一种空调风道杀菌消毒模块的制作方法

1.本发明涉及杀菌消毒技术领域，具体地涉及一种空调风道杀菌消毒模块。


背景技术：

2.空调系统已被广泛应用在大型公共场所，比如购物中心、超市、写字楼、医院、车站、机场、饭店等。此类公共场所人员密集度高、环境密封性好、空气流动性差、自我净化能力低，容易引起多种的健康问题，特别是呼吸系统的疾病等，尤其是在sars、新冠肺炎、禽流感大肆传播时。在空调系统运行过程中，虽然补充一定的新风或在一定时间内开窗换气，但大众呼吸的空气仍然以空调系统的循环风为主，新风严重不足，而且空调系统的湿表面如换热盘管、滴水盘和风道等容易滋生各种微生物。因而，空调系统的循环空气是造成此类环境呼吸道传染病传播的隐患。由此可见，对空调系统采取一定的杀菌消毒措施势在必行；同时也能对室内循环空气中的甲醛、vocs和异味等进行去除是最恰如其分的处理方式。
3.提高室内空气质量对于公共场所是特别重要的。对于空调系统主要从两方面做起：一是提高空调系统的杀菌消毒功能，减少微生物的危害；二是隔一定时期对空调系统清洁除尘，同时辅以风道表面、冷凝水、冷却水、过滤器等的化学消毒，减少微生物的滋生环境和尘埃，达到较好的室内空气质量。目前空调系统风道杀菌消毒主要有以下几种方式：
4.1)过滤除菌：过滤除菌是利用物理过滤除菌材料去除空调系统风道中的微生物以及其它各种颗粒物，使局部空间的空气达到一定的洁净度。该方法已广泛应用于生物医药及多种洁净操作空间，常用于的过滤材料具有微孔结构，主要有玻璃纤维、醋酸乙酯纤维、溶喷式聚丙烯无纺布等。过滤法的优点是：阻隔效率高；缺点是：风阻大(数百帕)，影响通风和空调效率；微生物富集残留，造成滋生和二次感染等。
5.2)喷雾消毒法：喷雾消毒法是指用喷雾器雾化消毒液进行空气或物体表面消毒的处理方法，雾化颗粒10μm以下的占90％以上。由于所喷雾颗粒小，浮于空气中易蒸发，可兼收喷雾和熏蒸之效。适用于消毒风道的喷雾剂有过氧乙酸、过氧化氢、二氧化氯等。喷雾消毒法的优点是：化学法效率高；能局部快速杀菌消毒；缺点是：有一定的腐蚀性，对人体有伤害；有效时间短，需每天多次消毒；死角多等。
6.3)紫外线消毒：紫外线是一种电磁波，波长在10～400nm之间，分为a、b、c和真空4个波段，其中以uvc波段杀菌效果最好。uvc波段是指波长为200nm～280nm的紫外线。常用杀菌紫外灯为石英低压汞灯，其辐射紫外线主波长为253.7nm，可以杀灭各种微生物，包括各种细菌、病毒、支原体等微生物，对sars、covid
‑
19也同样有效。不同微生物对其抵抗力差异较大，可相差100～200倍。紫外线辐射能量低、穿透力弱，仅能杀灭直接照射到的微生物，因此消毒时必须使消毒部位充分暴露于紫外线。紫外线消毒的适宜温度范围是20℃～40℃，温度过高过低均会影响消毒效果，用于空气消毒时，消毒环境的相对湿度应低于70％，以40％～60％为好，否则应适当延长照射时间。其缺点：只适用于静止消毒，对快速流动空气消毒效果很差。
7.4)低温等离子体：杀菌灭菌通过等离子体发生器产生的低温等离子体对空气中的
微生物产生杀灭作用。低温等离子体是气体在加热或强电磁场作用下产生的高度电离的气体云，主要有电子、离子、原子、分子、活性自由基和射线等，是物质的第四种存在形态，其中活性自由基和射线对微生物有很强的杀灭作用。其缺点是对快速流动气体消毒效果很差；会产生臭氧，对人体有害。
8.5)静电除菌：通过高压静电装置产生的静电对空气中的微生物进行吸附，达到除菌消毒的目的。高压静电装置产生的静电场在低于电位几千伏至几万伏的情况下，放电极金属丝发生电晕放电，产生大量的供气溶胶粒子荷电用的气体粒子，然后致使微尘细菌荷电、飘尘迁移、极板沉积，达到除尘除菌的目的。性能指标有处理风量、阻力损失、捕集效率、洁净空气量等。其缺点是对快速流动气体消毒效果很差；会产生臭氧，对人体有害。
