Устройство и способ обработки газообразной среды и применение указанного устройства для обработки газообразной среды, жидкости, твердого тела, поверхности или любого их сочетания - RU2572895C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к устройству для плазменной обработки газообразной среды, способу плазменной обработки газообразной среды и к применению, как устройства, так и способа для обработки газообразной среды, жидкости, твердого тела, поверхности или любого их сочетания.

Известны разные способы возбуждения плазмы и разнообразные применения плазменной обработки, обзор которых приведен, например, в работе Bogaerts и др., опубликованной в журнале Spectrochimica Acta Part В 57 (2002) 609-658.

В данной области техники известна стерилизация газообразной среды посредством плазменной обработки указанной газообразной среды, в процессе которой плазма уничтожает бортовые микробы и химические токсины, как описывается, например, в документе WO 2005/079123 A2. Указанные способы обработки позволяют разрушить, например, определенные летучие органические соединения (VOC), в частности, длинноцепочечные VOC.

Кроме того, в данной области техники известно применение плазмы коронного разряда для стерилизации газообразной среды, как описано в документе США 5,814,135.

Следует отметить, что при применении известных в настоящее время устройств для обработки газообразной среды достигаемая степень стерилизации является недостаточной, поскольку обычно не разрушаются определенные микробы и токсины, например, короткоцепочечные VOC.

Таким образом, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить устройство и способ обработки газообразной среды без вышеуказанного недостатка, что позволит улучшить, т.е. усилить эффект обработки и обеспечить энергосбережение, т.е. снижение потребления энергии. Задачей изобретения является, в частности, синтез и разложение молекул, инактивация или фрагментация биологических структур, таких как белки, пыльца, споры, бактерии или вирусы.

Для решения поставленных задач в настоящем изобретении предлагается устройство для плазменной обработки газообразной среды и способ плазменной обработки газообразной среды, а также предлагается применение указанного устройства и способа для обработки газообразной среды, жидкости, твердого тела, поверхности или любого их сочетания в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.

Изобретение не ограничивается тем, что в настоящее время плазменная обработка газообразной среды, жидкости, твердого тела или их поверхности рассматривается как фотолиз, т.е. фотолитическая реакция; фотоны и/или электрические силы, создающиеся в плазме при проведении плазменной обработки, являются, в частности, стимуляторами фотолиза или поддерживают процесс фотолиза; кроме того, подразумевается, что эффективность молекулярных взаимодействий в плазме или под действием плазмы возрастает с началом дестабилизации молекул и в результате их взаимодействия с одним или многими фотонами.

Фотолиз, в основном, заключается в разложении и/или синтезе молекул, в частности, биомолекул, и/или в инактивации биомассы микроорганизмов посредством фрагментации. В описании настоящего изобретения подразумевается, что биомолекула представляет собой любую органическую молекулу, которая произведена живым организмом.

Фотолиз представляет собой процесс разрушения молекулярных связей под действием фотонов, т.е. под действием электромагнитных волн. В промышленности фотолиз находит применение, например, для отверждения полимеров, для разрушения болезнетворных микроорганизмов или газообразных загрязнителей в жидкостях или газах, или на твердых поверхностях под действием фотонов.

В контексте настоящего изобретения обработка газообразной среды, жидкости, твердого тела, поверхности или любого их сочетания включает синтез молекул в газообразной среде, в жидкости, твердом теле, поверхности или любом их сочетании и/или деконтаминацию газообразной среды, жидкости, твердого тела, поверхности или любого их сочетания. Деконтаминация включает, например, уменьшение количества молекул и/или биомассы микроорганизмов в газообразной среде, в жидкости, твердом теле, на поверхности или любом их сочетании. В частности, обработка заключается во фрагментации биологических структур.

В контексте настоящего изобретения словосочетание «синтез и/или деконтаминация» обозначает: синтез; деконтаминацию; синтез и деконтаминацию. Синтез, среди прочего, включает синтез водорода (H₂), как результат реформинга этанола и/или метанола.

Устройство для обработки газообразной среды согласно изобретению содержит в направлении потока газообразной среды генерирующее плазму устройство, обеспечивающее создание плазмы в газообразной среде. Плазма содержит, в частности, возбужденные молекулы, радикалы, ионы, свободные электроны, фотоны, или указанные частицы в любом сочетании. Устройство согласно изобретению содержит по меньшей мере одну диэлектрическую структуру, в частности по меньшей мере одну трубку, изготовленную из плавленого кварца. Плазма может переноситься в указанную по меньшей мере одну диэлектрическую структуру, в частности, после генерации плазмы в генерирующем плазму устройстве.

