CN105848397A - 一种柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置，包括具有高压输出电路的电源系统，与高压输出电路的高压端连接的高压电极，以及接地电极，所述高压电极与接地电极以相互螺旋缠绕的结构直接接触，高压电极与接地电极至少其中一个电极为柔性体结构，高压电极与接地电极至少其中一个电极包裹有绝缘介质；采用柔性体结构的接地电极选用熔点高、导电性能较好的碳纤维材料；电源系统通电后，两电极的接触区域发生表面放电，生成大量低温等离子体；相互缠绕直接接触的高压电极和接地电极结构可以以直接接触的方式对被处理物体进行消毒灭菌处理。

Description

一种柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置

技术领域

本发明属于气体放电等离子体生成技术领域，更具体地，涉及一种在大气压下产生低温等离子体，尤其是一种具有柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置及具体应用。

背景技术

人类工业社会的不断发展，一方面加重了对自然环境的破坏，使得气体受到严重污染；另一方面特种病毒、细菌等微生物的滋生，严重影响了人类的正常生存，使得人们对于医疗卫生领域的需求愈发强烈，例如在医院病房中，医疗设备或病床的消毒灭菌效果和效率问题变得尤为重要。

随着等离子体技术的飞速发展，其应用越来越广，在这些领域其良好的应用效果也不断显现出来。例如在空气净化、医疗消毒等方面，作为一种新型的高效净化消毒手段，与传统方法相比，等离子体展现出了成功率高、耗时短等方面的优越性。而由于等离子体生成技术本身具有很高的专业化含量，其技术的成熟水平很大程度上决定了相应设备的性能，因此如何实现将等离子体消毒净化技术转化为具有工业化应用的高效设备始终是一个值得不断深入研究的问题。

等离子体依据生成形式可以划分为电弧、电晕和辉光等离子体。电弧等离子体因高温、高能耗等特征限制了其应用范围；电晕等离子体温度低，功耗小，目前在空气净化领域的应用较多，但效率不是很高；辉光放电具有温度低、效率高、能耗小等特征，是较为理想的用于消毒净化的等离子体生成形式，但在大气压辉光等离子体很难大面积稳定地生成，因此转化为实际装置也较为困难。

在目前的研究中，因放电间隙的存在，等离子体的生成装置大多采用固定结构和形状的电极，例如平行板或针－板式的电极结构，它们需要根据实际所需空间放电电场强度设置固定的极板间距，且由于这一限定使得其电极材料难以表现柔性性质，无法按照实际需求改变其形状，这就使得处理某些特殊形态的物体具有明显的不便性，限制了处理空间，处理效果也难以得到保障。

发明人在先前授权公告号为CN102548177B的专利“等离子体空气净化装置的放电电极结构”的申请中，采用了正负电极组交叉形成接触点的电极结构，打破了现有技术的认知，形成了较大面积的辉光放电。但囿于材料及电极交叉结构等的限制，未能充分发挥出电极的柔性性质，且附带产生的臭氧量过多。因此为得到应用于等离子体消毒净化技术的高效率产品设备，对放电电极的进一步深入研究是关键，这就需要我们设计出一种既满足应用上的消毒灭菌、净化除臭的要求，又保证达到低功耗等现代化产品的要求，且具有一定的柔性和便携性的电极结构，以降低对空间等条件的限制要求，极大的提高装置的处理效率。

针对现有技术的缺陷，提出本发明。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明采用碳纤维电极材质，目的在于设计一种既可以实现消毒灭菌、净化除臭的功能也能达到低功耗要求且具有柔性性质的放电电极结构的等离子体生成装置。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置，包括具有高压输出电路的电源系统，与高压输出电路的高压端连接的高压电极，以及接地电极，所述高压电极与接地电极以相互螺旋缠绕的结构直接接触，高压电极与接地电极至少其中一个电极为柔性体结构，高压电极与接地电极至少其中一个电极包裹有绝缘介质；采用柔性体结构的接地电极选用熔点高、导电性能较好的碳纤维材料；电源系统通电后，两电极的接触区域发生表面放电，生成大量低温等离子体；相互缠绕直接接触的高压电极和接地电极结构可以以直接接触的方式对被处理物体进行消毒灭菌处理。

