用於電子空氣淨化器的光學灰塵室傳感器的製作方法

2024-03-11 02:54:15

專利名稱：用於電子空氣淨化器的光學灰塵室傳感器的製作方法
通過流經電子空氣淨化器可從空氣中去除幾乎所有顆粒狀汙染物。電子空氣淨化器具有在進氣口按適當圖形設置的高壓電離網。在電離網之後，平行、間隔地設置一組沉澱器板。相隔的板用中等電壓充電，而在它們之間的板被保持在地電位。風扇使得空氣流通過電離網進入到沉澱器板之間的空間。空氣流中傳播的粒子在經過電離網時從該網獲得電荷。粒子上的電荷使其沉澱或聚積到帶有中等電壓的板上。
用過一段時間後，空中傳播的粒子累積在板和電離網上。這些粒子的累積使得沉澱粒子的效率下降。一般將板與電離網結合在一個單獨的組件中，為進行清洗可將該組件拆下。實際上，設計這種家用的較小裝置中的組件是為了便於在洗碗機中通過洗滌而清洗。
有關電子空氣淨化器的問題之一是確定何時粒子的聚積足夠多以致需要對板進行清洗。由於這些裝置一般安裝在難以接近的爐膛中和空調的壓力通風系統中，且粒子沉積其上的大部分表面被擋住看不見，不容易直觀地確定粒子累積量。因此，提供粒子聚積水平的指示是便利的。現在某些電子空氣淨化器通過檢測電離網上粒子累積增加時電離網電流的減小，來提供組件需要清潔的指示。但是，我們發現電離網電流並不總是粒子累積的精確反映。因此，用不同的原理檢測粒子累積可能是有益的。
我們設計了一種直接測量靜電空氣過濾器中扁平沉澱器板上粒子累積量的裝置。該裝置實質上是用光的方法確定在這種板上沉積粒子層的厚度何時超過預定值。
我們的裝置在至少一塊所述板上有測試區，該測試區允許光從板的第一面到板的第二面穿過所述板。一光源安裝在板的第一面，靠近測試區，與該測試區對準，以使至少一部分來自光源的光穿過測試區達到板的第二面。光傳感器安裝在板的第二面上。光傳感器有一傳感區，根據射在所述傳感區上的光提供一個傳感信號，其大小是射在傳感區上光強的函數。將所述光傳感器安裝在板的第二面上，使其傳感區與測試區對準以便在傳感區上接收穿過測試區的來自光源的光。電平檢測器接收傳感信號並提供狀態信號，該狀態信號具有與高於預定電平的傳感信號電平相應的第一電平，及在其它情況下的第二電平。
在我們的實施例中，發信號裝置提供視覺或聽覺信號，與具有選擇的第一和第二電平之一的狀態信號相應。通常，發信號裝置是一個光源，當狀態信號達到表示穿過測試區的光低於預定電平的電平時，該光源發光。


圖1示出結合的機械透視圖和電路圖，說明本發明的特徵。
圖2示出檢測電子空氣淨化器板上存在的灰塵量的電路。
圖3和圖4示出測試區中孔的其它可能的方案。
首先看圖1，其中示出了傳統靜電空氣過濾器10的部件，其中加進了本發明的改進。由於本發明是對傳統靜電空氣過濾器設計的改進，所以不必顯示這種過濾器各特徵的全部。因此，只示出殼體12的若干相關表面部分，該殼體12構成過濾器10外表面。被部分地示出的加強筋15安裝在殼體12內。只示出幾個代表性板17a-17e的多個扁平、導電的沉澱器板，機械地安裝在加強筋15上。板17c和17e之間的三組點劃線表示省略的板。可能有20到70個單獨的板17a-17e等。在這種過濾器10的典型設計中，加強筋15及板17a-17e等組成一個剛性的、整體的沉澱器或收集器組件11，它能夠被容易地從殼體12上拆下以便進行清洗或維護，然後再裝回到殼體12上。板17a-17e等按彼此間隔、平行的關係設置。板17a-17e等的兩相鄰板之間的間隔一般從3到8mm。
板17a-17e等必須由導電材料，如鋁構成。在這裡的實施例中，板17a，17c和17e通過將它們與加強筋15或過濾器10的任何其它導電部件絕緣的裝置安裝在加強筋15上。該絕緣必須使板17a，17c，17e等能經受它們與過濾器10的任何鄰近的接地導電部件，如殼體12或加強筋15之間至少幾千伏的電壓差。通過連接件40a，40c，40e等及電壓總線41，板17a，17c等有電氣連接。高壓電源36通過總線41，經由連接件40a，40c等給板17a，17c，17e等提供幾千伏的電壓。
