CN103841741B - 基于介质阻挡放电的大气压等离子体发生装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于介质阻挡放电的大气压等离子体发生装置，其主放电单元包括上、下平板电极（1）、平板介质阻挡层（4）和平板介质阻挡层之间形成的气隙。平板电极（1）位于等离子体发生装置的上下两端，两块平板介质阻挡层（4）位于上、下平板电极（1）之间，分别与上、下平板电极（1）紧密相贴。两块平板介质阻挡层（4）之间由绝缘支撑体（5）支撑，两块平板介质阻挡层（4）之间的气隙空间为主放电区域，辅助放电单元位于主放电区域中。辅助放电单元包括4～12根同轴电极（3），同轴电极（3）为绝缘层包裹铜芯的同轴结构。同轴电极（3）平行等距地布置在上、下两块平板介质阻挡层（4）之间，同轴电极（3）与两平板介质阻挡层（4）紧密相接。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于介质阻挡放电，并提高等离子体产生效率的大气压低温等离子体发生装置。
背景技术
近年来，低温等离子体在废气废水处理、生物医学、高分子材料表面改性和点火助燃等领域需求广泛。气体放电是产生等离子体的有效方式之一，常见的气体放电形式主要有辉光放电、电晕放电和介质阻挡放电等。其中介质阻挡放电是一种有绝缘介质插入放电空间的气体放电形式，贯穿两电极的放电通道被气隙中的绝缘介质阻挡，从而在通道中产生大面积、高能量密度的低温等离子体。由于其对气压条件要求较低，能够在常温大气压条件下产生大面积、高能量密度的低温非平衡等离子体，且无需真空设备，自20世纪80年代末以来受到国内外研究人员的广泛关注。介质阻挡放电产生等离子体效率是应用中的关键参数，提高低温等离子体的产生效率对实际应用具有直接的影响。通常说来，具有较高等离子产生效率的介质阻挡放电可提高实际应用中等离子体的物理化学反应效率。虽然实验室研究中可以通过一些手段提高等离子体的物理化学反应效率，但这些方法主要针对实验室研究中面积较小的介质阻挡放电结构。因此，提高有效放电面积，增加等离子体产生效率无疑具有更为广阔的应用前景。此外，介质阻挡放电发生器在实际应用中会发热，一定程度上消耗了部分电源的能量，减少了用于产生低温等离子体的介质阻挡放电的能量供给，也会降低等离子体产生效率。因此，有必要优化介质阻挡放电等离子体发生器的设计，提高等离子体产生效率。
目前用于提高放电等离子体产生效率的主要方法包括：采用气流（如专利CN201830541U的“组合式介质阻挡放电等离子体反应装置”，将等离子体发生器、气体分配系统和高压系统组合的方式，提高装置的一体化水平），辅助电离（如专利CN201752624U的“一种磁场强化介质阻挡放电等离子体协同空气处理装置”，利用感应线圈对介质阻挡放电等离子体区域内带电粒子作用，提高等离子体处理能量利用效率），预电离（如专利CN102448239A的“介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置”采用在进气端口与主放电电极的位置之间设置对工作气体进行预电离的平板电极，减小了起始放电电压，降低了能量损耗从而延长了主放电电极和限流电阻的使用寿命）。
