CN101920036B - 设有金属带--板结构反应器的净化器 - Google Patents

Abstract

本发明属于空气消毒净化技术领域，具体涉及设有金属带——板结构反应器的净化器。包括等离子体反应器、脉冲电源、风机组件、控制器、进风口、出风口和外壳。反应器正电极是由若干条耐氧化的金属带制成，负电极是表面氧化处理的铝板，两面敷设纳米级TiO₂，正电极的两端是分别固定在相对应导电轨上的凸部顶端。脉冲发生器内设有的振荡器、误差放大器、PWM比较器及开关管，开关管是单端反激式逆变器设置的。本发明电晕放电均匀、产生等离子体和自由基强度高，可靠性好、工作寿命长。解决了现有技术的不足及偏见。用途：工厂洁净室、医院手术室、办公大楼、会议室、影剧院、火车、汽车、地铁、舰船等公共场所及家庭的空气消毒净化。

Description

设有金属带--板结构反应器的净化器

技术领域：

本发明属于空气消毒净化技术领域，具体涉及设有金属带--板结构反应器的净化器。

背景技术：

随着文明的进展，经济的发展，人类赖以生存的地球大气层污染被加剧，城市空气污染在恶化，尤其是室内空气污染更甚。据室内环境专家的调查报告：人们平均90％时间生活在室内，其中至少65％的时间在家里渡过。它严重威胁着国人的健康。尤其是儿童、孕妇和老人受室内空气污染毒害最深；特别是儿童，因为其呼吸量按体重比例高于成人的50％，最容易诱发儿童呼吸道感染及血液性疾病，免疫力降低。

空气污染主要是：军团菌、葡萄球菌及支原体之类细菌及其病毒；各种类型的挥发性有机化合物VOC_S；以气溶胶存在形式的尘埃粒子和放射性粒子之类的颗粒污染物。特别强调的是近几年来SARS、禽流感及各种流行性感冒病毒大规模传染爆发时有发生。尤其是当前的甲型H1N1流感已经造成全球上万人死亡。甲型H1N1流感的感染途径主要是空气，感染性病原体通常附在空气中粒径≤5μm浮游微粒上，随空气流动而扩散，被感染者因吸入这种空气而致病。为此，市场推出的有过滤吸附型、电子静电吸附型、臭氧消毒型、紫外线消毒型、光催化空气消毒净化等几种以应对。

过滤吸附型是目前极大多数洁净室选用的空气消毒净化单元，常见的有高效空气过滤器、FFU。它利用物体表面间存在的范德华力，吸附空气中的悬浮颗粒污染物净化空气。它只能滤除灰尘，不能彻底消毒；过滤阻力随尘埃颗粒物的增多而增大，容尘量减少，净化效率随之下降。如果不及时清理或更换，会造成二次污染；它的空气阻力大、能耗也大；驱动风机噪音当然也大。电子静电吸附型通过电极的静电放电，借助库仑力的作用，将颗粒物从气流中分离出来，达到净化空气目的。它清除粉尘有效，但杀菌效果差，也不能去除甲醛等有害气体。臭氧消毒型是利用臭氧的不稳定特性和强氧化作用杀菌消毒的。臭氧是一种强氧化剂，不宜在有易燃、易爆气体直接接触的场所，也不能集尘。臭氧一旦泄漏，对人体呼吸道造成伤害。紫外线消毒型采用波长253.7nm的紫外线杀灭细菌、病毒等微生物。它清除粉尘无效；紫外线属于不可见光，容易泄漏，对人体眼睛、皮肤会造成伤害。光催化净化是光催化剂TiO₂在387.5nm波长的紫外光线的照射下，使空气分子产生具有强氧化能力的空穴，即表面羟基化，可以直接杀灭细菌，分解有机物为CO₂和H₂O等无毒无害无机物。其缺点是光催化反应是受光照强度、空气流量的制约，TiO₂自身的失活现象是光催化净化效率降低的根本原因；它需要另设紫外线灯及镇流器，能耗大，工作寿命短。而且光照的紫外线容易泄漏，同样存在对人体皮肤、眼睛的伤害问题。

鉴于上述洁净室的净化单元单个净化的局限性，所以有的选用两个或两个以上单元组合而成，以弥补其不足。这就使空气消毒净化单元结构复杂、体积增大、造价高，使用也不方便。相比较而言，等离子体空气消毒净化器单个净化就不存在此类局限性；然而，几年前有些厂家跃跃欲试，现在大都被静电吸附型取代。

经过调查分析：目前多数厂家用于空气消毒的等离子体反应器放电正极不敢再用金属丝，是因为往往工作不到三、四个月就断丝，无可奈何改用锯齿状及针尖状放电正极，被迫接受产生的等离子体浓度低，所产生的臭氧、氮氧化物等副作用也多的事实，所以它只能用于电子静电吸附型是可想而知的。

现有的空气消毒净化器用的非热等离子体反应器是由正电极、负电极板、绝缘支架和外壳组成。正电极的结构主要有金属丝、锯齿状或尖针状几种。

对于室内空气都处于常温、常压状态下，选用耐氧化细金属丝、锯齿状或尖针状结构作为放电正电极，选用耐氧化金属板作为负电极，这类极不对称放电极的反应器作电晕放电产生非热等离子体进行空气消毒净化时，细金属丝电晕放电均匀，产生非热等离子体浓度高，理应是一种优先。但是，细金属丝结构作为放电正电极的等离子体反应器进行空气消毒净化，市场上以前出现过，现在的近三年却是销声匿迹，被锯齿状或尖针状结构作为放电正电极的反应器所取代。现有的过滤吸附、高压静电、臭氧、紫外线及TiO₂光催化等空气消毒净化器在杀菌消毒、分解有毒有机化合物及过滤可吸入颗粒物三方面都各有优缺点，消毒净化空气均不完善，却仍在各大医院、办公大楼、商场、公共娱乐场所被广泛采用。

