CN112915231A - 等离子射流杀菌装置、设备及其应用 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种等离子射流杀菌装置、设备及其应用，所述等离子射流杀菌装置包括：相互连接的等离子发生机构以及导流机构；等离子发生机构包括绝缘筒、电极环、电极针以及介质管，绝缘筒的另一端封闭，电极针设于绝缘筒内并延伸电极环中用于产生等离子射流，介质管套设于电极针外，且沿电极针的周向包围电极针延伸至电极环内的端部，介质管采用绝缘材料制成，导流机构与绝缘筒的内腔连通并用于产生离子风对等离子射流进行吹导。本申请提供的等离子射流杀菌装置，使得等离子在放电区域外的针尖处聚集形成等离子射流，抑制电极环与电极针之间形成弧光放电或火花放电，在提升安全性的同时提升了等离子射流的长度，增强了等离子射流的杀菌效果。

Description

等离子射流杀菌装置、设备及其应用

技术领域

本申请属于杀菌装置技术领域，尤其涉及一种等离子射流杀菌装置设备及其应用。

背景技术

随着生活水平的提高，人们对于日常生活中的消毒杀菌的方式也提出了的新的要求。目前常用的放射线法、过滤法和化学法存在诸多弊端，包括对环境造成污染、药物残留、灭菌时间长灭菌效果不好等。

目前先进的低温灭菌方法是等离子体灭菌，其具有无药物残留、安全性高、灭菌时间短、灭菌效果显著等，并且对环境也不会造成其他负面的影响，值得进行研究和推广。

然而，等离子体杀菌技术，设备庞大、生产成本高昂，造成其应用受到了一定的限制。微型的等离子体放电装置营运而生，但是微型等离子体放电设备受到高压时，在紫铜电极与针电极之间极易形成弧光放电或火花放电，导致安全事故发生。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种等离子射流杀菌装置，以解决现有技术中存在的等离子射流杀菌装置容易产生弧光放电或火花放电的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：

本申请的第一方面，提供一种等离子射流杀菌装置，包括相互连接的等离子发生机构以及导流机构；

等离子发生机构包括绝缘筒、电极环、电极针以及介质管，电极环设于绝缘筒的一端，绝缘筒的另一端封闭，电极针设于绝缘筒内并延伸电极环中用于产生等离子射流，介质管套设于电极针外，且沿电极针的周向包围电极针延伸至电极环内的端部，介质管采用绝缘材料制成，导流机构与绝缘筒的内腔连通并用于产生离子风对等离子射流进行吹导。

根据本申请的一个实施例，绝缘筒内设有导流管，电极针具有延伸至针尖的贯通的气体流道，导流管的一端与导流机构连通另一端与气体流道连通。

根据本申请的一个实施例，介质管的外壁与电极环的内壁贴合。

根据本申请的一个实施例，介质管轴向延伸出电极环背离绝缘筒封闭端的端部。

根据本申请的一个实施例，介质管延伸出电极环端面的长度为1～5mm。

根据本申请的一个实施例，电极针穿过电极环的中心并与电极环的端面平齐。

根据本申请的一个实施例，导流机构包括多个依次连通的导流单元，导流单元包括外壳和设于外壳内的电极组，电极组包括相对设置的阴极和阳极，外壳通过设于绝缘筒外壁的进气口与绝缘筒内腔连通，阳极包括一金属网，金属针数量为一根，且垂直正对于金属网中心；或多根金属针环正对金属网，且绕金属网中心延长线均匀分布。

根据本申请的一个实施例，导流机构靠近进气口的一端还设有聚拢部，聚拢部的内径朝进气口的方向逐渐减小。

本申请的第二方面，提供了一种等离子射流杀菌设备，包括直流高压电源和上述的等离子射流杀菌装置，等离子发生机构以及导流机构均与直流高压电源连接。

本申请的第三方面，提供了一种如上所述的等离子射流杀菌装置在杀菌消毒中的应用。

本申请提供的等离子射流杀菌装置的有益效果在于：与现有技术相比，在电极针与电极环之间的放电空间设置介质管，以在电极环的表面形成一介质阻挡层阻挡放电，使得等离子在放电区域外的针尖处聚集形成等离子射流，抑制电极环与电极针之间形成弧光放电或火花放电，在提升安全性的同时，提升了等离子射流的长度，增强了等离子射流的杀菌效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的等离子射流杀菌装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的等离子发生机构的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的等离子发生机构的侧面剖视示意图；

