CN113473688A - 一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置 - Google Patents

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Abstract

一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置，包括放电箱体，所述放电箱体的底座上布置有放电平板，所述放电平板与交流脉冲电源连接，放电平板正上方放置被处理物，放电箱体侧面安装步进电机，步进电机与被处理物之间通过柔性联轴器相连，所述柔性联轴器用于传递运动与夹持被处理物。本发明通过对基板材料的选择、放电平板结构的合理设计，能在大气压空气环境下产生大面积均匀的等离子体，等离子体产生于放电平板表面，通过漂移扩散的方式实现对于细长形状、复杂型面的棒状医疗器械快速高效灭菌。

Description

一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置
技术领域
本发明属于等离子体应用于消毒灭菌技术领域，具体涉及一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置。
背景技术
现代临床医学中有许多具有复杂型面的医疗器械，例如超声波手术刀、内窥镜等，均属于现代微创手术的精密器械，具有创伤小，视野宽的优点，在临床医学普遍应用。
相比于传统手术刀类器械，这些医疗器械具有结构复杂、系统精密、材料敏感等特点，其刀身一般为细长棒状形状，刀头为可活动的鸭嘴式结构，这也对其使用后的灭菌工作提出了更为严苛的要求。目前针对此类手术器械中较小尺寸部件的消毒通常是采用化学或高压蒸汽的方法，化学方法其灭菌周期长且消毒过程中有可疑致癌因素；高压蒸汽灭菌仅适用于少数全金属的器械，其灭菌时间也较长且高压蒸汽存在损坏精密元件、降低器械寿命的弊端。而对于细长型棒状的刀身结构，由于其尺寸较大、型面复杂，目前的灭菌方法无法满足其灭菌要求，则通常使用一次后便丢弃，不再重复使用。
相比于其它灭菌方法，等离子体灭菌具有灭菌时间短、对物体表面无损坏、使用安全等优点，目前有取代传统灭菌方法的趋势。等离子体用于医学消毒灭菌的装置分为低气压低温等离子体装置和大气压低温等离子体装置，低气压等离子体消毒装置已经有所应用，均采用低气压过氧化氢等离子体灭菌方式，如强生STERRAD-100NX系列等离子体灭菌装置，其优点是适用灭菌消毒医疗器械范围较广，且对器械损害小，缺点是过氧化氢具有强腐蚀性，存在一定的安全性问题，由于其使用低气压或真空系统，导致其灭菌周期长，费用也较昂贵；大气压等离子体装置由于突破了真空腔的限制，在降低装置成本的同时可以方便、快速的实现灭菌，目前成为研究热点，大气压等离子体源有等离子体射流与介质阻挡放电两种类型，而介质阻挡放电包括传统介质阻挡放电结构以及浮动电极介质阻挡放电结构、共面型介质阻挡放电结构等。等离子体射流由于其结构特点，有一定的局限性，其射束直径小，放电面积小，适用处理微孔间隙；传统介质阻挡放电结构为对向放电，放电间隙小，不适用于尺寸较大的医疗器械消毒；浮动电极介质阻挡结构采用人体组织或被消毒物作为地电极，其产生的等离子体直接作用于被消毒物，是一种直接等离子体型结构，但其对被处理物表面形貌敏感，对于不平整光滑的的表面通常会产生丝状放电，造成消毒的不均匀，所以不适合处理具有复杂型面的医疗器械。共面型介质阻挡放电是一种电极平行布置于基板，且电极掩埋在阻挡介质中的放电结构，避免了放电时等离子体轰击电极以及电极的氧化，能延长装置使用寿命；同时，放电等离子体产生于绝缘介质表面，产生的等离子体较均匀，且放电形式不随被处理物形貌的改变而变化，但一对电极产生的等离子体面积较小，浓度较低，且基于此结构的等离子体处理装置多用于薄膜沉积、材料表面改性等领域，目前未见报道用于医疗器械灭菌领域。
此外，在新风系统中，一般采用滤网来达到净化空气的目的，滤网本身只能阻拦部分病菌，并不具备灭菌功能；在废气处理领域，常采用传统对向放电的介质阻挡结构产生等离子体，其放电电压高且放电等离子体面积小。
综上所述，对于具有复杂型面的医疗器械缺乏与之匹配的专用灭菌设备，且新风系统及废气处理领域灭菌方法有待优化改进。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置，通过对基板材料的选择、放电平板结构的合理设计，能在大气压空气环境下产生大面积均匀的等离子体，等离子体产生于放电平板表面，通过漂移扩散的方式实现对于细长形状、复杂型面的棒状医疗器械快速高效灭菌。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置，包括放电箱体10，所述放电箱体10的底座上布置有放电平板11，所述放电平板11与交流脉冲电源1连接，放电平板11正上方放置被处理物9，放电箱体10侧面安装步进电机8，步进电机8与被处理物9之间通过柔性联轴器7相连，所述柔性联轴器7用于传递运动与夹持被处理物9。
所述的放电平板11下部为PCB基板6，PCB基板6上印制有多条平行排列的长条金属电极4以及左右交替排列的焊盘5，每相邻两个长条电极4和相应的焊盘5组成一个放电单元，每一个放电单元的表面产生放电，在长条电极4上覆盖一层绝缘介质3，所述绝缘介质3只覆盖电极部分而不覆盖焊盘5，绝缘介质3填充电极间隙且厚度大于电极厚度，绝缘介质3上覆盖一层氧化铝薄膜2，厚度为200nm左右，由于氧化铝具有较高的二次电子发射系数，在气体放电中可以大大降低放电电压。
