專利名稱：靜電沉淀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種靜電沉淀器。本發(fā)明尤其但并不排它地涉及這樣一種靜電沉淀器，其適用于收集和分析在環(huán)境中包括微生物的空氣懸浮顆粒。
背景技術(shù)：
對(duì)環(huán)境中空氣顆粒的分析通常需要取樣大量的空氣。當(dāng)前的收集技術(shù)經(jīng)常依賴于將空氣加速到非常高的速度，以利用顆粒和空氣之間的不同動(dòng)量使得顆粒撞擊收集表面或液體。然而，這種撞擊技術(shù)通常需要非常高的能量輸入，并且它們的能力局限于分離小顆粒(1μm以下)。
顆粒在靜電場(chǎng)中的電極表面處的聚集是公知的現(xiàn)象，靜電沉淀器利用上述現(xiàn)象從環(huán)境中分離灰塵和煙霧顆粒。在靜電沉淀器的簡(jiǎn)單形式中，向在接地柱體的縱向軸上的導(dǎo)線施加高電壓，通過該導(dǎo)線保持空氣流。在該導(dǎo)線處形成電暈放電，且具有與該導(dǎo)線相同極性的離子被朝向該柱體的內(nèi)表面排斥。然而，在導(dǎo)線和柱體之間的電場(chǎng)通過顆粒相對(duì)于周圍空氣的相對(duì)介電常數(shù)而產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致離子在顆粒處的聚集，這種現(xiàn)象一直持續(xù)到場(chǎng)畸變被顆粒上的電荷所平衡為止。帶電顆粒受到電場(chǎng)中的力作用，將它們運(yùn)送到接地柱體并使它們附著在那里。通過振動(dòng)或通過隨后收集流體的經(jīng)過可以將顆粒從柱體表面上去除。
但是，該現(xiàn)有技術(shù)的靜電沉淀器主要涉及在工業(yè)規(guī)模上的排出氣體的凈化，而基本不涉及將其應(yīng)用于從空氣環(huán)境中優(yōu)化顆粒取樣的問題。實(shí)際上，大多數(shù)靜電沉淀器都不適合從環(huán)境中有效地收集顆粒，甚至進(jìn)行了小型化之后也是如此，這是因?yàn)橹w的收集表面相對(duì)較大，因此實(shí)際上只能夠獲得稀釋的顆粒樣本。
解決從環(huán)境中有效收集顆粒的問題的一種方法是將用于小型化的靜電沉淀器的收集流體量最小化(InnovaTek，美國)。該沉淀器包括大量具有顯微加工通道的收集板，由釋放到空氣流中的電子充電的顆粒優(yōu)選地沉積到所述通道中。顆粒通過收集流體在通道中的流動(dòng)經(jīng)過而被收集。
由本申請(qǐng)人開發(fā)的另一種方法試圖將由電暈放電場(chǎng)充電的顆粒緊緊聚集在一點(diǎn)狀表面上。在該結(jié)構(gòu)中，接地電極包括環(huán)形電極，該環(huán)形電極允許通過空氣流來使得充電顆粒浮現(xiàn)。充電顆粒進(jìn)入由一電極結(jié)構(gòu)提供的附加電場(chǎng)，在本領(lǐng)域中稱其為靜電透鏡。在靜電透鏡的一種結(jié)構(gòu)中，與顆粒同極性的大量電極環(huán)在接地的、銷形反電極上方同心設(shè)置，從而提供了將顆粒約束到反電極上的電場(chǎng)。
然而，該設(shè)置令人不滿意之處在于，即使當(dāng)顆粒尺寸通過凝結(jié)作用而增加時(shí)，在希望的空氣流處的顆粒上產(chǎn)生的充電程度也是不均勻的。另外，以希望的操作電壓和空氣流速作用在顆粒上的聚集場(chǎng)的強(qiáng)度經(jīng)?；蛘卟荒芸朔恐菩?yīng)或者阻止顆粒從充電場(chǎng)中射出。因此，即使聚集環(huán)(focussing ring)的數(shù)量得到優(yōu)化，該結(jié)構(gòu)也會(huì)允許僅通過接地的反電極的部分顆粒進(jìn)行聚集。
歐洲專利申請(qǐng)EP 0 239 865公開了用于從氣體流中靜電收集顆粒的裝置。該裝置包括第一柱形電極，其限定了大量圍繞第二柱形反電極的孔。通過與在第一柱形電極中的孔相關(guān)聯(lián)的多個(gè)點(diǎn)電極來提供離子源。盡管第一柱形電極接地，反電極仍保持為負(fù)電勢(shì)，從而從正點(diǎn)電極發(fā)射的離子被引導(dǎo)到反電極上。離子化的顆粒朝向反電極運(yùn)動(dòng)，但在總體上被收集到設(shè)置在電極下方的收集器中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的總體目的是通過提供一種改進(jìn)的靜電沉淀器來有效地收集并分析環(huán)境中的顆粒，該靜電沉淀器能夠?qū)㈩w粒有效聚集在點(diǎn)狀表面上。
