CN112739389B - 空气消毒方法和包括单极电晕放电区和电场的空气消毒装置 - Google Patents

空气消毒方法和包括单极电晕放电区和电场的空气消毒装置 Download PDF

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Abstract

在一种用于空气消毒的方法和装置(10)中，通过跨第一电极(14)和非电离第二电极(18)施加高DC电压(22’，22”)在第一电极(14)的电离部(15)与非电离第二电极(18)之间形成单极电晕放电区(26)，并且被递送通过该电晕放电区的气流(25)中的水分子被转换为过氧化氢分子。跨靠近电晕放电区的气流生成电场(27，27’，27”)，用于防止离子从电晕放电区逸出到大气中。这允许施加比离子本来能够逸出到大气中的情况下所允许的更高的电晕放电电流，这产生更高的过氧化氢产率，并提高消毒效率。它也有助于防止灰尘沉降到电离部(15)上。

Description

空气消毒方法和包括单极电晕放电区和电场的空气消毒装置
技术领域
本发明涉及使用过氧化氢的空气消毒。
发明背景
在大气压下用于空气消毒的方法是已知的，其中过氧化氢(H2O2)被用作消毒剂。在已知方法中，H2O2是通过将含有水分子(H2O)的气流通过作为高压放电结果跨两个电极创生的电晕放电区来获得的。气流中的水分子在与电晕放电离子的相互作用期间被转化为H2O2分子。
双极离子发生器已变得最常用于有人场所的空气消毒。此类设备例如在美国专利号9,843,169、10,020,180和10,128,075中描述并且基于在相反极性的电离电极之间生成电晕放电区来操作，或全部或部分含有水分子(湿度)的气流通过其中。在双极性离子发生器的出口处，气流同时含有过氧化氢和由气流从电晕放电区捕获的正、负离子。
双极离子发生器的主要缺点是它们的99.9-99.99％的低消毒效率。99.99％的效率可能看起来很高，但这意味着空气中每10000个细菌中，就有一个不会被电离器去除。理论上，通过增加电晕放电电流可以提高效率，但实际上，电晕放电电流受由相关标准设定的有人场所中最大允许离子浓度限制为50000个离子/cm3。这种限制不允许足够高的电晕放电以显著提高细菌、病毒和霉菌的消毒效率。
消毒器的另一个缺点是由于作为摩擦电效应的结果，气流中的带电灰尘颗粒永久存在而需要定期清洁电离电极的灰尘，从而使与不同材料摩擦的某些材料在它们被分离后带电。例如，当空气流经含有向其施加高的负电压的电离电极的消毒器时，由于静电的吸引，带正电荷的灰尘将沉降到该电极上。考虑到电离电极尖端的小的表面积，即使少量灰尘沉降到尖端上，也容易阻碍甚至中止电离过程。
这就带来了在部署消毒器期间定期清洁电极的灰尘的需要。用于自动定期清洁电极灰尘的现有方法和设备是基于使用诸如螺线管或电动刷扫器等致动器，这显著提升了此类消毒器的价格。
US2012269677公开了一种空气消毒和净化设备及方法。该设备包括等离子体反应器、脉冲电源、风扇组件、控制设备、电源适配器和外壳。
美国专利号4,673,416公开了一种空气清洁装置，其具有包括放电电极的电集尘部。与带电粒子流平行布置的电极生成电场，并且每个集尘电极被布置在相应的两个毗邻电场之间，形成与之平行的电极。
美国专利号3,417,302公开了一种电离器，其外露电极电连接至房间的天花板，并安装在薄的介电板上，在该板的另一侧有一反电极。
US2016175803公开了一种用于生成过氧化氢的方法和发生器，其工作原理是将空气-液体或蒸汽流递送通过空气中的电晕放电区。
发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种用于消毒空气的改进方法和装置，与双极电离器相比，该方法和装置显著提高了效率。
本发明的另一目的是为了减少对电离电极的持续清洁的需要。
根据本发明，通过具有相应独立权利要求的特征的用于空气消毒的方法和装置来实现这些目标。
因此，根据一个方面，提供了一种用于空气消毒的方法，其包括：
通过跨第一电极和非电离第二电极施加高DC电压，在第一电极的电离部与第二电极之间形成单极电晕放电区，以及
将气流递送通过电晕放电区，以便归因于水分子与电晕放电离子发生反应而将气流中的水分子转换为过氧化氢分子；以及
跨围绕该电晕放电区的气流在第一电极的非电离部与第二电极之间生成电场；
其特征在于：
在第二电极与分别被布置于电晕放电区的上游和下游的相应辅助电极之间生成相应的辅助电场，以便生成围绕电晕放电区的相应DC电场，用于防止离子从电晕放电区逸出到大气中，并且用于阻止在气流中发现的灰尘沉降到第一电极的电离部上。
