CN113877384A - 一种大功率等离子体气体净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率等离子体气体净化装置，属于气体净化技术领域。气体净化装置包括：金属轴以及套装在金属轴上的金属电极，所述金属电极的边缘形成周向的线状放电面，所述金属电极外设置有绝缘介质筒，所述绝缘介质筒外还设置有金属接地外壳；所述金属电极通过所述金属轴连接高压电源的高压极，所述金属接地外壳引出一接地端口，连接高压电源的接地端。本发明的气体净化装置能够在提升放电面积的基础上，提升放电功率，产生的等离子体活性成分多，提升了待处理气体的净化效率。

Description

一种大功率等离子体气体净化装置

技术领域

本发明属于气体净化技术领域，更具体地，涉及一种大功率等离子体气体净化装置。

背景技术

随着生活水平的提高，空气质量问题越来越受到人们的关注。低温等离子体作为一种新兴技术，近二十年来常被研究用于杀菌消毒，伤口治疗等生物医学领域，其含有的大量活性氮氧化物，紫外光辐射，高能电子均对细菌病毒的杀灭有很好的效果。相较于传统的紫外灯、消毒水等空气消杀方式，低温等离子体气体净化技术具有安全，高效，副作用小，造价低等优点，因此，近年来，低温等离子体气体净化成为一大研究热点。

其中，介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge，DBD)形式产生的低温等离子体，由于介质的阻挡，可避免放电向电弧或火花等形式转化，放电稳定性高，电极烧蚀程度小，放电稳定安全，同时可产生活性氮氧化物，高能电子等活性物质，非常适用于需长期运行的气体净化装置。

而对于空气净化来说，空气的击穿电压较高，现有的DBD低温等离子体发生装置难以兼顾通风量和放电强度两方面问题，填充床形式的DBD放电可以对待处理气体进行充分的净化，但是较大的风阻导致处理效率低，无法在大面积工作区域运行；现有的长间隙放电气体净化装置，通过改变电极结构如针电极放电，线电极放电等，产生局部畸变电场从而产生放电，但局部极不均匀的电极结构导致电场在很小的区域产生很强的畸变，使得在距电极一定距离处，电场强度快速下降，通常产生的放电处于电晕放电模式，放电电流弱，放电自身耗散的功率低，产生的活性成分，如活性氮氧化物，高能电子，紫外光辐射含量少，灭菌效果较差。且由于放电通道未完全导通，放电集中在电极附近，待处理气体与等离子体接触的面积小，使得处理效率低。同时，电晕放电产生的臭氧量比例过高，易引起人体不适，对物体也会产生腐蚀效果。此外，现有结构通过增设地电极提高电场强度以增强放电，如现有的针-板放电，但上述针电极，线电极，及针板电极放电用于处理大面积气体时，通常需设计大量针电极阵列结构以提高处理效率，并且待处理气体通过时，仍会经过一定比例的无放电区域，无法得到彻底的净化。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种大功率等离子体气体净化装置，其目的在于不增加电极复杂性的前提下提升电极有效的放电面积，进而提升气体的净化效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种大功率等离子体气体净化装置，包括：金属轴以及套装在金属轴上的金属电极，所述金属电极的边缘形成周向的线状放电面，所述金属电极外设置有绝缘介质筒，所述绝缘介质筒外还设置有金属接地外壳；所述金属电极通过所述金属轴连接高压电源的高压极，所述金属接地外壳引出一接地端口，连接高压电源的接地端。

进一步地，所述金属电极是金属圆片电极或金属螺旋片电极。

进一步地，在所述金属轴上相邻金属圆片电极之间套有金属套筒。

进一步地，所述金属螺旋片电极的螺旋直径沿气流方向由大到小。

进一步地，还包括中空管，在所述中空管的表面设有所述金属螺旋片电极，所述金属轴套装在所述中空管内。

进一步地，所述金属电极的边缘厚度不超过1mm。

进一步地，所述金属电极的边缘距绝缘介质筒内壁径向距离为0～5mm。

进一步地，所述金属电极与所述金属轴同轴心放置或偏心放置。

进一步地，所述金属电极的材料为铝、铜或铁；所述绝缘介质筒的材料为玻璃或陶瓷。

进一步地，还包括绝缘紧固部件，所述绝缘紧固部件套装在所述金属轴上，并固定在绝缘介质筒两端。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)相比现有气体净化装置中的针电极，针-板电极，本发明中的金属电极，连续的边缘结构，使得所有边缘都能放电，在不增加电极复杂性的前提下增大了电极边缘的有效放电面积，使放电区域不局限于小的区域内，实现在较大面积范围内产生放电，从而使得通过的气体净化面积大，提升了待处理气体的净化效率。

