用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置和方法
阅读说明：本技术 用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置和方法 (Integrated plasma dry sterilization apparatus and method for hands ) 是由 刘诗筠 陈霁 时亚琴 方志 梅丹华 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置和方法,包括外壳、脉冲电源模块和处理室,脉冲电源模块设在外壳内部的下方,处理室设在脉冲电源模块上方,外壳上对应处理室开设方形槽,外壳上开设方形槽的一面设总开关,总开关连接脉冲电源模块,处理室包括上处理面板和下处理面板,上处理面板和下处理面板之间连接,上处理面板与下处理面板前部设开口,开口对应方形槽,上处理面板与下处理面板对应的一面上开设凹槽,凹槽内设电极板,电极板作用于方形槽内的区域,本发明采用分布式电极结构实现较低能耗的大气压大面积低温等离子体放电,配合脉冲电源模块既能实现灵活、快速、无残留地杀毒灭菌,又能保证手部灭菌的安全性和经济性。(The invention discloses an integrated plasma dry-type sterilization device and method for hands, which comprises a shell, a pulse power supply module and a treatment chamber, wherein the pulse power supply module is arranged below the inside of the shell, the treatment chamber is arranged above the pulse power supply module, a square groove is formed in the shell corresponding to the treatment chamber, a main switch is arranged on one side of the shell, which is provided with the square groove, and is connected with the pulse power supply module, the treatment chamber comprises an upper treatment panel and a lower treatment panel, the upper treatment panel and the lower treatment panel are connected with each other, the front parts of the upper treatment panel and the lower treatment panel are provided with openings, the openings correspond to the square groove, a groove is formed in one side of the upper treatment panel corresponding to the lower treatment panel, a plate electrode is arranged in the groove and acts on an area in the square groove, the plate electrode plate realizes low-temperature plasma discharge with low energy consumption under atmospheric pressure by adopting a distributed electrode structure, and can realize flexible large-area low-temperature plasma discharge by matching with the pulse power supply module, Rapid sterilization without residue, and can ensure the safety and economy of hand sterilization.)
技术领域
本发明属于灭菌设备技术领域，具体涉及到一种用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置和方法。
背景技术
