CN104041193A - 非热等离子单体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非热等离子单体，其包括：诸如陶瓷的电介质材料的环形物(2)，所述环形物由连续的材料的壁形成，所述连续的壁其中具有多个孔口(10)；一对可透气的环形电极，其安装在电介质的壁的相对的侧上，并且任选地，在每个电极和壁之间在壁的圆周的至少一部分上设置有气隙。电介质材料的厚度基本大于电极的厚度，所述电极可以包括金属箔。

Description

非热等离子单体

技术领域

本发明涉及一种非热等离子单体，优选地但非排他地，涉及一种用于对污染的空气进行净化的非热等离子单体。

背景技术

非热等离子单体是已知的。以其最简单的形式，非热单体包括两个高压和高频电极，所述两个高压和高频电极通过这样的空间或电介质而分开，即，所述空间或电介质足以防止发生电弧作用，但又足以接近而产生较强的电场。电介质在电力下具有非常低的导电性，但是电介质内的空气经受强烈的电子轰击。由电场所产生的电子和空气组成分子的原子的外环电子之间的碰撞产生等离子。这在本技术领域中称为“非热”，这是由于虽然通过电子碰撞所产生的能量较高，典型地为大约700开氏度和更高，但是电子的质量较低。因此，几乎没有明显更大规模的质子的电离作用，并且等离子中的总体温度保持较低，典型地在10摄氏度至80摄氏度的范围内。

当设计了用作非热等离子单体过滤器的一部分的非热等离子单体时，重要的考虑因素是单体内的空气的停留时间。如果空气通过等离子太快，则对任何污染物粒子的破坏程度较轻，并且因而，空气的净化较差。然而，等离子单体内的空气的停留时间的增加不可避免地导致背压增大，从而需要明显更大的能量来维持气流通过等离子单体。随着背压增大，迫使空气通过过滤器和维持等离子的能量需要对数增大。

通常，等离子单体是扁平或矩形的构造，其具有平直的电极板，在电极之间夹持有电介质，例如，参见本申请人的早期专利GB2415774B。也已经考虑到其它管状的等离子单体，例如在本申请人的公布PCT申请No.2008/074969中说明的。然而，这些类型的等离子单体已经发现在空气净化装置中由于多个原因而是有问题的，最显著的问题是制造等离子单体成本高昂，单体的效率可变，以及由于所施加的电力的频率而产生的噪音处于对于人类和动物可听到的范围内。

发明内容

本发明的目的是提供一种非热等离子单体，具体地但非排他地，提供一种用于对污染的空气进行净化的非热等离子单体，其目的在于克服或至少缓解上述缺点。

因此，本发明的第一方面提供一种非热等离子单体，其包括：

电介质材料的环形物，其由连续的材料的壁形成，所述连续的壁其中具有多个孔口；和

一对可透气的环形电极，其安装在电介质的壁的相对的侧上。

优选地，电介质材料的厚度基本大于电极的厚度。实际的电极厚度取决于材料的电阻和所施加的电流，但是优选地，每个电极的厚度最大是电介质材料厚度的十分之一。实际上，已经发现，使用不锈钢电极将实现30：1的电介质与电极的比。孔口的直径可以改变以适应特定应用，并且考虑到电介质尺寸而被优化。通常，孔口的直径将是2.5mm至3.5mm。例如，3mm的电介质优选地使用直径为3mm的孔口。直径可以改变以适应不同的气流和所施加的能量，以便改变等离子单体的特征。

优选地，孔口与环形物的圆周垂直地延伸。优选地，孔口包括圆柱形孔，但是可以使用可替代的设计，例如，围绕电介质的圆周部分地或完全地延伸的纵向狭槽。优选地，在每个环形物上都设置有多排多个孔口。在优选的实施例中，相邻的孔口排交错，优选地，交错了2度至10度，更优选地，交错了6度。这帮助使用注射模制技术来制造装置。

