CN114302747A - 复合环形非热等离子体反应器芯 - Google Patents

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Abstract

一种非热等离子体反应器系统，其具有：外构件；设置在所述外构件内的非热等离子体内构件套筒，所述非热等离子体内构件套筒具有中央芯容积，所述非热等离子体内构件套筒小于所述外构件以在所述非热等离子体内构件套筒与所述外构件之间限定环形容积，所述非热等离子体内构件套筒具有内表面边界和外表面边界，以在所述内表面边界与所述外表面边界之间限定套筒容积，所述内表面边界和所述外表面边界是可渗透的、并且构造成允许气流在所述环形容积与所述中央芯容积之间；设置在所述套筒容积内的介电材料；以及在所述套筒容积内延伸的至少一个电极和耦合到所述内套筒构件的另一电极，从而产生非热等离子体，当气流在所述环形容积与所述中央芯容积之间流动时，所述非热等离子体接触所述气流。

Description

复合环形非热等离子体反应器芯
相关申请的交叉引用
本发明要求于2019年8月21日提交的美国临时申请第62/889,732号的权益。上述申请的全部公开通过引用结合至本文中。
技术领域
本公开涉及非热等离子体系统(non-thermal plasma system)，更具体地，涉及一种复合环形非热等离子体反应器芯(compound annular non-thermal plasma reactorcore)，其特别适用于破坏化学污染物和/或灭活存在于流动液体或气体中的生物病原体。
背景技术与发明内容
本部分提供与本公开有关的背景信息，这些背景信息不一定是现有技术。本部分提供了本公开的总体概述，并且本部分不是本公开所有特征的全部范围的全面公开。
公众对疾病爆发的日益关注提高了公众对感染源(infectious agent)如何传播以及可以使用哪些健康保护措施来防止传播的兴趣。也就是说，因为空气中的化学污染物和生物病原体是看不见的，所以这些化学污染物和生物病原体可能会提高公众的关注水平，因此当健康影响严重或当来源呈扩散、无法识别和/或不受控制时，会增加公众的关注。在发达国家，约75％的急性疾病是呼吸道疾病，且近80％的这些疾病是由经常在室内环境中传播的病毒引起的。室内环境中疾病传播的一个明显示例是2003年的SARS冠状病毒爆发，当时发现通过通风系统输送的受粪便物污染的气溶胶是造成大量SARS感染的原因，这些感染集中在香港的淘大花园(Amoy Gardens)高层公寓楼。随着全球人口持续增长，城市人口通过农村到城市迁移模式而继续膨胀，住宅和商业建筑的居住者密度因此而继续增大，室内空气质量的重要性将继续增加。
然而，集中式供热、通风与空气调节(heating,ventilation,and airconditioning,HVAC)系统通常经过精心设计，以补偿管道系统的收缩和空气流动的阻碍。相关的背压可能需要更大的空气处理系统和电机，从而增加了此类HVAC系统的尺寸、能源使用和成本。另外，现代集中式HVAC系统将经过调节的大部分空气再循环，而室外空气或新鲜空气添加极少。因此，在一个室内空间中释放的化学或生物污染物可能会被运送到另一个室内空间，两个室内空间通过HVAC系统连接。
根据本教导的原理，提供了无需微粒过滤器即可防止传染性病毒和细菌通过集中式HVAC系统传播，从而防止外部生物剂对室内环境的污染或污染在由建筑HVAC系统连接的室内空间之间的传播。此外，根据本教导的原理，可以在没有在其他系统中经历的相关背压、并保持紧凑尺寸的情况下，实现对传染性病毒和细菌传播的这种预防。
在一些实施方案中，本教导采用诱导放电和/或施加电场的一个或多个电极，该一个或多个电极同时从空气流中充电、去除传染性气溶胶、和/或以其他方式使传染性气溶胶为非传染性。也就是说，在一些实施方案中，本教导采用诱导放电的一个或多个电极，这些放电引发等离子体，该等离子体破坏化学污染物和/或灭活空气流中的生物病原体和/或使空气流中的生物病原体为非传染性。本教导还提供了一种非热等离子体系统，该非热等离子体系统改善了等离子体的操作效率而没有流动限制的传统缺点。这提供了在中央HVAC系统中使用或小型化为便携式或可穿戴式系统的潜力，而没有与微粒过滤器相关的能量损失，并且避免了微粒过滤器上的显著压差。
