專利名稱：使用臭氧發(fā)生裝置進行空氣凈化的方法和系統(tǒng)的制作方法
使用臭氧發(fā)生裝置進行空氣凈化的方法和系統(tǒng)

背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及一種用于供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的空氣凈化方法。更具體而 言，本發(fā)明涉及一種使用等離子體裝置來產(chǎn)生臭氧及經(jīng)構(gòu)造以從空氣中去除污染物的其他 自由基的空氣凈化方法。 產(chǎn)生高水平臭氧的空氣凈化設(shè)備已用來凈化封閉空間內(nèi)的污染空氣。但高水平的 臭氧對于人及其他生物可能是危險或致命的。因此，產(chǎn)生高水平臭氧來凈化污染空氣的設(shè) 備通常僅可在當封閉空間未被居處時使用。相比之下，可設(shè)計用于在較低污染水平下運行 并不可能產(chǎn)生高水平臭氧的其他類型空氣凈化設(shè)備。需要產(chǎn)生臭氧并能在從普通、日常低 水平到高得多的水平的各種污染物水平內(nèi)高效運行的空氣凈化系統(tǒng)和方法。
發(fā)明概述 —種用于供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的空氣凈化系統(tǒng)含臭氧發(fā)生裝置，所述臭 氧發(fā)生裝置用來向流經(jīng)臭氧發(fā)生裝置的空氣流中引入臭氧。臭氧用來從空氣流中去除污染 物，包括揮發(fā)性有機化合物(V0Cs)。凈化系統(tǒng)含傳感器，這些傳感器布置在HVAC系統(tǒng)內(nèi)各 種位置處以測定空氣中組分的濃度。在一些實施方案中，所述組分可包括臭氧和V0Cs如甲 苯、丁烯和丙醛。為控制產(chǎn)生的臭氧的量，凈化系統(tǒng)將控制供給臭氧發(fā)生裝置的電功率的 量。為控制產(chǎn)生的臭氧的濃度，凈化系統(tǒng)將控制通過臭氧發(fā)生裝置的空氣的流率。電功率 和流率的控制均取決于一種或多種被傳感組分的濃度。在一些實施方案中，凈化系統(tǒng)可在 臭氧發(fā)生裝置下游含UVC源，其經(jīng)構(gòu)造以通過光解將臭氧分解為氧氣和氧自由基。
附圖簡述

圖1為一種空氣處理系統(tǒng)的示意圖，其在系統(tǒng)的管道內(nèi)含臭氧發(fā)生裝置。在圖1-7 中所示的示例性實施方案中，所述臭氧發(fā)生裝置為非熱等離子體裝置。 圖2為圖1的空氣處理系統(tǒng)的示意圖，其含圖1的等離子體裝置的替代或附加位置。 圖3為空氣處理系統(tǒng)的替代設(shè)計的示意圖，其中等離子體裝置位于管道旁路中。
圖4為一種空氣凈化系統(tǒng)的示意圖，其含圖1的等離子體裝置以在典型或常規(guī)的 污染物水平期間使用。 圖5為還含UVC殺菌燈的圖4的空氣凈化系統(tǒng)的替代實施方案。 圖6和7為設(shè)計用于高污染物水平期間的圖4的空氣凈化系統(tǒng)的替代實施方案。 圖8為臭氧濃度對供給等離子體裝置的功率的函數(shù)關(guān)系圖。 圖9為臭氧濃度對進入等離子體裝置的空氣流的面速度的函數(shù)關(guān)系圖。 圖10為等離子體裝置的臭氧發(fā)生速率對進入等離子體裝置的空氣流的相對濕度
的函數(shù)關(guān)系圖。 圖11-14為空氣凈化系統(tǒng)的各種構(gòu)造的凈化結(jié)果的比較圖。
發(fā)明詳述 本文中描述了一種使用臭氧發(fā)生裝置進行空氣凈化的系統(tǒng)和方法。在一個示例性 的實施方案中，臭氧發(fā)生裝置為非熱等離子體裝置，其經(jīng)構(gòu)造以產(chǎn)生短壽命和長壽命的自由基，所述自由基可與污染物包括揮發(fā)性有機化合物(VOCs)反應(yīng)而從空氣中去除所述污 染物。等離子體裝置也產(chǎn)生臭氧，臭氧對于凈化空氣高度有效，但在高于給定濃度時具有安 全風(fēng)險。可使用傳感器來測定空氣中VOCs和/或臭氧的水平。然后可根據(jù)傳感到的VOCs 和/或臭氧濃度來控制等離子體裝置。控制供給等離子體裝置的功率將控制產(chǎn)生的臭氧的 量?？刂仆ㄟ^等離子體裝置的空氣的流率將控制空氣流中臭氧的濃度。
通過改變臭氧輸出，本文中所述的空氣凈化方法可在寬范圍的污染物水平下使 用。此外，無論臭氧是含在建筑物的管道系統(tǒng)內(nèi)或是引入到建筑物的所有空間中或是建筑 物內(nèi)的部分空間中，所述方法進一步設(shè)計為通過容易地對其進行控制的能力而適應(yīng)更高的 污染物水平。因此，本文中所述的系統(tǒng)和方法可用于其中向空間中有目的地引入了污染物 的場景中。 所述空氣凈化系統(tǒng)和方法可被結(jié)合到建筑物的空氣處理系統(tǒng)中。圖1為空間12的 供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)10的示意圖?？臻g12可為任何類型的建筑物(例如醫(yī)院) 的內(nèi)部或建筑物的封閉部分。在其他實施方案中，空間12可為車輛或別的類型的運輸設(shè)備 如陸地車輛、飛行器、航天器或船內(nèi)的封閉空間。系統(tǒng)10含空氣凈化系統(tǒng)50及管道18和 20?？諝鈨艋到y(tǒng)50含臭氧發(fā)生裝置14、空氣處理單元(AHU) 16、電源22、傳感器24和流 率控制器26?？諝馓幚韱卧?6可用來加熱和/或冷卻空間12。應(yīng)認識，空氣處理單元16 在空氣凈化系統(tǒng)50中不是必需的。在一些實施方案中，系統(tǒng)50中可省去空氣處理單元16 ; 在其他實施方案中，空氣處理單元16可位于空氣凈化系統(tǒng)50的下游或上游。