CN113630949A - 一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及消毒杀菌技术领域，公开了一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，包括高压脉冲电源，依次连接的水雾产生装置、输气管和放电装置，放电装置包括壳体，壳体下方开有出口；壳体内设有多层平行设置的线电极，组成放电阵列；每层线电极包括若干个电极，在第i层线电极中，奇数电极作为高压电极，偶数电极作为地电极；在第i‑1或i+1层线电极中，偶数电极作为高压电极，奇数电极作为地电极；高压电极连接高压脉冲电源，地电极连接大地，在高压电极和地电极之间产生放电等离子体。本发明解决了等离子体活化水雾产生中的放电等离子体面积小、放电易不稳定的问题。
Description
技术领域
本发明涉及消毒杀菌技术领域，特别涉及一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置。
背景技术
现代战争烧伤多成批发生、复合伤多、伤情复杂，并且随高新武器发展，烧伤占伤员总数的比例大幅度增加。由于皮肤烧伤创面的坏死组织是细菌的良好培养基，包括金黄色葡萄球菌、绿脓杆菌等，严重烧伤还可能出现厌氧菌和病毒等感染。寻找一种适用于战时皮肤烧伤紧急消毒杀菌处理的新方法已成为迫切需求。
等离子体被称为物质的第四态，是气体电离产物。通过高电压脉冲产生的低温等离子体具有大量活性粒子、温度接近室温等显著优点。研究表明，低温等离子体中富含的羟基自由基、单线态氧等活性粒子具有显著消毒杀菌作用，可以快速杀灭金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、新型冠状病毒等。由于低温等离子体中的活性粒子在气体中寿命较短、作用距离小，近年来探索采用低温等离子体与水溶液相互作用产生等离子体活化水，将活性物质转化和存储于液态水中，再使用等离子体活化水进行消毒杀菌。虽然等离子体活化水相比传统双氧水等可以更快、更有效杀灭细菌病毒，但目前产生等离子体活化水需要小时级别的制备时间，且活性粒子衰减快，有效存储时间不足一小时，极大限制了其在战时皮肤烧伤紧急消毒杀菌应用。
经研究发现水雾与等离子体结合，消毒杀菌效果会更好，由于水雾是微米级水颗粒，在水雾中产生低温等离子体，具有以下显著优点：1)水颗粒表面积与体积之比非常大，适合于等离子体活性物质转化；2)制备迅速，等离子体与水颗粒接触更为有效；3)水颗粒易带电，通过附加的微观强电场等物理效果进一步杀灭细菌病毒。
然而，在水雾中产生稳定的低温放电等离子体较为困难，具体表现为：水雾气体电负性强，放电易转变为丝状放电，难以产生大面积放电等离子体；湿度增大后，放电区域温度迅速提高，造成放电不稳定，可能产生有害的火花放电。此外，为产生不同活性基团和尺寸的放电等离子体，通常采用包括氦气等稀有气体和空气等电负性气体在内的多种不同工作气体，单一产生装置适用性较差。
经检索，发现公开号为CN110693692A，专利名称为“一种等离子体活化雾制备装置”，包括：液体雾化模块、气体输出模块、高压电源和气体电离雾化模块。液体雾化模块将液体雾化后通入气体电离雾化模块；气体输出模块为气体电离雾化模块提供工作气体；气体电离雾化模块在高压电源的作用下，使工作气体发生电离产生等离子体活性粒子，等离子体活性粒子吸附在经过雾化的液滴上，形成等离子体活化雾。然而，该专利文件中采用常用的针—环电极结构，在钨棒等尖电极产生局部强电场，产生的等离子体面积相对较小，且采用中频交流电源驱动，由于电压作用时间较长，放电可能转变为火花放电，威胁应用安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，解决了等离子体活化水雾产生中的放电等离子体面积小、放电易不稳定的问题。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，包括高压脉冲电源、水雾产生装置、输气管和放电装置，放电装置包括壳体，壳体上方开有入口，下方开有出口，水雾产生装置通过输气管与放电装置的入口连接；
壳体内设有多层线电极，多层线电极平行设置，组成放电阵列；每层线电极包括若干个电极，在第i层线电极中，奇数电极作为高压电极，偶数电极作为地电极；在第i-1或i+1层线电极中，偶数电极作为高压电极，奇数电极作为地电极；
高压电极连接高压脉冲电源，地电极连接大地，在高压电极和地电极之间产生放电等离子体。
进一步，壳体内填充有工作气体，工作气体为稀有气体。
进一步，稀有气体采用氦气或氩气。
进一步，壳体内壁上设有温度监测装置。
进一步，温度监测装置设置在壳体下侧。
进一步，高压电极和地电极均由金属制成。
进一步，高压脉冲电源采用重复频率高压纳秒脉冲电源。
进一步，高压脉冲电源的参数为：电压幅值10kV及以上，脉冲频率1kHz以上，脉冲宽度小于100ns。
进一步，每层线电极包括偶数个电极。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开了一种低温等离子体活化水雾产生装置，包括高压脉冲电源、水雾产生装置、输气管和放电装置，水雾产生装置通过输气管与放电装置连接，相比等离子体活化水，低温等离子体活化水雾具有面积大、产生效率高、即时产生、多种物理化学效应(活性粒子、微电场)并存等显著优点。本发明设计了放电装置，放电装置内部设有多层平行线电极，同一层线电极中，奇数电极作为高压电机，偶数电极作为地电极，不同层中连接次序依次改变，交叉布设，此种连接方式有利于增强空间电场，使得空间电场分布更加均匀，空间均匀分布的强电场有利于促进放电在空间多点、同步发展，相比传统的钨棒等尖电极仅产生局部高场强，有利于产生大面积放电等离子体，由于平行线电极阵列空间电场分布较为均匀，不存在明显电场畸变点，适用于稀有气体作为工作气体。
