CN115887729A - 一种低臭氧－等离子体空气消毒装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低臭氧－等离子体空气消毒装置，进风口处设置有包含锰系金属的脱氧催化剂，出风口2处设置包含二氧化钛的臭氧分解催化剂，等离子发生器的高压电极和高频微秒脉冲电源的高压端连接，地电极和高频微秒脉冲电源的低压端连接，高压电极是一块附有多个导通气流的针管的金属板，地电极是一块钻有通孔的金属板，金属板表面附有绝缘绿油介质，地电极的金属板的规格和高压电极的金属板的规格相对应。本发明从电源脉冲驱动方式、电极结构优化、催化剂分解技术三方面联合解决臭氧等副产物问题的方案，保证出风口臭氧浓度低于0.01ppm，本发明具有很好的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明属于空气消毒领域，涉及一种低臭氧－等离子体空气消毒装置。
背景技术
传统的空气消毒技术多采用紫外线消毒技术、臭氧消毒技术和化学消毒技术。紫外线消毒技术受环境影响大：灰尘或玻璃都对其有阻隔的作用，室内湿度、消毒距离、消毒时间都会影响其消杀效果。同时紫外线消毒的只有在无人环境下保证长时间照射才能满足消杀要求；臭氧消毒技术在使用过程由于臭氧对于人体的危害性使得其必须处于无人环境，且消毒后至少间隔半小时后才能保证进入被消毒空间的人员安全，整个消毒周期时间很长；化学消毒技术主要通过喷洒化学试剂的方法进行消毒，容易造成化学试剂的残留，污染环境的同时对于人们的生命健康存在安全隐患。
等离子体是继固态、液态、气态后的物质第四态，体系中富含高能电子、离子、激发态原子、自由基等活性成分，是一种新型的分子活化手段。大气压低温等离子体是一种利用气体放电在敞开大气压条件下产生的非平衡态等离子体，由于体系中电子温度远高于重粒子温度，可以在获得较高化学活性的同时维持接近室温的气体温度，因此被广泛应用于消毒杀菌、废气净化等领域。
针对空气消毒的需求，研发人员已经开发出了多种空气消毒装置，现有的空气消毒装置主要利用介质阻挡放电和电晕放电来电离产生等离子体。主要利用电离过程中产生的活性氧物质和活性氮物质来破坏微生物生物结构，从而达到空气消毒的目的。
但是存在以下几个缺点：①现有等离子体消毒装置产生等离子体的过程中不可避免的产一定量的臭氧，对人体健康产生危害，限制了等离子体空气消毒装置的应用。②现有技术采用活性炭等吸附剂或金属氧化物等催化剂来吸收分解产生的臭氧，但没有从产生副产物的源头上即电极结构的设计和驱动电源的模式上解决产生臭氧的问题。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
现有等离子消毒装置产生臭氧，对人体健康产生危害，限制了等离子体空气消毒装置的应用。
2.技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种低臭氧－等离子体空气消毒装置，包括箱体，等离子体发生器位于箱体中，所述箱体上设有进风口和出风口，所述进风口处设置有包含锰系金属的脱氧催化剂，所述出风口2处设置包含二氧化钛的臭氧分解催化剂，所述等离子发生器包括高压电极和地电极，所述高压电极和高频微秒脉冲电源的高压端连接，所述地电极和高频微妙秒脉冲电源的低压端连接，所述高压电极是一块附有多个导通气流的针管的金属板，所述地电极是一块钻有通孔的金属板，地电极的金属板的规格和高压电极的金属板的规格相对应。
所述地电极金属板上的通孔其位置位于高压电极管尖的正下方。
等离子体的放电区域面主要由管尖和地电极上的通孔两者之间的电势差产生，管尖处是等离子的产生区域，等离子体由管尖往通孔发展，形成了一个以管尖为顶点，通孔的圆形截面为底面的锥形的等离子体区域面。
所述进风口和出风口结构相同，都是带有通气孔的板形。
所述通气孔的直径大于所述针管直径。
