НОВОЕ УСТРОЙСТВО ПЛАЗМЕННОЙ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА Российский патент 2023 года по МПК B01D53/32 A61L9/22 

Настоящая международная заявка испрашивает приоритет французской патентной заявки FR 18/71306, поданной 25 октября 2018 года, которая включена в настоящий документ посредством ссылки.

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области эмиссии плазмы посредством коронного разряда, в частности, к области устройств плазменной очистки воздуха.

Уровень техники

Известно использование короно-плазменного устройства для получения плазмы и потока ионов с помощью коронного разряда. Такое устройство преимущественно позволяет получать плазму для ионизации текучей среды, проходящей через ионизатор. Такая ионизация дает многочисленные и взаимодополняющие возможности, например, в области обработки текучих сред, таких как воздух.

В соответствии с первой возможностью ионизация позволяет благодаря осаждению ионов создать заряд на частице, содержащейся в текучей среде. Заряженная таким образом частица может быть с большой степенью вероятности задержана электростатическим фильтром, который может быть расположен ниже по потоку от ионизатора. В соответствии с другой возможностью ионизация оказывает нейтрализующее действие на патогенные организмы, такие как вирусы, которые могут быть в текучей среде. В соответствии с еще одной возможностью ионизация создает большое количество окисляющих химических соединений, полезных для очистки механического фильтра, такого как фильтр с активированным углем, который может быть расположен ниже по потоку от данного устройства.

Известно, что для изготовления короно-плазменного устройства используют ионизатор с поляризованным электродом и с заземленным электродом, расположенным напротив этого поляризованного электрода, и создают между этими двумя электродами значительную разность потенциалов - несколько тысяч вольт. Это порождает плазму, а также коронные разряды, генерирующие ионные потоки. Ионизация текучей среды происходит при ее прохождении через плазму. Чтобы получить такую плазму при коронном разряде, используют две конфигурации: в соответствии с первой конфигурацией, называемой точечно-плоскостной конфигурацией, поляризованный электрод с малым радиусом кривизны расположен перпендикулярно по существу к плоскому заземленному электроду; в соответствии с другой конфигурацией, называемой проволочно-цилиндрической конфигурацией, проволочный поляризованный электрод расположен по оси в цилиндрическом заземленном электроде.

Патент FR 2818451 предлагает объединить эти две конфигурации, используя игольчатый поляризованный электрод и заземленный электрод, содержащий по существу плоскую металлическую сетку, расположенную перпендикулярно поляризованному электроду, и цилиндр, окружающий поляризованный электрод по всей его длине. Через этот ионизатор проходит текучая среда в направлении, параллельном соответствующей оси поляризованного электрода и цилиндра.

Существует потребность в усовершенствовании короно-плазменного устройства, направленные на повышение эффективности ионизации, уменьшение занимаемого объема, рост эффективности очистки воздуха или снижение потребления электроэнергии.

Раскрытие сущности изобретения

Объектом изобретения является устройство плазменной очистки воздуха, содержащее:

i) по меньшей мере один источник электропитания;

ii) по меньшей мере один ионизатор, подсоединенный к источнику питания;

iii) по меньшей мере один фильтр, расположенный ниже по потоку от ионизатора;

iv) по меньшей мере один катализатор, расположенный ниже по потоку от ионизатора и от указанного по меньшей мере одного фильтра, расположенного ниже по потоку от ионизатора, причем катализатор обеспечивает разложение озона; и

v) по меньшей мере одно средство обеспечения избыточного давления воздуха для создания потока воздуха от ионизатора к катализатору;

отличающееся тем, что ионизатор имеет форму по меньшей мере одной короно-плазменной ячейки, содержащей:

a) поляризованный электрод по существу игольчатой формы, и

b) расположенный напротив поляризованного электрода заземленный электрод, содержащий:

• цилиндр, по существу центрированный относительно поляризованного электрода, и

• по существу плоскую перфорированную пленку, перпендикулярная поляризованному электроду,

причем цилиндр имеет низкий профиль, а поляризованный электрод не входит в этот цилиндр, при этом диаметр цилиндра превышает высоту цилиндра по меньшей мере в два раза, предпочтительно по меньшей мере в 3 или 5 раз и, в частности, по меньшей мере в 10 раз, и

при этом перфорированная пленка (15, 25) расположена относительно поляризованного электрода (12, 22) на стороне, противоположной цилиндру (14, 24).

