CN111420109B - 电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备，主要包括消毒设备壳体、进气扇、高频脉冲等离子器激励源、高频脉冲发生器、等离子体空气净化消毒反应器、脉冲电场空气净化消毒反应器和排气扇。本发明增强病毒和细菌的灭活效率，结合空气循环***，实现对飞沫和气溶胶中的病毒、细菌和芽孢等多种病原体的有效杀伤。

Description

电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备

技术领域

本发明涉及空气净化消毒领域，具体是电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备。

背景技术

细菌和病毒等体外存活时间较长，且大多可以通过呼吸道飞沫、气溶胶等方式在空气中传播，造成了极大安全隐患。尤其是新型冠状病毒，其最主要的传播途径是通过呼吸道飞沫、气溶胶等方式在空气中传播，唯有切断传播途径，才能尽可能确保病毒造成的疫情不再扩大。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。

本发明提供电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备，主要包括消毒设备壳体、进气扇、高频脉冲等离子器激励源、高频脉冲发生器、等离子体空气净化消毒反应器、脉冲电场空气净化消毒反应器和排气扇。

所述消毒设备壳体的外壁分别开设有进气口和出气口。所述消毒设备壳体内部设有2个连通的腔体，分别记为等离子体反应腔和脉冲电场反应腔。等离子体反应腔和脉冲电场反应腔内的空气相互流通。

所述进气扇嵌在进气口内。所述进气扇将外部环境空气送入消毒设备壳体内。

所述高频脉冲等离子器激励源、高频脉冲发生器封装在消毒设备壳体内部，并通过电极导线分别与等离子体空气净化消毒反应器和脉冲电场空气净化消毒反应器的电极连接，从而向等离子体空气净化消毒反应器和脉冲电场空气净化消毒反应器输出参数可调的脉冲，从而控制等离子体空气净化消毒反应器和脉冲电场空气净化消毒反应器工作。

高频脉冲等离子器激励源和高频高强度脉冲发生器输出的脉冲参数如下：脉冲幅值范围为[-20kV，+20KV]，脉冲宽度范围为[200ns，10μs]，频率范围为[1Hz，10kHz]，脉冲上升沿小于50ns，脉冲下降沿小于200ns。脉冲参数数值根据病原体灭活的理化特征特性调整。

所述等离子体空气净化消毒反应器包括若干间隙布置在等离子体反应腔内的电极。每两个相邻电极之间的空隙形成一个等离子体反应通道。电极表面涂覆有阻挡绝缘介质。

等离子体空气净化消毒反应器接收到高频脉冲等离子器激励源发送的脉冲后，电极放电，从而在等离子体反应通道内产生等离子体，完成对等离子体反应腔内空气中病原体的灭活。电极放电方式包括但不限于DBD放电方式和射流放电方式。

所述等离子体空气净化消毒反应器至少包括对称贴设在等离子体反应腔2个相对内表面的电极对。

所述阻挡绝缘介质为绝缘介质。

所述脉冲电场空气净化消毒反应器包括对称布置在脉冲电场反应腔内的电极对。

脉冲电场空气净化消毒反应器接收高频脉冲发生器发送的脉冲后，在电极对之间形成脉冲电场，完成对脉冲电场反应腔内空气中病原体的灭活。形成的脉冲电场强度范围为[0，20KV/cm]。

所述电极对相对的两个表面均涂有导电毛刺，以增强电极对形成的脉冲电场强度。

所述导电毛刺为碳纳米管。

所述电极对对称贴设在脉冲电场反应腔的2个相对内表面。

电极和电极对主要为平板电极、针电极和/或圆形电极。

所述排气扇嵌在出气口内，将等离子体反应腔和/或脉冲电场反应腔内的空气排至外环境。

值得说明的是，等离子体产生的带电粒子和活性物质，具有刻蚀病菌表面包膜、氧化病菌蛋白质、改善空气电气参数等作用，从而有利于脉冲电场靶向作用于病原体；而高强度脉冲电场可以诱导病原体发生不可逆电穿孔，打破其生理平衡，进而促进等离子体的活性物质进入病原体内部，破坏其内部结构。因此，可以将等离子体和脉冲电场引起的病原体灭活生物医学效应相互叠加，协同增强，从而快速高效的大幅度降低空间中的病菌含量，极大的保护人员的生命健康。

