CN101022074A - 差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体放电与等离子体技术领域，是差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，包括差分输出高压电源、两个高压电极，差分输出高压电源输出端分别与两个高压电极相连接，在两个高压电极的相向面，其中至少一个高压电极上面覆盖有一层介质，或在两个高压电极中间的任何位置设置介质，电极间的气体为负载，与两高压电极相连的差分输出高压电源两输出端对地电压大小相等或近似相等、相位相差180度或近似相差180度。本发明可以产生大放电间隙的DBD，用以制造大体积的气体放电低温等离子体，可降低气体放电所需电源输出电压，降低装置的绝缘设计和制造难度，提高安全性和电磁兼容性，还可获得零电位区的气体放电低温等离子体。

Description

差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置

技术领域

本发明属于气体放电与等离子体技术领域，具体的说是差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置。

背景技术

介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，以下统一简称DBD)是获得工业用大面积均匀低温等离子体的主要方式。DBD一般为两个电极间的气体放电，其中至少一个电极上覆盖有介质层，或在电极间的任何位置设置介质。因DBD具有电子密度高和可在常压下运行的特点，已在工业中大规模应用。

目前的DBD装置一般采用交流高压电源单端馈电方式激励，即将交流高压电源的高压输出端和DBD装置的高压电极连接，交流高压电源的地和DBD装置的地电极连接。采用这种单端馈电方式的DBD装置目前只能在放电气隙比较小的情况下运行。例如在空气中，DBD的放电气隙一般为几个毫米，因为电场分布均匀时空气的击穿场强约为30kV/cm，假设放电气隙为10mm，则高压电极与地电极之间的电压需达到约30kV才能使气隙产生放电。随着放电气隙的距离增大，高压电极上的电压也要增加，高压电极和周围空气的电晕放电也会增强，从而导致高压电源的激励能量损耗在高压电极和周围空气的电晕放电中，使DBD气隙放电效率降低，甚至不能产生放电。如果DBD所用介质较厚则能产生有效放电的气隙距离将更小。

此外，随着放电所需电压的升高，高压电源、DBD和相关高压部件的绝缘问题突出，各部件的绝缘距离需要加大，系统的体积随之增大，制造难度增加，制造成本也将提高；高压引线和电极周围的电场强度增大，使其周围的物体感应带电，对操作人员的安全和设备的电磁兼容带来不利。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的DBD装置单端馈电方式的不足，提出一种采用差分馈电方式的介质阻挡放电低温等离子体装置，与现有的DBD装置比较，本发明可使气体放电所需电源输出电压(高压端对地)大大降低，降低了装置的绝缘设计难度和电源制造难度，提高了其安全性和可靠性。采用该装置可获得大放电间隙的DBD，可用于制造大体积气体放电低温等离子体，还可获得放电中间点零电位的气体放电低温等离子体(用于处理对高电位比较敏感的材料或对安全有要求的产品)。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，包括差分输出高压电源、两个高压电极，差分输出高压电源输出端分别与两个高压电极相连接，在两个高压电极的相向面，其中至少一个高压电极上面覆盖有一层介质，或在两个高压电极中间的任何位置设置介质，电极间的气体为负载，差分输出高压电源两输出端对地电压大小相等或误差小于等于±50％、相位相差135度～225度，当气体间隙上所加电压达到气体放电电压时，气体放电，产生低温等离子体。

本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：

前述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其中所述差分输出高压电源两输出端对地电压大小相等，相位相差180度。

前述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其中所述差分输出高压电源输出为各种频率的正弦交流波形、方波、单个或具有重复频率的脉冲波形及这些波形的任意组合。

前述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其中所述高压电极为平板形、同轴圆柱形、平行圆柱形、平行矩形、针板形、线板形、网形、颗粒形或其它几何形状。

前述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其中所述两高压电极为金属、水或其它导电材料。

前述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其中所述的介质为石英玻璃，高温玻璃、陶瓷、硅橡胶或其它高分子绝缘材料。

前述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其中所述两高压电极间的气体为任意气压下的任意气体或气体组合，气体空间为封闭或敞开。

前述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其还可包括附加冷却装置、机械传动装置、气体流动装置或其它辅助功能装置。

