CN106888544A - 一种混合介质阻挡放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合介质阻挡放电装置。所述装置包括交流高压电源、材质均匀的介质层、金属电极、导线以及示波器。金属电极附着于介质层表面，紧密相邻介质层间构成窄放电间隙；通过在电极端施加交流高压，可使体相介质阻挡和沿面放电同时发生于同一放电间隙。此外可以通过在所述放电装置内添加介质层数量的方式，在放电装置内建立具有高电场强度的多通道放电间隙结构。本发明与常规介质阻挡放电或沿面放电相比，极大地提高了能量利用率，扩大了应用范围，且其结构紧凑、组装方便灵活、便于维护、易于放大升级，具有极强的实用性。

Description

一种混合介质阻挡放电装置

技术领域

本发明属于非热放电等离子体技术领域，尤其涉及一种混合介质阻挡放电装置。

背景技术

体相介质阻挡放电与沿面放电可在大气压下产生大面积等离子体区域且放电均匀稳定，放电装置结构简单，动态响应快，故在材料表面处理、生物医学以及环境保护等领域有着广阔的应用前景。一般地，要实现体相介质阻挡放电或沿面放电，需将绝缘介质(如玻璃、陶瓷和石英等)置于由金属片或栅状金属条构成的高压电极与地电极间，采用交流电源通过导线连接高压电极与地电极的两端为其提供电能。

体相介质阻挡放电在气体间隙发生微放电，形成等离子体区；而沿面放电则可于介质表面产生大面积且均匀的等离子体层。因这两种放电装置在放电区域内可产生大量的活性物种(如高能电子、离子、自由基和激发态分子等)，能够有效活化处理流经等离子体区域的气体，这使其在工业废气净化、环境除臭以及臭氧合成等应用上展现了巨大的优势。但是，目前这两种放电形式的实际应用还主要处于研究阶段，仅臭氧合成已实现工业化，且即使是臭氧合成上的应用也受到能量利用率不够高等问题的困扰。要解决以上问题，放电过程中应保证注入能量向电子的有效转移，显著提高放电等离子体的电子温度(反映电子能量)与电子密度。这即能确保等离子体可提供足够的高能电子与活性物种引发或参与化学反应，尽快达到反应目标；还有利于减少放电过程中不必要的热损耗(如介质损耗等)，提高放电能量利用率。

专利CN01270102.5公开了一种多重微放电协同一体的放电装置，其利用在放电区内可同时发生的体相介质阻挡放电与沿面放电，通过增加注入的高压电能来谋求产生更加强烈的等离子体放电，获得高电子密度，以达到提高放电能量利用率的目的。然而，该设计受所使用介质层与结构设计的限制，等离子体中电子温度与电子密度不够高，因而其放电能量利用率虽有提高却远低于理论值。综上所述，现有技术存在能量利用率低、结构复杂等缺陷，且不能有效将介质阻挡放电与沿面放电结合利用。

发明内容

鉴于已有技术存在的不足，本发明的目的是要提供一种大幅度提高体相介质阻挡放电与沿面放电的能量利用率、并显著增强其实用性的一种混合介质阻挡放电装置，其能够实现将体相介质阻挡放电和/或沿面放电耦合于同一放电间隙，建立高电场强度、高电子密度且结构紧凑、组装方便。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

一种混合介质阻挡放电装置，其特征在于，所述装置主要包括：材质均匀的介质层、栅状金属电极和薄片金属电极、导线、电源以及示波器；

N块所述介质层互相整齐平行排布，任意相邻两所述介质层间构成放电间隙且间距相等，其中N≧3；

所述介质层中除两端外，其余N-2块介质层均称为中间介质层，所述中间介质层上、下两面均附着栅状金属电极，且各所述中间介质层结构完全一致；

两端介质层上的电极有两种分布方式：

方式一为两端介质层的外侧分别附着一薄片金属电极，此时处于同一放电间隙中的栅状金属电极连接电源的同一端而处于相邻放电间隙中的栅状金属电极连接电源的另一端，且此时分别附着于两端介质层外侧的薄片金属电极均连接与其相邻中间介质层相近一侧栅状金属电极相反的电源端；

