專利名稱：一種分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體放電與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于大氣壓介質(zhì)阻擋放電的非平衡等離子體發(fā)生系統(tǒng)，尤其是一種分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
介質(zhì)阻擋放電是產(chǎn)生大氣壓非平衡等離子體最具可實(shí)現(xiàn)性的方法，在工業(yè)臭氧合成領(lǐng)域應(yīng)用已有一百余年的歷史。從原理結(jié)構(gòu)上看，大氣壓介質(zhì)阻擋放電可分為同軸圓管式和平行板式兩種基本結(jié)構(gòu)。目前，工業(yè)化應(yīng)用中主要采用的是同軸圓管式結(jié)構(gòu)，依據(jù)該結(jié)構(gòu)原理構(gòu)成的大氣壓介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生系統(tǒng)常常由十至數(shù)百根1 1. 5m 長的放電管并聯(lián)組成，采用一臺頻率為50Hz 數(shù)百Hz的中低頻高壓電源激勵(lì)。由于不同放電管結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異，放電管放電間隙寬度僅能在1. 5 4mm范圍內(nèi)選擇，很難實(shí)現(xiàn)小于Imm的窄間隙放電，放電區(qū)域的電離度和電離占空比很低，難以實(shí)現(xiàn)大氣壓強(qiáng)電場電離放電，其等離子體化學(xué)反應(yīng)效能受到限制。另一方面，由于介質(zhì)阻擋放電管具有容性負(fù)載特征，并聯(lián)的放電管數(shù)量越多，放電裝置的等效電容越大，對高頻高壓激勵(lì)電源的要求越高， 實(shí)現(xiàn)高頻激勵(lì)越困難。平板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置原理結(jié)構(gòu)簡單，可以采用介電性能和絕緣性能優(yōu)良，純度在96% 99%的α -AL2O3材料制作薄電介質(zhì)層，能夠采用數(shù)十kHz 高頻激勵(lì)在放電間隙為0. 25 0. 64mm的窄間隙放電空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大氣壓強(qiáng)電場電離放電。 近期的研究成果顯示，通過改進(jìn)大氣壓平行板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置電極結(jié)構(gòu)，將平行板電極改變?yōu)槎噌?板電極結(jié)構(gòu)，在高電壓激勵(lì)下，可以將微輝光放電模式引入到大氣壓窄間隙介質(zhì)阻擋放電中，提高了高能電子在時(shí)間和空間上的占有率，實(shí)現(xiàn)了基于微流注和微輝光兩種電離模式的強(qiáng)電場電離放電，進(jìn)而為等離子體化學(xué)反應(yīng)提供了豐富的活性粒子，增強(qiáng)了等離子體化學(xué)反應(yīng)效能。然而，盡管平板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置的放電性能優(yōu)于同軸圓管式介質(zhì)阻擋放電裝置，盡管平板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置的反應(yīng)氣體通路長度遠(yuǎn)小于同軸圓管式介質(zhì)阻擋放電裝置，但它仍存在與同軸圓管式介質(zhì)阻擋放電裝置相同的缺陷，即存在影響放電性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差和容性負(fù)載特征，平板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置尺度的增大和并聯(lián)數(shù)量的增加同樣會(huì)引起非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)效能的劣化。根據(jù)介質(zhì)阻擋放電的原理結(jié)構(gòu)，大氣壓介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置無論是工作在微流注放電模式還是工作在微輝光放電模式，對于激勵(lì)電源來說都屬于阻容性負(fù)載，正常工作狀態(tài)下都存在一個(gè)等效電容C，該電容能夠和高頻高壓變壓器的漏感“產(chǎn)生
諧振，其固有諧振頻率為& f0=/(2TT捉)。因此，對于一個(gè)確定的大氣壓介質(zhì)阻擋放電
非平衡等離子體發(fā)生系統(tǒng)，必然存在一個(gè)固有的諧振頻率f(1，當(dāng)大氣壓介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生系統(tǒng)的最佳激勵(lì)頻率小于&時(shí)，大氣壓介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置的等離子體化學(xué)反應(yīng)性能能夠得到充分的發(fā)揮，反之則出現(xiàn)劣化，激勵(lì)頻率越高，劣化現(xiàn)象越嚴(yán)重。大氣壓介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)尺度越大，放電單元并聯(lián)數(shù)量越多，等效電容越大，諧振頻率越小，大氣壓介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置的工作頻率就會(huì)受到限制，難以保持非平衡等離子體發(fā)生裝置放電性能的穩(wěn)定和提高。