專利名稱：等離子體微反應器裝置、滅菌單元和分析器的制作方法
技術領域：
本申請涉及使用等離子體的微型(micro scale)化學反應的操作。具體地說，本發(fā)明涉及用于幾種應用的臭氧的產(chǎn)生，包括用于水的清潔和殺菌的大型(macro scale)應用，例如在污水處理應用中，和用于化學分析的另一種微型應用，以及其它應用。本發(fā)明在另一方面中還具體涉及由水產(chǎn)生氫和隨后與其副產(chǎn)物氧的分離。進一步概括的講，本方面涉及微型等離子體反應器的最優(yōu)化，借此可開發(fā)微型環(huán)境的某些優(yōu)勢，并且因此，除了在微型外，可實現(xiàn)某些產(chǎn)物的大型生產(chǎn)。
背景技術：
微型沒有具體限定，但此處使用的微型的意思是采用在1和1000微米之間的尺寸。微型在很多環(huán)境中是有用的，特別是在僅能夠允許使用很小量的反應物的分析領域中。等離子體是對其施加電場，將氣體分子解離成帶電離子的氣體。盡管等離子體眾所周知的特性，一旦離子與表面，例如在其中形成等離子體的容器的表面，或者電極板碰撞，它們將消失，但離子仍可被用于多種目的。因此，容器趨向于大的，并且通過盡可能大的距離分隔極板，以避免浪費因為離子消逝導致輸入用于產(chǎn)生離子的能量。這種大的距離具有極板需要施加的足夠的電壓以產(chǎn)生足夠的集中的電場形成需要的等離子體的必然效果。實際上，需要高電壓經(jīng)常是為什么在很多情形中不采用等離子體的原因。例如，通過等離子體產(chǎn)生臭氧，但使用該技術的生產(chǎn)成本導致它對于很多目的是不經(jīng)濟的，尤其是作為較低價值操作的污水處理和水殺菌。已知臭氧至少在兩種應用中是有用的。第一種應用是用于飲用水目的的水殺菌中。實際上，在很多國家臭氧是用于水殺菌的優(yōu)選物質(zhì)，但是在經(jīng)濟考慮優(yōu)先的UK不是。因此，在UK使用較便宜的氯化處理獲得飲用水。然而，如果可以得到成本效益的臭氧生產(chǎn)方法，那么使用臭氧殺菌可以實現(xiàn)改善水的口感。如果還可以實現(xiàn)用于將臭氧分散在水里的有效機械裝置，那么將尤其如此。第二種應用是在反應器中。采用臭氧破壞烴的不飽和碳-碳鍵。這將大分子拆成較小的分子?？赏ㄟ^其它的技術(例如質(zhì)譜法和色譜法)對所述較小的分子進行識別和定量，并且這是對原來的較大分子的潛在識別。還有很多臭氧的使用是經(jīng)濟的。例如，臭氧被應用于醫(yī)學消毒器和氣相大氣“吸塵器”領域(后者去除細菌、灰塵和塵螨)。這些應用使用能量密集型的大等離子體反應室。需要具有較少能量需求的產(chǎn)生臭氧的方法。在水處理領域，如果研發(fā)出臭氧產(chǎn)生的經(jīng)濟方法，那么還需要有用于將臭氧送進將要被處理的水中的有效的傳送方法。氫(氣)也是一種有用的氣體。它可通過蒸汽的等離子解離(plasmolysis)產(chǎn)生。 然而，例如，在其生產(chǎn)過程中采用的能量一定不能太高以至于后來在氫燃料電池中不能重新獲得好的比例。實際上，已經(jīng)很好地意識到利用太陽能或其它的“免費”資源產(chǎn)生的電力產(chǎn)生氫是一種“儲存”電量為以后使用的方式，例如，當需要能量但是太陽或風能暫時性減弱時。需要具有有效的用于氫的生產(chǎn)方法，以及將它與蒸汽的等離子解離的副產(chǎn)物氧(氣)分離開的簡單分離機械裝置。微等離子體反應器是已知的[1，2]。Agiral等人的[1]關于分解(X)2的反應器并且涉及將納米管和納米線結合作為電極。Lindner等人的[2]采用微等離子體作為重整烴的方法，特別是JP-8噴氣燃料，以產(chǎn)生用于固體氧化物燃料電池的氫氣。然而，這些論文都沒有實際討論建議的經(jīng)濟意義。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于產(chǎn)生臭氧的臭氧裝置，包括包括氧(氣)的第一氣體的供給源(supply)；電極，它們之間的間隙小于Imm ；引導氧(氣)從供給源(source)通過電極之間的間隙的管道；電源，在電極上施加電壓以解離氧氣并且形成包括臭氧的第二氣體；和將臭氧供應至出口的管道。優(yōu)選的，所述臭氧裝置形成用于水處理的殺菌單元的一部分并且還包括流體振蕩器(fluidic oscillator)以使所述第一和/或第二氣體的流體振蕩，并且其中所述出口包括被淹沒在所述水下并且用于形成臭氧微氣泡的多個口。根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供了一種用于產(chǎn)生氫氣的氫氣裝置，所述裝置包括包括蒸汽的第三氣體的供給源；電極，它們之間的間隙小于Imm ；引導蒸汽從供給源通過電極之間的間隙的管道；電源，在電極上施加電壓以解離蒸汽形成包括氧(氣)和氫(氣)的混合物的第四氣體；和將氫(氣)和氧(氣)供應至出口的管道。優(yōu)選的，所述氫氣裝置還包括流體振蕩器形式的分離單元以使所述第三和/或第四氣體的流體振蕩，并且其中所述出口包括被淹沒在水下并且用于形成所述氧(氣)和氫 (氣)的微氣泡的目的的多個口，因此所述水變得占優(yōu)地富含溶解的氫(氣)。