CN115318219B - 适用闪光焦耳加热工艺的针状电极放电管及焦耳加热设备 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气设备技术领域，具体涉及一种适用闪光焦耳加热工艺的针状电极放电管及焦耳加热设备，该该针状电极放电管包括上电极、上管体、下管体和下电极，上、下电极（各自位于所在管体中部分形成有针状电极；焦耳加热设备包括推车式机架，推车式机架内部下层安装有并联电容组；中层安装有真空泵、直流接触器、可调功率电感、功率电阻、续流二极管、可控硅整流电源和低压开关电源；直流接触器的电极一端通过导线与并联电容组的正极相连接，另一端通过导线与可调功率电感连接；上层安装有真空实验舱，真空实验舱内部安装有放电夹具。本发明提供的焦耳加热设备为超高电压放电加热设备，具有放电能量、放电电压、放电时间可控的特点。

Description

适用闪光焦耳加热工艺的针状电极放电管及焦耳加热设备

技术领域

本发明属于电气设备技术领域，具体涉及一种适用闪光焦耳加热工艺的针状电极放电管及焦耳加热设备。

背景技术

赖斯大学开发的一种新工艺可以从电子废物中提取有价值的金属。这个过程称为闪光焦耳加热，其能耗比当前方法低500倍。闪光焦耳加热最初是利用废物食品等来源从碳中产生的石墨烯。然而，赖斯的研究人员调整了从电子废物中回收矿物质的方法，如钠、铂、金和银。该方法的工作原理是将电子废物加热到3，400开尔文（5，660华氏度）的温度。这种高温蒸发金属。然后，气体通过真空从闪存室输送到冷陷阱中。一旦进入冷陷阱，金属气体就会凝结回固体金属中。然后，可以进一步净化陷阱中的回收金属混合物，以产生单个金属。

除了从电子废物中取回金属外，研究人员还发现，闪光焦耳反应将烧焦的遗骸中的铅浓度降低到百万分之0.05以下。这是一个足够安全的水平，可以将废物处理在农业土壤中。其他有毒金属（如砷和汞）的含量也可以通过使用额外的闪光来降低。由于每个闪光灯持续不到一秒，这可以快速进行。这个过程可以把有毒废物的主要来源变成有用的资源，在这里最大的废物来源变成了宝藏，这将减少从偏远和危险的地方的矿石中开采、剥去地球表面和利用大量水资源的必要性。

针对利用闪光焦耳加热工艺实现各种碳源生产石墨烯的场合，现有技术中缺少能够满足批量生产石墨烯的放电管，缺少能够保障放电管连续放电工作效率的焦耳加热设备，传统焦耳加热设备难以在瞬间达到3000K以上的温度，且放电能量、放电电压、放电时间不可控，放电温度难以监测。

发明内容

本发明的目的在于克服至少一个现有技术中存在的上述问题，提供一种适用闪光焦耳加热工艺的针状电极放电管及焦耳加热设备。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

本发明提供一种适用闪光焦耳加热工艺的针状电极放电管，该针状电极放电管包括上电极、上管体、下管体和下电极，所述上管体和下管体均为开口管体，且上管体的外径与下管体的内径相互配合，所述上管体位于远离开口的端部安装有上电极，所述下管体位于远离开口的端部安装有下电极，所述上电极、下电极各自位于所在管体中部分形成有若干呈周向均匀分布的针状电极，所述上电极、下电极中的针状电极位置相互错开。

进一步地，上述适用闪光焦耳加热工艺的针状电极放电管中，所述上管体和下管体均为陶瓷管。

进一步地，上述适用闪光焦耳加热工艺的针状电极放电管中，所述针状电极为铂电极。

本发明还提供一种适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备，其特征在于：该焦耳加热设备包括推车式机架，所述推车式机架内部下层安装有并联电容组；

所述推车式机架内部中层安装有真空泵、直流接触器、可调功率电感、功率电阻、续流二极管、可控硅整流电源和低压开关电源；所述直流接触器的电极一端通过导线与并联电容组的正极相连接，另一端通过导线与可调功率电感连接；所述可调功率电感为电感量根据放电时间要求可调的功率电感，两端并联有功率电阻、续流二极管保护电路；