这允许施加比由相关标准允许的离子本来能够逸出到大气中的情况更高的电晕放电电流，并得到更高的过氧化氢产率，从而提高了消毒效率。
本发明使消毒效率大幅度提高了10倍以上，从而在消毒器的长使用寿命中防止灰尘沉积在电离电极上，并简化了高电压发生器，并且因此简化了整个消毒器。
根据一个实施例，本发明采用由一个或多个细线形电极(例如针尖)形成的电离电极，其作为安装在非电离金属基底中的电离部来工作，或者替换地使用其上附连有合适的电触点的诸如塑料等非导电基底，它用作围绕着该细线形电极的外壳。
在另一方面，辅助电极被布置于在电晕放电区的上游和下游，用于生成相应的辅助电场，该辅助电场阻止气流中的灰尘沉降到第一电极的电离部上。
一种用于空气消毒的装置，包括具有进气口和出气口的外壳、至少两个电极，其中第一电极具有电离和非电离部，第二电极是非电离的，连接端子用于耦合其高压和低压输出被连接至以上电极的单极高电压发生器。第一电极位于距第二电极一定距离处，使得在第一电极的电离部与第二电极之间创生电晕放电区。在第一电极的非电离部与靠近电晕放电区安装的第二电极之间生成电场。第一电极的电离部位于气流之外。
附图的简要说明
为了理解本发明并知晓可以如何在实践中实施它，现在将参考附图仅通过非限制性示例描述各实施例，其中：
图1是根据本发明的空气消毒器的示意性表示；以及
图2示出了沿图1中的线A-A的截面视图。
实施例的详细描述
图1示意性地示出了根据本发明的实施例的装置10，包括一般中空的外壳11，该外壳11具有进气口12和出气口13。安装在外壳内的是第一电极14，其具有安装在基座16中的电离部15，该基座16具有构成非电离部并且优选电耦合第一和第二辅助电极17’和17”的导电触点，其功能上可以被认为是第一电极14的非电离部。非电离第二电极18也被安装在外壳内，远离电极17’和17”以及第一电极14的非电离部15。如图所示的外壳11为方形横截面，其中进气口12和出气口13由相对壁面上的孔形成。但应理解的是，其他几何形状是可能的，其中外壳的横截面为圆柱形或多边形。在使用中，空气被强迫在进气口与出气口之间流动。这样做的方式取决于所使用的装置的应用。例如，气流可以由外部风扇生成，该风扇可以是空调的一部分。在这种情况下，该装置可以被安装在空调内或以已知方式递送空气的空调管道内。
外壳外部是单极高电压电源20，其具有用于耦合到合适电源的输入电源端子21。高电压电源20分别在高压和低压端子22’、22”上产生高压DC。高压端子22’被连接到第一电极14，而低压端子22”被连接到第二电极18。
进气口12位于外壳11中在第一辅助电极17’与第二电极18中间，而出气口13位于第二辅助电极17”与第二电极18中间。此外，第一电极14的电离部15比第一和第二辅助电极17’和17”更远离第二电极18，第一电极14的电离部15位于如25所示的气流之外。
图2是沿图1中的线A-A的截面视图，其示出了第一电极14的电离部15的构造。因此，外壳11具有方形或矩形横截面，其中第一电极14的电离部15被安装在外壳的上表面中央，而第二电极18被安装在其下表面上。第一电极14实际上包括安装在基座16中的三条间隔开的导线或针，但显然可以使用其他配置。辅助电极17’和17”是平面电极，其被安装在靠近相应的进气口和出气口的上边缘的外壳的相对内壁表面上。虽然它们可以被安装得更高，但是它们被安装得更靠近非电离第二电极18是优选的，以便增加辅助电极17’，17”与第二电极18之间的电场。然而，它们不应该安装得比相应的进气口和出气口的顶部低，以便完整气流被约束以通过电场。
气流的方向基本上平行于第二电极18的平面。辅助电极17’，17”位于进气口12和出气口13上方。因此，在通过进气口12进入时，完整气流在进入电晕放电区26之前被约束以流经跨辅助电极17’和第二电极18生成的电场。同样，在离开电晕放电区26后，气流再次被约束以在通过出气口13排出之前流经跨辅助电极17”和第二电极18生成的电场。