所述高频微秒脉冲电源采用Burst脉冲功率驱动方式，所述Burst脉冲功率驱动方式是一种利用DSP数字信号处理技术配合相应处理器模块，通过程序控制编辑产生特定的PWM信号，控制微秒电源模块中开关管器件开通与关断状态，从而控制电源模块的输出电压波形呈现脉冲串状态。
所述地电极金属板表面在非通孔区域上附有一层绝缘绿油。
所述针管长度为30-40mm，外径为0.8-1.2mm，内径为0.6-0.8mm，金属板为边长为220-235mm厚度为1.2-.181.8mm的正方体，相邻针管之间圆心间距为5-8mm，所述通孔204的直径为2.5-3.5mm，每两个通孔的圆心间隔5-8mm。
所述高频微秒脉冲电源和市电连接。
所述进风口处设置有风机。
3.有益效果：
本发明从电源脉冲调制方式驱动、优化电极结构、出风口的臭氧浓度低于0.01ppm，联合催化剂分解技术三方面联合解决臭氧等副产物问题的方案，本发明具有很好的工程应用价值。
本发明板孔进气，管孔出气的气流结构，保证目标消杀的空气，在等离子空间区域驻留足够长的时间，从而保证高效的空气消杀效果；
基于电场仿真的方法，本发明中最优的空心针管-板DBD电极结构的电晕放电结构，保证管尖端与正对应的板孔之间，形成均匀的“锥形”等离子体空间放电区域面，解决目标消杀空气在板孔进气阶段，就可以与放电等离子体充分接触，形成高效的一次消杀；
本发明优化设计了一种Burst脉冲功率驱动方式，采用间歇式高频微秒单极性脉冲，驱动空心针管-板DBD短时间瞬态强放电，在空气主要为N2和O2作为放电工作气体条件下，可更容易激发出更多的氮的活性物质RNS，与空气病毒等微生物作用从而完成消杀目的，从等离子体放电和消杀机理上，抑制O3的产生同时不损失消杀功能；
同时在整机设计方面，本发明进气口设计脱氧吸附单元，减少进入等离子体放电区域的O2含量，同时出气口设计O3分解催化剂和吸附单元，进一步减小O3的排放，保证整机即使在密闭空间内长时间运行，整个密闭空间内空气中的O3含量极少，保障人体健康和安全。
附图说明
图1是本发明的整体示意图。
图2是本发明的整体侧面剖视图。
图3是等离子体发生器的结构示意图一。
图4是等离子体发生器的结构示意图二。
图5是本发明的进风口和出风口的结构示意图。
图6是本发明整体框架图。
图7是放电区域示意图。
图8是电场分布图。
图9是放电图像。
图10是气流处理通道示意图。
图11是放电区域单元的气流示意图。
图12是DSP技术控制编辑的PWM信号和对应输出电压波形示意图。
图13是本发明正常工作状态下的发光图像。
图14是正常工作状态下电压电路波形。
图15是不同菌类不同时间处理实物图。
图16是不同菌类不同时间灭菌数统计折线图。
附图标记说明：1.进风口；2.等离子发生器2；3.出风口；4.高频微秒脉冲电源；5.风机；201。高压电极；202.地电极；203.管尖；204.通孔；205.放电区域面；206.绝缘绿油。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1、图2和图5所示，低臭氧－等离子体空气消毒装置，包括风口1、等离子体发生器2、出风口3、高频微秒脉冲电源4，所述进风口1包含了以锰系金属为主要成分构成的脱氧催化剂，其主要功能是去除一部分空气中的氧气，减少等离子体发生器中产生的臭氧含量。所述出风口3且包含了以二氧化钛为主要成分构成的臭氧分解催化剂，主要起把等离子体反应器产生很少一部分臭氧分解催化的作用。这两种催化剂的使用都不需要能量，无有毒有害物质的产生，且使用寿命长，通过一定处理后能循环使用。节能环保的同时确保了本发明的生物安全性。
如图3和图4所示，等离子发生器2包括高压电极201和地电极202，所述高压电极201和高频微秒脉冲电源4的高压端连接，所述地电极202和高频微秒脉冲电源的低压端连接。所述高压电极201是一块附有多个导通气流的针管的金属板，地电极202是一块钻有通孔204的金属板，金属板表面在非通孔区域上附有一层绝缘绿油206，以此作为介质阻挡放电中的介质，地金属板的规格和高压电极的金属板的规格相对应，地电极202金属板上的通204是气体流经的通道，其位置位于高压电极管尖203的正下方。