Имеющееся в устройстве согласно изобретению генерирующее плазму устройство может представлять собой, в частности, плазменную камеру, в которую поступает поток газообразной среды. Газообразная среда может представлять собой газообразную среду, которая подлежит обработке, либо газообразную среду, которая будет использоваться для обработки другой газообразной среды, жидкости, твердой поверхности или любого их сочетания.

Генерирующее плазму устройство содержит, в частности, генератор, создающий электромагнитное излучение от радиочастотного диапазона до микроволнового диапазона.

Диэлектрическая структура согласно изобретению может иметь форму, обеспечивающую передачу плазмы внутри структуры по всей длине. В частности, указанная структура может быть сформирована в виде трубки с поперечным сечением круглой, прямоугольной или овальной формы. Диэлектрическая структура, сформированная согласно изобретению, может иметь любое поперечное сечение.

В контексте настоящего изобретения подразумевается, что плазма является газом и/или паром, который под действием электрического поля диссоциирует на компоненты. Таким образом, плазма содержит фотоны, свободные электроны, ионы, свободные радикалы и нейтральные частицы, в частности возбужденные нейтральные частицы, наряду с другими элементами. Указанная плазма является, предпочтительно, нетепловой плазмой. В частности, степень ионизации указанной плазмы составляет менее 10%, предпочтительно, менее 5%, предпочтительнее, менее 3% и, наиболее предпочтительно, менее 1,5%.

Указанные виды плазмы могут быть генерированы устройством, описанным в документе WO 2005/079123 A2, как и плазма коронного разряда, плазма магнетронного разряда или плазма тлеющего разряда, рассмотренные в работе Bogaerts и др., опубликованной в журнале Spectrochimica Acta Part В 57 (2002) 609-658.

Вообще говоря, в дальнейшем описании подразумевается, что в плазме сосуществуют три приведенных ниже активных компонента, которые следует принимать во внимание, в частности, касательно эффекта обработки:

а) электрические силы, которые создаются в результате взаимодействия ионов, электронов и/или возбужденных молекул;

б) фотоны, в частности, ультрафиолетовые фотоны или ультрафиолетовое излучение;

в) соединения, в частности, загрязнители, например, активные химические соединения, в частности, радикалы, бортовые микробы и химические токсины в общем, в частности, летучие органические соединения (VOC), пыльца, бактерии, споры или вирусы.

В настоящее время установлено, что генерирующее плазму устройство в сочетании с диэлектрической структурой обеспечивает синергический эффект: преимущество генерирующего плазму устройства согласно изобретению состоит в том, что созданная плазма является наиболее подходящей для обработки большинства соединений;

предполагается, хотя изобретение этим не ограничивается, что благодаря переносу в диэлектрическую структуру плазма будет поддерживаться на большей протяженности и будет модифицироваться, таким образом, будет увеличиваться продолжительность взаимодействия плазмы с соединениями и/или будет улучшаться обработка газообразной смеси. Хотя изобретение этим не ограничивается, синергический эффект можно объяснить следующим образом: генерированная между плазмой и диэлектрической структурой поверхностная волна модифицирует плазму, в результате чего по меньшей мере часть электронов в плазме под действием поверхностной волны приобретает более высокую скорость и, соответственно, эффект обработки газообразной смеси улучшается.

Благодаря указанному размещению генерирующего плазму устройства и диэлектрической структуре обеспечивается дополнительный эффект, состоящий в том, что достигнутая обработка газообразной среды является энергосберегающей, поскольку энергия, которой снабжается генерирующее плазму устройство для создания плазмы, эффективно преобразуется в фотоны и электрические силы без значительных тепловых потерь в результате взаимодействия ионов, электронов и/или возбужденных молекул.

Указанное устройство можно установить, например, в вентиляционной системе и/или в системе кондиционирования воздуха, либо можно использовать как автономное устройство, в частности, как реакционную емкость для обработки воздуха.

Предпочтительно, в направлении потока газообразной среды ниже по ходу по меньшей мере одной диэлектрической структуры в устройстве размещена камера взаимодействия, во внутреннем пространстве которой имеется по меньшей мере одна специальная стенка.

Указанная камера взаимодействия обеспечивает преимущество, состоящее в том, что увеличивается продолжительность взаимодействия плазмы с активными соединениями, т.е. увеличивается продолжительность реакции, в результате чего, повышается эффект обработки.

