CN105963749A - 扩散式等离子体处理和材料加工 - Google Patents

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Abstract

用于进行空气处理和材料加工的系统，其包括：至少一个扩散式等离子体反应器，每个扩散式等离子体反应器具有绝缘电极(13，16)和限定在电极(13，16)之间的反应室(12)；位于电极(13，16)之间的反应室(12)内的扩散器(19)；以及电源(40)，其提供高电压的交流电给电极(13，16)；其中电极(13，16)在反应室(12)内产生等离子体，从而处理流经反应室(12)的空气或加工置于反应室(12)内的材料。还提供了用于进行空气处理和材料加工的有效方法。

Description

扩散式等离子体处理和材料加工
相关申请的交叉引用
本申请为中国专利申请200780041065.9的分案，同时要求美国临时专利No.60/824,468的优先权，其全部内容整合于本申请中。
技术领域
本发明涉及等离子体的应用于空气处理和材料加工层面上，尤其涉及一种使用等离子体的空气净化和消毒装置。本发明另涉及产生一种均匀及可控制的等离子体来改善空气净化及材料加工的性能。
背景技术
以下是描述本发明的背景，目的是加强对本发明的理解，但并不是承认它们描述的是现有技术。
等离子体(物质的第四种形态)为电中性、离子化的气体，其主要由自由移动的离子、电子和中性粒子组成。虽然等离子是中性，它是可以导电的。此特性容许电能被注入到被等离子体占用的空间。目前等离子体被应用于包括空气净化和消毒的多种商业用途上(可参考Ulrich Kogelschatz，Baldur Eliasson and Walter Egli，“From ozonegenerators to flat television screens：history and future potential ofdielectric-barrier discharges”，Pure Appl.Chem.，Vol.17，No.10，(1999)1819)。根据不同的工作模式，等离子体可以包含带电粒子(电子和离子)、激发成分、自由基、臭氧和UV光子，其可以分解化合物并毁灭微生物。电子的能量可激发原子和分子，从而引发化学反应和/或辐射。这些能量的释放，特别是在紫外线光谱范围内的释放，可以通过打断分子键而引发光物理的和光化学变化。高能量电子可以引起分子的一些化学键的断裂、与分子互相碰撞，从而导致分子链的断裂、电离和激发，并产生自由原子和原子团，如O、OH或HO2。这些原子团可攻击不良的有机分子，对分解空气中的污染物方面十分有用。O2的分裂提供了所需的O，以与O2结合而形成臭氧。低能量电子可依附着中性原子或分子上，而形成负离子，其可以促进分解污染物和破坏微生物的反应。以上所提及等离子体在分解化学物和破坏微生物的效能已被充份证明。
等离子体可以通过电力装置以气体放电的方式产生，这方法是利用一个高电压施加到一组电极、即阳极和阴极上。当施加的电压是足够高而高于击穿电压时，两电极之间便会开始产生电弧。电击穿或电弧形成的阈值是遵循公知的帕邢定律，这定律把击穿电压与电极之间的间隙尺寸和气体压力相连起来。
当施加的电压或更准确地说当局部电场是足够大，以使电子可以得到充足能量，从而补偿由于撞击、激发及其他能量损失过程所引起的能量损失时，便会发生击穿现象。在外部施加电场的影响下，击穿过程开始于一些自由或残余电子的存在和它们向阳极流动。随着流动电子向着阳极加速，它们会和中子碰撞及通过冲击导致直接电离或间接经由光电离产生电离。离子化令电子云开始积聚，电子云与在它前面的电离或击穿前沿一起向着阳极前进，并在后面留下离子，从而产生与所施加电场相反的电偶极的等离子体通道。如果没有限制，这种流束的形成会导致电荷密度的快速增加、雪崩式地快速成长，以及将流束转变为电弧。