方式二为两端介质层的内测分别附着一栅状金属电极，此时处于同一放电间隙中的栅状金属电极连接电源的同一端而处于相邻放电间隙中的栅状金属电极连接电源的另一端；

所述示波器并联于电源两端。

进一步地，作为本发明的优选，所述N块材质均匀的介质层为具有高介电常数与导热系数的高纯度氧化铝或氧化锆薄板，薄板厚度为0.1～1.5mm。

进一步地，作为本发明的优选，所述相邻介质层间间隙为0.1～2mm。

进一步地，作为本发明的优选，所述栅状金属电极及所述薄片金属电极的厚度相同，均为0.01～1.5mm；同时，同一栅状电极相邻金属条的间距相同，均为1～5mm；金属条宽度为1～5mm。

进一步地，作为本发明的优选，所述中间介质层上、下表面均设有栅状金属电极，且使得中间介质层上表面栅状金属电极的任意两个相邻的金属条之间的中心线上均对应设置有一中间介质层下表面栅状金属电极金属条。

进一步地，作为本发明的优选，增加中间薄板介质层数量以增加放电装置内高电场强度混合放电通道。

进一步地，作为本发明的优选，电源优选采用工频或100～2000Hz的高频、电压为3～20kV的交流高压电源或者脉宽为1～10μs脉冲电源。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明装置结构紧凑、能量密度高，且组装灵活方便，便于推广；

2、本发明内部可建立80～200Td的约化场强以及3～7eV的平均电子温度，显著提高了能量利用率且特别适于引发常规条件下难以进行的化学反应；

3、本发明将体相介质阻挡放电和沿面放电高效耦合于同一放电区内，可获得高达10¹⁹m^-3的等离子体电子密度，能极大提高等离子体处理效率；

4、本发明设计的放电间隙窄，气体流速大，有助于携带放电热能，进行后续操作，同时介质层导热性能优异，易冷却，可有效缓解放电热量带来的不利影响；

5、本发明仅需常规交流高压电源供电，组装简单，扩大升级与维护方便，易实现其小型化实用装置。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

图1为本发明实施例1混合放电结构示意图；

图2为本发明实施例2混合放电结构示意图；

图3为本发明实施例3圆筒形混合放电结构示意图；

图4为本发明实施例1混合放电整体结构示意图。

图中：1、顶端介质层，2、中间介质层，3、底端介质层，4、顶端介质层上表面薄片金属电极，5、低端介质层下表面薄片金属，6、中间介质层上表面栅状金属电极，7、中间介质层下表面栅状金属电极，8、电源，9、示波器，10、导线，11、顶端介质层下表面栅状金属电极，12底端介质层上表面栅状金属电极，13、最外层筒状介质层，14、中间筒状介质层，15、最内层筒状介质层，16、最外层筒状介质层外表面薄片金属电极，17、最内层筒状介质层内表面薄片金属电极，18、中间筒状介质层外表面栅状金属电极，19、中间筒状介质层内表面栅状金属电极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

体相介质阻挡放电与沿面放电均为非热放电，其等离子体区内发生的化学反应以及活性物种的形成主要依赖于高能电子的非弹性碰撞。因此，电子温度与电子密度是判定放电性能优劣、衡量放电等离子体能量利用率与实用性高低的重要的参数。一般地，电子温度随着约化电场强度(E/n)的增加而增加，两者几乎成线性关系；约化电场强度的增加利于提高放电等离子体的电子温度，能极大地提高能量利用率。故可通过在放电气隙间建立强约化电场来显著改善放电过程的能量利用率。另一方面，相同条件下，放电等离子体的电子密度可直接反映于电流密度，说明若要获得高电子密度需增加放电过程中的电流密度。通过建立强约化电场增加气体电离度固然有利于电子密度及电流密度的增加，而通过混合两种放电(体相介质阻挡放电与沿面放电)于同一放电间隙亦是增加放电强度，提高放电电流密度的有效手段。此外，混合放电模式因具有高电流密度与电子密度的特点，能够更加迅速彻底的实现目标化学反应，实用性强。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

