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CN118201697A - 空气传播病原体灭活设备 - Google Patents

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CN118201697A
CN118201697A CN202280067908.7A CN202280067908A CN118201697A CN 118201697 A CN118201697 A CN 118201697A CN 202280067908 A CN202280067908 A CN 202280067908A CN 118201697 A CN118201697 A CN 118201697A
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ozone
air
reactor space
disposed
ozone generator
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CN202280067908.7A
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D·D·莱维特
J·R·拜尔吉道
T·B·杰克逊
P·赫尔杰莫
D·莱维特
C·尼
C·伯德迪克尔
T·贝尔吉达
M·麦克马洪
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Mcclone Purification Co ltd
Original Assignee
Mcclone Purification Co ltd
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Abstract

一种用于灭活空气传播病原体的设备和方法包括反应器空间，所述反应器空间具有进气口、排气口和设置在所述进气口和排气口之间的气流路径，所述气流路径用于使空气连续穿过整个所述反应器空间的。所述设备进一步包括以下中的至少一者：(i)具有变压吸附单元的电晕放电单元，或(ii)用于生成足够浓度的臭氧和UV光来灭活病原体的UV‑C杀菌灯。所述设备进一步包括设置在所述气流路径内的用于在灭活步骤后将臭氧转化为氧气的催化剂和用于从空气去除氮氧化物的吸附剂。所述设备进一步包括用于测量所述排气口处的臭氧和氮氧化物浓度的传感器。

Description

空气传播病原体灭活设备
技术领域
本公开涉及一种用臭氧灭活空气传播病原体如病毒、细菌和真菌孢子，然后催化分解所生成的臭氧的设备和方法。
背景技术
许多疾病是通过暴露于空气传播病原体如病毒和细菌而传播的。这些微生物可能通过打喷嚏、咳嗽、喷洒液体、传播灰尘或导致生成气溶胶化颗粒的任何活动传播。这些气溶胶化颗粒可能是由传染源生成的，如受感染的患者或动物的身体分泌物，打开盖子冲马桶，或由聚积在垃圾、洞穴和各种其他容器中的生物废物生成的。
一旦含有病原体的液滴形成，它们就会经由气流扩散，并且可能被易感宿主吸入。气溶胶化颗粒可在空气中悬浮数小时，并且可移动相当长的距离。必须采取适当的预防措施来降低在如医院等公共场所或如家中等私人场所感染的风险。空气传播颗粒可停留在单个房间内，还可根据气流移动到其他房间。
在通风不足的情况下，空气传播颗粒可留在建筑物或房间中，并且被一个或多个居住者吸入。为了控制和预防病原体的空气传播，实施了许多方法，如空气净化器、消毒技术的实践、穿戴个人防护设备(PPE)以及进行洗手等基本感染预防措施。空气传播疾病是由小到足以经由咳嗽、打喷嚏、大笑和其他近距离个人接触从感染者体内排出的病原微生物引起的。排出的微生物在空气中悬浮于灰尘颗粒或水滴上。
吸入会使人的上呼吸道和下呼吸道暴露于各种空气传播颗粒和蒸汽。从环境到人、从动物到人或从人到人的病原微生物的空气传播可导致疾病。吸入是一种重要的暴露途径，因为肺部比胃肠道更容易受到感染。
摄入的微生物必须通过胃的酸性环境才能在组织中定殖，而吸入的微生物则直接沉积在呼吸道的潮湿表面上。吸入微生物气溶胶可能会对人体健康产生不利影响，包括感染、过敏反应、炎症和呼吸道疾病。吸入后，传染性病毒、细菌和真菌可能会在呼吸道的宿主细胞中定殖。有些会转移并感染胃肠道和其他组织。
如普通感冒等空气传播疾病通常由如鼻病毒等病毒引起。鼻病毒通常可变种，从而更容易感染人类。另一种病毒，水痘带状疱疹，会引起水痘并容易在幼儿中传播；流行性腮腺炎病毒会影响耳朵下方的腺体，导致肿胀，并且在一些情况下还会导致听力丧失。百日咳杆菌会导致百日咳，进而导致气道肿胀。此外，快速传播的冠状病毒SARS-CoV-2及其引发的疾病COVID-19继续给全球带来挑战。COVID-19最常见的症状包括发烧、咳嗽、疲劳和呼吸急促。
为了灭活病原体，已经提出用如臭氧和羟基自由基等氧化剂来替代如氯化漂白剂或过氧化氢等传统消毒剂化合物。臭氧能够从消毒场所处的空气生成，从而消除了储存液体消毒剂的需要。臭氧分子靶向病毒和细菌的DNA或RNA，破坏化学结构并导致病原体灭活。在如本文所公开的设备中，臭氧在反应器内生成以灭活气流内的病原体。然后，臭氧与形成的任何另外的副产品一起被去除，以确保气流安全释放到环境中。该设备连续操作，并且可扩展以处理较大空间的高流动速率以及较小空间的低流动速率，该较小空间的低流动速率可能会导致较小的反应器配置。
发明内容
亟需一种用于灭活或减弱如病毒等空气传播病原体的设备或系统。灭活或减弱病原体是指使病原体失去致病能力。使极高百分比(如果不是全部)的空气传播病原体灭活是本文所公开的设备的最终目标。为了灭活病原体，臭氧在反应器内生成并混合在气流中。当空气流过反应器时，臭氧混合在气流中，接触并灭活空气传播病原体。在新消毒的气流释放到大气中之前，臭氧和其他副产品被去除，因为如果吸入臭氧会引起肺部刺激。这些过程完成后，气流被释放回环境。
在如本文所述公开的第一实施例中，该设备被配置成放置在封闭空间中，如私人住宅内的房间、电影院、仓库、物流中心、飞机机舱、公交车和火车。病原体的灭活对于避免居住者被病原体感染至关重要，在这种情况下，人们通常会在有限的空间中吸入空气。在一个替代实施例中，本公开还考虑开发一种个人便携式空气传播病原体灭活设备，从而允许使用者随身携带装置，该装置包括适当配置的设备，以支持在病原体灭活后离开设备的空气的呼吸。
如本文所公开，该设备的尺寸可以适应较小的场所，如住宅，或大得多的场所，如仓库。该设备的尺寸可适于在设定的时间量内循环通过结构内所含的全部空气量(被称为清洁空气递送速率(CADR))。理想地，取决于最初的设计标准，该设备可以被人工搬运到结构中的另一个位置，如住宅的另一个房间，居住者打算在一个特定的房间里呆更长的时间。
所公开的装置包括用风扇通过进气口将空气引入到其中的腔室或反应器。进气在进入腔室时被预过滤。预过滤器的目的是去除一部分空气传播颗粒；然而，优选的过滤器效率是不限制气流进入到反应器中。换句话说，优选的预过滤器将被归类为被称为MERV过滤器的那些过滤器。MERV代表“中等效率报告值”，这是过滤器去除10微米大的颗粒和小于1微米的颗粒的能力额定值。预过滤器的MERV额定值在7-16的范围内，能够去除尺寸为3至0.3微米的颗粒，如灰尘、油、粉末和各种较大的病原体。