В патенте US 5 474 600 и в патентной заявке ЕР 2 343 090 раскрыто устройство для очистки и фильтрации воздуха, содержащее ионизатор. Ни в одном из этих документов компоновка предлагаемого ионизатора не содержит электродную пару, в которой поляризованный электрод имеет форму иглы, заземленный электрод - форму перфорированной пленки, а "низкопрофильный" цилиндр с поляризованным электродом не входит в цилиндр заземленного электрода.

В устройстве согласно изобретению источник электропитания устройства согласно изобретению выбирают так, чтобы иметь возможность подавать на ионизатор напряжение, достаточное для создания плазмы.

В ионизаторе его перфорированная пленка расположена относительно поляризованного электрода на стороне, противоположной цилиндру. Предпочтительной является перфорированная пленка из металлического материала с размером отверстий от 0,1 мм до 500 мм, предпочтительно от 5 мм до 50 мм, и толщиной от 0,5 до 50 мм, предпочтительно от 1 до 5 мм. Этой перфорированной пленке придают форму металлической сетки, ячейки которой могут быть различными (квадратными, ромбовидными и т.д.). В идеале, рассматриваемая металлическая сетка представляет собой просечно-вытяжной металлический лист.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения ионизатор содержит по меньшей мере один двойной короно-плазменный элемент, содержащий:

• первый поляризованный электрод и первый заземленный электрод,

• второй поляризованный электрод и второй заземленный электрод,

причем первый поляризованный электрод и второй поляризованный электрод расположены по обе стороны от одной и той же опоры, причем первый заземленный электрод и второй заземленный электрод расположены по обе стороны от этой же опоры и вблизи первого поляризованного электрода и второго поляризованного электрода, соответственно.

Преимущественно, первый поляризованный электрод и второй поляризованный электрод подсоединены к одному и тому же первому потенциалу, а первый заземленный электрод и второй заземленный электрод подсоединены к одному и тому же второму потенциалу, отличному от первого. Предпочтительно, чтобы первый потенциал был отрицательным, а второй потенциал представлял собой потенциал земли. Следует отметить, что если один или несколько поляризованных электродов подсоединены к отрицательному потенциалу, то их называют разрядными электродами.

Предпочтительно также первый поляризованный электрод и второй поляризованный электрод имеют по существу игольчатую форму и поддерживаются проводящей опорой, подсоединенной к первому поляризованному электроду, второму поляризованному электроду и первому потенциалу, причем проводящая опора, которая является предпочтительно по существу плоской, подсоединена к первому поляризованному электроду, второму поляризованному электроду и первому потенциалу.

В идеале первый поляризованный электрод и второй поляризованный электрод выровнены в осевом направлении и выполнены предпочтительно как единое целое.

Предпочтительно проводящая опора содержит печатную плату, содержащую по меньшей мере одну проводящую дорожку, подсоединенную к первому поляризованному электроду, второму поляризованному электроду и первому потенциалу. Предпочтительно каждый из двух поляризованных электродов расположен в металлизированном сквозном отверстии, просверленном в указанной по меньшей мере одной проводящей дорожке. Эта печатная плата содержит проемы, расположенные предпочтительно по всей ее поверхности, за исключением узкой полосы, предусмотренной вокруг указанной по меньшей мере одной проводящей дорожки.