例如，在W0-A-2008/053174中披露的結構，其內(nèi)容在此結合入本文作為參考，可結合本文所披露的臭氧和氫氣裝置被采用。因此，優(yōu)選的，情況可以是，在所述電極之間的通路之后，在第二或第四氣體流體中設置有流體分流器，分流器供應所述氣體的恒定流體并具有從接收所述供應的噴口開始的兩條分流通路，從而射流可流過任意通路，控制端口向各個通路打開，當流體流出所述端口時，其將所述流體分流到其他的通路。可替換的，情況可以是，在所述電極之間的通路之前，在第一或第三氣體流體中設置有流體分流器，分流器供應所述氣體的恒定流體并具有從接收所述供應的噴口開始的兩條分流通路，從而射流可流過任意通路，控制端口向各個通路打開，當流體流出所述端口時，其將所述流體分流到其他的通路。優(yōu)選的，在任意一種情形中，每個控制端口具有來自通路(該控制端口向該通路打開)的反饋回路，從而各個回路的流體振蕩。
優(yōu)選的，所述氧氣的供給源是空氣的供給源。優(yōu)選的，所述臭氧是臭氧和未轉(zhuǎn)化的氧氣以及在氧氣供給源中任何其它包含物的混合物。其中分流器在電極之前，優(yōu)選每個分流通路都具有與之相關聯(lián)的所述電極對，每個都將各個通路中的脈沖流轉(zhuǎn)化成等離子體。優(yōu)選的，各個分流通路被噴頭件截止，所述噴頭件包括具有中心開口的第一圓導體電極，分流通路向中心開口打開；開槽的輪緣；第二圓導體電極，與所述第一導體間隔并且由此限定圍繞所述開口并且被所述輪緣界定的腔，輪緣中的槽限定通道，氣體穿過所述腔通過通道離開腔。優(yōu)選地，所述輪緣限定在第一圓形絕緣蓋的邊緣上，第一導體設置在第一圓形絕緣蓋中，提供第二圓形絕緣蓋，在將所述第二導體設置在第二圓形絕緣蓋中，所述第二圓形絕緣蓋的邊頂靠所述輪緣以圓周封閉所述槽并且定義所述通道。水殺菌單元可包括一個或優(yōu)選至少兩個，并且最有可能更多個設置在水中一定深度的所述噴頭件使得腔中的氣體壓力任何時候都是足夠的以防止水進入腔，并且使得臭氧的微氣泡從所述通道的脈沖流涌出。氫(氣)水中的溶解性是氧(氣)的二十五倍。因此，在水中采用氧(氣)和氫 (氣)的混合物的微氣泡，其中氣泡中的氣體的溶解速率與氣泡直徑的平方有關，當它達到表面時，在氣泡中可產(chǎn)生約25 1的氧(氣)和氫(氣)的相對濃度。這表示氫(氣)在用于后面的提取和使用的水中的溶解是相對濃縮的。然而，在第三個方面中，本發(fā)明提供了一種用于通過將反應物氣體等離子解離成中間體離子并且接著所述離子反應產(chǎn)生所述產(chǎn)物氣體生產(chǎn)產(chǎn)物氣體的通用裝置，所述裝置包括所述反應物氣體的供給源；電極，它們之間的間隙在10和1000微米之間；第一管道，引導氣體從供給源通過電極之間的間隙；電源，在電極上施加電壓V將反應物氣體解離成包括中間體離子的等離子體；和第二管道，將由中間體離子的重組產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體供應至出口 ；其中所述中間體離子到所述產(chǎn)物氣體達到95%，優(yōu)選99%的平衡轉(zhuǎn)化的反應時間T少于離子團橫穿一個電極到另一個電極距離的雙極擴散時間Dt，雙極擴散時間Dt通過下面的關系估算Dt = d2/Da其中d是電極之間的空隙距離，或者電極區(qū)域中的管道，其中較小的一個，并且Da 是等離子體的雙極擴散率(ambipolar diffusivity)。雙極擴散率是好理解的等離子體的量，其值與以下表達式給出等離子體的幾個參數(shù)有關Da = Di(HTeZti)其中Di是離子的擴散率并且比例IVTi是電子與離子溫度的比例?；旧?，其是在中性場中離子的擴散速度，但乘以通過由等離子體的電子的運動產(chǎn)生的電場的結果產(chǎn)生的因子。優(yōu)選的，電壓V是其振蕩頻率f在10/T和1/(IOT)之間的交變電壓。
優(yōu)選的，頻率f在2/T和1Λ2Τ)之間。1/T的頻率明顯約等于使用激勵電壓脈沖的系統(tǒng)的反應周期。對于普通系統(tǒng)，交變電壓的頻率在10和1000Hz之間，通常約100Hz。本發(fā)明與臭氧和氫(氣)的生產(chǎn)有關的優(yōu)點是基于在氧離子之間反應形成臭氧 (和質(zhì)子形成氫(氣))的速度，遠快于氧離子和質(zhì)子與管道和/或電極的壁碰撞消逝的速率的實現(xiàn)。因此，除了電極彼此間的附近外，(或者如果管道在電極之間管道的壁)，臭氧或氫(氣)的產(chǎn)生，情形可能是很大程度不受影響。此外，假設微型的電極附近，很大程度地減少了提供足夠的合適解離氧(氣)或水的電場強度需要的電壓，意味著可避免產(chǎn)生和限制高功率電壓的花費。實際上，優(yōu)選的，裝置在大氣壓或在大氣壓附近工作，這可能也在電極附近呈現(xiàn)。 氣體解離的最小電壓是(Pd)的函數(shù)是等離子體的公知特性，其中P是壓力并且d是電極之間的間隔。在等離子解離的研究中，這種關系被稱為帕邢曲線(Paschen curve) 0然而，一般，電極板被間隔幾十厘米左右，以將電壓限制在可控制的水平，在幾千伏特的量級，等離子解離中的采用的壓力為接近真空。