图4为本申请实施例提供的等离子发生机构的透视结构示意图；

图5为本申请实施例提供的圆形介质管的等离子发生机构的横截面剖视结构示意图；

图6为本申请实施例提供的方形介质管的等离子发生机构的横截面剖视结构示意图；

图7为本申请实施例提供的导流单元剖视结构示意图；

图8为本申请实施例提供的导流单元侧视结构示意图；

图9为本申请另一实施例提供的导流单元剖视结构示意图；

图10为本申请另一实施例提供的导流单元侧视结构示意图；

图11为本申请实施例一提供的等离子发生机构射流电压测试电路图；

图12为本申请实施例一中未添加介质管的等离子发生机构产生的等离子射流的长度示意图；

图13为本申请实施例一中未添加介质管的等离子发生机构产生的球形等离子射流的长度示意图；

图14为本申请实施例一中添加介质管的等离子发生机构产生的等离子射流的长度示意图；

图15为本申请实施例一中添加介质管的等离子发生机构产生的球形等离子射流的长度示意图；

图16为本申请实施例一中未添加介质管的等离子发生机构在施加正直流高压和负直流高压时的伏安特性曲线；

图17为本申请实施例一中添加介质管的等离子发生机构在施加正直流高压和负直流高压时的伏安特性曲线；

图18为本申请实施例二中导流机构不加电压时的等离子发生机构产生的等离子射流的长度示意图；

图19为本申请实施例二中导流机构加电压时的等离子发生机构产生的等离子射流的长度示意图；

图20为本申请实施例三中导流机构不施加电压、等离子发生机构施加不同电压的对大肠杆菌灭菌实验的效果对比图；

图21为本申请实施例三中导流机构不施加电压、等离子发生机构施加不同电压的对金黄色葡萄球菌灭菌实验的效果对比图；

图22为本申请实施例四中不同灭菌时间等离子射流装置对大肠杆菌的灭菌实验的效果对比图；

图23为本申请实施例四中不同灭菌时间等离子射流装置对金黄色葡萄球菌的灭菌实验的效果对比图。

其中，图中各附图标记：

100-等离子射流杀菌装置；1-等离子发生机构；2-导流机构；3-绝缘筒；4-电极环；5-电极针；6-介质管；7-进气口；8-导流单元；9-外壳；10-电极组；11-阴极；12-阳极；13-金属针；14-金属网；15-金属针；16-金属网；17-聚拢部；18-导流管。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请一并参阅图1及图2，现对本申请实施例提供的等离子射流杀菌装置进行说明。本实施例中的等离子射流杀菌装置100包括：相互连接的等离子发生机构1以及导流机构2。具体的，等离子发生机构1包括绝缘筒3、电极环4、电极针5以及介质管6。电极环4设于绝缘筒3的一端，绝缘筒3的另一端封闭，电极针5设于绝缘筒3内并延伸至电极环4中用于产生等离子射流。介质管6套设于电极针5外，且在电极针5的周向包围电极针5延伸至电极环4内的端部。介质管6采用绝缘材料制成，导流机构2与绝缘筒3的内腔连通并用于产生离子风对等离子射流进行吹导。

电极环4为环状的导电电极，其具有一中心孔。电极针5为条状的导电电极，并伸入电极环4的中心孔中。电极针5与电极环4通电后，发生放电反应从而产生等离子射流。电极针5为金属材质制成，如钨。电极环为金属材质，如紫铜。介质管6采用绝缘材料制成，例如有机玻璃、陶瓷或树脂等。

