从一定体积的气体中高效过滤和除去空气中的病原体的系统和方法与流程

1.本发明的领域总体上涉及用于过滤和除去空气中的颗粒、传染物和其他不想要的物质的系统和方法。

背景技术：

0、2.背景技术

1、众所周知的是，空气中的病原体可能导致传染病，并且空气中的颗粒可以在人类群体和非人类群体中具有严重的健康影响。例如，空气中的病原体和其他生物危害物质的传播可能导致大流行病(pandemic)或流行病(epidemic)，该大流行病或流行病可以通过群体迅速传播，导致这类群体中严重的健康问题或死亡，并造成严重且长期的经济损害，且甚至对国家安全构成威胁。这方面的一个例子是导致covid-19疾病的冠状病毒变种的传播，covid-19疾病于2019年开始在全球人类群体中流传，并持续到2022年。

2、不想要的颗粒的传播同样可以导致群体中健康问题的比率增加，带来同样的负面结果。例如，空气中致癌物质的传播可能导致群体中增加的癌症比率，这导致个体中严重的健康问题，从而造成长期的经济损害。

3、由于空气中不想要的颗粒或病原体，室内环境和其他封闭空间代表疾病或其他负面健康影响的提高的风险，因为这样的空间中的空气通常通过加热、通风和空气调节(“hvac”)以及其他系统进行再循环。在这些封闭环境中，空气可以再循环，而没有任何允许不想要的颗粒或病原体逸出到封闭空间之外的环境或大气中的方法，在封闭空间之外的环境或大气中，它可以被外部风带走。因此，当不想要的颗粒或病原体被引入这种封闭空间中时，它们可以以空气传播的方式(airborne fashion)逗留数小时、数天或甚至更久，对于占据封闭空间的个体产生增加的健康风险。

4、在某些情况下，可以对空间进行通风，以便用未受污染的外部空气替换受污染的内部空气。然而，在许多情况下，这种通风不是可能的。例如，在其中存在许多内部封闭空间的大型建筑物中，对内部空间进行通风通常不是可行的。此外，个体在其中聚集的大多数封闭空间中，需要通过空气调节或加热来控制空气的温度。因此，通风在大多数应用中不是可行的。

5、不想要的颗粒或病原体的传统的颗粒过滤也是有问题的。例如，病毒病原体可以具有非常小的尺寸，并且因此很难通过简单地使用颗粒过滤器从使用量(a volume ofuse)中过滤出来。例如，sars-cov-2病毒体，导致冠状病毒疾病2019(也称为人类冠状病毒2019、hcov-19或hcov-190，导致covid-19大流行病的呼吸道疾病)的病毒的直径为约50纳米-20纳米。高效颗粒空气(hepa)过滤器已被提议用于从大量空气中除去sars-cov-2病毒体。然而，颗粒过滤器(例如，精细到足以从气体例如空气中除去病毒的hepa过滤器)的使用具有明显的缺点。hepa过滤器，作为物理阻挡过滤器(physical blocking filter)，对气流产生严重阻力，并因此需要大鼓风机来推动空气通过过滤器。这些鼓风机极其嘈杂，并且消耗大量电能。单单噪音因素可能致使这种系统不能用于大多数室内封闭空间。此外，sars-cov-2病毒体的尺寸处于hepa过滤器的范围的非常低端，这意味着可能需要多级hepa过滤，以便从一定体积的空气中除去病原体，例如sars-cov-2病毒体。这加剧了hepa过滤器的已知的问题(高噪音水平、大能耗)。hepa过滤器的另一个缺点是，由于为了过滤例如小的sars-cov-2病毒体而需要的非常小的开口，过滤器必须被频繁地更换，导致使用过的过滤器元件含有大量的活性病毒，这是一种生物危害，该生物危害必须根据法规要求来处理，对用户来说费用大且不方便。处置这种生物危害的用过的过滤器对hepa过滤器的使用产生额外的且过高的成本。

