CN115845110A - 基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元 - Google Patents

Abstract

提供一种基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，该结构单元上下、左右对称，呈多层堆叠状；自上而下分别为正面高压电极10，上层云母板20，左侧接地电极301，右侧接地电极302，耐高温绝缘胶层40，下层云母板50，反面高压电极60。还提供结构单元的工作过程。本发明提出一种三明治类型的放电结构，能够解决复杂构型等离子体放电装置的制造难题。

Description

基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元

技术领域

本发明涉及空气杀菌消毒和有害气体净化领域，尤其是一种基于多层复合云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元。

背景技术

等离子体是物质的第四态，由激发态分子、基态分子、活性自由基、离子和自由电子等组成。由于大气压低温等离子体中含有OH基、O原子等强氧化的活性物质、能够迅速破坏掉细菌和病毒中的蛋白质以及分解有害气体(如甲醛)，因此，在空气杀菌消毒领域应用广泛。目前，常用的低温等离子体主要是介质阻挡放电等离子体。在结构上，介质阻挡放电等离子体发生装置主要由绝缘介质、高压电压和接地电极构成，绝缘介质位于高压电极和接地电极之间。通过在两个电极之间施加高压正弦波或者高压脉冲，可以将电极附近的气体电离，产生弥散的等离子体。绝缘介质的存在主要是限制电流增长，避免电极附近弥散的辉光放电向电弧转变。在工业应用中，绝缘介质不仅需要耐高压，还需要耐等离子体腐蚀、具备较长的使用寿命。满足这两点的高压绝缘材料主要是无机材料：陶瓷和石英。由于这两种材质硬度极高、并不能直接用于传统的机械加工，因此，工业中广泛应用的介质阻挡放电等离子体发生器多为简单的陶瓷平板构型，或者石英圆管构型。这两种构型中，所产生的等离子体仅仅集中在绝缘介质表面，与空气不能充分接触，导致消杀效率较低，大部分等离子体消杀产品主要是依靠高浓度臭氧弥散到空气中进行杀毒。这种方案显然不能用于人在环境中的实时杀毒，也不能满足中央空调系统的一次性通过杀毒需求。

为满足日益增长的空气消杀应用需求、提高消杀效率，必须发展复杂构型(如具有沟槽和圆孔等透气特征)的等离子体放电装置，保证空气与等离子体的充分接触。如果继续采用陶瓷或者石英来制造绝缘介质板，将面临着沟槽特征加工难度大、工时长、成本高、成品率低等诸多缺点(例：在厚度为2mm、面积为200mm*150mm的陶瓷板上加工十条宽度为2mm的狭缝需要CNC机时约为10-20小时，成本大于1000元)。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，该结构单元上下、左右对称，呈多层堆叠状；自上而下分别为正面高压电极10，上层云母板20，左侧接地电极301，右侧接地电极302，耐高温绝缘胶层40，下层云母板50，反面高压电极60；

上层云母板20为矩形薄片；

正面高压电极10固定于上层云母板上表面；正面高压电极10的投影形状为矩形，位于上层云母板20的中央位置，正面高压电极10的四条边分别与上层云母板20的四条边平行，且分别保持一定间距；

在上层云母板20的下表面固定左侧接地电极301和右侧接地电压302；左侧接地电极301和右侧接地电压302为形状完全相同的矩形长条，四条边均与上层云母板20的四条边平行，左侧接地电极301和右侧接地电压302在上层云母板20下表面、下层云母板50上表面左右对称放置，左侧接地电极301与上层云母板20左边缘、右侧接地电压302与下层云母板50右边缘等间距；正面高压电极10的左边缘处在左侧接地电极301的正上方，与左侧接地电极301的中线对齐，或与左侧接地电极301的右边缘对齐，优选与301的中线边缘对齐；

下层云母板50与上层云母板20完全相同；上层云母板20的下表面与下层云母板50的上表面通过耐高温绝缘层粘结在一起，接地电极301和302被密封在耐高温绝缘层内部，与空气完全隔绝；耐高温绝缘层完全覆盖上层云母板20的下表面与下层云母板50的上表面；