实施例1：

图1所示为本发明的一种混合介质阻挡放电装置示意图。装置优选采用三块均匀氧化铝平板介质层平行排列构成；各介质层厚度均为0.1～1.5mm，而每相邻两介质层间的气体间隙均为0.1～2mm。顶端介质层1的上表面附着一薄片金属电极；底端薄板介质层3的下表面亦附着一薄片金属电极；而中间介质层2的上、下表面各附着一栅状金属电极。各栅状金属电极和薄片金属电极的厚度均为0.01～1.5mm，各栅状电极金属条宽度均为1～5mm，相邻金属条的间距均为1～5mm。中间介质层上表面栅状金属电极的任意两个相邻的金属条之间的中心线上均对应设置有一中间介质层下表面栅状金属电极金属条。处于同一放电间隙中的栅状金属电极连接电源的同一端而处于相邻放电间隙中的栅状金属电极连接电源的另一端，且此时分别附着于两端介质层外侧的薄片金属电极均连接与其相邻中间介质层相近一侧栅状金属电极相反的电源端。在本实施例中，顶端介质层1上表面薄片金属电极4与中间介质层下表面栅状金属电极7皆连接电源8的高压端，而底端薄板介质层下表面薄片金属电极5与中间介质层上表面栅状金属电极6则一起接地；电压在3～20kV，频率在100～2000Hz。并联于电源8两端的示波器9通过导线10对反应器两端的电流电压进行在线监测。

图4为实施例1对应的混合放电整体结构示意图，由装置的一端向装置内部输入氧气，经过装置作用后，由另一端输出臭氧。

将该发明应用于臭氧合成以验证其优异特性。臭氧合成试验以高纯度氧气(>99.999％)为气源，氧气经质量流量控制器精确控制计量后流入放电反应器内；当氧气流经混合放电产生的等离子体区时会发生化学反应而生成臭氧；合成臭氧的浓度由置于等离子体放电区后的臭氧浓度检测仪在线监测。该臭氧合成试验使用电压与频率均可调的千赫兹交流电源为本发明供能；放电过程使用示波器9在线监测，并计算得到约化电场强度与放电功率。作为对比，常规沿面放电反应装置亦被用于臭氧合成试验，且试验在相同条件下进行以确保其可比性。

基于两种放电装置的臭氧合成试验所得结果如表一所示。可见，相同条件下，本发明混合放电反应器的约化电场强度、合成臭氧浓度以及臭氧产率大约均是沿面放电反应器的3倍，这意味着本发明能够更加有效的将能量注入至等离子体区内产生强混合放电，因而既避免了能量浪费(浪费于介质层与电极升温上)，从而增强了电场强度，提高了能量利用率；又可提高等离子区内的电子温度和电子密度，进而提高合成臭氧浓度。此外，本发明极大地提高了高臭氧浓度下的臭氧产率，在未对反应器进行强制冷却的前提下，本分明的臭氧合成效果要好于现有的文献报道。

实施例2：

图2所示为本发明的另一种混合介质阻挡放电装置示意图。混合放电反应器由三块均匀氧化铝平板介质层平行排列构成；介质层厚度均为0.1～1.5mm，而每相邻两介质层间的气体间隙均为0.1～2mm。顶端介质层1的下表面附着一栅状金属电极11；底端介质层3的上表面亦附着一栅状金属电极12；而中间介质层2的上下表面各附着一栅状金属电极6和7。所用栅状电极的厚度均为0.01～1.5mm，金属条宽度均为1～5mm，相邻金属条的间距均为1～5mm。中间介质层上表面栅状金属电极的任意两个相邻的金属条之间的中心线上均对应设置有一中间介质层下表面栅状金属电极金属条。且顶端介质层下表面栅状金属电极11的各金属条中心线空间上分别平分置于中间介质层上表面栅状金属电极6的相邻金属条；而底端薄板介质层下表面栅状金属电极12的各金属条中心线空间上分别平分置于中间介质层下表面栅状金属电极7的相邻金属条。此时处于同一放电间隙中的栅状金属电极连接电源的同一端而处于相邻放电间隙中的栅状金属电极连接电源的另一端。本实施例中，中间介质层上表面栅状金属电极6与顶端介质层下表面栅状金属电极11皆连接电源8高压端，中间介质层下表面栅状金属电极7与底端介质层上表面栅状电极12则一起接地；电压在3～20kV，频率在100～2000Hz。并联在电源两端的示波器9通过导线10对反应器两端的电流电压进行在线监测。

采用有机污染物甲醛处理试验验证本发明的优越性能。将含有一定浓度甲醛的空气稳压控制流量后通入本发明放电反应器内；流经混合放电区的空气中的甲醛分子与等离子体中的活性物种发生化学反应而被分解；在等离子体放电区后检测处理后的空气中甲醛浓度。此处理有机污染物甲醛的试验使用电压与频率均可调的千赫兹交流电源为放电反应器供能；放电过程使用示波器在线监测，并计算得到约化场强与放电功率。为比较本发明的优越性，常规沿面放电反应器亦被用于甲醛处理试验，试验条件同上。

