CN114246971A - 用于以电磁辐射对空气进行消毒的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于以电磁辐射对空气进行消毒的装置，具有：空气可流通的辐射室，空气可以从进气侧到出气侧沿着流动路径流过辐射室；至少一个辐射源，辐射源被设计为产生微波范围内的电磁辐射，并将电磁辐射发射到所述辐射室中，从而将电磁辐射施加于流经辐射室的所述空气，其中所述装置还具有至少一个带有叶轮的通风机，以产生通过所述辐射室的空气流动，所述通风机被设计成在所述进气侧吸入空气，将所述空气沿着所述流动路径通过所述辐射室输送到所述出气侧，并且在所述出气侧将所述空气吹出所述辐射室，其中至少所述叶轮被布置在所述辐射室中，并且所述叶轮具有数个叶片，所述叶片至少部分地由能使电磁辐射偏转的材料形成。

Description

用于以电磁辐射对空气进行消毒的装置

技术领域

本发明涉及一种用于以微波范围内的电磁辐射对空气进行消毒的装置。

背景技术

某些细菌和病毒，例如Covid-19，可以作为气溶胶存在于空气中，或者以附着在水滴上或被水滴包裹的形式存在于空气中。因此，最好是能够从尽可能多的空气中去除这些细菌和病毒，特别是在使用空调设备时或者一般性地在封闭空间的条件下。

在现有技术中已知有各种空气消毒方法，但其中的大多数不适合对大量的空气进行连续消毒，也就是使空气中存在的细菌或病毒变得无害。

例如，人们已经知道用UVC光对空气进行消毒。此外，通过微波辐射或加热的方式对空气进行消毒，原则上也是已知的。然而，现有技术为此所提供的装置通常只允许净化相对较少的空气量。

发明内容

因此，本发明的目的是克服上述缺点，并提供一种装置和一种相关的方法，通过其可以有效和高效地对尽可能多的空气进行消毒或净化。

这个目的通过根据权利要求1所述的特征组合而达成。

本发明提出一种用于以电磁辐射对空气进行消毒的装置。该装置具有可由空气流过的辐射室，空气可以从进气侧到出气侧沿着流动路径通过辐射室。此外，该装置具有至少一个辐射源，该辐射源被设计为产生微波范围内的电磁辐射，并将电磁辐射发射到辐射室中，其中电磁辐射的频率被选择为使得存在于空气中的水分子被激励而发生能够加热水分子的振动，从而将电磁辐射施加于流经辐射室的空气，并且使存在于空气中的水达到或被加热到至少为100℃的温度。通过向空气施加电磁辐射或微波辐射，对流经辐射室的空气进行消毒。如前所述，存在于空气中的病毒和细菌(在下文中又称微粒)通常以气溶胶形式或者以附着在水滴中的方式存在于空气中。因此，水或水分子总是存在的。大多数病毒和大多数细菌都可以在沸水中被杀死。也就是说，只需要将空气中的水加热到使得微粒被杀死或变得无害的程度。本案所提出的装置和相关方法规定：借助微波范围内的电磁辐射，也就是借助微波辐射来加热空气中的水。

微波或其电场分量通过使分子发生扭转振动来加热具有偶极矩的材料，如水分子，其中，微波或辐射的频率是决定性的，微波或辐射的频率不允许过高，由此分子仍能跟随交变场的旋转运动。

根据集肤效应计算出来的在水中的穿透深度处于厘米范围内(1cm-5cm)，具体取决于水的温度。随着波或辐射的频率的增加，穿透深度减小，但能量转换会随着波长的变短而增强。穿透深度被定义为波的初始强度下降到37％时的深度。这意味着波也会到达穿透深度以下的区域，但那里的加热程度明显低于高于穿透深度的情况。也就是说，穿透深度相当于空气中微粒分布的平均半径为5μm至0.5mm左右的频率是最佳的。然而由于频率非常高，超过30GHz，这在经济上是不可行的，因为几乎不存在合适的辐射源。同样地，在这种高频率下，水分子如前所述将不再进行充分的旋转运动。

