CN107426910A - 辉光放电等离子体发生装置及离子风空气净化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有离子风动力模块的辉光放电等离子体发生装置，包括棒状螺旋电极和高压电极，其特征在于，所述棒状螺旋电极包括内电极，内电极上包裹有绝缘层，绝缘层外部缠绕有柔性外电极；所述带有离子风动力模块的辉光放电等离子体发生装置还包括交流电源，交流电源的正极与内电极连接，交流电源的负极与柔性外电极连接；所述带有离子风动力模块的辉光放电等离子体发生装置还包括高压直流电源，所述高压直流电源的正极与高压电极连接，高压直流电源的负极与交流电源的负极连接；所述带有离子风动力模块的辉光放电等离子体发生装置还包括离子风动力单元，棒状螺旋电极和高压电极平行布置，电源连接按照上述方法连接。

Description

辉光放电等离子体发生装置及离子风空气净化器

技术领域

本发明属于空气净化技术领域，涉及一种辉光放电等离子体发生装置及离子风空气净化器。

背景技术

随着全球经济的飞速发展，各类环境污染问题也日益突出，其中最为突出的是空气污染，已经威胁到了全球过亿城市人口的健康。近年来，国内大型城市的空气污染问题也日益严峻，由此引起人们对空气污染问题的高度关注。空气污染问题大致可分为室内的空气污染问题和室外的大气污染问题。大气污染主要由工业生产以及人类活动过程中污染物的过度排放引起，而室内空气污染的来源则复杂多变，包括家居装修、煤气燃气的使用、室内吸烟以及室外的大气污染，都会对室内的空气造成污染。此外，室内空气污染物种类繁多，其中主要包括可吸入颗粒物、灰尘烟尘、氮氧化物、挥发性有机物等。

于是，为了对室内空气中的可吸入颗粒物、病菌、烟尘灰尘及以甲醛为代表的挥发性有机物加以控制并去除，人们发明了室内空气净化器。近年来市场上出现了种类繁多的净化器，他们对各项性能指标的要求不断提高，应用的具体场合也不一样，有适合大空间室内的大功率净化器，也有适合小空间或车内使用的小型净化器，由于净化原理的差异，针对的污染物也大不相同，也使得净化效果参差不齐。因此研制出能同时去除室内空气各类污染物的空气净化器具有突出的意义。

等离子体技术，在上世纪八十年代开始应用于治理空气污染的领域，时至今日，该技术已经发展成为一种热门的空气净化技术。等离子体富含大量的高能的电子、激发态的原子、光子、自由基、离子和分子等，人们称之为物质的第四种状态。其正负电荷总和在区域内是相等的，因此在宏观上保持为电中性，但具有很高的化学活性。

有关文献记载，等离子体的杀菌作用可通过静电力作用使细菌细胞壁破裂，也可通过化学反应使胞膜通透性增加，导致内容物漏出；等离子体在杀菌过程中是多种作用同时并行的，但主要反应是等离子体活性成分与微生物生命大分子发生的化学反应，包括对脂质的过氧化作用，对蛋白质的 修饰作用和对DNA的损伤作用，等离子体按由外及内的先后顺序依次与细胞各成分发生反应；等离子体的所有活性杀菌成分中，起主要作用的可能是中性活性反应基团，包括OH·和0·等，其次是带电粒子。

等离子体技术在空气净化领域具备一定的优势，例如成本低、能耗小、适用范围广（几乎可去除所有的挥发性有机物）、反应速度快、效率较高等。通过对室内空气净化器净化技术研究现状的分析，本研究从环保节能的角度出发，研制出一种低功耗、低耗材、无噪音的室内空气净化器，它将适合于室内环境中。从低功耗角度出发，我们改变传统静电除尘采用风机带动气体流动的方式，减少风机的能耗，以离子风为动力带动气流运动，这种方式不仅降低功耗，而且可以有效降低由风机产生的噪声。以静电除尘和辉光放电等离子体为原理的净化器，不仅可以去除颗粒物、病菌及挥发性有机物等，而且其与物理吸附、化学吸收相比具有低耗材的优势，人们不用定期更换过滤吸附材料，既降低成本，又减少操作的麻烦。

以辉光放电等离子体协同离子风为主要原理的室内空气净化器，需要进行多方面的研究，首先是产生辉光放电等离子体的电极结构设计，等离子技术对净化污染物的研究，提高净化器的工作效率。其次是协同作用产生更大风速的离子风的电极结构组合设计，需要对离子风进行相应的研究以及去除颗粒物效率的影响因素。