表二为两放电反应器甲醛处理试验所得结果。相同条件下，本发明放电反应器的约化电场要远高于常规沿面放电反应器，强约化电场下的高浓度的高能电子(高电子温度)与甲醛分子发生有效的非弹性碰撞，直接激发解离甲醛分子，使其高效降解。常规沿面放电因约化电场强度弱，电子温度与电子密度均相对较低，故难获得高甲醛脱除率。相同注入功率下，本发明拥有远高于常规沿面放电的甲醛脱除能力，这证明了此具有高电场强度以及高电子密度的混合放电反应装置能量利用的高效性。

实施例3：

图3为本发明的一种圆筒形混合介质阻挡放电装置示意图，作为本发明的优选实施方案，其是针对实施例1进行的进一步改进。该装置采用三个均匀氧化铝筒状介质层同心嵌套构成；介质层厚度均为0.1～1.5mm，而由外向内每相邻筒状介质层半径依次递减，使得介质层间的气体间隙均为0.1～2mm。最外层筒状介质层13的外表面附着一薄片金属电极16；最内层筒状介质层15的内表面亦附着一薄片金属电极17；而中间筒状介质层14的两面各附着一栅状金属电极18和19。其中中间筒状介质层14外表面栅状金属电极18和中间介质层内表面栅状金属电极19以及最外层筒状介质层外表面薄片金属电极16的厚度均为0.01～1.5mm，各栅状电极金属条宽度均为1～5mm，相邻金属条的间距均为1～5mm，且中间筒状介质层内表面栅状金属电极19的各金属条中心线分别平分置于中间介质层外表面栅状金属电极18的相邻金属条对应的圆心角。最外层筒状介质层外表面薄片金属电极16与中间筒状介质层内表面栅状金属电极19皆连接电源8高压端，而最内层筒状介质层内表面薄片金属电极17与中间筒状介质层外表面栅状金属电极18则一起接地；电压在3～20kV，频率在100～2000Hz。示波器9通过导线10对反应器两端的电流电压进行在线监测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

表一臭氧合成实验对比

表二甲醛脱除实验对比

Claims (7)

1.一种混合介质阻挡放电装置，其特征在于，所述装置主要包括：材质均匀的介质层、栅状金属电极和薄片金属电极、导线、电源以及示波器；

N块所述介质层互相整齐平行排布，任意相邻两所述介质层间构成放电间隙且间距相等，其中N≧3；

所述介质层中除两端外，其余N-2块介质层均称为中间介质层，所述中间介质层上、下两面均附着栅状金属电极，且各所述中间介质层结构完全一致；

两端介质层上的电极有两种分布方式：

方式一为两端介质层的外侧分别附着一薄片金属电极，此时处于同一放电间隙中的栅状金属电极连接电源的同一端而处于相邻放电间隙中的栅状金属电极连接电源的另一端，且此时分别附着于两端介质层外侧的薄片金属电极均连接与其相邻中间介质层相近一侧栅状金属电极相反的电源端；

方式二为两端介质层的内测分别附着一栅状金属电极，此时处于同一放电间隙中的栅状金属电极连接电源的同一端而处于相邻放电间隙中的栅状金属电极连接电源的另一端；

所述示波器并联于电源两端。

2.根据权利要求1所述的放电装置，其特征在于：所述N块材质均匀的介质层为具有高介电常数与导热系数的高纯度氧化铝或氧化锆薄板，薄板厚度为0.1～1.5mm。

3.根据权利要求1所述的放电装置，其特征在于：所述相邻介质层间间隙为0.1～2mm。

4.根据权利要求1所述的放电装置，其特征在于：所述栅状金属电极及所述薄片金属电极的厚度相同，均为0.01～1.5mm；同时，同一栅状电极相邻金属条的间距相同，均为1～5mm；金属条宽度为1～5mm。

5.根据权利要求1所述的放电装置，其特征在于：所述中间介质层上、下表面均设有栅状金属电极，且使得中间介质层上表面栅状金属电极的任意两个相邻的金属条之间的中心线上均对应设置有一中间介质层下表面栅状金属电极金属条。

6.根据权利要求1所述的放电装置，其特征在于：增加中间薄板介质层数量以增加放电装置内高电场强度混合放电通道。

7.根据权利要求1所述的放电装置其特征在于：电源优选采用工频或100～2000Hz的高频、电压为3～20kV的交流高压电源或者脉宽为1～10μs脉冲电源。