CN103055332B - 一种大气压介质阻挡放电等离子体灭菌装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大气压介质阻挡放电等离子体灭菌装置，包括：传感器（温度传感器、气压传感器、风力传感器）、分析电路、电源控制电路、等离子发生装置等。本发明采用介质阻挡放电、预电离及自感原理，不仅能够有效降低所需电源电压，减小装置体积，便于灭菌装置实际使用。更重要的是，通过降低击穿电压，使气体更容易电离，也即等离子体在大气压的条件下更容易产生，从而增加了等离子体的密度，提高该装置的灭菌效率。采用细针管，增加了等离子体射流的速度，从而提高了等离子体灭菌装置的灭菌范围。另外，外观设计更人性化，更有利于实际操作；材料上，采用耐热、绝缘且经过等离子体注入处理的具有抗菌效果的工程塑料。
Description
技术领域：
本发明属于等离子体放电技术领域，具体涉及大气压下等离子体介质阻挡放电灭菌的方法及与该方法相关的装置。
背景技术：
等离子体灭菌作为一种低温灭菌方法，其特点有：(1)灭菌温度低，可以实现对生物体表面的直接灭菌；(2)灭菌速度快，一般在几十秒钟到几十分钟内就可达到灭菌效果，非常适合紧急处理；(3)无副产物，不产生有毒残留物，对环境和操作人员安全；(4)灭菌全面，可以对复杂空间、外形的各个角度进行有效灭菌。
现有技术如中国专利200880123007.5，利用具有可控非电离微波辐射源与气体(惰性气体或惰性气体的混合物)结合的微波能量，产生用于对生物组织表面等进行灭菌的低温等离子体。可以将气体和微波能量沿集成的电缆组件传输到等离子体发生区。该集成电缆组件提供了双向气流配置，以允许将气体从表面去除。
又如中国专利200810191718.8，利用与射频或高频电源连接的电极在绝缘管内产生等离子体微束流，设有进气连接口、气体流量控制阀开关和电源开关，供气源中的气体在流经绝缘介质管内外电极之间的间隙时，被击穿电离形成等离子体向壳体外喷出，该喷出的等离子体束流可以用于对各种表面的清洗、消毒和灭菌的目的。再如中国专利201020111158.3，公开了一种用于灭菌消毒的梳形电极大气压等离子体装置，包括有透明罩体，透明罩体内设有梳形上、下电极，卡槽的一侧设有风机，风机与卡槽之间还设置有空气过滤网，电极通过导线分别与外置高压电源的正负极相连接，产生具有化学活性的粒子，能够进行灭菌消毒。
上述各种装置在实用性、安全性方面均有所欠缺，需进行进一步改进：（1）实际使用时，人们希望灭菌装置能够随身携带，因此电源电压和体积因此受到制约，需尽可能通过技术手段降低放电所需电压。（2）实际灭菌情况是复杂多变的，灭菌装置应能够根据情况，灵活产生不同的电场或等离子体，这也就要求装置应能够灵活控制等离子体的发生范围，以提高灭菌效率。（3）需考虑温度、压强等环境因素以及等离子体密度对等离子体灭菌效率产生的影响。（4）需考虑等离子体灭菌装置的安全性问题，避免装置产生的高压、射频等伤害到操作人员。（5）上述装置都需要外接工作气体或鼓风机，不利于实际环境下使用。
发明内容：
本发明旨在提出一种新型的等离子体灭菌方法及装置，以改进现有技术在实用性、安全性等方面的不足，实现高效、安全灭菌，减小装置体积，减少能耗及成本，灵活应对不同情况。