所述推车式机架内部上层安装有真空实验舱，所述真空实验舱内部通过放电夹具安装有针状电极放电管。

进一步地，上述适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备中，所述并联电容组的每一电极上并联安装有泄放电阻，所述并联电容组的负极由导线连接至真空实验舱的负极接口，所述可调功率电感的输出端由导线连接至真空实验舱的正极接口。

进一步地，上述适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备中，所述真空泵由真空管路连接至真空实验舱的上盖，所述真空泵为真空实验舱内部提供真空环境，所述真空实验舱的上盖安装有真空压力表和进气阀。

进一步地，上述适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备中，所述可控硅整流电源为并联电容组提供充电电流，所述低压开关电源为整个设备提供控制电源；

所述推车式机架背部上方安装有断路器、电压表、电流表和指示灯，所述推车式机架背部下方安装有快速放电开关、双路遥控开关和电位器；

所述断路器为整个设备提供供电通断；所述电压表并联于并联电容组两极，用于测量并联电容组电压；

所述电流表串联于可控硅整流电源输出端，用于测量可控硅整流电源对并联电容组的充电电流；

所述指示灯为小型白炽灯，并联于并联电容组两极，辅助指示并联电容组能量存储情况。

进一步地，上述适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备中，所述快速放电开关串联有功率电阻，所述快速放电开关连接于并联电容组两极，用于快速释放并联电容组中剩余的电能；

所述双路遥控开关其中一路连接于可控硅整流电源的供电接口，用于控制可控硅整流电源的启停，另一路连接于直流接触器的控制端，用于控制直流接触器的通断；

所述电位器连接于可控硅整流电源的控制接口，用于控制可控硅整流电源的输出电流大小。

进一步地，上述适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备中，所述放电夹具由底板、滑块、螺钉支架、铜螺钉和弹簧组成，所述底板上安装有滑块，所述滑块能够在底板上左右自由滑动并能够在任意位置锁止，所述滑块上固定有螺钉支架，所述螺钉支架上安装有铜螺钉，所述铜螺钉上安装有弹簧，所述铜螺钉为左右对称结构，中间承载着针状电极放电管。

进一步地，上述适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备中，所述焦耳加热设备设有用于保障连续放电工作效率的电容储能电感功率控制系统，所述电容储能电感功率控制系统包括可控硅整流电源、可控硅控制器、防反流二极管a、光耦合开关a、可调功率电感、逆变电源控制器、针状电极放电管、光耦合开关b、防反流二极管b和电容组；

所述可控硅整流电源接有交流市电，由可控硅控制器控制整流输出给电容组供电；所述电容组通过串联的可调功率电感对针状电极放电管进行放电，所述可调功率电感能够调整感抗大小以控制放电时间，所述电容组通过容量调整、充电电压的高低调整来实现控制功率；

所述逆变电源控制器能够将功率电感工作后存储的能量回馈可控硅整流电源用于下次电容储能。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的针状电极放电管结构设计合理，其放电管主要由上下两个陶瓷管体组成，上管体外壁可以嵌入下管体内壁形成工作放电空间，上下脱开式结构有利于快速装料出料，放电管中的电极为针状铂电极，配合电容器组可实现高压放电在毫秒时间内就可以达到3000K以上的温度。

2、本发明提供的焦耳加热设备为超高电压放电加热设备，具有放电能量、放电电压、放电时间可控的特点，并可测量放电时间和放电温度，全过程自动化控制或人工遥控控制，电气性能安全，相对传统焦耳加热设备，设备安全性和可控性更好，为批量化、稳定可控制备石墨烯提供了保证。

