JP2022551034A

JP2022551034A - 大気中化学物質及び生物汚染を処理するためのプロセスチャンバ

Info

Publication number: JP2022551034A
Application number: JP2022513201A
Authority: JP
Inventors: ダブリュー．パルマー，デビッド
Original assignee: アメリカンイノベイティブリサーチコーポレーション; ティーシーオースプウカスオルガニザツィーノオトゥポビエジャルノシチョン
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2022-12-07
Also published as: CA3152493A1; US20220354984A1; EP4021516A1; WO2021038304A1

Abstract

化学及び生物由来の大気中汚染を不活性化し、分解するためのセルフクリーニング型空気導管である装置。導管は、導管内のセミＵＶ反射表面を照射する紫外線（ＵＶ）源を含む。前記導管は、プレ及びポストフィルタの経路内に位置付けられる。導管の内面及びコンポーネントは、化学的及び又は機械的手段により改変されて表面積と光触媒コーティングの接着性を最大化することができる。導管内の複数のコーティングパネルは、空気流に平行に構成し、ＵＶ放射と、大気中汚染及び光触媒により生成されるフリーラジカルとの相互作用を促進するように位置付けることができる。導管に接続されたマイクロプロセッサベースの電子機器は、空気速度、ＵＶ放射レベル、及び大気中汚染レベルを制御し、モニタするのに必要な主要な内部補助コンポーネントのための電源を提供する。プレ及びポストフィルタは、ＶＯＣ及び不活性化された生体由来の大気中汚染並びに不活性の鉱物由来汚染を捕捉するように位置付けることができる。

Description

背景
呼吸器系合併症、供給食物の廃棄、屋内耕種農業に関する課題、及びその他の問題を生じさせ、又は悪化させる要因となる有害な大気中汚染を軽減させるために、様々な技術が実施されてきた。

どの技術を選択するかは、認識されている汚染源及び空気中に浮遊する病原体（大気中汚染物）の種類によって異なる。

本開示では、空気導管の形態の空気清浄機が考案され、これは導管の内面のセルフクリーニングが可能である。より限定的な態様において、導管は紫外放射を使って大気中病原体を滅菌し、また、流体力学の原理を利用して生物及び揮発性有機化合物（ＶＯＣ: volatile organic compounds）の炭化水素系分子への光触媒分解を促進する。

図面の簡単な説明
本発明は、各種のコンポーネント及びコンポーネントの配置と、各種のステップ及びステップの配列の形態を取り得る。図面は、好ましい実施形態を例示するためにすぎず、本発明を限定するものと解釈すべきではない。

第一の例示的な実施形態による空気清浄システムの部分分解図である。二酸化チタンコーティングを有する改変されたパネル表面の拡大図を含む、図１の空気清浄システムのセルパネルの等角図である。図２のパネルの表面における流体力学的気流を説明する図である。図１の空気清浄システムの電気パネルの等角図である。図１の空気清浄システムによる、低速、中速、及び高速気流における総揮発性有機化合物の削減を説明する図である。第二の例示的な実施形態による空気清浄システムの等角図である。

好ましい実施形態の詳細な説明
ここで図面を参照すると、図１～６は、空気導管のための空気清浄システムを示している。概して１０１で指定される空気清浄システムは一連のパネル１０２を含む。特定の実施形態において、一連のパネル１０２は実質的に、システムを複数の隣接する閉鎖型セル１０３に分割し、空気流１０４の抵抗を最小限にするように構成される。特定の実施形態において、空気流１０４は、空気清浄システムの入口部分１２０を通ってハウジングへと向けられ、出口部分１２１を通じてハウジングから出る。特定の実施形態において、パネル１０２の各々は少なくとも１つの開口１０６を有し、そこを通じて１つ又は複数のＵＶランプ１０５が位置付けられる。

図１に示される例示的な好ましい機械的構成において、空気導管１０１は複数の平行パネル１０２により分割されて、空気流１０４に対する抵抗が最小の複数の共線状閉鎖型セル１０３が作られる。

好ましい実施形態において、導管内壁と複数のパネルの表面は、導管入口１２０と導管出口１２１との間の複数の流体経路を取り囲む狭いセル１０３を形成する。少なくとも１つの紫外線（ＵＶ）ランプ１０５が、セル壁１０２の少なくとも１つの開口１０６を空気流の方向とセル壁の両方に対して垂直に貫通するように位置付けられる。ＵＶ源１０５からの放射は、セル１０３の体積及びセルの表面１０２を照明する障害のない経路を有する。

