本文中所描述的本申請大體上涉及空氣過濾的領域，且更確切地說，涉及一種聲學輔助的空氣過濾器及其實現(xiàn)空氣過濾的方法。
背景技術：
：在本發(fā)明情境中，大于80％的空氣過濾器的生命周期成本是能源成本，這歸因于驅動風扇在維持指定空氣流速的同時克服流經(jīng)空氣過濾器的空氣流的壓降所消耗的額外能量。根據(jù)觀察，空氣過濾器的過濾效率越高，跨越過濾器的壓降越大，進而產(chǎn)生越高能量消耗?，F(xiàn)今，配備有中央空調的每座建筑物在其空氣處理單元中的每一者中都具有一或多個空氣過濾器，這表明空氣過濾在室內環(huán)境質量方面發(fā)揮重要作用且占建筑物中的能量消耗的一大部分。高效率空氣過濾在半導體和制藥行業(yè)以及醫(yī)療設備中也是必需的。高效率顆?？諝?hepa)過濾器通常包含致密的纖維材料，其在成本和能量兩者上都是昂貴的?？諝膺^濾器通常對于較小顆粒具有較低過濾效率，這對健康以及需要潔凈空氣環(huán)境的制造工藝具有更為顯著的影響。為有效地去除這些極細顆粒，通常使用致密的過濾介質，其引起跨越過濾器的高壓降。與由高效率空氣過濾器的效率等級指示的值相比，高效率空氣過濾器通常對具有大于1微米的大小的顆粒具有較高過濾效率。在過去，已致力于空氣過濾器的微型和小型結構以減少壓降。然而，由于流體力學的物理限制，仍然對可尤其在高效率空氣過濾器中促進進一步減少壓降的改進的系統(tǒng)/裝置和方法存在長期需要。技術實現(xiàn)要素：提供此
發(fā)明內容是為了引入與聲學輔助的空氣過濾器和用于空氣過濾的方法有關的概念，且下文在具體實施方式中進一步描述所述概念。此
發(fā)明內容并不意圖識別所主張的標的物的基本特征，也并不意圖用于確定或限制所主張的標的物的范圍。在一種實現(xiàn)中，公開了一種空氣過濾器。所述空氣過濾器包括過濾介質層，其適于從空氣捕獲并過濾一或多種雜質。所述空氣過濾器還包括一或多個聲波產(chǎn)生構件，其附接于所述過濾介質層的一或多個側邊處，其中所述一或多個聲波產(chǎn)生構件產(chǎn)生將傳播到所述過濾介質層中的聲波。所述聲波到所述過濾介質層中的所述傳播有助于增加所述雜質在所述過濾介質層內部的行進距離，進而使所述過濾介質層能夠截獲所述一或多種雜質。所述聲波到所述過濾介質層中的所述傳播還有助于在所述過濾介質層中產(chǎn)生湍流，進而使所述過濾介質層能夠基于增強的湍流擴散效應而增強對所述一或多種雜質的所述捕獲。所述聲波到所述過濾介質層中的所述傳播還有助于在所述過濾介質層上產(chǎn)生摩擦靜電電荷，進而使所述過濾介質層能夠吸引所述一或多種雜質。在另一種實現(xiàn)中，公開了一種空氣過濾方法。所述方法包括：經(jīng)由過濾介質層從空氣捕獲一或多種雜質。所述方法還包括經(jīng)由一或多個聲學產(chǎn)生構件產(chǎn)生將傳播到所述過濾介質層中的聲波。所述聲波到所述過濾介質層中的所述傳播有助于增加所述雜質在所述過濾介質層內部的行進距離，進而使所述過濾介質層能夠截獲所述一或多種雜質。所述聲波到所述過濾介質層中的所述傳播還有助于在所述過濾介質層中產(chǎn)生湍流，進而使所述過濾介質層能夠基于增強的湍流擴散效應而增強對所述一或多種雜質的所述捕獲。所述聲波到所述過濾介質層中的所述傳播還有助于在所述過濾介質層上產(chǎn)生摩擦靜電電荷，進而使所述過濾介質層能夠吸引所述一或多種雜質。在又一種實現(xiàn)中，公開了一種空氣過濾設備。所述空氣過濾設備包括空氣過濾介質層。