阵列射流等离子体快速消杀表面病原微生物系统与方法

1.本发明涉及消杀表面病原微生物的技术领域，更特别地说，是指一种阵列射流等离子体快速消杀表面病原微生物系统与方法。


背景技术：

2.低温等离子体(non
‑
thermal plasma，ntp)又被称为非平衡态等离子体，其在等离子体形成的整个过程中电子的温度(即能量)达到l～20ev，但是其它粒子的温度反而较低，几乎与室温相等，处于一个完全不平衡的状态。等离子体中含有大量活性离子，比如正负离子、光子、高能电子和自由基等，这些活性离子可以用于病原微生物(如细菌、病毒等)消杀。
3.在消杀病原微生物方面，等离子体射流是重要的放电形式。该技术由管式放电反应器和管外壁依次分布并具有一定间距的高压电极和接地极组成，在高频高压作用下，气体电离后从反应器喷出，形成数毫米到数厘米的包含大量活性成分的等离子体射流。由于射流温度接近室温，因此不会对被处理对象的处理表面产生热损伤。目前，低温等离子体灭菌装置因其结构小巧，携带方便，操作简单，而广泛应用于医疗器械、临床伤口治愈、果蔬等表面的病原微生物消杀。配合气氛环境调变，可调控低温等离子体活性组分及其浓度、紫外光频率等，实现针对不同类型病原微生物的消杀。
4.然而，传统的等离子体射流消杀覆盖区域较小，只适用于对皮肤、牙齿等微区处理，无法满足工业上大面积消杀(如包装箱外表面上病原微生物)等场景的应用需求。常规的阵列化大气压射流由于受到气体分布不均、电源匹配较难、能耗大等问题影响，很难保证放电的均一性和射流稳定性。因此，开发大尺度、放电稳定、快速高效的等离子体消杀表面病原微生物装备与方法，对该技术的推广应用意义重大。


技术实现要素：

5.对物表病原体微生物高效消杀离不开等离子体与物体表面的大面积接触，为了实现大尺度放电且保证射流的均一性和稳定性，本发明设计了一种阵列射流等离子体快速低能耗消杀表面病原微生物系统。
6.依据本发明系统提出了一种阵列射流等离子体快速消杀表面病原微生物的方法，具体步骤为：
7.步骤一，按照消杀气氛，通过供气子系统20控制工作气体组成、湿度和流量，随后充入射流等离子体子系统40的进气舱5并吹扫；
8.步骤二，在射流等离子体子系统40的进气舱5的气氛环境下，接通调制脉冲电源，对高压电极板7施加10～30kv高压，形成大面积阵列等离子体物质流，通过正弦频率、脉冲占空比、脉冲频率的调控，获取低功率、均匀稳定的等离子体射流状态的工作气体；
9.在步骤二中正弦频率、脉冲占空比、脉冲频率调控的范围为10～30khz，0～100％和7～15khz。
10.步骤三，将待消杀物体置于传送子系统30的皮带15上，调控空心介质管9与被消杀
物体上表面的距离h(h＝5mm～30mm)后，开启传送子系统30使待处理物体表面以一定速度经过等离子体射流区域完成消杀。
11.在步骤三中调控空心介质管与物体表面的距离，可通过调整设备高度或传送带高度实现。距离范围为5～30mm，由此确保等离子体射流充分接触待处理物体表面。
12.本发明方法中消杀气氛包括惰性气体、混合气体和含湿度气体。惰性气体包括氦气和氩气。
13.所述的混合气体包括空气与氩气的组合、氧气与氩气的组合、n2o与氩气的组合等含氧气体与惰性气体的组合。
14.所述的含湿度气体经过鼓泡塔带入水汽实现。
15.本发明消杀气氛的选择需要根据病原微生物的种类、消杀温度和作用时间等参数决定。
16.本发明的一种阵列射流等离子体快速消杀表面病原微生物系统，该系统包括有供气子系统(20)、电源子系统(12)、传送子系统(30)和射流等离子体子系统(40)；
17.电源子系统(12)用于为射流等离子体子系统(40)提供所需电源；
18.电源子系统(12)中至少设有正弦交流和调制脉冲信号叠加的脉冲调制电源(12a)，脉冲调制电源(12a)作用在高压电极板(7)上；
19.供气子系统(20)由气源(1)、鼓泡塔(2)和混气罐(3)组成，且气源(1)、鼓泡塔(2)和混气罐(3)之间通过管道实现连接；气源(1)提供消杀气氛，所述消杀气氛经过管道进入鼓泡塔(2)和混气罐(3)，随后向射流等离子体子系统(40)供应一定压力和流量的工作气体；
