CN113543442B - 多层阵列式微孔放电等离子体发生装置及发生方法 - Google Patents

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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma

Abstract

提供一种多层阵列式微孔放电等离子体发生装置，包括电源和除冰装置，除冰装置为平面多层阵列式多孔结构。平面多层阵列式多孔结构由孔隙(1)、金属电极(2)和绝缘材料(3)组成，自上而下共有X+1层，X为大于等于4的偶数，其中，奇数层为绝缘材料层，由绝缘材料(3)制成；偶数层为金属电极层，由金属电极(2)和绝缘材料(3)组成。还提供一种大面积空间均匀等离子体发生方法。本发明能够产生空间均匀的大面积等离子体，起放电压和功率消耗低，可大幅缩小电源的体积；发热均匀且在微孔内能够产生等离子体射流，防除冰效率更高；等离子体发生装置内部金属电极均被绝缘材料包覆，避免出现结冰气象条件下因水汽或水滴导致高低压电极之间拉弧的风险。

Description

多层阵列式微孔放电等离子体发生装置及发生方法
技术领域
本发明涉及等离子技术领域，具体涉及多层阵列式微孔放电等离子体发生装置及大面积空间均匀等离子体发生方法。
背景技术
无人机在结冰气象条件下飞行时，表面积冰会导致升阻比下降、操纵性恶化，严重威胁飞行安全。因能量、载重等条件限制，传统电加热、机械、溶液等大型飞机防除冰技术已无法适用于无人机。基于气动和温升效应，放电等离子体在飞机防除冰领域具有光明的应用前景。但是目前采用的表面介质阻挡放电形式防除冰作用区域小，需要在高电压和高频条件下才能使用，且存在长时间使用绝缘介质老化击穿的风险，无法实现高效的防除冰需求。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种多层阵列式微孔放电等离子体发生装置，包括电源和除冰装置，除冰装置为平面多层阵列式多孔结构；其中
平面多层阵列式多孔结构由孔隙1、金属电极2和绝缘材料3组成，自上而下共有X+1层，X为大于等于4的偶数，其中，自上而下或自下而上的奇数层为完全相同的绝缘材料层，由绝缘材料3制成；自上而下或自下而上的偶数层为完全相同的金属电极层，由金属电极2和绝缘材料3组成；无论金属电极层的层数为偶数还是奇数，均自上而下按照接地电极、高压电极、接地电极、高压电极…的排列顺序安排金属电极层，或均自上而下按照高压电极、接地电极、高压电极、接地电极…的排列顺序安排金属电极层；
金属电极层为矩形薄板，薄板表面分布有阵列式多孔结构，包含沿矩形薄板的长度和宽度方向延伸的多孔N×M阵列，N、M均为大于等于1的自然数，每个孔隙1均自上而下贯穿薄板；孔隙1为圆形孔隙，孔隙1自薄板上表面形成，垂直于薄板上表面向下延伸，最终形成穿透薄板上下表面的通孔，所有孔隙1的形状完全相同；金属电极层靠近孔隙1的部分为绝缘材料3，远离孔隙1的部分为金属电极2；因此，绝缘材料3通常为围绕孔隙1的环形体，绝缘材料3的厚度为薄板厚度，绝缘材料3的上下表面分别与薄板的上下表面齐平，绝缘材料3为圆环形状；金属电极层除孔隙1及包围孔隙1的绝缘材料3之外，均为金属电极2，金属电极2在金属电极层内部是整体联通的；金属电极层被绝缘材料3环伺，整个金属电极层最外围被绝缘材料3包裹，除了在某一边开口，露出金属电极层，以便于外接导线；
绝缘材料层为矩形薄板，其表面形状与金属电极层完全相同，因此能够从上、下两面完全覆盖金属电极层；绝缘材料层与金属电极层孔隙1位置对应处，开有与金属电极层孔隙1的横截面形状完全相同的孔隙1，保证整个多层阵列式微孔放电等离子体发生装置的孔隙1自上而下完全贯通且顺畅；
各层之间、金属电极层内部的金属电极2和绝缘材料3之间通过耐高温绝缘材料粘结，留下孔隙不做任何处理，保证孔隙通畅；
电源，其高压端分别连接作为高压电极的金属电极层，其负极和作为接地电极的金属电极层均接地。
