CN2405398Y - 正高压直流流光放电等离子体源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型通过一个正高压电源提供高压电能注入反应器内,在针阵列对金属网或板为电极结构的反应器内产生流光放电,处理流经反应器的气体或对反应器内放置的工件或作为反应器电极的材料进行材料改性;处理气体流向垂直金属网流经金属网网孔而排出,无需在气路中添加臭氧吸收装置;用一涂有光化学催化剂如氧化钛的金属网代替作为地电极的金属网,使非热等离子体与光化学催化有一新的结合;反应器的电极结构可采用多重结构,且流经反应器的气流方向可垂直或平行作为地电极的金属网或金属平板。

Description

正高压直流流光放电等离子体源装置

本实用新型涉及电晕放电产生非热等离子体领域，特别涉及正高压直流流光放电等离子体源装置的设计。

一般来说，如图1所示，一个电晕放电等离子体源装置包括一个高压电源1，该高压电源将电网电压转变成高压直流或高压交流或高压脉冲等的电能形式；一个电晕放电反应器2，通过由高压电缆3从高压电源传递来的高压电能加在该反应器的电极4上，在高压电极和地电极5之间的空间产生电晕放电，处理流经该放电区的气体或置于该放电区的工件材料或构成放电电极的材料；一个反应器的金属外壳6，该反应器外壳用于固定起联接电缆和高压电极的绝缘子7，同反应器地电极和一个接地装置8相连起屏蔽放电引起的电磁波的作用；一个接地装置8，该接地装置起向大地泄放电流，防止地电位抬高，保护人身安全的作用。

电晕放电等离子体源的关键器件是高压电源和反应器，下面对高压电源和反应器作进一步的说明。

高压电源按极性分正高压电源和负高压电源，按高压输出波形特性分直流，交流，和脉冲高压等。高压直流电源的一般原理如图2所示，首先通过升压变压器9将电网电压10升压到所需高电压，然后经过硅桥12整流输出直流高压。脉冲高压电源的一般原理如图3示，首先由上述高压直流电源16对储能元件17储能，通过脉冲开关的控制形成高压脉冲电能并储存在脉冲形成元件20上，最后由另一脉冲开关21导通经传输线22将脉冲能量传输到反应器23。

如图4A，4B和4C所示，电晕放电反应器主要由针板式反应器，线板式反应器和线筒式反应器各种。高压电能就加在针或线电极27上，金属板或金属筒作为地电极28。针尖和线的尺寸为mm量级，针尖或线到板或筒的间距一般小于30cm。通过高压强电场作用产生电子雪崩，电晕放电就发生在针或线对板或筒之间的空间29内。

以下参考附图详细说明目前电晕放电等离子体源的工作情况。

对于线筒式或线板式反应器来说，正高压直流电晕放电区明显小于负直流高压电晕放电区，且负电晕放电更稳定，所以广泛应用的是负直流电晕放电，电压值一般在几十kV以下。对于常规的工业电除尘和产生少量的负离子等应用，负直流电晕放电已足够强烈。

但是为了产生更强烈的非热等离子体化学反应用于收集超微细颗粒，去除有害化学物质，或改变金属或高分子材料表面特性等，直流负电晕放电已不能胜任，这就提出了脉冲电晕放电技术。

实际上，脉冲电晕放电机理属于流光放电，在外强电场作用下正流光能在整个放电区内发展，而负流光在高压电极较近的区域内很快衰减，且易导致火花放电，所以目前主要的应用研究集中在正脉冲电晕放电。

正处于应用研究阶段的脉冲电晕放电技术显示出直流电晕放电无法比拟的优势，但是由于脉冲成形和脉冲传输技术非常复杂，电源回路中各高压器件特性直接影响高压脉冲电晕放电特性，脉冲成形和脉冲传输过程中能耗较大(目前能达的电源效率约为70％)，还存在电源和反应器匹配的问题，另外各高压元件受脉冲冲击有寿命问题(目前脉冲电容寿命仅达10⁹～10¹⁰次)，所以该技术发展还未成熟，特别是在大功率和高脉冲电压峰值的研究中有待新的突破(脉冲电压峰值能达100～150kV的电源其最大输出功率仅达几十kW)。

如图5所示，近年来发展起来一种叫radical shower(自由基喷射器)的电晕放电等离子体源。radical shower起源于用电晕放电电离向处理气体43添加的添加剂42，radical shower包括一个直流或直流叠加高频交流的高压电源35；一根附有金属针38的中空金属管37且各金属针尖端带空用于喷射添加气体的高压电极；其它组件类同上述图4电晕放电装置。一般来说，相临针与针的间距大于2cm，各针的长度大于5mm，针到地极的距离大于5cm。该种放电方式电能损耗少，用于放电的能量利用率高，用于辅助其它方法对污染气体的处理。但是不可排除以下不利应用的因素：因高压电场作用针极上附着微细尘粒不易去掉，易引起针尖上的细空堵塞和针尖肥大，导致添加剂喷射不均匀和放电不均匀且减弱放电强度。