究其原因是目前非热等离子体反应器设计不合理：构成非热等离子体反应器的放电正电极选用细金属丝所产生等离子体浓度虽然高，但是容易被烧断。为此，放电正电极大多选用不锈钢制成锯齿状或尖针状结构。虽然锯齿状或尖针状不容易被烧断，但是它们处于的尖端放电形成放电流注，在暗室中可以看到正电极与负电极之间有一条Φ0.2mm左右的紫蓝光细线--这是空气中放电不均匀现象。在紫蓝光线附近等离子体浓度高，空气中的氧气和氮气容易被激活，生成臭氧及氮氧化物等不利因素；而离开紫蓝光线稍远处的等离子体浓度低，空气消毒净化效果就差。这类反应器的消毒效果受臭氧及氮氧化物浓度的制约，这也是目前专业技术人员感到最棘手的难题。还有一个严重缺陷是工作不到几个月，锯齿状或尖针状放电尖端因溅射效应而变钝。由于正电极的曲率半径越大，起晕电压越高，放电电流随之减小，空气消毒净化效率当然会降低。这种衰退现象潜移默化，等离子体浓度降低不容易被使用者发现。反应器虽然还在工作，却形同虚设。这在医院手术室、重症病房中应用就会因消毒不合格而发生细菌病毒感染事故，导致手术治疗的失败。

例如：中国发明专利申请号为200710038821.4，发明名称《拼装积木式窄间距静电场装置》说明书首页就提出：“细线容易断线的缺陷极大地影响了装置的可靠性。”在该发明的技术方案中提出：一种拼装积木式窄间距静电场装置，包括放电极(放电极即为正极)、收尘极(收电极即为负极)和绝缘子，放电极与收尘极间隔平行排列，放电极两端连接放电极连接件，放电极的下部为锯齿状，放电极的上部为管状，锯齿状放电极与收尘极形成收尘区，收尘极两端连接收尘极连接件，放电极连接件和收尘极连接件分别连接在绝缘子上。

该技术方案中的静电场装置工作寿命虽然长，由于锯齿状放电极是导致放电不均匀，放电尖端周围空气中的氧气被激活产生臭氧在所难免；再是尖刺放电的“衰退现象”终生存在。就是因为“断丝”才无可奈何改成尖针状、锯齿状电极的静电吸附型空气净化器。

再如：中国发明专利申请号为200610024299.X，发明名称《电离型气体净化装置》权利要求书中载明：一种电离型气体净化装置由若干个相同长度的阴极和阳极两端分别固定于绝缘板上组成，构成矩型电场；这里的阳极按行列形式排列，两端分别垂直地固定于两块绝缘板上；阳极采用耐腐蚀韧性强的金属丝，直径为0.05～0.2mm，阴极采用铜质或不锈钢的管子，直径8～30cm。

上述发明的电离型气体净化装置的阳极是采用耐腐蚀韧性强的金属丝，所产生的等离子体浓度高；但是阳极两端分别垂直地固定于两块绝缘板上，由于阳极与绝缘板之间存在的微放电效应，使阳极金属丝仅仅工作几个月就被烧断，事实上此方案没有实用价值。

现有技术中：等离子体反应器的正电极选用细金属丝容易被烧断的根本原因--微放电效应没有被发现，对其物理上的原因也不明确，因而也就找不出解决阻止微放电效应的技术方案。凡是正在实施等离子体反应器放电正电极选用锯齿状或尖针状结构的空气消毒净化器的生产厂家，以前多数做过金属丝作为正电极的等离子体反应器；而现在又被空气消毒净化效果与臭氧及氮氧化物浓度超标这一对矛盾所困扰。也就是说，消毒试验勉强合格，而臭氧味已经很浓了，要想符合GB/T18883-2002《室内空气质量标准》中关于空气臭氧量≤0.16mg/m³的规定是困难的。

更有甚者，干脆连等离子体反应器也摒弃掉，改成尖针状、锯齿状电极作电子静电吸附型净化器，它只能吸附尘埃，分解有毒有机物能力是不及等离子体反应器。宁可牺牲消毒净化效果，以换取消毒净化器的可靠性和工作寿命；摒弃细金属丝正电极而选用锯齿状或针尖状放电极作反应器的方案是一种技术偏见。

为此推出了光催化和静电集尘相结合技术方案。例如申请日：2008.4.22，申请号为200810060790.7，发明名称：《一种长效净化室内空气复合污染的装置》的独立权项是这样描述的：一种长效净化室内空气复合污染的装置，包括外壳，其特征在于：所述的外壳内设有风机、高压静电放电极、高压电源、集尘板、灰尘收集器、直流电源、紫外光源、光催化板、免再生活性炭纤维层；外壳前部下端设有进气口，后部下端设有出气口，壳体内靠近出气口设置风机；壳体内靠近进气口设有高压静电放电极，与高压静电放电极平行设有一集尘板；集尘板后设置若干组光催化板，相邻的光催化板一端交替与外壳的上下板固定，另一端留有空隙；光催化板间设有紫外线；壳体后部风机前设有免再生活性炭纤维层；装置底部依次设灰尘收集器、直流电源、高压电源，其中灰尘收集器置于集尘板下方中间，直流电源正极与光催化板相连，高压电源负极与高压静电放电极相连。

