CN101175363A

CN101175363A - 用于气体离子化处理的方法和设备

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Publication number: CN101175363A
Application number: CNA2006101429359A
Authority: CN
Inventors: 维贾伊·K·米恩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-31
Filing date: 2006-10-31
Publication date: 2008-05-07

Abstract

一种用于气体处理的电极组件，包括具有由内部壁至少部分地限定的内部区域的介质壳，内部区域充有形成等离子体的气体。第一导电体耦接于介质壳并且至少部分地伸入到内部区域内。在向第一导体施加电压时，在内部区域里形成导电等离子体。导电等离子体以大体上均匀的方式接触基本上所有的内部壁。

Description

用于气体离子化处理的方法和设备

技术领域

本发明一般地涉及在形成放电方面使用的电极而具体地涉及应用导电等离子体的电极，在气体离子化处理方面使用这种电极。

背景技术

对现有技术来说，介质-势垒放电(也称之为“表面-势垒放电”或者“静放电”或者“臭氧发生器放电”)是众所周知的。像这样的装置通常包含有在电极之间介入至少一个电势垒的情况下，在一对电极之间在高交流电压时激发放电，上述势垒具有经得起从供能电源输出的整个峰对峰电压的有效介质强度。

现有技术高电压电极的常见装置包含设置在起介质势垒作用的密封介质管里面的金属网格。用另一种方法，电极可以是沉积在介质管内表面上的金属覆盖层。围绕介质管并且与其留有间隔的接地金属套管用作第二电极。可能有刚好在金属套管内侧面但是离第一介质套管留有间距的第二介质管，取决于使用这种系统的用途。

现有技术公开了最好由系统参数来确定在电极结构之间以适当压力和流速用流动气体或静止气体(取决于用途)充满的普通环形空间。在像这样的条件下，这种放电没有占满整个环形空间，但是包含有短暂、局部、间断的电火花。50Hz～100Hz频率的高压交流电源连接到内部电极的外部终端，在网格状电极和接地套管之间产生强电场。当气体中电场强度超过局部击穿电场强度时发生放电，但是当放电中传送电流的移动电荷到达绝缘介质势垒的表面时移动电荷不能通过绝缘介质势垒，而是堆积在其表面。由此产生的表面电荷导致反向电场，反向电场抵消电源施加的电场，而使局部放电熄灭。直到反向电场建立为止，除电火化等离子体其本身的具有负电阻值的电抗外，几乎没有或者没有限制电流在电火花中流动的阻抗。所以，在电火花中的电流密度是极其高的而由此产生的等离子体是致密和高能量的。因为高的电流密度，所以表面电荷在介质上的堆积是极其迅速的，而放电熄灭就发生在不到几微秒内。

因为每个电火花是局部化的，而在介质上的表面电荷也是相应地局部化的，所以在电极相互间隙中的其它处所施加的电场没有降低，并且多个电火花随机地出现在间隙内除新近熄灭电火花的地点外的任何地方。

因为通电电压是交变的，所以当使所施加电压的相位反向时，来自驻留在介质势垒上表面电荷的电场加入所施加的电场，而在反向的意义上来说便于击穿。因此准连续的交流电流在两个电极之间流动。这就是在气体内的导电电流(在微火花放电中所有电流相加)和在介质内的位移电流。

现有技术的导电通路是内部网格电极的串连电阻、介质势叠电容和多个电火花中气体导电的有效电阻。在这样的电路中，气体导电的有关阻抗和介质势叠的阻抗取决于高压高频电源产生的交流电流频率。长1m、壁厚1mm、外径10mm的介质管具有大约560PF电容。在60Hz时此电容具有大约5×10⁶Ωm的阻抗。在60KHz时，其阻抗将为5×10³Ohm。另一方面，发电火花气体的有效电阻为10^-1～10⁶Ωm。相比之下，网格电极的电阻是可忽略不计的。因而，在低频率时通过介质电容来控制均方电流，而在高频时气体性质限定电流。