如本文所公开的设备的优选实施例还利用回流防止器来减少或优选地消除空气经由进气口泄漏出反应器空间的可能性，因为空气中可能含有未转化为氧气的臭氧。回流防止器可以是基本的铰链瓣或半柔性面板，用于阻止气流移动通过进气区域。在一个替代实施例中，位于反应器的进气口附近的臭氧分解催化剂还可以提供回流防止器的功能，使得当单元的进气风扇关闭时，移回通过催化剂的空气中存在的任何臭氧都将在通过预过滤器离开之前转化为氧气。优选实施例利用涂覆在蜂窝状整体基板上的二氧化锰(MnO2)。整体基板通常是陶瓷如堇青石或金属化合物。
反应器空间内的下一个部件是风扇，该风扇用于通过反应器的进气口吸入空气并将其向前移动到反应器空间中。由于风扇高速旋转，所以风扇叶片和空气之间会产生摩擦力，从而导致静电积聚。静电会导致灰尘颗粒粘附到风扇叶片的边缘，从而降低风扇的效率。先前详细描述的预过滤器用于减少灰尘颗粒进入的可能性，灰尘颗粒可能会粘附到风扇叶片和其他内部腔室表面。
本公开还考虑了变速风扇，以满足增加设备的吞吐量或当可能需要更安静的场景时减少吞吐量以降低空气通过装置的移动所生成的声音的需求。在各个实施例中，风扇可以位于(i)回流防止器或第一臭氧分解催化剂之前，(ii)回流防止器或第一臭氧分解催化剂之后，或(iii)本文所公开的设备的排气口附近。
臭氧发生装置与风扇相邻。本公开考虑了臭氧生成源的各种实施例。第一实施例仅利用电晕放电装置。在电晕放电装置中，在两个电极之间施加电压，从而使电极之间的空气电离。这种电离分裂双原子氧，从而产生可反应形成臭氧的原子氧分子。电晕放电装置的常见变型包括介质阻挡放电、非热等离子体和离子风。本公开考虑，设备内的臭氧的浓度将在百万分之(PPM)1和百万分之55之间。
环境空气中的电晕放电产生臭氧的不期望的副产品是形成氮氧化物(NOx)，包括二氧化氮(NO2)、一氧化氮(NO)和五氧化二氮(N2O5)。这些氮氧化物是由电晕放电产生的，因为干燥空气富含双原子氮，其体积占比为78％。当空气进入电晕放电装置时，双原子氮以与双原子氧相同的方式分裂，从而产生可与氧或臭氧反应形成氮氧化物的原子氮。
电晕放电产生的臭氧的浓度较高时，主要的氮氧化物是二氧化氮(NO2)。这是因为臭氧会将如NO等其他氮氧化物氧化成NO2。由美国环境保护署制定并依据40CFR§50.11编写的国家环境空气质量标准将一小时最大二氧化氮浓度设定为十亿分之(PPB)100，并且将平均年浓度设定为十亿分之53。如先前所讨论，电晕放电装置的目的是生成足够高浓度的臭氧，并且停留时间足以灭活空气传播病原体。氮氧化物副产品是不期望的，并且优选地在到达本文所公开的设备的排气口之前从气流去除。
避免二氧化氮和相关联的化合物的产生是优选的路径，并且还公开了实现这一目的的一个实施例。可以采用被称为“变压吸附”(PSA)的成熟技术。变压吸附通常用于氧气浓缩器中，以将氮气与氧气分离。该过程用于降低反应器空间中可用于形成氮氧化物的氮气的浓度。
在用于本文所公开的反应器的一个优选实施例中，变压吸附设备利用两个容器(罐)，它们能够承受至多约150psi的内部气体压力，并且在一些情况下优选地能够承受更高压力。当第一容器被加压时，第二容器被减压，因此这就是在所确定技术的名称中使用术语“变压”的原因。在每个容器内，使用吸附剂，当加压时，该吸附剂对氮气具有高亲和力，但对氧气不具有高亲和力。被称为沸石的硅铝酸盐化合物是用于氧气浓缩的变压吸附中最常用的吸附剂。
在第一容器中，氮气被以床的形式位于容器的底部处的沸石吸附，从而允许浓缩氧气流通过床并从顶部流出。然后，该浓缩氧气流可被从加压容器的顶部输送出，进入到电晕放电装置中，从而减少高浓度的氮氧化物(即NO2、NO、N2O5等)的形成，并且将电晕放电装置内产生的臭氧的浓度显著增加到百万分之1,000至百万分之60,000的水平。一旦沸石达到其对氮气的最大吸附容量，必须再生第一容器以允许进一步的氮气吸附。为此，入口气流被输送到第二容器，以确保第一容器再生时的连续操作。
为了再生第一容器，将该容器减压，从而使氮气从沸石的表面解吸。然后，含有浓缩氮气的这种解吸流可以安全地释放到变压吸附容器周围的环境大气中，而不会对人体健康造成伤害，因为氮气不会像氮氧化物那样导致肺部窘迫。一旦达到最大氮气吸附容量，第二容器再次完成该过程，从而将入口气流切换到新再生的第一容器以保持恒定的氧气产生。通常，离开变压吸附氧气浓缩器的氧气浓度大于90％，但不超过99％。一些变压吸附单元可以生成较低浓度的氧气，如50％纯度。
本公开考虑，在至少一个实施例中，通过电晕放电装置的总气流的一部分是从变压吸附单元的容器连续输送的氧气。一些氮气将存在于进入电晕放电装置的气流中，从而允许产生最小量的氮氧化物，该氮氧化物将保持在美国环境保护署(美国EPA)设定的安全最大浓度极限以下。为了使电晕放电装置中的二氧化氮和其他氮基污染物的产生最小化，最佳配置将使来自变压吸附单元的氧气递送最大化，并且使通过电晕放电装置的板之间的环境空气递送最小化。
在该装置的第二实施例中，紫外(UV)灯用于产生臭氧。UV灯产生臭氧的方式与环境中产生臭氧的方式相同，其中UV光接触双原子氧，从而导致氧分裂成两个原子氧原子。这些原子与另外的双原子氧分子反应形成臭氧。UV光基于其波长按世界卫生组织(WHO)定义的范围被分类为315至400nm的UV-A、280至315nm的UV-B和100至280nm的UV-C。UV光产生臭氧的波长为185nm左右。通常，大多数市售UV灯认为臭氧是不期望的副产品，因此这些灯使用涂层来阻断185nm左右波长的释放。在用于产生臭氧的UV灯中，这些波长被最大化。
UV灯通过让电流通过如汞等气体来产生光。为此，被称为镇流器的装置将较低的输入电压转换为较高的输出电压，在灯上从一个电极传递到另一个电极。这使得电极之间的汞气体被电激发产生UV光。最近，UV LED还被提议用于产生UV光，尽管它们的成本限制了它们的使用。UV灯，如含有汞或氩的灯，对产生的UV光的类型没有选择性，并且必须针对期望的波长范围进行优化，而UV LED可以被定制成释放非常小的波长子集。
与电晕放电装置不同，UV灯或UV LED产生很少氮氧化物或几乎不产生氮氧化物，因为分裂双原子氧形成臭氧的UV波长不会分裂双原子氮。这是用UV灯或UV LED产生臭氧的主要益处。然而，电晕放电装置在产生臭氧方面更有效，对于给定的空气流动速率能够产生更大量的臭氧。因此，需要仔细选择臭氧发生装置以满足期望的应用。
作为另一个益处，UV光具有消毒性质，并且通常用作消毒方法。通常，UV-C用于通过破坏核酸和损坏它们的DNA来杀死或灭活微生物，使它们无法执行重要的细胞功能。紫外光实施例优选地利用UV-C杀菌灯，该杀菌灯释放波长为150至280nm的光，通常在200立方英尺/分钟(CFM)的气流中产生2.5至20g/小时的臭氧。用于产生臭氧的紫外灯的尺寸可以相应地扩展以适应更大的体积。
一旦臭氧发生装置生成了期望浓度的臭氧，混合挡板用于充分混合气流，以增加病原体在臭氧化空气中的暴露，并且相应地增加病原体灭活的可能性。本公开还考虑了更复杂的挡板配置，并且可以包括另外的悬挂板或杆以生成增加的湍流。
在混合挡板之后，所公开的设备利用反应器中的第二臭氧分解催化剂，该催化剂用于将臭氧转化为氧气。该催化剂通常与替代回流防止器实施例中所述的相同，其中MnO2涂覆在整体基板上。下表1显示了臭氧分解催化剂在百万分之30臭氧和100线性英尺/分钟(LFM)空气速度下的测试结果，其中6英寸×6英寸×1英寸催化剂层的数量有所不同。
表1
还在相同的测试标准下收集了更高臭氧浓度和流动速率的数据，臭氧浓度为百万分之60和百万分之90，流动速率为100LFM和150LFM，其中催化剂层的数量被调节为在出口/排气上实现百万分之0.02或更低的臭氧。表2提供了另外的催化剂层的测试结果。
表2