该装置工作如下。当向高电压电源20的端子21加电时，跨第一电极14和第二电极18供应高压DC，由此在第一电极14的电离部15与第二电极18之间创生电晕放电区26。因为第一电极14的基底触点与电离部15处于相同的高直流电位，因此在基底16与第二电极18之间形成电场27，其在图2中由电离部15周围的单个虚线示意性地示出。电场27包围电晕放电区26，并作为静电过滤器工作，以防止电晕放电区中的带电离子逸出。具体地，电晕放电区中的正离子将被施加在基底16上的高正电压斥，并将沉降到第二电极18上。相反地，负离子将被朝基底16吸引。因此，只有极少数离子将随着气流通过出气口13排出，并且这意味着在不超过最大允许离子浓度的情况下，施加比双极性电离器中大得多的电晕放电电流是可能的。从水转化为H2O2的效率是电晕放电电流的函数，并且在本发明的实施例中，H2O2浓度实际降低到10ppb，完全在最大FDA限值100ppb范围内，并且功率只有0.1W那么小。这与相当功率的双极性离子发生器的H2O2浓度作比较，后者通常是1ppb。
除了在第一电极14的基底16与第二电极18之间创生的电场外，在第一辅助电极17’与非电离第二辅助电极18之间生成电场27’以及在第二辅助电极17”与非电离第二电极18之间生成电场27”。
通过电晕放电区26的气流中存在的H2O分子被转换为H2O2，并通过出气口13从消毒器10的外壳11中去除。电场27’和27”不影响H2O和H2O2分子，因为这些分子没有带电。另一方面，取决于电荷极性，在气流25中发现的带电灰尘在电场27’和27”的作用下根据静电过滤器的原理沉降到第一和第二辅助电极17’和17”和第二电极18的表面上。
未被辅助电极17’和17”捕获的灰尘颗粒到达电晕放电区26，并且通过电晕放电离子的力，其带电极性与施加到第一电极14的电压相同，这由于相同的极性电荷的静电排斥力而防止灰尘靠近第一电极14的电离部15。结果，这些灰尘颗粒沉降到第二电极18上。同样，电场27’和27”防止消毒器10外部的任何可能电场的影响，它们本来可能会将电晕放电离子吸入外壳外和大气中。这由电场27’和27”来防止，这些电场在任何此类离子逸入大气中之前会捕获它们。
发明人建立了消毒器的概念原型，其测试已经证明了设定目标的实现。
概念原型具有以下规范：
Figure GDA0002711740260000051
Figure GDA0002711740260000061
在美国堪萨斯州的Aerosol Research and Engineering Laboratories Inc(气溶胶研究与工程实验室公司)中对Methicillin Resistant Staphylococcus Epidermidis(MRSE)(耐甲氧西林表皮葡萄球菌)细菌执行了消毒效率试验。150分钟内消毒效率达99.99989％，或者90分钟内消毒效率达99.9996％。与具有最高达99.99％的消毒效率的典型双极电离器相比，可以看出，本发明在90分钟内提供了两个数量级的改进，并且在150分钟内提供了三个数量级的改进，即比由好的双极电离器所获得的效率高103倍的效率。
通过测量电极之间的电晕放电电流(其在6个月内保持不变)，第一电极14的电离部15上的灰尘沉降防范被测试。
将理解，可以在不脱离本发明的范围的情况下对装置的构造作出修改。例如，虽然辅助电极17’，17”主要用于防止灰尘沉降到第一电极14的电离部15上，但是电场也防止离子逸出到大气中。如上所述，由此在靠近电晕放电区生成电场的第一电极的所述配置确保大多数离子保留在外壳内。但是，在没有基底触点的情况下，辅助电极17’，17”也将实现这一功能，并且因此也可以作为第一电极14的非电离部工作。在所述的装置中，高电压发生器的高压端子被连接到第一电极的电离部，低压端子被连接到第二电极，通常在GND处。然而，将容易理解，如果这些连接被反转，则本发明也将工作。
还应理解，虽然在所描述的装置中，第一电极的非电离部由基底构成，但是已知将以类似方式操作的许多其它形式的电离电极。尽管第二电极靠近辅助电极而不是靠近电离电极是优选的，但是辅助电极可被定位以便完全包围电晕放电。尽管它们在捕捉空气中的带电灰尘时则将会变得低效，但它们则会阻止电晕放电中的离子逸出到大气中。在这种配置中，辅助电极的功能与所述实施例的第一电极的非电离部相同。因此，在本发明和所附权利要求的范围内，第一电极的术语“非电离部”还包括由一个或多个辅助电极构成的可能性。然后，它们可以同时起到在外壳内的电晕放电区保留离子，以及阻止灰尘沉降到第一电极的电离部上的双重作用。
还将认识到，已经在没有具体参考生成气流的方式的情况下描述了该装置。在某些应用中，该装置是自立设备，其可被封装在壳体内，该壳体还包含单极高电压发生器和创生气流的风扇。这样的自立设备可被部署在家庭场所，诸如家庭，或者可被部署在私人和公共车辆中，诸如公共汽车、飞机等。在其它用途中，该装置可被安装在现有气流内，诸如空调管道或空调单元，在这种情况下，风扇可被省略。