该发明的优点是光催化和静电集尘互补，但设置了紫外光源，紫外线放电灯容易损坏，紫外线对人体的伤害是显而易见的。紫外光源耗电也不小，一个60m³的室内符合国家卫生部关于公共场所空气净化标准，功率至少需要160W。再说静电集尘的灭菌和分解有机物效果不及等离子体空气净化器。

发明内容：

本发明是为了解决等离子体与二氧化钛光催化技术作为新型空气消毒净化的课题而完成的，更是为了解决现有技术的不足及偏见而提供一种电晕放电均匀、产生等离子体和自由基强度高，能高效杀灭细菌、病毒，降解挥发性有机化合物、可靠性好、工作寿命长的设有金属带--板结构反应器的净化器。

试验表明：锯齿状或针尖状正电极反应器是在顶尖处作电晕放电的；而金属带是沿着带的四周作电晕放电的。在同等条件下产生的等离子体的均匀性及浓度是明显的比锯齿状或针尖状的优越。

要想实现上述目的，关键要找出“等离子体反应器正电极选用细金属丝容易被烧断的根本原因”。经过调查分析：目前多数技术人员为了解决等离子体反应器正、负电极之间上万伏特高电压的绝缘问题，选用塑料、有机玻璃、环氧树脂等绝缘材料作支架固定。也有少数的在绝缘支架与金属丝电极之间加了细弹簧。研究表明：介电常数高的绝缘材料对隔离高电位的正、负极有好处，致命弱点是产生微放电现象。是正电极周围形成的强电场，在等离子体的催化作用下导致正电极金属丝与绝缘材料接触区域局部产生微放电。介电常数越高的材料，其表面微放电现象愈不可避免。这种微放电现象产生的高能电子对绝缘材料和金属导电材料分子的电离和离解起到直接作用，分解产物为它们的氧化物及水--这就是等离子体反应器的放电正电极选用细金属丝容易被烧断的根源所在。细金属丝结构作为放电正电极的等离子体反应器，近三年来却是销声匿迹是不难理解的。

发明人选用同一规格高压脉冲电源，专对丝状、带状、锯齿状及针尖状放电正极制成的等离子体反应器在密封室内同时连续通电作对比试验，日夜检测。工作仅两个星期，锯齿状及针尖状反应器工作电流已明显下降；丝状反应器工作六个星期出现断丝；带状相对比较稳定。但是，所有反应器底部都流满了深黑色粘液。正、负电极之间的绝缘物表面均有黄黑色的爬电痕迹，此区的不锈钢正电极表面也出现被腐蚀的迹象。在绝缘支架与金属丝正电极之间加了细弹簧的反应器所发生的现象也相仿，细弹簧的比金属丝断裂时间仅延迟了两、三个月左右。这是因为弹簧不允许太粗，否则金属丝容易被拉断或弹簧不起作用。此弹簧即使是不锈钢制成也难逃因微放电被电蚀的厄运。

在上述老化实验中，这种等离子体与金属、绝缘物表面的相互作用产生微放电的影响，首先使小部分等离子体由于微放电造成污染，减少了等离子体浓度，使反应器工作效率降低；同时也对反应器的结构造成破坏，缩短了使用寿命。研究这种微放电机理在等离子体反应器中的作用，提出切实可行的技术改进新方案是本发明创造的精髓。

再一个是高压电源对于呈容性负载的等离子体反应器匹配问题。试验表明：在大气压下要想使反应器作电晕放电产生高浓度等离子体以提高其杀菌消毒净化效率应具备两个条件。首先是外加高压电场只对空气中的电子施加能量，在瞬间(nS级)增温、加速，获得动能，使质量很小的电子温度高达一万度以上，而其它粒子获得极低能量。另一个条件是：外加电场对电子施加能量的时间(uS级)要远小于不给电子施加能量的时间，使气体获得的能量能够及时传导出去，防止过渡到热等离子体而降低效率。这就要求等离子体电源不但提供10--20KV的直流高压电外，还必需有高的占空比，上升时间达到至少是120nS的高频窄脉冲电流。同时考虑到等离子体反应器一般相当于几百至上千uuF的电容量，正、负电极长期工作又难免被意外短路--所有这些对于等离子体电源的安全性、稳定性要求之苛刻是可想而知的。鉴于目前半导体功率开关器件的导通和关断时间是uS级，采用常规的设计方法：例如半桥逆变、多谐振荡、间歇振荡或倍压整流是很难满足上述两个条件的。nS级的耐高压大功率开关器件价格昂贵，而且工作寿命短，设计在民用产品上是不切实际的。

上述两个关键点正是业内人士最为关注的，集中研究的焦点；也是等离子体空气消毒净化器开发的技术瓶颈口。

为了达到上述目的，本发明所设计的设有金属带--板结构反应器的净化器，包括等离子体反应器、脉冲电源、风机组件、控制器、进风口、出风口和外壳，进风口和出风口各设有空气过滤器，等离子体反应器和风机组件设置在气流之中，控制器的两个输出端分别与脉冲电源、风机组件的电源控制端电连接。所述的等离子体反应器内设有正电极和负电极，正电极是由若干条耐氧化的金属带设在同一平面内按等距离平行排列制成一个组件，共计n组(n为50以内整数)；负电极是表面氧化处理的铝板制成，两面敷设纳米级TiO₂，共计n+1块。根据反应器功率要求还设有若干条由铝棒或不锈钢条制成的阻止微放电导电轨，阻止微放电导电轨上设有等距离排列的凸部，所述的正电极的两端是分别固定在相对应导电轨上的凸部顶端。阻止微放电导电轨的两端各设置一个导电轨绝缘支架固定在所述的外壳相对应安装孔中；若干条阻止微放电导电轨用耐氧化导线作电连通。