因此，约为2.45GHz的吸收频率虽然偏离了谐振频率，因而不是最佳的，但足以加热水。其中，电磁辐射的频率不一定正好是2.45GHz，但如果频率在2.45GHz左右的范围内，例如在2.00GHz与3.00GHz之间，那就很有利。可以将磁控管用作能够产生2.45GHz范围内且优选正好为2.45GHz的这种电磁辐射的辐射源，例如磁控管也被用于市面上的微波炉，因而可以极其经济地提供磁控管。

使用微波或电磁辐射而不是现有技术中已知的其他变体，例如用UVC光对空气进行消毒，是有意义的，因为可以实现空气的高流量。

与UVC光不同，微波辐射本身由于其能量低而不会破坏有机化合物，这在微波中纯粹是通过基于偶极子震荡的加热来实现。也就是说，加热方式与人们在灶台上加热化合物的方式完全相同。

为此，必须在短时间内将足够的能量施加到微粒中，因为微粒最好只在或应该在辐射室中停留很短的时间。

由于市面上的磁控管可以在大约60％的效率下良好地提供500瓦高频功率，并且可以使用数个磁控管或辐射源，因此，在辐射室中使用数个辐射源可以实现非常高的辐射功率。

为了提高效率，如下设置：根据本发明，所述装置还具有至少一个带有叶轮的通风机，以产生通过辐射室的气流。通风机被设计成在进气侧吸入空气，或者更准确地说，吸入环境空气，将其通过辐射室沿着流动路径输送到出气侧，并且在出气侧将其吹出辐射室。其中，至少叶轮被布置在辐射室中，其中叶轮具有数个叶片，这些叶片至少部分地由能使电磁辐射偏转或反射电磁辐射的材料形成。因此，通风机的叶片或叶轮充当了由商用微波领域已知的反射器，由至少一个辐射源发出的射线在该反射器上被反射。通过反射避免了辐射室内的驻波，否则通过驻波会导致辐射室内形成静态的热区和冷区。如此一来，除了引起沿流动路径输送空气外，通风机或叶轮还是一个用于均化磁场的反射器。

通风机可以完全布置在辐射室中，其中，对驱动叶轮旋转的马达优选屏蔽了辐射室中的电磁辐射。作为替代方案，马达也可以布置在辐射室以外，并且借助从外部伸入辐射室的驱动轴来驱动辐射室中的叶轮。如果进气侧和出气侧都各设有一个通风机或至少都各设有一个叶轮，则这些叶轮也可以通过共同的驱动轴连接和驱动。

为了确保能够对足够大量的空气或足够大的体积流量进行消毒，由通风机产生的通过辐射室的气流、空气流经的辐射室的长度和辐射源的数量相互匹配，以使所选的空气量或体积流量中含有微粒能够被施加足够大的辐射能量，所需的空气量能够在预定时间内流经辐射室，并在此过程中能基本上被彻底消毒。

优选如下设置：辐射室由削弱或屏蔽和/或反射电磁辐射的材料形成，以免电磁辐射从辐射室泄漏。

为了防止微波辐射从辐射室的进气侧或出气侧泄漏，在辐射室的进气侧和出气侧分别布置可供空气通过的屏蔽元件，该屏蔽元件由削弱或屏蔽和/或反射电磁辐射的材料形成。优选用金属网封闭进气侧和出气侧，根据电磁射线的波长或频率来选择该金属网或其网目宽度。

还可以提供一种变体，即：至少一个叶轮整体形成进气侧的屏蔽元件或者在进气侧作为附加的屏蔽元件。作为替代方案或补充方案，也可以如下设置：至少一个叶轮或其他的叶轮整体形成出气侧的屏蔽元件。

为了增加空气或空气中的微粒在辐射室中的停留时间，从而增加辐照的持续时间，根据另一个有利的变体，布置在辐射室出气侧的屏蔽元件被设计成流动障碍，通过该流动障碍，辐射室中的空气压力得到提高。为此，通过屏蔽元件可以只是简单地例如减小通流截面或者说可供空气通过的面积。使用屏蔽元件作为流动障碍还会导致辐射室中的压力增加，从而同时使辐射室中的微粒密度提高，这就提升了消毒效率。

