CN107852808B - 等离子体发生器和用于调节离子比例的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种等离子体发生器（1），该等离子体发生器具有：压电变压器（2）、离子分离电极（7）和操控电路（8），该压电变压器适合用于过程气体的离子化，该操控电路适合用于施加电位到该离子分离电极（7）上。此外，本发明涉及一种用于调节在由等离子体发生器（1）所产生的等离子体中的正离子与负离子的比例的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子体发生器和一种用于调节由在等离子体发生器所产生的等离子体中的正离子与负离子的比例的方法。在此，将在等离子体中的正离子数目相对于负离子数目的比例称作正离子与负离子的比例。在此考虑在等离子体发生器的过程气体输出端上所输出的等离子体射束。
背景技术
在压电变压器中，由压电变压器的功能原理决定地，借助正弦形的输出电压产生等离子体。在此，在压电变压器上产生的输出电压的上升边沿和下降边沿的陡度相同。过程气体中正离子与负离子的产生大部分取决于这些边沿的陡度。基于压电变压器的该功能原理，可以不同地设计这些边沿的陡度。
因此，针对于过程气体的预给定的组分来确定在由压电变压器产生的等离子体中的正离子与负离子的比例。
然而，存在大气的、非热的等离子体的众多应用，在这些应用中，对正离子与负离子的确定比例的可调节性是有利的。例如以下应用属于此：在这些应用中，大气的、非热的等离子体被用于净化水。
发明内容
因此，本发明的任务是，在借助压电变压器来产生等离子体的情况下能够实现：以所期望的方式调节正离子与负离子的比例。
该任务通过根据当前权利要求1所述的等离子体发生器来解决。此外，该任务通过根据第二个独立的权利要求该的方法来解决。
建议一种等离子体发生器，该等离子体发生器具有压电变压器、离子分离电极和操控电路，该压电变压器适合用于过程气体的离子化，该操控电路适合用于施加电位到该离子分离电极上。
压电变压器尤其可以是Rosen类型的等离子体发生器。压电变压器可以产生等离子体，其中压电变压器将过程气体离子化。过程气体例如可以是空气或稀有气体。过程气体可以通过在压电变压器的输出侧上所产生的高电压来被离子化。在此，变压器的周围环境作为对应电极来起作用。
离子分离电极如此远离压电变压器地布置，使得离子分离电极不可以被视作为相对于变压器的对应电极。如果施加电位到离子分离电极上，则离子分离电极吸引具有相反的电荷的离子并且排斥同性电荷的离子。被离子分离电极吸引的离子的一部分在此如此强烈地偏转，使得其撞击到离子分离电极上或者并不到达等离子体发生器的至少一个输出端并且因此不包含在从等离子体发生器所发出的等离子体射束中。因此，等离子体中的该电荷的离子的份额被减小。
通过操控电路可以调节在离子分离电极上存在的电位。由此能够实现：始终以所期望的方式调节正离子与负离子的比例。
因此，通过使用离子分离电极能够实现：在借助如下压电变压器来产生等离子体的情况下，也以所期望的方式调节该比例，其中在该压电变压器情况下，通过过程气体的组分并且通过压电变压器的功能方式（Funktionsweise）来确定正离子与负离子的比例。以这种方式，可以充分利用压电变压器相对于生成等离子体的其他方法的优点并且同时产生具有所期望的正离子与负离子的比例的等离子体。尤其压电变压器的高效率是借助压电变压器来产生等离子体的一个重要优点。
此外，等离子体发生器可以具有用于检测正离子与负离子的比例的工具。操控电路可以根据用于检测该比例的工具的测量值来对在离子分离电极上存在的电位进行再调节。
等离子体发生器可以适合用于由过程气体流过，其中，过程气体被压电变压器离子化并且接着被引导通过离子分离电极。在离子分离电极中，在此可以对在过程气体中的正离子与负离子的比例进行改变。
