Устройство для генерирования плазмы коронного разряда и плазменный реактор
DEVICE FOR GENERATING CROWN DISCHARGE PLASMA AND PLASMA REACTOR

Настоящая патентная заявка испрашивает приоритет патентной заявки Франции FR 17/00439, поданной 20 апреля 2018, которая включена в настоящую заявку посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области эмиссии плазмы посредством коронного разряда и, более конкретно, к плазменным реакторам.
Уровень техники
Известно использование устройства для генерирования плазмы коронного разряда для получения посредством коронного разряда плазмы и потока ионов. Такое устройство обладает тем преимуществом, что позволяет получить плазму, позволяющую ионизировать проходящую через устройство текучую среду. Такая ионизация находит множество применений, например, в сфере обработки текучей среды, такой как воздух.
Во-первых, ионизация позволяет за счет осаждения ионов зарядить частицу, содержащуюся в текучей среде. Заряженная таким образом частица обладает тем преимуществом, что может быть удержана электростатическим фильтром, который может быть расположен на выходе из устройства. Во-вторых, ионизация обладает нейтрализующим воздействием на патогенные организмы, такие как вирусы, которые могут переноситься в текучей среде. В-третьих, ионизация обладает тем преимуществом, что производит окисляющие химические вещества, пригодные для очистки механического фильтра, такого как фильтр с активированным углем, который может быть расположен на выходе из устройства.
Кроме того, устройство для генерирования плазмы коронного разряда, или плазменный реактор, содержащий множество таких устройств, полезно в качестве первой ступени устройства для обработки текучей среды, содержащего множество фильтров.
Известным способом создания устройства для генерирования плазмы коронного разряда является использование поляризованного электрода и расположенного напротив него заземленного электрода, причем между этими двумя электродами создается значительная разность потенциалов, порядка нескольких тысяч вольт. Результатом является образование плазмы, так же как и коронных разрядов, генерирующих ионные разряды. Эффект ионизации текучей среды обеспечивается путем создания циркуляции текучей среды, вынуждающей текучую среду проходить через плазму.
Для получения такой плазмы, в соответствии с коронным разрядом, известны две конфигурации: в первой конфигурации, именуемой «острие-плоскость», поляризованный электрод, имеющий малый радиус кривизны, расположен перпендикулярно по существу плоскому заземленному электроду; в другой конфигурации, именуемой «нить-цилиндр», нитевидный поляризованный электрод расположен аксиально в цилиндрическом заземленном электроде.
В патентном документе FR 2818451 заявителя настоящей заявки предложено сочетание двух этих конфигураций с использованием поляризованного электрода в форме иглы и заземленного электрода, содержащего расположенную перпендикулярно поляризованному электроду по существу плоскую металлическую сетку и цилиндр, окружающий поляризованный электрод по всей его длине. Текучая среда проходит через это устройство в направлении, параллельном общей оси поляризованного электрода и цилиндра.
Существует потребность в усовершенствовании устройства для генерирования плазмы коронного разряда в отношении эффективности ионизации, уменьшения занимаемого объема или также снижения уровня потребляемой электроэнергии.
Раскрытие сущности изобретения
Объектом настоящего изобретения является ячейка для генерирования плазмы коронного разряда, содержащий поляризованный электрод, имеющий по существу иглообразную форму, и заземленный электрод, расположенный напротив поляризованного электрода, содержащий цилиндр, по существу центрированный на поляризованном электроде, а также перпендикулярный поляризованному электроду по существу плоский пористый слой, причем цилиндр имеет низкий профиль, предпочтительно с высотой, незначительной по сравнению с его диаметром, при этом поляризованный электрод не проникает в цилиндр.
В соответствии с другим отличительным признаком, пористый слой расположен относительно поляризованного электрода на стороне, противоположной цилиндру.
Пористый слой является поверхностью, обеспечивающей проход воздуха через поры, размером от 0,1 до 500 мм, предпочтительно от 5 до 50 мм.
Толщина пористого слоя предпочтительно составляет от 0,5 до 50 мм, более предпочтительно от 1 до 5 мм.
Предпочтительно пористый слой представляет собой металлическую сетку, ячейки которой могут иметь различные формы (квадрат, ромб и т.д.).
