CN111148334A - 便携式干电池供电直流电晕灭菌笔 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式干电池供电直流电晕灭菌笔，包括电源系统单元、空气输送单元以及电晕放电单元；所述电源系统单元包括干电池、电源电路；所述空气输送单元包括气泵；所述电晕放电单元采用针网式直流正负电晕放电；所述干电池一方面为气泵供电使气泵工作，另一方面通过电源电路，最后输出千伏级的直流高压给电晕放电单元，电晕放电单元将气泵泵出的空气完成电晕放电，产生低温等离子体，输出灭菌笔对菌种进行灭活处理。本发明克服了目前大多等离子体产生设备体积庞大、功率消耗高等缺点，只需在正常大气压条件下、不需要外接惰性气体即可实现灭菌。设备体积小、易携带、效能好，可广泛应用于杀菌消毒的多种场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携式干电池供电直流电晕灭菌笔，属于卫生领域。
背景技术
大气压低温等离子体如今是众多学者研究的热点之一，尤其在等离子体生物 医学方面。相比于低气压等离子体，常压等离子体的产生不需要维持低压状态， 使得产生条件不那么苛刻。而又由于生命体对温度十分敏感，所以应用于此领域 的常压等离子体还应是接近于室温的低温等离子体。经过近些年常压低温等离子 体在生物医学领域的迅速发展，现以广泛应用于消毒与灭菌、生物材料表面改性、 生物诱变育种以及临床治疗等方面。
常压低温等离子体的产生方式有多种，常用的几种有常压电晕放电、常压介 质阻挡放电和常压等离子体射频射流等。产生的等离子体含有大量高速电子、离 子和自由基，同时还会释放紫外线等，当细菌或病毒细胞受到带电粒子的作用时， 细菌或病毒在等离子体高频电磁场、高能量粒子、自由基以及紫外线的作用、轰 击和辐照下，其电荷分布被彻底破坏，如细胞壁、细胞核被电击穿，其上的电荷 分布受到破坏，就直接影响细菌或病毒细胞的生理活动和新陈代谢，最终导致被 处理物品表面上造成细菌病毒迅速死亡，以达到消毒灭菌的作用。而常规的医疗 器械灭菌通常在高温高压的条件下进行，这并不适用于许多热敏材料与设备；而 化学灭菌往往操作时间长，灭菌不彻底，以及易造成二次污染等。相较于以上灭 菌方式，常压等离子体具有广谱抗菌特性，对绝大多数病菌都具有显著灭菌效果；灭菌效率高，达到无菌保证水平一般只需要几分钟；等离子气体温度接近室温， 可应用于生命体、热敏材料设备灭菌。
而目前所出现的等离子体灭菌设备如中国专利(专利号201710472377.0)， 其公开的一种低温等离子体灭菌笔克服了传统固定式灭菌设备的不可移动性，可 对处理对象无死角灭菌，且采用介质阻挡放电。利用气体控制单元将气体输送至 笔头管腔内，管腔内存在一组金属电极，每组金属电极均有两个金属分别与电源 正负极连接，并且其中一个金属有绝缘介质包裹，构成单介质的介质阻挡放电， 产生等离子体效率相对高。但采用介质阻挡放电消耗的功率也相对高，且为了保 证其放电效果，直流电源放电效果十分微弱，多采用交流电源供电。若内置电源， 则高功耗会致其放电寿命短；若外接电源，则失去了灭菌笔的便携性。
又如一种新型等离子体笔(专利号200810191718.8)，其同样采用介质阻挡 放电，通过射频或高频电源为其供电，以氩气或氦气为工质。其主体内部包含一 个或多个绝缘介质管，介质管内外分别设有电极，其中一个电极与电源连接，当 气体泵入介质管时内外电极放电，产生的等离子体向壳体外喷出。该发明实现了 对皮肤表面的灭菌和消毒，并且无二次污染。但其采用氩气或氦气放电，同样增 加了放电的成本；而其电源功率在100W以内，并不算低，且高频电源的体积与 制作成本不容忽视。