本发明取得的效果是毋庸置疑的，本发明可有效灭活呼吸道飞沫、气溶胶新型冠状病毒、细菌和芽孢等病原体，从而有效应对当下新型冠状病毒传播肆虐的严峻形势，为医护人员、普通民众等提供强有力的保护。本发明融合等离子体的“鸡尾酒”式和脉冲电场不可逆电穿孔的病菌灭活原理，增强病毒和细菌的灭活效率，结合空气循环***，实现对飞沫和气溶胶中的病毒(包括新型冠状病毒)、细菌和芽孢等多种病原体的有效杀伤，为医院病房、楼宇空调与新风***等提供有效的消毒手段。

附图说明

图1为电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备示意图；

图2为等离子体反应腔示意图；

图3为脉冲电场反应腔示意图；

图4为介质阻挡放电形式的等效电路；

图5为仿真等离子体放电时电压波形；

图6为仿真等离子体放电时电流波形；

图7为实测等离子体放电时电压电流波形；

图8为环环结构电极结构的有限元模型；

图9为针环结构电极结构的有限元模型；

图10为高频脉冲等离子体射流实验平台；

图11为脉冲幅值对等离子体发生效果的影响；

图12为脉冲宽度对等离子体发生效果的影响；

图13为脉冲频率对等离子体发生效果的影响；

图14为脉冲上升、下降时间对等离子体发生效果的影响；

图15为脉冲电场杀灭酵母菌后的实验样品；

图16为脉冲电场杀灭酵母菌实验结果；

图17为处理通道电场强度仿真图；

图中，进气扇1、电极201、阻挡绝缘介质202、电极对301、导电毛刺302、排气扇4。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1至图4，电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备，主要包括消毒设备壳体、进气扇1、高频脉冲等离子器激励源、高频脉冲发生器、等离子体空气净化消毒反应器、脉冲电场空气净化消毒反应器和排气扇4。

所述消毒设备壳体的外壁分别开设有进气口和出气口。所述消毒设备壳体内部设有2个连通的腔体，分别记为等离子体反应腔和脉冲电场反应腔。等离子体反应腔和脉冲电场反应腔内的空气相互流通。

所述进气扇1嵌在进气口内。所述进气扇1将外部环境空气送入消毒设备壳体内。

所述高频脉冲等离子器激励源、高频脉冲发生器封装在消毒设备壳体内部，并通过电极导线分别与等离子体空气净化消毒反应器和脉冲电场空气净化消毒反应器的电极连接，从而向等离子体空气净化消毒反应器和脉冲电场空气净化消毒反应器输出参数可调的脉冲，从而控制等离子体空气净化消毒反应器和脉冲电场空气净化消毒反应器工作。

高频脉冲等离子器激励源和高频高强度脉冲发生器输出的脉冲参数如下：脉冲幅值范围为[-20kV，+20KV]，脉冲宽度范围为[200ns，10μs]，频率范围为[1Hz，10kHz]，脉冲上升沿小于50ns，脉冲下降沿小于200ns。脉冲参数数值可调，主要由细菌、病毒灭活的理化特征特性决定。

所述等离子体空气净化消毒反应器包括若干间隙布置在等离子体反应腔内的电极201。每两个相邻电极201之间的空隙形成一个等离子体反应通道。电极201表面涂覆有阻挡绝缘介质202。具有多层电极的丝网化设计可以增强平场强。

等离子体空气净化消毒反应器接收到高频脉冲等离子器激励源发送的脉冲后，电极201进行介质阻挡放电或射流放电，从而在等离子体反应通道内产生等离子体，完成对等离子体反应腔内空气中病原体的灭活。

所述等离子体空气净化消毒反应器至少包括对称贴设在等离子体反应腔2个相对内表面的电极对。

所述阻挡绝缘介质202为包括玻璃和陶瓷在内的绝缘介质。

所述脉冲电场空气净化消毒反应器包括对称布置在脉冲电场反应腔内的电极对301。

脉冲电场空气净化消毒反应器接收高频脉冲发生器发送的脉冲后，在电极对301之间形成脉冲电场，完成对脉冲电场反应腔内空气中病原体的灭活。形成的脉冲电场强度范围为[0，20KV/cm]。

