CN104069736A - 空气净化装置 - Google Patents

Abstract

目前要求保护的发明提供了一种光催化空气净化装置，包括翅片结构和紫外灯。翅片结构包括多个涂覆有光催化剂层的翅片，所述翅片结构能增加用于光催化剂涂覆的表面积，最终在具有最小空气阻力的情况下增加空气污染物去除效率。本发明的空气净化装置优选地安装在HVAC系统中。

Description

空气净化装置

著作权公告

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相关申请的交叉引用

依照35U.S.C.§119(e)，这是一件非临时专利申请，其要求2013年3月27日提交的序号为61/853040的美国临时专利申请的利益，该临时申请的内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及空气净化装置，特别涉及具有光催化剂的空气净化装置。

背景技术

本领域中公知，当二氧化钛暴露于光中时，会发生光催化反应，并且这种反应能分解挥发性有机化合物或其他气态污染物。因而，光催化剂常常应用于空气净化系统以便除去气态污染物，改善室内空气质量。

在建筑物循环系统中，来自各种来源的污染物促成室内空气污染，这对人的健康造成显著危险。由这种室内污染物引起的疾病一般被称为“病态建筑综合症”。因而，在许多采暖、通风和空调（HVAC）系统中，会安装空气净化系统以便除去空气污染物。特别地，常常使用光催化空气净化系统。

US2004/0238344公开了一种将受激准分子灯用于紫外线光催化氧化的空气净化系统，该空气净化系统能用在HVAC系统中。与传统的低压水银灯相比，受激准分子灯可以提供具有所需波长范围的紫外线辐射，由此提高光催化反应的效率。然而，受激准分子灯的实施相当大地增加了系统的成本。

US2011/0150720提供了一种空气过滤系统和一种通过将光催化剂涂覆到金属基底上来制造光催化氧化基底的方法。然而，涂覆在金属基底上的光催化剂的数量有限，导致低的空气污染物去除效率。

US2013/0052113涉及通过使空气流穿过具有光催化作用的过滤器来净化空气的方法和设备，该过滤器受到紫外线的照射。过滤器包括矿物纤维制成的毡，毡的纤维被涂覆有具有光催化作用的材料，与过滤器接触的空气的滞留时间大于70毫秒并且紫外线照射在具有光催化作用的过滤器的被照射表面上具有小于35毫瓦/平方厘米的功率。然而，毡引起高空气阻力，导致气流产生装置的高负荷。

根据现有技术中的实例，图1示出了空气净化装置的涂覆有光催化剂的圆筒形金属基底，紫外灯沿着金属基底的轴线安装，金属基底上的孔用于容许空气通过。然而，去除空气污染物的性能并非有效的，因为仅仅有限数量的光催化剂被涂覆在金属基底上。

因此，对于能产生高效的空气污染物去除率且具有最小空气阻力的光催化空气净化系统存在未被满足的需求。

发明内容

因而，目前要求保护的发明将提供一种空气净化装置。

根据目前要求保护的发明的一实施方式，空气净化装置包括翅片结构和紫外灯。翅片结构包括多个翅片和翅片支架，翅片附接在翅片支架上，翅片支架用于固定翅片的位置。翅片的表面涂覆有光催化剂层，并且受到来自紫外灯的紫外线照射。翅片被空的空间彼此分开以容许空气通过。

与传统的空气净化系统不同，目前要求保护的发明的空气净化装置提供了几个优点。翅片结构能增加用于附着光催化剂的表面积、气流中的空气污染物和光催化剂之间的接触面积以及被来自紫外灯的紫外线照射的照射面积，由此增强光催化氧化并改善空气污染物去除效率。

同时，翅片结构提供了空的空间以便空气通过，因而防止翅片结构引起大的空气阻力。翅片结构的翅片密度优选地是1-2个翅片/cm，其通过空气流量和空气污染物去除效率之间的平衡使空气净化装置的性能最优化。