所述的高压电极为刚性体结构，所述接地电极为柔性体结构，接地电极以螺旋缠绕的方式贴附缠绕在刚性体结构的高压电极上。

或者，所述的高压电极和接地电极均为柔性体结构，接地电极以螺旋缠绕的方式贴附缠绕在高压电极上，形成等离子体消毒灭菌条。若干所述等离子体消毒灭菌条贴附在一定面积的基材上，或编织成网状、罩状结构，直接整体附着于被处理物体进行消毒灭菌处理。

所述的高压电极和接地电极至少一个包裹有绝缘介质。所述的绝缘介质为聚四氟乙烯。

本发明的有益效果是：

一方面，传统意义上的放电电极中，其高、低压电极之间间隔一定的距离，放电产生在电极空隙之间。本发明采用介质阻挡放电形式，包裹有绝缘介质的高、低压电极采用直至接触的方式，使放电产生在电极周边并向外扩散。因电极直接接触，故当电极材料采用柔性体时，可根据需求做任意变形，以满足实际应用。另一方面，传统的电极材质多采用金属导体，难以较大程度地提高接触式电极的放电均匀性。本发明创造性地采用碳纤维材质的电极，因其特殊的内部结构及放电机理，能有效降低放电阈值，并使等离子体的生成更加均匀。当起始放电电压降低时，空气中氧气被电离产生的臭氧量也将大大减少。

这样，如上所述的柔性电极结构应用于等离子体消毒灭菌装置时：

当只有一个电极采用柔性材料时，此电极可通过螺旋缠绕的方式贴附于另一电极上，产生的等离子体分布在两电极交界及其附近区域，并通过一定的扩散而填充于附近空间，通过改变螺距的大小（即螺圈密度）和电极之间的接触面积而使得等离子体生成量发生变化，而电极接触面积可以由材料的直径或形状间接改变。

当两个电极材料均采用柔性材料时，可以通过螺旋编织等方法将两者贴近，产生的等离子体在扩散作用下同样分布在两电极交界及其附近区域。因采用接触式电极结构以及柔性材料，两电极可以按照实际需要进行扭转、弯曲等变形操作，具有良好的柔软性，进而我们通过将多组的柔性电极固定于一定面积的基材上，对于处理某些特殊形状或状态的物体具有显著的便携性和处理效率。同样，我们可以通过改变两柔性电极的交界面积改变等离子体的生成量。

当被处理物为硬性物体时，我们可以将两柔性体螺旋编织构成的电极采用缠绕或其它方式贴附于被处理物之上，因电极具有柔性，可通过改变电极形状作用于被处理区域；当被处理物为柔软材料（如衣物、布匹等）时，我们除采用双柔性体的电极结构外，也可以采用只具有一个柔性体的电极，亦能使放电电极与被处理物紧密接触而增强处理效果。

应当注意到，等离子体的生成量和生成的等离子体的传播距离，与电压、电流、及使用的环境（温度、湿度等）关系密切。足够大的相交区域意味着能耗与耗材的增加，因此需要合理设置。

总体来讲，通过采用该种柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置，可以在电极交界处及其附近区域生成大量低温等离子体和其它活性粒子，具有消毒灭菌、净化除臭的功能；

电极具有良好的柔性，可以依据实际需要改变电极形状，具有较好的便携性，扩大了其适用范围；

改变了传统电极结构对空间的限制要求，可大大增加其作用区域，提高处理效果；

产生的低温等离子体具有辉光等离子体的性质，面积大，均匀性良好，功耗低，效率高；

电极采用碳纤维材料，放电更加均匀，附带产生臭氧较少；

碳纤维的电极材质和接触式的电极结构能够有效降低起始放电电压，也即降低了对绝缘的要求；

本发明的电极制作流程相比于具有固定间隙的电极结构更为简单。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明实施例的电源系统框图；