板17b，17d等位於板17a，17c等之間，並電氣接地。
對兩板17b和17d的接地通過接地導線40b和40d示出。在一種設計中，加強筋15可以是導電的，同時電氣和機械地連接到板17b，17d等上。在這種情況下，加強筋15可與導電殼體12形成電氣連接，以此作為系統的電氣地。
過濾器10有一進口面，一般在14處示出，其中有空氣流進，如箭頭49所示。一風扇(未示出)位於過濾器10的出口面，一般在16處示出。風扇引起從進口面14處經過板17a-17e之間的空間到出口面16處的空氣流動。過濾器10包括位於過濾器10進口面14附近的一組電離網(也未示出)。用其幅度在電源36提供的電壓數量級上的電壓給電離網供電。
工作時，經過電離網並穿過板17a-17e等之間的空間將空氣吸進。汙染進來的空氣的粒子從電離網接受電荷，並吸附在板17a-17e等上。經過一段時間，這些粒子勢必累積在板17a-17e等上，有必要定期清洗板17a-17e等和電離網，以除去這些吸附的粒子。為此原因我們建議將加強筋15和板17a-17e等設計為可移動單元。如果板17a-17e等不定期清洗，高電壓板17a，17c，17e等與接地板17b，17d等之間的電壓梯度就會下降，造成板17a-17e等上粒子沉澱效率的損失。在極端情況下，粒子的累積可能多到使接地板17b，17d等和高壓板17a，17c等之間發生電弧。儘管這並不是一種危險的情況，但它進一步降低了過濾器10的效率。因此，每當粒子的累積多到足以嚴重影響過濾器10工作的效率時，就需要清洗板17a-17e等。由於這些過濾器可能安裝在不易接觸到的位置，所以提供一個當板17a-17e等髒到需要清洗時在遠距離指示的功能就很必要了。
我們的改進是提供灰塵室的易讀指示和提供選擇在板17a-17e等上存在的灰塵量閾值的非常可靠的裝置。每個單獨的板17a-17e等都有測試區19a，19b等，在每個測試區中都有孔21a，21b等，參考數字中的每個小寫字母表示孔所在的板17a-17e等。由於圖1中所示板17a-17e等的間距是實際間距的近似，板17b-17c等擋住了除孔21a以外的所有孔。所以孔21b，21c等用點畫線表示。每個孔21a，21b等與每個其它孔對準以便允許光束24(且可將其理解為包括其它輻射類型，如紅外輻射)穿過整套板17a-17e等中的所有孔。安裝在殼體12側面上的光源26產生光束24。必須將光源26準直以便讓光束24穿過每個孔21a，21b等。在一個優選實施例中，光束24是由一個紅外發光二極體(IED)提供的。
圖1中的板17a-17e等至少有一個具有測試區19e，其中至少有一個標準尺寸或檢測孔23，該孔具有校準的尺寸。儘管別的形狀的孔可能在灰塵聚積以將其堵塞方面提供好處，我們仍建議用圓形，因為這種形狀容易成形。孔23必須與每個其它孔21a，21b等對準，也與光束24對準。選擇孔23的尺寸使得沉澱下來的空氣粒子填塞其中，且當板17e被一層足夠厚的灰塵粒子覆蓋以至需要清洗板17e時顯著衰減或阻擋光束24。我們建議將孔21a-21d等做得較大，以使對準問題減至最小，並依靠孔23的校準尺寸衰減或阻擋光束24。孔21a-21d等的直徑可以從1到3cm。合適的孔23的直徑可在0.03in.(.075cm)到0.05in.(.125cm)範圍，這取決於涉及的空氣汙染物的類型。下面的假設是阻擋射在孔23上的光的灰塵量代表吸附在所有板17a-17e等上的灰塵量。標準尺寸的孔23的直徑應選擇為使得大約在板17a-17e等表面上灰塵的覆蓋厚到需進行清洗時，穿過過濾器10的空氣流中攜帶的灰塵將孔23堵住。
