CN106063383A

CN106063383A - 空气消毒和污染移除方法与设备

Info

Publication number: CN106063383A
Application number: CN201580011599.1A
Authority: CN
Inventors: 格雷厄姆·迪恩; 凯文·莫恩; 菲利佩·索布仑
Original assignee: Novaerus Patents Ltd
Current assignee: Novaerus; Novaerus Patents Ltd
Priority date: 2014-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2035-03-05
Also published as: CN106063383B; WO2015132368A1; JP6625070B2; GB2524116A; JP2017513660A; KR20160129084A; GB201406008D0; GB2524008A; GB201404185D0; EP3097750A1; PL3097750T3; DK3097750T3; ES2688552T3; EP3097750B1

Abstract

本发明涉及一种空气处理设备，包括：外壳，所述外壳限定入口和出口之间的气流路径；气流叶轮，所述气流叶轮布置用于引导气流通过所述气流路径；和电极组件，所述电极组件悬挂于所述气流路径内并且取向成横交于所述引导气流路径；其中所述电极组件配置成绕着所述电极组件的纵向轴线在周向上可操作地生成等离子体放电区，并且在所述电极组件内，所述引导气流内的颗粒或空气成分暴露于所述等离子体。

Description

空气消毒和污染移除方法与设备

技术领域

本发明涉及一种空气处理方法和设备。更具体地，本发明涉及一种用于使存在于室内空气中的病原体失活并且从其移除污染物的方法和设备。在本教导内容的上下文中，提供了一种引起将空气暴露于大气等离子体放电区的方法和设备。空气中的细菌、病毒和其它病原体因暴露而被杀死。等离子体放电区还造成存在于空气中的其它污染物的分离。

背景技术

健康威胁空气传播污染物可细分成三类：（a）空气传播病原体，包括致使经由空气在环境中传播的疾病的任何生物；（b）空气传播过敏原，包括当摄取、吸入或接触时致使过敏反应的任何物质；和（c）空气传播挥发性有机化合物（VOC），包括设计成以微小颗粒的形式在高压下喷射的任何产品，该微小颗粒保持悬浮于空气中。后一类别包括任何清洁用化学品、喷发胶、各种类型的底漆，和燃料，诸如汽油和煤油，以及其它家居、美容或玩具产品。一些织物，特别是新近制造的那些，当它们随着时间除气或泄漏气体形式的化学品时，也导致室内空气传播VOC。

空气传播污染物可显著地累积于室内环境，其结果是我们呼吸的空气可被污染。考虑到人平均花费大约90%的时间在室内环境，应当理解，从室内空气移除污染物对减小过敏和防止感染传播（诸如病态建筑综合征）是非常重要的。

空气传播污染物控制和移除通常利用过滤介质在加热、通风和空调（HVAC）系统中实现。现有技术的HVAC系统过滤器捕集直径在几分之一微米（um）范围内的颗粒。高效颗粒空气（HEPA）过滤器（由美国能源部）定义为可捕集99.97%的0.3um直径的颗粒。这些颗粒具有最易渗透粒径，并且过滤器效率高于较大颗粒。HEPA过滤器通常由直径在0.2和0.5um之间的无规布置的玻璃纤维组成。颗粒通过以下三种机制中的一种而捕获：拦截、碰撞和扩散。另外，应当理解，这些过滤器不会杀死微生物，这些微生物此时可在过滤器上累积并生长，因此，该过滤器变为可将疾病扩散整个通风系统的实际感染容器。还应当理解，利用HEPA过滤器在HVAC系统中形成了大压降，从而减小通风系统的整体性能。

用于控制空气传播病原体的现有技术领域技术可分类为：（a）空气传播捕获系统或过滤器，（b）空气传播失活系统，和（c）上述两者的一些组合。

空气传播捕获系统包括HEPA或类似过滤器，如上文以所述限制所描述。另选地，静电除尘器（诸如美国专利公布No.2013/0233172所描述）用于从空气移除颗粒。这些装置的效率随着粒径而改变。特别地，这些已知的是对一微米或更小尺寸的颗粒表现出不良性能，从而允许空气传播细菌和病毒流动通过。此外，静电除尘器往往将灰尘累积于收集板上，从而随着时间减小其性能。

