等離子發生器、阻性負載驅動系統及容性負載驅動系統的制作方法
【專利摘要】一種等離子發生器，具有陽極和陰極，還包括：隔離所述陽極和所述陰極的非導電介質；所述陽極采用金屬柱，所述陰極為由金屬絲編織成的環形金屬網，所述非導電介質為筒狀結構；所述金屬柱設置在所述非導電介質的內部，所述環形金屬網包覆在所述非導電介質的外壁上。本發明通過將作為陽極的金屬柱設置在非導電介質的內部，避免了電極暴露在外導致吸附灰塵的問題。
【專利說明】
等離子發生器、阻性負載驅動系統及容性負載驅動系統
技術領域
[0001]本發明屬于放電元件技術領域，尤其是一種等離子發生器、阻性負載驅動系統及容性負載驅動系統。
【背景技術】
[0002]現有的等離子發生器，采用兩通道正負離子發生器。使用直流高壓放電。該結構的優點:易于驅動，對電學原理要求不高，電學部分成本低廉，體積小，放電結構可以多樣化，例如目前有使用金(銀)針、導電纖維束等方式。但這種結構帶來的問題也是非常明顯的，像產生的等離子體相對集中，單位空間的離子量可以很高，但擴散到自由空間后單位空間的離子量較小；電極裸露并且有直流高壓，容易吸附灰塵，會電解空氣中的水份生成純氧氧化電極，所以對電極的要求很高，常以渡金或整個電極使用金制作，電極成本較高；需要非常高的電壓驅動，設備容易老化；高壓電極存在于裸露空間安全性不高；離子的飽和度不高，單個離子所附帶的能量相對較低，在進行中和放電的時候所產生的能效不足。
【發明內容】
[0003]本發明的目的之一是提供一種等離子發生器，以解決現有技術中電極裸露并且有直流高壓，容易吸附灰塵的問題。
[0004]在一些說明性實施例中，所述等離子發生器，具有陽極和陰極，還包括:隔離所述陽極和所述陰極的非導電介質；所述陽極采用金屬柱，所述陰極為由金屬絲編織成的環形金屬網，所述非導電介質為筒狀結構；所述金屬柱設置在所述非導電介質的內部，所述環形金屬網包覆在所述非導電介質的外壁上。
[0005]本發明的另一個目的在于提供一種阻性負載驅動系統。
[0006]在一些說明性實施例中，所述阻性負載驅動系統，包括:依次連接的供電設備、自激振蕩器、升壓變壓器、等離子發生器、齊納電流檢測元件、伺服控制器，所述伺服控制器與所述供電設備電連接，用于根據所述齊納電流檢測元件輸出的電流值與基準值比較，調節所述供電設備輸出的電壓。
[0007]本發明的再一個目的在于提供一種容性負載驅動系統。
[0008]在一些說明性實施例中，所述容性負載驅動系統，包括:供電設備、運算放大器、時鐘信號發生器、升壓變壓器、等離子發生器、齊納控制電路、諧振控制電路；所述運算放大器，其輸入端分別連接所述供電設備的輸出端和所述時鐘信號發生器的輸出端，其輸出端分別與所述升壓變壓器的初級繞組和所述諧振控制環路的輸入端連接，用于將電壓從方波變換為正弦波提供給所述升壓變壓器，以及將產生的驅動相位提供給所述諧振控制環路；所述升壓變壓器，其次級繞組分別電連接所述等離子發生器和所述諧振控制電路，用于驅動所述等離子發生器，以及提供所述諧振控制電路諧振相位；所述諧振控制環路與所述時鐘信號發生器連接，用于根據所述驅動相位及諧振相位，調整所述時鐘信號發生器的振蕩頻率；所述齊納控制環路分別與所述等離子發生器和所述供電設備連接，用于根據流通所述等離子發生器的電流，調整所述供電設備輸出的電壓。
[0009]與現有技術相比，本發明的說明性實施例包括以下優點:
[0010]本發明通過將作為陽極的金屬柱設置在非導電介質的內部，避免了電極暴露在外導致吸附灰塵的問題。
【附圖說明】
[0011]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0012]圖1是按照本發明的說明性實施例的等離子發生器的截面示意圖；