附图说明

下文中参考附图更详细地描述本发明的各个实施方式，其中：

图1是现有技术中的空气净化装置的涂覆有光催化剂的金属基底的透视图；

图2是根据目前要求保护的发明的实施方式的具有翅片结构的空气净化装置的透视图，该翅片结构具有矩形形状；

图2A是图2的空气净化装置的局部放大图；

图3A-E分别是根据目前要求保护的发明的另一实施方式的具有翅片结构的空气净化装置的透视图、正视图、仰视图、左视图和局部放大图，该翅片结构具有矩形形状；

图4是根据目前要求保护的发明的实施方式的具有翅片结构的空气净化装置的透视图，该翅片结构具有圆筒形形状；

图4A是图4的空气净化装置的局部放大图；

图5A-E分别是根据目前要求保护的发明的另一实施方式的具有翅片结构的空气净化装置的透视图、正视图、仰视图、左视图和局部放大图，该翅片结构具有圆筒形形状；

图6A示出了根据目前要求保护的发明的实施方式的铜翅片和涂覆有TiO₂的铜翅片分别关于范围从250至400nm的波长的紫外线反射率；

图6B示出了根据目前要求保护的发明的实施方式的铝翅片和涂覆有TiO₂的铝翅片分别关于范围从250至400nm的波长的紫外线反射率；

图7A和7B示出了在矩形的入口和出口系统以及圆形的入口和出口系统下分别用图3的空气净化装置模拟的气流模拟结果；

图7C和7D示出了在矩形的入口和出口系统以及圆形的入口和出口系统下分别用图1的空气净化装置模拟的气流模拟结果；

图7E和7F示出了在矩形的入口和出口系统以及圆形的入口和出口系统下分别用图5的空气净化装置模拟的气流模拟结果；

图7G和7H示出了在矩形的入口和出口系统以及圆形的入口和出口系统下分别用图1的空气净化装置模拟的气流模拟结果；

图8是示出了根据目前要求保护的发明的实施方式的挥发性有机化合物去除试验的实验装置的示意图；

图9是示出了根据目前要求保护的发明的实施方式的挥发性有机化合物去除试验的结果的图表；和

图10示出了HVAC系统，其显示了目前要求保护的发明的空气净化装置的可能的安装位置。

具体实施方式

在下面的描述中，将空气净化装置和所述空气净化装置的翅片结构作为优选实例来进行阐述。对于本领域技术人员明显的是，在不背离本发明的范围和精神实质的情况下可以作出改变，包括增加和/或替换。具体的细节可以被省略以便不至于混淆对本发明的理解；然而，所给出的公开的内容使本领域技术人员能在无需过度实验的情况下实施在此给出的教导。

图2是根据目前要求保护的发明的实施方式的具有翅片结构的空气净化装置的透视图，该翅片结构具有矩形形状。空气净化装置20包括翅片结构21和紫外灯22，紫外灯22沿着翅片结构21的轴线定位，并且被翅片结构21包围。翅片结构21形状为矩形，并且包括多个翅片23和翅片支架24（如图2A的局部放大图所示）。翅片23附接在翅片支架24上，翅片支架24用于固定翅片23的位置。翅片23定位成彼此平行，并且被空的空间彼此分开以容许空气通过。翅片23的表面涂覆有一层光催化剂，并且被来自紫外灯22的紫外线照射。翅片结构21沿一方向放置，在该方向上翅片23的平坦表面基本上平行于如箭头所示的气流方向。

当气流通过翅片结构时，气流中的空气污染物与光催化剂接触，或被吸附在光催化剂上。在紫外线对光催化剂的照射下，发生光催化反应，其中光催化剂产生电子-空穴对，产生自由基以分解空气污染物。

因为翅片结构提供了涂覆有光催化剂的大量的表面积，所以由于空气污染物和光催化剂之间的接触面积增加以及被紫外灯照射的照射面积增加，可以很好地提高空气污染物去除率。同时，由于存在空的空间供空气通过翅片结构，因此翅片结构仅仅引起使气流衰减的微量的空气阻力，最终减轻了气流产生装置的负担，并减小了用于产生气流的功率消耗。