现有空气传播失活技术还包括利用化学品、UV辐射和等离子体放电副产物的那些。

化学品失活的实例包括使用抗微生物蒸发器，通常为臭氧或过氧化氢。虽然这些系统是有效的，但是他们也具有破坏性，需要排空待处理的室内空间，并且因此不适用于在正常生活情况下使用。

用于纯化空气的另选发明包括使用紫外光（UV）辐射来杀死空气传播细菌。例如，国际公布No.WO2003/092751描述了一种装置，其中流体（例如，空气）穿过一系列的UV灯。应当理解，在该解决方案中，唯一失活机制是经由UV辐射。

现有技术还包括将等离子体基团用于空气过滤介质的消毒；参见例如美国专利公布No.2004/0184972A1。本文中，提出了上游等离子体放电区可生成活性基团，该活性基团向上游流动至介质过滤器并杀死由该过滤器捕获的任何细菌或病毒。过滤器仅捕获可能允许细菌群体在其上生长的颗粒。本文的公开内容为，等离子体基团杀死由过滤器捕获的病毒和细菌。此外，本文提供了基团销毁过滤器以用于销毁过滤介质之后的过量基团。这些基团对人是有毒的。应当理解，所述过滤器的故障可导致将毒性气体释放至生活空间。

总而言之，用于空气消毒和污染物移除的现有技术依赖于空气捕获装置或空气失活系统；该空气捕获装置导致影响装置性能的病原体积聚并且变为感染性疾病的容器；该空气失活系统依赖于对人类健康有严重风险的有害物质。因此，应当理解，需要一种不使用过滤介质或等同物的空气处理解决方案。此外，该方案不应包括生成有害化学物质。

本文中所公开的本发明提供了一种用于空气消毒和污染控制的可行解决方案。

发明内容

因此，本申请的第一实施例提供了一种如权利要求1中所详细描述的空气处理设备。有利实施例提供于从属权利要求中。

附图说明

参考附图，本发明根据仅以举例的方式给出的其一个实施例的下述描述将更容易理解，其中：

图1为本发明的设备的一个实施例的视图；

图2为图1的实施例的视图，示出了图1的设备的内部部件；

图3为图1的实施例的视图，示出了内部部件和通过所述设备的气流；

图4为本发明的设备的电极组件的视图；和

图5为图4的电极组件的分解图。

具体实施方式

本教导内容涉及一种方法和设备以用于移除VOC和使病原体失活，包括但不限于细菌、病毒、真菌和霉菌。

在本教导内容的上下文中，提供了一种方法，该方法包括在将一定体积的空气暴露于大气等离子体放电区以一给定时间段。所述空气体积流经包括大气等离子体放电区的设备。该设备用作等离子体放电区的外壳并且作为空气体积流经其的空气管道。空气通过叶轮或等同空气压入装置（例如，风扇）被压入并通过设备外壳。设备包括入口区域和出口区域以允许气流通过该设备。等离子体放电区通过将高压施加于一对电极组而生成。所施加高压由合适电源生成，该合适电源能够维持所述电极对的表面之间、周围和/或之上的DC或AC放电区。

病原体失活和VOC移除是由于各种物质和从具有空气传播病原体的等离子体放电区射出的辐射的交互作用。等离子体物质包括但不限于电子、离子，和由放电区生成的反应性基团。此外，等离子体放电区生成电场和紫外线辐射。所述等离子体放电区的失活效率与能量成比例，该能量通过等离子体放电区消散于在该放电区附近流动的一定体积的空气。该能量与用于维持等离子体放电区和暴露时间段所施加的功率成比例。流经设备的给定体积的空气的等离子体暴露时间与气流成反比。

因此，应当理解，本文所描述的设备的效率取决于两个基本参数：等离子体放电功率和气流。本领域的技术人员将发现，存在满足各种程度的失活同时满足空气处理系统的其它标准的一定范围的功率和流速，包括给定房间大小中每小时空气变换的次数和等离子体放电区所生成的基团的最大允许浓度。