将应理解，孔口的数量和尺寸将取决于特定的等离子单体的尺寸和功率。

优选地，在每个电极和壁之间在壁的圆周的至少一部分上设置有气隙。

电介质和电极之间的气隙优选地是0.1mm至2mm，更优选地是0.2mm至1mm，尤其是0.4mm至0.6mm。

电介质可以是任何适当的具有所需物理和电气性能的材料。优选地，电介质是陶瓷，例如，烧结的陶瓷或部分烧结的陶瓷。可替代地，电介质可以包括加压的矿物、玻璃纤维或粗玻璃棉，加压的矿物例如包含氧化铝和二氧化钛。电介质还可以由用氧化铝和二氧化钛浸渍的纸或纸板材料形成。

在本发明的优选实施例中，电介质通过注射模制而形成。

可以围绕电介质的圆周的一部分或全部设置有一个或多个纵向槽或凹陷部。槽用于增加单体内的气流的停留时间，由此增大气流中的湍流。然而，结果这对背压有负面影响。对于用于待去除污染物分子的特定应用的特定设计而言，这会视为是可接受的。

电极由任何可透气的导电材料形成，例如，金属网或金属压型板。优选地，每个电极都包括其中具有多个孔口的材料薄板。优选地，每个电极都包括材料箔片，所述材料箔片优选地借助酸蚀形成。

优选地，每个电极都包括不锈钢。或者，可以使用金属丝网。

在本发明的一个实施例中，等离子单体是两端未封闭的，即，等离子单体是环的形式。或者，环形物的一个端部可以被封闭，即，等离子单体是具有基部的圆筒的形式，基部在连续的壁的一个边缘之间延伸。基部发挥机械功能。

电极紧密地配合到电介质的内壁和外壁，优选地，在电极和电介质之间形成过盈配合，使得不需要额外的固定。优选地，电触头形成一个或两个电极的一体的部分。

将应理解，根据本发明的多个等离子单体可以被组合以提供任何所需尺寸的等离子场。这种等离子单体的模块化性质也能够使多单体的单元在单体之一出现故障的情况下持续工作。

根据本发明的第二方面，提供一种制造非热等离子单体的方法，所述方法包括：形成电介质材料的环形物，所述环形物包括连续的壁，所述连续的壁其中具有多个孔口；以及，将可透气的环形电极附装到所述壁的相对的侧。

优选的是在电极和电介质之间建立起气隙。

优选地，电介质被注射模制成所需的形状，所述形状具有期望的数量和图案的孔口，并且电极继而被附装到壁的每个侧。

优选地，每个电极都是材料片的形式，优选地，所述材料片具有贯通的多个孔口。更优选地，孔口的图案通过对导电材料片酸蚀而形成。

在本发明的第二方面的可替代实施例中，电介质由纸或硬纸板的片材形成，所述纸或硬纸板的片材用诸如氧化铝和二氧化钛的电介质浸渍。孔口的适当图案通过片材提供，并且电极片在形成环形环之前被印刷到电介质上。

根据本发明的第一方面的非热等离子单体尤其适用于与空气净化有关的用途，在所述空气净化中被污染的空气穿过激活的等离子单体，以便产生自由基，气流中的污染物通过所述自由基被中和。

为此，本发明的第三方面提供一种空气净化装置，所述空气净化装置包括外壳，所述外壳具有空气入口、空气出口和在空气入口与空气出口之间的气流通道，外壳包括定位在气流通道中的根据本发明的第一方面的非热等离子单体。

优选地，空气净化装置包括UV辐射发射装置、臭氧催化装置和烃放出装置中的一个或每个。

优选的是UV辐射发射装置定位在非热等离子单体的环形物的中心区内，由此在该区中由等离子单体所产生的等离子场在不需要用于UV辐射发射装置的单独电源的情况下促使辐射发射。