除了其它的，這嚴重限制了活性物質(zhì)存在的數(shù)量，限制該系統(tǒng)的產(chǎn)量，盡管它確實提供了關于要電離的分子的必要的電子密度。然而，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在此處定義的環(huán)境中，不需要接近真空的壓力條件，也不需要大的電壓。因此可避免等離子解離的兩個重要的成本因素，即，一方面對于真空產(chǎn)生裝置的需要，另一方面對于高電壓產(chǎn)生裝置的需要。除了前者的成本，它的免除還導致在電極之間出現(xiàn)更大濃度的反應物氣體。此外， 關于后者，避免高電壓具有減少功率消耗的效果，從而實現(xiàn)工藝能量成本效益。因為借助于電極的小隔離并且即使在相對低的電壓可相對增加電場的強度，簡單地保持必要的電子密度。本發(fā)明建議可將用于臭氧產(chǎn)生的功率消耗盡可能消減至十分之一。實際上，170V 的電容-電感放電足夠保持工作在60Hz的臭氧供給等離子體的穩(wěn)定發(fā)光。因此其中很多經(jīng)濟上目前為止還不可行的很多用于日用化學處理的臭氧應用(臭氧作為有力的氧化劑)， 可從此變得經(jīng)濟可行。優(yōu)選的，電壓在100和1000V之間。更優(yōu)選的，其在150和450V之間。因此，與大的等離子解離腔不同，本發(fā)明提出了微型等離子解離腔，至少用于以足夠的快速發(fā)生的反應以避免與電極或容器壁相撞導致的離子消逝有關的問題。此外，除了在微型操作，本發(fā)明提出放大的裝置使得產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體的體積可以是相當數(shù)量的。因此，在水處理中，使用根據(jù)本發(fā)明的裝置生產(chǎn)的臭氧基本足夠滿足一般人群對水殺菌的需要。在產(chǎn)生氫(氣)的情形中，可使用根據(jù)本發(fā)明的放大的等離子解離裝置產(chǎn)生足夠的氫(氣)以“存儲”例如可由風輪機、太陽能發(fā)電機、波浪發(fā)電機等產(chǎn)生的電力，和當它們比在發(fā)電時存在的當時需要產(chǎn)生更多的電力時。更一般的講，在另一方面中，本發(fā)明提供了用于產(chǎn)物氣體的產(chǎn)生和分離的氣體裝置，所述裝置包括可等離子化反應物氣體的供給源；電極，它們之間的間隙小于Imm ；第一管道，引導反應物氣體從供給源通過電極之間的間隙；電源，在電極上施加電壓將反應物氣體解離成中間體離子；
第二管道，將由中間體離子的重組產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體供應至出口，其中所述中間體離子到所述產(chǎn)物氣體達到95%、優(yōu)選99%的平衡轉(zhuǎn)化的反應時間T少于離子團橫穿一個電極到另一個電極距離的雙極擴散時間Dt，雙極擴散時間Dt通過下面的關系估算Dt = d2/Da其中d是電極之間的空隙距離，或者電極區(qū)域中的管道，其中較小的一個，并且Da 是等離子體的雙極擴散率；流體振蕩器，在所述第一和第二管道中的一個中，以使至少來自所述出口的產(chǎn)物氣體的流體振蕩；液體源，所述出口向液體源打開從而所述產(chǎn)物氣體的微氣泡形成于所述液體中； 其中所述產(chǎn)物氣體可溶于所述液體并且被設置成使得在所述氣泡到達所述液體的表面之前產(chǎn)物氣體的大部分被溶解在液體中。所述反應物氣體可以是氧(氣)或蒸汽，其中所述產(chǎn)物氣體分別是臭氧和氫 (氣)。在任意一種情形中，所述液體優(yōu)選是水。優(yōu)選的，驅(qū)動電路產(chǎn)生橫跨電極產(chǎn)生等離子體的電場，驅(qū)動電路包括第一級，提供在1至50伏特之間的可選擇DC電壓ν ；第二級，提供頻率f的時間信號；和 第三級，包括變壓器，通過在所述頻率f切換的開關被供應有所述可選擇電壓ν并且在所述電極上產(chǎn)生所述電壓V和頻率f的交變電壓。優(yōu)選的，電路還包括第四級，包括在所述第一、第二和第三級和所述電極之間的阻抗匹配網(wǎng)絡。所述阻抗匹配電路以選擇的電壓使得要傳送至電極的最大功率。優(yōu)選的，所述阻抗匹配電路是橫跨電極上的電容性/電感性/電阻性橋。優(yōu)選第一級由AC電源驅(qū)動并且包括降壓變壓器和提供電壓調(diào)節(jié)的整流橋，所述整流橋的輸出是所述可選擇電壓V。在另一個應用中，其中尺寸也是一個重要的因素，所述裝置包括分析器的部分，從而將要被分析的氣體的供應與通過該裝置產(chǎn)生的臭氧混合以分解包含不飽和碳-碳鍵的復雜有機分子并且定量檢測并且識別更簡單的碳分子和/或產(chǎn)生和消耗的臭氧的水平，以識別原始的復雜有機分子。可采用這種分析器檢測有毒氣體。目前氣體分析器被用于化工廠的安全性。本發(fā)明將復雜的有機分子添加至集成傳感器系統(tǒng)的可檢測分子的清單。幾乎任意分裂分子的等離子體傳感器已經(jīng)存在，但是光譜圖(來自光纖光譜的)可以是用于得到復雜有機分子的標記(signatures)/指紋的數(shù)據(jù)。然而，由于具有相同官能團的不同的重排的有機分子的范圍是巨大的，很多誤判的可能限制了應用。臭氧分解，另一方面通過它僅在特殊點的分裂分子的優(yōu)點提供了原始分子的更清楚的“痕跡(足跡，footprint)”。對于痕跡中的片段進行計數(shù)，接著提供不同的信息集合。當然，得到的更多的不同的信息集合導致更少的誤判， 誤判是目前的氣體檢測器/警報的主要問題。分析器可包括檢測由裝置產(chǎn)生的臭氧和剩下未反應的量的裝置。優(yōu)選的系統(tǒng)包括當檢測到特定特征的復雜分子時的報警器。這種分子可能包括爆炸物成分和/或非法材料的成分，例如藥物。


