CN102872558B

CN102872558B - 一种等离子体灭火装置

Info

Publication number: CN102872558B
Application number: CN201210356522.6A
Authority: CN
Inventors: 向俊光; 吴征威
Original assignee: University of Science and Technology of China USTC
Current assignee: University of Science and Technology of China USTC
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2032-09-19
Also published as: CN102872558A

Abstract

一种等离子体灭火装置，由外壳和内部电路组成，内部电路包括传感器、中央处理分析电路、电压控制电路、外部控制电路和等离子体发生装置；传感器探测包括温度、气压和风力的环境条件，将数据传到中央处理分析电路，中央处理分析电路进行处理和分析，发出指令，电压控制电路接收到指令后调节等离子体发生装置的电压，或者由操作人员根据自己的判断调节等离子体发生装置的电压，等离子体发生装置采用射频预电离的方法对气体进行预电离，然后再采用介质阻挡放电的方式对已经预电离的气体进行放电击穿，形成等离子体气流，作用于火焰，实现安全、清洁、高效地灭火，同时达到灵活控制等离子体装置产生合适的等离子体气流以提高灭火效率的目的。

Description

一种等离子体灭火装置

技术领域

本发明属于等离子体技术的应用，具体涉及利用大气压下介质阻挡放电（APDBD）的等离子体放电方法灭火。

背景技术

现有的灭火方法主要有冷却灭火、窒息灭火、隔离灭火以及化学抑制灭火，这些方法都是通过破坏燃烧的条件来中止燃烧反应。然而这些方法存在着一些缺陷：灭火剂破坏着火物、环境污染、需定期更换以致资源浪费，损伤操作人员，使用次数及范围有限等。火焰是等离子体，燃烧过程中，火焰中的高能粒子相互之间发生碰撞，从而导致气体发生电离，这种电离通常称之为热电离。其中，化学离子是靠CH+O＝CHO^-+e^-这一反应生成的。

1992年公布的美国专利“灭火方法与装置”（专利号：US Patent No.5090482）提出了一种利用等离子体灭火的装置，该装置在实用性、安全性方面有所欠缺，需进一步进行改进：（1）实际使用时，由于灭火器需要便携使用，电源的电压因此受到制约，需尽可能降低所需的电源电压。（2）实际灭火情况是复杂多变的，灭火装置应能够根据火情，灵活产生不同的电场或等离子体，这也就要求该装置应能够灵活控制等离子体的发生机制，以提高装置的灭火效率。（3）需考虑温度、压强等环境因素以及等离子体密度对等离子体灭火效率产生的影响。（4）需考虑等离子体灭火装置的安全性问题，避免装置产生的高压、高温伤害到操作人员。（5）原装置的外形设计存在缺陷，不利于使用。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种等离子体灭火装置，以改进现有灭火方法在实用性、安全性等方面的不足，实现清洁、高效、安全灭火，降低击穿电压，减少能耗及成本，灵活应对不同火情，减少人员及财产方面的损失。

本发明的技术解决方案：一种等离子体灭火装置，由外壳和内部电路组成，所述内部电路包括传感器、中央处理分析电路、电压控制电路、外部控制电路和等离子体发生装置；所述传感器包括温度传感器、气压传感器和风力传感器；传感器探测包括温度、气压和风力的环境条件，然后将环境条件的数据传到中央处理分析电路，所述中央处理分析电路对所接收到的环境条件数据进行处理和分析，对电压控制电路发出指令，电压控制电路接收到指令后调节等离子体发生装置的电压，或者由外部控制电路即人工调节，操作人员根据自己的判断调节等离子体发生装置的电压，等离子体发生装置采用射频预电离的方法对气体进行预电离，在空气间隙中形成一定量的均匀分布的初始电子以降低击穿电压，然后再采用介质阻挡放电的方式对已经预电离的气体进行放电击穿，充分电离，形成等离子体气流，作用于火焰，实现安全、清洁、高效地灭火，同时达到灵活控制等离子体装置产生合适的等离子体气流以提高灭火效率的目的；当产生的等离子体气流将火焰熄灭后，经人工调节停止等离子体产生或经传感器探测、并由中央处理分析电路分析处理后，发出指令通过电压控制电路调节等离子体发生装置停止产生等离子体气流。