而中国专利(专利号95227794.8)中公开了一种利用电晕放电产生臭氧来净 水灭菌的灭菌器，其反应器含有金属外管和金属内芯，利用之间的间隙电晕放电 制造臭氧，然后通过负压与自来水混合，以达到净水除菌的效果。但是该发明体 积较大，设备要求高、耗能大，不具备便携性。
发明内容
本发明采用大气压电晕放电产生等离子体，以空气作为其工作介质，以直流 电源为其供电，在设计的电路系统下，达到工作电压放电作用于空气产生等离子 体。相较于常压介质阻挡放电，电晕放电具有高电压(千伏量级)低电流(微安 量级)的特性，使得其处理效率高且又更加安全。
本发明的技术方案如下：
一种便携式干电池供电直流电晕灭菌笔，包括电源系统单元、空气输送单元 以及电晕放电单元；所述电源系统单元包括干电池、电源电路；所述空气输送单 元包括气泵；所述电晕放电单元采用针网式直流正负电晕放电；所述干电池一方 面为气泵供电使气泵工作，另一方面通过电源电路，最后输出千伏级的直流高压 给电晕放电单元，电晕放电单元将气泵泵出的空气完成电晕放电，产生低温等离 子体，输出灭菌笔对菌种进行灭活处理。
上述电晕放电单元采用针网式直流正负电晕放电；包括绝缘管以及设置在绝 缘管内的金属电极，绝缘管的出口处采用金属网封口，且出口处为收口状。
上述金属电极为单根或者多根。
上述金属电极的材料为钨、铟、不锈钢中的一种或者多种。
作为一种方式，上述电源电路包括BUCK降压电路、信号发生与控制电路 一、气泵驱动电路一、逆变升压电路一、倍压整流电路一；
所述干电池依次连接逆变升压电路一和倍压整流电路一，倍压整流电路一连 接电晕放电单元；
所述干电池依次连接降压电路和信号发生与控制电路；所述信号发生与控制 电路通过外部控制信号电路控制，分别通过第二PWM驱动模块连接气泵驱动电 路和通过第一PWM驱动模块连接逆变升压电路，所述气泵驱动电路驱动气泵工 作。
本发明所达到的有益效果：
本发明克服了目前大多等离子体产生设备体积庞大、功率消耗高等缺点，只 需在正常大气压条件下、不需要外接惰性气体即可实现灭菌。设备体积小、易携 带、效能好，可广泛应用于杀菌消毒的多种场合。
附图说明
图1是本发明的装置框架图；
图2是本发明的结构示意图；
图3是电晕放电单元的结构示意图；
图4是实施例的电源电路的系统框图；
图5是BUCK降压电路的电路图；
图6是逆变升压电路的电路图；
图7是PWM驱动模块的电路图；
图8是倍压整流电路正电晕放电的电路图；
图9是倍压整流电路负电晕放电的电路图；
图10是正电晕放电原理图；
图11是负电晕放电原理图；
图12外部控制信号电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本 发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1、图2所示，一种便携式干电池供电直流电晕灭菌笔，其特征在于包 括电源系统单元、空气输送单元以及电晕放电单元；所述电源系统单元包括干电 池、电源电路；所述空气输送单元包括气泵；所述电晕放电单元采用针网式直流 正负电晕放电；所述干电池一方面为气泵供电使气泵工作，另一方面通过电源电 路，最后输出千伏级的直流高压给电晕放电单元，电晕放电单元将气泵泵出的空 气完成电晕放电，产生低温等离子体，输出灭菌笔对菌种进行灭活处理。
