静电效应分离弥散颗粒技术的专利申请态势和技术分析

摘 要：【目的】对静电效应分离弥散颗粒技术的专利申请态势和技术进行分析，明确技术热点和研发方向，提高专利申请质量。【方法】通过分类号和关键词进行检索，从专利申请量、主要专利申请人、有效专利全球分布国别这三方面直观展现目前的专利申请态势，以静电效应分离弥散颗粒技术的工作原理为切入点，通过典型专利申请案例分析研究技术组成。【结果】该技术的专利申请量呈逐年上升趋势并已进入平稳成熟期，申请人以中国、韩国、日本、美国企业为主，亚洲国家正不断推进该技术的发展，美国和一些欧洲国家致力于技术改进。【结论】专利申请主要以高压电源、放电极、集尘极为研究方向，并逐渐通过推进复合式技术、新型材料、控制流程等方面进行技术改进和创新。

关键词：静电除尘；专利申请；高压电源；放电极；集尘极

中图分类号：TL352；G255.53 文献标志码：A 文章编号：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

采用静电效应分离弥散颗粒技术广泛应用于生活和工业等除尘场景中，包括净化城市环境中的悬浮微粒、抵御雾霾、去除油烟、处理汽车尾气，消除煤矿、钢铁、水泥等行业产生的粉尘等，提高空气质量。其工作原理是在微粒净化空间内形成高压静电场，使微粒电离，电离产生的离子和自由电子与微粒相互碰撞而带上电荷，利用电场力将含尘气体中的悬浮细小颗粒物捕集下来。此种方法针对弥散颗粒效果显著［1］。随着社会的发展，空气污染问题日益严重，人们对生产和生活的健康环境需求不断增加，空气中弥漫的粉尘颗粒对人们的身体健康造成严重威胁，长期暴露在污染严重的空气环境中会导致一系列疾病。静电除尘技术设备成本低、效率高，不易产生二次污染，符合环保标准，因此，研究该技术对提高空气质量、建设清洁环境尤为重要［2-3］。

1 专利申请态势

静电效应分离弥散颗粒技术的IPC分类号集中在B03C3—用静电效应从气体或蒸气中分离弥散颗粒（如空气）。使用中国专利文摘数据库CNABS、世界专利文摘库WPABS、德温特世界专利库DWPI，以上述分类号和关键词“静电除尘”“空气净化”“electrostatic”“electric 1w precipitator”进行检索，从2002—2022年这20年间该技术的专利申请量趋势、主要专利申请人、有效专利全球分布国别占比的角度，分析静电除尘技术的专利申请和技术发展情况。

1.1 专利申请量

图1示出了静电除尘技术历年的申请量。2002—2022年该技术专利申请量整体呈上升趋势，技术发展可分为3个阶段：发展储备期、快速发展期、成熟期。①发展储备期（2002—2012年）：随着我国经济的快速发展，大量有害物质被排放至空气中，致使PM2.5、PM10等有毒有害物质浓度剧增，雾霾天气频繁出现，空气污染的治理刻不容缓。在这种背景下，专利申请量呈平稳上升趋势。②快速发展期（2013—2019年）：已存在的空气污染影响了公众健康和城市的可持续发展。随着人们生活质量的提高，对室内和工业环境中的空气净化需求不断增加，人们越来越重视空气污染的问题，国家也从各方面如增加植被面积、工地和公路降尘等提高空气环境。静电除尘技术以其成本低、效果好等优势成为研究重点，得到大量的应用，相比于前一阶段，专利申请量迅猛增长。③成熟期（2020—2022年）：该阶段专利申请量呈下降趋势。由于静电效应分离弥散颗粒技术走向成熟，基本满足实际使用需求，改进空间减小，因此申请量减少，并维持在一个稳定水平。

1.2 主要专利申请人

静电除尘技术的主要申请人集中在各大致力于环境保护的企业，且以中国、韩国、日本、美国企业为主（见图2）。随着我国对空气环境的高质量需求不断增加，致力于空气污染治理、烟气治理、油烟治理的企业如珠海格力电器、福建龙净环保股份有限公司、浙江菲达环保科技、美的集团、宁波方太厨具有限公司等的专利申请量如雨后春笋般增加，研发实力和技术水平持续上升。韩国的LG和三星，日本的大金、松下、夏普等企业同样致力于环境污染治理，不断打破技术壁垒，也是重点申请人。美国的3M、通用电气等企业的专利申请量也占据很大比例，这与美国的科技发展水平和对环境污染的关注程度有关。