图3A-E分别是根据目前要求保护的发明的另一实施方式的具有翅片结构的空气净化装置的透视图、正视图、仰视图、左视图和局部放大图，该翅片结构具有矩形形状。紫外灯的直径是30mm。翅片结构是300mm长，55mm高，60mm宽，并且包括49个翅片。每个翅片是1.2mm厚，并且彼此分开5mm。翅片支架是2mm厚。翅片结构的翅片密度是大约1.6个翅片/cm。为光催化剂覆层提供的总表面积是大约2610cm²。

图4是根据目前要求保护的发明的实施方式的具有翅片结构的空气净化装置的透视图，该翅片结构具有圆筒形形状。空气净化装置40包括翅片结构41和紫外灯42。紫外灯42沿着翅片结构41的轴线定位，并且被翅片结构41包围。翅片结构41的形状为圆筒形，并且包括多个翅片43和翅片支架44（如图4A的局部放大图所示）。翅片43径向地且对称地附接在翅片支架44上，翅片支架44用于固定翅片43的位置。翅片43定位成基本上彼此平行，并且被空的空间彼此分开以容许空气通过。翅片43的表面涂覆有一层光催化剂，并且被来自紫外灯42的紫外线照射。翅片结构41沿一方向放置，在该方向上翅片43的平坦表面基本上平行于如箭头所示气流方向。

图5A-E分别是根据目前要求保护的发明的另一实施方式的具有翅片结构的空气净化装置的透视图、正视图、仰视图、左视图和局部放大图，该翅片结构具有圆筒形形状。翅片结构是330mm长，直径55mm，并且包括16个翅片。每个翅片是2mm厚和10mm宽。翅片结构的翅片密度是大约1.5个翅片/cm。为光催化剂覆层提供的总表面积是大约1310cm²。

与图1中所示的现有技术的金属基底相比，在图3和5中所示的本发明的翅片结构能为光催化剂覆层提供3至6倍的表面积。

尽管当翅片的数量增加时空气污染物去除效率增加，但翅片结构的空气阻力也增加，会减小通风系统中的空气流速。因而，为了使空气污染物去除效率和空气流速之间的平衡最优化，优选的翅片密度在1至2个翅片/cm的范围内。并且，优选的翅片厚度在1至2mm的范围内。因而，多个空的空间可以占据翅片结构的横截面积的60%-90%。

可选地，翅片结构包括装配在一起形成翅片结构的几个次翅片结构。翅片结构可以通过铣削和焊接制造。另外，翅片结构可以由金属制成。优选地，翅片结构由铝、铜或铁制成。

光催化剂可以通过浸渍或涂抹然后在室温下干燥至少12小时并在500℃下固化30分钟的方法而涂覆在翅片的表面上。此外，也可以用光催化剂涂覆翅片支架。优选地，光催化剂是二氧化钛（TiO₂）。

光催化剂层的紫外线反射率可以在10至42%的范围内。由于翅片彼此基本上平行地定位，所以反射的紫外线能在翅片之间在空的空间内进一步反射。这减少了紫外线损失，最终增大了光催化氧化的效率并降低了紫外灯的功率消耗。

图6A示出了根据目前要求保护的发明的实施方式的铜翅片和涂覆有TiO₂的铜翅片分别关于范围从250至400nm的波长的紫外线反射率。铜翅片的紫外线反射率范围从大约12%至大约16%，如虚线所示，而涂覆有TiO₂的铜翅片的紫外线反射率范围从大约10%至大约11.5%，如实线所示。涂覆有TiO₂的铜翅片的平均紫外线反射率在240至280nm的波长范围内是大约10%。