在圖1所示 實施方案中，臭氧發(fā)生裝置14為非熱等離子體(NTP)設(shè)備，其將在下面更詳細地描述。應(yīng) 認識，可用設(shè)計以產(chǎn)生臭氧的其他設(shè)備代替非熱等離子體裝置。NTP裝置14與電源22相 連，電源22向NTP裝置14傳遞電功率。 如圖1中所示，外部空氣27進入管道18并流經(jīng)空氣凈化系統(tǒng)50(包括流經(jīng)NTP 裝置14和隨后流經(jīng)AHU 16)。經(jīng)調(diào)節(jié)的空氣28然后通過供給管道18行進到空間12。返 回管道20從空間12去除空氣29，此處，空氣29的第一部分29a再循環(huán)通過系統(tǒng)10而空 氣29的第二部分29b從系統(tǒng)10排出。再循環(huán)的空氣29a流經(jīng)NTP裝置14并回歸空間12。 NTP裝置14可含鼓風(fēng)機來將空氣流27和29a抽入NTP裝置14中?；蛘?，可使用為AHU 16 的一部分的鼓風(fēng)機來將空氣抽入NTP裝置14中并然后流經(jīng)AHU 16。 非熱等離子體(NTP)裝置14用來產(chǎn)生短壽命和長壽命活性物種的等離子體，所述 等離子體可與揮發(fā)性有機化合物(VOCs)及其他污染物反應(yīng)而從空氣中去除污染物。所述 等離子體也產(chǎn)生臭氧，臭氧很適合攻擊VOCs及其他污染物。如圖1中所示，裝置14布置在 空氣處理單元16上游并用來凈化空氣流，所述空氣流包括外部空氣27和再循環(huán)空氣29a。
傳感器24可布置在HVAC系統(tǒng)10內(nèi)的各種位置處并可用來測定空氣中各種組分 的濃度。例如，傳感器24可位于圖1的空間12內(nèi)以測定和監(jiān)控空間12內(nèi)的污染物水平。 也可在NTP裝置14上游布置測定VOC水平的傳感器以監(jiān)控進入系統(tǒng)10的空氣27中的VOC 水平和/或再循環(huán)空氣29a中的VOC水平。此外，傳感器可位于NTP裝置14下游供給管道 18內(nèi)以監(jiān)控NTP裝置14從空氣中去除污染物的有效性。 除監(jiān)控VOCs的傳感器外，傳感器24也可包括監(jiān)控臭氧水平的傳感器。例如，如果 在NTP裝置14的使用過程中空間12有人居處，則在空間12中安放臭氧傳感器來監(jiān)控和確 ?？諝饬?8中的臭氧水平處于或低于人可接受的水平將是很重要的。在這種情況下，在供給管道18的出口近旁安裝臭氧傳感器可能是適宜的。來自傳感器24的輸入因此可包括來 自圖1的HVAC系統(tǒng)10內(nèi)任何可能位置處多個傳感器的數(shù)據(jù)。 空氣凈化系統(tǒng)50凈化空氣的能力部分取決于控制電源22供給NTP裝置14的功 率以及控制流經(jīng)NTP裝置14的空氣流的流率(如圖1中流率控制器26所代表)。提高電 源22對NTP裝置14的供給將使NTP裝置14產(chǎn)生更多臭氧，這點在下文中有述(見圖8)。 更多的臭氧將提高系統(tǒng)50從空氣中去除污染物的有效性。如果需要較少臭氧，則電源22 將減少供給NTP裝置14的功率。 流率控制器26經(jīng)構(gòu)造以控制離開NTP裝置14的空氣流中臭氧的濃度。在恒定的 功率設(shè)置下，減小流經(jīng)NTP裝置14的空氣的流率將導(dǎo)致離開等離子體60的空氣流中臭氧 濃度的增高。增高的臭氧濃度將導(dǎo)致更高的空氣流凈化水平。電源22和/或流率控制器 26根據(jù)來自傳感器24的數(shù)據(jù)加以調(diào)節(jié)。如上面所說明的，來自傳感器24的數(shù)據(jù)可包括但 不限于系統(tǒng)10內(nèi)各種點處的臭氧濃度和/或VOC濃度。 圖2為圖1的空氣處理系統(tǒng)10的示意圖，示出了臭氧發(fā)生裝置的替代或附加位 置。如圖2中所示，系統(tǒng)10含NTP裝置30、32、34和36，其各可含與電源22相似的電源(未 示出)?；蛘?，電源22也可用來向超過一個NTP裝置傳遞功率。 如圖2中所示，NTP裝置30布置在AHU 16下游。在此情況下，NTP裝置30或許 可用作NTP裝置14的替代。不是如NTP裝置14的情況下那樣接收外部空氣27， NTP裝置 30將接收來自AHU 16的經(jīng)調(diào)節(jié)的空氣流。因此，有時，進入NTP裝置30的空氣流可能比外 部空氣27具有較低濕度。有時，若進入NTP裝置的空氣濕度較低時NTP裝置可更高效地運 行。 NTP裝置32布置在空間12內(nèi)并因而可作為獨立單元運行。在此情況下，NTP裝置 32可有其自己的鼓風(fēng)機。在系統(tǒng)10的一些實施方案中，NTP裝置32可與NTP裝置14組合 使用。NTP裝置14可用來從外部空氣27和再循環(huán)空氣29a中去除污染物，所述外部空氣 27和再循環(huán)空氣29a然后作為潔凈空氣28通過管道18被傳遞至空間12。 NTP裝置32可 用來從空間12所含空氣中去除污染物。NTP裝置14和32的組合將促進系統(tǒng)10內(nèi)所含空 氣的更快凈化。 NTP裝置34示意在返回管道20內(nèi)廢氣29b已被移出到外部而再循環(huán)空氣29a正 返回供給管道18的位置處。與NTP裝置32類似，NTP裝置34可用來從來自空間12的空 氣中去除污染物。在其中已知外部空氣27基本潔凈而無需凈化的情況下，可使用NTP裝置 34代替NTP裝置14。在該情況下可使用較低的流率，因為僅再循環(huán)空氣29a流經(jīng)裝置34。 如上所述，部分地由于離開等離子體裝置的空氣流中臭氧的較高濃度，故流經(jīng)等離子體裝 置的空氣的較低流率有時將使等離子體裝置具有較高效率。 