(2)本发明的装置，电极边缘厚度不超过1mm，使得电极的边缘极薄，增加了放电间隙电场的不均匀性，相同电压条件下，不均匀的电场降低了击穿电压，使得在可施加电压有限的情况下，电极与绝缘介质筒之间的放电间隙完全导通，放电处于辉光放电模式，提升了放电功率，产生的等离子体活性成分多，从而提升了待处理气体的净化效率。

(3)本发明的装置，金属接地外壳作为外圈接地电极，增加了放电间隙的电压差，使得空间电场的强度增强，进一步降低了击穿电压。

(4)本发明的装置，金属螺旋片电极的金属螺旋片的螺旋直径优选沿气流方向由大到小，使得放电间隙由短到长连续变化，在同一放电周期内，间隙短的区域电场强先放电，产生的等离子体携带局部强电场，可对后续长间隙区域的放电起到点火作用，从而降低长间隙下的击穿电压，进而增大可放电间隙距离，同时放电存在先后顺序，降低了峰值功率。

(5)本发明的装置，金属电极与金属轴可同轴心放置或偏心放置，同轴心放置使得电极距离绝缘介质筒内壁的距离一致，有利于维持放电的均匀性和同步性，对通过的气体进行同步均匀净化；偏心放置改变了电极和绝缘介质筒之间的放电间隙，控制放电的先后顺序，使间隙短的区域先放电，使放电不局限于某一瞬间，能够降低放电产生的峰值电流，降低对电源的参数要求；间隙长的区域后放电，能够拉长放电电流持续的时间，保证不降低整个放电周期内的平均功率，以保证不减少放电产生的有效成分，从而保证对待处理气体的净化效率。

总而言之，本发明的气体净化装置能够在提升放电面积的基础上，提升放电功率，产生的等离子体活性成分多，提升了待处理气体的净化效率。同时，相对于电晕放电模式，该气体净化装置产生臭氧比例相对低。

附图说明

图1为本发明实施例1中的等离子体气体净化装置结构示意图。

图2为本发明实施例1中的等离子体气体净化装置的侧视结构示意图。

图3为本发明实施例2中的等离子体气体净化装置结构示意图。

图4为本发明等离子体气体净化装置电极同轴心放置和偏心放置的侧面示意图。

图5为本发明等离子体气体净化装置电极同轴心放置和偏心放置产生的电流效果示意图。

图6为本发明实施例4中的等离子体气体净化装置结构示意图。

图7为本发明实施例4中的电极结构示意图。

图8为现有技术中的等离子体气体净化装置结构示意图。

图9为本发明实施例1中的等离子体气体净化装置在交流电源驱动下的李萨如功率图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1-绝缘紧固部件，2-金属轴，3-金属套筒，4-金属接地外壳，5-绝缘介质筒，6-金属电极。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例中的大功率等离子体气体净化装置，包括：绝缘紧固部件1，金属轴2，金属接地外壳4，绝缘介质筒5和金属电极6，该金属电极为金属圆片电极。

在金属轴2上每间隔一定距离设置一片金属圆片电极，金属圆片电极，通过其中心的穿孔套装在金属轴2上，并通过金属轴2导通连接高压脉冲电源或交流电源的高压极。

绝缘介质筒5，位于金属圆片电极和金属接地外壳之间，形成DBD放电结构，避免放电转化为电弧或火花形式的放电，降低施加在高压电极的电压幅值，导致只有局部区域放电。绝缘介质筒优选玻璃或陶瓷等耐高温不易变形的绝缘材料。根据可提供的电压幅值，金属圆片电极边缘距绝缘介质筒内壁径向距离(即放电间隙长度)为0～5mm，以维持辉光放电模式，电压幅值比较大时，可增大金属圆片电极边缘距绝缘介质筒内壁径向距离，以增大待处理气体的气流通过间隙，提高气体处理效率。同时，绝缘介质筒起到支撑整体结构的作用。

金属轴与金属圆片电极可以同轴心放置，也可以偏心放置。本实施例中，金属轴与金属圆片电极同轴心放置，使得金属圆片电极距离绝缘介质筒5内壁的距离一致，有利于维持放电的均匀性和同步性，可对通过的气体进行同步均匀净化，提升净化效率。