如图7所示，等离子体的放电区域面205主要由管尖203和地电极202上的通孔204两者之间的电势差产生。管尖203处是等离子主要的产生区域，等离子体由管尖203往通孔204发展，形成了一个以管尖203为顶点，通孔204的圆形截面为底面的锥形的等离子体区域面205，利用仿真软件COMSOL对电极结构的电场进行分析观察，其结果如图8所示，高压电极201电场强度最强，地电极202电场强度以通孔204的边缘向四周递减，且递减趋势基本均匀，保证管尖端与正对应的板孔之间，形成均匀的“锥形”等离子体空间放电区域面205。在高频微秒脉冲电源4的激励下，其放电图像如图9所示，含有细菌的未处理空气由通孔204进入后，与锥形等离子体区域面205充分接触，以此达到很好的消杀效果。
如图6所示，空气消毒装置由市电提供能量，高频微秒脉冲电源4对电压进行升压处理，使得电压满足驱动空气消毒装置电极的需求。整个装置工作过程：未处理含有细菌的空气，在风机5的作用下，由含有脱氧催化剂的进风口单元1进入，由地电极202金属板上的通孔204进入等离子体放电区域，与等离子体充分接触后，消杀后的空气经过高压电极201上的空心金属针管流出，由含有臭氧催化剂的出风口单元2再次流入外界空气中。
正常工作过程如图10所示，未处理的空气在风机5的作用下，由进风口1进入，被进风口中的锰系金属催化剂除去一部分的氧。此时流向等离子体发生器2的气体主要成分为氮气分子和没有去除完全的较少的氧气分子。被脱除一部分氧气的气体由接地金属板202上的通孔204进入等离子体反应区域，等离子体发生器2由高频微秒脉冲电源4提供能量，高频微秒脉冲电源4在脉冲调制的作用下产生电压幅值高，脉宽窄，突发重复频率大，脉冲延迟时间长的脉冲电压使得等离子体反应器2工作在Burst模式下，对未处理的空气进行电离，最大程度地减少臭氧的产生，且更好地击穿氮气分子，产生以RNS活性氮物质为主要成分的等离子体富集区域。未处理气体中的细菌等微生物病原体处于RNS富集的区域中，在等离子体的作用下，被破坏了遗传物质，从而达到了灭菌消毒的作用。在风机5的持续作用下，未消杀的气体高压电极201与地电极202之间与等离子体充分接触，消杀完全后，由高压电极201的金属空心针管中流出，从出风口3流入外界空气，同时出风口3中的臭氧催化剂二氧化钛催化剂进一步分解等离子体反应过程中产生的少部分有毒有害物质如臭氧。处理结束后，关闭高频微秒脉冲电源4与风机5，整个工作流程结束。
为了气流长时间驻留消杀功能的等离子体放电区域单元，在一个实施例中，进气通孔直径大于出气针管孔直径，且适当加长针管长度，使得目标消毒空气在等离子体放电区域驻留循环，延长接触时间，充分利用等离子体活性物质，提升消杀效果，如图11所示。
利用脉冲调制技术，产生电压幅值高，脉宽窄，突发重复频率大，脉冲延迟时间长的脉冲电压，在空气，主要为N2和O2，作为放电工作气体条件下，可更容易激发出更多的氮的活性物质RNS，抑制O3的产生，同时不损失消杀功能。因而本专利优化设计了一种Burst脉冲功率驱动方式，利用脉冲调制技术，产生间歇式高频微秒单极性脉冲，使得针管-板DBD电极工作在短时间瞬态强放电的状态。
在一个实施例中，本发明计的“Burst脉冲功率驱动方式”是一种利用DSP数字信号处理技术配合相应处理器模块，通过程序控制编辑产生特定的PWM信号，控制微秒电源模块中开关管器件，碳化硅MOSFET，开通与关断状态，从而控制电源模块的输出电压波形呈现“脉冲串”状态的脉冲调制技术。输出电压波形的“脉冲串”状态即先以脉冲串内较高的频率10kHz进行放电，在此时间段里开关管进行相应频率的状态转换，然后进入脉冲串外频率时间段，在此时间段里开关管不动作。将以脉冲串内10kHz高频放电频率放电的时间和开关管不动作的时间看作一个周期，则整体来看电源放电的频率为一个较低的频率1kHz。DSP技术控制编辑的PWM信号和对应输出电压波形的如图12所示。