请参阅图3，介质管6设于电极环4上并包围电极针5延伸至电极环4内的端部，即电极针5的伸入电极环4的端部(通常为尖端),容置在介质管6的内腔内，并未超出介质管6的相应端部，至多与该端部平齐。介质管6未封闭的电极针5延伸至电极环4的端部，不会影响等离子射流的流出。介质管6的设置能够有效的阻挡电极针5与电极环4之间的电子在高压下聚集，增加电子的爬电距离，使得电子在介质管6的内表面聚集以形成有效的等离子射流。绝缘筒3的形状可以是圆筒形或者方形盒状，绝缘筒3的一端开口与电极环4密封连接，另一端封闭避免离子风的泄漏。

本申请提供的等离子射流杀菌装置100的有益效果在于：与现有技术相比，在电极针5与电极环4之间的放电空间设置介质管6，以在电极环4的表面形成一介质阻挡层阻挡放电，使得等离子在放电区域外的针尖处聚集形成等离子射流，抑制电极环与电极针之间形成弧光放电或火花放电，提升安全性；进一步地，添加了介质管6后电极针5与电极环4之间的空间变小，且介质管6比电极环4长，电极针与电极环发生放电反应产生大量的等离子体在介质管6壁形成等离子层，两个电极之间的电场随着电压的不断增加而增强，从而使更多的离子汇聚到电极针上形成更加长的等离子射流，提升了等离子射流的长度，增强了等离子射流的杀菌效果。

在其中一个实施例中，如图4所示，绝缘筒3内还设有导流管18，电极针5具有延伸至针尖的贯通的气体流道，导流管18的一端与导流机构2连通另一端与气体流道连通。

电极针5具有延伸至针尖的贯通的气体流道，即电极针5为空心针结构，其结构类似注射器使用的针头。电极针5可包括彼此连接针尾和针体，针体远离针尾一端为针尖。气体流道贯穿针尾和针体。电极环4与电极针5连接处的开孔可设置的较为狭小，电极针5通过针尾与电极环4的内壁固定连接。连接的方式可以是粘接或螺纹连接。针体远离针尖的一端可与导线连通进行导电。针尖的尖端与电极环4的内壁发生电离反应产生等离子体。电极针5的针尖可以具有一个或多个尖端，其中多个尖端可分别与电极环4发生反应产生等离子体。

导流管18与电极针5连通将离子风引导至电极针5内，并从针尖流出。离子风吹导针尖与电极环4反应产生的等离子体。导流管18为中心贯通的管状结构，导流管18的一端穿过绝缘筒3与导流机构2连通，导流管18的另一端与电极针5的气体流道连通，将导流机构2中的离子风引导至电极针的气体流道中。

上述的技术方案，首先，当电极针4与高压电极连接之后会迅速发生热效应而导致电极针5的发生热胀冷缩导致的形变。空心的电极针4的膨胀方向有向内以及向外两个方向，能够降低电极针向外膨胀的形变，减少对外部固定电极针的作用，保障装置结构的稳定性。

第二，放电过程中随着电离效应增大，等离子体射流的粒子平均能升高，同时极间温度上升，为避免放电模式向火花放电转换，导流机构2中的产生的离子风气体流经空心电极针5中，通过热传递将电极针5的电极的部分热量带走，从而在一定程度上实现装置降温，提升放电效应的稳定性。

第三，流动气体会对等离子体产生稀释和降温的作用，在其他条件不变的情况下，流动气体会降低放电等离子体的气体温度。通过在电极针5的气体流道中施加离子风，产生的气流会将电极间累积的等离子体吹出，从而减小粒子碰撞程度，保证等离子体射流处于一个非热力学平衡状态，维持原有的放电模式，因而提高装置的放电稳定性。

第四，离子风是导流机构2通过电离空气产生，无需庞大的供气系统。在空心的电极针5与电极环4结合形成的等离子体射流装置中通入的是电离空气产生的离子风，因而在激发形成射流时相较于直接激发空气更易于产生等离子体射流，并且由于空心电极针的射流口有离子风吹出，可以减小外围空气中的例如氧分子之类的分子扩散到针环电极间，避免因分子扩散导致需要高电场才能激发形成射流的相关问题,因此通入离子风可让激发装置在较低电场下产生射流，进而提高用电安全性。