目前，用于非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置的最佳激勵(lì)頻率通常高于數(shù)十kHz，而這種激勵(lì)頻率只能在較小尺度的介質(zhì)阻擋放電裝置上實(shí)現(xiàn)，在超大尺度的介質(zhì)阻擋放電裝置上最高僅能工作在數(shù)百Hz。產(chǎn)生這種狀況的原因可以歸結(jié)為兩個(gè)方面，一是產(chǎn)生數(shù)十kHz的低漏感高頻率高電壓的大功率變壓器在制造技術(shù)上存在困難， 價(jià)格也非常昂貴；二是介質(zhì)阻擋放電裝置尺度的加大或放電單元并聯(lián)數(shù)量增多其等效電容會(huì)隨之增加，致使放電裝置的固有諧振頻率很低。而大氣壓介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生系統(tǒng)的未來發(fā)展趨勢之一就是實(shí)現(xiàn)氣態(tài)物質(zhì)的規(guī)模化活化或轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)在高級氧化技術(shù)(AOT)、海洋環(huán)境污染防治等領(lǐng)域的應(yīng)用，這就需要有適宜的非平衡等離子體發(fā)生體系與之相適應(yīng)。在較小尺度上，采用純度為96% 99%的高純度α -AL2O3制作薄電介質(zhì)層，采用低于Imm的窄放電間隙和數(shù)十kHz高頻高壓激勵(lì)的大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生裝置的制造技術(shù)較為成熟，與之相匹配的高頻高壓激勵(lì)變壓器制作技術(shù)也成熟可靠，體積小，價(jià)格低?；诖髿鈮航橘|(zhì)阻擋放電微流注和微輝光兩種放電模式，將平板式大氣壓介質(zhì)阻擋放電裝置與小型高頻高壓變壓器組合起來構(gòu)成大氣壓介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生單元模塊，再根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要將十至數(shù)百個(gè)單元模塊并聯(lián)構(gòu)成分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列，該陣列由一臺低壓高頻逆變電源集中控制所有單元模塊的小型高頻高壓激勵(lì)變壓器，以此解決大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電體系的尺度效應(yīng)問題， 提高大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電系統(tǒng)的固有諧振頻率，保證大氣壓介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生陣列中每個(gè)放電單元模塊均處于最優(yōu)的工作模式，以此提高大氣壓非平衡等離子體的化學(xué)反應(yīng)效能，擴(kuò)大大氣壓非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)規(guī)模。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有平板式大氣壓介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生系統(tǒng)的不足和缺陷，提供一種分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置。本發(fā)明是在平板式介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將小型高頻高壓變壓器置入平板式介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)中，組合成大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生單元模塊，再根據(jù)應(yīng)用需要將十至數(shù)百個(gè)大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生單元模塊并聯(lián)，構(gòu)成分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列，以此提高平板式介質(zhì)阻擋放電體系的工作頻率，提高非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)效能，擴(kuò)大反應(yīng)規(guī)模。本發(fā)明的技術(shù)方案是分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置包括分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列和低壓高頻逆變電源兩部分。分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列由大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊、接觸器、高頻功率傳輸線組成。大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊包括大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器、 小型高頻高壓變壓器、快速熔斷器、放電電流傳感器、高壓絕緣端子、冷卻水入口、冷卻水出口、原料氣體入口和反應(yīng)氣體出口。