此外，在同样有利的改进方案中，辐射室至少部分地具有可供空气通过的圆形通流截面，其中至少一个叶轮具有与该通流截面相对应的直径。在此情况下，“相对应”的意思是，叶轮径向向外直接邻接辐射室的限定通流截面的壁部，亦即，圆形通流截面的直径仅略大于叶轮外径，其中叶轮的旋转可以不受阻碍。

为了确保从进气侧被吸入辐射室的空气中的所有病毒和/或细菌或者说所有微粒都被包裹在水中或至少附着在水上，进一步的变体规定：特别是在进气侧空气非常干燥的情况下，所述装置还具有至少一个增湿或加湿装置，该增湿或加湿装置沿流动路径布置在辐射室前面或者在进气侧至少部分地布置在辐射室中。加湿装置被设计为流经辐射室的空气在被施加电磁射线之前被加湿。

例如，至少一个加湿装置可以是超声波水雾化器。

另外，加湿装置与布置在辐射室进气侧或者说在进气侧布置于辐射室中的通风机结合使用也是有利的，因为加湿后的空气通过通风机再次起旋，从而空气在被施加辐射之前充分混合。

特别是在使用加湿装置时，但一般来说，当要在出气侧排放尽可能干燥的空气或具有预定空气湿度的空气时，所述装置的另一实施方式是有利的，即：所述装置还具有至少一个除湿装置，该除湿装置沿流动路径布置在辐射室之后或者在出气侧至少部分地布置在辐射室中。除湿装置在此被设计成流经辐射室的空气在被施加电磁射线(即被去污)之后被除湿，也就是去除潮湿空气中的水分。

例如，至少一个除湿装置可以是至少一个优选呈板状的冷凝器，又称热冷凝器。这样的冷凝器也可以被设计成一个或数个金属板，其中冷凝器通过空气在金属板上冷凝来去除空气中的水分。

鉴于冷凝器的存在，优选还在出气侧设置出水口，通过该出水口，在冷凝器处从空气中分离出来的水可以作为冷凝液从装置中排出。

特别是，如果至少一个辐射源以及更为优选地至少一个加湿装置至少与散热器一起布置在辐射室的外侧壁部或者说布置在辐射室外侧，则另一实施方式是有利的，即：所述装置具有沿流动路径布置在辐射室进气侧的送风通道，该送风通道至少部分地包围辐射室，使得被吸入的空气的至少一部分在外侧沿辐射室流动，并且优选将辐射室冷却。如果至少一个辐射源和/或至少一个加湿装置至少连同其散热器一起被设置在辐射室外侧，则这些部件有利地位于送风通道内部，如此一来，在空气在进气侧被吸入辐射室之前，被吸入的空气沿着一个散热器或数个散热器吸收热量，被预热，同时将上述部件冷却。

如果所述装置与其他设备如空调设备相结合，则也可以如下设置：从进气侧被吸入辐射室的气流是冷却气流，该冷却气流沿着辐射室前面的流动路径用于冷却其他设备的部件。

在辐射室的进气侧，可以沿流动路径或在流动路径上进一步设置至少一个预滤器，通过该预滤器可以滤除空气中的异物。这里的异物例如是指比辐射室中要被辐照使其无害的微粒更大、因而会在辐射室中产生干扰作用的尘埃或其他异物。

本发明的另一个方面还涉及一种用根据本发明的装置通过微波对空气进行消毒的方法，其中空气在进气侧被通风机吸入并沿着流动路径通过辐射室被输送到出气侧，并且沿着流动路径在辐射室中被施加由至少一个辐射源产生的电磁辐射，使得包含在空气中的水达到至少100℃的温度，并且使得被水包围或附着在水上的细菌或病毒变得无害。