发明内容

本发明是为进一步解决目前空气净化器领域的难题而提出的，其中一个目的在于提供一种应用辉光放电等离子体技术的空气净化器，辉光放电能够产生稳定的、高密度的等离子体，应用于空气杀菌、分解有害有机物等具有明显的优势。另一个目的在于提供一种低功耗、低噪音、低耗材、的空气净化器，从低功耗低噪音的角度出发，改变传统风机带动气体流动的方式，以离子风为动力带动气流运动，杜绝风机的能耗及其产生的噪声。以辉光放电等离子体协同离子风技术为原理的净化器，不仅可以去除颗粒物和挥发性有机物，而且其与物理吸附、化学吸收相比具有低耗材的优势，人们不用定期更换过滤吸附材料，既降低成本，又减少操作的麻烦。

一种辉光放电等离子体发生装置，包括棒状螺旋电极和高压电极，所述棒状螺旋电极包括内电极，内电极上包裹有绝缘层，绝缘层外部缠绕有柔性外电极；所述辉光放电等离子体发生装置还包括交流电源，交流电源的正极与内电极连接，交流电源的负极与柔性外电极连接；所述辉光放电等离子体发生装置还包括高压直流电源，所述高压直流电源的正极与高压电极连接，高压直流电源的正极与高压电极连接，高压直流电源的负极与交流电源的负极连接。

一种基于辉光放电等离子体协同离子风的空气净化器，包括箱体，箱体内设有电源模块，所述电源模块包括高频交流电源、高压直流电源；所述箱体正面设有出气口，箱体背面设有进气口；所述进气口和出气口之间依次布置有初效过滤网、棒状螺旋电极组、片状金属高压电极板和臭氧过滤网；棒状螺旋电极组由多个棒状螺旋电极构成，所述棒状螺旋电极包括内电极，内电极上包裹有绝缘层，绝缘层外部缠绕有柔性外电极；高频交流电源的正极与内电极连接，高频交流电源的负极与柔性外电极连接；高压直流电源的正极与片状金属高压电极板连接，高压直流电源的负极与高频交流电源的负极连接。

进一步的改进，所述箱体一侧设有侧开口，箱体内部设有插槽，用于抽插和固定初效过滤网、棒状螺旋电极组、片状金属高压电极板和臭氧过滤网。

所述箱体正面设有控制器。

进一步的改进，所述高频交流电源采用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，再通过高频变压器升压来实现输出千伏左右的电压，频率为20千赫兹的高频交流电；所述高压直流电源利用220V交流输入，产生恒直流的电压，大小为上万伏左右。

进一步的改进，根据权利要求2所述的一种辉光放电协同离子风空气净化器，其特征在于，所述的螺旋电极中，内电极采用金属棒，内电极材料为不锈钢材料、铜材料、石墨材料或者钨材料；柔性外电极采用金属细线、金属纤维或碳纤维。

进一步的改进，所述棒状螺旋电极组和片状金属高压电极板的间距为1cm至10cm，根据实际功率进行灵活调整。

进一步的改进，所述棒状螺旋电极内电极为直径2mm长40cm的金属棒，绝缘层为聚四氟乙烯双面胶，柔性外电极为碳纤维，缠绕的螺距为2cm；将10个棒状螺旋电极间隔10mm平行排列固定，形成棒状螺旋电极组，尺寸可以根据实际功率大小进行调整。

本发明的有益效果是：通过采用该辉光放电协同离子风空气净化器的电极结构，可以在棒状螺旋电极及其附近空间区域产生大量低温等离子体。该低温等离子体灭菌范围广、灭菌率高、耗时短。另外采用离子风作为驱动力，无需安装风机，具有很好的颗粒物吸附效果，同时噪音小、耗能低，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。

通过对现有技术检索并对比差异性，可以发现本发明的效果如下：

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基本原理不同：在空气净化器领域，已有专利采用的基本放电原理是电晕放电或者利用非接触电极产生低温等离子体。电晕放电产生的等离子体密度远小于辉光放电，非接触电极之间的空间有限，限制了对物品的处理。而本发明采用的是螺旋式电极结构，生成的等离子体可以扩散到周围区域。

