CN102333411B - 一种分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置 - Google Patents

Abstract

一种分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置，属于气体放电与应用技术领域。本发明的技术特征是在大气压平板式介质阻挡放电反应器上安装小型高频高压变压器，其高压输出端经由快速熔断器与大气压平板式介质阻挡放电反应器相连，组成大气压非平衡等离子体发生单元模块，根据需要将十至数百个大气压平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生单元模块并联组装，构成分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列，该阵列由一台低压高频逆变电源提供激励能量，再利用小型高频高压变压器将激励能量分配到各个独立的大气压平板式介质阻挡放电反应器。本发明的效果和益处是可以提高大气压非平衡等离子体发生阵列的固有谐振频率，优化非平衡等离子体发生单元的放电性能。

Description

一种分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置

技术领域

本发明属于气体放电与应用技术领域，涉及一种基于大气压介质阻挡放电的非平衡等离子体发生系统，尤其是一种分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置。

背景技术

介质阻挡放电是产生大气压非平衡等离子体最具可实现性的方法，在工业臭氧合成领域应用已有一百余年的历史。从原理结构上看，大气压介质阻挡放电可分为同轴圆管式和平行板式两种基本结构。目前，工业化应用中主要采用的是同轴圆管式结构，依据该结构原理构成的大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生系统常常由十至数百根1～1.5m长的放电管并联组成，采用一台频率为50Hz～数百Hz的中低频高压电源激励。由于不同放电管结构参数存在差异，放电管放电间隙宽度仅能在1.5～4mm范围内选择，很难实现小于1mm的窄间隙放电，放电区域的电离度和电离占空比很低，难以实现大气压强电场电离放电，其等离子体化学反应效能受到限制。另一方面，由于介质阻挡放电管具有容性负载特征，并联的放电管数量越多，放电装置的等效电容越大，对高频高压激励电源的要求越高，实现高频激励越困难。

平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置原理结构简单，可以采用介电性能和绝缘性能优良，纯度在96％～99％的α-AL₂O₃材料制作薄电介质层，能够采用数十kHz高频激励在放电间隙为0.25～0.64mm的窄间隙放电空间内实现大气压强电场电离放电。近期的研究成果显示，通过改进大气压平行板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置电极结构，将平行板电极改变为多针-板电极结构，在高电压激励下，可以将微辉光放电模式引入到大气压窄间隙介质阻挡放电中，提高了高能电子在时间和空间上的占有率，实现了基于微流注和微辉光两种电离模式的强电场电离放电，进而为等离子体化学反应提供了丰富的活性粒子，增强了等离子体化学反应效能。然而，尽管平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的放电性能优于同轴圆管式介质阻挡放电装置，尽管平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的反应气体通路长度远小于同轴圆管式介质阻挡放电装置，但它仍存在与同轴圆管式介质阻挡放电装置相同的缺陷，即存在影响放电性能的结构参数误差和容性负载特征，平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置尺度的增大和并联数量的增加同样会引起非平衡等离子体化学反应效能的劣化。

根据介质阻挡放电的原理结构，大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置无论是工作在微流注放电模式还是工作在微辉光放电模式，对于激励电源来说都属于阻容性负载，正常工作状态下都存在一个等效电容C，该电容能够和高频高压变压器的漏感L_s产生谐振，其固有谐振频率为f₀

。因此，对于一个确定的大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生系统，必然存在一个固有的谐振频率f₀，当大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生系统的最佳激励频率小于f₀时，大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的等离子体化学反应性能能够得到充分的发挥，反之则出现劣化，激励频率越高，劣化现象越严重。大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的结构尺度越大，放电单元并联数量越多，等效电容越大，谐振频率越小，大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的工作频率就会受到限制，难以保持非平衡等离子体发生装置放电性能的稳定和提高。目前，用于非平衡等离子体化学反应的介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的最佳激励频率通常高于数十kHz，而这种激励频率只能在较小尺度的介质阻挡放电装置上实现，在超大尺度的介质阻挡放电装置上最高仅能工作在数百Hz。产生这种状况的原因可以归结为两个方面，一是产生数十kHz的低漏感高频率高电压的大功率变压器在制造技术上存在困难，价格也非常昂贵；二是介质阻挡放电装置尺度的加大或放电单元并联数量增多其等效电容会随之增加，致使放电装置的固有谐振频率很低。而大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生系统的未来发展趋势之一就是实现气态物质的规模化活化或转化，实现在高级氧化技术(AOT)、海洋环境污染防治等领域的应用，这就需要有适宜的非平衡等离子体发生体系与之相适应。