脉冲和/或等离子体作用在病院体上，可以令其发生不可逆电穿孔、蛋白变性、外膜损伤、DNA断裂、酸碱失衡。

所述电极对301相对的两个表面均涂有若干导电毛刺302，以增强电极对301形成的脉冲电场强度。

电极201和电极对301主要为平板电极、针电极和/或圆形电极。

所述导电毛刺302为碳纳米管。

所述电极对301对称贴设在脉冲电场反应腔的2个相对内表面。

所述排气扇4嵌在出气口内，将等离子体反应腔和/或脉冲电场反应腔内消毒后空气排至外环境。

实施例2：

电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备的使用方法，主要步骤如下：

1)对电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备通电。所述电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备具有控制面板。

2)通过控制面板调节脉冲参数。

3)进气口将外环境气体送入电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备内部，所述高频脉冲等离子器激励源、高频脉冲发生器分别向等离子体空气净化消毒反应器和脉冲电场空气净化消毒反应器输出脉冲。

4)等离子体空气净化消毒反应器的电极放电，在相邻2个电极之间产生等离子气体，并通过空气流动充斥整个等离子体反应腔，对腔内空气消毒。

5)脉冲电场空气净化消毒反应器的电极放电，在相邻2个电极之间形成脉冲电场，对电场内空气消毒。

6)排气口将消毒后的气体排出。

实施例3：

参见图6至图14，等离子体空气净化消毒反应器放电仿真实验，主要如下：

1)采用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件仿真放电特性和影响射流的因素，仿真模型中使用石英管长度为12cm，管径为4cm、5cm、6cm，进气口在侧面的三通管，使用铜箔包裹在石英玻璃管表面作为环电极，选择0.1mm厚的铜箔缠绕三圈，厚度在0.3mm左右。本发明在电场分析部分建立的环环结构和针环结构的石英管为直管，一端进气，一端出气。由于等离子体射流在通电后，其电场会与周围空气相互作用，因此在有限元仿真中，将设置适当大小的空气层。而在使用COMSOL等离子体模块(PLASMA)时，由于只考虑石英管内产生等离子体电子密度和温度分布，因此不设置空气层。另外，在使用Jet&Poudres软件分析等离子体射流喷出管口的气体温度与速度时，由于不考虑石英管内部等离子体区域的情况，因此射流装置部分仅取其喷口。

2)等离子体放电，电流脉冲产生微放电通道。微放电现象的产生与反应前后等效电容变化有关，这与介质表面电荷积累有关。在正半周第一次达到击穿电压后，等离子体开始产生，活性粒子和激发态气体分子会积累在电荷表面，产生反向电场使电压下降，此时气体出现多个熄灭和放电过程，产生电流脉冲，当电压达到负半周时，由于反向电场作用，降低击穿电压，因此击穿出现时间比正半周早，该现象被称为“记忆电压效应”。

3)从针环结构和环环结构两方面分析其电场、流体场和等离子体场。对电场的分析主要涉及起始放电的影响、对流体场的分析主要涉及压力和流速分布，对等离子体场的分析涉及的电子温度和电子密度。首先分析未击穿前。由于未击穿前电流通路未建立，符合COMSOL中静电场各项边界条件，故使用静电场模块分析。此时主要分析电势分布，此时选择施加电压为峰值5k V，在环环间隙中间靠近轴心处，可达4.2×10^3V/cm，无法达到空气气放电所需的足够大场强，经过实验和***明，环环结构需要在峰峰值20k V左右才能发生放电。而针环电极的电场强度最大处则在针尖位置，针尖曲率很大，处于极不均匀电场中，最大场强可达9.1×10^4V/cm，可以使空气击穿放电产生等离子体。

4)建立等离子体射流装置：使用石英玻璃管作为绝缘介质，搭建了纳秒脉冲APNP-J的实验平台，如图10所示，随后进行了纳秒脉冲驱动等离子体射流实验研究，对射流放电的电学特性进行分析和测量，并计算了等离子体射流的传导电流。

