一种能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极的制作方法

1.本实用新型属于静电消除领域，尤其涉及一种用于主动式静电消除的离子风机型消电装置。


背景技术：

2.离子风机已广泛应用于电子、光电行业的生产组装现场，对产品的静电安全防护起到了至关重要的作用。
3.其中一典型的离子风机放电结构如图1所示，其中，在离子风机输出气流的风道1中，设置有数个高压电极针2，在离子风机输出气流的风道前端(图中为风道的出口端1-2)，设置有接地金属网罩电极3，离子风机输出气流的方向a(亦称出风方向)为从高压电极针的后方朝向接地金属网罩电极的方向(图中为从上到下的方向，即从风道的进口端1-1朝向风道的出口端1-2)。
4.随着离子风机的长时间使用，高压电极针(亦称放电极)与接地金属网罩电极逐渐吸附越来越多的微粒污染物。吸附在高压电极针上的微粒污染物，会在高压电极表面形成大量不规则的微观凸起或尖端，进而影响高压电极针尖端结构的正常放电，造成放电稳定性的下降；并且微粒污染物吸附在电极尖端部位，会造成放电针释放正、负离子的数量逐渐减少，消电性能下降，严重时甚至造成电极针电晕闭塞无法产生放电，进而丧失消电能力；同时，微粒污染物的吸附，也改变了金属网罩对正、负离子的接收电阻，干扰了金属网罩电极对放电电路的监控反馈功能。
5.授权公告日为2019.12.10，授权公告号为cn 209767895 u的实用新型专利中，公开了一种含有定位式清洁刷的离子风机放电装置，包括结构支架和电极针，在结构支架上设置电极针；电极针的尾部固定在结构支架上；电极针头部针尖的朝向，与离子风机的出风方向同向设置；电极针以结构支架的中心位置为圆心环形均布在离子风机出风侧的结构支架上；在离子风机出风侧结构支架的中心位置设置一圆形凹槽，圆形凹槽中设置第二马达，在第二马达的旋转轴上设置有毛刷组件；毛刷组件包括与第二马达旋转轴联接的毛刷柄和设置在毛刷柄上的毛刷头。通过上述结构，实现对电极针的定时自动清扫功能，以确保离子风机电极针的放电能力稳定，提高离子风机的有效工作时间，延长使用寿命。
6.但是该技术方案需要在离子风机的出风口设置额外的清洁装置(第二马达及其旋转轴上设置的毛刷组件)，增加了离子风机产品结构的复杂性和零部件数量，不利于离子风机结构的简化和现场维护。
7.此外，为了减少现有离子风机为应对使用环境中的微粒污染物的吸附，亦有在风机进风口处设置一过滤网棉，借助过滤网棉来阻挡一部分微粒污染物的做法。然而如此做法，不可避免的会造成离子风机输送正、负离子的风速变小，消电速度变慢，明显的影响到了消电性能。其具体原因如下：
8.1)由于在风机进风口处设置了过滤网棉，致使风阻增大，输出风速下降，气流携带离子运动的速度变慢，导致消电时间变长；
9.2)由于风阻增大，使风扇功率损耗变大，使用离子风机的能源成本(运行成本)上升。
10.如何能够在维持原有的风阻、风速、气流携带离子运动的速度、消电速度以及消电性能基本不变的情况下，减少使用环境中的微粒污染物的吸附/附着，是实际工作中急需解决的实际技术问题。