传统上，通过引入适宜的限流或猝熄机制来防止流束放电发展成大电弧，建立等离子的准稳态。这可通过在一个或两个电极上覆盖介质阻挡件或绝缘体而实现。介质或绝缘体层的不导电特性允许电荷积聚在其表面上，从而产生与施加电场相反的电场。另外，在介质或绝缘体层邻近积聚的空间电荷亦增加了电子排斥电场。这内部产生的相反电场会抵消施加的电场，并防止丝状电弧发展成大电弧以及导致放电丝状电弧熄灭。因此，电介质上的低电荷移动性导致丝状电弧的自我抑制并限制它们的横向延伸，从而允许多个丝状电弧彼此紧邻。此外，当发生多个电离前沿的合并时，丝状电弧放电转变为具有更大均匀性的泛光放电。
其他可制造电流限制或瘁灭机制的方法包括：
1.小心地控制施加的电压以防止其转变为电弧。
2.使用针状电极达致在更小或更尖的电极周围产生空间电荷区域(例如：美国专利Pat.No.6,042,637中的描述)。
3.在两电极(即阳极和阴极)之间的空间中填满非导电材料，如美国专利Pat.No.4,954,320中的描述。
一个典型空气处理和材料加工的等理子体反应器，基于上述设计原则，在运作上普遍会有不稳定和变化。其中一个经常遇到的问题是准稳态丝状电弧的产生，其出现经常会在同一地点产生。尽管准稳态丝状电弧不一定会发展成电孤，它们的存席在会造成等离子产生的局限化，降低等离子对空气处理和材理加工的效用。例如，一个有效的空气处理程序要求那些有害污染物在反应器装置内具有足够的停留时间。不均匀等离子体的产生会减弱其处理効力，从而增加所需的停留时间。这些准稳态丝状电弧的存在也会增加产生不必要的副产品气体。其副产品气体的典型例子为臭氧和二氧化氮(NO2)。
因此最好是制定一个方法和装置，其至少能解决上述的一些问题。
发明内容
基于上述提及在先技术存在的有关缺点，本发明提出了一种方法和装置来产生拥有更高控制性和更均匀特性的等离子体，从而通过优化等离子体的特性，达致更高的效用，并同时减少产生不必要的副产品气体。
等离子体的扩散技术是一种新颖发明，它提供了一种方法和装置来产生等离子体，可应用于空气处理及材料加工层面上。扩散式等离子体装置由内置扩散器的反应器组成，扩散器位于两个由交流电供电的绝缘电极之间的反应室内。反应器产生电子放电并直接排放到其反应室内的空气中。扩散器能优化等离子体的特性，使其效率提升，同时减少产生不必要的副产品气体。如加入合适的催化材料在扩散器内，反应器可以成为等离子体催化式反应器，等离子体的存在增强催化作用。另外如使用适当的过滤材料，扩散器亦同时可以充当过滤器。
根据本发明的第一个优先层面，它为空气处理和材料加工提供了一个系统，其包括：
最少一个扩散式等离子反应器，每个扩散式反应器设有一对绝缘电极，并在它们之间限定出反应室；
一个扩散器放在两电极之间的反应室中；
一个高电压的交流电电源，供给位于反应器内的电极，在反应室内产生等离子体，对流过反应室的空气进行空气处理和对放在反应室内的材料进行加工。
扩散器可并用至少一种预定的材料，使该扩散器也可作为过滤器或催化器。
电源是可以调节的供应器，调整供给电极的电压振幅、波形周期及其形状，藉以尽量加强等离子体活动，亦同时尽量减少产生不必要的副产品气体。
该最少为一个的扩散式反应器，可用并联的形式，跟其他等离子体反应器安排在一个系统内。
该系统可进一步包括一个吹风器，驱动空气流过反应室。
该系统可进一步包括一个空气过滤器，过滤进入反应室的空气。