附图说明

为了更好地理解本发明并且为了更清楚地示出如何实现本发明的效果，现在将仅以示例的方参照附图，在附图中：

图1是用于根据本发明的一个实施例的非热等离子单体的电介质的透视图；

图2是用于根据本发明的另一个实施例的非热等离子单体的电介质的外侧视图；

图3是图2中所示的电介质的顶部平面图；

图4是沿着图2中所示的电介质的Y-Y得到的剖视图；

图5是用于根据本发明的又一个实施例的非热等离子单体的电介质的透视图；

图6是根据本发明的实施例的非热等离子单体的透视图，所述非热等离子单体包括电介质和电极；

图7是空气净化装置的示意图，所述空气净化装置包含有根据本发明的实施例的等离子单体；

图8是空气净化装置的纵向剖视图，所述空气净化装置包含有根据本发明的实施例的等离子单体；

图9是沿着图8中所示的装置的线A-B得到的横向剖视图；和

图10A和10B示出在根据本发明的非热等离子单体中的气流和等离子产生。

具体实施方式

图1、图2至图4和图5示出用于并入根据本发明的非热等离子单体中的不同类型的电介质。电介质包括注射模制的陶瓷环2，其具有贯通的多个圆形孔10。可以间隔地围绕电介质的圆周设置有槽16，如图2至图4中所示。

陶瓷环的内表面和外表面具有安装在该陶瓷环上的环形不锈钢箔4、6，箔通过酸蚀而对材料蚀刻以形成穿过箔的多个孔，如图6中所示。环可以具有任何适当的直径，电介质优选地具有约3mm的厚度。孔口具有约3mm的直径，并且箔是陶瓷环的厚度的一小部分(优选地，箔的厚度是环的厚度的至少十分之一)。

箔的圆周使得箔围绕中心陶瓷环形成过盈配合，由此不需要单独的固定装置，但是箔远离环的表面略微间隔开以形成大约0.2mm至1mm的小气隙，优选地，0.5mm的小气隙。箔终止于用于附装到电源(未示出)的触头。

非热等离子单体由较便宜的组件产生，并且可以容易大批量制造。电介质相对于电极的布置也在没有显著增大背压的情况下增加在非热等离子单体内的空气的停留时间，由此提高等离子单体的效率。

图5示出用于根据本发明的等离子单体的电介质的可替代实施例。等离子单体也包括环形陶瓷电介质环2，但是代替圆形孔，等离子单体具有围绕其圆周的一系列纵向狭槽12。而且，金属电极片(未示出)卷绕在电介质的内壁和外壁上。该实施例允许增大气流以用于更高的功率输入。

根据本发明的环形等离子单体允许尺寸无限变化，能够产生无限量的等离子功率。将应理解，具有单排或多排穿孔的环形单体可以与任何数量的类似单体组合以提供所需尺寸。从1kHz至50kHz或更大的广泛范围的输入频率也可以与本发明的装置一起使用，而传统的等离子单体仅在1kHz至10kHz的较窄频率范围内操作。在该范围内可容易使用组件电源，所述组件电源最初意在用于商业臭氧产生。这能够选取不处于人类和动物可听到的范围内的频率。

可以迅速切换频率。这可以使用诸如Blumlein开关的任何适当的专有***实现，Blumlein开关由共轴电缆的圈和放电间隙构成，不同尺寸的圈和间隙提供不同的切换频率。切换可以发生的速率可以高达每秒几十万次。

与现有技术相比，使用更少的原材料和更多的可回收物大量地、简单地、便宜地制造等离子单体。制造可以涉及，在附装已经通过酸蚀所产生的电极之前，注射模制环形电介质环。根据本发明的等离子单体提供非常小的背压，这能够使由本发明的装置所涉及的机器更加高效地操作。

或者，电介质可以由用氧化铝和二氧化钛浸渍的增强纸或纸板制造。浸渍过的纸或纸板的片继而用金属电极印刷在每个面对的表面上并且形成到环中。

图7至图9示出并入空气净化装置中的根据本发明的非热等离子单体。对于根据本发明的非热等离子单体而言，这是优选的应用，但是其用法不限于该应用。空气净化装置包括外壳15，所述外壳15具有流动通道12、通向流动通道12的空气入口和从通道12排出的空气出口。外壳包括气流发生器20(例如风扇)、根据本发明的非热等离子过滤器22、紫外线(UV)辐射发射装置24(图7中省略)、臭氧催化装置26和位于通道12中的烃放出装置28(仅图7中示出)。

气流发生器20设置在通道12的空气入口附近。在该实施例中，气流发生器20是通过设置在外壳15的隔间中的电网或电池组(未示出)供电的电风扇。作为安全措施，可以横过空气入口设置有格栅以防止操作过程中意外接近风扇20。