本教导可在多种应用中找到实用性，包括但不限于HVAC系统、无菌室污染物控制、飞机和航天器机舱环境控制、人类和动物生物安全、受限动物操作和个人空气净化系统等。本教导实现了许多益处，包括但不限于无过滤器、与微粒过滤器相比尺寸减小和操作成本降低、可调、以及实现当今技术无法实现的EPA推荐的能力。
根据本文提供的描述，其他应用领域将变得显而易见。该发明内容中的描述和具体实施例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于所选实施方案的说明性目的，而不是所有可能的实现方式，并且不旨在限制本公开的范围。
图1A是示出了根据本教导的一些实施方案的用于空气消毒的非热等离子体反应器芯的环形设计的截面立体图。
图1B是示出了根据本教导的一些实施方案的用于空气消毒的非热等离子体反应器芯的环形设计的截面侧视图。
图2A是示出了根据本教导的一些实施方案的复合环形非热等离子体反应器芯的截面立体图，该复合环形非热等离子体反应器芯显示初始环形气流在穿过环形NTP反应器芯之后转变为管流。
图2B是示出了根据本教导的一些实施方案的复合环形非热等离子体反应器芯的放大截面侧视图，该复合环形非热等离子体反应器芯显示初始环形气流在穿过环形NTP反应器芯之后转变为管流。
图3是示出了根据本教导的一些实施方案的示例性复合环形非热等离子体反应器芯的俯视立体图，该复合环形非热等离子体反应器芯具有开放腔室以示出电极和介电珠(dielectric bead)。
图4是示出了图2A至图3的实施方案的腔室壁和相关的电极与介电层的部分截面图。
贯穿说明书附图的若干视图，相应的附图标记指代相应的部件。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述实施例实施方案。
提供实施例实施方案，将使得本公开将是彻底的，并且将范围充分地传递给本领域技术人员。阐述了许多具体细节(诸如具体组件、设备和方法的实施例)，以提供对本公开的实施方案的透彻理解。对于本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用具体细节，实施例实施方案可以以许多不同的形式来实施，且具体细节不应被理解为限制本公开的范围。在一些实施例实施方案中，并未详细描述公知的过程、公知的设备结构和公知的技术。
本文中使用的术语仅为了描述特定实施例实施方案的目的，且不旨在是限制性的。如本文中所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“所述/该(the)”可以旨在包括复数形式。术语“包含(comprises，comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”是包含性的，因此特指所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。除非明确地标识为执行顺序，否则本文描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必须以所讨论或图示的特定顺序来执行。还应理解，可以采用附加或替代步骤。
当元件或层被称为“在另一元件或层上”，“接合至”、“连接至”或“耦合至”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上，直接接合、连接或耦合至另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一元件或层上”，“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦合至”另一元件或层时，则可能没有中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语(例如，“在……之间”相对于“直接在……之间”，“邻近”相对于“直接邻近”等)应以类似的方式进行解释。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或多个的任意组合和所有组合。
尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文中被用于描述不同元件、组件、区域、层和/或区段，但是除非另有说明，否则这些元件、组件、区域、层和/或区段不应被这些术语限制。这些术语可以仅用将一个元件、组件、区域、层和/或区段与另一区域、层和/或区段区分开来。除非上下文明确指出，否则诸如“第一”、“第二”和其他数值项等术语在本文中使用时并不暗指顺序或次序。因此，在不背离实施例实施方案的教导的情况下，下面讨论的第一元件、第一组件、第一区域、第一层或第一区段可以被称为第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二区段。
为了便于描述，空间相对术语(例如“内”、“外”、“下面”、“下方”、“下”、“上方”和“上”等)可以在本文中用于描述附图中所示的一个元件或特征与另一个(另一些)元件或特征的关系。空间相对术语可以旨在涵盖除了附图中描述的取向之外的设备在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的设备被翻转，则描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将随后被定向为在其他元件或特征“上方”。因此，实施例术语“下方”可以涵盖上方和下方的取向。设备可以以其他方式定向(旋转90度或以其他取向定向)，并且在本文中使用的空间相对描述词相应地进行解释。
根据本教导的原理，如附图所示，非热等离子体(non-thermal plasma,NTP)反应器系统10被提供为将嵌套通道组件(nested passage assembly)12内的气流暴露于非热等离子体。更具体地，在一些实施方案中，非热等离子体(NTP)反应器系统10的嵌套通道组件12可以包括：外构件14；和嵌套在外构件14内的内构件16。因此，与外构件14相比，内构件16可以具有更小的截面面积，以允许外构件14沿纵向方向完全容纳内构件16。在一些实施方案中，外构件14和内构件16可以各自为圆柱形并且以同轴关系布置。然而，应当理解，本教导的原理同样适用于外构件14和内构件16具有相似和/或不同的截面形状的构造。也就是说，作为非限制性实施例，外构件14和内构件16可以各自限定相似的截面形状，例如椭圆形、长方形、正方形、矩形、或任何其他有利的截面形状。同样，外构件14和内构件16可以各自限定不同的截面形状或轮廓，以促进气流暴露于本文所述的非热等离子体。
因此，在一些实施方案中，外构件14和内构件16可以限定圆柱形，使得内构件16具有的半径或直径小于外构件14的半径或直径，使得环形容积18存在于外构件14与内构件16之间。在这种布置中，内构件16可以嵌套在外构件14内，使得从截面视角观察，外构件14完全包围内构件16。在一些实施方案中，内构件16可以与外构件14同轴，使得环形容积18在外构件14与内构件16之间径向等距和/或大小相等。
在一些实施方案中，如图1A和图1B所示，空气流过环形容积18，并在其暴露于非热等离子体时保持在环形容积18内，因此非热等离子体的所有暴露都发生在与气流相同的环形容积(例如，环形容积18)中。在该实施方案中，气流保持轴向——即，空气沿平行于外构件14和/或内构件16的纵向轴线的方向流动。
继续参考图1A和图1B，在一些实施方案中，非热等离子体源系统30可以包括电极构件32和介电层34，该电极构件和介电层形成为内构件16以限定单个的整体构件。应当理解，在仅轴向流动的实施方案中，内构件16是不可渗透的。在一些实施方案中，相对的电气地36和介电层38可以形成为外构件14以限定单个的整体构件。可以在电极构件32与地36之间实现电场，以产生延伸穿过环形容积18的非热等离子体。当气流轴向通过环形容积18时，根据本教导的原理，气流暴露于非热等离子体。