9.6)激光照射除菌：激光是激光器中受激发光物质经激发产生的光子通过谐振腔放大所形成的光束。具有能量高度集中、指向性强的杀菌特点。激光对细菌、病毒等微生物组织破坏的机理为
①
热效应使细菌死亡
②
光致压缩效应将细胞压缩变形以至破裂
③
化学效应引起生物体分子化学键的断裂或生成游离基团。对于激光杀菌作用的研究虽开始不久，但从其良好效果来看，是有发展前途的，并且激光与氧、超声波等均有协同杀菌作用。
10.7)光催化除菌：光触媒在紫外光激发下，产生强氧化的羟基自由基，氧化破坏病菌的细胞膜杀死病菌，病毒因为没有细胞膜更容易被氧化破坏其蛋白和rna结构。与普通消毒剂只是杀死病原体不同，光触媒还可以将病原体残余的有机物彻底分解成二氧化碳和水，实现“毁尸灭迹”，彻底消杀，避免毒素残留和二次感染。其缺点是光催化材料的催化杀菌效率低，不足以达到在高风速下的高的杀菌率；还有模块中光催化材料与紫外灯的参数的配置等。虽然一些空气净化器使用了光催化降解室内空气中的甲醛及其它的有机挥发性气体，但是光催化剂仅负载于铝蜂窝、金属网、多孔陶瓷、多孔玻璃或净化器的内壁上，因为这些基体材料的比表面小，导致负载在这些材料上的光催化剂有效活性中心少，对空气中的甲醛及其它挥发性气体的降解、空气中细菌、病毒、异味的消解效率低下；同时绝大多数空气净化器中即使使用了光催化降解室内的有害气体，有些时候仅仅使用一颗或二颗紫外灯珠来照射光催化材料，不可能真正起到降解室内有机物的作用，而净化空气还应该是一个保持长期有效的过程
11.如何去除公共场所空调系统风道系统中的各种微生物，以提高室内空气质量是至关重要的。况且空调系统的空气消毒方法应该依照“能连续进行空气消毒、对人体安全、不损害物品、便于改建维护、经济节能、使用寿命长且消毒效果稳定可靠”的原则来选择。上述空气消毒方法中的化学消毒法和等温等离子体消毒法应排除在外。以上7种空调系统风道中杀菌消毒存在一些问题，但是光催化除菌具有持久性，能长期使用有以下特点：1)能快速除去消毒风道中的微生物；2)不会产生二次污染物；3)能够持久有效，并且技术成熟，能够长久使用，是风道杀菌消毒不二之选。
12.另一种阴离子杀菌消毒技术原理是指银离子干扰核酸的合成，阻碍遗传信息的复制，包括dna、rna的合成，以及dna模板转录mrna等，从而杀灭病原菌和病毒等；此外银离子能很好的破坏细菌和病毒蛋白结构，和蛋白中的硫原子结合(巯基蛋白)，导致蛋白质丧失活性。
13.有鉴于此，急需设计一种高效的空调风道杀菌消毒模块，全方位解决空调系统的循环风质量。


技术实现要素：

14.本发明的目的在于克服上述问题，提供一种空调风道杀菌消毒模块，该消毒模块具有动态杀菌速度快、无二次污染，能长期使用等特点；同时该杀菌消毒模块采用了自制的光催化载体化材料及纳米银线杀菌载体化消毒材料。
15.本发明采用光催化+纳米银线杀菌消毒于一体的净化结构，除去空调风道内的微生物的同时，除去室内循环空气中的甲醛、挥发性有机污染物以及异味等，并且该空调风道杀菌模块不需要更换，只需要定期用水清，可以重复多次使用。
16.本发明提供一种空调风道杀菌消毒模块，所述杀菌消毒模块包括光催化载体化材料；所述光催化载体化材料设置于空调的进风口端，其中，
17.所述光催化载体化材料的制备方法，包括以下步骤：
18.1)将金属有机物溶解在溶剂中，配制成溶液，
19.所述金属有机物包括线性钛氧聚合物，锆氧聚合物和乙酰丙酮铈中的一种或两种以上；其中以钛计，所述钛氧聚合物溶液的浓度为8
‑
10重量％；
20.2)对被涂覆的载体的表面进行预处理；根据材质的不同，采用不同的预处理方法，如是陶瓷基载体材料，可用ph为11
‑