最后，NTP裝置36在圖2中示意為在管道18的入口近旁。NTP裝置36可單獨使 用，或當已知外部空氣27含高水平的污染物時可與圖2中的其他NTP裝置中的一個組合使 用。在此情況下，來自空間12的再循環(huán)空氣29a不流經(jīng)NPT裝置36。 圖2示意了系統(tǒng)10內(nèi)可使用單個NTP裝置或多個NTP裝置。應(yīng)認識，多個NTP裝 置可提高循環(huán)通過空間12的空氣的凈化水平；但在一些情況下，在系統(tǒng)10內(nèi)運行超過一個 NTP裝置的成本效率可能不劃算。如圖2中所示，NTP裝置可位于系統(tǒng)10的管道系統(tǒng)內(nèi)或 作為空間12內(nèi)的獨立單元。圖1和2中的管道系統(tǒng)中所示的NTP裝置可作為半永久固定件安裝在管道系統(tǒng)內(nèi)部，或其可為易于根據(jù)需要而添加、四處移動或從管道拆下的便攜式 單元。 圖3示意了系統(tǒng)10的一個替代實施方案，在其中，NTP裝置38用在管道旁路構(gòu)造 中。如圖3中所示，可使用偏流器40來引導(dǎo)流經(jīng)管道42的部分空氣進入管道旁路43。通 過旁路43的空氣然后流經(jīng)NTP裝置38。如圖3中所示，NTP裝置38含鼓風(fēng)機44。
圖3中所示實施方案可用在不必凈化全部流經(jīng)管道42的空氣的情況中。此外，應(yīng) 認識，偏流器40可改型為使更多或更少的空氣流經(jīng)旁路管道43。圖3還示意，臭氧發(fā)生裝 置可以許多不同的方式構(gòu)造在HVAC系統(tǒng)內(nèi)。 圖4為圖1的空氣凈化系統(tǒng)的示意圖，其含非熱等離子體(NTP)裝置14、電源22、 傳感器24、流率控制器26、顆粒過濾器52、臭氧過濾器54、建筑物供電68、入口空氣流72 和出口空氣流74。如下面更詳細地描述的，NTP裝置14含高壓電極(HVE)56和低壓電極 (LVE) 58，其將導(dǎo)致等離子體60的形成。電源22含交流(AC)轉(zhuǎn)換器62、自耦變壓器64和控 制邏輯66。如圖4中所示，為清楚起見，圖4中未示出系統(tǒng)50的空氣處理單元(AHU)16(參 見圖l)。應(yīng)認識，系統(tǒng)50可在有或無AHU 16的情況下運行。在圖4所示實施方案中，空氣 凈化系統(tǒng)50設(shè)計用于典型或普通污染物水平期間，這將在下面更詳細地描述。
非熱等離子體(NTP)裝置14使用高壓電極(HVE) 56和低壓電極(LVE) 58來產(chǎn)生 電場，這將在下面更詳細地描述。等離子體60在HVE56和LVE 58之間形成。等離子體60 為高度離子化的氣體，包含離子、電子和中性粒子。在圖4的示例性實施方案中，等離子體 60的特點是基于用來產(chǎn)生等離子體60量的能量的非熱等離子體。與熱等離子體相比，非熱 等離子體需要較少能量，且非熱等離子體中的電子優(yōu)先被激發(fā)到高能量。因此，非熱等離子 體中的平均電子能量遠高于周圍本體氣體分子的平均電子能量。被激發(fā)的電子將與其他氣 體分子碰撞而產(chǎn)生自由基。 在圖4所示實施方案中，非熱等離子體裝置14為電介質(zhì)阻擋放電裝置 (dielectric barrier discharge device)。代表性裝置的實例在2003年6月12日公開 的美國專利申請公開號US 2003/0106788中有公開。在一個實例中，所述裝置含至少一個 格柵(grid)且各格柵為一系列彼此平行的高壓電極和一系列彼此平行而與高壓電極垂直 的低壓電極。等離子體在高壓電極與低壓電極彼此交叉的區(qū)域中形成?？纱?lián)使用多個格 柵來增加產(chǎn)生的臭氧的量?？捎脕懋a(chǎn)生等離子體的其他類型的裝置包括但不限于電暈放電 裝置和火花放電裝置。 等離子體60將產(chǎn)生多個電子、短壽命活性物種、長壽命活性物種、其他離子和臭 氧。短壽命和長壽命活性物種經(jīng)構(gòu)造以與通過等離子體60的空氣流中的污染物反應(yīng)。短 壽命自由基可包括e- (l-5eV) 、 0 (3P) 、 0 CD) 、 02 (a) 、 02 (b) 、 02 (A) 、 02 (v) 、 0H*、 03*、 N (4S)和 NJA)，其通常存在于位于HVE 56和LVE 58之間的有限區(qū)域內(nèi)。另一方面，長壽命自由基可 包括冊、冊2、冊3、^05和^0，其可遷移到存在等離子體60的區(qū)域之外。與長壽命自由基相 似，臭氧(03)將存活相當長的一段時間(高達數(shù)小時)并因此可能遷移到等離子體60下 游。通過等離子體60產(chǎn)生臭氧具有特別的意義，因為臭氧對于從空氣中去除污染物高度有 效，這將在下面詳細描述。此外，臭氧可被分解為氧氣和氧自由基，氧自由基對于攻擊污染 物也高度有效。 圖4示意入口空氣流72流經(jīng)NTP裝置14并含顆粒72a、微生物72b和揮發(fā)性有機化合物(V0Cs)72c。普通的VOCs包括但不限于丙醛、丁烯、甲苯和甲醛。在進入裝置14之 前，空氣流72先流經(jīng)顆粒過濾器52，顆粒過濾器52截留顆粒72a，從而從空氣流72中消除 顆粒72a(如顆粒72a的箭頭從白色變?yōu)殛幱凹^所示)。微生物72b和VOCs 72c大多數(shù) 通過顆粒過濾器52。接著，空氣流72流經(jīng)HVE 56與LVE 58間形成的等離子體60。 一般 來說，微生物72b在等離子體60內(nèi)被消除。(與顆粒72a相似，當大多數(shù)微生物72b在等 離子體60周圍的區(qū)域中被去除時，微生物72b的箭頭從白色變?yōu)殛幱凹^)。應(yīng)認識，部 分微生物72b可能通過等離子體60而不與短壽命自由基中的一種反應(yīng)。但剩余的微生物 72b可能被能在HVE 56和LVE 58之間的區(qū)域外存活的長壽命自由基和臭氧攻擊。
