CN102548177A - 等离子体空气净化装置的放电电极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体空气净化装置的放电电极结构。电极结构包括一正电极组和一负电极组，且正负两电极组至少一组电极包裹有绝缘介质；两电极组直接接触，形成接触点。本发明把该放电电极结构用于等离子体空气净化器，该结构可以在电极交叉点及其附近区域产生大量低温等离子体。该低温等离子体具有类辉光等离子体的性质，灭菌范围广、灭菌率高、耗时短、功耗小。另外，采用的网状结构不仅能够保证很好的气体通透性，还可以增加实际的等离子体作用区域，使灭菌效率得到进一步提高。

Description

等离子体空气净化装置的放电电极结构

技术领域

本发明属于空气消毒净化技术领域，具体的说，本发明涉及一种等离子体空气净化装置的放电电极结构。

背景技术

社会发展及工业规模的不断扩大，很大程度上破坏了自然环境，气体污染就是其中一项重要内容。不仅如此，在当今的环境下，还滋生出了很多类似SARS、H1N1等特种病毒，严重威胁着人类的生存。随着经济的发展，人民生活水平不断提高，对于空气净化消毒等卫生领域需求愈发强烈。

现在，等离子体技术的应用越来越广，尤其是在灭菌领域被证明有很好的应用效果。等离子体灭菌成功率较高、耗时短，是一种新型的高效灭菌手段。目前在空气净化领域，也出现了一些基于等离子技术的空气净化设备，同时相对传统的灭菌设备表现出了一定的优越性。但是如何将等离子体灭菌技术更好地转化为高效的空气净化设备仍然是一个值得深究的问题。因为等离子体生成技术本身就是一项很专业的技术，该技术的成熟水平也很大的决定了相应的空气净化设备的性能。一般来说，等离子体可以分为电弧等热等离子体和辉光、电晕这类低温等离子体。产生电弧这类热等离子体技术相对简单，但是它耗能很大而且电弧灭菌的重要作用机理在于高温作用，很多场合无法使用。辉光等离子体是较理想的灭菌等离子体，它温度低，通常为常温状态，它主要通过等离子体内部的高能粒子来灭除细菌，适用范围广、效率高、功耗小，但是在大气压条件下这种辉光等离子体很难大面积稳定地生成，所以转化为实际的空气净化装置还不成熟。目前市面上常见的等离子体空气净化设备采用的是电晕等离子体技术。这种等离子体发生技术简单，功耗小，温度低，适用范围广，但是在灭菌效果上不如辉光等离子体，对甲醛等有害物质的分解及对有害病菌的消毒效率不是很高。

所以目前需要一种能很好地转化为实际产品设备的高效的等离子体灭菌技术，而这项技术的一项重要的核心内容就是关于放电电极的研究，需要研究和设计出既可以产生能高效灭菌也可以达到低功耗等现代化产品要求的电极结构。

针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于设计一种既可以产生能高效灭菌也可以达到低功耗等现代化产品要求的等离子体空气净化器放电电极结构。

为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是：一种等离子体空气净化装置的放电电极结构，包括一高压电极组和一接地电极组，所述的高压、接地两电极组，至少一组电极包裹有绝缘介质；两电极组直接接触形成接触点。

所述的两电极组为十字交叉接触形成交叉接触点。

所述的两电极组中，未包裹有绝缘介质的一组电极接地。

所述的两电极组中，未包裹有绝缘介质的一组电极不接任何电路的直接悬空设置。

所述的两电极组为相互平行交叉排列。

所述的两电极组为不锈钢材料、铜材料、石墨材料或者钨材料。

所述的绝缘介质为高温绝缘材料，如聚四氟乙烯。

一般认为放电需要在两个电极之间产生，即两个电极必须间隔一定的距离，放电产生在两个电极之间的空隙中。本发明的原理打破现有技术的认知，采用的方法是：在两个电极之间放置一层绝缘物(如聚四氟)，然后把两个电极靠近直到直接接触，中间几乎没有空隙，放电可以发生在电极周边并向外扩散。

按照上述方法，生成的等离子体可以向外扩散，即每一个放电点都能向外扩散，一个空间点可以向三维方向释放等离子体，我们采取减小放电电极的接触面，改变常规的两个线状电极平行放置的方法，采用十字交叉的方法。

对于交叉点密度问题，以在交叉点生成的等离子体能够达到网孔中心处为准，然而等离子体的生成量和生成的等离子体能够传播到多远，与电压、电流、及使用的环境(温度、湿度等)关系密切，但间距小意味着点密度大，耗能大，耗材大，故应该采取合理的间距。