在通过MnO2催化剂后，气流被导向吸附剂以去除电晕放电装置产生的氮氧化物(NOx)。因为如二氧化氮等氮氧化物可能对肺部系统受损的个体产生不利影响，所以尽可能降低氮氧化物的浓度至关重要。吸附剂的优选组合物由涂覆在基板上的含有碱土金属(如氧化钡)的第三整料组成；然而，本公开还考虑了其他催化组合物。
许多化合物因其吸附如NO和NO2等氮氧化物的能力而闻名，包括碱和碱土金属、活性炭、分子筛、金属有机骨架、沸石、贵金属、碱石灰(NaOH-CaO混合物)和活性氧化铝。尽管优选实施例使用了可以涂覆有NOx吸附化合物的整体基板，但是吸附剂还可以用作填充床或用于其它配置中。当臭氧浓度高于百万分之1时，二氧化氮是所生成的氮氧化物中最常见的氮氧化物。表3显示了NOx吸附整料与现有臭氧分解催化剂组合的测试结果，其中将4层臭氧分解催化剂涂覆MnO2，随后用4层涂覆整料吸附氮氧化物。因为所有NOx化合物都被氧化成NO2，所以记录了NO2浓度。
表3-NO2去除测试
在一个优选实施例中，还可以在反应器的排气口附近采用排气过滤器。该排气过滤器用于捕获在进入反应器空间时可能已经避开预过滤器的任何颗粒。重要地，排气过滤器优选地不是编织过紧的过滤器，以避免显著阻碍气流。过滤器有利于捕获颗粒和一些极小百分比的仍具活性的病原体，否则病原体会逃逸到设备所在的空间中。
如本文所公开的设备还优选地采用传感器来测量臭氧和氮氧化物的浓度。优选的测量位置是(i)靠近臭氧发生装置，(ii)靠近用于将臭氧转化为氧气的第二臭氧分解催化剂整料；(iii)靠近用于去除氮氧化物的第三吸附剂整料，和(iv)靠近反应器的排气口。采用众所周知且广泛可用的传感器来感测臭氧和NOx的实时浓度，还可以将传感器连接到数据记录器，以维护关于设备操作的历史信息。
如本文所公开的设备已经过广泛的测试，以评估该装置在去除气溶胶化病原体方面的功效。在测试环境中，在进气之前和在从设备排气时测量病毒RNA细菌噬菌体MS2的浓度，以确定病原体破坏百分比。MS2通常被用作流感病毒的替代品，现在被认为是如SARS-CoV-2等其他RNA病毒的可能替代品。这是因为SARS-CoV-2的尺寸与流感相似，并且具有RNA基因组。
将一定浓度的MS2气溶胶化到含有所公开设备的密封环境生物气溶胶腔室中。使用撞击器仪器来在腔室中在0、30、60、120和180分钟收集空气中的悬浮颗粒的样品。所有撞击器样品被连续稀释、铺板和计数三次，得到每个采样点和时间的活生物气溶胶浓度。从试验数据中减去腔室对照试验数据，得到病原体浓度的净LOG减少。该设备在整个试验过程中显示出一致的净LOG减少，其中每个时间间隔几乎都有完全的净LOG减少。
平均净LOG减少在30分钟间隔的1.03至180分钟间隔的4.12之间。180分钟的超过4.00的净LOG减少表明了所公开的设备对MS2细菌噬菌体的功效。关于本文所公开的装置的MS2的平均净LOG减少的总结，参见下表4。该研究按照21 CFR第58部分中定义的FDA实验室优良操作规范进行。
表4
在密封环境生物气溶胶腔室中进行试验期间，还测量了室内臭氧水平。关于所有四次试验中的臭氧的最低、最高和平均输出测量值，参见表5。排气口处和整个密封腔室中的臭氧的浓度保持在较低浓度，该浓度低于国家环境空气质量标准(NAAQS)依据40CFR§50.19规定的浓度。
表5
2021年2月在MRIGlobal进行的另外的测试表明，本文所公开的设备在所有进行的测试具有超过99.7％的高水平SARS-CoV-2(COVID-19的病因)气溶胶活病毒减少(500mg/m3臭氧试验的最大减少为99.974％)，其中反应器流过停留时间少于14秒，并且臭氧生成速率范围为250至1,000mg/m3，如下表6所示。该表表明，在封闭空间中的空气完全流通的情况下，该设备提供了在4.0至5.0范围内的房间内活性空气传播病原体可实现的净LOG减少，其中每次通过该装置的净LOG减少在2.6至3.4之间。下表中的TCID50是指用于量化测试中使用的病毒的浓度的方法，并且AGI-30是指撞击器的类型。
表6
本文所公开的设备的一个目的是在排出排放空气之前灭活高百分比的空气传播病原体。
本文所公开的设备的另一个目的是从设备排出之前经济地灭活空气传播病原体。
本文所公开的设备的另一个目的是使从设备排出到占用空间的臭氧的体积和浓度最小化。
本文所公开的设备的另一个目的是使从设备排出到占用空间的氮氧化物的体积和浓度最小化。
本文所公开的设备的另一个目的是扩展该设备以灭活任何体积的场所中的病原体。
本文所公开的设备的另一个目的是在个人移动水平上灭活空气传播病原体，使得该设备连接到呼吸设备，能够吸入环境空气并将其供应给个人规模的呼吸设备。
附图说明
本公开的主题在说明书的结论部分中被特别指出并被明确要求保护。然而，当结合附图考虑时，通过参考具体实施方式和权利要求可以最好地获得对本公开的更完整的理解，其中相似的附图标记表示相似的元件。
图1是实验数据图，其示出了设备的出口处的臭氧的浓度相对于催化剂层的数量的关系；
图2是实验数据图，其示出了设备的出口处的臭氧的浓度相对于催化剂层的数量的关系；
图3是实验数据图，其示出了二氧化氮的浓度相对于反应时间量的关系；
图4是条形图，其示出了型号DI-SC3 ECO臭氧传感器的测试结果，包括臭氧浓度(PPM)、温度(℃)和相对湿度(％)；
图5是一系列图，其示出了病原体的存活分数相对于臭氧浓度的关系；
图6是病原体灭活设备的一个实施例的前立视图，其中前面板和预过滤器被去除以示出回流防止器和入口风扇；
图7是病原体灭活设备的一个实施例的后立视图，其示出了功能部件；
图8是病原体灭活设备的一个实施例的顶剖面透视图，其示出了功能部件；
图9A是瓣阀处于打开位置的回流防止器的一个实施例的透视图；
图9B是瓣阀处于关闭位置的回流防止器的一个实施例的透视图；
图10是电晕放电装置的一个实施例的透视图；
图11是其上固定有相关联的散热器的电晕放电装置的一个实施例的透视图；
图12A是氧气浓缩器的一个实施例的透视图；
图12B是氧气浓缩器的一个实施例的另一个透视图；
图13A示出了变压吸附设备的一个实施例的操作示意图，其中左侧被再生，而右侧吸附氮气并从顶部释放浓缩氧气；
图13B是变压吸附设备的一个实施例的操作示意图，其中右侧被再生，而左侧吸附氮气并从顶部释放浓缩氧气；
图14是一组UV-C臭氧发生器的一个实施例；
图15是向UV-C臭氧发生器提供高电压的镇流器和布线的示意图；
图16A是在透视图中示出的具有圆形通道的蜂窝状配置的整体基板的一个实施例的透视图，该圆形通道涂覆有臭氧分解催化剂和/或NOx吸附化合物；
图16B是具有圆形通道的蜂窝状配置的整体基板的一个实施例的前立视图，该圆形通道涂覆有臭氧分解催化剂和/或NOx吸附化合物；
图17A是具有波纹通道的蜂窝状配置的整体基板的一个实施例的透视图，该波纹通道涂覆有臭氧分解催化剂和/或NOx吸附化合物；
图17B是具有波纹通道的蜂窝状配置的整体基板的一个实施例的立视图，该波纹通道涂覆有臭氧分解催化剂和/或NOx吸附化合物；
图18是用垫片保持就位的多个臭氧催化剂层和NOx吸附层的组件的一个实施例的透视图；
图19是臭氧分解催化剂叠层的一个实施例的侧透视图，其示出了基板层之间的间隔；
图20是四个臭氧分解催化剂层的堆叠组件的一个实施例的透视图，该四个臭氧分解催化剂层用垫片保持就位以保持每层之间的间隙；
图21是臭氧分解催化剂叠层的一个实施例的透视图，其示出了每层之间的间隔，并且使用多个催化剂叠层来填充设备的横截面；
图22是用外收缩套筒保持在一起的组装的臭氧催化剂和NOx吸附层的一个实施例的透视图；
图23A是并入HVAC系统的设备的一个实施例的剖面图，该HVAC系统具有外部氧气浓缩器，该外部氧气浓缩器利用注射部位来向电晕放电臭氧发生器供应以将臭氧释放到反应器中；