图6B示出了根据目前要求保护的发明的实施方式的铝翅片和涂覆有TiO₂的铝翅片分别关于范围从250至400nm的波长的紫外线反射率。铝翅片的紫外线反射率范围从大约47%至大约53%，如虚线所示，而涂覆有TiO₂的铝翅片的紫外线反射率范围从大约15%至大约42%，如实线所示。涂覆有TiO₂的铝翅片的平均紫外线反射率在240至280nm的波长范围内是大约15%。

涂覆有光催化剂的翅片的紫外线反射率可以处于10%至42%的范围内。当优选地使用紫外线C波段（UVC）时，涂覆有光催化剂的翅片的平均紫外线反射率可以在10至15%的范围内。

紫外灯可以是低压水银灯或受激准分子灯。紫外线的波长在400至10nm的范围内。紫外线的优选波长范围是290至100nm。然而，本发明的空气净化装置不局限于紫外线和紫外灯。其他光源可应用于本发明中。类似地，具有与紫外线的波长不同波长的光也是可应用的。

另外，多个本发明的空气净化装置可以配置为形成空气净化系统。

由本发明的空气净化装置除去的空气污染物可以是挥发性有机化合物、氮氧化物或空气传播的细菌。

用本发明的空气净化装置进行了空气阻力模拟试验。在试验中研究了空气净化装置的阻力系数c_d。阻力系数定义如下：

$c_d=\frac{2F_d}{\mathrm{\ρ}{\mathrm{\υ}}^{2}A}$

其中F_d是阻力，其是沿着流速方向的分力，ρ是流体的质量密度，υ是物体相对于流体的速度，A是参考面积。

在模拟中，压降（F_d/A）和空气的质量密度（ρ）保持不变。因而，阻力系数随着气流速度的减小而增加。在试验中使用了两种不同的入口和出口系统，包括矩形的入口和出口系统，和圆形的入口和出口系统。矩形的入口和出口系统提供矩形的入口以容许空气流入，并在出口中提供矩形区域以容许空气流出。圆形的入口和出口系统提供小的圆形入口以容许空气流入，并提供小的圆形出口以容许空气流出。利用图1中所示的现有技术的空气净化装置进行对照实验。

图7A和7B示出了在矩形的入口和出口系统以及圆形的入口和出口系统下分别用图3的空气净化装置模拟的气流模拟结果。图3的空气净化装置沿着垂直于气流方向的方向定位。

图7C和7D示出了在矩形的入口和出口系统以及圆形的入口和出口系统下分别用图1的空气净化装置模拟的气流模拟结果。图1的空气净化装置沿着垂直于气流方向的方向定位。

图7E和7F示出了在矩形的入口和出口系统以及圆形的入口和出口系统下分别用图5的空气净化装置模拟的气流模拟结果。图5的空气净化装置沿着平行于气流方向的方向定位。

图7G和7H示出了在矩形的入口和出口系统以及圆形的入口和出口系统下分别用图1的空气净化装置模拟的气流模拟结果。图1的空气净化装置沿着平行于气流方向的方向定位。

气流模拟结果显示，用本发明的空气净化装置模拟的流速与现有技术的流速相似，这说明本发明的空气净化装置和现有技术的空气净化装置的阻力系数是相似的，推断出它们两者也具有相似的空气阻力。因此，本发明的空气净化装置由于翅片结构而提供了更大的表面积，但仍然保持与现有技术相似的空气阻力。

进行了挥发性有机化合物（VOC）去除试验。在图8中示出了实验装置。空气泵81通过空气管道85a将空气泵送到甲醛源室82以产生包含甲醛的气流。气流通过另一个空气管道85b和气密室83的入口进入气密室83。在气密室83内，有图3的空气净化装置以除去甲醛。VOC计84连接到气密室83的出口以监测气密室83出口处的甲醛浓度。在接通空气净化装置的紫外灯之前测量甲醛的初始浓度（C₀）。在接通紫外灯之后，随着时间的推移连续地监测甲醛的浓度（C）。利用图1的空气净化装置进行对照实验。图3的空气净化装置和图1的空气净化装置为光催化剂覆层提供的总表面积分别是大约2610cm²和440cm²。

