CN111010790A - 一种介质阻挡放电等离子体反应器及杀菌装置 - Google Patents

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CN111010790A CN201911236496.1A CN201911236496A CN111010790A CN 111010790 A CN111010790 A CN 111010790A CN 201911236496 A CN201911236496 A CN 201911236496A CN 111010790 A CN111010790 A CN 111010790A
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宋佳赟
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Abstract

本申请实施例公开了一种介质阻挡放电等离子体反应器，所述介质阻挡放电等离子体反应器包括放电介质管、高压电极、接地电极；其中，所述放电介质管为中通圆筒结构；所述高压电极卷成筒状与放电介质管内壁紧密贴附并固定于所述放电介质管内部；所述接地电极紧密贴附于所述放电介质管外壁。本申请实施例还公开了一种包括上述介质阻挡放电等离子体反应器的介质阻挡放电等离子体杀菌装置，通过所述装置的高压供电模块向所述介质阻挡放电等离子体反应器供电，使放电介质管的外表面形成沿面介质阻挡放电，将局域空气电离形成等离子体，利用放电等离子体的带电粒子与活性基团效应杀灭有害微生物。

Description

一种介质阻挡放电等离子体反应器及杀菌装置
技术领域
本申请实施例涉及一种杀菌装置的设计，尤其涉及一种介质阻挡放电等离子体反应器及杀菌装置。
背景技术
自然界中微生物无处不在，其中包括细菌、有害微生物等对人体有害的病原体，因此，需要提供一种杀菌方法及杀菌装置来消除对人体有害的病原体。目前传统的杀菌或杀毒方式主要包括：(1)高温消毒，主要是采用沸水、高温柜等方式进行高温杀菌，但是在使用高温消毒时需要耗费较长的时间，且高温消毒的方式对耐热菌基本无效；(2)臭氧杀菌，主要是利用臭氧实现杀菌，但是在从采用臭氧杀菌方式进行杀菌时，高浓度的臭氧会对人体产生危害，因此在利用臭氧杀菌方式进行杀菌时，需要将处理区域与人做时间或空间上的隔离；(3)紫外线杀菌，主要利用紫外线进行杀菌，在利用紫外线杀菌方式进行杀菌时，长期暴露于紫外线环境中会对人体产生危害，需要将处理区域与人做时间或空间上的隔离；(4)化学消毒，采用化学消毒时普遍存在消毒剂残留的问题，会导致环境污染、人员中毒等情况的发生；(5)高强度气体放电杀菌，主要利用千伏甚至万伏高电压击穿电离区域的空气来杀灭一定范围内的有害微生物，该方法存在高电压暴露、实现成本高、臭氧副产物等弊端。近年来，人们对于生活及工作环境质量的要求日益增长，需要提供一种更日常化、小型化、便捷化的杀菌方法及装置。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供了一种介质阻挡放电等离子体反应器及杀菌装置。
本申请实施例提供一种介质阻挡放电等离子体反应器，所述介质阻挡放电等离子体反应器包括放电介质管、高压电极、接地电极；其中，
所述放电介质管为中通圆筒结构；
所述高压电极卷成筒状与放电介质管内壁紧密贴附并固定于所述放电介质管内部；
所述接地电极紧密贴附于所述放电介质管外壁。
在本申请一可选实施方式中，所述放电介质管由绝缘材料制成。
在本申请一可选实施方式中，所述高压电极为导电金属片或导电金属网；所述接地电极为导电金属网。
在本申请一可选实施方式中，所述介质阻挡放电等离子体反应器还包括高压电极弹片和/或接地电极弹片。
本申请实施例还提供一种介质阻挡放电等离子体杀菌装置，所述装置包括：介质阻挡放电等离子体反应器、高压供电模块；所述介质阻挡放电等离子体反应器包括放电介质管、高压电极、接地电极、高压电极弹片、接地电极弹片；