应当理解，随着图1A和图1B实施方案的环形容积18的环形距离的增加，实现一致且均匀的非热等离子体可能变得更加困难。同样，减小该环形距离可以改善非热等离子体的性能；然而，这可能导致环形容积18内的气流受限。换句话说，在图1A和图1B的实施方案中，环形容积18的尺寸可能受到两个相互竞争的优先级的约束：(i)使环形截面最大化以促进流体流动并使压差最小化，和(ii)使环形截面最小化以使电场强度和等离子体产生最大化。应当理解，气流内的限制可能会导致气流速度的增加。为了用非热等离子体适当地处理单位空气内的污染物，通常认为气流应当暴露于非热等离子体一段预定量的时间，该时间量根据污染物的具体性质而变化。为此，如果气流速度增加，则可能需要延长非热等离子体的长度以确保适当的等离子体暴露期。这在一些实施方案和/或应用中可能不是问题。
然而，在希望改善非热等离子体性能而不会无意中造成气流限制并因此需要额外的流动长度的应用中，如图2A至图3所示的一些实施方案可以包括非热等离子体内构件套筒40，该非热等离子体内构件套筒形成为内构件16。在一些实施方案中，如图3所示，内构件套筒40可以包括大致圆柱形的构件，该构件具有内表面边界42和外表面边界44，在内表面边界42与外表面边界44之间限定套筒容积46。外表面边界44可以与内表面边界42同轴。此外，在一些实施方案中，套筒容积46可以包括多个离散腔室48，这些离散腔室48围绕内构件套筒40径向地设置。多个离散腔室48中的每一个可以通过腔室壁49与相邻的离散腔室48分开。以这种方式，多个离散腔室48中的每一个可以通常但不完全是等腰梯形(尽管基部表面由内表面边界42和外表面边界44的半径限定)。
内构件套筒40的内表面边界42和外表面边界44均是可渗透的，以允许空气从环形容积18流动到内构件套筒40内的中央芯容积50。在该实施方案中，气流轴向地和径向地流动——即，当空气从环形容积18到中央芯容积50时，空气沿平行于外构件14和/或内构件套筒40的纵向轴线(即轴向)的方向流动并且还将沿径向方向流动。然而，应当理解，空气可以以相反的方向从中央芯容积50流到环形容积18；然而，这也被认为是轴向流动和径向流动。
内表面边界42和外表面边界44的渗透性可以根据提供可渗透特征58的任何数量的解决方案来实现。在一些实施方案中，可渗透特征58可以包括形成在内表面边界42和外表面边界44中的多个通孔52。同样，可渗透特征58可以包括槽、材料孔隙或可用于允许空气从中流过的其他特征，从而产生渗透性。
继续参考图2A至图3，在一些实施方案中，与电源55耦合的一个或多个棒状电极(rod electrode)54可以设置在多个离散腔室48中的一个或多个内，并且介电材料56可以设置在环绕棒状电极54的相关的离散腔室48内。应当理解，介电材料56可以包括介电珠，这些介电珠具有的外径大于内表面边界42和外表面边界44的相关的可渗透特征58，以确保介电珠56保持在离散腔室48中的每一个内。此外，(多个)端盖构件60可以设置在每个离散腔室48的纵向端部上。
在一些实施方案中，如图4所示，将多个离散腔室48中的每一个分开的腔室壁49可以包括对应的电极62和介电层64。更具体地，每个腔室壁49可以包括中央电极层62，该中央电极层62被一对介电层64夹在相对侧上——这对介电层64可以通过粘合剂或其他合适的方式耦合到中央电极层62。电极层62耦合到电源55。以这种方式，电源55可以在每个棒状电极54与腔室壁49的电极层62之间采用一个或多个放电，这导致在内套筒构件40的套筒容积46内产生非热等离子体。
当气流在环形容积18与中央芯容积50之间通过时，根据本教导的原理，气流暴露于套筒容积46内的非热等离子体。
以这种方式，可以减小棒状电极54与腔室壁49的电极层62之间的距离，以促进套筒容积46内的非热等离子体的运行，而基本不影响或增加环形容积18和/或中央芯容积50内的气流阻力。此外，非热等离子体可用于有效和高效地破坏化学污染物和/或灭活气流内的生物病原体和/或使气流内的生物病原体为非传染性。