20.所述的消杀气氛包括有惰性气体、混合气体和含湿度气体；惰性气体包括氦气和氩气；
21.所述的混合气体包括空气与氩气的组合、氧气与氩气的组合、n2o与氩气的组合；
22.所述的含湿度气体经过鼓泡塔(2)带入水汽实现；
23.传送子系统(30)由皮带(15)、a滚轮(14a)和b滚轮(14b)组成，传动速度在1～1000mm/s范围可调；
24.射流等离子体子系统(40)包括有进气舱(5)、高压电极板(7)、接地极板(11)、阵列排布的空心介质管(9)、金属针(8)、固定硅胶套(10)、进气舱壳体(4)、保护罩(16)；
25.限流孔(6)、金属针(8)和空心介质管(9)构成针－环放电形式阵列电极；
26.高压电极板(7)所需电源及波形由正弦交流和调制脉冲信号叠加的脉冲调制电源(12a)提供；
27.金属针(8)位于空心介质管(9)的上端；
28.高压电极板(7)设置在进气舱壳体(4)、保护罩(16)之间；保护罩(16)的底部设有接地极板(11)，保护罩(16)的壳体上设有减重孔(16a)；进气舱壳体(4)的内部是用于容纳工作气体的进气舱(5)，进气舱壳体(4)上设有用于安装管道的a通孔(4a)、b通孔(4b)；
29.高压电极板(7)的上面板(71)上设有梅花型通孔(7a)，所述梅花型通孔(7a)的中部是中间通孔(7b)，位于所述中间通孔(7b)四周的是限流孔(6)；高压电极板(7)的下面板(72)上设有高压限位槽(13)；
30.所述中间通孔(7b)内安装有金属针(8)；金属针(8)通过过盈连接作为高压极并与
介质空心管(9)同轴，限流孔(6)围绕金属针(8)中心对称布局，有利于工作气体均匀布气和流速控制；
31.所述高压限位槽(13)内安装有空心介质管(9)的上端开口；空心介质管(9)的下端开口垂直对准皮带(15)；
32.所述高压限位槽(13)与四个所述限流孔(6)导通。
33.与现有技术相比，本发明的优点在于：
34.①
本发明系统利用阵列排布的针－环放电形式阵列电极达到阵列射流等离子体快速消杀表面病原微生物的目的。
35.②
本发明系统通过脉冲调制电源12a的正弦交流输出频率5～20khz，电压0～30kv，调制脉冲宽度10μs，上升时间4μs，频率7～15khz。脉冲调制电源12a作用在高压电极板7上。并配合针－环放电形式阵列电极，使得消杀气氛实现等离子体射流。
36.③
常温、冷藏、冷冻条件下物体表面的细菌、病毒、谷草芽孢杆菌等微生物均可在低能量消耗的条件下快速高效消杀，并且不会对物体表面造成损伤。此外，借助气氛湿度的调控，长寿命的活性粒子可随射流在物体表面停留，强化作用效果，降低有害气体产生。本发明的上述优势有望解决冷链食品外包装等低温应用场景下，现有装备病原微生物消杀效率有限，作用时间长，设备成本高的问题。
37.④
本发明通过限流孔流量均布、电源匹配、电极调控等多因素控制，实现了多管均匀、稳定射流，突破现有技术瓶颈。
附图说明
38.图1是本发明阵列射流等离子体快速消杀表面病原微生物系统的结构框图。
39.图2是本发明阵列射流等离子体快速消杀表面病原微生物系统的工作状况图。
40.图3是本发明射流等离子体子系统(40)的外部结构图。
41.图3a是本发明射流等离子体子系统(40)的另一视角外部结构图。
42.图3b是本发明射流等离子体子系统(40)的剖视图。
43.图3c是本发明射流等离子体子系统(40)的局部放大结构图。
44.图3d是本发明射流等离子体子系统(40)的内部结构图。
45.图3e是本发明射流等离子体子系统(40)中高压电极板(7)的结构图。
46.图4是本发明空心介质管(9)与金属针(8)的装配结构图。
47.图5是本发明电源子系统的电路原理图。
48.具体实施方式
49.下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
50.本发明的一种阵列射流等离子体快速低能耗消杀表面病原微生物系统，包括供气子系统20、电源子系统12、传送子系统30和射流等离子体子系统40。具体如下：
