專利名稱：正高壓直流流光放電等離子體源裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電暈放電產(chǎn)生非熱等離子體領(lǐng)域，特別涉及正高壓直流流光放電等離子體源裝置的設(shè)計(jì)。
一般來(lái)說(shuō)，如

圖1所示，一個(gè)電暈放電等離子體源裝置包括一個(gè)高壓電源1，該高壓電源將電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)變成高壓直流或高壓交流或高壓脈沖等的電能形式；一個(gè)電暈放電反應(yīng)器2，通過(guò)由高壓電纜3從高壓電源傳遞來(lái)的高壓電能加在該反應(yīng)器的電極4上，在高壓電極和地電極5之間的空間產(chǎn)生電暈放電，處理流經(jīng)該放電區(qū)的氣體或置于該放電區(qū)的工件材料或構(gòu)成放電電極的材料；一個(gè)反應(yīng)器的金屬外殼6，該反應(yīng)器外殼用于固定起聯(lián)接電纜和高壓電極的絕緣子7，同反應(yīng)器地電極和一個(gè)接地裝置8相連起屏蔽放電引起的電磁波的作用；一個(gè)接地裝置8，該接地裝置起向大地泄放電流，防止地電位抬高，保護(hù)人身安全的作用。
電暈放電等離子體源的關(guān)鍵器件是高壓電源和反應(yīng)器，下面對(duì)高壓電源和反應(yīng)器作進(jìn)一步的說(shuō)明。
高壓電源按極性分正高壓電源和負(fù)高壓電源，按高壓輸出波形特性分直流，交流，和脈沖高壓等。高壓直流電源的一般原理如圖2所示，首先通過(guò)升壓變壓器9將電網(wǎng)電壓10升壓到所需高電壓，然后經(jīng)過(guò)硅橋12整流輸出直流高壓。脈沖高壓電源的一般原理如圖3示，首先由上述高壓直流電源16對(duì)儲(chǔ)能元件17儲(chǔ)能，通過(guò)脈沖開關(guān)的控制形成高壓脈沖電能并儲(chǔ)存在脈沖形成元件20上，最后由另一脈沖開關(guān)21導(dǎo)通經(jīng)傳輸線22將脈沖能量傳輸?shù)椒磻?yīng)器23。
如圖4A，4B和4C所示，電暈放電反應(yīng)器主要由針板式反應(yīng)器，線板式反應(yīng)器和線筒式反應(yīng)器各種。高壓電能就加在針或線電極27上，金屬板或金屬筒作為地電極28。針尖和線的尺寸為mm量級(jí)，針尖或線到板或筒的間距一般小于30cm。通過(guò)高壓強(qiáng)電場(chǎng)作用產(chǎn)生電子雪崩，電暈放電就發(fā)生在針或線對(duì)板或筒之間的空間29內(nèi)。
以下參考附圖詳細(xì)說(shuō)明目前電暈放電等離子體源的工作情況。
對(duì)于線筒式或線板式反應(yīng)器來(lái)說(shuō)，正高壓直流電暈放電區(qū)明顯小于負(fù)直流高壓電暈放電區(qū)，且負(fù)電暈放電更穩(wěn)定，所以廣泛應(yīng)用的是負(fù)直流電暈放電，電壓值一般在幾十kV以下。對(duì)于常規(guī)的工業(yè)電除塵和產(chǎn)生少量的負(fù)離子等應(yīng)用，負(fù)直流電暈放電已足夠強(qiáng)烈。
但是為了產(chǎn)生更強(qiáng)烈的非熱等離子體化學(xué)反應(yīng)用于收集超微細(xì)顆粒，去除有害化學(xué)物質(zhì)，或改變金屬或高分子材料表面特性等，直流負(fù)電暈放電已不能勝任，這就提出了脈沖電暈放電技術(shù)。
實(shí)際上，脈沖電暈放電機(jī)理屬于流光放電，在外強(qiáng)電場(chǎng)作用下正流光能在整個(gè)放電區(qū)內(nèi)發(fā)展，而負(fù)流光在高壓電極較近的區(qū)域內(nèi)很快衰減，且易導(dǎo)致火花放電，所以目前主要的應(yīng)用研究集中在正脈沖電暈放電。
正處于應(yīng)用研究階段的脈沖電暈放電技術(shù)顯示出直流電暈放電無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，但是由于脈沖成形和脈沖傳輸技術(shù)非常復(fù)雜，電源回路中各高壓器件特性直接影響高壓脈沖電暈放電特性，脈沖成形和脈沖傳輸過(guò)程中能耗較大(目前能達(dá)的電源效率約為70％)，還存在電源和反應(yīng)器匹配的問(wèn)題，另外各高壓元件受脈沖沖擊有壽命問(wèn)題(目前脈沖電容壽命僅達(dá)109～1010次)，所以該技術(shù)發(fā)展還未成熟，特別是在大功率和高脈沖電壓峰值的研究中有待新的突破(脈沖電壓峰值能達(dá)100～150kV的電源其最大輸出功率僅達(dá)幾十kW)。