本發(fā)明首先認(rèn)識(shí)到由電暈放電產(chǎn)生的靜電場(chǎng)中顆粒的不均勻充電是由于在點(diǎn)電極和反電極之間產(chǎn)生了離子濃度梯度。因此，在反電極附近的顆粒與點(diǎn)電極附近的顆粒相比不太可能產(chǎn)生電荷。因此，提供了其中離子濃度梯度被去除或反轉(zhuǎn)的靜電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)就可能使得顆粒聚集得到改善。
因此，本發(fā)明提供了一種靜電沉淀器，其包括用于使包含顆粒的空氣流通過的管道；產(chǎn)生基本垂直于空氣流的靜電場(chǎng)的裝置；和能夠?qū)︻w粒充電的離子供應(yīng)源，其中該產(chǎn)生裝置包括點(diǎn)電極和二維表面電極，其特征在于，該二維表面電極包括一離子源，該點(diǎn)電極包括反電極且該反電極接地。
應(yīng)該理解，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，來自離子源的離子運(yùn)送指向點(diǎn)電極，從而相對(duì)于大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)而言，降低了在二維表面電極和點(diǎn)電極之間的離子濃度梯度。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，該二維表面電極包括在現(xiàn)有技術(shù)中已知為等離子充電器(plasma charger)的離子源。將等離子充電器用作離子源避免了場(chǎng)集中(field concentration)并使電暈風(fēng)最小化，否則可導(dǎo)致氣流中出現(xiàn)湍流并影響顆粒沉積。
在典型充電器中，電極包括夾在兩個(gè)導(dǎo)電材料片(strip)之間的絕緣材料片，兩個(gè)導(dǎo)電材料片中的一個(gè)是大體低于該絕緣片的表面區(qū)域。施加到充電器的交流電勢(shì)差使得從位于或靠近較小導(dǎo)電片的接觸邊緣處的絕緣片發(fā)射離子。
優(yōu)選地，該接觸邊緣的長(zhǎng)度最大化，從而提供了在最大程度的管道裝置上最大可能的離子濃度。在特別優(yōu)選的結(jié)構(gòu)中，較小導(dǎo)電片的接觸邊緣通過采用齒形結(jié)構(gòu)而最大化。
等離子電極也可以構(gòu)造為單電極或多個(gè)單極電極。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，該電極由多個(gè)電極組成。
然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，該二維表面電極包括由齒形等離子電極形成的單個(gè)中空柱體，其可以方便地設(shè)置在基本類似的截面區(qū)域的柱體管道中。在該實(shí)施例中，能夠橫過管道裝置的大部分區(qū)域和長(zhǎng)度保持靜電場(chǎng)。
應(yīng)理解，術(shù)語“點(diǎn)電極”不必被對(duì)排放離子的任何需要所限制。該術(shù)語用于表達(dá)這樣的意思，即，反電極與所述二維表面電極相比提供一低表面區(qū)域。該點(diǎn)電極可以例如包括導(dǎo)線或非錐形桿或柱體。然而優(yōu)選地，該點(diǎn)電極包括一銷。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，該點(diǎn)電極與管道同軸安裝。然而，其中電極的縱向軸線偏離管道的轉(zhuǎn)動(dòng)縱向軸線的其它結(jié)構(gòu)也是可以的。
應(yīng)理解，在靜電場(chǎng)中顆粒的充電和作用在充電顆粒上的力由多個(gè)變量確定，包括施加到電極上的電壓和空氣流速。選擇這些參數(shù)以使得在顆粒上產(chǎn)生的電荷最大化。