图2为本发明实施例的电源主电路图；

图3为发明实施例的电源触发电路图；

图4为本发明实施例1的柔性放电电极结构示意图；

图5为本发明实施例1构成的消毒灭菌装置系统示意图；

图6为本发明实施例2的柔性放电电极结构示意图；

图7为本发明实施例2构成的消毒灭菌装置系统示意图；

图8为本发明实施例1的放电效果图；

图9为本发明实施例2的放电效果图；

图10为本发明实施例2的变形例的放电效果图；

图11为本发明的实施例的放电电压电流波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的实施例中电源条件为：采用220V交流输入，经整流成直流后，再通过MOSFET逆变为带死区的双极性交流脉冲，输出电压的大小和频率通过UC3825控制MOS管的开通、关断来实现，最后通过高频变压器升压来实现输出为高频高压的正弦波。

对于电源实施条件所提出的要求如下：

（1）单相交流输入、输出；

（2）输出最大功率1000W；

（3）输出频率：20-50kHz，可调；

（4）输出电压0-8kV，可调；

（5）最大输出电流250mA。

为满足电源条件，下面给出本实施例中采用的电源系统框图、主电路图以及触发电路图，分别如图1、2和3所示。

图4和图5为本发明柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置的两个实施例的示意图。实施例的背景为医院病房，面向于病房中被褥、床垫等物体或其他医疗设备的灭菌消毒的深处理。

与高压输出电路连接的是高压电极和接地电极，高压输出电路的高压端接高压电极，接地电极也可以不接高压输出电路的接地端而直接悬空。通电后，所有高压电极与接地电极的交界及其附近区域发生表面放电现象，生成大量低温等离子体，若所处环境为空气，会伴随有一定量的臭氧和OH等活性粒子生成。在等离子体与活性粒子作用下，病房中床垫、被褥或其它医疗设备上附着的细菌、病毒等毒害物质会被有效杀死，病房内空气同时可以得到被净化除臭的效果。

生成的等离子体具有辉光等离子体的性质，均匀性良好，效率高，能耗低，能有效实现深处理。电极材料为柔性体，对于附着于床垫、被褥等柔软的被处理物，可以根据实际需求改变电极形状使其紧密贴附，以增加处理面积，因而扩大了此种电极结构的适用范围。接触式电极结构以及碳纤维的电极材质能有效增强放电的均匀性，降低起始放电电压，并使附加生成的臭氧含量减少，降低病房空气的次生污染。

实施例1：

图4为一个电极为柔性体的情况。柔性电极a1采用包裹有绝缘介质（聚四氟乙烯）的圆柱体碳纤维导线。另一刚性电极a2采用不锈钢管，并用绝缘介质a3包裹，碳纤维线以螺旋方式缠绕在不锈钢管电极上，根据实际需要的放电面积设置螺距（线圈间隔），这样使两电极形成较为均匀的交界面积。

特别地，当柔性电极a1采用裸露的碳纤维线时（无附加绝缘层），形成单侧介质阻挡放电，能有效降低起始放电电压，附带臭氧生成量大大降低。将此电极结构接入实施例的电源系统，并将电极至于医院病床的床单、被褥等被处理物，可通过一定作用时间达到消毒灭菌的处理效果。电极联合电源系统构建的消毒灭菌装置系统示意图如图5所示。

本实施例所述电极结构同样可应用于空气的净化除臭，将多组该柔性电极按照一定方式排列并加以固定，因柔性体电极良好的贴附性，能有效增大等离子体的生成面积，气体流过电极交界附近与等离子体中的活性粒子充分接触，实现毒害有机物、无机物的分解或氧化以及病毒、细菌的灭除。