如圖5所示，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)一種叫radical shower(自由基噴射器)的電暈放電等離子體源。radical shower起源于用電暈放電電離向處理氣體43添加的添加劑42，radical shower包括一個(gè)直流或直流疊加高頻交流的高壓電源35；一根附有金屬針38的中空金屬管37且各金屬針尖端帶空用于噴射添加氣體的高壓電極；其它組件類同上述圖4電暈放電裝置。一般來(lái)說(shuō)，相臨針與針的間距大于2cm，各針的長(zhǎng)度大于5mm，針到地極的距離大于5cm。該種放電方式電能損耗少，用于放電的能量利用率高，用于輔助其它方法對(duì)污染氣體的處理。但是不可排除以下不利應(yīng)用的因素因高壓電場(chǎng)作用針極上附著微細(xì)塵粒不易去掉，易引起針尖上的細(xì)空堵塞和針尖肥大，導(dǎo)致添加劑噴射不均勻和放電不均勻且減弱放電強(qiáng)度。
此外，如圖6所示，近年來(lái)還發(fā)展起來(lái)一種輝光放電方式，也就是用一個(gè)負(fù)直流高壓電源44和一個(gè)多針電極46對(duì)金屬板47為電極的反應(yīng)器，將負(fù)高壓加到多針電極上，在所述電極之間的空間49放電，對(duì)流經(jīng)的氣體50進(jìn)行處理。要求流經(jīng)氣流速度達(dá)幾十m/s甚至幾百m/s，以保證放電穩(wěn)定。由于該放電屬于輝光放電，其產(chǎn)生的高能電子能級(jí)(～lev)相對(duì)于流光放電產(chǎn)生的高能電子能級(jí)(5～10ev)低，給應(yīng)用帶來(lái)局限。
上述分析了各種電暈放電方式的技術(shù)情況，除直流負(fù)電暈放電已有較成熟的應(yīng)用外，其它各種放電方式的應(yīng)用還處于研究摸索階段。
因此，本實(shí)用新型的目的是提出一種新的電暈放電方式，在更小的空間內(nèi)得到強(qiáng)烈且穩(wěn)定的流光放電，提高用于流光放電的能量利用率。
本實(shí)用新型的另一目的是簡(jiǎn)化流光放電產(chǎn)生過(guò)程，包括利用簡(jiǎn)單的高壓電源和縮小反應(yīng)器尺寸，拓寬電暈放電的應(yīng)用范圍，減少該種等離子體源的制造成本。
下面的說(shuō)明將闡明本實(shí)用新型的附加特征和優(yōu)點(diǎn)，其中部分從說(shuō)明書中會(huì)明了，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)施例了解到。通過(guò)在文字說(shuō)明書和權(quán)利要求書以及附圖中具體指出的結(jié)構(gòu)，會(huì)認(rèn)識(shí)并達(dá)到本實(shí)用新型的目的和其他優(yōu)點(diǎn)。
如實(shí)施例所述和廣泛說(shuō)明的，為了達(dá)到這些和其他優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)本實(shí)用新型的目的，一電暈放電等離子體源是通過(guò)一個(gè)高壓電源向反應(yīng)器內(nèi)注入高壓電能，在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生電暈放電，處理流經(jīng)反應(yīng)器的氣體或?qū)Ψ磻?yīng)器內(nèi)放置的工件或作為反應(yīng)器電極的材料進(jìn)行材料改性，在這一電暈放電等離子體源中，具有如下的改進(jìn)以正直流高壓電源代替負(fù)直流高壓電源或脈沖高壓電源作為該等離子體源的電源，輸出高壓在幾kV到30kV之間；以金屬針陣列為反應(yīng)器的高壓電極且金屬平板或網(wǎng)為反應(yīng)器的地電極，各金屬針?lè)较蛞恢虑掖怪备皆谝唤饘贃鸥衿桨宓慕Y(jié)點(diǎn)上，各金屬針的長(zhǎng)度相等且大于5mm，金屬針針尖尺寸小于1mm，各金屬針之間的距離大于1cm，各金屬針針尖到金屬平板或網(wǎng)的間距在1到3cm之間；如以金屬網(wǎng)為地電極，氣流方向可垂直柵格平板，氣流經(jīng)柵格平板的孔穴進(jìn)入電暈放電區(qū)處理，并通過(guò)金屬網(wǎng)網(wǎng)空排出反應(yīng)器，金屬網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸在微米到毫米量級(jí)，風(fēng)速任意。