本发明的有益效果是：通过采用该等离子体空气净化器放电电极结构，可以在交叉点及其附近区域产生大量低温等离子体。该低温等离子体具有类辉光等离子体的性质，灭菌范围广、灭菌率高、耗时短、功耗小。另外采用的网状结构在保证很好的气体通透性的同时，还可以增加实际的等离子体作用区域，使灭菌效率得到进一步提高。

通过对现有技术进行检索，对比与现有技术的差异性，具体说明本发明的有益效果如下：

通过专利搜索网站CNIPR中外专利数据服务平台(http://search.cnipr.com/)查询相关专利，在该网站的搜索页面中，采用关键词的搜索方式在“名称”一栏中输入了“等离子体(空格)and净化”进行搜索，找到143个相关专利。逐一查阅后，未发现与本申请专利有所重复。而且本申请专利与目前已有专利的区别在以下几点：

1.结构不同。已有专利放电电极的结构主要是非接触式电极结构或类似结构，而本申请专利所采用的是网状的电极结构由一组横向电极和一组纵向电极组成，属于接触式电极结构。

2.原理不同。已有专利采用的基本放电原理都是利用两个电极之间电场作用使气体发生放电产生低温等离子体，这种结构电极之间的空间有限，限制了对物品的处理。而本申请专利采用的放电原理是表面放电原理。最新颖的地方在于两组电极之间是相互接触的，生成的等离子体可以扩散到周边区域，可以大大增加物品处理的空间。

3.产生的等离子体面积更大。本申请专利采用的这种表面放电原理，会在每个横纵向电极接触点(也就是一对电极对)表面附近区域形成等离子体。而已有专利采用的电晕放电原理，只能在每个电极对的高压电极附近很小的区域产生等离子体。

4.安全性更高，成本更低，灭菌能力更强。由于本申请专利采用的是高压电极-地电极间隔介质接触的结构，缩小了两极之间的间距，使得放电电压有所下降，使设计的电极在3kV左右即可放电，而目前已有大气压等离子体净化装置的相关专利所需要的放电电压多在5kV以上，这样也降低了空气净化装置内部的绝缘要求，安全性得到提高，也降低了成本；与此同时由于放电电流相对已有专利更高，本专利可以将其提高到几百mA，这样可以大大提升灭菌能力。而目前已有大气压等离子体净化装置的相关专利的放电电流多在100mA以下。

5.空气净化效率更高。已有专利中采用的电极结构中，待处理的物品必须经过电极对之间狭小的间隙才能被等离子体处理，大大影响了净化灭菌效率。而本申请专利采用的是放电电极共同组成网状电极的结构，所以待处理的空气可以大面积的通过等离子体发生区域进行处理，这样就可以在相同的空间内更有效地处理受污染的空气，大大提高了效率。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1为本发明实施例的的电路电源系统框图；

图2为本发明实施例的主电路图；

图3为本发明实施例的触发电路图；

图4为本发明的等离子体空气净化器放电电极结构示意图；

图5为本发明的实施例的放电效果图；

图6为本发明的实施例的放电电压电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步阐述。

本发明提供了如图4的实施例，在对实施例进行介绍之前，首先结合附图介绍实施例的实验条件。

在方案设计和器件选择的过程中，避免在调试过程中发生的电源故障。并且考虑到电力电子器件自身的限制，对电源提出了以下的要求。

(1)单相交流输入、输出

(2)输出最大功率1000W

(3)输出频率：20-50kHz，可调

(4)输出电压0-8kV，可调

(5)最大输出电流250mA

如图1、图2以及图3所示，本设计采用220V交流输入，经整流成直流后，再通过MOSFET逆变为带死区的双极性交流脉冲，最后通过高频变压器升压来实现输出为高频高压的正弦波。输出电压的大小和频率通过SG3525控制MOS管的开断来实现。

对于电源输出电压幅值的调节方式，可由调压器调节，也可通过直流斩波来达到调压目的。为电源结构简单和以实验为主的实际用途考虑，本方案采用了前者。

在对逆变电路拓扑结构的选择方面半桥式逆变电路相对于全桥来说，优点在于结构简单，性能稳定，开关管数量为全桥一半。提供中性点的串联大电容与滤波电容进行星-三角转换后可以在输出侧等效出一个电容，在输出接变压器的情况下，能够有效消除输出电压的直流分量，防止变压器的偏磁。只是全桥由两个半桥组成，输出电压提高一倍，适用于更大功容量的输出。本实验所需功率都在1kw以内，容量要求不大。综合考虑，电源方案选用半桥拓扑结构。

