CN102056392B - 一种高气压放电产生冷等离子体的方法及介质阻挡放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到高气压下气体放电产生冷等离子体的方法，以及使用这种方法的介质阻挡放电装置。其方法是对施加电场的放电空间添加分散的导电颗粒，导电颗粒引起电场畸变，电晕放电首先发生在导电颗粒表面附近，放电通道大致沿电力线主导的方向发展。放电及产生的冷等离子体在空间分布均匀性和密度由导电颗粒分布主导。在介质阻挡放电装置中，添加分散的导电颗粒，可以使放电空间所施加的平均电场强度低于气体的临界击穿场强。因此这种放电及产生冷等离子体在空间分布更均匀，且可以降低放电所需的电压，可广泛用于各种气相等离子体化学反应。

Description

一种高气压放电产生冷等离子体的方法及介质阻挡放电装置

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，涉及到高气压下气体放电产生冷等离子体方法及装置。

背景技术

高气压(通常在0.1个大气压以上)冷等离子体中存在丰富的电子、离子、自由基和激发态原子与分子等活性粒子。许多通常条件下不发生或者只能在极其苛刻条件下发生的化学反应在高气压冷等离子体中都很容易发生。高气压冷等离子体广泛应用于工业上诸多领域。

高气压下产生冷等离子体的适用方法主要有电晕放电和介质阻挡放电，此外也可采用射频、微波、脉冲电晕等放电方法产生。

电晕放电起始放电电压低、电极间隙大，但放电限于在电极尖端附近，空间分布梯度大，其产生的冷等离子体体积小，且电晕电极布置的密度受到限制。为了扩大电晕放电的放电范围，而又不至于造成电极之间完全击穿而形成火花或电弧，使用脉冲电晕放电可以产生较大体积相对均匀的冷等离子体，但脉冲电源成本高、寿命短，在实际应用中受到限制。

在电晕电极对之间、或电晕电极与平电极之间插入绝缘介质阻挡层，构成电晕介质阻挡放电，可以限制电晕放电的击穿问题，在一定程度上提高了电晕放电产生冷等离子体的总量，但放电通道的数目受制于尖端电极数目，其空间分布不均性同样存在。

使用介质阻挡放电，包括体积放电和表面放电，可以得到较高密度的放电通道。为了提高放电通道的密度和均匀性，通常使用较小的间隙(小于2mm)，并且提高电源电压的过电压倍数。过大的间隙会延长放电脉冲时间，容易引起火花放电，造成气体温升过高，放电能量转为气体热能而造成电能浪费，且使放电集中在少量的通道中造成放电分布不均匀。

现有技术中，除了脉冲电晕方法外，尚没有在较大空间产生高密度均匀冷等离子体的方法和装置。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明提出在高气压下实现放电的空间高密度均匀分布、产生大体积冷等离子体的方法和实现这种方法的装置。

本发明的放电产生冷等离子体的方法是：在施加低于气体临界击穿场强的放电空间中添加分散的导电颗粒，所述导电颗粒引发在其周围的电场畸变，产生电晕放电，随着外加电场的上升，放电通道进一步发展产生大体积空间放电。由于电晕诱导的起始放电电压降低，使长间隙的放电通道发展不至于形成火花。高密度分布的导电颗粒使放电通道密度更大，分布更加均匀。实现高气压低电场强度下产生大空间均匀冷等离子体的目的。

为了放电在空间分布均匀，所述导电颗粒在空间分布相对均匀。所述导电颗粒可以通过悬浮的方式、气体作用下流动或者重力作用下降落的方式分散在放电空间中。

所述导电颗粒任意方向的最大尺度小于1mm，导电颗粒在放电空间所占的体积分数小于30％。

为了使放电通道发展不至于造成电极之间的间隙击穿，可采用施加窄脉冲电场、微波电场、高频电场和具有介质阻挡层的高压交流电场。

应用上述方法的一种介质阻挡放电装置，包括由至少一对电极组成的电极对和至少一个插入所述电极对的绝缘介质阻挡层构成的放电空间，在所述放电空间添加分散的导电颗粒，在所述电极对上施加交流高压电源。

