一種混合介質阻擋放電裝置的制作方法

本發明屬于非熱放電等離子體技術領域，尤其涉及一種混合介質阻擋放電裝置。

背景技術：

體相介質阻擋放電與沿面放電可在大氣壓下產生大面積等離子體區域且放電均勻穩定，放電裝置結構簡單，動態響應快，故在材料表面處理、生物醫學以及環境保護等領域有著廣闊的應用前景。一般地，要實現體相介質阻擋放電或沿面放電，需將絕緣介質(如玻璃、陶瓷和石英等)置于由金屬片或柵狀金屬條構成的高壓電極與地電極間，采用交流電源通過導線連接高壓電極與地電極的兩端為其提供電能。

體相介質阻擋放電在氣體間隙發生微放電，形成等離子體區；而沿面放電則可于介質表面產生大面積且均勻的等離子體層。因這兩種放電裝置在放電區域內可產生大量的活性物種(如高能電子、離子、自由基和激發態分子等)，能夠有效活化處理流經等離子體區域的氣體，這使其在工業廢氣凈化、環境除臭以及臭氧合成等應用上展現了巨大的優勢。但是，目前這兩種放電形式的實際應用還主要處于研究階段，僅臭氧合成已實現工業化，且即使是臭氧合成上的應用也受到能量利用率不夠高等問題的困擾。要解決以上問題，放電過程中應保證注入能量向電子的有效轉移，顯著提高放電等離子體的電子溫度(反映電子能量)與電子密度。這即能確保等離子體可提供足夠的高能電子與活性物種引發或參與化學反應，盡快達到反應目標；還有利于減少放電過程中不必要的熱損耗(如介質損耗等)，提高放電能量利用率。

專利CN01270102.5公開了一種多重微放電協同一體的放電裝置，其利用在放電區內可同時發生的體相介質阻擋放電與沿面放電，通過增加注入的高壓電能來謀求產生更加強烈的等離子體放電，獲得高電子密度，以達到提高放電能量利用率的目的。然而，該設計受所使用介質層與結構設計的限制，等離子體中電子溫度與電子密度不夠高，因而其放電能量利用率雖有提高卻遠低于理論值。綜上所述，現有技術存在能量利用率低、結構復雜等缺陷，且不能有效將介質阻擋放電與沿面放電結合利用。

技術實現要素：

鑒于已有技術存在的不足，本發明的目的是要提供一種大幅度提高體相介質阻擋放電與沿面放電的能量利用率、并顯著增強其實用性的一種混合介質阻擋放電裝置，其能夠實現將體相介質阻擋放電和/或沿面放電耦合于同一放電間隙，建立高電場強度、高電子密度且結構緊湊、組裝方便。

為了實現上述目的，本發明技術方案如下：

一種混合介質阻擋放電裝置，其特征在于，所述裝置主要包括：材質均勻的介質層、柵狀金屬電極和薄片金屬電極、導線、電源以及示波器；

N塊所述介質層互相整齊平行排布，任意相鄰兩所述介質層間構成放電間隙且間距相等，其中N≧3；

所述介質層中除兩端外，其余N-2塊介質層均稱為中間介質層，所述中間介質層上、下兩面均附著柵狀金屬電極，且各所述中間介質層結構完全一致；

兩端介質層上的電極有兩種分布方式：

方式一為兩端介質層的外側分別附著一薄片金屬電極，此時處于同一放電間隙中的柵狀金屬電極連接電源的同一端而處于相鄰放電間隙中的柵狀金屬電極連接電源的另一端，且此時分別附著于兩端介質層外側的薄片金屬電極均連接與其相鄰中間介質層相近一側柵狀金屬電極相反的電源端；