同样，反面高压电极60与正面高压电极10完全相同，固定在下层云母板50的下表面，其在水平面上的投影与正面高压电极10的投影重合。

在本发明的一个实施例中，上层云母板20、下层云母板50厚度为0.5mm-1.5mm；上层云母板20的宽度为10mm-20mm。

在本发明的一个具体实施例中，上层云母板20、下层云母板50厚度为1mm。

在本发明的另一个实施例中，正面高压电极10的四条边与上层云母板20的四条边保持间距1-2mm；正面高压电极10的厚度范围为5um-50um；正面高压电极10的宽度为7-17mm。

在本发明的另一个具体实施例中，正面高压电极10的厚度为10um。

在本发明的又一个实施例中，左侧接地电极301和右侧接地电极302的厚度范围为5um-10um；左、右侧接地电极301和302的宽度为1-2.5mm。

在本发明的又一个具体实施例中，左侧接地电极301和右侧接地电极302的厚度为5um；左、右侧接地电极301和302的宽度为2mm；左侧接地电极301的左边缘与上层云母板20的左边缘距离保持在1mm以上；右侧接地电极302的右边缘需与上层云母板20的右边缘距离1mm以上。

在本发明的再一个具体实施例中，耐高温绝缘层为耐高温绝缘胶层40，其厚度为0.1mm。

还提供一种基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元的工作过程，其基于上述基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，其特征在于，具体为：将正面高压电极10和反面高压电极60连接到例如高压高频正弦波电源的高压电源的输出端；将接地电极301、302连接到高压高频正弦波电源的接地端；打开电源，调节输出电压的峰峰值范围至5-10kV，工作频率范围至5-20kV，即能够在正面高压电极10和反面高压电极60的边缘处，产生介质阻挡放电等离子体70；由于接地电极301和302密封在高温绝缘胶层内部、没有空气，因此在夹层中并不会产生等离子体。

本发明采用多层云母复合板作为介质阻挡放电等离子体的绝缘介质，提出一种三明治类型的放电结构，能够解决复杂构型等离子体放电装置的制造难题；与现有陶瓷板和石英管放电装置相比，具有成本低、生产效率高和易于实现大面积放电等特点；此外，云母板为柔性材料、韧性好，在长途运输过程中云母绝缘板板不会出现陶瓷材料的脆性断裂问题。

附图说明

图1示出“三明治”介质阻挡放电等离子体结构单元；

图2示出本发明的一个实施例：狭缝云母板介质阻挡放电等离子体阵列；

其中(a)示出横截面示图，(b)示出俯视图。

附图标注说明：

10正面高压电极 20上层云母板 301左侧接地电极 302右侧接地电极 40耐高温绝缘胶层 50下层云母板 60反面高压电极 70等离子体流柱 801壁面分叉气流 802狭缝直通气流 90狭缝结构

具体实施方式

图1展示了基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元。该结构单元上下、左右对称，呈多层堆叠状，类似于一个“三明治”。自上而下分别为正面高压电极10，上层云母板20，左侧接地电极301，右侧接地电极302，耐高温绝缘胶层40，下层云母板50，反面高压电极60。

上层云母板20为矩形薄片，其厚度为0.5mm-1.5mm，优选1mm。云母板是由多层绝缘云母纸层压而成，该层压工艺为该领域技术人员所熟知，在此不再详述。上层云母板20的厚度值主要影响大气压等离子体的放电电压，在1mm厚度下，典型的等离子体放电电压为峰峰值6-8kV。

