CN102091341B - 空气净化设备及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种光催化空气净化设备及其制造方法。该设备可以被配置为包括被一个或者多个多孔板基片围绕的光源。可以利用光催化剂材料涂覆每一个板基片的内表面和外表面。可以沿着平行于空气流的方向并且以光学方式邻近板基片地置放光源从而激活光催化剂涂层。与板基片相关联的光催化剂涂层可以通过从光源吸收具有比截止激活波长更短的波长的光而被激活从而利用被激活的光催化剂捕集并且分解空气中的有机成分和空气携带污染物。
Description
技术领域
实施例大体上与空气净化有关。实施例还与用于在空气净化中使用的光催化剂材料有关。实施例另外地与光催化空气净化有关。
背景技术
主要在商业和住宅加热、通风和空气冷却系统中采用空气过滤以移除大气尘土和其它不理想的空气携带物质。与室内空气质量（IAQ）系统相关联的空气过滤器例如通过以机械方式捕集具有大于10um的较大尺寸的空气携带污染物例如尘土、宠物毛发、头皮屑、花粉等来清洁空气。传统的电子空气清洁器移除在大致0.3um到10um之间的尺寸范围中的颗粒。这种物理过滤方案在它们的效力方面受到限制，因为它们并不移除更小尺寸的污染物例如生物污染物和挥发性有机化合物。
为进行空气净化，已经在于室内空气质量系统中利用的空气过滤器的背景中采用了具有强的杀菌、除臭和空气净化效果的光催化剂。一种现有技术方案例如采用带有由蜂窝形结构构成的光催化剂携带部件的空气净化器。在这种配置中，光催化剂携带部件与灯接触，灯发射具有适当波长的光子以激活光催化剂。
与这种现有技术方案相关联的问题之一源于以下事实，即，在蜂窝形结构中的光催化剂的有限区域被灯照亮和激活以进行空气清洁，这是一种低效的方案。
另一项现有技术沿着垂直于空气流方向的方向定位灯以激活光催化剂。可以将带有光激活光催化剂的多孔基片置于灯的前面。因此，仅仅采用了照亮多孔基片的光的一个部分以激活光催化剂并且源于多孔基片的光能通常被浪费。
基于前述，如在这里更加详细地描述地，认为对于一种改进的光催化剂基空气净化设备和用于改进被采用以激活光催化剂的光能的使用效率的方法存在需要。
发明内容
提供了以下简介以便理解本发明独特的创造性特征中的一些而非旨在成为全面的说明。能够通过将整个说明书、权利要求书、附图和摘要视为整体而获得对于在这里公开的实施例的各种方面的充分理解。
因此，所公开实施例的一个方面在于提供一种改进的空气净化设备和方法。
所公开实施例的另一个方面在于提供一种改进的光催化空气净化设备。
所公开实施例的进一步的方面在于提供一种制造空气净化设备的、改进的方法。
现在能够如在这里描述地实现前述的方面和其它目的和优点。公开了一种光催化空气净化设备及其制造方法。该设备能够被配置为包括被一个或者多个多孔板基片围绕的光源（例如UV灯、荧光灯、LED等）。可以利用例如光催化剂材料涂覆每一个板基片的内表面和外表面。可以沿着平行于空气流的方向的方向并且与板基片（一个或者多个）以光学方式邻近地置放光源从而激活光催化剂涂层。与板基片相关联的光催化剂涂层可以通过从光源吸收具有比截止激活波长更短的波长的光而被激活从而经由被激活的光催化剂捕集并且分解空气中的有机成分。
能够在光催化剂涂层和板基片之间添加一个或者多个界面层以改进在光催化剂和基片之间的粘附力并且促进光能的有效使用。光源和板基片能够被安装到固定件中，该固定件被配置为包括一个或者多个带扣以固定光源和板。该固定件的基部进一步包括用于光源电路连接的通道。