②气流驱动方式及离子风形成方式不同：已有专利采用的是传统的风机作为驱动力，耗能大同时噪音大，不利于家庭使用。而本发明采用的是离子风作为驱动力，但是又不同于以往专利中的离子风形成结构。本发明新颖的采用将辉光放电负电极同时作为离子风形成电极，由于辉光放电的发生，使得电晕放电负电极周围本身存在等离子体，等离子体在直流电场的作用下同时被加速，增强了离子风的风速，可见二者的协同作用。本结构并不单单使用离子风进行杀菌，而是最大限度的利用其驱动空气流动的能力，彻底解放了风机的使用，同时发挥离子风吸附微小颗粒污染物的优势。

③能够产生更稳定的面积更大的等离子体：相比于其他非接触式在电极内部产生等离子体，本发明的螺旋电极结构实际上展开之后相当于线状电极，围绕该线状电极产生了大面积的等离子体，更有利于空气杀菌、分解有机物等。

④空气净化可靠性更高：采用螺旋电极结构实现的辉光放电是名副其实的在大气压空气环境中得到的等离子体，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。由此可以发现当其应用到空气净化中具有明显的优势。

⑤成功降低了臭氧的产生。本发明中螺旋电极的是在微小间隙下形成的辉光放电，具有微放电的特征，减少了强电场的存在，因此极大地减小了高能量粒子的比例，因此成功抑制了臭氧的产生。

附图说明：

图1为本发明实施例的立体图；

图2为本发明是实施例的内部结构图，其中上图中包括各层电极插层（上座7、底座8、初效过滤网10、辉光放电等离子体电极11、离子风电极12、臭氧过滤网13）、底部电源控制器9及显示器6；下图从左到右依次为为初效过滤网10、辉光放电等离子体电极11、离子风电极12、臭氧过滤网13的放大图；

图3及图4是螺旋电极独立结构及插层结构；

图5为离子风片状金属板正电极；

图6为电源系统与螺旋电极的接线图；

图7为空气净化原理图；

图8为实验室内放电效果图；

图9为放电电压与电流波形图；

图10为放电情况下Lissajous图形。该实例为立体式，其内部核心也可做为桌面式或者挂壁式。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行详细说明。

如图1及图2示例所示的空气净化器包含进风口5和出风口4的主体，由进风口内侧到出风口依次布置了初效过滤网10，棒状螺旋电极组11，片状金属高压电极板12，臭氧过滤网13，各层过滤网间隙形成空气通道，底部安装了电源部分9，侧面安装可开关门3，正面布置显示器及控制器6.

主体的进风口形成背部面5，出风口形成前面外观4，侧开门形成侧面外观3，电源部分作为底座，放置交流电源及直流电源，主体的上下部分均可以独立制作方便安装，主体内上下部分设置插槽以固定各抽插层，在初效过滤网侧对大颗粒物及毛发进行过滤，在辉光放电电极上产生的等离子体对各类细菌病菌及有机物进行分解，同时使极其细微的颗粒物（如PM2.5等）带上电荷，进而使带电颗粒吸附于离子风正电极板上，空气进一步流动经过臭氧过滤网，将产生的少量的臭氧吸收，从而形成新鲜空气。

图3为本发明的空气净化器辉光放电电极结构示意图，具体参数做出以下初步设定。取10根直径为2mm，长为40cm的金属棒14。在外层包裹有绝缘介质聚四氟乙烯双面胶15，然后再缠绕多股组成的碳纤维16，螺距控制在2cm左右。将其相隔10mm平行放置，组成一组辉光放电电极组，如图4所示。该电极中金属棒作为正电极，碳纤维作为负电极。

以上叙述的结构中，棒状螺旋电极的正负极的粗细、材料、螺距的设置、整体根数可以根据体积和功率等产品要求进行调整。螺距较小时，等离子体实际作用区域更大，但耗能及耗材都会增加。绝缘介质可以根据不同的绝缘要求选用不同的绝缘材料，控制绝缘层与正负电极之间的间隙，减少臭氧的产生。

这些变化均在本发明声明的保护范围之内。

由取10片长度40cm，宽度3cm极薄的钢板21横向水平由下到上依次布置组成离子风电极组，如图5所示，该设置方式不但方便空气流通，同时能够很好地吸附带电颗粒物。该电极与碳纤维电极间隔控制在5cm左右，风速可达到1m/s。