只要技术上可行并且不存在冲突，则以上所公开的特征可任意组合。

附图说明

关于本发明的其他有利改进方案在从属权利要求中表征并且下面参照附图并结合本发明的优选实施予以详细说明。其中：

图1为用于以电磁辐射对空气进行消毒的装置的剖视图。

具体实施方式

附图是例示性和示意性的，示出用于对空气进行消毒的装置1，该装置基本上由三个部分或组件形成。辐射室10形成中心部分或第一组件。通过作为第二组件的、以流体技术角度看设置在上游的送风通道40将外部空气或环境空气吸入辐射室10。在辐射室10中向空气施加电磁辐射或更准确地说施加微波以对空气进行消毒后，空气被导入或吹入以流体技术角度看设置在下游的第三组件，该第三组件在此中用于通过除湿装置30对空气进行除湿。

在此，在辐射室10中或与之相邻的地方，设有两个磁控管作为辐射源11，这些辐射源分别向辐射室10发射频率为2.45GHz微波范围内的电磁辐射，该电磁辐射在辐射室10中用箭头表示，并且被辐射室10的外壁、屏蔽元件13和叶轮21或其叶片22反射，因此，为周围环境屏蔽了电磁辐射。

辐射源的功率和从辐射室的进气侧A到辐射室的出气侧B通过辐射室的空气流动彼此协调，使得空气中含有的水基本上完全被煮沸，从而使所含的微粒，即病毒和细菌，基本上完全被中和。为此，可以考虑流动路段的长度、通过辐射室10的空气的流速、辐射室10中的空气压力或辐射室10中与装置1的环境相比的压差，并且例如也考虑从进气侧流入辐射室10的空气的空气湿度。

为了特别是在进气侧空气干燥的情况下，使被辐照的空气有足够的水分或足够的空气湿度，在所图示的变体中设置两个超声波水雾化器形式的加湿装置12，它们为从进气侧A流入辐射室10的空气加湿。在此情况下，沿流动方向在加湿装置12之后设置通风机20也是特别有利的，该通风机使被加湿的空气起旋，从而增强空气与水分的混合。

还有利的是，通风机20的叶轮21的叶片22至少部分地由反射电磁辐射的材料形成，例如金属，这样叶轮21就整体作为旋转的反射器，使得电磁射线在辐射室10中杂乱地偏转。杂乱反射避免了辐射室10内的驻波，因此不会出现热区和冷区，流过的空气被均匀加热，或者说其中所含的水被完全煮沸。

通风机20具有马达23以驱动其叶轮21，在图示实施方式中，该马达同样布置在辐射室10中，但也可以布置在辐射室外部。尽管马达23优选布置在叶轮21的远离辐射源11的一侧，由此来屏蔽电磁辐射，因为叶轮21起到了屏蔽元件的作用，但是马达23可以另外具有自有的屏蔽件，并被屏蔽掉电磁辐射。

根据叶轮21的屏蔽效果有多大，可以弃用布置在进气侧A的屏蔽元件13，因为其功能整体由叶轮21承担。

本例中设置两个磁控管作为辐射源11，这两个磁控管被图示为彼此相对。根据待施加的辐射功率，也根据待消毒的体积流量，特别是在辐射室10具有圆形横截面的情况下，可以沿周向设置数个优选均匀分布的辐射源11。此外，这些辐射源也可以沿着流动路径彼此相邻布置，并且沿着辐射室10的长度分布。

在装置1如图1所示的变体中，辐射源11和加湿装置12或至少这些部件的冷却元件被布置在辐射室10的外壁外侧。送风通道40在布置有这些部件的部分中包围辐射室10，因此，由通风机20从装置1的环境吸入辐射室10中的气流的至少一部分起冷却作用地沿着这些部件流动。

空气的流动在图中图示为虚线箭头，其中，通过进气口41、42被吸入的气流使辐射源11和加湿装置12冷却，从而同时被预热，这使得流入辐射室10的空气或流入空气中所含有的水可以在辐射室10中更快地被煮沸。尽管流入的空气也可完全用于冷却布置在辐射室10之外的部件，但在本例中，通过其他进气口43额外地吸入空气。

此外，送风通道40也可以完全呈环形包围辐射室10，使得两个进气口41、42形成一个环形入口或单独一个环形进气口。

以虚线示出的流经装置1的空气在出气侧B从辐射室10被吹入除湿装置30，该除湿装置在本例中被设计成四个彼此相邻布置的热冷凝器。存在于空气中的水或者说含有水蒸气的湿空气被该除湿装置30除湿，使得具有预定空气湿度的空气可以在装置1的出口32处流出。在冷凝器上冷凝的水可以通过排出口31从装置1中排出。

