擴散式等離子體處理和材料加工的制作方法

專利名稱：擴散式等離子體處理和材料加工的制作方法
技術領域：
本發明涉及等離子體的應用于空氣處理和材料加工層面上，尤其涉及 一種使用等離子體的空氣凈化和消毒裝置。本發明另涉及產生一種均勻及 可控制的等離子體來改善空氣凈化及材料加工的性能。
背景技術：
以下是描述本發明的背景，目的是加強對本發明的理解，但并不是承 認它們描述的是現有技術。
等離子體(物質的第四種形態)為電中性、離子化的氣體，其主要由自 由移動的離子、電子和中性粒子組成。雖然等離子是中性，它是可以導電 的。此特性容許電能被注入到被等離子體占用的空間。目前等離子體被應 用于包括空氣凈化和消毒的多種商業用途上(可參考Ulrich Kogelschatz, Baldur Eliasson and Walter Egli, "From ozone generators to flat television screens: history and future potential of dielectric-barrier discharges", Pure Appl. Chem., Vol. 17，No. 10,(1999) 1819)。根據不同的工作模式，等離子體可以 包含帶電粒子(電子和離子)、激發成分、自由基、臭氧和UV光子，其可以 分解化合物并毀滅微生物。電子的能量可激發原子和分子，從而引發化學 反應和/或輻射。這些能量的釋放，特別是在紫外線光譜范圍內的釋放，可 以通過打斷分子鍵而引發光物理的和光化學變化。高能量電子可以引起分 子的一些化學鍵的斷裂、與分子互相碰撞，從而導致分子鏈的斷裂、電離 和激發，并產生自由原子和原子團，如O、 OH或H02。這些原子團可攻擊不良的有機分子，對分解空氣中的污染物方面十分有用。02的分裂提供了所
需的O，以與02結合而形成臭氧。低能量電子可依附著中性原子或分子上， 而形成負離子，其可以促進分解污染物和破壞微生物的反應。以上所提及 等離子體在分解化學物和破壞微生物的效能已被充份證明。
等離子體可以通過電力裝置以氣體放電的方式產生，這方法是利用一
個高電壓施加到一組電極、即陽極和陰極上。當施加的電壓是足夠高而高 于擊穿電壓時，兩電極之間便會開始產生電弧。電擊穿或電弧形成的閾值 是遵循公知的帕邢定律，這定律把擊穿電壓與電極之間的間隙尺寸和氣體 壓力相連起來。
當施加的電壓或更準確地說當局部電場是足夠大，以使電子可以得到 充足能量，從而補償由于撞擊、激發及其他能量損失過程所引起的能量損 失時，便會發生擊穿現象。在外部施加電場的影響下，擊穿過程開始于一 些自由或殘余電子的存在和它們向陽極流動。隨著流動電子向著陽極加 速，它們會和中子碰撞及通過沖擊導致直接電離或間接經由光電離產生電 離。離子化令電子云開始積聚，電子云與在它前面的電離或擊穿前沿一起 向著陽極前進，并在后面留下離子，從而產生與所施加電場相反的電偶極 的等離子體通道。如果沒有限制，這種流束的形成會導致電荷密度的快速 增加、雪崩式地快速成長，以及將流束轉變為電弧。
傳統上，通過引入適宜的限流或猝熄機制來防止流束放電發展成大電 弧，建立等離子的準穩態。這可通過在一個或兩個電極上覆蓋介質阻擋件 或絕緣體而實現。介質或絕緣體層的不導電特性允許電荷積聚在其表面 上，從而產生與施加電場相反的電場。另外，在介質或絕緣體層鄰近積聚 的空間電荷亦增加了電子排斥電場。這內部產生的相反電場會抵消施加的
電介質上的低電荷移動性導致絲狀電弧的自我抑制并限制它們的橫向延 伸，從而允許多個絲狀電弧彼此緊鄰。此外，當發生多個電離前沿的合并 時，絲狀電弧放電轉變為具有更大均勻性的泛光放電。
