CN107770940A - 多栅型等离子发生器 - Google Patents

Abstract

一种能够生产等离子体的装置，它由多个(两个以上)相隔一定距离的平行的栅形或网格形极板间隔并联后在一端串联或两端各串联一个电容器组成。在交流电源的驱动下，改变工作条件(包括不限于气体的被电离物质的压强、温度、电源电压、频率、波形等)可实现已知的各类放电形式。该装置既可以生产热平衡等离子体，也可以生产非热平衡等离子体。该装置用途广泛，包括化工、能源、生物、材料、冶金、环境、电子、通信等学科领域，具体应用包括但不限于光源、高分子链裂解、材料的合成(比如臭氧的生产，用二氧化碳和甲烷合成碳氢链)、发电等。

Description

多栅型等离子发生器

技术领域

本发明涉及一种能生产等离子体的装置，尤其是高效生产低温等离子的装置。

背景技术

让一个或多个电子从气体原子或分子脱离的过程称为电离，能够对气体电离的器件称为电离器，在电离器中形成的新的气体媒质称为电离气体，如果电离气体由外电场产生并形成传导电流，这种现象成为气体放电。气体放电物理是等离子物理的重要组成部分，是当今前沿科学的重要研究方向，在微电子技术、光源、材料的改性和合成、环境治理、核物理等等方面起着重要的作用。在一个考核单元内，如果电离气体的正电荷和负电荷的电量相等，这种电离气体称为等离子体，能够生产等离子体的装置成为等离子发生器。在等离子体中，若正离子呈现低温(低能)，则称这种电离气体为低温等离子体。低温等离子体中由于正离子呈现低温(能)从而拥有特殊的使用价值被当今科技人员重点研究，并且已在工业生产臭氧方面被广泛应用。在低温等离子体中，若电子呈现高温，则称这种等离子体为非热平衡低温等离子体，若电子和正离子都呈现低温，则称这种等离子体为热平衡低温等离子体。

目前，能够生产低温热平衡等离子体的装置尚不存在，已知的可以大功率生产非热平衡低温等离子体的电离器是介质阻挡型等离子体发生器。介质阻挡型等离子体发生器典型结构为相隔一定距离的两个平行导电极板间插入绝缘介质，极板两端接交流电。绝缘介质可以放在放电空间内，也可以覆盖电极。绝缘介质可以是一个，也可以根据工况设置多个。介质阻挡等离子发生器可以做成平板型，也可以做成同轴型。

通常所说的E型高频放电由于放电室是绝缘体，本质上仍是介质阻挡型放电。

微波放电是E型高频放电的特殊形式。

介质阻挡型等离子体发生器发明100多年来，历代科技人员对其进行了深入研究，但直至目前，依然停留在半定量计算，对其的微观电离机理、宏观电特性等都尚未形成精确的定量计算体系。仍处于半定量计算水平。由于没能形成定量计算体系，在实际应用中，一般都采用半定量计算和经验相结合的办法，导致在大功率应用中，比如大功率臭氧发生器设备，设备体积较大，能耗浪费严重，大约90％以上的输入能量并未生产臭氧，而是以热能的形式浪费掉了。

由于介质阻挡型等离子发生器必须在两平行极板中插入一个或多个绝缘介质，考虑等离子的特性，绝缘介质一般选用陶瓷或耐高温玻璃，这导致在发生器实际制造中，制造工艺相对复杂，可选择的发生器形状一般只有平板型和同轴型，考虑极板散热问题，在工业生产臭氧时，一般采用同轴型，造成设备体积庞大，制造成本较高。

发明内容

为了克服现有低温等离子体发生器的缺点，本发明提供一种等离子发生器，在交流电源驱动下，不仅可以在常温常压下高效生产低温热平衡等离子体，而且可以在不同的工作状况下(不同的压强、温度等)生产非热平衡等离子体。并且，本发明提出了定量计算体系。

本发明的技术方案是：

多个(两个以上)相隔一定距离的栅形或网格形的导电极板(以下简称极板)平行层叠放置，极板间隔并联后一端串接或两端各串接一个电容。相邻两极板间空间称为电离(放电)空间，一个电离空间和两端极板组成一个电离单元，全部电离单元组成的器件称为多栅型电离器(以下简称电离器)，电离器串接的电容称为偏压电容，电离器和偏压电容组成的结构称为多栅型等离子发生器。电离器根据工况安装在合适的绝缘支架上。

根据不同的工况，电离器可以做成平面堆型和同轴堆型。平面堆型是指多个平行的相隔一定距离的平面的栅形或网格形极板进行纵向(方向垂直于栅极平面)叠加，同轴型是指多个平行的相隔一定距离的曲面的栅形或网格形极板以同一轴线进行叠加。