在下文中將參照附圖，以示例的形式進一步描述本發(fā)明的實施方式，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的水殺菌單元的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的分析器的示意圖；圖3是用于與圖1中所示的相似的殺菌單元中的噴頭件的圖。圖^、b，5a、b，6a、b和7a、b是圖3中的噴頭件的部件的各個平面和側(cè)面圖；圖8a是用于給圖1和2中所示的系統(tǒng)中的電極供電的阻抗匹配網(wǎng)絡的電路圖，并且圖8b是圖8a中的細節(jié)B;和圖9是烯烴的典型臭氧分解反應的示意圖。
具體實施例方式在圖1中，水殺菌單元10包括由位于水平面16以上的供給源14提供氣體的水下臭氧氣泡發(fā)生器12。泵18對氣體施加壓力，氣體可以是純氧(氣)或，優(yōu)選的，包括氧(氣) 的空氣。管道20將氧(氣)/含氧空氣引導至臭氧產(chǎn)生器12，其中在通過兩個電極M之間的腔觀之前進入三個端口 22中的任意一個。電極M被包括在單元12內(nèi)，單元12被密封以防止水的進入。下面將進一步描述的阻抗匹配網(wǎng)絡(impedance matching network) 26 從表面給電極M供電。氣體進入在電極M之間約大氣壓力的腔28并且在其中被電離產(chǎn)生等離子體。產(chǎn)生了具有臭氧吸收光譜的明顯的光亮，表示實際上等離子體的確將氣體供給源14中的氧氣轉(zhuǎn)化成了臭氧。在任何情形中，腔M的輸出都是氣體的供給并且它流出噴口 30，噴口 30是流體分流器32的供給端口。通過附壁效應(coanda affect)將流出噴口 30的氣體附于兩個壁 34中的一個上。然而，在附于任意一個壁的片刻流動后，分支36將流體的一部分反饋至一對控制端口 38中的相應一個。來自任意端口 38的流體分離其中該端口 38所退出的壁34 的流體，并且將該流體轉(zhuǎn)向(分流)至流向它接著緊靠附著的另一個壁34。因此，分流器32的每個出口 40處都有被引向氣泡發(fā)生器41的脈沖氣體流。出口 40每個都向氣泡發(fā)生器41中的分離的一系列開口 42供氣，通過大體積的充氣室(plenum chamber) 44保護以便氣泡46 —個接一個的離開開口 42。借助于脈沖流體，氣泡以壁其它的方式更小的體積脫離。如上所述，可在W0-A-2008/053174中找到本發(fā)明的氣泡發(fā)生器方面的更詳細的內(nèi)容。轉(zhuǎn)向圖2，分析器100包括氧(氣)或含氧氣體的供給源14’，由泵18以約大氣壓送進電極24’之間的腔觀’。通過阻抗匹配網(wǎng)絡26’給電極24’供電。包含臭氧的輸出與來自供給源60并且由泵68供給的待分析的氣體混合。通過管道70將混合物送到反應室 72并且然后到出口 74。在反應室72內(nèi)，通過探針76對反應混合物進行各種分析。分析的結果被送至處理器80，處理器80實時檢測、識別并且定量簡單碳分子并且將這些檢測到的這些的相對量與從特定的復雜分子得到的已知相對量比較，以便潛在的識別被包含在氣體樣品60內(nèi)的復雜分子。圖9示出了烯烴與臭氧的一系列典型反應并且潛在的結果與在最初的分子的R和R’基團的屬性有關。
探針76中的一個可包括從集成LED發(fā)出的橙色光(約600納米)和其檢測器。臭氧吸收這種光并且從而指示在反應室72內(nèi)未反應的剩余臭氧。這也是樣品60中的反應化合物的濃度的指示。實際上，第二臭氧檢測器探針76’可被設置在等離子體腔觀’的出口處以便獲知臭氧的輸入量。光纖光譜(fibre optic spectrometry)提供了定量由臭氧解離的目標分子的碎片的可靠方法，就像質(zhì)譜分析那樣。潛在的，碎片也可以通過離子遷移率色譜或氣相色譜在氣相中表征。光電探測器可被方便的嵌入便攜集成傳感器中，并且研究者已經(jīng)在Imperial College London[3,4]報道了微芯片上的氣相色譜。然而，尤其簡單的結構(未示出)采用用于臭氧產(chǎn)生的相同的氣體源14’，當它作為待分析的抽樣氣體時。例如，分析器100可被放置在機場安全區(qū)內(nèi)，或其它要監(jiān)視的區(qū)域。與爆炸物或其它非法材料(例如藥品等)有關的分子可從乘客或從他們的行李擴散到大氣中，并且可因此被檢測到。在這種情形中，處理器80注明由等離子體腔觀’產(chǎn)生的臭氧的平均基線量并且負責探針76檢測到與空氣樣品中的復雜分子發(fā)生反應導致的任何的改變。