其他可制造電流限制或瘁滅機制的方法包括
1.小心地控制施加的電壓以防止其轉變為電弧。2. 使用針狀電極達致在更小或更尖的電極周圍產生空間電荷區域(例
如美國專利Pat. No. 6,042,637中的描述)。
3. 在兩電極(即陽極和陰極)之間的空間中填滿非導電材料，如美國 專利Pat. No. 4,954,320中的描述。
一個典型空氣處理和材料加工的等理子體反應器，基于上述設計原 則，在運作上普遍會有不穩定和變化。其中一個經常遇到的問題是準穩態 絲狀電弧的產生，其出現經常會在同一地點產生。盡管準穩態絲狀電弧不 一定會發展成電孤，它們的存席在會造成等離子產生的局限化，降低等離 子對空氣處理和材理加工的效用。例如， 一個有效的空氣處理程序要求那 些有害污染物在反應器裝置內具有足夠的停留時間。不均勻等離子體的產 生會減弱其處理効力，從而增加所需的停留時間。這些準穩態絲狀電弧的 存在也會增加產生不必要的副產品氣體。其副產品氣體的典型例子為臭氧 和二氧化氮(N02)。
因此最好是制定一個方法和裝置，其至少能解決上述的一些問題。

發明內容
基于上述提及在先技術存在的有關缺點，本發明提出了一種方法和裝 置來產生擁有更高控制性和更均勻特性的等離子體，從而通過優化等離子 體的特性，達致更高的效用，并同時減少產生不必要的副產品氣體。
等離子體的擴散技術是一種新穎發明，它提供了一種方法和裝置來產
生等離子體，可應用于空氣處理及材料加工層面上。擴散式等離子體裝置 由內置擴散器的反應器組成，擴散器位于兩個由交流電供電的絕緣電極之 間的反應室內。反應器產生電子放電并直接排放到其反應室內的空氣中。 擴散器能優化等離子體的特性，使其效率提升，同時減少產生不必要的副 產品氣體。如加入合適的催化材料在擴散器內，反應器可以成為等離子體 催化式反應器，等離子體的存在增強催化作用。另外如使用適當的過濾材 料，擴散器亦同時可以充當過濾器。
根據本發明的第一個優先層面，它為空氣處理和材料加工提供了一個 系統，其包括最少 一個擴散式等離子反應器，每個擴散式反應器設有一對絕緣電
極，并在它們之間限定出反應室；
一個擴散器放在兩電極之間的反應室中；
一個高電壓的交流電電源，供給位于反應器內的電極，在反應室內產 生等離子體，對流過反應室的空氣進行空氣處理和對放在反應室內的材料 進《亍力口工。
擴散器可并用至少一種預定的材料，使該擴散器也可作為過濾器或催 化器。
電源是可以調節的供應器，調整供給電極的電壓振幅、波形周期及其 形狀，藉以盡量加強等離子體活動，亦同時盡量減少產生不必要的副產品 氣體。
該最少為一個的擴散式反應器，可用并聯的形式，跟其他等離子體反 應器安排在一個系統內。
該系統可進一步包括一個吹風器，驅動空氣流過反應室。 該系統可進一步包括一個空氣過濾器，過濾進入反應室的空氣。 電極的絕緣體可以是管狀或板狀等形狀，由例如玻璃或介質材料制成。 電極的導電體可以是導電的片、網狀或覆層物。
擴散器可以是管狀，板狀， 一個有孔的板狀， 一個垂直板狀放置在電 極之間，以扇形折疊形式安裝在電極之間。擴散器又可以被排成絲網狀、 糾纏的線狀或絨毛狀，零散地放在反應室中的空間。
擴散器的材料只占用了部分由電極限定出的反應室空間，以使得該擴 散器沒有顯著影響擴散式等離子體的電子特性，但同時能盡量增加絕緣表 層上產生放電絲集結場地的可用性。
擴散器是不連接到電極的電路上，以允許電荷能積聚在其表面而產生 與外加電場相反的電場，防止在兩個電極中間，形成局部的準穩態電絲。
電壓供應可以控制在10-50 kV的范圍內。
波形周期可控制在10"到10-2 ms的范圍內。
