CN107148139A - 一种高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置 - Google Patents

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章建浩
乔维维
黄明明
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2406—Generating plasma using dielectric barrier discharges, i.e. with a dielectric interposed between the electrodes

Abstract

本发明涉及一种高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置，具体涉及低温等离子体介质阻挡激发装置的材料结构设计，属于食品深加工技术装备领域。该装置包括电压调控器；上、下电极和上、下介质阻挡绝缘板；在上下电极之间放置密封样品；密封样品的上表面与上电极之间设有上绝缘板，密封样品的下表面与下电极之间设有下绝缘板，该装置所使用的电极材料为铝、铜或铜铝合金材料，介质阻挡绝缘板是酚醛树脂或环氧树脂，且电极表面涂膜一层聚四氟乙烯涂层。本发明采用导电良好材料作为激发电极与介电常数较高的绝缘材料构建DBD低温等离子体激发装置，降低介质阻挡绝缘板的厚度，优化DBD装置结构设计，提高高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置激发等离子体的强度，增强杀菌效果，并有效提高电极的抗氧化，显著提高其使用期限。

Description

一种高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置
技术领域
本发明涉及一种高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置，具体涉及高压电场低温等离子体冷杀菌系统激发装置的材料结构设计，属于食品装备技术领域。
背景技术
等离子体的激发系统结构有多种形式，系统的结构和材料性质对其形成等离子体的方式和强度具有决定作用。介质阻挡系统(DBD)激发装置的电极材料和介质阻挡绝缘板对形成等离子体强度及杀菌效能特性具有决定作用，是影响激发带电粒子形成等离子体及其非弹性碰撞形成放电、熄灭、重新放电循环的关键部件。发明专利ZL201410347682.3(生鲜肉高压电场等离子体协同纳米光催化杀菌保鲜方法)披露的DBD低温等离子体冷杀菌激发装置中，没有明确所用电极材料；目前采用的铝合金材料在高压电场条件下表面氧化严重而影响使用寿命；采用的介质阻挡绝缘板是高聚合度的聚丙烯或聚乙烯板，这两种材料介电常数较低，在较高电压下才能激发形成离子体来实现杀菌效果。如果提高绝缘介质的介电常数，在高电压条件下，可阻止上、下两个阻隔板被击穿，提高杀菌效果。因此，改善高压电场低温等离子体激发装置的材料和结构设计，是等离子体实现高性能冷杀菌效果的技术关键。另外，DBD激发装置结构上下两个平行电极和介质阻挡绝缘板及包装盒之间若有间隙，则间隙之间的气体就被激发并消耗能量，从而减弱包装内部的等离子体形成。
发明内容
本发明针对现有技术存在的缺陷，提供了一种高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置，该装置提高了高压电场低温等离子体的冷杀菌效能和装置元器件的使用寿命。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置，该装置包括电压调控器；上、下电极和上、下介质阻挡绝缘板；在上下电极之间放置密封样品；密封样品的上表面与上电极之间设有上绝缘板，密封样品的下表面与下电极之间设有下绝缘板，该装置所使用的电极材料为铝、铜或铜铝合金材料，介质阻挡绝缘板是酚醛树脂或环氧树脂，且电极表面涂膜一层聚四氟乙烯涂层。
在一些优选的技术方案中：铜铝合金材料中铜的比例为20～35％。
在一些优选的技术方案中：电极形状是圆盘状，直径为100～200mm；电极圆盘截面圆角半径为10～18mm，表面的粗糙度均为1.6～3.2。
在一些优选的技术方案中：介质阻挡绝缘板的材料为酚醛树脂或环氧树脂，介电常数为3.2～5.0，击穿电压在13kv/mm以上。
在一些优选的技术方案中：上下两个平行电极和介质阻挡绝缘板无间隙紧密接触，两个绝缘板之间的距离根据需要杀菌包装盒的高度可调整。
在一些优选的技术方案中：介质阻挡绝缘板的厚度为1～6mm。
本发明的有益效果：
本发明采用导电良好材料作为激发电极与介电常数较高的绝缘材料(酚醛树脂和环氧树脂)构建DBD低温等离子体激发装置，降低介质阻挡绝缘板的厚度，缩小平行电极之间的距离，提高低温等离子体的激发强度，增强杀菌效果。
附图说明
图1是本发明中高压电场低温等离子体冷杀菌系统激发装置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
一种高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置，该装置包括电压调控器；上、下电极和上、下介质阻挡绝缘板；在上下电极之间放置密封样品；密封样品的上表面与上电极之间设有上绝缘板，密封样品的下表面与下电极之间设有下绝缘板，该装置所使用的电极材料为铝、铜或铜铝合金材料，介质阻挡绝缘板是酚醛树脂或环氧树脂，且电极表面涂膜一层聚四氟乙烯涂层。铜铝合金材料中铜的比例为20～35％。
电极形状是圆盘状，直径为100～200mm；电极圆盘截面圆角半径为10～18mm，表面的粗糙度均为1.6～3.2。
介质阻挡绝缘板的材料为酚醛树脂或环氧树脂，介电常数为3.2～5.0，击穿电压在13kv/mm以上。
上下两个平行电极和介质阻挡绝缘板无间隙紧密接触，两个绝缘板之间的距离根据需要杀菌包装盒的高度可调整。
