CN214343980U

CN214343980U - 适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置

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Publication number: CN214343980U
Application number: CN202022332058.XU
Authority: CN
Inventors: 马明义; 吴永宏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-10-19
Filing date: 2020-10-19
Publication date: 2021-10-08
Anticipated expiration: 2030-10-19

Abstract

本实用新型公开了一种适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置，包括用于杀菌的放电部和与人体接触的握持部，且放电部与握持部通过卡扣或螺纹连接；放电部外壳设有窗口，放电部腔体内部设置放电电极，放电电极的端部朝向窗口；握持部的腔体内部设置高压发生器和直流电源；直流电源与高压发生器连接，高压发生器的正极与放电电极连接，高压发生器的负极与用导电材料制成的握持部外壳连接；放电部的窗口处且位于放电电极端部的前方固定设置一隔离板，隔离板上设有通孔，且通孔与设置在后方的放电电极相对应。本实用新型利用使用者人体作为负极，在高压正极与人体间形成高压电场，电场内产生的低温等离子体和高速粒子直接作用于人体表面而快速灭菌。

Description

适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置

技术领域

本实用新型涉及一种适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置。

背景技术

近年来，低温等离子体技术已经引起越来越多的关注，低温等离子体高效、广谱的灭菌效果已是公共知识。等离子体被称作除固态、液态和气态之外的第四种物质存在形态，是由电子、离子、自由基和中性粒子组成的、整体保持电中性的物质存在形态。通过气体在高压电场中放电产生的等离子体，其中重粒子温度很低，整个体系呈现常温状态，被称为低温等离子体。在低温等离子体内富含的大量活性粒子如离子、电子、激发态的原子和分子及自由基等，低温等离子体作用于人体表面引发一系列复杂的物理、化学反应，可以使人体表面细菌、病毒等微生物失去活性，从而使人体表面避免了感染引发的一系列问题。

电晕放电作为常压条件下产生低温(非平衡态)等离子体的一种可靠、经济的方法，被广泛应用于空气净化、环境灭菌等领域。

目前，利用电晕放电产生等离子体的放电装置在实际应用中有体积庞大、造价高、使用不便、直接作用于人体表面容易产生不适的电弧体感等问题，很难实现个人普及应用。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置，包括用于杀菌的放电部和与人体接触的握持部；放电部的外壳与握持部的外壳通过卡扣或螺纹连接；

放电部为一外壳包围的腔体；放电部外壳上设置与内部连通的窗口；放电部的腔体内部设置放电电极，放电电极的端部朝向外壳上的窗口；

握持部为一用导电材料制成的外壳包围的腔体；握持部腔体内部设置高压发生器和直流电源；直流电源与高压发生器连接，高压发生器的正极与放电部的放电电极连接，高压发生器的负极与握持部的外壳连接；

放电部的窗口处且位于放电电极端部的前方固定设置一隔离板；隔离板上设有通孔，且通孔位置与设置在后方的放电电极相对应。

作为优选，隔离板采用碳质材料制成，且隔离板的内侧贴附一层用导电材料制成的导电层。

作为进一步优选，隔离板的内侧设置顶部开孔的孔罩，孔罩朝着放电电极方向凸起，孔罩与通孔位置相对应。

作为更进一步优选，孔罩为喇叭形状，孔罩的喇叭形的大口与隔离板的导电层连接，喇叭形的小口朝向放电电极，放电电极的端部设置在孔罩的喇叭形内腔且不与孔罩的内壁发生触碰。

作为优选，隔离板内部嵌入一层不小于100目的尼龙网，尼龙网封住隔离板上的通孔。

作为优选，放电电极为单根导线制成。

作为优选，放电电极用多股导电丝缠绕制成。

作为优选，高压发生器包括由L1、R1、R2、C1、Q2、Q3、T1组成自激推挽型直流变换器；Q1、C2、R3和单片机MCU构成PWM型电流控制器；C3、D1、C4、D2组成倍压整流；R4为等效负荷，R4的正极与放电电极连接，R4的负极与握持部的外壳连接。

