CN103922457B - 等离子体放电装置 - Google Patents

Abstract

等离子体放电装置，涉及放电装置。设有交流电源、水槽、等离子体发生器、交流电源调节电路、地电极耦合电路和气源；所述水槽内注入水，等离子体发生器浸在水槽内的水中，等离子体发生器设有腔体、高压电极和地电极，腔体内设有两侧密封板和固定支架，两侧密封板内分别装有高压电极和地电极，交流电源调节电路的两端分别与高压电极和交流电源的正电极连接，地电极与地电极耦合电路的地相连，高压电极设在密封管内并从密封管引出，固定支架设在两侧密封板之间，等离子体发生器的下方设有进气口，等离子体发生器的上方设有出气口，进气口与气源相连。耗能少、无污染、杀菌效率高、结构简单、操作容易、易于在医药领域和工业上普及。

Description

等离子体放电装置

技术领域

本发明涉及放电装置，尤其是涉及可应用于水中消毒杀菌和增加水中含氧自由基含量的一种等离子体放电装置。

背景技术

在医疗、医药材料及食品消毒领域，通常采用的有湿热灭菌法、紫外高温消毒法、环氧乙烷化学试剂法以及Y辐射法等。然而在处理过程中不可避免地存在缺点，如重要营养成分的改性，有毒副产物的残留，物品物理、机械和光学性能的改变等。大气压等离子体处理液体装置具有简单可行、易于微型化或规模化放大、易携带、耗能少、净化彻底、无二次污染、可常温常压下进行等优点，使其在工业化生产及日常生活中具有广泛的应用前景。尽管等离子体用处很广泛，但是利用气泡在水中上升过程中，将水中气泡电离直接产生气液态的等离子体，而且在上升过程中随着匹配电压的变化出现先亮，变暗，再变亮的交替变化过程。此项研究还没有在相关文章中出现，而且对水的温度基本没有影响，属于低温大气等离子体领域。此外，通过水中放电增加水中含氧自由基含量而改善水质，还可以为鱼类等水中生物提供更优良的生长环境，利于渔业及环境保护业的良好发展。

该装置产生的等离子体属于非热平衡等离子体，尽管电子温度很高(10000度以上)，但是离子温度远低于电子温度，使得气体温度趋于常温，非热平衡等离子体已经广泛用于镀膜，表面处理，生物净化，医学等领域。

水中放电的各种装置请见B.R.Locke et al.“Electrohydraulic Discharge andNonthermal Plasma for Water Treatment”Ind.Eng.Chem.Res.45,882-905(2006),以上放电主要以电弧放电为主，电流很大，水温很高，部分水被分解成氢气和氧气，由于放电剧烈限制了其应用前景。

为了解决上述问题，研发了另外一个装置X H Zhang et al.“Atmospheric-pressure airmicroplasma jets in aqueous media for the inactivation of Pseudomonas fluorescenscells”Phys.Plasmas,20,053501(2013).该装置产生的等离子体温度很低，而且能够长时间的放电，但是部分水能够沿着管壁渗人管内引起短路，而且等离子体仅仅在出口与水接触，等离子体与水接触时间短。

发明内容

本发明的目的在于提供具有耗能少、无污染、杀菌效率高、结构简单、操作容易、易于在医药领域和工业上普及的一种等离子体放电装置。

本发明设有交流电源、水槽、等离子体发生器、交流电源调节电路、地电极耦合电路和气源；

所述水槽内注入水，等离子体发生器浸在水槽内的水中，等离子体发生器设有腔体、高压电极和地电极，腔体内设有两侧密封板和固定支架，两侧密封板内分别装有高压电极和地电极，交流电源调节电路的两端分别与高压电极和交流电源的正电极连接，地电极与地电极耦合电路的地相连，高压电极设在密封管内并从密封管引出，固定支架设在两侧密封板之间，等离子体发生器的下方设有进气口，等离子体发生器的上方设有出气口，进气口与气源相连。

