颗粒物荷电模块(未示出)和上述的滤材极化模块。

第一电极板2可以连接高压直流电源1的正极，第二电极板3接地或连接高压直流电源1的负极。或者第一电极板2接地或连接高压直流电源1的负极，第二电极板3连接高压直流电源1的正极。滤网4可以位于第一电极板2和第二电极板3之间，电极板通过与高压直流电源1连接形成电场，使滤网4被极化。

相比于放电金属丝形成的极化电场，电极板产生的电场更均匀，滤材的极化效果更好。并且，电极板可以减少或避免特别是由于放电金属丝产生的尖端放电的安全隐患。电极板可以选用表面平滑的不锈钢板、铜板或铝板。电极板的外边缘可以设置倒角，以防止尖端放电。电极板的厚度可以不大于2mm，不小于0.5mm。

滤网4可以选用低阻力的粗效滤网。例如，本申请中的低阻力指迎面风速为1m/s的情况下，滤网4的压降小于25Pa。滤网4可以为单层，厚度小于或等于15mm。优选的，滤网4的材料可以包括但不限于聚氨酯(PU)发泡材料或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维等绝缘材料。滤网4可以有多种形式，例如有包边或框架结构使得滤网4能够成型。可以理解，过滤阻力较低可以节约能耗。

第一电极板2与第二电极板3中的仅一块电极板朝向滤网4的一面(内表面)可以设置绝缘层5。绝缘层5提高了滤材极化模块的最高耐受电压，除了减少尖端放电导致臭氧产生以外，还可以减少或避免长期使用时造成的滤材焦化、甚至燃烧的安全隐患。可以理解，若在两块电极板朝向滤网内侧的面都设置绝缘层可能会削弱极化电场，进而影响过滤效率。

即仅在与电源正极连接的第一电极板2与第二电极板3中的仅一块电极板朝向滤网4的一面设置绝缘层5为更优选的实施方式。例如，第一电极板2连接电源1的正极，第二电极板3接地时，在第一电极板2朝向滤网4的一面设置绝缘层5。

可以理解，现有技术提到的静电除尘模块是颗粒物直接被金属板收集，覆膜后“板间电场”由于板间电压提高而提高，有利于提高颗粒物在板上沉积的效率。而本申请是利用电极板的极化电场使滤材产生感应电场，颗粒物由于静电力过滤在过滤纤维而非金属板(电极板)上，是滤材的“感应电场”作用而非“板间电场”作用。设置绝缘层5后滤材的感应电场随着板间(极化)电场增加而增加，因而效率提高。

绝缘层5的材料可以为聚乙烯、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二醇酯等。绝缘层5的厚度可以不大于200μm，不小于30μm。优选的，绝缘层5的厚度为60μm。设置绝缘层5的方法可以为薄膜辊压、胶粘、热沉积等。

由于最高耐受电压的提高，为提高极化电场的强度，可以考虑提升电极板之间的极化电压。或者，可以减小电极板之间、电极板与滤材的距离。

当电极板之间的电压不变，缩小电极板之间、电极板与滤材的距离时，若为达到与之前相同的过滤效率，则位于上游的颗粒物荷电模块配用的电压可以减小，由此进一步减小了臭氧产生。

或者，在颗粒物荷电模块与滤材极化模块的电压维持不变，臭氧产生量不变的情况下，通过减小极板之间、极板与滤材之间的距离的方式，可以提高滤材的极化程度，进而提高颗粒物过滤效率。

可以理解，高压直流电源为通用的设备名称，指可以输出千伏或万伏以上的电压的电源，本申请采用直流电源。在一个实施方式中，高压直流电源1使用时输出电压可调节为0kV～30kV。第一电极板2连接高压直流电源1的正极，第一电极板2朝向滤网4的一面设置有绝缘层5，第二电极板3接地。

优选地，第一电极板2朝向滤网4的面和第二电极板3朝向滤网4的面之间的距离不小于15mm，防止击穿空气。优选地，第一电极板2朝向滤网4的面和第二电极板3朝向滤网4的面之间的距离不大于30mm，以保证一定的极化场强。

如图2、3、4所示，进一步地，第一电极板2和第二电极板3可以具有电极板孔8，包含颗粒物的气体能够通过电极板孔8流向滤网4(从a流向b)。电极板孔8可以为多个直径10mm-20mm的圆孔，开孔边缘可设置倒(圆)角。可以理解，相比于方孔，圆孔防止尖端放电效果更好。相比于具有角度的例如45°倒角，圆角防止尖端放电效果更好。

为了均衡电极板的强度和待过滤空气的通过效率，电极板孔8可以在电极板上均匀分布，且开孔面积可以占到电极板面积的三分之一到二分之一。开孔面积越大，金属部分面积越小，极化效果会越差，形成的极化电场越弱。本申请采用的电极板，开孔面积占到电极板面积的三分之一到二分之一，使得金属部分面积相对于金属网占比更大，形成的极化电场相对较强。