为了进一步降低气体放电的击穿电压，在等离子体灭火装置外部增加稀有气体气瓶，在所述外壳上增加稀有气体加载部位，利用潘宁效应来实现这一目的，同时使外壳与稀有气体气瓶实现无缝对接，避免气体外泄；具体是将稀有气体混入空气流中，稀有气体气瓶采用耐高温防火材料，而且可拆卸，当需要时，将盛有稀有气体气瓶装在等离子体灭火装置上，控制稀有气体的流量，由于稀有气体容易电离，与空气混合后，根据潘宁效应，混合后的气体击穿电压将比未混合的气体更低。

所述外壳材料为绝缘绝热的石英，外壳采用圆筒尖嘴形设计结构，在外壳中间的两处设有两个手持部位，所述手持部位相对于圆筒身而言直径较小，此处加厚，并采用磨砂处理，能更好的绝热；同时也增大操作人员手部与外壳之间的摩擦；在前一个手持部位距离附近处，设置电压旋钮，控制等离子发生装置中的电压；在后一个手持部位距离附近处，设置电路总开关，控制等离子体的发生与停止；在电路总开关后分别设有气体流量仪表、稀有气体加载部位。

所述等离子体发生装置包括电极板、梭形气室、细管和毛细针管；所述细管的一端接在梭形气室的末端，细管的另一端与毛细针管连接；所述毛细针管比细管直径小；所述梭形气室外上下分别有电极板，电极板由放电电极和射频预电离电极并列而成，通过射频预电离电极对气体进行预电离；电极与梭形气室的壁之间通过水玻璃（Na₂SiO₃）粘结，梭形气室的壁与水玻璃（Na₂SiO₃）共同构成介质，与电极板形成介质阻挡放电；这样气体在经过预电离后，再经介质阻挡放电实现充分电离，形成较高密度的等离子体气流，等离子体气流进入细管后整流为等离子体射流，紧接着进入毛细针管，因为毛细针管较细管直径小，等离子体射流便能够获得更高的速度，从等离子体灭火装置的出口喷射出，作用于火焰。

所述细针管预先设计了几种不同直径的圆型及扁平型，根据实际灭火情况，灵活选取合适的类型；直径大的适合近距离灭火，产生的等离子体射流较粗，灭火效果好；直径小的等离子体射流较细，灭火效果较前者差，但射流速度更快，适用于远距离灭火；换上扁平型，等离子体气体呈扇形喷射出，形成面积较大的等离子体流，有利于在较短时间内控制大面积的火焰。

所述稀有气体加载部位采用环形结构，外环为凸起部分，内圆为凹陷部分；外部的稀有气体气瓶上外环为凹陷部分，内圆为突起部分，使外壳与稀有气体气瓶实现无缝对接。

所述等离子体发生装置通过高频发生器提升含有射频电极的支路的交流电频率，从而实现射频电极对气体的预电离，并利用镇流器瞬间放大含有放电电极的支路的交流电压，此时镇流器可视作电源，镇流器两端的电压加载到放电极板两端，从而使放电极板两端电压达到击穿气体的电压。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明中的等离子体发生装置采用射频预电离的方法对气体进行预电离，在空气间隙中形成一定量的均匀分布的初始电子以降低击穿电压，使气体更容易电离，然后再采用介质阻挡放电（DBD）的方式对已经预电离的气体进行放电击穿，介质阻挡放电（DBD）在放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如OH、O、NO等，它们的化学性质非常活跃，很容易和其它原子、分子或其它自由基发生反应而形成稳定的原子或分子。在灭火过程中，介质阻挡放电（DBD）所产生的这些自由基和准分子能有效地与火焰中的相关物质发生作用，从而提高了灭火效率；采用射频预电离的方法和介质阻挡放电（DBD）同时实现了安全、清洁、高效地灭火。

（2）本发明可以由电路控制也可以由操作人员根据自己的判断调节等离子体发生装置的电压，达到灵活控制等离子体发生装置产生合适的等离子体气流以提高灭火效率的目的；

（3）本发明利用自感原理降低所需电源电压，其实质是通过一个镇流器（带铁芯的自感系数很大的电感线圈），放大电源提供的电压，实现以较低的电源电压，达到较高的击穿电压的目的，同时减少了能耗及成本。