При наличии указанной камеры взаимодействия обеспечивается дополнительный эффект, состоящий в увеличении числа фотонов, т.е. фотонных частиц плазмы. Хотя изобретение этим не ограничивается, в настоящее время указанный эффект можно объяснить следующим образом: в результате взаимодействия быстрых электронов с электрическим полем, созданным в камере взаимодействия, в частности, при торможении указанных быстрых электронов, т.е. при так называемом тормозном излучении, образуются дополнительные фотоны, которые переносятся из диэлектрической структуры в камеру взаимодействия.

Предпочтительно по меньшей мере одна стенка камеры взаимодействия покрыта алмазным покрытием, по меньшей мере, частично. Предпочтительнее по меньшей мере одна стенка камеры полностью покрыта алмазным покрытием со стороны, обращенной во внутреннее пространство камеры.

Преимущество заключается в том, что в плазме более эффективно рассеиваются фотоны, т.е. электромагнитное излучение, благодаря чему эффект обработки посредством указанных фотонов повышается. В частности, увеличению числа фотонов способствует алмазное покрытие, нанесенное по меньшей мере на часть стенки. Кроме того, эффект Рамана, т.е. неупругое рассеяние фотонов на алмазном покрытии, в частности, приводит к увеличению энергии, т.е. частоты по меньшей мере части рассеянных фотонов.

В данной области техники известно, что фотоны могут возбудить первичные и вторичные пары электрон-дырка в алмазах как, например, объяснено Gaudin и др., в работе Photoconductivity and photoemission of diamond under femtosecond VUV radiation (2005), Scientific Commons, http://en.scientificcommons.org/27223646. Хотя изобретение этим не ограничивается, в настоящее время предполагается, что первичные и вторичные пары электрон-дырка возбуждаются в алмазном покрытии и затем рекомбинируют с испусканием двух фотонов, в результате чего в камере взаимодействия увеличивается число фотонов.

Как альтернатива покрытию из натурального алмаза может применяться покрытие из оксида циркония и/или другие синтетические алмазные покрытия. В частности, может применяться алмазное покрытие, легированное азотом.

В данной области техники известно, что при легировании алмаза азотом можно создать так называемые заряженные центры окраска азот-вакансия, которые могут возбуждаться под действием видимого света и вызывать, соответственно, люминесценцию как, например, объяснено Han и др., в работе Three-Dimensional Stimulated Emission Depletion Microscopy of Nitrogen-Vacancy Centres in Diamond Using Continuous-Wave Light, опубликованной в журнале Nano Letters, 2009, Vol.9, No.9, 3323-3329. Хотя изобретение этим не ограничено, в настоящее время предполагается, что указанное легирование покрытия приводит к более эффективной дисперсии фотонов в плазме.

Предпочтительно, камера взаимодействия содержит размножающую структуру, которая, в частности, является перфорированной. В частности, в среднем направлении потока газообразной среды размножающая структура может иметь конусообразную форму. Предпочтительно, размножающая структура сформирована в виде эпициклоида. По меньшей мере, на часть поверхности размножающей структуры, предпочтительно, на всю поверхность размножающей структуры нанесено алмазное покрытие.

Термин «перфорированная» в контексте настоящего изобретения относится к структуре, имеющей отверстия, через которые может пройти воздух и/или плазма. Термин «среднее направление потока» в контексте настоящего изобретения означает среднее направление от входного отверстия камеры взаимодействия до выходного отверстия камеры взаимодействия, т.е. направление, по существу, параллельное продольной оси камеры взаимодействия.

Термин «эпициклоид» в контексте настоящего изобретения относится к размножающей структуре, имеющей вдоль выступа форму эпициклоида в среднем направлении потока. За счет размещения размножающей структуры в камере взаимодействия дополнительно увеличивается поверхность, имеющая алмазное покрытие, и, следовательно, усиливается описанный выше полезный эффект. Кроме того, благодаря конусообразной форме размножающей структуры обеспечивается эффект, состоящий в увеличении плотности плазмы в потоке газообразной среды, направляемой к выходу камеры взаимодействия, т.е. ниже по ходу камеры взаимодействия в плазме увеличивается количество заряженных частиц, которые могут использоваться для обработки.

Предпочтительно, во внутреннем пространстве размножающей структуры размещена, по существу, цилиндрическая структура, при этом цилиндрическая структура по меньшей мере частично покрыта алмазным покрытием, предпочтительно, полностью покрыта алмазным покрытием. Цилиндрическая структура, в частности, является перфорированной структурой. В частности, продольная ось цилиндрической структуры, по существу, параллельна среднему направлению потока и, предпочтительно, проходит в направлении продольной оси камеры взаимодействия.