3、本发明焦耳加热设备的放电夹具设计合理，使用前先断开所有电源，检查电压表和指示灯，保证电容处于未储能状态。在针状电极放电管中装入目标反应物（碳源），将针状电极放电管置于放电夹具中间，调整滑块间距，用铜螺钉头顶住两端，弹簧处于适当压紧状态。将放电夹具置于真空实验舱中，将两头铜螺丝用导线连接至实验舱中的正负电极，盖好上盖。关闭进气阀，接通设备电源，接通断路器，打开真空泵。观察真空表指示，待抽气至真空状态后关闭真空泵。打开第一路遥控开关，接通可控硅整流电源为电容充电。观察电流表和电压表，可用电位器调整充电电流大小。待充电至目标电压后，关闭第一路遥控开关，断开可控硅整流电源。打开第二路遥控开关，接通直流接触器，瞬间对目标反应物（碳源）进行焦耳放电，反应完成后关闭第二路遥控开关，断开直流接触器。关闭断路器，打开进气阀待真空实验舱内压力和外部平衡后，打开上盖，取出放电夹具。松开滑块，取出针状电极放电管，得到制备好的石墨烯。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中针状电极放电管的结构示意图；

图2为本发明中焦耳加热设备的主视示意图；

图3为本发明中焦耳加热设备部分的侧视示意图；

图4为本发明中放电夹具的结构示意图；

图5为本发明中电容储能电感功率控制系统的组成框图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

01-推车式机架，02-并联电容组，03-真空泵，04-直流接触器，05-可调功率电感，06-功率电阻，07-续流二极管，08-可控硅整流电源，09-低压开关电源，10-真空实验舱，11-放电夹具，12-泄放电阻，13-负极接口，14-真空管路，15-真空压力表，16-进气阀，17-正极接口，18-断路器，19-电压表，20-电流表，21-指示灯，22-快速放电开关，23-双路遥控开关，24-电位器，25-底板，26-滑块，27-螺钉支架，28-铜螺钉，29-弹簧，30-针状电极放电管，301-上电极，302-上管体，303-下管体，304-下电极，305-针状电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种适用闪光焦耳加热工艺的针状电极放电管，该针状电极放电管30包括上电极301、上管体302、下管体303和下电极304，上管体302和下管体303均为开口管体，且上管体302的外径与下管体303的内径相互配合，上管体302位于远离开口的端部安装有上电极301，下管体303位于远离开口的端部安装有下电极304，上电极301、下电极304各自位于所在管体中部分形成有若干呈周向均匀分布的针状电极305，上电极301、下电极304中的针状电极305位置相互错开。

本实施例中，上管体302和下管体303均为陶瓷管。

本实施例中，针状电极305为铂电极。

本实施例，上管体302外壁可以嵌入下管体303内壁形成工作放电空间，上下脱开式的结构设计有利于快速装料出料。

实施例二

如图2和图3所示，本实施例提供一种适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备，该焦耳加热设备包括推车式机架01，推车式机架01内部下层安装有并联电容组02。

推车式机架01内部中层安装有真空泵03、直流接触器04、可调功率电感05、功率电阻06、续流二极管07、可控硅整流电源08和低压开关电源09；直流接触器04的电极一端通过导线与并联电容组02的正极相连接，另一端通过导线与可调功率电感05连接；可调功率电感05为电感量根据放电时间要求可调的功率电感，两端并联有功率电阻06、续流二极管07保护电路。

推车式机架01内部上层安装有真空实验舱10，真空实验舱10内部通过放电夹具11安装有针状电极放电管30。

本实施例中，并联电容组02的每一电极上并联安装有泄放电阻12，并联电容组02的负极由导线连接至真空实验舱10的负极接口13，可调功率电感05的输出端由导线连接至真空实验舱10的正极接口17。

本实施例中，真空泵03由真空管路14连接至真空实验舱10的上盖，真空泵03为真空实验舱10内部提供真空环境，真空实验舱10的上盖安装有真空压力表15和进气阀16。