所述的长条金属电极4之间的间隙距离为80um，设计较小的间隙距离可以有效降低放电电压，节约能源，焊盘5的厚度大于长条电极厚度，由于焊盘处要接线且考虑到过电流安全性问题，设计焊盘厚度大于电极厚度，左右两侧的焊盘5组分别与交流脉冲电源1的正负极连接。
所述的交流脉冲电源1为正负脉冲电源，频率范围为10KHz-50KHz,电压幅值为200V-600V，经过实验验证，此放电装置的放电电压及频率均不高，具有一定安全性的同时也节约了能源，可根据不同消毒灭菌场合调节电压频率，使灭菌效果最佳。
所述放电装置用于医疗器械消毒，也可用于新风系统灭菌及废气处理。
所述的放电箱体10、步进电机8、柔性联轴器7以及被处理物9组成物件旋转系统，其中放电箱体10提供步进电机的安装支撑，柔性联轴器7同时起到传递运动以及夹持被处理物的作用，放电平板11产生的等离子体面积较大，范围较广，可同时放置三组及以上的物件旋转系统。
本发明的有益效果：
通过交流脉冲电源1给放电平板11提供激励，能在大气压空气环境下产生大面积均匀的等离子体，每一对长条放电单元会产生共面型介质阻挡放电，在放电单元表面会产生等离子体，由于放电单元数量多，放电等离子体会大量存在于放电平板的表面，通过扩散的形式抵达被处理物表面，当被处理物下表面灭菌完成后，通过旋转系统使被处理物旋转180度，继续消毒处理上表面，实现被处理物的完全、彻底消毒。通过这种设计，能实现对于细长形状、复杂型面的棒状医疗器械快速高效灭菌。
本发明通过对基板材料的选择、放电平板结构的合理设计，能在大气压空气环境下产生大面积均匀的等离子体，能实现细长形状、复杂型面的医疗器械快速高效灭菌；同时，该装置也可进一步推广到新风系统灭菌及废气处理领域，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的整体示意图。
图2是本发明放电平板结构示意图。
图中：1、交流脉冲电源 2、氧化铝薄膜 3、阻挡绝缘介质 4、长条金属电极 5、金属焊盘 6、PCB基板 7、柔性联轴器 8、步进电机 9、被消毒物 10、放电箱体 11、放电平板
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置，包括放电箱体、激励电源、放电平板以及物件旋转系统，具体地，包括中空的放电箱体10，放电平板11布置于放电箱体10的底部，放电平板11下部为PCB基板6，PCB基板6上印制有多条平行排列的长条金属电极4以及左右交替排列的焊盘5，每相邻两个长条电极4和相应的焊盘5组成一个放电单元，左右交替排列的两排焊盘分别通过引线接入交流脉冲电源1的正负极，电极上覆盖绝缘介质3，绝缘介质3只覆盖电极部分而不覆盖焊盘5，绝缘介质3填充电极间隙且厚度大于电极厚度，绝缘介质3上覆盖一层氧化铝薄膜2，厚度为200nm左右，交流脉冲电源1为正负脉冲电源，频率范围为10KHz-50KHz,电压幅值为200V-600V，物件旋转系统位于最上端，包括步进电机8、柔性联轴器7以及被处理物9，被处理物9位于放电平板11正上方，步进电机8安装在放电箱体侧面，柔性联轴器7同时起到传递运动与夹持被处理物的功能，一端连接在步进电机8上，另一端夹持被处理物9，放电平板11产生的等离子体面积较大，范围较广，可同时放置三组及以上的物件旋转系统。
如图2所示，图2是放电平板11的俯视示意图，放电平板由PCB基板6、焊盘5、金属电极4、绝缘介质3以及氧化铝薄膜2组成，选择PCB板作为基板首先是是由于PCB板具有良好的印刷电路性能，在其上可以方便、快速的印制各种结构的金属电极，且印制的电极精度较高，更有利产生均匀放电等离子体；其次，PCB材料不同于其他脆性材料(如玻璃、陶瓷)，不容易炸裂，使用它作为基板，安全性较高；再次，PCB板价格较低，性价比高。PCB基板6上印制有多条平行排列的长条金属电极4以及左右交替排列的焊盘5，长条金属电极4之间的间隙为80um，每相邻两个长条电极4和相应的焊盘5组成一个放电单元，电极上覆盖绝缘介质3，绝缘介质3只覆盖电极部分而不覆盖焊盘5，绝缘介质3填充电极间隙且厚度大于电极厚度，绝缘介质3上覆盖一层氧化铝薄膜2，厚度为200nm左右。
本发明的工作原理为：
所设计放电平板11上相邻的两个长条金属电极4组成一个放电单位，在放电平板11上就存在许多对放电单元，每一对放电单元通过焊盘5与交流脉冲电源1的正负极连接，交流脉冲电源1提供电压激励，由于相邻两个金属电极间隙很小(80um)，每一对长条放电单元会电离表面空气，产生共面型介质阻挡放电，在放电单元表面产生等离子体，由于放电单元数量多，放电等离子体会大量存在于放电平板的表面，由于被处理物9与柔性联轴器7连接，即被处理物9置于放电平板11上方，产生的等离子体会通过漂移扩散的形式抵达被处理物表面，当被处理物下表面灭菌完成后，通过控制步进电机8带动被处理物9旋转180度，继续消毒处理上表面，实现被处理物的完全、彻底消毒。此灭菌装置产生的等离子体不因被处理物的形貌变化而改变，始终产生均匀稳定的等离子体；而且由于此装置在空气中就能产生等离子体，而且放电区域大，能实现对于细长形状、复杂型面的棒状医疗器械快速、高效灭菌。