部分VOCs 72c可能被駐留在HVE 56和LVE 58之間的等離子體60中的短壽命自 由基去除。但大多數(shù)VOCs 72c很可能在當其與長壽命自由基或臭氧中的一種反應(yīng)時從空 氣流72中去除。VOCs 72c的去除因此可能在等離子體60的下游進行。
如圖4中所示，空氣凈化系統(tǒng)50含臭氧過濾器54，臭氧過濾器54位于HVE 56和 LVE 58的下游。由于等離子體60產(chǎn)生的臭氧能比等離子體60內(nèi)的一些其他活性物種存 活更長時間，故可使用臭氧過濾器54來從空氣流72中去除任何剩余的臭氧。臭氧過濾器 54可由活性碳或催化劑如氧化錳形成。離開系統(tǒng)50的空氣流74為凈化空氣流，其中顆粒、 微生物和VOCs已基本被去除。此外，空氣流74基本無臭氧，因此可供給居處空間如圖1的 空間12。通過在系統(tǒng)50中引入臭氧過濾器54，凈化基本限于空氣流經(jīng)管道系統(tǒng)(與其中 也在圖1的空間12內(nèi)進行凈化的其他實施方案不同)?？捎闷渌愋偷某粞蹙徑?ozone mitigating)裝置代替過濾器54。 如圖4中所示，電源22與等離子體裝置14相連以向高壓電極(HVE)56供電。在 圖4所示的示例性實施方案中，電源22含交流AC轉(zhuǎn)換器62、自耦變壓器64和控制邏輯66 。 應(yīng)認識，系統(tǒng)50中可使用任何提供低頻AC和可變電壓的電源。在圖4的系統(tǒng)50的示例性 實施方案中，AC轉(zhuǎn)換器62在正循環(huán)和負循環(huán)之間循環(huán)，LVE 58為接地電極，HVE 56基于AC 轉(zhuǎn)換器62的循環(huán)從正電壓向負電壓循環(huán)。雖然LVE 58在圖4中示意為在HVE 56下游，但 應(yīng)認識，LVE 58和HVE 56的位置可相反以致HVE 56位于LVE 58下游。
控制邏輯66與自耦變壓器64 —道運行以控制供給AC轉(zhuǎn)換器62的功率的量?？?制邏輯66的輸入包括建筑物供電68和來自傳感器24的信號?；谶@些輸入，控制邏輯66 將用自耦變壓器64控制供給轉(zhuǎn)換器62的功率，以控制電源22供給NTP裝置14的功率。如 上面說明的，NTP裝置14產(chǎn)生的臭氧的量為來自電源22的功率的量的函數(shù)?？刂七壿?6 可為專用于電源22的控制器，在這種情況下，控制邏輯66可與HVAC系統(tǒng)10的主控制器通 訊?；蛘?，控制邏輯66可為HVAC系統(tǒng)10的主控制器的一部分。 空氣凈化系統(tǒng)50也含流率控制器26，其調(diào)節(jié)通過NTP裝置14的入口空氣流72的 流率。流率的調(diào)節(jié)隨來自傳感器24的數(shù)據(jù)而變?？刂瓶諝饬?2的流率是為了控制離開等 離子體裝置14的空氣流中臭氧的濃度。如圖4中所示，流率控制器26可含輸出信號，其被 發(fā)送給鼓風(fēng)機，鼓風(fēng)機控制流經(jīng)NTP裝置14的氣流?？刂七壿?6可用于流率控制器26，或 也可使用單獨的控制器如系統(tǒng)10的主控制器用于流率控制器26。 如上面結(jié)合圖1所述，傳感器24可布置在HVAC系統(tǒng)10內(nèi)的基本任何位置處。傳 感器24可通過有線和/或無線連接與HVAC系統(tǒng)10的控制器(包括控制邏輯66)相連。
HVAC系統(tǒng)10內(nèi)NTP裝置14的好處在于其凈化寬范圍污染物水平的空氣流的能力。圖4的NTP裝置14的實施方案可用于典型的污染物水平，其可較低。但NTP裝置14可易于經(jīng)構(gòu)造以處理重度增高的污染物水平，這將在下面描述。 圖5為空氣凈化系統(tǒng)的第二個實施方案，其與圖4的系統(tǒng)50相似并可替換在圖1的系統(tǒng)10中。空氣凈化系統(tǒng)150含與圖4中所示并在上面關(guān)于系統(tǒng)50所述相同的部件；但空氣凈化系統(tǒng)150也含燈78，其位于等離子體裝置14與臭氧過濾器54之間。燈78為設(shè)計以產(chǎn)生紫外光(UVC)的殺菌燈。 系統(tǒng)150與圖4的系統(tǒng)50相似地構(gòu)造用于典型的污染物水平。系統(tǒng)150內(nèi)UVC燈78或另外的UVC源的使用可改進系統(tǒng)150的凈化能力。如上面在圖4中所述，等離子體60內(nèi)產(chǎn)生的臭氧可能從等離子體裝置14遷移到下游。UVC燈78將產(chǎn)生UVC光子。當UVC光子接觸臭氧分子時，光解將發(fā)生，意味著臭氧分子將瓦解或分解為氧氣和氧自由基?；钚蕴貏e高的氧自由基可然后與位于等離子體裝置14和臭氧過濾器54之間的剩余的V0Cs和/或微生物反應(yīng)。由于系統(tǒng)150含臭氧過濾器，故離開系統(tǒng)150的空氣流74基本無臭氧。