特定の好ましい実施形態において、パネル１０２の表面と導管１０１の内壁は機械的又は化学的に改変されて、ＵＶ放射の反射率を向上させる。

導管１０１の内面及びパネル１０２を改変する例示的な手段には、研磨又は化学エッチングが含まれるが、これらに限定されない。特定の実施形態において、ガラス、プレキシガラス等の透明若しくは半透明材料又はその他の透明若しくは半透明ポリマ材料で形成されるパネル１０２は、ＵＶ放射が隣接セルにより共有され、それによってＵＶ放射の有効性を向上させるために使用される。

また、特定の実施形態において、エッジリット半透明パネルが利用され、ＵＶ放射が隣接するセルにより共有されることで、光触媒コーティング内にエネルギを提供することによってＵＶにより活性化される光触媒表面の有効性が高められる。

特定の好ましい実施形態において、開口１０６は全てのパネルを通じて開けられ、それによって２つのＵＶ源１０５を位置付けることができる。例示的な好ましいＵＶ源にはＵＶＣランプ及びＵＶＡランプが含まれるが、これらに限定されない。特定の実施形態において、複数のＵＶ源が含められる。特定の別の実施形態においても、複数のＵＶ源の包含は、セルフクリーニング導管内でのＵＶ暴露のための有効寿命全体を延ばすために、交互のオン－オフシーケンスで使用されるように構成され得る。代替的なＵＶ源は、同様のＵＶＣ及びＵＶＡ波長のために選択されるダイオードとすることができる。ある例示的な交互のオン－オフシーケンスにおいて、第一のランプは２年間動作してオフにされ、第二のランプは２年間オンにされ、その後、両方のランプがさらに２年間オンにされる。このような交互／間欠的使用により、ＵＶ源を利用するシステムの耐用年数は２年から６年に延び得る。

殺菌ＵＶ放射：生物体内で生存可能な大気中汚染物質の分解は、セル壁１０２間の間隙１０３内で起こる。ＵＶの直接及び反射放射は、高いＵＶ放射強度及び暴露時間（線量）でほとんどの一般的な大気中有機病原体内のＤＮＡを損傷させる（不活性化する）ことがわかっている。好ましい実施形態において、パネル１０２と導管１０１は、ＵＶ反射率の高いアルミニウムで構成され、パネル１０２の１つ又は複数の表面１１６（図２）は、ＵＶ源の反射線量を増幅し、システム１００及びセルを通って移動する大気中病原体が確実に複数の方向から何度も照射を受けるように改変されている。ＵＶ放射損失の多くは、入口１２０と出口１２１で発生する。漏出する放射は任意選択によるプレフィルタ１１３（例えば活性炭フィルタ等の炭素フィルタ）をクリーニングするのに役立つ。漏出するＵＶ放射はまた、活性炭フィルタ等のフィルタ１１３が使用されている場合、その吸収能力を増大させるための熱エネルギも提供する。大気中病原体にとって好ましいＵＶ放射はＵＶ放射である。

ＵＶＡ：特定の実施形態において、ＵＶＡ放射はパネル１０２上の二酸化チタンコーティング表面とともに使用される。大気中の水分がＴｉＯ_２表面と接触し、ＵＶＡ放射により活性化されると、触媒反応がＨ_２Ｏをフリーラジカル１１５に変換し、それが炭化水素分子をＣＯ_２と水に分解する。ＴｉＯ_２表面１１７と周囲の大気中の水分との界面において有利な相互作用が起こる。

特定の好ましい実施形態において、透明なＴｉＯ_２液体溶液が改変アルミニウム表面１０７に塗布され、乾燥される。改変アルミニウム表面１０７は、より強固なＴｉＯ_２結合とより大きい表面積を提供する。特定の実施形態において、より大きい改変アルミニウム基板１０７から反射したＵＶＡによってＴｉＯ_２触媒フリーラジカルの産生量は２倍になる。改変アルミニウム表面１０７によって、より厚く、より耐久性の高い光触媒セルフクリーニングコーティングを得ることも可能となる。図２は、空気流１０４とパネル１０２の二酸化チタンコーティング１１７との間の境界層１１５を示している。

気流速度：汚染された気流の速度は、空気浄化プロセスにおいて重要な役割を果たす。病原体が受けるＵＶＣ放射の量は、空気の速度（導管内の滞留時間）に反比例し、ＵＶ源の近接度に正比例する。空気の速度が（高速に）上昇すると、ＤＮＡ不活性化に対するＵＶＣ放射の効果は低下する。導管内で空気の速度が（低速に）低下すると、空気の層流が発生し、それによって病原体はパネル１０２間を通り抜け、流線を形成してＴｉＯ_２－Ｈ_２Ｏフリーラジカル境界層１１５と接触せずに導管内を通過する（図３参照）。

