CN103917035A - 用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置，包括前级充电器和等离子体发生器；前级充电器包括直流电源和谐振充电电路，直流电源用于为谐振充电电路提供直流电压，谐振充电电路用于为等离子体发生器提供交流脉冲电压；等离子体发生器为中心设置有反应腔的圆柱状结构，包括外屏蔽层、原方低压绕组、外绝缘层、副方高压绕组、内绝缘层、内屏蔽层、副方电容、触发极电阻、气体间隙陡化开关、电极支架、高压电极、直线电极和金属板；颗粒或气体物质的处理直接在反应腔内进行。该装置放电可以在大气压开放空气以及没有阻挡介质的环境下进行，等离子体中电子和活性粒子的能量更大，浓度更高，且装置结构紧凑，体积小，稳定性高。

Description

用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置

技术领域

本发明属于等离子体产生技术领域，更具体地，涉及一种用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置。

背景技术

非平衡等离子体是一种部分电离的低温等离子体，其电子和离子的温度差别很大。这种等离子体中含有大量的具有极高反应活性的活性粒子，如：高能电子、亚稳态离子、自由基等。与此同时，其整体温度很低，因此，被广泛用于材料加工及表面处理、污染物处理、医学方面的杀菌消毒等诸多领域。

用非平衡等离子体处理颗粒物质包括物理作用和化学作用。物理作用是指等离子体中的高能电子和活性粒子碰撞并侵蚀某些有机颗粒物质表面，形成斑点，改变表面的粗糙度和表面积（如聚对苯二甲酸乙二醇酯颗粒），或者生成更小的颗粒物（如气溶胶状物质），同时去除材料表面的污染物和挥发出来的低分子化合物，达到清洁杀菌，增强抗菌性的目的。化学作用是指等离子体中的高能粒子撞击颗粒表面会生成大量的活性自由基，这些自由基相互作用形成一种致密的交联层，并与等离子体中的其他成分作用形成活性基团，如含氧基、羟基、羰基等，改变了颗粒表面的化学成分（如炭黑颗粒物）。非平衡等离子体还可以用来处理有机气体物质，通过破坏有机气体分子的化学键达到分解有机气体物质的目的。

目前，用非平衡等离子体处理颗粒物质的装置中，非平衡等离子体主要是以交流或直流电压为驱动源，采用介质阻挡或制造稀有气体放电氛围的方法制得。这些方法存在如下缺陷：（1）放电环境常常需要使用稀有气体、低气压或是真空，等离子体装置需要配备稀有气体瓶、真空泵等复杂的设备，且难以获得大面积的非平衡等离子体。（2）由于阻挡介质的使用大大降低了电离效率和高能电子的密度，且极易改变等离子体环境的化学成分，造成污染。（3）大气压电晕放电的不足之处是电离主要集中在电极附近，同样难以获得大面积的非平衡等离子体。（4）目前采用交流或者直流作为激发源获得的非平衡等离子体对气体有明显的加热，且能量利用率很低。上述原因极大地限制了非平衡等离子体的应用范围。此外，由于非平衡等离子体发生器与处理颗粒和气体物质的反应腔分离，装置体积大且稳定性差。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置，采用重频纳秒脉冲激发方式，使放电可以在大气压开放空气以及没有阻挡介质的环境下进行，避免使用复杂的真空泵和稀有气体瓶等配套装置，且等离子体中电子和活性粒子的能量更大、浓度更高、放电电极间距更大，具有更高的能量利用率。此外，将等离子体发生器与处理颗粒和气体物质的反应腔有效集成，极大地缩短了电气回路的连线长度，降低了线路电感和其他杂散参数，便于产品的标准化推广，且装置体积小、重量轻、稳定性高、结构紧凑。

为实现上述目的，本发明提供了一种用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置，其特征在于，包括前级充电器和等离子体发生器；