所述的脉冲电源内设有EMC滤波器、整流电路、滤波电路、脉冲发生器、脉冲变压器依次序作电连接，脉冲变压器的高压输出端正极接等离子体反应器的正电极，高压输出端负极与等离子体反应器的负电极连通接地。所述的脉冲发生器内设有的振荡器、误差放大器、PWM比较器及开关管，脉冲变压器与脉冲发生器内的开关管是单端反激式逆变器设置的。

优先地所述的阻止微放电导电轨的凸部是上下对称两个设为一组，每根阻止微放电导电轨的凸部设n组，凸部顶端设置向外侧弯头；正电极两端设有不锈钢连接框，不锈钢连接框中间冲成方孔，所述的凸部顶端弯头套入不锈钢连接框方孔内；凸部是厚度0.3～1mm的不锈钢弹性片。

优先地所述的负电极靠外壳边的上、下两端各设一个凸出的负电极固定梢，外壳对应处开凹槽对接紧固；负电极的两面敷设纳米级TiO₂是带隙能3.2eV的锐钛矿型催化剂。

优先地所述的脉冲变压器设有一个多槽绝缘线圈骨架，次级线圈是分三段至五段绕制在多槽绝缘线圈骨架相对应的凹槽内串联而成。初级线圈和次级线圈的内孔中设有磁芯作电磁耦合，磁芯的磁回路中设有磁气隙；所述的磁芯最佳设计用铁基超微晶铁心，也可以设置铁氧体磁心。

优先地所述的每组上下对称的两个凸部弯头处是按同极性屏蔽效应距离设计的，相邻两根正电极的金属带之间距离范围是按16～26mm排列；所述的正电极与负电极之间的放电距离设计范围是8～18mm。

优先地所述的正电极是由若干条镍铬金属带设在同一平面内，相邻两根正电极最佳值按22mm等距离排列制成一个组件；正电极与负电极之间的最佳放电距离是12mm。

优先地所述的脉冲发生器内的振荡器、误差放大器和PWM比较器及开关管是制成一个模块；也可以选用开关电源控制集成电路IC1包括开关管是合用一块单片集成电路TOP225或TOP224制成，或是性能更好的单片五端开关电源IC1包括MC33374制成。

优先地所述的正电极的镍铬金属带的牌号为Cr20Ni80的高电阻电热合金，也可以是铁铬铝材料的牌号为0Cr27A17Mo2的高电阻电热合金；或所述的正电极是Ti3Al为基的钛合金材料制成。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

一种设有金属带--板结构反应器的净化器，它所产生的等离子体与二氧化钛光催化的自由基作为新型空气消毒净化因子，是强强联合的新课题，它们均能高效杀灭细菌，降解挥发性有机化合物VOC_S，也可以抑制甲型H1N1流感的空气传播途径。尤其是等离子体空气消毒净化器内含高压脉冲静电场，还能吸附粒径小至0.01μm颗粒物。

一种设有金属带--板结构反应器的净化器，所述的正电极是由若干条耐氧化的金属带制成，负电极是铝板制成，还设有若干条由铝棒或不锈钢条制成的阻止微放电导电轨，正电极的两端是分别固定在相对应的两根阻止微放电导电轨的凸部顶端，阻止微放电导电轨的两端设置导电轨绝缘支架固定在所述的外壳相对应安装孔中。所以与现有技术相比，其微放电效应被阻止，使每根耐氧化的金属带在直流强电场中作稳定的电晕放电，获得高强度等离子体。克服了“细线容易断线的缺陷”，纠正了“宁可牺牲消毒净化效果，摒弃细金属丝的正电极而选用锯齿状或针尖状放电极以换取消毒净化器的可靠性和工作寿命的技术偏见。”再是外接直流电源的负极导线连接反应器金属外壳通地线，既安全、又兼备电磁屏蔽作用，符合电磁兼容要求。

根据上述结构设计，本发明的金属外壳左右两边与负电极平衡部分同时兼有负电极作用，省略两片负电极板，使等离子体反应器的整体结构更紧凑，简单。开发本发明重点关注的是：正电极的金属带在反应器中作电晕放电时，引起溅射导致电极损耗后，金属带损耗处因缺损后距离负电极板拉远，放电电流自然减小；反之金属带损耗较少部位放电电流自动增大。这样，正电极损耗处于自我调节状态，进一步延长其工作寿命，获得意想不到的效果。

本发明所设计的脉冲电源中的脉冲发生器与脉冲变压器是按反激式逆变器设置，获得高频窄脉冲驱动电流，在呈容性的等离子体反应器工作中不会出现打火之类故障。必须说明的是，脉冲发生器与脉冲变压器按反激式逆变器设置，它除了完成升压任务，还使与之连接的等离子体反应器与市电隔离，反应器的负电极和外壳可以直接安全接地，电磁屏蔽性能更好。

同时获得意想不到的有益效果是：反激式逆变器输出的脉冲电流是脉冲发生器在关断时使存储在脉冲变压器初级绕组内的磁能瞬间释放，获得输出18KV_P-P，工作频率40KH_Z，脉冲宽度4μS，上升时间70nS的窄脉冲高压电晕放电电流；再是当等离子体反应器意外短路，由于反激式脉冲变压器的隔离作用，即脉冲发生器关闭时脉冲变压器的次级才导通输出，因而脉冲电源的半导体开关管工作是安全的，保护电路只作辅助用。此设计可靠性高，开关管可以选用耐压600V的普通功率半导体管。

