CN112804808A - 可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置及方法，包括：将直流供电电源连接直流变压器输出产生等离子体所需的超高电压；将直流变压器输出的超高电压连接等离子体发生装置的放电电极，同时将另一极接地；直流供电电源打开，在放电电极与接地极间产生直流等离子体；采用阵列式或首尾相接式对等离子体区域进行扩展放大。本发明提供了一种可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大的装置，结构简单，成本低廉，放电稳定，移动便携，扩展性强。

Description

可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置及方法

技术领域

本发明涉及低温等离子体领域，具体地，涉及一种可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置及方法。

背景技术

等离子体是由多种活性粒子(电子、光子、正离子、负离子)以及自由基组成的呈电中性的集合体，是除气液固三台之外存在的第四种物质形态，具有高化学反应活性和导电性。其中，低温等离子体由于其利用高能电子、离子、自由基等活性粒子使污染物分子能在极短的时间内激发、电离和离解而达到降解有机污染物以及灭菌的目的，且在室温下进行、反应迅速、效率高而成为一种可靠的空气净化技术。

目前，介质阻挡放电法和电晕放电法是常用的低温等离子体发生方法，其中，电晕放电是依靠放电电极在高压条件下局部电场较大而产生的电子雪崩效应，带来大量的正负离子以及自由基等活性粒子。常规的采用电晕放电形式的等离子体发生方式多采用线筒式或线板式放电结构，而高压供应多采用交流或脉冲形式的电源。线筒或线板式放电结构设计加工较为方便简单，制造成本较低，然而，线筒或线板放电结构产生的等离子体局限于围绕电极线的较小电晕区范围，在实际的等离子体发生过程中，能量密度分布极不均匀，造成其在实际应用过程中不能有效发挥其局部高能量优势。另外，高压供应采用的交流电源极大限制了等离子体向可移动性以及便携性的发展，而且高压交流电器件的造价昂贵，价格是一般可调直流高压电源的数十倍，位置固定、电力限制、成本高昂等这些因素使得目前对于低温等离子体的研究局限于高校以及科研院所，虽然目前低温等离子体在治理挥发性有机物方面取得了一些成果，但距离实际应用、成果转化还有较大差距。

专利文献CN202010340316.0公开的设备具有多个放电发生筒，能够高效地生产低温等离子体，但是其装置结构复杂，对放电极与接地极的材料要求较高。又如专利文献CN202010443188.2公开的一种新型的低温等离子体催化装置，其发明的装置可以有效达到VOCs的治理和转化，提升工作效率以及目标产物的选择性，但是由于其催化系统的加入，使其工作原理与结构都变得异常复杂，且拓展性较差。又如专利文献CN201811507227.X公开的一种低温等离子体空气净化设备，其提供的设备在净化室内空气的同时还可以根据氧气的含量为室内提供新风，但是其可移动性与便携性都不够理想，应用场合受到限制。随着技术的革新与进步，人们对低温等离子体装置的要求也变得更加苛刻，高效低成本、简易可拓展、移动可便携等，会成为其有利于应用的特点，也会为低温等离子体技术在空气净化领域的产业化提供坚实的基础和可靠的保障。但是，正如上文所述，目前的低温等离子体装置还存在诸多问题，如装置结构复杂，加工成本过高，便携性与移动性不够理想，拓展性差等，因此，本领域迫切需要开发一种具备结构简单，成本低廉，便携移动等优势的低温等离子体发生方法与装置。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置及方法。

根据本发明提供的一种可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置，包括：

用于提供能量来源的直流供电电源装置(1)，包括：电池，电线以及电源开关；

与直流供电电源装置(1)相连接的、用于输出能够产生等离子体的超高电压的直流变压器(2)，包括：电路板，高压包模块；

与直流变压器(2)连接的、用于产生等离子体的发生装置(3)，包括：外壳、放电电极及接地极；

等离子体区域扩展放大所需的用于阵列式的带孔平板；

用于首尾连接的弯头；

所述电池通过电线与电源开关相连；

所述高压包模块设置于电路板上；

所述放电电极及接地极相对设置于外壳上。

优选地，所述直流变压器(2)采用电路板芯片；

所述直流变压器(2)的尺寸在10cm╳7cm╳2cm范围内。

直流变压器还可以包括安全开关。

优选地，所述等离子体发生装置(3)还包括：等离子体发生装置外壳；

所述等离子体发生装置外壳采用以下任一种材料：

-塑料；

-有机玻璃。

优选地，放置放电电极的等离子体发生装置外壳厚度为2mm-10mm，并进行等距打孔，孔径为0.5mm-2mm，孔距为5mm-20mm，打孔数为1个-10个。

优选地，所述放电电极采用以下任意一种材质：

-金属铜；

-金属铁；

-金属镍；

-金属钨；

长度为5mm-30mm，形状为针尖电极或芒刺电极，电极主体圆柱的直径为0.5mm-2mm，放电电极放置于等离子体发生装置外壳打孔处，放电电极的放电发生端朝向外壳内部，各个电极之间采用铜丝导线或铝制电路板连接。