12的碱性溶液浸泡，并超声清洗，去除多余的颗粒物，增加陶瓷基载体的比表面积；如是金属基载体材料，先使用丙酮溶剂浸泡，然后使用去离子水进行清洗；
21.所述载体包括蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷或泡沫金属中的一种；
22.3)将配制好的金属有机物溶液(包括线性钛氧聚合物溶液或掺杂改性的线性钛氧聚合物溶液)均匀施加到载体上，干燥、烧结，得到纳米tio2光催化涂层结构或掺杂改性的纳米tio2光催化涂层结构，制得光催化载体化材料。
23.作为优选，所述步骤1)中所述的金属氧有机物，其中线形钛氧聚合物和锆氧聚合物均以重复的m
‑
o键为主链、侧基上连接有机基团的线性金属氧聚合物，其包含以下的结构单元：
[0024][0025]
其中对于金属有机物，r1彼此独立地选自
‑
c2h5,
‑
c3h7,
‑
c4h9,
‑
c5h
11
；r2代表or1或者代表选自ch3cochcoch3和ch3cochcooc2h5的络合基团；条件是基于r2基团的总量，至少有50％的r2基团代表所述的络合基团；该钛氧聚合物以蒸气压渗透法测定的数均分子量mn为2000～3000；不含溶剂的纯钛氧聚合物具备软化点，落球法测定出软化点范围为90～127℃；
[0026]
而锆氧聚合物也为低聚物，其中的n值均不是很高，优选的，当m为钛时，n为10
‑
15，当m为锆时，n为15
‑
20。进一步优选的，锆氧聚合物的数均分子量在3000
‑
3500之间。
[0027]
作为优选，所述步骤1)中的溶剂为醇类溶剂，通常用低沸点的醇类溶剂，其为含2
‑
4个碳原子数的低级醇，所述溶剂和金属有机物的比例为(1.5
‑
3)：1，所述钛氧聚合物、锆氧聚合物和乙酰丙酮铈的加入量为1：(0.02
‑
0.05)：(0.02
‑
0.05)；作为进一步优选，所述步骤
1)中的溶剂包括乙醇、异丙醇、正丙醇和丁醇等。
[0028]
作为优选，所述杀菌消毒模块还包括纳米银线载体化材料；纳米银线载体化材料设置于空调出风口端，沿进风向设置于光催化载体化材料的后端；
[0029]
所述纳米银线载体化材料的制备方法，包括以下步骤：
[0030]
1)将纳米银线分散溶解、稀释在一定溶剂中，配制成溶液，其中以银计，所述溶液的浓度为0.1
‑
0.2重量％；
[0031]
2)对被涂覆的载体的表面进行预处理；根据材质的不同，采用不同的预处理方法，如是陶瓷基载体材料，可用ph为11
‑
12的碱性溶液浸泡，并超声清洗，去除多余的颗粒物，增加陶瓷基载体的比表面积；如是金属基载体材料，先使用丙酮溶剂浸泡，然后使用去离子水进行清洗；
[0032]
所述载体包括蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷或泡沫金属中的一种；
[0033]
3)将配制好的线纳米银线溶液均匀施加到载体上，室温干燥、然后采用中压汞灯进行照射，得到纳米银线的杀菌消毒涂层结构，制得纳米银线载体化材料。
[0034]
作为优选，所述溶剂为去离子水。
[0035]
作为优选，所述杀菌消毒模块还包括紫外灯，所述紫外灯沿进风向设置于光催化载体化材料的前端，所述紫外灯的波长为254
‑
385nm。
[0036]
作为优选，所述紫外灯包括紫外灯管或led紫外灯。
[0037]
作为优选，所述紫外灯管的波长为254nm，led紫外灯的波长为280nm或370
‑
385nm。
[0038]
采用载体化光催化材料、载体化纳米银线材料，配合使用紫外灯可以达到99％以上的杀菌效率，因此采用光催化载体化材料和载体化纳米银线材料，配合用紫外灯使用将在中央空调系统、公共交通系统领域具有广阔的市场前景，是新一代环保型杀菌消毒模块材料。
[0039]