所述前级充电器包括直流电源和谐振充电电路，其中，所述直流电源用于为所述谐振充电电路提供直流电压，所述谐振充电电路用于为所述等离子体发生器提供交流脉冲电压；

所述等离子体发生器为中心设置有反应腔的圆柱状结构，包括外屏蔽层、原方低压绕组、外绝缘层、副方高压绕组、内绝缘层、内屏蔽层、副方电容、触发极电阻、气体间隙陡化开关、电极支架、高压电极、直线电极和金属板；

所述电极支架为圆筒结构，设置在反应腔侧壁，其内表面刻有螺旋状凹槽，所述高压电极为螺旋状结构，嵌入凹槽中，所述金属板设置在反应腔底部并接地，所述直线电极设置在反应腔的轴心，与所述金属板紧密焊接，所述电极支架的外层依次包覆所述内屏蔽层和所述内绝缘层，所述副方高压绕组设置在所述内绝缘层的***，一端连接所述气体间隙陡化开关的输入端，另一端接地，所述外绝缘层完全包覆所述副方高压绕组，以保证在所述原方低压绕组和所述副方高压绕组之间形成良好的电气隔离，所述原方低压绕组设置在所述外绝缘层的***，一端连接所述谐振充电电路的高压端，另一端接地，所述外屏蔽层完全包覆所述原方低压绕组，以防止所述前级充电器受到所述等离子体发生器的干扰；

所述副方电容的一端连接所述气体间隙陡化开关的输入端，另一端接地，所述触发极电阻的一端连接所述气体间隙陡化开关的触发极，另一端接地，所述气体间隙陡化开关的输出端连接所述高压电极；

所述等离子体发生器的两端均被绝缘材料包覆，其中，与所述金属板正对的一端的与反应腔中心对应的位置设置有开口，用于作为颗粒或气体物质的输入端口。

优选地，还包括生成物收集器，所述生成物收集器与反应腔联通，用于收集反应后的生成物。

优选地，所述副方电容、所述触发极电阻、所述气体间隙陡化开关和所述生成物收集器均嵌入所述等离子体发生器端部的绝缘材料中且裸露在外，以便于检查或更换。

优选地，所述前级充电器还包括功能显示面板，所述功能显示面板上设置多个控制开关和指示灯，用于根据实际需要控制和表征装置的电气状态。

优选地，还包括流速控制器，所述流速控制器设置在反应腔的开口处，用于调节颗粒或气体物质流入反应腔的速度。

优选地，还包括基座，所述基座设置在所述等离子体发生器的柱状结构的侧面，用于支撑所述等离子体发生器；所述前级充电器设置在所述等离子体发生器的柱状结构的侧面，与所述基座正对。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）通过前级充电器产生低压重频微秒脉冲电压，再经变压器升压及陡化间隙陡化，得到高压重频纳秒脉冲电压。由于采用了重频纳秒脉冲激发方式，放电可以在大气压开放空气以及没有阻挡介质的环境下进行，避免使用复杂的真空泵和稀有气体瓶等配套装置，且等离子体中电子和活性粒子的能量更大、浓度更高、放电电极间距更大，具有更高的能量利用率。

（2）巧妙地将空心变压器的空心部分作为处理颗粒和气体物质的反应腔，并将相关电气元件嵌入到装置外壳中，将等离子体发生器与处理颗粒和气体物质的反应腔有效集成，极大地缩短了电气回路的连线长度，降低了线路电感和其他杂散参数，便于产品的标准化推广。不仅如此，该装置具有体积小、重量轻、稳定性高、结构紧凑等优点，有助于实用化及拓展等离子体新的应用领域。

（3）功能显示面板上可以设有多个控制开关和指示灯，可根据实际需要控制和表征装置的电气状态。

附图说明

图1是本发明实施例的用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的等离子体发生器的电气连接示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：101-外屏蔽层，102-原方低压绕组，103-外绝缘层，104-副方高压绕组，105-内绝缘层，106-内屏蔽层，107-副方电容，108-触发极电阻，109-气体间隙陡化开关，111-生成物收集器，113-金属圈，114-基座，201-电极支架，202-高压电极，203-流速控制器，204-直线电极，205-金属板，301-直流电源，302-功能显示面板，303-谐振充电电路。