如图2、图3所示，电晕放电单元采用针网式直流正负电晕放电；包括绝缘 管1以及设置在绝缘管1内的金属电极2，绝缘管1的出口处采用金属网3封口， 且出口处为收口状。稳定输出电压在2-10kV，材料选用针状金属(钨、铟、不 锈钢等)作为高压电极，出口处金属网3接地，高压电极2与金属网3地极的距 离范围为5.00-10.00mm。同时，出口处设计成收口状，金属电极2被石英管环 绕，以确保产生的等离子体能从出口集中释放。而后侧风机气泵为放电提供工作 气体——空气，并将产生的等离子体送出反应腔，作用于需要处理的菌种。装置 后部安放电池，并且金属外壳与螺帽采用螺纹连接。当电源开关打开时，气泵风机启动，从装置外吸入空气，同时在升压模块使得放电电压达到起晕电压时，开 始电晕放电，最终电压维持在2-10kv。
本装置可以采用单针放电与多针放电两种形式。
采用单针电极放电，可以保证本装置体积小、便携等特点，同时可以避免采 用多针放电，导致的两相邻的针电极之间对彼此的电场产生影响，从而避免直接 降低电晕放电的电晕强度。
采用多针电极的放电处理区域，或增强放电区域的稳定性与放电的能量密度 的效果。
每一种金属都有其独特的金属特性，该装置中可采用钨、铟、不锈钢等金属 作为高压电极材料。
采用高纯度钨针(99.9％)作为放电的高压电极，因为钨的化学性质、物理 性质稳定：常温下钨在空气中稳定，在400-500℃才形成致密氧化膜，实际电晕 放电根本无法达到这个温度。硬度大，熔沸点高，电子发射性能良好，二次电子 发射系数(即离子或光子高能状态下轰击钨金属表面发射出的电子数与入射的离 子数之比)为1.4δm，能够二次发射较多电子，增强放电效果。且钨针的电阻约 比铜大3倍，保证了电晕放电回路电流处于较低水平，更具安全性。
同时，针电极材料也可采用铟作为电极材料，从常温到熔点之间，铟与空气 中的氧作用缓慢，表面形成极薄的氧化膜，温度更高时，与氧、卤素、硫、硒、 碲、磷作用。铟在空气中的氧化作用很慢。
金属网在此装置中作为地极，对其材料并无严格要求，此处选用市面上常用 的不锈钢金属网等等。
如图3所示，包括绝缘管以及设置在绝缘管内的金属电极，绝缘管的出口处 采用金属管封口，且出口处为收口状。
实施案例：
如图4所示，电源电路包括降压电路、信号发生与控制电路、气泵驱动电路、 逆变升压电路、倍压整流电路；
所述干电池依次连接逆变升压电路和倍压整流电路，倍压整流电路连接电晕 放电单元；
所述干电池依次连接降压电路和信号发生与控制电路；所述信号发生与控制 电路通过外部控制信号电路控制，分别通过第二PWM驱动模块连接气泵驱动电 路和通过第一PWM驱动模块连接逆变升压电路，所述气泵驱动电路驱动气泵工 作。降压电路可以采用Buck降压电路，也可以采用常规线性降压电路。
下文是每个电路的具体阐述。
降压电路：
如图5所示，Buck降压电路将降低电池输出电压并稳定至适合后方工作模 块的电压输出Buck降压电路输入输出电压关系如下，其中功率开关管驱动信号 的占空比为D1，续流二极管驱动信号的占空比为D2。
通过调节PWM输入占空比D1即可调节合适输出电压。
逆变升压电路：
如图6所示，本发明采用NE555定时器芯片作为震荡器，工作电压5V，通 过调节Rp来控制输出频率，可达300kHz，同时采用过流熔断电阻R6保护，通 过555芯片reset脚接PWM波调制占空比，低逻辑电位会重置定时器，进而可 以控制芯片正常工作，进而调控输入U3管的方波，再由C4,C5组成的电容和U3晶闸管，变压器T可以使得实现DC-AC的变换,变压器后端接入倍压整流即可使 电压Vout(Vout为300-600V)进行放大。