所述放电电极采用串联方式，沿电极垂直方向依次分布，电极间距与外壳孔距一致，放电电极直径与外壳孔径相匹配；

所述接地极采用铝、铁、铜或不锈钢材料，所述接地极的形状为板状、线状、半圆状或圆筒状；

所述放电电极与接地极距离为1mm-10mm，接地极放置方向与放电电极方向垂直或平行；

所述等离子体发生装置截面为矩形或圆柱形；

截面为矩形的等离子体发生装置的扩展放大采用阵列式方法，将多个放置放电电极外壳采用横向或纵向排布方法进行拼接，不断扩展放电电极区域，最终采用铜丝导线或铝制电路板将各个阵列模块相连接，并接入高压包模块；

截面为圆柱形的等离子体发生装置采用与等离子体发生装置外壳尺寸一致的弯头，对多个圆柱体外壳采用首尾连接的方式进行串联连接，不断增加气流主方向上放电区域范围，最终采用铜丝导线或铝制电路板将各个拼接装置相连接，并接入高压包模块。

根据本发明提供的一种可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大方法，包括以下步骤：

步骤S1：将直流供电电源连接直流变压器用来输出净化空气的等离子体所需的超高电压；

步骤S2：将直流变压器输出的超高电压连接等离子体发生装置的放电电极，同时将另一电极接地；

步骤S3：直流供电电源打开，在放电电极与接地极间产生直流等离子体；

步骤S4：采用阵列式或首尾相接式对等离子体区域进行扩展放大，获取可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大信息。

优选地，所述步骤S1包括：

步骤S1.1：直流供电电源可选用干电池或蓄电池，电压范围为5伏到24伏。

优选地，所述步骤S2包括：

步骤S2.1：直流变压器输出的超高电压范围为1千伏到10千伏，等离子体产生方式为直流电晕放电。

优选地，所述步骤S3包括：

步骤S3.1：等离子体产生方式为直流电晕放电，功耗小，放电稳定。

阵列式方法适用于矩形截面等离子体发生装置，首尾相接式方法适用于圆形截面等离子体发生装置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明结构简单，降低了加工成本；

2、本发明具有良好的便携性和移动性；

3、本发明结构合理，使用方便，提供了一种具备结构简单，成本低廉，便携移动等优势的低温等离子体发生方法与装置。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的一个实施方式的直流等离子体发生方法示意图。

图2是根据本发明的一个实施方式的直流等离子体发生器示意图及直流等离子体效果图。

图3是本发明中代表性的电极形状及其与接地极排布方式示意图。

图4是根据本发明的一个实施方式的等离子体扩展放大方法及装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供了一种本发明涉及可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置及方法，该装置包括：将直流供电电源连接直流变压器输出产生等离子体所需的超高电压；将直流变压器输出的超高电压连接等离子体发生装置的放电电极，同时将另一极接地；直流供电电源打开，在放电电极与接地极间产生直流等离子体；采用阵列式或首尾相接式对等离子体区域进行扩展放大。本发明提供了一种可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大的装置，结构简单，成本低廉，放电稳定，移动便携，扩展性强。

本发明的技术构思如下：

将常规等离子体技术中用来提供等离子体产生所需的高压交流电源转换为高压直流电源，采用高压包模块与可便携移动的干电池或蓄电池组合，使之前必须要依靠固定电源的等离子体装置可以进行随意移动而不受供电电源的场所限制；进一步，依靠直流等离子体的发生特点设计加工了结构简单，成本低廉，放电稳定的等离子体发生装置。

将可移动式的电源与自主设计加工的等离子体发生器相结合，降低了昂贵的交流高压电源成本，实现了等离子体装置的简易性与便携性，而且装置设计特点使得等离子体的扩展放大变得容易方便，这些技术特点都会推动等离子体技术的进一步产业应用。