6、因此，本领域需要的是一种适于从一定体积的空气中除去不想要的颗粒和病原体的设备和/或方法，该设备和/或方法是节能的、不表现出导致注意力分散的大噪音、可以容易地以低成本制造、可以独立于其他系统操作、不造成生物危害废物且容易部署在各种各样的大封闭空间和小封闭空间中。

技术实现思路

0、发明简述

1、本发明包括一种方法和系统、或者装置，所述方法和系统、或者装置具有以下特征和/或步骤中的一个或更多个，这些特征和/或步骤单独地或以任何组合可以包括可专利的主题。如下文所描述的，本发明克服了现有技术的上述缺点。

2、在实施方案中，本发明的目前的方法和系统从一定体积的空气中连续地除去不想要的颗粒和病原体，以便减少疾病传播的威胁或这种空气中不想要的颗粒和病原体对人类和非人类个体群体两者的其他有害影响。本发明的目前的方法和系统尤其可用于其中空气中病毒或其它生物危害以空气中传输为特征的大流行病情况。在这种情况下，本发明的目前的方法和系统可操作为通过从一定体积的空气中除去目标病原体(例如，给定的病毒)来显著地降低病原体(例如病毒、细菌或其他可能导致疾病的生物物质)的空气中传输的速率，使得例如而不是通过限制的方式可以致使封闭环境诸如建筑物内部(其可能包含危险水平的空气中病原体)对于个体使用是安全的，而无需担心特定病原体和由此产生的疾病通过空气中传输而被传输。这种封闭环境可以是例如医院的房间、医生办公室、外科手术中心和其他医疗设施；教室；政府建筑物；公共建筑物；公众经常光顾的博物馆和其他建筑物；诸如飞机、火车、公共汽车、轮船、汽车以及类似物的运输形态(transportationmodalities)的内部；体育设施；家；酒店；以及其中人类个体或非人类个体有可能聚集的几乎任何封闭的环境。这些是本发明系统和方法的一些应用的非限制性示例。

3、在实施方案中，本发明的系统和方法可操作为从一定体积的气体诸如空气中除去不想要的物质。这样的不想要的物质可以包括灰尘、花粉、霉菌、细菌、病毒和任何其他类型的空气中颗粒，而不使用底物或其他类型的机械过滤物质。

4、本发明的目前的方法和系统通过以下克服了现有技术的缺点：从一定体积的空气中除去不想要的物质例如颗粒和病原体，而不使用机械过滤，诸如例如高效颗粒空气(hepa)过滤器或超低颗粒空气(ulpa)过滤器。本发明的系统不使用大的、嘈杂的空气鼓风机，诸如用于建立负压室或负压设施的大的、嘈杂的空气鼓风机。本发明的方法和系统的优点通过以下表征：1)通过系统的非常低的压降，这允许大体积的空气流动，因为本发明的系统不依赖于颗粒或病原体的物理阻挡；2)没有脏的或有毒的空气过滤器需要清洁或破坏；3)低得多的噪音；和4)比hepa、ulpa或负压系统更少的电能功耗要求，hepa、ulpa或负压系统必须抵抗较高的头压(head pressure)运行来使给定体积的空气移动。本发明的方法和系统通过以下来表征：由于系统的开放的气流(open-air flow)设计而造成压降小于现有技术系统的压降。