对于实验条件，温度是大约20℃，湿度是大约40%，空气流速是大约10升/分钟，在试验中使用的VOC包括大约99.9%甲醛。

图9是示出了VOC去除试验的结果的图表。被定义为C/C₀的甲醛的标准化浓度被随着时间绘出。正方形标志代表在存在图3的空气净化装置的情况下的甲醛的标准化浓度，菱形标志代表在存在对照设计的情况下的甲醛的标准化浓度。

如图9中所示，图3的空气净化装置的甲醛去除率高于图1的空气净化装置的甲醛去除率，说明本发明的翅片结构为光催化氧化提供了更多的表面积，导致更高的VOC去除率。

图10示出了HVAC系统，其显示了目前要求保护的发明的空气净化装置的可能的安装位置。本发明的空气净化装置可以安装在过滤器后面，如位置A所示，在进气口后面，如位置B所示，或在加热/冷却盘管后面，如位置C所示。

本发明的前述描述是处于说明和描述的目的而提供的。不打算进行穷举或将本发明局限于所披露的精确形式。许多改变或变化对于本领域技术人员而言将是明显的。

选择并描述各个实施方式是为了最好地说明本发明的原理及其实际应用，由此使本领域其他技术人员能理解用于各种实施方式且具有适合于所预期的特定用途的各种改变的发明。本发明的范围由所附的权利要求及其等价方案限定。

Claims (19)

1.一种空气净化装置，包括：

用于发出紫外线的至少一个紫外灯；

至少一个翅片结构，其包括一个或多个翅片，其中所述翅片实质上彼此平行地定位并且被空的空间彼此分开，并且所述翅片中的一个或多个涂覆有至少一个光催化剂层；和

用来固定所述翅片的位置的至少一个翅片支架；

其中所述紫外灯被所述翅片结构包围；

其中涂覆有所述光催化剂层的所述翅片被所述紫外线照射；

其中所述翅片结构的翅片密度是1至2个翅片/cm；

其中所述空的空间占据所述翅片结构的横截面积的60%至90%；和

其中涂覆有所述光催化剂层的每个所述翅片的紫外线反射率处于10%至42%的范围内。

2.一种空气净化装置，包括：

用于发出紫外线的至少一个紫外灯；和

至少一个翅片结构，其包括一个或多个翅片，其中所述翅片被空的空间彼此分开，并且所述翅片中的一个或多个涂覆有至少一个光催化剂层；

其中涂覆有所述光催化剂层的所述翅片被所述紫外线照射。

3.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述翅片结构还包括用来固定所述翅片的位置的翅片支架。

4.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述紫外灯被所述翅片结构包围。

5.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述翅片结构的翅片密度是1至2个翅片/cm。

6.如权利要求2所述的空气净化装置，其中每个所述翅片的厚度处于1mm至2mm的范围内。

7.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述空的空间占据所述翅片结构的横截面积的60%至90%。

8.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述翅片实质上彼此平行地定位。

9.如权利要求2所述的空气净化装置，其中涂覆有所述光催化剂层的每个所述翅片的紫外线反射率处于10%至42%的范围内。

10.如权利要求2所述的空气净化装置，其中涂覆有所述光催化剂层的每个所述翅片的紫外线反射率处于10%至15%的范围内。

11.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述翅片结构是矩形的。

12.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述翅片结构是圆筒形的。

13.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述光催化剂层包括二氧化钛。

14.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述翅片结构由金属制成。

15.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述翅片结构由铝、铜或铁制成。

16.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述翅片结构通过铣削和焊接制造。

17.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述紫外灯是低压水银灯。

18.如权利要求2所述的空气净化装置，其中所述紫外线的波长在290nm至100nm的范围内。

19.一种空气净化系统，包括多个如权利要求2所述的空气净化装置。