信号发生与控制电路：
如图7所示，PWM控制电路通过输出不同占空比的PWM达到控制装置工 作档位的作用。通过PWM的占空比调控控制其工作挡位：一档至四档，各挡位 占空比分别是20％，40％，60％，80％。
具体实现为：在图7中利用施密特触发器，上升沿D触发器产生占空比为 50％的方波脉冲，通过反向积分电路输出端得到三角波信号。三角波与可调输入 电压VR通过比较器达到输出可调控占空比的PWM信号的功能。
倍压整流电路：
逆变升压电路输出后接入倍压整流电路，经过倍压整流电路的整流以及倍压 作用后输出给反应器供电。
如图8所示为正电晕放电装置所用的倍压整流电路，前一级逆变升压电路输 出电压Vout(Vout为300-600V)，则经过该倍压整流后输出电压可达
(3000-6500V)，可直接给反应装置供电。
采用负电晕放电方案时，倍压整流电路如图9。
电晕放电单元及灭菌原理：
电晕，又称单极放电，发生在电击穿点之前的电气上受压状态，在尖端附近 存在高电场区。而本装置可分别采用正负高压进行电晕放电，正负电晕在本质上 具有很大区别，从其形貌上就能够表现出来，不同的电晕放电类型对等离子体的 产生有不同的影响，以下讨论该装置的两种电晕放电类型。
电晕放电单元基本原理：
正空气电晕放电的基本原理：
如图10所示，在正高压的激励下，电晕层内强电场中激发粒子的光辐射产 生电子，即光致电离，所形成的电子在电晕层中引起雪崩放电，产生大量激发和 电离，最后电子被阳极收集，正离子经过电晕层，在高压电场的作用下进入电晕 外围漂移区向阴极迁移，正离子在移动过程中碰撞到中性粒子，致使其共同向阴 极移动，从而形成正电晕的离子风，其物理过程过程通常用流注理论解释。图 12为正电晕放电基本原理图。
当等离子体贯穿阴阳两极时，微弱的放电电流会在两级之间流动，当稳定后 形成流注，在该非均匀场中的流注呈线丝状，且会产生发光部分，并带有连续的 噪声。正空气电晕放电产生的离子风速大，灭菌效果明显。
负空气电晕放电的基本原理：
如图11所示，相较于正电晕放电，负空气电晕放电的起晕电压要求较低， 在负高压的激励时，针状阴极电晕发光区存在较强的电离和激发，电流密度大， 电子向阳极移动，相比于正电晕放电中的阳离子的移动，电子运动速率更大，所 以负电晕放电的起晕电压更低。同时，因为电晕区阳离子的质量比电子大很多， 所以阳离子的移动速度相比于电子近似0。而负电晕的外围漂移区只存在单一的 带负电的粒子，因为空气中的氧含量较大，且与电子具有亲和力，这时电子易与 氧分子结合生成负氧离子，在电场力的作用下碰撞中性分子一同向阳极移动，形 成负电晕离子风。
负电晕形成机理一般用汤森放电理论来说明，图11为负电晕放电基本原理 图。
空气电晕放电产生的活化粒子：
在电晕放电的过程中主要产生以下三种强氧化物质：
a.高能粒子：在强电场的作用下，电极尖端将产生一定能量的电子，电子能 量与微放电发生时，电极所加电场强度有关。
b.氧原子：具有一定能量的电子与空气中的氧分子碰撞引起氧气分子的解离， 产生氧原子，反应式如下：
e+O2→2O+e
c.臭氧：具有一定能量的氧原子和氧气分子碰撞，反应生成臭氧，反应式如 下：
O+O2+M→O3+M
其中M表示第三种参与的分子。
故正负电晕放电主要产生的三种强氧化物质为：高速高能电子、氧原子以及 臭氧。并且，在高压的作用下电子发生跃迁同时释放大量紫外光。
等离子体灭菌原理：