进一步，高压脉冲电源采用重复频率高压纳秒脉冲电源，通过提高输入电压(电压幅值大于10kV)并限制电压作用时间在百纳秒时间尺度(脉冲宽度小于100ns)，有效抑制了放电朝不稳定方向发展。
附图说明
图1为本发明的一种低温等离子体活化水雾产生装置的结构示意图；
图2为实施例1的放电装置电极布置示意图；
图3为本发明的线电极阵列空间电场分布；
图4为一种针—环电极空间电场分布。
图1中：1为高压脉冲电源，2为水雾产生装置，3为输气管，4为放电装置，5为温度监测装置。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1所示，本发明公开了一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，包括高压脉冲电源1、水雾产生装置2、输气管3和放电装置4，水雾产生装置2通过输气管3与放电装置4连接；放电装置4包括壳体，壳体下方开有出口。
采用基于超声波雾化等技术的水雾产生装置2产生一定湿度的水雾，水雾通过输气管3输运至放电装置4中。
脉冲电源可产生不同电学参数(如电压、脉冲频率、脉冲宽度、电压极性)的重复频率高压纳秒脉冲，通过提高输入电压(电压幅值大于10kV)并限制电压作用时间在百纳秒时间尺度(脉冲宽度小于100ns)，极短脉冲作用时间有利于抑制放电等离子体不稳定性发展，对产生大面积放电等离子体有益。
放电区域内产生的大面积低温放电等离子体从出口导出，作用于烧伤后皮肤表面，达到消毒灭菌效果。
在壳体内壁上且在壳体下侧设有温度监测装置5，温度监测装置5用于实时测量放电装置4出口气体温度，并反馈至重复频率高压纳秒脉冲电源，动态优化输出参数。
为产生大面积、稳定的放电等离子体，且考虑实际工作气体一般采用稀有气体，核心点为多个单一或小面积等离子体汇合生成大面积放电等离子体。
如图2所示，当工作气体为稀有气体时，放电装置4采用多个平行线电极组成的放电阵列，同一层线电极中，奇数电极连接高压脉冲电源1，作为高压电极，偶数电极连接地，作为地电极，不同层中连接次序依次改变，如第二层奇数电极连接地，偶数电极连接高压脉冲电源1。此种连接方式有利于增强空间电场，使得空间电场分布更加均匀。空间均匀分布的强电场有利于促进放电在空间多点、同步发展，相比传统的钨棒等尖电极仅产生局部高场强，有利于产生大面积放电等离子体。
由图3和图4对比可以看出，平行线电极阵列空间电场分布较为均匀，不存在明显电场畸变点，适用于在氦气、氩气等稀有气体中产生大面积放电等离子体。
Claims (9)
1.一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，其特征在于，包括高压脉冲电源(1)、水雾产生装置(2)、输气管(3)和放电装置(4)，放电装置(4)包括壳体，壳体上方开有入口，下方开有出口，水雾产生装置(2)通过输气管(3)与放电装置(4)的入口连接；
壳体内设有多层线电极，多层线电极平行设置，组成放电阵列；每层线电极包括若干个电极，在第i层线电极中，奇数电极作为高压电极，偶数电极作为地电极；在第i-1或i+1层线电极中，偶数电极作为高压电极，奇数电极作为地电极；
高压电极连接高压脉冲电源(1)，地电极连接大地，在高压电极和地电极之间产生放电等离子体。
2.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，其特征在于，壳体内填充有工作气体，工作气体为稀有气体。
3.根据权利要求2所述的一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，其特征在于，稀有气体采用氦气或氩气。
4.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，其特征在于，壳体内壁上设有温度监测装置(5)。
5.根据权利要求4所述的一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，其特征在于，温度监测装置(5)设置在壳体下侧。
6.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，其特征在于，高压电极和地电极均由金属制成。
7.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，其特征在于，高压脉冲电源(1)采用重复频率高压纳秒脉冲电源。
8.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，其特征在于，高压脉冲电源(1)的参数为：电压幅值10kV及以上，脉冲频率1kHz以上，脉冲宽度小于100ns。
9.根据权利要求1所述的一种大面积低温等离子体活化水雾产生装置，其特征在于，每层线电极包括偶数个电极。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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