本发明采用的技术方案为：一种大气压介质阻挡放电等离子体灭菌装置，该装置包括：外壳和内部电路；内部电路包括传感器、分析电路、电压控制电路和等离子体发生装置；传感器包括温度传感器、气压传感器和风力传感器；传感器探测包括温度、气压和风力的环境条件，然后将环境条件的数据传到分析电路，接收到环境参数的分析电路，将这些外界环境参数与预先存储好的参数进行比对，根据比对结果，对已经设置好的指令模板做出相应的更改，此指令模板对应预先存储好的参数，即调整指令中电压参数的大小，从而形成新的指令，并对电压控制电路发出指令，电压控制电路接收到指令后调节输入等离子体发生装置的电压，或者通过外部控制电路即人工调节，由操作人员根据自己的判断调节等离子体发生装置的电压，等离子体发生装置采用射频预电离的方法对气体进行预电离，在空气间隙中形成一定量的均匀分布的初始电子以降低击穿电压，然后再采用介质阻挡放电的方式对已经预电离的气体进行放电击穿，充分电离，形成等离子体，作用于物体表面，实现安全、清洁、高效地灭菌，同时达到灵活控制等离子体装置产生合适的等离子体以提高灭菌效率的目的；当产生的等离子体将细菌杀灭后，经人工调节停止等离子体产生或经传感器探测、并由分析电路分析处理后，发出指令通过电压控制电路调节等离子体发生装置停止产生等离子体气流。
其中，所述的外壳主材料为经过等离子体离子注入处理的工程塑料（ABS），采用圆筒形设计，整体长10-120cm，圆筒直径2-10cm，在外壳中间相距20cm的两处设有两个手持部位24，该手持部位相对于圆筒身而言直径较小1-3cm，但此处经加厚，并采用磨砂处理，不仅能更好的绝热，同时也增大操作人员手部与装置之间的摩擦，在前一个手持部位距离1cm处，设置电压旋钮，控制输入等离子发生装置中的电压；在后一个手持部位距离2cm处，设置电路总开关，控制等离子体的发生与停止；在其后分别设有气体流量计、稀有气体加载部位，在外壳的末端为环状的射频预电离电极和等离子体发生装置的外电极。
其中，所述的稀有气体采用氩气。
其中，稀有气体加载部位采用环形结构，内外直径分别为2、3cm，外环为凸起部分，内圆为凹陷部分，稀有气体气瓶外径79cm，瓶体长1525cm，稀有气体气瓶外环为凹陷部分，稀有气体气瓶内圆为突起部分，这一设计可使等离子体灭菌装置与稀有气体气瓶实现无缝对接，避免气体外泄。
其中，等离子体发生装置包括与高压输出端正极相连接的内电极、绝缘层、接负极的外电极、腔体、腔体一侧端口有环状的射频预电离电极，外电极与射频预电离电极之间不导通，厚度为2mm的铜箔制成的内电极与高频升压变压器的正极相连接，绝缘介质层由厚度为1mm且密布小孔的聚四氟乙烯片构成，与同电源负极相连接的外电极形成介质阻挡放电；这样稀有气体气源产生稀有气体流，通过气流控制阀和气体流量计后，操作人员根据气体流量计所显示的气体流量值利用气流控制阀调节气体流量，稀有气体流混入空气中形成工作气体；这样的气体在经过预电离后，再经介质阻挡放电实现充分电离，形成较高密度的等离子体，气室壁和稀有气体气瓶均采用经过等离子体注入处理的工程塑料（ABS）制成，重量轻且抗菌绝缘。
其中，所述的外电极，预先设计了不同直径的栅网、梳状型、螺旋型，根据实际灭菌情况，可灵活选取合适的类型，直径大的适合近距离灭菌，产生的等离子体面积大，灭菌速度快；直径小的虽然由于等离子体面积较小，灭菌速度较前者差，但等离子体密度更大，适用于对缝隙处的灭菌。
其中，等离子体发生装置通过射频电极对气体进行预电离，并利用高频升压变压器瞬间放大直流电源电压，该高频升压变压器为带铁芯的自感系数10H-25H的电感线圈，实现这一目标的电路包括：启辉器，开关，镇流器，电源，高频升压变压器，闭合开关后，电压经过高频升压变压器后，在射频预电离电极处对气体进行预电离，与此同时，启辉器、镇流器、电源构成闭合回路，由于此时电路中电阻很小，故电路中会形成很大的电流，那么镇流器两端也就会形成很大的电压，启辉器处因温度上升到一定程度而断开，电路瞬间断开，电流突变，此时镇流器可视作电源，其两端的电压加载到内电极和外电极上，从而使两端电压达到击穿电压。
本发明的原理在于：