我們建議將測試區19a-19e等設置在從板17a-17e等的入口到出口邊界之間近似中間的位置。光束24的橫截面應明顯大於孔23，甚至可以比孔21a，21b等大，以使對準問題減至最小。雖然理論上將標準尺寸的孔23設置在板17a-17e等的任何一個中都是可行的，目前我們建議將其放置在板17a-17e等的外側板中，且離光源26最遠，如圖1中所示的板17e。由於把標準尺寸的孔23放在外側板17e中，光束受到最小的灰塵散射，這些灰塵可能部分地將孔23堵住。減小散射的影響使得對穿過孔23的光強的檢測更精確。
我們的設計有若干種變型，在一定場合中可能需要這些變型。且這些變型還可讓我們實踐這一設計思想。例如，儘管孔21a-21d等和23每個都位於板17a-17e等的大約中心位置，但各孔呈槽形或豁口形，並開在板17a-17e等邊緣處也是可能的。儘管孔可位於板17a-17e等邊緣附近，目前我們仍建議將它們設置在如所示的板17a-17e等中心附近。標準尺寸的孔23越靠近中心位置，可能使當板17a-17e等變得髒到要求或需要清洗時，對光束24的阻擋越一致。
在我們的優選實施例中，光源26有一對電引線28和29。引線29接一DC電壓源，如適於驅動光源26的+5V電源50。導線28接電阻53的第一端。電晶體55連接電阻53的另一端和地。在接線端90，正向使能脈衝通過限流電阻82周期性地加到電晶體55的基極上。每次使能脈衝加到接線端90時，電晶體55導通，電流流過光源26，使光束24穿過每個孔21a-21d等射到孔21e。
光檢測器43檢測穿過孔23的光量。將光檢測器43安裝在殼體12的內表面上，使傳感表面45面對標準尺寸的孔23並與之對準。傳感表面45應明顯大於孔23，以便將由未對準而產生的誤差減至最小。(理論上，如果孔23適當地大，當傳感表面45明顯小於孔23時，將非對準誤差減至最小也是可能的。然而由於孔23的優選尺寸已經非常小了，使用其傳感表面45明顯大於孔23的傳感器更為可行)。檢測器43優選類型的導電性取決於從光源26射到傳感表面45上的光的水平。當孔23被從流過過濾器10的空氣流沉澱下來的灰塵充滿時，較少來自光源26的光能夠射到傳感表面45上，從而導電性下降。圖2上所示通過引線46連接到檢測器43上的電路可檢測這種導電性的任何變化。
在過濾器10的使用過程中，隨著板17e逐漸變髒，由於從通過的空氣中沉積下來的灰塵粒子的聚積，孔23被慢慢堵住。如果此過程持續足夠的時間，孔23將變得幾乎完全不能透過光源26發出的光。
由於孔23中的灰塵粒子造成的檢測器43的導電性相對於光束24自由通過時的導電性的變化，可提供板17a-17e等上灰塵量的有用指示。圖2的電路可檢測檢測器43的導電性，並提供導電性的視覺或其它指示。這一指示告知負責過濾器10維護的人員整套板17a-17e等粘汙水平的情況，因為板17e的狀態可以代表每個其它板17a-17d等。
圖2的電路測量檢測器43的導電性，從而確定板17a-17e等上聚積的灰塵水平。在這一電路中，運算放大器65將檢測器43提供的信號轉換成邏輯電平值。檢測器43可以是通常可得到的光電二極體，當來自光源26的光或紅外輻射照到其傳感表面43時，光電二極體阻抗下降。運算放大器65可為324型元件，可從多種商業貨源中獲得。象放大器65這樣的運算放大器具有極高的輸入阻抗和極高的電壓增益。為說明這一電路的工作情況，將接近0V的邏輯電平電壓設為邏輯0，高於3V邏輯電平電壓設為邏輯1。每個邏輯電平值電壓水平的選擇完全取決於設計者，且根據所選擇的邏輯電路可有若干不同的方案。