Еще более предпочтительно, эта металлическая сетка является металлическим листом с ромбическими отверстиями, полученными растяжением перфорированного листа.
Другим объектом настоящего изобретения является двойной элемент для генерирования плазмы коронного разряда, содержащий описанную выше первую ячейку для генерирования плазмы коронного разряда, содержащую первый поляризованный электрод и первый заземленный электрод, расположенный напротив первого поляризованного электрода, и вторую описанную выше ячейку для генерирования плазмы коронного разряда, содержащую второй поляризованный электрод и второй заземленный электрод, расположенный напротив второго поляризованного электрода, причем первая и вторая ячейки расположены симметрично (валетом).
В соответствии с другим отличительным признаком, первый поляризованный электрод и второй поляризованный электрод подключены к одному и тому же первому потенциалу, а первый заземленный электрод и второй заземленный электрод подключены к одному и тому же второму потенциалу, отличному от первого потенциала.
В соответствии с другим отличительным признаком, первый потенциал является отрицательным, а второй потенциал служит землей.
Предпочтительно, поляризованный электрод или поляризованные электроды подключены к отрицательному потенциалу, и в таком случае речь идет о разрядных электродах.
В соответствии с другим отличительным признаком, первый поляризованный электрод и второй поляризованный электрод имеют по существу форму иглы и опираются на проводящую опору, соединенную с первым поляризованным электродом, вторым поляризованным электродом и первым потенциалом, причем указанная проводящая опора является по существу плоской.
В соответствии с еще одним отличительным признаком, проводящая опора содержит печатную плату, содержащую по меньшей мере одну токоведущую дорожку, соединенную с первым поляризованным электродом, вторым поляризованным электродом и первым потенциалом.
В соответствии с другим отличительным признаком, поляризованный электрод расположен в металлизированном отверстии, пробитом в этой по меньшей мере одной токоведущей дорожке.
В соответствии с другим отличительным признаком, печатная плата содержит сквозные отверстия, предпочтительно полностью покрывающие печатную плату, за исключением узкой полосы, образованной указанной этой по меньшей мере одной токоведущей дорожки.
В соответствии с другим отличительным признаком, первый и второй поляризованные электроды выровнены в осевом направлении и предпочтительно выполнены как одно целое (т.е. составляют одну и ту же часть).
В соответствии с другим отличительным признаком, по меньшей мере одна из первой и второй ячеек является ячейкой в соответствии с одним из описанных вариантов осуществления.
Еще одним объектом изобретения является плазменный реактор, содержащий множество устройств для эмиссии плазмы коронного разряда, расположенных бок о бок по существу в одной плоскости, причем эти устройства представляют собой ячейки в соответствии с одним из описанных выше вариантов осуществления или двойные элементы в соответствии с одним из описанных выше вариантов осуществления.
В соответствии с другим отличительным признаком, схема расположения представляет собой по существу квадратную решетку.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, детали и преимущества настоящего изобретения поможет понять подробное описание, которое приведено ниже в качестве примера и со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг. 1 представлен вид в разрезе ячейки согласно изобретению.
На фиг. 2 представлен вид в разрезе двойного элемента согласно изобретению.
На фиг. 3 представлен вид в разрезе поляризации двойного элемента.
На фиг. 4 представлен вид в разрезе двойного элемента, содержащего две ячейки по фиг. 1.
На фиг. 5 представлен вид в разрезе двойного элемента по фиг. 4 с проставленными размерами в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 6 представлен вид в разрезе плазменного реактора.
На фиг. 7 представлен вид в аксонометрии плазменного реактора.
На фиг. 8 представлен вид сверху печатной платы как опоры поляризованных электродов.
Осуществление изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, представленным на фиг. 1, предложена усовершенствованная ячейка 11 для генерирования плазмы коронного разряда. Как и во всех известных случаях, такая ячейка 11 содержит по существу иглообразный поляризованный электрод 12 и расположенный напротив него заземленный электрод 13. Заземленный электрод 13 содержит цилиндр 14, по существу центрированный на поляризованном электроде 12, и по существу плоский пористый слой 15, перпендикулярный поляризованному электроду 12. Поляризованный электрод 12 обычно закреплен на опоре 16, предпочтительно перфорированной, чтобы обеспечить проход потока текучей среды. Расстояние между поляризованным электродом 12 и заземленным электродом 13 поддерживается с помощью по меньшей мере одной распорки 17.