介质阻挡放电是大气压条件下获得非平衡等离子体的有效手段。它可以在大气压或高于大气压条件下产生富含各类活性粒子的低温等离子体，对环境中或生物体及物体表面的细菌进行杀灭。
本发明采用大气压下的介质阻挡放电（APDBD），其放电产生的等离子体密度均匀，且具有无需抽真空、功耗小、利用空气放电无需外接工作气体等优点。由于介质阻挡放电（DBD）在产生的放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如OH、O、NO等，它们的化学性质非常活跃，很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子，将这一放电方法应用到灭菌中，能有效提高灭菌效率，从而提高装置的实用性。
本发明的结构主要包括：传感器（温度传感器、气压传感器、风力传感器）、分析电路、电源控制电路、等离子发生装置等。传感器探测到的温度、气压、风力因素，将数据传到分析电路，该电路对所接收到的环境条件进行处理、分析，紧接着对电源控制电路发出指令，接收到指令后，电源控制电路调节高频升压变压器的电压及频率，或由操作人员根据自己的判断调节电压和频率，实现灵活控制等离子体发生装置产生合适的等离子体以提高灭菌效率的目的，当产生的等离子体将细菌杀灭后，可经人工调节停止等离子体产生或经传感器探测、并由分析电路分析后控制电源电路后停止。
电源控制电路主要通过半桥逆变电路完成直流电压到方波电压的变换。在PWM(PulseWidth Modulation)控制方式下，两个开关管交替工作，为高频变压器提供脉宽可调的交流方波电压。本发明利用串联谐振变换器构成的高频升压变压器，输出高频正弦电压，使高压电源与介质阻挡放电负载较好匹配。
本发明利用射频预电离，由于预电离越强，所需击穿电压越低，所以在两放电电极之间，增加预电离电极，在灭菌时，先用预电离电极对气体进行预电离，在空气间隙中制造一定量的均匀分布的初始电子，可有效地降低击穿电压。
本发明利用自感原理降低所需电源电压，其实质是通过一个高频升压变压器，放大电源提供的电压，从而实现以较低的输入电压，达到较高的击穿电压。
所述的等离子体发生装置主要包括：1.与高压输出端正极相连接的内电极。2.绝缘层。3.接负极的外电极。另外，可通过更换不同的外电极形状，产生不同的等离子体形貌，以应对不同的情况。
所述的等离子体发生装置为提高其可操作性，在外形上，采用圆筒型设计，不仅便于操作人员灵活操作，还能节省储存空间。在装置外部，设计了手持部位，在手持部位稍前位置，安装了开关和调节按钮，方便操作人员调节等离子体发生器的频率。
由于所述的等离子体发生装置会在各种环境下工作，为避免会与细菌直接接触导致的二次感染，所以装置的材料应使用抗菌材料。另外，由于需要手持装置进行操作，所用材料需耐热、绝缘，以保障操作人员的安全。最后，所述装置在保证以上要求的前提下，还应尽可能采用轻便的材料，以便于操作人员灵活灭菌，当然还要考虑材料的强度。综合以上分析，本发明采用经过等离子体注入处理的工程塑料作为主材料。
电路内置于上述条件的材料做成的外壳内，避免因环境温度、湿度等导致电路无法正常工作。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明采用介质阻挡放电、预电离及自感原理，不仅能够有效降低所需电源电压，减小装置体积，便于灭菌装置实际使用。更重要的是，通过降低击穿电压，使气体更容易电离，也即等离子体在大气压的条件下更容易产生，从而增加了等离子体的密度，提高该装置的灭菌效率。采用细针管，增加了等离子体射流的速度，从而提高了等离子体灭菌装置的灭菌范围。另外，外观设计更人性化，更有利于实际操作；材料上，采用耐热、绝缘且经过等离子体注入处理的具有抗菌效果的工程塑料。
附图说明：