在圖5所示實施方案中，系統(tǒng)150含殺菌UVC燈78。應(yīng)認識，燈78可由任何類型的UVC源代替，只要所述源能產(chǎn)生波長約254納米的光即可。其他UVC源包括但不限于發(fā)光二極管(LED)和太陽。應(yīng)認識，空氣凈化系統(tǒng)150可易于通過關(guān)閉UVC燈78而轉(zhuǎn)化為圖4的空氣凈化系統(tǒng)50。 如上所述，UVC燈78與等離子體裝置14的組合使用將促進臭氧分子更高效地從空氣流中去除VOCs。這是由于UVC燈78將瓦解或分解臭氧分子而形成氧自由基的事實。系統(tǒng)150內(nèi)過濾器54的使用也可用來提高其中UVC燈78照射過濾器54的那些實施方案中系統(tǒng)150的有效性。在該情況下，當臭氧分子被吸附到過濾器54上時，來自燈78的UVC光將能分解駐留在過濾器54上的臭氧分子。這將在過濾器54上產(chǎn)生氧自由基，所述氧自由基然后能與通過過濾器54的VOCs反應(yīng)或也被吸附到過濾器54上。 圖6為空氣凈化系統(tǒng)的另一實施方案?？諝鈨艋到y(tǒng)250含與圖4和5中所示相同的部件，不同的是系統(tǒng)250中省去了殺菌燈78和臭氧過濾器54。分別與圖4和5的系統(tǒng)50和150相比，系統(tǒng)250設(shè)計為使凈化不僅在管道系統(tǒng)內(nèi)而且在圖1的空間12之中發(fā)生。由于系統(tǒng)250不含臭氧過濾器，故等離子體60產(chǎn)生的臭氧分子將被空氣流28通過管道18向外攜帶到空間12(參見圖1)。(圖6的空氣流74相當于圖1的空氣流28)。如圖6中所示，離開系統(tǒng)250的空氣流74含凈化空氣和臭氧。 系統(tǒng)250因此設(shè)計為不僅處理流經(jīng)管道系統(tǒng)的空氣而且處理空間12(參見圖1)內(nèi)所含的空氣。為有效地從空間12去除污染物，空氣流274中臭氧的濃度優(yōu)選高于百萬分之一 (ppm)的最低濃度。臭氧用于凈化的典型有效范圍為約10-100ppm。但人對臭氧的典型耐受水平為約0. 05ppm。因此，如果空氣流74中的臭氧濃度高于0. 05ppm，則系統(tǒng)250在空間12未被人或其他生物居處時運行將是很重要的?？扇缟纤鍪褂脗鞲衅?4部分地以監(jiān)控空間12中臭氧的濃度，且安全措施可實施為如果空氣中的臭氧濃度升到O. 05ppm之上則給出通知。 如果空間12內(nèi)的污染物水平突然增高，則可使用系統(tǒng)250。例如，如果存在污染物的有目的引入，則可使用系統(tǒng)250來使空間12中充滿高濃度的臭氧以更快地從空間12內(nèi)去除污染物。 圖7為空氣凈化系統(tǒng)的又一實施方案。與系統(tǒng)250不同，系統(tǒng)350含UVC燈78。如上面結(jié)合圖5所述，UVC燈78可用在系統(tǒng)350內(nèi)等離子體60下游以將臭氧分解為氧氣和氧自由基。氧自由基很適合攻擊未在等離子體60內(nèi)被消除的VOCs和/或微生物。如圖7中所示，離開系統(tǒng)350的空氣流74含凈化空氣、臭氧和氧自由基。與圖6的系統(tǒng)250相似，系統(tǒng)350經(jīng)構(gòu)造以凈化空間12內(nèi)所含的空氣并優(yōu)選在空間12未被居處時使用。
UVC源與等離子體裝置的組合將提高污染物從空氣中去除的速率。作為在圖1的管道18內(nèi)布置UVC燈78的替代方案，UVC燈或其他UVC源可位于空間12內(nèi)。在該情況下，當臭氧分子進入空間12時UVC源將瓦解臭氧分子。在其他實施方案中，可使用多個UVC源來提高凈化系統(tǒng)的效率或減少從空間12去除污染物所需的時間。 圖6和7中所示的實施方案設(shè)計以不僅從流經(jīng)管道系統(tǒng)的空氣流中去除污染物而且從空間12(參見圖1)去除污染物。后一能力通過使空間12充滿臭氧和長壽命活性物種獲得，所述臭氧和長壽命活性物種將與位于空間12中的空氣中的污染物和微生物反應(yīng)。為向空間12中傳遞臭氧和其他活性物種，臭氧過濾器如過濾器54或任何其他類型的臭氧緩解裝置被排除在空氣凈化系統(tǒng)之外。應(yīng)認識，設(shè)計以基本限制污染物去除到管道系統(tǒng)的圖4的系統(tǒng)50可簡單地通過去除臭氧過濾器54而容易地轉(zhuǎn)化為圖6的系統(tǒng)250。在HVAC系統(tǒng)10的運行過程中，如變得有必要使空間12充滿臭氧，則可不費力地去除臭氧過濾器54。與之類似，含殺菌燈78的圖5的系統(tǒng)150可通過去除臭氧過濾器54而容易地轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)350。殺菌燈或其他UVC源可根據(jù)需要容易地開關(guān)、添加或從系統(tǒng)去除。本發(fā)明的一個好處在于其使用基本一種空氣凈化系統(tǒng)總體設(shè)計適應(yīng)各種污染物水平的靈活性。如上所述，除管道系統(tǒng)內(nèi)的UVC源外或作為管道系統(tǒng)內(nèi)的UVC源的替代，空間12中可含UVC源。
如上所述，本文中所述空氣凈化系統(tǒng)的能力部分取決于供給NTP裝置的功率。圖8為臭氧濃度對供給NTP裝置的功率的函數(shù)關(guān)系圖。臭氧濃度在緊鄰NTP裝置下游的位置處測定。圖8示意NTP裝置產(chǎn)生的臭氧的體積與供給NTP裝置的功率的量基本呈線性比例。(應(yīng)認識，將直至向NTP裝置供給了最低功率閾值后才發(fā)生臭氧。)因此，通過監(jiān)控和調(diào)節(jié)供給NTP裝置的功率，可基于HVAC系統(tǒng)10內(nèi)變化的需求來控制產(chǎn)生的臭氧的濃度?？赡苄枰ㄆ趯⒊粞醯牧刻岣哳A(yù)定的量。此外，如觀察到例如外部空氣流中或空間12中污染物水平的突然增高，可手動增加供給NTP裝置的功率。為此目的可在系統(tǒng)IO內(nèi)各種位置處使用傳感器。 圖9為臭氧濃度與面速度(以英尺每分鐘度量)的函數(shù)關(guān)系圖，所述面速度為空氣流經(jīng)NTP裝置的速率。圖9示出了兩種設(shè)計的等離子體裝置的結(jié)果。在第一種設(shè)計中，NTP裝置為單個格柵，而在第二種設(shè)計中，NTP裝置含五個格柵。供給NTP裝置的功率恒定于40瓦每格柵。 圖9示意離開NTP裝置的空氣流中臭氧的濃度隨面速度提高而降低。由于電源是恒定的，故產(chǎn)生的臭氧的量基本相同。隨著空氣流率增大，相對于臭氧而言，更多空氣將通過裝置，故臭氧濃度將降低。與一個格柵的NTP裝置相比，臭氧濃度與面速度或流率的相關(guān)性在含五個格柵的NTP裝置情況下更明顯。 進入臭氧發(fā)生裝置的面速度或流率可用作運行空氣凈化系統(tǒng)的參數(shù)。如果檢測到流經(jīng)NTP裝置的空氣流中污染物水平有增高，則可行的是由控制器降低面速度以便離開NTP裝置的空氣流內(nèi)含更高濃度的臭氧。作為降低面速度的替代或除降低面速度外，可提高供給NTP裝置的功率以產(chǎn)生更大體積的臭氧。