В патенте FR 2818451 описано получение такого заземленного электрода с помощью цилиндра, по существу центрированного на поляризованном электроде, причем этот цилиндр имеет значительную высоту, чтобы окружать поляризованный электрод по всей его длине.
Ячейка 11 в соответствии с изобретением усовершенствована таким образом, что цилиндр 14 имеет низкий профиль. Это значит, что высота цилиндра 14 является незначительной по сравнению с его диаметром. Характерный диаметр цилиндра составляет от 20 до 100 мм, предпочтительно от 25 до 75 мм, например от 30 до 60 мм и особенно предпочтительно от 35 до 55 мм. Что касается толщины цилиндра, то она составляет меньше 10 мм, предпочтительно от 1 до 5 мм. Кроме того, поляризованный электрод 12 выполнен достаточно коротким, таким образом, что он не проникает в цилиндр 14.
Поток текучей среды, подлежащей ионизации с помощью ячейки 11, является по существу вертикальным относительно фиг. 1.
Совместное уменьшение высоты цилиндра 14 и длины поляризованного электрода 12 позволяет получить преимущество за счет радикального уменьшения высоты всей ячейки 11, поскольку значительно менее высокий заземленный электрод может быть приближен к поляризованному электроду 12, также укороченному. Это позволяет получить преимущество за счет значительного уменьшения ячейки 11 или всей системы на основе такой ячейки 11, такой как плазменный реактор 30, общая толщина которой и, следовательно, габариты в целом, в направлении потока текучей среды значительно уменьшены.
Размещение поляризованного электрода 12 за пределами цилиндра 14 позволяет формировать плазму, имеющую по существу форму сильно сплюснутого конуса, по существу поперечного потоку текучей среды, что способствует хорошей ионизации.
Таким образом, в соответствии с одним из вариантов осуществления, в котором диаметр цилиндра составляет от 2d до 5d, где d - расстояние между острием иглы и пористым слоем, с оптимальным значением 3d, угол раскрытия конуса потока ионов составляет от 136° до 112°.
В соответствии с другим отличительным признаком, представленным на фиг. 1, пористый слой 15 расположен относительно разрядного электрода 12 на стороне, противоположной цилиндру 14. Это создает преимущество для формы плазмы/потока ионов. Кроме того, это упрощает изготовление, причем непрерывный пористый слой 15 может быть размещен позади цилиндра 14, в то время как пористый слой 15 можно видеть с поляризованного электрода 12 только через круглое внутреннее отверстие, ограниченное цилиндром 14.
В соответствии с другим аспектом, лучше всего представленным на фиг. 2, изобретение относится к еще одной предпочтительной конфигурации, в которой две ячейки 11, 21 соединены симметрично (валетом или в инвертированной конфигурации). Изобретение также относится к двойному элементу 10 для генерирования плазмы коронного разряда, содержащему первую и вторую ячейки 11, 21 для генерирования плазмы коронного разряда. Первая ячейка 11 содержит первый поляризованный электрод 12 и расположенный напротив него первый заземленный электрод 13. Вторая ячейка 21 содержит второй поляризованный электрод 22 и расположенный напротив него второй заземленный электрод 23.
В соответствии с другим отличительным признаком, представленным на фиг. 3, первый поляризованный электрод 12 и второй поляризованный электрод 22 подключены к одному и тому же первому потенциалу 8, а первый заземленный электрод 13 и второй заземленный электрод 23 подключены к одному и тому же второму потенциалу 9, отличному от первого потенциала 8.
Знаки первого и второго потенциалов 8, 9 могут быть любыми. Однако известно, что ионизация, полученная с помощью коронного разряда, более эффективна, когда поляризованный электрод подключен к отрицательному потенциалу (в этом случае его называют разрядным электродом). Также, предпочтительно, первый потенциал 8 является отрицательным, а второй потенциал 9 служит землей.
Было обнаружено, что симметричное расположение первой ячейки 11 и второй ячейки 21 (предпочтительно валетом) имеет множество неочевидных преимуществ. Другие преимущества получены с двумя ячейками 11, 21 с одинаковой поляризацией.