图1是本发明的等离子体灭菌装置灭菌过程的总体流程图。
图2是本发明的等离子体灭菌装置的外观示意图。
图3是本发明的等离子体灭菌装置内部结构示意图。
图4是本发明的等离子体灭菌装置所采用的电源控制电路原理图。
图5是本发明的等离子体灭菌装置所采用的稀有气体（本例采用氩）加载部位示意图，以及稀有气体容器罐的示意图。
图6是三种不同类型的等离子体发生装置设计图。
图7是控制电路原理图。
图8是半桥电路原理图。
具体实施方式:
如图1所示，本发明实施例由外壳和内部电路组成；内部电路包括传感器、分析电路、电压控制电路和等离子体发生装置；传感器包括温度传感器、气压传感器和风力传感器；传感器探测包括温度、气压和风力的环境条件，然后将环境条件的数据传到分析电路，接收到环境参数的分析电路，将这些外界环境参数与预先存储好的参数进行比对，根据比对结果，对已经设置好的指令模板（此指令模板对应预先存储好的参数）做出相应的更改，即调整指令中电压参数的大小，从而形成新的指令，并对电压控制电路发出指令，电压控制电路接收到指令后调节输入等离子体发生装置的电压，或者通过外部控制电路即人工调节，由操作人员根据自己的判断调节等离子体发生装置的电压，等离子体发生装置采用射频预电离的方法对气体进行预电离，在空气间隙中形成一定量的均匀分布的初始电子以降低击穿电压，然后再采用介质阻挡放电的方式对已经预电离的气体进行放电击穿，充分电离，形成等离子体，作用于物体表面，实现安全、清洁、高效地灭菌，同时达到灵活控制等离子体装置产生合适的等离子体以提高灭菌效率的目的；当产生的等离子体将细菌杀灭后，经人工调节停止等离子体产生或经传感器探测、并由分析电路分析处理后，发出指令通过电压控制电路调节等离子体发生装置停止产生等离子体气流。
如图2所示，本发明的等离子体灭菌装置外壳21主材料为经过等离子体离子注入处理的工程塑料（ABS），采用圆筒形设计，整体长10—120cm，圆筒直径2—10cm，在外壳中间相距20cm的两处设有两个手持部位24，该手持部位相对于圆筒身而言直径较小1-3cm，但此处经加厚，并采用磨砂处理，不仅能更好的绝热，同时也增大操作人员手部与装置之间的摩擦。在前一个手持部位距离1cm处，设置电压旋钮25，控制输入等离子发生装置中的电压；在后一个手持部位距离2cm处，设置电路总开关23，控制等离子体的发生与停止；在其后分别设有气体流量计28、稀有气体（本发明实施例采用氩气）加载部位22，在外壳的末端为环状的射频预电离电极26和等离子体发生装置的外电极27。
如图5所示，稀有气体加载部位22采用环形结构，内外直径分别为2、3cm，外环53为凸起部分，内圆52为凹陷部分，稀有气体气瓶54外径7—9cm，瓶体长15—25cm，稀有气体气瓶54外环55为凹陷部分，稀有气体气瓶54内圆56为突起部分，这一设计可使等离子体灭菌装置与稀有气体气瓶54实现无缝对接，避免气体外泄。需要说明的是，稀有气体如氩气是起辅助降低击穿电压的作用，稀有气体气瓶54可以灵活拆卸，不需要时不用装上，避免影响操作人员灭菌。
如图3所示，本发明的等离子体灭菌装置的核心部分是等离子体发生装置，等离子体发生装置包括与高压输出端正极相连接的内电极35、绝缘层34、接负极的外电极27、腔体31、腔体一侧端口有环状的射频预电离电极26。外电极27与射频预电离电极26之间不导通。
厚度为2mm的铜箔制成的内电极35与高频升压变压器47的正极相连接，绝缘介质层34由厚度为1mm且密布小孔的聚四氟乙烯片构成，与同电源负极相连接的外电极27形成介质阻挡放电；这样稀有气体气源32产生稀有气体如氩气流，通过气流控制阀33和气体流量计28后，操作人员根据气体流量计28所显示的气体流量值利用气流控制阀33调节气体流量，氩气流混入空气中形成工作气体；这样的气体在经过预电离后，再经介质阻挡放电实现充分电离，形成较高密度的等离子体。气室壁和稀有气体气瓶均采用经过等离子体注入处理的工程塑料（ABS）制成，重量轻且抗菌绝缘。