本教导内容参考设备的实例实施例可进一步理解。图1示出了由外壳15和空气入口区域11和空气出口区域12组成的设备的3D投影。这些区域由设备的外壳15上的开口或通风栅格组成。此外，设备在其外壳内包括叶轮23、电极组件24和高压电源26；如图2所示出。图3进一步示出了由叶轮24所引导的气流。空气37经由入口区域被压入设备中，被压入围绕电极组件24并且通过出口区域12被排出。高压电源26（例如，高压变压器）维持横穿电极组件24的等离子体放电区。电极配置和构造可在大气等离子体放电区的各种电极布置之间进行选择。本领域的技术人员将发现，一种以上的设计可适配本文所描述的设备和方法。例如，一对由圆柱形电介质阻隔件（由陶瓷、玻璃或其它合适材料制成）隔开的同心线网片圆柱体将足够。

电极组件和支撑件的一个优选实施例示出于图4中。该图还示出了电极组件24的表面周围的气流37。在该实施例中，电极组件24示出具有外线网片圆柱体49，并且组件24包括安装保持器48。该实施例中的等离子体模式为电介质阻隔件放电（DBD）型，其中内线网片圆柱体由电介质玻璃管绝缘，如将参考图5所解释。电极组件的圆柱形状确保外网片完全在电极组件周围在轴向上延伸，并且确保等离子体从电极组件在所有方向上均匀地放电。

应当理解，用于实现电介质阻隔件放电区所需的电压和电流参数原理上将取决于所用电介质的性质，如在下文进一步讨论。一般来讲，低于1kV的操作电压是不实际的，并且优选地使用1至6kV范围内的操作电压，最期望地3至5kV的操作电压，例如约4kV。应当理解，用于维持电介质阻隔件放电区所需的电流显著地小于用于启动其所需的电流。等离子体发生器单元的电流（并且因此功率）通常以起始电流表示。应使用1至10mA范围内的（起始）电流，优选地至少3mA。当然，该单元的功率将取决于电压和电流组合。一般来讲，功率应不超过50瓦特，并且优选地为至少4瓦特。通常，功率在10至40瓦特的范围内。特别地，这些功率水平已发现为便利的，其中设备单元具有0.02至1.0m³量级的导管体积。

即使具有此类低功率电介质阻隔件放电单元，已发现可能良好地实现抗病原体试剂的所含局部高失活浓度，该失活浓度足以使广泛范围的空气传播污染物或病原体失活，如根据下文表1和表2的数据所证明。

有利地，等离子体发生器联接至设有抗浪涌和/或抗突波装置的变压器，以使高于正常水平的输出电压的瞬态漂移最小化，该瞬态漂移可导致失活区在外壳外部的暂时延伸，该外壳内设置有电极和/或生成过高的抗病原体试剂水平。

重要的是，变压器位于直气流路径外部以使暴露于等离子体/抗病原体试剂和设备在使用过程中可能毁坏的风险最小化。如先前所提及，这还确保变压器不干扰经过电极组件的气流。

AC电源也可设置于设备中。优选地，这与变压器协同定位，使得其不阻碍气流。在AC电源中，可将广泛范围的频率用于低功率电介质阻隔件放电装置，并且事实上，相比于常规高功率等离子体发生器的可能频率，可安全地使用稍高频率。便利地，可使用频率在50至1000Hz范围内的AC电源。

应当理解，相对于气流路径限定放电单元的电极的尺寸设定和放置是十分重要的。电极位于其内的导管不应小于用于包括由电介质阻隔件放电区所生成的等离子体的失活区所需的体积，并且不应太大而使得外壳内基本上所有气流在其传送通过设备的过程中不穿过所述失活区。应当理解，在该语境中，失活区为围绕放电单元的体积，该体积包括高浓度的抗病原体试剂，该浓度基本上使空气传播污染物或病原体失活。失活区位于放电单元的外表面上并且处于下游方向上。随着抗病原体试剂趋向分散于整个体积中并且致使微生物灭活，总失活区为所有上游阶段、中间阶段和下游阶段的组合。