第五，用等离子射流装置进行灭菌主要是通过等离子体射流中携带的活性物质与被处理物发生相关化学或物理反应实现，通入的离子风本身携带了大量活性物质，而且电极针5的气体流道较为狭窄，离子风较为集中，因而可使用较低的离子风流速来对等离子体进行吹导，在低的离子风流速下，电离产生的活性物质不会逸散，等离子体射流中的活性物质浓度较高，灭菌效果更好。

第六，由于电极针5针尖口有离子风吹出，可以减小外围空气中的例如氧分子之类的分子扩散到针环电极间，避免因分子扩散导致需要高电场才能激发形成射流的相关问题,因此通入离子风可让激发装置在较低电场下产生射流，进而提高用电安全性。

第七，等离子体射流灭菌机理可分为物理机理和化学机理两部分。物理机理主要包括电场、温度、UV光、电子、带电离子(O⁺、O^-、O2⁺、O2^-、NO⁺、N₂ ⁺、N⁺)等对细菌的影响。化学机理主要包括活性氧粒子(ROS)和活性氮粒子(RNS)，如O、OH、H₂O₂、O₃、NO等在灭菌过程中的作用。离子风通过空心电极针5，可将活性的灭菌物质集中从电极针5针尖随射流喷出，从而实现一定范围内的精准灭菌，提升灭菌的准确性。

在其中一个实施例中，介质管6的外壁与电极环4的内壁贴合，即介质管6的外部形状与电极环4的中心孔形状配合，如图5所示，当中心孔形状为圆形时介质管6的形状为圆柱形。在另一个实施例中，如图6所示，电极环4的中心孔形状为方形时介质管6的周向截面的外周为方形。介质管6的外壁与电极环4的内壁贴合，是为了避免电流在电极环表面聚集，提升等离子射流形成的速率。可以理解的是，介质管6的截面形状对等离子射流产生的效率并不产生影响，可以根据加工条件以及应用环境对介质管进行加工，能够便于本发明的进一步推广和应用。

在其中一个实施例中，介质管6为内部具有一贯穿通孔的管状结构，介质管6穿过电极针5的端部与电极环4连接。且介质管6为一直管，介质管6的轴线垂直于电极环4的端面。介质管6与电极环4的端面连接，一般采用焊接或粘接的方式进行，且介质管6的轴线与电极环4的中心线重合。

可以理解的是，介质管6内壁的形状以及尺寸可不做限定，只要保证电极针5的端部可顺利插入至介质管6内即可。如介质管6的内腔的形状及尺寸可大于电极针5，介质管6的内壁与电极针5之间有一空隙。当然介质管6的形状及尺寸也可与电极针5的外表面配合，介质管6的内壁与电极针5的外表面贴合，或者介质管6的内壁与电极针5之间有一空隙。

在其中一个实施例中，如图3所示，介质管6延伸出电极环4背离绝缘筒3封闭端的一端的端部。介质管6端部超出了电极针5的端部。介质管6的延伸出电极针5的端部的长度为1～5mm，当介质管6的长度小于1mm时，阻隔电极环以及电极针放电的效果不显著，当介质管6的长度大于5mm时，会阻碍电子在电极针针尖的聚集影响等离子射流的产生。优选地，介质管的长度为2.5mm，能防止电火花产生的同时保证等离子射流的产生。

在其中一个实施例中，电极针5与电极环4端部平齐，通电后更容易穿破空气形成等离子射流，又因为介质管6的长度比电极环4的端部稍长，因此电流能够沿着介质管6的管壁发生聚集形成等离子层附着。这样的设计能够使更多的离子汇聚到针电极上形成更加长的等离子体射流。

在其中一个实施例中，电极针5穿过电极环4的中心，这样的设计使得电极针3在各个方向上与电极环4的放电速率相等，在通电之后能够保证电极针5与电极环4之间离子发生效率更高。

绝缘筒3的侧壁设有进气口7，进气口7用于与导流机构2连通。导流机构2产生的离子风通过进气口7进入绝缘筒3的内腔中。绝缘筒3为封闭结构，离子风从电极环4的中心孔中流出，用于加速等离子射流。经过研究发现，添加了导流机构2后，等离子射流装置1产生的射流颜色更深，长度相对较长，在射流的末端，射流向外扩散。由此可见，导流机构2可以产生一定风速的离子风，离子风中的成分还可与等离子体射流反应并促进其的产生，可使射流变得更加长，同时增强等离子体射流的强度。