51.电源子系统12
52.参见图1、图2、图5所示，电源子系统12用于为射流等离子体子系统40提供所需电源。
53.电源子系统12中至少设有正弦交流和调制脉冲信号叠加的脉冲调制电源12a，所述脉冲调制电源12a的正弦交流输出频率5～20khz，电压0～30kv，调制脉冲宽度10μs，上升时间4μs，频率7～15khz。脉冲调制电源12a作用在高压电极板7上。
54.参见图5所示的正弦交流和调制脉冲信号叠加的脉冲调制电源12a的电路原理图。由整流电路、lc滤波电路、逆变电路、隔直电容、补偿电感和中频变压器组成。整流电路采用三相桥式不可控整流电路，这样可以克服晶闸管相控整流方式深控下网侧功率因数低、动态响应慢的缺点。滤波电路采用lc滤波电路。整流滤波电路的作用是为逆变电路提供平滑的直流电压。滤波电感l有滤波及在开机时抑制浪涌电流的作用。因电源的输出功率比较大，逆变电路采用了全桥结构。在逆变桥中选用igbt作为主功率开关管器件。ls为补偿电感，与发生器的负载等效电容一起构成谐振回路。驱动电路选用瑞士concept公司的scale集成驱动电路2sd315a芯片。
55.供气子系统20
56.参见图1、图2所示，供气子系统20由气源1、鼓泡塔2和混气罐3组成，气源1提供消杀气氛，所述消杀气氛包括不同类型的惰性气体、空气或其它气体，供给方式可通过高压气瓶和液罐等，气体经过管道1c(所述管道1c上设有流量计1a和压力计1b，实现流量、压力的控制)进入鼓泡塔2和混气罐3，随后向射流等离子体子系统40供应一定压力和流量的工作气体。
57.在本发明中，气源1、鼓泡塔2和混气罐3之间通过管道实现连接。
58.本发明方法中消杀气氛包括惰性气体、混合气体和含湿度气体。惰性气体包括氦气和氩气。
59.所述的混合气体包括空气与氩气的组合、氧气与氩气的组合、n2o与氩气的组合等含氧气体与惰性气体的组合。
60.所述的含湿度气体经过鼓泡塔带入水汽实现。
61.传送子系统30
62.参见图1、图2所示，传送子系统30由皮带15、a滚轮14a和b滚轮14b组成，传动速度在1～1000mm/s范围可调。
63.在本发明中，为了实现皮带15上的承载物平稳移动，在a滚轮14a与b滚轮14b之间可以设置多个滚轮。
64.射流等离子体子系统40
65.参见图1、图2、图3所示，射流等离子体子系统40包括有进气舱5、高压电极板7、接地极板11、阵列排布的空心介质管9、金属针8、固定硅胶套10、进气舱壳体4、保护罩16。
66.在本发明中，限流孔(6)、金属针(8)和空心介质管(9)的同轴设计，同时将限流孔(6)、金属针(8)和空心介质管(9)采用阵列排布，从而构成了针－环放电形式阵列电极。
67.高压电极板7所需电源及波形由正弦交流和调制脉冲信号叠加的脉冲调制电源12a提供。
68.参见图4所示的空心介质管9与金属针8的装配结构图。金属针8位于空心介质管9的上端。空心介质管9的内径记为d9、空心介质管9的管长记为h9，h9＝5d9～20d9。参见图3b所示，相邻空心介质管9的间距记为d9，d9＝0.5d9～2d9。
69.参见图3、图3a、图3b、图3c所示，高压电极板7设置在进气舱壳体4、保护罩16之间。保护罩16的底部设有接地极板11，保护罩16的壳体上设有减重孔16a。进气舱壳体4的内部是用于容纳工作气体的进气舱5，进气舱壳体4上设有用于安装管道的a通孔4a、b通孔4b。
70.在本发明中，为了防止阵列排布的空心介质管9从高压电极板7、保护罩16的底板上滑落下，采用在每根空心介质管9上套接固定硅胶套10。
71.参见图3d、图3e所示，高压电极板7的上面板71上设有梅花型通孔7a，所述梅花型通孔7a的中部是中间通孔7b，位于所述中间通孔7b四周的是限流孔6；高压电极板7的下面板72上设有高压限位槽13。
72.所述限流孔6的孔直径为0.5mm～1mm。
73.所述中间通孔7b内安装有金属针8。金属针8(放电极)通过过盈连接作为高压极并与介质空心管9同轴，限流孔6围绕金属针8中心对称布局，有利于工作气体均匀布气和流速控制。