所述密封板可采用陶瓷密封板、刚玉密封板、石英密封板、聚四氟乙烯密封板等中的一种，密封板的长度可为10～15cm，宽度可为8～12cm，厚度可为2～10mm。两侧密封板之间保持平行等距，距离可为2～5mm。

所述密封管可采用胶皮软管等。

所述绝缘管可采用陶瓷绝缘管、刚玉绝缘管、石英绝缘管、聚四氟乙烯绝缘管等中的一种，绝缘管的内径可为2.5～3.5mm，外径可为4～5mm，长度可为8～12cm。

所述高压电极可采用铜电极、银电极、钨电极等中的一种，高压电极的直径可为2～3mm，长度可为10～15cm。

所述固定支架可采用玻璃支架、陶瓷支架、刚玉支架、石英支架等中的一种，固定支架的壁厚为2～3mm。

当气体从进气口进入等离子体发生器后被电离形成气液混合等离子体；等离子体内的活性氧自由基从等离子体发生器扩散到整个水槽，达到杀菌和降解污染物的作用。

两侧密封板的作用是防止高压电极与水接触漏电，固定支架的作用是使两个电极间距不变。

当以空气，氧气，氩气，氦气一种或多种的气体自进气口进入等离子体发生器腔体中，在内外电极间0.17～30kV的电压作用下，溶液中形成均匀稳定的气液相等离子体。等离子体含有活性氧自由基和活性氮自由基，这些自由基在液体中扩散时与溶液中的有毒有害物质相互作用，达到杀菌或改善水质的作用，本发明处理效率高，处理时不需要添加任何其他化学物质，而且处理过程中不会排放有毒有害物质。此外，本发明结构简单、成本低廉、安装拆卸方便。

本发明将电极浸没在水中，当气泡从两极间上升时，被电离产生等离子体，但是由于水的极性很强，必须使得两级间与水电容有更好的匹配模式，才能使气体电离。本发明的长处在于：气泡在上升过程均处理被电离状态，离子在气液交界面能够有效的扩散到溶液中。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例中的等离子体发生器的主视示意图。

图3是本发明实施例中的等离子体发生器的剖视示意图。

具体实施方式

参见图1～3，本发明实施例设有交流电源1、水槽2、等离子体发生器4、交流电源调节电路51、地电极耦合电路52和气源6。所述水槽2内注入水3，等离子体发生器4浸在水槽2内的水3中，等离子体发生器4设有腔体、高压电极8和地电极，腔体内设有两侧密封板7和固定支架11，两侧密封板7内分别装有高压电极8和地电极，交流电源调节电路51的两端分别与高压电极8和交流电源1的正电极连接，地电极与地电极耦合电路52的地相连，高压电极8设在密封管9内并从密封管9引出，固定支架11设在两侧密封板7之间，等离子体发生器4的下方设有进气口13，等离子体发生器4的上方设有出气口12，进气口13与气源6相连。

所述密封板7可采用陶瓷密封板、刚玉密封板、石英密封板、聚四氟乙烯密封板等中的一种，密封板的长度可为10～15cm，宽度可为8～12cm，厚度可为2～10mm。两侧密封板之间保持平行等距，距离可为2～5mm。

所述密封管9可采用胶皮软管等。

所述绝缘管10可采用陶瓷绝缘管、刚玉绝缘管、石英绝缘管、聚四氟乙烯绝缘管等中的一种，绝缘管的内径可为2.5～3.5mm，外径可为4～5mm，长度可为8～12cm。