电极的绝缘体可以是管状或板状等形状，由例如玻璃或介质材料制成。
电极的导电体可以是导电的片、网状或覆层物。
扩散器可以是管状，板状，一个有孔的板状，一个垂直板状放置在电极之间，以扇形折叠形式安装在电极之间。扩散器又可以被排成丝网状、纠缠的线状或绒毛状，零散地放在反应室中的空间。
扩散器的材料只占用了部分由电极限定出的反应室空间，以使得该扩散器没有显着影响扩散式等离子体的电子特性，但同时能尽量增加绝缘表层上产生放电丝集结场地的可用性。
扩散器是不连接到电极的电路上，以允许电荷能积聚在其表面而产生与外加电场相反的电场，防止在两个电极中间，形成局部的准稳态电丝。
电压供应可以控制在10-50kV的范围内。
波形周期可控制在10-1到10-2ms的范围内。
两个电极相隔的距离可以在1-20mm的范围内。
根据本发明的第二个层面，它为空气净化和杀菌提供了一种方法，其包括：
提供至少一个反应器，其每个反应器设有一对绝缘电极，并在它们之间限定出反应室。
提供一个扩散器，位于电极之间的反应室内。
为电极提供一个高压的交流电；
从而在反应室内产生等离子体，对流过反应室的空气进行净化和消毒。
该方法可进一步包括调整施加在电极的电压振幅、波形周期和形状，以便尽量提高等离子体的活动，同时尽量减少产生不必要的副产品气体。
电极由绝缘或介电物质覆盖，其提供了基本的电流限制功能。扩散器可由导电或绝缘材料制成，其绝缘的特性提供额外的集结场地来产生放电丝。扩散器的材料只占用位于绝缘电极之间的反应室的部分空间，因此对反应器装置的特性没有显着影响。扩散式等离子反应器与反应床大不相同，反应床是利用在电极之间放置的介电物质提供了基本的电流限制功能。
本发明的设备包括一个高电压的交流电电源，控制供给反应器内电极的电压振幅、波形周期及其形状，因此控制反应器运作，从而产生设定及适当的等离子体放电状态。其高电压的交流电电源可以是一个高电压的产生器。根据预设的处理强度和处理时间来进行调较施加在多重反应器内的电极的电压振幅、波形周期及其形状。
一个系统通常包括一个或多个反应器并联和/或串联在一起，而每个反应器的配置及大小是因应所需的处理功效和时间来设定。添加的扩散器减少每个反应器和一系列反应器中电子放电特性的变化和差异，从而提高了空气处理和材料加工的总体效益。
绝缘电极包含的绝缘体，可以为介质管或介质板。扩散器可以由导电物质制成，但非导电或介质材料为优。它可以为板状、网状、纠缠的线状或是绒毛状。
系统内可进一步包括一个吹风器单元，驱使空气通过反应室。该系统更可进一步包括一个空气过滤器。
本发明中至少有一个示范例能表现的优点是产生更高控制性的等离子体电子放电，来处理空气和材理加工层面上。
本发明中至少有一个示范例能表现的另一个优点是产生更均匀和更一致的等离子体特性。
本发明中至少有一个示范例能表现的另一个优点是容许产生更均匀和更一致的等离子体，从而达至在分解具污染性的化学品和破坏空气中的微生物层面上，具有一个高总体效益。
本发明中至少有一个示范例能表现的另一个优点是尽可能地增强其处理和加工的强度和效率。
本发明中至少有一个示范例能表现进一步的优点是尽量减少产生不必要的副产品气体。
本发明中至少有一个示范例能表现进一步的优点是为空气处理提供了一个安全和可靠的方法和装置。
本发明中至少有一个示范例能表现更进一步的优点是为空气处理和材料加工提供一种方法和装置，同时尽量减少产生不必要的副产品气体，亦因此同时克服了前发明的缺点。
附图说明
现在描述本发明的特定实施例子，其所附作为参考的图纸包括：
图1示出了根据本发明的优先示范例的部件组装。
图2至5是扩散式等离子体装置的透视图，示出了根据本发明中一些示范例对于空气处理和材料加工有用的装置。
