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TWI392521B - 電漿火炬空氣淨化器 - Google Patents

電漿火炬空氣淨化器 Download PDF

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TWI392521B
TWI392521B TW98100131A TW98100131A TWI392521B TW I392521 B TWI392521 B TW I392521B TW 98100131 A TW98100131 A TW 98100131A TW 98100131 A TW98100131 A TW 98100131A TW I392521 B TWI392521 B TW I392521B
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Spencer Szu-Ping Kuo
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Spencer Szu-Ping Kuo
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Description

電漿火炬空氣淨化器
本發明專注於設計一空氣淨化器,其應用電漿火炬完成消毒。發明包括一新磁化火炬模組,一控制空氣閥的設計,及組裝成一空氣淨化器。該磁化火炬模組增加氣流量並保持穩定電弧放電。使用兩個火炬交替操作,免除冷卻需要。控制空氣閥引導經由停電的火炬模組流出的空氣橫向流過放電的火炬模組的火炬。火炬的電漿流體攜帶大量活性氧原子能殺死所有種類微生物。所以,雖然只有一個火炬在操作,流過兩火炬模組的空氣都經過處理。本裝置的應用是空氣的淨化及消毒。
一般空氣淨化器使用過濾器去除空氣的灰塵及/或微生物。過濾器不能殺死微生物,所以,不論是清洗或更換處理過濾器都需要小心。
S.P.Kuo等發明一火炬模組;該火炬模組的說明發表於IEEE Trans.Plasma Sci.第27卷第3號752-758頁1999,標題為“一模組火炬的設計及其電氣特徵”;並註記於美國專利號6,329,628,標題為“產生電漿火炬的方法及裝置”。該火炬模組應用外加空氣流來穩定放電,並將放電產生的電漿吹出模組成型為一電漿火炬。該火炬模組可以在低頻(60Hz)週期放電模式下運作產生低溫不平衡空氣電漿,其中電子的動能並不完全熱化。 不平衡的電漿火炬,其電子的動能並不完全熱化,因此有足量的動能來分解氧分子成為活性氧(ROS),而非用於加熱火炬氣流。活性氧(特別是活性氧原子(RAO)能有效殺死微生物包括最頑強的病菌,細菌孢子,如Anthrax(見Phys.Plasma,第6卷2284-2289頁1999,H.W.Herrmann等發表的“使用大氣壓的電漿噴流(APPJ)去清除化學與生物戰劑(CBW)的污染”(以下稱Herrmann文章),及Phys.Plasma,第12卷023501(1-6),02/2005,Wilson Lai等發表的“使用微波電漿去清除生物戰劑的汙染”(以下稱Lai文章))。
空氣放電需要的放電電壓與兩(同心)電極之間的間隙成比例。因此,間隙一般都很小,限制了氣流量。空氣淨化的應用需要大流量;但氣流經過間隙的流量與環形間隙的橫斷面積成比例,此面積為間隙闊度與環形間隙周長度的乘積。環間隙周長可用增加火炬模組的徑向尺寸而增加。同時操作多個火炬模組也可增加流量。
新設計的空氣淨化器能澈底殺死微生物,所以用來收集灰塵及死去微生物的過濾器未被污染。