正面高压电极10通过丝网印刷、磁控溅射或者电化学沉积等表面镀层工艺，将导电金属浆液(如银浆、铜浆等)均匀的涂覆到上层云母板上表面，再在恒温箱中经过高温烘干处理即可去掉浆液中的有机成分、实现正面高压电极10在上层云母板20上表面的牢靠贴合粘附。如俯视图2(b)所示，正面高压电极10的投影形状为矩形，位于上层云母板20的中央位置，正面高压电极10的四条边分别与上层云母板20的四条边平行，且分别保持一定间距(各个间距不一定相同，典型值：1-2mm，优选2mm)。正面高压电极10的厚度范围为5um-50um之间，优选10um。电极厚度太薄会导致不耐等离子体腐蚀、使用寿命短，电极厚度太厚又会导致边缘处电场强度小、等离子体产生浓度低。因此，综合来看，10um是一个兼顾放电强度与使用寿命的优选值。

在上层云母板20的下表面，使用与正面电极10相类似的表面涂层工艺(丝网印刷/磁控溅射/电化学沉积)，即可将左侧接地电极301和右侧接地电压302牢靠、均匀的涂覆在上层云母板20的下表面。左侧接地电极301和右侧接地电压302为形状完全相同的矩形长条，四条边均与上层云母板20的四条边平行，左侧接地电极301和右侧接地电压302在上层云母板20下表面、下层云母板50上表面左右对称放置，左侧接地电极301与上层云母板20左边缘、右侧接地电压302与下层云母板50右边缘等间距。左侧接地电极301和右侧接地电极302的涂层厚度范围为5um-10um，优选5um。接地电极的厚度之所以选择下限值5um，是因为左侧接地电极301与右侧接地电极302不会直接接触等离子体，不需要考虑由于电极腐蚀所导致的使用寿命降低问题。左、右侧接地电极301和302的宽度(即图1中沿水平方向的长度)为1-2.5mm(优选2mm)。左侧接地电极301左边缘在上层云母板20左边缘的左边，左侧接地电极301的左边缘与上层云母板20的左边缘距离需保持在1mm以上，主要目的是为了避免正面高压电极10所产生的等离子体绕过上层云母板20的左边缘，与左侧接地电极301之间形成放电电弧(“爬电”现象)。正面高压电极10的左边缘需处在左侧接地电极301的正上方，可以与左侧接地电极301的中线对齐，也可以与左侧接地电极301的右边缘对齐，优选与301的中线边缘对齐(正面高压电极10的左边缘必须处在左侧接地电极301的左右边缘之间，两者需要有一定的重合量或者完全接壤，不能出现正面高压电极10的左边缘位于左侧接地电极301右边缘右侧的情况)。同样，右侧接地电极302的右边缘需与上层云母板20的右边缘距离1mm以上，正面高压电极10的右边缘在垂直方向上的投影需位于右侧接地电极302上方，优选与右侧接地电极302的中线对齐。

由此可见，上层云母板20的宽度影响着正面高压电极10的宽度(即图1中沿水平方向的长度)，上层云母板20的典型宽度为10mm-20mm，正面高压电极10的宽度典型值为7-17mm。

由于所发明的放电结构上下对称，因此，下层云母板50与上层云母板20的几何构型、制作工艺也完全相同。上层云母板20的下表面与下层云母板50的上表面通过耐高温绝缘胶层40粘结在一起，接地电极301和302被密封在绝缘胶层内部，与空气完全隔绝。耐高温绝缘胶层40完全覆盖上层云母板20的下表面与下层云母板50的上表面，其厚度控制在0.1mm左右，内部致密、不能有微气泡；具体粘结剂类型不限，只要密封性能好、绝缘强度高、耐高温即可，优选电气工程中常用的绝缘导热硅胶。在工艺上，为了保证耐高温绝缘胶层在固化过程中内部没有微气泡，需采用压接设备通过外力将上云母板20和下云母板之间的气泡挤出，也可以在微真空环境进行高温绝缘胶层的固化。微气泡的存在会极大的削弱高温绝缘胶层40对接地电极301和302的密封效果，导致高压电极10、60与接地电极301、302之间的“爬电”概率增大、安全性降低。