Выработка озона, являющегося мощным окислителем, в системах, обрабатывающих воздух при помощи неравновесной плазмы, представляет значительный интерес, поскольку это может значительно улучшить удаление остаточных загрязняющих веществ после плазменной обработки. Однако присутствие такого озона в атмосфере на выходе из этих систем обработки действует неблагоприятно на дыхательные пути людей и поэтому является нежелательным. Поэтому крайне важно проводить последующую обработку для удаления этих токсичных побочных продуктов и особенно озона, выходная концентрация которого может превышать 100 частей на миллион по объему (ppmv) (т.е. 0,2 г/м³). Для этой цели используют катализатор из активированного угля или цеолита или оксида марганца (MnO₂), позволяющий очень быстро разлагать озон и оксиды азота при комнатной температуре. В данном случае предпочтительно использовать катализатор в форме сотообразной подложки, например, из алюминия, покрытой окисью марганца. Как правило, такая сотовая подложка должна иметь толщину не менее 10 мм, чтобы быть достаточно эффективной для нейтрализации озона.

Что касается по меньшей мере одного фильтра, расположенного ниже по потоку от ионизатора (но выше по потоку от катализатора), то он должен быть изготовлен из материала, позволяющего ему выдерживать высокоокислительную атмосферу, возникающую из-за большого количества озона на выходе из ионизатора.

Предпочтительно фильтр должен быть выполнен из минерального материала, такого как стекло или керамика, и особенно предпочтительно, чтобы фильтр был на основе стекловолокна. Чтобы быть эффективным, указанный по меньшей мере один фильтр, в частности, из стекловолокна, должен иметь толщину не менее 10 мм.

Здесь в дополнение к своей функции фильтрации такой фильтр дает то преимущество, что также позволяет задать пространство для окисления между ионизатором и катализатором. В этом пространстве частицы, выходящие из ионизатора, пребывают до тех пор, пока они не будут почти полностью разрушены в результате реакции с озоном.

Для этого указанный по меньшей мере один фильтр имеет высоту меньшую или равную 100 мм, предпочтительно меньшую или равную 200 мм и особенно предпочтительно меньшую или равную 300 мм.

Как правило, фильтр может представлять собой наложение по меньшей мере двух слоев, предпочтительно по меньшей мере трех или четырех слоев и особенно предпочтительно по меньшей мере пяти или шести последовательных слоев минерального материала, обычно стекловолокна.

Каждый из этих слоев будет иметь толщину не менее 10 мм, предпочтительно не менее 20 мм и особенно предпочтительно не менее 30 мм. Также каждый из этих слоев будет иметь толщину менее 50 мм.

Эти слои могут иметь линейный или V-образный профиль для увеличения площади фильтрации/удержания.

Что касается средства обеспечения избыточного давления воздуха для создания потока воздуха через ионизатор и затем через фильтр к катализатору, то оно может быть в форме вентилятора, турбины. Предпочтительно таким средством обеспечения избыточного давления воздуха является турбина.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики, подробности и преимущества изобретения станут более очевидными из подробного раскрытия, приведенного ниже для примера в связи с чертежами, на которых:

- Фиг. 1 схематично показывает один предпочтительный вариант осуществления устройства для очистки воздуха согласно изобретению,

- Фиг. 2 показывает вид сбоку в разрезе ионизатора, содержащего двойной элемент с двумя ячейками,

- Фиг. 3 показывает вид плазменного реактора в аксонометрии,

- Фиг. 4 показывает вид сверху на печатную плату, обеспечивающую опору для поляризованных электродов такого ионизатора.

Осуществление изобретения

В соответствии с первым аспектом, показанном на фиг.1, изобретение относится к устройству для очистки воздуха, содержащему ионизатор (10), как изображено на фиг.1. Такое устройство содержит средство обеспечения избыточного давления воздуха (1) в этом устройстве, имеющее форму вентилятора (1), создающего поток воздуха в устройстве, направляемый сначала в ионизатор (10), затем в фильтр (40), содержащий последовательные слои стекловолокна (41, 42, 43), и, наконец, в катализатор (50), чтобы удалить озон из выходного потока. Ионизатор содержит две обратные друг относительно друга и расположенные рядом друг с другом ячейки, содержащие поляризованный электрод (12, 22) и заземленный электрод (13, 23). Первый поляризованный электрод 12 и второй поляризованный электрод 22 подсоединены к одному и тому же первому потенциалу 8, а первый заземленный электрод 13 и второй заземленный электрод 23 подсоединены к одному и тому же второму потенциалу 9, отличному от первого потенциала 8; причем эти потенциалы присутствуют на клеммах источника электропитания.

