CN114455547A - 一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置和方法 - Google Patents

一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置和方法，属于相变传热领域。包括交流变压器、整流电桥、可变电阻、电感、电容、地电极、电介质、高压电极、反应室、绝缘涂层、热沉、强化电极、超疏水结构层和蒸汽腔。通过在介质阻挡放电电极两侧设置一对相变蒸汽腔和强化电极，利用放电所需的高频交变电场在强化电极和工作电极之间构建强化电场，以促进超疏水结构层上的冷凝液滴自发弹跳，实现对两个放电电极的快速高效冷却。此发明使得电极温度均匀性和冷却效率较传统风冷与水冷方式有较大提高；同时，基于交变电场的强化电场能够使冷凝液滴弹跳率随放电功率自适应变化，确保在复杂运行工况下电极不超温，保证设备安全与生产效率。

Description

一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置和方法
技术领域
本发明涉及一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置和方法，属于相变传热技术领域。
背景技术
介质阻挡放电是在被绝缘介质阻挡层隔开的两个电极之间的高压放电过程。介质阻挡放电通常是由正弦波型的交流高压电源驱动，随着施加电压的升高，电极间的反应气体会由绝缘状态到最终发生击穿，即产生了介质阻挡放电。目前，介质阻挡放电被广泛应用于分解多种气态化合物，高分子与金属表面改性和清洗，臭氧制备和细菌灭活等过程。介质阻挡放电设备所使用的工作电极形式一般包括平板电极和管状电极。由于两个电极间具有高频高压交流电场，工作过程中两个电极会大量发热，因此需要对电极进行冷却以保障设备安全。特别是对于采用介质阻挡放电技术的臭氧发生器，臭氧浓度和产量的稳定性与臭氧发生器的温度密切相关，温度越高，臭氧还原分解为氧气的速度越快，因此对电极或发生管进行高效冷却具有重要意义。
气液相变传热能够在较小温度梯度下实现极高的热流密度，其传热效率远高于传统单相对流传热，因此常被应用于小空间内高功率密度元器件的冷却。目前常见的介质阻挡放电设备的电极冷却方法主要包括风冷、水冷和水冷加风冷，并无涉及相变冷却方法。例如，在已公开的专利中，专利CN 215208484 U公开了一种具有外风冷和内风冷的新型臭氧发生器；专利CN 207002256 U公开了一种水冷与风冷结合的臭氧发生器；专利CN214141590 U公开了一种双电极冷却臭氧发生器，解决了现有发生器高压电极部分散热不充分的技术问题；专利CN112320765A公开了一种复合高压电极及双电极冷却装置，其地电极通过冷却水冷却，其高压电极通过高压电极冷却介质得到冷却，显著降低了等离子体放电室的温度；专利CN 203095619 U公开了一种双水冷臭氧放电室，使用去离子水进行电极冷却等。同时，上述采用单相对流传热的电极冷却方法，其冷却功率无法随着电极的放电功率自动调节，仅能通过人为改变工质的流速或温度来调节冷却功率。
发明内容
本发明针对上述提到的技术问题，提出了一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置和方法。此方法通过在介质阻挡放电电极两侧设置一对蒸汽腔和强化电极，借助放电所需的高频交变电场构建强化电场，来促进超疏水结构层上的冷凝液滴自发弹跳，实现对两个放电电极的快速高效冷却。
本发明的目的是这样实现的：
一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置，包括交流变压器、整流电桥、电感、电容、地电极、电介质、高压电极、热沉、第一强化电极和第二强化电极；
所述交流变压器用于将市电转化为介质阻挡放电所需的高频高压交流电，所述整流电桥与交流变压器副线圈并联，整流电桥的负载并联所述电容和串联所述电感实现滤波，得到直流电压；
所述的高压电极与交流变压器的副线圈相连，地电极与整流电桥的直流输出负极相连，地电极与高压电极之间形成反应室，用于提供放电反应空间，所述电介质插入地电极与高压电极之间形成介质阻挡放电；所述地电极和高压电极的外侧设有绝缘涂层；