根据不同的工况和使用目的，极板可以是静止的，也可以是运动的。被电离物质可以是静止的，也可以是运动的。被电离物质可以是气体，也可以是液体和固体。

由于极板和被电离物质接触，本身具有散热功能，当散热能力不足时，极板可以外接散热器件进行散热。

本发明的工作原理如下：

对单个电离单元，根据物理原理，两中间充满绝缘介质的平行导电极板构成一个电容器，该电容器称为电离电容，电离器的结构等效为多个电离电容并联。多栅型等离子发生器等效为多个电离电容并联后和一个偏压电容串联。随着外电源的正向升压，外电源对电离电容和偏压电容充电，电离空间内形成均匀电场(该电场由外电源产生，以下简称外加电场)，外加电场随外电源的升压而增强。

当外加电场增加到足够高时，被电离物质内自由电子沿电场线反方向被加速，进而撞击中性原子或分子导致其外层电子被电离，电离出的电子和原来的电子继续被电场加速，进而撞击其他中性原子或分子，形成电子崩，生成等离子体。电子脱离中性原子或分子后，中性原子或分子变为正离子。正离子和被电离出去的电子形成本征电场，其方向和外加电场相反。在外加电场和本征电场的共同作用下，自由电子和被电离出的电子沿外加电场反方向往极板方向运动，并大部分以一定速度到达极板。正离子将在外电场和本征电场的共同作用下沿电场线方向往另一极板运动。

被电离出的电子到达栅形极板前拥有速度和动能，极少部分电子将撞击栅极极板，其动能转换为热能，导致极板发热，大部分电子将穿过栅形极板继续前行，进入相邻的电离空间。由于多个栅极间隔并联，相邻电离空间的外加电场方向和本电离空间外加电场方向相反，此时，穿过栅极的电子运动方向和相邻外加电场方向相同，相邻的反向外加电场对电子反向做功(负功)，即电子对外电源充电，导致进入相邻电离空间的电子减速并直至为零，此时电子在到达极板前拥有的动能将转化为外电源能量。之后，反向的相邻外加电场继续对电子做正功，导致电子在反方向被加速，并运动回原极板(极少部门电子撞击极板发热)，由于外加电场强度在逐步减弱，此时，电子拥有的动能少于原来电子对外电源充电的能量，在此过程中，电子的一部分能量已转化为外电源能量。

之后电子以一定速度进入原来的电离空间，此时电子运动方向又和外加电场方向相同，电子又对外电源充电，之后又被原外加电场做正功，再次被加速并向极板运动(极少部门电子撞击极板发热)，一部分能量再次转化为外电源能量。

电子到达极板后将不断重复以上过程，形成以极板为中心振幅依次减弱的震荡运动，直至将能量全部转化为外电源能量，电子速度为零，呈现低温特性。在常温常压下，正离子几乎不动，也呈现低温特性，此时，本发明的生成物就是热平衡低温等离子体。

既有的介质阻挡型等离子发生器在电离过程中，被电离出的电子到达极板时拥有较高的速度和能量，电子呈现高温特性。常温常压下，介质阻挡型等离子发生器的产物为非热平衡低温等离子体。介质阻挡型等离子发生器产生的高温电子将以一定的速度撞击极板，将动能转化为热能，从而造成极板发热，能量全部浪费。

当外电源到达正向波峰时，电离停止。

随着外电源从正向波峰下行，在本征电场和外加电场的共同作用下，被电离出的电子沿外电场方向运动，并和正离子依次复合，生成新的中性原子或分子。电子和正离子全部复合后，两极板又等效为一个电离电容。

当外电源反向后，随着反向电压的升高，外电源对电离电容和偏压电容反向充电，再次进行电离，生成等离子体。极少部分电子撞击极板发热，大部分电子依然以极板为中心减幅震荡，直至将自身动能转化为外电源能量。当外电源到达反向波峰时，电离停止。随着外电源电压从反向波峰下降，被电离出的电子和正离子再次复合，生成新的中性原子或分子。电子和正离子全部复合后，两极板又等效为一个电离电容。

在外部交流电源的激励下，各个电离单元不断电离生成等离子体，并不断复合，生成新的中性原子或分子。

改变被电离物质的的压强、外电源的频率、电压、波形、功率等参数，电离单元内放电形式可以表现为汤生放电、辉光放电、弧光放电、火花放电、电晕放电、无声放电等各种形式，电离器内可生成热平衡等离子体和非热平衡等离子体。

为达到最小的能量损耗，本发明的驱动电源应特殊设计，本发明人将另外申请专利。

本发明的有益效果是：

1、制造工艺简单，制造成本低。目前能投入到工业生产用于生产非热平衡低温等离子体的只有介质阻挡型等离子发生器，但该电离器由于必须在两极板间插入绝缘体，实际制造时一般选择高温玻璃或陶瓷，导致制造工艺复杂，制造成本较高。而本发明材料只有电容和栅形或网格形极板，极板只需不锈钢制造，工艺简单，成本低。