因此，分析器隨著時間自我校準。在前面所述的實施方式中，電極可以是約800微米間隔并且是約1厘米長。實際上，它們可以是定制微芯片的一部分并且通過在Iem長度的微通道的中心處的側(cè)壁上沉積銅來微制造。遮蔽防止在微通道表面的其它地方的沉積，特別是微通道底面。該構造是對荷蘭的MICR0NIT MICROFLUIDICS BV制造的標準基本MICR0NIT芯片的修改。轉(zhuǎn)向圖3，是用于臭氧產(chǎn)生器12的替換、優(yōu)選結構，其中電極M被構建在氣泡發(fā)生器41’中，為噴頭件(rose)的形式。此處，圓形蓋90由絕緣材料構造并且設置有開槽的輪緣92，其中有圍繞輪緣92的周邊設置的多個槽94。在輪緣92內(nèi)設置形成電極M’中的一個的薄環(huán)形盤狀導體96。第二圓形蓋100具有平輪緣102，但包含第二環(huán)形導體盤106。 蓋100設置有中心孔110以從流體分流器(未示出)的兩個分支40’中的一個接收脈沖氧氣或含氧空氣的供給。在使用中，蓋90、100彼此頂靠，開槽的輪緣92與平輪緣102鄰接，并且因此圈定多個向外的徑向通道94。齒93的高度限定槽/通道94的寬度并且使得導體96、106的間隔小于1毫米。導電連接(未示出)將匹配的阻抗網(wǎng)絡(未示出)連接至導體96、106使得在它們之間的間隔中產(chǎn)生等離子體。由于在電極96、106之間的等離子體腔觀限定的大的穩(wěn)壓室(plenum)，由槽94限定的每個通道后的壓力是相等的。這確保在噴頭件41’的周邊周圍氣泡產(chǎn)生是均勻的。如圖4a、4b、5ajb、6a、m3和7a、7b中所示，蓋子90、100具有約36毫米的外直徑， 輪緣具有30毫米的內(nèi)直徑。因此槽92產(chǎn)生的通道的長度是約3毫米。齒93的高度約是 0.8毫米，所以這代表電極96、106之間的間隔。實際上，蓋子100具有約0.2毫米深的淺坑 101，其與電極96、106的厚度相同。這些尺寸僅是示例性的并且不是為了限制本發(fā)明。在圖8中示出了合適的等離子體源200及其電路并且可拆解成三個主要級。第一級201是DC轉(zhuǎn)換級，其中主電源被轉(zhuǎn)換成DC。通過變壓器TXl將主電源203 從220VAC降至約18VAC，并且接著通過由重負載、通用1N4148功率二極管(Dl、D2、D3和D4)的陣列形成的全波橋式整流器205整流。通過大電容器Cl對來自橋式整流器的DC型脈沖串進行濾波并且通過它的“輸入(in)”引腳送至調(diào)壓器Ul (例如LM338T型)。大電容器的選擇得到了很好的整流低波紋電壓。調(diào)壓器的輸出通過被連接至調(diào)壓器Ul的“Adj” 引腳的4. 7ΚΩ電位器Rl從1. 2調(diào)節(jié)到^VDC(在其“輸出(Out) ”引腳)。隨著Rl電阻的增加輸出電壓增加并且，因此可控制等離子放電的電極間電壓，如下面進一步解釋的。將電容器C2設置在調(diào)壓器附近僅作為預防措施。它過濾出由雜散磁場導致的瞬態(tài)噪聲。電容器C4改善高頻率的瞬態(tài)響應。第二級207是振蕩器級，其中DC級201的輸出電壓通過電阻R3被送至12VDC調(diào)壓器U2(LM7812型)。電容器C5和C6被設置芯片U2附近，如制造商的數(shù)據(jù)手冊推薦的。調(diào)壓器U2提供給555定時器T (至其輸入(弓丨腳8))恒定的12VDC(與級200的輸出無關)。 根據(jù)在制造商的數(shù)據(jù)手冊中推薦的拓撲結構實現(xiàn)555定時器周圍的設置，并且計算對于約 30KHz和50%的占空比的電阻R4和R5和電容器C7的值。第三級209是放大級，其中定時器T的引腳3的信號輸出通過由電阻R6和R7形成的分壓器211分壓向切換電流到升壓變壓器TX2的功率MOSFET Ml (IRFZ34型號)提供柵極信號。當MOSFET Ml打開和關閉通過TX2的主線圈的電流時引起由變壓器的轉(zhuǎn)換比例以及來自級201輸出電壓規(guī)定的水平的次級線圈(secondary side)上的電壓，并且其被施加至電極板M。最后，來自源200的輸出信號通過電路213與等離子體反應器阻抗匹配，如圖8b 中更詳細的所示。圖8b包括電阻R1、電感L1和電容器C1并且該設置使電極M的阻抗與電路 200的阻抗匹配，從而實現(xiàn)最大的效率和能量轉(zhuǎn)化。輸出電壓可以從^VDC升高至1. 5KVAC， 頻率在1和1000赫茲之間振蕩，并且電流輸出約為10mA。電極對分開距離d，很明顯距離d與它們之間的場強有關，并且因此與等離子體的產(chǎn)生有關。然而，如果管道運輸反應物氣體并且在極板之間設置等離子體，如圖1和2中所示，那么在關系式Dt = d2/Da中使用的尺寸d不是電極之間的距離，而是管道的內(nèi)部尺寸。 其原因是離子將在管道壁上消失，所以到達向中間體離子到產(chǎn)物氣體的平衡轉(zhuǎn)換的反應時間T需要小于使用管道而不是電極的尺寸的由上面關系給出的雙極擴散時間Dt。Dt是離子團橫穿一個電極到另一個電極距離的雙極擴散時間。