在离子分离电极上存在的电位尤其可以确定在由等离子体发生器所产生的等离子体中的正离子与负离子的比例。
等离子体发生器可以具有管，该管将过程气体输入端与过程气体输出端连接，其中，在该管中布置有压电变压器和离子分离电极，其中，离子分离电极被布置在压电变压器和过程气体输出端之间。该管可以例如由等离子体发生器的壳体所构成。
操控电路能够如此被调节，使得在离子分离电极上存在的电位能够改变。以这种方式能够调节在由等离子体发生器所产生的等离子体中的正离子与负离子的每种任意的比例。
该操控电路可以具有适合用于产生输出交流电压的变压器和用于对该输出交流电压进行整流和平滑的电路，其中，该用于对该输出交流电压进行整流和平滑的电路与该离子分离电极连接。与此相应地，电路可以施加电位到离子分离电极上。在此尤其可以涉及准静态的电位（quasistatisches Potential）。变压器可以尤其是第二压电变压器。
该离子分离电极可以是栅格状的或者具有金属管。这两种成型方案特别好地适合用于将离子从被引导通过离子分离电极的等离子体射束中滤除。通过离子分离电极的相应的成型方案，也还可以以所期望的方式影响等离子体射束的形状。
该压电变压器可以适合用于产生大气的、非热的等离子体。
该操控电路可以具有至少一个二极管。该操控电路可以被设计用于使施加到该二极管上的电位换极（umpolen）。通过在二极管存在的电位的反转可以使所产生的正离子和所产生的负离子的比例反转。
该压电变压器可以具有端面（Endfläche）并且被设计用于，通过在其端面上所产生的高电压使过程气体直接地离子化。该端面可以是压电变压器的输出侧的端侧。
压电变压器尤其可以具有输入侧和输出侧，该输出侧直接连接到输入侧上。输入侧可以具有多层式结构，在该多层式结构中，压电层和在压电层之间所布置的第一和第二内部电极被上下堆叠。输出侧可以具有压电材料和单片式结构。
在压电变压器的运行中，可以施加交流电压到输入侧的第一和第二内部电极上，该交流电压激励在内部电极之间的沿堆叠方向的压电振动。由此可以形成如下波，该波沿纵向方向继续。以这种方式可以在输出侧上的端面上产生高电压。借助该高电压可以离子化过程气体、例如空气并且以这种方式可以产生大气的、非热的等离子体。
当过程气体在端面自身上被离子化时，该离子化可以被称作为“直接地”。间接的离子化与此相反，在间接的离子化中，从端面量取高电压并且将该高电压施加到另一元件，例如电极上，以便在该元件上离子化过程气体。直接的离子化具有以下优点：在此可以使能量损失最小化并且能够实现等离子体发生器的紧凑构造。例如，等离子体发生器可以被集成到可携带的手持设备中。
本发明的另一个方面涉及一种用于调节在由等离子体发生器所产生的等离子体中的正离子与负离子的比例的方法。该等离子体发生器尤其可以是上面所描述的等离子体发生器。与此相应地，与等离子体发生器相关联地已公开的每个在结构上或功能上的特征也可以适用于该方法。与该方法相关联地公开的每个特征也都可以以相应的方式适用于该等离子体发生器。
建议一种用于等离子体发生器的方法，该等离子体发生器具有压电变压器、离子分离电极和操控电路。该方法具有以下步骤：
- 以过程气体流过该等离子体发生器，该过程气体被该压电变压器离子化并且接着被引导通过该离子分离电极，
- 调节由该操控电路施加到该离子分离电极上的电位以便调节该正离子与负离子的比例。
如上面所描述的那样，该方法能够实现：产生等离子体，其中，以所期望的方式调节正离子与负离子的比例，其中，充分利用压电变压器在产生等离子体情况下的优点。压电变压器的高效率尤其属于此。
该操控电路可以具有变压器，输入交流电压被施加到该变压器上，并且该变压器产生输出交流电压。在该方法中，可以通过以下方式来执行对由操控电路施加到离子分离电极上的电位进行调节的步骤：改变在变压器上存在的输入电压。
