电晕放电区中的成分分离方法和使用所述方法的无臭氧消毒器
发明领域
1.本发明涉及使用电晕放电来运行的空气处理设备。一种应用涉及一种使用过氧化氢作为消毒剂的空气消毒方法和指定用于消毒有人场所的消毒器。
2.发明背景
3.双极离子发生器对于有人场所的空气消毒已经变得最常用。典型的示例在美国专利号9,071,040、10,020,180、10,128,075和9,843,169中揭示。
4.这种发生器的工作原理是基于在相反记性的电离电极之间生成电晕放电区域，含有水分子(水分)的整个气流或其一部分通过该区域。在已知设备中，气流要么平行于电离电极的轴线，且从电极的非电离部分到其电离尖端发生(例如，参见美国专利号9,843,169)，要么垂直于电极的轴线(参见美国专利号10,020,180)。
5.在电晕放电区域中，由于氧分子o2分解为两个氧原子o+o，两个过程同时发生，即水分子h2o转化为过氧化氢h2o2，以及臭氧o3的生成，即：
6.h2o+o＝h2o2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
7.o2+o＝o3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
8.因此，双极离子发生器的出口处的气流同时含有过氧化氢、臭氧以及从电晕放电区域的气流捕获的正离子和负离子。与气态臭氧相比，用作液体消毒剂的h2o2分子与细菌和病毒以及孢子的接触时间更长。
9.双极电离器的显著缺点是其消毒效率低，这受到有人场所中的最大允许臭氧浓度(其等于100ppb)的限制。
10.如上所述，h2o2和o3是电晕放电中两个并发过程的结果。o3生成的过程比h2o2生成的过程高效得多。事实上，使用目前最先进的电晕放电技术，相对于产生1千克h2o2需要250kw/h的电能，产生1千克臭氧所需的电能为7-10kw/h。然而，有人场所的最大允许臭氧浓度仅为100ppb，这确立了最大允许放电电流。实际上，这意味着，考虑到电晕放电产生h2o2和o3的相应化学反应(1)和(2)，在提供100ppb臭氧浓度的能耗下，h2o2的浓度约为7ppb，而有人场所中h2o2的最大允许浓度为1000ppb或1ppm。
11.美国专利号6,373,680揭示了一种电离器设备，该设备减少电离过程同时产生的臭氧排放。该设备包括分体式外壳，其前部和后部由活性碳过滤器分开，并限定了前开口和后开口。电离电极位于前部，并且其尖端轴向朝前面对前开口，环形非电离电极围绕前开口。在两个电极之间施加高压dc，在电离电极尖端和非电离电极之间产生电晕放电，从而一起生成离子和臭氧流。位于后部的抽气机风扇向外壳内部施加负压，这将臭氧吸入后开口，其中它被活性炭过滤器中和，同时只允许离子通过前开口排出。
12.虽然美国专利号6,373,680中揭示的设备将臭氧流动与离子流分离，并中和臭氧，以便仅释放离子，但它不会将过氧化氢与臭氧分离。因此，在电晕放电区产生的任何过氧化氢也会被排气扇朝后开口吸入，并被活性炭过滤器中和，而不会通过后开口离开进入大气。
13.此外，在排气扇的影响下，电晕放电区中产生的大多数离子也同样朝后开口吸入，
排气扇的拉力超过了引导离子通过前开口逸出的离子风的力。但在任何情况下，从电晕放电区域朝前开口逸出的离子因为没有二次发射都不会形成h2o2分子，二次发射只存在于电晕放电的电场内部。因此，电离电极的下游不会生成过氧化氢，并且生成的唯一过氧化氢将被排气扇带到上游并中和。
14.因此，只有极少量的离子被释放到大气中，并且因此该设备作为离子发生器是低效的，并且根本不能用作消毒器。
发明概要
15.本发明的主要目的是去除电晕放电区中生成的臭氧，以防止其释放到封闭的大气中，以便使用离子发生器、h2o2发生器和静电过滤器实质上增加电晕放电电流，并提高消毒效率达10倍以上。
16.本发明使用“尖端平面”型电晕放电来实现该目的，其中根据已知电晕放电理论，电晕放电区域包括等离子体电离区域，该等离子体电离区域是靠近电离电极尖端的辐照度空间，以及电离电极(即“尖端”)和非电离电极(即“平面”)之间的暗区域，其中在电晕放电的电场中发生二次离子发射。应该理解的是，该原理也适用于电晕放电和导线-平面系统。