在本发明的第一方面，提供了一种可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大的方法，包括以下步骤：

a将直流供电电源连接直流变压器输出产生等离子体所需的超高电压；

b将直流变压器输出的超高电压连接等离子体发生装置的放电电极，同时将另一极接地；

c直流供电电源打开，在放电电极与接地极间产生直流等离子体；

d采用阵列式或首尾相接式对等离子体区域进行扩展放大。

在本发明中，所述的直流供电电源可选用干电池或蓄电池，采用蓄电池时可以通过二次充电实现电池的可持续利用，依据高压包模块的所需输入电压，直流供电电源的电压范围为5伏到24伏。

在本发明中，所述的直流变压器输出的超高电压范围为1千伏到30千伏，具体电压的确立依据放电起晕与打火击穿的电压而定，起晕电压的影响因素包括电极尺寸、放电间距以及环境因素等。

在本发明中，所述的等离子体产生方式为直流电晕放电，功耗小，放电稳定，等离子体区域通过器件设计(如电极尺寸、放电间距、电极材料、排布方式等)实现优化。

在本发明中，等离子体区域扩展放大的方法依据实际器件的截面确立较优的方案，阵列式方法适用于矩形截面等离子体发生装置，首尾相接式方法适用于圆形截面等离子体发生装置。

在本发明的第二方面，提供了一种实现上述方法的可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大的装置，该装置包括：

用于提供能量来源的直流供电电源装置，包括干电池或蓄电池主体，正负极电线以及开关；

与直流供电电源装置相连接的、用于输出能够产生等离子体的超高电压的直流变压器，包括电路板，高压包模块以及输入输出导线；以及

与直流变压器连接的、用于产生等离子体的发生装置，包括外壳、放电电极及接地极。

在本发明中，该装置还包括等离子体区域扩展放大所需的用于阵列式的带孔平板，以及用于首尾连接的弯头。

在本发明中，所述的直流变压器采用电路板芯片设计方案，将高压包模块固定于电路板，并通过电路与输入、输出电压连接，电路板芯片尺寸在10cm╳7cm╳2cm范围内，直流变压器还可以包括安全开关，放电开关以及指示灯，充分保护高压输出的安全性与稳定性。

在本发明中，所述的放电装置外壳采用塑料或有机玻璃等绝缘材质的材料，放置放电电极的外壳厚度为2mm-10mm，并进行等距打孔，孔径为0.5mm-2mm，孔距为5mm-20mm，打孔数为1个-10个。

在本发明中，所述的放电电极采用金属铜、铁、镍、钨等材质，长度为5mm-30mm，形状为针尖电极或芒刺电极，电极主体圆柱的直径为0.5mm-2mm，放电针尖尺寸为0.1mm-0.25mm，放电电极放置于发生装置外壳打孔处，放电发生端朝向外壳内部，各个电极之间采用铜丝导线或铝制电路板连接。

在本发明中，所述的放电电极采用串联方式，沿电极垂直方向依次分布，电极间距与外壳孔距一致，放电电极直径与外壳孔径相匹配，接地极采用铝、铁、铜或不锈钢材料，形制为板状、线状、半圆状或圆筒状等，电极与接地极距离为1mm-10mm，接地极放置方向与放电电极方向垂直或平行。

在本发明中，所述的等离子体发生装置截面为矩形或圆柱形，矩形截面等离子体发生装置的扩展放大采用阵列式方法，将多个放置放电电极外壳采用横向或纵向排布方法进行拼接，不断扩展放电电极区域，最终采用铜丝导线或铝制电路板将各个阵列模块相连接，并接入高压包模块；圆柱形截面等离子体发生装置采用与外壳尺寸一致的弯头，对多个圆柱体外壳采用首尾连接的方式进行串联连接，不断增加气流主方向上放电区域范围，最终采用铜丝导线或铝制电路板将各个拼接装置相连接，并接入高压包模块。

在现有技术中，等离子体产生所需的电源一般为高压交流电源，价格高昂，使用场合受限，依靠传统的介质阻挡放电形式功效高，装置结构复杂。本发明的方法将可移动式的电源与自主设计加工的等离子体发生器相结合，降低了昂贵的交流高压电源成本，实现了等离子体装置的简易性与便携性，等离子体发生方法简单稳定，成本低，投资小。

以下参看附图。

图1是根据本发明的一个实施方式的直流等离子体发生方法示意图。如图1所示，将直流供电电源(1)的正负极分别连接直流变压器(2)输入端的正负极接口，并连接控制开光，经高压包模块对输入的电压进行升压转换后，将产生直流等离子体所需的高电压输出连接到等离子体发生装置(3)的电极上面，在放电电极与接地极之间产生直流等离子体。