光触媒プロセスは、気流１０４とＴｉＯ_２コーティング１１７の境界層１１５において発生する。ＴｉＯ_２１１７コーティングの表面における境界層１１５は、最も濃度の高いフリーラジカルを含む。したがって、病原体がフリーラジカルと確実に接触するようにするために、最小レイノルズ数（Ｎｒｅ）が２１００より大きい気流（遷移空気流）が保持されるべきである（図３参照）。

簡素化された設計では、約３５００Ｎｒｅの目標が保持され得る。

特定の好ましい実施形態において、機械的な乱流発生器１１８をセルの縁辺に追加して、必要な速度を低下させ、より低速で空気が層流から乱流に確実に遷移するようにすることによって、より低いＮｒｅも利用し得る。好ましい実施形態において、空気は１つ又は複数の発生器１１８により積極的に乱され、混合流へと遷移する。＜Ｎｒｅ２００の低い空気速度で不安定性を生じさせるために使用可能な数多くの空気力学的方法がある。幾つかを挙げれば、ファンブレード、スポイラ、渦発生片による空気擾乱である。セル１０３の壁の中に気流障害物１１８を加えて、同じセル内で異なる空気速度を生じさせ、不安定性をトリガする構成が開示される。空気の速度は、少なくとも１つの可変制御ファンにより作られ、保持される。

ＶＯＣ削減対空気流不安定性
特定の好ましい実施形態において、総ＶＯＣ（ＴＶＯＣ）の大気中汚染の軽減は、好ましい導管構成内で、機械的に刺激される空気不安定性によって、より高い空気流遷移状態（図５参照）で実現される。図５は、低、中、及び高の空気流でのＴＶＯＣの例示的な削減を示している。３つの空気流条件は全て、乱流生成により高められる従来のレイノルズ遷移数（Ｎｒｅ）内となるように選択されている。空気の速度が高いほど、ＴＶＯＣ削減量が増大することが明らかである。これは、他の全ての空気清浄装置では反直感的である。

導管の第二の実施形態において
中実の対向する２つのＵＶ透過性側壁２０３と対向する中実の２つのＵＶ反射性エンドキャップ２０８により画定されるセルフクリーニング式の１つのセル２０１が開示される。エンドキャップの表面は、表面積を大きくし、ＵＶ反射率を高めるために機械的又は化学的に改変できる。図６に示されるように、セル２０１の上下は対向する２つの通気性グリッド構造２０２により閉じられ、これらによって空気は入口２０５からセルに流入でき、空気は出口２０６を通ってセルから流出できる。２つの対抗する通気性グリッド構造２０２はまた、セル２０１を満たすアグリゲートを保持する。

通気性アグリゲート２０４は、ＵＶ２０７を透過させるように選択され、以下の粒状構成、すなわち球体、ペレット、チップ、及び／又はフレークのうちの１つ又は複数とすることができる。

セル２０１を組み立てた後、セル２０１の全ての表面とアグリゲート２０４は、組立体２０１とアグリゲート２０４をＴｉＯ_２を含む液体に浸漬し、乾燥させることによって、ＴｉＯ_２でコーティングされ得る。

図示されないファンは、空気を入口２０５から出口２０６へとアグリゲート２０４内で移動させ、空気を透明な側壁２０３に向けられたＵＶ光の少なくとも１つの波長にさらす。透明なアグリゲート２０４を照明するためのＵＶ源２０７は、ＵＶランプ、ＵＶＬＥＤｓ、又は両方を含み得る。第二の実施形態において、ＵＶ源２０７はＵＶＡ及び／又はＵＶＣ源であり得るが、これに限定されない。アグリゲート２０４の全体に分散するＵＶＣエネルギは、大気中病原体のＤＮＡを攪乱し、病原体を複製不能にする。アグリゲート２０４の全体に分散するＵＶＡエネルギは、セル２０１の全ての内面及びＴｉＯ_２コーティングされたアグリゲート２０４の全ての表面上で光触媒反応を起こす。ＴｉＯ_２は空気中のＨ_２Ｏと反応してフリーラジカルを作り出し、それが揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を破壊し、内部セル２０１及びアグリゲート２０４の表面上に堆積して全ての有機デブリを分解する。

外部電子機器
好ましい実施形態において、外部電子機器パネル１０８は導管の外面に剛体的に取り付けられて、ＵＶランプ１０５、ＵＶセンサ（１０９、図示せず）、空気流センサ、及び大気中汚染センサ（１１１、図示せず）に電源供給する。好ましい実施形態において、電子機器は上流又は下流のファンを制御することができるであろう。また、電子機器は、その他の電子システム、設備とワイヤ、ＲＦＣ、及び／又はインタネットにより通信し、空気清浄プロセスをリアルタイムでモニタすることができるであろう。

