“沐霭净室”——一种新型基于等离子体技术的空气净化产品

“沐霭净室”——一种新型基于等离子体技术的空气净化产品

徐梦菲，郭超群，胡曜宇，刘游天，董馨莉

哈尔滨工程大学 航天与建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

摘要：针对室内环境的干燥问题以及病毒多发的现状，为了响应国家对于做好空气净化和传染病防范的号召，经过深入分析目前空气净化领域的物表消毒效果差和无法实现人机共存的领域痛点，设计了一款基于等离子体活性水雾激发技术的空气净化产品。本产品同时实现了雾化激发、物表消毒和空气加湿的功能，并且能够很好地实现人机共存。主要介绍了产品的设计理念以及各个部件的设计，并阐述了产品的原理。本产品为空气净化和预防传染病的传播提供了新型设备，为人们高效实现空气净化消毒拓宽了可能性。

关键词:空气净化、等离子体活性水雾激发技术、人机共存

引言

干燥季节室内的环境状况易于病毒传播，并且近来传染病的传播更加广泛，感染传染病的人数也在日益增多[1]。空气净化是控制病毒传播、预防传染病传染和营造适宜生活环境的重要方法。但是目前的空气净化领域存在着物表消毒效果差、无法实现人机共存等痛点问题[2]。该研究针对上述问题，本文设计了基于等离子技术的空气净化新产品。以往的研究内容局限于通过介质阻挡放电技术产生具有杀菌能力的等离子活化水，应用于食品加工和保鲜等领域，并未深入研究在空气净化消毒领域的应用[3-5]。该产品将通过等离子活化水雾激发技术高效实现空气净化消毒，并可在环保无害的作用过程中，将室内湿度控制在适宜范围内，具有良好的消杀病毒效果。

产品设计

1. 设计概述

针对目前使用的室内空气净化器功能简单，不具备空气加湿物表消毒功能，对空气净化程度浅、效果差的缺陷和不足，现提供一款结构合理、水箱抑菌洁净卫生、使用方便的空间空气加湿净化器。

整体结构图如下图1.1所示：

图1.1 整体结构

2. 工作原理

在净化器壳内装有两块DBD等离子激发板(3)(8)，将风机(2)吸入气体通过等离子激发板(3)电离成负氧离子后与通过雾化发生器(5)的小水珠在等离子激发板(8)中电离，形成完整的高能等离子水雾射流技术，实现环境加湿、物表消毒和空气净化三重功效。未喷射出等离子体沿箱口留下，进入水箱实现水箱的净化，抑制细菌增长。

3. 各零部件设计

3.1等离子激发装置的设计

等离子激发装置主要实现对输送空气的电离，为后续消毒过程提供等离子体的作用。

该技术的原理是利用电离气体产生的等离子体来激发化学反应，进而实现对有害物质的去除和杀菌消毒。在沐霭净室产品中，等离子体激发技术可以通过第一次对空气激发和第二次对水雾激发实现对空气和水的净化，从而确保产品的卫生安全[3]。

图3.1.1等离子激发器

等离子激发器的核心部件是如图 3.1.1 所示的等离子激发器，它是直接产生高能离子的源泉。等离子激发器的主体是硼化玻璃，可以根据实际应用选择和设计外径和长度，实验后发现在 0.8～1mm 之间必须保证激发器管壁厚度一致。 不锈钢网编制了国外的极金属网，其中会影响电离效果的是孔眼间距。镀银不锈钢网选用内电极。电极网内部表面采用镀银工艺处理。经实验，在 3～5μm 厚度的镀银层中，采用不锈钢材质网内部，效果更佳，成本和工艺要求大大降低。激发器与交流电服从一定的设计耦合关系，同时还与外界环境相适应，以确保输出高能离子的浓度在规定范围内，且能够持续高效电离出高能离子。

3.2DBD小分子等离子水雾激发装置

在沐霭净室产品中，等离子体活化水技术的实现方式包括对水进行等离子体处理，以及将活化水应用于产品的清洁和消毒过程中。等离子水雾激发采用的DBD等离子激发器，如下图3.2.1。

图3.2.1 DBD等离子激发器

电源系统提供必要的高频交流高压。在等离子反应器内部，两个平行的电极之间形成了一个强大的电场。这些电极至少有一个被介质材料覆盖，两个电极点之间的距离被限制在几毫米之内，以保证放电的稳定性。在电源系统上施加电压时，气体分子在强电场的作用下发生电离，产生大量的自由电子和正离子，从而形成等离子体，这种电离可以通过电离产生大量的自由电子和正离子。

