摘 要：【目的】對靜電效應(yīng)分離彌散顆粒技術(shù)的專利申請態(tài)勢和技術(shù)進行分析，明確技術(shù)熱點和研發(fā)方向，提高專利申請質(zhì)量?！痉椒ā客ㄟ^分類號和關(guān)鍵詞進行檢索，從專利申請量、主要專利申請人、有效專利全球分布國別這三方面直觀展現(xiàn)目前的專利申請態(tài)勢，以靜電效應(yīng)分離彌散顆粒技術(shù)的工作原理為切入點，通過典型專利申請案例分析研究技術(shù)組成?！窘Y(jié)果】該技術(shù)的專利申請量呈逐年上升趨勢并已進入平穩(wěn)成熟期，申請人以中國、韓國、日本、美國企業(yè)為主，亞洲國家正不斷推進該技術(shù)的發(fā)展，美國和一些歐洲國家致力于技術(shù)改進?！窘Y(jié)論】專利申請主要以高壓電源、放電極、集塵極為研究方向，并逐漸通過推進復(fù)合式技術(shù)、新型材料、控制流程等方面進行技術(shù)改進和創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：靜電除塵；專利申請；高壓電源；放電極；集塵極

中圖分類號：TL352；G255.53 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）15-0129-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.028

Patent Application State and Technical Analysis for Separating Dispersed Particles by Electrostatic Effect

MA Xue

（Patent Examination Cooperation Guangdong Center of the Patent Office ，CNIPA ，Guangzhou 510000，China）

Abstract：[Purposes] This paper analyzes the patent application situation and technical analysis of separating dispersion particle by electrostatic effect technology， and the technical hotspot and research as well as development direction are clarified to improve the quality of patent application. [Methods] Through the search of classification numbers and keywords， the current patent application situation is intuitively displayed from three aspects： the number of patent applications， the main patent applicants， and the global distribution of valid patents. Taking the working principle of separating dispersion particle by electrostatic effect technology as the starting point， the technical composition is analyzed through typical patent application cases. [Findings] The number of patent applications for this technology is increasing year by year and has entered a stable mature period. The applicants are mainly Chinese， Korean， Japanese and American enterprises. Asian countries are constantly promoting the development of this technology， and the United States and some European countries are committed to technological improvement. [Conclusions] The patent application mainly focuses on the research of high voltage power supply， electrode and collection electrode， and gradually carries out technical improvement and innovation by promoting composite technology， new materials， control process and other aspects.

Keywords： electrostatic precipitator;patent application;high voltage power supply;electrode;collection electrode

0 引言

采用靜電效應(yīng)分離彌散顆粒技術(shù)廣泛應(yīng)用于生活和工業(yè)等除塵場景中，包括凈化城市環(huán)境中的懸浮微粒、抵御霧霾、去除油煙、處理汽車尾氣，消除煤礦、鋼鐵、水泥等行業(yè)產(chǎn)生的粉塵等，提高空氣質(zhì)量。其工作原理是在微粒凈化空間內(nèi)形成高壓靜電場，使微粒電離，電離產(chǎn)生的離子和自由電子與微粒相互碰撞而帶上電荷，利用電場力將含塵氣體中的懸浮細小顆粒物捕集下來。此種方法針對彌散顆粒效果顯著［1］。隨著社會的發(fā)展，空氣污染問題日益嚴(yán)重，人們對生產(chǎn)和生活的健康環(huán)境需求不斷增加，空氣中彌漫的粉塵顆粒對人們的身體健康造成嚴(yán)重威脅，長期暴露在污染嚴(yán)重的空氣環(huán)境中會導(dǎo)致一系列疾病。靜電除塵技術(shù)設(shè)備成本低、效率高，不易產(chǎn)生二次污染，符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，因此，研究該技術(shù)對提高空氣質(zhì)量、建設(shè)清潔環(huán)境尤為重要［2-3］。

1 專利申請態(tài)勢

靜電效應(yīng)分離彌散顆粒技術(shù)的IPC分類號集中在B03C3—用靜電效應(yīng)從氣體或蒸氣中分離彌散顆粒（如空氣）。使用中國專利文摘數(shù)據(jù)庫CNABS、世界專利文摘庫WPABS、德溫特世界專利庫DWPI，以上述分類號和關(guān)鍵詞“靜電除塵”“空氣凈化”“electrostatic”“electric 1w precipitator”進行檢索，從2002—2022年這20年間該技術(shù)的專利申請量趨勢、主要專利申請人、有效專利全球分布國別占比的角度，分析靜電除塵技術(shù)的專利申請和技術(shù)發(fā)展情況。