技术实现要素：

11.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极。其通过在原有高压电极针的周围，设置环状的辅助电极，并对其施加与对应高压电极针相同极性和幅值的电压，使得高压电极针被辅助电极所包围的空间内，其空间电场强度为零，使微粒无法被荷电，或使已荷电微粒或带电微粒在此空间内无电场力作用，使其在气流场曳力作用下快速离开高压电极针所在区域，减少了使用环境中的微粒污染物的吸附/附着，在不增加离子风机现场维护工作量的前提下，尽可能地简化了离子风机的结构，维持原有的消电速度以及消电性能，减少了离子风机电极针及金属网罩电极微粒污染物的吸附，以延长离子风机保持较高消电性能的时间，延长离子风机的有效工作寿命。
12.本实用新型的技术方案是：提供一种能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极，包括高压电极针，其特征是：
13.在每根高压电极针的周围，分别对应设置一个辅助电极；
14.所述的辅助电极为环状结构，套装在高压电极针的周围；
15.每个辅助电极，与所围高压电极针所连接的电源电连接；
16.所述每个辅助电极的电压，与所围高压电极针所承受的电压同极性、同电压幅值。
17.具体的，所述辅助电极的外表面为圆柱形，内表面为喇叭形状。
18.进一步的，所述辅助电极的喇叭开口端，朝向离子风机输出气流的来流方向。
19.具体的，所述高压电极针的椎体部位凸出于与其对应设置的辅助电极，伸出于辅助电极外部；
20.高压电极针的椎体部位，整体朝向离子风机的气流输出方向。
21.具体的，所述辅助电极的中心轴线，与其对应所围高压电极针的中心轴线重合。
22.进一步的，所述高压电极针椎体部位尖端处的电场强度，与未设置辅助电极时原有高压幅值下高压电极针尖端处产生的电场强度相一致。
23.进一步的，多个所述的高压电极针及其各自对应设置的辅助电极，与接地金属网罩电极一起，共同构成了一个空间放电结构。
24.与现有技术比较，本实用新型的优点是：
25.1.采用本技术方案，因无需设置进风口过滤棉即可实现降低放电极(针)和金属网罩电极微粒污染物的吸附，故风阻不会发生明显变化，离子气流速度几乎不会受到影响，消电性能不会降低；
26.2.采用本技术方案，因同极性同电压幅值的辅助电极的设置，在高压电极针椎体的后方，辅助电极内部空间的电场强度极低(甚至为零)；既使微粒污染物被荷电，亦无法受到电场力的作用，使其吸附到电极针上；因此大部分微粒污染物在气流场曳力作用下向前流出；
27.3.通过设置环状的辅助电极，减少了离子风机使用过程中的微粒污染物的吸附/附着，在不增加离子风机现场维护工作量的前提下，尽可能地简化了离子风机的结构，维持了原有的消电速度以及消电性能，减少了离子风机电极针及金属网罩电极上微粒污染物的吸附，以延长离子风机保持较高消电性能的时间，延长了离子风机的有效工作寿命。
附图说明
28.图1为现有离子风机的典型放电结构示意图；
29.图2-1为高压电极针及其辅助电极的立体结构示意图；
30.图2-2为高压电极针及其辅助电极的侧视剖面结构示意图；
31.图2-3为高压电极针及其辅助电极的仰视结构示意图；
32.图3为本技术方案放电结构的整体结构示意图；
33.图4为图3的局部剖分结构示意图；
34.图5-1为本技术方案放电结构下的微粒吸附状态示意图；
35.图5-2为图5-1结构的俯视方向上微粒吸附状态示意图；
36.图5-3为图5-1结构的侧视方向上微粒吸附状态示意图；
37.图5-4为图5-1结构从中轴线向圆周方向视角的微粒吸附状态示意图；
38.图6-1为图5-1放电结构下电极针的微粒吸附状态示意图；
39.图6-2为图5-3视角下电极针的微粒吸附状态示意图；
40.图6-3为图5-4视角下电极针的微粒吸附状态示意图；
41.图7为本实用新型技术方案放电结构下的微粒吸附率曲线示意图；
42.图8-1为现有技术方案放电结构下的微粒吸附状态示意图；
43.图8-2为图8-1放电结构在俯视方向上微粒吸附状态示意图；
44.图8-3为图8-1放电结构在侧视方向上的微粒吸附状态示意图；
45.图8-4为图8-1放电结构从中轴线向圆周方向视角的微粒吸附状态示意图；
46.图9为图8-1放电结构的微粒吸附率曲线示意图。
47.图中1为风道，1-1为风道的进口端，1-2为风道的出口端，2为高压电极针，2-1为高压电极针前端的椎体，2-2为高压电极针的后端，3为接地金属网罩电极，4为辅助电极，4-1为辅助电极的喇叭开口端，4-2为辅助电极的前端，5为微粒污染物。
48.a为离子风机输出气流的方向。
具体实施方式
49.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明。
50.1、见图2-1所示，本技术方案在每根高压电极针2的周围，分别对应设置一个环状的辅助电极4，使每一高压电极针均被其包围；
51.该辅助电极施加的电压幅值，与所围的高压电极针为同一极性的电压幅值。
52.上述设置的目的，是使高压电极针被辅助电极所包围的空间，其空间电场强度为零，使微粒无法被荷电，或使已荷电微粒或带电微粒在此空间内无电场力作用，在流场曳力作用下快速离开高压电极针所在区域。
53.2、见图2-2所示，高压电极针的椎体部位(图中以2-1来标注高压电极针前端的椎
体)，凸出于与其对应设置的辅助电极，其椎体部位整体位于离子风机输出气流来流方向的前方，伸出于辅助电极外部。
54.如此设置的目的是，使辅助电极对高压电极针电离能力的影响得到有效的降低，不会使其放电性能下降的过于明显，同时也降低对高压电路输出电压幅值的过高要求和绝缘要求。
55.3、见图2-2中所示，该辅助电极4的外表面为圆柱形，内表面为喇叭形状，辅助电极的喇叭开口端4-1(亦可称为辅助电极的后端)朝向离子风机输出气流的来流方向，用于加速来流气体，使气流中的悬浮微粒快速通过高压电极针所在区域；
56.进一步的，辅助电极的前端4-2，为一光滑的曲面，优选圆弧状的曲面，以减少不规则外形对离子风机输出气流的扰动，同时亦可减少对高压电极针椎体部位放电效果的影响。
57.4、见图2-3所示，该辅助电极的中心轴线与其对应的高压电极针的中心轴线重合。