（4）为了进一步降低击穿电压，使气体更容易电离，本发明在上述基础上利用潘宁效应来实现这一目的，具体是将稀有气体混入空气流中，稀有气体气瓶采用耐高温防火材料，而且可拆卸，当需要时，可将盛有稀有气体气瓶安装在灭火装置上，控制稀有气体的流量，由于稀有气体容易电离，与空气混合后，根据潘宁效应，混合后的气体击穿电压将比未混合的气体更低，从而增加了等离子体的密度，提高该装置的灭火效率。

（5）本发明的等离子体灭火装置为提高其可操作性，在外形上，采用圆筒尖嘴型设计，不仅可以便于操作人员灵活操作，还能节省储存空间。在装置中间，合理设计了两个手持部位，在手持部位稍前位置，安装了电压调节钮，方便操作人员调节等离子体发生装置的电压。

（6）本发明的等离子体发生装置利用毛细针管设计，增加了等离子体射流的速度，提高了等离子体灭火装置的灭火范围；另外，设计了不同的毛细针管类型，包括不同直径的圆型毛细针管，以及扁平型，可根据实际火情的需要，灵活更换毛细针管，从而提高了等离子体灭火装置灭火的灵活性。

（7）本发明将电路内置于石英做成的外壳内，避免因火焰或者高温而导致电路无法正常工作，避免了装置被火焰损坏，提高了人员的人身安全。

附图说明

图1是本发明的等离子体灭火装置灭火过程的总体流程图；

图2是本发明的等离子体灭火装置的外观示意图。

图3是本发明中等离子体发生装置的结构示意图。

图4是本发明的等离子体发生装置所采用的通过镇流器（带铁芯的自感系数很大的电感线圈）瞬间放大电源电压以及射频预电离电路原理图；

图5是本发明的等离子体灭火装置所采用的稀有气体加载部位示意图，以及稀有气体气瓶的示意图；

图6是本发明中等离子体发生装置中几种不同类型的细针管设计图。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例由外壳和内部电路组成；内部电路包括传感器、中央处理分析电路、电压控制电路、外部控制电路（由人工进行调节）和等离子体发生装置；传感器包括温度传感器、气压传感器和风力传感器；传感器探测包括温度、气压和风力的环境条件，然后将环境条件的数据传到中央处理分析电路，接收到环境参数的中央处理分析电路，将这些外界环境参数与预先存储好的参数进行比对，根据比对结果，对已经设置好的指令模板（此指令模板对应预先存储好的参数）做出相应的更改，即调整指令中电压参数的大小，从而形成新的指令，并对电压控制电路发出指令，电压控制电路接收到指令后调节等离子体发生装置的电压，或者通过外部控制电路即人工调节，由操作人员根据自己的判断调节等离子体发生装置的电压，等离子体发生装置采用射频预电离的方法对气体进行预电离，在空气间隙中形成一定量的均匀分布的初始电子以降低击穿电压，然后再采用介质阻挡放电的方式对已经预电离的气体进行放电击穿，充分电离，形成等离子体气流，作用于火焰，实现安全、清洁、高效地灭火，同时达到灵活控制等离子体装置产生合适的等离子体气流以提高灭火效率的目的；当产生的等离子体气流将火焰熄灭后，经人工调节停止等离子体产生或经传感器探测、并由中央处理分析电路分析处理后，发出指令通过电压控制电路调节等离子体发生装置停止产生等离子体气流。

如图2所示，本发明的等离子体灭火装置外壳主材料为绝缘绝热的石英（SiO₂），采用圆筒尖嘴形设计，整体长80—120cm，其中尖嘴部分15cm左右，圆筒直径7—9cm，在外壳中间相距20cm的两处设有两个手持部位24，该手持部位相对于圆筒身而言直径较小，5-6cm，但此处经加厚，并采用磨砂处理，不仅能更好的绝热，同时也增大操作人员手部与装置之间的摩擦。在前一个手持部位距离1cm处，设置电压旋钮25，控制等离子发生装置中的电压；在后一个手持部位距离2cm处，设置电路总开关23，控制等离子体的发生与停止；在其后分别设有气体流量计28、稀有气体（本发明实施例采用氩气）加载部位22，在外壳的末端为灭火出口26。