方式二為兩端介質層的內測分別附著一柵狀金屬電極，此時處于同一放電間隙中的柵狀金屬電極連接電源的同一端而處于相鄰放電間隙中的柵狀金屬電極連接電源的另一端；

所述示波器并聯于電源兩端。

進一步地，作為本發明的優選，所述N塊材質均勻的介質層為具有高介電常數與導熱系數的高純度氧化鋁或氧化鋯薄板，薄板厚度為0.1～1.5mm。

進一步地，作為本發明的優選，所述相鄰介質層間間隙為0.1～2mm。

進一步地，作為本發明的優選，所述柵狀金屬電極及所述薄片金屬電極的厚度相同，均為0.01～1.5mm；同時，同一柵狀電極相鄰金屬條的間距相同，均為1～5mm；金屬條寬度為1～5mm。

進一步地，作為本發明的優選，所述中間介質層上、下表面均設有柵狀金屬電極，且使得中間介質層上表面柵狀金屬電極的任意兩個相鄰的金屬條之間的中心線上均對應設置有一中間介質層下表面柵狀金屬電極金屬條。

進一步地，作為本發明的優選，增加中間薄板介質層數量以增加放電裝置內高電場強度混合放電通道。

進一步地，作為本發明的優選，電源優選采用工頻或100～2000Hz的高頻、電壓為3～20kV的交流高壓電源或者脈寬為1～10μs脈沖電源。

與現有技術相比，本發明的有益效果：

1、本發明裝置結構緊湊、能量密度高，且組裝靈活方便，便于推廣；

2、本發明內部可建立80～200Td的約化場強以及3～7eV的平均電子溫度，顯著提高了能量利用率且特別適于引發常規條件下難以進行的化學反應；

3、本發明將體相介質阻擋放電和沿面放電高效耦合于同一放電區內，可獲得高達10¹⁹m^-3的等離子體電子密度，能極大提高等離子體處理效率；

4、本發明設計的放電間隙窄，氣體流速大，有助于攜帶放電熱能，進行后續操作，同時介質層導熱性能優異，易冷卻，可有效緩解放電熱量帶來的不利影響；

5、本發明僅需常規交流高壓電源供電，組裝簡單，擴大升級與維護方便，易實現其小型化實用裝置。

附圖說明

通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于顯示出本發明的主旨。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“左”、“右”、“內”、“外”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發明。

圖1為本發明實施例1混合放電結構示意圖；

圖2為本發明實施例2混合放電結構示意圖；

圖3為本發明實施例3圓筒形混合放電結構示意圖；

圖4為本發明實施例1混合放電整體結構示意圖。

圖中：1、頂端介質層，2、中間介質層，3、底端介質層，4、頂端介質層上表面薄片金屬電極，5、低端介質層下表面薄片金屬，6、中間介質層上表面柵狀金屬電極，7、中間介質層下表面柵狀金屬電極，8、電源，9、示波器，10、導線，11、頂端介質層下表面柵狀金屬電極，12底端介質層上表面柵狀金屬電極，13、最外層筒狀介質層，14、中間筒狀介質層，15、最內層筒狀介質層，16、最外層筒狀介質層外表面薄片金屬電極，17、最內層筒狀介質層內表面薄片金屬電極，18、中間筒狀介質層外表面柵狀金屬電極，19、中間筒狀介質層內表面柵狀金屬電極。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

體相介質阻擋放電與沿面放電均為非熱放電，其等離子體區內發生的化學反應以及活性物種的形成主要依賴于高能電子的非彈性碰撞。因此，電子溫度與電子密度是判定放電性能優劣、衡量放電等離子體能量利用率與實用性高低的重要的參數。一般地，電子溫度隨著約化電場強度(E/n)的增加而增加，兩者幾乎成線性關系；約化電場強度的增加利于提高放電等離子體的電子溫度，能極大地提高能量利用率。故可通過在放電氣隙間建立強約化電場來顯著改善放電過程的能量利用率。另一方面，相同條件下，放電等離子體的電子密度可直接反映于電流密度，說明若要獲得高電子密度需增加放電過程中的電流密度。通過建立強約化電場增加氣體電離度固然有利于電子密度及電流密度的增加，而通過混合兩種放電(體相介質阻擋放電與沿面放電)于同一放電間隙亦是增加放電強度，提高放電電流密度的有效手段。此外，混合放電模式因具有高電流密度與電子密度的特點，能夠更加迅速徹底的實現目標化學反應，實用性強。