图23B是并入HVAC系统的设备的一个实施例的透视剖面图，该HVAC系统具有外部氧气浓缩器，该外部氧气浓缩器通过注射部位向电晕放电臭氧发生器供应以将臭氧释放到反应器中；
图24是位于设备的排气区的过滤器的一个实施例的立视图；
图25A是并入HVAC系统的设备的一个实施例的剖面图，其中加热元件和冷却元件设置在排气口附近；
图25B是并入HVAC系统的设备的一个实施例的透视剖面图，其中加热元件和冷却元件设置在排气口附近；
图26A是并入HVAC系统的设备的一个实施例的剖面图，其中加热元件和冷却元件设置在反应器内；
图26B是并入HVAC系统的设备的一个实施例的透视剖面图，其中加热元件和冷却元件设置在反应器内；
图27A是并入HVAC系统的设备的一个实施例的剖面图，该HVAC系统具有外部氧气浓缩器，该外部氧气浓缩器利用注射部位来向电晕放电臭氧发生器供应以将臭氧释放到反应器中；
图27B是并入HVAC系统的设备的一个实施例的透视剖面图，该HVAC系统具有外部氧气浓缩器，该外部氧气浓缩器利用注射部位来向电晕放电臭氧发生器供应以将臭氧释放到反应器中；
图28是并入HVAC系统的设备的一个实施例的剖面图，该HVAC系统具有围绕UV-C臭氧发生器的透明套筒；并且
图29是并入HVAC系统的设备的一个实施例的立剖面图，该HVAC系统具有外部氧气浓缩器，该外部氧气浓缩器利用另外的风扇来向UV-C臭氧发生器供应以达到期望的流动速率。
具体实施方式
本文对示例性实施例的详细描述参考了附图，这些附图通过图示及其最佳模式示出了示例性实施例。尽管足够详细地描述了这些示例性实施例以使本领域技术人员能够实践本发明，但是应理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现其他实施例，并且可以进行逻辑、化学和机械改变。
本文的详细描述仅出于说明的目的而非限制的目的而提出。此外，对单数的任何引用包括复数个实施例，并且对多于一个部件或步骤的任何引用可以包括单数个实施例或步骤。此外，对附接、固定、连接等的任何引用可以包括永久、可去除、临时、部分、完全和/或任何其他可能的附接选项。此外，对不接触(或类似短语)的任何引用还可以包括减少接触或最小接触。
为了灭活病原体，如本文所公开的设备使用电晕放电装置结合氧气浓缩器或一个或多个UV-C灯产生臭氧。臭氧与气流中的病原体混合，使其灭活。一旦病原体被灭活，臭氧和任何其他副产品(如氮氧化物)就会被去除。该设备经过了广泛的测试，以确保均匀的臭氧产生、高度的病原体灭活以及臭氧和氮氧化物的去除。
图1示出了臭氧分解催化剂在从100线性英尺/分钟(LFM)空气速度的气流去除百万分之30臭氧中的性能。催化剂层的数量以及因此催化剂的总体积是不同的，以示出每层的臭氧去除的增加。每个催化剂层的尺寸为6英寸×6英寸×1英寸。在5个催化剂层时，可从气流去除至多99.9％的臭氧。图2示出了与图1中所述的相同的数据，但是被扩展以示出单层催化剂在从气流去除臭氧中的性能。
图3示出了NOx吸附剂在去除任何氮氧化物中的性能，在这种情况下，氮氧化物是二氧化氮，其在设备中与臭氧一起产生。将含有百万分之1.2二氧化氮的气流以85LFM通过NOx吸附剂180分钟。在NOx吸附剂的出口处监测二氧化氮的浓度，该浓度在整个测试中被示出为百万分之0.05，远低于美国EPA设定的十亿分之100(PPB)的一小时最大浓度。
臭氧发生器的mg/m3额定值是在90％至99％的浓缩氧气供应下使用时测量的。由于环境空气仅含有21％左右的氧气，因此臭氧发生器产生的臭氧通常远远低于其制造商提供的额定值。考虑到这一点和其他环境条件，测试装置内置了温度(℃)、相对湿度(％)和臭氧(PPM)传感器。如图4所示，臭氧传感器(ECO传感器型号DL-SC3)在所有测试中测量的范围为百万分之25至百万分之55。
在已发表的学术研究中，浓度低于百万分之25的臭氧同样被示出可灭活99％以上的空气传播病原体。特别是由美国气溶胶研究协会发表的一项研究-Chun-Chieh Tseng和Chih-Shan Li(2006)臭氧对气溶胶噬菌体的灭活作用(Ozone for Inactivation ofAerosolized Bacteriophages)，《气溶胶科学与技术(Aerosol Science andTechnology)》，40：9，683-689，该研究披露，对于99％的phi 6、phi X174、MS2和T7病毒灭活，接触时间为13.8秒，需要的臭氧剂量分别为百万分之2.50、百万分之3.84、百万分之6.63和百万分之10.33。图5描绘了空气传播MS2、phi X174、phi 6和T7在55％和85％的相对湿度下暴露于不同臭氧浓度的存活分数。
如图6所示，设备10可以位于连续气流需要灭活空气传播病原体的任何地方。这些位置可能包括住宅、商业和工业场景。该设备还可用于移动场景中，如飞机和火车上，这些地方的乘客流动频繁，其中一些乘客可能是传染性病原体携带者。
如图7进一步所示，设备10包括反应器12，该反应器形成封闭腔室，在该腔室中会进行下述的病原体灭活和催化转化/吸附功能。反应器可以具有许多不同的横截面，如圆形、正方形或长方形。反应器的外部优选地由金属片制成；然而，本公开还考虑了其他材料，如塑料或复合材料。反应器12的内部和驻留部件必须由与臭氧相容的材料构成，因为臭氧能够氧化许多材料，从而导致其降解。
反应器12具有进气口14和排气口16。环境空气18通过进气口14被吸入到反应器12中，并且在通过反应器12的各个区域后通过排气口16排出，其中高百分比的空气传播病原体被灭活，并且因此显著降低了感染周围空间中的病原体的可能性。
如图8所示，环境空气18被内部安装的风扇20吸入到反应器12中。如本文所公开，风扇20优选地覆盖反应器12内部的横截面开口；然而，本公开还考虑了替代配置。风扇20优选地安装在反应器12开口的内部，以允许在风扇20前面安装可去除的预过滤器22。然而，一些实施例可以使用安装在反应器12外部的风扇20，如集成在现有HVAC系统内的那些风扇。预过滤器22可以容易地被去除和更换，并且不是如此紧密的编织以免不利地影响风扇20吸入环境空气通过预过滤器22的能力。
如图9A和9B所示，设备10还采用回流防止器26，该回流防止器限制已经进入反应器12的空气通过进气口14逸出的能力。回流防止器26可以是简单的瓣阀28配置，其可以在三个侧面上向内弯曲，其中顶部边缘30固定到反应器内部空间32。无论出于何种原因，如果气流发生反转，瓣阀28的外边缘36将在未与反应器内部空间32连接的三个侧面上密封凸缘38，从而防止向外的气流。安装回流防止器26的目的是防止高度臭氧化的空气或含有高水平氮氧化物的空气的释放，以免其进入正在用所公开的设备10灭活病原体的房间或空间。下面还考虑了单独的回流防止器26的实施例，用于从空气去除臭氧而不限制通过进气口的气流。
臭氧生成发生在反应器12内部远离进气口14并超出回流防止器26的区域40中。在该区域40中，如图7所示，存在所考虑的臭氧发生设备的多个实施例。如图10所示，第一实施例利用电晕放电装置42。电晕放电装置通过在两个电极之间施加电压来操作，从而使电极之间的空气电离。这种电离分裂双原子氧，从而产生会反应形成臭氧的氧分子。
在操作中，风扇20将气流98移动到电晕放电板50之间的空间间隙44中，在该位置处，高电压、高频和交流电导致臭氧分子76的生成。正是臭氧灭活了反应器12内的空气传播病原体。在一个替代实施例中，如图11进一步所示，散热器48任选地固定到电晕放电装置42。散热器48用于通过散热器48的翅片52辐射热量来冷却电晕放电装置的板50，从而产生更高浓度的臭氧，并且由此增加空气传播病原体的灭活。