特别强调的是等离子体反应器负电极表面氧化处理的铝板制成，上面层面容易敷设TiO₂。氧化处理生成的Al₂O₃层面薄，在18KV_P-P窄脉冲高压电场中不影响电晕放电。当等离子体反应器作电晕放电时，反应区发出的蓝光含有紫外线，波长为300--400nm，光强峰值位于357nm。而TiO₂的禁带宽度是3.2eV，对应紫外线波长阈值是387.5nm。实验表明TiO₂作空气消毒净化时，催化光源波长最好是≤387.5nm，反应区发出的紫外线波长峰值位于357nm是符合这一条件的。这样一来，紫外光源就可省掉，避免了紫外线放电灯损坏、对人体的伤害及紫外光源耗电量大的弊端。

本发明的消毒因子是低温等离子体加激发TiO₂所产生的自由基。

本发明提供的是一种窄脉冲高压电场配合容性负载的设有金属带--板结构反应器的净化器，电晕放电均匀、产生等离子体和自由基强度高，可靠性好、工作寿命长、整体结构牢固，而且绝缘性能良好，安装工艺简单。完成了上述的课题，也解决了现有技术的不足及偏见。

本发明的高压脉冲电源输出端的正极与等离子体反应器的正电极作电连通，高压电源输出端的负极与等离子体反应器的负电极(外壳)作电连通；将等离子体反应器及风机系统设置在进风口和出风口之间。在控制器内设有时间控制程序，把室内空气在等离子体反应器内循环8--10次就可以达到空气消毒净化目的。根据试验报告，本发明具有广谱杀菌效果：对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、枯草杆菌、白念株菌、霉菌及支原体、乙肝、流感等病毒均有高效的杀灭率。同时具有吸附可吸入颗粒物、去血腥、去异味、降解甲醛、烟雾和TVOC等有机废气的功能。报告载明，在100m³室内工作30min，经检测：白色、金黄色葡萄球菌的杀灭率为99.9％；菌落总数：≤200cfu/m³；异味去除率：≥96％；悬浮粒子数：≤350个/L(Φ≥0.5μm)；甲醛去除率达99.8％；空气中留存臭氧量≤0.02mg/m³。节能是显而易见的：100m³室内达到国家卫生部关于医院II类环境空气消毒标准，本发明制成的空气消毒净化器的消耗功率为7--8W，而达到同样效果的紫外线及臭氧的能耗至少为160W。

可见，本发明对于所属技术领域的技术人员是非显而易见的，并能够产生预想不到的技术效果。

附图说明：

图1是本发明设有金属带--板结构反应器的净化器立体结构图；

图2是本发明的等离子体反应器半剖面的立体结构图；

图3是本发明的阻止微放电导电轨结构示意图；

图4是本发明的脉冲电源电原理图；

图5是本发明的脉冲变压器结构示意图；

图6是本发明的脉冲变压器电路图；

图7是本发明脉冲变压器输出高压放电电流波形图。

主要部件附图标记说明：

1-等离子体反应器      2-脉冲电源          3-风机组件

4-控制器              5-进风口            6-出风口

8-外壳                9-空气过滤器

101-正电极            102-负电极          103-阻止微放电导电轨

105-导电轨绝缘支架    108-反应器外壳      109-凸部

110-不锈钢连接框      111-负电极固定梢

201-EMC滤波器         202-整流电路        203-滤波电路

204-脉冲发生器        205-脉冲变压器      206-电流检测电路

211-初级绝缘线圈骨架  212-多槽绝缘线圈骨  213-高压导线

214-初级线圈          215-次级线圈        216-磁芯

217-高压快恢复二极管  218-磁气隙          219-电源连接器

具体实施方式：

下面参照附图对本发明的实施例作进一步的详细描述。

实施例1：

图1是本发明设有金属带--板结构反应器的净化器立体结构图；图2是本发明的等离子体反应器半剖面的立体结构图；图3是本发明的阻止微放电导电轨结构示意图。本发明是设有金属带--板结构反应器的净化器，包括等离子体反应器1、脉冲电源2、风机组件3、控制器4、进风口5、出风口6和外壳8，进风口5和出风口6各设有空气过滤器9，等离子体反应器1和风机组件3设置在气流之中，风机组件3的风口与挡风板303气密安装。控制器4的两个输出端分别与脉冲电源2、风机组件3的电源控制端电连接。正电极101是由若干条耐氧化的金属带设在同一平面内按等距离平行排列制成一个组件，共计n组(n为50以内整数)。负电极102是表面氧化处理的铝板制成，负电极102的两面敷设纳米级TiO₂，共计n+1块。根据反应器功率要求还设有若干条由铝棒或不锈钢条制成的阻止微放电导电轨103，阻止微放电导电轨103上设有等距离排列的凸部109。正电极101的两端是分别固定在相对应导电轨上的凸部109顶端，阻止微放电导电轨103的两端各设置一个导电轨绝缘支架105固定在所述的反应器外壳108相对应安装孔中。若干条阻止微放电导电轨103用耐氧化导线作电连通。

图4是本发明的脉冲电源电原理图；图5是本发明的脉冲变压器结构示意图；图6是本发明的脉冲变压器电路图。

图中所示：脉冲电源2内设有EMC滤波器201、整流电路202、滤波电路203、脉冲发生器204、脉冲变压器205依次序作电连接，脉冲变压器205的高压输出端正极接等离子体反应器1的正电极101，高压输出端负极与等离子体反应器1的负电极102连通接地。脉冲发生器204内设有的振荡器、误差放大器、PWM比较器及开关管，脉冲变压器205与脉冲发生器204内的开关管是单端反激式逆变器设置的。当用于轿车内的等离子体空气消毒净化器，正电极101设1--2组满足净化要求；用于医院手术室的一般设计20--30组符合消毒净化规范；对于半导体IC洁净室要求高的设40--50组；再大安装就困难，可以用多个反应器拼装。

