电帘除尘技术的研究现状

袁亚飞 刘 民 柏向春

(北京东方计量测试研究所,北京 100086)

1 引言

在月球表面悬浮着厚厚的一层由于长期环境作用而形成的微小粒子,粒子的平均直径仅有40～130μm 。这些悬浮的微尘具有较低的导电率特性和较高的比表面积,在光电效应和太阳风的作用下很容易带上静电,并在相当长的时间内保持着带电状态。带静电的微尘具有很强的粘附性,粘附和堆积在任何与之接触的装置和设备上,造成视觉模糊、读数错误、密封失效、机械堵塞、材料磨损、热控失效、吸入过敏等诸多问题[1-3]。例如,Apollo-12 飞船的摄像头因覆盖一层月尘而视觉模糊;灰尘进入到Apollo-15 飞船的摄像头驱动机构而致使其失效。因此,Apollo-16 飞船宇航员John Yong 曾说过:“重返月球的首要关心的问题是月球尘埃”[4-5]。

在火星上,风暴席卷着微小的尘埃布满了整个火星表面,细小的微尘被吹浮到数千米的高空,并悬浮在那里长达数个月之久。这些微尘堆积在光学系统上使其视觉模糊,积聚在太阳电池翼表面上使其转换效率降低。据“火星探路者”(Mars Pathfinder)测试结果表明:积聚和粘附在太阳电池翼上的尘埃使太阳电池翼的转换效应每个火星日下降约0.28%。据估计两年后,积聚物造成的太阳电池翼的电性能下降可达22%～89%之间[6-7]。

因此,微尘是月球和火星探测不得不解决的问题。针对月球和火星的特殊环境,除尘方法可分为自然除尘、机械除尘、电动机械除尘和静电除尘几大类,电帘静电除尘技术因无接触式运动结构、除尘效率比较高,近年来倍受关注。

电帘除尘最早于1967年出现在NASA 的除尘技术报告中,当时是为了解决Apollo 任务的除尘问题,但报告中并没有进行深入探讨[8]。直到20 世纪70年代,M asuda 等人在大气环境中证明了利用电磁行波能够搬运宏观带电微尘,即利用连接交流电源的平行电极产生行波的方法成功地进行无接触式搬运微尘,微尘根据所带电荷的极性顺着或逆着电场的方向移动,最终被移除[9]。直到美国重返月球计划的提出, 电帘除尘技术才引起广泛的关注,NASA 有关试验室已经进行了大量的试验,并获得了宝贵的数据。

本文主要在调研相关文献的基础上,阐述了电帘除尘技术的基本结构、基本原理、理论推导和影响除尘效率的因素等,可对我国研究电帘除尘技术有一定的参考作用。

2 基本结构

电帘由许多平行电极组成[18]。通常采用标准印刷电路板工艺的制作方法制作而成。在电极的表面喷涂一层聚酯薄膜,防止电极之间被击穿。电帘一般可分为两种:不透明的和透明的。不透明的一般以聚酯材料为衬底,以铜作为电极,表面喷涂聚酯薄膜。透明的是以玻璃或柔性聚酯材料为基底,以氧化铟锡(ITO)为电极,表面喷涂聚酯薄膜。如图1 所示。透明的电帘可以作为火星太阳电池翼表面盖板,也可以应用到其它的光学系统上[10]。

图1 电帘的基本结构Fig.1 Basic st ructure of electrode screen

3 除尘原理

电极是由单相或多相时基电压信号(正弦或方波)激励。在单相电极模型中,如图2 所示,单相电极植入衬底中,电极连接到单相电源上。当电源极性变换时,试验板表面将产生相反的电场。结果是,单相电极在试验板表面产生驻波电场,带电粒子在驻波电场的作用下来回移动,而没有定向移动,无法有效地从试验板表面移除。Pierre Atten 和他的同事在火星模拟环境中验证了单相电极也能部分的移除微尘,这主要是因为气体放电的缘故[11]。