在较小尺度上，采用纯度为96％～99％的高纯度α-AL₂O₃制作薄电介质层，采用低于1mm的窄放电间隙和数十kHz高频高压激励的大气压平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生装置的制造技术较为成熟，与之相匹配的高频高压激励变压器制作技术也成熟可靠，体积小，价格低。基于大气压介质阻挡放电微流注和微辉光两种放电模式，将平板式大气压介质阻挡放电装置与小型高频高压变压器组合起来构成大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生单元模块，再根据实际应用需要将十至数百个单元模块并联构成分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列，该阵列由一台低压高频逆变电源集中控制所有单元模块的小型高频高压激励变压器，以此解决大气压平板式介质阻挡放电体系的尺度效应问题，提高大气压平板式介质阻挡放电系统的固有谐振频率，保证大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生阵列中每个放电单元模块均处于最优的工作模式，以此提高大气压非平衡等离子体的化学反应效能，扩大大气压非平衡等离子体化学反应规模。

发明内容

本发明克服了现有平板式大气压介质阻挡放电非平衡等离子体发生系统的不足和缺陷，提供一种分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置。本发明是在平板式介质阻挡放电结构的基础上，将小型高频高压变压器置入平板式介质阻挡放电结构中，组合成大气压平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生单元模块，再根据应用需要将十至数百个大气压平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生单元模块并联，构成分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列，以此提高平板式介质阻挡放电体系的工作频率，提高非平衡等离子体化学反应效能，扩大反应规模。

本发明的技术方案是：

分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置包括分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列和低压高频逆变电源两部分。

分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列由大气压非平衡等离子体发生单元模块、接触器、高频功率传输线组成。

大气压非平衡等离子体发生单元模块包括：大气压平板式介质阻挡放电反应器、小型高频高压变压器、快速熔断器、放电电流传感器、高压绝缘端子、冷却水入口、冷却水出口、原料气体入口和反应气体出口。大气压平板式介质阻挡放电反应器上安装有小型高频高压变压器，其高压输出端经由快速熔断器和绝缘端子与大气压平板式介质阻挡放电反应器的高压电极连接；其低压输出端经由放电电流传感器接地；大气压平板式介质阻挡放电反应器具有双电离腔结构，双电离腔由一个高压电极放置在两个接地电极中间构成，高压电极和接地电极即可以使用平板电极，也可使用针阵列电极，但至少有一个电极为平板电极，且有效放电面积不小于300cm²，平板电极表面需要均匀覆盖厚度为0.47～0.64mm、纯度为96％～99％的α-AL₂O₃电介质层，电介质层厚度误差不超过1％，当电离腔中的高压电极和接地电极均为平板电极时，仅需在其中的一个电极上均匀覆盖α-AL₂O₃电介质层，每个电离腔中的放电间隙宽度为0.25～0.64mm，放电间隙宽度误差不超过1％，大气压平板式介质阻挡放电反应器的工作气压为90～110kPa。

安装在大气压平板式介质阻挡放电反应器上的小型高频高压变压器需要依据高频变压器的设计方法设计，变压器磁芯宜选用饱和磁通密度大于0.4T的U型铁氧体磁芯，并且在二次绕组低压侧按匝数5％留有一个抽头用于调节变压器的输出电压，必要时也可通过调整磁芯气隙微量调节输出电压，同时还应充分考虑高频电流的集肤效应，选择合适的铜导线绕制绕组，小型高频高压变压器的工作频率为5～50kHz，输入电压250～450V，输出电压5～10kV。

根据实际应用需要将十至数百个大气压平板式介质阻挡放电非平衡等离子体发生单元模块并联组装在固定框架上，相邻单元模块之间留有1mm的安装维护间隙，其中，大气压非平衡等离子体发生单元模块的冷却水入口、冷却水出口、原料气体入口、反应气体出口之间均采用并联连接，大气压非平衡等离子体发生单元模块的小型高频高压变压器的输入端也通过接触器并联连接到高频功率传输线上，由此构成分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列，该阵列由一台低压高频逆变电源提供激励能量，再经由高频功率传输线将激励能量分配到十至数百个小型高频高压变压器，再由各个小型高频高压变压器升压后独立激励各个相关的大气压平板式介质阻挡放电反应器。