優(yōu)選地，將顆粒充電達(dá)到它們的帕洛娃極值(pavlova limit)。更優(yōu)選地，空氣流中基本不產(chǎn)生湍流，且將作用在跨越靜電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的顆粒上的牽制效應(yīng)最小化。因此顯而易見的是，這些參數(shù)的正確選擇能夠使得作用在充電顆粒上的力克服牽制效應(yīng)，并使得顆粒朝向點(diǎn)電極偏轉(zhuǎn)。
本發(fā)明設(shè)置為使得顆粒大多沉積在反電極上。顯而易見的是，接地反電極通過消除存儲(chǔ)電荷而提供了明顯的優(yōu)點(diǎn)，即，顆粒能夠通過簡(jiǎn)單的收集裝置而容易地從電極表面收集。
盡管顆?？梢酝ㄟ^任何適宜的裝置來收集，但在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，該反電極包括用于將液體分配到電極表面上的裝置。優(yōu)選地，該分配裝置包括內(nèi)部通道，其使得顆粒在重力作用下通過電極外部表面上液體的流動(dòng)被收集。沉積的顆粒優(yōu)選地以一定時(shí)間間隔被收集。
本發(fā)明提供了一種靜電沉淀器，其中靜電和離子場(chǎng)不僅導(dǎo)致了更均勻的顆粒充電，還使得充電的顆粒朝向反電極集中。
使得反電極接地的特征不僅便于收集沉積在點(diǎn)電極上的顆粒，還能夠通過簡(jiǎn)單的微安計(jì)來監(jiān)測(cè)二維電極。另外，需要僅是單極的高壓電源。
本發(fā)明提供了一種改進(jìn)的靜電沉淀器，其中可以從大體減小的表面區(qū)域的電極來收集顆粒?；旧纤蓄w粒的均勻充電使得它們從反電極收集到很小的液體體積，從而使得在空氣環(huán)境內(nèi)進(jìn)行顆粒的快速取樣和分析。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以分析空氣的高輸入而不必快速加速，從而使用的操作功率較低。另外，該沉淀器可以是便攜的。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，該沉淀器還可以包括用于產(chǎn)生靜電場(chǎng)的第二裝置。在這些實(shí)施例中，該第二靜電場(chǎng)是設(shè)在第一個(gè)場(chǎng)下游的集中場(chǎng)。
在一個(gè)實(shí)施例中，該第二產(chǎn)生裝置包括一單點(diǎn)電極，其與管道同軸安裝在第一點(diǎn)電極的下游的位置處。優(yōu)選地，該第二點(diǎn)電極也是接地電極。
在另一個(gè)實(shí)施例中，該第二產(chǎn)生裝置還包括合適極性的電極，以使得充電的顆粒向第二點(diǎn)電極偏轉(zhuǎn)。該電極可以是多個(gè)單極電極。然而，優(yōu)選地，該第二產(chǎn)生裝置包括與管道同軸安裝的環(huán)形電極。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，該第二產(chǎn)生裝置包括多個(gè)單極環(huán)形電極，各環(huán)形電極都與管道同軸安裝。優(yōu)選地，使用兩個(gè)環(huán)形電極。更優(yōu)選地，該環(huán)形電極具有不同的截面區(qū)域，使最小的環(huán)設(shè)置成離第一點(diǎn)電極最遠(yuǎn)。
沉積在第二點(diǎn)電極上的顆?？梢杂扇魏芜m宜的裝置收集，且尤其由前述用于反電極的裝置收集。


以下參考多個(gè)實(shí)施例和附圖來描述本發(fā)明，其中圖1示意地顯示了在點(diǎn)電極和平面反電極之間的靜電場(chǎng)；圖2a和2b顯示了包括點(diǎn)電極和柱形反電極的現(xiàn)有技術(shù)沉淀器的沉淀器俯視圖，顯示了形成的場(chǎng)線和等勢(shì)線；圖3a和3b顯示了本發(fā)明沉淀器的優(yōu)選實(shí)施例的俯視圖，顯示了形成的場(chǎng)線和等勢(shì)線；圖4是圖3的實(shí)施例的截面圖；圖5是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的截面圖；以及圖6是本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參見圖1，在施加了高電壓的點(diǎn)電極11和平面電極12之間產(chǎn)生的靜電場(chǎng)具有場(chǎng)線13(虛線)，該場(chǎng)線從點(diǎn)電極11向外發(fā)散。電勢(shì)梯度使得在場(chǎng)中充電的離子和顆粒15沿著電場(chǎng)線13向著平面電極12輸送，該電勢(shì)梯度由從點(diǎn)電極11的等勢(shì)線14(全部)的前進(jìn)(progress)來表示。