1.3 有效专利全球分布国别

静电除尘技术的专利申请主要来自中国、韩国、美国、日本及欧洲部分国家（见图3）。亚洲国家特别是中国近年来经济发展迅速，空气净化需求高，环境治理的成本投入不断增加并推进技术发展，公众对相关技术的专利权保护越来越重视，成为本领域专利申请最为活跃的国家。韩国和日本与中国经济交往密切，该技术也在同步推进。美国和欧洲部分国家一直致力于静电除尘技术的改进，但该技术已日趋成熟，技术更新和改进空间缩减，专利申请量落后于中国。

2 静电效应分离弥散颗粒技术分析

静电除尘的工作原理为利用高压电场使放电极放电，气流中的粉尘颗粒带上电荷，集尘极与放电极电性相反，带电的粉尘颗粒在电场力的作用下吸附在集尘极上。由此，静电除尘技术的3个重要组成为高压电源、放电极、集尘极。目前，静电效应分离弥散颗粒技术的研究方向主要是以上述3个组成为切入点进行技术改进，以提高静电除尘器的颗粒捕集能力。下面分别对高压电源、放电极、集尘极的典型专利技术作介绍。

2.1 高压电源

2.1.1 高压脉冲电源。涉及厦门绿洋电气有限公司在专利申请CN105709935A中公开的相关技术。静电除尘用脉冲电源包括间歇脉冲产生电路和窄脉冲产生电路。间歇脉冲产生电路包括三相可控硅和三相升压整流电路，三相可控硅的控制端与控制器连接，三相升压整流电路的输入端通过三相可控硅与三相交流电源的三相连接，三相升压整流电路的输出端与窄脉冲产生电路的输出端串联后接在电除尘器的收尘极和放电极之间。电除尘器的收尘极接地，控制器输出控制信号控制三相可控硅通断使间歇脉冲产生电路产生与窄脉冲产生电路产生的窄脉冲电源同步的间歇脉冲电源，且间歇脉冲电源的脉冲宽度大于窄脉冲电源的脉冲宽度，从而将窄脉冲电源串联叠加在间歇脉冲电源的峰值上后施加在电除尘器的收尘极和放电极之间。

该篇专利采用高压整流后串联叠加方式，在三相高压整流电源的基础上串联叠加窄脉冲整流电压，直接100％施加到负载放电极，负载等效电容两端的瞬态脉冲电压值＝（间隙脉冲电压值+窄脉冲电压值），使得施加到负载的电压高；同时可调控有效脉冲宽度，三相基础电源采用间歇脉冲供电模式，窄脉冲电压可同步直接叠加在基础电压峰值之上，基础电源间歇脉冲占空比可调，与纯直流基础电源相比，运行电耗低，至少可降低电耗50％。

解决了现有技术中存在的基础电压为纯直流电压、电耗大、在工艺上难以实现初级瞬态开关电流10 kA以上的技术问题和需求，充分发挥和体现了脉冲电源能耗优势，提高除尘效率。

2.1.2 高频高压电源。涉及武汉东城新能源有限公司在专利申请CN110339944A中公开的相关技术。小型化1.2A电除尘高频高压电源包括上下设置且固定连接的机柜2与油箱1；机柜2的顶面安装有4个呈矩形分布的吊耳11，机柜2的侧面上分别设有外接线盒40、进风罩8、出风罩16，进风罩8、出风罩16分别贯穿机柜2的侧壁；机柜2内安装有上下分层设置的主控制电路组件与功率电路组件，主控制电路组件与功率电路组件电连接；油箱1内安装有主变压器与高压硅堆，主变压器的次级与高压硅堆电连接，主变压器的初级通过电连接件与功率电路组件连接；油箱1外侧安装有喇叭状的高压罩17，高压罩17的宽口朝外，高压罩17中心安装有高压输出接线柱，高压输出接线柱穿过油箱1壁与高压硅堆连接，高压输出接线柱的另一端连接除尘器的阳极板。高压输出接线柱外侧串联安装有若干个高压瓷瓶22，用于增大本高压电源的高压输出端与除尘器的爬电距离。该篇专利是典型的用于静电除尘的高频高压电源设备。将高频高压电源的功率电路组件与主控制电路组件集成在一个机柜2内，便于安装，且体积小结构紧凑，主变压器置于油箱内，通过绝缘油与空气进行热交换，提高电源系统的散热性，助力电源系统的可靠长久运行，延长使用寿命。

