等离子体表面消毒器及相关方法与流程

等离子体表面消毒器及相关方法
发明领域
1.本发明大体上涉及用于表面处理和消毒的冷等离子体的应用，更具体地涉及用于表面消毒的等离子体装置。本发明还涉及一种可控制且均匀地直接在待处理表面生产等离子体以产生理想的表面特性(包括消毒)的方法。
2.背景
3.交叉污染和交叉感染可通过空气传波或通过公共接触的表面发生。物料的表面可能带有微生物。一些微生物种类，例如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(methicillin
‑
resistant mrsa)，可以在干燥的表面上存活4至5个月或更长时间，而病毒如诺如病毒等，则可以存活长达一周。
4.近年来，等离子技术在空气消毒中已被证明非常有效(例如，专利us 8361402 b2，空气净化和消毒装置，徐奕伟)。等离子体被称为物质的第四态，是由部分电离的气体，含由自由移动的离子，电子和中性粒子组成。虽然等离子体总体上是电中性的，但它是导电的。该特性可令到等离子体所占据的空间中注入电能。取决于操作条件，等离子体可以由带电粒子(电子和离子)，激活体，自由基，臭氧和紫外线光子组成，它们能够分解化合物并杀灭微生物。电子的能量可以用于激发原子和分子，从而引发化学反应和/或辐射。这些生產，特别是在紫外线光谱区域，可以通过破坏分子键来引发光物理和光化学过程。高能电子能够引起分子中部分化学键的分解，与背景分子发生碰撞从而导致分子链的分解，电离和激发，以及产生o，oh或ho2等自由原子和自由基。这些自由基会攻击有害的有机分子有助于分解空气中的污染物。o2的解离提供了所需的o，其与o2结合形成臭氧。低能电子可以附着在中性原子或分子上形成负离子，从而可以增强分解污染物和破坏微生物的效果。此外，为了达到效果，通常需要一种将带电粒子和活性物质输送到待处理表面的机制。
5.可运用电能方法向一组电极(阳极和阴极)施加高压，从而透过气体放电的形式产生等离子体。当所施加足够高的电压，超过崩溃电压时，在阳极和阴极电极之间开始产生电弧。但电极经长期使用后经常会出现损坏和过热的问题。
6.许多用等离子体进行表面消毒的方法已经被建议，其中一些方法是透过空气流动将等离子体产生装置产生的带电粒子和其他活性物质输送到代处理表面，例如：
7.·
美国专利申请us 20040005261 a1(等离子灭菌装置，ko)描述了一种透过输入在另一个真空室中产生的等离子体和活性物质来对真空室中的物品进行灭菌的方法。
8.·
美国专利us 7633231 b2(谐波冷等离子体装置和相关方法，watson)描述了一种使用具有氦气注入和磁性系统的等离子体枪式装置将等离子体和活性物质输送到待处理的表面。
9.·
美国专利us 9236227 b2(冷等离子体处理设备和相关方法,watson等人)描述了一种使用等离子体枪将带电粒子和其他活性粒子传送给病人吸入。
10.·
美国专利us 9623132 b2(等离子气体灭菌法，krohmann等人)描述了从空气中产生等离子体以产生活性氮和氧，然后与水接触形成混合物再直接接触物体进行消毒。
11.·
欧盟专利ep 2052097 b1(使用介电阻挡放电的等离子体表面处理，boulos等
人)描述了使用具有涂料的等离子体炬进行表面涂层处理的方法。
12.另一类已知方法是将待处理的物体放置在等离子体产生电极所处的位置附近。通常电极以夹心或编织构造布置，如以下参考文献中所例示。
13.·
美国专利申请us 20120039747 a1(用于处理患者的身体部位的非热性等离子体装置，morfill等人)公开了一种等离子体产生电极结构，其中电介质绝缘体夹在两个电极之间，其中一个电极为板状，另一个电极是丝网状。丝网的空隙中的电介质绝缘体的表面放电。另一类似的专利申请us 20180206321a1(用于产生非热性等离子体的电极组件和等离子体源，以及用于操作等离子体源的方法，morfill等人)中也公开了类似的夹层电极构造，额外加上的电介质绝缘体覆盖了电极的最外层(顶部和底部)，形成一个5层结构。
