用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置，包括前級充電器和等離子體發(fā)生器；前級充電器包括直流電源和諧振充電電路，直流電源用于為諧振充電電路提供直流電壓，諧振充電電路用于為等離子體發(fā)生器提供交流脈沖電壓；等離子體發(fā)生器為中心設(shè)置有反應腔的圓柱狀結(jié)構(gòu)，包括外屏蔽層、原方低壓繞組、外絕緣層、副方高壓繞組、內(nèi)絕緣層、內(nèi)屏蔽層、副方電容、觸發(fā)極電阻、氣體間隙陡化開關(guān)、電極支架、高壓電極、直線電極和金屬板；顆?；驓怏w物質(zhì)的處理直接在反應腔內(nèi)進行。該裝置放電可以在大氣壓開放空氣以及沒有阻擋介質(zhì)的環(huán)境下進行，等離子體中電子和活性粒子的能量更大，濃度更高，且裝置結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，穩(wěn)定性高。
【專利說明】用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于等離子體產(chǎn)生【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]非平衡等離子體是一種部分電離的低溫等離子體，其電子和離子的溫度差別很大。這種等離子體中含有大量的具有極高反應活性的活性粒子，如:高能電子、亞穩(wěn)態(tài)離子、自由基等。與此同時，其整體溫度很低，因此，被廣泛用于材料加工及表面處理、污染物處理、醫(yī)學方面的殺菌消毒等諸多領(lǐng)域。
[0003]用非平衡等離子體處理顆粒物質(zhì)包括物理作用和化學作用。物理作用是指等離子體中的高能電子和活性粒子碰撞并侵蝕某些有機顆粒物質(zhì)表面，形成斑點，改變表面的粗糙度和表面積(如聚對苯二甲酸乙二醇酯顆粒)，或者生成更小的顆粒物(如氣溶膠狀物質(zhì))，同時去除材料表面的污染物和揮發(fā)出來的低分子化合物，達到清潔殺菌，增強抗菌性的目的。化學作用是指等離子體中的高能粒子撞擊顆粒表面會生成大量的活性自由基，這些自由基相互作用形成一種致密的交聯(lián)層，并與等離子體中的其他成分作用形成活性基團，如含氧基、羥基、羰基等，改變了顆粒表面的化學成分(如炭黑顆粒物)。非平衡等離子體還可以用來處理有機氣體物質(zhì),通過破壞有機氣體分子的化學鍵達到分解有機氣體物質(zhì)的目的。
[0004]目前，用非平衡等離子體處理顆粒物質(zhì)的裝置中，非平衡等離子體主要是以交流或直流電壓為驅(qū)動源，采用介質(zhì)阻擋或制造稀有氣體放電氛圍的方法制得。這些方法存在如下缺陷:(I)放電環(huán)境常常需要使用稀有氣體、低氣壓或是真空，等離子體裝置需要配備稀有氣體瓶、真空泵等復雜的設(shè)備，且難以獲得大面積的非平衡等離子體。(2)由于阻擋介質(zhì)的使用大大降低了電離效率和高能電子的密度，且極易改變等離子體環(huán)境的化學成分，造成污染。(3)大氣壓電暈放電的不足之處是電離主要集中在電極附近，同樣難以獲得大面積的非平衡等離子體。(4)目前采用交流或者直流作為激發(fā)源獲得的非平衡等離子體對氣體有明顯的加熱，且能量利用率很低。上述原因極大地限制了非平衡等離子體的應用范圍。此外，由于非平衡等離子體發(fā)生器與處理顆粒和氣體物質(zhì)的反應腔分離，裝置體積大且穩(wěn)定性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置，采用重頻納秒脈沖激發(fā)方式，使放電可以在大氣壓開放空氣以及沒有阻擋介質(zhì)的環(huán)境下進行，避免使用復雜的真空泵和稀有氣體瓶等配套裝置，且等離子體中電子和活性粒子的能量更大、濃度更高、放電電極間距更大，具有更高的能量利用率。此外，將等離子體發(fā)生器與處理顆粒和氣體物質(zhì)的反應腔有效集成，極大地縮短了電氣回路的連線長度，降低了線路電感和其他雜散參數(shù)，便于產(chǎn)品的標準化推廣，且裝置體積小、重量輕、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置，其特征在于，包括前級充電器和等離子體發(fā)生器；
[0007]所述前級充電器包括直流電源和諧振充電電路，其中，所述直流電源用于為所述諧振充電電路提供直流電壓，所述諧振充電電路用于為所述等離子體發(fā)生器提供交流脈沖電壓；
[0008]所述等離子體發(fā)生器為中心設(shè)置有反應腔的圓柱狀結(jié)構(gòu)，包括外屏蔽層、原方低壓繞組、外絕緣層、副方高壓繞組、內(nèi)絕緣層、內(nèi)屏蔽層、副方電容、觸發(fā)極電阻、氣體間隙陡化開關(guān)、電極支架、高壓電極、直線電極和金屬板；