所公开的空气净化设备还能够以形成能够被安设于IAQ（室内空气质量）系统中并且被连接到此的阵列的配置组合。光源的发射光谱基本上包括用于激活光催化剂的波长范围，并且板基片在相应的光催化剂激活的波长范围中拥有较高的透射性。
在两个相邻板基片之间的隔开间隔能够得以调节并且基片被以任何形状配置。所采用的板的数目依赖于板在相应的激活波长范围中的透射性。光源还能够靠近内部板基片的周边定位。基片的内表面和外表面可以配置有具有微米或者纳米量级尺寸的多孔和/或粗糙结构以提高基片的表面面积和光催化剂的覆盖面积，由此改进空气净化效率。
附图说明
其中贯穿各个视图同样的引用数字引用相同或者在功能上类似的元件并且在说明书中结合并且形成它的一个部分的附图进一步示意了本发明，并且与本发明的详细说明一起地，用于解释本发明的原理。
图1示意根据公开实施例的空气净化设备的透视图；
图2示意根据公开实施例的、在图1中描绘的空气净化设备的顶视图；
图3示意根据公开实施例的、在图1中描绘的空气净化设备的截面视图；
图4示意根据公开实施例与空气净化设备相关联的固定件的顶视图；
图5示意根据公开实施例的、与空气净化设备相关联的固定件的前视图；
图6示意根据公开实施例的、被安装到固定件上的空气净化设备的顶视图；
图7示意根据公开实施例的、与靠近内部板基片的周边放置的光源相关联的空气净化设备的顶视图；
图8示意根据公开实施例的、与矩形板基片相关联的空气净化设备的顶视图；
图9示意根据公开实施例的、与波纹板基片相关联的空气净化设备的顶视图；
图10示意根据公开实施例的、空气净化设备的阵列的顶视图；并且
图11示意根据公开实施例的、示意用于制造空气净化设备的方法的逻辑操作步骤的高级操作流程图。
具体实施方式
在这些非限制实例中讨论的具体数值和配置能够被改变并且被引用以仅仅示意至少一个实施例并且而非旨在限制其范围。
图1示意根据公开实施例的空气净化设备100的透视图。空气净化设备100可以优选地被安设于房间的墙壁中并且位于房间的空气通过其循环的空气通道中。设备100净化流过通道的空气（例如，经处理的流体）。此外，还能够与IAQ系统相关联地安设设备100以通过以机械方式捕集空气携带污染物和更小尺寸的污染物，例如生物污染物和挥发性有机化合物而清洁空气。
空气净化设备100能够被配置为包括光源110和一个或者多个板基片120。能够在内表面和外表面这两者上利用光催化剂材料140涂覆每一个板基片120。光源110能够被置于被板基片120围绕的中心中。另外，能够沿着平行于空气流130的方向的方向并且以光学方式邻近板基片120地置放光源110从而激活光催化剂涂层140。光源110的发射光谱包括用于激活光催化剂涂层140的波长范围。
板基片120在相应的光催化剂激活的波长范围中拥有较高的透射性。在板基片120的内表面和外表面上的光催化剂涂层140能够通过吸收具有比它的截止激活波长更短的波长的光而被激活。能够采用各种光源诸如、例如紫外线（UV）和可视灯来照亮光催化剂涂层140。然而，本领域技术人员将清楚，如果光催化剂材料是可见光响应性的，则能够利用其它光源例如荧光灯、LED等替代。因此，光源110能够例如能够是紫外线灯、荧光灯、发光二极管等。
能够利用作为光源110的光源的另一实例是VCSEL（垂直腔面发射激光器），与从通过从晶片劈开各个芯片而形成的表面发射的传统的边发射半导体激光器（也称为面内激光器）相反，这是激光束发射与顶表面垂直的一种类型的半导体激光二极管。