14.·
美国专利申请us 20120039747 a1还公开了另一种构造，其包括一组绝缘电极以及另一组裸露或绝缘电极。这种构造也披露于美国专利us 7037468 b2(使用分布式等离子体反应器对被化学或生物试剂污染的流体或物体进行去污，hammerstrom等人)和美国专利申请us 2005/0249646 a1(气体处理装置，iwama等人)。在这种构造的装置中，等离子体在交叉电极的相交处产生放电。
15.还有另一种已知方法是将要处理的物体放置在高压电极和接地电极之间，如以下例子所示。
16.·
美国专利us 9295280 b2(用于清洁食品接触表面的冷等离子体方法和设备，jacofsky等)描述将等离子体用于表面清洁的情况，其中被处理的表面用作接地电极或将接地组件放在被处理表面的下侧(被处理的表面夹在高压电极和接地电极之间)。
17.这些现有方法需要有附加的机制，将带电粒子和其他活性物质传递到待处理的表面，或者通过将待处理的物体夹在高压和接地电极之间，或者将等离子体产生的放电限制在电介质的表面或在两组电极的相交处来进行处理。因此，最可取的是开发一种可以容易地直接在待消毒的表面上或上方产生等离子体新的方法和装置，而不需要特殊的传递或配置，从而避免待处理表面与装置缠结在一起。
18.发明概述
19.鉴于现有技术中存在的上述缺点并基于上述提到的原理，本发明的方法和装置提供了一种在待清洁表面或其近上方直接产生等离子体的方法。可以通过使用本发明的等离子体导轨式装置来实现这个目的。
20.等离子导轨设备体现了一种新颖的方法和设备设计，用以在表面或表面稍上方产生等离子体对表面进行处理，特别是用于表面清洁消毒。该装置通常包括成对的高电压电极和接地电极，它们以交替的极性布置，即交替地布置高电压电极和接地电极，并由交流电源供电。高压电极用绝缘的电介质覆盖。接地电极可以裸露或被绝缘的电介质覆盖。该电极对由交流电源供电，其中高压电极连接到电源的高压端，而接地电极连接到电源的低压端。在电极对之间的空间以及待处理物体的表面会产生放电。
21.在第一优选方面，本发明提供一种用于表面处理和消毒的系统，包括：
22.(a)至少一对电极，即高压电极和接地电极，其中高压电极被介电材料覆盖以提供电绝缘，而接地电极裸露或用介电材料覆盖；
23.(b)一个可固定和电极定位在待处理表面且优选可调节与表面之间距离的框架；和
24.(c)一个用于向电极供应高压交流电的电源；
25.由此，电极可在电极间以及待处理物体的表面产生等离子体。
26.电源为可调节的，以调节施加到电极上的电压的幅度，波形周期和电极形状，从而生产最多等离子体活性并且生产最小不理想的副产物气体。
27.电极的绝缘体可以是由玻璃制成的介电管或板材形式。
28.电极的导体可以由导电性的片、网或涂料构成。
29.所提供的电压可以在10千瓦至50千瓦的范围内。
30.波形周期可以在10
‑1毫秒至10
‑2毫秒的范围内。
31.一对电极之间的间隔优选在1毫米至20毫米的范围内。电极与待处理表面之间的距离优选在0毫米至20毫米的范围内。
32.该方法可以进一步包括调整施加到电极上电压幅度、波形周期和形状的步骤，从而生产最多等离子体活性并且生产最小不理想的副产物气体。
33.本发明的装置含高压交流电源，可控制施加到电极上的电压的幅度、波形周期和形状，从而控制在选定条件下的等离子体放电的操作。高压交流电源可以是高压发生器。可以根据在多个反应器中所期望的处理强度和处理时间来调节施加到电极的电压的幅度、波形周期和形状。该系统包括装置在交替的高压电极和接地电极中的多个反应器，从而允许将装置构造和总体尺寸为产生合适的处理强度和时间而设计。
34.高压电极是用绝缘体覆盖。接地电极可以裸露或被绝缘体覆盖。绝缘电极包括由介电管或板材形式的绝缘体。
35.该系统可以进一步加入吹风器或风扇部件用于在待处理的物体上驱动空气以减少物体表面的热量。