所述高压供电模块通过高压供电线路连接所述介质阻挡放电等离子体反应器的高压电极弹片，用于向所述介质阻挡放电等离子体反应器供电。
在本申请一可选实施方式中，所述高压供电模块的输出的信号为高频交流高压信号。
在本申请一可选实施方式中，所述装置还包括风扇和低压供电模块；其中，
所述风扇用于在所述装置中形成气流，将待处理空气引入所述装置并将处理完的空气导出所述装置；
所述低压供电模块用于向所述风扇供电。
在本申请一可选实施方式中，所述装置还包括预过滤模块，用于对进入所述装置的气流进行预过滤。
本申请实施例提供一种介质阻挡放电等离子体杀菌方法，应用于上述实施例所述的介质阻挡放电等离子体杀菌装置，所述装置包括：介质阻挡放电等离子体反应器、高压供电模块；所述介质阻挡放电等离子体反应器包括放电介质管、高压电极、接地电极、高压电极弹片、接地电极弹片；其中，所述方法包括：
通过高压供电线路连接所述高压供电模块与所述介质阻挡放电等离子体反应器的高压电极弹片，向所述介质阻挡放电等离子体反应器供电。
在本申请一可选实施方式中，所述方法还包括：通过所述高压供电模块的输出高频交流高压信号。
本申请实施例的技术方案，提供一种介质阻挡放电等离子体反应器，所述介质阻挡放电等离子体反应器包括放电介质管、高压电极、接地电极；其中，所述放电介质管为中通圆筒结构；所述高压电极卷成筒状与放电介质管内壁紧密贴附并固定于所述放电介质管内部；所述接地电极紧密贴附于所述放电介质管外壁。如此，能够保证介质阻挡放电等离子体反应器的高压电极不外露，提高杀菌过程的安全性，还能够增大介质阻挡放电等离子体反应器的放电面积和放电均匀性。通过提供一种介质阻挡放电等离子体杀菌装置，杀菌装置在使用过程中由于放电介质管的阻隔，高压电极与接地电极之间无法直接击穿放电，而是在放电介质管的外表面形成沿面介质阻挡放电，将局域空气电离形成等离子体，利用放电等离子体的活性基团及带电粒子效应对有害微生物进行杀灭，实现杀菌效果。
附图说明
图1为本申请实施例提供的介质阻挡放电等离子体反应器示意图一；
图2为本申请实施例提供的介质阻挡放电等离子体反应器示意图二；
图3为本申请实施例提供的介质阻挡放电等离子体杀菌装置示意图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本申请的特点与技术内容，下面结合附图对本申请的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请。
在一种实施方式中，通过施加强电场或电压的方式电离空气形成活性基团及带电粒子，从而实现杀菌效果。具体的，采用针电极电晕放电的方式实现杀菌，其中，针电极电晕放电一般以直流电驱动，通过针尖尖端的强电场实现气体的电离。该实施方式在电压驱动方式的设计上相对简单，但是在实施时会存在明显的问题：(1)针电极电晕放电的区域仅局限于针尖尖端，因此只能在针尖尖端极小的范围内形成较高浓度的活性基团及带电粒子。若需要扩大放电范围，需要通过设置针电极阵列来实现，导致放电结构的体积难以小型化；(2)高压电极暴露在外边，存在一定的安全性问题；(3)针电极电晕放电空间电场极度不均匀，在外部的干扰下容易发生局部放电异常增强，甚至引起“打火”的火花放电，引起副产物增多、“打火”噪声等问题，影响使用体验。
基于对上述实施方式存在的问题的分析，提出本申请的各个实施例。
图1为本申请实施例提供的介质阻挡放电(DBD，Dielectric Barrier Discharge)等离子体反应器示意图一，图2为本申请实施例提供的介质阻挡放电等离子体反应器示意图二，其中，图1为所述介质阻挡放电等离子体反应器的左视图，图2为所述介质阻挡放电等离子体反应器的主视图。如图1和图2所示，所述介质阻挡放电等离子体反应器包括放电介质管101、高压电极102、接地电极103；其中，
所述放电介质管101为中通圆筒结构；
所述高压电极102卷成筒状与放电介质管101内壁紧密贴附并固定于所述放电介质管101内部；