Наряду с описанным выше полезным эффектом, дополнительное увеличение поверхности, имеющей алмазное покрытие, способствует более эффективному перемещению газообразной среды к выходному отверстию камеры взаимодействия.

Предпочтительно, в устройстве отсутствует микроволновое излучение, направленное по меньшей мере на одну диэлектрическую структуру.

Предпочтительно, в камере взаимодействия размещен по меньшей мере один электрод. Напряжение подается, в частности по меньшей мере на один электрод.

При наличии в камере по меньшей мере одного электрода достигается полезный эффект, состоящий в увеличении степени ионизации плазмы и, соответственно, в усилении эффекта обработки.

Напряжение, подаваемое, в частности по меньшей мере на один электрод, находится в диапазоне от 5 до 12 кВ. Таким образом, поддерживается генерирование плазмы и/или обеспечивается поддержание уже существующей в камере взаимодействия плазмы.

Предпочтительно, подача напряжения в камеру взаимодействия обеспечивается таким образом, чтобы размножающая структура выполняла функцию противоэлектрода по отношению к электроду, имеющемуся в камере взаимодействия, в частности, так чтобы электрод функционировал как катод, а размножающая структура функционировала как анод.

Хотя изобретение этим не ограничивается, в настоящее время согласно теории магнитогидродинамики предполагается, что полезный эффект состоит в усилении турбулентности в камере взаимодействия благодаря действию электромагнитных сил и конфигурации размножающей структуры, в результате чего улучшается однородность плазмы и, соответственно, повышается эффективность обработки; также предполагается, что созданные в камере взаимодействия электромагнитные силы способствуют переносу плазмы в дополнительные диэлектрические структуры, размещенные ниже по ходу камеры взаимодействия, к тому же предполагается, что в генерирующем плазму устройстве происходят аналогичные эффекты, в результате чего улучшается однородность плазмы и повышается эффективность обработки, а также в генерирующем плазму устройстве создаются электромагнитные силы, обеспечивающие более эффективную передачу плазмы в диэлектрические структуры, размещенные ниже по ходу генерирующего плазму устройства; в результате устройство согласно изобретению эффективно обеспечивает передачу воздуха и/или плазмы.

Предпочтительно по меньшей мере один электрод частично покрыт алмазным покрытием, предпочтительнее, электрод полностью покрыт алмазным покрытием.

Указанное алмазное покрытие обеспечивает описанный выше полезный эффект.

Как альтернатива покрытию из натурального алмаза может применяться покрытие из оксида циркония и/или другие синтетические алмазные покрытия. В частности, может применяться алмазное покрытие, легированное азотом.

Устройство согласно изобретению, что особенно предпочтительно, в направлении потока газообразной среды содержит по меньшей мере одну дополнительную диэлектрическую структуру, размещенную ниже по ходу камеры взаимодействия. В частности, устройство содержит по меньшей мере одну дополнительную трубку, изготовленную из плавленого кварца. Плазма переносится из камеры взаимодействия по меньшей мере в одну дополнительную диэлектрическую структуру.

Указанная по меньшей мере одна дополнительная диэлектрическая структура обеспечивает полезный эффект, который описывался выше.

Предпочтительно, в направлении потока газообразной среды ниже по ходу по меньшей мере одной дополнительной диэлектрической структуры в устройстве размещена дополнительная камера, предназначенную для гашения плазмы. Полезный эффект, обеспечиваемый указанной дополнительной камерой, т.е. релаксационной камерой, заключается в том, что в указанной камере активные частицы плазмы могут рекомбинировать, гася, таким образом, плазму. Следовательно, из дополнительной камеры выходит только, по существу, нейтральная газообразная среда, практически, без радикалов, не представляющая опасности для окружающей среды.

Дополнительная камера, что особенно предпочтительно, имеет конусообразное сечение в направлении потока.

Полезный эффект заключается в том, что повышается вероятность взаимодействия между частицами плазмы, и, следовательно, повышается вероятность рекомбинации, в результате чего, достигается, по существу, нейтральная газообразная среда.

Особенно предпочтительно, что по меньшей мере одна из диэлектрических структур покрыта внутри по меньшей мере частично, предпочтительнее, покрыта полностью покрытием, содержащим пигмент, преобразующий длину волны электромагнитного излучения для получения волны большей длины.

Преимущество состоит в том, что можно корректировать длину волны фотонов в плазме соответственно загрязнителям газообразной среды, подлежащей стерилизации, в частности, соответственно бортовым микробам или химическим токсинам. Указанная корректировка длины волны является предпочтительной, например, при обработке окружающей среды, содержащей известные загрязнители, к примеру, в зданиях, в которых установлено оборудование для кондиционирования воздуха. Таким образом, устройство согласно настоящему изобретению можно внедрить, например, в систему кондиционирования воздуха применительно к предполагаемым загрязнителям.

