[發明專利]一種低溫等離子體非熱點火穩焰裝置

無效

• 申請號: 200710099410.6
• 申請日: 2007-05-18
• 公開（公告）號: CN101158321A
• 公開（公告）日: 2008-04-09
• 發明（設計）人: 張會強;鄭殿峰;王希麟;任玉新
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: F02K9/95
• 分類號: F02K9/95
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種航空航天推進系統低溫等離子體非熱點火組合裝置，它是一種采用低溫等離子體使可燃混氣中產生大量電子和離子等自由基和活性成分來實現大體積點燃可燃混氣的裝置，屬于航空航天動力推進系統領域。

背景技術

目前，航空航天推進系統燃料燃燒最為常用的點火方式有：(1)熱表面或細絲；(2)值斑火焰；(3)激光誘導火花；(4)放電火花及等離子流。對第(1)種方式，其點火延遲時間較長，且熱表面或細絲的壽命也較短。第(2)種則存在值斑火焰可能被吹熄而需要穩焰的不足。第(3)種激光誘導火花點火則需要聚焦高能激光脈沖。第(4)種電火花點火則是一種廣泛應用，而且比較可靠的點火方式。但這些點火方式都存在點火區域小的問題，在氣流速度較高時，需要設置如后臺階、鈍體、沙丘等作為點火區域和穩焰措施。當燃燒工況進一步惡化時，如氣流高速、低壓、非均勻兩相混氣等，將導致點火困難或點火不成功。

介質阻擋放電是有固體絕緣介質插入放電空間的一種氣體放電，該放電能夠在常壓低壓下產生具有較高電子能量的非平衡等離子體，因此具有十分廣闊的工業應用前景，目前在臭氧合成、CO2激光器、紫外光源、環境保護、材料表面改性等方面得到了廣泛的應用。

介質阻擋放電的工作原理是：當電極兩端施加交流電壓，當氣隙中的場強達到氣體擊穿的場強時，氣體被電離，分子歷經激發、電離或離解，產生了新的激發態、亞穩態、游離粒子、活性基以及各種離子、電子、光子等低溫等離子態活性物質。產生的電荷在外加電場的作用下，遷移到介質表面并在那里集聚下來，集聚電荷產生了一個與外加電場相反的附加電場，隨電荷集聚的增加，附加電場的作用隨之增強，氣隙中總的電場強度下降，當氣隙中的場強無法維持放電時，放電會熄滅，外加電壓繼續升高，氣隙場強增大，放電重新開始。因此介質阻擋放電是一個放電、熄滅、重新放電的暫態過程。放電間隙中觀察到大量時間和空間隨機分布的放電細絲，每個放電細絲對應于一個微放電通道，并對應一個電流脈沖。介質阻擋放電過程中產生的大量等離子態活性離子和自由基主要分布于微放電通道之中，等離子體誘發的化學反應也主要在微放電通道區域快速進行。電子能量越高，所形成的活性粒子和自由基越多，化學反應越快。

圖1為低溫等離子體反應器的結構型式，電極和放電間隙可以為平面型，也可以為同軸圓柱型。介質阻擋層可以為單層或雙層，如圖1中的(a)或(b)所示(圖1低溫等離子體反應器的結構型式；(a)單側介質阻擋；(b)雙側介質阻擋)。介質可覆蓋在電極上或懸掛在放電空間中。介質阻擋放電設備結構簡單、系統造價低，且由于電極間絕緣介質的存在，避免了電暈放電過程中易出現的局部放電或弧光放電，系統可靠性強。

近幾年來，很多科學家研究強電離放電形成方法及其產生臭氧的等離子體反應過程，促使臭氧產生技術有突破性進展，開發了高效率、高濃度、產生大量臭氧的裝置。在1個標準大氣壓、溫度為273K的條件下，臭氧濃度從20g·m^-3提高到200g·m^-3，臭氧產生效率從25g·(kW·h)^-1提高到100g·(kW·h)^-1。

圖2為介質阻擋放電產生臭氧的原理結構，其由高頻高壓電源、高壓電極、阻擋介質、接地電極組成，反應器中心為圓柱高壓電極，外環為接地電極，高壓電極表面覆蓋阻擋介質，接地電極內表面覆蓋阻擋介質，兩阻擋介質之間為環形通道，氧氣流過環形通道時，在電場的作用下，形成大量微細絲狀的脈沖微放電，猶如火花放電過程的流光放電，它們非常均勻、穩定地充滿整個間隙，從而產生臭氧。

介質阻擋放電(DBD)能夠在常壓下產生具有高電子能量的非平衡等離子體，十分適合于材料的表面改性，又不影響材料的基體特性等優點。圖3為低溫等離子體對聚酯薄膜表面改性的原理結構，由高頻高壓電源、高壓電極，地電極和阻擋介質組成。上下電極直徑均為40mm的圓型黃銅平板電極，在其表面分別覆蓋厚度為0.1mm、面積為55mm×55mm的陶瓷薄片，用于產生DBD。處理材料放在下電極覆蓋的介質上，電極間隙的調節范圍為1～4mm。將預處理的PET薄膜放入放電空間，在電場的作用下，達到對PET薄膜進行表面改性處理的目的。