散热器的替代冷却(如使用辅助风扇或水冷装置)可产生甚至更高的臭氧浓度，从而增加空气传播病原体的灭活。本公开考虑了所有上述用于冷却电晕放电装置42的方法。
设备10的一个替代实施例采用电晕放电装置42与利用“变压吸附”的氧气浓缩器54组合。示例性的氧气浓缩器配置如图12A和12B所示。氧气浓缩器54设置在电晕放电装置42附近，以便于在放电装置42的板50之间引入高度浓缩氧气。如下文所更详细讨论，从离开氧气浓缩器的氧气气流去除相当大百分比的氮气。
由于通过电晕放电装置42的板50之间的氮气的百分比显著降低，从电晕放电装置42产生氮氧化物的可能性大大降低。由于氮氧化物被视为空气污染物并且依据40CFR§50.11受美国环境保护署管制，因此高浓度氮氧化物暴露的增加会存在基于人体健康的原因，特别是肺部问题。依据40CFR§50.11编写的氮氧化物的国家主要环境空气质量标准的8小时标准规定环境空气中的氮氧化物的浓度不得超过十亿分之53，并且一小时标准规定氮氧化物的浓度不得超过十亿分之100。离开如本文所公开的设备10的气流98将气流喷射到环境空气18中，其中氮氧化物的浓度小于十亿分之100。
如图13A和13B所示，氧气浓缩器54依赖于至少两个容器58、60，这两个容器交替处于通常为50至150psi的压力下，而第二容器处于或接近大气压。当第一容器被加压时，第二容器被减压，因此这就是在所确定技术的名称中使用术语“变压”的原因。沸石62是一种矿物，由铝和硅化合物组成，其含有可以从空气吸收氮气的微孔。沸石用于以分子水平将氮气与氧气分离。
图13A示出了右容器60的初始吸附步骤。在右容器中，不需要的氮气被沸石62吸附，该沸石以床63的形式定位在每个容器58、60的底部处。沸石床63上方的容器空间65中剩余的主要是氧气64。然后，该氧气64可以被从加压容器60的顶部70输送出，进入到电晕放电装置中，而不用担心形成高浓度的氮氧化物(即NO2、NO、N2O5等)。来自加压容器的氧气以优化臭氧产生和最小化氮氧化物产生的流动速率进入电晕放电装置42。吸附在沸石床63中的氮气66还可以被输送排出，例如排出到建筑物空间中，而不会对人体健康造成危害，因为进入到室内大气中的氮气66不会像氮氧化物那样带来肺部风险。
一旦沸石62已经吸附了最大浓度的氮气66，左容器58被加压，并且在左容器58内重复该过程。如图13B所示，沸石62从加压空气吸收氮气66，并且浓缩氧气64在容器的顶部70附近排出，以输送到电晕放电装置42。在此期间，右容器60内的压力释放，从而允许所吸附的氮气从沸石62的表面解吸并进入到大气中。氮气66在两个容器58、60的底部72处通过通向环境的排气端口69排出。将氮气66排放到环境空气不会导致肺部窘迫，因为大气已经含有大约78％的氮气。
本公开考虑，在至少一个实施例中，通过电晕放电装置42的总气流的一部分是从氧气浓缩器54的容器连续输送的氧气。随着高度纯化的氧气从氧气浓缩器54进入电晕放电装置42，电晕放电装置42能够产生浓度范围为百万分之1,000至百万分之60,000的臭氧。这种高度浓缩的臭氧与通过反应器12的气流98相混合，从而降低了臭氧的总浓度用于灭活病原体。为了最小化电晕放电装置42中的二氧化氮和其他氮氧化物的产生，最佳配置引导来自氧气浓缩器54的氧气64的递送，并且最小化通过电晕放电装置42的板50的环境空气的递送。其基本原理是环境空气含有大约78％的氮气，而由氧气浓缩器54供应的气体含有非常高百分比的氧气64，很少氮气66可用于在电晕放电单元中转化为氮氧化物。
在另一个实施例中，氧气浓缩器54利用连续可变控制阀，还被称为比例隔离阀71，如图13A和13B所示。阀71可操作以计量每单位时间从氧气浓缩器54递送到电晕放电装置42的氧气体积。这种类型的阀71在行业中是众所周知的。示例性的阀是Clippard出售的Eclipse比例隔离阀型号EIVU-M-V。
该实施例还可采用与阀71通信的微计算机、微控制器或可编程逻辑控制器70A来控制通过阀71到达电晕放电装置42的氧气64的体积流量。这种控制器的实施在行业中是众所周知的，本文无需详述。阀71的精细可变控制便于控制电晕放电装置42的臭氧的产生以及限制氮氧化物的产生。用于本申请的示例性可编程逻辑控制器70A由Clippard出售，如SCPVD-1步进控制器比例阀驱动器。
这种精细控制水平是通过利用阀71来平衡来自氧气浓缩器54的氧气64对环境空气的置换而实现的。来自安装在反应器12内的臭氧和氮氧化物传感器(下面将详细讨论)的信号将向可编程逻辑控制器、微计算机或微控制器提供输入，以优化氧气64向电晕放电装置42的操作流入。
本公开所考虑的在反应器12内生成臭氧的另一个实施例是通过使用紫外光。从紫外光产生臭氧的灯将185nm左右的波长的产生最大化。这些灯还产生UV-C光谱中许多其他波长的光。与使用电晕放电的臭氧发生器相比，UV-C灯很少产生或几乎不产生氮氧化物，尽管它们的效率较低，在给定的气流下产生的臭氧浓度较低。紫外光实施例优选地利用UV-C杀菌灯，该灯在住宅、办公室或工业场景中的500至1,500n3空间内产生例如2.5至20g/小时的臭氧，并且气流速率为约200CFM。图14示出了包括设备10内的臭氧发生器的UV-C灯74的阵列的一个示例。UV-C灯的阵列使用称为镇流器的装置供电，镇流器将较低的输入电压提高到较高的输出电压，以确保汞气体受到激发而释放UV光。示例性镇流器126如图15所示。
UV-C装置的尺寸可以相应地扩展以适应更大的体积。多家供应商生产的UV-C灯可产生至多3g/小时的臭氧。如图8所示，UV-C臭氧发生器灯74定位在反应器12内，进气18通过多个臭氧发生器灯74周围，从而产生用于灭活空气传播病原体的臭氧76。
在生成臭氧76之后，臭氧化的和载有病原体的空气在反应器12内的至少一个挡板78上方和周围移动，以提供病原体与臭氧的充分混合和接触。在反应器12内靠近臭氧发生器的臭氧76的浓度在百万分之1至百万分之55的范围内，该浓度足以灭活穿过反应器12的非常高百分比的空气传播病原体。具有多个通道或多个长切口的单个挡板78可能足以产生期望的混合。还考虑了串联的多个挡板以实现充分混合；然而，随着挡板放置的增加，需要增加风扇输出以驱动气流通过反应器。本公开考虑了另外的挡板配置，并且可以采用多种配置来增加病原体在臭氧化空气中的暴露。如上所示，当空气传播病原体暴露于百万分之1和百万分之55之间的臭氧浓度时，它们通过这种暴露被迅速灭活。
一旦充分混合完成并且臭氧经过了足够的停留时间以灭活气流中的病原体，含有灭活的病原体及其组分和任何过量臭氧76的气流暴露于臭氧转化分解催化剂82，以将臭氧76转化为氧气。从气流去除尽可能多的臭氧至关重要，因为根据40CFR§50.19的联邦法规，臭氧被视为空气污染物，并且1小时暴露限于不超过十亿分之70的浓度。
如图16A和16B所示，如二氧化锰(MnO2)的臭氧分解催化剂82涂覆在蜂窝状整体基板88上，以将臭氧转换为氧气。臭氧分解催化剂整料88由陶瓷制成，如含有蜂窝状通道90的堇青石，允许催化剂和前进气流98之间的最大接触，从而优化臭氧转化。图17A和17B示出了具有波纹通道90A的配置的由金属制成的替代整体基板。如图7和8所示，臭氧分解催化剂82优选地以某一种方式设置在反应器12内，使得它可以容易地取出和更换，如通过反应器12的顶部或侧面94、96中的狭槽92。本公开还考虑了除MnO2以外的催化剂和除具有通道90、90A的整体基板88以外的配置。