5、在实施方案中，该装置的方法和系统通常通过以下来操作：促动可以是连续体积的一定体积的气体(其可以是空气)通常但不一定通过其中设置了系统元件的外壳。以入口气体温度或入口空气温度为特征的进入体积的气体在接近或接触具有第一温度的第一表面时被促动，使得入口空气与第一表面进行热连通。在实施方案中，所述体积的空气然后可以继续被促动，使得接近或接触具有第二温度的第二表面，使得空气与第二表面进行热连通。所述体积的气体可以继续被促动，使得其与具有第三温度的第三表面进行热连通，并且在实施方案中，所述体积的空气可以继续被促动，使得其与具有第四温度的第四表面进行热连通，以此类推，对于任何数量的表面，每个表面通过其自身的温度来表征。一些表面可以通过相同的温度来表征。各个表面的温度可以是导致气体中的水冷凝，从而形成一定体积的冷凝物的温度的任何组合，冷凝物被促动离开表面，携带不想要的物质，所述不想要的物质可以包括期望从所述体积的气体中除去的病原体。然后冷凝物被促动进入一个或更多个收集储器中，在收集储器中，冷凝物可以被处理以中和已经从气体中除去并通过将冷凝物收集到储器中而携带到储器中的病原体。

6、在实施方案中，表面的温度可以高于或低于该进入体积的气体，只要表面通过这样的温度表征：当该体积的空气被促动通过外壳时，该温度导致水冷凝。

7、在实施方案中，进入的入口气体可以通过以下来冷却：使其撞击一个或更多个表面(即与一个或更多个表面进行热连通)，所述表面被表征为温度比撞击表面的气体更冷，导致所述体积的气体中的水(h2o)冷凝和沉淀，导致气体变成冷却的空气，形成一定体积的含有不想要的物质的冷凝物，所述不想要的物质可以包括病原体。冷凝物然后被促动到收集储器中，在收集储器中，冷凝物可以被处理以除去不想要的颗粒或以中和病原体。然后，可以通过使气体与温度高于冷却气体的表面进行热连通来加热气体，从而产生能够再吸收水的经加热的一定体积的气体。然后，所述经加热的一定体积的气体可以通过以下再次经历冷却：通过使经加热的一定体积的气体撞击另一个冷表面(即与另一个冷表面进行热连通)，从而冷却经加热的一定体积的气体，并使该体积的气体中的另外的水冷凝和沉淀，产生含有不想要的颗粒和病原体的另外的冷凝物。另外的冷凝物可以收集在相同的或不同的储器中，并进行处理以除去不想要的颗粒或中和病原体，或两者。该冷却—冷凝—沉淀—收集—处理循环可以重复多于一个阶段或循环，每个连续的阶段或循环导致随着每个连续阶段包含更少不想要的物质或病原体的连续地更清洁的一定体积的气体。

8、紫外线照明或其他检测手段可以用于确定每个连续阶段或循环中不想要的颗粒和病原体的剩余水平，以便确定空气是否符合被认为对其预期用途安全的标准。紫外线照明可以在任何阶段使用，以便在空气被促动进入、通过和离开本发明的系统(例如，通过外壳)时进一步中和该体积的空气中的病原体。

9、在实施方案中，本发明的系统可以包括任何数量的风扇、外壳、鼓风机、挡板、结构、开口、壳体、气体引导表面、外壳或部件的形状或其他特征，以便实现和引导一定体积的气体002进入、穿过和离开外壳100移动和促动，使得该一定体积的气体002如本文所教导的撞击热电模块104的冷表面和热表面，使得当该一定体积的空气002经过系统时经由冷凝将不想要的颗粒和病原体从该一定体积的空气002中除去。

10、在实施方案中，可以采用任何数量和任何组合的热电模块对的多于一个完整级(complete stage)来增大不想要的颗粒或病原体或两者的除去率，以便实现具有可缩放功耗的目标。每个额外的完整热电模块对级(complete thermoelectric module pairstage)可以直接供应到下一个完整级。这种多级系统中的每个完整级不必各自包括相同类型或相同数量的子级。

11、在实施方案中，入口过滤器被表征为需要极小的功率传送空气002，因为它可以是例如相对粗糙的撞击过滤器。本发明的系统和方法不需要hepa型机械过滤。因此，本发明的系统和方法的优点是，它相比于hepa和现有技术的其他过滤器需要少得多的功耗、成本和维护。