Предпочтительно, в устройстве предусмотрены средства, обеспечивающие подачу в устройство реакционного газа.

Положительный эффект заключается в улучшении генерирования плазмы, что достигается за счет увеличения степени ионизации плазмы, или за счет уменьшения количества энергии, необходимой для поддержания практически постоянной степени ионизации. В качестве реакционного газа может применяться, например, гелий. Можно обеспечить, в частности, синтез новых продуктов, подобных H₂ при уменьшении содержания летучих органических соединений (VOC).

Предпочтительно, камера взаимодействия содержит средства, обеспечивающие увеличение числа фотонов. В частности, обеспечивается увеличение числа фотонов выбранной длины волны.

Полезный эффект состоит в увеличении числа фотонов, т.е. в увеличении числа определенных активных частиц плазмы. Указанное увеличение числа фотонов приводит к улучшению эффекта обработки. Наиболее целесообразно увеличить число фотонов выбранной длины волны или выбранного диапазона длин волн, которые наиболее подходят для обработки определенных известных загрязнителей, длина волны, т.е. энергия указанных фотонов, должна соответствовать энергии, необходимой для расщепления или разрушения в плазме определенных известных загрязнителей.

В частности, генерирующее плазму устройство содержит кристаллы, которые обеспечивают в указанном генерирующем плазму устройстве увеличение числа фотонов. Примерами таких кристаллов являются кристаллы плавленого кварца, которые, в частности, оптически накачиваются, например, рубиновым лазером.

Предпочтительно, устройство содержит средства для фотонов, разрывающих связи, в частности, ультрафиолетовых фотонов.

Средства для фотонов, разрывающих связи, содержат окна, в частности, окна, прозрачные для ультрафиолетового излучения. Например по меньшей мере одна диэлектрическая структура, в частности по меньшей мере одна дополнительная диэлектрическая структура, может быть сформирована как окно для фотонов, разрывающих связи.

Полезный эффект заключается в том, что для обработки, в частности, жидкости, твердого тела, поверхности или любого их сочетания, могут использоваться исходящие из устройства фотоны. В частности, устройство может применяться для обработки воды. Таким образом, устройство можно использовать как источник фотонов.

Предпочтительно, в устройстве согласно изобретению имеется по меньшей мере один входной канал, который является входным каналом генерирующего плазму устройства и используется для переноса газообразной среды в генерирующее плазму устройство, причем входной канал генерирующего плазму устройства в направлении потока газообразной среды имеет конусообразное сечение.

Преимущество заключается в том, что скорость потока газообразной среды, направляемого во входной канал генерирующего плазму устройства, увеличивается и, соответственно, усиливается турбулентность в генерирующем плазму устройстве. К тому же, даже при небольшой скорости подачи газообразной среды в генерирующее плазму устройство достигается турбулентность, требуемая для генерирования плазмы, по существу, равномерной плотности, как и при увеличенной скорости подачи газообразной среды в генерирующее плазму устройство. Турбулентность в генерирующем плазму устройстве улучшает распределение плазмы, благодаря чему достигается по существу равномерная плотность плазмы.

Наиболее предпочтительно, устройство согласно изобретению содержит по меньшей мере один входной канал, который является входным каналом генерирующего плазму устройства для переноса газообразной среды в генерирующее плазму устройство, причем ниже по ходу входного канала размещен дефлектор, создающий турбулентность в потоке газообразной среды, поступающей в генерирующее плазму устройство.

Таким образом, генерирующее плазму устройство может содержать входной канал, имеющий конусообразное сечение, без дефлектора, входной канал, имеющий конусообразное сечение, с дефлектором и входной канал, имеющий сечение, отличное от конусообразного, с дефлектором.

Преимущество использования дефлектора для газообразной среды заключается в усилении создаваемой турбулентности в потоке газообразной среды, которая в генерирующем плазму устройстве способствует улучшению генерирования плазмы с созданием плазмы практически равномерной плотности, т.е. более однородной плазмы.

Дефлектор в генерирующем плазму устройстве может иметь любую геометрическую форму, обеспечивающую отклонение и/или каналирование потока газообразной среды, т.е. может являться криволинейным стенным сегментом.

Предпочтительно, во входном канале генерирующего плазму устройства и/или дефлекторе имеется по меньшей мере один направляющий канал для газообразной среды, в частности, спиралевидный направляющий канал.