所述交流高压电源在所述电极对之间产生低于气体临界击穿场强；所述导电颗粒引发在其周围的电场畸变，使导电颗粒表面附近电场上升超过气体击穿电压，产生电晕放电，随着外加电场的上升，放电沿电力线主导方向发展，形成由多个导电颗粒桥接的放电通道；放电通道沿电力线纵向的发展止于介质阻挡层，并使放电停止。由于导电颗粒的电晕诱导作用，施加在放电间隙上的起始放电电压有明显的降低，降低了单次放电的能量和一个放电通道对该通道周围放电的抑制。且由于分散在放电间隙内导电颗粒的电晕诱导作用，放电通道的密度要大于没有颗粒时的放电通道的密度。单次放电能量的降低使放电用于加热气体的能量份额有所降低。从而实现大体积空间高密度均匀分布放电产生冷等离子体。这可以从下面的定性分析得到理解。对于介质阻挡放电，单个通道的放电能量W为：

$W=\frac{1}{2}{{\mathrm{CU}}_B}^2$

由于放电电容C随着的击穿电压U_B变大有所增加，所以放电能量W～U_B ^N(N＞2)。

由于电晕诱导的作用使放电击穿电压U_B降低，则单个放电通道的能量W显著降低，使长间隙的放电通道发展不至于形成火花，放电能量对气体加热贡献减少，产生等离子体的重粒子温度接近于室温。且单个放电通道的能量W显著降低，放电在绝缘介质阻挡层产生的电荷量显著减少，且电荷分布的面积也减小，其放电对其临近产生放电的抑制减弱，是放电密度能够提高的主要原因，产生的等离子体在空间分布均匀性有所提高。

由分散在放电空间的导电颗粒产生电晕诱导的介质阻挡放电装置称之为电晕诱导的介质阻挡放电装置。所述导电颗粒三维的最大尺度小于1mm，导电颗粒在放电空间所占的体积分数小于30％。

导电颗粒占据的空间体积减小了气体间隙击穿长度、以及导电颗粒的形状和空间分布不均匀引起的电场不均匀等，也是造成气体间隙击穿电压的降低因素。特别是对于导电颗粒尺寸较大、导电颗粒占据空间体积分数较大时相对与电晕诱导作用更不能忽略。导电颗粒尺寸越大，电晕诱导作用越弱，而占据放电空间越大从而减少放电间隙长度，从而降低放电击穿电压。

本发明的导电颗粒可以由气相反应催化剂来承担。

本发明的有益效果是通过放电空间内导电颗粒的作用，降低放电击穿电压、提高放电通道密度，产生均匀分布的大体积空间放电，在低电场下产生均匀冷等离子体。

本发明的实际用途是产生高气压冷等离子体用于等离子体增强气相化学反应，如：等离子体增强气相化学沉积用于导电颗粒物的表面处理，导电颗粒为非催化剂时的等离子体增强气相化学反应、以及导电颗粒为催化剂的等离子体增强催化气相化学反应，例如用于废气处理、碳氢化合物重整制氢/合成气等。

实施方案

下面结合附图对本发明作进一步说明，并不对本发明进行任何限制。

附图说明：图1是本发明的一种介质阻挡放电原理装置示意图；图2是本发明介质阻挡放电装置的一种实施例示意图；图3是图2实施实例导电颗粒(碳粉)浓度对降低放电电压作用的实验结果；图4是图2实施实例导电颗粒浓度对提高放电密度作用的实验结果。

图1为应用以上原理方法的介质阻挡放电原理装置示意图。其中由一对分开、平行放置的放电电极5，插在放电电极对5之间、紧贴放电电极对5的绝缘介质阻挡层6，以及放电电源3构成现有技术中典型的介质阻挡放电原理装置；在上述介质阻挡放电装置的一对绝缘介质阻挡层6之间的放电空间2中引入由固体分配器7隔开的均匀分散下落的导电颗粒物1，构成本发明的介质阻挡放电原理装置。

