基于介質(zhì)阻擋放電的大氣壓等離子體發(fā)生裝置制造方法
【專利摘要】一種基于介質(zhì)阻擋放電的大氣壓等離子體發(fā)生裝置，其主放電單元包括上、下平板電極（1）、平板介質(zhì)阻擋層（4）和平板介質(zhì)阻擋層之間形成的氣隙。平板電極（1）位于等離子體發(fā)生裝置的上下兩端，兩塊平板介質(zhì)阻擋層（4）位于上、下平板電極（1）之間，分別與上、下平板電極（1）緊密相貼。兩塊平板介質(zhì)阻擋層（4）之間由絕緣支撐體（5）支撐，兩塊平板介質(zhì)阻擋層（4）之間的氣隙空間為主放電區(qū)域，輔助放電單元位于主放電區(qū)域中。輔助放電單元包括4～12根同軸電極（3），同軸電極（3）為絕緣層包裹銅芯的同軸結(jié)構(gòu)。同軸電極（3）平行等距地布置在上、下兩塊平板介質(zhì)阻擋層（4）之間，同軸電極（3）與兩平板介質(zhì)阻擋層（4）緊密相接。
【專利說明】基于介質(zhì)阻擋放電的大氣壓等離子體發(fā)生裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于介質(zhì)阻擋放電，并提高等離子體產(chǎn)生效率的大氣壓低溫等離子體發(fā)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，低溫等離子體在廢氣廢水處理、生物醫(yī)學(xué)、高分子材料表面改性和點火助燃等領(lǐng)域需求廣泛。氣體放電是產(chǎn)生等離子體的有效方式之一，常見的氣體放電形式主要有輝光放電、電暈放電和介質(zhì)阻擋放電等。其中介質(zhì)阻擋放電是一種有絕緣介質(zhì)插入放電空間的氣體放電形式，貫穿兩電極的放電通道被氣隙中的絕緣介質(zhì)阻擋，從而在通道中產(chǎn)生大面積、高能量密度的低溫等離子體。由于其對氣壓條件要求較低，能夠在常溫大氣壓條件下產(chǎn)生大面積、高能量密度的低溫非平衡等離子體，且無需真空設(shè)備，自20世紀80年代末以來受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體效率是應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)，提高低溫等離子體的產(chǎn)生效率對實際應(yīng)用具有直接的影響。通常說來，具有較高等離子產(chǎn)生效率的介質(zhì)阻擋放電可提高實際應(yīng)用中等離子體的物理化學(xué)反應(yīng)效率。雖然實驗室研究中可以通過一些手段提高等離子體的物理化學(xué)反應(yīng)效率，但這些方法主要針對實驗室研究中面積較小的介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)。因此，提高有效放電面積，增加等離子體產(chǎn)生效率無疑具有更為廣闊的應(yīng)用前景。此外，介質(zhì)阻擋放電發(fā)生器在實際應(yīng)用中會發(fā)熱，一定程度上消耗了部分電源的能量，減少了用于產(chǎn)生低溫等離子體的介質(zhì)阻擋放電的能量供給，也會降低等離子體產(chǎn)生效率。因此，有必要優(yōu)化介質(zhì)阻擋放電等離子體發(fā)生器的設(shè)計，提高等離子體產(chǎn)生效率。
[0003]目前用于提高放電等離子體產(chǎn)生效率的主要方法包括:采用氣流(如專利CN201830541U的“組合式介質(zhì)阻擋放電等離子體反應(yīng)裝置”，將等離子體發(fā)生器、氣體分配系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)組合的方式，提高裝置的一體化水平)，輔助電離(如專利CN201752624U的“一種磁場強化介質(zhì)阻擋放電等離子體協(xié)同空氣處理裝置”，利用感應(yīng)線圈對介質(zhì)阻擋放電等離子體區(qū)域內(nèi)帶電粒子作用，提高等離子體處理能量利用效率)，預(yù)電離(如專利CN102448239A的“介質(zhì)阻擋放電增強型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置”采用在進氣端口與主放電電極的位置之間設(shè)置對工作氣體進行預(yù)電離的平板電極，減小了起始放電電壓，降低了能量損耗從而延長了主放電電極和限流電阻的使用壽命)。