等离子态是物质的第四态，拥有许多特殊的性质。通常人们接触到的物质状 态无非是固态、液态和气态，但只要给物质提供足够的能量，它就有可能变成等 离子态。在等离子状态下，物质被电离成离子和电子，这些粒子不断地吸收和释 放着能量，致使大量分子或原子都处于亚稳态，从而表现出在常态下所没有的性 质。等离子体灭菌就是利用了这一原理，将过氧化氢蒸气电离成氢氧自由基、过 羟基自由基以及激发态的过氧化氢分子。这些处于亚稳态的粒子拥有较高的活性， 能够轻松杀死物品表面的细菌和病毒。同时粒子从亚稳态变为稳态的过程中还会 释放出紫外线，加强灭菌效果。
等离子体对细菌有高效的杀灭效果，这可能是因为空气中大气压放电会产生 化学活性物质：氧离子和其他带电物质如N+，NO-，NO+，羟基和氢过氧基(OH 和HO2)，氢过氧化物(H2O2)，一氧化二氮(N2O)和其他氮氧化物(NO，NO2，N2O4， N2O5)和中性物质，包括原子氧，臭氧和氧气单态的分子。且有研究指出活性粒 子(如O，OH，NO2)在灭菌中起了最主要的作用。
外部控制信号电路：
通过开关控制VR电位：
在图12中采用按压式开关SW1，VCC接上拉电阻R13，开关按压即可在CLK1处产生输入脉冲，据输入口D1的信息在时钟脉冲的上升沿传输到Q1口，
为Q1的相反电平，控制开关管Q4的通断，同理Q1电平脉冲传到CLK2端上升沿触发 把D2的电平传输到Q2，
为Q2的相反电平，控制开关管Q5的通断。通过两个 开关管控制，设置R15:R16＝1:2,VRA电压经过运算放大器由公式3可得输出VR， 设R15//R16＝R18,
VR通过外部脉冲控制信号输入CLK1端控制VR端输出电压，脉冲信号数 与VR及占空比的关系如表1(VRA＝0.5V)。
表1
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形， 这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种便携式干电池供电直流电晕灭菌笔，其特征在于包括电源系统单元、空气输送单元以及电晕放电单元；所述电源系统单元包括干电池、电源电路；所述空气输送单元包括气泵；所述电晕放电单元采用针网式直流正负电晕放电；所述干电池一方面为气泵供电使气泵工作，另一方面通过电源电路，最后输出千伏级的直流高压给电晕放电单元，电晕放电单元将气泵泵出的空气完成电晕放电，产生低温等离子体，输出灭菌笔对菌种进行灭活处理。
2.根据权利要求1所述的便携式干电池供电直流电晕灭菌笔，其特征在于所述电晕放电单元采用针网式直流正负电晕放电；包括绝缘管以及设置在绝缘管内的金属电极，绝缘管的出口处采用金属网封口，且出口处为收口状。
3.根据权利要求2所述的便携式干电池供电直流电晕灭菌笔，其特征在于所述金属电极为单根或者多根。
4.根据权利要求2所述的便携式干电池供电直流电晕灭菌笔，其特征在于所述金属电极的材料为钨、铟、不锈钢中的一种或者多种。
5.根据权利要求1所述的便携式干电池供电直流电晕灭菌笔，其特征在于所述电源电路包括降压电路、信号发生与控制电路、气泵驱动电路、逆变升压电路、倍压整流电路；
所述干电池依次连接逆变升压电路和倍压整流电路，倍压整流电路连接电晕放电单元；
所述干电池依次连接BUCK降压电路和信号发生与控制电路；所述信号发生与控制电路通过外部控制信号电路控制，分别通过第二PWM驱动模块连接气泵驱动电路和通过第一PWM驱动模块连接逆变升压电路，所述气泵驱动电路一驱动气泵工作。
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