在日常生活中，人们难免会接触到大量的病毒，有的病毒人体能对其进行免疫，而人体无法免疫的病毒就会给人们的身体健康造成危害，甚至威胁生命，如：感冒和肠胃流感就是由不同种类的细菌跟病毒引起的，它们的传播途径有许多是通过手部传播，与病人分享食物，握手或者触摸病人接触过的东西，所以保持手部的卫生对防止生病也是非常重要的保护措施。
目前市面上常见的人体消毒设备分为两种；第一种为分体壁挂式消毒机，包括主机、消毒水箱和电气元件，此种消毒机的缺点是安装十分麻烦，需要使用市电，因此无法移动使用，而且需要对产生的消毒液体进行处理，操作麻烦；第二种人体消毒主要采用紫外线照射消毒的方式，其缺点是，消毒时间长、光照不充分消毒不彻底，而且可能对人体皮肤具有一定伤害，因此，如何同时使装置灵活、无残留及对人体无损害地进行手部消毒的问题亟待解决。
等离子体是游离于固态、液态和气态以外的一种新的物态体系, 人们通常称之为第四态。等离子体是由某些气体或气态物质在强电磁场作用下, 形成气体电晕放电, 气体电离而产生。由于体系中电子温度远高于重粒子温度，可以在维持接近室温的气体温度的同时获得较高化学活性，已经作为一种高效的干式工艺环节，广泛应用于材料表面改性、环境保护、新能源制备和生物医学等领域。
生物医学应用是大气压低温等离子体科研探索和实践应用的重要方向，大量研究和应用表明，等离子体中含有的大量活性氧离子、高能自由团等成分，极易与细菌、霉菌、芽孢和病毒中蛋白质和核酸物质发生氧化反应而变性，从而使各类微生物死亡，另外，大气压低温等离子体中高速运动的粒子能够冲破细菌、真菌以及霉菌的细胞壁，破坏致病菌的生物结构，使其凋亡，放电过程中伴随电子能级跃迁，也会产生红外线、紫外线和可见光，这中高能紫外光子被微生物或病毒中蛋白质所吸收，致使其分子变性失活，另一方面，大气压低温等离子体对于细菌和正常组织细胞具有良好的选择性，可以通过优化调控等离子体的参数，既能灭活有害细菌，又保证健康细胞组织安全。因此，将大气压低温等离子体应用于人体消毒具有广阔的市场应用前景。
基于上述内容，本发明提出一种用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置和方法。
发明内容
针对上述问题，本发明的主要目的在于设计一种用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置和方法,采用分布式电极，能在较低功率下产生大面积人体可接触等离子体，既能实现灵活、快速、无残留地杀毒灭菌，又能保证手部灭菌的安全性和经济性。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：
用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置和方法，包括外壳，外壳内部设置脉冲电源模块和处理室。
所述的脉冲电源模块设置两个，均位于外壳内部的下方，所述的处理室设置在脉冲电源模块的上方，脉冲电源模块对处理室进行供电，所述的外壳上对应处理室的位置开设方形槽，所述的外壳上开设方形槽的一面下方设置总开关，总开关连接在脉冲电源模块上，所述的处理室包括上处理面板和下处理面板，上处理面板和下处理面板之间通过后面板与左右面板进行连接，所述的上处理面板与下处理面板的前部设置为开口形式，开口对应外壳的方形槽，所述的上处理面板与下处理面板相对应的一面上开设凹槽，凹槽内设置电极板，电极板作用于方形槽内的区域。
作为本发明进一步的描述，所述的脉冲电源模块包括塑料壳体，塑料壳体的相邻两侧面上分别设置电源开关和充电接口、高压电极连接线和接地电极连接线，所述的外壳上对应充电接口的位置开设充电口。
作为本发明进一步的描述，所述的脉冲电源模块内部包括直流蓄电池、第一升压模块、第二升压模块、升压变压器、反应器、接地线、IGBT和脉冲发生器，所述的处理室包括高压线和接地线，所述的升压变压器升压后分别与处理室的高压线和接地线相连。
作为本发明进一步的描述，所述的上处理面板和下处理面板分别通过导线连接在脉冲电源模块上。
作为本发明进一步的描述，所述的上处理面板与下处理面板设置为绝缘板，所述的凹槽设置在绝缘板上，凹槽的深度设置为1-6mm。
作为本发明进一步的描述，所述的电极板包括绝缘层、低压金属电极层、高压金属电极层和阻挡介质层，所述的绝缘层设置在下方，低压金属电极层与高压金属电极层设置在同一层，且位于绝缘层的上方，阻挡介质层设置在最上方。
作为本发明进一步的描述，所述的绝缘层的厚度为1-3mm，介质阻挡层的厚度为0.1-0.5mm。
作为本发明进一步的描述，所述的低压金属电极层和高压金属电极层包括低压总线、低压金属电极条、高压金属电极条和高压总线。
作为本发明进一步的描述，所述的高压总线与高压电极连接线相连，所述的低压总线与接地电极连接线相连，所述的低压金属电极条与高压金属电极条均匀的交错设置。
相对于现有技术，本发明的技术效果为：
本发明提供了一种用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置和方法，依托脉冲功率技术，通过调节参数设计了高压电源，对供电电源实现了小型化、一体化，可由直流蓄电池供电，使用可充电锂电池供电，可反复充电使用，摆脱了市电的使用限制，可随意切换应用场合，实现消毒装置一体化，提高了杀菌消毒的灵活性，并且使用脉冲功率技术供电，可明显减少热损耗，降低了仪器内部的发热，可有效避免人体被灼伤的风险，提高了人体接触的安全性，并且实现了人体可接触，避免了高压电极对人体损害的风险；