[0004]總之，如何有效的提高單位體積內(nèi)等離子體產(chǎn)生效率，降低成本是實際應(yīng)用必須解決的一個問題。目前的專利雖然在等離子體產(chǎn)生效率上有所提高，但其發(fā)生裝置復(fù)雜，不能在保證發(fā)生裝置簡單的同時提高等離子體的產(chǎn)生效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)生等離子體效率較低，電極發(fā)熱消耗較多電壓功率的缺點，提出一種基于介質(zhì)阻擋放電的等離子體發(fā)生裝置。相比于其它大氣壓等離子體產(chǎn)生裝置，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，不需要真空系統(tǒng)就可以產(chǎn)生大氣壓低溫等離子體等特點，且由于采用了組合式放電電極結(jié)構(gòu)，有效地增加了單位體積內(nèi)等離子體的產(chǎn)生效率。此外，由于一般的介質(zhì)阻擋放電單元常采用平板式電極結(jié)構(gòu)，這些電極存在放電區(qū)域小，電極發(fā)熱嚴重，能量利用率較低等缺點，若采用多組電源產(chǎn)生大面積放電時，電源之間對控制的要求高也較高。本發(fā)明可以加強反應(yīng)器氣隙的預(yù)電離，提高放電強度，減小電極發(fā)熱，提高能量利用率，可應(yīng)用于臭氧發(fā)生器、廢棄物處理等。
[0006]本發(fā)明等離子體發(fā)生裝置包括主放電單元和輔助放電單元。
[0007]所述的主放電單元包括上、下平板電極、兩塊平板介質(zhì)阻擋層以及平板介質(zhì)阻擋層之間形成的氣隙。兩塊平板介質(zhì)阻擋層分別與平板電極緊密貼合。所述的平板電極位于等離子體發(fā)生裝置的上下兩端，兩塊平板介質(zhì)阻擋層位于上、下平板電極之間，分別與上、下平板電極緊密相貼。兩塊平板介質(zhì)阻擋層之間由絕緣體支撐，形成氣隙。兩塊平板介質(zhì)阻擋層之間氣隙空間形成主放電區(qū)域，氣隙距離以能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的介質(zhì)阻擋放電為宜，氣隙距離的范圍為3?8mm。
[0008]所述的輔助放電單元位于主放電區(qū)域中，輔助放電單元包括4?12根同軸電極，該電極采用絕緣層包裹銅芯的同軸結(jié)構(gòu)，同軸電極的直徑與主放電單元氣隙大小相等，同軸電極平行等距地布置在上、下兩塊平板介質(zhì)阻擋層之間，同軸電極與兩平板介質(zhì)阻擋層緊密相貼。
[0009]主放電單元和輔助放電單元分別采用兩臺獨立的驅(qū)動電源供電，其中一臺驅(qū)動電源的輸入端與市電相連，此驅(qū)動電源的兩個輸出端分別與主放電單元的平板電極相連。另一臺驅(qū)動電源的輸入端與市電相連，此驅(qū)動電源的兩個輸出端分別引出若干分支導(dǎo)線，其中一輸出端引出分支與輔助放電單兀中第1，3, 5等奇數(shù)根的同軸電極的銅芯相連,另一輸出端引出分支與輔助放電單元中第2，4，6等偶數(shù)位置的同軸電極的銅芯相連。所采用的驅(qū)動電源可以分別為高壓交流電源或高壓脈沖電源。
[0010]此外，為了避免平板電極發(fā)熱嚴重，損壞平板介質(zhì)阻擋層材料，主放電單元的平板電極邊緣設(shè)有水循環(huán)導(dǎo)管，水循環(huán)導(dǎo)管與平板電極的邊緣連接，用于通入循環(huán)冷卻水。水循環(huán)導(dǎo)管上設(shè)有兩個引出端，這兩個引出端分別與水泵的輸出端和水箱的輸入端相連。水箱的輸出端與水泵的輸入端相連。共同構(gòu)成水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，為平板電極散熱。
[0011]所述主放電單元的上下平板電極選用金屬材料，可以為銅、鋁或不銹鋼等。平板電極為正方體，邊長為50mm,厚度為0.5mm。平板介質(zhì)阻擋層采用絕緣材料,如有機玻璃、環(huán)氧、硅橡膠或聚四氟乙烯等，同樣為正方體，邊長為54mm，平板介質(zhì)阻擋層厚度為1mm。上、下平板介質(zhì)阻擋層之間氣隙為5_。主放電單元兩側(cè)絕緣支撐體的材料可以為環(huán)氧、聚四氟乙烯、陶瓷、有機玻璃或尼龍等。輔助放電單元中的同軸電極用直徑為Imm的銅導(dǎo)線制成，銅導(dǎo)線外包裹厚度為2_的絕緣層，絕緣層的材料可選用環(huán)氧、硅橡膠或聚四氟乙烯絕緣介質(zhì)。相鄰的輔助電極中心間距根據(jù)輔助電極數(shù)量確定，兩相鄰銅芯電極之間距離最小為4_，輔助電極的數(shù)量可根據(jù)需要配置在4?12根，建議使用時設(shè)置為6根，由平板電極中心位置等比例向兩側(cè)排列。在電極未密封的一側(cè)用空氣壓縮機吹入空氣，增加氣體的流動性，提高等離子體的均勻性和避免因等離子產(chǎn)生不均造成的火花放電。建議使用時主放電單元采用高壓交流電源驅(qū)動，輔助放電單元采用脈沖電源驅(qū)動。驅(qū)動電源的極性，幅值和頻率可調(diào)，便于選取合適的放電參數(shù)，得到產(chǎn)生等離子體的最優(yōu)條件。