图2 单相电帘模式Fig.2 Single-phase electrode screen

如图3 所示,当电极连接到三相电压信号时,将产生行波电场。图3 中,A 相接正电压(VA＞0V),B 相接地(VB=0V), C 相接负电压(VC＜0V),正负电压相等。带电微尘在行波电场的作用下将沿着垂直于电极轴的方向定向移动,直到他们越过电极移动到电场强度比较小的地方。不带电的微尘落在电帘表面,也会被移除。这是因为不带电的微尘在降落到电帘的过程中通过静电感应和摩擦而带上某种电荷,从而被移除。或者是因为微尘在电帘的非均匀电场中被极化,产生电偶极矩,具有电偶极矩的微尘在非均匀电场中受的力统称为介电泳力,微尘在介电泳力的作用下被移除[12]。同时,有人也验证了在真空环境中和低重力情况下微尘也可以被有效地移除[13]。

图3 三相电帘模式Fig.3 Three-phase electrode screen

4 理论推导

悬浮在电帘表面的带电微尘所受的力包括电动力学、黏性阻力和重力[10,14-15],符合下列等式

其中:m 为微尘的质量;r 为微尘的位置;q 为微尘的带电量;E 为电场强度;η为黏性系数;g 为重力加速度。

由于微尘的运动是耦合的、非线性的。上述等式很难得到精确的解析解。Masuda 等人通过假设微尘是摆动的提出了一种近似线性的解。利用数值方程模拟微尘的运行轨迹与精确测试的结果匹配得非常好[9]。

对不带电的微尘,受到的平均介电泳力在时间和空间上都与电场强度有关

其中:E*为电场强度的复共轭;p 为感应电偶极矩。对于球形微尘,感应电偶极矩为

其中:εm 为介质的复介电常数;f CM 为Clausius-M ossotti(克劳修斯-莫索蒂)因子,可表示为

其中:εm为介质的复介电常数;εp为微尘的复介电常数。将式(3)代入到式(2)中,可求得可极化的球形微尘的平均介电泳力为

其中:EI为负的电位φI梯度;ER为负的电位φR梯度;Re(fCM)为fCM的实部。lm(fCM)为fCM的虚部。

这种力不仅可以作用在可极化的微尘也可以作用在双极性的微尘(包含等量的正负电荷的微尘)上,这部分应该增加到力的等式中。如果微尘的介电常数小于周围介质的介电常数,微尘将向电场梯度最小处移动,也就是远离电帘的方向。然而,在大多数情况下,微尘的介电常数大于周围介质的介电常数时,将被电极所吸引。在这种情况下,微尘在移向电帘的过程中将由于摩擦而获得了一定电荷,在更大电场力的作用下将被抬起远离电帘。

5 除尘效率

5.1 除尘效率定义

电帘的除尘效率(Clearing Factor, CF)定义为电帘加电15s 后剩余的微尘质量除以最初堆积电帘上微尘的质量。可以由下式表示[16]

其中:mi为堆积在电帘上的最初的质量;mf为电帘加电15s 后剩余的质量。

为了表征加电时间对除尘效果的影响,Rajesh Sharma[17]将除尘效率定义为电帘加电后剩余的微尘质量除以最初堆积在电帘上微尘的质量。这时公式(6)中mf表示为电帘加电后剩余的质量。

影响电帘除尘效率的主要因素有:激励的电压幅值、频率和波形,电极的宽度与间距,连续加载以及施加电压与旋转微尘的顺序等。

5.2 电压和频率对除尘效率的影响

采用标准印制电路板工艺制作的不透明电帘作为试验电帘,施加电压范围为0～10kV,频率范围为0～1 000Hz。通过一系列的试验,在加电15s后,测试除尘效率,可以得到电压、频率与移除效率之间的关系,如图4 所示[16]。注意施加的电压应该小于电极之间放电的电压。通过图4 可以看出,频率是影响除尘效率的主要因素。但并不是频率越高,除尘效率就越高。然而,频率越高,却越有利于防止微尘降落在电帘上。推荐的电压为8kV,频率为5～15Hz。

图4 电压和频率对除尘效率的影响Fig.4 Variation of clearing factor with amplitude and frequency of signal