同样，反面高压电极60与正面高压电极的几何尺寸、材料和制作工艺完全相同，牢靠、均匀的涂覆在下层云母板50的下表面。

本发明工作原理为：将正面高压电极10和反面高压电极60连接到例如高压高频正弦波电源的高压电源的输出端；将接地电极301、302连接到高压高频正弦波电源的接地端；打开电源，调节输出电压的峰峰值范围至5-10kV，工作频率范围至5-20kV，即可在正面高压电极10和反面高压电极60的边缘处，产生介质阻挡放电等离子体70，如图1所示。由于接地电极301和302密封在高温绝缘胶层内部、没有空气，因此在夹层中并不会产生等离子体。

实施案例：

图2为将所发明多层云母板介质阻挡放电等离子体结构单元应用到空气净化领域的一个典型实施案例。在该案例中，如图2所示，上层云母板20为矩形薄片，外轮廓尺寸为100mm*80mm。在上层云母片20的表面涂覆出相互平行放置的四个正面高压电极10(宽度为16mm)。相邻两个正面高压电极10之间开有一条宽度为4mm的透气狭缝。狭缝共有三条，长度(即图2(b)中沿竖直方向的长度)为70mm。沿垂直于狭缝中线的平面，将狭缝等离子体阵列剖开，得到图2(a)所示的横截面视图。该视图实际上就是由四个图1中等离子体放电单元组成的阵列。从正面高压电极10上方看，获得实施案例的俯视图-图2(b)。在具体应用中，需将图2(b)中的狭缝云母板介质阻挡放电等离子体阵列沿着垂直与气流的方向放置，即正面高压电极10上表面正对来流。将流过该等离子体阵列的待处理空气分成两类，第一类为壁面分叉气流801，该气流受正面高压电极10阻挡后，转换为贴壁流动，该气流与正面高压电极边缘处产生的等离子体充分混合处理后流入到狭缝结构90中；第二类为狭缝直通气流，该气流直接进入狭缝，该气流在进入狭缝后与壁面分叉气流801充分混合，借助于壁面分叉气流801中携带的活性物质对细菌、病毒和有害气体物质进行杀灭。壁面分叉气流801直接流过等离子体区域，空气净化和消杀处理效果要比狭缝直通气流802更加充分。因此，为保证高消杀处理效率，需要将狭缝的宽度控制在等离子体壁面厚度的2倍以下，该厚度的典型值为1-2mm，因此，狭缝的宽度的优选值为2-4m。

根据以上工作原理和结构介绍，不难得出本发明的优势在于：

1.机械特性好。与传统的陶瓷平板介质阻挡放电等离子体发生器相比，基于多层云母片的“三明治”介质阻挡放电等离子体单元属于柔性激励器(基材云母片为柔性)，具备弯折能力、抗摔打和冲击性能强。

2.电气特性好。新型“三明治”介质阻挡放电等离子体单元的接地电极(301、302)与高压电极(10、60)重合面积小，因此寄生电容小、在正常放电过程中的功率因素高、更容易实现与等离子体电源的负载匹配。在一定程度上，能够解决容性等离子体放电电源无功功率高、电源效率低、体积笨重的问题。

3.安全系数高。接地电极完全封装在多层云母片的内部，即便是在高湿度、表面有液滴的情况下，接地电极(301、302)与高压电极(10、60)也不会直接导通，不会出现短路而因此等离子体电源损坏的情况。

4.等离子体产生效率高。由于采用了双面高压电极设计，等离子体的产生区域加倍，产生范围更大、浓度更高。

5.空气净化更加高效。多层云母板具有优良的切割性能，可以很方便地加工出沟槽、狭缝和圆孔等透气结构特征。将具有透气特征的复杂介质阻挡放电等离子体激励器放在空调管道或者风扇流道中(如实施案例1)，可以保证高压电极(10、60)边缘产生的等离子体与来流空气的充分接触和混合、通过调节等离子体强度即可以实现一次性的将空气中细菌、病毒和甲醛等有害气体消除。