[0012]與現(xiàn)有的等離子體發(fā)生裝置相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:[0013](I)等離子體產(chǎn)生效率高。由于采用雙電極結(jié)構(gòu)，主放電單元(平板型介質(zhì)阻擋放電)和輔助放電單元(同軸型介質(zhì)阻擋放電)均會產(chǎn)生放電。輔助放電單元預(yù)電離主放電單元的氣隙，使放電間隙之間的等離子濃度增大，再利用空氣壓縮機將等離子吹出，獲得均勻的放電。連續(xù)循環(huán)，等離子產(chǎn)生的效率得到很大提高。
[0014](2)采取了水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，有利于主放電單元中平板電極的散熱；采用空氣壓縮機吹出，有利于輔助放電單元的散熱。兩部分散熱降低了電極消耗的能量，增加了放電單元的使用壽命。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意；
[0016]圖2是本發(fā)明裝置的三維視圖；
[0017]其中，I平板電極，2平板介質(zhì)阻擋層，3同軸電極，4同軸介質(zhì)阻擋層，5絕緣支撐體，6主放電單元驅(qū)動電源，7輔助放電單元驅(qū)動電源，8水循環(huán)導(dǎo)管，9水泵，10水箱，11空氣壓縮機。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，對應(yīng)的三維視圖如圖2所示。本發(fā)明基于介質(zhì)阻擋放電的等離子體發(fā)生裝置包括主放電單元和輔助放電單元。
[0019]所述的主放電單元包括上、下平板電極1、兩塊平板介質(zhì)阻擋層4以及平板介質(zhì)阻擋層之間形成的氣隙。兩塊平板介質(zhì)阻擋層4分別與上、下兩個平板電極I緊密貼合。所述的平板電極I位于等離子體發(fā)生裝置的上下兩端，兩塊平板介質(zhì)阻擋層4位于上、下平板電極I之間，分別與上、下平板電極I緊密相貼。兩塊平板介質(zhì)阻擋層之間由絕緣支撐體5支撐，形成氣隙。兩塊平板介質(zhì)阻擋層4之間氣隙空間形成主放電區(qū)域。
[0020]所述的輔助放電單元位于主放電區(qū)域中。輔助放電單元包括4?12根同軸電極3，該電極采用絕緣層包裹銅芯的同軸結(jié)構(gòu)，同軸電極3的直徑與主放電單元的氣隙大小相等，同軸電極3平行等距地布置在上、下兩塊平板介質(zhì)阻擋層4之間，同軸電極3與兩平板介質(zhì)阻擋層4緊密相貼。同軸電極3外包裹有同軸介質(zhì)阻擋層2，同軸介質(zhì)阻擋層2與兩平板介質(zhì)阻擋層4緊密相貼。
[0021]主放電單元驅(qū)動電源6的兩個輸出端分別接上平板電極和下平板電極，用于施加主驅(qū)動脈沖電壓。輔助放電單元驅(qū)動電源7的兩個輸出端分別引出若干分支導(dǎo)線，其中一輸出端引出分支與輔助放電單兀中第1，3, 5奇數(shù)的同軸電極3的銅芯相連,另一輸出端引出分支與輔助放電單元中第2，4，6偶數(shù)位置的同軸電極3的銅芯相連。上平板電極和下平板電極四周的邊緣均固定有用于散熱的水循環(huán)導(dǎo)管8，水循環(huán)導(dǎo)管8的引出端12與水泵9的輸入端相連，水泵9的輸出端與水箱10的進水口相連，水箱10的出水口與水循環(huán)導(dǎo)管8的引出端13相連，整體形成水循環(huán)散熱系統(tǒng)?？諝鈮嚎s機11出氣口接主放電單元一側(cè)，用于吹入空氣，輔助產(chǎn)生均勻等離子體，防止火花放電產(chǎn)生。
[0022]兩塊平板介質(zhì)阻擋層4之間的放電氣隙為5_，同軸電極3的數(shù)量為4?12根，接入同軸電極的數(shù)量應(yīng)為偶數(shù)與驅(qū)動電源的輸出端相對應(yīng)，相鄰電極之間的中心間距最小為4_。主放電單元驅(qū)動電源6給平板電極I供電，輔助放電單元驅(qū)動電源7給同軸電極3供電，且電壓的兩極分別配置在相鄰?fù)S電極上，交叉分布，例如第一根同軸電極與電源的高壓電極相連則第二根同軸電極與電源的負電極相連，第三根同軸電極與電源的高壓電極相連以此類推。氣體通入的方向與主放電產(chǎn)生電場方向垂直，從放電間隙的一側(cè)利用空氣壓縮機11吹入，當主放電單元驅(qū)動電源6和輔助放電單元驅(qū)動電源7分別給平板電極I與同軸電極3供電時，整個放電空間的氣體將會被電離，產(chǎn)生大量等離子體。此時空氣壓縮機11將產(chǎn)生的等離子體從另一側(cè)吹出，空氣壓縮機的氣體流速、驅(qū)動電源的極性、幅值和頻率可以調(diào)節(jié)。平板電極I起主要作用，承擔(dān)較高電壓。同軸電極起輔助作用。在放電時平板電極I會發(fā)熱，由水泵9向水循環(huán)導(dǎo)管8提供水循環(huán)經(jīng)水箱10冷卻，為平板電極I散熱，確保電極可長時間使用。
