[发明专利]用于气体离子化处理的方法和设备

说明书

技术领域

本发明一般地涉及在形成放电方面使用的电极而具体地涉及应用导电等离子体的电极，在气体离子化处理方面使用这种电极。

背景技术

对现有技术来说，介质-势垒放电(也称之为“表面-势垒放电”或者“静放电”或者“臭氧发生器放电”)是众所周知的。像这样的装置通常包含有在电极之间介入至少一个电势垒的情况下，在一对电极之间在高交流电压时激发放电，上述势垒具有经得起从供能电源输出的整个峰对峰电压的有效介质强度。

现有技术高电压电极的常见装置包含设置在起介质势垒作用的密封介质管里面的金属网格。用另一种方法，电极可以是沉积在介质管内表面上的金属覆盖层。围绕介质管并且与其留有间隔的接地金属套管用作第二电极。可能有刚好在金属套管内侧面但是离第一介质套管留有间距的第二介质管，取决于使用这种系统的用途。

现有技术公开了最好由系统参数来确定在电极结构之间以适当压力和流速用流动气体或静止气体(取决于用途)充满的普通环形空间。在像这样的条件下，这种放电没有占满整个环形空间，但是包含有短暂、局部、间断的电火花。50Hz～100Hz频率的高压交流电源连接到内部电极的外部终端，在网格状电极和接地套管之间产生强电场。当气体中电场强度超过局部击穿电场强度时发生放电，但是当放电中传送电流的移动电荷到达绝缘介质势垒的表面时移动电荷不能通过绝缘介质势垒，而是堆积在其表面。由此产生的表面电荷导致反向电场，反向电场抵消电源施加的电场，而使局部放电熄灭。直到反向电场建立为止，除电火化等离子体其本身的具有负电阻值的电抗外，几乎没有或者没有限制电流在电火花中流动的阻抗。所以，在电火花中的电流密度是极其高的而由此产生的等离子体是致密和高能量的。因为高的电流密度，所以表面电荷在介质上的堆积是极其迅速的，而放电熄灭就发生在不到几微秒内。

因为每个电火花是局部化的，而在介质上的表面电荷也是相应地局部化的，所以在电极相互间隙中的其它处所施加的电场没有降低，并且多个电火花随机地出现在间隙内除新近熄灭电火花的地点外的任何地方。

因为通电电压是交变的，所以当使所施加电压的相位反向时，来自驻留在介质势垒上表面电荷的电场加入所施加的电场，而在反向的意义上来说便于击穿。因此准连续的交流电流在两个电极之间流动。这就是在气体内的导电电流(在微火花放电中所有电流相加)和在介质内的位移电流。

现有技术的导电通路是内部网格电极的串连电阻、介质势叠电容和多个电火花中气体导电的有效电阻。在这样的电路中，气体导电的有关阻抗和介质势叠的阻抗取决于高压高频电源产生的交流电流频率。长1m、壁厚1mm、外径10mm的介质管具有大约560PF电容。在60Hz时此电容具有大约5×10⁶Ωm的阻抗。在60KHz时，其阻抗将为5×10³Ohm。另一方面，发电火花气体的有效电阻为10^-1～10⁶Ωm。相比之下，网格电极的电阻是可忽略不计的。因而，在低频率时通过介质电容来控制均方电流，而在高频时气体性质限定电流。

因为介质势叠的限流阻抗，所以流过像这样放电装置的均方电流随电压增加和随频率增加而增加。

实际上，介质势垒起电容性镇流器作用。因此，多个像这样的放电装置极大部分常常是以用公共电源供能的各个放电装置几百到几千个成排并联的方式来运作的。

像这样的放电广泛应用于使在气体中用别的方法不会发生的化学反应变得容易。电极间空间装有含稳定反应产物母体的气体。这些反应产物母体是在火花放电中通过分解或激励而进入使快速反应有可能的状态来“激活”的；在火花激励时，所激发的产物存在周围温度下的气体中并且能够迅速地与其伙伴反应，形成所希望的产物。由于绝大部分容积的气体是在任何某个时刻的周围温度之下，因此反应产物保持完整无损。

像这种放电众所周知的应用是在用于水处理的臭氧工业生产方面。电极中间间隙含有流动的空气；氧分子在电火花内分解，并且通过在周围温度气体内的反应而生成O₃(臭氧)。就在臭氧生成吸热反应中大的氧化合形成臭氧百分率和多至25％的电能消耗来说，这种系统的效率是非常高的。