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步詳細說明。

實施例1：

圖1所示為本發明的一種混合介質阻擋放電裝置示意圖。裝置優選采用三塊均勻氧化鋁平板介質層平行排列構成；各介質層厚度均為0.1～1.5mm，而每相鄰兩介質層間的氣體間隙均為0.1～2mm。頂端介質層1的上表面附著一薄片金屬電極；底端薄板介質層3的下表面亦附著一薄片金屬電極；而中間介質層2的上、下表面各附著一柵狀金屬電極。各柵狀金屬電極和薄片金屬電極的厚度均為0.01～1.5mm，各柵狀電極金屬條寬度均為1～5mm，相鄰金屬條的間距均為1～5mm。中間介質層上表面柵狀金屬電極的任意兩個相鄰的金屬條之間的中心線上均對應設置有一中間介質層下表面柵狀金屬電極金屬條。處于同一放電間隙中的柵狀金屬電極連接電源的同一端而處于相鄰放電間隙中的柵狀金屬電極連接電源的另一端，且此時分別附著于兩端介質層外側的薄片金屬電極均連接與其相鄰中間介質層相近一側柵狀金屬電極相反的電源端。在本實施例中，頂端介質層1上表面薄片金屬電極4與中間介質層下表面柵狀金屬電極7皆連接電源8的高壓端，而底端薄板介質層下表面薄片金屬電極5與中間介質層上表面柵狀金屬電極6則一起接地；電壓在3～20kV，頻率在100～2000Hz。并聯于電源8兩端的示波器9通過導線10對反應器兩端的電流電壓進行在線監測。

圖4為實施例1對應的混合放電整體結構示意圖，由裝置的一端向裝置內部輸入氧氣，經過裝置作用后，由另一端輸出臭氧。

將該發明應用于臭氧合成以驗證其優異特性。臭氧合成試驗以高純度氧氣(>99.999％)為氣源，氧氣經質量流量控制器精確控制計量后流入放電反應器內；當氧氣流經混合放電產生的等離子體區時會發生化學反應而生成臭氧；合成臭氧的濃度由置于等離子體放電區后的臭氧濃度檢測儀在線監測。該臭氧合成試驗使用電壓與頻率均可調的千赫茲交流電源為本發明供能；放電過程使用示波器9在線監測，并計算得到約化電場強度與放電功率。作為對比，常規沿面放電反應裝置亦被用于臭氧合成試驗，且試驗在相同條件下進行以確保其可比性。

基于兩種放電裝置的臭氧合成試驗所得結果如表一所示。可見，相同條件下，本發明混合放電反應器的約化電場強度、合成臭氧濃度以及臭氧產率大約均是沿面放電反應器的3倍，這意味著本發明能夠更加有效的將能量注入至等離子體區內產生強混合放電，因而既避免了能量浪費(浪費于介質層與電極升溫上)，從而增強了電場強度，提高了能量利用率；又可提高等離子區內的電子溫度和電子密度，進而提高合成臭氧濃度。此外，本發明極大地提高了高臭氧濃度下的臭氧產率，在未對反應器進行強制冷卻的前提下，本分明的臭氧合成效果要好于現有的文獻報道。