36.本发明装置的一个优点是在待处理物体的表面上产生放电以产生可直接用于处理表面的等离子体。
37.本发明装置的另一个优点是在待处理物体表面最接近的上方产生放电以产生可直接用于处理该表面的等离子体。
38.其中一个由本发明的实施例引伸的另一个优点是提供一种直接在待处理(包括待消毒)物体的表面上或接近上方产生等离子体的方法和装置，而不需要另外的部件或配置以输送带电离子和反应性物质，从而克服了现有技术的缺点。
39.在所附权利要求中特别指出了本发明各种特征的新颖性，这些权利要求构成了本公开的一部分。为了更好地理解本发明，其操作优点以及其可达到的特定目的，应参考附图和以下说明，示出并描述了本发明的优选实施例。
40.附图简要说明
41.通过以下参考附图和示例描述本发明的特定实施例：
42.图1显示本发明的表面处理装置的构成。
43.图2显示优选实施例的电极和框架组件。
44.图3显示优选实施例的电极构造；
45.图4显示另一个实施例的电极组件。
46.图5显示电极组件的另一个实施例，其中绝缘电极放置在接地板的圆形切口内。
47.图6显示电极组件的另一个实施例，其中绝缘电极放置在接地板的六边形切口内。
48.图7a和7b显示具有可调电极位置的另一个实施例；
49.图8显示根据本发明构造的装置样板，以展现本发明表面处理的效果。
50.图9显示使用图8装置样板进行实验的结果。
51.本发明的具体实施例的详细描述
52.以下是本发明优选实施例的详细描述。
53.参见附图，图1总体上展示出了表面处理系统1的系统组件，包括其具有高压电极20和低压电极30电极组件10以及相关的电源4和控制器5。电源和控制器以特定的等离子体参数产生并维持放电，该特定的等离子体参数由高压交流电源预先确定和控制。如图1所示，电极20、30可以连接到具有电子控制器5的高压交流电源4。电源4可以提供足够的电压以引起击穿并在待处理(包括待消毒)物体表面或其接近的上方直接产生等离子体，而无需输送带电离子和反应性物质。施加到电极20、30的电压可以控制在10千瓦至50千瓦的范围内。波形周期可以控制在10
‑1毫秒至10
‑2毫秒的范围内。
54.图2示出了电极组件10的优选实施例，该电极组件10包括高压电极20和低压电极30。电极通过保持器11和12保持在适当位置。除了平面方式之外，该组件可以采用其他方式例如圆柱体或球体。如图3所示，高压电极20具有被绝缘体22覆盖的导体21和与电源连接的电线连接23。低压电极30具有可以裸露或被绝缘体32覆盖的导体31，以及连接电源的电线连接33。在该优选实施例中，绝缘体可以由诸如圆柱形管形式的玻璃或陶瓷的介电材料制成。它们也可以是板材的形式或由任何绝缘或介电材料制成。绝缘体也可以是介电涂层的形式。电极21、31的电极导体可以由导电性的片、网或沉积物制成。一对电极20、30之间的距离可以在大约1毫米至大约20毫米的范围内。在由电极界定的空间里产生放电，以便在待处理物体表面和表面上方产生等离子体。
55.电极可以具有其他形状，如图4所示呈波浪形的电压电极120，低压电极130。电极组件不限于轨道的形式。在图5所示的实施例中，接地电极230是具有圆形切口的导电片，以容纳绝缘高压电极220。图6示出了另一实施方式，其中绝缘高压电极320被放置在六边形切口中。尽管实施例显示的是平面形式，但该组件可以采用其他形式，例如圆柱体或球形。如图7a和7b所示的另一个特征，当不使用时，安装在支撑件221上的高压电极220可以凹入接地电极板230的后面，而当其用于表面处理和消毒时，它们可以移动到操作位置，如图7b所示。一个替代实施例是使接地电极板230在表面处理使用期间移动至与高压电极齐平。
56.在对比试验中，证实了本发明的装置样板(见图8)比根据现有技术的装置样板优越的表面消毒性能。在该测试中，将预先接种细菌的培养皿放在相应的装置下，在相应的等离子条件下进行处理。图9的照片中，培养皿上的每一个“点”代表一个细菌菌落。图9c是“对照組”，为未用任何设备处理过皮氏培养皿，显示了细菌的初始浓度。图9a示出了用本发明的装置(图8所示的装置)处理的培养皿的结果。图9b示出了通过根据现有技术的一个装置处理的培养皿的结果。与图9b相比，图9a中显示细菌的菌落数要少得多，表明本发明的装置在表面消毒方面更有效。