一旦气流98前进超过臭氧分解催化剂82，其仍可能载有二氧化氮和对人体肺功能有害的其他相关联的氮氧化物(即NO、N2O5等)。如图16A、16B、17A和17B所示的陶瓷和金属整体基板88可以支撑具有NOx吸附化合物102(如氧化钡或氧化钾或两种化合物的组合)以及先前所述臭氧分解催化剂82的涂层。这样，臭氧分解催化剂82和NOx吸附剂102的均匀性质允许更容易的维护和更换。本公开还考虑了用于吸附二氧化氮和相关联的氮化合物的其他催化剂，如各种碱和碱土金属、活性炭、分子筛、金属有机骨架、沸石、贵金属、碱石灰(NaOH-CaO混合物)和活性氧化铝。图18示出了含有多层臭氧分解催化剂整料88和NOx吸附整料100的模块123。每层含有涂覆有一种臭氧分解催化剂82或NOx吸附化合物102的如图16A、16B、17A或17B所示的整体基板。这样，臭氧分解催化剂整料88和NOx吸附整料100的数量可以取决于应用的要求而有所不同。
图19示出了含有由同一模块叠层123内的垫片122隔开的几个臭氧分解催化剂涂覆的82整体基板88的整体层。图20示出了模块123可如何针对空气流动速率以及臭氧浓度的增加而按比例制造。图21示出了模块123，其在含有臭氧分解催化剂整料88和NOx吸附整料100的每个整料之间具有名义上地且优选地半英寸的垫片122。
在一个优选实施例中，几个臭氧分解催化剂整料88放置在氮氧化物吸附整料100之前，以确保臭氧不会与氮氧化物竞争吸附位点。图22示出了包裹在收缩套筒124内以确保稳定性并保持性能的图18的组合模块123。收缩套筒124防止气流98在催化和吸附过程中向外和周围溢出，从而提高设备10的整体性能。
通过模块123内的组合整料88、102以及这些模块的堆叠，臭氧分解催化剂整料88和NOx吸附整料100优选地以某一种方式定位在反应器12内，使得它们可以通过狭槽104从反应器12取出，如图7和8所示，以便在需要这种维护时进行更换或翻新。
一旦氮氧化物的吸附已经完成，气流98任选地前进到排气过滤器110，如图24所示。如图7和8所示，排气过滤器110并入设计，以捕获可能已经通过预过滤器或通过反应器12的壁112中的微小间隙或开口被夹带在气流98中的任何夹带颗粒。排气过滤器110还可包括如活性炭的涂层，以去除气流98内存在的任何产生气味的化合物。
排气过滤器110优选地在7-16的最小效率报告值(MERV)的范围内，并且能够截留0.3至1.0微米尺寸范围内的空气颗粒，但是不应为高到设备10难以将气流98排放出反应器12的高MERV额定值。排气过滤器110优选地以与臭氧分解催化剂整料82和NOx吸附剂整料100一样的方式设置在反应器12内，使得其可以容易地从反应器去除以进行更换或清洁。
如图7和8所示，反应器12的排气口16附近设置至少一个传感器组116，用于测量氮氧化物和臭氧的浓度。该传感器组116将用于提醒设备10的操作者在从反应器12排放气流98时已经发生了臭氧向氧气的充分转化和氮氧化物的吸附。优选地在整个反应器12中设置另外的臭氧和氮氧化物传感器组118、120，以捕获这些污染物的浓度的测量值。传感器的示例性位置靠近进入反应器12的进气口14，在电晕放电装置42或UV-C装置74处，以及紧接在臭氧分解催化剂整料82和NOx吸附整料100之后。
这些浓度测量有利于提醒操作者设备10的正确操作以及是否可能需要维护或系统调整来调节设备产生的臭氧的浓度。当使用氧气浓缩器54时，来自这些传感器的数据可以任选地但优选地被馈送到微处理器、微控制器或可编程逻辑控制器70A，用于根据需要调节从氧气浓缩器54供给氧气的连续可变控制阀或比例控制阀71，如图13A和13B所示。
如果离开设备的气流98中的臭氧的浓度高于最大浓度极限，则传感器116、118将测量的浓度传送到微计算机、PLC或微控制器70A，并且控制装置70A执行预编程指令以降低臭氧发生器42产生的臭氧量。类似地，如果氮氧化物(无论是二氧化氮还是任何类似化合物)的浓度超过由指定传感器118测量的设定的最大浓度极限，则臭氧发生器42与氧气浓缩器54一起可相应地调节流动速率以增加氧气浓缩器的输出或减少臭氧发生器的输出。其他电子部件可与上述部件组合使用，以确保对臭氧和氮氧化物的适当控制，如印刷电路板、晶体管、电容器、电阻器和二极管。
图23A、23B、25A、25B、26A、26B、27A、27B、28和29示出了用于集成到HVAC管道中的设备的实施例。图25A和25B示出了集成在管道内的设备10，其中加热元件132和冷却元件134放置在排气口16附近。加热元件132和冷却元件134被示出，以描绘与本文所公开的设备10的潜在集成，但不一定是设备操作的组成部分。
如图25A和25B所示，设备10可以与已经存在于HVAC系统内的加热元件132和冷却元件134集成在一起。这样，用于HVAC管道的设备可以放置在现有的加热元件132和冷却元件134之前或之后。气流98通过进气口14并通过可去除的预过滤器22，从而去除如灰尘等较大颗粒。在通过可去除的预过滤器22之后，气流98流动到会生成臭氧76的UV-C臭氧发生器74中。臭氧76混合在气流98内，从而灭活病原体。空气和臭氧混合物然后通过挡板78，从而进一步改善混合和病原体灭活。
携带高百分比灭活病原体的气流98然后流过臭氧分解催化剂82以将气流中的臭氧76转化为氧气并流过NOx吸附整料100。最后，气流98通过排气过滤器110，围绕加热元件132和冷却元件134，并且排出排气口16。设置在反应器12内和周围的臭氧和氮氧化物传感器组116、118和120监测离开设备的臭氧和氮氧化物的浓度，以确保不超过美国EPA设定的最大浓度极限。在整个过程中，风扇20拉动气流98通过反应器12并排出排气口16。图25B示出了如上所述的相同过程的透视图。
在用于集成在HVAC管道中的一种替代配置中，加热元件132和冷却元件134还可以放置在反应器12内，而不是在反应器12之后。图26A和26B示出了设备10的侧立视图和透视图，其中加热元件132和冷却元件134从臭氧分解催化剂82之后移动到更靠近反应器进气口14。在另一个实施例中，图23B和27B示出了与图26A和26B类似的配置，其中该设备集成在HVAC管道系统中。在图23A和23B以及27A和27B所示的两种配置中，氧气浓缩器54用于增加臭氧发生器的氧气供应。图27A和27B示出了与UV-C臭氧发生器的组合，而图23A和23B示出了与电晕放电臭氧发生器的组合。在每种配置中，气流98在进气14附近进入反应器。
反应器12含有用于从氧气浓缩器54供给的电晕放电臭氧发生器42或UV-C臭氧发生器74注入臭氧76的入口管或管件。氧气浓缩器将高度浓缩的氧气流释放到电晕放电发生器42或UV-C臭氧发生器74周围的空间中，从而限制NOx化合物的产生并增加臭氧的产生。一旦臭氧76被注入到气流中，气流就通过增加混合并改善病原体灭活的挡板，直到移动到去除臭氧的臭氧分解催化剂。
如图28所示，在与图27A和27B所述的相同配置的一个替代实施例中，氧气浓缩器54将浓缩的臭氧流注入到反应器区12中，其中UV-C臭氧发生器含在反应器12内，而不是在反应器12外。在这种配置中，UV-C臭氧发生器灯74垂直于气流98的流动安装，其中UV-C臭氧发生器前面的透明套筒限制与气流和UV-C臭氧发生器的接触。离开氧气浓缩器54的浓缩氧气64被注入在UV-C臭氧发生器74的灯之间，从而产生臭氧，该臭氧流出并流入到围绕UV-C发生器重新输送的气流98中。
在最后一个实施例中，图29所示的配置显示出与27A和27B相同的配置，其中氧气浓缩器54和UV-C臭氧发生器74安装在反应器12的外部，臭氧通过管或管件注入到反应器中。在这种配置中，在臭氧注射位置的上游放置另外的风扇20，以确保当气流通过反应器时达到期望的流动速率。