图2a是第一等离子体装置示范例的直剖面透视图。
图2b是图2a中的等离子体装置的透视图。
图2c是图2a中的等离子体装置的横剖面侧视图。
图2d是图2a中的等离子体装置的俯视图。
图3a是另一等离子体装置示范例的直剖面透视图。
图3b是图3a中的等离子体装置的透视图。
图3c是图3a中的等离子体装置的横剖面侧视图。
图3d是图3a中的等离子体装置的俯视图。
图4a是另一等离子体装置示范例的直剖面透视图。
图4b是图4a中的等离子体装置的透视图。
图4c是图4a中的等离子体装置的横剖面侧视图。
图4d是图4a中的等离子体装置俯视图。
图5a是另一等离子体装置示范例的直剖面透视图。
图5b是图5a中的等离子体装置的透视图。
图5c是图5a中的等离子体装置的横剖面侧视图。
图5d是图5a中的等离子体装置的俯视图。
图6至9是扩散式等离子体装置的透视图，示出了根据本发明中另一些示范例对于空气处理和材料加工有用的装置。
图6a是另一等离子体装置示范例的透视图。
图6b是图6a中等离子体装置的透视图。
图6c是图6a或图6b中的等离子体装置横剖面侧视图。
图6d是图6a或图6b中的等离子体装置俯视图。
图7a是另一等离子体装置示范例的透视图。
图7b是图7a中的等离子体装置透视图。
图7c是图7a或图7b中的等离子体装置横剖面侧视图。
图7d是图7a或图7b中的等离子体装置俯视图。
图8a是另一等离子体装置示范例的透视图。
图8b是图8a中的等离子体装置透视图。
图8c是图8a或图8b中的等离子体装置横剖面侧视图。
图8d是图8a或图8b中的等离子体装置俯视图。
图9a是另一等离子体装置示范例的透视图。
图9b是图9a中的等离子体装置透视图。
图9c是图9a或图9b中的等离子体装置横剖面侧视图。
图9d是图9a或图9b中的等离子体装置俯视图。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的一些实施例，亦包括描述一些实例。以下将详细描述本发明的示范性实施例，尽管对于本领域的普通技术人员而言，很明显，为清楚起见，对于理解本发明而言不是特别重要的一些特征可能未示出。
此外，应当理解，本发明不限于下述实施例，且本领域的普通技术人员在不偏离本发明的实质和范围的情况下可以进行各种变化和修改。例如，在本说明书和所附权利要求的范围内，不同例证性实施例的元件和/或特征可以彼此组合和/或彼此替代。
另外，在阅读本说明书、附图以及所附权利要求之后对于本领域的普通技术人员而言显而易见的改进和修改均应视为落在本发明的实质和范围内。
现在参看附图，图1显示了典型空气处理系统的组成部件，其等离子体装置包括扩散式等离子体反应器及其相关的电源供应和控制器。其电源供应和控制器制造并维持反应器内的电子放电，其指定的等离子体参数由高压交流电的参数所决定和控制。
一系列的图2a、2b、2c和2d显示了一个反应器单元的优先实施例。在所示的实施例中，反应器11呈圆柱状。反应器11包括绝缘的外部电极13和内部电极16。外部电极13和内部电极16在它们之间限定出反应室12空间。在反应室12中，放电被激发，以产生等离子体。
在所示的实施例中，电极13和电极16中的管状绝缘体15和18可由介质材料例如玻璃的绝缘材料制成。如在板状电极设计，它们是可以呈板状的绝缘或介质材料制成。电极13和电极16中的电极导体14和17可以由导电片、网状物或覆层制成。扩散器19放置在反应室12内。扩散器19可以呈多种形态，包括但不限于如图2至图5所示的板状、有排孔的板状、丝网状、纠缠线状或绒毛状。(在这些图中，相关的元件在最尾的两个数位，都标有相同的数字。例如：在图2至图5中扩散器的标记是19、119、219、和319。)