應(yīng)理解，以上的一般說(shuō)明和下面的詳細(xì)說(shuō)明是舉例說(shuō)明性質(zhì)的，是為了對(duì)根據(jù)權(quán)利要求所限制的本實(shí)用新型提供進(jìn)一步說(shuō)明。
包括在本說(shuō)明書中并構(gòu)成本說(shuō)明書的一個(gè)部分的附圖是為了便于對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步的理解，本實(shí)用新型的實(shí)施例附圖與文字說(shuō)明一起對(duì)本實(shí)用新型的原理進(jìn)行了解釋。
圖1是電暈放電等離子體源原理示意圖；圖2是一般高壓直流電源原理圖；圖3是常規(guī)脈沖高壓電暈放電原理圖；圖4A至4C是常規(guī)電暈放電等離子體反應(yīng)器原理圖；圖5是自由基噴射器(radical shower)原理圖；圖6是一種負(fù)直輝光放電原理圖；圖7是本實(shí)用新型正高壓直流流光放電等離子體源的裝置示意圖。
圖8A至8C是本實(shí)用新型等離子體源裝置主要組件的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是應(yīng)用本實(shí)用新型非熱等離子體源的室內(nèi)空氣凈化器裝置的總體結(jié)構(gòu)側(cè)示圖；圖10是常規(guī)室內(nèi)空氣凈化器裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖11A-11D是應(yīng)用本實(shí)用新型非熱等離子體源的室內(nèi)空氣凈化器同常規(guī)空氣凈化器對(duì)污染空氣處理效果比較圖；以下參考附圖中所示的本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
附圖7顯示出本實(shí)用新型的正高壓直流流光放電等離子體源的裝置示意圖。
如圖中所示，以正直流高壓電源51為該等離子體源的電源，最高輸出高壓20kV，最高輸出電流5mA。以金屬針陣列55為反應(yīng)器的高壓電極且金屬網(wǎng)57為反應(yīng)器的地電極，各金屬針?lè)较蛞恢虑掖怪备皆谝唤饘贃鸥衿桨?4的結(jié)點(diǎn)上，各金屬針的長(zhǎng)度相等且大于5mm，金屬針針尖尺寸小于1mm，各金屬針之間的距離大于1cm，各金屬針針尖到金屬網(wǎng)的間距在1到2cm之間，金屬網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸在微米到毫米量級(jí)。氣流方向垂直柵格平板，氣流經(jīng)柵格平板的孔穴進(jìn)入電暈放電區(qū)處理，并通過(guò)金屬網(wǎng)網(wǎng)空排出反應(yīng)器。
現(xiàn)在說(shuō)明在室內(nèi)空氣凈化器內(nèi)應(yīng)用本實(shí)用新型正高壓直流流光放電等離子體源的工作及其特征。
圖9為應(yīng)用本實(shí)用新型非熱等離子體源的室內(nèi)空氣凈化器裝置的總體結(jié)構(gòu)側(cè)示圖。室內(nèi)空氣首先經(jīng)對(duì)大顆粒粒子的過(guò)濾71進(jìn)入非熱等離子體反應(yīng)器72，經(jīng)等離子體化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)生等離子體的強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)處理氣中懸浮粒子荷電和收集，然后由風(fēng)扇73排出，在室內(nèi)進(jìn)行循環(huán)處理，74為高壓電源和風(fēng)扇等的電控制系統(tǒng)。
由上述這一簡(jiǎn)單的氣路設(shè)計(jì)，特別是本實(shí)用新型的非熱等離子體源72代替了圖10所示常規(guī)室內(nèi)空氣凈化器內(nèi)的過(guò)濾器83，靜電場(chǎng)84，紫外光源85以及催化劑86等，不僅大大簡(jiǎn)化了處理流程降低了制作成本，而且因風(fēng)阻大大減小而使風(fēng)扇負(fù)載減輕從而減少風(fēng)扇耗能提高處理風(fēng)量。