[0009]所述電極支架為圓筒結(jié)構(gòu)，設(shè)置在反應腔側(cè)壁，其內(nèi)表面刻有螺旋狀凹槽，所述高壓電極為螺旋狀結(jié)構(gòu)，嵌入凹槽中，所述金屬板設(shè)置在反應腔底部并接地，所述直線電極設(shè)置在反應腔的軸心，與所述金屬板緊密焊接，所述電極支架的外層依次包覆所述內(nèi)屏蔽層和所述內(nèi)絕緣層，所述副方高壓繞組設(shè)置在所述內(nèi)絕緣層的外圍，一端連接所述氣體間隙陡化開關(guān)的輸入端，另一端接地，所述外絕緣層完全包覆所述副方高壓繞組，以保證在所述原方低壓繞組和所述副方高壓繞組之間形成良好的電氣隔離，所述原方低壓繞組設(shè)置在所述外絕緣層的外圍，一端連接所述諧振充電電路的高壓端，另一端接地，所述外屏蔽層完全包覆所述原方低壓繞組，以防止所述前級充電器受到所述等離子體發(fā)生器的干擾；
[0010]所述副方電容的一端連接所述氣體間隙陡化開關(guān)的輸入端，另一端接地，所述觸發(fā)極電阻的一端連接所述氣體間隙陡化開關(guān)的觸發(fā)極，另一端接地，所述氣體間隙陡化開關(guān)的輸出端連接所述高壓電極；
[0011]所述等離子體發(fā)生器的兩端均被絕緣材料包覆，其中，與所述金屬板正對的一端的與反應腔中心對應的位置設(shè)置有開口，用于作為顆粒或氣體物質(zhì)的輸入端口。
[0012]優(yōu)選地，還包括生成物收集器，所述生成物收集器與反應腔聯(lián)通，用于收集反應后的生成物。
[0013]優(yōu)選地，所述副方電容、所述觸發(fā)極電阻、所述氣體間隙陡化開關(guān)和所述生成物收集器均嵌入所述等離子體發(fā)生器端部的絕緣材料中且裸露在外，以便于檢查或更換。
[0014]優(yōu)選地，所述前級充電器還包括功能顯示面板，所述功能顯示面板上設(shè)置多個控制開關(guān)和指示燈，用于根據(jù)實際需要控制和表征裝置的電氣狀態(tài)。
[0015]優(yōu)選地，還包括流速控制器，所述流速控制器設(shè)置在反應腔的開口處，用于調(diào)節(jié)顆?；驓怏w物質(zhì)流入反應腔的速度。
[0016]優(yōu)選地，還包括基座，所述基座設(shè)置在所述等離子體發(fā)生器的柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面，用于支撐所述等離子體發(fā)生器；所述前級充電器設(shè)置在所述等離子體發(fā)生器的柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面，與所述基座正對。
[0017]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0018](I)通過前級充電器產(chǎn)生低壓重頻微秒脈沖電壓，再經(jīng)變壓器升壓及陡化間隙陡化，得到高壓重頻納秒脈沖電壓。由于采用了重頻納秒脈沖激發(fā)方式，放電可以在大氣壓開放空氣以及沒有阻擋介質(zhì)的環(huán)境下進行，避免使用復雜的真空泵和稀有氣體瓶等配套裝置，且等離子體中電子和活性粒子的能量更大、濃度更高、放電電極間距更大，具有更高的能量利用率。
[0019](2)巧妙地將空心變壓器的空心部分作為處理顆粒和氣體物質(zhì)的反應腔，并將相關(guān)電氣元件嵌入到裝置外殼中，將等離子體發(fā)生器與處理顆粒和氣體物質(zhì)的反應腔有效集成，極大地縮短了電氣回路的連線長度，降低了線路電感和其他雜散參數(shù)，便于產(chǎn)品的標準化推廣。不僅如此，該裝置具有體積小、重量輕、穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，有助于實用化及拓展等離子體新的應用領(lǐng)域。
[0020](3)功能顯示面板上可以設(shè)有多個控制開關(guān)和指示燈，可根據(jù)實際需要控制和表征裝置的電氣狀態(tài)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明實施例的用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖2是本發(fā)明實施例的等離子體發(fā)生器的電氣連接示意圖。
[0023]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:101-外屏蔽層，102-原方低壓繞組，103-外絕緣層，104-副方高壓繞組，105-內(nèi)絕緣層，106-內(nèi)屏蔽層，107-副方電容，108-觸發(fā)極電阻，109-氣體間隙陡化開關(guān)，111-生成物收集器，113-金屬圈，114-基座，201-電極支架，202-高壓電極，203-流速控制器，204-直線電極，205-金屬板，301-直流電源，302-功能顯示面板，303-諧振充電電路。
【具體實施方式】
[0024]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0025]本發(fā)明實施例的用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置包括前級充電器、等離子體發(fā)生器和生成物收集器111。圖1是本發(fā)明實施例的用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明實施例的等離子體發(fā)生器的電氣連接示意圖，下面結(jié)合圖1和圖2對本發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明。