因为介质势叠的限流阻抗，所以流过像这样放电装置的均方电流随电压增加和随频率增加而增加。

实际上，介质势垒起电容性镇流器作用。因此，多个像这样的放电装置极大部分常常是以用公共电源供能的各个放电装置几百到几千个成排并联的方式来运作的。

像这样的放电广泛应用于使在气体中用别的方法不会发生的化学反应变得容易。电极间空间装有含稳定反应产物母体的气体。这些反应产物母体是在火花放电中通过分解或激励而进入使快速反应有可能的状态来“激活”的；在火花激励时，所激发的产物存在周围温度下的气体中并且能够迅速地与其伙伴反应，形成所希望的产物。由于绝大部分容积的气体是在任何某个时刻的周围温度之下，因此反应产物保持完整无损。

像这种放电众所周知的应用是在用于水处理的臭氧工业生产方面。电极中间间隙含有流动的空气；氧分子在电火花内分解，并且通过在周围温度气体内的反应而生成O₃(臭氧)。就在臭氧生成吸热反应中大的氧化合形成臭氧百分率和多至25％的电能消耗来说，这种系统的效率是非常高的。

新近的用途是在流动系统或者密封系统中把像这样的放电应用于在紫外线中产生隋性气体卤素激发物辐射线。气体范围包含在形成X₂或HX方面的隋性气体(RG)和卤素(X)。含卤素的分子在电火花中分解而使隋性气体受激励成谐振状态或者亚稳状态。在周围温度气体中反应时，混合物形成受激分子(“受激准分子”)RGX^＊。在受激状态中这些分子抗化学分解是稳定的，持续到这些分子通过分解放热而失去其激发能量为止。由于在接地状态中隋性气体卤化物分子是不稳定的，因此气体中没有分子能够重新吸收通过受激分子衰减而发射的辐射线。因而辐射过程效率是极其高的。电能转换到隋性气体受激准分子辐射能的总效率为百分之几十。在所有的隋性气体与所有的卤素化合的情况下产生了受激准分子。

现有技术没有用于想要产生辐射线的介质一势垒放电，由于金属网格会吸收而防止辐射线透射。实用的结构是由排列几根接地金属导线的蒸馏水构成外部电极的一种结构。因为用水组成优质介质，所以水电极的电容阻抗在激励频率55KHz时是小的，结果是电场不均匀地施加于电极中间隙两端。水在系统中循环并且用于冷却放电管。蒸馏水输送到透射不受阻碍的UV辐射线。

问题在于要处理的气体是高温腐蚀性气氛的某些用途。腐蚀性气氛可能使介质套管表减薄到使介质套管破裂的程度。套管的破裂可能使网格电极能够在高电压时与接地金属网格接触。由于没有很大的与直接短接于地串联的阻抗，因此不仅这样做使破坏性的高电流弧光有可能产生而且这样做也使整个并联连接组合的放电装置短路。因而，并联连接组合中的一个单管的故障使整组断路，而造成整个单元运转中断。

因为提供的非常高的电压，所以在与高电压串联连接中的常规熔断丝是不成功的。当高电流熔化熔断丝时，在熔断液体/蒸发间隙中发生金属蒸气电弧，留下仍连接的电路。高电流电弧仍再继续。在近来的一些系统中，采用了装有能够移动导电体离开接地平面的机械弹簧负载系统的可收缩式熔断丝；但是像这样的一些系统是笨重的、昂贵的和不可靠的。

用来避免这个问题的另一种方法是用像盐水溶液之类的导电液体来填满电极并且把导电液体机械密封在电极里面。认为液体冷却效应可能会改进这个问题。然而，在使用(350-450F)的温度下，水的蒸汽压大于十个大气压，比石英、陶瓷等等的安全工作压力(150psi)高得多。管子破裂能够引起爆炸。