1.1 專利申請量

圖1示出了靜電除塵技術(shù)歷年的申請量。2002—2022年該技術(shù)專利申請量整體呈上升趨勢，技術(shù)發(fā)展可分為3個階段：發(fā)展儲備期、快速發(fā)展期、成熟期。①發(fā)展儲備期（2002—2012年）：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量有害物質(zhì)被排放至空氣中，致使PM2.5、PM10等有毒有害物質(zhì)濃度劇增，霧霾天氣頻繁出現(xiàn)，空氣污染的治理刻不容緩。在這種背景下，專利申請量呈平穩(wěn)上升趨勢。②快速發(fā)展期（2013—2019年）：已存在的空氣污染影響了公眾健康和城市的可持續(xù)發(fā)展。隨著人們生活質(zhì)量的提高，對室內(nèi)和工業(yè)環(huán)境中的空氣凈化需求不斷增加，人們越來越重視空氣污染的問題，國家也從各方面如增加植被面積、工地和公路降塵等提高空氣環(huán)境。靜電除塵技術(shù)以其成本低、效果好等優(yōu)勢成為研究重點，得到大量的應(yīng)用，相比于前一階段，專利申請量迅猛增長。③成熟期（2020—2022年）：該階段專利申請量呈下降趨勢。由于靜電效應(yīng)分離彌散顆粒技術(shù)走向成熟，基本滿足實際使用需求，改進空間減小，因此申請量減少，并維持在一個穩(wěn)定水平。

1.2 主要專利申請人

靜電除塵技術(shù)的主要申請人集中在各大致力于環(huán)境保護的企業(yè)，且以中國、韓國、日本、美國企業(yè)為主（見圖2）。隨著我國對空氣環(huán)境的高質(zhì)量需求不斷增加，致力于空氣污染治理、煙氣治理、油煙治理的企業(yè)如珠海格力電器、福建龍凈環(huán)保股份有限公司、浙江菲達環(huán)?？萍?、美的集團、寧波方太廚具有限公司等的專利申請量如雨后春筍般增加，研發(fā)實力和技術(shù)水平持續(xù)上升。韓國的LG和三星，日本的大金、松下、夏普等企業(yè)同樣致力于環(huán)境污染治理，不斷打破技術(shù)壁壘，也是重點申請人。美國的3M、通用電氣等企業(yè)的專利申請量也占據(jù)很大比例，這與美國的科技發(fā)展水平和對環(huán)境污染的關(guān)注程度有關(guān)。

1.3 有效專利全球分布國別

靜電除塵技術(shù)的專利申請主要來自中國、韓國、美國、日本及歐洲部分國家（見圖3）。亞洲國家特別是中國近年來經(jīng)濟發(fā)展迅速，空氣凈化需求高，環(huán)境治理的成本投入不斷增加并推進技術(shù)發(fā)展，公眾對相關(guān)技術(shù)的專利權(quán)保護越來越重視，成為本領(lǐng)域?qū)＠暾堊顬榛钴S的國家。韓國和日本與中國經(jīng)濟交往密切，該技術(shù)也在同步推進。美國和歐洲部分國家一直致力于靜電除塵技術(shù)的改進，但該技術(shù)已日趨成熟，技術(shù)更新和改進空間縮減，專利申請量落后于中國。

2 靜電效應(yīng)分離彌散顆粒技術(shù)分析

靜電除塵的工作原理為利用高壓電場使放電極放電，氣流中的粉塵顆粒帶上電荷，集塵極與放電極電性相反，帶電的粉塵顆粒在電場力的作用下吸附在集塵極上。由此，靜電除塵技術(shù)的3個重要組成為高壓電源、放電極、集塵極。目前，靜電效應(yīng)分離彌散顆粒技術(shù)的研究方向主要是以上述3個組成為切入點進行技術(shù)改進，以提高靜電除塵器的顆粒捕集能力。下面分別對高壓電源、放電極、集塵極的典型專利技術(shù)作介紹。

2.1 高壓電源

2.1.1 高壓脈沖電源。涉及廈門綠洋電氣有限公司在專利申請CN105709935A中公開的相關(guān)技術(shù)。靜電除塵用脈沖電源包括間歇脈沖產(chǎn)生電路和窄脈沖產(chǎn)生電路。間歇脈沖產(chǎn)生電路包括三相可控硅和三相升壓整流電路，三相可控硅的控制端與控制器連接，三相升壓整流電路的輸入端通過三相可控硅與三相交流電源的三相連接，三相升壓整流電路的輸出端與窄脈沖產(chǎn)生電路的輸出端串聯(lián)后接在電除塵器的收塵極和放電極之間。電除塵器的收塵極接地，控制器輸出控制信號控制三相可控硅通斷使間歇脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生與窄脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的窄脈沖電源同步的間歇脈沖電源，且間歇脈沖電源的脈沖寬度大于窄脈沖電源的脈沖寬度，從而將窄脈沖電源串聯(lián)疊加在間歇脈沖電源的峰值上后施加在電除塵器的收塵極和放電極之間。