圖2a和2b顯示了當(dāng)平面電極12構(gòu)成為柱形電極且點(diǎn)電極11與之同軸安裝時(shí)產(chǎn)生的電場(chǎng)線13和等勢(shì)線14。該形成了多個(gè)現(xiàn)有技術(shù)沉淀器基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了其中電場(chǎng)線從點(diǎn)電極11徑向發(fā)散的靜電場(chǎng)。該靜電場(chǎng)與電勢(shì)梯度相關(guān)，其使得在電場(chǎng)中充電的離子和顆粒15向環(huán)形電極輸送。
現(xiàn)在參見圖4，總體由附圖標(biāo)記16表示的根據(jù)本發(fā)明的靜電沉淀器包括中空管17，該中空管具有內(nèi)表面18，該內(nèi)表面上設(shè)有等離子充電器電極19。該等離子充電器19包括絕緣材料片20，其夾在兩塊金屬板21之間，在這兩塊金屬板之間施加很大的交流電勢(shì)差。(所示出的)一塊板21被齒形化，以提供與絕緣材料20的接觸邊緣，使得在管17的大表面區(qū)域上產(chǎn)生離子。
管17的一部分限定了用于與輪元件23的輻條22摩擦接合的孔。該輪元件23設(shè)置了用于與絕緣桿元件24摩擦接合的中心孔。柱形桿元件24的一部分由金屬層25覆蓋并作為接地反電極。該桿元件24設(shè)置成使得反電極25定位在管17中與等離子電極19相對(duì)的點(diǎn)處。鼓風(fēng)機(jī)26與管17同軸安裝并位于桿元件24的下方。
圖3a和3b顯示了電勢(shì)差施加到等離子電極后產(chǎn)生的電場(chǎng)線13和等勢(shì)線14。如圖中所示，靜電場(chǎng)受到反電極25大小的限制并與指向反電極25的勢(shì)阱相關(guān)聯(lián)。
在使用中，包含未充電顆粒15的空氣通過鼓風(fēng)機(jī)26被吸進(jìn)管17中，該空氣在管17中運(yùn)動(dòng)穿過輪元件23以進(jìn)入在等離子電極19和反電極25之間的靜電場(chǎng)中。選擇施加到等離子電極的空氣流和電勢(shì)差，從而使得進(jìn)入該場(chǎng)的顆粒15被快速充電至它們的最大極限，使得作用在它們之上的力克服空氣流產(chǎn)生的牽制效應(yīng)。充電的顆粒15被偏轉(zhuǎn)到反電極25并在那里聚集。
現(xiàn)在參見圖5，本發(fā)明的第二實(shí)施例包括優(yōu)選實(shí)施例的特征，除了桿元件24在管17中更大程度地延伸。柱形桿元件24的第二部分由金屬層27覆蓋。金屬層27接地并作為第二反電極。在該實(shí)施例中，在等離子電極19和第二反電極27之間存在第二靜電場(chǎng)。在使用中，增強(qiáng)空氣流，從而使充電的顆粒15由第二靜電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)并沉積在第二反電極27處。
應(yīng)理解，第二反電極27的精確定位在某些情況且在某種程度上取決于各靜電場(chǎng)的強(qiáng)度和空氣流速。
現(xiàn)在參見圖6，本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例也包括第二實(shí)施例的特征。但是，集中場(chǎng)此時(shí)由包括第二反電極27和多個(gè)環(huán)形電極28的結(jié)構(gòu)來提供。該結(jié)構(gòu)是與適合于在真空中集中電子的已知靜電透鏡類似的類型。然而，設(shè)置有多個(gè)環(huán)形電極28的結(jié)構(gòu)并不會(huì)比包括兩個(gè)環(huán)形電極28的結(jié)構(gòu)更有效地集中非常大量的顆粒。因此，該實(shí)施例提供了兩個(gè)不同大小的環(huán)形電極28，它們與管17一起朝向第二反電極27同軸安裝。較小的環(huán)形電極28安裝得最靠近反電極27，從而對(duì)于存在于第一靜電場(chǎng)中的充電顆粒15提供了集中場(chǎng)。該環(huán)形電極28被充電為與充電顆粒15相同的極性，從而使得存在于第一靜電場(chǎng)并進(jìn)入第二靜電場(chǎng)的顆粒沉積在第二反電極27上。