图2示意根据公开实施例的空气净化设备100的顶视图。注意在图1-11中，相同或者类似的部件或者元件基本上由相同的引用数字示意。能够沿着平行于空气流130的方向的方向置放光源110从而空气中的有机成分能够被捕集并且被激活的光催化剂涂层140分解。能够依赖于设计考虑调节在两个相邻的板基片120之间的隔开间隔。较大的间隔可以产生较小的风阻，因为板允许光催化剂激活的波长范围中的光透射并且从光源110发射的光束能够通过多个板基片120透射。
板基片120的数目依赖于板基片120在相应的激活波长范围中的透射性。能够为了实现更高的透射性而放置更多的板。与板基片120相关联的透射特性能够与光源110的发射光谱和光催化剂材料140的响应光谱一致。例如，如果光源110是具有254nm的支配性波长的UV灯，则板基片120在254nm左右的波长范围中也拥有较大的透射性，例如20%或者更多。板基片120在相应的光催化剂激活的波长范围中的、更高的透射性允许安置另外的板基片，诸如、例如基片120，另外的板基片然后能够采用增加的光能以实现更高的空气净化效率。
依赖于设计考虑，在这里描述的板基片120能够从材料诸如、例如石英玻璃、紫外线透射玻璃或者聚合物、硼硅酸盐玻璃、蓝宝石、氟化镁（MgF2）、氟化锂（LiF）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）配置。能够从能够吸收或者阻挡紫外线的材料配置所述的板。如果选择可见光响应光催化剂和可见光源，则还可以从材料例如普通玻璃、PC、PS、PET等配置所述的板。能够理解，能够利用其它类型的材料替代所建议的材料。
图3示意根据公开实施例的空气净化设备100的截面视图。每一个板基片120的内表面和外表面能够被配置为包括多孔和/或粗糙结构。例如，板基片120的表面能够被如此成形，使得它拥有大量微小凸起或者气孔。凸起或者气孔的尺寸能够具有微米或者纳米量级从而增加板基片120的比表面面积和光催化剂涂层140的覆盖面积并且改进空气净化效率。与板基片120相关联的多孔和非透明材料可以有效地捕集有机气体分子例如活性碳、金属泡沫、堇青石、海绵等或其组合。在这种情形中，仅仅要求很少的板基片120来围绕光源110。
能够在光催化剂涂层140和板基片120之间添加界面层（未示出）从而改进光能的使用效率并且增强透射性。例如，能够利用很多不同的技术诸如、例如物理气相沉积、化学气相沉积（CVD）、液相沉积（LPD）、浸渍、溅射等在板基片120上沉积界面层例如MgF2。还可以添加另一界面层以改进在光催化剂材料和板基片120之间的粘附力并且防止光催化剂在板基片120上的氧化效果。例如，根据基片和光催化剂材料选择，能够在板基片120的表面上涂覆底层例如SiO2以改进光催化剂粘附力。
图4示意根据公开实施例与空气净化设备100相关联的固定件400的顶视图。固定件400大体上包括基部410和一个或者多个带扣420从而固定光源110和板基片120，如在图5中描绘地。图6示意根据公开实施例的、被安装到固定件400上的空气净化设备100的顶视图。能够采用带扣420来固定光源110和板基片120。与固定件400相关联的基部410拥有用于关于光源110进行电路连接的通道。
依赖于设计考虑，能够从材料诸如、例如TiO2、ZnO、Fe2O3、CdS、CdSe、WO3、MoO3、V2O5、SnO2配置在这里描述的光催化剂。例如，通过掺杂元素例如Fe、Cr、Co、Mo、V、B、C、N、S和F从而改性TiO2，TiO2的光谱响应能够被延伸到可见光范围。光催化剂粒子的尺寸能够在nm范围（例如，对于TiO2相关颗粒为大致20nm或者更低）中以实现高的光催化活性。能够理解，能够利用其它类型的材料来替代所建议的材料。图7示意根据公开实施例的空气净化设备100的顶视图。只要光源110能够被板基片120围绕，便能够靠近内部板基片120的周边放置光源110。