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。

本发明实施例的用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置包括前级充电器、等离子体发生器和生成物收集器111。图1是本发明实施例的用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置的结构示意图，图2是本发明实施例的等离子体发生器的电气连接示意图，下面结合图1和图2对本发明的技术方案进行详细说明。

等离子体发生器为中心设置有反应腔（颗粒或气体物质的处理直接在反应腔内进行）的圆柱状结构，包括外屏蔽层101、原方低压绕组102、外绝缘层103、副方高压绕组104、内绝缘层105、内屏蔽层106、副方电容107、触发极电阻108、气体间隙陡化开关109、电极支架201、高压电极202、直线电极204和金属板205。

电极支架201为圆筒结构，设置在反应腔侧壁，其内表面刻有螺旋状凹槽。高压电极202为螺旋状结构，嵌入凹槽中。金属板205设置在反应腔底部，通过金属圈113接地。直线电极204设置在反应腔的轴心，与金属板205紧密焊接。电极支架201的外层依次包覆内屏蔽层106和内绝缘层105。副方高压绕组104由漆包线缠绕而成，设置在内绝缘层105的***，一端连接气体间隙陡化开关109的输入端，另一端通过金属圈113接地。外绝缘层103完全包覆副方高压绕组104，以保证在原方低压绕组102和副方高压绕组104之间形成良好的电气隔离。原方低压绕组102由金属箔制成，设置在外绝缘层103的***，一端连接谐振充电电路303的高压端，另一端通过金属圈113接地。外屏蔽层101完全包覆原方低压绕组102，以防止前级充电器受到等离子体发生器的干扰。内屏蔽层106和外屏蔽层101均采用金属材料制作。

等离子体发生器的两端均被绝缘材料包覆，其中，与金属板205正对的一端的与反应腔中心对应的位置设置有开口，作为颗粒或气体物质的输入端口。优选地，在开口处嵌入流速控制器203，用于调节颗粒或气体物质流入反应腔的速度。副方电容107、触发极电阻108、气体间隙陡化开关109和生成物收集器111均嵌入端部的绝缘材料中，其中，副方电容107的一端连接气体间隙陡化开关109的输入端，另一端通过金属圈113接地，触发极电阻108的一端连接气体间隙陡化开关109的触发极，另一端通过金属圈113接地，气体间隙陡化开关109的输出端连接高压电极202。生物收集器111与反应腔联通，用于收集反应后的生成物。优选地，副方电容107、触发极电阻108、气体间隙陡化开关109和生成物收集器111均裸露在外，便于检查或更换。

基座114设置在等离子体发生器的柱状结构的侧面，用于支撑等离子体发生器。

前级充电器设置在等离子体发生器的柱状结构的侧面，与基座114正对，包括直流电源301和谐振充电电路303。直流电源301可以是桥式整流电路，用于给谐振充电电路303提供直流电压，为安全起见，给直流电源301供电的初始电源应使用隔离变压器并有地线。谐振充电电路303用于给原方低压绕组102充电，通过调节谐振充电电路303的结构和参数得到不同波形的交流脉冲电压。优选地，前级充电器还包括功能显示面板302，其上可以设置多个控制开关和指示灯，用于根据实际需要控制和表征装置的电气状态。

本发明的等离子体发生器可以采用类似于空心变压器的圆柱体型结构实现，巧妙将用空心变压器的空心部分作为颗粒或气体物质反应腔，使得装置结构紧凑、体积小，而且极大地缩短了电气回路的连线长度，降低了线路电感和其他杂散参数。