总之，如何有效的提高单位体积内等离子体产生效率，降低成本是实际应用必须解决的一个问题。目前的专利虽然在等离子体产生效率上有所提高，但其发生装置复杂，不能在保证发生装置简单的同时提高等离子体的产生效率。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术产生等离子体效率较低,电极发热消耗较多电压功率的缺点，提出一种基于介质阻挡放电的等离子体发生装置。相比于其它大气压等离子体产生装置，本发明具有结构简单，成本低廉，不需要真空系统就可以产生大气压低温等离子体等特点，且由于采用了组合式放电电极结构，有效地增加了单位体积内等离子体的产生效率。此外，由于一般的介质阻挡放电单元常采用平板式电极结构，这些电极存在放电区域小，电极发热严重，能量利用率较低等缺点，若采用多组电源产生大面积放电时，电源之间对控制的要求高也较高。本发明可以加强反应器气隙的预电离，提高放电强度，减小电极发热，提高能量利用率，可应用于臭氧发生器、废弃物处理等。
本发明等离子体发生装置包括主放电单元和辅助放电单元。
所述的主放电单元包括上、下平板电极、两块平板介质阻挡层以及平板介质阻挡层之间形成的气隙。两块平板介质阻挡层分别与平板电极紧密贴合。所述的平板电极位于等离子体发生装置的上下两端，两块平板介质阻挡层位于上、下平板电极之间，分别与上、下平板电极紧密相贴。两块平板介质阻挡层之间由绝缘体支撑，形成气隙。两块平板介质阻挡层之间气隙空间形成主放电区域，气隙距离以能够产生稳定的介质阻挡放电为宜，气隙距离的范围为3～8mm。
所述的辅助放电单元位于主放电区域中，辅助放电单元包括4～12根同轴电极，该电极采用绝缘层包裹铜芯的同轴结构，同轴电极的直径与主放电单元气隙大小相等，同轴电极平行等距地布置在上、下两块平板介质阻挡层之间，同轴电极与两平板介质阻挡层紧密相贴。
主放电单元和辅助放电单元分别采用两台独立的驱动电源供电，其中一台驱动电源的输入端与市电相连，此驱动电源的两个输出端分别与主放电单元的平板电极相连。另一台驱动电源的输入端与市电相连，此驱动电源的两个输出端分别引出若干分支导线，其中一输出端引出分支与辅助放电单元中第1,3,5等奇数根的同轴电极的铜芯相连，另一输出端引出分支与辅助放电单元中第2,4,6等偶数位置的同轴电极的铜芯相连。所采用的驱动电源可以分别为高压交流电源或高压脉冲电源。
此外，为了避免平板电极发热严重，损坏平板介质阻挡层材料，主放电单元的平板电极边缘设有水循环导管，水循环导管与平板电极的边缘连接，用于通入循环冷却水。水循环导管上设有两个引出端，这两个引出端分别与水泵的输出端和水箱的输入端相连。水箱的输出端与水泵的输入端相连。共同构成水循环冷却系统，为平板电极散热。
所述主放电单元的上下平板电极选用金属材料，可以为铜、铝或不锈钢等。平板电极为正方体，边长为50mm，厚度为0.5mm。平板介质阻挡层采用绝缘材料，如有机玻璃、环氧、硅橡胶或聚四氟乙烯等，同样为正方体，边长为54mm，平板介质阻挡层厚度为1mm。上、下平板介质阻挡层之间气隙为5mm。主放电单元两侧绝缘支撑体的材料可以为环氧、聚四氟乙烯、陶瓷、有机玻璃或尼龙等。辅助放电单元中的同轴电极用直径为1mm的铜导线制成，铜导线外包裹厚度为2mm的绝缘层，绝缘层的材料可选用环氧、硅橡胶或聚四氟乙烯绝缘介质。相邻的辅助电极中心间距根据辅助电极数量确定，两相邻铜芯电极之间距离最小为4mm，辅助电极的数量可根据需要配置在4～12根，建议使用时设置为6根，由平板电极中心位置等比例向两侧排列。在电极未密封的一侧用空气压缩机吹入空气，增加气体的流动性，提高等离子体的均匀性和避免因等离子产生不均造成的火花放电。建议使用时主放电单元采用高压交流电源驱动，辅助放电单元采用脉冲电源驱动。驱动电源的极性，幅值和频率可调，便于选取合适的放电参数，得到产生等离子体的最优条件。
与现有的等离子体发生装置相比，本发明具有如下优点：
