目前空气净化技术主要包括过滤、静电集尘、离子技术、吸附技术、光触媒技术等几大方面。根据空气净化领域世界专利的年度申请量绘制图1,该图可以反映出空气净化领域的技术研发趋势,根据专利数量的变化大致可以分为两个阶段。

(1)技术萌芽期(1994年之前)

早在1950年代就有相关空气净化技术的专利申请,申请量呈逐年缓慢增加趋势,每年的专利申请量均在200件以下,空气净化技术尚处于研发初期,主要以机械过滤和静电吸附为主,如美国在1960年代研发的HEPA,以玻璃纤维为滤材,到了1970年代采用超细玻璃纤维纸为过滤材料的HEPA对≥0.3μm微尘的过滤效率可达99.9998%,直到1971年光触媒技术以及离子技术才被引入空气净化领域。

(2)技术快速成长期(1995年至今)

1995年起,空气净化技术专利申请数量开始大幅增长,该领域进入技术蓬勃发展期。1995年,光催化与吸附技术开始进入快速增长期。1999年之后,离子技术和过滤材料相关技术也呈现稳步发展态势,离子技术代表专利有夏普公司的WO 2002017978A1和WO 2001087364A1,过滤材料技术则有1990年代中期研制的薄膜复合滤料等。进入21世纪,纳米二氧化钛光催化材料被认为是最有发展前景的消除有害气体的过滤材料;对非织造滤料的静电极化处理技术也是被重点关注的研发方向。

这一阶段专利数量快速增加的主要原因是,全球多个国家和地区开始制定或修订空气质量标准与法律,对污染物限值的进一步收紧也从一定程度上推进了空气净化技术的发展。

从专利申请的数据看,全球共有50多个国家/地区在空气净化领域开展研究,位于申请量前5位的依次是日本、中国、美国、韩国以及德国。

从1950年代开始德国就涉足空气净化技术的研发,但是申请专利的数量并没有显著增加;日本是申请量最多的国家,从1960年代开始对空气净化技术进行研发,并且在2008年之前一直远远领先于其他国家,掌握了大量的核心专利;中国进入空气净化领域的时间较晚,第一项专利是1985年张印增所发明的由电源、风机和净化系统所组成的消除室内烟毒的空气过滤设备,但之后中国在空气净化领域的专利申请量一直较少,直到2006年才有了大幅度增加,直至2008年超越日本成为近年来该领域专利申请量最多的国家,这在一定程度上说明中国正逐渐成为空气净化领域的主要技术产出国,同时也具有一定的消费潜力。专利申请量前5位国家的专利申请总量约占全部专利数量的88%,说明该领域的专利技术主要由这5个国家所掌控(图2)。

从空气净化技术专利来源国家/地区的全球分布(图3)可以看到,专利申请量排名前10位的国家/地区中,除中国外,其余各国/地区都较为重视空气净化技术的保护,均在除本国外的多个国家进行了专利布局。尤其是日本和美国更为重视国外市场的保护,其重点保护的市场除澳大利亚、欧洲、中国外,还积极通过世界知识产权组织在其他国家/地区进行专利保护布局。而中国除了在本国的保护外,在美国和世界知识产权组织也有相对较多的技术布局,但未对更多国家进行布局。

从专利申请量排名前10位的技术来源国家/地区的技术布局可以看到(图4),各国在技术布局上具有一定共性,即过滤材料与静电集尘技术是各国专利量集中申请的领域,同时,也存在一定的差异,如日本主要是在光触媒与吸附技术上进行技术布局,而韩国的重点申请领域是离子技术,美国、德国以及法国则在过滤技术方面进行了重点布局。

图5列出了全球空气净化领域专利申请量排名前10位的专利权人,可以看到前10位申请人被日本与韩国的企业包揽,其中8家为日本机构,包括松下电器、三菱电机、夏普公司、大金工业株式会社等;另外2家为韩国机构,分别是LG电子和三星电子。

从各大专利权人的技术年限分布图(图6)中可以看到,松下集团与三菱集团是在该领域申请专利最早的机构,另外,LG集团与三星集团的专利申请高峰主要集中在21世纪初期,三菱电机与大金工业株式会社的申请高峰主要集中在1990年代末期,说明这些机构较早地掌握了空气净化技术的核心技术,而夏普公司虽起步较晚,但是近年来的专利申请仍非常活跃。

从近5年(2011–2015年)的重点专利权人分布可以看到(图7),夏普、松下等日本机构在近5年内的申请仍较为活跃。虽然中国机构并未入围全球重点机构,但近5年来其申请热度较高,比如安徽皖投力天世纪空气净化系统工程有限公司、博格集团等均有较好表现。

从专利申请量排名前20位的专利权人合作关系图(图8)可以看出,日本各机构之间存在一定的合作关系,并充分利用了各机构的优势资源。例如日本三菱电机与日本无机株式会社存在一定程度的合作申请关系;日本丰田与日本电装公司也存在一定程度的合作申请关系(车载净化为主),日立电器与东洋纺公司和东丽株式会社有一定的合作(主要以过滤材料为主),日本松下电器也分别与大金、本田以及三井有合作。图中其他机构均为独立申请,无合作关系,说明各专利权人都非常重视各自手中空气净化技术的保护。

3.3.1 过滤材料与静电集尘领域重点机构分布

上海博格工业用布有限公司在空气净化过滤材料专利申请中排名第5位(见表1)。博格是中国大型的环保集团公司,专注于气固分离、空气污染控制及气固液态过滤介质的研究与制造,开发制作出自主产权的耐高温过滤材料——氟美斯(FMS)和华博特(HBT),产品涵盖无纺布、过滤材料、水刺无纺布、袋式除尘系统的设计制造等^[3]。