所述接地电极103紧密贴附于所述放电介质管101外壁。
具体的，本申请实施例提供的介质阻挡放电等离子体反应器中，放电介质管为中通圆筒结构，高压电极卷成筒状固定于放电介质管内部并与放电介质管内壁紧密贴附，接地电极紧密贴附于放电介质管外壁。当对介质阻挡放电等离子体反应器通电后，放电介质管外层表面与接地电极的空隙处将发生放电，形成沿面介质阻挡放电。
本申请一可选实施方式中，所述放电介质管101由绝缘材料制成。
这里，中通圆筒结构的放电介质管可以采用石英玻璃、耐温硅硼玻璃、聚四氟乙烯、有机玻璃、陶瓷等任意一种或多种绝缘材料制成。
本申请一可选实施方式中，所述高压电极102为导电金属片或导电金属网；所述接地电极为导电金属网。
本申请一可选实施方式中，所述介质阻挡放电等离子体反应器还包括高压电极弹片104和/或接地电极弹片105。
这里，高压电极弹片用于将外部电源的正极与介质阻挡放电等离子体反应器连接，接地电极弹片用于将外部电源的负极与介质阻挡放电等离子体反应器连接。
通过将介质阻挡放电等离子体反应器接外部电源，且外部电源一般为交流电源。对介质阻挡放电等离子体反应器通电后，能够放电介质管的外表面形成沿面介质阻挡放电，将局域空气电离形成等离子体，利用放电等离子体的活性基团及带电粒子效应杀灭有害微生物，实现杀菌效果。
本申请实施例提供的介质阻挡放电等离子体反应器的结构的优势主要包括以下两点：
(1)介质阻挡放电等离子体反应器的高压电极不外露，提高杀菌过程的安全性。
具体的，本申请实施例采用的中通圆筒结构的介质阻挡放电结构，将高压电极设置在放电介质管内部，通过电场与放电介质管壁的电荷作用，在介质阻挡放电等离子体反应器的外部形成放电，介质阻挡放电等离子体反应器结构中的高压电极不外露。放电介质管的外层为接地电极，通过将接地电极保持零电位，能够使介质阻挡放电等离子体反应器符合本征安全设计，增加杀菌过程的安全性。
(2)增大介质阻挡放电等离子体反应器的放电面积和放电均匀性。
在大气压状态下，由于难以保证空间电场的均匀分布，一般结构的高电压气体放电一般为丝状放电形式。丝状放电形式下，放电的面积较小，且在放电空间中，放电强度在放电空间中的分布不均匀。因此，丝状放电模式的放电等离子体的杀菌效应仅局限于丝状放电通道附近范围内，放电均匀性较差，不利于大面积杀菌效能的提高。而采用本申请实施例的沿面介质阻挡放电结构，在介质层壁电荷的作用下，介质层表面电场较为均匀，放电将会以“爬电”的方式沿着介质层表面弥散式发展，可在较大面积下形成放电等离子体且强度分布较为均匀，并且能在较大范围内同时产生大量活性基团及带电粒子，大幅度提高杀菌效率。
图3为本申请实施例提供的介质阻挡放电等离子体杀菌装置示意图。如图3所示，所述装置包括：介质阻挡放电等离子体反应器100、高压供电模块301；所述介质阻挡放电等离子体反应器100包括放电介质管101、高压电极102、接地电极103、高压电极弹片104、接地电极弹片105；其中，
所述高压供电模块301通过高压供电线路连接所述介质阻挡放电等离子体反应器100的高压电极弹片104，用于向所述介质阻挡放电等离子体反应器100供电。
本申请实施例中，介质阻挡放电等离子体反应器100用于产生高频沿面介质阻挡放电等离子体。
本申请一可选实施方式中，所述高压供电模块301的输出的信号为高频交流高压信号。
具体的，高压供电模块经由高压供电线路与高压电极弹片向介质阻挡放电等离子体反应器的高压电极施加高频交流高压信号。通过高频交流高压信号驱动沿面介质阻挡放电形成等离子体。由于放电介质管的阻隔，高压电极与接地电极之间无法直接击穿放电，而是在放电介质管的外表面形成沿面介质阻挡放电，将局域空气电离形成等离子体，利用放电等离子体的活性基团及带电粒子的效应对有害微生物进行杀灭。