气流期望地在放电单元的电极之上和之下经过但不穿过，即，放电单元内不存在气隙，该气隙允许空气进入或可能地保持抗病原体试剂的累积。

根据本教导内容，提供了一种放电单元，该放电单元期望地使用固体电介质来提供本发明人已发现的电介质阻隔件放电区，以获得更一致且更可靠的等离子体生成性能。各种几何形状也是可能的。然而，对于本申请而言，大体管状几何形状是优选的，其中管状电介质在其内表面和外表面上具有大体管状电极。该管状形状工作以在放电单元周围导向气流。应当理解，等离子体将在两个电极处生成。优选地，使用大体网片形式电极，从而提供线圈，以使在其生成等离子体的电介质表面的面积最大化。就这一点而言，应当理解，大体“闭合”网片为较不期望的，因为它们减小了暴露的电介质表面。另一方面，就给定尺寸的单元所生成的等离子体量而言，过度“打开”的网片一般效率较低。最优选地，电极为完美共轴圆柱形网片，其中电介质夹置于其间。在该语境中，优选地，低功率放电单元包括由电介质隔开的同心管状金属丝网电极。

在一个高度优选的实施例中，低功率放电等离子体单元包括管状不锈钢丝网电极。尽管各种其它合适电极材料在本领域中是已知的，但是不锈钢由于其特别对腐蚀和氧化以及等离子体放电区的其它损坏的抗性是特别便利的。丝网电极的目的是使可用于电极阻隔件电晕放电区的表面并因此生成的等离子体最大化。然而，其它因素也影响丝网和网片细度的选择，诸如对所生成电磁场的效应，特别地在交流电流的50Hz周期期间有关该场的生成和塌缩的滞后效应。在一个优选的实施例中，外电极上的丝网相比于内电极上的丝网更粗，这利于在外电极而非内电极上产生等离子体。在一个更优选的实施例中，内电极的网目数为50至30×45至25（每英寸或25.4mm），并且外电极的网目数为35至20×40至20。在一个特别有利的实施例中，利用38swg线材（0.15mm直径）的内电极204的网目数为40×34（每英寸或25.4mm），并且利用30swg线材（0.3mm直径）的外电极的网目数为24×28。

对有效电介质阻隔件放电区而言，还期望的是出现电极的质量基本上平衡，即相差不超过20%，优选地不超过10%。在前述管状配置放电单元的情况下，这是特别显著的。

还应理解，电介质阻隔件放电等离子体单元的功率与电极的尺寸相关。一般来讲，优选的是，网片电极各自应具有25至100cm²范围内，优选地40至90cm²范围内的面积。根据本教导内容所提供的线圈的典型实例具有5.5cm或13cm的长度并且具有2.9cm的直径。该线圈将分别具有50和118cm²的示例性面积。等离子体线圈所消耗的功率在10至20W的范围内，从而导致每个线圈0.2至0.4W/cm²和0.08至0.16W/cm²的功率密度。期望地，根据本教导内容的包括线圈的等离子体发生器将以小于1W/cm²，并且通常以0.1至0.5W/cm²范围内的功率密度值操作。

应当理解，对于固体电介质而言，通过使用电介质阻隔件放电区而生成等离子体很大程度上取决于电介质的厚度，并且尤其在较低电压下，如根据本教导内容所使用，必需使电介质的厚度最小化。然而，还应当理解，放电单元必须足够强以避免由于放电等离子体区域内遭遇巨大应力而损坏。

图5示出了图4的电极组件24和保持器48的分解图。内线网片510和外线网片49电连接至电极触点512。将高压施加至保持器触点513，从而实现内线网片510和外线网片49上相反极性的高压。用于驱动电极组件的功率由变压器（未示出）合适地提供。配线可用于将变压器的电压提供至保持器触点513，保持器触点513继而将电压提供至电极触点512。电极组件由绝缘盖511保持在一起。该组件由绝缘保持器48支撑并且由推动铆钉515锁定于保持器48上的适当位置。绝缘该511和保持器48确保施加至保持器触点513的任何电压非无意地施加至设备的外壳。保持器48安装于设备的外壳15内部，使得电极组件定位成横交于气流37的方向，可从图3观察到。