可以理解，现有技术中的金属网一般由金属丝编制而成，金属网边缘与表面容易形成尖端放电，且金属部分面积相对孔的面积较少。另外网状设计不利于贴附绝缘层5，对极化电场形成保护。本申请采用的电极板(板型设计)开孔形状容易控制(例如开圆孔)，便于设置绝缘层5，还避免或减少了金属网容易产生的尖端放电现象。

为了防止绝缘层5阻挡电极板孔8，绝缘层5在与电极板孔8相对应的位置具有绝缘层孔9，且绝缘层孔9的面积小于电极板孔8的面积。即，在电极板孔8处，绝缘层5的膜至少超出电极板孔8边缘1-2mm，以保证绝缘层5完全覆盖电极板阻挡放电，但又不完全阻挡电极板孔8(空气过道)。当然，在接线时确保电源线准确连接到电极板上。

可以理解，不设置电极板孔8，改变待过滤气体的流向，例如使气体从电极板上方或斜上方流向被极化的滤网4，也能起到过滤荷电颗粒物的作用。气体流向垂直于电极板，待过滤气体依次垂直穿过第一电极板2、滤网4、第二电极板3是更为优选的实施方式。改变电极板、滤网4的位姿和气体流向，使气体通过具有感应电场的滤网4的设置方式都处于本申请的保护范围。

绝缘外壳6可以为丙烯酸塑料制成的绝缘壳体，厚度可以为3～7mm，优选为5mm。绝缘外壳6上可以开设一开口(未示出)，开口上装有绝缘材料制成的门体(未示出)，开口与门体的连接处设有硅胶密封条(未示出)，方便对滤网及其他零部件进行检修更换。

固定部7可以为框架或卡扣，且固定于绝缘外壳6。固定部7也可以选用丙烯酸塑料等绝缘材料制成。滤网4可拆卸地安装于固定部7而便于滤网4的更换。

在一个实施方式中，接地且没有包覆绝缘层5的第二电极板3和滤网4互相贴紧且共同可拆卸地安装于固定部7。没有包覆绝缘层5的第二电极板3与滤网4贴紧并接地，使得带电颗粒物可以通过第二电极板3将颗粒物的电荷导向地下，一定程度上防止电荷积聚。从而减缓滤网4过滤效率的降低，使长期效果更加稳定。

颗粒物荷电模块可选用负离子发生装置、电晕式放电装置、线板式放电装置、针板式放电装置等。为达到较好的使用效果，使颗粒物荷电模块位于风的上游，滤材极化模块位于风的下游。且二者之间的距离不超过200mm。特别地，二者之间的距离指“待过滤气体离开颗粒物荷电模块的位置”与“滤材极化模块的第一电极板2”之间的垂直距离。

本实施例的运行过程为：将本滤材极化模块置于使用者选定的颗粒物荷电模块后，并安装在风道内。使来流空气按从a到b的方向流过，再接通高压直流电源1，即可运行空气过滤模式。

本申请还提供了上述装置的测试实验参数，实验环境干球温度为17℃，相对湿度为30％。

使用GENVOLT高压正极性高压直流电源作为高压直流电源1。第一电极板2和第二电极板3的板间距为20mm，滤网4接入后逐渐增大高压直流电源1的输出电压。滤网4的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯，厚度为8mm。绝缘层5的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，厚度为60μm，绝缘层5的表面开孔处超出电极板孔8的圆孔边缘1mm。

两块电极板都没有包覆绝缘层5时，高压直流电源1输出为+8kV时产生击穿，有可视电火花产生，击穿场强为4kV/cm，滤材表面有烧焦痕迹；其他参数不变的情况下，本申请提出的装置在高压直流电源1输出增加为+25kV时才产生击穿，击穿场强为12.5kV/cm。

本申请的空气过滤装置的过滤性能测试如下。颗粒物荷电模块为针板式放电装置，放电电压为+8kV，针板距离为15mm。本申请的滤材极化模块的两块电极板都没有包覆绝缘层5时，高压直流电源1输出为+8kV时产生击穿，其对粒径0.3-0.5μm颗粒物的计数过滤效率(下简称“过滤效率”)为83％，臭氧净产生量约为68ppb(体积浓度)。

其他参数不变的情况下，本申请提出的空气过滤装置在高压直流电源1输出为+8kV时，臭氧净产生量相比不包覆绝缘层5时大大降低，约为32ppb。高压直流电源1的输出提高为+25kV时才产生击穿，此时其过滤效率提高至94％。另一方面，若保持击穿电压+25kV，降低放电装置电压至+5kV，过滤效率为84％，臭氧净产生量仅为17ppb。与不包覆绝缘层5相比，在过滤效率相近的情况下大大降低了臭氧产生。

本申请所述的滤材极化模块能够显著提高极化装置的击穿场强，提高了使用安全性，同时突破了现有静电增强过滤模块(颗粒物荷电-滤材极化模块)过滤效率受极化电压的限制。此时上游相应的颗粒物电模块的电压可降低，因而实现了低臭氧产生且低过滤阻力的高效去除颗粒物的装置。

可以理解，即使没有颗粒物荷电模块对颗粒物附上电荷，仅本申请提出的滤材极化模块也能起到对颗粒物的过滤作用。

以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。