与现有技术相比，本发明的优势在于：
[0040]
1)本发明采用高效纳米光催化材料，消毒效率高(＞99.52％)，风阻小(＜20pa)，彻底“毁尸灭迹”，产生的自由基浓度高，消杀速度快，能力强；也可用采用led紫外灯(低功耗)；可复合纳米银，具有更高的杀菌消毒性能；在杀菌消毒的同时，可将空气中的甲醛、vocs、异味等气体除去，性能卓越；低阻、低碳、节能；即使在高风速下，压力损失﹤25pa；可以有高效的杀菌效果，并分解残余物，不会富集和残留病毒，无二次污染。
[0041]
2)本发明空调风道杀菌消毒模块化设计，易于拆装，安装方式多样化，适用多种风口连接方式；新建工程，改造工程均方便安装；并且内部结构紧凑，有效杀菌消毒材料的比表面积大，有较高的杀菌效率和较大的空气流量；占地面积小，没有使用化学药剂，无二次污染，是真正意义上的杀菌消毒模块。
附图说明
[0042]
图1为本发明空调风道杀菌消毒模块结构示意图；
[0043]
图2为本发明光催化模块的示意图；
[0044]
图3为本发明紫外灯珠的排布；
[0045]
附图标记：
[0046]
1、紫外灯；2、光催化载体化材料；3、纳米银线载体化材料。
具体实施方式
[0047]
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0048]
本发明空调风道杀菌消毒模块采用了方形的外壳以及方形的光催化杀菌消毒模块和纳米银杀菌模块，该空调风道杀菌消毒模块可以采用跟风道出风口内部结构相匹配的外形结构。空调风道杀菌消毒模块结构示意图如图1所示。从图1中可以看出，该杀菌消毒模块的设置了两组光催化，其中紫外灯1管设置于进风口端，光催化载体化材料2设置于紫外灯后端，出风口端设置纳米银线载体化材料3。
[0049]
根据应用场景的不同，杀菌消毒模块可以有不同配置条件。节能型空调杀菌消毒模块可以使用led紫外灯珠，而普通型或加强型空调杀菌消毒模块可以使用紫外管灯；而在医院等特殊场合中可以使用组合的杀菌消毒模块，既可以使用组合的光催化模块，也可以使用组合的光催化模块和纳米银模块组合形式。这样设计的目的在于，要在动态情况下，即在一次空气流动通过情况下，可将空气中的大部分微生物和病原体杀死，提高空调风道杀菌消毒模块的净化效率，减少在人口聚集公共场所传染疾病发生的几率。图2显示了使用紫外灯管时光催化模块的示意图。
[0050]
本发明中光催化模块可采用254nm的紫外灯管，也可采用280nm或370
‑
385nm的led紫外灯。光催化载体化材料在紫外光的照射下，激发价带上的电子(e
‑
)跃迁到导带，在价带上产生相应的空穴(h
+
)，吸附在tio2纳米粒子表面的溶解氧俘获电子形成超氧负离子，而空穴将吸附在tio2表面的水氧化成氢氧自由基，而生成的具有极强氧化作用的超氧负离子和羟基自由基，可将空气中的细菌、病毒杀死，有效防止各种细菌、病毒、微生物滋生；同时，也可将空气中的甲醛、挥发性有机物氧化分解成无害的co2和h2o，达到净化空气中有机物的目的；此外，还具有除异味功能。光催化载体化材料产生的羟基自由基和超氧负离子能对细菌病毒等主动出击，而本身不发生变化，具有长期活性。
[0051]
led紫外灯波长280nm或370
‑
385nm，在发生光催化反应时，不会产生臭氧；同时led紫外灯与目前光催化反应使用的紫外灯管相比，是不会对人体和环境造成危害的。led紫外灯有多种不同排列组合方式构成，达到最优化利用，使得led紫外灯能照射到光催化载体化材料每一个部分。图3是led灯珠的排布示意图。紫外灯珠的距离在4
‑
6cm之间，这样可以很好地利用紫外灯珠的光强密度，既不会浪费光源并且不会让空气直接流过而达不到杀菌消毒的功能。
[0052]