图8示意与围绕光源110的矩形板基片620相关联的空气净化设备100的顶视图。同样，作为提醒，在图1-11中，相同或者类似的元件和构件大体上由相同的引用数字示意。图9示意根据公开实施例与围绕光源110的任意形状的板基片720相关联的空气净化设备100的顶视图。依赖于设计考虑，板基片120还可以被成形为波浪或者波纹形状、或者蜂窝形状。为了清楚和具体的意图描述了这些形状；然而，它们不应该被解释成本公开发明的限制特征。其它形状是可能的。然而，本领域技术人员将清楚，能够在不偏离本发明的范围的前提下更改这种形状。
图10示意根据公开实施例的空气净化设备的阵列700的顶视图。能够组合一个或者多个空气净化设备100以形成空气净化单元阵列700。能够通过在每一个多孔基片板120的两侧上涂覆光催化剂而制备光催化剂涂层140。空气净化设备100使用光催化剂涂层140氧化挥发性有机化合物或者其它多余的、有毒的或者可燃蒸汽。
图11示意根据公开实施例的、示意用于制造空气净化设备100的方法900的逻辑操作步骤的高级操作流程图。如在方框910处示意地，能够选择光催化剂材料以涂覆板基片120（和/或另外的基片）的表面。如在方框920处示意地，基片材料能够被选择并且配制成周围的板基片120。如在方框930处示意地，能够执行板基片120的表面处理以改进光透射性。板基片120的表面处理可以包括涂覆界面层和另一底层的过程以改进光催化剂粘附力并且防止光催化剂在基片120上的氧化效果。
此后，如在方框940处描绘地，然后能够将光催化剂材料沉积到板基片120的表面上。光催化剂材料的形式能够是在板基片120的表面上的粉末或者薄膜。对于TiO2光催化剂，沉积过程包括溶胶凝胶、LPD、CVD、热分解、磁控管溅射等。例如，利用TiO2水溶液，能够首先将板基片120置于溶液中，并且然后在一些时间之后取出，随后在室温下自然干燥或者在某种加热器件，例如烤炉中的适当的温度下干燥，或者靠近某种加热源干燥。因此，能够利用光催化剂颗粒涂覆板基片120的内表面和外表面。当然，能够理解，能够利用其它类型的涂覆方法例如利用喷射枪喷射光催化剂溶液以将光催化剂沉积到板基片120的表面上。在这种情形中，为了更好的涂覆效果，喷射枪的喷嘴直径能够理想地小于0.5mm。
如在方框950处描绘地，能够选择光源110和相关联的驱动电路。此后，如在方框960处描绘地，光源110和板基片120能够被安装到固定件400上以形成空气净化设备100。如在方框970处示意地，然后能够组合空气净化单元从而形成包括并排地放置并连接的多个空气净化单元的空气净化单元阵列700。认为通过利用在这里描述的设备和方案，能够在显著的程度上改进空气净化效率。在这里描述的空气净化设备100能够适于在显著的程度上增加光催化剂涂层140的照明面积并且改进被采用以激活光催化剂的光能的使用效率。
基于前述，能够理解，在一个实施例中，空气净化设备能够包括一个或者多个板基片，其中每一个基片配置有内表面和外表面。在这种实施例中，能够利用光催化剂涂覆内表面和外表面从而板基片（或者多个基片）相对于用于激活光催化剂的波长范围拥有较高的透射性。这种设备的实施例能够进一步包括被板基片（一个或者多个）围绕并且沿着平行于空气流的方向的方向定位的光源。板基片（一个或者多个）能够吸收具有比“截止”激活波长更短的波长的光能以激活光催化剂并且由此改进光能的使用效率和用于利用空气净化设备进行空气净化的空气净化效率。当被激活时，光催化剂能够捕集并且分解空气中的有机成分和空气携带污染物。