Полезный эффект заключается в том, что по меньшей мере в части потока газообразной среды, поступающей в генерирующее плазму устройство по направляющему каналу, создается вихрь, который усиливает турбулентность в генерирующем плазму устройстве и способствует получению более однородной плазмы. Дополнительный полезный эффект заключается в увеличении продолжительности пребывания по меньшей мере части газообразной среды в генерирующем плазму устройстве, благодаря удлинению пути потока газообразной среды посредством направляющих каналов. Результатом является более эффективное генерирование плазмы и повышение эффективности обработки газообразной среды в генерирующем плазму устройстве.

Направляющий канал, в частности, сформирован в виде углубления в стенке входного канала генерирующего плазму устройства и/или дефлектора.

Предпочтительно, устройство содержит магнетрон, имеющий по меньшей мере основной электрод и по меньшей мере один противоэлектрод, к тому же имеется по меньшей мере один дополнительный электрод, который размещен в генерирующем плазму устройстве в зоне, сформированной выступом входного канала генерирующего плазму устройства вдоль среднего потока газообразной среды, проходящей по входному каналу генерирующего плазму устройства, причем, в частности, дефлектор создает турбулентное течение в указанной зоне.

Другими словами, дополнительный электрод размещен во входном канале генерирующего плазму устройства, по которому газообразная среда направляется непосредственно в генерирующее плазму устройство. Таким образом, дополнительно повышается способность генерирующего плазму устройства создавать плазму.

Предпочтительно, определено такое местоположение дефлектора, чтобы дефлектор не пересекал линию прямой видимости, проходящую от противоэлектрода до дополнительного электрода, в частности, кратчайшую прямую линию, соединяющую противоэлектрод и дополнительный электрод.

Следует отметить, что дефлектор не оказывает отрицательного влияния на создание плазмы в генерирующем плазму устройстве.

Словосочетание «кратчайшая прямая линия» относится к линии, соединяющей противоэлектрод и дополнительный электрод, точнее, к виртуальной линии, проходящей от противоэлектрода до дополнительного электрода.

Предпочтительно, на поверхность по меньшей мере одной стенки генерирующего плазму устройства нанесено покрытие из плавленого кварца, в частности, покрытие из плавленого кварца нанесено на поверхность стенки, которая расположена напротив входного канала генерирующего плазму устройства.

Благодаря наличию покрытия из плавленого кварца на поверхности стенки генерирующего плазму устройства обеспечивается полезный эффект, который заключается в ускорении части электронов под действием поверхностной волны до более высоких скоростей и подобен эффекту, создаваемому диэлектрическими структурами, размещенными ниже по ходу генерирующего плазму устройства, хотя изобретение этим не ограничено.

Предпочтительно, во внутреннем пространстве генерирующего плазму устройства имеется по меньшей мере одна секция, по существу, сужающаяся в направлении потока, и во внутреннем пространстве камеры взаимодействия имеется по меньшей мере одна секция, по существу, расширяющаяся в направлении потока, в результате чего, в устройстве согласно изобретению усиливается турбулентность и, в частности, улучшается однородность плазмы.

Другими словами по меньшей мере в одной секции генерирующего плазму устройства постепенно уменьшается размер, по существу, перпендикулярный среднему потоку, и по меньшей мере в одной секции камеры взаимодействия постепенно увеличивается размер, по существу, перпендикулярный среднему потоку.

Полезный эффект заключается в дополнительном повышении эффективности обработки газообразной среды в устройстве согласно изобретению.

Другим аспектом настоящего изобретения является создание способа обработки газообразной среды, в частности, воздуха. Для осуществления предлагаемого способа применяется, в частности, описанное выше устройство. Указанный способ включает этап создания плазмы в газообразной среде, подаваемой в генерирующее плазму устройство, и этап переноса плазмы по меньшей мере в одну диэлектрическую структуру.

Указанный способ, предпочтительно, осуществляется при применении устройства согласно настоящему изобретению. Следовательно, способ обработки газообразной среды согласно изобретению обеспечивает преимущества, аналогичные описанным выше.

Предпочтительно, способ включает этап передачи плазмы в камеру взаимодействия, размещенную в устройстве ниже по ходу указанной по меньшей мере одной диэлектрической структуры. Если требуется, плазма переносится по меньшей мере в одну дополнительную диэлектрическую структуру, размещенную ниже по ходу камеры взаимодействия. Предпочтительно, плазма переносится в дополнительную камеру, размещенную ниже по ходу по меньшей мере одной дополнительной диэлектрической структуры.