2.2 放电极

在静电除尘领域，放电极接通高压电源的正极或负极，以线或尖端的形式释放电荷，使空气中的弥散颗粒带上电荷。检索时常使用关键词“电晕”“放电”“电离”“荷电”“芒刺”“针”“阴极”等，放电极结构以线或丝、尖端放电或复合形式为主。

2.2.1 线或丝式放电极。涉及江苏博隆环保设备有限公司在专利申请CN102896043A中公开的相关技术。该篇专利包括金属筒体，金属筒体下部一侧设有进气口，金属筒体下端设有集灰斗，金属筒体上端设有出气口，金属筒体上部设有绝缘子，绝缘子上连接有一电晕线，电晕线下端连接有拉紧装置，金属筒体外部设有一直流电源，直流电源两端分别与金属筒体外侧下部和电晕线上端连接。电晕线采用无芒刺不锈钢细钢丝。电晕线接通高压直流电源，电压范围为60～120 KV，使得细微粉尘带上正电荷，最终被捕集于金属筒体上。采用的放电极是无芒刺式电晕线或丝，该结构为连续线式放电，荷电均匀，无断点，适于粉尘浓度高的净化环境。

2.2.2 尖端放电式放电极。以设置尖端的形式放电，通常包括芒刺式、环针、螺旋式螺牙锋刃、锯齿、N角星式等。即在放电极上形成尖端，在强电场作用下，尖锐的尖端位置电荷密度大，尖端附近的电场较强，形成电晕放电现象，进而使得空气中的粉尘颗粒带上电荷。以芒刺式尖端放电极为例，涉及安徽中研电气有限责任公司在专利申请CN108480049A中公开的相关技术。新型静电芒刺线包括多根毛刺线1，多根毛刺线1的第一端相互编织在一起形成条带状结构的固定部2，多根毛刺线1的第二端位于固定部2外部，毛刺线1具有导电性。采用多根导电毛刺线编织成型，加工实现简单，质量轻、节约材料、韧性好，芒刺密度大，电荷放电能力强。

2.2.3 复合式放电极。线或丝式放电极的优势在于连续线式放电、荷电均匀，劣势在于放电强度相对较低；尖端放电式放电极的优势在于点放电、放电强度高，劣势在于断点式放电、放电环境不均匀。涉及深圳市天得一环境科技有限公司在专利申请CN113546761A中公开的相关技术。该复合放电电极100包括放电片120及放电丝110。放电片120具有相对的两个放电侧缘，也就是说，在放电片120的一侧具有一个放电侧缘，在放电片120的相对另一侧也具有一个放电侧缘。两个放电侧缘中，至少一个放电侧缘上形成有在其长度方向上间隔设置的多个放电尖端122。本申请的一个具体实施例中，每个放电侧缘上都设有间隔布置的多个放电尖端122，多个放电尖端122沿着放电侧缘的长度方向依次布置。放电丝110相对所述放电片120固定，所述放电丝110处于伸直状态，所述放电丝110依次串接多个所述放电尖端122。本申请的一个具体实施例中，放电丝110固定在放电片120上，可将放电丝110的两端分别固定在放电片120的两端。放电片120可以是锯齿形放电片120等，放电丝110可以是电离丝等。该篇专利的放电片120的放电侧缘在长度方向上间隔设置多个放电尖端122，由放电丝110依次串接多个放电尖端122，融合了放电丝和放电尖端的优势，放电尖端周围形成大量自由电子和正负离子，自由电子和正负离子对污染颗粒进行荷电，放电丝串接放电尖端，使放电丝产生电晕现象，对颗粒荷电。放电丝提高了荷电均匀性，弥补了放电尖端荷电不均匀的问题，同时保证了荷电强度。该专利融合了放电丝和放电尖端的优势，提高了净化效率。

2.3 集尘极

在静电除尘领域，集尘极接通高压电源的与放电极相反的电极端，空气中的粉尘颗粒带上与放电极相同的电荷，在电场力的作用下，带电颗粒被集尘极捕集。检索时常使用关键词“集尘极”“阳极”“极板”“积尘极”等，集尘极结构以板式集尘极、筒式集尘极、移动式集尘极为主。