所述空氣過濾設備還包括一或多個聲波產(chǎn)生裝置，其附接于所述過濾介質層的一或多個側邊處，其中所述一或多個聲波產(chǎn)生裝置產(chǎn)生聲波，所述聲波將在所述空氣過濾介質層內部傳播，進而使所述過濾介質層能夠從空氣截獲并過濾一或多種雜質。進一步的，所述空氣過濾設備還包括框架，其緊固所述空氣過濾介質層和所述一或多個聲波產(chǎn)生裝置。所述空氣過濾設備還包括電子電路或預編程芯片，其用以控制所述所產(chǎn)生的聲波的頻率。進一步的，所述空氣過濾設備還包括電源，其為所述一或多個聲波產(chǎn)生裝置和所述電子電路或所述預編程芯片供電。附圖說明參考附圖描述具體實施方式。在圖中，參考標號的最左邊數(shù)字識別所述參考標號最初出現(xiàn)的圖。整個圖式使用相同標號指代相同特征和組件。圖1說明根據(jù)本申請的實施例的包含過濾介質層101和框架102的空氣過濾設備100的正視圖。圖2說明根據(jù)本申請的實施例的在框架102內部包含一或多個聲波產(chǎn)生構件201的空氣過濾設備100的橫截面視圖。圖3說明根據(jù)本申請的實施例的包含過濾介質層101和框架102中的一或多個聲波產(chǎn)生構件201的空氣過濾設備100的側視圖和橫截面視圖。圖4說明根據(jù)本申請的實施例的包含過濾介質層101和框架102的空氣過濾設備100的三維正視圖。圖5說明根據(jù)本申請的實施例的包含過濾介質層101和一或多個聲波產(chǎn)生構件201的空氣過濾設備100的三維正透視圖。圖6說明根據(jù)本申請的實施例的空氣過濾設備100的三維側視圖。圖7說明根據(jù)本申請的實施例的包含一或多個聲波產(chǎn)生構件201的空氣過濾設備100的三維側透視圖。圖8說明根據(jù)本申請的實施例的多個開口位置。圖9說明根據(jù)本申請的實施例的空氣過濾設備100的方形塑料管道901、全頻程揚聲器201和計算機。圖10說明根據(jù)本申請的實施例的含有連接到方形塑料管道以用于測試空氣過濾設備100的柔性管道和鼓風機的實驗性設置。應注意，本申請的隨附圖式是用于說明性目的且并非按比例繪制。此外，為了清楚起見，在圖中未示出空氣過濾器的電線/電纜及其它電子組件。具體實施方式現(xiàn)將詳細論述本發(fā)明的說明其所有特征的一些實施例。詞語“包括”、“具有”、“含有”和“包含”以及其它形式意圖在含義上等同且為開放式的，因為跟在這些詞語后面的一或多個項并不意在是對此類項的窮盡性列舉，也不意在僅限于所列的一或多個項。還必須注意，如本文中和所附權利要求書中所使用，除非上下文另外明確規(guī)定，否則單數(shù)形式“一”、“一個”和“所述”包含復數(shù)指代。盡管可在實踐或測試本發(fā)明的實施例時使用類似或等效于本文中所描述的設備、裝置和方法的任何設備、裝置和方法，但現(xiàn)描述示范性設備、裝置和方法。所揭示的實施例僅是本發(fā)明的示范性實施例，其可以各種形式體現(xiàn)。對實施例的各種修改對于本領域技術人員來說將是顯而易見的，并且本文中的一般原則可應用于其它實施例。然而，本領域的普通技術人員將容易地認識到，本發(fā)明并非意圖限于所說明的實施例，而是符合本文中所描述的原理和特征相一致的最寬泛的范圍。本申請涉及空氣過濾設備(在下文還可互換地稱為“聲學輔助的空氣過濾器”或“空氣過濾器”)和借助于聲波的增強型空氣過濾方法。與常規(guī)空氣過濾器相比，本申請中提出的空氣過濾器在以低壓降捕獲空氣中顆粒時具有高效率。