在公开的空气净化设备的另一实施例中，能够在板基片（一个或者多个）和光催化剂之间涂覆界面层从而改进光催化剂粘附力并且防止光催化剂相对于板基片（一个或者多个）的氧化。在再一步的实施例中，空气净化设备能够包括与用于安装板基片（一个或者多个）和光源的多个固定件带扣相关联的固定件。另外地，能够从固定件的基部形成/配置通道并且在固定件的基部处定位通道以提供到光源的电路连接。另外地，能够提供一种单元阵列，该单元阵列包括在固定件上安装以分解空气携带污染物的多个空气净化单元。
在公开的空气净化设备的再一实施例中，板基片（一个或者多个）能够被配置为包括例如在板基片（一个或者多个）的内表面和外表面上配置的多孔结构以增加相对于板基片（一个或者多个）的表面面积和相对于光催化剂的覆盖面积。可替代地，板基片（一个或者多个）能够被配置为包括在板基片（一个或者多个）的内表面和外表面上配置的粗糙结构以增加相对于板基片（一个或者多个）的表面面积和相对于光催化剂的覆盖面积。能够从多个适当的光源配置所公开的光源。例如，所公开的光源能够是紫外灯、荧光灯、发光二极管、VCSEL等等。在公开的空气净化设备的一些实施例中，能够从材料例如但是不限于石英玻璃；紫外线透射玻璃；聚合物；硼硅酸盐玻璃；蓝宝石；氟化镁；氟化锂；聚甲基丙烯酸甲酯；和/或塑料薄片材料配置板基片（一个或者多个）。能够例如从材料例如但是不限于TiO2、ZnO、Fe2O3、CdS、CdSe、WO3、MoO3、V2O5和SnO2配置所公开的光催化剂。能够从例如氟化镁、二氧化硅等等配置所公开的界面层。
在公开的空气净化设备的一些实施例中，能够经由工艺例如但是不限于物理气相沉积、化学气相沉积、液相沉积、浸渍和溅射在板基片（一个或者多个）上涂覆光催化剂和界面层。在所公开的空气净化设备的变化的实施例中，板基片（一个或者多个）能够具有形状诸如、例如圆状形状、矩形形状、任意形状、蜂窝形状或者另一适当的形状。
能够进一步理解，公开了涉及一种配置所公开的空气净化设备的方法的实施例。这种方法能够包括例如将一个或者多个板基片配置成包括内表面和外表面、利用光催化剂涂覆内表面和外表面以保证板基片（一个或者多个）相对于用于激活光催化剂的波长范围拥有较高的透射性，和，沿着平行于空气流的方向的方向利用板基片围绕光源，其中板基片（一个或者多个）吸收具有比截止激活波长更短的波长的光能以激活光催化剂并且由此改进光能的使用效率和用于利用该设备净化空气的空气净化效率。另外地，在这种方法中，当被激活时，光催化剂能够捕集并且分解空气中的有机成分和空气携带污染物。
在公开的方法的一些实施例中，能够执行处理步骤以涂覆在板基片（一个或者多个）和光催化剂之间的界面层从而其光催化剂粘附力并且防止光催化剂相对于板基片（一个或者多个）氧化。在这种方法的另外的其它实施例中，固定件能够与用于安装板基片（一个或者多个）和光源的多个固定件带扣相关联。然后能够从固定件的基部配置通道并且在固定件的基部处定位通道以提供到光源的电路连接。然后能够形成单元阵列，包括具有在固定件上安装以分解空气携带污染物的多个空气净化单元的单元阵列。
将会理解，以上公开的和其它的特征和功能的变型或者其可替代形式可以理想地被组合于很多其它不同的系统或者应用中。同样，本领域技术人员随后可以在其中作出期望也由以下权利要求涵盖的、各种目前未被预见或者未被预期的可替代形式、修改、变化或者改进。
Claims (10)
1.一种空气净化设备，包括：