在其中一个实施例中，如图1所示，导流机构2包括多个依次连通的导流单元8，导流单元8包括外壳9和设于外壳9内的电极组10，电极组10包括相对设置的阴极11和阳极12，外壳9通过进气口7与绝缘筒3内腔连通。导流单元8中的电极组10通电产生离子风，多个导流单元8叠加产生更强的离子风对等离子射流进行吹导。本申请中的导流机构，通过使用简单、轻便的结构即可产生较大离子风，便于携带且适用范围广。

在其中一个实施例中，阴极11包括若干根金属针13，阳极12包括一金属网14。在一个具体实施例中，请结合参考图7及图8，金属针13数量为一根，且垂直正对于金属网14中心。在另一个实施例中，请结合参考图9及图10，多根金属针环15正对金属网16，且绕金属网16中心延长线均匀分布。

以上两种为比较典型的电极组10的结构，按照上述结构进行布置的电极组10在接通直流电源之后能够较好地产生电离子风。可以理解的是，阳极与阴极的结构并不受到限制，只要能够相对设置并且通电后能产生电离子风即可。

在其中一个实施例中，如图1所示，导流机构2靠近进气口7的一端还设有聚拢部17，聚拢部17的内径朝进气口的方向逐渐减小。聚拢部17为圆锥形密封结构，用于将导流机构2产生的离子风进行聚集。

在其中一个实施例中，本申请提供了一种等离子射流杀菌设备，包括直流高压电源和上的等离子射流杀菌装置100。其中，等离子发生机构1以及导流机构2与直流高压电源连接。其连接的方式可以是等离子发生机构1和导流机构2分别与直流电源连接，也可以是等离子发生机构1和到导流机构连接后再与直流电源连接。本申请中的杀菌设备可以使用直流电源直接进行供电，扩大了设备的应用范围，为将来应用于临床、食品加工等方面提供了良好的基础。

在其中一个实施例中，提供了一种如上的等离子射流杀菌装置100在杀菌消毒中的应用。本申请中的等离子射流杀菌装置产生的等离子射流，在针对大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌的杀灭中具有较好的效果，灭菌时间短，灭菌效果好，并且能够针对特定的点或范围进行针对性杀菌，具备广阔的应用前景，适于大规模的推广应用。

实施例一

本实施例针对未加介质管6的等离子发生机构1以及设置介质管6的两种等离子发生机构1在不同的电压下的产生的电流变化情况。

设置介质管6的等离子发生机构1的结构为，总体尺寸为φ35mm×42.5mm。包括一根φ1mm×42.5mm的电极针5，由金属钨制成；一个φ35mm×27.5mm的有机玻璃制成的针固定座；一个φ35mm×15mm内径为7.5mm的电极环4，由紫铜材料制成；一个φ7mm×18mm内径为φ5mm的介质管6，由有机玻璃制成。将电极针5固定至有机玻璃固定器的正中心，电极针5针尖与电极环4下表面平齐，以使等离子体射流在放电区域外及针尖处形成。为了抑制电极环4与电极针5之间形成弧光放电或火花放电，设计一个介质管6插入放电空间，其外表面与紫铜电极内表面紧贴，以形成介质层阻挡放电。

对照组的未加介质管6的等离子发生机构1的结构与上述结构不同之处在于，取消了介质管6的设置，其他结构均相同。本次实验电路如图8所示，实验仪器及装置包括两组等离子发生机构1、正负直流高压电源、数字示波器、10MΩ镇流电阻、万用表、1k测试电阻。其中等离子发生机构1里的电极针5接到正/负直流高压电源的高压输出端；等离子发生机构1里的电极环4接到正/负直流高压电源的输出地端。放电回路中串联一个10MΩ镇流电阻及一个1kΩ的测试电阻。10MΩ镇流电阻的作用为保护实验电路及提高实验操作时安全性，以及抑制等离子发生机构1的电弧放电。实验电路采用1kΩ测试电阻并联一个万用表得出数据以计算出实验电路电流。利用示波器观察实验电路波形。通过实验电路测得的各种实验数据分析等离子发生机构1放电的伏安特性以及放电模式的阶段转换。