负电极102也可用铁、铜等其它金属板表面涂镍、铬或不锈钢板替代，但是质价比不如铝板。若干条耐氧化的金属带的正电极101的电晕放电电场是沿着正电极101的径向四周分布均匀。在实施中选用同体积的上述不同结构正电极的反应器，正、负电极放电距离也相同，包括电源配置等条件，耐氧化的金属带正电极101制成的反应器所产生的等离子体浓度是锯齿状或针尖状正电极的反应器的二倍以上，而且测定的臭氧指标只是锯齿状或针尖状的正电极反应器的四分之一，符合国家关于《室内空气质量标准》中的臭氧量≤0.16mg/m³的规定。

反应器外壳108可以是涂锌、镍等耐氧化层的铁板，还可用铝或不锈钢板轧制而成。必须说明的是本发明的反应器外壳108与负电极102平行的两边还兼任负电极功能，不但结构精巧简单，节省材料；而且整体牢固，性能稳定。

二氧化钛(TiO₂)光催化净化技术是高科技前沿净化技术。光触媒是利用光源做催化反应促进有机物分解的光半导体物质，二氧化钛在紫外光线作用下，光源的能量激发TiO₂周围的气体分子产生活性极强的自由基。这些氧化能力极强的自由基几乎可以分解绝大部分有机物质与部分无机物质，产生具有强氧化能力的空穴，其能量相当于15000K的高温；自由基还能破坏细菌的细胞膜，使细胞质流失，进而氧化细胞核，而杀死细菌。它可以直接杀灭细菌和彻底分解有机物为CO₂和H₂O等无机无害小分子，达到杀菌，除臭，空气净化的效果。目前常用的光触媒是氧化能力极强的超微粒子化的二氧化钛，检测中心检测结果表明：光触媒对常见的细菌的杀灭率在99％以上。

本发明的光触媒二氧化钛(TiO₂)光催化净化技术，是依靠等离子体反应器本身产生紫外线的照射催化作用，避免紫外线放电灯容易损坏及耗电大的弊端；特别是弥补了它对颗粒污染物无所作为的缺陷，却使杀灭细菌和分解有机物效果加倍。

实施例2：

本发明所述的阻止微放电导电轨103的凸部109是上下对称的两个设为一组，每根阻止微放电导电轨103的凸部109设n组，凸部109顶端设置向外侧弯头；所述的正电极101两端设有不锈钢连接框110，不锈钢连接框110中间冲成方孔，方孔宽度按正电极101和凸部109的弯头设计配合。所述的凸部109顶端弯头套入不锈钢连接框110方孔内；凸部109是厚度0.3～1mm的不锈钢弹性片。组装时，把不锈钢连接框110与正电极101两端依照所设计长度加工好，再把两端的不锈钢连接框110套入相应的阻止微放电导电轨的凸部109弯头，操作简便，技术指标一致性好。

实施例3：

本发明所述的负电极102靠反应器外壳108边的上、下两端各设一个凸出的负电极固定梢111，反应器外壳108对应处开凹槽对接紧固。负电极铝板厚度设1～2.0mm，表面氧化处理，工作寿命长，外观亮丽。或制成负电极102的不锈钢板厚度0.5～1.5mm。实施中用焊接技术，有翘边现象出现。把负电极102弯边拧锣钉会出现装配误差，工艺上都不如本优先实施例。所述的负电极102的两面敷设纳米级TiO₂是带隙能3.2eV的锐钛矿型催化剂。

本发明所述的正电极101是由耐氧化的高电阻电热合金镍铬金属带制成，也可以是铁铬铝合金材料制成。正电极101的金属带宽度是0.5～3mm，厚度是0.05～0.3mm，金属带厚度是0.05～0.3mm的端面对准负电极102的平板面设置。厚度越薄，起晕电压越低，产生的等离子体浓度高；但是机械强度差。设计中取0.08～0.12mm效果佳。金属带正极放电损耗时，其放电端面表面积保持不变，有效工作寿命可达8--12年。本实施例的另一种技术方案是所述的正电极101是由铁铬铝材料制成金属带，外形尺寸与上述方案相同，只是成本略低，带有磁性，性能稍差。

实施例4：

图5中，本发明所述的脉冲变压器205设有一个多槽绝缘线圈骨架212，次级线圈215是分三段至五段绕制在多槽绝缘线圈骨架212相对应的凹槽内串联而成；所述的初级线圈214和次级线圈215的内孔中设有磁芯216作电磁耦合，磁芯216的磁回路中设有磁气隙218；所述的磁芯216最佳设计用铁基超微晶铁心，也可以设置铁氧体磁心。

脉冲变压器205输出低电位端设有电流检测电路206，将检测到的脉冲变压器205输出电流信号送入脉冲发生器204输入端，脉冲发生器204内设有的振荡器、误差放大器、PWM比较器及开关管。振荡器、误差放大器、PWM比较器及开关管是设置在一个模块内的，也可以集成在集成电路IC1内，IC1内的开关管D极接脉冲变压器205初级绕组a1端，S极接整流电路202负输出端，控制极C与电流检测电路206内所设的光耦电路IC2输出端4连接。脉冲变压器205的初级线圈214和次级线圈215的同名端a1、a2和异名端b1、b2是反向设置的。脉冲变压器205与集成电路IC1内的开关管是单端反激式逆变器设置的。