大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器上安裝有小型高頻高壓變壓器，其高壓輸出端經(jīng)由快速熔斷器和絕緣端子與大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的高壓電極連接；其低壓輸出端經(jīng)由放電電流傳感器接地；大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器具有雙電離腔結(jié)構(gòu)，雙電離腔由一個(gè)高壓電極放置在兩個(gè)接地電極中間構(gòu)成，高壓電極和接地電極即可以使用平板電極，也可使用針陣列電極，但至少有一個(gè)電極為平板電極，且有效放電面積不小于300cm2，平板電極表面需要均勻覆蓋厚度為0. 47 0. 64mm、純度為96 % 99%的α -AL2O3電介質(zhì)層，電介質(zhì)層厚度誤差不超過1 %，當(dāng)電離腔中的高壓電極和接地電極均為平板電極時(shí)，僅需在其中的一個(gè)電極上均勻覆蓋Ci-AL2O3電介質(zhì)層， 每個(gè)電離腔中的放電間隙寬度為0. 25 0. 64mm，放電間隙寬度誤差不超過1%，大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的工作氣壓為90 llOkPa。安裝在大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器上的小型高頻高壓變壓器需要依據(jù)高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，變壓器磁芯宜選用飽和磁通密度大于ο. 4T的U型鐵氧體磁芯， 并且在二次繞組低壓側(cè)按匝數(shù)5%留有一個(gè)抽頭用于調(diào)節(jié)變壓器的輸出電壓，必要時(shí)也可通過調(diào)整磁芯氣隙微量調(diào)節(jié)輸出電壓，同時(shí)還應(yīng)充分考慮高頻電流的集膚效應(yīng)，選擇合適的銅導(dǎo)線繞制繞組，小型高頻高壓變壓器的工作頻率為5 50kHz，輸入電壓250 450V， 輸出電壓5 10kV。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要將十至數(shù)百個(gè)大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生單元模塊并聯(lián)組裝在固定框架上，相鄰單元模塊之間留有的安裝維護(hù)間隙，其中，大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊的冷卻水入口、冷卻水出口、原料氣體入口、反應(yīng)氣體出口之間均采用并聯(lián)連接，大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊的小型高頻高壓變壓器的輸入端也通過接觸器并聯(lián)連接到高頻功率傳輸線上，由此構(gòu)成分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列，該陣列由一臺低壓高頻逆變電源提供激勵(lì)能量，再經(jīng)由高頻功率傳輸線將激勵(lì)能量分配到十至數(shù)百個(gè)小型高頻高壓變壓器，再由各個(gè)小型高頻高壓變壓器升壓后獨(dú)立激勵(lì)各個(gè)相關(guān)的大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器。大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列中，各非平衡等離子體發(fā)生單元模塊的小型高頻高壓變壓器的輸入端經(jīng)由接觸器連接到高頻功率傳輸線上，這樣就將原來的高頻高壓功率傳輸方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l低壓功率傳輸方式，避免了高頻高壓傳輸過程中普遍存在的絕緣破壞和能量損耗問題，同時(shí)各非平衡等離子體發(fā)生單元模塊因放電裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)差異引起的放電性能差異可通過調(diào)整高頻高壓變壓器二次繞組抽頭或磁芯氣隙完成，保證所有非平衡等離子體發(fā)生單元均處于最優(yōu)的放電工作狀態(tài)。為分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列提供激勵(lì)能量的低壓高頻逆變電源包括整流器、濾波器、全橋逆變器、微電腦控制器和放電電流信號采集器等幾個(gè)部分。其中，整流器的作用是將AC220V或AC380V的交流工頻電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)變成直流電壓；濾波器的作用是將脈動(dòng)的直流電壓進(jìn)行濾波轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷翰⑦M(jìn)行儲能；全橋逆變器則由 IGBT元件或大功率MOSFET管構(gòu)成，作用是將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)? 50kHz的高頻交流電，再經(jīng)由高頻功率傳輸線傳輸?shù)叫⌒透哳l高壓變壓器并升壓至5 10kV，用于激勵(lì)大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器；微電腦控制器用于控制全橋逆變器及對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和保護(hù)； 放電電流信號采集器用于采集各個(gè)非平衡等離子體發(fā)生單元的放電電流，將該電流信號送至微電腦控制器用以判斷非平衡等離子體發(fā)生單元的工作狀態(tài)，適時(shí)調(diào)整控制參量或切斷故障單元模塊供電。