兩個電^l相隔的距離可以在l-20mm的范圍內。
根據本發明的第二個層面，它為空氣凈化和殺菌提供了一種方法，其包括
提供至少一個反應器，其每個反應器設有一對絕緣電極，并在它們之 間限定出反應室。
提供一個擴散器，位于電極之間的反應室內。
為電極提供 一 個高壓的交流電；
從而在反應室內產生等離子體，對流過反應室的空氣進行凈化和消毒。
該方法可進一步包括調整施加在電極的電壓振幅、波形周期和形狀， 以便盡量提高等離子體的活動，同時盡量減少產生不必要的副產品氣體。
電極由絕緣或介電物質覆蓋，其提供了基本的電流限制功能。擴散器 可由導電或絕緣材料制成，其絕緣的特性提供額外的集結場地來產生放電 絲。擴散器的材料只占用位于絕緣電極之間的反應室的部分空間，因此對 反應器裝置的特性沒有顯著影響。擴散式等離子反應器與反應床大不相 同，反應床是利用在電極之間放置的介電物質提供了基本的電流限制功能。
本發明的設備包括一個高電壓的交流電電源，控制供給反應器內電極 的電壓振幅、波形周期及其形狀，因此控制反應器運作，從而產生設定及 適當的等離子體放電狀態。其高電壓的交流電電源可以是一個高電壓的產 生器。根據預設的處理強度和處理時間來進行調較施加在多重反應器內的 電極的電壓振幅、波形周期及其形狀。
一個系統通常包括一個或多個反應器并聯和/或串聯在一起，而每個反 應器的配置及大小是因應所需的處理功效和時間來設定。添加的擴散器減 少每個反應器和一系列反應器中電子放電特性的變化和差異，從而提高了 空氣處理和材料加工的總體效益。
絕緣電極包含的絕緣體，可以為介質管或介質板。擴散器可以由導電 物質制成，但非導電或介質材料為優。它可以為板狀、網狀、糾纏的線狀 或是絨毛狀。
系統內可進一步包括一個吹風器單元，驅使空氣通過反應室。該系統 更可進一 步包括一個空氣過濾器。
本發明中至少有一個示范例能表現的優點是產生更高控制性的等離子 體電子放電，來處理空氣和材理加工層面上。本發明中至少有 一 個示范例能表現的另 一 個優點是產生更均勻和更一 致的等離子體特性。
本發明中至少有 一個示范例能表現的另 一個優點是容許產生更均勻和 更一致的等離子體，從而達至在分解具污染性的化學品和破壞空氣中的微 生物層面上，具有一個高總體效益。
本發明中至少有一個示范例能表現的另一個優點是盡可能地增強其處 理和加工的強度和效率。
本發明中至少有一個示范例能表現進一步的優點是盡量減少產生不必 要的副產品氣體。
本發明中至少有一個示范例能表現進一步的優點是為空氣處理提供了 一個安全和可靠的方法和裝置。
本發明中至少有一個示范例能表現更進一步的優點是為空氣處理和材 料加工提供一種方法和裝置，同時盡量減少產生不必要的副產品氣體，亦
因此同時克服了前發明的缺點。


現在描述本發明的特定實施例子，其所附作為參考的圖紙包括 圖l示出了根據本發明的優先示范例的部件組裝。 圖2至5是擴散式等離子體裝置的透視圖，示出了根據本發明中一些示 范例對于空氣處理和材料加工有用的裝置。
圖2a是第 一等離子體裝置示范例的直剖面透視圖。
圖2b是圖2a中的等離子體裝置的透視圖。
圖2c是圖2a中的等離子體裝置的橫剖面側視圖。
圖2d是圖2a中的等離子體裝置的俯視圖。
圖3a是另一等離子體裝置示范例的直剖面透視圖。
圖3b是圖3a中的等離子體裝置的透視圖。
圖3c是圖3a中的等離子體裝置的橫剖面側視圖。
圖3d是圖3a中的等離子體裝置的俯視圖。
圖4a是另 一等離子體裝置示范例的直剖面透視圖。圖4b是圖4a中的等離子體裝置的透視圖。
圖4c是圖4a中的等離子體裝置的橫剖面側視圖。
圖4d是圖4a中的等離子體裝置俯視圖。