需要说明的是，采用工频介质阻挡放电方法时，气体电离阈值很高，只能通过增高激励电压保证生成充足的活性基团及带电粒子。但激励电压过高会产生放电副产物的产生。具体的，激励电压过高，将导致放电区域电场强度过大，使放电过程中电子能量偏高，进而引发氧分子电离、活性氧与氧离子结合，最终产生大量臭氧。本申请一可选实施方式中，采用高频控压技术，利用高频交流高压信号驱动沿面介质阻挡放电(SDBD，Surfacedielectric barrier discharge)。通过对介质阻挡放电等离子体反应器施加高频交流高压信号，能够在放电介质管表面形成快速交变电场。在快速交变的电场作用下，带电粒子在放电区域内来回频繁振荡，增强带电粒子间碰撞反应的可能。一方面，由于带电粒子间频繁碰撞反应，电子的动能无法到达很高，从而使电子能量得到抑制，高能电子的减少也就抑制了产生臭氧的化学反应，起到了降低副产物的效果。另一方面，带电粒子的往复运动也增大了与中性气体分子的碰撞电离几率，因此在更低的驱动电压下，就能维持足够的放电强度与粒子浓度，有效降低了驱动电压的幅值，有助于能耗的降低。
可选的，高压供电模块输出交流电压信号的频率为20k赫兹(Hz)。
本申请一可选实施方式中，所述装置还包括风扇302和低压供电模块303；其中，
所述风扇302用于在所述装置中形成气流，将待处理空气引入所述装置并将处理完的空气导出所述装置；
所述低压供电模块303用于向所述风扇302供电。
具体的，所述低压供电模块与风扇连接，为风扇供电；所述风扇在介质阻挡放电等离子体杀菌装置形成气流，将通过入风口进入的待处理空气引入介质阻挡放电等离子体杀菌装置中，当杀菌过程结束后，风扇形成的气流将处理完空气通过出风口导出介质阻挡放电等离子体杀菌装置。
本申请一可选实施方式中，所述装置还包括预过滤模块304，用于对进入所述装置的空气进行预过滤。
具体的，所述预过滤模块通过将通过预过滤模块的空气进行预过滤，防止空气中的杂物进入杀菌装置中。
本申请实施例提供的介质阻挡放电等离子体杀菌装置通过电离空气，在放电介质管附近形成放电区域，产生放电等离子体。放电等离子体可以在放电区域中形成丰富的带电粒子与活性基团，利用放电等离子体的活性基团及带电粒子的复合效应实现杀菌效果。具体原理如下：
(1)利用放电等离子体中的活性基团实现杀菌。
具体的，放电等离子体在放电区域中形成如O2-、O-、H+等离子以及活性O原子、OH羟基、NO氮氧自由基等活性基团。其中，活性O原子、OH羟基、NO氮氧自由基等活性基团具有很高的氧化性，与细菌表面成分接触时会发生复杂的生物化学反应，使细菌的细胞膜成分变性，影响细菌的正常生命活动，使细菌失活；同时，放电区域附近高浓度的活性基团也会影响细菌细胞的分裂过程，使细菌分裂增生周期停滞或凋亡。
(2)利用放电等离子体中的带电粒子实现杀菌。
具体的，放电等离子体在放电区域中形成带电粒子。带电粒子的存在导致细菌细胞膜的表面电压变化，改变细菌细胞膜的通透性，使中性活性粒子更容易进入细菌的细胞内部从而发挥更强的杀菌作用。
需要说明的是，在放电区域附近，例如几厘米的范围内，放电等离子体的活性基团及带电粒子的复合效应较强，能够实现对介质阻挡放电等离子体杀菌装置内部流经气流中的细菌产生有效的杀灭作用；在脱离放电区域7～10cm及以外的范围内，活性基团及带电粒子在空气中快速蜕变衰减，活性基团及带电粒子的浓度下降到一般空气状态，保证人体靠近装置时也不会对人体安全产生影响。
本申请实施例提供的介质阻挡放电等离子体杀菌装置接通电源后，通过低压供电模块向风扇供电使风扇开始工作，通过风扇将待处理空气吸入装置内部；同时高压供电模块经由高压供电线路与高压电极弹片向介质阻挡放电等离子体反应器的高压电极施加高频交流高压信号。由于放电介质管的阻隔，高压电极与接地电极之间无法直接击穿放电，而是在放电介质管的外表面形成沿面介质阻挡放电，将局域空气电离形成等离子体，利用放电等离子体的带电粒子与活性基团效应对有害微生物进行杀灭。装置中的结构与功能设计采用了高频控压技术，可降低沿面介质阻挡放电的维持电压，可降低驱动所需高频交流高压信号的电压，并抑制放电副产物臭氧的产生。
本申请实施例提供的介质阻挡放电等离子体杀菌装置在启动电源后立即在装置内产生气体放电等离子体，形成杀菌效果；断开杀菌装置的电源后，气体放电立即终止。整个使用过程杀菌效率高，杀菌装置结构中的高压电极不外露，不会存在残留或二次污染问题。