該篇專利采用高壓整流后串聯(lián)疊加方式，在三相高壓整流電源的基礎(chǔ)上串聯(lián)疊加窄脈沖整流電壓，直接100％施加到負(fù)載放電極，負(fù)載等效電容兩端的瞬態(tài)脈沖電壓值＝（間隙脈沖電壓值+窄脈沖電壓值），使得施加到負(fù)載的電壓高；同時可調(diào)控有效脈沖寬度，三相基礎(chǔ)電源采用間歇脈沖供電模式，窄脈沖電壓可同步直接疊加在基礎(chǔ)電壓峰值之上，基礎(chǔ)電源間歇脈沖占空比可調(diào)，與純直流基礎(chǔ)電源相比，運行電耗低，至少可降低電耗50％。

解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的基礎(chǔ)電壓為純直流電壓、電耗大、在工藝上難以實現(xiàn)初級瞬態(tài)開關(guān)電流10 kA以上的技術(shù)問題和需求，充分發(fā)揮和體現(xiàn)了脈沖電源能耗優(yōu)勢，提高除塵效率。

2.1.2 高頻高壓電源。涉及武漢東城新能源有限公司在專利申請CN110339944A中公開的相關(guān)技術(shù)。小型化1.2A電除塵高頻高壓電源包括上下設(shè)置且固定連接的機柜2與油箱1；機柜2的頂面安裝有4個呈矩形分布的吊耳11，機柜2的側(cè)面上分別設(shè)有外接線盒40、進風(fēng)罩8、出風(fēng)罩16，進風(fēng)罩8、出風(fēng)罩16分別貫穿機柜2的側(cè)壁；機柜2內(nèi)安裝有上下分層設(shè)置的主控制電路組件與功率電路組件，主控制電路組件與功率電路組件電連接；油箱1內(nèi)安裝有主變壓器與高壓硅堆，主變壓器的次級與高壓硅堆電連接，主變壓器的初級通過電連接件與功率電路組件連接；油箱1外側(cè)安裝有喇叭狀的高壓罩17，高壓罩17的寬口朝外，高壓罩17中心安裝有高壓輸出接線柱，高壓輸出接線柱穿過油箱1壁與高壓硅堆連接，高壓輸出接線柱的另一端連接除塵器的陽極板。高壓輸出接線柱外側(cè)串聯(lián)安裝有若干個高壓瓷瓶22，用于增大本高壓電源的高壓輸出端與除塵器的爬電距離。該篇專利是典型的用于靜電除塵的高頻高壓電源設(shè)備。將高頻高壓電源的功率電路組件與主控制電路組件集成在一個機柜2內(nèi)，便于安裝，且體積小結(jié)構(gòu)緊湊，主變壓器置于油箱內(nèi)，通過絕緣油與空氣進行熱交換，提高電源系統(tǒng)的散熱性，助力電源系統(tǒng)的可靠長久運行，延長使用壽命。

2.2 放電極

在靜電除塵領(lǐng)域，放電極接通高壓電源的正極或負(fù)極，以線或尖端的形式釋放電荷，使空氣中的彌散顆粒帶上電荷。檢索時常使用關(guān)鍵詞“電暈”“放電”“電離”“荷電”“芒刺”“針”“陰極”等，放電極結(jié)構(gòu)以線或絲、尖端放電或復(fù)合形式為主。

2.2.1 線或絲式放電極。涉及江蘇博隆環(huán)保設(shè)備有限公司在專利申請CN102896043A中公開的相關(guān)技術(shù)。該篇專利包括金屬筒體，金屬筒體下部一側(cè)設(shè)有進氣口，金屬筒體下端設(shè)有集灰斗，金屬筒體上端設(shè)有出氣口，金屬筒體上部設(shè)有絕緣子，絕緣子上連接有一電暈線，電暈線下端連接有拉緊裝置，金屬筒體外部設(shè)有一直流電源，直流電源兩端分別與金屬筒體外側(cè)下部和電暈線上端連接。電暈線采用無芒刺不銹鋼細鋼絲。電暈線接通高壓直流電源，電壓范圍為60～120 KV，使得細微粉塵帶上正電荷，最終被捕集于金屬筒體上。采用的放電極是無芒刺式電暈線或絲，該結(jié)構(gòu)為連續(xù)線式放電，荷電均勻，無斷點，適于粉塵濃度高的凈化環(huán)境。