非热等离子过滤器22在空气入口的下游设置在风扇20附近。等离子过滤器22包括电介质2的环形环，其具有附装到每侧的片电极4、6，如图1至图6中所示。等离子单体被定向在外壳内，以便使空气流过环形环的壁，并且继而继续穿过环的中心。电极通过容纳在外壳15的隔间中的供电单元(未示出)供电。任选地，电介质材料可以用催化材料涂覆。

等离子单体可以由任何数量的、具有包围的电极的电介质环构造以提供广泛范围的频率输出，由此使从单体输出的臭氧能够受到控制。

UV辐射发射装置24包括紫外线发光管，所述紫外线发光管布置在非热等离子单体22的环的中心区内，并且臭氧催化装置26包围UV发射管。臭氧催化装置26包括网，所述网包括臭氧催化材料的涂层，所述臭氧催化材料例如是钛氧化物、铅氧化物和锰氧化物的混合物。

烃放出装置28包括位于外壳15的隔间中的可再充注的烃贮存器、用于使保持在贮存器中的液态烃蒸发的蒸发器和泵，通过所述泵将气态烃排出到通道12中。为了清楚起见，附图中省略了放出装置28的各种部件。贮存器包括液态芳香烃，例如烯烃：例如，萜烯和更特别是月桂烯。烃放出装置28的出口位于外壳15的通道12的中心处或附近以及UV发光管24和臭氧催化装置的网26的下游。烃放出装置28的出口位于外壳15的通道12的出口附近。

可以使用将挥发化芳香烃供给到烃放出装置28的出口的任何其它适当的装置。

空气净化装置可以通过电网单独供电，通过可再充电的电池组单独供电，或者可以通过两种电源选择性地供以能量。

空气净化装置可以以便携装置的形式生产，这会占据手提箱的空间或大部分空间。或者，空气净化装置可以以较大装置的形式生产，一旦安装就将保持在一个位置上。后述装置更适于但不限于工业或商业设施和场所。

使用过程中，空气净化装置定位在需要净化的位置中。该装置意在对建筑物、室、密闭空间、中继设备、管道、沟槽或其它封闭或基本封闭区域内的空气净化。然而，如果流量足够大，则空气净化装置还可以对敞开的外界环境进行净化。在该方面，一旦已经通过装置的空气从外壳离开，则该空气能够继续对周围空气进行净化。

装置被通电，并且风扇20沿着外壳15的通道12产生环境空气流。气流首先穿过非热等离子过滤器22。过滤器利用非热等离子的特征使电介质芯内的空气的组成部分“等离子化”。概括而言，包括空气(主要是氧气和氮气)的元素的原子结构中的外环电子通过由非热等离子所产生的、通常达到40kV和45kHz的强电场“激发”。

图10A和图10B示出装置15内的气流和等离子产生。来自风扇20的压力在等离子单体22的外部产生高压，并且空气横过电极的表面流动，继而流过电介质和内电极中的空隙。空气沿着与电流相同的方向流动，这与现有技术的装置不同，在现有技术的装置中气流逆着电流流动。紧邻电极和电介质产生主(1^y)等离子(在图10B中由虚线示出)，并且在环形环的中心中引起次(2^y)等离子。供给的电流越大，主等离子和次等离子的强度越大。

在等离子区中的激发的电子通过碰撞释放能量。然而，由于电子质量可忽略，结果很少发生电离，所以很少或几乎没有热量释放。所释放的能量足以在气流内产生自由基，例如，O^*和OH^-。自由基是很强的氧化剂，将把烃、有机气体和2.5皮米及以下的颗粒氧化，所述2.5皮米及以下的颗粒例如是细菌、病毒、孢子、酵母和臭味。只有最惰性元素或复合物将总体上抵抗氧化。

由于氧化反应的许多产物是瞬时的并且是表面反应，由于具有零蒸汽压力，通过在非热等离子的电介质材料中的某些或全部上提供分子厚度的催化涂层，在非热等离子内可以实现诸如神经性毒气剂的特定分子或复合物的氧化。

非热等离子过滤器22产生作为一种副产品的臭氧。该臭氧被携入到离开非热等离子过滤器22的气流中。臭氧半衰期取决于大气条件，其自身是非常有效的氧化剂，在正常情况下，在臭氧排出等离子芯之后很长时间将在空气中持续反应。这对于通过人操作以及在人附近的装置而言是不能接受的。