针对人体手部形状，设计了等离子体灭菌单元，能够有效地贴合手部皮肤表面，产生等离子体及活性粒子能稳定地作用于手部表面，并且实现了人体可接触，避免了高压电极对人体损害的风险；
采用分布式沿面DBD电极结构，启始电压低，便于在大气压下产生大面积等离子体进行杀菌消毒，大幅提高杀菌效果，达到可在15s内完成99.99%的灭菌效果，另外，处理室的电极板可实现灵活更换，避免了长期使用使电极氧化，造成灭菌效果下降的问题，只需更换电极板即可，增加了本发明装置的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的整体结构视图；
图2为本发明的脉冲电源模块与处理室结构分解视图；
图3为本发明的脉冲电源模块内部电路原理视图；
图4为本发明的上处理面板/下处理面板结构视图；
图5为本发明的电极板结构视图；
图6为本发明的低压金属电极层与高压金属电极层结构视图；
图7为本发明的使用流程示意图；
图8为本发明的杀菌效果示意图。
图中，1.外壳，11.方形槽，12.充电口，2.脉冲电源模块，21.塑料壳体，22.电源开关，23.充电接口，24.高压电极连接线，25.接地电极连接线，3.处理室，31.上处理面板，32.下处理面板，33.凹槽，4.总开关，5.电极板，51.绝缘层，52.低压金属电极层，53.高压金属电极层，54.阻挡介质层，6.低压总线，61.低压金属电极条，62.高压金属电极条，63.高压总线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述：
用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置，参考图1-6所示，包括外壳1，外壳1内部设置脉冲电源模块2和处理室3。
所述的脉冲电源模块2设置两个，均位于外壳1内部的下方，所述的处理室3设置在脉冲电源模块2的上方，脉冲电源模块2对处理室3进行供电，所述的外壳1上对应处理室3的位置开设方形槽11，所述的外壳1上开设方形槽11的一面下方设置总开关4，总开关4连接在脉冲电源模块2上，所述的处理室3包括上处理面板31和下处理面板32，上处理面板31和下处理面板32之间通过后面板与左右面板进行连接，所述的上处理面板31与下处理面板32的前部设置为开口形式，开口对应外壳1的方形槽11，所述的上处理面板31与下处理面板32相对应的一面上开设凹槽33，凹槽33内设置电极板5，电极板5作用于方形槽11内的区域。
上述内容详细公开了本发明需要保护的技术方案，本技术方案公开的灭菌装置主要作用于手部的杀菌；
在使用时，打开总开关4，脉冲电源模块2给处理室3进行供电，即可产生大面积的低温等离子体，将手伸进处理室3内10-15s，即可完成对手部的杀菌消毒；
在结束时，关闭总开关4，脉冲电源模块2切断对处理室3的供电；
在闲置时，对脉冲电源模块2进行定期充电即可。
如图2所示，详细公开了脉冲电源模块2和处理室3配合的技术特征，具体设置方式如下：
所述的脉冲电源模块2包括塑料壳体21，塑料壳体21的相邻两侧面上分别设置电源开关22和充电接口23、高压电极连接线24和接地电极连接线25，所述的外壳1上对应充电接口23的位置开设充电口12。
操作人员可以通过电源开关22控制脉冲电源模块2的工作状态，充电接口23为直流电源插座，额定输入电压3V-12V，操作人员可以通过充电接口23向脉冲电源模块2进行充电，脉冲电源模块2的高压电极连接线24和接地电极连接线25收纳在外壳1中，并同时与处理室3连接。
如图3所示，详细公开了脉冲电源模块2内部电路原理，具体设置方式如下：
所述的脉冲电源模块2内部包括直流蓄电池、第一升压模块、第二升压模块、升压变压器、反应器、接地线、IGBT和脉冲发生器，所述的处理室3包括高压线和接地线，所述的升压变压器升压后分别与处理室3的高压线和接地线相连。
脉冲电源模块2的整个电路由直流蓄电池供电3-15V，首先经过第一升压模块升压达到7-30V，然后再分别给第二升压模块和脉冲发生器供电，经过第二升压模块升压后，送至升压变压器，脉冲发生器产生幅值7-30V，占空比1-90%，频率1-10KHz的方波信号，升压变压器升压后分别与处理室3的高压线和接地线相连，为反应器供电，打开电源开关后，高压电源模块可以产生频率1-10KHz，幅值0-100kV的高电压，电压波形为正弦交流、单极性脉冲或双极性脉冲等。
另外，还需要说明的是，虽然上述公开的脉冲电源模块2可以对本装置的工作电压、占空比、频率等参数进行调节，但是此种调节仅限于本装置的调试半成品阶段，在本装置形成一个完整的产品后，脉冲电源模块2的电压、占空比、频率等数据处于稳定状态，并且不可调节。
所述的上处理面板31和下处理面板32分别通过导线连接在脉冲电源模块2上。