还提供一种大面积空间均匀等离子体发生方法，使用上述的多层阵列式微孔放电等离子体发生装置，该方法具体为：电源高压端分别连接作为高压电极的金属电极层，作为接地电极的金属电极层接地；接通电源，除冰装置工作，在孔隙内部产生双层等离子体，其中，第一层等离子体出现在自上而下的第一个金属电极层和第二个金属电极层之间的孔隙内部；第二层等离子体出现在自上而下的第二个金属电极层和第三个金属电极层之间的孔隙内部；当金属电极层大于等于三层时，以此类推。
本发明能够产生空间均匀的大面积等离子体，起放电压和功率消耗低，可大幅缩小电源的体积；发热均匀且在微孔内能够产生等离子体射流，防除冰效率更高；等离子体发生装置内部金属电极均被绝缘材料包覆，避免出现结冰气象条件下因水汽或水滴导致高低压电极之间拉弧的风险。
附图说明
图1示出等离子体发生装置孔状结构；
图2示出等离子体发生装置单孔周围结构；
图3示出发生器中高压电源的典型波形，其中图3(a)示出正弦波形，图3(b)示出尖脉冲波形。
附图标记：1-孔隙，2-金属电极，3-绝缘材料
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
一种多层阵列式微孔放电等离子体发生装置，包括电源和除冰装置，除冰装置为平面多层阵列式多孔结构，如图1所示。
如图2所示，多孔结构由孔隙1、金属电极2和绝缘材料3组成，在本发明的一个具体实施例中，自上而下共有七层，其中，第一层、第三层、第五层和第七层为完全相同的绝缘材料层，由绝缘材料3制成；第二、四、六层为完全相同的金属电极层，由金属电极2和绝缘材料3组成，将第二、四、六金属电极层分别称为上层、中间、下层电极层。
金属电极层为矩形薄板，薄板表面分布有阵列式多孔结构，包含沿矩形薄板的长度和宽度方向延伸的多孔阵列，例如N×M阵列，N、M均为大于等于1的自然数，每个孔隙1均自上而下贯穿薄板。孔隙1为圆形孔隙(以下简称为“孔隙”)，孔隙1自薄板上表面形成，垂直于薄板上表面向下延伸，最终形成穿透薄板上下表面的通孔，所有孔隙1的形状完全相同。金属电极层靠近孔隙1的部分为绝缘材料3，远离孔隙1的部分为金属电极2；因此，绝缘材料3通常为围绕孔隙1的环形体，绝缘材料3的厚度为薄板厚度，绝缘材料3的上下表面分别与薄板的上下表面齐平，当孔隙1为圆形孔隙时，绝缘材料3通常为圆环形状。金属电极层除孔隙1及包围孔隙1的绝缘材料3之外，均为金属电极2，金属电极2在金属电极层内部是整体联通的。金属电极层被绝缘材料3环伺，整个金属电极层最外围被绝缘材料3包裹，除了在某一边开口，露出金属电极层，以便于外接导线(例如高压线与地线)。
绝缘材料层为矩形薄板，其表面形状与金属电极层完全相同，因此能够从上、下两面完全覆盖金属电极层。绝缘材料层与金属电极层孔隙1位置对应处，开有与金属电极层孔隙1的横截面形状完全相同的孔隙1，保证整个双层阵列式微孔放电等离子体发生装置的孔隙1自上而下完全贯通且顺畅。
各层之间、金属电极层内部的金属电极2和绝缘材料3之间通过耐高温绝缘胶粘结，留下孔隙不做任何处理，保证孔隙通畅。
基于上述的阵列式微孔放电多层发生装置，本发明还提供一种大面积空间均匀等离子体发生方法，具体如下：电源高压端分别接上层电极层、下层电极层的金属电极2，中间电极层的金属电极2接地。接通电源，除冰装置工作，在孔隙内部产生双层等离子体，其中，第一层等离子体出现于上层电极层和中间电极层之间的孔隙内部；第二层等离子体出现于中间电极层和下层电极层之间的孔隙内部。
与现有等离子体发生器相比，该等离子体发生装置可以在整个电极平面内产生均匀分布的等离子体。这个大面积均匀分布的等离子体层可以用来进行大面积防除冰。
本发明中高压电源的主要作用是在高压电极和地电极之间产生一个强电场，电压波形可以是正弦式的、脉冲式的也可以是其他类型，图3(a)、(b)分别示出高压电源发生器输出的正弦波形、尖脉冲波形。
本发明的一种双层阵列式微孔放电等离子体发生装置，不仅能够产生大面积均匀放电等离子体，而且具备以下优点：
1、等离子体发生装置起放电压和功率消耗低，可大幅缩小电源的体积；
2、发热均匀且在微孔内能够产生等离子体射流，防除冰效率更高；
3、等离子体发生装置内部金属电极均被绝缘材料包覆，避免出现结冰气象条件下因水汽或水滴导致高低压电极之间拉弧的风险。