因此，穿过非热等离子过滤器22的气流流到UV发光管24，并穿过臭氧催化装置的网26。通过UV光线放射管以253.4毫微米波长放射的紫外线辐射用于分解带入到离开等离子过滤器22的气流中的臭氧。网26上的涂层用于催化该分解过程。在环形环的内部分或中心区中所产生的次等离子场2^y的提供可以用于激发设置在汞蒸气管中的汞以放射UV辐射，除了对空气进行净化以外。这意味着，不需要用于UV放射装置的单独电源，大幅度地降低空气净化装置的成本。

对臭氧的该分解(光氧化)作用提高了气流内的自由基水平，并且尤其提高了气流内的羟自由基OH^-的水平。这些自由基也有力地对气流内残留的污染物氧化。

试验已经示出，在等离子过滤之后的置于气流内的自由基显著地增大在光氧化过程期间的自由基的产生速率。因而，本发明的装置提供一种级联效应，由此从出口排出的空气继续对装置外部的空气进行净化。

Claims (18)

1.一种非热等离子单体，其包括：

电介质材料的环形物，其由连续的材料的壁形成，所述连续的壁中具有多个孔口；和

一对能透气的环形电极，其安装在所述电介质的壁的相对侧上。

2.根据权利要求1所述的非热等离子单体，其中，在所述壁的圆周的至少一部分上在每个电极和所述壁之间设置有气隙。

3.根据权利要求1或2所述的非热等离子单体，其中，所述电介质材料的厚度基本大于所述电极的厚度。

4.根据权利要求1、2或3所述的非热等离子单体，其中，在每个环形物上设置有多排所述多个孔口，并且所述排相对于相邻的排交错。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的非热等离子单体，其中，所述电介质是从由陶瓷、包括氧化铝和二氧化钛在内的加压矿物、和粗玻璃棉构成的组中选出的材料。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的非热等离子单体，其中，所述电介质由用氧化铝和二氧化钛浸渍的纸或纸板材料形成。

7.根据以上权利要求中任一项所述的非热等离子单体，其中，每个电极都包括其中具有多个孔口的材料薄板。

8.根据权利要求7所述的非热等离子单体，其中，每个电极都包括材料箔片，所述材料箔片借助酸蚀形成。

9.根据以上权利要求中任一项所述的非热等离子单体，其中，每个电极都分别与所述电介质材料的内壁和外壁形成过盈配合。

10.根据以上权利要求中任一项所述的非热等离子单体，其中，电触头形成一个或两个电极的一体部分。

11.根据权利要求2至10中任一项所述的非热等离子单体，其中，在每个电极和所述电介质之间的气隙是0.1mm至2.0mm。

12.一种制造非热等离子单体的方法，所述方法包括：形成电介质材料的环形物，所述环形物包括连续的壁，所述连续的壁中具有多个孔口；以及，将能透气的环形电极附装到所述壁的相对侧。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：在所述电极和所述电介质之间包括气隙。

14.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：将所述电介质注射模制成所需的形状，所述形状具有期望的数量和图案的孔口，并且继而将所述电极附装到所述壁的每侧。

15.根据权利要求12或13所述的方法，还包括：通过用电介质材料浸渍纸或硬纸板的片材而形成所述电介质，通过所述片材提供孔口的适当图案，并且在形成所述环形环之前将所述电极印刷到所述电介质的壁的相对表面上。

16.一种空气净化装置，所述空气净化装置包括外壳，所述外壳具有空气入口、空气出口和在所述空气入口与所述空气出口之间的气流通道，所述外壳包括定位在所述气流通道中的根据权利要求1至11中任一项所述的非热等离子单体。

17.根据权利要求16所述的空气净化装置，还包括UV辐射发射装置、臭氧催化装置和烃放出装置中的至少一个。

18.根据权利要求17所述的空气净化装置，其中，所述UV辐射发射装置定位在所述非热等离子单体的环形物内，由此在该区中由所述等离子单体所产生的等离子场在不需要用于所述UV辐射发射装置的单独电源的情况下促使辐射发射。