[0013]圖2是按照本發明的說明性實施例的等離子發生器的等效電路圖；
[0014]圖3是按照本發明的說明性實施例的阻性負載驅動系統的結構示意圖；
[0015]圖4是按照本發明的說明性實施例的容性負載驅動系統的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]在以下詳細描述中，提出大量特定細節，以便于提供對本發明的透徹理解。但是，本領域的技術人員會理解，即使沒有這些特定細節也可實施本發明。在其它情況下，沒有詳細描述眾所周知的方法、過程、組件和電路，以免影響對本發明的理解。
[0017]如圖1所示，公開了一種等離子發生器，具有陽極和陰極，還包括:隔離所述陽極和所述陰極的非導電介質103 ;所述陽極采用金屬柱101，所述陰極為由金屬絲編織成的環形金屬網102，所述非導電介質為筒狀結構；所述金屬柱設置在所述非導電介質的內部，所述環形金屬網包覆在所述非導電介質的外壁上。
[0018]本發明通過將作為陽極的金屬柱設置在非導電介質的內部，避免了電極暴露在外導致吸附灰塵的問題。
[0019]在一些說明性實施例中，所述金屬柱的外壁上均勾分布有若干個作為陽極放電端的毛刺狀的凸起；所述金屬柱的凸起與所述非導電介質的內壁相接觸。
[0020]在一些說明性實施例中，環形金屬網上具有若干個“十”字結構的交叉點；所述金屬柱的凸起與所述環形金屬網的交叉點相對。
[0021]在一些說明性實施例中，所述金屬柱的凸起與所述環形金屬網的交叉點相對，具體包括:所述金屬柱的每個凸起與所述環形金屬網的每個交叉點一一相對。
[0022]在一些說明性實施例中，在所述環形金屬網的表面積不大于5000平方毫米時，所述等離子發生器作為阻性負載。
[0023]在一些說明性實施例中，在所述環形金屬網的表面積不小于20000平方毫米時，所述等離子發生器作為容性負載。
[0024]在此對上述等離子發生器的結構和原理進行簡單說明:
[0025]本發明所使用的等離子發生裝置為介質阻檔高頻高壓放電。其核心結構有阻檔介質，陰極，陽極。
[0026]阻檔介質:使用特殊材料制作，基本要求是厚度均勻，化學性質和物理性質都穩定，較強的抗電極化能力，表面光滑，在任何環境下不變形，介質損耗小；本發明將阻檔介質制作成中空的圓柱形。
[0027]陰極:使用不銹鋼材料縱橫編織成網狀，陰極需接電氣系統的地線，保證電極安全性；陰極要求有一定的內縮力，保證與阻檔介質充分接觸；等離子體在接觸面產生，通過網狀孔溢出；
[0028]陽極:使用不銹鋼材料做成柱狀，所用材料必須具有導電性。柱狀陽極表面“種植”針尖，尖端的縱橫間距與陰極金屬網的間距相等。陽極內置于阻檔介質的內壁。在安裝陽極時要求陽極“針尖”正對陰極金屬網的交叉點。
[0029]等離子發生器的結構說明:放電發生于陽極“針尖”與陰極金屬網相對應的點上，屬于點狀放電，其放電擊穿半徑取決于針尖的銳度。
[0030]結構簡析:
[0031]1、在一個結構內可以產生多個放電端，每個放電端產生單位空間的等離子體，系統相當于有無數個產生等離子體的放電尖端，它們一起工作產生的總和是相當可觀的。
[0032]2、只有尖端會產生放電，并且產生比較強的電場。因尖端的載體距陰極較遠，不會產生放電，電場力也較弱，離子產生后被二次電離或者反向極化的可能性為零。
[0033]3、結構穩定，陽極被密封在阻檔介質內部；沒有大面積的帶高壓電極的導體裸露，安全！
[0034]4、放電距離受控，完全取決勝于阻檔介質的厚度。
[0035]如圖2，等效的電學模型:
