智能微型消毒仓杀菌原理与设计

摘 要：针对高校女生炎症高发病及流行问题，设计了适合集体宿舍环境个人使用的折叠式智能微型消毒仓。采用紫外线和臭氧双能杀菌，精巧设计了紫外线和臭氧杀菌优势互补和能量增强及传递转换结构。运用体积识别和质量识别自动控制消毒能量和消毒时间，能杀灭女生内裤、卫生纸巾99.999%的病毒和细菌。

关键词：折叠消毒仓；智能控制；紫外线臭氧双能杀菌

中图分类号：TM923 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）04-0039-02

Abstract： In order to solve the problem of high incidence of inflammation and prevalence among female students in colleges and universities， a foldable intelligent miniature disinfection bin suitable for individual use in dormitory environment was designed. Ultraviolet and ozone are used to sterilize bacteria. The advantages of ultraviolet and ozone sterilization are complementary to each other， and the energy is enhanced and the transfer structure is transferred. The use of volume recognition and quality identification to automatically control disinfection energy and disinfection time can kill 99.999% of viruses and bacteria in girls" underwear and sanitary napkins.

Keywords： foldable disinfection bin； intelligent control； ultraviolet and ozone dual sterilization

近年来，我国女性炎症发病呈现整体上升和平均年龄下降趋势。抽样调查显示女大学生罹患女性炎症高达80%，其中一年内发生5次以上的达到34%。对集体宿舍女生贴身衣物经常消毒是防止女性炎症发生和阻断流行并保障女生健康的有效措施。微型智能消毒仓即针对这一社会问题设计。设计目标为，可折叠收纳、微型、高效灭菌消毒、智能控制、无残留、低温安全。高效灭菌消毒采用密闭空间高强度紫外线和高浓度臭氧双维消毒结构，智能控制采用传感识别自动控制结构，采用新材料、新结构实现打开消毒折叠方便收纳、携带。

1 密闭空间高强度紫外线消毒原理

太阳光里波长在200～380nm之间的叫做紫外线，紫外线通常分为三个区域：315～380nm为UVA紫外线，280～315nm为UVB紫外线，200～280nm为UVC。实验证明，UVC紫外线具有杀菌作用。本世纪生物学研究成果表明，导致女性炎症的支原体、衣原体、链球菌等微生物的脱氧核糖核酸（DNA）对UVC紫外线有很强的吸收性，UVC紫外线传递的能量集中作用微生物DNA上，使得微生物核酸发生突变。一种情况是直接损害微生物细胞，抑制细胞的活性使微生物直接死亡；另一种情况阻止其复制、转录等一系列的繁殖活动。起到杀菌消毒的作用。精准光谱测试，UVC紫外线中对微生作用最强烈的是248nm-254nm之间的紫外线。

紫外线消毒的另一个效果指标是照射强度，照射强度及作用能量，足够能量才能造成微生物DNA损坏。紫外线照射后的细菌的残存率可以用下面的公式表示出来。

S=P/PO=e-Et/Q

S：细菌的残存率

PO：紫外线照射前细菌数量

P：紫外线照射后细菌数量

t：照射的时间（s）

Q：当细菌的残存率S在1e=36.8%时所需要的紫外光照射量。

下表为实验取得杀灭不同微生物所需UV照射剂量

紫外线杀菌的实质是光化学反应，符合一级反应动力学模型。根据已有的试验研究结果，照射强度在60000μJ/cm2对病毒杀灭率的可达99.999%。

2 密闭空间高浓度臭氧消毒原理

臭氧（O3）是具有3个氧原子的氧气（O2）的同素异形体。1840年德国C.F.舍拜恩在电解稀硫酸时发现该气体并命名为臭氧。研究表明，臭氧是广谱、高效、快速杀菌剂，它可迅速殺灭使人和动物致病的各种病菌、病毒及微生物，利用它的强氧化性，可以在较短时间内破坏细菌、病毒和其他微生物的生物结构，使之失去生存能力。

臭氧的杀菌机理在于它的强氧化功能。臭氧可以直接氧化分解细菌内部葡萄糖所需的特殊酶，使细菌灭活死亡。导致女性炎症的主要微生物包括支原体、衣原体、细菌和阴道滴虫等。臭氧可以透过细胞膜组织侵入细胞内，对细胞外膜的脂蛋白和内部的脂多糖进行氧化分解，导致细胞器和DNA链断裂，使得致病的微生物发生通透性畸变而溶解死亡。臭氧灭菌为溶菌级杀菌，杀菌彻底，无残留，可杀灭细菌繁殖体和芽孢、病毒、真菌等，并可破坏肉毒杆菌毒素，还对霉菌也具有极强的杀灭作用。