该操控电路可以具有至少一个二极管。该方法可以具有以下步骤：
-将该二极管反转以便使施加到该离子分离电极上的电位换极并且以便使正离子与负离子的比例反转。
附图说明
下面根据附图更精确地描述本发明。
图1示出等离子体发生器的第一实施例；
图2示出等离子体发生器的第二实施例。
具体实施方式
图1示出等离子体发生器1的第一实施例，其中可能的是，在所产生的等离子体中调节正离子与负离子的比例。等离子体发生器1具有压电变压器2。压电变压器2适合用于：离子化过程气体并且由此产生等离子体。
压电变压器2是Rosen类型的压电变压器。压电变压器2适合用于借助压电式直接放电（PDD，Piezoelectric Direct Discharge）来产生等离子体。
压电变压器2具有输入侧和输出侧。压电变压器2在输入侧上具有多层式结构，在该多层式结构中，压电层和在压电层之间所布置的第一和第二内部电极被上下堆叠。压电层具有锆钛酸铅（PZT）陶瓷。在输入侧上，压电层沿堆叠方向被极化。内部电极由铜组成。
沿堆叠方向，在此在两个压电层之间分别交替地布置有第一内部电极和第二内部电极。第一内部电极朝压电变压器2的第一外侧被引出并且与第二外侧间隔开。第二内部电极与第一外侧间隔开并且朝第二外侧被引出。此外，在第一外侧和第二外侧上分别布置有外部电极，这些外部电极与朝相应的外侧所引出的内部电极电接触。
在输出侧上，压电变压器2具有单片式结构。输出侧具有与输入侧相同的压电材料。压电变压器2的输出侧沿纵向方向被极化。
在压电变压器2的运行中，施加交流电压到输入侧上的外部电极上，该交流电压激励在内部电极之间的沿堆叠方向的压电振动。由此可以形成波，该波沿纵向方向继续。以这种方式可以在输出侧上的端面上产生高电压。借助该高电压可以离子化过程气体、例如空气并且以这种方式可以产生大气的、非热的等离子体。
在压电变压器2的运行中，变压器的周围环境作为对应电极起作用。这涉及所谓的“Floating Electrode（浮动电极）”。尤其在压电变压器的输出侧的棱边和角部处形成高的场梯度，从而压电变压器离子化过程气体。高的场梯度可以通过以下方式来产生，即在输出侧上施加电位，该电位相对于参考电位来看是高的，参考电位例如可以是地电位。
压电变压器2与第一操控电路3接线。第一操控电路3设计用于施加输入电压到压电变换器2的外部电极上。输入电压是交流电压。输入电压的频率优选地相应于压电变压器2的谐振频率。谐振频率通过压电变压器2的几何结构来确定。该谐振频率可以在10kH和1000kHz之间。优选地，谐振频率可以在20kHz和100kHz之间，例如是50kHz。
等离子体发生器1还具有管4，该管将过程气体输入端5与过程气体输出端6连接。在等离子体发生器1的运行中，过程气体可以流过管4。过程气体流通过图1中的在过程气体输入端5上和过程气体输出端6上的各一个箭头标出。过程气体可以例如是空气或稀有气体。
在管4中，通风器可以布置在过程气体输入端5上，其抽吸周围环境空气。替代地，可以将过程气体输入端5与压缩空气储库（Druckluftreservoir）连接。在过程气体输出端6上可以布置有喷嘴，该喷嘴能够实现：在所期望的形状的等离子体射束中输出所产生的等离子体。
压电变压器2布置在管4中并且与此相应地在等离子体发生器1运行中由过程气体环流。在压电变压器2的输出侧上，在此离子化过程气体。离子化同样通过图1中的箭头标出。通过过程气体的组分，在压电变压器2的输出侧上所产生的等离子体中的正离子与负离子的比例被预给定。