上述替代避免了常規(guī)室內(nèi)空氣凈化器所存在的下列主要問(wèn)題過(guò)濾器有一定的風(fēng)阻，運(yùn)行一段時(shí)間后因飽和需更換，并且效果不甚理想；靜電場(chǎng)主要只對(duì)微細(xì)粉塵有收集作用，且因粉塵微細(xì)而收集效果不佳；雖然光化學(xué)催化有去除有害氣體和臭味的功能，但還需與過(guò)濾和或電收塵結(jié)合。
室內(nèi)空氣凈化器因利用了本實(shí)用新型的非熱等離子體源裝置不僅僅使各方面的性能優(yōu)越于利用上述常規(guī)各技術(shù)點(diǎn)，而且與其它非熱等離子體技術(shù)比較有其特有的優(yōu)勢(shì)。本實(shí)用新型利用簡(jiǎn)單的高壓正直流電源代替了其它等離子體源所用的脈沖，方波和高頻高壓等電源；并通過(guò)利用上述針陣列對(duì)金屬網(wǎng)為電極結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了在很小的空間內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈且穩(wěn)定的流光放電。這樣使該室內(nèi)空氣凈化器同時(shí)達(dá)到對(duì)各種室內(nèi)場(chǎng)所的懸浮微粒的收集，有毒有害氣體的去除，臭味的去除和細(xì)菌的殺死等效果。
相對(duì)于其它非熱等離子體技術(shù)處理室內(nèi)空氣污染，具有如下區(qū)別。不同于負(fù)電暈放電對(duì)空氣的處理，負(fù)電暈放電雖然能有效產(chǎn)生空氣負(fù)離子但因負(fù)電暈不可能足夠強(qiáng)烈而有效處理污染空氣。脈沖電暈放電因電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜而制作成本價(jià)格昂貴，電源效率低而耗能相對(duì)較大。也不同于radicalshower，radical shower作為一種輔助放電裝置，而且本實(shí)用新型裝置能在更小的反應(yīng)器空間內(nèi)注入更多的放電能量，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)烈而穩(wěn)定的流光放電，使處理氣體均流經(jīng)放電區(qū)。另外，也不同于其它各類非熱等離子體放電，介質(zhì)阻擋放電不利于污染空氣中的懸浮微粒的收集而且因放電間隙為mm量級(jí)風(fēng)阻較大；沿面放電主要用做產(chǎn)生臭氧，而過(guò)多的臭氧也是一種污染。介質(zhì)阻擋放電和沿面放電均需要高頻高壓電源提供放電電能。
圖11A，11B，11C和11D分別顯示了本實(shí)用新型的裝置用于室內(nèi)空氣凈化器中同常規(guī)空氣凈化器在一封閉空間內(nèi)處理因吸煙引起污染空氣的效果比較。在前者循環(huán)氣流流量低于后者的條件下，對(duì)所示四種氣體成分的去除，前者的處理時(shí)間為后者的約三分之一，且前者的最終處理效果接近100％而后者僅達(dá)80％。
同時(shí)，處理空氣垂直通過(guò)金屬網(wǎng)，這樣金屬網(wǎng)起到收集和過(guò)濾污染空氣的雙重作用。另外，由于放電區(qū)體積非常小，處理氣體在放電區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間為毫秒量級(jí)，這有效地扼制了因放電引起的臭氧產(chǎn)生，并通過(guò)風(fēng)量的控制調(diào)節(jié)微量臭氧濃度。所以本實(shí)用新型的應(yīng)用使得室內(nèi)空氣凈化器內(nèi)無(wú)需象其它非熱等離子體技術(shù)處理時(shí)加設(shè)臭氧吸收劑或裝置。
該實(shí)用新型還可用柵格結(jié)點(diǎn)的雙面同時(shí)固定針電極，在其兩面以等距離各置金屬網(wǎng)，或針陣列對(duì)金屬網(wǎng)的多重結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等離子體放電處理。同樣用一涂有光化學(xué)催化劑如氧化鈦的金屬網(wǎng)代替一金屬網(wǎng)，使非熱等離子體與光化學(xué)催化有一新的結(jié)合。另外還可以用針陣列對(duì)金屬板的電極結(jié)構(gòu)，而使處理氣流平行金屬板電極通過(guò)放電區(qū)。