还应当指出的是，内线网片和外线网片在电介质玻璃管的相应总表面积周围维持直接接触的配置确保，在其中可累积高水平的等离子体的电介质组件24周围无气阱。

电极组件24相对于输送待纯化或以其它方式处理的空气流的横向定位也是重要的，因为这样可以确保气流不能绕过电极组件从而不暴露于等离子体放电区。具体地，电极组件布置用于在电极单元近侧的失活区内生成等离子体并使之放电。本发明人利用这样的理解：所述等离子体放电区的失活效率取决于在该等离子体放电区附近流动的空气；因此电极组件横交于气流方向的布置确保了失活区形成于电极单元24周围，气流37必须穿过电极单元24以到达出口区域12。

根据本教导内容，电极组件24远离设备的外壳15的内部表面的安装也是有益的。该安装可利用保持器48来实现，这确保了电极组件24的最大效率。等离子体从外网片49放电以形成前述失活区。由于电极组件已升高，该失活区完全在电极组件周围延伸，并且空气可在电极组件24之上和之下经过，同时经受相同水平的等离子体。

失活区中的等离子体浓度（由电极组件形成）足以有效地使气流中所夹带的空气传播污染物材料失活。此外，等离子体的浓度在失活区外部充分地衰减，使得从设备的出口区域12所排放的清洁空气中由等离子体放电区所形成的任何抗病原体试剂的浓度处于生理上可接受水平。

应当指出的是，如上文所描述，本发明的方法和设备不包括使用物理空气过滤系统，诸如预过滤器、HEPA过滤器或等同物。

在设备的一个另选实施例中，空气在等离子体放电区周围被导向或强制通过管道系统。所述管道系统设计成确保绕着等离子体放电区的所有气流在1厘米的放电区内。

根据本发明所提供的设备的示例性测试示出了杀死细菌和病毒两者的效率。表1示出了细菌测试的示例性数据，而表2示出了病毒测试的类似结果。

表1

生物	类别	进入处理料流处的均值cfu/m³/Hr	离开处理料流后的均值cfu/m³/Hr	离开处理料流后的均值下降Log/cfu/m³/Hr	明显百分比减少
						CTX	SSDNA	4.3E+12	8.1E+02	>12	>99.999
ScV-L-BC	DSRNA	9.2E+12	4.6E+02	>12	>99.999
						FcoV（衰减）	SS+RNA	7.1E+12	3.0E+02	>12	>99.999
T4噬菌体	DSDNA	5.3E+12	7.4E+02	>12	>99.999

表2

在表1和表2的两个实例中，根据本教导内容的装置（具有以小于1W/cm²的功率密度操作的等离子体发生器）对所有种类的细菌或病毒物质实现>Log5的杀死率。

其中本发明的抗微生物应用尤其可用的情况包括医院、食品准备区域、实验室和具有有限通风的场所，其中空气可重复循环。无菌器械和材料在利用本发明消毒的大气环境中的储存可延长其存储寿命，随之具有可观节省。本发明提供了一种向此类储存的单元供应能够将所储存器械的无菌性维持延长时段的消毒干燥空气的器具。一种尤其可用的应用是在洪水损坏建筑物中，其中从空气移除真菌孢子可使该建筑物的织物中霉菌的随后生长和腐烂发育最小化，从而显著减小损坏程度和修复成本。在另一种应用中，设备可安装于承载气流的管道或管道工程中，诸如可用于空调系统中。

应当理解，一般来讲，在空气传播污染物或病原体从房间或其它或多或少密封空间移除的情况下，所需处理量将取决于污染物/病原体的性质，并且还可能取决于其在空气中的载荷或负荷。尽管在原理上可使用多次通过来逐渐地减小污染物/病原体负荷，但是本发明特别有利的是，较高抗病原体试剂浓度（其可以本发明的设备在所含失活区内实现）可通常以单次通过提供显著完全失活，从而使所需空气变换次数最小化。通常，在其中期望移除细菌污染物的情况下，应提供至少5次空气变换/小时，然而在具有中至高烟草烟雾负荷的场所的情况下，可期望的是提供至少10次或更多次空气变换。用于处理房间所需的总气流根据房间的体积和所需空气变换次数可容易地确定。尽管在原理上可能以较大尺寸的设备来实现较高流速，但是通常优选的是利用多个设备单元来实现该较高流速。就这一点而言，应当理解，一个以上的放电等离子体单元可安装于相同导管中，前提是所有发生器的失活区包括于该导管内。此外，一个以上的放电单元可通过一个（共用）变压器来供电，不过该变压器的总功率随后将在放电单元之间划分。