11
圖10為NTP裝置的臭氧發(fā)生速率與流經(jīng)NTP裝置的空氣流所含水蒸汽的量的函數(shù)關(guān)系圖。圖IO示意了在恒定功率(40瓦每格柵)下運行的五格柵NTP裝置和在變化的功率水平(9、13、20、25和30瓦)下運行的單格柵裝置的結(jié)果。單格柵NTP裝置的結(jié)果證實了圖8的結(jié)果，表明臭氧發(fā)生速率隨供給NTP裝置的功率而增加。五格柵NTP裝置的結(jié)果表明，臭氧發(fā)生速率隨空氣流中水量增加而降低?；谶@些結(jié)果，在一些實施方案中，可將NTP裝置布置在HVAC系統(tǒng)中空氣處理單元下游以便進入NTP裝置的空氣已被除濕。可這樣做以增加或最大化NTP裝置產(chǎn)生的臭氧的量。但圖10的結(jié)果表明，即便在較高的濕度水平下，NTP裝置仍能發(fā)生臭氧。 圖11為三種不同構(gòu)造的空氣凈化系統(tǒng)中NTP裝置從空氣流中去除丁烯的單程效率(SPE)圖。單程效率(SPE)定義為(進入空氣凈化系統(tǒng)的)入口丁烯濃度與(離開系統(tǒng)的)出口丁烯濃度間的差除以入口濃度。較高的SPE百分數(shù)表示較大量的丁烯從空氣流中被去除。如圖11中所示，當?shù)入x子體裝置與殺菌UVC燈組合使用時，空氣凈化系統(tǒng)去除丁烯的有效性高于單獨使用等離子體裝置時。圖ll還表明，單獨使用殺菌燈對于從空氣流中去除丁烯無效。 圖12與圖ll相似，為圖11中所示三種構(gòu)造中NTP裝置從空氣流中去除甲苯的單程效率(SPE)圖。與圖11的結(jié)果一致，圖12表明等離子體裝置與至少一個殺菌燈的組合使用對于去除污染物尤其是甲苯最為有效。使用等離子體裝置而不使用殺菌燈時仍有效，但導(dǎo)致了較低的SPE值。相比之下，使用四個殺菌燈而不使用等離子體裝置時對于從空氣中去除甲苯無效。 圖13與圖11和12相似，為五種不同構(gòu)造的空氣凈化系統(tǒng)中NTP裝置從空氣流中去除丁烯的SPE圖。圖13示出了使用等離子體裝置自身與如果與兩個、四個或八個殺菌燈組合地使用等離子體裝置時的效率的比較。如圖13中所示，殺菌燈布置在等離子體裝置的上游和/或下游。當?shù)入x子體裝置單獨使用時，結(jié)果是SPE為約百分之二十。在其中等離子體裝置與兩個位于等離子體裝置下游的殺菌燈組合使用的構(gòu)造中，SPE為約百分之二十五到百分之三十之間，表明殺菌燈提高了等離子體裝置的凈化能力。當?shù)入x子體裝置下游布置了四個殺菌燈時，SPE超過百分之三十。 當所有四個殺菌燈均位于等離子體裝置上游時，SPE與單獨使用等離子體裝置的結(jié)果相當。與之類似，當四個燈布置在等離子體裝置上游、四個燈布置在下游時，SPE結(jié)果與其中總共僅使用四個燈且所有燈均布置在下游的構(gòu)造相當。圖13表明，將UVC燈布置在等離子體裝置的上游幾乎不產(chǎn)生好處。 圖14為類似的從空氣流中去除丁烯的SPE圖。圖14示意了當與等離子體裝置組
合使用UVA燈而不是UVC燈時對SPE的影響。如圖4中所示，UVA燈不提高從空氣流中去
除丁烯的效率。此外，UVA燈在單獨使用時對于從空氣流中去除丁烯無效。 如上所述等離子體裝置為非熱等離子體裝置。在示例性的實施方案中，等離子體
裝置為電介質(zhì)阻擋放電裝置。應(yīng)認識，經(jīng)構(gòu)造以產(chǎn)生等離子體的其他類型裝置如熱等離子
體裝置也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。在替代的實施方案中，可用其他類型的臭氧發(fā)生裝置替代
上述等離子體裝置。 本文中所述的臭氧發(fā)生裝置可安裝在HVAC系統(tǒng)的管道內(nèi)并用來凈化流經(jīng)所述管道系統(tǒng)的空氣流。在此情況下，凈化限于在管道內(nèi)進行?；蛘?，臭氧發(fā)生裝置可用來凈化居處空間中的空氣，做法是讓所述空間充滿臭氧。臭氧發(fā)生裝置也可用來凈化實際的管道以
去除管道系統(tǒng)內(nèi)可能已積聚的污染物。有時可能難以清潔建筑物中的管道系統(tǒng)；但本文中
描述的方法通過產(chǎn)生臭氧及其他活性物種并然后使臭氧循環(huán)通過管道系統(tǒng)而使得做這項
工作成為可行。其可用來例如預(yù)防或處置可能駐留在管道系統(tǒng)中的軍團菌。在此情況下，
很可能應(yīng)疏散與管道系統(tǒng)相連的建筑物以便可讓管道和與管道系統(tǒng)相連的空間充滿高水
平的臭氧。或者，管道系統(tǒng)的清潔可在當建筑物通常不被居處的時候進行。 所述空氣凈化系統(tǒng)在本文中描述為凈化建筑物中的空氣。應(yīng)認識，所述空氣凈化
系統(tǒng)可用在其他應(yīng)用中，包括但不限于運輸裝置。所述空氣凈化系統(tǒng)可用來凈化任何類型
的運輸裝置包括航天器、飛行器、陸地車輛、火車、巡航線及其他類型的船舶中的空氣。 本文中所用術(shù)語為描述而非限制的目的而用。雖然結(jié)合優(yōu)選實施方案對本發(fā)明進