与陶瓷板相比，多层云母板同样为无机材料，绝缘性高、耐等离子体腐蚀。云母板材容易进行沟槽特征加工，原材料和加工价格远远低于陶瓷材料(例：在厚度为2mm、面积为200mm*150mm的云母板上加工十条宽度为2mm的狭缝可以采用激光切割工艺，加工费不足10元)，更容易实现产业化。

Claims (9)

1.基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，其特征在于，该结构单元上下、左右对称，呈多层堆叠状；自上而下分别为正面高压电极10，上层云母板20，左侧接地电极301，右侧接地电极302，耐高温绝缘胶层40，下层云母板50，反面高压电极60；

上层云母板20为矩形薄片；

正面高压电极10固定于上层云母板上表面；正面高压电极10的投影形状为矩形，位于上层云母板20的中央位置，正面高压电极10的四条边分别与上层云母板20的四条边平行，且分别保持一定间距；

在上层云母板20的下表面固定左侧接地电极301和右侧接地电压302；左侧接地电极301和右侧接地电压302为形状完全相同的矩形长条，四条边均与上层云母板20的四条边平行，左侧接地电极301和右侧接地电压302在上层云母板20下表面、下层云母板50上表面左右对称放置，左侧接地电极301与上层云母板20左边缘、右侧接地电压302与下层云母板50右边缘等间距；正面高压电极10的左边缘处在左侧接地电极301的正上方，与左侧接地电极301的中线对齐，或与左侧接地电极301的右边缘对齐，优选与301的中线边缘对齐；

下层云母板50与上层云母板20完全相同；上层云母板20的下表面与下层云母板50的上表面通过耐高温绝缘层粘结在一起，接地电极301和302被密封在耐高温绝缘层内部，与空气完全隔绝；耐高温绝缘层完全覆盖上层云母板20的下表面与下层云母板50的上表面；

同样，反面高压电极60与正面高压电极10完全相同，固定在下层云母板50的下表面，其在水平面上的投影与正面高压电极10的投影重合。

2.如权利要求1所述的基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，其特征在于，上层云母板20、下层云母板50厚度为0.5mm-1.5mm；上层云母板20的宽度为10mm-20mm。

3.如权利要求2所述的基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，其特征在于，上层云母板20、下层云母板50厚度为1mm。

4.如权利要求1所述的基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，其特征在于，正面高压电极10的四条边与上层云母板20的四条边保持间距1-2mm；正面高压电极10的厚度范围为5um-50um；正面高压电极10的宽度为7-17mm。

5.如权利要求4所述的基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，其特征在于，正面高压电极10的厚度为10um。

6.如权利要求1所述的基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，其特征在于，左侧接地电极301和右侧接地电极302的厚度范围为5um-10um；左、右侧接地电极301和302的宽度为1-2.5mm。

7.如权利要求1所述的基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，其特征在于，左侧接地电极301和右侧接地电极302的厚度为5um；左、右侧接地电极301和302的宽度为2mm；左侧接地电极301的左边缘与上层云母板20的左边缘距离保持在1mm以上；右侧接地电极302的右边缘需与上层云母板20的右边缘距离1mm以上。

8.如权利要求1所述的基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，其特征在于，耐高温绝缘层为耐高温绝缘胶层40，其厚度为0.1mm。

9.基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元的工作过程，其基于如权利要求1至8任一项所述的基于多层云母绝缘板的空气消杀用等离子体放电结构单元，其特征在于，具体为：将正面高压电极10和反面高压电极60连接到例如高压高频正弦波电源的高压电源的输出端；将接地电极301、302连接到高压高频正弦波电源的接地端；打开电源，调节输出电压的峰峰值范围至5-10kV，工作频率范围至5-20kV，即能够在正面高压电极10和反面高压电极60的边缘处，产生介质阻挡放电等离子体70；由于接地电极301和302密封在高温绝缘胶层内部、没有空气，因此在夹层中并不会产生等离子体。

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