光耦IC2的输入端1脚接地，光耦IC2输入端2脚与脉冲变压器205的次级线圈异名端b2连接，光耦IC2输出端3脚接整流电路202的负输出端，光耦IC2的4脚是输出端。取样电阻R2并联在光耦IC2的输入端。流经取样电阻R2上是脉冲变压器205送至等离子体反应器1的工作电流，由光耦IC2光电转换作电隔离后，将等离子体反应器1的工作电流取样送至脉冲发生器204内的误差放大器和PWM比较器处理。当等离子体反应器1工作时被损坏、老化、短路时的异常状态信号电流经过处理，PWM比较器的输出脉宽为零，开关管被关闭，实现自动保护。同样，当等离子体反应器1的工作电流因负载大小而变化，PWM比较器的输出脉宽也改变，控制开关管导通时间，实现自动调整脉冲电源输出功率。

本发明所述的脉冲发生器204内设有瞬变二极管D5和快恢复二极管D6反向串联后与初级线圈214并联，瞬变二极管D5的正极与整流电路202的正输出端连接，电容器C6与瞬变二极管D5并连。快恢复二极管D6的正极与开关管漏极连接。瞬变二极管D5吸收脉冲发生器204关断时产生的反向超过阈值的峰值电压，起箝位作用。本实施例当市电电压为220V时，瞬变二极管D5优选1.5KE250A型，工作电流4.2A，限幅电压237--263V。整流电路202是由二极管D1、D2、D3和D4按桥式整流电路连接。滤波电容器C3与整流电路202直流输出端并联。

本发明脉冲电源2工作原理：

市电由整流电路202桥式整流，滤波电容器C3滤波供脉冲发生器204逆变。当脉冲发生器204中的开关管被PWM脉冲激励而导通时，次级高压快恢复二极管217因反向而截止；整流电路202直流输出电压施加到脉冲变压器205初级线圈的两端，此时初级线圈214相当于一个纯电感，流过初级线圈214的电流线性上升，电源能量以磁能形式存储在初级线圈214的电感中；当开关管截止时，由于电感电流不能突变，初级线圈214两端电压极性瞬间反向，次级线圈215上的电压极性颠倒使高压快恢复二极管217正向导通，初级线圈214储存的能量传送到次级线圈215升压，产生高压窄脉冲电流，提供给外接的等离子体反应器1作电晕放电。

脉冲变压器205的输出端设有高压导线213与等离子体反应器207的正极连接。高压快恢复二极管217的耐电压参数至少是12KV，恢复时间小于80nS；初级线圈214是绕在初级绝缘线圈骨架211内，初级绝缘线圈骨架211和多槽绝缘线圈骨架212的内孔中设有铁基超微晶铁心216作电磁耦合。铁基超微晶铁心216的磁回路中设有磁气隙218，磁气隙218的设置宽度是0.15--0.4mm，是根据工作频率和输出功率予以调整。高压快恢复二极管217将次级线圈215每个线包作高频隔离，绕组的分布电容是按指数下降，有利于提高输出脉冲的上升沿和下降沿的速率；还可以降低对高压快恢复二极管217的反向耐电压要求，既降低成本、又增加工作可靠性，获得意想不到的效果。

图7是本发明脉冲变压器输出高压放电电流波形图。此放电电流波形是在脉冲变压器205的输出端外接等离子体反应器1接地端的取样电阻器上测得的。数字式示波器显示表明：脉冲占空比为16％，脉冲宽度是3uS，脉冲上升时间为70nS。本发明脉冲变压器输出高压放电电流波形一致性好，等离子体反应器1的电晕放电稳定。

实施例5：

本发明所述的负电极102是表面氧化处理的铝板制成，负电极102的两面敷设纳米级TiO₂。特别强调的是等离子体反应器负电极表面氧化处理的铝板制成，上面层面是容易敷设TiO₂。氧化处理生成的Al₂O₃仅3--4μm，层面薄，在18KV_P-P窄脉冲高压电场中不影响电晕放电。当等离子体反应器作电晕放电时，反应区发出的蓝光含有紫外线，紫外光源就可省掉，避免了紫外线放电灯损坏、对人体的伤害及紫外光源耗电量大的弊端。

实施例6：

本发明所述的每组上下对称的两个凸部109弯头处是按同极性屏蔽效应距离设计的，每根正电极101的金属带之间距离范围是按16～26mm排列。优先地所述的正电极101与负电极102之间的放电距离设计范围是8～18mm。正电极101与负电极102之间的距离是根据外加高压电源的电场强度设定的。

实施例7：

本发明所述的正电极101是由若干条镍铬金属带设在同一平面内，相邻两根正电极101最佳值按22mm等距离排列制成一个组件；正电极101与负电极102之间的最佳放电距离是12mm。

实施例8：

所述的脉冲发生器204内的振荡器、误差放大器和PWM比较器及开关管是制成一个模块；也可以选用开关电源控制集成电路IC1包括开关管是合用一块单片集成电路TOP225或TOP224制成，或是性能更好的单片五端开关电源IC1包括MC33374制成。

实施例9：

本发明所述的正电极101金属带最佳宽度是2mm，厚度是0.08mm。

正电极101金属带是镍铬金属带，牌号为Cr20Ni80的高电阻电热合金，也可以是铁铬铝材料的牌号为0Cr27A17Mo2的高电阻电热合金；它的最高使用温度是1400℃，耐氧化。

所述的正电极101是Ti3Al为基的钛合金材料制成。钛铝化合物为基的钛合金。与一般钛合金相比，钛铝化合物为基的Ti3Al(α2)和TiAl(γ)金属间化合物的最大优点是高温性能好，最高使用温度分别为816℃和982℃，抗氧化能力强、抗蠕变性能好和重量轻。