[0026]等離子體發(fā)生器為中心設(shè)置有反應腔(顆?；驓怏w物質(zhì)的處理直接在反應腔內(nèi)進行)的圓柱狀結(jié)構(gòu)，包括外屏蔽層101、原方低壓繞組102、外絕緣層103、副方高壓繞組104、內(nèi)絕緣層105、內(nèi)屏蔽層106、副方電容107、觸發(fā)極電阻108、氣體間隙陡化開關(guān)109、電極支架201、高壓電極202、直線電極204和金屬板205。
[0027]電極支架201為圓筒結(jié)構(gòu)，設(shè)置在反應腔側(cè)壁，其內(nèi)表面刻有螺旋狀凹槽。高壓電極202為螺旋狀結(jié)構(gòu)，嵌入凹槽中。金屬板205設(shè)置在反應腔底部，通過金屬圈113接地。直線電極204設(shè)置在反應腔的軸心，與金屬板205緊密焊接。電極支架201的外層依次包覆內(nèi)屏蔽層106和內(nèi)絕緣層105。副方高壓繞組104由漆包線纏繞而成，設(shè)置在內(nèi)絕緣層105的外圍，一端連接氣體間隙陡化開關(guān)109的輸入端，另一端通過金屬圈113接地。外絕緣層103完全包覆副方高壓繞組104，以保證在原方低壓繞組102和副方高壓繞組104之間形成良好的電氣隔離。原方低壓繞組102由金屬箔制成，設(shè)置在外絕緣層103的外圍，一端連接諧振充電電路303的高壓端，另一端通過金屬圈113接地。外屏蔽層101完全包覆原方低壓繞組102，以防止前級充電器受到等離子體發(fā)生器的干擾。內(nèi)屏蔽層106和外屏蔽層101均采用金屬材料制作。
[0028]等離子體發(fā)生器的兩端均被絕緣材料包覆，其中，與金屬板205正對的一端的與反應腔中心對應的位置設(shè)置有開口，作為顆?；驓怏w物質(zhì)的輸入端口。優(yōu)選地，在開口處嵌入流速控制器203，用于調(diào)節(jié)顆?；驓怏w物質(zhì)流入反應腔的速度。副方電容107、觸發(fā)極電阻108、氣體間隙陡化開關(guān)109和生成物收集器111均嵌入端部的絕緣材料中，其中，副方電容107的一端連接氣體間隙陡化開關(guān)109的輸入端，另一端通過金屬圈113接地，觸發(fā)極電阻108的一端連接氣體間隙陡化開關(guān)109的觸發(fā)極，另一端通過金屬圈113接地，氣體間隙陡化開關(guān)109的輸出端連接高壓電極202。生物收集器111與反應腔聯(lián)通，用于收集反應后的生成物。優(yōu)選地，副方電容107、觸發(fā)極電阻108、氣體間隙陡化開關(guān)109和生成物收集器111均裸露在外，便于檢查或更換。
[0029]基座114設(shè)置在等離子體發(fā)生器的柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面，用于支撐等離子體發(fā)生器。
[0030]前級充電器設(shè)置在等離子體發(fā)生器的柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面，與基座114正對，包括直流電源301和諧振充電電路303。直流電源301可以是橋式整流電路，用于給諧振充電電路303提供直流電壓，為安全起見，給直流電源301供電的初始電源應使用隔離變壓器并有地線。諧振充電電路303用于給原方低壓繞組102充電，通過調(diào)節(jié)諧振充電電路303的結(jié)構(gòu)和參數(shù)得到不同波形的交流脈沖電壓。優(yōu)選地，前級充電器還包括功能顯示面板302，其上可以設(shè)置多個控制開關(guān)和指示燈，用于根據(jù)實際需要控制和表征裝置的電氣狀態(tài)。
[0031]本發(fā)明的等離子體發(fā)生器可以采用類似于空心變壓器的圓柱體型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，巧妙將用空心變壓器的空心部分作為顆?；驓怏w物質(zhì)反應腔，使得裝置結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，而且極大地縮短了電氣回路的連線長度，降低了線路電感和其他雜散參數(shù)。
[0032]上述用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置的工作原理如下。原方低壓繞組102由前級充電器提供低壓重頻微秒脈沖電壓，通過變壓器的電磁耦合作用，與副方高壓繞組104耦合升壓得到高壓重頻微秒脈沖電壓。同時，與副方高壓繞組104并聯(lián)的副方電容107也將產(chǎn)生高壓脈沖，再經(jīng)過氣體間隙陡化開關(guān)109陡化，便能在高壓電極202上形成高壓重頻納秒脈沖。高壓重頻納秒脈沖在螺旋式高壓電極202與直線電極204之間的大氣壓空氣中完成氣體擊穿，從而在反應腔中形成大面積的非平衡等離子體，用于處理顆粒物質(zhì)或有機氣體。