反应室12中放电被激发，产生等离子体来进行空气处理。当空气循环流过充满等离子体的反应室12，空气中的污染物颗粒和微生物可以被毁灭。
扩散器19提供了额外集结场地来支持丝状放电的形成。为达到更高效率，该扩散器19应被绝缘而不连接到电极的电路上。虽然该扩散器可由导电物质制成，但一般由非导电物质制成的扩散器19可产生更一致和更均匀的等离子体。扩散器19只占用位于绝缘电极13和16之间的反应室12的部分空间，因而该扩散器19应不会显着影响反应器单元11的电子特性。(例如扩散器19没有明显改变反应室12内的电容值)
扩散器19的作用和设置与反应床的设计大不相同。在反应床设计中.在电极之间放置的介电物质提供了基本的电流限制功能。
在扩散式的等离子体反应器，扩散器19并不是用来提供基本的电流限制功能，因这功能已由电极13和电极16的绝缘体(15、18)提供。扩散器19在其表面提供了额外的集结场地来产生放电丝，亦同时改变了局部的电场结构。
该绝缘的扩散器19使积聚在其表面的电荷产生与外加电场相反的电场，以防止在两个电极中间，形成局部的准稳态电丝。因此在反应室内形成的等离子体，能更一致和平均地分布在反应室12内。其避免电丝集中在局部地区形成，可减少产生不必要的副产品气体。
在扩散式等离子体器中，扩散器19的组成材料不应在反应室12中占用一个相当大的空间，以便尽量增加在扩散器19绝缘表层上的额外集结场地的可用性。相反地，在传统的反应床方法中，介质材料占用了大部分的反应室空间。
该扩散器19的物理编排可以有许多不同的组合。绝缘或介质片可以排列为与电极13和电极16类似的管状，并(如图2所示)放置在电极13和电极16之间的反应室内。绝缘或介质片又可以为穿孔片，甚至采取类似丝网状的形式排列。扩散器19又可以用绝缘或介质片，(如图3所示)垂直放置在电极13和电极16之间，或(如图4所示)以扇形折叠形式安装在电极13和电极16之间。(如图5所示)扩散器319又可以被排成纠缠的线状或绒毛状，零散地放在反应室中的空间。
通过空气循环流过已并入扩散器19和充满等离子体的反应室12，空气中的污染物颗粒和微生物可以被毁灭。该扩散器19可以加入适当的过滤物质来同时充当过滤器将空气进行过滤。在扩散器19中引入适当的催化物质，该反应器11会成为一个催化式等离子体反应器，其等离子体环境加强催化作用。
如图1的示意图所示，电极13和电极16可以与高压交流(AC)电源40相连。在所示的实施例中，电源40包括电子控制单元41和高压发生器42。电源40可以提供足够的电压，以在反应室12中的环状空间导致击穿和产生等离子体。施加予电极13和电极16的电压可以控制在10-50kV的范围内。波形周期可控制在10-1到10-2ms的范围内。两个电极相隔的距离可以在1-20mm的范围内。
扩散式等离子体装置可以在多方面体现、实施和进行。图6至9展示了一些平面式设计的反应器11实施例。
参照图6显示的另一个实施例，每个反应器单元411包括两个绝缘电极(413和416)及一个放置在两电极(413和416)之间的反应室412的扩散器419。在该实施例中，绝缘体415和418可以是玻璃或陶瓷的材料。电极导电体414和417可以是导电片、网状或覆层物。扩散器419可以如图6至9所示组成多种形式。(在这些图纸上，相关的元件在最尾的两个数位，都标有相同的数字。例如：在图6至图9的扩散器都标示为419、519、619、和719。)