Burst脉冲功率驱动方式对于电源来说：不仅降低了微秒电源中由于晶体管开关切换造成的损耗，提高了能量利用效率而且同时给予微秒电源中的晶体管充分的散热时间，减少了晶体管损坏的概率，提升了电源和整个装置的稳定性。
对于电极放电产生等离子体活性物质消毒来说：高压、窄脉宽、瞬时高频率的输出电压，短时间内可以产生大量活性粒子，由于活性粒子的存在时间是一定的，Burst脉冲功率驱动方式中不放电时活性粒子依然是存在的，可以在目标消毒空气充分发挥作用且此时不需要电源继续输入功率，因此在不减弱消毒效果的同时降低了能量输入；另外Burst脉冲功率驱动模式下的电极更容易在空气中激发氮的活性物质RNS，抑制O3的产生，保证消毒效果的同时，降低了臭氧的产生，更有利于实现低臭氧消毒。
本发明所提出的Burst脉冲功率驱动模式下装置可以正常进行放电工作，为了验证该装置中管-板DBD电极放电均匀性，分别在微秒电源输出电压9kV下观察其工作状态。其工作状态下的发光图像如图13所示，电压电流波形如图14所示。可以看出Burst脉冲功率驱动模式下装置可以正常工作，且管-板电极放电较为均匀，所有针管都产生了“扇形”等离子放电区域。
为了验证该装置正常工作状态下的臭氧排放量，在2.4.1所述的正常工作状态下的管-板电极与臭氧检测仪同时放置与50cm*50cm*60cm的透明密闭盒子里，控制装置连续工作运行5min，观察臭氧检测仪的示数。可以观察到装置连续工作5min的时间内臭氧检测仪没有检测到臭氧。
因此本发明所设计的基于Burst脉冲功率驱动模式的低臭氧-离子体空气消毒装置所产生的臭氧量符合中华人民共和国国家卫生健康委员会发布的《空气消毒机通用卫生要求》WS/T 648—2019中的要求。
为了验证该装置的灭菌消毒性能，以生活中常见的绿脓杆菌P. aeruginosa、大肠杆菌E. coli、金黄葡萄球菌S. aureus三种菌落为消杀对象。在灭菌实验中，准备并使用三组(A：P. aeruginosa、B：E. coli、C：S. aureus)菌液样本，每组3mL。随后将菌液离心沉降，倒出培养液，加入3mL生理盐水摇匀后对器械进行染菌处理，并将其暴露于所设计的空心针管-板DBD电极的放电等离子体区域，处理不同时间间隔。随后进行梯度稀释再进行涂布，放入恒温箱培养，通过菌落形成单位(CFU)计数存活细胞数量。处理结果如图15所示，其中三种细菌初始浓度均为107cfu/ml，对照组为未作处理的原始菌落。
通过计算三种菌落的杀菌率可探究空气多针管—板放电灭菌的效率为：
其中是对照组中的活菌数，是空心针-管板DBD等离子体电极反应器处理组中的活菌数。
所设计的空心针-管板DBD等离子体电极反应器各个时间段杀菌效果如图16所示。处理时间1min时，E. coli的灭菌率达94.22%，S. aureus的灭菌率达96.18%，P.aeruginosa的灭菌率达98.87%；当在处理时间3min时，三种菌落的灭杀效果在曲线上出现明显的拐点，三种菌落的灭杀在3min后处理效果逐步减缓，趋于饱和。从整体上看，P.aeruginosa和E. coli在等离子体作用下的效果较S. aureus的效果要快，但在5min后三种菌落的灭杀效果均可达到99.99%，从曲线可以很直观的看出细菌的数量在时间尺度上的加速和减缓状态。从而验证了所设计的空心针管-板DBD等离子体电极反应器对空气中细菌病毒等微生物消杀能力的可行性。
Claims (10)
1.一种低臭氧－等离子体空气消毒装置，包括箱体，等离子体发生器（2）位于箱体中，所述箱体上设有进风口（1）和出风口（3），其特征在于：所述进风口（1）处设置有包含锰系金属的脱氧催化剂，所述出风口（2）处设置包含二氧化钛的臭氧分解催化剂，所述等离子发生器（2）包括高压电极（201）和地电极（202），所述高压电极（201）和高频微秒脉冲电源（4）的高压端连接，所述地电极（202）和高频微秒脉冲电源的低压端连接，所述高压电极（201）是一块附有多个导通气流的针管的金属板，所述地电极（202）是一块钻有通孔（204）的金属板，地电极（202）的金属板的规格和高压电极（201）的金属板的规格相对应。