发明内容

根据上述内容，本发明总的目的在于提供改进或者克服与现有技术有关联的一些问题和一些缺点的一种电极组件。

本发明归属于用于处理腐蚀性气体的电极组件中的一个方面，包含限定至少由内壁部分限定的内部区域的介质壳。内部区域充满形成等离子体的气体。第一导电体耦接到介质壳并且至少部分地延伸到介质壳内部区域内。在把电压施加到第一导电体时，把形成等离子体的气体输送到导电等离子体内，然后形成等离子体的气体以大体上均匀的方式充分地接触介质壳的全部内壁。

在本发明的具体实施例中，提供包含由导电壁限定内部通道的外壳。介质壳至少部分设置在内部通道内，因此介质壳和导电壁相配合确定其间间隙。与第一导电体毗连的介质壳端面从通道向外伸出。在运行期间，导电等离子体的形成引起在介质壳和导电壁之间发弧光的大量放电。

间隙击穿特性的Paschen定律基本状态是气体压力与间隙长度乘积的函数，通常写作V＝f(pd)，公式中p是气体压力而d是间隙间距。所以在本发明的某些实施例中，与第一导电体毗连的介质壳端面从内部通道向外伸出一段预定的距离。这个距离设计成能大于在要处理的气体的所施加电压和压力下可能发生断裂的距离。

本发明的其它一些实施例可以包含多个电极组件。多个电极组件中的至少一部分电极组件能够与公共电源连接。多个电极组件能够排列成阵列。

优选的是气密密封介质壳。形成等离子体的气体可以是氪、氖、氩和氙的气体或混合气体，然而在这方面本发明没有限制，例如对于在属于能够代替本发明而没脱离本发明一些较主要方面的有关技术上熟练的技术人员来说，所熟知的其它一些气体。大约79体积％氖、大约20体积％氩和大约1体积％氙的混合气体对于用作形成等离子体的气体来说，是特别有效的。形成等离子体的气体能处于大约9torr～200torr的压力之下而优势处于大约70torr约压力之下。能够用熔融石英制造介质壳。第一导电体能够呈至少一条导线的形式，优选的是以至少一部分第一导电体伸入到为空心壳的内部区域内的方式。能够把伸入到当空心壳的内部区域内的至少一部分第一导电体气密密封在介质壳内部区域里面。第一导电体可以是一种高熔点金属，像钼、镀镍钢或镍之类。能够用碱土金属化物涂层至少部分地覆盖第一导电体。

本发明归属于另一个方面、在用于处理气体方面，其中提供以上所述类型的电极组件。对第一导电体施加高电压交变电位，优选的是锯齿波形状但是不限于锯齿波形状，由此在内部区内引起导电等离子体的形成。一旦形成，导电等离子体就以大体上均匀的方式接触基本上所有的介质壳内部壁。这就引起在介质壳和导电壁间产生的大量放电。随着气体流过介质壳和导电壁之间间隙通过放电而使气体离子化。在本发明的某些实施例中可以处理腐蚀气体。在其它一些实施例中可以处理一些气体，其中介质壳处于至少200°F的工作温度之下。

附图说明

图1是本发明电极组件实施例的横截面图。

图2是多个电极组件的横截面图。

图3是图1中的电极组件的部分横截面图，表示第一导电体为一条导线。

图4是本发明电极组件的部分横截面图，表示伸入到当空心壳的介质壳内部区域的至少一部分第一导电体。

图5是本发明电极组件的示意举例说明。

具体实施方式

如图1所示，一般用标记数词30描绘用于处理包含，但是不限于，腐蚀性气体的气体的电极组件。电极组件30包含具有内部区域36的介质壳34，由内部壁38至少部分限定内部区域36。用形成等离子体的气体37充满内部区域36。第一导电体40耦接于介质壳34并且至少部分地伸入到内部区域36内。