第一强化电极和第二强化电极分别置于地电极和高压电极的外侧，均与整流电桥的直流输出正极相连；第一强化电极与地电极之间形成第一蒸汽腔，第二强化电极与高压电极之间形成第二蒸汽腔，所述的第一蒸汽腔和第二蒸汽腔内灌注有相变冷却介质。
优选的，所述的整流电桥输出端串联有用于保护电路的可变电阻；所述整流电桥、可变电阻、电感和电容构成全波整流电路。
优选的，所述的第一强化电极和第二强化电极的内侧设有超疏水结构层，所述相变冷却介质能够在一定温度下汽化吸热，在超疏水结构层上发生冷凝与液滴合并弹跳。
优选的，第一强化电极和第二强化电极的外侧设有热沉，一对强化电极通过热沉进行强制对流冷却。
优选的，所述的第一蒸汽腔和第二蒸汽腔为密封结构。
一种如上述的功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置的冷却方法：在介质阻挡放电过程中，随着地电极和高压电极的温度升高，第一蒸汽腔和第二蒸汽腔内的相变冷却介质逐步吸热汽化，随后在低温的超疏水结构层上冷凝并发生液滴合并弹跳，大量弹跳液滴在强化电场的作用下快速射向绝缘涂层，重新吸热汽化完成循环，实现对地电极和高压电极的相变冷却；随着放电功率的提高，第一强化电极与地电极、第二强化电极与高压电极之间的平均电势差分别增高，强化电场场强增加，由于表面双电层效应，合并弹跳液滴带有净正电荷，因此冷凝液滴合并弹跳也随之加速，使电极冷却速率提高，实现冷却功率的自适应。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种基于气液相变传热技术的介质阻挡放电电极冷却方案，将相变蒸汽腔附加于两个介质阻挡放电电极外侧，通过设计交流整流滤波电路，利用原有的放电所需的高频交变电场实现了电场强化的冷凝液滴合并弹跳，进一步提高了蒸汽腔内的相变传热性能，达到电极高效散热的目的，使得电极的温度均匀性和冷却效率较传统风冷与水冷有较大提高；
(2)本发明构建的强化电场能够使电极冷却功率随放电功率自适应变化，能够确保在复杂运行工况下电极不超温，从而保证设备安全。
附图说明
图1是本发明实施例示出的一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置的结构示意图；
图中：交流变压器1、整流电桥2、可变电阻3、电感4、电容5、地电极6、电介质7、高压电极8、反应室9、绝缘涂层10、热沉11、强化电极12、超疏水结构层13、蒸汽腔14。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置包括交流变压器1、整流电桥2、可变电阻3、电感4、电容5、地电极6、电介质7、高压电极8、反应室9、绝缘涂层10、热沉11、强化电极12、超疏水结构层13、蒸汽腔14。
所述交流变压器1用于将市电转化为介质阻挡放电所需的高频高压交流电，所述高压电极8与交流变压器1的副线圈相连，用于提供放电所需交流电压；
所述整流电桥2与交流变压器副线圈并联，对输出的高频高压交流电进行全波整流；本实施例中，电容5与整流电桥输出端并联，可变电阻3、电感4均与整流电桥输出端串联，通过在整流电桥2的负载两端并联的所述电容5和串联的所述电感4实现滤波，得到直流电压；所述可变电阻3用于实现负载电路保护，防止强化电极与放电电极之间发生击穿事故。。
所述地电极6与整流电桥2直流输出负极相连，所述电介质7插入地电极6与高压电极8之间形成介质阻挡放电，本实施例中，电介质7可以覆盖在地电极6内侧面或者高压电极8内侧面，也可以悬挂于地电极6与高压电极8之间，位于地电极6与高压电极8之间的所述反应室9作为放电反应空间；
所述一对强化电极12与整流电桥2的直流输出正极相连，并分别置于地电极6和高压电极8两侧，分别构建从强化电极12指向内侧的强化电场，用于实现电场强化液滴弹跳。
在一个具体实例中，所述超疏水结构层13具有低粘附性的微观结构，可以通过不同方法制备在强化电极12内侧，低粘附性的微纳结构有利于实现冷却工质冷凝液滴的自发合并弹跳，例如化学刻蚀、电化学沉积、阳极氧化等工艺可以在金属表面制备不同形貌的微纳结构，再通过气相沉积、分子自组装等方法对微纳结构进行涂层，最终实现低粘附性的超疏水微纳结构表面；所述热沉11用于强化电极12的强制对流冷却，以带走介质阻挡放电产生的热量。