本实施例中，可控硅整流电源08为并联电容组02提供充电电流，低压开关电源09为整个设备提供控制电源；

推车式机架01背部上方安装有断路器18、电压表19、电流表20和指示灯21，推车式机架01背部下方安装有快速放电开关22、双路遥控开关23和电位器24；

断路器18为整个设备提供供电通断；电压表19并联于并联电容组02两极，用于测量并联电容组02电压；

电流表20串联于可控硅整流电源08输出端，用于测量可控硅整流电源08对并联电容组02的充电电流；

指示灯21为小型白炽灯，并联于并联电容组02两极，辅助指示并联电容组02能量存储情况。

本实施例中，快速放电开关22串联有功率电阻，快速放电开关22连接于并联电容组02两极，用于快速释放并联电容组02中剩余的电能；

双路遥控开关23其中一路连接于可控硅整流电源08的供电接口，用于控制可控硅整流电源08的启停，另一路连接于直流接触器04的控制端，用于控制直流接触器04的通断；

电位器24连接于可控硅整流电源08的控制接口，用于控制可控硅整流电源08的输出电流大小。

如图4所示，放电夹具11由底板25、滑块26、螺钉支架27、铜螺钉28和弹簧29组成，底板25上安装有滑块26，滑块26能够在底板上左右自由滑动并能够在任意位置锁止，滑块26上固定有螺钉支架27，螺钉支架27上安装有铜螺钉28，铜螺钉28上安装有弹簧29，铜螺钉28为左右对称结构，中间承载着针状电极放电管30。针状电极放电管30中上管体302、下管体303的外端分别设有连接座，两侧所述铜螺钉28的内端部转动限制在对应的连接座中，这样利用铜螺钉28可实现针状电极放电管30的开合。

如图5所示，焦耳加热设备设有用于保障连续放电工作效率的电容储能电感功率控制系统，电容储能电感功率控制系统包括可控硅整流电源、可控硅控制器、防反流二极管a、光耦合开关a、可调功率电感、逆变电源控制器、针状电极放电管、光耦合开关b、防反流二极管b和电容组；

可控硅整流电源接有交流市电，由可控硅控制器控制整流输出给电容组供电；电容组通过串联的可调功率电感对针状电极放电管进行放电，可调功率电感能够调整感抗大小以控制放电时间，电容组通过容量调整、充电电压的高低调整来实现控制功率；

逆变电源控制器能够将功率电感工作后存储的能量回馈可控硅整流电源用于下次电容储能，保障连续放电工作效率。

本实施例的一个具体应用为：

以实施例二提供的焦耳加热设备来批量生产石墨烯的方法，具体包括如下步骤：

1）将有机碳物质、石墨磨粉各自过200~400目筛进行筛分，并经过烘干，烘干至水分含量低于100ppm；有机碳物质为碳含量大于50%有机化合物，包括但不局限于：精煤、焦炭、腈纶和粘胶纤维；

2）将处理后有机碳物质、石墨磨粉按质量比3~5：1机械共混一段时间，而后填充到针状电极放电管中，两头以放电夹具的铜螺钉压紧，用万用表测得电阻不大于1kΩ；

3）将放电夹具放入真空实验舱，持续抽真空至目标真空度小于10Pa；

4）选用并联总容量为100mF的电容器，将电感调整至24mH，在真空条件下以100V充放电操作2-4次；再以250V电压充电，将电感调整至12mH，操作遥控器进行焦耳快速放电，即可得到高品质的石墨烯沉积物。

以上公开的本发明优选实施例只是利于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (4)

1.适用闪光焦耳加热工艺的针状电极放电管，其特征在于：该针状电极放电管（30）包括上电极（301）、上管体（302）、下管体（303）和下电极（304），所述上管体（302）和下管体（303）均为开口管体，且上管体（302）的外径与下管体（303）的内径相互配合，所述上管体（302）外壁可嵌入所述下管体（303）内壁形成工作放电空间；所述上管体（302）位于远离开口的端部安装有上电极（301），所述下管体（303）位于远离开口的端部安装有下电极（304），所述上电极（301）、下电极（304）各自位于所在管体中部分形成有若干呈周向均匀分布的针状电极（305），所述上电极（301）、下电极（304）中的针状电极（305）位置相互错开；所述上管体（302）和下管体（303）均为陶瓷管；所述针状电极（305）为铂电极。