不添加介质管6结构时，当施加电压为正直流高压时：施加电压至3.5kV时，在电极针5的针尖开始出现淡紫色光晕。缓缓增大施加的电压，在电极针5针尖及其前方形成等离子体射流并发出咝咝声。继续增大施加的电压至9.5kV，射流长度增长至6mm，如图12所示。当施加的电压提高到10kV，放电空间里面的气体开始被击穿，等离子发生机构1的放电模式会由辉光放电转变成弧光放电，此时立即降低电压，以保护实验装置及实验仪器。

当施加电压为负直流高压时：施加电压至-3.5kV，在针尖出先淡紫色光晕。缓缓增大施加的电压至-7.5kV，在针尖及其前方形成球形等离子体射流如图13所示。

添加介质管6的等离子发生机构1，当施加电压为正直流高压：施加电压至4kV，在针尖出现淡紫色光晕。缓缓增大施加的电压，在电极针5的针尖及其前方形成等离子体射流并发出嘶嘶声。继续增大施加的电压至10.3kV，射流长度增长至11mm如图11所示。当施加的电压提高到12.1kV，放电空间里面的气体开始被击穿，等离子发生机构1的放电模式会由辉光放电转变成弧光放电，此时立即降低电压，以保护实验装置及实验仪器。

当施加电压为负直流高压时：施加电压至-3.4kV，针尖处出现淡紫色光晕。缓缓增大施加的电压至-9.5kV，在针尖及其前方形成球形等离子体射流如图15所示。

根据以上实验得知：在施加正直流高压时，添加了介质管6的等离子发生机构1产生的射流比不添加介质管6的等离子发生机构1产生的射流长度要长5mm，这是由于添加了介质管6的等离子发生机构1的放电空间较未添加介质管6的等离子发生机构1的放电空间小,且介质管6比紫铜电极长出2.5mm,等离子发生机构1产生大量等离子体在介质管6壁形成等离子层，两个电极之间的电场随着电压的不断增加不断的增强，从而使更多的离子汇聚到针电极上形成更加长的等离子体射流；在施加负直流高压时，添不添加介质管6的等离子发生机构1所产生的射流都为球形，但添加了介质管6的等离子发生机构1的介质管6末端管壁有等离子体层附着，可从中明显看出介质管6管壁有紫光。

未添加介质管6时：通过测量得到在施加正直流高压和负直流高压时的伏安特性曲线如图16所示，未添加介质管6时在施加正直流高压和负直流高压时的伏安特性曲线如图17所示。

可以看出，不论施加正直流高压还是负直流高压，放电电流都随着放电电压的升高而升高。但是，增设了介质管6的等离子发生机构1产生的电流在同等电压下均大于不增设介质管6的等离子发生机构1。

实施例二

本实施例主要介绍，增设了导流机构2后的等离子发生机构1产生的等离子射流与不设导流机构2的等离子发生机构1的等离子射流之间的区别和变化情况。

将多个导流单元8互相连接(共十个)，并在最后一个离子风出口处连接聚风口形成聚拢部17，以聚拢离子风。然后将导流机构2与等离子发生机构1连接组成等离子射流杀菌装置100。

实验仪器有正直流高压电源、负直流高压电源、数字示波器、万用表，实验装置包括等离子发生机构1、导流机构2，实验器件有10MΩ/12MΩ镇流电阻、1k测试电阻。其中等离子发生机构1的电极针5连接正直流高压电源的高压输出，电极环4连接正直流高压电源的输出地，导流机构2的电极针5连接负直流高压电源的高压输出，电极网连接负直流高压电源的输出地。等离子发生机构1放电回路中串联一个10MΩ镇流电阻及一个1kΩ的测试电阻，导流机构2放电回路中串联一个12MΩ镇流电阻及一个1kΩ的测试电阻，镇流电阻的作用为保护实验电路及提高实验操作时安全性，以及抑制等离子发生机构1、导流机构2的电弧放电。实验电路采用测试电阻并联一个万用表得出数以计算出实验电路电流。利用示波器观察实验电路波形。