所公开的设备和系统不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各个公开的实施例的所有新颖和非显而易见的特征和方面，无论这些特征和方面是单独的，还是相互之间的各种组合和子组合。所公开的设备和系统不限于任何特定方面或特征或其组合，并且所公开的实施例也不要求存在任何一个或多个特定优点或解决问题。
鉴于所公开的发明的原理可以应用于许多可能的实施例，应认识到，所示实施例仅仅是本公开的示例，并且不应被视为限制本发明的范围。实际上，本发明的范围由所附权利要求书限定。因此，我们要求这些权利要求范围内的所有内容作为我们的发明。
本文所提出的公开内容被认为涵盖具有独立用途的至少一个不同发明。虽然已经以示例性形式公开了至少一个发明，但是本文描述和示出的其特定实施例不应被认为是限制性的，因为许多变体都是可能的。在本公开的范围内，可以对各个实施例、材料、组合物和方法进行等同的改变、修改和变化，从而获得基本上相似的结果。至少一个发明的主题包括本文所公开的各个元件、特征、功能和/或性质及其等同物的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。
本文关于具体实施例描述了益处、其他优点和问题解决方案。然而，益处、优点、问题解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案出现或变得更加明显的任何元件或元件组合不应被视为至少一个发明的任何或所有权利要求的关键、必需或必要特征或元件。
在不脱离本公开的精神的情况下，可以在本公开的范围内进行许多改变和修改，并且本文描述的一个或多个发明包括所有这些修改。权利要求中所有元件的相对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体记载的其他权利要求元件来进行功能的任何结构、材料或动作。一个或多个发明的范围应由所附权利要求及其法律等同物来确定，而不是由本文阐述的示例来确定。
本文已经关于具体实施例描述了益处、其他优点和问题解决方案。此外，在本文所含的各个附图中示出的连接线(如果有的话)旨在表示各个元件之间的示例性功能关系和/或物理耦合。应注意，在实际系统中可能存在许多替代的或另外的功能关系或物理连接。然而，益处、优点、问题解决方案以及可能导致任何益处、优点或解决方案出现或变得更加明显的任何元件不应被解释为本发明的关键、必需或必要特征或元件。
因此，本发明的范围仅受所附权利要求的限制，其中除非明确说明，否则对单数元件的引用并不意味着“有且只有一个”，而是“一个或多个”。此外，当在权利要求中使用类似于“A、B或C中的至少一个”的短语时，旨在表示该短语应被解释为意指在一个实施例中可单独存在A，在一个实施例中可单独存在B，在一个实施例中可单独存在C，或者意指在单个实施例中可存在元件A、B和C的任何组合；例如，A和B、A和C、B和C或A和B和C。在所有附图中使用不同的交叉影线来表示不同的部分，但不一定表示相同或不同的材料。
在本文的详细描述中，对“一个实施例(one embodiment/an embodiment)”、“一个示例实施例”等的引用指示所描述的实施例可以包括特征、结构或特性，但是每个实施例不一定包括该特征、结构或特性。此外，此类短语不一定是指同一实施例。此外，当描述与一个实施例相关的特征、结构或特性时，认为影响与其他实施例相关的这种特征、结构或特性在本领域技术人员的知识范围内，无论是否明确描述。在阅读描述之后，对于相关领域的技术人员来说，如何在替代实施例中实现本公开将是显而易见的。
此外，本公开中的任何元件、部件或方法步骤都不旨在专用于公众，无论该元件、部件或方法步骤是否在权利要求中明确陈述。除非使用短语“用于……的装置(meansfor)”明确陈述了权利要求元件，否则本文的权利要求元件不应根据35U.S.C.§112(f)的规定进行解释。如本文所使用，术语“包括(comprises/comprising)”或其任何其他变体旨在涵盖非排他性的包括，使得包括一系列元件的过程、方法、物品或设备不仅包括那些元件，还可以包括未明确列出的或该过程、方法、物品或设备固有的其他元件。

Claims (43)

1.一种用于灭活空气中悬浮的病原体的设备，所述设备包括：
反应器空间，所述反应器空间具有进气口和排气口以及设置在所述进气口和排气口之间的气流路径，所述气流路径用于使空气连续穿过整个所述反应器空间；
预过滤器，所述预过滤器用于去除穿过所述反应器空间的空气中悬浮的颗粒；
风扇，所述风扇用于推动空气通过所述反应器空间；
臭氧发生器；
多个挡板，所述多个挡板位于所述反应器空间内靠近所述臭氧发生器，以对在所述反应器空间的所述进气口和所述排气口之间穿过的空气施加湍流；
催化剂，所述催化剂设置在所述风扇之后的所述气流路径内，以将臭氧转化为氧气；
过滤器，所述过滤器设置在所述气流路径中，以在悬浮颗粒和病原体在所述排气口处排出之前捕获它们；和
至少一个传感器，所述至少一个传感器用于测量所述排气口处的空气内的臭氧浓度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中在所述预过滤器之后的所述反应器空间内设置有以下中的至少一者：(i)臭氧回流防止器，所述回流防止器包括瓣阀，或(ii)用于将臭氧转化为氧气的催化剂。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述臭氧发生器包括电晕放电单元，所述电晕放电单元进一步包括用于冷却所述电晕放电单元的散热器。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个挡板部分地阻碍所述反应器空间内的所述气流路径。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述催化剂由二氧化锰(MnO2)组成。
6.根据权利要求1所述的设备，其中所述催化剂被配置成具有第一侧和第二侧以及在所述第一侧和所述第二侧之间延伸的多个开放通道的蜂窝状构型。
7.根据权利要求1所述的设备，其中变压吸附单元将氧气排放到所述臭氧发生器，以增强臭氧的产生并减少所述反应器空间内的大气氮向氮氧化物的转化。
8.根据权利要求7所述的设备，其中阀可操作以控制由所述变压吸附单元向所述臭氧发生器提供的氧气的流动速率。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述阀与臭氧传感器、氮氧化物传感器和控制装置可操作地连通，以优化浓缩氧气流向所述臭氧发生器的速率。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述控制装置是以下中的至少一者：(i)微计算机，(ii)微控制器，或(iii)可编程逻辑控制器。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述排气口处的空气中的二氧化氮的浓度小于100PPB。
12.根据权利要求1所述的设备，其中吸附剂设置在所述气流路径内以从所述反应器空间内的空气去除氮氧化物化合物，所述吸附剂选自由以下组成的群组：氧化钡、氧化钾、碱、碱土金属、活性炭、分子筛、金属有机骨架、沸石、贵金属、碱石灰(NaOH-CaO混合物)、活性氧化铝及它们的组合。
13.一种用于灭活空气中悬浮的病原体的设备，所述设备包括：
反应器空间，所述反应器空间具有进气口和排气口以及设置在所述进气口和排气口之间的气流路径，所述气流路径用于使空气连续穿过整个所述反应器空间；
预过滤器，所述预过滤器用于去除穿过所述反应器空间的气流中悬浮的颗粒；