Дублирование ячеек 11, 21 позволяет значительно повысить получаемую эффективность. Кроме того, было продемонстрировано, что срок службы двойного элемента 10 значительно увеличивается по сравнению с одиночной ячейкой 11. На самом деле, негативный эффект ячейки для генерирования коронного разряда состоит в том, что ее поляризованный электрод 12, 22 осаждает диэлектрические кристаллы, которые, постепенно изолируя этот поляризованный электрод 12, 22, снижают эффективность ячейки 11, 21. Использование двух ячеек вместо одной позволило значительно повысить ожидаемый срок службы реактора 30.
Когда первая ячейка 11 имеет ориентацию, противоположную ориентации второй ячейки 21, их ионизирующее действие объединяется и дополняется, позволяя таким образом повысить общее ионизирующее действие.
Противоположная ориентация имеет также то преимущество, что позволяет использовать одинаковую поляризацию двух ячеек 11, 21.
Эти два отличительных признака - ориентация и поляризация - совместно позволяют выгодным образом закреплять первый поляризованный электрод 12 на первой опоре 16, а второй поляризованный электрод 22 на второй опоре 26. Это создает преимущество, заключающееся в том, что эти две опоры 16, 26 могут представлять собой одну общую опору 36, причем каждый из поляризованных электродов 12, 22 соответственно опирается на одну поверхность опоры 36.
Это создает преимущество, заключающееся в том, что при одинаковой (предпочтительно отрицательной) полярности первого поляризованного электрода 12 и второго поляризованного электрода 22 можно использовать общий соединитель, а также общий источник потенциала, для поляризации этих двух поляризованных электродов 12, 22. Таким образом, эта конструкция является особенно экономичной и эффективной.
Таким образом, в соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, общая опора 36 может быть проводящей и соединяться с первым поляризованным электродом 12, вторым поляризованным электродом 22 и первым потенциалом 8.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления, общая опора 36 содержит печатную плату 36, содержащую по меньшей мере одну токоведущую дорожку 31, соединенную с первым поляризованным электродом 12, вторым поляризованным электродом 22 и первым потенциалом 8.
Поляризация устройства для генерирования плазмы коронного разряда требует значительной разности потенциалов между поляризованным и заземленным электродами, порядка нескольких тысяч вольт. Кроме того первый потенциал 8 является очень высоким и может быть опасен для оператора. Конфигурация в соответствии с изобретением имеет то преимущество, что обеспечивает заключение первого потенциала 8 в двойной элемент 10. Таким образом, высокий первый потенциал 8 не находится в пределах досягаемости оператора. Такой двойной элемент 10 и, таким образом, реактор 30, выполненный на основе такого двойного элемента 10, обладают естественным образом безопасной структурой в отношении риска поражения электрическим током.
Поскольку опора 16, 26 является печатной платой 36, а первый потенциал 8 находится внутри этой опоры за счет токоведущей дорожки 31, предпочтительно расположенной в этой печатной плате 36, в соответствии с другим отличительным признаком, по существу иглообразный поляризованный электрод 12, 22 предпочтительно размещен на опоре 16, 26 с помощью отверстия 33, пробитого в печатной плате 36. Это позволяет выгодным образом закрепить поляризованный элемент 12, 22 путем сварки. Предпочтительно, отверстие 33 является металлизированным и пробито в токоведущей дорожке 31. Пробивка осуществляется таким образом, чтобы обеспечить электрическое соединение. Таким образом, закрепление поляризованного электрода 12, 22 в отверстии 33 так, что он оказывается в электрическом соединении, обеспечивает подключение поляризованного электрода 12, 22 к первому потенциалу 8. Это обеспечивает простоту прикрепления и соединения поляризованного электрода 12, 22.
Печатная плата 36, размещенная поперек потока текучей среды, предпочтительно является перфорированной, обеспечивая прохождение этого потока текучей среды. В соответствии с одним из вариантов осуществления, по меньшей мере одно отверстие 38 выполнено с этой целью. Чтобы максимизировать прохождение текучей среды через отверстие, указанное по меньшей мере одно отверстие 38 может покрывать всю поверхность печатной платы, за исключением по меньшей мере одной узкой полосы, образованной вокруг по меньшей мере одной токоведущей дорожки 31.