Согласно другому аспекту изобретения в устройстве, описанном выше, осуществляется вышеупомянутый способ согласно изобретению, применяемый для обработки газообразной среды, в частности, воздуха и/или метана. В частности, CO₂ смешанный, в частности, с паром и/или другими газами, предпочтительно, газами сгорания, может быть подвергнут реформингу.

В данной области техники, как известно, используются плазменные технологии для уменьшения эмиссии CO₂, как описано Morvova и др. (Journal of thermal analysis and calorimetry, volume 61 (2000) 273-287) и Morvova и др. (Utilisation of CO₂, fixation of nitrogen and exhaust gas cleaning in electric discharge with electrode catalysers). Кроме того, в данной области техники известен синтез предшественников аминокислот из моделированных планетарных атмосфер при использовании вакуумного ультрафиолетового света (Takahachi и др., Journal of applied physics, July 2005, volume 98, issue 2) также Civies и др. (Chemical Physics Letters 389 (2004) 169-173).

Дополнительным аспектом настоящего изобретения является применение описанного выше устройства и описанного выше способа для обработки жидкостей, твердых поверхностей или любого их сочетания, в частности, ультрафиолетовыми фотонами, исходящими из устройства. Альтернативно, обработка жидкостей, твердых поверхностей или любого их сочетания обеспечивается газообразной средой, обработанной в устройстве согласно изобретению и выпускаемой из указанного устройства.

Другим аспектом настоящего изобретения является применение описанного выше устройства и описанного выше способа для реформинга метанола, в частности, для производства водорода.

При применении указанного устройства и указанного способа обеспечивается описанный выше полезный эффект.

В данной области техники известен реформинг этанола и метана в микроволновом разряде поверхностной плазменной волны, как описано Yanguas-Gil и др. (applied Physics Letters, volume 85, no.18, 1. November 2004) и Jasinski и др. (Chiem. Listi 102, S.1332-S.1337 (2008); II Central European Symposium on Plasma Chemistry 2008).

Настоящее изобретение, согласно дополнительному аспекту, направлено на магнетрон, применяемый в описанном выше устройстве, который содержит основной электрод, противоэлектрод и петлеобразный электрод в виде замкнутого контура, в частности, кольцеобразный электрод, охватывающий определенную область, причем основной электрод магнетрона размещен в указанной области, в частности, практически в ее центре, дополнительный электрод размещен за пределами указанной области. Петлеобразный электрод содержит по меньшей мере один внутренний элемент, размещенный в указанной области, причем внутренний элемент размещен между петлеобразным электродом и основным электродом, по существу, параллельно оси, перпендикулярной петлеобразному электроду, и содержит по меньшей мере один наружный элемент, размещенный за пределами указанной области между петлеобразным электродом и дополнительным электродом, по существу, параллельно оси, перпендикулярной петлеобразному электроду.

При применении магнетрона в описанном выше устройстве обеспечивается полезный эффект, который, в частности, заключается в улучшении генерирования плазмы.

Следует отметить, если используется кольцеобразный электрод, то ось, перпендикулярная кольцеобразному электроду, является радиусом. Ось, проходящая между кольцеобразном электродом и дополнительным электродом, начинается на кольцеобразном электроде там, где размещен или сформирован наружный элемент. В частности, наружный элемент и внутренний элемент кольцеобразного электрода, размещены, по существу, параллельно радиусу кольцеобразного электрода.

При размещении на петлеобразном электроде по меньшей мере одного внутреннего элемента и по меньшей мере одного наружного элемента обеспечивается полезный эффект, который заключается в дополнительном повышении эффективности генерирования плазмы.

Наиболее предпочтительно, петлеобразный электрод содержит по меньшей мере два внутренних элемента, один из которых имеет первую длину, а другой из указанных внутренних элементов имеет другую, т.е. вторую длину. В частности, отношение длин внутренних элементов составляет 1,5:1 и, предпочтительно, 2:1.

Полезный эффект заключается в дополнительной поддержке генерирования плазмы.

Предпочтительно по меньшей мере один внутренний элемент и по меньшей мере один наружный элемент размещены на петлеобразном электроде в разных местах вдоль петли. В частности, магнетрон содержит по меньшей мере два наружных элемента и по меньшей мере два внутренних элемента, причем расстояние между внутренним элементом и наружным элементом вдоль петли составляет, по существу, 1/4 окружности петли. Предпочтительнее, магнетрон содержит по меньшей мере n наружных элементов и по меньшей мере n внутренних элементов, при этом расстояние между внутренним элементом и смежным наружным элементом вдоль петли, по существу, составляет 1/(2*n) окружности петли. Например, если магнетрон содержит n=8 внутренних элементов и n=8 наружных элементов, расстояние между каждым внутренним элементом и смежным наружным элементом вдоль петли составляет 1/16.