大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列的固有諧振頻率不再?zèng)Q定于各非平衡等離子體發(fā)生單元模塊并聯(lián)后等效電容的總和，而是決定于各個(gè)獨(dú)立非平衡等離子體發(fā)生單元的等效電容。假設(shè)組成大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列的非平衡等離子體發(fā)生單元數(shù)量為n，各個(gè)大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元的等效電容為C，各個(gè)非平衡等離子體發(fā)生單元并聯(lián)后的總電容為Call，小型高頻高壓變壓器的漏感為Ls，大功率高頻高壓變壓器獨(dú)立激勵(lì)所有非平衡等離子體發(fā)生單元時(shí)的漏感為Lsall,則分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列的固有諧振頻率為/o =^fec采用一臺高頻高壓變壓器激勵(lì)大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列時(shí)的固有諧振頻率為foall = -~I
^saiv- all由于各非平衡等離子體發(fā)生單元的等效電容相同，在變壓器漏感相同的情況下，η 個(gè)非平衡等離子體發(fā)生單元并聯(lián)后的總等效電容Call = nC，則_/； =V^/。a ，即采用分區(qū)激勵(lì)后大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列的固有諧振頻率可以提高V^倍。通常情況下，大功率高頻高壓變壓器的漏感要比分區(qū)激勵(lì)采用的小功率高頻高壓變壓器漏感高一些，因此采用分區(qū)激勵(lì)后大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列的固有諧振頻率實(shí)際上要高于V^/。a 。本發(fā)明的效果和益處是由于采用分區(qū)激勵(lì)大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列方法， 使原來由大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列總等效電容和激勵(lì)變壓器漏感乘積所決定的固有諧振頻率轉(zhuǎn)變?yōu)橛煞瞧胶獾入x子體發(fā)生單元模塊及其激勵(lì)該單元模塊的小型高頻高壓變壓器漏感乘積所決定，結(jié)果使采用分區(qū)式激勵(lì)的大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列的固有激勵(lì)頻率提高V^倍以上，同時(shí)分區(qū)式激勵(lì)又使各個(gè)非平衡等離子體發(fā)生單元的放電性能均得到優(yōu)化。由此避免了因大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列尺度或非平衡等離子體發(fā)生單元模塊并聯(lián)數(shù)量增加帶來的系統(tǒng)放電性能裂化，有效地提高了大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列的等離子體化學(xué)反應(yīng)效能。


圖1是分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置組成原理示意圖。圖2是大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊組成示意圖。圖3是大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器放電電極原理結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列；2低壓高頻逆變電源；3大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器；4小型高頻高壓變壓器；5快速熔斷器；6放電電流傳感器；7接觸器；8高頻功率傳輸線；9整流器；10濾波器；11全橋逆變器；12微電腦控制板；13高壓電極；14接地電極；15 α -Al2O3電介質(zhì)層；16放電電流信號采集器；17高壓絕緣端子；18冷卻水入口 ； 19冷卻水出口 ；20原料氣體入口 ；21反應(yīng)氣體出口。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。本發(fā)明所述的分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置的組成原理如附圖1 所示，分為兩部分分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列1和低壓高頻逆變電源2。 其中，分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列1包括大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器3 ；小型高頻高壓變壓器4 ；快速熔斷器5 ；放電電流傳感器6 ；接觸器7 ；高頻功率傳輸線 8。低壓高頻逆變電源2包括整流器9 ；濾波器10 ；全橋逆變器11 ；微電腦控制板12 ；電流傳感器接口 16。低壓高頻逆變電源2采用的是全橋逆變技術(shù)，使用的功率變換原件為IGBT 或大功率MOSFET管，輸出頻率為5 50kHz，輸出電壓250 450V。低壓高頻逆變電源2 通過高頻功率傳輸線8及接觸器7與小型高頻高壓變壓器4的輸入端相連接，由小型高頻高壓變壓器4升壓后為分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列1中的大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器3分別提供激勵(lì)頻率為5 50kHz，激勵(lì)電壓為5 IOkV的高頻高壓激勵(lì)能量，用于在大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器3中產(chǎn)生高濃度活性粒子，激發(fā)非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)。