圖5a是另一等離子體裝置示范例的直剖面透視圖。
圖5b是圖5a中的等離子體裝置的透視圖。
圖5c是圖5a中的等離子體裝置的橫剖面側視圖。
圖5d是圖5a中的等離子體裝置的俯視圖。
圖6至9是擴散式等離子體裝置的透視圖，示出了根據本發明中另 一些 示范例對于空氣處理和材料加工有用的裝置。 圖6a是另一等離子體裝置示范例的透^L圖。 圖6b是圖6a中等離子體裝置的透視圖。 圖6c是圖6a或圖6b中的等離子體裝置橫剖面側視圖。 圖6d是圖6a或圖6b中的等離子體裝置俯視圖。 圖7a是另一等離子體裝置示范例的透視圖。 圖7b是圖7a中的等離子體裝置透視圖。 圖7c是圖7a或圖7b中的等離子體裝置橫剖面側視圖。 圖7d是圖7a或圖7b中的等離子體裝置俯視圖。 圖8a是另 一等離子體裝置示范例的透視圖。 圖8b是圖8a中的等離子體裝置透視圖。 圖8c是圖8a或圖8b中的等離子體裝置橫剖面側視圖。 圖8d是圖8a或圖8b中的等離子體裝置俯視圖。 圖9a是另 一等離子體裝置示范例的透視圖。 圖9b是圖9a中的等離子體裝置透視圖。 圖9c是圖9a或圖9b中的等離子體裝置橫剖面側視圖。 圖9d是圖9a或圖9b中的等離子體裝置俯視圖。
具體實施例方式
下面將詳細參考本發明的一些實施例，亦包括描述一些實例。以下將 詳細描述本發明的示范性實施例，盡管對于本領域的普通技術人員而言，很明顯，為清楚起見，對于理解本發明而言不是特別重要的一些特征可能 未示出。
此外，應當理解，本發明不限于下述實施例，且本領域的普通技術人 員在不偏離本發明的實質和范圍的情況下可以進行各種變化和修改。例 如，在本說明書和所附權利要求的范圍內，不同例證性實施例的元件和/或 特征可以彼此組合和/或彼此替代。
另外，在閱讀本說明書、附圖以及所附權利要求之后對于本領域的普 通技術人員而言顯而易見的改進和修改均應視為落在本發明的實質和范圍 內。
現在參看附圖，圖l顯示了典型空氣處理系統的組成部件，其等離子體 裝置包括擴散式等離子體反應器及其相關的電源供應和控制器。其電源供 應和控制器制造并維持反應器內的電子放電，其指定的等離子體參數由高 壓交流電的參數所決定和控制。
一系列的圖2a、 2b、 2c和2d顯示了一個反應器單元的優先實施例。在所 示的實施例中，反應器ll呈圓柱狀。反應器11包括絕緣的外部電極13和內部 電極16。外部電極13和內部電極16在它們之間限定出反應室12空間。在反 應室12中，放電被激發，以產生等離子體。
在所示的實施例中，電極13和電極16中的管狀絕緣體15和18可由介質 材料例如玻璃的絕緣材料制成。如在板狀電極設計，它們是可以呈板狀的 絕緣或介質材料制成。電極13和電極16中的電極導體14和17可以由導電 片、網狀物或覆層制成。擴散器19放置在反應室12內。擴散器19可以呈多 種形態，包括但不限于如圖2至圖5所示的板狀、有排孔的板狀、絲網狀、 糾纏線狀或絨毛狀。(在這些圖中，相關的元件在最尾的兩個數位，都標有 相同的數字。例如在圖2至圖5中擴散器的標記是19、 119、 219、和319。)
反應室12中放電被激發，產生等離子體來進行空氣處理。當空氣循環 流過充滿等離子體的反應室12，空氣中的污染物顆粒和微生物可以被毀滅。
擴散器19提供了額外集結場地來支持絲狀放電的形成。為達到更高效 率，該擴散器19應被絕緣而不連接到電極的電路上。雖然該擴散器可由導 電物質制成，但一般由非導電物質制成的擴散器19可產生更一致和更均勻的等離子體。擴散器19只占用位于絕緣電極13和16之間的反應室12的部分 空間，因而該擴散器19應不會顯著影響反應器單元11的電子特性。(例如擴 散器19沒有明顯改變反應室12內的電容值)