在圖2的電路中檢測器43的負極通過引線46的一端連接到電源端50，而檢測器43的正極通過引線46的另一端連接到運算放大器65的+信號端68。下拉電阻75連接在+信號端和地之間。電容76與電阻75並聯，以便將高頻成分從接線端68的信號中濾除。其阻值明顯大於電阻75的電阻72連接在運算放大器65的輸出端92和+信號端68之間，以增強滯後作用從而提高電路工作的穩定性。分壓器包括電阻60和61，連接在電源端50和地之間，並給運算放大器65的-信號端69提供一個固定的閾值電壓。
放大器65大大地將+接線端68處的信號電壓與-接線端69處的閾值電壓之間正電壓差值放大，並在輸出端92提供該放大了的電壓。如果+接線端68的電壓還略正於-接線端69的電壓，則輸出端92的電壓保持為近似5V電源電壓，它對應於邏輯1值。如果+接線端68的電壓還略負於-接線端69的電壓，輸出端92的電壓保持為近似0V，此電壓對應於邏輯0值。
脈衝發生器85產生一個使能信號，該信號包括87處所示線路90上的邏輯1(+3V)使能脈衝序列。使用商用型定時器，如那些命名為555的定時器以提供脈衝發生器85的定時器功能是很方便的。在一個實施例中，這些使能脈衝可有10ms脈寬，以1sec.間隔發生。圖2的電路設計為只在每個使能脈衝期間測試對光束24的阻擋情況。對可能阻擋光束24的孔23的堵塞情況僅以較長的時間間隔進行簡潔的測試，避免了IED 26的連續工作和可能出現的錯誤。由於一般板17a-17e等上聚積足夠多的灰塵以至需要清洗至少要幾個星期，因而對孔23阻塞情況的測試一天最多幾次就足夠了。但是，象555型這種定時器只有當使用非常不方便的大電容時，才能提供如此長的定時間隔。以1秒的間隔測試允許使用適當大小的電容，而且沒有什麼危害。將來自發生器85的使能脈衝在線路90上加到AND門80和81的同向輸入端，並通過電阻82加到圖1中電晶體55的基極上。如果選擇除上述以外的其它邏輯0和邏輯1電壓水平用於使能信號87，且這種選擇不能使電晶體55正常導通或截止，那麼需按照熟知的電路設計原則選擇另一種電路用於電晶體55和電阻53和82。
放大器65的輸出端92連接到AND(與)門80的另一同向輸入端和AND門81的反向輸入端。AND門80和81的輸出分別加在觸發器95的置位(S)端和復位(R)端。這一邏輯電路使觸發器95記錄運算放大器65提供的最近一次邏輯電平值的反向值，將其作為Q-非輸出端98提供的當前邏輯值。即，每次提供使能脈衝時，如果在輸出端92上出現的是邏輯1信號，邏輯0和1信號分別加到觸發器95的輸入端R和S上，則Q-非輸出端98提供一個邏輯0信號電平。如果在輸出端92上出現的是邏輯0信號，那麼觸發器95的R和S輸入端分別接收邏輯1和0信號，且Q-非輸出為邏輯1。觸發器95的Q-非輸出端98控制灰塵室指示器裝置101提供的視覺指示。裝置101可能只是一個LED(發光二極體)，它可以直接由一個代表邏輯1的+4V邏輯電平電壓驅動。如此可以看出，當電子空氣過濾器10的板17a-17e等上聚積的灰塵量大到應對組件進行清洗時，提供一個視覺指示是可能的。
圖3示出一種變型，其中測試區19e具有多個大小相近的圓形標準尺寸的孔120。檢測器43隻在孔120大量區域被堵塞後，指示光損失。在一種變型中，傳感區必須足夠大，以接收來自每個孔120的光。在另一種變型中，可以有足夠多的孔120，以允許以點劃輪廓線122示出的傳感區接收來自一些，而不是全部孔的光。光量的變化並不是關鍵的，且當輪廓線122內的所有孔都幾乎被充滿時，通過圖2所示電路將可檢測到這種情況。這種方案可適應板17e與檢測器43之間未對準的情況，而不會給出板狀態的錯誤指示。