74.所述高压限位槽13内安装有空心介质管9的上端开口。空心介质管9的下端开口垂直对准皮带15。
75.所述高压限位槽13与四个所述限流孔6导通。
76.在高压电极板7与阵列排布的空心介质管9的安装上，为了使工作气体与金属针8能够在极短时间(0.5秒)实现载气湍流，工作气体顺次从进气舱5、限流孔6进入空心介质管9，最后喷射到置于皮带15上的被消杀物体上，达到阵列射流等离子体快速消杀表面病原微
生物的目的。
77.在本发明中，高压电极板7，接地极板11采用硬铝、不锈钢等金属材质，进气舱壳体4为尼龙、硬塑料、聚四氟等电解质绝缘材料，空心介质管9采用石英、陶瓷、玻璃或聚四氟乙烯。
78.在本发明中，工作气体经过带有花板的进气舱5后，利用高压电极板7、限流孔6实现均匀布气和流速控制，流经阵列空心介质管9形成阵列大面积等离子体射流。
79.在本发明中，空心介质管9的上端开口置于高压限位槽13中，空心介质管9的下端穿过接地极板11、保护罩16的底板上的通孔，每根空心介质管9通过高压电极板7、接地极板11上的通孔实现阵列排布，每根空心介质管9之间在行向列向上设有间距，该间距与空心介质管9的管内径相关。
80.本发明的一种阵列射流等离子体快速低能耗消杀表面病原微生物方法，所述方法包括：
81.步骤一，按照消杀气氛，通过供气子系统20控制工作气体组成、湿度和流量，随后充入射流等离子体子系统40的进气舱5并吹扫；
82.步骤二，在射流等离子体子系统40的进气舱5的气氛环境下，接通调制脉冲电源，对高压电极板7施加10～30kv高压，形成大面积阵列等离子体物质流，通过正弦频率、脉冲占空比、脉冲频率的调控，获取低功率、均匀稳定的等离子体射流状态的工作气体；
83.在步骤二中正弦频率、脉冲占空比、脉冲频率调控的范围为10～30khz，0～100％和7～15khz。
84.步骤三，将待消杀物体置于传送子系统30的皮带15上，调控空心介质管9的底部与被消杀物体上表面的距离h(h＝5mm～30mm)后，开启传送子系统30使待处理物体表面以一定速度经过等离子体射流区域完成消杀。
85.在步骤三中调控空心介质管与物体表面的距离，可通过调整设备高度或传送带高度实现。距离h范围为5～30mm，由此确保等离子体射流充分接触待处理物体表面。
86.实施例1
87.在实施例1中，射流等离子体子系统40的箱体尺寸(如图3所示)，长记为a，宽记为b，高记为c，长150mm，宽150mm，高130mm，包含阵列排布的33根空心介质管(9)，相邻空心介质管的间距(d9)为8mm。所述限流孔(6)直径为0.52mm，空心介质管(9)内径(d9)为8mm，外径为13mm，长度(h9)为85mm。金属针(8)与接地极板(11)的距离(h8‑
11
)为40mm，空心介质管(9)伸出保护罩(16)的底面板的距离(h
11
)为25mm。单个射流等离子体子系统40的有效消杀面积为174.2cm2。
88.在实施例1中，通过供气子系统20控制气体组成为体积分数大于99.9％的氩气，流量为132l/min，随后充入射流等离子体子系统40的进气舱5并吹扫。
89.在实施例1中，在射流等离子体子系统40的进气舱5的气氛环境下，接通调制脉冲电源，对高压电极板7施加30kv高压，调控正弦频率为20khz、脉冲占空比为60％、电源功率为330w，电源电压为200v，形成大面积均匀的阵列等离子体物质流。
90.在实施例1中，将待消杀物体置于传送子系统30的皮带15上，调控空心介质管底部与被消杀物体上表面的距离(h)为15mm，开启传送子系统30使待处理物体表面以100mm/s的速度经过等离子体射流区域完成消杀。
91.通过对消杀后样片表面菌棉拭子擦拭回收洗脱，对活菌培养计数，测定存活菌数，计算消杀处理组和对照组的活菌数获得消杀效率。结果表明：在4℃的消杀环境温度条件下，三次平行实验表明物体表面的大肠杆菌的消杀效率分别为99.9％，99.9％和100％。
92.实施例2
93.在实施例2中，采用与实施例1相同尺寸的射流等离子体子系统40。