與常規(guī)空氣過濾器相比，本申請中提出的空氣過濾器進一步由于較低壓降而在運作期間消耗較少能量。實施本申請中提出的空氣過濾方法以提高其它空氣過濾器的性能。本申請的空氣過濾器可與其它空氣過濾器組合以形成具有較高效率的空氣過濾系統(tǒng)或裝置。根據(jù)本申請的實施例，可產(chǎn)生聲波(acousticwave或soundwave)以便提高空氣過濾器的過濾效率。在低或中頻下，聲波誘發(fā)懸浮于空氣中的顆粒的振動運動。由于在顆粒上誘發(fā)的振動運動，顆粒撞擊和附著到空氣過濾器中的過濾介質的固體表面上的機率顯著地增加。給定大表面積的多孔空氣過濾介質，聲波顯著地增加將顆粒/雜質捕集到空氣過濾器上的機率，進而提高過濾效率。過濾介質層還可以為抗菌層或可洗滌層。在實施例中，顆粒/雜質可進一步包括灰塵、顆粒、空氣傳播的微生物、病毒和過敏原中的一或多者。過濾介質層可為由選自包括以下各項的群組的材料制成的多孔層：天然纖維、金屬纖維、金屬泡沫體和合成纖維。天然纖維可進一步包括紙或棉。合成纖維可進一步包括聚酯塑料材料。根據(jù)本申請的方面，可由選自包括以下各項的群組的一或多個聲波產(chǎn)生裝置產(chǎn)生聲波：揚聲器、聲學換能器、超聲換能器，以及包含用以移動和控制膜片的單個驅動器元件或音圈的裝置，以及類似者。聲波可傳播到多孔空氣過濾介質中且可垂直于空氣流。前述由空氣過濾器實施的空氣過濾方法可由于以下各項而提高空氣過濾器的過濾效率：●顆粒在過濾器內部由于其額外振動動作而增加的行進距離，這使其更容易被過濾介質截獲。●由聲學驅動的氣流產(chǎn)生的空氣湍流通過過濾介質，由于增強的湍流擴散效應引起顆粒被過濾介質捕獲的機率增加?！衤晫W驅動的氣流在過濾介質上產(chǎn)生額外摩擦靜電電荷，這有助于將顆粒吸引到過濾介質。應注意，空氣中顆粒不管其大小如何，都可在低或中頻聲波內部在相同振幅下振蕩。因為此現(xiàn)象，本申請的空氣過濾器還可比常規(guī)空氣過濾器顯著更有效地去除較小顆粒。由于聲波不增加通過空氣過濾器的空氣流的壓降，因此本申請的空氣過濾方法不增加空氣過濾器的壓降。因此，可使用具有較低壓降的空氣過濾介質實施本申請的空氣過濾方法以達成較高過濾效率。在一個示范性實施例中，在由聲學輔助的顆?？諝膺^濾器中的僅具有3瓦額定功率的微型揚聲器產(chǎn)生的聲波下，可使亞微米級顆粒能夠以高于1.5微米的振幅在一秒內振蕩數(shù)百次。此外，通過應用垂直于空氣流的聲波，過濾介質可截獲極細顆粒，如大小大于一微米的顆粒。在產(chǎn)生聲學功率時僅使用數(shù)瓦，會顯著地改進空氣過濾器的過濾效率而不增加空氣過濾器的壓降。因此，與常規(guī)空氣過濾器相比，顯著地改進了本申請的空氣過濾器的過濾和能量效率兩者。在實施例中，基于工程計算，觀察到，與具有相同過濾效率的常規(guī)空氣過濾器相比，聲學輔助的空氣過濾器消耗的功率要少30％到50％。如可受益于本申請的本領域普通技術人員將理解，本申請不限于額定功率和振幅的任何特定值。因此，可在不脫離本申請的范圍的情況下實現(xiàn)額定功率和振幅的任何其它值。在本申請的實施例中，兩個或大于兩個聲波產(chǎn)生裝置可與低/中等效率空氣過濾介質組合以形成聲學輔助的顆粒空氣過濾器。聲波產(chǎn)生裝置及其夾具經(jīng)特征化以使得其為不可消耗的且可運作很長時間，而低/中等效率空氣過濾介質是可更換的組件。聲波產(chǎn)生裝置可以使產(chǎn)生的聲波傳播穿過多孔空氣過濾器的整個面積和深度的方式來配置。