等离子体是由大量正、负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体电场作用的、电荷整体呈准中性的气体云。等离子体对细菌细胞膜构成严重击穿和破坏；再是它能打开气体分子键，生成单原子分子、负氧离子、OH离子和自由氧原子、H₂O₂等自由基，具有极强的活化和氧化能力。它对细菌、病毒具有很强的杀伤力。它还能分解甲醛、苯、氡、氨气、一氧化碳、烟气、TVOC等高分子有毒有机物，转化成低分子无毒无味的无机物，如炭、水等。内部设置的等离子体反应器含静电场，能吸附小至0.01μm粒径的颗粒物，进一步净化空气。等离子体空气消毒净化技术的先进性已被业内专家学者所认可，其杀菌消毒机理的科学性和先进性是无可比拟的，被国际上称之为“二十一世纪环境科学四大技术之一”。本发明再加上二氧化钛(TiO₂)光催化在等离子体反应器发出的紫外光线作用下，光源的能量激发TiO₂周围的气体分子产生活性极强的自由基。这些氧化能力极强的自由基几乎可以分解绝大部分有机物质与部分无机物质，达到杀菌，除臭，空气净化加倍的效果。

本发明使用范围是工厂洁净室、医院手术室、隔离病房、办公楼、会议室、影剧院、火车、汽车、地铁、舰船等公共场所及其家庭的空气消毒净化。

Claims (7)

1.设有金属带——板结构反应器的净化器，包括等离子体反应器(1)、脉冲电源(2)、风机组件(3)、控制器(4)、进风口(5)、出风口(6)和外壳(8)，进风口(5)和出风口(6)各设有空气过滤器(9)，等离子体反应器(1)和风机组件(3)设置在气流之中，控制器(4)的两个输出端分别与脉冲电源(2)、风机组件(3)的电源控制端电连接，其特征在于所述的等离子体反应器(1)内设有正电极(101)和负电极(102)；正电极(101)是由若干条耐氧化的金属带设在同一平面内按等距离平行排列制成一个组件，共计n组，n为50以内整数；所述的负电极(102)是表面氧化处理的铝板制成，负电极(102)的两面敷设纳米级TiO₂，共计n+1块；根据反应器功率要求还设有若干条由铝棒或不锈钢条制成的阻止微放电导电轨(103)，阻止微放电导电轨(103)上设有等距离排列的凸部(109)，所述的正电极(101)的两端是分别固定在相对应阻止微放电导电轨上的凸部(109)顶端，阻止微放电导电轨(103)的两端各设置一个导电轨绝缘支架(105)固定在反应器外壳(108)相对应安装孔中；若干条阻止微放电导电轨(103)用耐氧化导线作电连通；所述的脉冲电源(2)内设有EMC滤波器(201)、整流电路(202)、滤波电路(203)、脉冲发生器(204)、脉冲变压器(205)依次序作电连接，脉冲变压器(205)的高压输出端正极接等离子体反应器(1)的正电极(101)，高压输出端负极与等离子体反应器(1)的负电极(102)连通接地；所述的脉冲发生器(204)内设有的振荡器、误差放大器、PWM比较器及开关管，脉冲变压器(205)与脉冲发生器(204)内的开关管是单端反激式逆变器设置的；所述的脉冲发生器(204)内的振荡器、误差放大器和PWM比较器及开关管是制成一个模块。 

2.根据权利要求1所述的设有金属带——板结构反应器的净化器，其特征在于所述的阻止微放电导电轨(103)的凸部(109)是上下对称两个设为一组，每根阻止微放电导电轨(103)的凸部(109)设n组，凸部(109)顶端设置向外侧弯头；所述的正电极(101)两端设有不锈钢连接框(110)，不锈钢连接框(110)中间冲成方孔，所述的凸部(109)顶端弯头套入不锈钢连 接框(110)方孔内；凸部(109)是厚度0.3～1m的不锈钢弹性片。 

3.根据权利要求1所述的设有金属带——板结构反应器的净化器，其特征在于所述的负电极(102)靠反应器外壳(108)边的上、下两端各设一个凸出的负电极固定梢(111)，反应器外壳(108)对应处开凹槽对接紧固。 

4.根据权利要求1所述的设有金属带——板结构反应器的净化器，其特征在于所述的脉冲变压器(205)设有一个多槽绝缘线圈骨架(212)，次级线圈(215)是分三段至五段绕制在多槽绝缘线圈骨架(212)相对应的凹槽内串联而成；初级线圈(214)和次级线圈(215)的内孔中设有磁芯(216)作电磁耦合，磁芯(216)的磁回路中设有磁气隙(218)；磁芯(216)用铁基超微晶铁心，或设置铁氧体磁心。 

5.根据权利要求2所述的设有金属带——板结构反应器的净化器，其特征在于每组上下对称的两个凸部(109)弯头处是按同极性屏蔽效应距离设计的，相邻两根正电极(101)的金属带之间距离范围是按16～26mm排列；所述的正电极(101)与负电极(102)之间的放电距离设计范围是8～18mm。 

6.根据权利要求1或5所述的设有金属带——板结构反应器的净化器，其特征在于所述的正电极(101)是由若干条镍铬金属带设在同一平面内，相邻两根正电极(101)按22mm等距离排列制成一个组件；正电极(101)与负电极(102)之间的放电距离是12mm。 

7.根据权利要求1所述的设有金属带——板结构反应器的净化器，其特征在于正电极(101)的镍铬金属带的牌号为Cr20Ni80的高电阻电热合金，或是铁铬铝材料的牌号为OCr27A17Mo2的高电阻电热合金；或所述的正电极(101)是Ti3Al为基的钛合金材料制成。 

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