58.5、在设置上述辅助电极后，为不影响未设置辅助电极时的原有高压幅值下高压电极针的电离能力，须同时将施加在高压电极针及其对应设置的辅助电极上的电压幅值适当提高，以使高压电极针椎体部位2-1尖端处的电场强度，与未设置辅助电极时原有高压幅值下高压电极针尖端处产生的电场强度相一致。
59.6、由此，如图3所示，多个高压电极针及其各自对应设置的辅助电极，和位于高压电极针前方的接地金属网罩电极，共同构成了一个空间放电结构。
60.7、为验证辅助电极对减少微粒吸附的效果，特对本技术方案所述的放电结构/装置做了仿真试验：
61.1)在仿真软件中，构建本技术方案的上述放电结构，如图3所示；因放电结构和物理场同时满足对称性，为简化仿真模型，提高计算效率，对图3的结构进行对称剖分，形成图4所示的计算结构空间。
62.2)对图4所示的仿真空间，应用以下静电场物理模型：
[0063][0064]
d＝ε0ε
re[0065][0066]
其中，e为电场强度(v/m)，v为电极所施加的电压(v)，d为电位移(c/m2)，ε0＝8.854187817
×
10-12
f/m为真空介电常数，εr为物质相对介电常数。
[0067]
以及以下层流场物理模型：
[0068]
——动量连续性方程；
[0069]
——质量连续性方程；
[0070]
——粘性力张量；
[0071]
其中，ρ为流体密度，kg/m3；u为流体速度，m/s；p为气体压力，pa；i为单位矩阵；μ为流体动力黏度，pa
·
s。
[0072]
3)将以上2个物理场作为背景物理场，设置好高压电极针电压、辅助电极电压、入口风速等物理边界条件：
[0073]
如，正、负高压电极针及其对应设置的正、负辅助电极分别施加+6500v、-6500v电
压，入口风速设置为1m/s；执行仿真运算即可得到背景物理场的参数分布；其中，得到高压电极针尖端处的场强约为3.7093
×
107v/m。
[0074]
4)以上述背景物理场的参数分布为基础，应用如下微粒饱和荷电及受力模型：
[0075]
使用环境中的微粒污染物在进入离子风机的电流体场中后，会被正、负离子荷电，带上静电荷，成为荷电微粒；其主要会受到2种力的作用，一个是电场力：
[0076]
fe＝eze
[0077]
其中：e＝1.602176634
×
10-19
c为元电荷；z为电荷数；e为电场强度，v/m。
[0078]
一个是流场曳力，本方案中采用标准阻力相关模型来模拟流场中微粒受到的曳力：
[0079][0080][0081]cd
＝f(rer)
[0082][0083][0084][0085][0086]
其中：τ
p
为微粒速度响应时间，s；ρd为微粒密度，kg/m3；d
p
为微粒直径,m；μ为流体动力黏度，pa
·
s；cd为阻力系数,是流场中微粒相对雷诺数的函数，根据气固两相电流体场中气体密度、黏度、速度，及微粒直径、速度，实时、动态、分段确定表达式；rer为流场中微粒的相对雷诺数；ρ为流体密度，kg/m3；u为粒子所在位置的流体速度，m/s；v为微粒速度，m/s；s为阻力修正因子；kn为克努森数；c1，c2，c3为经验系数；λ为周围流体中分子的平均自由程，m；p为气体压力，pa。
[0087]
为更加突出、明显、快速的展示辅助电极的效果，也为简化仿真模型，因此对微粒荷电直接采用了饱和荷电模型：
[0088][0089]
其中：zs为微粒饱和荷电荷电数，ε
rp
为微粒介电常数，ε0＝8.854187817
×
10-12
f/m为真空介电常数。
[0090]
综上所述，荷电微粒在离子风机电流体场中的受力方程为：
[0091]
[0092][0093]
其中：m
p
为微粒质量，kg；q为微粒空间位置向量。
[0094]
5)针对上述微粒饱和荷电及受力模型，设置微粒质量密度、直径和微粒相对介电常数及微粒入口数量及分布等边界条件：
[0095]
如，设置微粒质量密度ρd＝2329[kg/m3]；微粒直径可设置成大气环境中常见的、较易荷电的10μm直径微粒(为简化模型，假定微粒为球形)；微粒相对介电常数ε
rp
＝11.7；微粒从进风口同时均匀随气流输入，带正、负电荷的微粒各1000个；执行仿真运算，最终得到微粒的状态分布。
[0096]
8、本技术方案仿真试验结果参见图5-1至图5-4所示，为设置辅助电极后的放电结构下微粒污染物5(简称微粒)的吸附状态，从图中可看出有大量微粒吸附在了辅助电极4的表面。结合图6-1至图6-3所示，高压电极针及金属网罩电极上吸附的微粒污染物较少。从图7可知道在设置辅助电极后，随着气流的运动，2s后电极针及金属网罩电极上微粒的吸附率分别约为7％和8.3％。
[0097]
9、为了进行对比，特针对未设置辅助电极的现有放电结构，也进行了仿真试验，将其应用相同的背景物理场模型，其正、负高压电极针设置的施加电压分别为+5600v和-5600v，得到其针尖电场强度为3.6956
×
107v/m，与设置辅助电极后的电极针尖端处的电场强度基本一致，以消除对电极针电离能力的影响；而其他设置条件，两个技术方案(即现有及改进后的技术方案)一致。
[0098]
现有放电结构的试验结果参见图8-1至图8-4所示，为未设置辅助电极的放电结构下的微粒吸附状态。
[0099]
从图8-1至图8-4中可看出，有大量微粒吸附在了高压电极针2的表面，几乎将其覆盖；接地金属网罩电极3上也吸附了更多的微粒污染物。
[0100]
结合图9可知，在未设置辅助电极时，随着气流的运动，2s后高压电极针及接地金属网罩电极罩上微粒吸附率分别为35％和52.7％，比设置有辅助电极的本技术方案放电结构的微粒吸附率高出了许多；由此，证明了本技术方案的技术可行性和实施技术效果。
[0101]
本实用新型的技术方案，通过在原有高压电极针的周围，设置环状的辅助电极，增加了高压电极针周围局部空间内气体流动的速度，有助于微粒污染物在气流场曳力作用下向前流出；通过设置与高压电极针同极性同电压幅值的环状辅助电极，使得在高压电极针椎体的后方，辅助电极内部空间的电场强度极低，甚至为零；即使微粒污染物被荷电，亦没有电场力作用其上，使其被吸附到电极针上，进而使得大部分微粒污染物在气流场曳力作用下向前流出，减少了离子风机的高压电极针及金属网罩电极上微粒污染物的吸附/附着程度，能够延长离子风机保持较高消电性能的时间，延长了离子风机的有效工作寿命。
[0102]
本实用新型可广泛用于离子风机的设计和制造领域。