17.在等离子体电离和二次发射过程两者期间，即在由等离子体电离区域和暗区域构成的整个电晕放电区中，水分子转化为h2o2分子，然而实际上，整个臭氧量是在等离子体电离区域中形成的，与整个臭氧放电区域相比，等离子体电离区域占据非常小的体积(2-3mm3)。
18.然而，由于电晕放电电场中离子的高速，等离子体电离区域生成的中性臭氧分子被沿电场线有序移动的离子吸引，并到达电晕放电的暗区域。这种现象称为离子风，其速度为1-5m/s，这取决于电晕放电电流的速度，其本身是电晕放电电流大小的函数。本发明的实质是基于电晕放电中将h2o2分子和o3分子分离，然后去除或破坏臭氧。
19.本发明的目的是通过具有各自独立权利要求的特征的方法和设备来实现的。
20.本发明的原理在于将进入电晕放电区域的气流分成两个流，第一流通过电晕放电的等离子体区域和臭氧过滤器，而第二流通过其暗区域。
21.为了h2o2和o3分子之间的高效分离，应该中和离子风效应，因此实施该方法的要求之一是通过电晕放电的等离子体区域的气流速度高于离子风速。
22.在本发明的实施例中，通过将电离电极安装在整个气流内的特定位置来满足该要求。
23.根据本发明，通过电晕放电区域的气流平行于电离电极的轴线，但从电离电极的尖端指向其非电离部分。由于离子风和气流的矢量方向相反，这导致离子风速降低，并导致分离气流所需的负压梯度所需值降低。实际上，这意味着可以使用低功率抽吸设备。
24.因为离子风速与电晕放电电流的大小成正比，并且与电晕放电区域的体积成反比，h2o2和o3之间高效分离的第二要求是增加电晕放电区域的体积。
25.为了符合这一要求，非电离电极形成为中空圆筒，内部有气流入口空和出口孔，并且电离电极安装在其内部，其轴线与圆筒的几何轴线同轴。
26.该解决方案提供了电晕放电区域的最大可能体积，并且因此提供了最小可能离子风速。
27.该方法还可被应用于使用单个电离电极生成单极性负电晕放电或正电晕放电，以及使用两个极性相反的电离电极生成双极性电晕放电。在后一种情况下，电晕放电将有从中去处臭氧的两个等离子体电晕放电区域。
28.根据本发明的消毒器基于所提出的方法，其包含以下元件：具有气流入口孔和出口孔的非电离圆柱形电极、其轴线与非电离电极的几何轴线同轴的电离电极、配置为在电极之间生成电晕放电区域的高压发生器、抽吸设备(其具有入口和出口空气通道以生成负压梯度区域，以便形成穿过电晕放电的等离子体区域的气流)、以及用于防止臭氧逸出的臭氧过滤器。
29.抽吸设备的入口空气通道的入口孔位于电离电极的电离尖端附近，而该设备的出口空气通道连接到臭氧过滤器的入口。
30.同时，高压发生器的高压输出连接到电离电极，并且其低压输出连接到非电离电极。
31.附图的简要说明
32.为了理解本发明并了解如何在实践中执行本发明，现在将参考附图，仅通过非限制性示例来描述实施例，其中：
33.图1是根据本发明的设备的示意性表示。
34.具体描述
35.图1示意性地示出了消毒器10，其包括通常为中空的圆柱形腔室11，该腔室11具有导电内壁12。气缸11在其下端13处限定了至少一个进气孔15，并在其上端14处限定了排气孔16。电离电极17由位于腔室上端14处的非电离部分18支撑，使得其尖端突出到腔室内部。
36.高压发生器20具有用于连接到诸如主电源的电压源的电源端子21，并且具有分别连接到电离电极17和用作非电离电极的腔室11的内壁12的高压输出端子22、22’。跨两个电极施加高压在它们之间形成电晕放电区域，包括等离子体电晕放电区域23和暗电晕放电区域24。中空空气通道25以腔室11与电离电极17轴向对准的空间关系来安装，其尺寸为覆盖等离子体电晕放电区域23的整个区域。应当理解，该图是示意图，并且旨在展示本发明的原理。空气通道25可支撑在腔室的盖子(未示出)中，该盖子附连到腔室的边缘，但穿孔以允许除了通过中空空气通道25的空气以外的空气的自由流动。替换地，腔室11和中空空气通道25都可以在外部结构(未示出)内以适当的空间对准方式支撑。此外，尽管该设备在图中被描绘为与和腔室11的纵轴同轴的中空腔室11对称，但这不是要求。唯一的要求是电离电极与中空空气通道25同轴。同样，尽管腔室11被描述为圆形圆柱形，但其横截面可以是任何其他多边形。