[0036]1、陰極與陽極之間形成一個放電裝置，等效為一個有介質電容器C ;在產生擊穿放電時產生放電電流，此時呈現電阻性R。阻值與放電電流和施加的電壓有關。金屬導體可以等效為一個等效電感L。
[0037]2、在設計結構時將放電電流取值較小，介質容量較大。電學模型可以看做是如圖所示的結構:
[0038]3、在電路工作時，要求電路提供的驅動頻率遠低于LC的諧振頻率，此時電感L對電路的影響可忽略不計。
[0039]4、根據放電管的大小(大小取決于制作成成品后所能處理污染空間面積大小)，放電管所呈現的電學特性是不一樣的。當放電管較小時，C可忽略不計，R起主要作用，此時應根據R的特性設計驅動電路(阻性負載)；當放電管較大時，C將起主要作用，R可忽略不計，此時應根據C的特性設計驅動電路(容性負載)。在選擇放電管大小時，應避免出現RC在工作頻率處諧振的狀態。
[0040]5、R的存在僅出現在放電后。離子管的伏安特性曲線是非線性的，在電學上將這種特性稱為“齊納”效應。在設計驅動電路時應充分考慮“齊納”效應所帶來的不穩定性，這對系統工作狀態的控制是至關重要的
[0041]6、使用20KHz?40KHz的高壓正弦波驅動離子管，在正弦波的正峰值點發生放電并電離空氣。此時陰極相對于陽極為負電位，陰極產生負離子，在正弦波的負峰點發生放電并電離空氣，此時陰極相對于陽極為正電位，陰極產生正離子。因電路在高速交替工作。異步產生的正負離子被風機送出為等離子。
[0042]7、對電學模型的實驗表明:
[0043]I)、使用該結構使用交流高壓驅動，能避開氧分子被多次電離而產生臭氧，這是與市面上臭氧發生器需要反復電離在設計原則上的不同之處
[0044]2)、在工藝條件下盡可能降低阻檔介質的厚度，極大地減小了所需要的驅動電壓，可以有效降低臭氧的伴生。
[0045]3)、因“齊納”效應，在驅動電壓達不到“齊納”電壓時，不會產生等離子。發生“齊納”效應時等離子的產生濃度與“齊納”深度(即放電電流)呈正比例函數關系。
[0046]本發明對現有的等離子發生器來說其放電原理，放電控制都進行了根本性改變。等離子產生的絕對量比原有方案提高數千倍。本發明使用了比較多的控制電路使放電趨于受控，原有方案容易受到生產工藝，環境改變的影響。本發明中所使用的物理結構件，電子元器件具備通用性，現有工藝成熟，易于成品實現。本發明中存在使用壽命和危險性的高壓電極進行了妥善處理。本發明解決了容性負載的功率因數問題，使系統的耗電量降低，真正實現綠色環保。
[0047]如圖3所示，公開了一種阻性負載驅動系統，包括:依次連接的供電設備、自激振蕩器、升壓變壓器、上述的等離子發生器、齊納電流檢測元件、伺服控制器，所述伺服控制器與所述供電設備電連接，用于根據所述齊納電流檢測元件輸出的電流值與基準值比較，調節所述供電設備輸出的電壓。
[0048]在一些說明性實施例中，阻性負載驅動系統還包括:調整與所述伺服控制器的基準值的控制電路，與所述伺服控制器連接。
[0049]在此對上述阻性負載驅動系統中的各元器件進行簡單說明:
[0050]供電設備:為一個可控電壓源，受控信號取自伺服控制器輸出。輸出電壓供給自激振蕩器
[0051]自激振蕩器:與升壓變壓器配合，組成一個正反饋電路，發生自激振蕩，振蕩頻率控制在離子放電管的電學模型要求范圍內。交替改變升壓變壓器的磁通量。
[0052]升壓變壓器:在次級感應出交流信號，并按匝數比例升壓至離子放電管的電學模型要求的電壓值。
[0053]齊納電流檢測:該電路檢測離子放電管的電流，并將電流信號轉換為電壓信號，經過處理得到能反應離子管電流的直流信號。
[0054]伺服控制器:在內部將控制電路所產生的基準信號與齊納電流檢測輸出的直流信號進行比較，產生誤差放大，并進行時間常數處理獲得一個控制直流信號。該控制直流信號可對供電設備的輸出電壓進行控制。