分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置的性能主要決定于各個(gè)大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器的放電性能，其工作參數(shù)為激勵(lì)頻率5 50kHz，激勵(lì)電壓 5 10kV，工作氣壓90 IlOkPa,冷卻水溫度5 10°C。本發(fā)明所述的大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊組成如附圖2所示，包括大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器3 ；小型高頻高壓變壓器4 ；快速熔斷器5 ；放電電流傳感器 6 ；高壓絕緣端子17 ；冷卻水入口 18 ；冷卻水出口 19 ；原料氣體入口 20 ；反應(yīng)氣體出口 21。 小型高頻高壓變壓器4安裝在大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器3上，其高壓輸出端連接到快速熔斷器5的一端，快速熔斷器5的另一端通過高壓傳輸線連接到大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器3的高壓絕緣端子17上，其低壓輸出端經(jīng)由放電電流傳感器6接地。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，將十至數(shù)百個(gè)大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元并聯(lián)組裝成分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列1。各個(gè)大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊的小型高頻高壓變壓器4的低壓輸入端通過接觸器7統(tǒng)一連接到高頻功率傳輸線8。各個(gè)大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器3的冷卻水入口 18、冷卻水出口 19采用并聯(lián)連接，不可采用串聯(lián)連接，以保證各個(gè)大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊保持相同的工作溫度，冷卻水的工作溫度控制在5 10°C。在原料氣體入口 20前應(yīng)加裝氣體流量調(diào)節(jié)閥以保證流經(jīng)大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器3的原料氣體具有相同的流量。本發(fā)明所述的大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器放電電極原理結(jié)構(gòu)如附圖3所示，高壓電極放置在兩平行接地電極之間構(gòu)成雙電離腔結(jié)構(gòu)，每個(gè)電離腔有效放電面積不小于300cm2，且有一個(gè)平板電極被電介質(zhì)層均勻覆蓋，覆蓋的電介質(zhì)層厚度為0. 47 0. 64mm，材料為純度96% 99%的α -AL2O3，電介質(zhì)層厚度誤差不超過1 %，放電間隙寬度控制在0. 25 0. 64mm范圍內(nèi)，放電間隙寬度誤差不超過1 %。放電電極既可以為平板電極，也可以為針陣列電極，但每個(gè)電離腔內(nèi)至少應(yīng)有一個(gè)電極為平板電極。本發(fā)明所述的安裝在大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器3上的小型高頻高壓變壓器4需要依據(jù)高頻變壓器的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)，變壓器磁芯宜選用飽和磁通密度大于0. 4T的 U型鐵氧體磁芯，并且在二次繞組低壓側(cè)按匝數(shù)5%留有一個(gè)抽頭用于調(diào)節(jié)變壓器的輸出電壓，必要時(shí)也可通過調(diào)整磁芯氣隙微量調(diào)節(jié)輸出電壓，同時(shí)還應(yīng)充分考慮高頻電流的集膚效應(yīng)，按放電電流頻率對集膚深度的要求選擇合適的銅導(dǎo)線繞制繞組。
本發(fā)明所述的低壓高頻逆變電源2采用的是全橋逆變技術(shù)，使用的功率變換原件為IGBT或大功率MOSFET管，要求的輸出頻率為5 50kHz，輸出電壓250 450V。大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列1的固有諧振頻率決定于各個(gè)獨(dú)立非平衡等離子體發(fā)生單元的等效電容和小型高頻高壓變壓器的漏感，其計(jì)算公式為
權(quán)利要求