5.3 波形对除尘效率的影响

采用标准印制电路板工艺制作的不透明电帘作为试验电帘,A.S.Biris 试验了正弦、方波和三角波对除尘效率影响,试验结果如图5 所示[16]。从图5中可以看出,正弦和方波几乎有相同的效果,而三角波仅能够移除很少的微尘。这种现象可以这样理解:信号幅值增长的梯度是微尘移除最主要的因素。梯度越大,微尘越容易被移除。

图5 波形对除尘效率的影响Fig.5 Clearing factor as function of the signal shape

5.4 电极宽度与间距对除尘效率的影响

C.I.Calle[12]利用标准印制电路板工艺制作了三个电帘, 电极宽度与间距分别是(0.6mm,2.0mm),(0.5mm,1.5mm)和(0.3mm,1.0mm),并在大气环境和模拟火星环境中进行了除尘效率的试验,试验结果如图6 和图7 所示。试验结果表明小的宽度和间距能更有效地移除微尘。

图6 大气环境下间距和宽度对除尘效率的影响Fig.6 Minimum voltage required for particle t ransport as a function of f requency for screens for various widths and spaces at atmospheric pressures

5.5 连续加载对除尘效率的影响

Rajesh Sharma[17]以ITO 作为电帘,电极宽度0.27mm,间距0.508mm。施加1 200V 的方波电压,火星微尘模拟物采用JSC Mars-1。对电帘连续加电20～35min,微尘也连续的降落在电帘上。连续加载微尘的数量约等于火星一年内的积聚在同面积太阳电池翼上的微尘数量。试验结果如图8 所示。从图上可以看出,即使在加载微尘最密集时,除尘效率也能达到90%以上。说明电帘能够有效地保持表面的清洁。

图7 模拟火星环境下间距和宽度对除尘效率的影响Fig.7 Minimum voltage required for particle transport as a function of frequency for screens for various widths and spaces at simulated Marian pressures 7 torr CO2

图8 连续加载对除尘效率的影响Fig.8 DRE of EDS under screen energization with continuous loading

5.6 加电与放置微尘顺序对除尘效率的影响

Rajesh Sharma[17]以同样的电极, 做了加电与放置微尘顺序的试验。即每15min 加电一次,运行时间90min。加电与放置微尘顺序对除尘效率的影响如图9 所示。加电前放置微尘的效率为91.5%,加电后放置微尘的效率为97.6%。这主要是因为:加电前放置微尘,微尘已经降落到了电帘上,需要重新举起微尘才能移除微尘。而加电后放置微尘,将会有部分微尘在没有直接降落到电帘上就已经被移除了。因此,加电后放置微尘的除尘效率会更高一些。

6 结束语

图9 加电与放置微尘顺序对除尘效率的影响Fig.9 DRE of EDS with intermittent dust deposition and screen energization at every 15 min

电帘除尘技术主要是利用静电力或介电泳力将微尘举起并移离电帘基板,因不具有接触式运动结构,除尘效率高而得到广泛的关注,特别是透明的氧化铟锡(ITO)电帘对光学系统防护和太阳电池翼除尘具有很强的吸引力。

国外对电帘除尘技术已经进行了很多研究,国内还没有正式开展这方面的研究,中国空间技术研究院在电帘除尘技术方面的研究也是刚刚起步。主要从以下三个方面着手开展电帘除尘技术的研究。

1)开展大气环境中电帘除尘技术的试验:解决电压和频率均可调的三相电源技术,设计完成试验用电帘电源;在利用标准印制电路板工艺制作的电帘上,分析大气环境中电压幅值和频率、电极宽度和间距等对除尘的效率影响;分析电帘的功耗;同时进行大气环境中电帘除尘技术的仿真分析。

2)开展模拟月球环境或模拟火星环境中电帘除尘技术的试验:在利用标准印制电路板工艺制作的电帘上和ITO 电帘上,分析电压幅值和频率、电极宽度和间距等对除尘的效率影响;分析电帘的功耗;测试ITO 电帘的透光率;同时进行电帘除尘技术的仿真分析。

3)努力争取开展月球和火星电帘除尘技术的试验。

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