12、在实施方案中，本发明包括用于从连续体积的气体中除去不想要的物质的系统，该系统包括：外壳，该外壳包括用于将连续体积的气体移动通过外壳的风扇，该外壳具有能够使连续体积的气体进入外壳的入口，以及能够使连续体积的气体离开外壳的第二开口，该连续体积的气体由一温度表征；至少一个冷表面，其处于比所述连续体积的气体低的温度，使得当气体与至少一个冷表面进行热连通时，空气中的水从气体中冷凝并沉淀，形成包含不想要的物质的冷凝物；至少一个热表面，其处于比所述连续体积的气体高的温度，当所述气体与所述至少一个热表面进行热连通时，所述至少一个热表面加热所述连续体积的气体；和至少一个收集储器，其与冷凝物流体连通，使得其收集冷凝物；其中所述连续体积的气体被促动通过出口开口，其中通过出口开口离开外壳的所述连续体积的气体具有比进入外壳的所述连续体积的气体更低的不想要的物质占气体体积的计数(count)。

13、在实施方案中，至少一个冷表面的温度可以在0℃和15℃之间，并且至少一个热表面的温度可以在40℃和70℃之间。在实施方案中，收集储器可以包括用于中和病原体的催化物质。在实施方案中，如权利要求1所述的系统，其中至少一个收集储器中的冷凝物被保持在56℃或更高的温度。

14、在一个实施方案中，至少一个冷表面可以进一步被定义为多于一个冷表面，至少一个热表面被定义为多于一个热表面，冷表面的数量、热表面的数量以及收集储器的数量可以是相同的。冷表面和热表面可以被布置成使得所述一定体积的空气首先与冷表面进行热连通，并且然后，与热表面进行热连通，并且然后随着连续体积的气体经过外壳，与交替的冷表面和热表面进行热连通。

15、在实施方案中，该系统还可以包括设置在入口和至少一个冷表面之间的离子发生器，该离子发生器可操作以当连续体积的气体经过离子发生器时电离连续体积的气体和由该连续体积的气体携带的不想要的物质。在实施方案中，该系统可以包括设置在外壳内的至少一个紫外光源，该至少一个紫外光源辐照该连续体积的气体的至少一部分，使得连续体积的气体的该部分接收至少10-20mj/cm2剂量的uv-a、uv-b或uv-c光能。该系统还可以包括与流体源连通的至少一个喷雾器，用于增加由连续体积的气体所携带的水的体积。

16、在实施方案中，至少一个冷表面包括疏水涂层。在实施方案中，至少一个热表面包括用于中和病原体的催化物质。

17、在实施方案中，喷雾器可以是超声波雾化器。

18、在实施方案中，喷雾器的流体源可以是与至少一个收集储器连通的闪蒸锅炉(flash boiler)，使得来自所述至少一个收集储器的冷凝物连通到闪蒸锅炉，在闪蒸锅炉中冷凝物被加热，使得冷凝物中的病原体被中和，并且其中所得到的经加热的冷凝物被连通到喷雾器，用于增加该连续体积的气体中的水量。

19、在实施方案中，如权利要求1的系统，外壳可以包括多于一个可堆叠的级，包括至少一个入口级和至少一个出口级，其中入口级接收连续体积的气体，靠近多于一个交替的冷表面和热表面传送该连续体积的气体，并使连续体积的气体离开进入下一级中，该下一级可以是中间级对的第一中间级、或出口级。在下一级是中间级对的第一中间级的情况下，连续体积的气体经过中间级对，与多于一个交替的冷表面和热表面进行热连通，当气体与中间级对的冷表面进行热连通时导致冷凝物的形成。连续体积的气体可以离开进入下一级或出口级，该下一级可以是中间级对的另一个第一中间级。在下一级是出口级的情况下，连续体积的气体经过出口级，与多于一个交替的冷表面和热表面进行热连通，当气体与出口级的冷表面进行热连通时导致冷凝物的形成，并且连续体积的气体通过出口级中的出口开口离开外壳。