如图5所示，稀有气体加载部位22采用环形结构，内外直径分别为2、3cm，外环53为凸起部分，内圆52为凹陷部分，稀有气体气瓶54外径7—9cm，瓶体长15—25cm，稀有气体气瓶54外环55为凹陷部分，稀有气体气瓶54内圆56为突起部分，这一设计可使等离子体灭火装置与稀有气体气瓶54实现无缝对接，避免气体外泄。需要说明的是，稀有气体如氩气是起辅助降低击穿电压的作用，稀有气体气瓶54可以灵活拆卸，不需要时不用装上，避免影响操作人员灭火。

如图3所示，本发明的等离子体灭火装置的核心部分是位于内部的等离子体发生装置，等离子体发生装置包括电极板35、梭形气室36、细管37和毛细针管38；细管37的一端接在梭形气室36的末端，细管37的另一端与毛细针管38连接；细针管38比细管37直径小；梭形气室36外上下分别有电极板35，电极板35由放电电极42和射频预电离电极46并列而成，通过射频预电离电极46对气体进行预电离；厚度为2mm的电极35与梭形气室36的壁之间通过水玻璃（Na₂SiO₃）粘结，梭形气室36的壁与水玻璃（Na₂SiO₃）共同构成介质，与电极板35形成介质阻挡放电；这样气源31产生气流，稀有气体气源32产生稀有气体如氩气流，气流和氩气流混入空气中形成气体，气体通过气流控制阀33和气体流量计28后，操作人员根据气体流量计28所显示的气体流量值利用气流控制阀33灵活调节气体流量；气体在经过一段相对较长的细管37后，均匀地进入梭形气室36，梭形气室36相对于细管37直径比较大,由此气体在梭形气室36中停留时间相对会增加，这样气体在经过预电离后，再经介质阻挡放电实现充分电离，形成较高密度的等离子体气流，等离子体气流进入细管37后整流为等离子体射流，紧着进入毛细针管38，因为细针管38较细管37直径小，等离子体射流便能够获得更高的速度，从出口26喷射出，作用于火焰。上述梭形气室36的壁厚度3mm，介电常数4；细管37和毛细针管38以及气室壁，均采用石英（SiO₂）为材料，绝热绝缘。

如图6所示，对于细针管38，预先设计了几种不同直径的圆型，以及扁平型。根据实际灭火情况，可灵活选取合适的类型。直径大的适合近距离灭火，产生的等离子体射流较粗，灭火效果好；直径小的虽然由于等离子体射流较细，灭火效果较前者差，但射流速度更快，适用于远距离灭火。换上扁平型，等离子体气体呈扇形喷射出，可形成面积较大的等离子体流，有利于在较短时间内控制大面积的火焰。

如图4所示，本等离子体发生装置通过射频电极46对气体进行预电离，并利用镇流器44（带铁芯的自感系数15H-25H的电感线圈）瞬间放大电源电压。实现这一目标的电路包括：启辉器41，开关43，镇流器44，电源45，高频发生器47。闭合开关43后，电压经过高频发生器47后，在射频预电离电极46处对气体进行预电离，与此同时，启辉器41、镇流器44、电源45构成闭合回路，由于此时电路中电阻很小，故电路中会形成很大的电流，那么镇流器44两端也就会形成很大的电压。启辉器41处因温度上升到一定程度而断开，电路瞬间断开，电流突变，此时镇流器44可视作电源，其两端的电压加载到放电极板42两端，从而使放电极板42两端电压达到击穿电压。

