一种双栅格面式均匀离子体发生器件及其制备方法
阅读说明：本技术 一种双栅格面式均匀离子体发生器件及其制备方法 (Double-grid-surface type uniform plasma generator and preparation method thereof ) 是由 王耀功 石益鑫 麻晓琴 于 2021-08-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双栅格面式均匀离子体发生器件结构及其制备方法,属于气体净化器件结构设计领域。利用电极片制成栅格状的三维结构,在外加高压电源时,正电极X与负电极X、正电极Y与负电极Y在所围成的腔体内形成高场强区域,受电场力作用气体中部分分子发生电离产生等离子体。由于整个器件结构是通过四种电极所围成周期性排列的腔体,存在大量这样的放电空间,因此在整个器件内部可以产生大量均匀的等离子体。因而能够在有限的空间内实现更大强度地放电,而且造价便宜,可以解决空气消毒、废气废液处理以及等离子材料改性等具体领域的工业应用中等离子体产生效率低下、处理空间有限以及大功率消耗等缺点。(The invention discloses a double-grid-surface type uniform plasma generator structure and a preparation method thereof, belonging to the field of structural design of gas purification devices. The electrode plate is made into a grid-shaped three-dimensional structure, when a high-voltage power supply is externally added, a high-field-intensity area is formed in a cavity surrounded by the positive electrode X and the negative electrode X, and partial molecules in gas are ionized under the action of electric field force to generate plasma. Because the whole device structure is a cavity which is surrounded by four electrodes and is periodically arranged, a large number of discharge spaces exist, and a large number of uniform plasmas can be generated in the whole device. Therefore, the plasma generator can realize discharge with higher intensity in a limited space, has low manufacturing cost, and can overcome the defects of low plasma generation efficiency, limited processing space, high power consumption and the like in the industrial application of the specific fields of air disinfection, waste gas and liquid treatment, plasma material modification and the like.)
技术领域
本发明属于气体净化器件结构设计领域，涉及一种双栅格面式均匀离子体发生器件结构及其制备方法。
背景技术
等离子体是除了固、液、气之外的第四种物质存在状态，不同于其他三种状态，等离子体中包含大量非束缚态的带电粒子，且正负粒子的带电总量相等，在等离子体显示器、化学分析装置、医学、材料处理、航空航天及环境治理等领域有着广泛的应用。产生等离子体需要外加激励将气体分子电离，目前存在的等离子体发生器件结构多种多样，气动激励的种类主要有电弧放电等离子、电晕放电等离子体、激光放电等离子体、微波放电等离子体以及介质阻挡放电等离子体等激励方式。上述气动激励中以介质阻挡放电等离子体气动激励方式，即DBD等，离子体气动激励的研究最为深入，技术最为成熟。
DBD等离子体流动控制技术作为一种新型的主动流动控制技术，相较于传统的主动流动控制技术，有着许多本质上的优势：
(1)结构简单，具有较小的尺寸和较轻的重量；
(2)对于流动反馈迅速灵敏，具有较高的带宽，能够在多变方案条件下工作，易于实现流动控制的自动化与智能化；