20、在实施方案中，该系统可以包括入口级和出口级。

21、在实施方案中，该系统可以包括入口级、中间级对和出口级。

22、在实施方案中，该系统可以包括入口级、多于一个中间级对和出口级。

23、在实施方案中，至少一个冷表面可以是热电模块的冷表面，并且其中至少一个热表面是热电模块的热表面。

24、在实施方案中，连续体积的气体可以被引导为在一对热电模块的冷表面之间传送，该一对热电模块被布置成使得它们的冷表面是相对的，在它们之间形成开放容积体(open volume)，所述空气经过所述开放容积体，使气体与所述冷表面进行热连通，使得所述气体的温度降低，形成包含期望从连续体积的气体中除去的不想要的物质的冷凝物。

25、在实施方案中，至少一个冷表面的温度可以在0℃和15℃之间。在实施方案中，至少一个热表面的温度可以在40℃和70℃之间。在实施方案中，至少一个收集储器中的冷凝物可以被保持在56℃或更高的温度。

26、在实施方案中，可以包括设置在外壳内的至少一个紫外光源，该至少一个紫外光源以足够的强度辐照连续体积的气体的至少一部分，以中和连续体积的气体中的病原体。

27、在实施方案中，收集储器的与所述冷凝物接触的表面的至少一部分包括催化物质。

28、在实施方案中，冷凝物可以从所述收集储器中泵出并喷雾到所述至少一个热表面上。在实施方案中，冷凝物可以通过毛细作用从所述收集储器芯吸到所述至少一个热表面上。

29、在实施方案中，热电模块可以被定义为多于一个偶数个热电模块，其中两个热电模块形成热电模块对，其中包括热电模块对的热电模块被布置成使得它们的冷表面是彼此相对的，在它们之间形成开放容积体，所述空气经过该开放容积体，使所述空气与所述冷表面接触或靠近所述冷表面传送，使得所述空气的温度降低，导致冷凝物形成在所述冷表面上，所述冷凝物包含已经从所述空气中除去的不想要的颗粒或病原体。

30、在实施方案中，本发明的系统可以包括多于一个热电模块对和多于一个收集储器，每个热电模块对一个收集储器并且每个收集储器与特定的热电模块对相关联，所述收集储器中的每一个收集储器被设置成收集由重力从相关联的热电模块对的所述冷表面促动的冷凝物。

31、在实施方案中，本发明的系统可以包括与所述收集储器中的至少一个收集储器流体连通的至少一个泵，用于从所述收集储器泵送所述冷凝物，还包括与所述泵流动连通的喷雾喷嘴或微型喷嘴，其中所述泵被配置为从所述收集储器泵送所述冷凝物，并通过所述喷雾喷嘴或所述微型喷嘴喷雾到所述热表面上。

32、在实施方案中，本发明的系统可以包括与所述收集储器中的至少一个收集储器流体连通的至少一个芯吸结构，用于将所述冷凝物从所述收集储器芯吸到所述至少一个热表面上。芯吸结构为微槽铜管或烧结的铜。

33、在实施方案中，本发明的系统还可以包括：至少一个可控风扇，其用于促动所述空气进入所述外壳并通过所述外壳，使得所述空气的至少一部分与所述冷表面进行热连通；控制器，其可操作以控制所述风扇；其中所述控制器与物理存储器连通，物理存储器包括用于控制风扇和热电模块的功率的非暂时性计算机可读和可执行指令；并且其中所述控制器适于通过与所述控制器连通的人机接口或远程用户中的至少一个来接收用于控制所述风扇和所述热电模块的功率的用户命令。