本发明的电极组件包含具有由导电壁46确定内部通道44的外部壳42。与第一导电体40毗连的介质壳34尾端41如距离52所表示那样从内部通路44向外延伸。把距离52设计成大于在腐蚀性气的施加电压和压力下可能出现破裂的距离。形成等离子体的气体可以包含氪、氖、氩和氙其中一种气体或者其混合气体。形成等离子体的气体37为大约79体积％氖、大约20体积％氩和大约1体积％氙。形成等离子体的气体能够处于大约9～200torr的压力下。优选的是，形成等离子体的气体也能够处于大约70torr的压力下。在用图说明的实施例中，介质壳34是气密密封的并且是可以用熔融石英制造的。

如图2所示，多个电极组件30能电连接到公共电源40。进一步把多个电极组件放在适当位置以形成阵列66。

如图3所示，在用图说明的实施例中，一部分第一导电体40是至少一条导线56。转到图4，至少一部分第一导电体40放在为空心壳58的内部区域36内适当位置。第一导电体可以是包含钼、镀镍钢、镍的高熔点金属或者为在属于有关本发明的技术方面熟练的技术人员所熟知的适合材料。也可以用碱土金属氧化物涂层至少部分地覆盖第一导电体40。

本发明用以上所述类型的电极组件通过把形成等离子体的气体装在介质壳内部壁内，向与充有形成等离子体气体的介质壳耦接的第一导电体提供电压而在处理腐蚀性气体方面获得应用。电极组件包含外部壳，外部壳具有由导电壁限定的内部通道。介质壳从内部通道向外伸出。由在介质壳上的二次表面电荷产生在内部壁上的镜象表面电荷。镜象表面电荷导致导电等离子体在介质壳内部区域内形成。导电等离子体以大体上均匀的方式基本上接触所有的介质壳内部壁。形成等离子体的气体处于预定压力下以获得导电等离子体均匀发光。外部壳和导电壁之间的位置相配合来确定其间的间隙，因此在运行期间，导电等离子体的形成引起在介质壳和导电壁之间发弧光的大量放电。随着气体流过间隙，大量的电荷使腐蚀性气体离子化。多个电极组件能够排列成阵列，视要处理的腐蚀性气体的容积而定。当在阵列中多个电极组件电连接时，用一个公用电源给其供电。当多个电极组件排列成阵列时，其中一个或更多个电极组件的故障没有造成其余电极组件中断运作。

由图5进一步举例说明电极组件的操作方法。图5中的电路图表示出电源210、串联连接的导电等离体子体非零电阻220、介质势垒电容230和多个电火花气体导电的有效电阻240。

虽然相对于其详细的实施例说明和描述了本发明，但是熟练技术人员应当理解，可以进行多个改变并且一些等效物可以代替其组件而没有脱离本发明的范围。此外，为了采用一种特定的情况或材料，对本发明的讲授内容可以进行一些变更而没有脱离其基本范围。