此外，聲波產(chǎn)生裝置可以使得聲波的疊加最小化的方式來定位以便避免多孔空氣過濾器內部具有低聲學功率的區(qū)域。超低壓電纜可連接到聲波產(chǎn)生構件以用于供電。在另一實施例中，本申請的空氣過濾方法可使用任何多孔空氣過濾器作為空氣過濾介質。本申請的空氣過濾方法可改進空氣過濾器的過濾效率，而不增加跨越空氣過濾器的壓降。應注意，實現(xiàn)能量、過濾和成本的優(yōu)化的聲學輔助顆?？諝膺^濾器的性能是基于以下參數(shù)：●聲波的頻率——增加產(chǎn)生的聲波的頻率可有益于過濾效率，但同時引起揚聲器消耗的功率增加。因此，需要聲波的頻率與功率消耗之間的平衡，但優(yōu)化頻率取決于目標過濾效率等級和所使用的空氣過濾器。因此，產(chǎn)生的聲波的頻率在聲學輔助顆粒空氣過濾器的不同配置中不同。●位移振幅——聲波中的空氣的位移振幅直接影響聲波中的空氣的運動?？諝獾妮^高位移振幅引起過濾介質中的顆粒的較大振動運動，這對過濾效率具有正面影響。然而，為增加空氣的位移振幅，需要增加聲壓級，這會引起揚聲器的較高功率消耗。因此，需要位移振幅與功率消耗之間的平衡，但優(yōu)化位移振幅取決于目標過濾效率等級和所使用的空氣過濾器。因此，位移振幅在聲學輔助顆粒空氣過濾器的不同配置中不同。●空氣過濾介質——本申請的空氣過濾器的性能可進一步取決于所使用的空氣過濾介質?？傔^濾效率取決于所使用的空氣過濾介質的材料和纖維密度。因此，空氣過濾介質在聲學輔助的顆?？諝膺^濾器的不同配置中不同。在示范性實施例中，基于工程計算，觀察到，為了保持能量與過濾效率之間的平衡，需要在50hz到1000hz的范圍內的聲波頻率和在1.5μm到2.2μm的范圍內的位移振幅。在本申請的示范性實施例中，聲波的頻率、位移振幅以及聲學輔助顆?？諝膺^濾器(具有約merv12(ashrae52.2-1999)的過濾效率等級)中的合成纖維空氣過濾器的過濾效率等級分別為60hz到80hz、1.5μm到1.8μm以及merv9。如可受益于本申請的本領域普通技術人員將理解，本申請不限于聲波頻率和位移振幅的任何特定值。因此，可在不脫離本申請的范圍的情況下實現(xiàn)聲波頻率和位移振幅的任何其它值。下文將結合附圖來詳細描述本申請的各種實施例。參考圖1，說明根據(jù)本申請的實施例的空氣過濾設備100(還可互換地稱為“空氣過濾器100”)的正視圖。此外，圖4說明根據(jù)本申請的實施例的空氣過濾設備100的三維正視圖。如圖1和圖4中所展示，空氣過濾設備100可包括空氣過濾介質101?？諝膺^濾介質101可為由紙、棉、合成纖維、聚合物纖維、金屬纖維以及類似者中的任一者制成的多孔介質。如所展示，框架102可緊固空氣過濾介質101?？蚣?02可由選自包括紙、金屬、塑料和陶瓷等的群組的材料制成?？諝膺^濾介質101和框架102可為可更換的和一次性的?？諝膺^濾設備100可進一步包括共同實現(xiàn)空氣過濾的一或多個組件/裝置，下文結合對應的圖式進一步描述其細節(jié)。參考圖2，說明根據(jù)本申請的實施例的在框架102內部包含一或多個聲波產(chǎn)生構件201的空氣過濾設備100的橫截面視圖。如所展示，聲波產(chǎn)生構件201可緊固于框架102中。聲波產(chǎn)生構件201的數(shù)目和位置可取決于聲學輔助的空氣過濾器100的大小而不同。