DBD 等离子激发装置通过利用电场强度引起气体分子的电离和激发作用而形成等离子。

主要工作流程如下图3.2.2：

图3.2.2 等离子水雾激发装置工作流程

通过 DBD 等离子激发装置，将干燥空气与水雾混合，激发成含有小分子活性等离子的活性水雾，空气净化器在快速净化段，开启加湿功能后，净化效果更佳。

3.3 高能等离子射流技术装置

等离子体活化水活性保持技术在沐霭净室产品中的应用是一项关键技术，其原理是通过等离子体激发技术将水分子活化，使其具有更强的清洁能力和杀菌效果[5]。

在DBD等离子体激发板末端安装等离子体射流发生装置，该装置利用其前宽后窄的特殊形状，压缩气体，形成高速的等离子射流。并且该装置会形成一定的电场，推动等离子体加速前行。形成了流体推动为主，电场推动为辅的等离子体加速体系。将针-环电极等离子体激发技术与介质阻挡放电法相结合，当装置通入工作气体后，空气与水雾共同激发形成高能等离子体，通过气流等外界作用的影响，在等离子射流产生装置内通过气流等外界作用的影响形成等离子射流。通过等离子加速喷射后，能对细菌、病毒等产生有效杀灭作用，迅速喷射到空气中和物体表面。

装置结构如下图3.3.1：

图3.3.1 等离子体射流装置

4. 特殊结构设计

4.1高效杀菌的内部构造设计

本产品通过特殊设计的构造实现对空气和水质的净化和活化，从而提高产品的性能和效率。净化器壳内装有DBD等离子激发板，将吸入气体电离成负氧离子后与通过雾化发生器的小水珠在等离子激发板中进行第二次电离，形成完整的高能等离子水雾射流技术。在激发循环净化结构中，通过“初次激发 - 空气电离”和“二次激发 - 水雾电离”，实现水箱内部自净化、环境加湿、物表消毒和空气净化多重功效。

图4.1.1 内部构造

4.2独特的出风口设计

与市面常规产品加湿器出口直上不同的是，我们采用了斜对向出风口的设计，能够为室内空间提供更加有效的空气流通和净化。斜对向出风口可以形成更加有序的空气对流，使洁净的空气能够在房间内更均匀分布。还可以增加室内空气流动循环的速度，进而提高整体的净化效率，尤其适用于通风不佳或格局复杂的房间。

此外，这种设计也考虑到了现实生活空间的多样性，能够针对不同的房间布局提供适宜的净化效果。

4.3室内空气净化设计

4.3.1基于短距离通讯技术的数据收集

利用蓝牙无线传输技术将传感器监测的室内实时湿度、空气状况数据实时传输至本产品，使用户能够准确地掌握室内空气数据。

图4.3.1 空气数据检测装置

4.3.2自我反馈调节设计

可以实时检测室内环境的空气状况，通过自动的反馈实时的空气状况，来与设定的湿度和空气状况进行比较。高出设计值会自动反馈调低，低于设定值会自动反馈调高。

图4.3.2反馈调节流程图

4.3.3智慧家接口

这款产品自主设计了 APP，可以对空气净化器的开关和模式进行远程在线控制，也可以对室内实时湿度、空气状况等数据进行远程实时检测， 实现智能物联，使这款产品的工作效率大大提高。

图4.3.3 APP页面图

结论

沐霭净室产品采用了等离子体活性水雾激发技术、等离子体活化水活性保持技术以及多次激发循环净化的结构。能有效实现对产品自身内部结构进行消毒清洁和对室内空气的净化和湿度保持。另外本产品创新地使用了具有活性小分子的等离子激化水雾，能够大大地提高产品的净化效率和清洁能力。本产品还能够在加湿的同时实现空气净化，具有多种功能，可以实现一物多用，将在市场上展现出强大的竞争力。

参考文献

[1]戴锦鹏,曲云霞.相对湿度对空气净化器颗粒物衰减速率的影响[J].节能,2023,42(09):43-46.

[2]杨秀峰,夏利梅,周雪涵.空气净化器性能的实测与分析[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版,2019,51(5):757-762

[3]沈瑾,王佳奇,张茜等.低温等离子体活化水消毒相关性能研究[J].中国消毒学杂志,2017,34(04):300-302.

[4]谢焕雄,胡志超,吴惠昌等.低温等离子体活化水发生设备及其应用效果试验[J].农业工程学报,2021,37(16):260-269.

[5]唐林,王松,郭柯宇等.低温等离子体活化水在食品杀菌保鲜中的应用[J].中国食品学报,2021,21(12):347-357.