大气压非平衡等离子体发生阵列中，各非平衡等离子体发生单元模块的小型高频高压变压器的输入端经由接触器连接到高频功率传输线上，这样就将原来的高频高压功率传输方式转变为高频低压功率传输方式，避免了高频高压传输过程中普遍存在的绝缘破坏和能量损耗问题，同时各非平衡等离子体发生单元模块因放电装置结构参数差异引起的放电性能差异可通过调整高频高压变压器二次绕组抽头或磁芯气隙完成，保证所有非平衡等离子体发生单元均处于最优的放电工作状态。

为分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列提供激励能量的低压高频逆变电源包括整流器、滤波器、全桥逆变器、微电脑控制器和放电电流信号采集器等几个部分。其中，整流器的作用是将AC220V或AC380V的交流工频电网电压转变成直流电压；滤波器的作用是将脉动的直流电压进行滤波转变为平滑的直流电压并进行储能；全桥逆变器则由IGBT元件或大功率MOSFET管构成，作用是将直流电转变为5～50kHz的高频交流电，再经由高频功率传输线传输到小型高频高压变压器并升压至5～10kV，用于激励大气压平板式介质阻挡放电反应器；微电脑控制器用于控制全桥逆变器及对整个系统进行控制和保护；放电电流信号采集器用于采集各个非平衡等离子体发生单元的放电电流，将该电流信号送至微电脑控制器用以判断非平衡等离子体发生单元的工作状态，适时调整控制参量或切断故障单元模块供电。

大气压非平衡等离子体发生阵列的固有谐振频率不再决定于各非平衡等离子体发生单元模块并联后等效电容的总和，而是决定于各个独立非平衡等离子体发生单元的等效电容。假设组成大气压非平衡等离子体发生阵列的非平衡等离子体发生单元数量为n，各个大气压非平衡等离子体发生单元的等效电容为C，各个非平衡等离子体发生单元并联后的总电容为C_all，小型高频高压变压器的漏感为L_s，大功率高频高压变压器独立激励所有非平衡等离子体发生单元时的漏感为L_sall，则分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列的固有谐振频率为：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{s}C}}$

采用一台高频高压变压器激励大气压非平衡等离子体发生阵列时的固有谐振频率为：

$f_{0\mathrm{all}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{\mathrm{sall}}{C}_{\mathrm{all}}}}$

由于各非平衡等离子体发生单元的等效电容相同，在变压器漏感相同的情况下，n个非平衡等离子体发生单元并联后的总等效电容C_all＝nC，则

即采用分区激励后大气压非平衡等离子体发生阵列的固有谐振频率可以提高

倍。通常情况下，大功率高频高压变压器的漏感要比分区激励采用的小功率高频高压变压器漏感高一些，因此采用分区激励后大气压非平衡等离子体发生阵列的固有谐振频率实际上要高于

本发明的效果和益处是由于采用分区激励大气压非平衡等离子体发生阵列方法，使原来由大气压非平衡等离子体发生阵列总等效电容和激励变压器漏感乘积所决定的固有谐振频率转变为由非平衡等离子体发生单元模块及其激励该单元模块的小型高频高压变压器漏感乘积所决定，结果使采用分区式激励的大气压非平衡等离子体发生阵列的固有激励频率提高

倍以上，同时分区式激励又使各个非平衡等离子体发生单元的放电性能均得到优化。由此避免了因大气压非平衡等离子体发生阵列尺度或非平衡等离子体发生单元模块并联数量增加带来的系统放电性能裂化，有效地提高了大气压非平衡等离子体发生阵列的等离子体化学反应效能。