本发明的优点为：由于本发明对DBD采用差分馈电方式，即将DBD的两个电极都设置为高压电极，而交流高压电源的输出为差分输出，即输出两路大小相等(或近似相等)，相位相反(或相位差约180度)的电压，分别与两个高压电极相连接，比现有DBD装置，本发明有如下优点：

1.DBD装置两个高压电极之间的电压是高压电源输出的两路差分电压之和，约为高压电源每路输出电压的2倍，相同条件下，在DBD装置的两个高压电极附近产生(强烈的)电晕放电之前，这两个电极之间的放电间隙最少可比采用单端馈电方式时大一倍，即采用差分馈电可以获得大间隙的DBD，实际的DBD装置的放电间隙可以达30mm以上；

2.在DBD气隙距离一定的条件下，采用差分馈电方式，则每个高压电极的对地电压只有单端馈电时高压电极对地电压的一半，即高压电源的输出电压、高压电极的对地电压及高压电源与高压电极间连线的对地电压大幅降低，最低约为单端馈电时的1/2，这使得高压电源、DBD和馈电的绝缘设计要求显著降低，使DBD系统体积减小、成本降低的同时，还提高了其运行可靠性；

3.DBD采用差分馈电，系统的电磁兼容性的效果较好，如馈电的两高压线平行布置时，其产生的空间电磁辐射可基本相互抵消，避免了周围物体和人员由于感应带电而产生放电的危险，而单端馈电方式下，高压连线周围会产生很强的感应带电现象；

4.DBD采用差分馈电，则DBD气隙的中间区域(或接近中间区域)的电位与地电位接近(或相同)，在处理对高电位较敏感的材料时，可将试品放置于该区域，例如处理电线电缆时，采用差分馈电可以使电缆芯线感应电压最低甚至基本为零。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例二的结构示意图。

图3为图2的侧面结构示意图。

图4为本发明实施例三的结构示意图。

图5为本发明实施例四的结构示意图。

图6为本发明实施例五的结构示意图。

具体实施方式

本发明的高压电源采用差分馈电的方式激励DBD，差分输出高压电源两输出端对地电压大小相等(或近似相等)，误差可小于等于±50％，如一输出端对地电压为U1，另一输出端对地电压为U2，则U1＝U2或0.5U2≤U1≤U2或0.5U1≤U2≤U1，相位相差180度(或近似相差180度)，相位可相差135度～225度，差分输出高压电源分别与两高压电极相连。差分输出高压电源输出的波形可为各种频率的正弦波、方波、单个或具有重复频率的脉冲及这些波形的任意组合。高压电极可为任意几何形状的电极，如平板形、同轴圆柱形、平行圆柱形、平行矩形、针板形、线板形、网形、颗粒形等。材料可为金属、水或其它导电材料。介质可以覆盖在一个或两个高压电极上，也可将介质放置于两个高压电极中间的任何位置。电极间的气体间隙作为负载。气体为任意气压下的任意气体或气体组合，气体空间可以封闭也可以敞开。

差分输出高压电源开启后，对高压电极进行差分馈电，调整差分输出高压电源的输出电压，使气体间隙放电，即可产生放电低温等离子体。

根据使用目的不同可采用不同的电极形式、不同尺寸的电极、不同功率的电源和不同输出波形的电源，也可附加冷却装置、机械传动装置、气体流动装置或将电极设置在封闭的腔体内施加气氛、降低或增加气压等具有其它辅助功能装置。

实施例一

本实施例的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置采用平行平板DBD，其结构如图1所示，本实施例中高压电极2和高压电极7都为金属板，差分输出高压电源1两输出端分别与高压电极2、高压电极7相连接，差分输出高压电源1两输出端对地电压大小相等(或近似相等)、相位相差180度(或近似相差180度)。高压电极2和高压电极7表面分别覆盖有介质3和介质6(也可以在一个高压电极表面覆盖介质)。介质3和介质6间为气体间隙5，如果要处理试品可将试品4置于气体间隙5中的相应位置。开启差分输出高压电源1，调节差分输出高压电源1输出电压至气体间隙放电，即可产生放电低温等离子体，对试品4进行处理或对间隙中气体进行处理。