技术特征：
1.一种能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极，包括高压电极针，其特征是：在每根高压电极针的周围，分别对应设置一个辅助电极；所述的辅助电极为环状结构，套装在高压电极针的周围；每个辅助电极，与所围高压电极针所连接的电源电连接；所述每个辅助电极的电压，与所围高压电极针所承受的电压同极性、同电压幅值。2.按照权利要求1所述的能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极，其特征是所述辅助电极的外表面为圆柱形，内表面为喇叭形状。3.按照权利要求2所述的能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极，其特征是所述辅助电极的喇叭开口端，朝向离子风机输出气流的来流方向。4.按照权利要求1所述能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极，其特征是所述高压电极针的椎体部位凸出于与其对应设置的辅助电极，伸出于辅助电极外部；高压电极针的椎体部位，整体朝向离子风机的气流输出方向。5.按照权利要求1所述的能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极，其特征是所述辅助电极的中心轴线，与其对应所围高压电极针的中心轴线重合。6.按照权利要求1所述的能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极，其特征是所述高压电极针椎体部位尖端处的电场强度，与未设置辅助电极时原有高压幅值下高压电极针尖端处产生的电场强度相一致。7.按照权利要求1所述的能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极，其特征是多个所述的高压电极针及其各自对应设置的辅助电极，与接地金属网罩电极一起，共同构成了一个空间放电结构。

技术总结
一种能够减少微粒污染物吸附的离子风机组合式放电极，属静电消除领域。包括高压电极针，在每根高压电极针的周围，对应设置一个环状结构的辅助电极；每个辅助电极与所围高压电极针所连接的电源电连接；每个辅助电极的电压，与所围高压电极针所承受的电压同极性、同电压幅值。在高压电极针被辅助电极所包围的空间内，其空间电场强度为零，使微粒无法被荷电，或使已荷电微粒或带电微粒在此空间内无电场力作用，使其在气流场曳力作用下快速离开高压电极针所在区域。其减少了离子风机电极针及金属网罩电极上微粒污染物的吸附，维持了原有的消电速度以及消电性能，延长了离子风机的有效工作寿命。工作寿命。工作寿命。


技术研发人员：孙卫星 李鹏
受保护的技术使用者：上海安平静电科技有限公司
技术研发日：2022.11.30
技术公布日：2023/7/19