Полярность первого и второго потенциалов 8, 9 может быть любой. Однако известно, что ионизация, получаемая при коронном разряде, действует более эффективно, когда поляризованный электрод подсоединен к отрицательному потенциалу (тогда его называют разрядным электродом). Таким образом, предпочтительно первый потенциал 8 является отрицательным, а второй потенциал 9 является землей.

Предпочтительная компоновка этого ионизатора 10 более подробно показана на фиг.2 и 3. В этой предпочтительной компоновке ионизатор имеет две ячейки 11, 21, собранные симметрично (в обратной друг относительно друга конфигурации). Таким образом, ионизатор 10 имеет первую короно-плазменную ячейку 11 и вторую короно-плазменную ячейку 21. Первая ячейка 11 содержит первый поляризованный электрод 12 и первый заземленный электрод 13, расположенный напротив первого поляризованного электрода 12. Вторая ячейка 21 содержит второй поляризованный электрод 22 и второй заземленный электрод 23, расположенный напротив второго поляризованного электрода 22.

Каждый поляризованный электрод 12, 22 имеет по существу игольчатую форму и заземленный электрод 13, 23, расположенный напротив своего поляризованного электрода 12, 22. Каждый заземленный электрод 13, 23 содержит цилиндр 14, 24, по существу центрированный относительно своего поляризованного электрода 12, 22, и по существу плоскую перфорированную пленку 15, 25, перпендикулярную соответствующему поляризованному электроду 12, 22. Каждый поляризованный электрод 12, 21 обычно закреплен на опоре 16, 26, преимущественно перфорированной, чтобы сквозь нее мог проходить поток текучей среды. Расстояние между каждым поляризованным электродом 12, 22 и каждым заземленным электродом 13, 23 обеспечено при помощи по меньшей мере одной распорки 17, 27.

Ячейка 11, 21 устроена так, что цилиндр 14, 24 имеет форму, обеспечивающую "низкий профиль". Это означает, что высота цилиндра 14, 24 чрезвычайно мала по сравнению с его диаметром. Обычно диаметр цилиндра составляет от 20 до 100 мм, предпочтительно от 25 до 75 мм, например, от 30 до 60 мм, и особенно предпочтительно от 35 до 55 мм. Толщина цилиндра при этом составляет менее 10 мм, предпочтительно от 1 до 5 мм. Кроме того, длина каждого поляризованного электрода 12, 22 такова, что этот электрод не входит в свой цилиндр 14, 24.

Поток текучей среды, подлежащей ионизации с помощью ионизатора 10, является по существу вертикальным относительно фиг.2 и 3.

Было установлено, что такая компоновка ионизатора имеет множество неочевидных положительных качеств. Так, сдваивание ячеек 11, 21 позволяет значительно повысить эффективность, а также увеличить срок службы ионизатора. Действительно, недостатком коронной ячейки является то, что ее поляризованный электрод 12, 22 осаждает диэлектрические кристаллы, постепенно изолирующие этот поляризованный электрод 12, 22, что снижает эффективность ячейки 11, 21.

Благодаря использованию двух ячеек вместо одной срок службы реакционного ионизатора 10 значительно возрастает. Поскольку первая ячейка 11 имеет ориентацию, противоположную ориентации второй ячейки 21, их ионизирующие воздействия сочетаются и дополняют друг друга, тем самым увеличивая общее ионизирующее воздействие. Противоположная ориентация дает то преимущество, что позволяет применить одну и ту же полярность электропитания к обеим ячейкам 11, 21. Комбинация этих двух характеристик - ориентация и полярность электропитания - позволяет закрепить первый поляризованный электрод 12 на первой опоре 16, а второй поляризованный электрод 22 - на второй опоре 26. Преимуществом является то, что эти две опоры 16, 26 могут быть единой общей опорой 36, при этом опирание каждого поляризованного электрода 12, 22 обеспечивает одна сторона опоры 36, соответственно. Благодаря этому появляется возможность при одинаковой полярности электропитания первого поляризованного электрода 12 и второго поляризованного электрода 22 (предпочтительно отрицательной) использовать общий разъем, а также общий источник потенциала для поляризации обоих поляризованных электродов 12, 22. Поэтому такая компоновка является особенно экономичной и целесообразной. Далее, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения общая опора 36 может быть проводящей и может быть подсоединена к первому поляризованному электроду 12, второму поляризованному электроду 22 и первому потенциалу 8.