图6为电源系统与棒状螺旋电极组及离子风正电极的接线图，碳纤维电极同时连接两电源的负极，金属棒接交流电源的正极，片状金属板接直流电源的正极。

图7为净化器将室内脏空气转化处理为洁净空气的整体示意图，大颗粒物、毛发等吸附于初效过滤网，辉光放电电极处理空气中的细菌及有害高分子气体，离子风电极提供离子风同时吸附细微颗粒物，臭氧吸附层处理掉生成的极少量的臭氧，从而转化为洁净空气排入室内。

电源部分9包括辉光放电高频高压交流电源及直流高压电源。本发明中交流高频电源采用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。输出电压的幅值千伏左右，频率为20千赫兹，且二者均可调。直流高压电源促使两电极产生离子风，该电源利用220V交流输入，产生恒直流的电压，大小为上万伏左右。在该电源作用下，两电极形成稳定的离子风。

通电后，螺旋电极表面及其周围区域发生辉光放电，生成大量低温等离子体。该低温等离子体具有灭菌范围广、灭菌率高、耗时短、功耗小等优势。另外采用的片状离子风正电极结构在保证很好的气体通透性的同时，还可以吸附微小颗粒物，使空气净化效率得到进一步提高。

本发明还可以在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，电极组依然为螺旋结构。

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：

图8是它们的放电效果图。从现象上在图中的螺旋电极表面以及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。

图9是它们的放电电压、电流波形图，图10为放电Lissajous图形。其中，1为放电电压波形，2为放电电流波形。由于两个导体电极之间会形成电容。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为连续式接触，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。

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 (8)

1.一种辉光放电等离子体发生装置，包括棒状螺旋电极和高压电极，其特征在于，所述棒状螺旋电极包括内电极，内电极上包裹有绝缘层，绝缘层外部缠绕有柔性外电极；所述辉光放电等离子体发生装置还包括交流电源，交流电源的正极与内电极连接，交流电源的负极与柔性外电极连接；所述辉光放电等离子体发生装置还包括高压直流电源，所述高压直流电源的正极与高压电极连接，高压直流电源的负极与交流电源的负极连接。

2.一种基于辉光放电等离子体协同离子风的空气净化器，包括箱体，箱体内设有电源模块，其特征在于，所述电源模块包括高频交流电源、高压直流电源；所述箱体正面设有出气口，箱体背面设有进气口；所述进气口和出气口之间依次布置有初效过滤网、棒状螺旋电极组、片状金属高压电极板和臭氧过滤网；棒状螺旋电极组由多个棒状螺旋电极构成，所述棒状螺旋电极包括内电极，内电极上包裹有绝缘层，绝缘层外部缠绕有柔性外电极；高频交流电源的正极与内电极连接，高频交流电源的负极与柔性外电极连接；高压直流电源的正极与片状金属高压电极板连接，高压直流电源的负极与高频交流电源的负极连接。

3.如权利要求2所述的一种基于辉光放电等离子体协同离子风的空气净化器，其特征在于，所述箱体一侧设有侧开口，箱体内部设有插槽，用于抽插和固定初效过滤网、棒状螺旋电极组、片状金属高压电极板和臭氧过滤网。

4.如权利要求2所述的一种基于辉光放电等离子体协同离子风的空气净化器，其特征在于，所述箱体正面设有控制器。

5.如权利要求2所述的一种基于辉光放电等离子体协同离子风的空气净化器，其特征在于，所述高频交流电源采用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，再通过高频变压器升压来实现输出千伏左右的电压，频率为20千赫兹的高频交流电；所述高压直流电源利用220V交流输入，产生恒直流的电压。

6.如权利要求2所述的一种基于辉光放电等离子体协同离子风的空气净化器，其特征在于，根据权利要求2所述的一种辉光放电协同离子风空气净化器，其特征在于，所述的螺旋电极中，内电极采用金属棒，内电极材料为不锈钢材料、铜材料、石墨材料或者钨材料；柔性外电极采用金属细线、金属纤维或碳纤维。

7.如权利要求2所述的一种基于辉光放电等离子体协同离子风的空气净化器，其特征在于，所述棒状螺旋电极组和片状金属高压电极板的间距为1cm至10cm。

8.如权利要求2所述的一种基于辉光放电等离子体协同离子风的空气净化器，其特征在于，所述棒状螺旋电极内电极为直径2mm长40cm的金属棒，绝缘层为聚四氟乙烯双面胶，柔性外电极为碳纤维，缠绕的螺距为2cm；将10个棒状螺旋电极间隔10mm平行排列固定，形成棒状螺旋电极组。