實施例2：

圖2所示為本發明的另一種混合介質阻擋放電裝置示意圖。混合放電反應器由三塊均勻氧化鋁平板介質層平行排列構成；介質層厚度均為0.1～1.5mm，而每相鄰兩介質層間的氣體間隙均為0.1～2mm。頂端介質層1的下表面附著一柵狀金屬電極11；底端介質層3的上表面亦附著一柵狀金屬電極12；而中間介質層2的上下表面各附著一柵狀金屬電極6和7。所用柵狀電極的厚度均為0.01～1.5mm，金屬條寬度均為1～5mm，相鄰金屬條的間距均為1～5mm。中間介質層上表面柵狀金屬電極的任意兩個相鄰的金屬條之間的中心線上均對應設置有一中間介質層下表面柵狀金屬電極金屬條。且頂端介質層下表面柵狀金屬電極11的各金屬條中心線空間上分別平分置于中間介質層上表面柵狀金屬電極6的相鄰金屬條；而底端薄板介質層下表面柵狀金屬電極12的各金屬條中心線空間上分別平分置于中間介質層下表面柵狀金屬電極7的相鄰金屬條。此時處于同一放電間隙中的柵狀金屬電極連接電源的同一端而處于相鄰放電間隙中的柵狀金屬電極連接電源的另一端。本實施例中，中間介質層上表面柵狀金屬電極6與頂端介質層下表面柵狀金屬電極11皆連接電源8高壓端，中間介質層下表面柵狀金屬電極7與底端介質層上表面柵狀電極12則一起接地；電壓在3～20kV，頻率在100～2000Hz。并聯在電源兩端的示波器9通過導線10對反應器兩端的電流電壓進行在線監測。

采用有機污染物甲醛處理試驗驗證本發明的優越性能。將含有一定濃度甲醛的空氣穩壓控制流量后通入本發明放電反應器內；流經混合放電區的空氣中的甲醛分子與等離子體中的活性物種發生化學反應而被分解；在等離子體放電區后檢測處理后的空氣中甲醛濃度。此處理有機污染物甲醛的試驗使用電壓與頻率均可調的千赫茲交流電源為放電反應器供能；放電過程使用示波器在線監測，并計算得到約化場強與放電功率。為比較本發明的優越性，常規沿面放電反應器亦被用于甲醛處理試驗，試驗條件同上。

表二為兩放電反應器甲醛處理試驗所得結果。相同條件下，本發明放電反應器的約化電場要遠高于常規沿面放電反應器，強約化電場下的高濃度的高能電子(高電子溫度)與甲醛分子發生有效的非彈性碰撞，直接激發解離甲醛分子，使其高效降解。常規沿面放電因約化電場強度弱，電子溫度與電子密度均相對較低，故難獲得高甲醛脫除率。相同注入功率下，本發明擁有遠高于常規沿面放電的甲醛脫除能力，這證明了此具有高電場強度以及高電子密度的混合放電反應裝置能量利用的高效性。

實施例3：

圖3為本發明的一種圓筒形混合介質阻擋放電裝置示意圖，作為本發明的優選實施方案，其是針對實施例1進行的進一步改進。該裝置采用三個均勻氧化鋁筒狀介質層同心嵌套構成；介質層厚度均為0.1～1.5mm，而由外向內每相鄰筒狀介質層半徑依次遞減，使得介質層間的氣體間隙均為0.1～2mm。最外層筒狀介質層13的外表面附著一薄片金屬電極16；最內層筒狀介質層15的內表面亦附著一薄片金屬電極17；而中間筒狀介質層14的兩面各附著一柵狀金屬電極18和19。其中中間筒狀介質層14外表面柵狀金屬電極18和中間介質層內表面柵狀金屬電極19以及最外層筒狀介質層外表面薄片金屬電極16的厚度均為0.01～1.5mm，各柵狀電極金屬條寬度均為1～5mm，相鄰金屬條的間距均為1～5mm，且中間筒狀介質層內表面柵狀金屬電極19的各金屬條中心線分別平分置于中間介質層外表面柵狀金屬電極18的相鄰金屬條對應的圓心角。最外層筒狀介質層外表面薄片金屬電極16與中間筒狀介質層內表面柵狀金屬電極19皆連接電源8高壓端，而最內層筒狀介質層內表面薄片金屬電極17與中間筒狀介質層外表面柵狀金屬電極18則一起接地；電壓在3～20kV，頻率在100～2000Hz。示波器9通過導線10對反應器兩端的電流電壓進行在線監測。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍。

表一臭氧合成實驗對比

表二甲醛脫除實驗對比