Claims (2)

1.一种多层阵列式微孔放电等离子体发生装置，其特征在于，包括电源和除冰装置，除冰装置为平面多层阵列式多孔结构；其中
平面多层阵列式多孔结构由孔隙(1)、金属电极(2)和绝缘材料(3)组成，自上而下共有X+1层，X为大于等于4的偶数，其中，自上而下或自下而上的奇数层为完全相同的绝缘材料层，由绝缘材料(3)制成；自上而下或自下而上的偶数层为完全相同的金属电极层，由金属电极(2)和绝缘材料(3)组成；无论金属电极层的层数为偶数还是奇数，均自上而下按照接地电极、高压电极、接地电极、高压电极…的排列顺序安排金属电极层，或均自上而下按照高压电极、接地电极、高压电极、接地电极…的排列顺序安排金属电极层；
金属电极层为矩形薄板，薄板表面分布有阵列式多孔结构，包含沿矩形薄板的长度和宽度方向延伸的多孔N×M阵列，N、M均为大于等于1的自然数，每个孔隙(1)均自上而下贯穿薄板；孔隙(1)为圆形孔隙，孔隙(1)自薄板上表面形成，垂直于薄板上表面向下延伸，最终形成穿透薄板上下表面的通孔，所有孔隙(1)的形状完全相同；金属电极层靠近孔隙(1)的部分为绝缘材料(3)，远离孔隙(1)的部分为金属电极(2)；因此，绝缘材料(3)通常为围绕孔隙(1)的环形体，绝缘材料(3)的厚度为薄板厚度，绝缘材料(3)的上下表面分别与薄板的上下表面齐平，绝缘材料(3)为圆环形状；金属电极层除孔隙(1)及包围孔隙(1)的绝缘材料(3)之外，均为金属电极(2)，金属电极(2)在金属电极层内部是整体联通的；金属电极层被绝缘材料(3)环伺，整个金属电极层最外围被绝缘材料(3)包裹，除了在某一边开口，露出金属电极层，以便于外接导线；
绝缘材料层为矩形薄板，其表面形状与金属电极层完全相同，因此能够从上、下两面完全覆盖金属电极层；绝缘材料层与金属电极层孔隙(1)位置对应处，开有与金属电极层孔隙(1)的横截面形状完全相同的孔隙(1)，保证整个多层阵列式微孔放电等离子体发生装置的孔隙(1)自上而下完全贯通且顺畅；
各层之间、金属电极层内部的金属电极(2)和绝缘材料(3)之间通过耐高温绝缘材料粘结，留下孔隙不做任何处理，保证孔隙通畅；
电源，其高压端分别连接作为高压电极的金属电极层，其负极和作为接地电极的金属电极层均接地。
2.一种大面积空间均匀等离子体发生方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的多层阵列式微孔放电等离子体发生装置，该方法具体为：电源高压端分别连接作为高压电极的金属电极层，作为接地电极的金属电极层接地；接通电源，除冰装置工作，在孔隙内部产生双层等离子体，其中，第一层等离子体出现在自上而下的第一个金属电极层和第二个金属电极层之间的孔隙内部；第二层等离子体出现在自上而下的第二个金属电极层和第三个金属电极层之间的孔隙内部；当金属电极层大于等于三层时，以此类推。
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