实施例2：

图6为两个电极均为柔性体的情况。两个柔性电极可均采用直径包裹有绝缘介质b3（聚四氟乙烯）的导线，其中至少一个电极导体采用碳纤维材质，线b1根据实际需要弯曲为如图6所需的形状，线b2螺旋缠绕在线b1之上，整体保持为线b1的形状。也可以先将线b1和b2拧结在一起，然后折成所需形状。特别地，当线b1和b2其中之一为裸露碳纤维线时，同样形成单侧介质阻挡放电，能有效降低起始放电电压，均匀性更加良好，臭氧生成量亦大大减小。在医院病房中，此柔性电极联合电源系统构建的消毒灭菌装置系统示意图如图7所示。将图6所示的每个柔性电极构成的消毒灭菌条附着在一定面积的基材4上，再整体覆盖在病床的床垫、被褥之上，提高消毒灭菌的深处理效率，具有很强的便捷性，基材既可采用硬性材料也可使用柔软材料，既可为绝缘体也可为非绝缘体。此外，柔性电极结构也可以通过螺旋、缠绕等方式编织成网状或罩状。

以上实施例所述的结构中，每个电极均可做出一定变化，例如将实施例1中柔性电极a1以及实施例2中电极b1和b2改用扁条形细长导体。尺寸、缠绕密度、交叉角度等也可以根据实际产品要求进行调整，导体材质亦可使用碳纤维之外的其它导电材料，如铜材料等。高压电极与接地电极两个电极中至少有一个电极必须包裹绝缘介质，该绝缘介质的厚度和材质可以根据不同的绝缘要求进行选取。

本发明还可以在两电极的布置、排列方式上进行改变，可以考虑无规则缠绕或其它布置方式（例如高压电极与接地电极交替并排布置），保证两电极直接接触，形成交界区域。

在前述的实验条件下，本发明实施例的电极结构研究介绍如下：

采用实施例所示的柔性放电电极结构，两电极分别接高压和地，在电极的交界处形成局部高场强，相当于一种极小间隙下的大气压介质阻挡放电。因电极直接接触，当电极采用柔性体时可以方便的改变其形状而对放电效果影响微小。电极采用碳纤维材质，因其特殊的内部结构及放电机理，能有效降低放电阈值，并使等离子体的生成更加均匀。

图8、9和10是它们的放电效果图。从图中可以看出，柔性电极的交界处周围的空气发生了电离，生成了比较均匀的低温等离子体，在这个过程中伴随一定的OH和臭氧等活性粒子生成。这种放电形式呈现出一种大气压下介质阻挡放电的形态，放电比较均匀，且无明亮的细丝，属于典型的低温等离子体状态。

图11是它们的放电电压、电流波形图。其中，5为放电电压波形，6为放电电流波形。本电极结构对应的等效电容比较大，在接入交流电路时作为容性负载，放电电流应该超前放电电压波形。

所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置，包括具有高压输出电路的电源系统，与高压输出电路的高压端连接的高压电极，以及接地电极，其特征在于，所述高压电极与接地电极以相互螺旋缠绕的结构直接接触，高压电极与接地电极至少其中一个电极为柔性体结构，高压电极与接地电极至少其中一个电极包裹有绝缘介质；采用柔性体结构的接地电极选用熔点高、导电性能较好的碳纤维材料；电源系统通电后，两电极的接触区域发生表面放电，生成大量低温等离子体；相互缠绕直接接触的高压电极和接地电极结构可以以直接接触的方式对被处理物体进行消毒灭菌处理。

2.根据权利要求1所述的一种柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置，其特征在于，所述的高压电极为刚性体结构，所述接地电极为柔性体结构，接地电极以螺旋缠绕的方式贴附缠绕在刚性体结构的高压电极上。

3.根据权利要求1所述的一种柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置，其特征在于，所述的高压电极和接地电极均为柔性体结构，接地电极以螺旋缠绕的方式贴附缠绕在高压电极上，形成等离子体消毒灭菌条。

4.根据权利要求3所述的一种柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置，其特征在于，若干所述等离子体消毒灭菌条贴附在基材上，或编织成网状、罩状结构，直接整体附着于被处理物体进行消毒灭菌处理。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的一种柔性放电电极结构的等离子体消毒灭菌装置，其特征在于，所述的绝缘介质为聚四氟乙烯。