金属接地外壳4，套接在绝缘介质筒5外侧，与绝缘介质筒5同心放置，用于作为接地电极，引出一接地端口，连接高压电源的接地端。

绝缘紧固部件1，通过其中心的孔穿过金属轴2，固定在绝缘介质筒5 两端，用于固定整体结构，同时作为待处理气体的进气口和出气口。本实施例优选绝缘紧固部件为大面积镂空结构以增加气体流通量。

金属圆片电极，为边缘连续且厚度不超过1mm的金属圆盘，本实施例优选为边缘厚度小于800μm。

当本实施例中的装置工作在大电流模式下，考虑到电极的耐久性，可将电极设计为中心厚边缘薄的结构；当不工作在大电流放电模式下时，可设计为和边缘厚度一致的薄金属圆盘。考虑可加工性以及电极耐久性，金属圆片电极材料可选择为铝，铜，铁等导电性良好，易加工，耐高温高压材料。

同时，金属圆片电极的数量可以根据应用中所需的待处理气体的流量选择一片或者多片来对待处理的气体进行一次或多次净化处理，当所需待处理气体的流量较大时，可选择多片电极，对高速通过的大量气体进行多次处理以保证气体得到充分处理，当所需待处理气体的流量较小时，可选择较少或一片电极，以减少材料和能耗。

实施例2

如图3所示，与实施例1不同的是，本实施例中，金属圆片电极与金属轴2不是一体化设计，而是可拆卸结构。每个独立的金属圆片电极由金属套筒3间隔并导通，金属圆片电极和金属套筒依次套装在金属轴2上。通过改变金属套筒3的长度，能够改变所串接金属圆片电极的数量。当环境灰尘含量较多时，考虑装置的清洁以保持放电作用效率，优选电极的这种可拆卸结构。

实施例3

与实施例1不同的是，本实施例中，金属圆片电极与金属轴偏心放置。通过改变绝缘紧固部件中心孔的位置，可以调整金属圆片电极和绝缘介质筒内壁的距离，即改变电极和绝缘介质筒之间的放电间隙，如图4所示。在电源输出能力有限的情况下，偏心放置有利于在同一放电周期内，控制放电的先后顺序，由于间隙短的区域电场更高，会先放电，使放电不局限于某一瞬间，能够降低放电产生的峰值电流，降低对电源的参数要求；间隙长的区域，由于电场较低，会后放电，能够拉长放电电流持续的时间，保证不降低整个放电周期内的平均功率，以保证不降低放电产生的有效成分，从而保证对气体的处理效率，如图5所示。

实施例4

如图6、图7所示，与实施例1不同的是，本实施例中的金属电极为金属螺旋片电极，金属螺旋片的边缘连续，且厚度不超过1mm。金属螺旋片分布在中空管外侧，金属轴套装在中空管内，当环境灰尘含量较多时，方便将电极从金属轴上卸下清洗。中空管的直径沿气流方向由大到小，从而使电极边沿到绝缘介质筒5内壁距离由短到长连续变化，即放电间隙由短到长连续变化。在同一放电周期内，间隙短的区域电场强先放电，产生的等离子体携带局部强电场，可对后续长间隙区域的放电起到点火作用，从而降低长间隙下的击穿电压，进而降低峰值功率。

金属螺旋片也可以直接螺旋在金属轴上，且螺旋直径沿气流方向由大到小，从而使电极边沿到绝缘介质筒5内壁距离由短到长连续变化，即放电间隙由短到长连续变化。

实施例3中的电极偏心放置，改变了电极和绝缘介质筒5之间的放电间隙，同样可以降低长间隙下的击穿电压，增大可放电间隙距离，同时放电存在先后顺序，降低了峰值功率。

同样的，金属螺旋片电极的材料可选择为铝，铜，铁等导电性良好，易加工，耐高温高压材料。

本发明中，金属电极的边缘形成周向的线状放电面，电极的边缘都是连续的，相对针电极结构，所有边缘都能放电，增大了电极边缘有效的放电面积，使放电区域不局限于小的区域内，实现在较大面积范围内产生放电，从而使得通过的气体净化面积大，气体的处理效率提升。