2.如权利要求1所述的低臭氧－等离子体空气消毒装置，其特征在于：所述地电极（202）金属板上的通孔（204）其位置位于高压电极管尖（203）的正下方。
3.如权利要求1所述的低臭氧－等离子体空气消毒装置，其特征在于：等离子体的放电区域面（205）主要由管尖（203）和地电极（202）上的通孔（204）两者之间的电势差产生，管尖（203）处是等离子的产生区域，等离子体由管尖（203）往通孔（204）发展，形成了一个以管尖（203）为顶点，通孔（204）的圆形截面为底面的锥形的等离子体区域面（205）。
4.如权利要求1所述的低臭氧－等离子体空气消毒装置，其特征在于：所述进风口（1）和出风口（3）结构相同，都是带有通气孔的板形。
5.如权利要求4所述的低臭氧－等离子体空气消毒装置，其特征在于：所述通气孔的直径大于所述针管直径。
6.如权利要求1所述的低臭氧－等离子体空气消毒装置，其特征在于：所述高频微秒脉冲电源（4）采用Burst脉冲功率驱动方式，所述Burst脉冲功率驱动方式是一种利用数字信号处理技术配合相应处理器模块，通过程序控制编辑产生特定的PWM信号，控制微秒电源模块中开关管器件开通与关断状态，从而控制电源模块的输出电压波形呈现脉冲串状态。
7.如权利要求1-6任一项权利要求所述的低臭氧－等离子体空气消毒装置，其特征在于：所述地电极金属板表面在非通孔区域上附有一层绝缘绿油（206）。
8.如权利要求1-6任一项权利要求所述的低臭氧－等离子体空气消毒装置，其特征在于：所述针管长度为30-40mm，外径为0.8-1.2mm，内径为0.6-0.8mm，金属板为边长为220-235mm厚度为1.2-.181.8mm的正方体，相邻针管之间圆心间距为5-8mm，所述通孔（204）的直径为2.5-3.5mm，每两个通孔（204）的圆心间隔5-8mm。
9.如权利要求1-6任一项权利要求所述的低臭氧－等离子体空气消毒装置，其特征在于：所述高频微秒脉冲电源（4）和市电连接。
10.如权利要求1-6任一项权利要求所述的低臭氧－等离子体空气消毒装置，其特征在于：所述进风口（1）处设置有风机（5）。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211426464.XA CN115887729A (zh) | 2022-11-14 | 2022-11-14 | 一种低臭氧－等离子体空气消毒装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211426464.XA CN115887729A (zh) | 2022-11-14 | 2022-11-14 | 一种低臭氧－等离子体空气消毒装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115887729A true CN115887729A (zh) | 2023-04-04 |
Family
ID=86496645
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211426464.XA Pending CN115887729A (zh) | 2022-11-14 | 2022-11-14 | 一种低臭氧－等离子体空气消毒装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115887729A (zh) |
-
2022
- 2022-11-14 CN CN202211426464.XA patent/CN115887729A/zh active Pending
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