具有内表面和外表面的多个板基片，其中利用光催化剂涂覆所述内表面和外表面并且其中所述多个板基片相对于用于激活所述光催化剂的波长范围拥有较高的透射性，其中所述多个板基片的总数取决于所述透射性；
在所述多个相邻板基片中的每一个之间的可调间隔；和
被所述多个板基片围绕并且沿着平行于空气流的方向的方向定位的光源，其中所述多个板基片吸收具有比截止激活波长更短的波长的光能以激活所述光催化剂并且由此改进所述光能的使用效率和用于由所述设备净化空气的空气净化效率。
2.根据权利要求1的设备，其中当被激活时，所述光催化剂捕集并且分解在所述空气中的有机成分和空气携带污染物。
3.根据权利要求1的设备，进一步包括：
在所述多个板基片和所述光催化剂之间涂覆的多个界面层，其中所述多个界面层中的至少一个被配置为改进光催化剂粘附力，所述多个界面层中的至少一个被配置为防止所述光催化剂的氧化，以及所述多个界面层中的至少一个被配置为改进光能的使用效率。
4.根据权利要求1的设备，进一步包括：
与用于安装所述多个板基片和所述光源的多个固定件带扣相关联的固定件；和
提供到所述光源的电路连接的、从所述固定件的基部形成并且位于所述固定件的基部处的通道。
5.根据权利要求4的设备，进一步包括在所述固定件上安装以分解空气携带污染物的多个空气净化单元的单元阵列。
6.根据权利要求1的设备，其中所述多个板基片进一步包括：
在所述多个板基片的所述内表面和所述外表面上配置以增加相对于所述多个板基片的表面面积和相对于所述光催化剂的覆盖面积的多孔结构。
7.根据权利要求1的设备，其中所述多个板基片进一步包括：
在所述多个板基片的所述内表面和所述外表面上配置以增加相对于所述多个板基片的表面面积和相对于所述光催化剂的覆盖面积的粗糙结构。
8.一种空气净化设备，包括：
具有内表面和外表面的多个板基片，其中利用光催化剂涂覆所述内表面和外表面并且其中所述多个板基片相对于用于激活所述光催化剂的波长范围拥有较高的透射性，其中所述多个板基片的总数取决于所述透射性；
在所述多个相邻板基片中的每一个之间的可调间隔；和
被所述多个板基片围绕并且沿着平行于空气流的方向的方向定位的光源，其中所述多个板基片吸收具有比截止激活波长更短的波长的光能以激活所述光催化剂并且由此改进所述光能的使用效率和用于由所述设备净化空气的空气净化效率；
在所述多个板基片和所述光催化剂之间涂覆从而改进光催化剂粘附力并且防止所述光催化剂相对于所述多个板基片氧化的界面层，其中当被激活时，所述光催化剂捕集并且分解所述空气中的有机成分和空气携带污染物。
9.根据权利要求8的设备，进一步包括：
与用于安装所述多个板基片和所述光源的多个固定件带扣相关联的固定件；和
提供到所述光源的电路连接的、从所述固定件的基部形成并且位于所述固定件的基部处的通道；和
包括在所述固定件上安装以分解空气携带污染物的多个空气净化单元的单元阵列。
10.一种配置空气净化设备的方法，所述方法包括：
将多个板基片以在所述多个相邻板基片中的每一个之间的可调间隔配置成包括内表面和外表面，
利用光催化剂涂覆所述内表面和外表面以保证所述多个板基片相对于用于激活所述光催化剂的波长范围拥有较高的透射性，其中，所述多个板基片的总数取决于所述透射性；和
利用所述多个板基片围绕光源并且沿着平行于空气流的方向的方向定位光源，其中所述多个板基片吸收具有比截止激活波长更短的波长的光能以激活所述光催化剂并且由此改进所述光能的使用效率和用于由所述设备净化空气的空气净化效率。
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