然而，在当前等离子体发生器1中现在起可能的是，改变正离子与负离子的预给定的比例。为此目的，等离子体发生器1具有离子分离电极7，该离子分离电极被布置在管中。离子分离电极7被布置在压电变压器2和过程气体输出端6之间。与此相应地，引导由压电变压器2所离子化的过程气体在离子分离电极7处经过。离子分离电极7在此以如此程度远离压电变压器2地布置，使得该离子分离电极不作为变压器的对应电极来起作用。等离子体发生器1还具有第二操控电路8。第二操控电路能够实现：在离子分离电极7上施加电位。
在图1中示出的实施例中，第二操控电路8被配置用于在离子分离电极7上施加相对于参考电位、例如地电位正的电位。与此相应地，离子分离电极7将吸引经离子化的过程气体的负离子并且排斥经离子化的过程气体的正离子。负离子的一部分在此如此由离子分离电极7吸引，使得负离子撞击到离子分离电极7上并且因此不到达过程气体输出端6。以这种方式可以减小在由等离子体发生器1所输出的等离子体中的负离子的份额并且因此改变正离子与负离子的比例。
等离子体发生器1与此相应地使用以下原理：该原理相应于真空三极管的原理，其中，在此，气体流负责于离子传输而并且不是如真空三极管的情况下那样的在阳极与阴极之间的电压。
然而，不是过程气体中的所有负离子如此强烈地被离子分离电极7吸引，使得所有这些负离子不到达过程气体输出端6。相反，负离子的仅一部分由离子分离电极7如此强烈地偏转，使得这些离子不到达过程气体输出端6。与此相应地，发生部分的分离。
如果现在起提高或降低在离子分离电极7上存在的电位，则可以由此提高或降低从过程气体流中滤除的负离子的份额。
第二操控电路8具有变压器9。变压器9例如可以是第二压电变压器。第二操控电路8施加输入交流电压到变压器9的输入侧上。在变压器9的输入侧上可以量取输出交流电压。在此涉及高电压。第二操控电路8如此被设计，使得在变压器9上所施加的输入电压能够调节。通过调节该输入电压，可以改变在离子分离电极7上存在的电位。
变压器9的输出端与用于对输出交流电路进行整流和平滑的电路10连接。电路10将由变压器9所产生的交流高电压转换为准静态的高电压。用于整流和平滑的电路10具有两个二极管11和一个电容器12。通过这两个二极管11对由变压器9所产生的高电压进行整流。借助电容器12对电压进行平滑。在图1示出的实施例中，以这种方式生成相对于地而言为正的电位，该电位存在于离子分离电极7上。
第二操控电路8此外如此设计，使得可以使二极管11反转，从而在这种情况下产生负电位，该电位存在于离子分离电极7上。在这种情况下，正离子被离子分离电极7吸引。与此相应地，降低等离子体中的正离子的份额，并且以这种方式也可以以所期望的方式调节正离子与负离子的比例。
第二操控电路8此外可以具有开关元件，该开关元件能够实现：在用于产生负电位的配置与用于产生正电位的配置之间切换。开关元件可以是两个高电压簧片继电器。
在图1示出的实施例中，离子分离电极7是栅格状的。离子分离电极在此具有比管4的直径仅仅略小的直径。与此相应地，几乎使经离子化的全部过程气体被引导穿过栅格中的开口。以这种方式可以进行离子的有效分离。
图2示出等离子体发生器1的第二实施例。在图2中示出的实施例在离子分离电极7的构型方面区别于图1中的实施例。离子分离电极7在此通过金属管构成。金属管同中心地布置在管4中。
如果在离子分离电极7上例如存在正电位，则在金属管中，负离子沿径向方向向外偏转。正离子被集中在离子分离电极7的中心。以这种方式可能的是，如此调节所产生的等离子体射束中的离子分布，使得提高正离子的份额，因为负离子的一定的份额如此强烈地被偏转，使得该份额不到达过程气体输出端6。
如果在离子分离电极7上存在的电位被换极，则类似地使负离子集中在等离子体射束的内部并且使正离子沿径向方向向外偏转。
通过第二操控电路8可以以所期望的方式调节在离子分离电极7上存在的电位并且因此可以调节正离子与负离子的比例。
附图标记列表
1 等离子体发生器
2 压电变压器