於火炬模組的設計,外部電極的內徑可增為20 mm。中心電極是一種直徑為18 mm的塞縫片式銅盤,即是盤的側面具有凹槽。塞縫片結構增進放電性能並且在同樣的間隙闊度下增加氣流量。圖1為火炬模組(a)的示意圖、其中顯示的照片為:模組架座(b),中心電極(c),模組側視示意圖(d), 及模組上視示意圖(e)。空氣淨化器的設計採用交替操作兩個火炬模組的方式來產生處理空氣的電漿火炬。本裝置設計有同步控制空氣閥致使經過兩火炬模組的氣流都能被火炬處理;即產生火炬的氣流自動的被火炬處理;從停電的火炬模組流出的空氣,則是經由一風管橫向地流過火炬而被處理。
使用兩火炬及交替操作的優點為:1)免除火炬模組冷卻需要,及2)加倍氣流流量及空氣處理速度。
圖2為系統圖。如圖所示,本裝置具4個層;從底部算起,第一層含有一對火炬模組及電源器。這一層具有一空氣入口位於電源器旁,讓空氣在流到火炬模組之前可以先冷卻電源器。圖3為火炬模組對的詳細示意圖。如所示,火炬模組被位於上一層的控制空氣閥的風管蓋住。控制空氣閥具有一個風管,及兩個位於兩端的閥引導,其控制火炬模組排出的氣流在通道管中的流動方向。圖4a為控制空氣閥。風管具有電接地;與兩模組接地線相連的兩閥在打開位置時與風管電絕緣,但閥在關閉位置時與風管連電。如圖4a及4b所示,兩閥係利用固定在風管側壁上的拉式線性電磁閥,交替的關閉及打開去和電路的接地線連接及切斷,用以控制兩火炬的開及關。例如圖3所示,當左邊(LHS)閥在關閉狀態,右邊閥則是打開的;因此右邊(RHS)火炬模組的接地線與風管電接觸使得該火炬模組通電運轉。所以,經過左邊關閉模組流出的氣流被迫流向右邊,並由右邊火炬模組產生的電漿火炬加以處理。電磁閥的電開關固定在風管的上面。如圖4b及4c所示,此 一“壓放式電開關”使用固定在風管另一側面上的同步交流齒輪馬達組成一定時器,以設定的時間週期(由馬達的轉速(RPM)決定)機械式地開關。第三層配置離心式風扇,將第二層風管的處理空氣抽到上層的空氣過濾器。處理的空氣經過過濾器後流出空氣淨化器。
本發明使用的電源器具有圖5所示的簡單電路。使用普通的交流電源,如60 Hz(或50 Hz)的家用插座。變壓器的轉數比1:17是根據120V輸入電壓。如果輸入電壓為220V,則減為1:9。
本發明專注於一種配備電漿火炬的空氣淨化器的創新設計;利用放電及電漿火炬的電漿流體淨化空氣中微生物及化學物的汙染。電弧放電直接殺死微生物,而電漿流體產生的活性氧原子(RAO)用來殺死微生物及經由氧化中和化學物質。以下敘述不僅為使熟悉工藝之人可製造與使用本發明,而且包括本發明之特定應用與其應用條件。關於具體實施例的數據修改,對於熟悉工藝之人而言為可思及,且下述的一般原則亦適用於其他具體實施例與應用中。因此本發明之範圍不限於本說明書中所示之具體實施例。
以下,6.1節介紹本發明可實行的功能。6.2節則說明根據本發明製造的裝置的結構。6.3節敘述本發明的應用。6.4節說明裝置的操作。最後,6.5節提出本發明的結論。
6.1功能
本發明用來淨化空氣達到安全及高品質的呼吸空氣;裝置的電漿火炬在其電漿流體內產生大量的活性氧原子。活性氧原子能有效殺死所有種類的微生物及中和化學物。另外,經過放電的火炬模組的氣流內的微生物被電弧放電及熱量直接殺死。空氣中的灰塵及化學物經由燃燒,中和,及最後的過濾消除。火炬也產生健康氣體如氧化氮(NO)(見Kuo等的文章,發表於IEEE Trans.Plasma Sci.,第32卷262-268頁2004,標題為“火炬模組週期放電所產生的電漿火炬的特徵說明”(以下稱Kuo的文章))。氧化氮保護心臟,激勵大腦,殺死細菌等;上述功能陳述於Karolinska Institute的諾貝爾大會於October 12,1998的新聞發表。
6.2結構
以下是根據圖2的系統配置說明設計的空氣淨化器。