37.具有电源输入端子27的抽吸设备26被安装在与之流体连通的空气通道25的顶部，并且同样经由通道28连接到过滤器29，过滤器29通常是活性炭(ac)过滤器。抽吸设备26可以是离心式风扇或压缩机，其产生负压梯度，由此等离子体电晕放电区域23中的空气通过空气通道25吸入到过滤器29中。去除臭氧所需的负压梯度的大小可通过测量电晕放电电流在其最大值且未分割气流的速度在其最小值时臭氧的最大可能浓度来实验性地确定。最大期望电晕放电电流基于设备的使用来选择，即其主要用途是否是排放过氧化氢，并且如果是，则以怎样的期望浓度；或者该设备是静电过滤器还是电离器。一旦确立了期望的最大电晕放电电流，气流就增加，并测量臭氧浓度。然后气流略微增加，并且再次测量臭氧浓度。重
复这一点，直到臭氧浓度不再增加。将气流增加到该值以上没有进一步的好处，并为规定的电晕放电电流确立最佳气流，其中流经电晕放电的等离子体区域的空气速度高于预设电晕放电电流的离子风速。
38.消毒器10的操作如下：
39.当向高压源20的端子21施加电压时，在电离电极17和由腔室11的内壁12构成的非电离电极之间生成电晕放电区域。等离子体电晕放电23在电离电极17的尖端附近生成，而电晕放电的剩余体积组成暗电晕放电区域24。同时，向抽吸设备26的电源端子27施加电力，从而在空气通道25中生成负压梯度，将等离子体电晕放电区域24中形成的臭氧通过通道28吸入在其中被中和的过滤器29。现在，无臭氧空气从臭氧过滤器中排出，并到达待消毒的空气。
40.在流经电晕放电24暗区域的空气中，一些水分子由于与电晕放电电场中的离子相互作用被转换为过氧化氢分子，并且还到达空气经由盖14中的出口孔16流动的环境，如由箭头a所示。
41.结果，臭氧与大部分过氧化氢分离，其中少量过氧化氢也将通过空气通道25和28，并被过滤器29中和。然而，大部分过氧化氢通过出口孔16进入到大气中，因此被消毒，而无臭氧的空气则从过滤器出口进入到大气中。由于过滤器防止臭氧逸出到封闭的大气中，电晕放电电流可以安全地增加到生成更多过氧化氢的水平，如由下表1所证明的，该表示出了根据本发明制造和测试的消毒器的技术规范。
42.过滤器29有效地中和臭氧，以便释放到设备所部署的封闭大气中的臭氧浓度将低于允许的最大值。然而，在没有过滤器的情况下，也可以通过出口管或管道将臭氧从封闭大气中输送出来，出口管或管道可能只是通道28的延伸部分。
43.表1
44.1空气通道11的入口孔的直径8mm2电极17的尖端与空气通道25的进口孔之间的距离3mm3通道25中的空气流速8m/s4非电离电极(即壁12)的直径40mm5电晕放电类型负6电晕放电电流10-2
ma7待测房间容积27m38h2o2浓度150ppb9o3浓度5ppb
45.以下设备被用于测量h2o2和o3浓度：
46.a)对于h2o2浓度：便携式气体检测器oc-905分辨率
–
0.01ppm，精度
±
3％
47.对于o3浓度：
48.臭氧分析仪dasibi型号1008。
49.分辨率
–
1ppb，精度
±
2％。
50.尽管本发明已特别参考消毒设备和方法进行了描述，但将领会，本发明的原理同样适用于基于电晕放电的其他设备，其中臭氧的最大允许浓度限制了效率。因此，同样的原理也适用于静电过滤器和电离器。
51.还应注意的是，虽然臭氧过滤器已就活性炭过滤器进行了描述，但术语“过滤器”在最广泛的意义上应解释为将臭氧与空气分离并防止其逸出到大气中的设备。臭氧是否仅仅被捕获或破坏对本发明并不重要，因为一旦阻止其进入到大气中，电晕放电电流就可以安全地增加。防止臭氧逸出到大气中的其他方法包括化学氧化，其中臭氧通过钛反应室。还知晓的是，还使用催化过程，涉及与氯、溴、氮、氢和氧气反应，以及使用氧气或破坏催化剂，诸如铜和二氧化锰的混合物。