第二反電極27和環(huán)形電極28的精確定位在某些情況下和在某種程度上取決于各靜電場(chǎng)的強(qiáng)度和空氣流速。
已經(jīng)結(jié)合多個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)施例描述了本發(fā)明，并且顯而易見的是，本領(lǐng)域中可預(yù)見的變型包括在本發(fā)明范圍內(nèi)。特別地，集中場(chǎng)可由柱形電極和點(diǎn)電極結(jié)構(gòu)形成。另外，該沉淀器也可以包括用于控制其操作的控制電路。也可以設(shè)置微處理器，從而通過測(cè)定由在反電極處獲得的電流而在特定空氣流處得到的顆粒數(shù)量來計(jì)算在環(huán)境中顆粒的濃度。
權(quán)利要求
1.一種靜電沉淀器，包括用于使空氣流中的顆粒流動(dòng)的管道、產(chǎn)生大體垂直于該空氣流的靜電場(chǎng)的裝置、以及能夠?qū)λ鲱w粒充電的離子供應(yīng)源，其中該產(chǎn)生裝置包括點(diǎn)電極和二維平面電極，其特征在于，該平面電極包括一離子源，且該點(diǎn)電極包括一反電極且該反電極接地。
2.如權(quán)利要求1所述的沉淀器，其特征在于，所述管道包括中空柱體，且所述二維平面電極適于覆蓋其內(nèi)表面的至少一部分。
3.如權(quán)利要求1所述的沉淀器，其特征在于，所述管道是中空平行管，且所述二維平面電極適于作為在該管道的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)表面上的多個(gè)單極電極。
4.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的沉淀器，其特征在于，所述反電極與所述管道同軸安裝。
5.如權(quán)利要求5所述的沉淀器，其特征在于，所述反電極包括導(dǎo)線、銷或桿。
6.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的沉淀器，其特征在于，所述二維平面電極包括等離子充電器。
7.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的沉淀器，其特征在于，所述空氣流基本不會(huì)產(chǎn)生湍流。
8.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的沉淀器，其特征在于，還包括產(chǎn)生靜電場(chǎng)的第二裝置。
9.如權(quán)利要求8所述的沉淀器，其特征在于，所述第二產(chǎn)生裝置包括與所述管道同軸安裝的第二點(diǎn)電極。
10.如權(quán)利要求9所述的沉淀器，其特征在于，所述第二產(chǎn)生裝置還包括環(huán)形電極或多個(gè)單極環(huán)形電極。
11.如權(quán)利要求10所述的沉淀器，其特征在于，所述第二點(diǎn)電極是接地電極。
12.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的沉淀器，其特征在于，還包括用于將液體分配到一個(gè)或另一個(gè)或兩個(gè)點(diǎn)電極上的裝置。
13.如權(quán)利要求12所述的沉淀器，其特征在于，所述一個(gè)或另一個(gè)或兩個(gè)電極包括液體分配通道。
14.一種大體參照并示于附圖中的如前所述的沉淀器。
全文摘要
公開了一種靜電沉淀器。該沉淀器包括用于使空氣流中的顆粒流動(dòng)的管道、產(chǎn)生大體垂直于該空氣流的靜電場(chǎng)的裝置、以及能夠?qū)λ鲱w粒充電的離子供應(yīng)源，其中該產(chǎn)生裝置包括點(diǎn)電極和二維平面電極，其特征在于，該平面電極包括一離子源，該點(diǎn)電極包括一反電極且該反電極接地。
文檔編號(hào)B03C3/45GK1711139SQ200380103044
公開日2005年12月21日 申請(qǐng)日期2003年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月11日
發(fā)明者詹姆斯·麥克唐納·克拉克, 蒂莫西·格雷厄姆·福特, 莫里斯·達(dá)韋萊爾·沃克, 斯蒂芬·雷·普雷斯頓 申請(qǐng)人:英國國防部