如圖1所示,本裝置使用的磁化火炬模組具(101)應用一環形永久磁鐵(102);此模組具有兩個主要組件:一圓筒座(111)作為模組的氣體靜壓箱(112),外部電極(113),及環形永久磁鐵的架座;及一樣條圓盤(spline circular disk)式的中心電極(121);此圓盤由一穿過一陶瓷管(123)的導電桿(122)支撐。如圖1(a)及(d)所示,陶瓷管(123)保持導電桿(122)和圓筒座(111)絕緣,並由一固定螺絲(103)固定於圓筒座(111)的中心軸位置。圖1(e)是沒安裝磁鐵的火炬模組具的上視示意圖。
圖2所示的裝置由4個部份組成相疊成4層((201),(202),(203),和(204))。最下層(201)放置火炬模組(101)及電源器(221)。如所示、本層具 有空氣入口位於電源器旁。如此流入的空氣,在流入火炬模組(101)之前可以先冷卻電源器(221)。兩個火炬模組交替操作;但空氣連續流過兩模組,氣流在停電期間冷卻火炬模組。因此,第二層(202)裝置了一個控制空氣閥(212),用來引導從停電的火炬模組流出尚未處理的氣流,橫向流過放電的火炬模組產生的電漿火炬(圖3中的(320))。控制空氣閥(212)由一電接地的金屬管道(圖3中的(311))及位於兩端的兩個空氣閥(圖3中的(312)和(316))組成。兩空氣閥由一拉式線型電磁閥(222)控制其交替開關。電磁閥的定時器(壓放式電開關及同步交流齒輪馬達)並未顯示。此一控制空氣閥也代表圖5中的電開關(513)。如圖3所示,各火炬模組的接地線(313)連接到另一端空氣閥(312)或(316)上的導電帶(317)。例如,當空氣閥(312)在打開位置,其與管道(311)電絕緣,使另一端的火炬模組(314)停電。同時另一空氣閥(316)則是關閉的,其上之導電帶(317)與管道(311)出口上端的接觸片(318)電接觸而通電;如此另一端的火炬模組(315)是在放電狀況。所以,火炬模組的電開關與空氣閥((312)和(316))的關開同步。
風扇(213)位於第三層(203)。風扇抽動氣流。從底層的空氣入口吸入空氣然後抽送處理過空氣經過最上層(204)的空氣過濾器(214)後排放。
圖3為一對火炬模組((314)和(315))與其控制空氣閥(212)的詳細配置示意圖。如圖3所示,控制空氣閥(212)的金屬管道(311)覆蓋了火炬模組的氣流出口,用作控制氣流的流向及氣流的處理區。兩火炬模組中心電極的導電桿(122)通過電線(321)連接到一個共同的電源供應器的高電壓 端。
圖4是控制空氣閥(212)的示意圖。圖4a展示由電接地的金屬管道(311)及兩個非導電體的空氣閥((312)和(316))組成的主體;其安裝在火炬模組的頂部控制火炬模組排出氣流的流向。導電帶(317)鑲嵌在閥板上以便在關閉位置時電接觸金屬管道(311)。導電帶(317)連接位於另一端的火炬模組的接地線(313)。圖4b展示控制空氣閥(212)的完整組合。空氣閥((312)和(316))的開關動作由圖4b內展示的拉式線型電磁閥(222)所控制,依定時設定的週期(如10s)交替打開及關閉。電磁閥(222)的關閉定時器是由一壓放式電開關(422)和一同步交流齒輪馬達(412)組成。
本發明使用的電源器(500)具有如圖5所示的簡單電路;使用普通的交流電源,如60 Hz(或50 Hz)的家用壁上插座。此電源器使用單一功率變壓器(511),其變換比率為1:17將插座的輸出電壓120V提升至2 kV(rms),即是最高電壓為2.83 kV(此變壓器也許可用一逆變器(inverter)替代)。變壓器的輸出連接1μF電容器(512),然後連接兩火炬模組((314)和(315))的中心電極。電開關(513)連接兩火炬模組的接地線,讓兩火炬模組交替地放電及停電,並與空氣閥的關及開同步。如圖2所示,底層(201)右邊的電源器(221)放置在靠近空氣入口,使得流入的空氣能有效地冷卻電源器。