2.3.1 板式集尘极。板式集尘极主要为平板式。为了增大附着面积，还包括C形、波浪形、Z形、S形等；为均匀气流，还包括孔板式集尘极、蜂窝式集尘极等。在对集尘空间进行布置时，集尘极可垂直于气流方向、平行于气流方向或与气流方向呈一定角度。以平板式集尘极为例，涉及珠海格力电器股份有限公司在专利申请CN104226482A中公开的相关技术。除尘器包括丝板式除尘部件，包括电源、集尘极和电晕极。集尘极连接于电源的负极，具有m个并列设置的集尘板，电晕极连接于电源的正极，具有n个并列设置的电晕丝。其中，每个电晕丝所处的平面均对应位于m个集尘板中两个集尘板所处平面之间，即每两个相邻集尘板所处平面之间均设置有一个电晕丝。该篇专利的集尘极采用平板式，连接电源负极，电晕极连接电源正极，空气中的微粒带上正电荷，在电场力的作用下，被带负电的集尘极捕集。

2.3.2 筒式集尘极。筒式集尘极包括圆筒式、蜂窝式、方筒式、多边形式等。放电极置于筒式集尘极的筒中央或置于筒式集尘极上游气流空间内，主要以集尘筒的横截面不同为区别。检索时常使用检索式“（筒 or 蜂窝） 20d （阳极 or 集尘 or 积尘）”或更换为其他关键词。以蜂窝式集尘极为例，涉及北京北科环境工程有限公司在专利申请CN105903569A中公开的相关技术。该湿式电除尘器阳极由一个以上的阳极单元组成，其中，阳极单元为六边蜂窝状结构，阳极单元由聚氟乙烯表层涂镀碳纤维制成，碳纤维采用电镀、涂覆或压制的方式涂镀在阳极单元上。该篇专利的阳极即集尘极为六边蜂窝状结构，提高了集尘空间利用率，扩展了集尘面积，克服了积灰死角等问题。

2.3.3 移动式集尘极。固定式集尘极通常存在集灰后清洗或更换作业困难等问题，移动式集尘极解决了上述问题，减轻了更换作业人员的劳动强度，提高了集尘极重复利用率，降低操作成本。涉及株式会社日立工业设备技术在专利申请CN101670312A中公开的相关技术。在电集尘装置1中，在气体入口2a与气体出口2b之间形成了气体流路的箱体2的内部，设置着作为集尘用电极的多个固定电极3和移动电极4。在各电极的下部设有漏斗6和排出传送带7。漏斗6用于使被电极捕集的尘埃下落并回收，排出传送带7将回收的尘埃排出。上述移动电极由悬挂在一对环形链上的多个集尘极板形成环、绕上述放电极环行，具有在预定位置刷拭上述环行集尘极板的刮拭机构。该篇专利的集尘电极包括多个固定电极和一个移动电极。移动电极由悬挂在一对环形链上的多个集尘极板形成环、绕上述放电极环行，不断进行集尘操作，刮拭机构刮去集尘极板上的灰尘，被清理后的集尘极板随着链条的旋转重新移动至集尘区域进行灰尘捕集，可实现对集尘极板的重复利用，降低了集尘极板的更换频率，提升了集尘效率。

2.3.4 复合式集尘极。不同形式的集尘极各有优点和缺点，捕集针对的微粒粒级、粉尘浓度、环境温湿度等不尽相同，静电除尘应用的作业环境复杂时，采用复合式集尘极可融合不同集尘极的优势，达到事半功倍的效果。如案例CN101670312A采用板式固定电极和移动电极，结合了两种不同集尘极的优点，提高了除尘效率。现有技术中，还有筒式集尘极复合移动集尘极、筒式集尘极复合板式集尘极等，其设置了不同的集尘空间。

3 结论

本文根据静电效应分离弥散颗粒技术的专利申请态势，结合实际专利申请案例，分析静电效应分离弥散颗粒技术。以高压电源、放电极、集尘极这3个要素作为研究方向，理清了静电效应分离弥散颗粒技术的总体脉络；目前复合式放电极、集尘极技术日渐推进，新型材料、电子传感、智能控制等均是该项技术的改进和创新趋势。本领域技术人员应深耕技术研究，提高研发实力，不断创新，使该技术得到高速平稳发展［4-5］。

参考文献：

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［2］刘文华.空气净化技术及其应用的对比分析［J］.洁净与空调技术，2022（1）：25-29.

［3］方梦祥，柳佳佳，岑建孟，等.高温静电除尘技术研究进展及应用前景［J］.高电压技术，2019，45（4）：1108-1117.

［4］保继栋，姚万龙.尾气净化领域专利分析及创新态势研究［J］.甘肃科技，2023，39（4）：63-67，114.

［5］李秀芬，冯业钧，冯伟杰.干式静电除尘器在熔铸烟气治理工程中的应用［J］.化工管理，2021（36）：113-114.