使用风速计测试离子风风速。因在等离子发生机构1下方的各个点测得的风速是不同的，故将风速测试点定在紫铜电极正下方2.5mm处，使用风速计探头对准离子风出口处检测风速。施加不同电压时，测得的风速如下表1所示。

表1

电压/kV	-1	-2	-3	-4	-5	-6	-7	-8	-9	-10	-11	-12	-13
														风速/m/s	0	0	0.05	0.49	0.83	1.41	1.58	1.81	2.05	2.19	2.40	2.47	2.62

当电压加到-3kV时，导流机构2开始进入电晕放电模式，风速计开始测到风速；在-3kV～-9kV电压期间，离子风风速增长快速，在-9kV～-13kV期间风速增长速度放缓。在导流机构2电压加到-13kV时，风速可达到2.62m/s。为保证电路仪器安全，不再提高电压。

当只有等离子发生机构1施加电压(正直流高压)，导流机构2不加电压(负直流高压)时：施加的电压到4kV，在电极针5针尖处出现淡紫色光芒，光芒随着电压的增大变得越来越亮，当电压增大到5kV，射流开始形成，并出现咝咝声。继续增大所施加的电压至10.5kV，射流增长至8mm如图18，再继续增加电压11kV时，射流不会在增长。若继续增加电压，电路电流会迅速增大，放电形式由辉光放电转向弧光放电。

当等离子发生机构1不施加电压(正直流高压)，在导流机构2上加电压(负直流高压)时：缓缓增大电压至-3kV，使用风速计可在等离子发生机构1的介质管6下方检测到离子风，施加电压增大到-13kV时，可在介质管6下方检测到2.62m/s的离子风。

当在等离子发生机构1施加电压(正直流高压)，导流机构2上施加电压(负直流高压)时：导流机构2电压施加到-13kV，等离子发生机构1施加10.5kV时，如图19所示，等离子发生机构1可产生8.5mm长的射流。

由等离子体射流图对比可知：在等离子发生机构1施加10.5kV的电压，导流机构2施加-13kV电压条件下，添加了离子风的等离子发生机构1产生的射流颜色更深，长度相对较长，在射流的末端，射流向外扩散。

由此可见，导流机构2可以产生一定风速的离子风，离子风中的成分可促进等离子体射流的产生，可使射流变得更加长，可以增强等离子体射流的强度。

实施例三

本实施例主要介绍等离子发生机构1在不同电压下的杀菌效果，以及导流机构2施加不同电压的灭菌效果。

在等离子发生机构1施加8kV、9kV、10kV电压、导流机构2不施电压及施加-13kV电压，灭菌时间为5min，在同一个培养皿里进行一组灭菌实验，实验灭菌效果如图20所示，完全灭菌区域用圆圈标识。其中，a为对照组，b1、c1、d1为导流机构2不施加电压后的完全灭菌区域，b2、c2、d2为导流机构2施加-13kV电压后的完全灭菌区域。

用直尺测量灭菌区域，导流机构2不施加电压、等离子发生机构1施加不同电压，如图20所示，集成装置对大肠杆菌进行灭菌，完全灭菌区域直径为：(b1)8kV～φ5mm、(c1)9kV～φ6.5mm、(d1)10kV～φ9mm；导流机构2施加-13kV电压、等离子发生机构1施加不同电压下的灭菌区域直径为：(b2)8kV～φ12mm、(c2)9kV～φ17mm、(d2)10kV～φ17mm。在相同条件下，添加了离子风的集成装置的灭菌范围比不添加离子风的集成装置灭菌范围大，灭菌效果好；灭菌范围随着等离子发生机构1所加的电压的增大而增大。

导流机构2不施加电压、等离子发生机构1施加不同电压，集成装置对金黄色葡萄球菌进行灭菌。如图21所示，完全灭菌区域用圆圈标识。其中，a为对照组，e1、f1、g1为导流机构2不施加电压后的完全灭菌区域，e2、f2、g2为导流机构2施加-13kV电压后的完全灭菌区域。灭菌区域直径为：(e1)8kV～φ3.8mm、(f1)9kV～φ4.9mm、(g1)10kV～φ6mm；导流机构2施加-13kV电压、等离子发生机构1施加不同电压下的灭菌区域直径为：(e2)8kV～φ8mm、(f2)9kV～φ9.5mm、(g2)10kV～φ12mm。在相同条件下，添加了离子风的集成装置的灭菌范围比不添加离子风的集成装置灭菌范围大，灭菌效果好；灭菌范围也随着等离子发生机构1所加的电压的增大而增大。