在本说明书中所使用的词语“包括/包含”表明所述及特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、部件和/或其组。

Claims

1.一种空气处理设备，包括：

外壳，所述外壳限定入口和出口之间的气流路径；

气流叶轮，所述气流叶轮布置用于引导气流通过所述气流路径；和

电极组件，所述电极组件悬挂于所述气流路径内并且取向成横交于所述引导气流路径；

其中所述电极组件配置成以小于1W/cm²的功率密度操作来绕着所述电极组件的纵向轴线在周向上可操作地生成等离子体放电区，并且在所述电极组件内，所述引导气流内的颗粒或空气成分暴露于所述等离子体。

2.根据权利要求1所述的空气处理设备，其中，所述电极组件为长度大于其直径的圆柱形状，所述电极组件在所述外壳内取向使得其纵向轴线设置成横交于所述引导气流路径。

3.根据权利要求2所述的空气处理设备，还包括所述电极组件的各端部处的保持器以用于将所述电极组件安装于远离外壳的侧壁的升高位置。

4.根据权利要求3所述的空气处理设备，其中，所述保持器包括绝缘材料以用于防止所述电极组件和所述外壳之间的传导。

5.根据权利要求2所述的空气处理设备，其中，所述电极组件包括由圆柱形电介质阻隔件隔开的圆柱形内网片和外网片。

6.根据权利要求5所述的空气处理设备，其中，所述电极组件包括所述电极组件的各个端部处的绝缘盖以用于保持所述内网片、所述外网片和所述电介质阻隔件彼此接触。

7.根据权利要求5或6所述的空气处理设备，其中，所述内网片和外网片的各自表面完全接触所述圆柱形电介质阻隔件。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的空气处理设备，其中，所述内网片和所述外网片在所述电极组件的各个端部处电连接至电极触点，所述触点向所述内网片和所述外网片提供相反极性的电压。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的空气处理设备，其中，所述内网片和所述外网片中的至少一个完全绕着所述电极组件延伸。

10.根据权利要求9所述的空气处理设备，其中，所述内网片和所述外网片中的至少一个提供绕着所述电极组件的纵向轴线的连续表面。

11.根据前述权利要求中任一项所述的空气处理设备，其中所述外壳包括管道系统以用于将所述气流路径导向至所述电极组件和以用于绕着所述电极组件导向所述气流路径。

12.根据权利要求11所述的空气处理设备，其中，所述外壳为在第一端具有所述入口和在第二端具有所述出口的矩形形状。

13.根据权利要求12所述的空气处理设备，其中，所述出口包括所述外壳的两个相邻侧部中每一个上的出口区域。

14.根据前述权利要求中任一项所述的空气处理设备，其中，所述空气离开横交于所述气流路径的所述出口。

15.根据前述权利要求中任一项所述的空气处理设备，其中，所述线圈以0.1至0.5W/cm²范围内的功率密度进行操作。

16.根据前述权利要求中任一项所述的空气处理设备，其中所述等离子体发生器包括由电介质隔开的同心管状金属丝网电极。

17.根据权利要求16所述的空气处理设备，其中，所述电极包括网片。

18.根据权利要求16或17所述的空气处理设备，其中，设置有内电极和外电极，并且所述外电极上的所述丝网相比于所述内电极上的丝网更粗以利于在所述外电极而非所述内电极上产生等离子体。

19.根据权利要求18所述的空气处理设备，其中，所述内电极利用0.15mm直径的线材具有40×34/25.4mm的网目数，并且所述外电极利用0.3mm直径的线材具有24×28/25.4mm的网目数。

20.根据前述权利要求中任一项所述的空气处理设备，其中，绕着所述等离子体放电区的所有气流在1cm的所述放电区内进行导向。