6.3發明的應用 6.3.1空氣淨化及消毒
根據6.2節的描述所製造的發明裝置,可以用來淨化周圍空氣,讓呼 吸安全及健康。經由燃燒及過濾清除灰塵粉末;經由放電,火炬發熱,及氧化(利用活性氧原子),殺死帶病微生物;經由氧化中和化學物;及產生有助呼吸的健康氣體如氧化氮(NO)。
6.3.2應用
根據6.2節的說明所製造的發明裝置的應用,包括1)家庭空氣消毒器/淨化器,2)結合建築物中央空調系統來淨化空氣,及3)醫院使用,提升無菌室的無菌程度及維持無菌室的空氣品質。
6.4具體實施例的操作
根據6.2節說明的空氣淨化器,可以將電源線插入標準家庭用120V壁上插座。操作火炬放電功能的電壓(601),電流(602),及功率(603)如圖6所示。電弧的啟動電壓為約3 kV及最高電弧電流小於5A。最高功率小於2 kW;平均功率約400W低於家用15 A斷路器的額定1.8 kW。兩火炬可開-關交替運轉,例如,10秒鐘(使用3 RPM同步交流齒輪馬達作為定時器)。
根據現有風扇及速度,本裝置可淨化空氣的速率為每分鐘300至600公升。
6.5結論
本發明設計出一種磁化火炬模組能流通大量氣流並產生攜帶許多活性氧原子的電漿流體。發明的電漿火炬空氣淨化器係操作兩個該種火炬模組同時應用熱處理和非熱處理(利用活性氧原子)方式澈底地淨化及消毒周圍空氣。因為裝置的過濾器不被污染,可安全更換過濾器。裝置己完成性 能測驗。結果證明裝置可以處理周圍空氣的速率為每分鐘300至600公升。只消耗適度的功率。
這種空氣淨化器的製造,可使用市場現有機件,如風扇,過濾器,拉式線型電磁閥,同步交流齒輪馬達,及電源器的電路組件;及結合6.2節所細述的設計組件,包括火炬模組及控制空氣閥。
第1圖包括(a)磁化火炬模組示意圖,(b)模組架座示意圖,(c)中心電極示意圖,(d)模組側視示意圖(無磁鐵),及(e)模組上視示意圖(無磁鐵)。
第2圖為本發明的配置圖。
第3圖為被控制空氣閥覆蓋的一對火炬模組的詳細配置示意圖。
第4圖為控制空氣閥的示意圖;展示(a)一風管及兩空氣閥,及(b)一完整組合,其包括一拉式線型電磁閥(222),一同步交流齒輪馬達(412),一壓放式電開關(422),及電連接。
第5圖為電源器電路圖。
第6圖陳示放電的電壓(601),電流(602),及功率(603)的時間函數。

Claims (4)

  1. 一種空氣淨化裝置,該裝置用來淨化及消毒周圍空氣,提供安全及健康的呼吸;該裝置包括:一對磁化火炬模組,運用高壓放電產生電漿火炬;一對控制空氣閥,該對氣閥位於一管道處理區的兩端,運用交替的關與開來引導氣流在管道內的流向,並交替轉換火炬模組放電與停電;一高壓電源器,該電源器啟動火炬模組;一離心式風扇,該離心式風扇將空氣抽入該裝置,用來冷卻電源器,供應空氣流至火炬模組,並抽送處理過空氣經過一過濾器回到大氣。
  2. 如申請專利範圍第1項之裝置,其中該磁化火炬模組包括,一圓筒座,一中心電極,一絕緣瓷管,及一環形永久磁鐵;該圓筒座作為外部電極及氣體靜壓箱,並且作為環形永久磁鐵的架座;該中心電極為一塞縫片式銅盤,此銅盤由一導電桿支撐;該導電桿插入一沿圓筒座中心軸的該瓷管來固定銅盤的中心位置,並連接電線接到該高壓電源器。
  3. 如申請專利範圍第1項之裝置,其中該兩火炬模組共用單一高壓電源,放電-停電交替運轉;任一火炬模組的停電-放電與靠近該火炬模組一端之空氣閥的關-開同步;因此,從停電的火炬模組流出尚未處理的氣流也必需流過正在放電的火炬模組所產生的電漿火炬,利用電漿火炬所攜帶的活性氧原子得到非熱處理。
  4. 如申請專利範圍第1項之裝置,其中高壓電源器的輸入電源採用60Hz/120V(rms)交流電源,其時間平均的功率消耗600W。
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