实施例四

本实施例主要介绍，在等离子发生机构1施以及导流机构2施加电压，在不同时间的情况下灭菌效果。

如图22所示，在导流机构2施加-13kV电压，等离子发生机构1施加10kV电压，灭菌时间为1min、3min、5min的条件下，使用集成装置对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌灭菌。完全灭菌区域圈出,a为对照组，b、c、d分别为灭菌时间1min、3min、5min后的效果图。

在上述条件下，集成装置对大肠杆菌的灭菌时间为1min时灭菌直径为φ7.5mm，灭菌时间为3min时灭菌直径为φ16mm，灭菌时间为5min时灭菌直径为φ19.6mm。由此灭菌时间越长，集成装置的灭菌效果越好。

集成装置对金黄色葡萄球菌灭菌，如图23所示，完全灭菌区域圈出,a为对照组，b、c、d分别为灭菌时间1min、3min、5min后的效果图。灭菌时间为1min时灭菌直径为φ4.7mm，灭菌时间为3min时灭菌直径为φ5.8mm，灭菌时间为5min时灭菌直径为φ10mm。由此灭菌时间越长，集成装置的灭菌效果越好。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子射流杀菌装置，其特征在于，包括相互连接的等离子发生机构以及导流机构；

所述等离子发生机构包括绝缘筒、电极环、电极针以及介质管，所述电极环设于所述绝缘筒的一端，所述绝缘筒的另一端封闭，所述电极针设于所述绝缘筒内并延伸至所述电极环中用于产生等离子射流，所述介质管套设于所述电极针外，且沿所述电极针的周向包围所述电极针延伸至所述电极环内的端部，所述介质管采用绝缘材料制成，所述导流机构与所述绝缘筒的内腔连通并用于产生离子风对所述等离子射流进行吹导。

2.根据权利要求1所述的等离子射流杀菌装置，其特征在于，所述绝缘筒内设有导流管，所述电极针具有延伸至针尖的贯通的气体流道，所述导流管的一端与所述导流机构连通另一端与所述气体流道连通。

3.根据权利要求2所述的等离子射流杀菌装置，其特征在于，所述介质管的外壁与所述电极环的内壁贴合。

4.根据权利要求3所述的等离子射流杀菌装置，其特征在于，所述介质管轴向延伸出所述电极环背离所述绝缘筒封闭端的端部。

5.根据权利要求4所述的等离子射流杀菌装置，其特征在于，所述介质管延伸出所述电极环端面的长度为1～5mm。

6.根据权利要求5所述的等离子射流杀菌装置，其特征在于，所述电极针穿过所述电极环的中心并与所述电极环的端面平齐。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的等离子射流杀菌装置，其特征在于，所述导流机构包括多个依次连通的导流单元，所述导流单元包括外壳和设于所述外壳内的电极组，所述电极组包括相对设置的阴极和阳极，所述外壳通过设于所述绝缘筒外壁的进气口与所述绝缘筒内腔连通，所述阴极包括若干根金属针，所述阳极包括一金属网，所述金属针数量为一根，且垂直正对于所述金属网中心；或多根所述金属针环正对所述金属网，且绕所述金属网中心延长线均匀分布。

8.根据权利要求7所述的等离子射流杀菌装置，其特征在于，所述导流机构靠近所述进气口的一端还设有聚拢部，所述聚拢部的内径朝所述进气口的方向逐渐减小。

9.一种等离子射流杀菌设备，其特征在于，包括直流高压电源和权利要求1～8中任一项所述的等离子射流杀菌装置，所述等离子发生机构以及导流机构均与所述直流高压电源连接。

10.一种权利要求1～8中任一项所述的等离子射流杀菌装置在杀菌消毒中的应用。

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