CN113099599B - 一种滑动弧放电反应装置及杀菌方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑动弧放电反应装置，包括电源模块、气流发生器和放电模块；气流发生器包括壳体和壳体中的风扇，壳体包括进风口和出风口；放电模块包括绝缘耐高温管、第一电极和第二电极；第一电极和第二电极相对地设置在绝缘耐高温管内；电源模块输出直流电；电源模块的高压端与第一电极相连，低压端与第二电极相连；电极为柱状，电极的中心线与气流方向垂直；电极间距在5mm‑70mm范围可调；工作时，气流经电极区域吹出滑动弧放电等离子体。本发明还涉及杀菌方法。本发明结构简单，无需额外的冷却装置，有效降低了滑动弧放电等离子体的温度，在空气环境下可电离空气分子，产生大量的活性自由基，有效灭杀细菌和病毒，可应用于空间环境的消毒灭菌。

Description

一种滑动弧放电反应装置及杀菌方法

技术领域

本发明属于空气及环境的杀菌消毒技术领域，具体涉及一种滑动弧放电反应装置及杀菌方法。

背景技术

大气等离子体放电是在大气环境下产生较高的电场来击穿空气形成放电电离的一种现象。该技术需要有足够高的电压来产生高强度的电场，同时等离子体放电的过程中会释放大量的热能和电磁辐射，对反应器的耐高温特性、耐高压绝缘特性和环境屏蔽的要求较高。大气等离子体放电形式有介质阻挡放电，电晕放电，等离子体炬和滑动弧等多种模式，每种模式都有其自身的特点，针对不用的应用场景和产品属性衍生出不同的产品系列，但均存在一些应用处理面积小，效率低和放电不能持久的问题，且设备尺寸较大，电源与反应器的集成度不够，市场化应用程度较低。例如介质阻挡放电中间的反应器要加陶瓷绝缘介质，由于需要电压较高，反应器外侧需要做好绝缘；等离子体炬放电温度较高，处理面积较小，很难实现产业化应用；电晕放电的能量较低，处理效果不显著；工业用滑动弧放电常用于其高温特性来处理废水废气，放电功率较高，电极结构复杂，放电稳定性需要进一步解决。

很多等离子体放电电源和反应器往往因为匹配不好，导致热量扩散不及时，产生高温熔化，导致放电时间短，存在安全隐患。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种滑动弧放电反应装置及杀菌方法，本发明将工业用滑动弧放电技术进一步升级改造，改变原有的电极构型并匹配合适的电源驱动***，形成一种对空气进行高效电离并可用于环境和生活中物体表面和气体杀菌的装置，是一种绿色、环保的清洗消毒方法。本发明解决了滑动弧放电的电源和电极的匹配问题，有效降低了滑动弧放电等离子体的温度，是本发明的创造性劳动。

本发明结构简单，有效降低了滑动弧放电等离子体的温度，在空气环境下可电离空气分子，产生大量的活性自由基，有效灭杀细菌和病毒，可应用于空间环境的消毒灭菌。

本发明的目的是这样实现的：

一种滑动弧放电反应装置，包括电源模块、气流发生器和放电模块；所述气流发生器包括壳体和设置在壳体中的风扇，所述壳体包括进风口和出风口；

所述放电模块包括绝缘耐高温管、第一电极和第二电极；所述第一电极和第二电极相对地设置在绝缘耐高温管内；

所述电源模块输出直流电，包括电路控制器和变压器，电源模块的额定电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W，控制器控制放电功率低于1000W，最大电流100mA；所述电源模块的高压端与第一电极相连，低压端与第二电极相连；

所述电极为柱状，所述电极的中心线与气流方向垂直；所述电极间距在5mm-70mm范围可调；

工作时，气流经所述电极区域吹出滑动弧放电等离子体。

这里的相对设置是指两个电极的放电端的连线垂直于绝缘耐高温管的中心线。

本发明滑动弧放电反应装置，产生等离体体滑动弧，高温的滑动弧可以激发空气中的自由基。通过该发生装置的工作，持续产生大量的自由基，并且电源和电极的匹配设计，使得装置功率低，能耗小，通过外接电压为220V家用电，或者，是24V的汽车供电电池，或者，是电流较大(大于2A)的输出电压为5V的充电宝电源，虽然电弧中心温度较高，但是通过气流流动，耐高温绝缘管以及电极和电源***的设计有效降低了滑动弧放电等离子体的温度，从而为后续的杀菌以及区域外的杀菌提供有力的保障。