[0055]控制電路:由系統再開發設計，提供一個控制電壓。用于控制離子放電管放電電流的大小從而控制離子產生量。
[0056]齊納一伺服控制過程:整個系統電路是一個大環路負反饋。當離子管電流變大時，在齊納電流檢測電路中產生的直流信號升高。在伺服控制器中與控制電路的基準信號比較后輸出的電壓信號升高。該信號控制供電設備，使供給振蕩器的電壓降低，輸出高壓降低，離子管電流降低。大環路負反饋的控制結果是離子管的電流與控制電路輸出信號所代表的電流相等。
[0057]如圖4所示，公開了一種容性負載驅動系統，包括:供電設備、運算放大器、時鐘信號發生器、升壓變壓器、上述的等離子發生器、齊納控制電路、諧振控制電路；所述運算放大器，其輸入端分別連接所述供電設備的輸出端和所述時鐘信號發生器的輸出端，其輸出端分別與所述升壓變壓器的初級繞組和所述諧振控制環路的輸入端連接，用于將電壓從方波變換為正弦波提供給所述升壓變壓器，以及將產生的驅動相位提供給所述諧振控制環路；所述升壓變壓器，其次級繞組分別電連接所述等離子發生器和所述諧振控制電路，用于驅動所述等離子發生器，以及提供所述諧振控制電路諧振相位；所述諧振控制環路與所述時鐘信號發生器連接，用于根據所述驅動相位及諧振相位，調整所述時鐘信號發生器的振蕩頻率；所述齊納控制環路分別與所述等離子發生器和所述供電設備連接，用于根據流通所述等離子發生器的電流，調整所述供電設備輸出的電壓。
[0058]在一些說明性實施例中，所述時鐘信號發生器為調整式振蕩器。
[0059]在一些說明性實施例中，所述齊納控制環路由伺服控制器、齊納電流檢測元件、控制電路構成；所述伺服控制器與所述供電設備連接，所述齊納電流檢測元件接在所述伺服控制器和所述等離子發生器之間，所述控制電路與所述伺服控制器連接。
[0060]在此對上述容性負載驅動系統中的各元器件進行簡單說明:
[0061]供電設備:為一個可控輸出的DC/DC開關電源，向輸出級供電，供電電壓大小受齊納控制環路的控制信號控制。
[0062]時鐘信號發生器:為一個可控制的振蕩器，產生一個頻率受控的振蕩信號，提供給輸出級同步。
[0063]輸出級:內部是一個半橋式DC/DC拓補，產生一組參數受控的方波信號，受控參數包括:方波幅度與輸出級的供電相等，而供電由被齊納環路控制的供電設備供電，所以??方波幅度受齊納環路控制；方波頻率受時鐘信號發生器同步，時鐘信號發生器受諧振控制器控制。所以:方波頻率受諧振控制環路控制。
[0064]Lz: 一個扼流圈
[0065]Cz:升壓變壓器和離子放電管組合后的電學模型(在電路中不存在Cz這個實體電容)
[0066]Cz和Lz串聯組成一個串聯諧振回路接在輸出級的輸出端。電路在穩態時，系統工作頻率在Lz和Cz的諧振頻率上。諧振時根據傅利葉變換。在Cz上將獲得與系統頻率同頻，相位與輸出級相差90度，幅度為輸出級幅度的Q倍(Q是Lz和Cz的諧振參數)的標準正弦波電壓。該電壓經升壓變壓器后驅動離子管。
[0067]諧振控制環路:是一個子系統，它與輸出級，時鐘信號發生器，Lz/Cz諧振回路構成一個大環路負反饋。控制目的:使Lz/Cz處于諧振狀態。本系統中Lz和Cz的固有頻率是一定的，通過改變工作頻率使之諧振。諧振控制環路的工作過程:檢測諧振相位和驅動相位，經過一個特殊的相位變換器，在諧振相位和驅動相位為90度時輸出零電壓，諧振相位超前驅動相位90度時產生一個使時鐘信號發生器頻率升高的輸出電壓。在諧振相位滯后驅動相位90度時產生一個使時鐘信號發生器頻率降低的輸出電壓。諧振控制環路實現Lz和Cz始終工作于諧振狀態。