上述用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置的工作原理如下。原方低压绕组102由前级充电器提供低压重频微秒脉冲电压，通过变压器的电磁耦合作用，与副方高压绕组104耦合升压得到高压重频微秒脉冲电压。同时，与副方高压绕组104并联的副方电容107也将产生高压脉冲，再经过气体间隙陡化开关109陡化，便能在高压电极202上形成高压重频纳秒脉冲。高压重频纳秒脉冲在螺旋式高压电极202与直线电极204之间的大气压空气中完成气体击穿，从而在反应腔中形成大面积的非平衡等离子体，用于处理颗粒物质或有机气体。

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 (6)

1.一种用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置，其特征在于，包括前级充电器和等离子体发生器；

所述前级充电器包括直流电源（301）和谐振充电电路（303），其中，所述直流电源（301）用于为所述谐振充电电路（303）提供直流电压，所述谐振充电电路（303）用于为所述等离子体发生器提供交流脉冲电压；

所述等离子体发生器为中心设置有反应腔的圆柱状结构，包括外屏蔽层（101）、原方低压绕组（102）、外绝缘层（103）、副方高压绕组（104）、内绝缘层（105）、内屏蔽层（106）、副方电容（107）、触发极电阻（108）、气体间隙陡化开关（109）、电极支架（201）、高压电极（202）、直线电极（204）和金属板（205）；

所述电极支架（201）为圆筒结构，设置在反应腔侧壁，其内表面刻有螺旋状凹槽，所述高压电极（202）为螺旋状结构，嵌入凹槽中，所述金属板（205）设置在反应腔底部并接地，所述直线电极（204）设置在反应腔的轴心，与所述金属板（205）紧密焊接，所述电极支架（201）的外层依次包覆所述内屏蔽层（106）和所述内绝缘层（105），所述副方高压绕组（104）设置在所述内绝缘层（105）的***，一端连接所述气体间隙陡化开关（109）的输入端，另一端接地，所述外绝缘层（103）完全包覆所述副方高压绕组（104），以保证在所述原方低压绕组（102）和所述副方高压绕组（104）之间形成良好的电气隔离，所述原方低压绕组（102）设置在所述外绝缘层（103）的***，一端连接所述谐振充电电路（303）的高压端，另一端接地，所述外屏蔽层（101）完全包覆所述原方低压绕组（102），以防止所述前级充电器受到所述等离子体发生器的干扰；

所述副方电容（107）的一端连接所述气体间隙陡化开关（109）的输入端，另一端接地，所述触发极电阻（108）的一端连接所述气体间隙陡化开关（109）的触发极，另一端接地，所述气体间隙陡化开关（109）的输出端连接所述高压电极（202）；

所述等离子体发生器的两端均被绝缘材料包覆，其中，与所述金属板（205）正对的一端的与反应腔中心对应的位置设置有开口，用于作为颗粒或气体物质的输入端口。

2.如权利要求1所述的用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置，其特征在于，还包括生成物收集器（111），所述生成物收集器（111）与反应腔联通，用于收集反应后的生成物。

3.如权利要求2所述的用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置，其特征在于，所述副方电容（107）、所述触发极电阻（108）、所述气体间隙陡化开关（109）和所述生成物收集器（111）均嵌入所述等离子体发生器端部的绝缘材料中且裸露在外，以便于检查或更换。

4.如权利要求1所述的用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置，其特征在于，所述前级充电器还包括功能显示面板（302），所述功能显示面板（302）上设置多个控制开关和指示灯，用于根据实际需要控制和表征装置的电气状态。

5.如权利要求1至4中任一项所述的用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置，其特征在于，还包括流速控制器（203），所述流速控制器（203）设置在反应腔的开口处，用于调节颗粒或气体物质流入反应腔的速度。

6.如权利要求1至5中任一项所述的用非平衡等离子体处理颗粒和气体物质的装置，其特征在于，还包括基座（114），所述基座（114）设置在所述等离子体发生器的柱状结构的侧面，用于支撑所述等离子体发生器；所述前级充电器设置在所述等离子体发生器的柱状结构的侧面，与所述基座（114）正对。