Da是等離子體的雙極擴散率。順便提一句，用于實踐目的，95%，或者優(yōu)選99%的平衡轉(zhuǎn)化被用作目標極限，由于100%的平衡是不可能達到的。在該說明書的描述和權利要求書中，詞語“包括”和“包含”及其變形，例如“含有” 和“包括”意思是“包括但不限制于”并且不希望(并且沒有)排出其它的部分、添加劑、部件、整體或步驟。在該說明書的描述和權利要求書中，單數(shù)包括復數(shù)除非上下文以其它方式要求。 具體的說，使用不定冠詞的地方，應當將說明理解為考慮復數(shù)和單數(shù)，除非上下文以其它方式要求?？梢岳斫饨Y合本發(fā)明的具體方面、實施方式或?qū)嵤├枋龅奶卣?、整體、特性、化合物、化學部分或基團能夠應用至此處披露的任何其它的方面、實施方式或?qū)嵤├?，除非之間不兼容。讀者的注意力被引向同時或先于該說明書提交的與該申請相關論文或文件并且與說明書對公共檢索公開，并且這些論文和文件的所有內(nèi)容結合在此作為參考。在該說明書(包括任何所附的權利要求、摘要和附圖)中披露的所有特征，和/或同樣披露的任何方法或工藝的所有步驟，可通過任何組合方式組合，除了這些特征和/或步驟中的至少一些是相互排斥的組合外。在該說明書(包括任何所附的權利要求、摘要和摘要附圖)中披露的各個特征可通過用于相同、等同或相似目的的可替換特征替代，除非以其它方式特別說明。因此，除非以其它方式特別說明，披露的各特征僅是一系列通用的等同或相似的特征的示例。本發(fā)明不限制于任何前面所述的實施方式的細節(jié)。本發(fā)明包可延伸至該說明書 (包括任何所附的權利要求、摘要和摘要附圖)中披露的特征的任何新穎的一種，或任何新穎的組合，或延伸至同樣披露的任何的方法或工藝的步驟的任何新穎性的一個步驟，或任何新穎的組合。參考文獻1. Anil Agiral,K. Seshan,Leon Lefferts,J. G. E. (Han)Gardeniers"Microplasma Reactors with Integrated Carbon Nanofibers and Tungsten Oxide Nanowires Electrodes" -The American Institute of Chemical Engineers, Topical 5 IMRET-10 IOth International Conference on Microreaction Technology, April 9,2008(Anil Agiral，K. Seshan, Leon Lefferts, J. G. E. (Han) Gardeniers, “帶有集成的碳納米纖維和氧化鎢納米電極的微等離子體反應器”，The American Institute of Chemical Engineers, 論題5，IMRET-10，第十屆微反應技術國際研討會，2008年4月9日)。2. Peter J. Lindner, Ronald S. Besser "Reforming of J. P. -8 in Microplasmas for Compact SOFC Power，，-The American Institute of Chemical Engineers, Topical 5 IMRET-10 :10th International Conference on Microreaction Technology,April 7, 2008 (Peter J. Lindner, Ronald S. Besser，“用于緊湊SOFC供電的使用微等離子體的JP-8 的改造”，The American Institute of Chemical Engineers，論題 5，IMRET-10，第十屆微反應技術國際研討會，2008年4月7日)。3. de Mello, A. J. , ^On-chip chromatography the last twenty years*，Lab on A Chip, 2002, Vol Pages :48N_54N，ISSN : 1473-0197. (de Mello，A. J，“關于芯片層析法的近二十年”，Lab on A Chip，2002，第 2 卷，頁碼:48N_54N，ISSN :1473-0197)。4. Leandro Lorenzellia, Antonella Benvenuto, Andrea Adamia，Vittorio Guarnieria， Benno Margesina， Viviana Mullonia， Donato Vincenzi, “ Development of a gas chromatography silicon-based microsystem in clinical diagnostics" Biosensors and Bioelectronics 20(2005)1968-1976。
權利要求