图4为本发明的等离子体空气净化器放电电极结构示意图。如图4所示，取5根直径为1mm，长为40cm，包裹有绝缘介质聚四氟乙烯3的圆柱体金属线。将其相隔10mm平行放置，组成一组正电极组1。同样再取5根直径为1mm，长为40cm的无绝缘介质包裹的圆柱体金属线，将其相隔10mm平行放置，组成一组负电极组2。然后将正、负两个电极组在同一平面内垂直交叉放置，正、负电极组直接接触，形成多个垂直交叉接触点。

以上叙述的结构中，每个电极可以换成长方体形状的细长金属导体，尺寸、个数、间距、交叉角度也可以根据体积和功率等产品要求进行调整。间距较小时，等离子体实际作用区域更大，但气体通透性会减弱。另外减小间距时一般需要同时增加电极数量，增大灭菌效率的同时也会增加能耗。正、负两个电极组中至少有一组电极必须包裹绝缘介质，该绝缘介质可以根据不同的绝缘要求选用不同的绝缘材料。

将高压输出电路的一端接地，然后接入负电极组，高压输出电路的高压端接到正电极组。其中负电极组也可以不接高压输出电路的接地端而直接悬空。负电极组接高压输出电路接地端时，会减小放电电压，对于整个空气净化装置的绝缘设计要求降低。负电极组悬空的话，会大大降低放电电路发生短路故障的概率，但灭菌效果由于电流的减弱相对会受到一定的影响。

通电后，所有正负电极交叉点及其周围区域发生表面放电现象，生成大量低温等离子体。该低温等离子体具有类辉光等离子体的性质，灭菌范围广、灭菌率高、耗时短、功耗小。另外采用的网状结构在保证很好的气体通透性的同时，还可以增加实际的等离子体作用区域，使灭菌效率得到进一步提高。

本发明还可以在两电极组的交叉排列形式上进行改变，可以考虑采用无规律、非平行的交叉排列设置，两电极组依然为直接接触，形成交叉接触点。

其中，两电极组为不锈钢材料，也可以选用熔点高、导电性能较好的铜材料或者钨材料。

这些变化均在本发明声明的保护范围之内。

在前述的实验条件下，本发明的实施例的电极结构研究介绍如下：

采用实施例图4所示的网状结构，由多个横纵交错排列的绝缘电极组成的。横向电极和纵向电极分别连接高压和地。在每个横纵交叉点处形成了局部高场强。在这两组放电电极中，加了介质阻挡的高压和低压电极处于接触状态。这就相当于一种极小电极间距下的大气压介质阻挡放电。

图5是它们的放电效果图。从现象上在图中的网状电极的所有横纵交点以及交点周围的空气发生了电离，生成了比较均匀的低温等离子体。这种放电形式呈现出一种大气压下表面放电的形态。放电比较均匀，无特别明亮细丝，属于典型的低温等离子体状态。从它们的放电电流来看，每半个周期有多个电流峰值存在，所以它不是辉光低温等离子体而是一种大气压介质阻挡表面放电低温等离子体。

图6是它们的放电电压、电流波形图。其中，1为放电电压波形，2为放电电流波形。由于两个金属导体之间会形成电容。由电容定义式C＝εS/(4πkd)可知，接触面积越大，间距越小，电容值就越大。由于本发明的电极结构接触点较多，相应的S较大，而且电极间的距离非常小，即d很小。所以，本电极结构对应的等效电容比较大，在接入交流电路时作为容性负载，放电电流应该超前放电电压波形。由于辉光放电的显著特征是在每次放电过程中气体被击穿一次，相应地出现一次放电电流，也就是说，电流波形在每半个周期内只出现一次电流波形，可以确定该放电是大气压下的辉光放电。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种等离子体空气净化装置的放电电极结构，包括一正电极组和一负电极组，其特征在于，所述的正、负两电极组，至少一组电极包裹有绝缘介质；两电极组直接接触成形有接触点。

2.根据权利要求1所述的一种等离子体空气净化装置的放电电极结构，其特征在于，所述的两电极组为十字交叉接触成形为交叉接触点。

3.根据权利要求1所述的一种等离子体空气净化装置的放电电极结构，其特征在于，所述的两电极组中，未包裹有绝缘介质的一组电极接地。

4.根据权利要求1所述的一种等离子体空气净化装置的放电电极结构，其特征在于，所述的两电极组中，未包裹有绝缘介质的一组电极不接任何电路的直接悬空设置。

5.根据权利要求1所述的一种等离子体空气净化装置的放电电极结构，其特征在于，所述的两电极组为相互平行交叉排列。

6.根据权利要求1所述的一种等离子体空气净化装置的放电电极结构，其特征在于，所述的两电极组为不锈钢材料、铜材料、石墨材料或者钨材料。

7.根据权利要求1所述的一种等离子体空气净化装置的放电电极结构，其特征在于，所述的绝缘介质为聚四氟乙烯。

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