擴散器19的作用和設置與反應床的設計大不相同。在反應床設計中.在 電極之間放置的介電物質提供了基本的電流限制功能。
在擴散式的等離子體反應器，擴散器19并不是用來提供基本的電流限 制功能，因這功能已由電極13和電極16的絕緣體(15、 18)提供。擴散器19在 其表面提供了額外的集結場地來產生放電絲，亦同時改變了局部的電場結 構。
該絕緣的擴散器19使積聚在其表面的電荷產生與外加電場相反的電 場，以防止在兩個電極中間，形成局部的準穩態電絲。因此在反應室內形 成的等離子體，能更一致和平均地分布在反應室12內。其避免電絲集中在 局部地區形成，可減少產生不必要的副產品氣體。
在擴散式等離子體器中，擴散器19的組成材料不應在反應室12中占用 一個相當大的空間，以便盡量增加在擴散器19絕緣表層上的額外集結場地 的可用性。相反地，在傳統的反應床方法中，介質材料占用了大部分的反 應室空間。
該擴散器19的物理編排可以有許多不同的組合。絕緣或介質片可以排 列為與電極13和電極16類似的管狀，并(如圖2所示)放置在電極13和電極16 之間的反應室內。絕緣或介質片又可以為穿孔片，甚至采取類似絲網狀的 形式排列。擴散器19又可以用絕緣或介質片，(如圖3所示)垂直放置在電極 13和電極16之間，或(如圖4所示)以扇形折疊形式安裝在電極13和電極16之 間。(如圖5所示)擴散器319又可以被排成糾纏的線狀或絨毛狀，零散地放在 反應室中的空間。
通過空氣循環流過已并入擴散器19和充滿等離子體的反應室12,空氣 中的污染物顆粒和微生物可以被毀滅。該擴散器19可以加入適當的過濾物 質來同時充當過濾器將空氣進行過濾。在擴散器19中引入適當的催化物 質，該反應器ll會成為一個催化式等離子體反應器，其等離子體環境加強 催化作用。如圖l的示意圖所示，電極13和電極16可以與高壓交流(AC)電源40 相連。在所示的實施例中，電源40包括電子控制單元41和高壓發生器42。 電源40可以提供足夠的電壓，以在反應室12中的環狀空間導致擊穿和產生 等離子體。施加予電極13和電極16的電壓可以控制在10-50kV的范圍內。波 形周期可控制在10"到10-2ms的范圍內。兩個電極相隔的距離可以在l-20mm 的范圍內。
擴散式等離子體裝置可以在多方面體現、實施和進行。圖6至9展示了 一些平面式設計的反應器11實施例。
參照圖6顯示的另一個實施例，每個反應器單元411包括兩個絕緣電極 (413和416)及一個放置在兩電極(413和416)之間的反應室412的擴散器419。 在該實施例中，絕緣體415和418可以是玻璃或陶資的材料。電極導電體414 和417可以是導電片、網狀或覆層物。擴散器419可以如圖6至9所示組成多 種形式。(在這些圖紙上，相關的元件在最尾的兩個數位，都標有相同的數 字。例如在圖6至圖9的擴散器都標示為419、 519、 619、和719。)
在圖6的擴散器419,它采用片狀材料與電極類似的形狀排列，并放置 在兩個電極之間的反應室內。其片狀材料又可以為穿孔狀，甚至采取類似 絲網狀的形式排列。擴散器519又可以排成板狀，(如圖7所示)垂直放置在電 極513和電極516之間，或(如圖8所示)以扇形折疊形式安裝在電極613和電極 616之間。擴散器719又可以被排成糾纏的線狀或絨毛狀，(如圖9所示)零散 地放在電極713和電極716的空間。
應當理解，這里使用的措辭和術語僅用于描述的目的，而不應被視為 對本發明進行限制。因此，上述內容應當被看作僅是對本發明原理的解釋 性描述。進一步地，對于本領域的普通技術人員而言，可以很容易地進行 多種修改和變化，本發明因而并不限制于所描述和示出的精確結構和操 作，所有適宜的修改和等同替換均可視為落在本發明的范圍內。