94.在实施例2中，通过供气系统控制气体组成为体积分数95％的氩气，5％的氧气，流量为132l/min，随后充入射流等离子体子系统40的进气舱5并吹扫。
95.在实施例2中，在射流等离子体子系统40的进气舱5的气氛环境下，接通调制脉冲电源，对高压电极板7施加10kv高压，调控正弦频率为20khz、脉冲占空比为60％、电源功率为330w，电源电压为200v，形成大面积均匀的阵列等离子体物质流。
96.在实施例2中，将待消杀物体置于传送系统上，调控空心介质管与物体表面的距离为15mm，开启传送系统使待处理物体表面以50mm/s的速度经过等离子体射流区域完成消杀。
97.在－20℃的消杀环境温度条件下，三次平行实验表明物体表面的大肠杆菌的消杀效率分别为99.5％，99.4％和99.7％。
98.实施例3
99.在实施例3中，采用与实施例1相同尺寸的射流等离子体子系统40。
100.在实施例3中，通过供气系统控制气体组成为体积分数95％的氩气，2％的n2o气体，流量为132l/min，随后充入射流等离子体子系统40的进气舱5并吹扫。
101.在实施例3中，在射流等离子体子系统40的进气舱5的气氛环境下，接通调制脉冲电源，对高压电极板7施加15kv高压，调控正弦频率为20khz、脉冲占空比为60％、电源功率为330w，电源电压为200v，形成大面积均匀的阵列等离子体物质流。
102.在实施例3中，将待消杀物体置于传送系统上，调控空心介质管与物体表面的距离为15mm，开启传送系统使待处理物体表面以100mm/s的速度经过等离子体射流区域完成消杀。
103.在－20℃的消杀环境温度条件下，三次平行实验表明物体表面的大肠杆菌的消杀效率分别为99.3％，99.5％和99.8％
104.实施例4
105.在实施例4中，采用与实施例1相同尺寸的射流等离子体子系统40。
106.在实施例4中，通过供气系统控制气体组成为体积分数95％的氩气，5％的氧气，相对湿度为60％，流量为132l/min，随后充入射流等离子体子系统40的进气舱5并吹扫。
107.在实施例4中，在射流等离子体子系统40的进气舱5的气氛环境下，接通调制脉冲电源，对高压电极板7施加10kv高压，调控正弦频率为20khz、脉冲占空比为60％、电源功率为330w，电源电压为200v，形成大面积均匀的阵列等离子体物质流。
108.在实施例4中，将待消杀物体置于传送系统上，调控空心介质管与物体表面的距离为15mm，开启传送系统使待处理物体表面以100mm/s的速度经过等离子体射流区域完成消杀。
109.在4℃的消杀环境温度条件下，三次平行实验表明物体表面的大肠杆菌的消杀效率分别为100％，99.9％和100％。
110.实施例5
111.与实施例1的区别在于：射流等离子体子系统40尺寸为长130mm，宽50mm，高120mm，包含阵列排布的20根单排布置的空心介质管(9)。空心介质管(9)内径为5mm，外径为8mm，长度为80mm，相邻空心介质管(9)管的间距为12mm。金属针(8)与接地极板(11)的距离为35mm，接地极板(11)与空心介质管(9)底部的距离为20mm。单个射流等离子体子系统40的有效消杀长度为120mm。
112.在实施例5中，通过供气系统控制气体组成为体积分数95％的氩气，5％的氧气，相对湿度为60％，流量为132l/min，随后充入射流装置并吹扫。
113.在实施例5中，在上述获得的气氛环境下，接通调制脉冲电源，对高压电极板7施加10kv高压，调控正弦频率为20khz、脉冲占空比为60％、电源功率为200w，电源电压为100v，形成大面积均匀的阵列等离子体物质流。
114.在实施例5中，将待消杀物体置于传送系统上，调控空心介质管与物体表面的距离为15mm，开启传送系统使待处理物体表面以50mm/s的速度经过等离子体射流区域完成消杀。
115.在4℃的消杀环境温度条件下，三次平行实验表明物体表面的大肠杆菌的消杀效率分别为100％，99.9％和99.9％。
116.申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。