实验结果表明，纳秒脉冲作为产生等离子体射流放电通道均匀，射流主要由明亮的内核和蓝紫色的拖尾组成。并对影响等离子体射流特性的因素进行分析，分别研究了脉冲电源参数和气体流速对等离子体射流长度的影响，如图11至图14所示。

实施例4：

参见图15至图17，脉冲电场空气净化消毒反应器杀菌仿真实验，主要如下：

1)采用comsol软件建立电场杀菌灭毒处理通道的仿真模型，处理通道电极间距3mm，长度10mm，宽度5mm。

2)开展脉冲电场杀灭酵母菌实验，如图15所示。实验结果如图16所示，对细菌的杀伤效果有2个对数级以上的提升；通过对比纯电场作用和电场协同55℃微热场杀菌实验，结果表明热场对杀菌有辅助作用。

通过电场仿真得出，该杀菌通道在28mm²的通流面积下，有25mm²以上为有效处理面积。完全满足了杀菌灭毒的应用需求。

Claims (3)

1.电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备，其特征在于：主要包括消毒设备壳体、进气扇（1）、高频脉冲等离子器激励源、高频脉冲发生器、等离子体空气净化消毒反应器、脉冲电场空气净化消毒反应器和排气扇（4）；

所述消毒设备壳体的外壁分别开设有进气口和出气口；所述消毒设备壳体内部设有2个连通的腔体，分别记为等离子体反应腔和脉冲电场反应腔；等离子体反应腔和脉冲电场反应腔内的空气相互流通；

所述进气扇（1）嵌在进气口内；所述进气扇（1）将外部环境空气送入消毒设备壳体内；

所述高频脉冲等离子器激励源、高频脉冲发生器封装在消毒设备壳体内部，并通过电极导线分别与等离子体空气净化消毒反应器和脉冲电场空气净化消毒反应器的电极连接；

所述高频脉冲等离子器激励源、高频脉冲发生器通过电极导线向等离子体空气净化消毒反应器和脉冲电场空气净化消毒反应器输出参数可调的脉冲，从而控制等离子体空气净化消毒反应器和脉冲电场空气净化消毒反应器工作；

所述等离子体空气净化消毒反应器包括若干间隙布置在等离子体反应腔内的电极（201）；每两个相邻电极（201）之间的空隙形成一个等离子体反应通道；电极（201）表面涂覆有阻挡绝缘介质（202）；

等离子体空气净化消毒反应器接收到高频脉冲等离子器激励源发送的脉冲后，电极（201）放电，从而在等离子体反应通道内产生等离子体，并通过等离子体完成对等离子体反应腔内空气中病原体的灭活；

所述等离子体空气净化消毒反应器至少包括对称贴设在等离子体反应腔2个相对内表面的电极对；

脉冲参数数值根据病原体灭活的理化特征特性调整；

所述脉冲电场空气净化消毒反应器包括对称布置在脉冲电场反应腔内的电极对（301）；

脉冲电场空气净化消毒反应器接收高频脉冲发生器发送的脉冲后，在电极对（301）之间形成脉冲电场，完成对脉冲电场反应腔内空气中病原体的灭活；

所述电极对（301）相对的两个表面均涂有导电毛刺（302），以增强电极对（301）形成的脉冲电场强度；

所述电极对（301）对称贴设在脉冲电场反应腔的2个相对内表面；

电极（201）和电极对（301）主要为平板电极、针电极和/或圆形电极；

所述导电毛刺（302）为碳纳米管；

所述排气扇（4）嵌在出气口内，将等离子体反应腔和/或脉冲电场反应腔内的空气排至外环境。

2.根据权利要求1所述的电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备，其特征在于，高频脉冲等离子器激励源和高频脉冲发生器输出的脉冲参数如下：脉冲幅值范围为[-20kV，+20KV]，脉冲宽度范围为[200ns，10μs]，频率范围为[1Hz，10kHz]，脉冲上升沿小于50ns，脉冲下降沿小于200ns。

3.根据权利要求1所述的电磁脉冲协同等离子体高效空气净化消毒设备，其特征在于，形成的脉冲电场强度范围为[0，20KV/cm]。

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