Вариант осуществления печатной платы 36,предназначенной для плазменного реактора в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения, представлен на фиг. 8.
В приведенном выше описании относительное положение первого поляризованного электрода 12 и второго поляризованного электрода 22 было любым. В соответствии с другим предпочтительным признаком, представленным на фиг. 1-6, первый поляризованный электрод 12 и второй поляризованный электрод 22 выровнены в осевом направлении. Это позволяет выгодным образом реализовать в качестве одного целого одну иглу с двумя остриями, одновременно образуя два поляризованных электрода 12, 22. Кроме того, это позволяет выгодным образом закрепить два поляризованных электрода 12, 22 одновременно в одном сквозном отверстии 33 за одну операцию.
В двойном элементе 10 две ячейки 11, 21 могут быть любых типов. В соответствии с одним из предпочтительных вариантов осуществления, первая ячейка 11, вторая ячейка 22 или обе эти ячейки являются ячейками в соответствии с изобретением, как представлено на фиг. 1, а именно ячейками с цилиндром 14, имеющим низкий профиль. На фиг. 4-6 проиллюстрирована конфигурация с двумя такими идентичными ячейками.
На основе ячейки 11 или двойного элемента 10 в соответствии с одним из описанных выше вариантов осуществления, может быть создан плазменный реактор 30. Как известно, принцип работы плазменного реактора использует размещение бок о бок в плоскости, перпендикулярной потоку текучей среды, множества устройств для генерирования плазмы коронного разряда. Это позволяет произвольно увеличить сечение и, таким образом, расход текучей среды, которая может проходить через плазменный реактор 30.
В соответствии с другим аспектом изобретения, в плазменном реакторе 30 расположены рядом друг с другом устройства, являющиеся ячейками 11 в соответствии с одним из описанных выше вариантов осуществления или двойными элементами 10 в соответствии с другими описанными выше вариантами осуществления.
Такой плазменный реактор 30, основанный на использовании двойного элемента 10, содержащего две ячейки 1 с цилиндром 4 низкого профиля, представлен на фиг. 6 и 7.
Изготовление такого плазменного реактора 30 упрощено за счет выбора получения ячейки 11 или двойного элемента 10. Таким образом, как показано на фиг. 6, две стороны центральной печатной платы 36 служат опорой для двух рядов поляризованных электродов 32. Кроме того, она обеспечивает, с помощью токоведущих дорожек 31, соединение этих поляризованных электродов 32 с первым потенциалом 8 (предпочтительно отрицательным). Один ряд или, соответственно, два ряда, распорок 37 разносит (разносят) и поддерживает (поддерживают) перфорированную пластину 34 или, соответственно, две перфорированные пластины 34, цилиндров и пластину 35 или, соответственно, две пластины 35, пористого слоя. Пластины 34, 35 предпочтительно являются металлическими, обеспечивая проводимость, и соединены со вторым потенциалом 9.
Размещение устройств 1, 10 в плазменном реакторе 30 может быть любым. Однако важна задача оптимизации как функции ионизации, так и занимаемого объема. Важна также и плотность ячейки 11/двойных элементов 10. Проекция на плоскость ячейки 11 или двойного элемента 10, содержащего цилиндр 14, 24, является круглой. Также предпочтительными расположениями являются гексагональное или сетчатое, например, квадратная решетка.
На фиг. 8 представлен один из возможных вариантов осуществления печатной платы 36, выполненной с возможностью расположения в виде квадратной решетки. Эта печатная плата 36 содержит сетку, например прямоугольную, токоведущих дорожек 31. Эти токоведущие дорожки предпочтительно утоплены в изолирующий слой печатной платы 36. Они электрически связаны с первым потенциалом 8. В соответствии с расположением по существу в виде квадратной решетки пробиты отверстия 33, в которых установлены поляризованные электроды 12, 22, 32. Печатная плата 36 содержит отверстия 38, занимающие максимальную поверхность для максимизации сечения прохода текучей среды. Эта максимальная поверхность непосредственно ограничена узкой полосой вокруг дорожек 31. Отверстия 39 выполнены предпочтительно без электрического соединения на расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить крепление распорок 17, 27, 37, предпочтительно выполненных из изолирующих материалов.