图2(a)是根据本发明的一个实施方式的直流等离子体发生器示意图。如图2(a)所示，所述直流等离子体发生器包括半圆状接地极板，针尖状放电电极，连接各放电电极的导线以及外壳。

图2(b)是图2(a)中装置的直流等离子体效果示意图。如图2(b)所示，等离子体区域清晰明显，放电稳定。

图3是本发明中代表性的电极形状及其与接地极排布方式示意图。如图3(a)所示，电极形状为针尖状，接地极为平板状，电极与接地极呈垂直分布，此种排布方式适用于矩形截面等离子体发生器。如图3(b)所示，电极形状为针尖状，接地极为半圆状，电极与接地极呈垂直分布，此种排布方式适用于圆形截面等离子体发生器。如图3(c)所示，电极形状为芒刺状，接地极为平板状，电极与接地极呈平行分布，此种排布方式适用于矩形截面等离子体发生器。值得注意的是，图中所列出的仅是此发明中具有代表性的电极形状及其与接地极排布方式，包括但不限于这些形式。

图4是根据本发明的一个实施方式的等离子体扩展放大方法及装置示意图。如图4(a)所示，未扩展放大的等离子体发生器为矩形截面，放电电极为针尖状，接地极为平板状。扩展放大方法为阵列式方法，将放电电极及其载体外壳采用横向阵列拼接方法进行延展，相对应的，等离子体区域扩展放大程度与横向阵列拼接的载体外壳数呈现正相关，如图4(b)所示。

实施例1

下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。

实施例1：

按照本发明的方法和装置产生直流等离子体，并对直流等离子体区域进行扩展放大。

该方法包括：采用8节1.5伏干电池作为直流供电电源，连接到直流变压器，变压器输出高压为6千伏，通过安全开关控制高压输出，等离子体发生装置采用圆形截面，扩展放大方法为首尾相接法。

该装置包括：具体地，直流供电电源，包括8节1.5伏干电池，控制开关，正负极连接导线；直流变压器，包括可输出6千伏高压的高压包模块，电路板芯片，安全开关与工作指示灯；等离子体发生装置，包括外壳，放电电极及接地极，更具体地，外壳采用有机玻璃材质，厚度2mm，截面为圆形，孔径为1mm，孔距为20mm，打孔个数为7个，放电电极采用钨金属材质，长度10mm，直径为1mm，形状为针尖状，针尖尺寸为0.25mm，电极个数为7个，各个电极之间采用铜丝导线以串联方式连接，接地极采用铝材，形制为半圆状，电极与接地极距离为5mm，接地极放置方向与放电电极方向垂直。进一步，采用与外壳尺寸一致的弯头，对5个圆柱体外壳采用首尾连接的方式进行串联连接，不断增加气流主方向上放电区域范围，最终采用铜丝导线将各个拼接装置相连接制作扩展放大后等离子体放电装置。

实施例2

按照本发明的方法和装置产生直流等离子体，并对直流等离子体区域进行扩展放大。

该方法包括：采用1节12伏可充电蓄电池作为直流供电电源，连接到直流变压器，变压器输出高压为4千伏，通过安全开关控制高压输出，等离子体发生装置采用矩形截面，扩展放大方法为阵列式方法。

该装置包括：具体地，直流供电电源，包括1节12伏可充电蓄电池，控制开关，正负极连接导线；直流变压器，包括可输出4千伏高压的高压包模块，电路板芯片，安全开关与工作指示灯；等离子体发生装置，包括外壳，放电电极及接地极，更具体地，外壳采用有机玻璃材质，厚度5mm，截面为矩形，孔径为0.8mm，孔距为15mm，打孔个数为10个，放电电极采用钨金属材质，长度10mm，直径为0.8mm，形状为针尖状，针尖尺寸为0.2mm，电极个数为10个，各个电极之间采用铜丝导线以串联方式连接，接地极采用铝材，形制为平板状，电极与接地极距离为3mm，接地极放置方向与放电电极方向垂直。进一步，将7个放置放电电极外壳采用横向排布方法进行拼接，最终采用铜丝导线将各个拼接装置相连接制作扩展放大后等离子体放电装置。

实施例3

按照本发明的方法和装置产生直流等离子体，并对直流等离子体区域进行扩展放大。

该方法包括：采用1节12伏可充电蓄电池作为直流供电电源，连接到直流变压器，变压器输出高压为5千伏，通过安全开关控制高压输出，等离子体发生装置采用矩形截面，扩展放大方法为阵列式方法。