1.一種用于生產(chǎn)產(chǎn)物氣體的裝置，通過反應物氣體的等離子解離轉(zhuǎn)換成中間體離子并且接著進行所述離子反應以產(chǎn)生所述產(chǎn)物氣體，所述裝置包括所述反應物氣體的供給源； 電極，它們之間的間隙在10和1000微米之間； 第一管道，引導所述氣體從所述供給源通過所述電極之間的間隙； 電源，在所述電極上施加電壓V將所述反應物氣體解離成包括中間體離子的等離子體；和第二管道，將由中間體離子的重組產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體供應至出口 ；其中所述中間體離子到所述產(chǎn)物氣體達到95%、優(yōu)選99%的平衡轉(zhuǎn)化的反應時間T少于離子團橫穿一個電極到另一個電極距離的雙極擴散時間Dt，所述雙極擴散時間Dt通過下面的關系計算Dt = d2/Da其中d是所述電極之間的空隙距離，或者所述電極的區(qū)域中的管道，其中較小的一個， 并且Da是所述等離子體的雙極擴散率。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中，所述電壓V是其振蕩頻率f在10/T和1/(IOT) 之間的交變電壓。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其中，所述頻率f在2/T和1/(2T)之間，優(yōu)選約1/Τ。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的裝置，其中，所述頻率f在10和1000Hz之間，通常約 IOOHz。
5.根據(jù)權利要求1至4任一項所述的裝置，其中，在大氣壓或約大氣壓下運行。
6.根據(jù)權利要求1至5任一項所述的裝置，其中，采用在100和1000V之間的電壓。
7.根據(jù)權利要求6所述的裝置，其中，采用150和450V之間的電壓，優(yōu)選約170V，并且優(yōu)選通過電容-電感放電。
8.一種用于產(chǎn)物氣體的產(chǎn)生和分離的氣體裝置，包括 可等離子化的反應物氣體的供給源；電極，它們之間的間隙小于Imm ；第一管道，引導所述反應物氣體從所述供給源通過所述電極之間的間隙； 電源，在所述電極上施加電壓以將所述反應物氣體解離成中間體離子； 第二管道，將由中間體離子的重組產(chǎn)生的產(chǎn)物氣體供應至出口，其中所述中間體離子到所述產(chǎn)物氣體達到95%、優(yōu)選99%的平衡轉(zhuǎn)化的反應時間T少于離子團橫穿一個電極到另一個電極距離的雙極擴散時間Dt，所述雙極擴散時間Dt通過下面的關系計算Dt = d2/Da其中d是所述電極之間的空隙距離，或者所述電極的區(qū)域中的管道，其中較小的一個， 并且Da是所述等離子體的雙極擴散率；流體振蕩器，在所述第一和第二管道中的一個中，以使至少來自所述出口的產(chǎn)物氣體的流體振蕩；液體源，所述出口向所述液體源打開從而所述產(chǎn)物氣體的微氣泡在所述液體中形成； 其中所述產(chǎn)物氣體可溶于所述液體并且被設置成使得在所述氣泡到達所述液體的表面之前所述產(chǎn)物氣體的大部分溶解在所述液體中。
9.根據(jù)權利要求8所述的氣體裝置，其中，所述反應物氣體是氧氣或蒸汽，并且所述產(chǎn)物氣體分別是臭氧或氫氣。
10.根據(jù)權利要求8或9所述的氣體裝置，其中，所述液體優(yōu)選是水。
11.一種用于產(chǎn)生臭氧的臭氧裝置，包括包括氧氣的第一氣體的供給源；電極，它們之間的間隙小于Imm ；弓丨導所述氧氣從供給源通過所述電極之間的間隙的管道；電源，在所述電極上施加電壓以解離所述氧氣并且形成包括臭氧的第二氣體；和將所述臭氧供應至出口的管道。
12.根據(jù)權利要求11所述的裝置，其中，所述臭氧裝置形成用于水處理的殺菌單元的一部分并且還包括流體振蕩器以使所述第一和/或第二氣體的流體振蕩，并且其中所述出口包括被淹沒在所述水下并且用于形成臭氧微氣泡的多個口。
13.一種用于產(chǎn)生氫氣的氫氣裝置，所述裝置包括包括蒸汽的第三氣體的供給源；電極，它們之間的間隙小于Imm ；弓丨導所述蒸汽從所述供給源通過所述電極之間的間隙的管道；電源，在所述電極上施加電壓以解離所述蒸汽以形成包括氧氣和氫氣的混合物的第四氣體；和將氫氣和氧氣供應至出口的管道。
14.根據(jù)權利要求13所述的裝置，其中，所述氫氣裝置還包括流體振蕩器形式的分離單元以使所述第三和/或第四氣體的流體振蕩，并且其中所述出口包括被淹沒在水下并且用于形成所述氧氣和氫氣的微氣泡的多個口，從而所述水變得占優(yōu)地富含溶解的氫氣。
15.根據(jù)權利要求12或14所述的裝置，其中，在所述電極之間的通路之后在第二或第四氣體流體中設置有流體分流器，所述分流器被供應有所述氣體的恒定流體并具有從接收所述供應的噴口開始的兩條分流通路，從而射流可流過任意通路，控制端口向各個通路打開，當流體流出所述端口時，其將所述流體分流到其他的通路。
16.根據(jù)權利要求15所述的裝置，其中，各個分流通路都具有與之相連的所述電極對， 在各個通路中將脈沖流體各自轉(zhuǎn)換成等離子體。
17.根據(jù)權利要求15或16所述的裝置，其中，所述分流通路中的一個或多個被噴頭件截止，所述噴頭件包括具有中心開口的第一圓導體電極，所述分流通路向所述中心開口打開；開槽的輪緣；第二圓導體電極，與所述第一導體間隔并且由此限定圍繞所述開口并且被所述輪緣界定的腔，所述輪緣中的槽限定通道，氣體穿過所述腔通過所述通道離開所述腔，在所述通道中形成等離子體。