2.适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备，其特征在于：该焦耳加热设备包括推车式机架（01），所述推车式机架（01）内部下层安装有并联电容组（02）；

所述推车式机架（01）内部中层安装有真空泵（03）、直流接触器（04）、可调功率电感（05）、功率电阻（06）、续流二极管（07）、可控硅整流电源（08）和低压开关电源（09）；所述直流接触器（04）的电极一端通过导线与并联电容组（02）的正极相连接，另一端通过导线与可调功率电感（05）连接；所述可调功率电感（05）为电感量根据放电时间要求可调的功率电感，两端并联有功率电阻（06）、续流二极管（07）保护电路；

所述推车式机架（01）内部上层安装有真空实验舱（10），所述真空实验舱（10）内部通过放电夹具（11）安装有如权利要求1所述的针状电极放电管（30）；

所述焦耳加热设备设有用于保障连续放电工作效率的电容储能电感功率控制系统，所述电容储能电感功率控制系统包括可控硅整流电源、可控硅控制器、防反流二极管a、光耦合开关a、可调功率电感、逆变电源控制器、针状电极放电管、光耦合开关b、防反流二极管b和电容组；

所述可控硅整流电源（08）为并联电容组（02）提供充电电流，所述低压开关电源（09）为整个设备提供控制电源；

所述推车式机架（01）背部上方安装有断路器（18）、电压表（19）、电流表（20）和指示灯（21），所述推车式机架（01）背部下方安装有快速放电开关（22）、双路遥控开关（23）和电位器（24）；

所述断路器（18）为整个设备提供供电通断；所述电压表（19）并联于并联电容组（02）两极，用于测量并联电容组（02）电压；

所述电流表（20）串联于可控硅整流电源（08）输出端，用于测量可控硅整流电源（08）对并联电容组（02）的充电电流；

所述指示灯（21）为小型白炽灯，并联于并联电容组（02）两极，辅助指示并联电容组（02）能量存储情况；

所述快速放电开关（22）串联有功率电阻，所述快速放电开关（22）连接于并联电容组（02）两极，用于快速释放并联电容组（02）中剩余的电能；

所述双路遥控开关（23）其中一路连接于可控硅整流电源（08）的供电接口，用于控制可控硅整流电源（08）的启停，另一路连接于直流接触器（04）的控制端，用于控制直流接触器（04）的通断；

所述电位器（24）连接于可控硅整流电源（08）的控制接口，用于控制可控硅整流电源（08）的输出电流大小；

所述放电夹具（11）由底板（25）、滑块（26）、螺钉支架（27）、铜螺钉（28）和弹簧（29）组成，所述底板（25）上安装有滑块（26），所述滑块（26）能够在底板上左右自由滑动并能够在任意位置锁止，所述滑块（26）上固定有螺钉支架（27），所述螺钉支架（27）上安装有铜螺钉（28），所述铜螺钉（28）上安装有弹簧（29），所述铜螺钉（28）为左右对称结构，中间承载着针状电极放电管（30）；

所述可控硅整流电源接有交流市电，由可控硅控制器控制整流输出给电容组供电；所述电容组通过串联的可调功率电感对针状电极放电管进行放电，所述可调功率电感能够调整感抗大小以控制放电时间，所述电容组通过容量调整、充电电压的高低调整来实现控制功率；

所述逆变电源控制器能够将功率电感工作后存储的能量回馈可控硅整流电源用于下次电容储能。

3.根据权利要求2所述的适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备，其特征在于：所述并联电容组（02）的每一电极上并联安装有泄放电阻（12），所述并联电容组（02）的负极由导线连接至真空实验舱（10）的负极接口（13），所述可调功率电感（05）的输出端由导线连接至真空实验舱（10）的正极接口（17）。

4.根据权利要求2所述的适用闪光焦耳加热工艺的焦耳加热设备，其特征在于：所述真空泵（03）由真空管路（14）连接至真空实验舱（10）的上盖，所述真空泵（03）为真空实验舱（10）内部提供真空环境，所述真空实验舱（10）的上盖安装有真空压力表（15）和进气阀（16）。