该装置包括：具体地，直流供电电源，包括1节12伏可充电蓄电池，控制开关，正负极连接导线；直流变压器，包括可输出2千伏高压的高压包模块，电路板芯片，安全开关与工作指示灯；等离子体发生装置，包括外壳，放电电极及接地极，更具体地，外壳采用有机玻璃材质，厚度5mm，截面为矩形，孔径为1mm，孔距为20mm，打孔个数为7个，放电电极采用钨金属材质，长度20mm，直径为1mm，形状为芒刺状，芒刺针尖尺寸为0.1mm，芒刺针尖个数为5个，间距为2mm，依次错落分布，各个电极之间采用铜丝导线以串联方式连接，接地极采用铝材，形制为平板状，电极与接地极距离为3mm，接地极放置方向与放电电极方向平行。进一步，将5个放置放电电极外壳采用横向排布方法进行拼接，最终采用铜丝导线将各个拼接装置相连接制作扩展放大后等离子体放电装置。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置，其特征在于，包括：

用于提供能量来源的直流供电电源装置(1)，包括：电池，电线以及电源开关；

与直流供电电源装置(1)相连接的、用于输出能够产生等离子体的超高电压的直流变压器(2)，包括：电路板，高压包模块；

与直流变压器(2)连接的、用于产生等离子体的发生装置(3)，包括：外壳、放电电极及接地极；

等离子体区域扩展放大所需的用于阵列式的带孔平板；

用于首尾连接的弯头；

所述电池通过电线与电源开关相连；

所述高压包模块设置于电路板上；

所述放电电极及接地极相对设置于外壳上。

2.根据权利要求1所述的可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置，其特征在于，所述直流变压器(2)采用电路板芯片；

所述直流变压器(2)的尺寸在10cm╳7cm╳2cm范围内。

3.根据权利要求1所述的可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置，其特征在于，所述等离子体发生装置(3)还包括：等离子体发生装置外壳；

所述等离子体发生装置外壳采用以下任一种材料：

-塑料；

-有机玻璃。

4.根据权利要求1所述的可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置，其特征在于，放置放电电极的等离子体发生装置外壳厚度为2mm-10mm，并进行等距打孔，孔径为0.5mm-2mm，孔距为5mm-20mm，打孔数为1个-10个。

5.根据权利要求1所述的可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大装置，其特征在于，所述放电电极采用以下任意一种材质：

-金属铜；

-金属铁；

-金属镍；

-金属钨；

长度为5mm-30mm，形状为针尖电极或芒刺电极，电极主体圆柱的直径为0.5mm-2mm，放电电极放置于等离子体发生装置外壳打孔处，放电电极的放电发生端朝向外壳内部；

所述放电电极采用串联方式，沿电极垂直方向依次分布，电极间距与外壳孔距一致，放电电极直径与外壳孔径相匹配；

所述接地极采用铝、铁、铜或不锈钢材料，所述接地极的形状为板状、线状、半圆状或圆筒状；

所述放电电极与接地极距离为1mm-10mm，接地极放置方向与放电电极方向垂直或平行；

所述等离子体发生装置截面为矩形或圆柱形；

截面为矩形的等离子体发生装置的扩展放大采用阵列式方法，将多个放置放电电极外壳采用横向或纵向排布方法进行拼接，不断扩展放电电极区域，最终采用铜丝导线或铝制电路板将各个阵列模块相连接，并接入高压包模块；

截面为圆柱形的等离子体发生装置采用与等离子体发生装置外壳尺寸一致的弯头，对多个圆柱体外壳采用首尾连接的方式进行串联连接，不断增加气流主方向上放电区域范围，最终采用铜丝导线或铝制电路板将各个拼接装置相连接，并接入高压包模块。

6.一种可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将直流供电电源连接直流变压器用来输出净化空气的等离子体所需的超高电压；

步骤S2：将直流变压器输出的超高电压连接等离子体发生装置的放电电极，同时将另一电极接地；

步骤S3：直流供电电源打开，在放电电极与接地极间产生直流等离子体；

步骤S4：采用阵列式或首尾相接式对等离子体区域进行扩展放大，获取可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大信息。

7.根据权利要求6所述的可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大方法，其特征在于，所述步骤S1包括：

步骤S1.1：直流供电电源可选用干电池或蓄电池，电压范围为5伏到24伏。

8.根据权利要求6所述的可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S2.1：直流变压器输出的超高电压范围为1千伏到10千伏，等离子体产生方式为直流电晕放电。

9.根据权利要求6所述的可移动式等离子体发生/将等离子体区域扩大方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

步骤S3.1：等离子体产生方式为直流电晕放电。

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