聲波產(chǎn)生構件201可進一步包含以下各項中的一者：具有多個預設頻率的揚聲器、具有可行頻率控制的揚聲器、全頻程揚聲器、具有預設頻率的全頻程揚聲器、具有可行頻率控制的全頻程揚聲器、麥拉(mylar)揚聲器、具有預設頻率的麥拉揚聲器、具有可行頻率控制的麥拉揚聲器、聲學換能器、具有預設頻率的聲學換能器、具有可行頻率控制的聲學換能器、超聲換能器、具有預設頻率的超聲換能器、具有可行頻率控制的超聲換能器，以及類似者?？山?jīng)由如圖2中所展示的預編程芯片202(例如，頻率控制芯片)控制聲波產(chǎn)生構件201。聲波產(chǎn)生構件201可產(chǎn)生傳播到空氣過濾介質101中的聲波。如圖2中所展示，聲波在方向203上朝向空氣過濾介質101傳播。在實施例中，空氣過濾器100可進一步包括電池(圖中未示出)，其經(jīng)配置以將電力供應給一或多個聲學產(chǎn)生構件201和預編程芯片202。電池連接可進一步被電源連接替換以為一或多個聲學產(chǎn)生構件201和預編程芯片202供電。參考圖3，說明根據(jù)本申請的實施例的包含過濾介質層101和框架102中的一或多個聲波產(chǎn)生構件201的空氣過濾設備100的側視圖和橫截面視圖。為了獲得優(yōu)化性能，框架102可適于圍封空氣過濾介質101且在側邊上無任何空隙。聲波產(chǎn)生構件201可緊固于框架102內部的頂部和底部空間上。圖3的最右邊頂部說明聲波誘發(fā)的空中顆粒的額外振動運動。此外，展示了顆粒302在經(jīng)由聲波產(chǎn)生裝置201產(chǎn)生的聲波303的控制下通過空氣過濾介質的軌跡301(呈波形形式)。此外，在圖3的最右邊底部，展示了在不使用聲波的情況下顆粒通過空氣過濾介質的軌跡304(呈直線形式)。參看圖5，說明根據(jù)本申請的實施例的包含過濾介質層101和一或多個聲波產(chǎn)生構件201的空氣過濾設備100的三維正透視圖。如圖5中所展示，框架102可包括兩個水平板501以緊固空氣過濾介質101。兩個水平板501可防止空氣顆粒進入空氣過濾器100的頂部和底部的空間。兩個水平板501中的每一者可具有開口502以使由聲波產(chǎn)生構件201產(chǎn)生的聲波能夠傳播到空氣過濾介質101中。參考圖6和圖7，分別說明空氣過濾器100的三維側視圖和三維側透視圖。如圖6中所展示，空氣在方向601上朝向空氣過濾器100流動。空氣通過空氣過濾器100，其中聲波產(chǎn)生裝置201可產(chǎn)生傳播到空氣過濾介質中的聲波。聲波可誘發(fā)空氣流中的空氣顆粒的額外振動動作，這可增加顆粒捕集到過濾器100上的機率。下文參考圖8到圖10進一步描述根據(jù)示范性實施例的示范性聲學輔助的空氣過濾器100的工作以及其測試、測試結果以及對結果的分析。聲學輔助的空氣過濾器在示范性實施例中，基于具有12英寸長度、12英寸寬度和4英寸厚度的纖維折疊介質過濾器構建聲學輔助的顆?？諝膺^濾器。所述過濾器根據(jù)en799歸類為f5。纖維折疊介質過濾器具有紙框架。在紙框架上切割兩個圓形開口(其中的每一者具有8cm直徑)，以允許聲波從側邊傳播到纖維折疊介質中。在圖8中指示開口801的位置。接著將過濾器固定于方形塑料管道中，其中側邊上的兩個開口匹配過濾器紙框架上的開口的位置。使用兩個全頻程揚聲器產(chǎn)生聲波。所述全頻程揚聲器連接到計算機且經(jīng)固定以使其膜片與兩個開口對準。揚聲器受安裝于計算機中的頻率產(chǎn)生器軟件控制。圖9展示方形塑料管道901、全頻程揚聲器201和計算機。揚聲器可被嵌入到過濾器框架中的薄的小型揚聲器/麥拉揚聲器替換。此外，預設頻率信號芯片可建置到框架中以替換計算機控制。