本消毒仓密闭空间设计为12.25dm3，采用高频放电生成臭氧和紫外线击碎氧原子合成臭氧双重方式，可以很短时间内实现3-4ppm臭氧高浓度小环境，迅速弥漫到整个灭菌空间，渗透到消毒纺织物内层。由于氧化分解微生物的作用时间很短，灭菌消毒时间取决于臭氧渗透入纺织物深层的时间和臭氧原子活动与微生物结合几率时间。经测试，臭氧浓度3ppm，作用时间20分钟，细菌杀灭率为99.9%。

安全性，密闭空间打开后，臭氧会溢出大环境，对于10m2以上的房间，臭氧溢出混合后正好处于空气清新阀值0.02ppm以下。具有残余正向综合效益。附着在纺织物上的臭氧可以自动还原为氧原子，不存在任何有毒残留。

3 双能结合杀菌消毒原理

紫外线和臭氧杀菌的共同问题是对人的影响：紫外线照射强度过低杀菌效果微弱，紫外线照射强度过高会对人体皮肤造成伤害；臭氧浓度在0.01-0.02PPm时会给人空气清新的感觉，却几乎没有杀菌效果，当臭氧浓度达到0.15ppm时会感受到臭味并对呼吸道产生刺激，理想杀菌的臭氧浓度应该在1.5ppm以上，如果人在这个环境里会对人造成功能性损害。本设计巧妙地解决了这个两难问题：设计了一个12.25dm3活动的相对密闭的微型消毒仓，在这个密闭小空间里生成超强照度的紫外线和超高浓度的臭氧形成强力高效的杀菌消毒环境，就在人的身边，却对人及其它小动物毫无影响。

本设计很巧妙地结合了化学能和光能杀菌优势。紫外线杀菌的缺陷是存在光线照射不到的死角，虽然仓内采用了全漫反射涂层消除了表层死角，我们的消毒标的主要是纺织物，松软纺织物内层将存在大量死角，而且是细菌病毒的好场所。弥漫在消毒仓内超高浓度臭氧可以渗透到纺织物内层，杀灭内层微生物。

在能量传递转换组合上，巧妙地设计了能量增强、转换结构。消毒仓内壁为全漫反射涂层，紫外线在仓内形成全漫反射，在消毒标的物表面形成多维照度叠加，增强照度强度。根据朗伯定律10W石英发光管即可以在消毒仓内形成大于60000μJ/cm2照射强度，杀灭照射面99.99%的微生物。同时，60000μJ/cm2的紫外线能量会将空气中的氧分子击碎成氧原子，受能的氧原子会组合成臭氧（O3），增加仓内臭氧浓度。

消毒仓内臭氧依靠紫外光能转换无法达到3ppm的设计目标，单独增加了高频电离生成臭氧装置。可以在3分钟内将消毒仓内臭氧浓度提高到3ppm。

4 传感识别自动控制及折叠结构设计

本微型消毒仓采用传感识别自动控制结构。根据待消毒物品的质地和大小自动控制紫外线发射功率、臭氧发生器放电时间和频率及消毒时间。传感器采用图像传感器和压力传感双信息采集。图像传感器识别消毒物品的大小，压力传感器识别消毒物品的重量。体积信息和重量信息可以计算出消毒物品的质地。将消毒物品大小和重量换算成紫外线强度控制、臭氧浓度控制和消毒时间控制。实现高效精准杀菌消毒。也可以手动控制紫外线强度、臭氧浓度和消毒时间。组合设计，一键控制，操作简单。

采用折叠、撑开结构，折合即成一本16开的书，便于收纳和出行携带。打开即成一个微型消毒仓。消毒仓由底座盒子、内撑金属骨架和内反光布罩组成。石英紫外线光管、臭氧发生器、可折叠金属骨架、开关及控制器均安装在底座盒子里。内带反光涂层且不透光的布罩下端连着底座盒子，顶部有可打开的布罩盖子。外观结构如图1：

该智能微型消毒仓专门为集体宿舍女生和出差女性设计，女性可以很方便地将内裤和纸巾放置在仓内消毒，消毒一次可以使用一周。消毒仓对细菌、病毒等微生物杀灭率在99.99%水平，可以使得女性敏感部位衣物绝对处于无菌状态。阻断女性炎症传播，提高女大学生健康水平。持外，本消毒仓也可以用于儿童手绢、婴儿内衣消毒，还可以用于即食水果消毒等。适用人群基数大两亿人，具有良好的市场前景。

参考文献：

[1]丁有生.高强度低压汞齐紫外线灯特性探讨[J].灯与照明，2014（4）：53-56.

[2]唐玲.基于CFD的紫外消毒模型的开发[D].哈尔滨：哈尔滨工业大學，2008.

[3]GB1987-2005.紫外线消毒设计规范[S].

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