如图6所示，对于外电极27，预先设计了不同直径的栅网、梳状型、螺旋型。根据实际灭菌情况，可灵活选取合适的类型。直径大的适合近距离灭菌，产生的等离子体面积大，灭菌速度快；直径小的虽然由于等离子体面积较小，灭菌速度较前者差，但等离子体密度更大，适用于对缝隙处的灭菌。
如图4所示，本等离子体发生装置通过射频电极26对气体进行预电离，并利用高频升压变压器47（带铁芯的自感系数10H-25H的电感线圈）瞬间放大直流电源电压。实现这一目标的电路包括：启辉器41，开关43，镇流器44，电源45，高频升压变压器47。闭合开关43后，电压经过高频升压变压器47后，在射频预电离电极26处对气体进行预电离，与此同时，启辉器41、镇流器44、电源45构成闭合回路，由于此时电路中电阻很小，故电路中会形成很大的电流，那么镇流器44两端也就会形成很大的电压。启辉器41处因温度上升到一定程度而断开，电路瞬间断开，电流突变，此时镇流器44可视作电源，其两端的电压加载到内电极35和外电极27上，从而使两端电压达到击穿电压。
电源45提供电压12V的直流电，一方面，通过控制电路42和半桥主电路48将直流电变为交流电，再由一个高频升压变压器47将交流电频率提升到3KHz—800KHz，这样，射频预电离电极26对气体进行预电离，在空气间隙中制造一定量的均匀分布的初始电子；另一方面，含镇流器44的支路电路，电源45电压经放大后形成高压，外电极27对已经预电离的气体进行充分电离，产生等离子体。内、外电极35和27之间的介质34为厚度1—2mm的聚四氟乙烯片。
控制电路42的原理如图7所示。半桥PWM控制器采用TI公司的TL598，其输出级采用推挽电路，开关频率可达300kHz。PWM控制器输出的控制信号须经过功率放和隔离大后才能用来驱动IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）。功率驱动芯片选用IXDD404。这样的PWM控制信号经过驱动、隔离，实现了控制电路与主电路之间的隔离，同时将弱的控制信号转换成具备一定功率的驱动信号，该驱动信号对半桥开关管具有负压（负脉冲），可以直接驱动半桥IGBT并保证其可靠关断。
半桥主电路48的原理图如图8所示，在驱动信号的控制下，半桥上下臂开关管Q1和Q2交替导通，并与高压变压器初级漏感形成串联谐振电路，输出交流正弦电压。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种大气压介质阻挡放电等离子体灭菌装置，其特征在于，该装置包括：外壳(21)和内部电路；内部电路包括传感器、分析电路、电压控制电路和等离子体发生装置；传感器包括温度传感器、气压传感器和风力传感器；传感器探测包括温度、气压和风力的环境条件，然后将环境条件的数据传到分析电路，接收到环境参数的分析电路，将这些外界环境参数与预先存储好的参数进行比对，根据比对结果，对已经设置好的指令模板做出相应的更改，此指令模板对应预先存储好的参数，即调整指令中电压参数的大小，从而形成新的指令，并对电压控制电路发出指令，电压控制电路接收到指令后调节输入等离子体发生装置的电压，或者通过外部控制电路即人工调节，由操作人员根据自己的判断调节等离子体发生装置的电压，等离子体发生装置采用射频预电离的方法对气体进行预电离，在空气间隙中形成一定量的均匀分布的初始电子以降低击穿电压，然后再采用介质阻挡放电的方式对已经预电离的气体进行放电击穿，充分电离，形成等离子体，作用于物体表面，实现安全、清洁、高效地灭菌，同时达到灵活控制等离子体装置产生合适的等离子体以提高灭菌效率的目的；当产生的等离子体将细菌杀灭后，经人工调节停止等离子体产生或经传感器探测、并由分析电路分析处理后，发出指令通过电压控制电路调节等离子体发生装置停止产生等离子体气流。