57.电极和框架组件(例如根据图2的优选实施例)可以应用到光滑的表面上，其中电极(20、30)的表面可以直接搁置在待处理的表面，或在待处理的表面的近上方，其与待处理表面的间距不大于电极(20、30)之间的间隔。如图2实施例所示，电极(20、30)之间的间隔可以在1毫米至20毫米的范围内。电极表面与待处理表面之间的距离可以在0毫米至20毫米的
范围内。典型的处理时间只需几分之一秒到几秒钟。
58.通过使空气在电极表面与待处理表面之间隙流动(例如使用风扇驱动)，且本发明的装置可以同时对空气进行消毒。
59.在如图5所示的替代实施例中，高压电极220可以安装在可移动的支撑件221上，以优化电极头端与待处理表面之间的距离。
60.该表面处理不限比于电极组件小的表面。用于处理较大的表面時可通过在待处理表面上滑动或移动电极组件。
61.亦都可以将待处理的表面可以在电极组件下方移动，例如将电极组件安装于自动扶梯的橡胶扶手上方，该扶梯在电极组件下方连续移动。由于电极位于运动表面上方，因此避免了物理接触并消除了机械磨损。
62.只需几秒的处理时间即可对电极组件下方的表面进行消毒，如小型笔记本电脑大小的电极组件則可在数分钟内有效地消毒桌子表面。通过将电极组件连接到移动设备(机器人或无人驾驶飞机)，移动电极组件可以在数分钟内对房间进行表面消毒。通过空气在电极表面和待处理表面之间间隙流通(例如通过移动设备的移动或使用风扇)，该装置可以同时对空气进行消毒。
63.对于弯曲的表面，电极框架(图2中的11、12)可以制成弯曲形状以配合待处理表面的弯曲度。此外，优选实施例的保持器(图2中的11、12)可以由挠性材料制成或以挠性链的形式构造以使电极能够顺应于任意弯曲的表面。对于如图5所示的替代实施例，高压电极220可以安装在柔性支撑件221上与柔性接地电极230一起，以使电极头端能够顺应任意弯曲表面并维持电极头端与待处理表面之间的最佳距离。
64.本发明的电极表面和待处理表面之间的距离不需要固定，但可以在0毫米至20毫米的合理范围内变化。因此，该设备不仅可以消毒光滑的表面，而且还可以消毒非光滑的表面(表面粗糙度不超过20毫米)。
65.对于本发明的装置，电极的构造和布置可以令消毒器容易地施加在待处理物体的表面上方。与现有技术的设备相比，本发明的设备结构比較简单，但在处理表面时灵活且更有效。不需要求将待处理物体的表面接地，但可以使待处理的物体实际上成为电路的一部分。对于框架，基本要求是将电极固定放置并朝着待处理表面保持所需的近距离。只要框架能够满足这样的要求，它就可以以各种方式构造成各种形状和由各种材料制成。例如可利用挠性材料将其制成用于处理弯曲或不规则的表面。
66.亦可以嵌入风扇机构将空气引导至处理表面。它也可以具有轮子或滑动机构以便于在被处理的表面上移动。本发明允许对各种物体进行等离子体处理，例如对公共区域的电梯按钮面板和其他建筑表面进行处理，以减少社区中病毒和细菌的感染和传播。这是因为本发明与现有技术的装置不同，它不需要将物体放置在电极之间。除了本发明的独特性以克服现有技术的某些部署复杂性之外，本发明的装置比现有技术的装置能够更好地消毒表面。
67.本说明书采用的措词和术语应理解为出于描述的目的，而不是限制性的。尽管已经描述并指出了本发明的基本新颖特征应用于本发明的优选实施例，但是应理解为在不脱离本发明精神的前提下，本领域技术人员可以对所示实施例的形式和细节进行各种省略，替换和改变。本发明不限于上述实施例，这些实施例仅作为示例之用，亦可以在所附专利权
利要求书限定的保护范围内以各种方式进行修改。进一步理解，即使不参考这些具体示例也可以实践本发明，因为本发明的本质不在于技术上的困难或复杂性，而在于新颖的设计理念本身。一旦知道了这个设计理念，就可以在本领域普通技术人员的认知范围内进行实践。