[0033]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置，其特征在于，包括前級充電器和等離子體發(fā)生器； 所述前級充電器包括直流電源(301)和諧振充電電路(303)，其中，所述直流電源(301)用于為所述諧振充電電路(303)提供直流電壓，所述諧振充電電路(303)用于為所述等離子體發(fā)生器提供交流脈沖電壓； 所述等離子體發(fā)生器為中心設(shè)置有反應腔的圓柱狀結(jié)構(gòu)，包括外屏蔽層(101)、原方低壓繞組(102)、外絕緣層(103)、副方高壓繞組(104)、內(nèi)絕緣層(105)、內(nèi)屏蔽層(106)、副方電容(107)、觸發(fā)極電阻(108)、氣體間隙陡化開關(guān)(109)、電極支架(201)、高壓電極(202)、直線電極(204)和金屬板(205)； 所述電極支架(201)為圓筒結(jié)構(gòu)，設(shè)置在反應腔側(cè)壁，其內(nèi)表面刻有螺旋狀凹槽，所述高壓電極(202)為螺旋狀結(jié)構(gòu)，嵌入凹槽中，所述金屬板(205)設(shè)置在反應腔底部并接地，所述直線電極(204)設(shè)置在反應腔的軸心，與所述金屬板(205)緊密焊接，所述電極支架(201)的外層依次包覆所述內(nèi)屏蔽層(106)和所述內(nèi)絕緣層(105)，所述副方高壓繞組(104)設(shè)置在所述內(nèi)絕緣層(105)的外圍，一端連接所述氣體間隙陡化開關(guān)(109)的輸入端，另一端接地，所述外絕緣層(103)完全包覆所述副方高壓繞組(104)，以保證在所述原方低壓繞組(102)和所述副方高壓繞組(104)之間形成良好的電氣隔離，所述原方低壓繞組(102)設(shè)置在所述外絕緣層(103)的外圍，一端連接所述諧振充電電路(303)的高壓端，另一端接地，所述外屏蔽層(101)完全包覆所述原方低壓繞組(102)，以防止所述前級充電器受到所述等離子體發(fā)生器的干擾； 所述副方電容(107)的一端連接所述氣體間隙陡化開關(guān)(109)的輸入端，另一端接地，所述觸發(fā)極電阻(108)的一端連接所述氣體間隙陡化開關(guān)(109)的觸發(fā)極，另一端接地，所述氣體間隙陡化開關(guān)(109)的輸出端連接所述高壓電極(202)； 所述等離子體發(fā)生器的兩端均被絕緣材料包覆，其中，與所述金屬板(205 )正對的一端的與反應腔中心對應的位置設(shè)置有開口，用于作為顆?；驓怏w物質(zhì)的輸入端口。
2.如權(quán)利要求1所述的用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置，其特征在于，還包括生成物收集器(111)，所述生成物收集器(111)與反應腔聯(lián)通，用于收集反應后的生成物。
3.如權(quán)利要求2所述的用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置，其特征在于，所述副方電容(107)、所述觸發(fā)極電阻(108)、所述氣體間隙陡化開關(guān)(109)和所述生成物收集器(111)均嵌入所述等離子體發(fā)生器端部的絕緣材料中且裸露在外，以便于檢查或更換。
4.如權(quán)利要求1所述的用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置，其特征在于，所述前級充電器還包括功能顯示面板(302)，所述功能顯示面板(302)上設(shè)置多個控制開關(guān)和指示燈，用于根據(jù)實際需要控制和表征裝置的電氣狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項所述的用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置，其特征在于，還包括流速控制器(203)，所述流速控制器(203)設(shè)置在反應腔的開口處，用于調(diào)節(jié)顆粒或氣體物質(zhì)流入反應腔的速度。
6.如權(quán)利要求1至5中任一項所述的用非平衡等離子體處理顆粒和氣體物質(zhì)的裝置，其特征在于，還包括基座(114)，所述基座(114)設(shè)置在所述等離子體發(fā)生器的柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面，用于支撐所述等離子體發(fā)生器；所述前級充電器設(shè)置在所述等離子體發(fā)生器的柱狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面，與所 述基座(114)正對。
【文檔編號】H05H1/24GK103917035SQ201410134595
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】李黎, 騰云, 俞斌, 劉云龍, 劉明海, 潘垣 申請人:華中科技大學