3 第一操控电路
4 管
5 过程气体输入端
6 过程气体输出端
7 离子分离电极
8 第二操控电路
9 压电变压器
10 用于整流和平滑的电路
11 二极管
12 电容器
Claims (10)
1.一种等离子体发生器（1），所述等离子体发生器具有：
压电变压器（2），所述压电变压器适合用于过程气体的离子化；
离子分离电极（7），和
操控电路（8），所述操控电路适合用于施加电位到所述离子分离电极（7）上，
其中，所述压电变压器（2）具有端面并且被设计用于，通过在所述压电变压器的端面上所产生的高电压使过程气体直接地离子化，
其中所述操控电路包括至少一个二极管，其中所述操控电路被配置为将施加到所述二极管的电位换极，由此将产生的正离子与产生的负离子的比例反转。
2.根据权利要求1所述的等离子体发生器（1），其中，所述等离子体发生器（1）适合用于由过程气体流过，其中，所述过程气体被所述压电变压器（2）离子化并且接着被引导通过所述离子分离电极（7）。
3.根据以上权利要求中任一项所述的等离子体发生器（1），其中，在所述离子分离电极（7）上存在的电位确定在由所述等离子体发生器（1）所产生的等离子体中的正离子与负离子的比例。
4.根据以上权利要求中任一项所述的等离子体发生器（1），所述等离子体发生器具有管（4），所述管将过程气体输入端（5）与过程气体输出端（6）连接，其中，在所述管（4）中布置有所述压电变压器（2）和所述离子分离电极（7），其中，所述离子分离电极（7）被布置在所述压电变压器（2）和所述过程气体输出端（6）之间。
5.根据以上权利要求中任一项所述的等离子体发生器（1），其中，所述操控电路（8）能够如此被调节，使得在所述离子分离电极（7）上存在的电位能够改变。
6.根据以上权利要求中任一项所述的等离子体发生器（1），其中，所述操控电路（8）具有适合用于产生输出交流电压的变压器（9）和用于对所述输出交流电压进行整流和平滑的电路（10），其中，所述用于对所述输出交流电压进行整流和平滑的电路（10）与所述离子分离电极（7）连接。
7.根据以上权利要求中任一项所述的等离子体发生器（1），其中，所述离子分离电极（7）是栅格状的，或者，其中，所述离子分离电极（7）具有金属管。
8.根据以上权利要求中任一项所述的等离子体发生器（1），其中，所述压电变压器（2）适合用于产生大气的、非热的等离子体。
9.一种用于调节在由等离子体发生器（1）所产生的等离子体中的正离子与负离子的比例的方法，
其中，所述等离子体发生器（1）具有压电变压器（2）、离子分离电极（7）和操控电路（8），
其中，所述方法具有以下步骤：
- 以过程气体流过所述等离子体发生器（1），所述过程气体被所述压电变压器（2）离子化并且接着被引导通过所述离子分离电极（7），
- 调节由所述操控电路（8）所施加到所述离子分离电极（7）上的电位以便调节所述正离子与负离子的比例，
其中，所述压电变压器（2）具有端面并且所述过程气体通过在所述压电变压器的端面上所产生的高电压而被直接地离子化，
其中，所述操控电路（8）具有至少一个二极管（11），其中，所述方法还具有以下步骤：
- 将所述二极管（11）反转以便使被施加到所述离子分离电极（7）上的所述电位换极并且以便使正离子与负离子的比例反转。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述操控电路（8）具有变压器（9），输入电压被施加到所述变压器上，并且所述变压器产生输出交流电压，其中，在对由所述操控电路（8）所施加到所述离子分离电极（7）上的电位进行调节的步骤中，改变施加到所述变压器（9）上的所述输入电压。
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