2.2.2 尖端放電式放電極。以設(shè)置尖端的形式放電，通常包括芒刺式、環(huán)針、螺旋式螺牙鋒刃、鋸齒、N角星式等。即在放電極上形成尖端，在強電場作用下，尖銳的尖端位置電荷密度大，尖端附近的電場較強，形成電暈放電現(xiàn)象，進而使得空氣中的粉塵顆粒帶上電荷。以芒刺式尖端放電極為例，涉及安徽中研電氣有限責(zé)任公司在專利申請CN108480049A中公開的相關(guān)技術(shù)。新型靜電芒刺線包括多根毛刺線1，多根毛刺線1的第一端相互編織在一起形成條帶狀結(jié)構(gòu)的固定部2，多根毛刺線1的第二端位于固定部2外部，毛刺線1具有導(dǎo)電性。采用多根導(dǎo)電毛刺線編織成型，加工實現(xiàn)簡單，質(zhì)量輕、節(jié)約材料、韌性好，芒刺密度大，電荷放電能力強。

2.2.3 復(fù)合式放電極。線或絲式放電極的優(yōu)勢在于連續(xù)線式放電、荷電均勻，劣勢在于放電強度相對較低；尖端放電式放電極的優(yōu)勢在于點放電、放電強度高，劣勢在于斷點式放電、放電環(huán)境不均勻。涉及深圳市天得一環(huán)境科技有限公司在專利申請CN113546761A中公開的相關(guān)技術(shù)。該復(fù)合放電電極100包括放電片120及放電絲110。放電片120具有相對的兩個放電側(cè)緣，也就是說，在放電片120的一側(cè)具有一個放電側(cè)緣，在放電片120的相對另一側(cè)也具有一個放電側(cè)緣。兩個放電側(cè)緣中，至少一個放電側(cè)緣上形成有在其長度方向上間隔設(shè)置的多個放電尖端122。本申請的一個具體實施例中，每個放電側(cè)緣上都設(shè)有間隔布置的多個放電尖端122，多個放電尖端122沿著放電側(cè)緣的長度方向依次布置。放電絲110相對所述放電片120固定，所述放電絲110處于伸直狀態(tài)，所述放電絲110依次串接多個所述放電尖端122。本申請的一個具體實施例中，放電絲110固定在放電片120上，可將放電絲110的兩端分別固定在放電片120的兩端。放電片120可以是鋸齒形放電片120等，放電絲110可以是電離絲等。該篇專利的放電片120的放電側(cè)緣在長度方向上間隔設(shè)置多個放電尖端122，由放電絲110依次串接多個放電尖端122，融合了放電絲和放電尖端的優(yōu)勢，放電尖端周圍形成大量自由電子和正負(fù)離子，自由電子和正負(fù)離子對污染顆粒進行荷電，放電絲串接放電尖端，使放電絲產(chǎn)生電暈現(xiàn)象，對顆粒荷電。放電絲提高了荷電均勻性，彌補了放電尖端荷電不均勻的問題，同時保證了荷電強度。該專利融合了放電絲和放電尖端的優(yōu)勢，提高了凈化效率。

2.3 集塵極

在靜電除塵領(lǐng)域，集塵極接通高壓電源的與放電極相反的電極端，空氣中的粉塵顆粒帶上與放電極相同的電荷，在電場力的作用下，帶電顆粒被集塵極捕集。檢索時常使用關(guān)鍵詞“集塵極”“陽極”“極板”“積塵極”等，集塵極結(jié)構(gòu)以板式集塵極、筒式集塵極、移動式集塵極為主。

2.3.1 板式集塵極。板式集塵極主要為平板式。為了增大附著面積，還包括C形、波浪形、Z形、S形等；為均勻氣流，還包括孔板式集塵極、蜂窩式集塵極等。在對集塵空間進行布置時，集塵極可垂直于氣流方向、平行于氣流方向或與氣流方向呈一定角度。以平板式集塵極為例，涉及珠海格力電器股份有限公司在專利申請CN104226482A中公開的相關(guān)技術(shù)。除塵器包括絲板式除塵部件，包括電源、集塵極和電暈極。集塵極連接于電源的負(fù)極，具有m個并列設(shè)置的集塵板，電暈極連接于電源的正極，具有n個并列設(shè)置的電暈絲。其中，每個電暈絲所處的平面均對應(yīng)位于m個集塵板中兩個集塵板所處平面之間，即每兩個相鄰集塵板所處平面之間均設(shè)置有一個電暈絲。該篇專利的集塵極采用平板式，連接電源負(fù)極，電暈極連接電源正極，空氣中的微粒帶上正電荷，在電場力的作用下，被帶負(fù)電的集塵極捕集。