本发明的原理是：电源3给放电电极对5施加一交流电压U，这个电压与上个放电结束时留在介质阻挡层6上的电荷联合作用，在一对绝缘介质阻挡层6构成的放电空间2产生空间电场E，随着空间电场E的变化，导电颗粒1在空间电场的作用下自由电荷向颗粒表面迁移，产生感应电场E’。感应电场E’与空间电场E同向叠加，使得导电颗粒面向电极部位局部表面电场产生畸变升高。当E+E’超过气体的临界击穿场强时，首先在部分导电颗粒表面产生电晕放电。随着外加电压的进一步升高(电源电压变化和前次放电产生的空间电荷在外电场作用下的迁移)，导电颗粒表面的电晕发展成为流注放电，由于导电颗粒的电晕诱导作用，流注发展路径的往往选择桥接导电颗粒。最终形成贯穿整个放电间隙的桥接多个导电颗粒的放电通道4。

放电通道4的发展在平行与电场方向止于绝缘介质阻挡层，并沿绝缘介质阻挡层表面径向扩散减弱，直至自行停止。影响放电通道在绝缘介质阻挡层表面径向扩散的尺寸的重要因素之一是气体击穿前瞬间施加在气体间隙上的电压——击穿电压，击穿电压越高，介质绝缘层表面径向扩散尺寸越大，对该放电通道周围的放电抑制范围越大，放电通道密度越低，同时放电通道单次放电能量随击穿电压以二次方以上的比列增加，使气体温度升高而造成电能的浪费。由于本发明添加导电颗粒的电晕诱导作用，使气体间隙击穿电压降低，从而显著降低放电通道的单次放电能量，降低放电过程的气体温度，同时提高放电密度，产生大体积均匀冷等离子体

所述导电颗粒为导体(金属以及碳、硅等非金属导体)、不良导体、半导体等固态材料，或外部包覆有导电材料的绝缘体，也可以是液态导电颗粒(液滴)，或吸附液态导电物质的绝缘体。所述导电颗粒可以是气相反应中的催化剂。

颗粒的大小尺度为0.01～1mm之间，过小则会团聚和粘壁(绝缘介质阻挡层壁面)，过大则占据空间体积过大，影响空间利用，也不利于产生电晕诱导。

所述导电颗粒1以重力自由下落的方式、气流吹送方式分散填充到放电空间，或以其他悬浮方式分布在放电空间。导电颗粒之间相互分离，没有电气接触。

由于重力的存在和气体的流动，导电颗粒悬浮在放电空间不可能处于静止状态，导电颗粒相互之间间距可能出现改变，及至相互碰撞。导电颗粒占据空间的体积分数小于30％。导电颗粒尺寸越大，导电颗粒可以占据空间的体积分数越大。

导电颗粒占据的空间体积减小了气体间隙击穿长度、以及导电颗粒的形状和空间分布不均匀引起的电场不均匀等，也是造成气体间隙击穿电压的降低因素。特别是对于导电颗粒尺寸较大、导电颗粒占据空间体积分数较大时相对与电晕诱导作用更不能忽略。导电颗粒尺寸越大，电晕诱导作用越弱，而占据放电空间越大从而减少放电间隙长度，从而降低放电击穿电压。

所施加的交流高压电源典型频率为20Hz～100MHz。

图2为本发明介质阻挡放电装置的一种实施例的结构示意图，该介质阻挡放电等离子体发生装置主体绝缘介质阻挡层6采用一内径φ68mm×长350mm×壁厚3mm的石英玻璃管，主体绝缘介质阻挡层6内部设置垂直螺杆提料装置14，该螺杆提料装置主要部件是螺杆和套管，套管外径φ48mm，螺杆的凹槽8为导电颗粒的通道，下端为进料口，上端为出料口；当螺杆旋转时，导电颗粒1沿着螺旋方向在凹槽8内向上输运，并不断送到出料口。在本实例中导电颗粒1为碳粉，目数为70～100目。在出料口下部安装一固体分配器7，该固体分配器为不锈钢薄片上开有由内到外3圈直径分别为φ1mm、φ1.5mm、φ2mm的周向均匀分布的圆孔(也可根据具体材料的颗粒大小而定)。导电颗粒1经过固体分配器7下落后在放电空间均匀分布。固体分配器7上面设置气体入口15。图中白色箭头是气流方向和导电颗粒下落方向，黑色箭头是导电颗粒的输运方向。包裹在反应器主体绝缘介质阻挡层6外壁的铜网电极54与交流高压电源3的高压端相连，高压交流电源3的接地极与螺杆提料装置伸出反应器的部分相连，放电空间间距为10mm。设置在反应器主体下部的气体出口9，出气口末端垂直向下，用铜丝网10封住出气口末端以防导电颗粒通过出气口飞出。设置在反应器底部的电机13，减速装置12和调速装置11，电机13通过联轴器与螺杆提料器5相连，通过调节螺杆转速稳定调控导电颗粒稳定下落流量。利用上述装置所产生的非平衡等离子体为介质阻挡放电等离子体。