34、在实施方案中，控制器还可以适于从一个或更多个外部传感器接收传感器信息，并且当一个或更多个传感器检测到不想要的物质存在于系统的外壳之外的环境中时，控制本发明的系统进入操作状态。控制器还可以适于从一个或更多个内部传感器接收传感器信息，并通过所述人机接口将所述传感器信息传达给用户，或者将所述传感器信息传达给与所述控制器连通的远程用户。

35、在实施方案中，本发明包括用于从连续体积的气体中除去不想要的颗粒和病原体的方法，所述方法包括以下步骤：促动连续体积的气体通过外壳；电离该连续体积的气体；向该连续体积的气体中加入水滴、微滴或分子；冷却连续体积的气体，使得气体中的水冷凝，形成含有已经从该连续体积的气体中除去的不想要的颗粒和病原体的冷凝物；加热该连续体积的气体；其中冷却和加热的步骤交替进行；以及将冷凝物收集在收集储器中。

36、该方法还可以包括用uv-a、uv-b或uv-c光能辐照连续体积的气体的步骤，使得连续体积的气体接收至少10-20mj/cm2剂量。

37、该方法还可以包括用uv-a、uv-b或uv-c光能辐照连续体积的气体的步骤，使得连续体积的气体接收至少10-200mj/cm2剂量。

38、该方法还可以包括将收集储器中的冷凝物保持在等于或大于56℃的温度的步骤。

39、在实施方案中，冷却连续体积的气体的步骤可以通过使连续体积的气体与包括0℃和15℃的在0℃至15℃之间的冷表面进行热连通来执行。在实施方案中，加热连续体积的气体的步骤可以通过使连续体积的气体与包括0℃和15℃的在0℃至15℃之间的热表面进行热连通来执行。

40、在实施方案中，本发明可以包括用于从连续体积的气体中除去不想要的颗粒和病原体的方法，该方法包括以下步骤：冷却连续体积的气体，使得空气中的水冷凝，形成包含已经从连续体积的气体中除去的不想要的颗粒和病原体的冷凝物；收集冷凝物；将冷凝物施加到至少一个热表面，并使形成冷凝物的水蒸发，将不想要的颗粒和病原体留在热表面上。所述至少一个热表面可以处于包括50℃和60℃的在50℃至60℃的范围内的温度。该方法还可以包括从热表面除去不想要的颗粒和中和的病原体的步骤。

41、在实施方案中，如权利要求54所述的方法，冷却连续体积的气体的步骤可以通过在至少一个热电模块对的相对的冷表面之间传送所述连续体积的气体来执行，其中所述连续体积的气体的至少一部分与所述冷表面中的至少一个冷表面热连通。

42、在实施方案中，冷表面可以处于包括0℃和10℃的在0℃和10℃之间的范围内的温度。

43、在实施方案中，将冷凝物施加到至少一个热表面的步骤通过喷雾来执行。

44、在实施方案中，将冷凝物施加到至少一个热表面的步骤通过芯吸来执行。

45、在实施方案中，该方法还可以包括电离所述连续体积的气体的步骤，使得气体中不想要的物质更有可能被冷凝物从气体中带走。

46、在实施方案中，该方法还可以包括用uv-a、uv-b或uv-c光能辐照连续体积的气体的步骤，使得连续体积的气体接收至少10-20mj/cm2剂量。

47、根据权利要求54所述的方法，还包括用uv-a、uv-b或uv-c光能辐照所述空气的步骤，使得连续体积的气体接收至少10-200mj/cm2剂量。

48、根据权利要求54所述的方法，还包括通过使所述冷凝物与催化物质接触来至少部分地中和所述冷凝物中包含的病原体的步骤。

49、根据权利要求54所述的方法，其中所述至少一个热表面的至少一部分包括催化物质。

50、根据权利要求54所述的方法，其中容纳所述冷凝物的冷凝物收集储器包括催化物质。

51、与现有技术的系统和方法相比，本发明的另一个优点是，保留在热表面上的不想要的颗粒和病原体已经被中和，从而不会产生活性生物危害废物。