(3)较低的能量消耗，在非稳定方案下工作每厘米只需0.07-0.14瓦特；
(4)在流动控制中无附加质量输入，属于严格意义上的零质量流量控制，在待机状态下对流动无影响。
常见的DBD结构是金属-介质-金属结构，根据其电极种类可分为多层电极结构、对向电极结构及共面电极结构。其中对向电极结构适用与局部放电情况，共面电极结构适用于单层大面积放电，但是上述两种结构都难以实现空间上大范围、均匀度较高的放电。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种双栅格面式均匀离子体发生器件结构及其制备方法，能够实现在大空间范围内产生均匀等离子体，从而应用于臭氧产生等多种领域尤其是在气体净化处理方面。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种双栅格面式均匀离子体发生器件，包括第一金属板、第二金属板、第三金属板和第四金属板；
所述第一金属板连接外接的高压电源并接地，第二金属板和第三金属板分别连接外接的高压电源正极，第四金属板连接外接的高压电源并接地；
在第一金属板上设置若干层负电极X，负电极X为平行于水平面并具有一定宽度的金属电极，且负电极X与第三金属板连接；在第二金属板上设置若干列正电极Y，正电极Y为垂直于水平面并具有一定宽度的金属电极，且正电极Y与第四金属板连接；在第三金属板上设置若干层正电极X，正电极X为平行于水平面并具有一定宽度的金属电极，且正电极X与第一金属板连接：在第四金属板上设置若干列负电极Y，负电极Y为垂直于水平面并具有一定宽度的金属电极，且负电极Y与第二金属板连接；
所有的正电极X、负电极X与所有的正电极Y、负电极Y呈周期性垂直交叉排列，交织构成一个经纬相交的栅格三维结构。
优选地，若干层正电极X在竖直方向上周期性排列，若干层负电极X在竖直方向上周期性排列。
进一步优选地，竖直方向上的正电极X与负电极X相互交替平行排列，且正电极X与负电极X之间的间距均匀且相等。
优选地，若干列正电极Y在水平方向上周期性排列，若干列负电极Y在水平方向上周期性排列。
进一步优选地，水平方向上的正电极Y与负电极Y相互交替平行排列，且正电极Y与负电极Y之间的间距均匀且相等。
优选地，每层正电极X之间的间距相等，每层负电极X之间的间距相等，每列正电极Y之间的间距相等，每列负电极Y之间的间距相等。
优选地，正电极X、负电极X与正电极Y、负电极Y相交处所形成的那个十字在空间上是均匀周期分布的均匀分布。
优选地，正电极X、负电极X与正电极Y、负电极Y的交叉处通过绝缘材料分离，绝缘材料设置在水平方向上，用于分离相互垂直的电极。
优选地，所述正电极X、负电极X、正电极Y和负电极Y均由金属铝制成，且在最外层镀有氧化铝保护膜。
10、权利要求9所述的双栅格面式均匀离子体发生器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：清洗铝基片；
步骤二：对铝基片进行裁剪，制备出目标器件即电极X、负电极X、正电极Y、负电极Y以及四个金属板的结构形状；
步骤三：对铝基片进行阳极电化学氧化反应，使其表面生成一定厚度的氧化铝保护膜；
步骤四：对部分铝基片进行刻蚀处理，形成沟槽，使其能够对电极进行固定，防止放电过程中电极片之间的距离发生改变；
步骤五：对部分铝基片进行刻蚀处理，形成间隙，使其能够对其他电极进行垂直穿插，形成目标结构；
步骤六：使用绝缘材料固定正电极X、负电极X与正电极Y、负电极Y垂直交叉处，并固定正电极X、负电极X、正电极Y和负电极Y在第一金属板、第二金属板、第三金属板和第四金属板的连接处。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开的双栅格面式均匀离子体发生器件，利用交错设计的电极片制成栅格状的三维结构，在外加高压电源时，正电极X与负电极X、正电极Y与负电极Y在所围成的腔体内形成高场强区域，受电场力作用气体中部分分子发生电离产生等离子体。由于整个器件结构是通过四种电极所围成周期性排列的腔体，存在大量这样的放电空间，因此在整个器件内部可以产生大量均匀的等离子体。本发明的不同极性的电极之间构成的放电空间，是一种栅格阵列式结构，其最大的优点是整个放电区域由电极构成，大大增加了放电面积及放电效率，减小气体通过器件的阻力，使得在有限的空间内实现更大强度地放电，能够产生大量均匀等离子体，能够极大地提高等离子体产生效率，因而能够更好地应用于废气废液或可挥发性有机物的处理中，能够有效提高工作效率，缩短工作时间。
进一步地，正电极X、负电极X与正电极Y、负电极Y交叉处通过绝缘材料分离，绝缘材料一方面的作用是分离相互垂直的电极面，另一方面用以稳固整个器件结构。
附图说明
图1为本发明公开的栅格面式均匀等离子体发生器件结构的三维示意图；
图2为本发明公开的栅格面式均匀等离子体发生器件结构的正视截面图；