Claims (9)

1.一种用于空气消毒的方法，包括：
通过跨第一电极(14)和非电离第二电极(18)经由高压和低压端子(22’，22”)施加高DC电压，在所述第一电极(14)的电离部(15)与所述非电离第二电极(18)之间形成单极电晕放电区(26)，
将气流(25)递送通过所述电晕放电区，以便归因于所述气流中的水分子与电晕放电离子发生反应而将所述水分子转换为过氧化氢分子；以及
跨围绕所述电晕放电区(26)的所述气流在所述第一电极的非电离部(16)与所述第二电极(18)之间生成电场(27)；
其特征在于：
在所述第二电极(18)与分别被布置于所述电晕放电区的上游和下游的相应的第一和第二辅助电极(17’，17”)之间生成第一和第二DC辅助电场(27’，27”)，以便生成围绕所述电晕放电区(26)的第一和第二DC辅助电场(27’，27”)，用于防止离子从所述电晕放电区逸出到大气中，并且用于阻止在所述气流中发现的灰尘沉降到所述第一电极(14)的电离部(15)上。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电极(14)的电离部(15)被安装在具有导电触点的基底中，所述导电触点构成所述非电离部(16)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括在所述第一电极(14)的电离部(15)与所述第二电极(18)之间相对于所述电场(27)部署更大的第一和第二DC辅助电场(27’，27”)。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一和第二辅助电极(17’，17”)被布置于距所述第二电极(18)的第一高度h1处，并且所述第一电极(14)的电离部(15)被布置于距所述第二电极(18)的第二高度h2处，并且h1小于h2。
5.一种用于空气消毒的装置(10)，包括：
中空外壳(11)，其具有用于通过其递送空气的进气口(12)和出气口(13)，
第一电极(14)，其被安装在所述外壳内并且具有电离部(15)和非电离部(16)，
所述第一电极(14)被安装在所述进气口(12)和所述出气口(13)中间，
非电离第二电极(18)，其面向所述第一电极(14)安装在所述外壳内，
高压和低压端子(22’，22”)，其电连接至所述第一电极和所述第二电极，用于耦合至DC高电压发生器的高压输出和低压输出，由此跨所述第一电极(14)的电离部(15)与所述第二电极(18)之间的气流创生电晕放电区，并且跨所述气流在所述第一电极的所述非电离部(16)与所述第二电极(18)之间并且围绕所述电晕放电区(26)生成电场(27)；
其特征在于：
第一和第二辅助电极(17’，17”)分别被布置于所述电晕放电区的上游和下游，用于生成防止离子从所述电晕放电区逸出到大气中，并阻止在所述气流中发现的灰尘沉降到所述第一电极的电离部上的第一和第二DC辅助电场(27’，27”)。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一电极(14)的电离部(15)被安装在具有导电触点的基底中，所述导电触点构成所述非电离部(16)。
7.如权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述第一和第二辅助电极(17’，17”)被布置于距所述第二电极(18)的第一高度h1处，并且所述第一电极(14)的电离部(15)被布置于距所述第二电极(18)的第二高度h2处，并且h1小于h2。
8.一种自立空气消毒设备，具有包含如权利要求5到7中任一项所述的装置的壳体，并且还在所述壳体内包括单极高电压发生器。
9.如权利要求8所述的自立空气消毒设备，其特征在于，还在所述壳体内包括在所述进气口外部用于创生所述气流的风扇。
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