所述高压电极8可采用铜电极、银电极、钨电极等中的一种，高压电极的直径可为2～3mm，长度可为10～15cm。

所述固定支架可采用玻璃支架、陶瓷支架、刚玉支架、石英支架等中的一种，固定支架的壁厚为2～3mm。

当气体从进气口13进入等离子体发生器4后被电离形成气液混合等离子体；等离子体内的活性氧自由基从等离子体发生器4扩散到整个水槽2，达到杀菌和降解污染物的作用。

两侧密封板7的作用是防止高压电极8与水3接触漏电，固定支架11的作用是使两个电极间距不变。

当以空气，氧气，氩气，氦气一种或多种的气体自进气口进入等离子体发生器腔体中，在内外电极间0.17～30kV的电压作用下，溶液中形成均匀稳定的气液相等离子体。等离子体含有活性氧自由基和活性氮自由基，这些自由基在液体中扩散时与溶液中的有毒有害物质相互作用，达到杀菌或改善水质的作用，本发明处理效率高，处理时不需要添加任何其他化学物质，而且处理过程中不会排放有毒有害物质。此外，本发明结构简单、成本低廉、安装拆卸方便。

具体安装过程如下：等离子体发生器4浸在水槽2的水3中，通过密封管9将电极引出，高压电极8通过交流电源调节电路51接交流电源1的正极，地电极通过地电极耦合电路52接地，等离子体发生器4通过交流电源调节电路51和地电极耦合电路52使之匹配放电。在图2中，密封板7中密封有高压电极8和绝缘管10，通过密封管9将电极引出；两侧密封板7间装有固定支架11，使两个电极板平行等距。图3是等离子体发生器结构剖面示意图，两个电极相间排列且保持等距，放电时能够产生均匀的等离子体。交流电源调节电路51由并联的2个电容和1个电阻串联组成，并联的2个电容中有1个采用可变电容。地电极耦合电路52由并联的一个电感线圈和1个电阻与一个可变电容串联组成。交流电源电压峰值调节范围0～30kV，频率调节范围1～30kHz。气源6采用O2气瓶和He气瓶等分别通过各自的流量计如空气流量计，流量计配合控制混合气体的比例。电阻值可采用6kΩ，电容值可采用50pF～2μF，电感线圈的电感值可采用50pH～10mH。

Claims (9)

1.等离子体放电装置，其特征在于设有交流电源、水槽、等离子体发生器、交流电源调节电路、地电极耦合电路和气源；

所述水槽内注入水，等离子体发生器浸在水槽内的水中，等离子体发生器设有腔体、高压电极和地电极，腔体内设有两侧密封板和固定支架，两侧密封板内分别装有高压电极和地电极，交流电源调节电路的两端分别与高压电极和交流电源的正电极连接，地电极与地电极耦合电路的地相连，高压电极设在密封管内并从密封管引出，固定支架设在两侧密封板之间，等离子体发生器的下方设有进气口，等离子体发生器的上方设有出气口，进气口与气源相连；

所述密封板中密封有绝缘管，绝缘管采用陶瓷绝缘管、刚玉绝缘管、石英绝缘管、聚四氟乙烯绝缘管中的一种。

2.如权利要求1所述等离子体放电装置，其特征在于所述密封板采用陶瓷密封板、刚玉密封板、石英密封板、聚四氟乙烯密封板中的一种。

3.如权利要求1或2所述等离子体放电装置，其特征在于所述密封板的长度为10～15cm，宽度为8～12cm，厚度为2～10mm。

4.如权利要求1所述等离子体放电装置，其特征在于两侧密封板之间保持平行等距，距离为2～5mm。

5.如权利要求1所述等离子体放电装置，其特征在于所述密封管采用胶皮软管。

6.如权利要求1所述等离子体放电装置，其特征在于所述绝缘管的内径为2.5～3.5mm，外径为4～5mm，长度为8～12cm。

7.如权利要求1所述等离子体放电装置，其特征在于所述高压电极采用铜电极、银电极、钨电极中的一种，高压电极的直径为2～3mm，长度为10～15cm。

8.如权利要求1所述等离子体放电装置，其特征在于所述固定支架采用玻璃支架、陶瓷支架、刚玉支架、石英支架中的一种。

9.如权利要求1所述等离子体放电装置，其特征在于所述固定支架的壁厚为2～3mm。