在图6的扩散器419，它采用片状材料与电极类似的形状排列，并放置在两个电极之间的反应室内。其片状材料又可以为穿孔状，甚至采取类似丝网状的形式排列。扩散器519又可以排成板状，(如图7所示)垂直放置在电极513和电极516之间，或(如图8所示)以扇形折叠形式安装在电极613和电极616之间。扩散器719又可以被排成纠缠的线状或绒毛状，(如图9所示)零散地放在电极713和电极716的空间。
应当理解，这里使用的措辞和术语仅用于描述的目的，而不应被视为对本发明进行限制。因此，上述内容应当被看作仅是对本发明原理的解释性描述。进一步地，对于本领域的普通技术人员而言，可以很容易地进行多种修改和变化，本发明因而并不限制于所描述和示出的精确结构和操作，所有适宜的修改和等同替换均可视为落在本发明的范围内。

Claims (16)

1.一个可进行空气处理和材料加工的系统，其包括：
一个扩散式等离子体反应器，其每个扩散式等离子体反应器有绝缘电极，在该电极之间有一个反应室；
一个位于电极间的反应室的扩散器；
一个电源，其提供一个高电压的交流电给电极；
以便在该反应室内产生等离子体，并对在反应室内的空气进行处理或对反应室内的材料进行加工，
其中该扩散器占用电极之间反应室的部分空间且不提供电流限制功能，其表面具有额外的产生放电丝的集结地。
2.如权利要求1所述的系统，在该系统的扩散器可选择性地加入至少一种指定的物质，使其可同时作为一个过滤器或催化器。
3.如权利要求1所述的系统，该系统的电源供应为可调节的供应器，可以调整供给电极的电压振幅、波形周期及其形状，藉以尽量加强等离子体活动，同时尽量减少产生不必要的副产品气体。
4.如权利要求1所述的系统，该系统内至少一个的扩散式等离子体反应器与其他扩散式等离子体反应器并联放在系统内。
5.如权利要求1所述的系统，进一步包括一个吹风器，其驱使空气流过反应室。
6.如权利要求5所述的系统，进一步包括一个空气过滤器，过滤进入反应室的空气。
7.如权利要求1所述的系统，该系统的电极绝缘体为管状或板状的介质材料。
8.如权利要求1所述的系统，该系统的电极导电体由导电片、网状或覆层物制成。
9.如权利要求1所述的系统，该系统的扩散器是片状，垂直放置在电极之间或以扇形折叠形式安装在电极之间，或者是排成丝网状、纠缠的线状或绒毛状，或零散地放在电极之间的空间。
10.如权利要求1所述的系统，该系统的扩散器只占用了部分由电极限定出的反应室空间，因此该扩散器是不会显着影响扩散式等离子体的电子特性，但同时可尽量增加在扩散器绝缘表层上的额外集结场地的可用性。
11.如权利要求1所述的系统，该扩散器的电路是被隔离而不连接到电极的电路上，因而能使积聚在其表面的电荷产生与外加电场相反的电场，以防止在两个电极中间，形成局部的准稳态电丝。
12.如权利要求1所述的系统，该系统的电压供应应在10-50kV的范围内。
13.如权利要求3所述的系统，该系统的波形周期应在10-1到10-2ms的范围内。
14.如权利要求1所述的系统，该系统的两个电极相隔的距离应在1-20mm的范围内。
15.一个空气净化和消毒的方法，其包括：
提供至少一个反应器，其每个反应器都有绝缘电极，并限定出反应室；
提供一个扩散器放置在电极之间的反应室内；
供应高电压的交流电于电极；
该系统在电极限定出的反应室内产生等离子体，对流过反应室的空气进行净化和消毒，
其中该扩散器占用电极之间反应室的部分空间且不提供电流限制功能，其表面具有额外的产生放电丝的集结地。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括一个步骤以调整供给电极的电压振幅、波形周期及其形状，藉以尽量加强等离子体活动，同时尽量减少产生不必要的副产品气体。
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