纳米银(线)是依靠生成的银离子实现消毒。银离子对病菌和病毒都有很强的抑制和杀灭作用。但银离子在自然条件下容易变性，有效期短，大量摄入对人体有危害，而纳米银线材料直径几十纳米，长达数十微米，表面包覆高分子胶束，一方面可以控制银离子的释放，既杀灭病毒细菌，又减少人体伤害；另一方面可稳定附着在纤维等载体上，不会脱落，造成失效或人体伤害。
[0053]
这些杀菌消毒模块可以应用在中央空调风道消毒和交通工具风道消毒领域，具体包括办公大楼、购物中心、超市、宾馆、饭店等人口密集场所，也可应用在公交车、地铁、候车室等人口流动性大的场所。
[0054]
该空调风道杀菌消毒模块不同于其他杀菌消毒模块之处在于：采用了光催化技术而不是其他技术手段，具有持久使用的特点，且没有使用化学药剂，同时没有产生二次污染物。
[0055]
该风道杀菌消毒模块安装在出风口，对已经经过除尘处理的空气进行杀菌消毒，使用寿命长，不能经常更换。
[0056]
该风道杀菌消毒模块采用了自制的光催化载体化材料能和自制的载体化纳米银材料。为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：
[0057]
一种光催化载体化材料的制备方法，采用蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷或泡沫金属作为载体，以线性钛氧聚合物为主要光催化材料，锆氧聚合物和乙酰丙酮铈作为掺杂的元素，提供掺杂改性的纳米tio2光催化涂层结构的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0058]
1)按照一定的比例，将线性钛氧聚合物、锆氧聚合物和乙酰丙酮铈溶解在一定溶剂中，配制成溶液，其中以钛计，所述溶液的浓度为8
‑
10重量％；
[0059]
2)对被涂覆的载体的表面进行预处理；根据材质的不同，采用不同的预处理方法，如是陶瓷基载体材料，可用ph为11
‑
12的碱性溶液浸泡，并超声清洗，去除多余的颗粒物，增加陶瓷基载体的比表面积；如是金属基载体材料，先使用丙酮溶剂浸泡，然后使用去离子水进行清洗；
[0060]
3)将配制好的线性钛氧聚合物、锆氧聚合物和乙酰丙酮铈混合溶液均匀施加到载体上，干燥、烧结，得到掺杂改性的纳米tio2光催化涂层结构。
[0061]
一种纳米银线载体化材料的制备方法，采用蜂窝陶瓷、泡沫陶瓷或金属泡沫作为载体，以纳米银线作为另一种杀菌消毒材料，提供纳米银线杀菌消毒涂层结构的制备方法，该方法包括以下步骤：
[0062]
1)将纳米银线溶解、稀释在一定溶剂中，配制成溶液，其中以银计，所述溶液的浓度为0.1
‑
0.2重量％；
[0063]
2)对被涂覆的载体的表面进行预处理；根据材质的不同，采用不同的预处理方法，如是陶瓷基载体材料，可用ph为11
‑
12的碱性溶液浸泡，并超声清洗，去除多余的颗粒物，增加陶瓷基载体的比表面积；如是金属基载体材料，先使用丙酮溶剂浸泡，然后使用去离子水进行清洗；
[0064]
3)将配制好的线纳米银线溶液均匀施加到载体上，室温干燥、然后采用中压汞灯进行照射，即得到纳米银线的杀菌消毒涂层结构。
[0065]
实施例1
[0066]
1)将线性钛氧聚合物、锆氧聚合物(其zr原子与ti原子比为4比100)溶解在一定溶剂中，配制成溶液，其中以钛计，所述溶液的浓度为8.8重量％；
[0067]
2)对被涂覆的载体的表面进行预处理；采用陶瓷基载体材料，用ph为11
‑
12的碱性溶液浸泡，并超声清洗，去除多余的颗粒物，增加陶瓷基载体的比表面积；
[0068]
3)将配制好的金属氧聚合物混合溶液均匀施加到蜂窝陶瓷载体上，干燥、烧结，得到zr掺杂改性的纳米tio2光催化蜂窝陶瓷结构。
[0069]