2、能耗低。介质阻挡型低温等离子体发生器由于电子直接撞击极板，其拥有的动能全部转化为热能，从而能耗严重。而本发明由于电子围绕极板降幅震荡，并最终将能量转化为外电源能量，可以大幅度降低能耗。另外，介质阻挡型等离子发生器没有完善的定量计算体系，导致在实际工业中，大量能量耗费电源内阻上，而本发明提出了定量计算体系，将电源内阻耗能大幅下降。理论上说，若允许电离器体积足够大，栅形极板足够精密，驱动电源足够理想，本电离器在生产臭氧时不仅不耗费任何能量，而且可以输出能量。

3、体积小。在工业生产臭氧方面，介质阻挡型等离子发生器一般由耐高温玻璃管(或陶瓷管)做为绝缘介质，玻璃管内圆表面镀或贴上一层导体膜接交流电高压电极，玻璃管外圆同轴套不锈钢管接交流电地极，不锈钢管负责散热。由于玻璃材料的物理特性，玻璃管管壁的厚度一般较大，特别在大功率情况下，随着玻璃管的增长，管壁厚度更要大幅增加，一般都在几个毫米以上，这就决定了设备的体积较为庞大，有效电离空间的体积占整个等离子体发生器的体积还不到10％，而本发明除必要的支架外(一般无需散热器件)，其体积几乎全部为电离空间。生产相同等离子的产量所需体积大幅下降。

4、用途广泛。本发明由于能够实现目前已知的各类放电，其应用非常广泛，包括化工、能源、生物、材料、冶金、环境、电子、通信等学科领域，具体应用包括但不限于光源、高分子链裂解、材料的合成(比如臭氧的生产，用二氧化碳和甲烷合成碳氢链)、发电等。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是介质阻挡低温等离子体发生器典型结构图

图2是本发明的由4个栅形极板组成的平面堆型等离子体发生器剖视图及电路联接图

图3是本发明由4个栅形极板组成的同轴堆型等离子体发生器剖视图及电路联接图

图4是本发明用于柱型光源的一个实施例的剖面图及电路联接图

图5是本发明的用于生产臭氧的实施例的剖面图

图1中，1是高压电极，2是绝缘介质，3是放电空间，4是交流电地极，5是交流电源。

图2中，1是交流电源，2是偏压电容，3是栅形极板，4是绝缘支架，5是电离空间。

一般说来，偏压电容的电容值要远大于电离器等效电离电容的电容值，其耐压能力要高于电源电压。电源电压根据被电离空间被电离物质的压强和极板间距离而设定，其波形、频率、功率根据工况设定。常温常压下，用空气做被电离气体，电源电压设定在2000伏*极板间距到3000伏*极板间距之间。当气体压强较低(接近真空)时，随着电源电压的升高电离空间内将出现汤生放电、电晕放电、辉光放电、弧光放电、火花放电等形式，生成热平衡或准热平衡等离子体。当气体压强在常压甚至更高时，将出现无声放电，生成热平衡低温等离子体。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图4实施例中，1是交流电源，2是偏压电容，3是栅形极板，4是光源腔体，5是电离空间。电离空间内根据需要充满发光气体，比如惰性气体或混合气等，压强根据工况设定(参考既有等离子体光源)。光源腔体可选择性的将部分腔体用透明绝缘材料制造。

本实施例中，随着交流电源的激励，电离空间内气体不断被电离，生成等离子体，在等离子体电离和复合过程中，原子或分子会发射光子导致光源发光。根据工况要求，光源也可以做成同轴堆型，这样，本发明用于光源时将可以制造为不同的形状。

图5实施例中，1是交流电源，2是偏压电容，3是栅形极板，4是绝缘支架，5是电离空间，箭头表示原料气(空气或氧气)运动方向。随着交流电源的激励，电离空间内各电离单元内的氧气不断被电离，生成臭氧。

Claims (6)

1.一种交流电源驱动的等离子体发生器，其特征是，多个(两个以上)相隔一定距离的栅形或网格形的导电极板(以下简称极板)平行层叠放置，极板间隔并联后一端串接或两端各串接一个电容。栅形极板组根据工况安装在合适的绝缘支架上。

2.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征是：根据不同的工况，极板组可以做成平面堆型和同轴堆型。平面堆型是指多个平行的相隔一定距离的平面的极板进行纵向(方向垂直于极板平面)叠加，同轴型是指多个平行的相隔一定距离的曲面的极板以同一轴线进行叠加。

3.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征是：根据不同的工况和使用目的，极板可以是静止的，也可以是运动的。被电离物质可以是静止的，也可以是运动的。

4.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征是：被电离物质可以是气体，也可以是液体或固体。

5.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征是：当极板散热能力不足时，极板可以外接散热器件进行散热。

6.根据权利要求1所述的等离子体发生器，其特征是：改变被电离物质的压强、温度、电源的电压、频率、波形等工作条件，两极板间可以生成热平衡等离子体，也可以生成非热平衡等离子体。