本发明的实施范围不限于前述优选实施例。而是也可想到应用原则上与示出的实现方案不同的实施方式的变体。

Claims (11)

1.一种用于以电磁辐射对空气进行消毒的装置(1)，具有：

空气可流通的辐射室(10)，空气能从进气侧(A)到出气侧(B)沿着流动路径流过所述辐射室(10)，以及

至少一个辐射源(11)，所述至少一个辐射源被设计为产生微波范围内的电磁辐射，并将所述电磁辐射发射到所述辐射室(10)中，其中所述电磁辐射的频率被选择为使得存在于所述空气中的水分子被激励而发生能够加热所述水分子的振动，从而将所述电磁辐射施加于流经所述辐射室(10)的所述空气，并且使存在于所述空气中的水达到至少为100℃的温度，

且其中，所述装置(1)还具有至少一个带有叶轮(21)的通风机(20)，以产生通过所述辐射室(10)的空气流动，所述通风机被设计成在所述进气侧(A)吸入空气，将所述空气沿着所述流动路径通过所述辐射室(10)输送到所述出气侧(B)，并且在所述出气侧(B)将所述空气吹出所述辐射室(10)，

其中，至少所述叶轮(21)被布置在所述辐射室(10)中，并且所述叶轮(21)具有数个叶片(22)，所述叶片至少部分地由能使所述电磁辐射偏转的材料形成。

2.根据权利要求1所述的装置，

其中，在所述辐射室(10)的所述进气侧(A)和所述出气侧(B)分别布置有可供空气通过的屏蔽元件(13)，所述屏蔽元件由削弱和/或反射所述电磁辐射的材料形成。

3.根据权利要求2所述的装置，

其中，所述至少一个叶轮(21)整体形成所述进气侧(A)上的所述屏蔽元件(13)。

4.根据权利要求2或3所述的装置，

其中，布置在所述辐射室(10)的所述出气侧(B)处的所述屏蔽元件(13)被设计成流动障碍，通过所述流动障碍，所述辐射室(10)中的空气压力得到提高。

5.根据上述权利要求中任一项所述的装置，

其中，所述辐射室(10)具有可供空气通过的圆形通流截面，并且所述至少一个叶轮(21)具有与所述通流截面相对应的直径。

6.根据上述权利要求中任一项所述的装置，

还具有至少一个加湿装置(12)，所述加湿装置沿所述流动路径布置在所述辐射室(10)前面或者在所述进气侧至少部分地布置在所述辐射室(10)中，所述加湿装置被设计为使得流经所述辐射室(10)的所述空气在被施加电磁射线之前被加湿。

7.根据上一项权利要求所述的装置，

其中，所述至少一个加湿装置(12)是超声波水雾化器。

8.根据上述权利要求中任一项所述的装置，

还具有至少一个除湿装置(30)，所述除湿装置沿所述流动路径布置在所述辐射室(10)之后或者在所述出气侧至少部分地布置在所述辐射室(10)中，并且所述除湿装置被设计成使得流经所述辐射室(10)的所述空气被施加所述电磁射线之后被除湿。

9.根据上一项权利要求所述的装置，

其中，所述至少一个除湿装置(30)是冷凝器。

10.根据上述权利要求中任一项所述的装置，

还具有沿所述流动路径布置在所述辐射室(10)进气侧的送风通道(40)，所述送风通道至少部分地包围所述辐射室(10)，使得被吸入的空气的至少一部分在外侧沿所述辐射室(10)流动。

11.一种用根据上述权利要求中任一项所述的装置(1)通过微波对空气进行消毒的方法，

其中，空气在进气侧被所述通风机(20)吸入并沿着所述流动路径通过所述辐射室(10)被输送到所述出气侧(B)，并且沿着所述流动路径在所述辐射室(10)中被施加所述电磁辐射，使得包含在所述空气中的水达到至少为100℃的温度。

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