图3反映了本实施案例中正负半周期击穿电压与导电颗粒在放电空间体积分数对应的变化曲线。图4反映了本实施案例中施加相同外加电压条件时不同导电颗粒体积分数对应的放电电流脉冲波形图。气压条件为1个大气压空气，导电颗粒为碳粉，颗粒大小为70～100目。从图3和图4中可以看出随着导电颗粒体积分数的增加，正负半周期击穿电压都明显降低，放电密度明显增加。

上述详细说明是针对本发明可行实例的具体说明，该实例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本申请的保护范围内。

Claims (3)

1.一种在高气压下用气体放电产生低温冷等离子体的方法，放电空间在至少插入一个绝缘介质阻挡层的一对平行电极之间，其特征在于：

在所述绝缘介质阻挡层内部设置垂直螺杆提料装置，该螺杆提料装置的主要部件是螺杆和套管，所述螺杆的凹槽为导电颗粒的通道，其下端为进料口，上端为出料口；当螺杆旋转时，导电颗粒沿着螺旋方向在凹槽内向上输运，并不断送到出料口，在出料口下部安装一固体分配器；

对所述气体放电的放电空间施加电场，所述电场的电场强度低于气体的临界击穿场强；

在施加电场的所述气体放电空间添加分散的导电颗粒；所述导电颗粒分散在空间的方法为自由下落方式或者气流吹动方式；所述导电颗粒通过在放电空间上部设置的固体分配器而均匀分散下落从而均匀分布在放电空间内，通过调节螺杆转速稳定调控导电颗粒稳定下落流量；

首先在所述导电颗粒表面附近发生电晕放电，由所述导电颗粒产生电晕诱导放电，然后发展到贯穿所述电极与所述绝缘介质阻挡层之间或所述绝缘介质阻挡层之间的、由多个导电颗粒桥接的放电通道；

所述导电颗粒为固态、或液态、或固液混合态；所述导电颗粒尺寸范围为10μm～1mm，所述导电颗粒在放电空间所占的体积分数小于10％。

2.如权利要求1所述的放电产生低温冷等离子体的方法，其特征在于：对所述放电空间施加的所述电场的形式为交流，所述交流频率为20Hz～20GHz。

3.一种介质阻挡放电的装置，包括至少由一对电极、插在所述一对电极之间的至少一个绝缘介质阻挡层组成，由所述电极与所述介质阻挡层或所述介质阻挡层构成的放电空间，由在所述一对电极之间施加高压交流电源在所述放电空间产生电场，其特征在于：

在所述绝缘介质阻挡层内部设置垂直螺杆提料装置，该螺杆提料装置的主要部件是螺杆和套管，所述螺杆的凹槽为导电颗粒的通道，其下端为进料口，上端为出料口；当螺杆旋转时，导电颗粒沿着螺旋方向在凹槽内向上输运，并不断送到出料口，在出料口下部安装一固体分配器；

所述放电空间的电场的强度低于气体的临界击穿场强；

对所述放电空间添加分散的导电颗粒；所述导电颗粒分散在空间的方法为自由下落方式或者气流吹动方式；所述导电颗粒通过在放电空间上部设置的固体分配器而均匀分散下落从而均匀分布在放电空间内，通过调节螺杆转速稳定调控导电颗粒稳定下 落流量；

所述导电颗粒为固态、液态或固液混合态；所述导电颗粒尺寸范围为0.01～1mm；所述导电颗粒在在所述放电空间所占的体积分数小于10％；

电晕放电首先发生在所述导电粒表面附近，然后发展到贯穿所述电极与绝缘介质阻挡层之间或所述绝缘介质阻挡层之间的、由多个导电颗粒桥接的放电通道。