所以，应注意到本发明不局限于在以上详细描述中的一些具体实施例，而是本发明将包含属于所附加权利要求书的范围内的所有实施方式。

Claims

1.一种用于气体处理的电极组件，包括：

具有由内部壁至少部分限定的内部区域的介质壳；

充有形成等离子体的气体的上述内部区域；

与上述介质壳连接并且至少部分地伸入到上述内部区域内的第一导电体；

其中在对上述第一导电体施加电压时，在上述内部区域内形成等离子的气体转变成导电等离子体；上述导电等离子体以大体均匀的方式接触基本上所有的上述内部壁。

2.根据权利要求1的电极组件，进一步包括：

具有由导电壁限定的内部通道的外壳，

上述介质壳至少部分地伸入到上述内部通道；

其中上述介质壳和上述导电壁相配合以确定其间间隙，因此在运行期间，上述导电等离子体的形成引起在上述介质壳和上述导电壁之间发电弧光的大量放电。

3.根据权利要求2的电极组件，进一步包括多个上述电极组件。

4.根据权利要求3的电极组件，其中上述多个的上述电级组件中至少一部分电极组件与公共电源连接。

5.根据权利要求1的电极组件，其中介质壳是气密密封的。

6.根据权利要求1的电极组件，其中上述形成等离子体的气体包括：氪、氖、氩和氙之中的至少一种气体。

7.根据权利要求6的电极组件，其中上述形成等离子的气体为大约79体积％氖、大约20体积％氩和大约1体积％氙。

8.根据权利要求1的电极组件，其中上述形成等离子体的气体是处于至少大约9torr～大约200torr的压力下。

9.根据权利要求8的电极组件，其中上述形成等离子体的气体是处于大约70torr的压力下。

10.根据权利要求1的电极组件，其中上述第一导电体是至少一条导线。

11.根据权利要求1的电极组件，其中伸入到上述内部区域内的至少一部分上述第一导电体是空心壳的。

12.根据权利要求1的电极组件，其中上述第一导电体是镀镍钢。

13.根据权利要求1的电极组件，其中上述第一导电体是镍。

14.根据权利要求1的电极组件，其中上述第一导电体是高熔点金属。

15.根据权利要求1的电极组件，其中上述第一导电体是钼。

16.根据权利要求1的电极组件，其中上述第一导电体至少部分地涂敷有碱土金属氧化物。

17.根据权利要求1的电极组件，其中上述介质壳是用熔融石英制造的。

18.根据权利要求2的电极组件，其中与上述第一导电体相连的上述介质壳的端部从上述内部通道向外延伸。

19.一种用于气体处理的方法，包括步骤：

提供电极组件，电极组件包括：

限定充有形成等离子体的气体的内部区域的介质壳；

上述介质壳具有至少部分限定上述内部区域的内部壁；

具有由导电壁限定的内部通道的外壳；和

上述介质壳至少部分地伸入到上述内部通道；

把与上述第一导电体相连的上述介质壳端部定位在从上述内部通道向外的位置上；和定位上述介质壳以限定上述导电壁和上述介质壳之间的间隙；

向上述第一导电体提供电压由此引起在上述内部区域内形成导电等离子体；上述导电等离子体以大体上均匀的方式接触基本上所有的内部壁；并且进一步引起大量在上述介质壳和上述导电壁之间的放电；以及

通过使上述气体流过上述间隙由此使上述气体置于上述大量放电之下而使气体离子化。

20.根据权利要求19的用于气体处理的方法，其中上述提供电极组件步骤包括：提供规定压力下的上述形成等离子体的气体以获得上述导电等离子体的均匀发光。

21.根据权利要求19的用于气体处理的方法，其中上述形成等离子体的气体是氪、氖、氩和氙其中至少一种气体。

22.根据权利要求19的用于气体处理的方法，其中上述形成等离子体的气体为大约79体积％氖、大约20体积％氩和大约1体积％氙。

23.根据权利要求19的用于气体处理的方法，其中提供上述形成等离子体的气体的上述步骤包括：提供在至少9torr的压力下的上述形成等离子体的气体。

24.根据权利要求19的用于气体处理的方法，其中提供上述形成等离子体的气体的上述步骤包括：提供在大约9torr～大约200torr压力下的上述形成等离子体的气体。

25.根据权利要求19的用于气体处理的方法，其中上述第一导电体提供电压由此引起在上述内部区域内导电等离子体形成的上述步骤包括：在上述内部壁上形成镜象表面电荷；

上述镜象电荷由在上述介质壳上的二次表面电荷诱发，上述镜象表面电荷为上述导电等离子体在上述介质壳内的传播而形成。

26.根据权利要求19的用于气体处理的方法，其中提供电极组件的上述步骤包括：提供多个上述电极组件、把上述的多个上述电级组件中至少一部分电极组件连接到公共电源和把上述的多个电极组件组装成阵列的步骤。

27.根据权利要求26的用于气体处理的方法，其中在上述介质壳中至少一个介质壳损坏后，上述的多个上述电极组件中的至少一部分电极组件保持运行。

28.根据权利要求19的用于气体处理的方法，其中使气体离子化的步骤进一步包括：使腐蚀性气体离子化的步骤。

29.根据权利要求19的用于气体处理的方法，其中使气体离子化的步骤进一步包括：在介质壳处于至少200°F的工作温度下使气体离子化的步骤。