行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)認識，可從形式和細節(jié)上加以改變而不偏離本發(fā)明的精神
和范圍。
權(quán)利要求
一種空氣凈化方法，所述方法包括使空氣流流經(jīng)等離子體裝置；用所述等離子體裝置產(chǎn)生等離子體，其中所述等離子體包含電子、短壽命自由基、長壽命自由基、其他離子和臭氧，以便臭氧被引入所述空氣流中；傳感所述空氣流的至少一種組分的濃度；和根據(jù)傳感到的所述至少一種組分的濃度來控制供給所述等離子體裝置的電功率以控制產(chǎn)生的臭氧的體積。
2. 權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括控制通過所述等離子體裝置的空氣流的流率以控制臭氧的濃度，其中所述流率根據(jù)傳 感到的所述至少一種組分的濃度來控制。
3. 權(quán)利要求l的方法，其中空氣流的所述至少一種組分包括揮發(fā)性有機化合物。
4. 權(quán)利要求l的方法，其中空氣流的所述至少一種組分包括臭氧。
5. 權(quán)利要求l的方法，其中所述等離子體裝置為電介質(zhì)放電裝置。
6. 權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括通過用位于所述等離子體裝置下游的UVC源光解將臭氧分解為氧氣和氧自由基。
7. 權(quán)利要求6的方法，其中所述UVC源包括殺菌燈、發(fā)光二極管(LED)和太陽中的至少一者。
8. 權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括在使所述空氣流流經(jīng)所述等離子體裝置之前降低所述空氣流中水蒸汽的水平。
9. 權(quán)利要求1的方法，所述方法還包括在所述等離子體裝置下游的位置處過濾所述空氣流以捕獲所述空氣流中剩余的臭氧。
10. 權(quán)利要求1的方法，其中所述臭氧以高于約lppm的濃度引入所述空氣流中。
11. 權(quán)利要求l的方法，其中所述等離子體裝置與空氣處理系統(tǒng)的管道相連。
12. —種使用臭氧和氧自由基凈化空氣以從空氣流中去除揮發(fā)性有機化合物的方法， 所述方法包括用等離子體裝置產(chǎn)生等離子體，其中所述等離子體包含電子、短壽命自由基、長壽命 自由基、其他離子和臭氧，且產(chǎn)生的臭氧的體積為供給所述等離子體裝置的輸入功率的函 數(shù)；向流經(jīng)所述等離子體裝置的空氣流中引入臭氧；通過用至少一個位于所述等離子體裝置下游的UVC源光解將部分臭氧分解為氧氣和 氧自由基；禾口根據(jù)被傳感組分的濃度改變供給所述等離子體裝置的電功率的量以改變產(chǎn)生的臭氧 的體積。
13. 權(quán)利要求12的方法，其中所述等離子體裝置為電介質(zhì)放電裝置。
14. 權(quán)利要求12的方法，其中所述至少一個UVC源包括殺菌燈、發(fā)光二極管(LED)和太 陽中的至少一者。
15. 權(quán)利要求12的方法，其中所述被傳感的組分包括臭氧和揮發(fā)性有機化合物中的至 少一者。
16. 權(quán)利要求12的方法，其中所述等離子體裝置位于空氣處理系統(tǒng)的管道中。
17. 權(quán)利要求16的方法，所述方法還包括將所述含臭氧的空氣流推出所述管道并推進封閉空間中，在其中，所述臭氧從所述封 閉空間中的空氣中去除污染物。
18. 權(quán)利要求17的方法，其中分解部分臭氧為氧氣和氧自由基包括在所述封閉空間中 使用UVC源以分解隨所述空氣流被推進所述封閉空間中的臭氧。
19. 權(quán)利要求16的方法，其中分解部分臭氧為氧氣和氧自由基包括在所述等離子體裝 置下游的管道中使用UVC燈以分解所述管道中的臭氧。
20. 權(quán)利要求12的方法，所述方法還包括用位于所述至少一個UVC源下游的過濾器捕獲所述空氣流中剩余的臭氧，其中所述 UVC源照射所述過濾器并使所述過濾器上的臭氧分解為氧氣和氧自由基，所述氧自由基能 攻擊通過所述過濾器的揮發(fā)性有機化合物和吸附在所述過濾器上的揮發(fā)性有機化合物。
21. 權(quán)利要求12的方法，所述方法還包括改變通過所述等離子體裝置的空氣流的流率以改變被引入所述空氣流中的臭氧的濃度。
22. 權(quán)利要求21的方法，其中所述空氣流的流率根據(jù)被傳感組分的濃度來改變。
23. —種構(gòu)造以從空氣處理系統(tǒng)中的空氣中去除污染物的空氣凈化系統(tǒng)，所述空氣凈 化系統(tǒng)包含電源；與所述電源連接的臭氧發(fā)生裝置，其中臭氧發(fā)生速率為自所述電源輸入的功率的函數(shù)；構(gòu)造以傳感位于所述臭氧發(fā)生裝置下游的空氣流中臭氧濃度的臭氧傳感器； 構(gòu)造以傳感空氣流中揮發(fā)性有機化合物的濃度的污染物傳感器；禾口構(gòu)造以改變自所述電源向所述臭氧發(fā)生裝置輸入的功率的控制器，其中所述輸入功率 取決于所述臭氧濃度和所述揮發(fā)性有機化合物濃度中的至少一者。
24. 權(quán)利要求23的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述控制器根據(jù)所述臭氧濃度和所述揮發(fā)性有 機化合物濃度中的至少一者來改變流經(jīng)所述臭氧發(fā)生裝置的空氣的流率。
25. 權(quán)利要求23的空氣凈化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含位于所述臭氧發(fā)生裝置下游、構(gòu)造 以將臭氧光解為氧氣和氧自由基的UVC源。