目前滑动弧放电等离子体，电压高达100kV-200kV，压力大，温度高；滑动弧中心温度甚至达到6000℃。经研究，本发明采用变压器控制额定电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W的直流电源，易产生滑动弧，且中心温度不足2000℃，远低于常规的滑动弧中心温度，利于生活中杀菌的应用，另外本发明的电源成本低，产生滑动弧效果好。

另外，本发明的绝缘耐高温管可以抵挡滑动弧中心2000℃以上的高温，有利于长期稳定的进行电离，同时风扇在循环气体的同时，也可以将绝缘耐高温管、电极和高温等离子体进行及时冷却降温。

电极距离在5mm-70mm，放电弧的长度随气流的大小有所改变，弧长一般在1cm-5cm，弧越长，放电功率越高，放电弧的长度不随放电距离的变化而变化。但起弧距离与电极距离紧密相关，放电间距高于7cm，放电较难起弧，不会产生放电。

本发明一种优选实施方式，所述电源模块输出为脉冲直流电，脉冲频率为0-0.1kHz。

脉冲驱动可降低放电时间，有利于热量扩散，产生的副产物较少。

本发明一种优选实施方式，所述绝缘耐高温管为陶瓷管或者石英管，直径为10mm-100mm，电极位置距离耐高温管两端均大于1cm。

陶瓷或者石英是良好的绝缘耐高温材料，直径控制在10mm-100mm可以满足各种场合的需求，电极位置距离耐高温管两端大于1cm，是保证了热量能够扩散充分，保证放电安全。

本发明一种优选实施方式，所述电极材料选用铜、铍、镍、不锈钢或钨，电极形状为直径1mm-5mm的圆柱。

相对比其他的金属电极，本专利采用的铍或钨电极在提高活性组分浓度和降低有害成分产生具有一定的优势。同时，所述的电极材料导电性好，耐高温，不容易腐蚀，直径1mm-5mm的柱状受风阻力小。

本发明一种优选实施方式，所述滑动弧放电反应装置还包括箱体，所述电源模块和气流发生器以及耐高温绝缘管位于所述箱体内；所述电源模块与放电电极之间绝缘阻隔。

通过集成化设计有利于产品的便携，电源模块与放电电极之间绝缘阻隔避免电极与周围导电距离较近形成自放电。

本发明一种优选实施方式，箱体还具有密封空间，所述密封空间设有出气口，所述耐高温绝缘管连通所述密封空间。

密封空间使得自由基可以在空间中聚集从而容易形成等离子体杀菌气体，通过出气口将等离子杀菌气体排出。

本发明一种优选实施方式，所述耐高温绝缘管通过弯管接头连通密封空间，所述耐高温绝缘管与弯管接头构成流道。

弯道设计也有实现有效电磁屏蔽的目的，同时还能防止放电产生的光线对外界的干扰和伤害。

本发明一种优选实施方式，所述密封空间和/或流道中设置有多层隔音网。

通过设置隔音材料板，以降低放电产生的噪音。

本发明一种优选实施方式，所述第一电极靠近电源模块设置，第二电极远离电源模块设置。

这样的接法可尽量减小高压线长度，防止放电不稳定，提高操作安全性。

本发明还涉及一种使用所述的装置进行杀菌的方法，将所述反应装置放置于密闭待杀菌空间中；或者所述反应装置通过出气口连通密闭待杀菌空间或通向水容器中以制备杀菌水；或者将所述反应装置放置于新风***的通道中；所述反应装置至少持续放电30s。