另外,美国的唐纳森公司主要致力于工业空气净化,是全球过滤系统及其配件行业的领导企业,其技术布局主要集中在过滤装置,如包含可折叠材料的粒子分离器等。

3.3.2 离子技术领域重点机构分布

夏普公司在离子技术方面表现突出(见表2),最具代表性的就是其在2000年研发的“净离子群”空间净化技术,获得日本、英国、韩国等国家的13个机关权威验证。

位列第2的安徽皖投力天世纪空气净化系统工程有限公司专业从事空气净化技术研发,空气污染治理,相关设备制造、销售并提供空气净化完整解决方案。在低温非对称等离子体空气净化技术研发上取得了一大批科研成果,形成了以工业废气治理、医疗环境净化消毒、车内环境空气净化安全系统、楼宇空气净化系统工程和室内空气安全治理为核心的空气安全产业集群。

另外,上海天晕环保科技有限公司总经理周云正在等离子体空气净化方面也有突出表现,其研究制造的“等离子体空气消毒净化机”经国家室内环境与室内环保产品质量监督检验中心检测,除菌率及PM2.5去除率均可达99.9%^[4]。

3.3.3 光触媒与吸附技术领域重点机构分布

在光触媒与吸附技术领域,排名前10位的机构几乎全部来自日本,只有一家来自美国,说明日本掌握了大量光触媒在空气净化领域中的应用技术(见表3)。

其中,美国开利公司自1970年代开始就着手于空气净化领域,在光催化技术方面表现突出,如专利WO 2007136363A2是一种空气净化系统,可以利用光催化剂抵抗空气中的硅污染物影响商用空气净化器,达到减少硅氧烷的效果;另外专利WO 2009091367A1结合过滤技术与光触媒技术,提高对挥发性有机污染物的去除效率等。

3.4.1 空气净化热点技术布局

根据专利技术国际分类,空气净化技术相关专利申请所涉及的技术方向主要包括对空气中颗粒的分离过滤、空气的消毒灭菌、空气调节、催化方法、静电分离、离子技术、车辆的废气净化、过滤材料以及空气净化器的装置等方面(图8)。

利用TI平台的文本聚类功能对专利文献进行聚类,结合国际专利分类号(IPC)以及利用TI平台的Thememap功能绘制空气净化技术的重点领域分布图(图9),可以看出目前空气净化领域的热点技术主要集中在以下几个方面(表4)。

通过对重点专利的阅读,可以了解到,虽然每一种空气净化技术都具有一定的净化功能,但单一的采用某种技术进行空气净化的效果并不理想,并可能产生二次污染,因此多种技术联合使用是近年来空气净化领域的发展趋势,发挥协同作用来提高净化效率是关键。

(1)吸附材料与光催化剂组合。单独使用二氧化钛光催化技术的产品往往起不到空气净化的作用,目前更趋向于吸附材料(如活性碳)与光催化剂组合使用或者混合负载使用。例如三菱电机的专利JP 2002292219A中,采用具有光学活性的半导体光催化剂以及硅胶、沸石等吸附剂有效消除空气中的细菌及臭味。

(2)离子技术与吸附技术组合。例如三菱电机的专利WO 2011152016A1利用负载了催化剂的蜂窝状吸附剂,在利用离子技术产生的自由基等对细菌或者病毒进行灭活的同时,使催化剂活化,来缩短灭菌时间。

(3)光触媒联合离子技术。例如大金工业株式会社的专利JP 2005300111A,是将预过滤后的气体依次通过光触媒和等离子体催化剂过滤器,从而可以净化空气中的颗粒、臭气分子以及细菌病毒,该装置可以用在空调系统中。

3.4.2 空气净化技术高频被引专利分析

将空气净化技术专利按被引频次进行统计排序,得到排名前10位的专利技术,旨在找到核心技术所在。表5显示,高被引专利主要集中在对机动车或发电设备的颗粒过滤、电离灭菌、过滤材料以及光催化等技术上。另外,这些核心专利技术主要集中在美国、日本、德国以及英国的专利权人手上。

以被引频次最高的专利WO 2000050149A1为例进行分析。该专利的技术要点在于发明了一种过滤装置,并且可拆卸可替换,适用于机动车引擎、内燃机、发电机等设备产生的颗粒污染物,该专利包含56件同族专利,分布在中国、韩国、日本、德国等57个国家和地区,这56件专利的专利权人为美国唐纳森公司,表明唐纳森公司对该专利在世界范围内做了布局。由图10(基于专利权人的前引情况)可以看出,除了美国唐纳森公司,德国的曼胡默尔集团(MANN & HUMMEL GMBH)大量引用了该项专利,其技术布局主要包括用于内燃机的空气滤清器、过滤装置及器械、过滤材料(有机材料如合成纤维、带有折纹的过滤材料等)等。

被引频次位于第2位的是夏普公司研发的可以释放正负离子的离子发生器(WO 2002017978A1)。该装置可以用在空调、除湿机、加湿器、空气净化器、烘干机以及暖风机等设备中,利用释放的正负离子有效杀死空气中浮游的细菌,已达到净化空气的目的。该专利包含47件同族专利,分布在中国、韩国、美国、澳大利亚等96个国家和地区,表明夏普公司非常看重该技术在世界范围内的布局,抢占全球市场的先机。