26. 權(quán)利要求23的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述臭氧發(fā)生裝置為非熱等離子體裝置。
27. 權(quán)利要求23的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述臭氧發(fā)生裝置為電介質(zhì)放電裝置。
28. 權(quán)利要求23的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述臭氧發(fā)生裝置在所述空氣處理系統(tǒng)的管道 內(nèi)且所述管道用來向封閉空間中傳遞空氣。
29. 權(quán)利要求28的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述臭氧傳感器位于所述臭氧發(fā)生裝置下游的 所述管道中。
30. 權(quán)利要求28的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述臭氧傳感器位于所述封閉空間中。
31. 權(quán)利要求28的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述污染物傳感器位于所述封閉空間中。
32. 權(quán)利要求28的空氣凈化系統(tǒng)，其中所述污染物傳感器位于所述臭氧發(fā)生裝置上游 的所述管道中。
33. 權(quán)利要求23的空氣凈化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包含位于所述臭氧發(fā)生裝置下游、構(gòu)造以捕獲所述空氣流中剩余的臭氧的過濾器。
34. —種運行空氣凈化系統(tǒng)的方法，所述方法包括用臭氧發(fā)生裝置產(chǎn)生臭氧，其中產(chǎn)生的臭氧的量為傳遞給所述臭氧發(fā)生裝置的電功率 的函數(shù)；使空氣流流經(jīng)所述臭氧發(fā)生裝置以向所述空氣流中引入所述臭氧來去除揮發(fā)性有機 化合物；測定所述空氣流中至少一種組分的濃度；控制供給所述臭氧發(fā)生裝置的電功率以控制產(chǎn)生的臭氧的量，其中所述電功率的控制 取決于所述至少一種組分的濃度測定值；禾口控制通過所述臭氧發(fā)生裝置的空氣流的流率以控制所述空氣流中臭氧的濃度，其中所 述流率的控制取決于所述至少一種組分的濃度測定值。
35. 權(quán)利要求34的方法，其中所述至少一種組分包括臭氧。
36. 權(quán)利要求34的方法，其中所述至少一種組分包括揮發(fā)性有機化合物。
37. 權(quán)利要求34的方法，所述方法還包括通過用所述臭氧發(fā)生裝置下游的UVC源光解將所述空氣流中的部分臭氧分解為氧氣 和氧自由基。
38. 權(quán)利要求37的方法，所述方法還包括用位于所述UVC源下游的過濾器捕獲所述空氣流中剩余的臭氧，其中所述UVC源照射 所述過濾器并使所述過濾器上的臭氧分解為氧氣和氧自由基，所述氧自由基能攻擊通過所 述過濾器或吸附在所述過濾器上的揮發(fā)性有機化合物。
39. 權(quán)利要求34的方法，所述方法還包括在使所述空氣流流經(jīng)所述臭氧發(fā)生裝置之前去除所述空氣流中的水蒸汽。
40. 權(quán)利要求34的方法，其中所述臭氧以高于約lppm的濃度引入所述空氣流中。
41. 一種使用臭氧和氧自由基從空氣流中去除揮發(fā)性有機化合物的方法，所述方法包括向臭氧發(fā)生裝置傳遞電功率； 用所述臭氧發(fā)生裝置產(chǎn)生臭氧；使空氣流流經(jīng)所述臭氧發(fā)生裝置以向所述空氣流中弓I入臭氧； 測定所述空氣流中至少一種組分的濃度；禾口控制通過所述臭氧發(fā)生裝置的空氣流的流率以控制所述空氣流中臭氧的濃度，其中所 述流率的控制取決于所述至少一種組分的濃度測定值。
42. 權(quán)利要求41的方法，其中向所述臭氧發(fā)生裝置傳遞電功率包括根據(jù)所述至少一種 組分的濃度測定值來控制供給所述臭氧發(fā)生裝置的電功率。
43. 權(quán)利要求41的方法，其中所述至少一種組分包括臭氧。
44. 權(quán)利要求41的方法，其中所述至少一種組分包括揮發(fā)性有機化合物。
45. 權(quán)利要求41的方法，所述方法還包括用位于所述臭氧發(fā)生裝置下游的UVC源將所述空氣流中的部分臭氧瓦解為氧氣和氧 自由基。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于供暖、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)系統(tǒng)的空氣凈化系統(tǒng)，所述空氣凈化系統(tǒng)含臭氧發(fā)生裝置，所述臭氧發(fā)生裝置用來向流經(jīng)臭氧發(fā)生裝置的空氣流中引入臭氧。臭氧用來從空氣流中去除污染物，包括揮發(fā)性有機化合物(VOCs)。凈化系統(tǒng)含傳感器，這些傳感器布置在HVAC系統(tǒng)內(nèi)各種位置處以測定空氣中組分的濃度。在一些實施方案中，所述組分可包括臭氧和VOCs如甲苯、丁烯和丙醛。為控制產(chǎn)生的臭氧的體積，凈化系統(tǒng)將控制供給臭氧發(fā)生裝置的電功率的量。為控制產(chǎn)生的臭氧的濃度，凈化系統(tǒng)將控制通過臭氧發(fā)生裝置的空氣的流率。
文檔編號B01D53/34GK101784327SQ200780100289
公開日2010年7月21日 申請日期2007年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月22日
發(fā)明者M·B·科爾克特, S·D·布蘭德斯, S·O·海, T·N·奧比 申請人:開利公司