滑动弧放电的高温特性将大大提升自由电子的能量，可达到10eV以上，远高于其他大气等离子体放电模式，可高效激发、分解或电离空气中各种组分分子，同时气流循环***可将电离的活性粒子及时导出，达到较高的杀菌功效。持续的放电保证足够的活性粒子产生，对于较大的空间，需要的持续时间较长。在27L的空间内可实现放电2min-5min内，杀菌消毒效率可达到4-6个对数值的杀菌率；所述的杀菌气体在500L-1000L的密封空间内在10min-30min内可达到4-6个对数值的杀菌率；所述的等离子体气体在30000L的空间内在60min-90min内可达到1-2个对数值的杀菌率。

本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明将工业用滑动弧放电技术进一步升级改造，改变原有的电极构型并匹配合适的电源驱动***，形成一种对空气进行高效电离并可用于环境和生活中物体表面和气体杀菌的装置，是一种绿色、环保的清洗消毒方法。本发明解决了滑动弧放电的电源和电极的匹配问题，有效降低了滑动弧放电等离子体的温度。

2)本发明电源和电极的匹配设计，使得装置功率低，能耗小，通过外接电压为220V家用电，或者，是24V的汽车供电电池，或者，是电流较大(大于2A)的输出电压为5V的充电宝电源，虽然电弧中心温度较高，但是通过风扇，耐高温绝缘管以及电极和电源***的设计有效降低了滑动弧放电等离子体的温度，从而为后续的杀菌以及区域外的杀菌提供有力的保障。

3)本发明采用变压器控制额定电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W的直流电源，易产生滑动弧，且中心温度小于2000℃，远低于常规的滑动弧中心温度，利于生活中杀菌的应用，另外本发明的电源成本低，产生滑动弧效果好。

4)本发明的绝缘耐高温管可以耐受滑动弧中心2000℃的高温，有利于长期稳定的进行电离工作，同时风扇在循环气体的同时，也可以将绝缘耐高温管、电极和吹出高温等离子体进行及时冷却降温。

5)脉冲驱动可降低放电时间，有利于热量扩散，产生的副产物较少。

6)陶瓷或者石英是良好的绝缘耐高温材料，直径控制在10mm-100mm可以满足各种场合的需求，电极位置距离耐高温管两端大于1cm，是保证了热量能够扩散充分，保证放电安全。

7)铍或钨导电性好，耐高温，不容易腐蚀，直径1mm-5mm的柱状受风阻力小。

8)通过集成化设计有利于产品的便携，电源模块与放电电极之间绝缘阻隔避免电极与周围导电距离较近形成自放电。

9)密封空间使得自由基可以在空间中聚集从而容易形成等离子杀菌气体，通过出气口排出。

10)弯道设计也有实现有效电磁屏蔽的目的，同时还能防止放电产生的光线对外界的干扰和伤害。

11)通过设置隔音材料板，以降低放电产生的噪音。

12)本发明减小高压线长度，防止放电不稳定，提高操作安全性。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明电极区域结构放大示意图。

图中，1-变压器；2-电路控制器；3-急停钮；4-启动键；5-功率调节旋钮；6-停止键；7-绝缘板；8-出气口；9-隔音网；10-风扇；11-陶瓷管；12-第一电极；13-绝缘阻隔板；14-箱体；15-第二电极。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例一

图1-2示出了本发明的装置的一种实施例示意图；

一种滑动弧放电反应装置，包括电源模块、气流发生器和放电模块；所述气流发生器包括壳体和设置在壳体中的风扇10，所述壳体包括进风口和出风口；

所述放电模块包括绝缘耐高温管11、第一电极12和第二电极15；所述第一电极12和第二电极15相对地设置在绝缘耐高温管11内；

所述电源模块输出直流电，包括电路控制器2和变压器1，电源模块的额定电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W，电路控制器2控制放电功率低于1000W，最大电流100mA；所述电源模块的高压端与第一电极12相连，低压端与第二电极15相连；