1. 一種分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置，其特征在于 分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置包括分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列和低壓高頻逆變電源兩部分；分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列由大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊、 接觸器、高頻功率傳輸線組成；大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊包括大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器(3)、 小型高頻高壓變壓器G)、快速熔斷器(5)、放電電流傳感器(6)、高壓絕緣端子(17)、冷卻水入口(18)、冷卻水出口(19)、原料氣體入口 00)和反應(yīng)氣體出口(21)，大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器(3)上安裝有小型高頻高壓變壓器G)，其高壓輸出端經(jīng)由快速熔斷器 (5)和高壓絕緣端子(17)與大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器C3)的高壓電極(1 連接； 其低壓輸出端經(jīng)由放電電流傳感器(6)接地；大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器C3)具有雙電離腔結(jié)構(gòu)，且每個(gè)電離腔僅有一個(gè)平板電極表面覆蓋厚度為0. 47 0. 64mm、純度為 96% 99%的α -AL2O3電介質(zhì)層，平板電極的有效放電面積不小于300cm2，放電間隙寬度在0. 25 0. 64mm,工作氣壓為90 1 IOkPa ；多個(gè)大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生單元模塊并聯(lián)組裝成陣列，其中大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊的冷卻水入口(18)、冷卻水出口(19)、原料氣體入口 (20)、反應(yīng)氣體出口之間均采用并聯(lián)連接，大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊的小型高頻高壓變壓器的輸入端通過接觸器并聯(lián)連接到高頻功率傳輸線上，構(gòu)成分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列；分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列由低壓高頻逆變電源( 提供激勵(lì)能量， 再利用安裝在大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器C3)上的小型高頻高壓變壓器將激勵(lì)能量分配到各個(gè)獨(dú)立的大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器(3)中，實(shí)現(xiàn)對大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列的分區(qū)式激勵(lì)；其中，低壓高頻逆變電源( 采用全橋逆變技術(shù)，使用的功率變換原件為IGBT或大功率MOSFET管，輸出頻率為5 50kHz，最高輸出電壓為250 450V ； 小型高頻高壓變壓器(4)的磁芯選用飽和磁通密度大于0.4T的U型鐵氧體磁芯，在二次繞組低壓側(cè)按匝數(shù)5%留有一個(gè)抽頭，小型高頻高壓變壓器的工作頻率為5 50kHz，輸出電壓為5 IOkV ；分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列(1)的固有諧振頻率為 /o= 10式中，&為分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列(1)的固有諧振頻率，C為單個(gè)大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器(3)的等效電容，Ls為單個(gè)小型高頻高壓變壓器的漏感；大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置選定的實(shí)際工作頻率要小于分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列(1)的固有諧振頻率。
全文摘要
一種分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生裝置，屬于氣體放電與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的技術(shù)特征是在大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器上安裝小型高頻高壓變壓器，其高壓輸出端經(jīng)由快速熔斷器與大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器相連，組成大氣壓非平衡等離子體發(fā)生單元模塊，根據(jù)需要將十至數(shù)百個(gè)大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電非平衡等離子體發(fā)生單元模塊并聯(lián)組裝，構(gòu)成分區(qū)激勵(lì)式大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列，該陣列由一臺低壓高頻逆變電源提供激勵(lì)能量，再利用小型高頻高壓變壓器將激勵(lì)能量分配到各個(gè)獨(dú)立的大氣壓平板式介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器。本發(fā)明的效果和益處是可以提高大氣壓非平衡等離子體發(fā)生陣列的固有諧振頻率，優(yōu)化非平衡等離子體發(fā)生單元的放電性能。
文檔編號H05H1/24GK102333411SQ20111027848
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月19日
發(fā)明者于清旋, 俞哲, 張芝濤, 田一平, 白敏冬, 金忠林 申請人:大連海事大學(xué)