權利要求
1. 一個可進行空氣處理和材料加工的系統，其包括一個擴散式等離子體反應器，其每個擴散式等離子體反應器有絕緣電極，在該電極之間有一個反應室；一個位于電極間的反應室的擴散器；一個電源，其提供一個高電壓的交流電給電極；以便在該反應室內產生等離子體，并對在反應室內的空氣進行處理或對反應室內的材料進行加工。
2. 如權利要求l所述的系統，在該系統的擴散器可選擇性地加入至少一種指定的物質，使其可同時作為一個過濾器或催化器。
3. 如權利要求l所述的系統，該系統的電源供應為可調節的供應器，可以調整供給電極的電壓振幅、波形周期及其形狀，藉以盡量加強等離子體活動，同時盡量減少產生不必要的副產品氣體。
4. 如權利要求l所述的系統，該系統內至少一個的擴散式等離子體反應器與其他擴散式等離子體反應器并聯放在系統內。
5. 如權利要求l所述的系統，進一步包括一個吹風器，其驅使空氣流過反應室。
6. 如權利要求5所述的系統，進一步包括一個空氣過濾器，過濾進入反應室的空氣。
7. 如權利要求l所述的系統，該系統的電極絕緣體為管狀或板狀的介質材料，例如由玻璃制成。
8. 如權利要求l所述的系統，該系統的電極導電體由導電片、網狀或覆層物制成。
9. 如權利要求l所述的系統，該系統的擴散器可以是片狀， 一個有孔的片狀，垂直放置在電極之間，以扇形折疊形式安裝在電極之間。擴散器又可以被排成絲網狀、糾纏的線狀或絨毛狀，零散地放在電極之間中的空間。
10. 如權利要求l所述的系統，該系統的擴散器只占用了部分由電極限定出的反應室空間，因此該擴散器是不會顯著影響擴散式等離子體的電子特性，但同時可盡量增加在擴散器絕緣表層上的額外集結場地的可用性。
11. 如權利要求l所述的系統，該擴散器的電路是被隔離而不連接到電極的電路上，因而能使積聚在其表面的電荷產生與外加電場相反的電場，以防止在兩個電極中間，形成局部的準穩態電絲。
12. 如權利要求l所述的系統，該系統的電壓供應應在10-50 kV的范圍內。
13. 如權利要求3所述的系統，該系統的波形周期應在10"到10^ms的范圍內。
14. 如權利要求1所述的系統，該系統的兩個電極相隔的距離應在l-20mm的范圍內。
15. —個空氣凈化和消毒的方法，其包括提供至少一個反應器，其每個反應器都有絕緣電極，并限定出反應室；提供一個擴散器放置在電極之間的反應室內；供應高電壓的交流電于電極；該系統在電極限定出的反應室內產生等離子體，對流過反應室的空氣進行凈化和消毒。
16. 如權利要求15所述的方法，進一步包括一個步驟以調整供給電極的電壓振幅、波形周期及其形狀，藉以盡量加強等離子體活動，同時盡量減少產生不必要的副產品氣體。
全文摘要
用于進行空氣處理和材料加工的系統，其包括至少一個擴散式等離子體反應器，每個擴散式等離子體反應器具有絕緣電極(13，16)和限定在電極(13，16)之間的反應室(12)；位于電極(13，16)之間的反應室(12)內的擴散器(19)；以及電源(40)，其提供高電壓的交流電給電極(13，16)；其中電極(13，16)在反應室(12)內產生等離子體，從而處理流經反應室(12)的空氣或加工置于反應室(12)內的材料。還提供了用于進行空氣處理和材料加工的有效方法。
文檔編號A61L9/22GK101534869SQ200780041065
公開日2009年9月16日 申請日期2007年9月4日 優先權日2006年9月5日
發明者徐奕偉 申請人:艾爾廸科技有限公司