В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения общая опора 36 содержит печатную плату 36, содержащую по меньшей мере одну проводящую дорожку 31, подсоединенную к первому поляризованному электроду 12, второму поляризованному электроду 22 и первому потенциалу 8.

Для работы короно-плазменного устройства необходимо создать значительную разность потенциалов между поляризованным электродом и заземленным электродом, составляющую несколько тысяч вольт. Таким образом первый потенциал 8 является очень высоким и может быть опасен для оператора. Конфигурация в соответствии с изобретением дает то преимущество, что этот первый потенциал 8 ограничен центральной частью ионизатора 10. Таким образом, первый высокий потенциал 8 находится вне досягаемости оператора.

Поскольку опора 16, 26 представляет собой печатную плату 36, где распределение первого потенциала 8 на опоре происходит посредством проводящей дорожки 31, предпочтительно расположенной на указанной печатной плате 36, то в соответствии с другой характеристикой по существу игольчатый поляризованный электрод 12, 22 предпочтительно установлен на опоре 16, 26 посредством сквозного отверстия 33, просверленного в печатной плате 36. Это дает то преимущество, что можно зафиксировать поляризованный электрод 12, 22 сваркой. Предпочтительно сквозное отверстие 33 металлизировано и просверлено в проводящей дорожке 31. Сверление выполняют так, что оно обеспечивает электрическое соединение. Таким образом, надлежащим образом выполненная фиксация поляризованного электрода 12, 22 в сквозном отверстии 33 обеспечивает подсоединение поляризованного электрода 12, 22 к первому потенциалу 8. Это дает простой вариант осуществления для фиксации и подсоединения поляризованного электрода 12, 22.

Печатная плата 36, расположенная поперек потока текучей среды, преимущественно перфорирована, чтобы обеспечить прохождение этого потока текучей среды. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения для этой цели сделан по меньшей мере один проем 38. Чтобы максимально увеличить прохождение текучей среды через печатную плату, указанный по меньшей мере один проем 38 может покрывать всю поверхность печатной платы 36, за исключением по меньшей мере одной узкой полосы вокруг указанной по меньшей мере одной проводящей дорожки 31.

Вариант осуществления печатной платы 36, предназначенной для ионизатора с целью использования в устройстве в соответствии с изобретением, представлен на фиг.4, показывающей печатную плату 36, адаптированную к конфигурации с квадратной сеткой. Эта печатная плата 36 содержит массив, например, прямоугольных проводящих дорожек 31. Эти дорожки предпочтительно встроены в изолирующий слой печатной платы 36. Они электрически подсоединены к первому потенциалу 8. В, по существу, квадратной решетке просверлены сквозные отверстия 33, в которые установлены поляризованные электроды 12, 22, 32. В печатной плате 36 выполнены проемы 38, занимающие максимальную площадь поверхности, чтобы максимально увеличить поперечное сечение потока текучей среды. Эта максимальная площадь поверхности ограничена только сохранением узкой полосы вокруг дорожек 31. Отверстия 39 выполнены предпочтительно без электрического соединения и распределены в пространстве, чтобы дать возможность закрепить распорки 17, 27, 37, предпочтительно изготовленные из изоляционного материала.