图3为图2中A即铝基侧截面放大图；
图4为本发明公开的栅格面式均匀等离子体发生器件结构的右视截面图；
图5为本发明公开的栅格面式均匀等离子体发生器件结构的顶视截面图。
其中，1为第一金属板；2为第二金属板；3为第三金属板；4为第四金属板；5为正电极X；6为负电极X；7为正电极Y；8为负电极Y；9为绝缘材料；10为高压电源；11为金属铝；12为氧化铝。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
图1所示为栅格面式均匀等离子体发生器件结构的三维示意图，其中正电极X 5为平行于水平面并具有一定宽度的金属电极，在垂直水平方向上周期性排列，并且每层正电极X 5之间的间距相等，所有正电极X5都在第三金属板3上，保持相同极性和电位，正电极X5与第一金属板1之间通过绝缘材料9连接固定，第三金属板3连接高压电源10正极；负电极X6为平行于水平面并具有一定宽度的金属电极，在垂直水平方向上周期性排列，并且每层负电极X 6之间的间距相等，所有负电极X 6都在第一金属板1上，保持相同极性和电位，负电极X 6与第三金属板3之间通过绝缘材料9连接固定，第一金属板1连接高压电源10并与地相接；正电极X 5与负电极X 6相互交替平行排列，且正电极X 5与负电极X 6之间的间距均匀且相等；正电极Y 7为垂直于水平面并具有一定宽度的金属电极，在平行水平方向上周期性排列，并且每层正电极Y 7之间的间距相等，所有正电极Y 7都在第二金属板2上，保持相同极性和电位，正电极Y 7与第四金属板4之间通过绝缘材料9连接固定，第二金属板2连接高压电源10正极；负电极Y 8为垂直于水平面并具有一定宽度的金属电极，在平行水平方向上周期性排列，并且每层负电极Y 8之间的间距相等，所有负电极Y 8都在第四金属板4上，保持相同极性和电位，负电极Y 8与第二金属板2之间通过绝缘材料9连接固定，第四金属板4连接高压电源并与地相接；正电极Y 7与负电极Y 8相互交替平行排列，且正电极Y 7与负电极Y 8之间的间距均匀且相等；正电极X 5、负电极X 6与正电极Y 7、负电极Y 8周期性垂直交叉排列，整体构成一个经纬相交的栅格三维结构，且正电极X 5、负电极X 6与正电极Y 7、负电极Y 8相交处均匀分布；正电极X 5、负电极X 6与正电极Y 7、负电极Y 8交叉处通过绝缘材料9分离，其中绝缘材料9在X方向上，绝缘材料9一方面的作用是分离相互垂直的电极面，另一方面用以稳固整个器件结构；正电极X 5所使用的材料为金属铝11，其外层有一定厚度的氧化铝12保护膜；负电极X 6所使用的材料为金属铝，其外层有一定厚度的氧化铝保护膜；正电极Y 7所使用的材料为金属铝，其外层有一定厚度的氧化铝保护膜；负电极Y 8所使用的材料为金属铝，其外层有一定厚度的氧化铝保护膜；第一金属板1、第二金属板2、第三金属板3和第四金属板4所使用的材料为金属铝，其外层有一定厚度的氧化铝保护膜；
图2所示为栅格面式均匀等离子体发生器件结构正视截面图，从左到右依次是第三金属板3、正电极Y 7、负电极Y 8和第一金属板1；从上到下依次是第二金属板2，正电极X5、负电极X 6和第四金属板4。正电极X 5、负电极X 6与正电极Y 7、负电极Y 8相互垂直，所围成的放电空间为长方体，正电极X 5与第三金属板3相连，与第一金属板1通过绝缘材料9相连，负电极X 6与第一金属板1相连，与第三金属板3通过绝缘材料9相连，正电极Y 7与第二金属板2相连，与第四金属板4通过绝缘材料9相连，负电极Y 8与第四金属板4相连，与第二金属板2通过绝缘材料9相连。
图4所示为栅格面式均匀等离子体发生器件结构右视截面图，从图中可知在各电极交叉处通过绝缘材料连接在一起。
图5所示为栅格面式均匀等离子体发生器件结构的顶视截面图，从图中可知绝缘材料有一定长度，但并没有完全截断电极，绝缘材料在其相应的电极上形成锯齿状结构。
本发明提出的栅格面式均匀等离子体发生器件结构，利用被一定程度氧化的铝基和铝电极片制成栅格状的三维结构。在外加高压电源时，正电极X与负电极X、正电极Y与负电极Y在所围成的腔体内形成高场强区域，受电场力作用气体中部分分子发生电离产生等离子体。由于整个器件结构是通过四种电极所围成周期性排列的腔体，存在大量这样的放电空间，因此在整个器件内部可以产生大量均匀的等离子体。这种栅格阵列式均匀等离子体发生器件结构最大的优点是整个放电区域由电极构成，大大增加了放电面积及放电效率，减小气体通过器件的阻力，使得在有限的空间内实现更大强度地放电，而且造价便宜，可以解决空气消毒、废气废液处理以及等离子材料改性等具体领域的工业应用中等离子体产生效率低下、处理空间有限以及大功率消耗等缺点，降低工业生产运营和维护成本。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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