电源45提供电压12V、频率大于5KHz的交流电，一方面，通过一个高频发生器47，交流电频率提升到300KHz—800MHz，这样，射频预电离电极46对气体进行预电离，在空气间隙中制造一定量的均匀分布的初始电子；另一方面，含镇流器44的支路电路，电源45电压经放大后形成高压，放电电极42对已经预电离的气体进行充分电离，产生等离子体。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种等离子体灭火装置，其特征在于：由外壳和内部电路组成，所述内部电路包括传感器、中央处理分析电路、电压控制电路、外部控制电路和等离子体发生装置；所述传感器包括温度传感器、气压传感器和风力传感器；传感器探测包括温度、气压和风力的环境条件，然后将环境条件的数据传到中央处理分析电路，所述中央处理分析电路对所接收到的环境条件数据进行处理和分析，对电压控制电路发出指令，电压控制电路接收到指令后调节等离子体发生装置的电压，或者由操作人员根据实际情况通过外部控制电路调节等离子体发生装置的电压，等离子体发生装置采用射频预电离的方法对气体进行预电离，在空气间隙中形成一定量的均匀分布的初始电子以降低击穿电压，然后再采用介质阻挡放电的方式对已经预电离的气体进行放电击穿，充分电离，形成等离子体气流，作用于火焰，实现安全、清洁、高效地灭火，同时达到灵活控制等离子体装置产生合适的等离子体气流以提高灭火效率的目的；

所述等离子体发生装置包括电极板、梭形气室、细管和毛细针管；所述细管的一端接在梭形气室的末端，细管的另一端与毛细针管连接；所述细针管比细管直径小；所述梭形气室外上下分别有电极板，电极板由放电电极和射频预电离电极并列而成，通过射频预电离电极对气体进行预电离；电极与梭形气室的壁之间通过水玻璃粘结，梭形气室的壁与水玻璃共同构成介质，与电极板形成介质阻挡放电；这样气体在经过预电离后，再经介质阻挡放电实现充分电离，形成较高密度的等离子体气流，等离子体气流进入细管后整流为等离子体射流，紧接着进入毛细针管，因为细针管较细管直径小，等离子体射流便能够获得更高的速度，从等离子体灭火装置的出口喷射出，作用于火焰。

2.根据权利要求1所述的等离子体灭火装置，其特征在于：在等离子体灭火装置外部增加稀有气体气瓶，在所述外壳上增加稀有气体加载部位，同时使外壳与稀有气体气瓶实现无缝对接，避免气体外泄。

3.根据权利要求1或2所述的等离子体灭火装置，其特征在于：所述外壳材料为绝缘绝热的石英，外壳采用圆筒尖嘴形设计结构，在外壳中间的两处设有两个手持部位，所述手持部位比外壳的圆筒身直径小；在前一个手持部位附近设置电压旋钮，控制等离子发生装置中的电压；在后一个手持部位附近设置电路总开关，控制等离子体的发生与停止；在电路总开关后分别设有气体流量仪和稀有气体加载部位。

4.根据权利要求1所述的等离子体灭火装置，其特征在于：所述细管和毛细针管及气室均采用石英为材料，绝热绝缘。

5.根据权利要求1所述的等离子体灭火装置，其特征在于：所述采用石英材料的梭形气室的壁厚度3mm，介电常数4。

6.根据权利要求1所述的等离子体灭火装置，其特征在于：所述电极板厚度为2mm。

7.根据权利要求1所述的等离子体灭火装置，其特征在于：所述细针管预先设计了几种不同直径的圆型及扁平型，根据实际灭火情况，灵活选取合适的类型；直径大的适合近距离灭火，产生的等离子体射流较粗，灭火效果好；直径小的等离子体射流较细，灭火效果较前者差，但射流速度更快，适用于远距离灭火；换上扁平型，等离子体气体呈扇形喷射出，形成面积较大的等离子体流，有利于在较短时间内控制大面积的火焰。

8.根据权利要求2所述的等离子体灭火装置，其特征在于：所述稀有气体加载部位采用环形结构，外环为凸起部分，内圆为凹陷部分；外部的稀有气体气瓶上外环为凹陷部分，内圆为突起部分，使外壳与稀有气体气瓶实现无缝对接。

9.根据权利要求1所述的等离子体灭火装置，其特征在于：所述等离子体发生装置通过高频发生器提升含有射频电极的支路的交流电频率，从而实现射频电极对气体的预电离，并利用镇流器瞬间放大含有放电电极的支路的交流电压，此时镇流器可视作电源，镇流器两端的电压加载到放电极板两端，从而使放电极板两端电压达到击穿气体的电压。