所述电极为柱状，所述电极的中心线与气流方向垂直；所述电极间距在5mm-70mm范围可调；

工作时，气流经所述电极区域吹出滑动弧放电等离子体。

具体而言，设置在壳体中的风扇，具有可变调速，风速在0.5-5.0m/s；所述设置在壳体中的风扇外侧应有屏蔽层且距离放电模块的高压输出端大于5cm；

放电模块的第一电极和第二电极应与腔体和周围做好绝缘；放电模块的第一电极和第二电极应与输出电压的连接方式是螺母连接；

具体而言，电极形状可为棒状，方形等，在放电电离的过程中有一定的消耗，需要定期更换。

具体而言，耐高温绝缘管内部镶嵌电极，电极与电源的接头应是螺丝或夹具连接，此处不能用锡焊连接，容易融化。

滑动弧放电时，放电电极的温度范围在500℃-1800℃，温度较高，但高温区仅限电极与弧接触的部分，该高温在气体流动下可及时扩散，不会积累，因此电离气体导致的环境温度的变化幅度不会超过5℃，不会对环境产生较大影响。

具体而言，为了进一步有利于热量扩散，产生的副产物较少，电源模块输出为脉冲直流电，脉冲频率为0-1.0kHz。优选50Hz或100Hz。

优选地，所述绝缘耐高温管为陶瓷管或者石英管，直径为10mm-100mm，电极位置距离耐高温管两端均大于1cm。

具体而言，所述电极材料选用铜、铍、镍、不锈钢或钨，优选电极形状为直径1mm-5mm的圆柱。

优选，电极材料选用铍或钨；

优选地，电极距离在2-7cm，放电弧的长度随气流的大小有所改变，一般在1cm-5cm，弧越长，放电功率越高，放电弧的长度不随放电距离的变化而变化。但起弧距离与电极距离紧密相关，放电间距高于7cm，放电较难起弧，不会产生放电。

优选地，还包括箱体14，所述电源模块和气流发生器的耐高温绝缘管11位于所述箱体14内；所述电源模块与放电电极之间绝缘阻隔。

具体而言，箱体采用金属板制成，是一个密封的腔体，保证电源模块和气流通道是一个相互独立的封闭空间，放电等离子体不会对电源模块产生腐蚀；金属板的厚度应达到1-2mm，可有效屏蔽电源模块和放电反应器工作时产生的电离辐射和电子干扰。优选，金属板厚度应大于1mm。

具体而言，箱体需要连接地线，可用于屏蔽电磁辐射和用电安全。

优选地，电极外侧四周应有绝缘介质进行隔离，绝缘板的长度应该大于5cm，避免电极与周围导电距离较近形成自放电。金属腔体应接地良好，保障操作安全。

具体而言，箱体14还具有密封空间，所述密封空间设有出气口8，所述耐高温绝缘管连通所述密封空间。

优选地，所述耐高温绝缘管通过弯管接头连通密封空间，所述耐高温绝缘管与弯管接头构成流道。

气流循环装置由风扇10，陶瓷管道和连通管道构成，在陶瓷管出口处添加弯道接头，将气流导通至密封空间中，留有两个出气口8，方便气流导出。

优选地，为了降低放电产生的噪音，所述密封空间和/或流道中设置有多层隔音网9。

具体而言，在密封腔体内放置有多层石棉纤维或者玻璃纤维等耐腐蚀的隔音材料板，以降低放电产生的噪音。

陶瓷管内部设有多层隔音网9，隔音网9需要耐高温，距离放电距离大于10cm。

具体而言，所述第一电极靠近电源模块设置，第二电极远离电源模块设置。

这样的接法可尽量减小高压线长度，防止放电不稳定，提高操作安全性。

具体而言，电路控制器2设置有急停钮3、启动键4、功率调节旋钮5、停止键6和对应的启动和停止指示灯，功率调节按钮用于调节放电功率。

放电电极的周围应有良好的绝缘性，可额外构建一个绝缘装置，绝缘装置必须耐高温的，可由陶瓷、石英、聚四氟乙烯和环氧树脂板等耐高温绝缘材料构成，绝缘装置的长度应大5cm，应紧贴滑动弧放电反应器表面。