Изобретение относится к устройствам для плазменной очистки воздуха. Устройство содержит по меньшей мере один источник электропитания, по меньшей мере один ионизатор, подсоединенный к источнику питания, по меньшей мере один фильтр, расположенный ниже по потоку от ионизатора, по меньшей мере один катализатор, расположенный ниже по потоку от ионизатора и от указанного по меньшей мере одного фильтра, расположенного ниже по потоку от ионизатора, причем катализатор обеспечивает разложение озона, и по меньшей мере одно средство обеспечения избыточного давления воздуха для создания потока воздуха из ионизатора в катализатор, причем ионизатор содержит по меньшей мере один двойной короно-плазменный элемент, содержащий первый поляризованный электрод и первый заземлённый электрод, второй поляризованный электрод и второй заземлённый электрод. Техническим результатом является обеспечение повышения эффективности ионизации воздуха. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство плазменной очистки воздуха, содержащее:

i) по меньшей мере один источник электропитания;

ii) по меньшей мере один ионизатор (10), подсоединённый к источнику питания;

iii) по меньшей мере один фильтр (40), расположенный ниже по потоку от ионизатора (10);

iv) по меньшей мере один катализатор (50), расположенный ниже по потоку от ионизатора (10) и от указанного по меньшей мере одного фильтра (40), расположенного ниже по потоку от ионизатора, причем катализатор обеспечивает разложение озона; и

v) по меньшей мере одно средство (1) обеспечения избыточного давления воздуха для создания потока воздуха из ионизатора (10) в катализатор (50);

отличающееся тем, что ионизатор (10) содержит по меньшей мере один двойной короно-плазменный элемент (11, 21), содержащий: первый поляризованный электрод (12) и первый заземлённый электрод (13), второй поляризованный электрод (22) и второй заземлённый электрод (23), причём

первый поляризованный электрод (12) и второй поляризованный электрод (22) имеют игольчатую форму, выровнены в осевом направлении, выполнены как единое целое и поддерживаются проводящей опорой, подсоединённой к первому поляризованному электроду (12), второму поляризованному электроду (22) и первому потенциалу (8), а

первый заземленный электрод (13) и второй заземленный электрод (23) расположены по обе стороны от указанной одной и той же опоры (16, 26) вблизи первого поляризованного электрода (12) и второго поляризованного электрода (22), соответственно, и подсоединены ко второму потенциалу (9), отличному от первого потенциала (8);

при этом каждый заземлённый электрод (13, 23) содержит:

- цилиндр (14, 24), центрированный относительно поляризованного электрода (12, 22), и

- плоскую перфорированную плёнку (15, 25), перпендикулярную поляризованному электроду (12, 22),

причём цилиндр (14, 24) имеет низкий профиль, а поляризованный электрод (12, 22) не входит в цилиндр (14, 24), причем диаметр цилиндра (14) по меньшей мере вдвое больше его высоты; и

при этом перфорированная плёнка (15, 25) выполнена из металлического материала с размером отверстий от 0,1 мм до 500 мм и расположена относительно поляризованного электрода (12, 22) на противоположной стороне цилиндра (14, 24).

2. Устройство плазменной очистки воздуха по п. 1, отличающееся тем, что проводящая опора содержит печатную плату (36), содержащую по меньшей мере одну проводящую дорожку (31), подсоединенную к первому поляризованному электроду (12), второму поляризованному электроду (22) и первому потенциалу (8).

3. Устройство плазменной очистки воздуха по п. 2, отличающееся тем, что каждый из двух поляризованных электродов (12, 22) расположен в металлизированном сквозном отверстии (33), просверленном в указанной по меньшей мере одной проводящей дорожке (31).

4. Устройство плазменной очистки воздуха по любому из пп. 2 или 3, отличающееся тем, что печатная плата (36) содержит проемы (38).

5. Устройство плазменной очистки воздуха по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один катализатор (50) выбран из активированного угля, цеолита и оксида марганца (MnO₂).

6. Устройство плазменной очистки воздуха по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что указанный по меньшей мере один фильтр (40), расположенный ниже по потоку от ионизатора, изготовлен из минерального материала, такого как стекло или керамика.

7. Устройство плазменной очистки воздуха по п. 4, отличающееся тем, что печатная плата (36) содержит проемы (38) по всей ее поверхности за исключением узкой полосы вокруг указанной по меньшей мере одной проводящей дорожки (31).