此外，如图6所示，近年来还发展起来一种辉光放电方式，也就是用一个负直流高压电源44和一个多针电极46对金属板47为电极的反应器，将负高压加到多针电极上，在所述电极之间的空间49放电，对流经的气体50进行处理。要求流经气流速度达几十m/s甚至几百m/s，以保证放电稳定。由于该放电属于辉光放电，其产生的高能电子能级(～lev)相对于流光放电产生的高能电子能级(5～10ev)低，给应用带来局限。

上述分析了各种电晕放电方式的技术情况，除直流负电晕放电已有较成熟的应用外，其它各种放电方式的应用还处于研究摸索阶段。

因此，本实用新型的目的是提出一种新的电晕放电方式，在更小的空间内得到强烈且稳定的流光放电，提高用于流光放电的能量利用率。

本实用新型的另一目的是简化流光放电产生过程，包括利用简单的高压电源和缩小反应器尺寸，拓宽电晕放电的应用范围，减少该种等离子体源的制造成本。

下面的说明将阐明本实用新型的附加特征和优点，其中部分从说明书中会明了，或通过本发明的实施例了解到。通过在文字说明书和权利要求书以及附图中具体指出的结构，会认识并达到本实用新型的目的和其他优点。

如实施例所述和广泛说明的，为了达到这些和其他优点，并根据本实用新型的目的，一电晕放电等离子体源是通过一个高压电源向反应器内注入高压电能，在反应器内产生电晕放电，处理流经反应器的气体或对反应器内放置的工件或作为反应器电极的材料进行材料改性，在这一电晕放电等离子体源中，具有如下的改进：以正直流高压电源代替负直流高压电源或脉冲高压电源作为该等离子体源的电源，输出高压在几kV到30kV之间；以金属针阵列为反应器的高压电极且金属平板或网为反应器的地电极，各金属针方向一致且垂直附在一金属栅格平板的结点上，各金属针的长度相等且大于5mm，金属针针尖尺寸小于1mm，各金属针之间的距离大于1cm，各金属针针尖到金属平板或网的间距在1到3cm之间；如以金属网为地电极，气流方向可垂直栅格平板，气流经栅格平板的孔穴进入电晕放电区处理，并通过金属网网空排出反应器，金属网网孔尺寸在微米到毫米量级，风速任意。

应理解，以上的一般说明和下面的详细说明是举例说明性质的，是为了对根据权利要求所限制的本实用新型提供进一步说明。

包括在本说明书中并构成本说明书的一个部分的附图是为了便于对本实用新型进一步的理解，本实用新型的实施例附图与文字说明一起对本实用新型的原理进行了解释。

图1是电晕放电等离子体源原理示意图；

图2是一般高压直流电源原理图；

图3是常规脉冲高压电晕放电原理图；

图4A至4C是常规电晕放电等离子体反应器原理图；

图5是自由基喷射器(radical shower)原理图；

图6是一种负直辉光放电原理图；

图7是本实用新型正高压直流流光放电等离子体源的装置示意图。

图8A至8C是本实用新型等离子体源装置主要组件的结构示意图；

图9是应用本实用新型非热等离子体源的室内空气净化器装置的总体结构侧示图；

图10是常规室内空气净化器装置的总体结构示意图；

图11A-11D是应用本实用新型非热等离子体源的室内空气净化器同常规空气净化器对污染空气处理效果比较图；

以下参考附图中所示的本实用新型的优选实施例对本实用新型进行详细的说明。

附图7显示出本实用新型的正高压直流流光放电等离子体源的装置示意图。

如图中所示，以正直流高压电源51为该等离子体源的电源，最高输出高压20kV，最高输出电流5mA。以金属针阵列55为反应器的高压电极且金属网57为反应器的地电极，各金属针方向一致且垂直附在一金属栅格平板54的结点上，各金属针的长度相等且大于5mm，金属针针尖尺寸小于1mm，各金属针之间的距离大于1cm，各金属针针尖到金属网的间距在1到2cm之间，金属网网孔尺寸在微米到毫米量级。气流方向垂直栅格平板，气流经栅格平板的孔穴进入电晕放电区处理，并通过金属网网空排出反应器。

现在说明在室内空气净化器内应用本实用新型正高压直流流光放电等离子体源的工作及其特征。

图9为应用本实用新型非热等离子体源的室内空气净化器装置的总体结构侧示图。室内空气首先经对大颗粒粒子的过滤71进入非热等离子体反应器72，经等离子体化学反应和产生等离子体的强电场对处理气中悬浮粒子荷电和收集，然后由风扇73排出，在室内进行循环处理，74为高压电源和风扇等的电控制系统。

由上述这一简单的气路设计，特别是本实用新型的非热等离子体源72代替了图10所示常规室内空气净化器内的过滤器83，静电场84，紫外光源85以及催化剂86等，不仅大大简化了处理流程降低了制作成本，而且因风阻大大减小而使风扇负载减轻从而减少风扇耗能提高处理风量。