對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不偏離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)和內(nèi)容范圍的前題下，可對(duì)本實(shí)用新型作出種種修改。因此在權(quán)利要求書和其等效范圍內(nèi)，本實(shí)用新型還包括對(duì)其的各種修改方案。
權(quán)利要求1.一種正直流流光放電等離子體源裝置，其中通過(guò)一個(gè)正高壓直流電源提供高壓電能注入反應(yīng)器內(nèi)，在所述反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生流光放電，處理流經(jīng)反應(yīng)器的氣體或?qū)Ψ磻?yīng)器內(nèi)放置的工件或作為反應(yīng)器電極的材料進(jìn)行材料改性，其特征在于以正直流高壓電源供電，在針陣列對(duì)金屬網(wǎng)或板為電極結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生流光放電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流光放電等離子體源裝置，其特征在于，正直流高壓電源輸出的高壓正直流電壓在幾kV到30kV之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流光放電等離子體源裝置，其特征在于，所述反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)尺寸為各金屬針的長(zhǎng)度相等且大于5mm，金屬針針尖尺寸小于1mm，各金屬針之間的距離大于1cm，各金屬針針尖到金屬平板或網(wǎng)的間距在1到3cm之間，金屬網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸在微米到毫米量級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流光放電等離子體源裝置，其特征在于，處理氣體流向垂直金屬網(wǎng)流經(jīng)金屬網(wǎng)網(wǎng)孔而排出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流光放電等離子體源裝置，其特征在于，經(jīng)該裝置處理的氣體無(wú)需在氣路中添加臭氧吸收裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流光放電等離子體源裝置，其特征在于，用一涂有光化學(xué)催化劑如氧化鈦的金屬網(wǎng)代替所述作為地電極的金屬網(wǎng)，使非熱等離子體與光化學(xué)催化有一新的結(jié)合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流光放電等離子體源裝置，其特征在于其中，所述反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)可采用多重結(jié)構(gòu)，且流經(jīng)反應(yīng)器的氣流方向可垂直或平行作為地電極的金屬網(wǎng)或金屬平板。
專利摘要本實(shí)用新型通過(guò)一個(gè)正高壓電源提供高壓電能注入反應(yīng)器內(nèi),在針陣列對(duì)金屬網(wǎng)或板為電極結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生流光放電,處理流經(jīng)反應(yīng)器的氣體或?qū)Ψ磻?yīng)器內(nèi)放置的工件或作為反應(yīng)器電極的材料進(jìn)行材料改性;處理氣體流向垂直金屬網(wǎng)流經(jīng)金屬網(wǎng)網(wǎng)孔而排出,無(wú)需在氣路中添加臭氧吸收裝置;用一涂有光化學(xué)催化劑如氧化鈦的金屬網(wǎng)代替作為地電極的金屬網(wǎng),使非熱等離子體與光化學(xué)催化有一新的結(jié)合;反應(yīng)器的電極結(jié)構(gòu)可采用多重結(jié)構(gòu),且流經(jīng)反應(yīng)器的氣流方向可垂直或平行作為地電極的金屬網(wǎng)或金屬平板。
文檔編號(hào)H05H1/42GK2405398SQ0020130
公開日2000年11月8日 申請(qǐng)日期2000年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月26日
發(fā)明者朱益民 申請(qǐng)人:朱益民