附图说明

图1是分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置组成原理示意图。

图2是大气压非平衡等离子体发生单元模块组成示意图。

图3是大气压平板式介质阻挡放电反应器放电电极原理结构示意图。

图中：1分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列；2低压高频逆变电源；

3大气压平板式介质阻挡放电反应器；4小型高频高压变压器；5快速熔断器；

6放电电流传感器；7接触器；8高频功率传输线；9整流器；10滤波器；

11全桥逆变器；12微电脑控制板；13高压电极；14接地电极；

15α-Al₂O₃电介质层；16放电电流信号采集器；17高压绝缘端子；

18冷却水入口；19冷却水出口；20原料气体入口；21反应气体出口。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明所述的分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置的组成原理如附图1所示，分为两部分：分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列1和低压高频逆变电源2。其中，分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列1包括大气压平板式介质阻挡放电反应器3；小型高频高压变压器4；快速熔断器5；放电电流传感器6；接触器7；高频功率传输线8。低压高频逆变电源2包括整流器9；滤波器10；全桥逆变器11；微电脑控制板12；电流传感器接口16。低压高频逆变电源2采用的是全桥逆变技术，使用的功率变换原件为IGBT或大功率MOSFET管，输出频率为5～50kHz，输出电压250～450V。低压高频逆变电源2通过高频功率传输线8及接触器7与小型高频高压变压器4的输入端相连接，由小型高频高压变压器4升压后为分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列1中的大气压平板式介质阻挡放电反应器3分别提供激励频率为5～50kHz，激励电压为5～10kV的高频高压激励能量，用于在大气压平板式介质阻挡放电反应器3中产生高浓度活性粒子，激发非平衡等离子体化学反应。分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置的性能主要决定于各个大气压平板式介质阻挡放电反应器的放电性能，其工作参数为激励频率5～50kHz，激励电压5～10kV，工作气压90～110kPa，冷却水温度5～10℃。

本发明所述的大气压非平衡等离子体发生单元模块组成如附图2所示，包括大气压平板式介质阻挡放电反应器3；小型高频高压变压器4；快速熔断器5；放电电流传感器6；高压绝缘端子17；冷却水入口18；冷却水出口19；原料气体入口20；反应气体出口21。小型高频高压变压器4安装在大气压平板式介质阻挡放电反应器3上，其高压输出端连接到快速熔断器5的一端，快速熔断器5的另一端通过高压传输线连接到大气压平板式介质阻挡放电反应器3的高压绝缘端子17上，其低压输出端经由放电电流传感器6接地。根据实际应用需求，将十至数百个大气压非平衡等离子体发生单元并联组装成分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列1。各个大气压非平衡等离子体发生单元模块的小型高频高压变压器4的低压输入端通过接触器7统一连接到高频功率传输线8。各个大气压平板式介质阻挡放电反应器3的冷却水入口18、冷却水出口19采用并联连接，不可采用串联连接，以保证各个大气压非平衡等离子体发生单元模块保持相同的工作温度，冷却水的工作温度控制在5～10℃。在原料气体入口20前应加装气体流量调节阀以保证流经大气压平板式介质阻挡放电反应器3的原料气体具有相同的流量。

本发明所述的大气压平板式介质阻挡放电反应器放电电极原理结构如附图3所示，高压电极放置在两平行接地电极之间构成双电离腔结构，每个电离腔有效放电面积不小于300cm²，且有一个平板电极被电介质层均匀覆盖，覆盖的电介质层厚度为0.47～0.64mm，材料为纯度96％～99％的α-AL₂O₃，电介质层厚度误差不超过1％，放电间隙宽度控制在0.25～0.64mm范围内，放电间隙宽度误差不超过1％。放电电极既可以为平板电极，也可以为针阵列电极，但每个电离腔内至少应有一个电极为平板电极。

本发明所述的安装在大气压平板式介质阻挡放电反应器3上的小型高频高压变压器4需要依据高频变压器的设计方法设计，变压器磁芯宜选用饱和磁通密度大于0.4T的U型铁氧体磁芯，并且在二次绕组低压侧按匝数5％留有一个抽头用于调节变压器的输出电压，必要时也可通过调整磁芯气隙微量调节输出电压，同时还应充分考虑高频电流的集肤效应，按放电电流频率对集肤深度的要求选择合适的铜导线绕制绕组。

本发明所述的低压高频逆变电源2采用的是全桥逆变技术，使用的功率变换原件为IGBT或大功率MOSFET管，要求的输出频率为5～50kHz，输出电压250～450V。

大气压非平衡等离子体发生阵列1的固有谐振频率决定于各个独立非平衡等离子体发生单元的等效电容和小型高频高压变压器的漏感，其计算公式为：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{s}C}}$