圖4示出進一步的變型，其中板17e在測試區19e內有多個至少兩種直徑不同的圓孔113和114。這種變型提供的一種可能性是對於所有較小的孔113被大約同時堵住以至阻擋光的情況，此種情況我們認為隨著時間的推移及板17d上更多的灰塵聚積，將導致穿過測試區19d的光量較為急劇的變化。在這種設計中，可使用如圖2所示的第二個檢測器電路，此時分壓器電路改變了提供給放大器65的閾值電壓。在該電路中，應將檢測器43選擇為在某一入射光強範圍上有線性響應。這允許當板的粒子聚積達到某一中等水平，如75％的聚積灰塵量，使得工作效率明顯下降時，提供第一個指示。當大孔114幾乎被堵住時，第二個電路可檢測這種情況，這意味著板17a-17e等已喪失其大部分從通過其中的空氣中除去灰塵的能力。
權利要求
1.在一種靜電空氣過濾器中多個大體扁平的帶電板，板之間可通過具有帶電粒子的空氣，從而使所述粒子自己沉積到所述板上，一種確定何時在所述板上沉積了預定量的所述粒子的改進，包括a)在至少所述板之一上，允許光從板的第一面穿過所述板到達板的第二面的測試區；b)安裝在板的第一面上，且與測試區對準的光源，以使至少一部分來自光源的光照射到測試區上；c)具有傳感表面，並根據射到所述傳感表面的光提供傳感信號的光傳感器，該傳感信號的大小是射到傳感表面上光強的函數，所述光傳感器安裝在板的第二面上，使其傳感表面與測試區對準，以便在其傳感區上接收光源發出的射向測試區的光；以及d)接收傳感信號並提供狀態信號的電平檢測器，該狀態信號具有與超過預定電平的傳感信號電平相應的第一電平，及在其它情況下的第二電平。
2.權利要求1的改進，其中多個板的每一個都有一測試區，每個板的測試區與每個其它板的測試區對準，其中光源的安裝使光能穿過每個測試區，且光傳感器的安裝使在其傳感區上能接收光源發出的穿過每個板測試區的光。
3.權利要求2的改進，其中每個測試區包括其所在板中的一個區域，該區域為一個孔。
4.權利要求3的改進，其中在預選的一個測試區中的孔明顯小於每個其它測試區中的孔。
5.權利要求4的改進，其中傳感器的傳感表面明顯大於預選的一個測試區中的孔。
6.權利要求5的改進，其中預選的那個測試區在外側板上。
7.權利要求6的改進，其中多個板有第一和第二外側板，其中預選的一個測試區在第一外側板上，光源安裝在第二外側板的外表面附近。
8.權利要求7的改進，其中每個測試區位於其所在板中央。
9.權利要求4的改進，其中每個測試區位於其所在板中央。
10.權利要求9的改進，其中光源包括根據使能信號的預定電平控制光源電源的開關電路，且其中電平檢測器包括根據使能信號的預定電平控制當前傳感信號電平到存儲單元的門電路，及提供具有周期性間隔的使能信號並從中獲得預定電平的裝置。
11.權利要求4的改進，其中測試區包括多個孔。
12.權利要求11的改進，其中測試區包括至少兩個具有基本相同直徑的圓孔。
13.權利要求1的改進，其中光源包括根據使能信號的預定電平控制光源電源的開關電路，且其中電平檢測器包括根據使能信號的預定電平控制當前傳感信號電平到存儲單元的門電路，及提供具有周期性間隔的使能信號並在其間獲得預定電平的裝置。
全文摘要
一種靜電空氣淨化器,至少在其板之一中具有一個孔,帶有帶電灰塵粒子的空氣穿過其中。光源安裝在該孔附近以使光穿過該孔。光傳感器檢測穿過該孔的光的水平。隨著灰塵粒子沉積在板上,經過一段時間它們將充滿該孔,減少了穿過該孔的光量。通過測量穿過該孔的光量確定板上沉積的灰塵量是可能的。在一優選實施例中,每個板都有一與其它板的孔對準的孔,以使來自一個單獨光源的光能穿過每個孔。這種結構使光源和光傳感器都能設置於整組板的外面。
文檔編號B03C3/04GK1185759SQ96194307
公開日1998年6月24日 申請日期1996年6月5日 優先權日1995年6月7日
發明者約翰·L·厄爾德曼, 史蒂芬·J·肯普, 馬克·R·舍內克, 梅納德·L·湯普森 申請人:霍尼韋爾公司