实施例二

本实施例的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置采用平行圆柱电极DBD或平行矩形电极DBD，其结构如图2所示，图3为图2的侧面结构示意图。本实施例中高压电极8和高压电极9可为金属棒、金属颗粒、金属网或其它导电材料(两高压电极的几何尺寸可以相同也可以不同)，表面分别覆盖有介质10和介质11(也可以在一个高压电极上覆盖介质)，差分输出高压电源1的两输出端分别与高压电极8、9相连，差分输出高压电源1两输出端对地电压大小相等(或近似相等)、相位相差180度(或近似相差180度)。介质10和介质11间为气体间隙5，试品4置于气体间隙5中。开启差分输出高压电源1，调节差分输出高压电源1输出电压至气体间隙放电，即可产生放电低温等离子体，对试品4或气体间隙中的气体进行处理。

实施例三

本实施例的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置采用同轴式DBD，其结构如图4所示。本实施例中高压电极12为金属，其形状可以为管、网或颗粒。高压电极13为金属，其形状可以为管、棒、网或颗粒。差分输出高压电源1两输出端分别与高压电极12、高压电极13相连接，差分输出高压电源1两输出端对地电压大小相等(或近似相等)、相位相差180度(或近似相差180度)。高压电极12内壁覆盖介质14，电极13外覆盖介质15。介质14和介质15间为气体间隙5，开启差分输出高压电源1，调节差分输出高压电源1输出电压至气体间隙5放电，即可产生放电低温等离子体。

实施例四

本实施例的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置采用同轴式单介质阻挡层DBD，其结构如图5所示。本实施例中高压电极16为金属管，高压电极17为金属管或金属棒。差分输出高压电源1两输出端分别与高压电极16、高压电极17相连接，差分输出高压电源1两输出端对地电压大小相等(或近似相等)、相位相差180度(或近似相差180度)。在高压电极16和高压电极17中间的任何位置设置介质管3，介质管3和内外金属电极之间为气体间隙5。开启差分输出高压电源1，调节差分输出高压电源1输出电压至气体间隙放电，即可产生放电低温等离子体。

实施例五

本实施例的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置采用平行线电极或平行棒式单介质阻挡层DBD，其结构如图6所示。本实施例中高压电极19和高压电极20都为金属丝或金属棒(两高压电极的几何尺寸可以相同也可以不同)，差分输出高压电源1的两输出端分别与高压电极19、高压电极20相连，差分输出高压电源1两输出端对地电压大小相等(或近似相等)、相位相差180度(或近似相差180度)。在高压电极19和高压电极20中间的任何位置设置介质3，介质3与两高压电极之间为放电间隙5，开启差分输出高压电源1，调节差分输出高压电源1输出电压至气体间隙放电，即可产生放电低温等离子体。

本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，包括差分输出高压电源、两个高压电极，差分输出高压电源输出端分别与两个高压电极相连接，在两个高压电极的相向面，其中至少一个高压电极上面覆盖有一层介质，或在两个高压电极中间的任何位置设置介质，电极间的气体为负载，其特征在于：所述差分输出高压电源两输出端对地电压大小相等或误差小于等于±50％、相位相差135度～225度。

2.如权利要求1所述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其特征在于：所述差分输出高压电源两输出端对地电压大小相等，相位相差180度。

3.如权利要求1所述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其特征在于：所述差分输出高压电源输出为各种频率的正弦交流波形、方波、单个或具有重复频率的脉冲波形及这些波形的任意组合。

4.如权利要求1所述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其特征在于：所述高压电极为平板形、同轴圆柱形、平行圆柱形、平行矩形、针板形、线板形、网形、颗粒形或其它几何形状。

5.如权利要求1所述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其特征在于：所述两高压电极为金属、水或其它导电材料。

6.如权利要求1所述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其特征在于：所述介质为石英玻璃、陶瓷、硅橡胶或其它高分子绝缘材料。

7.如权利要求1所述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其特征在于：所述两高压电极间的气体为任意气压下的任意气体或气体组合，气体空间为封闭或敞开。

8.如权利要求1所述的差分馈电介质阻挡放电低温等离子体装置，其特征在于：还可包括附加冷却装置、机械传动装置、气体流动装置、腔体或其它辅助功能装置。

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