本发明的目的是对高压电场低温等离子体激发系统的电极与阻隔材料进行设计，通过优选绝缘板介电常数、厚度及电极材料，在已有的专利(ZL 201410347682.3生鲜肉高压电场等离子体协同纳米光催化杀菌保鲜方法)基础上对等离子体激发系统材料进行改进，明确电极成分、阻隔材料本身的介电常数与厚度，影响低温等离子体激发形成的重要因素。
本专利实施例及对比例中等离子体发生装置的阻隔材料参数如下：
参数 环氧树脂 聚丙烯 酚醛树脂 聚四氟乙烯 酚醛树脂(含玻璃纤维)
介电常数 3.5 2.3 4.8 2 6
实施例样品按照如下步骤操作：
包装盒充入空气密封，密封后的包装盒作为样品置于等离子体系统中进行处理，测定处理包装内部的等离子体形成强度。
对比例1：
样品包装密封后不进行等离子体处理，待实施例被处理结束后，先检测包装内等离子体形成强度。
实施例1
等离子体激发系统电极选用铝质材料，介质阻挡绝缘板分别选用上述介电常数为3.5、2.3、4.8、2、6的材料，绝缘板厚度为2mm,处理电压为20kv/cm，处理时间为60s。处理结束先检测包装内的臭氧含量。
实施例2
等离子体激发系统电极选用铜质材料，介质阻挡绝缘板分别选用上述介电常数为3.5、2.3、4.8、2、6的材料，绝缘板厚度为2mm,处理电压20kv/cm，处理时间为60s，处理结束先检测包装内的臭氧含量。
实施例3
等离子体激发系统电极选用铝质材料，绝缘板分别选用介电常数3.5的材料，绝缘板的厚度为1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm和6mm，处理条件同实施例1，处理结束测定等离子体形成强度。
实施例4
等离子体激发系统电极选用铜质材料，绝缘板分别选用介电常数3.5的材料，绝缘板的厚度为1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm和6mm，处理条件同实施例1，处理结束测定等离子体形成强度。
实施例5
等离子体激发系统电极选用铝质材料，绝缘板分别选用不同介电常数的材料，绝缘板的厚度为2mm，处理电压8kv/cm、15kv/cm、20kv/cm、30kv/cm，处理时间60s，处理结束测定等离子体形成强度。
实施例6
等离子体激发系统电极选用铝质与铜铝合金材料，合金比例以占铜质量的百分比20％、30％和40％。绝缘板分别选用介电常数3.5的材料，绝缘板的厚度为2mm，处理电压20kv/cm，处理时间45s，处理结束测定等离子体形成强度。
性能测定
1、绝缘材料介电常数对等离子体形成强度的影响
表1实施例中等离子体形成强度(以臭氧含量间接表示)
臭氧(O3)和氮氧化物(NOx)，这两种物质是等离子体中的主要活性成分，对等离子体的杀菌效果其决定性作用，因此，用这两物质的含量反应等离子体的形成强度。
表1中显示介电常数越高的绝缘材料作为阻隔系统，越有利于臭氧(O3)和氮氧化物(NOx)的形成，即等离子体形成强度越高。当介电常数升高到一定程度(超过5)，在相同条件下(电压和时间)，等离子体的形成强度变化不大，没有明显的升高。
实施例1、2中选用的电极材料分别是铝和铜，结果显示铝材质的电极更有利于等离子体的形成。
2、绝缘板厚度对等离子体强度的影响
表2绝缘板厚度对等离子体强度的影响
表2中数据显示，绝缘板的厚度增加减弱了等离子体的主要活性成分(O3和NOX)的生成量，即减弱了等离子体的生成强度。当绝缘板厚度为2mm时，等离子体的生成强度最高，表明此厚度，有利于激发形成高强度的等离子体。
3、激发电压对等离子体生成强度的影响
表3激发电压在不同介电常数绝缘板激发形成等离子体强度
表3中数据显示使用不同介电常数绝缘材料作为阻隔板时，30kv/cm电压处理组与20kv/cm处理组的等离子体形成强度相近，20kv/cm与15kv/cm处理组的等离子体生成强度相似，8kv/cm电压激发等离子体的形成强度略低于其它高电压组。介电常数在一定范围内增加，能够提高等离子体的生成强度。尽管电压越高生成的等离子体强度大，但是考虑到高电压的实际操作与能量消耗的问题，低电压在实际实施运用中更有利。因此，在等离子体生成强度效果差异不明显的情况下，选在使用较低的激发电压。
4、电极成分变化对等离子体生成强度的影响
表4不同电极成分对等离子体生成强度的影响
表4中数据显示不论是铝电极还是铜电极对等离子体形成具有良好的激发作用，当使用铜铝合金材料作为电极时，合金铜占比30-40％激发形成等离子体强度较高，当合金比例超过40％，在相同条件下，等离子体形成强度明显降低。即使用铜铝合金(合金比例不超过40％)作为电极，对等离子体的形成强度具有良好的作用效果。

Claims (5)

1.一种高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置，该装置包括电压调控器；上、下电极和上、下介质阻挡绝缘板；在上下电极之间放置密封样品；密封样品的上表面与上电极之间设有上绝缘板，密封样品的下表面与下电极之间设有下绝缘板，其特征在于：该装置所使用的电极材料为铝、铜或铜铝合金材料，介质阻挡绝缘板是酚醛树脂或环氧树脂，且电极表面涂膜一层聚四氟乙烯涂层。
2.根据权利要求1所述的高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置，其特征在于：铜铝合金材料中铜的比例为20～35％。
3.根据权利要求1所述的高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置，其特征在于：电极形状是圆盘状，直径为100～200mm；电极圆盘截面圆角半径为10～18mm，表面的粗糙度均为1.6～3.2。
4.根据权利要求1所述的高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置，其特征在于：介质阻挡绝缘板的材料为酚醛树脂或环氧树脂，介电常数为3.2～5.0，击穿电压在13kv/mm以上。
5.根据权利要求1所述的高压电场低温等离子体冷杀菌激发装置，其特征在于：上下两个平行电极和介质阻挡绝缘板无间隙紧密接触，两个绝缘板之间的距离根据需要杀菌包装盒的高度可调整。
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