本实用新型的有益效果是：

利用放电电极为正极，将人体作为高压放电的负极，在高压正极与人体间形成高压电场，电场内高压放电产生的等离子体和高速粒子直接作用于人体表面，利用等离子体实现人体表面快速灭菌。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型低温等离子体发生装置实施例1的结构示意图。

图2是本实用新型低温等离子体发生装置实施例1的A处局部示意图。

图3是本实用新型低温等离子体发生装置实施例1的隔离板的主视图。

图4是本实用新型低温等离子体发生装置实施例1的隔离板的左视图。

图5是本实用新型低温等离子体发生装置实施例1的放电电极主视图。

图6是本实用新型低温等离子体发生装置实施例1的放电电极俯视图。

图7是本实用新型低温等离子体发生装置实施例1的高压发生器电路图。

图8是本实用新型低温等离子体发生装置实施例2的结构示意图。

图9是本实用新型低温等离子体发生装置实施例2的B处局部示意图。

图10是本实用新型低温等离子体发生装置实施例2的隔离板的主视图。

图11是本实用新型低温等离子体发生装置实施例2的隔离板的右视图。

图中标记：1-握持部外壳，2-放电部外壳，3-放电板，4-放电电极，5-隔离板，6-通孔，7-导电层，8-孔罩，9-高压发生器，10-直流电源，11-开关，12-正极，13-负极。

具体实施方式

实施例1

图1是一种适于人体表面杀菌的低温等离子体发生装置，由外壳、直流电源10、高压发生器9、隔离板5、放电板3和放电电极4构成。

握持部与放电部为可相互连接的两段腔体，握持部外壳1与放电部外壳2通过卡扣或螺纹连接。

直流电源和高压发生器设置在握持部的腔体内部，放电板和放电电极设置在放电部的腔体内部。

直流电源10对高压发生器9供电，高压发生器9的正极12通过导线与放电板3连接，高压发生器的负极13通过导线与握持部外壳1连接，握持部外壳1采用如铝材的导电材料制成。

放电部的外壳设置一窗口，5根放电电极4呈直立状固定排列在放电板3上面，放电板设置在朝着放电部窗口的腔体底部，并且放电电极的端部朝向放电部外壳的窗口。

在图2中，在放电部的窗口处固定设置一隔离板5，且隔离板位于放电电极端部的前方。隔离板采用电阻系数较大的碳质材料制成，碳质材料如石墨板。在隔离板的后方腔体底部设置一块放电板3，放电板上面固定分布有若干根放电电极4。

在图3和图4中，隔离板的厚度为2mm，在隔离板的内侧贴附了一层导电层7，导电层是一层用如铜箔的导电材料制成的薄层。在隔离板的平面上设置有5个通孔6，并在每个通孔的后方都对应地设置一根放电电极，且放电电极的端部正对着通孔的位置。

隔离板制作时其内部还嵌入了一层100目的尼龙网，尼龙网封住隔离板上通孔的开口，防止毛发钻进隔离板上的通孔，避免毛发等细丝状物质触碰到放电电极。

隔离板的作用：

隔离板的设置使得放电电极端部与使用者的人体表面待灭菌部位保持一合理的间距，以确保放电有效性，同时避免人体表面与放电电极的端部距离过近或发生直接接触。

用碳质材料制成的2mm厚度的隔离板，其材料及厚度能够有效地阻挡放电电极产生的电弧直接作用于人体表面。

当人体触碰到隔离板时，此时放电电极与人体的距离最近，有可能直接向人体拉弧。利用隔离板内壁贴附的导电层良好的导电特性，电弧会直接向隔离板内壁的导电层放电，避免在使用时产生如触电样不适的感觉。

放电电极4采用单根导线制成，并且放电电极的端部为一圆形平面，圆形平面的边缘一圈即为放电点。为相应增加每根放电电极尖端的放电点，每根放电电极4还可以采用多股导电丝缠绕构成(图5)，其中导电丝采用如铂金丝或镀金铜丝等具有高导电率、抗氧化性能的材料制成，每根导电丝端部均为圆形平面，每根导电丝具有放电点即相当于单根放电电极具有放电点，因此，由多股导电丝制成的放电电极相应地增加了更多的放电点(图6)。