电极边缘厚度不超过1mm，使得电极的边缘极薄，增加了放电间隙电场的不均匀性，相同电压条件下，不均匀的电场降低了击穿电压，放电较强；另外，空间电场强度和电压差呈正比，金属接地外壳作为外圈接地电极，增加了放电间隙的电压差，进而增加了空间电场的强度，进一步降低了击穿电压。降低击穿电压，使得可施加电压有限的情况下，电极与绝缘介质筒之间的放电间隙完全导通，放电处于辉光放电模式，提升了放电功率，产生的等离子体活性成分多，从而提升了气体的净化效率。

使用时，在金属电极上施加高压，金属接地外壳接地，通过绝缘紧固部件的镂空区域通入待处理气体，气体经过金属电极及绝缘介质筒之间的放电间隙，在整个放电过程中，长时间和大面积的辉光放电产生更多的灭菌组分，如电子、紫外光、活性粒子、高温及电场等有效成分，杀死通过气体中的细菌，病毒等有害物质，以达到气体净化的目的。同时，绝缘介质筒与电极和金属接地外壳形成DBD放电结构，避免了电弧放电的产生，限制放电电流和放电温度，避免过大的电流和过高的温度对电极产生烧蚀，减小放电对电极材料和电源的损耗。

另外，可根据具体的应用场景通入不同种类的载气，如空气，氦气，氧气，氩气或者这些气体的混合气体，用于改变放电的产物(如电子，离子，活性粒子)的种类和比例。

现有技术的同轴DBD装置，如图8所示，采用单一金属轴作为高压电极，由于电极厚，使得空间电场弱，若要放电通道完全导通或需要较强的放电，通常需要极小的放电间隙或较高的电压，对于电源模块设计来说，较高的输出电压和输出功率很难实现，通常采用极小的放电间隙，因此，在实际净化器设计中就很难保证通风量；同时，由于空间电场强度弱，难以保证所有放电间隙内都布满放电，气体净化效果差。本发明采用边缘极薄的电极，均匀增强空间电场强度，同时减小电场空间局部畸变，能够产生强烈均匀的辉光放电，相较于常见的针电极放电等，本发明的放电面积更大，且放电通道完全导通，放电更强。如图9所示，在10kHz交流电源驱动下，通过李萨如法测量到的放电功率可高达25-30W左右，属于大功率放电，相较现有的针电极电晕放电功率仅有1-2W左右，本发明的放电强，产生的活性粒子更多，气体净化效率高。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大功率等离子体气体净化装置，其特征在于，包括：金属轴(2)以及套装在金属轴(2)上的金属电极(6)，所述金属电极(6)的边缘形成周向的线状放电面，所述金属电极(6)外设置有绝缘介质筒(5)，所述绝缘介质筒(5)外还设置有金属接地外壳(4)；所述金属电极(6)通过所述金属轴(2)连接高压电源的高压极，所述金属接地外壳(4)引出一接地端口，连接高压电源的接地端。

2.根据权利要求1所述的大功率等离子体气体净化装置，其特征在于，所述金属电极(6)是金属圆片电极或金属螺旋片电极。

3.根据权利要求2所述的大功率等离子体气体净化装置，其特征在于，在所述金属轴(2)上相邻金属圆片电极之间套有金属套筒(3)。

4.根据权利要求3所述的大功率等离子体气体净化装置，其特征在于，所述金属螺旋片电极的螺旋直径沿气流方向由大到小。

5.根据权利要求2或4所述的大功率等离子体气体净化装置，其特征在于，还包括中空管，在所述中空管的表面设有所述金属螺旋片电极，所述金属轴套装在所述中空管内。

6.根据权利要求5所述的大功率等离子体气体净化装置，其特征在于，所述金属电极(6)的边缘厚度不超过1mm。

7.根据权利要求6所述的大功率等离子体气体净化装置，其特征在于，所述金属电极(6)的边缘距绝缘介质筒(5)内壁径向距离为0～5mm。

8.根据权利要求7所述的大功率等离子体气体净化装置，其特征在于，所述金属电极(6)与所述金属轴(2)同轴心放置或偏心放置。

9.根据权利要求8所述的大功率等离子体气体净化装置，其特征在于，所述金属电极(6)的材料为铝、铜或铁；所述绝缘介质筒(5)的材料为玻璃或陶瓷。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的大功率等离子体气体净化装置，其特征在于，还包括绝缘紧固部件(1)，所述绝缘紧固部件(1)套装在所述金属轴(2)上，并固定在绝缘介质筒(5)两端。

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