Claims (7)

1.一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置，其特征在于，包括放电箱体(10)，所述放电箱体(10)的底座上布置有放电平板(11)，所述放电平板(11)与交流脉冲电源(1)连接，放电平板(11)正上方放置被处理物(9)，放电箱体(10)侧面安装步进电机(8)，步进电机(8)与被处理物(9)之间通过柔性联轴器(7)相连，所述柔性联轴器(7)用于传递运动与夹持被处理物(9)。
2.根据权利要求1所述的一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置，其特征在于，所述的放电平板(11)基板上印制有多条平行排列的长条金属电极(4)以及左右交替排列的焊盘(5)，每相邻两个长条电极(4)和相应的焊盘(5)组成一个放电单元，每一个放电单元的表面产生放电，在长条电极(4)上覆盖一层绝缘介质(3)，所述绝缘介质(3)只覆盖电极部分而不覆盖焊盘(5)，绝缘介质(3)填充电极间隙且厚度大于电极厚度，绝缘介质(3)上覆盖一层氧化铝薄膜(2)，厚度为200nm左右。
3.根据权利要求2所述的放电平板，其特征在于，所述的长条金属电极(4)之间的间隙为80um，焊盘(5)的厚度大于长条电极厚度，左右两侧的焊盘(5)组分别与交流脉冲电源(1)的正负极连接。
4.根据权利要求2所述的放电平板，其特征在于，所述的放电平板(11)下部为PCB材料基板(6)。
5.根据权利要求1所述的一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置，其特征在于，所述的交流脉冲电源(1)为正负脉冲电源，频率范围为10KHz-50KHz,电压幅值为200V-600V。
6.根据权利要求1所述的一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置，其特征在于，所述的放电箱体(10)、步进电机(8)、柔性联轴器(7)以及被处理物(9)组成物件旋转系统，其中放电箱体(10)提供步进电机的安装支撑，柔性联轴器(7)同时起到传递运动以及夹持被处理物的作用，放电平板(11)产生的等离子体面积较大，范围较广，可同时放置三组及以上的物件旋转系统。
7.基于权利要求1-6任一项所述的一种在大气压空气中产生大面积等离子体的放电装置，其特征在于，所述放电装置用于医疗器械消毒，也可用于新风系统灭菌及废气处理。
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