本实施例的高压发生器9是一种同时具有灭弧功能的高压发生器，其中的灭弧功能是通过降低放电电流来实现的，以避免在电极放电的同时向人体表面拉弧。

如图7所示，高压发生器是一种PWM电流自激可控灭弧高压发生器，包括由L1、R1、R2、C1、Q2、Q3、T1组成自激推挽型直流变换器；Q1、C2、R3和单片机MCU构成PWM型电流控制器；C3、D1、C4、D2组成倍压整流。R4为等效负荷。

PWM电流自激可控灭弧高压发生器的工作过程如下：

在图7中，L1、R1、R2、C1、Q2、Q3、T1组成自激推挽型直流变换器进行工作，C3、D1、C4、D2组成倍压整流给等效负荷R4进行供电，正常工作下，R4上只进行电晕放电，负荷电流较小，当R4上非正常放电下形成电弧放电时，R4上的负荷电流增加，输出电压减少。高压变压器T1的原边电流增加，此时原边电流流经三极管Q2、Q3、可能过电流检测电阻R3检测，R3将检测到的电流送入单片机MCU，由MCU进行AD转换。MCU根据检测到的电流进行恒流模式控制、最大电流限流模式控制。在恒流模式下，MCU根据检测到的电流进行PID控制，输出脉宽调制PWM信号，PWM信号控制功率管Q1，进行PWM直流斩波，控制C2电压、通过R1、R2控制Q2、Q3基极电流，最终控制高压变压器T1的输出，达到R4灭弧控制。

图7中的R4的正极通过导线与放电板3连接，R4的负极通过导线与握持部的铝制外壳连接。

使用方法：

使用时，使用者用手或本人人体其他部位与握持部外壳1直接接触，即使用者的躯体与握持部外壳1通过电连接，这样就在放电电极与距离放电电极最近的使用者的人体表面构成了一放电回路。

当需要对使用者人体表面进行局部灭菌时，打开开关11，接通直流电源10，激发放电电极与距离放电电极最近的人体表面之间的空气，放电电极与人体表面形成放电回路，产生等离子体和电场效应。这样，所产生的等离子体和电场效应即对放电电极端部朝向使用者的人体表面局部产生灭菌作用。

为了说明本实施例的等离子体灭菌效果，以下采用本实施例与另外一种不同的低温等离子体发生装置进行了灭菌效果对比测试。

等离子体灭菌效果测试

1、实验原理：取一定体积5μl的细菌和真菌，分别在培养基平板上均匀涂抹在一小区域(光斑覆盖)；按照之前设定的时间梯度进行等离子体照射；吸取一定体积培养液(干净)混合上述的菌液，并均匀涂抹在培养基平板上；特定温度过夜培养，单菌落计数，按以下公式计算致死率。

致死率＝(对照组单菌落数-处理组单菌落数)/对照组单菌落数*100％。

2、材料与方法

2.1材料

2.2主要试剂与仪器

LB培养液；LB培养基(固体)；YPD培养液；YPD培养基(固体)；直径70mm的培养皿；超净工作台；摇床；恒温培养箱；低温等离子体装置：吹风式(自放电式)低温等离子体发生装置(以下简称为装置H)；直射式低温等离子体发生装置(以下简称为装置S)。

2.3方法

2.3.1标准菌株活化培养：

将穿刺培养的金黄色葡萄球菌接种到3ml LB培养液中，置37℃、250rpm的摇床中培养5小时，取1μl菌液于含有LB培养基的培养皿上，涂板，置于37℃恒温培养箱中培养12小时。挑取单克隆转入3ml LB培养液中，置37℃、250rpm的摇床中培养5小时，混匀菌液，并进行菌液梯度稀释(10^-1、10^-2、10^-3、10^-4、10^-5)，取5μl于含有LB培养基的培养皿上，涂板、置于37℃恒温培养箱中培养12小时，寻找合适的稀释梯度为10^-4，将10^-4稀释的菌液放置于4℃冰箱备用。