[0023]本發(fā)明的工作過程如下:運行前確定同軸電極的數(shù)量并組合好等離子體發(fā)生裝置。運行時，首先開啟循環(huán)水泵9，確保水循環(huán)導(dǎo)管8運行正常。接著開啟空氣壓縮機11，確保平板介質(zhì)阻擋層2間氣隙有氣流通過。然后啟動輔助放電單元驅(qū)動電源6，調(diào)節(jié)電源電壓至輔助放電等離子體產(chǎn)生，最后啟動主放電單元驅(qū)動電源7，調(diào)節(jié)電源電壓至主放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生等離子體。
[0024]本發(fā)明提供的基于介質(zhì)阻擋放電的等離子體發(fā)生裝置可用于高效率地產(chǎn)生大氣壓低溫等離子體。該發(fā)明可廣泛應(yīng)用于科研和企業(yè)等機構(gòu)，產(chǎn)生的大氣壓低溫等離子體可用于臭氧發(fā)生器和廢棄物處理。
【權(quán)利要求】
1.一種基于介質(zhì)阻擋放電的大氣壓等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，所述的等離子體發(fā)生裝置包括主放電單元和輔助放電單元；所述的主放電單元包括上、下平板電極(I)、兩塊平板介質(zhì)阻擋層(4)，以及平板介質(zhì)阻擋層之間形成的氣隙；所述的平板電極(I)位于所述等離子體發(fā)生裝置的上下兩端，兩塊平板介質(zhì)阻擋層(4)分別位于上、下平板電極(I)之間，分別與上、下平板電極(I)緊密相貼；兩塊平板介質(zhì)阻擋層(4)之間由絕緣支撐體(5)支撐，兩塊平板介質(zhì)阻擋層(4)之間形成氣隙，所述兩塊平板介質(zhì)阻擋層(4)之間的氣隙空間形成主放電區(qū)域；所述的輔助放電單元位于主放電區(qū)域中；輔助放電單元包括4?12根同軸電極(3)，同軸電極(3)采用絕緣層包裹銅芯的同軸結(jié)構(gòu)；同軸電極(3)平行等距地布置在上、下兩塊平板介質(zhì)阻擋層(4)之間，同軸電極(3)與兩平板介質(zhì)阻擋層(4)緊密相接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介質(zhì)阻擋放電的大氣壓等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，所述的同軸電極(3)的直徑與主放電單元的氣隙大小相等，同軸電極(3)外包裹有同軸介質(zhì)阻擋層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介質(zhì)阻擋放電的大氣壓等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，主放電單元驅(qū)動電源(6)的兩個輸出端分別接上平板電極和下平板電極，用于施加主驅(qū)動脈沖電壓；輔助放電單元驅(qū)動電源(7)的兩個輸出端分別引出若干分支導(dǎo)線，其中一輸出端引出分支與輔助放電單兀中第1，3, 5奇數(shù)的同軸電極(3)的銅芯相連,另一輸出端引出分支與輔助放電單元中第2，4，6偶數(shù)位置的同軸電極(3)的銅芯相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于介質(zhì)阻擋放電的大氣壓等離子體發(fā)生裝置，其特征在于，所述的上平板電極和下平板電極四周的邊緣均固定有用于散熱的水循環(huán)導(dǎo)管(8)，水循環(huán)導(dǎo)管(8)的引出端(12)與水泵(9)的輸入端相連，水泵(9)的輸出端與水箱(10)的進水口相連，水箱(10)的出水口與水循環(huán)導(dǎo)管(8)的引出端(13)相連，形成水循環(huán)散熱系統(tǒng)。
【文檔編號】H05H1/24GK103841741SQ201410090979
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月12日
【發(fā)明者】邵濤, 章程, 周中升, 楊文晉 申請人:中國科學(xué)院電工研究所