在一个具体实例中，所述绝缘涂层10喷涂于地电极6和高压电极8外侧表面，以实现反应室9与强化电极12间的电气绝缘，同时可以减少电极产生的高频电场对强化电极12的影响。
在一个具体实例中，所述蒸汽腔14采用密封结构，在密封的蒸汽腔14内灌注一部分相变冷却介质，相变冷却介质在蒸汽腔内发生汽化与冷凝，其中相变冷却介质可以用水等表面张力较大的流体实现。具体的，在放电过程中，随着地电极6和高压电极8温度升高，冷却介质逐步吸热汽化，随后在低温的超疏水结构层13上冷凝并发生液滴合并弹跳，大量弹跳液滴在强化电场的作用下快速射向绝缘涂层10，最后重新吸热汽化完成循环，实现对地电极6和高压电极8的相变冷却。随着放电功率的提高，强化电极12与地电极6和高压电极8之间的平均电势差分别增高，强化电场的场强增加。由于表面双电层效应，合并弹跳液滴带有净正电荷，因此冷凝液滴合并弹跳也随之加速，使电极冷却速率提高，实现冷却功率的自适应。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置，其特征在于，包括交流变压器(1)、整流电桥(2)、电感(4)、电容(5)、地电极(6)、电介质(7)、高压电极(8)、热沉(11)、第一强化电极和第二强化电极；
所述交流变压器(1)用于将市电转化为介质阻挡放电所需的高频高压交流电，所述整流电桥(2)与交流变压器(1)副线圈并联，整流电桥(2)的负载并联所述电容(5)和串联所述电感(4)实现滤波，得到直流电压；
所述的高压电极(8)与交流变压器(1)的副线圈相连，地电极(6)与整流电桥(2)的直流输出负极相连，地电极(6)与高压电极(8)之间形成反应室(9)，用于提供放电反应空间，所述电介质(7)插入地电极(6)与高压电极(8)之间形成介质阻挡放电；所述地电极(6)和高压电极(8)的外侧设有绝缘涂层(10)；
第一强化电极和第二强化电极分别置于地电极(6)和高压电极(8)的外侧，均与整流电桥(2)的直流输出正极相连；第一强化电极与地电极(6)之间形成第一蒸汽腔，第二强化电极与高压电极(8)之间形成第二蒸汽腔，所述的第一蒸汽腔和第二蒸汽腔内灌注有相变冷却介质。
2.根据权利要求1所述的一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置，其特征在于，所述的整流电桥(2)输出端串联有用于保护电路的可变电阻(3)；所述整流电桥(2)、可变电阻(3)、电感(4)和电容(5)构成全波整流电路。
3.根据权利要求1所述的一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置，其特征在于，所述的第一强化电极和第二强化电极的内侧设有超疏水结构层(13)，所述相变冷却介质能够在一定温度下汽化吸热，在超疏水结构层(13)上发生冷凝与液滴合并弹跳。
4.根据权利要求1所述的一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置，其特征在于，第一强化电极和第二强化电极的外侧设有热沉(11)，一对强化电极通过热沉进行强制对流冷却。
5.根据权利要求1所述的一种功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置，其特征在于，所述的第一蒸汽腔和第二蒸汽腔为密封结构。
6.一种如权利要求1所述的功率自适应的介质阻挡放电电极相变冷却装置的冷却方法，其特征在于，在介质阻挡放电过程中，随着地电极(6)和高压电极(8)的温度升高，第一蒸汽腔和第二蒸汽腔内的相变冷却介质逐步吸热汽化，随后在低温的超疏水结构层(13)上冷凝并发生液滴合并弹跳，大量弹跳液滴在强化电场的作用下快速射向绝缘涂层(10)，重新吸热汽化完成循环，实现对地电极(6)和高压电极(8)的相变冷却；随着放电功率的提高，第一强化电极与地电极(6)、第二强化电极与高压电极(8)之间的平均电势差分别增高，强化电场场强增加，由于表面双电层效应，合并弹跳液滴带有净正电荷，因此冷凝液滴合并弹跳也随之加速，使电极冷却速率提高，实现冷却功率的自适应。
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