本申请实施例还提供一种介质阻挡放电等离子体杀菌方法，应用于介质阻挡放电等离子体杀菌装置，所述装置包括：介质阻挡放电等离子体反应器、高压供电模块；所述介质阻挡放电等离子体反应器包括放电介质管、高压电极、接地电极、高压电极弹片、接地电极弹片；其中，所述方法包括：
通过高压供电线路连接所述高压供电模块与所述介质阻挡放电等离子体反应器的高压电极弹片，向所述介质阻挡放电等离子体反应器供电。
本申请一可选实施方式中，所述方法还包括：通过所述高压供电模块的输出高频交流高压信号。
本申请一可选实施方式中，所述所述装置还包括风扇，所述方法还包括：通过所述风扇在所述装置中形成气流，将待处理空气引入所述装置并将处理完的空气导出所述装置。
本申请一可选实施方式中，所述装置还包括低压供电模块；所述方法还包括：通过所述低压供电模块向所述风扇供电。
本申请一可选实施方式中，所述装置还包括预过滤模块；所述方法包括：
通过所述预过滤模块对进入所述装置的气流进行预过滤。
本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和智能设备，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个第二处理单元中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种介质阻挡放电等离子体反应器，其特征在于，所述介质阻挡放电等离子体反应器包括放电介质管、高压电极、接地电极；其中，
所述放电介质管为中通圆筒结构；
所述高压电极卷成筒状与放电介质管内壁紧密贴附并固定于所述放电介质管内部；
所述接地电极紧密贴附于所述放电介质管外壁。
2.根据权利要求1所述的介质阻挡放电管，其特征在于，所述放电介质管由绝缘材料制成。
3.根据权利要求1所述的介质阻挡放电管，其特征在于，所述高压电极为导电金属片或导电金属网；所述接地电极为导电金属网。
4.根据权利要求1至3任一项所述的介质阻挡放电管，其特征在于，所述介质阻挡放电等离子体反应器还包括高压电极弹片和/或接地电极弹片。
5.一种介质阻挡放电等离子体杀菌装置，其特征在于，所述装置包括：介质阻挡放电等离子体反应器、高压供电模块；所述介质阻挡放电等离子体反应器包括放电介质管、高压电极、接地电极、高压电极弹片、接地电极弹片；
所述高压供电模块通过高压供电线路连接所述介质阻挡放电等离子体反应器的高压电极弹片，用于向所述介质阻挡放电等离子体反应器供电。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述高压供电模块的输出的信号为高频交流高压信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括风扇和低压供电模块；其中，
所述风扇用于在所述装置中形成气流，将待处理空气引入所述装置并将处理完的空气导出所述装置；
所述低压供电模块用于向所述风扇供电。
8.根据权利要求5至7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括预过滤模块，用于对进入所述装置的气流进行预过滤。
9.一种介质阻挡放电等离子体杀菌方法，其特征在于，应用于介质阻挡放电等离子体杀菌装置，所述装置包括：介质阻挡放电等离子体反应器、高压供电模块；所述介质阻挡放电等离子体反应器包括放电介质管、高压电极、接地电极、高压电极弹片、接地电极弹片；其中，所述方法包括：
通过高压供电线路连接所述高压供电模块与所述介质阻挡放电等离子体反应器的高压电极弹片，向所述介质阻挡放电等离子体反应器供电。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述高压供电模块的输出高频交流高压信号。
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