在一些实施方案中，外构件14和内构件16(或内构件套筒40)的纵向长度可以彼此不同。例如，在如图2A至图3所示的一些实施方案中，内构件16/内构件套筒40具有的长度可以小于外构件14的长度。因此，阻挡构件60可用于通过提供阻挡表面来促进气流，这些阻挡表面迫使气体在环形容积18与中央芯容积50之间流动。
正如从图2A至图3中应当理解的，当气流从中央芯容积50进入环形容积18(或反之亦然)时，空气在其穿过套筒容积46时暴露于等离子体。以这种方式，呈现了更大的流动面积(降低了流动限制和压差)，并允许促进等离子体形成的非常窄的区域。此外，由于臭氧产生通常与维持放电的表面积成比例，因此在这种构造中使用的放电面积比传统设计中使用的放电面积小得多，从而导致气流中的臭氧浓度降低。
应当理解，可以设想替代构造，包括但不限于在内构件16和/或外构件14上采用介电涂层来促进等离子体的产生而不使用介电珠和/或内构件套筒40。
为了说明和描述的目的，已经提供了实施方案的前述描述。其并不旨在穷举或限制本公开。特定实施方案的各个元件或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使未具体示出或描述，也可以用于所选择的实施方案。同样也可以以许多方式变化。这样的变体不应被认为是脱离本公开，并且所有这样的修改旨在包括在本公开的范围内。

Claims (12)

1.一种非热等离子体反应器系统，所述非热等离子体反应器系统包括：
外构件；
非热等离子体内构件套筒，所述非热等离子体内构件套筒设置在所述外构件内，所述非热等离子体内构件套筒限定中央芯容积，所述非热等离子体内构件套筒在尺寸上小于所述外构件，以在所述非热等离子体内构件套筒与所述外构件之间限定环形容积，所述非热等离子体内构件套筒具有内表面边界和外表面边界，所述内表面边界与所述外表面边界同轴以在所述内表面边界与所述外表面边界之间限定套筒容积，所述内表面边界和所述外表面边界是可渗透的、并且构造成允许气流在所述环形容积与所述中央芯容积之间；
介电材料，所述介电材料设置在所述套筒容积内；和
至少一个第一电极和至少一个第二电极，所述第一电极在所述套筒容积内延伸，所述第二电极耦合到所述内构件套筒，所述第一电极和所述第二电极构造成施加电势以在所述套筒容积内产生非热等离子体，当所述气流在所述环形容积与所述中央芯容积之间流动时，所述非热等离子体接触所述气流。
2.根据权利要求1所述的非热等离子体反应器系统，其中，在所述非热等离子体内构件套筒的所述内表面边界与所述外表面边界之间的所述套筒容积包括多个离散腔室。
3.根据权利要求2所述的非热等离子体反应器系统，其中，所述多个离散腔室围绕所述非热等离子体内构件套筒径向地设置。
4.根据权利要求2所述的非热等离子体反应器系统，其中，所述多个离散腔室中的每一个通过腔室壁与所述多个离散腔室中的相邻腔室分开。
5.根据权利要求2所述的非热等离子体反应器系统，其中，至少一个电极包括多个电极，每个所述电极延伸穿过所述多个离散腔室中的一个。
6.根据权利要求1所述的非热等离子体反应器系统，其中，所述介电材料包括介电珠。
7.根据权利要求1所述的非热等离子体反应器系统，其中，所述介电材料包括介电涂层。
8.根据权利要求1所述的非热等离子体反应器系统，其中，可渗透的所述内表面边界和可渗透的所述外表面边界各自包括形成在其中的孔。
9.根据权利要求7所述的非热等离子体反应器系统，其中，所述孔包括多个通孔。
10.根据权利要求7所述的非热等离子体反应器系统，其中，所述孔包括多个槽。
11.根据权利要求8所述的非热等离子体反应器系统，其中，所述介电材料包括介电珠，所述介电珠的直径大于形成在可渗透的所述内边界表面和可渗透的所述外边界表面中的所述孔。
12.根据权利要求1所述的非热等离子体反应器系统，其中，所述介电材料的大小足以容纳在所述套筒容积内。
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