下文參考圖10進一步描述使用各種設施和儀器測試聲學輔助的過濾器。設施和儀器在40m2的房間中進行測試。在測試期間在房間中不存在其它活動。如圖10中所展示，兩個柔性管道連接到方形塑料管道。此外，如所展示，鼓風機(550w型，jiayi)連接到較長柔性管道的另一端。鼓風機驅動空氣通過過濾器和柔性管道。很好地密封所有連接。圖10展示連接的柔性管道和鼓風機。在測試中使用以下測量儀器：制造商類型/型號設備metone公司aerocet-531s便攜式顆粒計數(shù)器制造商類型/型號設備德爾特(deltaohm)公司hd2010uc/a聲級計制造商類型/型號設備skywatch公司xplorer1風速計便攜式顆粒計數(shù)器用以測量在有或無聲波效應的情況下pm1、pm2.5和pm10顆粒的濃度。聲壓計用于測量和調整揚聲器的聲功率輸出(以db為單位)。風速計用于測量和調整鼓風機的流速。在從測試日起的1年內校準所有測量儀器。測試方法使用來自發(fā)煙熏香的顆粒作為測試顆粒。來自發(fā)煙熏香的顆粒通過開口傳遞到在方形塑料管道901(在圖9中展示)之前約1.5m處的柔性管道的中間段中。測量在揚聲器接通和不接通的情況下在過濾器之后的穩(wěn)態(tài)顆粒濃度以用于比較。重復所有測量3次，且在比較和分析中使用平均值。在測試中考慮2個不同流速(約0.5m/s和約1m/s)下共計3個不同聲波頻率65hz、150hz和300hz。結果在65hz和150hz的聲波下，顆粒濃度與在無聲波下的濃度相比減小8％到50％以上(平均減?。?6.9％)。對于300hz的聲波，濃度減小通常低于65hz或150hz的情況。下文的表1概述測試結果。表1：濃度數(shù)據(jù)和濃度減小(濃度單位：μg/m3)的概述基于上文說明的結果，觀察到，聲學輔助的顆粒空氣過濾器可顯著地減小空氣中顆粒的濃度。一般來說，與較大顆粒(pm10)相比，聲學輔助的顆?？諝膺^濾器裝置可更有效地減小較小顆粒(pm1和pm2.5)的濃度。分析測試結果指示聲學輔助的顆?？諝膺^濾器提高了空氣過濾器的過濾效率。結果表明較高頻率可能不會改進效率。此可與聲波在顆粒上誘發(fā)的振動運動的量值有關。盡管較高聲波頻率增加空氣中顆粒的振動頻率，然而，較高聲波頻率也減小相同聲壓級下的顆粒振動運動的量值。此在能量效率方面也是有利的，因為需要較少能量產(chǎn)生較低頻率聲波。此外，觀察到，流速確實影響聲學輔助的顆粒空氣過濾器的效率。在實踐中，應在空氣流速的常見范圍內選擇頻率和聲功率級以優(yōu)化性能。當前裝置基于en799f5級過濾器。預期在與較高級別過濾器組合時可進一步提高聲學輔助的顆粒空氣過濾器的性能，因為所述較高級別過濾器具有更致密纖維介質。用于65hz和150hz測試的聲壓級分別為約55dba和65dba。這些聲級比mvac機房安靜，且當系統(tǒng)在管道中運作時，其應甚至更低。因此，系統(tǒng)對聽覺噪音具有極低作用。越小的空氣中顆粒對健康狀況和潔凈制造具有越大影響。聲學輔助的顆粒空氣過濾器可顯著地提高pm1和pm2.5的去除率。因此，本申請的聲學輔助的顆?？諝膺^濾器在醫(yī)療保健和潔凈制造領域具有很有前景的應用。盡管已經(jīng)用特定于結構特征和/或方法的語言描述了用于空氣過濾的設備、裝置和方法的實施方案，但應理解，所附權利要求書未必限于所描述的特定特征或設備、裝置和方法。實情為，揭示所述特定特征和設備、裝置和方法作為用于空氣過濾的實施方案的實例。當前第1頁12