2.3.2 筒式集塵極。筒式集塵極包括圓筒式、蜂窩式、方筒式、多邊形式等。放電極置于筒式集塵極的筒中央或置于筒式集塵極上游氣流空間內(nèi)，主要以集塵筒的橫截面不同為區(qū)別。檢索時常使用檢索式“（筒 or 蜂窩） 20d （陽極 or 集塵 or 積塵）”或更換為其他關(guān)鍵詞。以蜂窩式集塵極為例，涉及北京北科環(huán)境工程有限公司在專利申請CN105903569A中公開的相關(guān)技術(shù)。該濕式電除塵器陽極由一個以上的陽極單元組成，其中，陽極單元為六邊蜂窩狀結(jié)構(gòu)，陽極單元由聚氟乙烯表層涂鍍碳纖維制成，碳纖維采用電鍍、涂覆或壓制的方式涂鍍在陽極單元上。該篇專利的陽極即集塵極為六邊蜂窩狀結(jié)構(gòu)，提高了集塵空間利用率，擴展了集塵面積，克服了積灰死角等問題。

2.3.3 移動式集塵極。固定式集塵極通常存在集灰后清洗或更換作業(yè)困難等問題，移動式集塵極解決了上述問題，減輕了更換作業(yè)人員的勞動強度，提高了集塵極重復(fù)利用率，降低操作成本。涉及株式會社日立工業(yè)設(shè)備技術(shù)在專利申請CN101670312A中公開的相關(guān)技術(shù)。在電集塵裝置1中，在氣體入口2a與氣體出口2b之間形成了氣體流路的箱體2的內(nèi)部，設(shè)置著作為集塵用電極的多個固定電極3和移動電極4。在各電極的下部設(shè)有漏斗6和排出傳送帶7。漏斗6用于使被電極捕集的塵埃下落并回收，排出傳送帶7將回收的塵埃排出。上述移動電極由懸掛在一對環(huán)形鏈上的多個集塵極板形成環(huán)、繞上述放電極環(huán)行，具有在預(yù)定位置刷拭上述環(huán)行集塵極板的刮拭機構(gòu)。該篇專利的集塵電極包括多個固定電極和一個移動電極。移動電極由懸掛在一對環(huán)形鏈上的多個集塵極板形成環(huán)、繞上述放電極環(huán)行，不斷進行集塵操作，刮拭機構(gòu)刮去集塵極板上的灰塵，被清理后的集塵極板隨著鏈條的旋轉(zhuǎn)重新移動至集塵區(qū)域進行灰塵捕集，可實現(xiàn)對集塵極板的重復(fù)利用，降低了集塵極板的更換頻率，提升了集塵效率。

2.3.4 復(fù)合式集塵極。不同形式的集塵極各有優(yōu)點和缺點，捕集針對的微粒粒級、粉塵濃度、環(huán)境溫濕度等不盡相同，靜電除塵應(yīng)用的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜時，采用復(fù)合式集塵極可融合不同集塵極的優(yōu)勢，達到事半功倍的效果。如案例CN101670312A采用板式固定電極和移動電極，結(jié)合了兩種不同集塵極的優(yōu)點，提高了除塵效率?，F(xiàn)有技術(shù)中，還有筒式集塵極復(fù)合移動集塵極、筒式集塵極復(fù)合板式集塵極等，其設(shè)置了不同的集塵空間。

3 結(jié)論

本文根據(jù)靜電效應(yīng)分離彌散顆粒技術(shù)的專利申請態(tài)勢，結(jié)合實際專利申請案例，分析靜電效應(yīng)分離彌散顆粒技術(shù)。以高壓電源、放電極、集塵極這3個要素作為研究方向，理清了靜電效應(yīng)分離彌散顆粒技術(shù)的總體脈絡(luò)；目前復(fù)合式放電極、集塵極技術(shù)日漸推進，新型材料、電子傳感、智能控制等均是該項技術(shù)的改進和創(chuàng)新趨勢。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)深耕技術(shù)研究，提高研發(fā)實力，不斷創(chuàng)新，使該技術(shù)得到高速平穩(wěn)發(fā)展［4-5］。

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