将-80℃保存的毕赤酵母接种到3ml YPD培养液中，置27℃、250rpm的摇床中培养24小时，取1μl菌液于含有YPD培养基的培养皿上，涂板，置于27℃恒温培养箱中培养24小时。挑取单克隆转入3ml YPD培养液中，置27℃、250rpm的摇床中培养12小时，混匀菌液，并进行菌液梯度稀释(10^-1、10^-2、10^-3、10^-4、10^-5)，取5μl于含有YPD培养基的培养皿上，涂板、置于27℃恒温培养箱中培养24小时，寻找合适的稀释梯度为10^-2，将10^-2稀释的菌液放置于4℃冰箱备用。

2.3.2等离子体照射实验：

取5μl稀释倍数10^-4的金黄色葡萄球菌于含有LB培养基的平板上，并在底部用mark笔标记，浸干后，在mark标记处将导线加热刺穿平板(注意不能刺穿培养基)，然后将导线另一端连接在装置H或装置S的铜片区域；然后将装置H或装置S的喷嘴对准菌液浸干的区域，距离5mm左右；分别照射20s、1min、3min；照射后的平板加入1ml LB培养液将浸干的菌液清洗并均匀的涂抹在平板上；置于37℃的恒温培养箱中培养24小时，对单菌落进行计数，计算致死率。灭菌效果用杀死微生物的百分率及致死率表示，致死率按以下公式计算：致死率＝(阳性对照组细菌数—照射后细菌数)/阳性对照组细菌数*100％；

取5μl稀释倍数10^-2的毕赤酵母于含有YPD培养基的平板上，并在底部用mark笔标记，浸干后，在mark标记处将导线加热刺穿平板(注意不能刺穿培养基)，然后将导线另一端连接在装置H或装置S的铜片区域；然后将装置H或装置S的喷嘴对准菌液浸干的区域，距离5mm左右；分别照射1mins、3min、6min；照射后的平板加入1ml YPD培养液将浸干的菌液清洗并均匀的涂抹在平板上；置于27℃的恒温培养箱中培养36小时，对单菌落进行计数，计算致死率。灭菌效果用杀死微生物的百分率及致死率表示，致死率按以下公式计算：致死率＝(阳性对照组细菌数—照射后细菌数)/阳性对照组细菌数*100％；

2.4灭菌效果对比

装置H与装置S的金黄色葡萄球菌灭菌效果对比见表1。

装置H与装置S的毕赤酵母灭菌效果对比见表2。

表1金黄色葡萄球菌的灭菌效果对照表

从表1中可见，装置H对于金黄色葡萄球菌的灭菌效果最高达到71.24％，装置S对于金黄色葡萄球菌的灭菌效果最高达到99.85％。

表2毕赤酵母菌的灭菌效果对照表

从表2中可见，装置H对于金黄色葡萄球菌的灭菌效果最高达到66.29％，装置S对于金黄色葡萄球菌的灭菌效果最高达到100％。

由此得知，装置S的灭菌效果要比装置H的灭菌效果的高约29％～34％，而且装置S的灭菌效果高达90％以上，最高达到100％，灭菌效果十分显著。

表1和表2中的装置H为吹风式(自放电式)低温等离子体发生装置，其特点是高压发生器的正负极全部设置在低温等离子体发生装置的里面，并且由正极向负极放电，通过介质(如空气)，将放电产生的等离子体射流吹至需要灭菌的部位进行灭菌。装置S即为本实施例所述的低温等离子体发生装置。

本实施例可以实现以下技术效果：

由于是正极直接向人体表面放电，避免了等离子体通过其他介质间接作用而导致的衰减，大幅提高作用于人体表面的等离子体浓度，同时，正极与人体表面形成电场效应，通过等离子体和电场效应的叠加，大大提高了灭菌效率。