以下中的至少一者：(i)瓣阀，或(ii)用于限制臭氧通过所述进气口的排出的第一催化剂；
风扇，所述风扇用于推动空气通过所述反应器空间；
臭氧发生器，所述臭氧发生器设置在所述进气口附近，其中所述臭氧发生器包括以下中的至少一者：(i)电晕放电单元，或(ii)紫外光臭氧发生器；
多个挡板，所述多个挡板位于所述反应器空间内靠近所述臭氧发生器，以对在所述反应器空间内穿过的空气施加湍流；
第二催化剂，所述第二催化剂设置在所述气流路径内，以将臭氧转化为氧气；
过滤器，所述过滤器设置在所述第二催化剂之后的所述气流路径中，以在悬浮颗粒和病原体在所述排气口处排出之前捕获它们；和
至少一个传感器，所述至少一个传感器用于测量所述排气口处的空气内的臭氧的浓度。
14.根据权利要求13所述的设备，其中电晕放电单元包括用于冷却所述电晕放电单元的散热器，并且从而提高臭氧形成的效率。
15.根据权利要求13所述的设备，其中设置在所述气流路径内以从所述反应器空间内的空气去除氮氧化物化合物的吸附剂选自由以下组成的群组：氧化钡、氧化钾、碱和碱土金属、活性炭、分子筛、金属有机骨架、沸石、贵金属、碱石灰(NaOH-CaO混合物)、活性氧化铝及它们的组合。
16.根据权利要求13所述的设备，其中所述至少一个臭氧传感器是至少两个传感器，第一传感器位于所述臭氧发生器附近，并且第二传感器位于所述排气口附近。
17.根据权利要求13所述的设备，其中所述至少一个氮氧化物传感器位于所述排气口附近，并且至少一个氮氧化物传感器位于所述臭氧发生器附近。
18.根据权利要求13所述的设备，其中所述排气口处的臭氧的浓度低于国家环境空气质量标准依据40CFR§50.19设定的浓度。
19.根据权利要求13所述的设备，其中所述排气口处的二氧化氮的浓度低于国家环境空气质量标准依据40CFR§50.11制定的浓度。
20.一种用于灭活空气中悬浮的病原体的设备，所述设备包括：
反应器空间，所述反应器空间具有进气口和排气口以及设置在所述进气口和排气口之间的气流路径，所述气流路径用于使空气连续穿过整个所述反应器空间；
预过滤器，所述预过滤器用于去除穿过所述反应器空间的空气中悬浮的颗粒；
风扇，所述风扇用于推动空气通过所述反应器空间；
至少一个紫外光臭氧发生器；
至少一个挡板，所述至少一个挡板位于所述反应器空间内靠近所述臭氧发生器，以对在所述反应器空间内穿过的空气施加湍流；
催化剂，所述催化剂设置在所述风扇之后的所述气流路径内，以将臭氧转化为氧气；
过滤器，所述过滤器设置在所述催化剂之后的所述气流路径中，以在悬浮颗粒和病原体在所述排气口处排出之前捕获它们。
21.根据权利要求20所述的设备，其中所述设备内生成的臭氧浓度在百万分之1至百万分之55的范围内。
22.根据权利要求20所述的设备，其中至少一个传感器可操作用于测量所述排气口处的空气内的臭氧浓度小于70PPB。
23.根据权利要求20所述的设备，其中在所述预过滤器之后的所述反应器空间内设置有以下中的至少一者：(i)臭氧回流防止器，所述回流防止器包括瓣阀，或(ii)用于将臭氧转化为氧气的催化剂。
24.根据权利要求20所述的设备，其中(i)加热元件或(ii)冷却元件中的至少一者设置在所述排气口附近。
25.根据权利要求20所述的设备，其中(i)加热元件或(ii)冷却元件中的至少一者设置在所述反应器内靠近所述臭氧发生器。
26.一种用于灭活空气中悬浮的病原体的设备，所述设备包括：
反应器空间，所述反应器空间具有进气口和排气口以及设置在所述进气口和排气口之间的气流路径，所述气流路径用于使空气连续穿过整个所述反应器空间；
风扇，所述风扇用于推动空气通过所述反应器空间；
臭氧发生器，所述臭氧发生器设置在所述进气口附近，所述臭氧发生器包括以下中的至少一者：(i)电晕放电单元，或(ii)紫外光臭氧发生器；
多个挡板，所述多个挡板位于所述反应器空间内靠近所述臭氧发生器，以对在所述反应器空间内穿过的空气施加湍流；
催化剂，所述催化剂设置在所述风扇之后的所述气流路径内，以将臭氧转化为氧气；和
后过滤器，所述后过滤器设置在所述催化剂之后的所述气流路径中，以在悬浮颗粒和病原体在所述排气口处排出之前捕获它们。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述催化剂是MnO2。
28.根据权利要求26所述的设备，其中所述风扇设置所述排气口附近。
29.根据权利要求26所述的设备，其中设置在所述气流路径中靠近所述排气的所述过滤器是高效颗粒空气(HEPA)过滤器。
30.根据权利要求26所述的设备，其中所述设备内生成的臭氧浓度在百万分之1至百万分之55的范围内。
31.根据权利要求26所述的设备，其中所述排气口处的臭氧的浓度低于国家环境空气质量标准依据40CFR§50.19设定的浓度。
32.根据权利要求26所述的设备，其中(i)加热元件或(ii)冷却元件中的至少一者设置在所述排气口附近。
33.根据权利要求26所述的设备，其中(i)加热元件或(ii)冷却元件中的至少一者设置在所述反应器内靠近所述臭氧发生器。
34.一种用于灭活空气中悬浮的病原体的设备，所述设备包括：
反应器空间，所述反应器空间具有进气口和排气口以及设置在所述进气口和排气口之间的气流路径，所述气流路径用于使空气连续穿过整个所述反应器空间；
第一风扇，所述第一风扇用于推动空气通过所述反应器空间；
第二风扇，所述第二风扇用于推动空气通过所述反应器空间，以实现期望的流动速率；
在所述预过滤器之后的所述反应器内设置有以下中的至少一者：(i)空气回流防止器，(ii)用于将臭氧转化为氧气的催化剂。
臭氧发生器，所述臭氧发生器设置在所述反应器空间的外部，所述臭氧发生器选自由以下组成的群组：(i)能够与变压吸附单元一起操作的电晕放电单元和(ii)紫外光臭氧发生器；
入口端口，所述入口端口设置在所述进气口附近，以将来自所述外部臭氧发生器的高浓度臭氧注入到所述气流路径中；
(i)挡板或(ii)空气矫直器中的至少一者位于所述反应器空间内靠近所述臭氧发生器，以对在所述反应器空间内穿过的空气施加湍流；
催化剂，所述催化剂设置在所述气流路径内，以将臭氧转化为氧气；
过滤器，所述过滤器设置在所述气流路径中，以在悬浮颗粒和病原体在所述排气口处排出之前捕获它们；和
至少一个传感器，所述至少一个传感器用于测量所述排气口处的空气内的臭氧浓度。
35.根据权利要求34所述的设备，其中在所述第二风扇之前定位有以下中的至少一者：(i)空气回流防止器，(ii)用于将臭氧转化为氧气的催化剂。
36.根据权利要求34所述的设备，其中在所述第二风扇之后定位有以下中的至少一者：(i)空气回流防止器，(ii)用于将臭氧转化为氧气的催化剂。
37.根据权利要求34所述的设备，其中所述第二风扇设置在所述排气口附近。
38.根据权利要求34所述的设备，其中递送到所述至少一个外部臭氧发生器的气流被变压吸附单元浓缩到50％至99％氧气的范围内。
39.根据权利要求34所述的设备，其中所述外部臭氧发生器内生成的臭氧浓度在百万分之1,000至百万分之60,000的范围内。
40.根据权利要求34所述的设备，其中所述设备内的臭氧浓度在百万分之1至百万分之55的范围内。
41.根据权利要求34所述的设备，其中所述排气口处的臭氧的浓度低于国家环境空气质量标准依据40CFR§50.19设定的浓度。
42.根据权利要求34所述的设备，其中预过滤器设置在所述设备之前的所述气流路径中。
43.根据权利要求34所述的设备，其中(i)加热元件或(ii)冷却元件中的至少一者定位在所述设备之前的所述气流路径中。
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