式中，f₀为大气压非平衡等离子体发生阵列的固有谐振频率，C为单个大气压平板式介质阻挡放电反应器3的等效电容，L_s为单个小型高频高压变压器4的漏感。大气压非平衡等离子体发生阵列1的工作频率选择要小于大气压非平衡等离子体发生阵列固有谐振频率f₀。

本发明采用分区激励大气压非平衡等离子体发生阵列的方法，不仅提高了大气压非平衡等离子体发生装置的固有谐振频率，而且也使各个非平衡等离子体发生单元的放电性能得到提高，进而优化了大气压非平衡等离子体的化学反应效能。

Claims (1)

1.一种分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置，其特征在于：

分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置包括分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列和低压高频逆变电源两部分；

分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列由大气压非平衡等离子体发生单元模块、接触器、高频功率传输线组成；

大气压非平衡等离子体发生单元模块包括：大气压平板式介质阻挡放电反应器（3）、小型高频高压变压器（4）、快速熔断器（5）、放电电流传感器（6）、高压绝缘端子（17）、冷却水入口（18）、冷却水出口（19）、原料气体入口（20）和反应气体出口（21），大气压平板式介质阻挡放电反应器（3）上安装有小型高频高压变压器（4），其高压输出端经由快速熔断器（5）和高压绝缘端子（17）与大气压平板式介质阻挡放电反应器（3）的高压电极（13）连接；其低压输出端经由放电电流传感器（6）接地；大气压平板式介质阻挡放电反应器（3）具有双电离腔结构，双电离腔由一个高压电极放置在两个接地电极中间构成，高压电极和接地电极即可以使用平板电极，也使用针阵列电极，但至少有一个电极为平板电极，且有效放电面积不小于300cm²，平板电极表面需要均匀覆盖厚度为0.47～0.64mm、纯度为96%～99%的α-AL₂O₃电介质层，电介质层厚度误差不超过1%，当电离腔中的高压电极和接地电极均为平板电极时，仅需在其中的一个电极上均匀覆盖α-AL₂O₃电介质层，每个电离腔中的放电间隙宽度为0.25～0.64mm，放电间隙宽度误差不超过1%，大气压平板式介质阻挡放电反应器的工作气压为90～110kPa；

多个大气压非平衡等离子体发生单元模块并联组装成阵列，其中大气压非平衡等离子体发生单元模块的冷却水入口（18）均连接到同一冷却水输入管路，冷却水出口（19）均连接到同一冷却水输出管路，冷却水由冷却水入口（18）进入，流经大气压平板式介质阻挡放电反应器（3）后由冷却水出口（19）流出，以保证各个大气压非平衡等离子体发生单元模块保持相同的工作温度，冷却水的工作温度控制在5～10^oC，原料气体入口（20）均连接到同一原料气体输入管路，反应气体出口（21）均连接到同一反应气体输出管路，原料气体由原料气体入口（20）进入，流经大气压平板式介质阻挡放电反应器（3）后由反应气体出口（21）输出；大气压非平衡等离子体发生单元模块的小型高频高压变压器（4）的输入端通过接触器并联连接到高频功率传输线上，构成分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列；

分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列由低压高频逆变电源（2）提供激励能量，再利用安装在大气压平板式介质阻挡放电反应器（3）上的小型高频高压变压器将激励能量分配到各个独立的大气压平板式介质阻挡放电反应器（3）中，实现对大气压非平衡等离子体发生阵列的分区式激励；其中，低压高频逆变电源（2）包括整流器（9）、滤波器（10）、全桥逆变器（11）、微电脑控制器（12）和放电电流信号采集器（16），其中，全桥逆变器（11）由绝缘栅双极晶体管或大功率场效晶体管构成，作用是将直流电转变为5～50kHz的高频交流电，最高输出电压为250～450V；小型高频高压变压器（4）的磁芯选用饱和磁通密度大于0.4T的U型铁氧体磁芯，在二次绕组低压侧按匝数5%留有一个抽头，小型高频高压变压器（4）的工作频率为5～50kHz，输出电压为5～10kV；

分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列（1）的固有谐振频率为：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_{s}C}}$

式中，f₀为分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列（1）的固有谐振频率，C为单个大气压平板式介质阻挡放电反应器（3）的等效电容，L_s为单个小型高频高压变压器（4）的漏感；分区激励式大气压非平衡等离子体发生装置选定的实际工作频率要小于分区激励式大气压非平衡等离子体发生阵列（1）的固有谐振频率。

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