（1）等离子体产生效率高。由于采用双电极结构，主放电单元（平板型介质阻挡放电）和辅助放电单元（同轴型介质阻挡放电）均会产生放电。辅助放电单元预电离主放电单元的气隙，使放电间隙之间的等离子浓度增大，再利用空气压缩机将等离子吹出，获得均匀的放电。连续循环，等离子产生的效率得到很大提高。
（2）采取了水循环冷却系统，有利于主放电单元中平板电极的散热；采用空气压缩机吹出，有利于辅助放电单元的散热。两部分散热降低了电极消耗的能量，增加了放电单元的使用寿命。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意；
图2是本发明装置的三维视图；
其中，1平板电极，2平板介质阻挡层，3同轴电极，4同轴介质阻挡层，5绝缘支撑体，6主放电单元驱动电源，7辅助放电单元驱动电源，8水循环导管，9水泵，10水箱，11空气压缩机。
具体实施方式
本发明的装置结构示意图如图1所示，对应的三维视图如图2所示。本发明基于介质阻挡放电的等离子体发生装置包括主放电单元和辅助放电单元。
所述的主放电单元包括上、下平板电极1、两块平板介质阻挡层4以及平板介质阻挡层之间形成的气隙。两块平板介质阻挡层4分别与上、下两个平板电极1紧密贴合。所述的平板电极1位于等离子体发生装置的上下两端，两块平板介质阻挡层4位于上、下平板电极1之间，分别与上、下平板电极1紧密相贴。两块平板介质阻挡层之间由绝缘支撑体5支撑，形成气隙。两块平板介质阻挡层4之间气隙空间形成主放电区域。
所述的辅助放电单元位于主放电区域中。辅助放电单元包括4～12根同轴电极3，该电极采用绝缘层包裹铜芯的同轴结构，同轴电极3的直径与主放电单元的气隙大小相等，同轴电极3平行等距地布置在上、下两块平板介质阻挡层4之间，同轴电极3与两平板介质阻挡层4紧密相贴。同轴电极3外包裹有同轴介质阻挡层2，同轴介质阻挡层2与两平板介质阻挡层4紧密相贴。
主放电单元驱动电源6的两个输出端分别接上平板电极和下平板电极，用于施加主驱动脉冲电压。辅助放电单元驱动电源7的两个输出端分别引出若干分支导线，其中一输出端引出分支与辅助放电单元中第1,3,5奇数的同轴电极3的铜芯相连，另一输出端引出分支与辅助放电单元中第2,4,6偶数位置的同轴电极3的铜芯相连。上平板电极和下平板电极四周的边缘均固定有用于散热的水循环导管8，水循环导管8的引出端12与水泵9的输入端相连，水泵9的输出端与水箱10的进水口相连，水箱10的出水口与水循环导管8的引出端13相连，整体形成水循环散热系统。空气压缩机11出气口接主放电单元一侧，用于吹入空气，辅助产生均匀等离子体，防止火花放电产生。
两块平板介质阻挡层4之间的放电气隙为5mm，同轴电极3的数量为4～12根，接入同轴电极的数量应为偶数与驱动电源的输出端相对应，相邻电极之间的中心间距最小为4mm。主放电单元驱动电源6给平板电极1供电，辅助放电单元驱动电源7给同轴电极3供电，且电压的两极分别配置在相邻同轴电极上，交叉分布，例如第一根同轴电极与电源的高压电极相连则第二根同轴电极与电源的负电极相连，第三根同轴电极与电源的高压电极相连以此类推。气体通入的方向与主放电产生电场方向垂直，从放电间隙的一侧利用空气压缩机11吹入，当主放电单元驱动电源6和辅助放电单元驱动电源7分别给平板电极1与同轴电极3供电时，整个放电空间的气体将会被电离，产生大量等离子体。此时空气压缩机11将产生的等离子体从另一侧吹出，空气压缩机的气体流速、驱动电源的极性、幅值和频率可以调节。平板电极1起主要作用，承担较高电压。同轴电极起辅助作用。在放电时平板电极1会发热，由水泵9向水循环导管8提供水循环经水箱10冷却，为平板电极1散热，确保电极可长时间使用。