[0068]齊納控制回路:是一個子系統，它與輸出級，供電設備，Lz/Cz諧振回路構成一個大環路負反饋。控制目的:控制離子管的齊納電流，使其工作穩定，并實現控制電路對離子管電流的控制，實現離子管輸出離子量的穩定與受控。控制方式與阻性負載驅動電路原理一致。
[0069]以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
【主權項】
1.一種等離子發生器，具有陽極和陰極，其特征在于，還包括:隔離所述陽極和所述陰極的非導電介質； 所述陽極采用金屬柱，所述陰極為由金屬絲編織成的環形金屬網，所述非導電介質為筒狀結構； 所述金屬柱設置在所述非導電介質的內部，所述環形金屬網包覆在所述非導電介質的外壁上。2.根據權利要求1所述的等離子發生器，其特征在于，所述金屬柱的外壁上均勻分布有若干個作為陽極放電端的毛刺狀的凸起； 所述金屬柱的凸起與所述非導電介質的內壁相接觸。3.根據權利要求2所述的等離子發生器，其特征在于，環形金屬網上具有若干個“十”字型結構的交叉點； 所述金屬柱的凸起與所述環形金屬網的交叉點相對。4.根據權利要求3所述的等離子發生器，其特征在于，所述金屬柱的凸起與所述環形金屬網的交叉點相對，具體包括: 所述金屬柱的每個凸起與所述環形金屬網的每個交叉點一一相對。5.根據權利要求1-4任一項所述的等離子發生器，其特征在于，在所述環形金屬網的表面積不大于5000平方毫米時，所述等離子發生器作為阻性負載； 在所述環形金屬網的表面積不小于20000平方毫米時，所述等離子發生器作為容性負載。6.一種阻性負載驅動系統，其特征在于，包括:依次連接的供電設備、自激振蕩器、升壓變壓器、權利要求1-4任一項所述的等離子發生器、齊納電流檢測元件、伺服控制器，所述伺服控制器與所述供電設備電連接，用于根據所述齊納電流檢測元件輸出的電流值與基準值比較，調節所述供電設備輸出的電壓。7.根據權利要求6所述的阻性負載驅動系統，其特征在于，還包括:調整與所述伺服控制器的基準值的控制電路，與所述伺服控制器連接。8.—種容性負載驅動系統，其特征在于，包括:供電設備、運算放大器、時鐘信號發生器、升壓變壓器、權利要求1-4任一項所述的等離子發生器、齊納控制電路、諧振控制電路； 所述運算放大器，其輸入端分別連接所述供電設備的輸出端和所述時鐘信號發生器的輸出端，其輸出端分別與所述升壓變壓器的初級繞組和所述諧振控制環路的輸入端連接，用于將電壓從方波變換為正弦波提供給所述升壓變壓器，以及將產生的驅動相位提供給所述諧振控制環路； 所述升壓變壓器，其次級繞組分別電連接所述等離子發生器和所述諧振控制電路，用于驅動所述等離子發生器，以及提供所述諧振控制電路諧振相位； 所述諧振控制環路與所述時鐘信號發生器連接，用于根據所述驅動相位及諧振相位，調整所述時鐘信號發生器的振蕩頻率； 所述齊納控制環路分別與所述等離子發生器和所述供電設備連接，用于根據流通所述等離子發生器的電流，調整所述供電設備輸出的電壓。9.根據權利要求8所述的容性負載驅動系統，其特征在于，所述時鐘信號發生器為調整式振蕩器。10.根據權利要求9所述的容性負載驅動系統，其特征在于，所述齊納控制環路由伺服控制器、齊納電流檢測元件、控制電路構成； 所述伺服控制器與所述供電設備連接，所述齊納電流檢測元件接在所述伺服控制器和所述等離子發生器之間，所述控制電路與所述伺服控制器連接。
【文檔編號】H05H1/24GK105992447SQ201510080705
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月13日
【發明人】李勇剛, 高煒
【申請人】北京依博科環保科技有限公司