采用大气等离子体放电技术搭建滑动弧放电反应器，匹配通风装置、绝缘装置、电极结构和电源的位置和结构，达到一种放电稳定、工作持久和操作安全的集成化设计。

实施例二：

本发明还涉及一种杀菌方法，包括实施例一种的反应装置，其中将所述反应装置放置于密闭待杀菌空间中；或者所述反应装置通过出气口连通密闭待杀菌空间或通向水容器中以制备杀菌水；或者将所述反应装置放置于新风***的通道中；所述反应装置至少持续放电30s。

实施例三：

本发明还涉及一种杀菌装置，可实现各种物品表面消毒的产业化应用，经第三方认证机构测试，基于本发明的等离子体杀菌消毒样机具有较好的杀菌效果，在1个立方的空间内，放电30分钟处理可对大肠杆菌ATCC25922、金黄色葡萄球菌ATCC6538、白色念珠菌ATCC10231和黑曲霉ATCC16404为代表的细菌杀菌率达到99.999％，满足消毒技术规范(2002年版)2.1.5.1.5的杀菌要求。

同时，在畜禽防疫的应用场所得到了第三方单位的认证，本专利发明的等离子体杀菌消毒样机在20个立方米的空间内，放电45分钟或90分钟可对禽流感病毒H5N1 Vero-E6细胞、猪流感病毒H3N3 Vero-E6细胞和非洲猪瘟病毒ASFV Vero-E6细胞为代表的病毒消杀率达到99.99％。此外，对白色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌、枯草芽孢杆菌、黑曲霉菌的杀菌率均达到99.99％。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种滑动弧放电反应装置，其特征在于，包括电源模块、气流发生器和放电模块；

所述气流发生器包括壳体和设置在壳体中的风扇，所述壳体包括进风口和出风口；

所述放电模块包括绝缘耐高温管、第一电极和第二电极；所述第一电极和第二电极相对地设置在绝缘耐高温管内；所述绝缘耐高温管的一端与出风口连接；

所述电源模块输出直流电，包括电路控制器和变压器，输入电压为5V-220V，输入电流大于2.0A，采用变压器控制额定电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W的直流电源，电源模块的输出电压为10kV-40kV，额定功率为1000W-1500W，控制器控制放电功率低于1000W，最大电流100mA；所述电源模块的高压端与第一电极相连，低压端与第二电极相连；所述电极为柱状，所述电极的中心线与气流方向垂直；所述电极间距在5mm-70mm范围可调；所述电源模块输出为脉冲直流电，脉冲频率为0-1.0kHz；

工作时，气流经所述电极区域吹出滑动弧放电等离子体；

所述滑动弧放电反应装置还包括箱体，所述电源模块和气流发生器以及耐高温绝缘管位于所述箱体内；所述电源模块与放电电极之间绝缘阻隔；

所述箱体还具有密封空间，所述密封空间设有出气口，所述耐高温绝缘管连通所述密封空间；

所述耐高温绝缘管通过弯管接头连通密封空间，所述耐高温绝缘管与弯管接头构成气流通道。

2.如权利要求1所述的滑动弧放电反应装置，其特征在于，所述绝缘耐高温管为陶瓷管或者石英管，直径为10mm-100mm，电极位置距离耐高温管两端均大于1cm。

3.如权利要求1所述的滑动弧放电反应装置，其特征在于，所述电极材料选用铜、铍、镍、不锈钢或钨，电极形状为直径1mm-5mm的圆柱。

4.如权利要求1所述的滑动弧放电反应装置，其特征在于，所述密封空间和/或气流通道中设置有多层隔音网。

5.如权利要求1所述的滑动弧放电反应装置，其特征在于，所述第一电极靠近电源模块设置，第二电极远离电源模块设置。

6.一种应用权利要求1-5任一项所述装置进行杀菌的方法，其特征在于，将所述反应装置放置于密闭待杀菌空间中；或者所述反应装置通过出气口连通密闭待杀菌空间或通向水容器中以制备杀菌水；或者将所述反应装置放置于新风***的通道中；所述反应装置至少持续放电30s。

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