本发明的工作过程如下：运行前确定同轴电极的数量并组合好等离子体发生装置。运行时，首先开启循环水泵9，确保水循环导管8运行正常。接着开启空气压缩机11，确保平板介质阻挡层2间气隙有气流通过。然后启动辅助放电单元驱动电源6，调节电源电压至辅助放电等离子体产生，最后启动主放电单元驱动电源7，调节电源电压至主放电区域内产生等离子体。
本发明提供的基于介质阻挡放电的等离子体发生装置可用于高效率地产生大气压低温等离子体。该发明可广泛应用于科研和企业等机构，产生的大气压低温等离子体可用于臭氧发生器和废弃物处理。
Claims (3)
1.一种基于介质阻挡放电的大气压等离子体发生装置，其特征在于，所述的等离子体发生装置包括主放电单元和辅助放电单元；所述的主放电单元包括上、下平板电极(1)、两块平板介质阻挡层(4)，以及平板介质阻挡层之间形成的气隙；所述的平板电极(1)位于所述等离子体发生装置的上下两端，两块平板介质阻挡层(4)分别位于上、下平板电极(1)之间，分别与上、下平板电极(1)紧密相贴；两块平板介质阻挡层(4)之间由绝缘支撑体(5)支撑，两块平板介质阻挡层(4)之间形成气隙，所述两块平板介质阻挡层(4)之间的气隙空间形成主放电区域；所述的辅助放电单元位于主放电区域中；辅助放电单元包括4～12根同轴电极(3)，同轴电极(3)采用绝缘层包裹铜芯的同轴结构；同轴电极(3)平行等距地布置在上、下两块平板介质阻挡层(4)之间，同轴电极(3)与两平板介质阻挡层(4)紧密相接；
上、下平板电极(1)四周的边缘均固定有用于散热的水循环导管(8)，水循环导管(8)的引出端A(12)与水泵(9)的输入端相连，水泵(9)的输出端与水箱(10)的进水口相连，水箱(10)的出水口与水循环导管(8)的引出端B(13)相连，形成水循环散热系统；
所述主放电单元的上、下平板电极(1)的材料采用铜、铝或不锈钢，两块平板介质阻挡层(4)的材料采用有机玻璃、环氧、硅橡胶或聚四氟乙烯，所述上、下平板电极(1)为正方体，边长为50mm，厚度为0.5mm，所述两块平板介质阻挡层(4)也均为正方体，边长为54mm，厚度为1mm；两块平板介质阻挡层(4)之间气隙为5mm；所述绝缘支撑体(5)的材料为环氧、聚四氟乙烯、陶瓷、有机玻璃或尼龙；所述同轴电极(3)用直径为1mm的铜导线制成，所述铜导线外包裹厚度为2mm的绝缘层，所述绝缘层的材料选用环氧、硅橡胶或聚四氟乙烯绝缘介质；两相邻同轴电极(3)之间距离最小为4mm；
主放电单元采用高压交流电源驱动，辅助放电单元采用脉冲电源驱动；
空气压缩机(11)的出气口接主放电单元一侧。
2.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的大气压等离子体发生装置，其特征在于，所述的同轴电极(3)的直径与主放电单元的气隙大小相等，同轴电极(3)外包裹有同轴介质阻挡层。
3.根据权利要求1所述的基于介质阻挡放电的大气压等离子体发生装置，其特征在于，主放电单元驱动电源(6)的两个输出端分别接上平板电极和下平板电极，用于施加主驱动脉冲电压；辅助放电单元驱动电源(7)的两个输出端分别引出若干分支导线，其中一输出端引出分支与辅助放电单元中第1,3,5奇数的同轴电极(3)的铜芯相连，另一输出端引出分支与辅助放电单元中第2,4,6偶数位置的同轴电极(3)的铜芯相连。
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