18.根據(jù)權利要求17所述的裝置，其中，所述輪緣限定在第一圓形絕緣蓋的邊緣上，所述第一導體設置在所述第一圓形絕緣蓋中，提供第二圓形絕緣蓋，所述第二導體設置在所述第二圓形絕緣蓋中，所述第二圓形絕緣蓋的邊緣頂靠所述輪緣以圓周封閉所述槽并且限定所述通道。
19.根據(jù)權利要求12或14所述的裝置，其中，所述電極之間的通路之前在第一或第三氣體流體中設置流體分流器，所述分流器被供應有所述氣體的恒定流體并具有從接收所述供應的噴口開始的兩條分流通路，從而射流可流過任意通路，控制端口向各個通路打開，當流體流出所述端口時，其將所述流體分流到其它的通路。
20.根據(jù)權利要求15至19的任一項中所述的裝置，其中，每個控制端口具有來自控制端口打開的通路的反饋回路，從而各個回路的流體振蕩。
21.根據(jù)權利要求11或從屬于權利要求11的權利要求12至20中的任一項所述的裝置，其中所述氧氣的供給源是空氣的供給源。
22.根據(jù)權利要求11或從屬于權利要求11的權利要求12至21中的任一項所述的裝置，其中，所述臭氧是臭氧和未轉(zhuǎn)化的氧氣、以及在氧氣供給源中的任何其它的包含物的混合物。
23.—種水殺菌單元，包括當從屬于權利要求11時的根據(jù)權利要求15、16或17所述的裝置，其中所述裝置的輸出被設置成通過待殺菌的水鼓泡。
24.根據(jù)權利要求23所述的水殺菌單元，當從屬于權利要求17時，所述單元包括設置在水中一定深度的多個所述噴頭件使得所述腔中的氣體壓力任何時候都是足夠的以防止水進入所述腔，并且使得臭氧的微氣泡從所述通道的脈沖流體涌出。
25.根據(jù)權利要求11至M任一項所述的裝置，還包括權利要求1至10中任一項所述的特征。
26.根據(jù)前面權利要求任一項所述的裝置，其中，驅(qū)動電路產(chǎn)生橫跨電極產(chǎn)生等離子體的電場，所述驅(qū)動電路包括第一級，提供在1至50伏特之間的可選擇DC電壓ν ；第二級，提供頻率的時間信號；和第三級，包括通過在所述頻率切換的開關供應有所述可選擇電壓ν的變壓器并且在所述電極上產(chǎn)生所述電壓V1和頻率的交變電壓。
27.根據(jù)權利要求沈所述的裝置，當從屬于權利要求1或2時，其中，所述電壓V1是電壓V。
28.根據(jù)權利要求2和沈或2和27所述的裝置，其中，所述頻率是頻率f。
29.根據(jù)權利要求沈、27或觀所述的裝置，其中，所述電路還包括第四級，包括在所述第一、第二和第三級和所述電極之間的阻抗匹配網(wǎng)絡。
30.根據(jù)權利要求四所述的裝置，所述阻抗匹配電路是橫跨所述電極上的電容性/電感性/電阻性橋。
31.根據(jù)權利要求沈至30任一項所述的裝置，其中，第一級是AC電源驅(qū)動并且包括降壓變壓器和提供電壓調(diào)節(jié)的整流橋，所述整流橋的輸出是所述可選擇電壓V。
32.一種分析器，包括根據(jù)權利要求1至12、15至22、25至30任一項所述的裝置，設置成用于產(chǎn)生臭氧；待分析的氣體的供應設置成與通過所述裝置產(chǎn)生的臭氧混合以將在氣體中并包含不飽和碳-碳鍵的復雜有機分子分解成更簡單的碳分子；監(jiān)測器，用于檢測、定量和識別所述更簡單的碳分子和/或產(chǎn)生和消耗的臭氧的水平，以識別原始的所述復雜有機分子。
33.根據(jù)權利要求32所述的分析器，其中，所述待分析的氣體是也構成所述氧氣的供給源的空氣。
34.根據(jù)權利要求32或33所述的分析器，還包括隨時監(jiān)測臭氧成分并且推斷在所述復雜有機分子不存在時所述裝置產(chǎn)生的臭氧的量的裝置。
35.根據(jù)權利要求32、33、或34所述的分析器，還包括當檢測到特定特征的復雜分子時的警報器。
36.根據(jù)權利要求35所述的分析器，其中，引發(fā)警報器的分子包括爆炸物成分和/或非法材料的成分，例如藥物。
37.參照附圖基本如前面所述的裝置、殺菌單元或分析器。
全文摘要
一種用于生產(chǎn)產(chǎn)物氣體(例如氫或臭氧)的裝置，包括反應物氣體(例如氧或蒸汽)的供給源(14)；一對電極(24)，它們之間的間隙小于1mm(28)；引導反應物氣體從供給源通過電極之間的間隙的管道；電源(26)，在電極上施加電壓以解離反應物氣體并且最終使得形成產(chǎn)物氣體；和將產(chǎn)物氣體供應至出口的管道(40)。用于水處理的殺菌單元采用這種裝置并且包括流體振蕩器以使氧和/或臭氧流體振蕩，并且其中所述出口包括被淹沒在所述水下并且用于形成臭氧微氣泡的多個口(42)。一種用于檢測例如在空氣中的大有機分子的分析器可采用臭氧發(fā)生器以將大分子分解成更簡單，更容易檢測和識別的分子。
文檔編號B01J19/00GK102341168SQ201080010546
公開日2012年2月1日 申請日期2010年1月6日 優(yōu)先權日2009年1月6日
發(fā)明者威廉·鮑爾·杰伊·齊默爾曼, 帕拉達 耶姆·溫貝托·洛扎諾 申請人:謝菲爾德大學