外部フィルタ
導管の入力１２０及び／又は出力（図示せず）に提供された交換可能な活性炭プレフィルタ１１３は、空気流をセル内で均等に分布させる。炭素は大気中揮発性化合物（ＶＯＣ）を除去し、飽和する前後に、下流及び上流のＵＶ放射の漏出を防止するための光学シールドを提供する。活性炭を照明するＵＶＣ及びＵＶＡ放射は、事前及び事後に炭素表面をクリーニングして、追加的にＶＯＣの大気中病原体の削減を可能にする。

本発明を好ましい実施形態に関して説明した。他者は上記の詳細な説明を読み、理解すれば改良及び変更を着想するであろう。本発明は、かかる改良及び変更の全てを含むと解釈されることが意図されている。

Claims

空気導管システムにおいて、空気出口に流体に接続された空気入口を有し、流体流と共線状のセルを作る複数の表面テクスチャパネルで取り囲まれた空気流経路を生成するハウジングを含み、各テクスチャセルの各表面は少なくとも１つの紫外線源に対する直接的視線を有するＵＶ透過性光触媒層で被覆される空気導管システム。
空気導管であって、少なくとも１つのＵＶ透過性中実壁を有し、導管の体積は、セルの外部の少なくとも１つの紫外線源により照明される流体流の経路内で、連続的な光触媒コーティングを有するＵＶ透過性アグリゲートが充填される空気導管。
前記導管の前記体積には、連続的な光化学コーティングを有するＵＶ透過性球体からなるアグリゲートが充填される、請求項２の空気導管システム。
前記導管の前記体積には、連続的な光化学コーティングを有するＵＶ透過性ペレットからなるアグリゲートが充填される、請求項２の空気導管システム。
前記導管の前記体積には、連続的な光化学コーティングを有するＵＶ透過性チップからなるアグリゲートが充填される、請求項２の空気導管システム。
前記導管の前記体積には、連続的な光化学コーティングを有するＵＶ透過性フレークからなるアグリゲートが充填される、請求項２の空気導管システム。
前記導管セルの前記体積には紫外線Ａ波（ＵＶＡ）が照射される、請求項１のシステム。
前記導管セルの前記体積には紫外線Ｃ波（ＵＶＣ）が照射される、請求項１のシステム。
全ての内面に機械的又は化学的手段でテクスチャが付けられ、表面積が増大される、請求項１におけるシステム。
全ての内面に機械的又は化学的手段でテクスチャが付けられ、コーティングの接着が増強される、請求項１におけるシステム。
全ての内面に機械的又は化学的手段でテクスチャが付けられ、ＵＶ反射率が増大される、請求項１におけるシステム。
前記エンドキャップ表面には機械的又は化学的手段によりテクスチャが付けられる、請求項２におけるシステム。
全ての大気中病原体が前記ＵＶ放射に暴露される、請求項１又は２のシステム。
前記コーティングされたテクスチャ表面はセルフクリーニングされる、請求項１又は２のシステム。
チャネル内の空気速度はコンピュータ制御ファンにより保持される、請求項１又は２のシステム。
前記空気速度は空気層流より高いが空気乱流より低い遷移相に保持される、請求項１のシステム。
前記遷移相の空気流は前記セル内の渦発生装置により起こされる、請求項１のシステム。
前記遷移相の空気流は前記導管内のアグリゲートにより起こされる、請求項２のシステム。
前記導管内のアグリゲートにより起こされる前記空気乱流は前記アグリゲートの前記表面を洗浄する、請求項２のシステム。
渦流はセルの幅にわたる、請求項１のシステム。
渦流は、光触媒コーティングセル壁の表面上の境界層を洗浄する、請求項１のシステム。
渦流はフリーラジカルを汚染された気流へと運び、混合する、請求項１又は２のシステム。
前記導管の前記セル間に入る前記大気中汚染は渦流により前記セル壁境界層に運ばれる、請求項１のシステム。
前記空気速度は滞留時間を最大化するために乱流より低く、高い量のＵＶＣ滅菌放射が確実に受けられるようにされる、請求項１のシステム。
少なくとも２つのＵＶランプは、ＵＶ放射の動作量及び／又は保守時間を延ばすような方法で交互に動作するように構成される、請求項１のシステム。
前記導管の前記側壁は、空気流を透過させず、ＵＶ放射を透過させる、請求項２のシステム。
ＵＶ放射に暴露される全ての表面はＵＶによる分離により損傷しない、請求項１又は２のシステム。
前記導管にはいかなる電子機器もない、請求項２のシステム。