使用尺寸200mm*400mm的蜂窝陶瓷，使用长度为400mm长的紫外灯管，其中蜂窝陶瓷距离紫外灯管的距离为70mm制作光催化风道消毒杀菌模块。通过gb/t34012
‑
2017通风系统用空气净化装置，在环境温度20
‑
25℃、环境湿度50
‑
70％rh，在测试风量200m3/h的情况下，对大肠杆菌的单次净化效率为92.3％。
[0070]
使用的设备包括空气动力试验台、六级筛孔空气撞击式采样器、微生物气溶胶发生器，净化效率ew＝[cw(1
‑
n)
‑
cd]/cw(1
‑
n)，其中cw为试验组上有采样处平均试验菌浓度，
cd为试验组下游采样处平均试验菌浓度，n为试验台自然消亡率实施例2
[0071]
1)将线性钛氧聚合物、锆氧聚合物(其zr原子与ti原子比为4比100)溶解在一定溶剂中，配制成溶液，其中以钛计，所述溶液的浓度为8.8重量％；
[0072]
2)对被涂覆的载体的表面进行预处理；采用陶瓷基载体材料，用ph为11
‑
12的碱性溶液浸泡，并超声清洗，去除多余的颗粒物，增加陶瓷基载体的比表面积
[0073]
3)将配制好的线性聚合物混合溶液均匀施加到蜂窝陶瓷载体上，干燥、烧结，得到zr掺杂改性的纳米tio2光催化蜂窝陶瓷结构。
[0074]
纳米银线载体化杀菌消毒材料的制作工艺如下：
[0075]
1)将纳米银线溶解、稀释在一定溶剂中，配制成溶液，其中以银计，所述溶液的浓度为0.1
‑
0.2重量％；
[0076]
2)对被涂覆的载体的表面进行预处理；
[0077]
3)将配制好的线纳米银线溶液均匀施加到蜂窝陶瓷载体上，室温干燥、然后采用中压汞灯进行照射，即得到纳米银线的杀菌消毒涂层结构。
[0078]
使用尺寸200mm*400mm的蜂窝陶瓷，使用长度为400mm长的紫外灯管，其中蜂窝陶瓷距离紫外灯管的距离为70mm制作光催化风道消毒杀菌模块；同时，在光催化厚膜的后端增加一层纳米银线蜂窝陶瓷，制作成复合杀菌消毒模块。通过gb/t34012
‑
2017通风系统用空气净化装置，在环境温度20
‑
25度、环境湿度50
‑
70％rh，在测试风量200m3/h的情况下，对大肠杆菌的单次净化效率为99.52％。
[0079]
实施例3
[0080]
1)将线性钛氧聚合物、乙酰丙酮铈(其ce原子与ti原子比为3比100)溶解在一定溶剂中，配制成溶液，其中以钛计，所述溶液的浓度为8.8重量％；
[0081]
2)对被涂覆的载体的表面进行预处理；采用陶瓷基载体材料，可用ph为11
‑
12的碱性溶液浸泡，并超声清洗，去除多余的颗粒物，增加陶瓷基载体的比表面积；
[0082]
3)将配制好的线性聚合物混合溶液均匀施加到蜂窝陶瓷载体上，干燥、烧结，得到sn掺杂改性的纳米tio2光催化蜂窝陶瓷结构。
[0083]
使用尺寸200mm*400mm的蜂窝陶瓷，使用长度为400mm长的紫外灯管，其中蜂窝陶瓷距离紫外灯管的距离为70mm制作光催化风道消毒杀菌模块。通过gb/t34012
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2017通风系统用空气净化装置，在环境温度20
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25度、环境湿度50
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70％rh，在测试风量200m3/h的情况下，对金色葡萄球菌的单次净化效率为99.8％。
[0084]
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
[0085]
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。