如图4所示，公开了上处理面板31/下处理面板32结构图，所述的上处理面板31与下处理面板32设置为绝缘板，所述的凹槽33设置在绝缘板上，凹槽33的深度设置为1-6mm，如图5所示，所述的电极板5包括绝缘层51、低压金属电极层52、高压金属电极层53和阻挡介质层54，所述的绝缘层51设置在下方，低压金属电极层52与高压金属电极层53设置在同一层，且位于绝缘层51的上方，阻挡介质层54设置在最上方，所述的绝缘层51的厚度为1-3mm，介质阻挡层54的厚度为0.1-0.5mm。
所述的上处理面板31和下处理面板32第一起到固定支撑作用，组成完整的处理室3，第二用来放置电极板5，电极板5固定在凹槽33内。
所述的电极板5包括绝缘层51、低压金属电极层52、高压金属电极层53和阻挡介质层54共设置了三层，三层仅仅贴合，电极板5长150-200mm，宽100-150mm，为了能够产生等离子体，需要合理配合绝缘层51、阻挡介质层54厚度和低压金属电极层52、高压金属电极层53的电极宽度及间隙。
如图6所示，所述的低压金属电极层52和高压金属电极层53包括低压总线6、低压金属电极条61、高压金属电极条62和高压总线63，所述的高压总线63与高压电极连接线24相连，所述的低压总线6与接地电极连接线25相连，所述的低压金属电极条61与高压金属电极条62均匀的交错设置。
其中，低压总线6长150-200mm，宽1-3mm，厚0.05-0.3mm，高压总线63长150-200mm，宽1-3mm，厚0.05-0.3mm，低压金属电极条61和高压金属电极条62长40-60mm，宽0.5-3mm，厚0.05-0.3mm，低压金属电极条61与高压金属电极条62分组设置，每组均匀排列，每组间隙5-10mm，且每组为一根高压金属电极条62和两根低压金属电极条61交错设置，高压金属电极条62设置在两根低压金属电极条61之间，间隙为0.5-3mm。
上述内容详细公开了电极板5的设置方式，需要说明的是，通过电极板5包括的每个特征设定的参数不同，实现不同效果的等离子放电体，可以根据本发明适用的不同环境和需求进行选用即可。
如图7所示，公开了本发明的一种用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置的使用方法，公开如下：本发明涉及的手部灭菌分为预处理和灭菌两个部分，预处理包括流水清洁、残留水渍擦拭，灭菌环节包括将手伸入处理室3，打开总开关4，电极板5之间形成等离子体灭菌，最后关闭总开关4。
其中，进行流水清洁是将手部表面大颗粒灰尘等去除，便于等离子体直接对病菌进行杀灭，然后擦拭手部残留水渍，保持手部水分，使等离子体反应过程中产生更多的OH、H2O2等含氧活性粒子，提升灭菌效果，在干式灭菌环节，将手伸入处理室3，将手放在上处理面板31和下处理面板32之间的对应位置，然后打开总开关4，上处理面板和下处理面板可以电离空气中的氮气、氧气和水蒸气等，产生大量的OH、H2O2、HO2、O3、NO、和N2O活性粒子，对手部进行等离子体灭菌，处理10-15s，关闭总开关4，即完成整个灭菌。
图8公开了本发明的杀菌效果图；
本实验是以大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为生物模型，研究本发明的杀菌效果，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别用本发明处理0s、2s、5s、10 s、15s，每组重复3次，经等离子体处理的培养皿在37°C培养箱中孵育24 h后观察，图8的结果表明，本发明采用沿面DBD电极结构，通过对电极结构参数优化，实现了短时的高效灭菌，处理15 s后，大肠杆菌和金黄色葡萄球菌死亡率可达99.99%以上。
本发明提供了一种用于手部的一体化等离子体干式灭菌装置和方法，依托脉冲功率技术，通过调节参数设计了高压电源，对供电电源实现了小型化、一体化，可由直流蓄电池供电，使用可充电锂电池供电，可反复充电使用，摆脱了市电的使用限制，可随意切换应用场合，实现消毒装置一体化，提高了杀菌消毒的灵活性，并且使用脉冲功率技术供电，可明显减少热损耗，降低了仪器内部的发热，可有效避免人体被灼伤的风险，提高了人体接触的安全性，并且实现了人体可接触，避免了高压电极对人体损害的风险；
针对人体手部形状，设计了等离子体灭菌单元，能够有效地贴合手部皮肤表面，产生等离子体及活性粒子能稳定地作用于手部表面，并且实现了人体可接触，避免了高压电极对人体损害的风险；
采用分布式沿面DBD电极结构，启始电压低，便于在大气压下产生大面积等离子体进行杀菌消毒，大幅提高杀菌效果，达到可在15s内完成99.99%的灭菌效果，另外，处理室的电极板可实现灵活更换，避免了长期使用使电极氧化，造成灭菌效果下降的问题，只需更换电极板即可，增加了本发明装置的使用寿命。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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