[發明專利]一種大氣壓非熱等離子體發生器

無效

• 申請號: 201210513911.5
• 申請日: 2012-11-30
• 公開（公告）號: CN103025039A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 朱愛民;劉景林;李小松;丁天英
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: H05H1/24
• 分類號: H05H1/24
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本發明屬于低溫等離子體技術領域，涉及到一種等離子體發生器，特別涉及到一種大氣壓非熱等離子體發生器。

背景技術

低溫等離子體可以分為熱等離子體和非熱等離子體。熱等離子體由于需要同時加熱等離子體中的所有粒子，而需要消耗更多的能量，并且由于所有粒子都被加熱，導致等離子體氣體溫度高達5000?K以上，進而對電極和發生器的材料與結構要求比較苛刻，同時需要快速冷卻降溫系統。但是在非熱等離子體中，電子溫度遠高于重粒子溫度，故氣體可以保持在較低的溫度，甚至室溫。大氣壓下產生非熱等離子體的方法主要有電暈放電、介質阻擋放電、火花放電和滑動弧放電等。其中，前兩種非熱等離子體的電子密度低，反應活性低。火花放電等離子體的電子密度高，反應活性高，但其產生的等離子體有效體積太小。這很難滿足工業上對大體積等離子體反應區的需求。滑動弧放電雖然可以得到大體積的等離子體反應區，但是由于滑動弧放電等離子體的產生需要高的氣體流速推動弧通道的滑動來實現，這導致其能量密度相對較低，能量密度可調范圍窄，并且其內在機制是由熱等離子體轉變為非熱等離子體，即等離子體空間分布的均勻性較差(Journal?of?Physics?D:?Applied?Physics,?2005,?38:?R1-R24)。目前尚無同時兼顧大體積、均勻的空間分布、高能量密度并且能量密度可調范圍寬的等離子體發生器。

發明內容

本發明提供了一種大體積、空間分布均勻、高能量密度并且能量密度可調范圍寬的非熱等離子體發生器，克服現有的大氣壓非熱等離子體發生器存在的上述問題。

為實現此目的，本發明的技術方案是在發生器的外管內，通過電極旋轉帶動火花或非熱弧放電通道繞電極旋轉的軸心轉動，包圍形成一個大體積的等離子體反應區。火花或非熱弧放電通道受到旋轉電極的帶動而快速轉動，使等離子體均勻地分布在整個反應區。在發生器的外管內，設置兩個電極，一個電極旋轉另一個不旋轉或兩個電極同時旋轉。旋轉電極具有一個或一個以上的放電端，不旋轉的電極采用金屬棒、金屬管、金屬環或金屬網。發生器的不同電極結構，如附圖所示。電極旋轉半徑為5?-?500?mm，兩電極間距為5?-?500?mm。電極上施加脈沖或非脈沖的直流或交流高壓，交流高壓頻率為50?Hz?-?500?kHz。由此可以獲得圓臺狀、圓柱狀、圓錐狀等不同空間形狀的等離子體。由于放電通道的轉動不是通過高速氣流吹動而實現的，這使得本發明提供的這種大氣壓非熱等離子體發生器，不僅適用于高流速氣流，也適用于低流速氣流，即適用于氣體流速范圍不大于?20?m/s的氣流。因此，該發生器所產生的等離子體可在很寬的能量密度范圍調節。針對不同的反應體系所需，調節合適的能量密度，以獲得最佳的能量效率。

本發明的效果和益處是，所提供的一種大氣壓非熱等離子體發生器，不僅可獲得大體積、空間分布均勻和能量密度高的等離子體反應區，而且其能量密度可調范圍和氣體流速適應范圍都非常寬。該發生器在大氣壓和低溫下運行，無需真空設備，裝置簡便易行，能量效率高，適用于工業上大規模生產需求。

附圖說明

圖1是具有一個放電端的旋轉電極和棒狀不旋轉電極的非熱等離子體發生器的結構示意圖。

圖2是具有一個放電端的旋轉電極和管狀不旋轉電極的非熱等離子體發生器的結構示意圖。

圖3是具有一個放電端的旋轉電極和環狀不旋轉電極的非熱等離子體發生器的結構示意圖。

圖4是具有一個放電端的旋轉電極和網狀不旋轉電極的非熱等離子體發生器的結構示意圖。

圖5是具有一個放電端的兩個旋轉電極的非熱等離子體發生器的結構示意圖。

圖6是具有多個放電端的旋轉電極和棒狀不旋轉電極的非熱等離子體發生器的結構示意圖。

圖7是具有多個放電端的旋轉電極和管狀不旋轉電極的非熱等離子體發生器的結構示意圖。

圖8是具有多個放電端的旋轉電極和環狀不旋轉電極的非熱等離子體發生器的結構示意圖。

圖9是具有多個放電端的旋轉電極和網狀不旋轉電極的非熱等離子體發生器的結構示意圖。

圖10是具有多個放電端的兩個旋轉電極的非熱等離子體發生器的結構示意圖。

圖中：1.棒狀電極；2.發生器的外管；3.一個放電端的旋轉電極；4.管狀電極；5.環狀電極；6.網狀電極；7.多個放電端的旋轉電極

具體實施方式

以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式。

實施例1

采用直徑6?mm不銹鋼棒，位于直徑30?mm的石英外管軸心，作為不旋轉的棒狀電極。僅有一個放電端的旋轉電極，使用直徑3?mm的不銹鋼絲作為放電端，繞石英外管軸心以半徑10?mm旋轉。兩電極間距為17?mm。將頻率為95?kHz的正弦波高壓，施加于電極上，即可得到大體積、空間分布均勻和能量密度高且可調范圍寬的非熱等離子體。該等離子體發生器用于生物氣的氧化重整反應，在能量密度128?kJ/mol，氣體流量為1.4?SLM，流速為0.12?m/s，CH₄:CO₂:O₂=3:2:2時，原料氣中O₂,?CH₄和CO₂的轉化率分別達到99%，91%和44%，能量效率高達60%。