上述替代避免了常规室内空气净化器所存在的下列主要问题：过滤器有一定的风阻，运行一段时间后因饱和需更换，并且效果不甚理想；静电场主要只对微细粉尘有收集作用，且因粉尘微细而收集效果不佳；虽然光化学催化有去除有害气体和臭味的功能，但还需与过滤和或电收尘结合。

室内空气净化器因利用了本实用新型的非热等离子体源装置不仅仅使各方面的性能优越于利用上述常规各技术点，而且与其它非热等离子体技术比较有其特有的优势。本实用新型利用简单的高压正直流电源代替了其它等离子体源所用的脉冲，方波和高频高压等电源；并通过利用上述针阵列对金属网为电极结构的反应器实现了在很小的空间内产生强烈且稳定的流光放电。这样使该室内空气净化器同时达到对各种室内场所的悬浮微粒的收集，有毒有害气体的去除，臭味的去除和细菌的杀死等效果。

相对于其它非热等离子体技术处理室内空气污染，具有如下区别。不同于负电晕放电对空气的处理，负电晕放电虽然能有效产生空气负离子但因负电晕不可能足够强烈而有效处理污染空气。脉冲电晕放电因电源结构复杂而制作成本价格昂贵，电源效率低而耗能相对较大。也不同于radicalshower，radical shower作为一种辅助放电装置，而且本实用新型装置能在更小的反应器空间内注入更多的放电能量，实现强烈而稳定的流光放电，使处理气体均流经放电区。另外，也不同于其它各类非热等离子体放电，介质阻挡放电不利于污染空气中的悬浮微粒的收集而且因放电间隙为mm量级风阻较大；沿面放电主要用做产生臭氧，而过多的臭氧也是一种污染。介质阻挡放电和沿面放电均需要高频高压电源提供放电电能。

图11A，11B，11C和11D分别显示了本实用新型的装置用于室内空气净化器中同常规空气净化器在一封闭空间内处理因吸烟引起污染空气的效果比较。在前者循环气流流量低于后者的条件下，对所示四种气体成分的去除，前者的处理时间为后者的约三分之一，且前者的最终处理效果接近100％而后者仅达80％。

同时，处理空气垂直通过金属网，这样金属网起到收集和过滤污染空气的双重作用。另外，由于放电区体积非常小，处理气体在放电区内的停留时间为毫秒量级，这有效地扼制了因放电引起的臭氧产生，并通过风量的控制调节微量臭氧浓度。所以本实用新型的应用使得室内空气净化器内无需象其它非热等离子体技术处理时加设臭氧吸收剂或装置。

该实用新型还可用栅格结点的双面同时固定针电极，在其两面以等距离各置金属网，或针阵列对金属网的多重结构加强等离子体放电处理。同样用一涂有光化学催化剂如氧化钛的金属网代替一金属网，使非热等离子体与光化学催化有一新的结合。另外还可以用针阵列对金属板的电极结构，而使处理气流平行金属板电极通过放电区。

对本领域的普通技术人员来说，在不偏离本实用新型的精神实质和内容范围的前题下，可对本实用新型作出种种修改。因此在权利要求书和其等效范围内，本实用新型还包括对其的各种修改方案。

Claims (7)

1.一种正直流流光放电等离子体源装置，其中通过一个正高压直流电源提供高压电能注入反应器内，在所述反应器内产生流光放电，处理流经反应器的气体或对反应器内放置的工件或作为反应器电极的材料进行材料改性，其特征在于：

以正直流高压电源供电，在针阵列对金属网或板为电极结构的反应器内产生流光放电。

2.根据权利要求1所述的流光放电等离子体源装置，其特征在于，正直流高压电源输出的高压正直流电压在几kV到30kV之间。

3.根据权利要求1所述的流光放电等离子体源装置，其特征在于，所述反应器的电极结构尺寸为各金属针的长度相等且大于5mm，金属针针尖尺寸小于1mm，各金属针之间的距离大于1cm，各金属针针尖到金属平板或网的间距在1到3cm之间，金属网网孔尺寸在微米到毫米量级。

4.根据权利要求1所述的流光放电等离子体源装置，其特征在于，处理气体流向垂直金属网流经金属网网孔而排出。

5.根据权利要求1所述的流光放电等离子体源装置，其特征在于，经该装置处理的气体无需在气路中添加臭氧吸收装置。

6.根据权利要求1所述的流光放电等离子体源装置，其特征在于，用一涂有光化学催化剂如氧化钛的金属网代替所述作为地电极的金属网，使非热等离子体与光化学催化有一新的结合。

7.根据权利要求1所述的流光放电等离子体源装置，其特征在于其中，所述反应器的电极结构可采用多重结构，且流经反应器的气流方向可垂直或平行作为地电极的金属网或金属平板。

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