本实施例既可用于人躯体表面部位的局部杀菌消毒，也可用于动物躯体表面部位的局部灭菌。本实施例还可直接用于导电体表面的灭菌。

本实施例的低温等离子体发生装置具有使用简单、无差别广谱灭菌、灭菌效率高、安全无副作用、适用范围广等特点。

实施例2

图8是另外一种适于人体表面杀菌的低温等离子体发生装置，也由外壳、直流电源10、高压发生器9、隔离板5、放电板3和放电电极4构成，即将直流电源、高压发生器、放电板和放电电极设置在外壳的内腔。

在图9中，放电部外壳的开口处固定设置一隔离板5，隔离板是采用电阻系数较大如石墨板的碳质材料制成。

在图10中，隔离板5采用厚度为2mm的石墨板制成，在隔离板的内侧贴附有一层导电层7，导电层是一层采用如铜箔的导电材料制成的薄层，在隔离板上各个通孔6的内侧设置1个喇叭口形状的孔罩8，并且在每个孔罩的内腔都对应设置了一根放电电极。

在图11中，喇叭口形状的孔罩的大口与隔离板内侧的导电层连接，孔罩的喇叭口的小口朝向放电电极。放电电极4的端部设置在喇叭形孔罩的内腔中间，而且放电电极不可与孔罩的内壁发生直接接触。

除了上述喇叭形状的孔罩外，还可以采用顶部开孔的半圆球体形状、或圆柱体或异形柱体形状的孔罩。

在隔离板5的通孔内侧设置孔罩的作用是约束放电电极的等离子体流向，同时控制空气流通而避免导致臭氧量过大。

隔离板的作用是当放电电极靠近人体表面时，放电电极会优先向隔离板内壁的导电层放电，避免直接向人体产生电弧。

本实施例的其他结构与实施例1相同，不再赘述。

以上所述的本实用新型实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的权利要求保护范围之内。

Claims

1.适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置，其特征在于，包括用于杀菌的放电部和与人体接触的握持部；所述放电部与握持部通过卡扣或螺纹连接；

所述放电部为一外壳包围的腔体；放电部外壳上设置与内部连通的窗口；所述放电部的腔体内部设置放电电极，所述放电电极的端部朝向外壳上的窗口；

所述握持部为一用导电材料制成的外壳包围的腔体；所述握持部腔体内部设置高压发生器和直流电源；直流电源与高压发生器连接，所述高压发生器的正极与放电部的放电电极连接，高压发生器的负极与握持部的外壳连接；

所述放电部的窗口处且位于放电电极端部的前方固定设置一隔离板；所述隔离板上设有通孔，且通孔位置与设置在后方的放电电极相对应。

2.根据权利要求1所述适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置，其特征在于，所述隔离板采用碳质材料制成，且隔离板的内侧贴附一层用导电材料制成的导电层。

3.根据权利要求2所述适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置，其特征在于，所述隔离板的内侧设置顶部开孔的孔罩，所述孔罩朝着放电电极方向凸起，孔罩与通孔位置相对应。

4.根据权利要求3所述适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置，其特征在于，所述孔罩为喇叭形状，孔罩的喇叭形的大口与隔离板的导电层连接，喇叭形的小口朝向放电电极，所述放电电极的端部设置在孔罩的喇叭形内腔且不与孔罩的内壁发生触碰。

5.根据权利要求1所述适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置，其特征在于，所述隔离板内部嵌入一层不小于100目的尼龙网，所述尼龙网封住隔离板上的通孔。

6.根据权利要求1所述适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置，其特征在于，所述放电电极为单根导线制成。

7.根据权利要求1所述适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置，其特征在于，所述放电电极用多股导电丝缠绕制成。

8.根据权利要求1所述适于人体表面灭菌的低温等离子体发生装置，其特征在于，所述高压发生器包括由L1、R1、R2、C1、Q2、Q3、T1组成自激推挽型直流变换器；Q1、C2、R3和单片机MCU构成PWM型电流控制器；C3、D1、C4、D2组成倍压整流；R4为等效负荷，所述R4的正极与放电电极连接，所述R4的负极与握持部外壳连接。