2.根据权利要求1所述的一种大气压介质阻挡放电等离子体灭菌装置，其特征在于，所述的外壳(21)主材料为经过等离子体离子注入处理的ABS工程塑料，采用圆筒形设计，整体长10—120cm，圆筒直径2—10cm，在外壳中间相距20cm的两处设有两个手持部位(24)，该手持部位相对于圆筒身而言直径小1-3cm，但此处经加厚，并采用磨砂处理，不仅能更好的绝热，同时也增大操作人员手部与装置之间的摩擦，在前一个手持部位距离1cm处，设置电压旋钮(25)，控制输入等离子发生装置中的电压；在后一个手持部位距离2cm处，设置电路总开关(23)，控制等离子体的发生与停止；在其后分别设有气体流量计(28)、稀有气体加载部位(22)，在外壳的末端为环状的射频预电离电极(26)和等离子体发生装置的外电极(27)。
3.根据权利要求2所述的一种大气压介质阻挡放电等离子体灭菌装置，其特征在于，所述的稀有气体采用氩气。
4.根据权利要求2所述的一种大气压介质阻挡放电等离子体灭菌装置，其特征在于，稀有气体加载部位(22)采用环形结构，内外直径分别为2、3cm，外环(53)为凸起部分，内圆(52)为凹陷部分，稀有气体气瓶(54)外径7-9cm，瓶体长15-25cm，稀有气体气瓶(54)外环(55)为凹陷部分，稀有气体气瓶(54)内圆(56)为突起部分，这一设计可使等离子体灭菌装置与稀有气体气瓶(54)实现无缝对接，避免气体外泄。
5.根据权利要求1所述的一种大气压介质阻挡放电等离子体灭菌装置，其特征在于，等离子体发生装置包括与高压输出端正极相连接的内电极(35)、绝缘介质层(34)、接负极的外电极(27)、腔体(31)，腔体一侧端口有环状的射频预电离电极(26)；外电极(27)与射频预电离电极(26)之间不导通，厚度为2mm的铜箔制成的内电极(35)与高频升压变压器(47)的正极相连接，绝缘介质层(34)由厚度为1mm且密布小孔的聚四氟乙烯片构成，与同电源负极相连接的外电极(27)形成介质阻挡放电；这样稀有气体气源(32)产生稀有气体流，通过气流控制阀(33)和气体流量计(28)后，操作人员根据气体流量计(28)所显示的气体流量值利用气流控制阀(33)调节气体流量，稀有气体流混入空气中形成工作气体；这样的气体在经过预电离后，再经介质阻挡放电实现充分电离，形成较高密度的等离子体，气室壁和稀有气体气瓶均采用经过等离子体注入处理的ABS工程塑料制成，重量轻且抗菌绝缘。
6.根据权利要求5所述的一种大气压介质阻挡放电等离子体灭菌装置，其特征在于，等离子体发生装置通过射频电极(26)对气体进行预电离，并利用高频升压变压器(47)瞬间放大直流电源电压，该高频升压变压器(47)为带铁芯的自感系数10H-25H的电感线圈，实现这一目标的电路包括：启辉器(41)，开关(43)，镇流器(44)，电源(45)，高频升压变压器(47)，闭合开关(43)后，电压经过高频升压变压器(47)后，在射频预电离电极(26)处对气体进行预电离，与此同时，启辉器(41)、镇流器(44)、电源(45)构成闭合回路，由于此时电路中电阻很小，故电路中会形成很大的电流，那么镇流器(44)两端也就会形成很大的电压，启辉器(41)处因温度上升到一定程度而断开，电路瞬间断开，电流突变，此时镇流器(44)可视作电源，其两端的电压加载到内电极(35)和外电极(27)上，从而使两端电压达到击穿电压。
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