Полезный эффект заключается в дополнительном улучшении генерирования плазмы в генерирующем плазму устройстве и создании плазмы, по существу, более равномерной плотности.

Устройство согласно изобретению может применяться, в частности, для обработки воды, предпочтительно, питьевой воды.

При указанном применении устройства для осуществления способа обработки согласно изобретению достигаются описанные выше полезные эффекты.

Согласно следующему аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для обработки газообразной среды, в частности, описанное выше устройство, содержащее входной канал и выходное отверстие для газообразной среды. Устройство, кроме того, содержит средства, обеспечивающие увеличение числа фотонов. В частности, обеспечивается увеличение числа фотонов выбранной длины волны или выбранного диапазона длин волн. Кроме того, устройство согласно изобретению содержит средства для генерирования плазмы.

Указанное устройство обеспечивает описанные выше полезные эффекты.

Дополнительные задачи, преимущества и новые признаки изобретения станут очевидны из следующего подробного описания предпочтительных вариантов его осуществления, сопровождаемых схематичными чертежами.

Фиг.1 - схематичный общий вид устройства для обработки воздуха согласно изобретению, которое содержит генерирующее плазму устройство и диэлектрические трубки.

Фиг.2 - схематичный общий вид одного из вариантов осуществления устройства для обработки воздуха согласно настоящему изобретению, которое содержит дополнительную камеру взаимодействия.

Фиг.3 - схематичный общий вид дополнительного варианта осуществления устройства для обработки воздуха согласно изобретению, которое содержит дополнительные диэлектрические трубки.

Фиг.4 - схематичный общий вид еще одного варианта осуществления устройства для обработки воздуха согласно изобретению, которое содержит дополнительную камеру, а именно релаксационную камеру.

Фиг.5 - общий вид в перспективе одного из вариантов осуществления генерирующего плазму устройства.

Фиг.6 - вид в плане устройства для обработки воздуха согласно изобретению, которое содержит генерирующее плазму устройство, диэлектрические трубки и дополнительную камеру взаимодействия.

Фиг.7 - вид в перспективе размножающей структуры, которая применяется в камере взаимодействия.

Фиг.8 - вид в перспективе устройства, заключенного в корпус.

Фиг.9 - вид в плане представленного на фиг.8 устройства, заключенного в корпус. На фиг.1 представлено устройство 1 для обработки воздуха, которое содержит генерирующее плазму устройство 2, обеспечивающее создание плазмы 21. Генерирующее плазму устройство 2 представляет собой устройство описанное, например, в документе WO 2005/079123 A2.

Воздух 20 подается в генерирующее плазму устройство 2 при помощи наружных направляющих средств, которые на схематичном чертеже не показаны. При этом направляющие средства могут включать, среди прочего, наружные вентиляционные устройства.

Воздух 20 направляется в генерирующее плазму устройство 2 по входному каналу 5 устройства. В генерирующем плазму устройстве 2 плазма 21 создается в воздухе 20, т.е. воздух 20 преобразуется в плазму 21. Плазма 21 является плазмой атмосферного давления, т.е. ее давление составляет от 0,8 бар до 1,2 бар и температура составляет от 15°C до 45°C.

Через выходные отверстия 6 генерирующего плазму устройства плазма 21 переносится в три трубки, изготовленные из плавленого кварца, и затем по указанным трубкам перемещается к входному отверстию 7 камеры взаимодействия. При этом в плазме 21 ускоряется по меньшей мере часть электронов. Модифицированная в трубках 3 из плавленого кварца плазма 21 взаимодействует с загрязнителями, такими как бортовые микробы или химические токсины, благодаря чему, в плазме 21 уменьшается количество указанных загрязнителей. Следовательно, снижается степень загрязнения плазмы 21, которая выходит через выходное отверстие 7 камеры взаимодействия.

На фиг.2 представлен схематичный общий вид одного из вариантов осуществления устройства 1 для обработки воздуха, которое содержит дополнительную камеру 10 взаимодействия. На фиг.2 представлен вариант осуществления устройства согласно изобретению, содержащего уже описанные при рассмотрении фиг.1 элементы, которые далее обсуждаться не будут. В описании настоящего изобретения и на чертежах одинаковые ссылочные позиции используются для обозначения одинаковых деталей.

Покидающая две трубки 3 из плавленого кварца плазма 21 переносится во внутреннее пространство 11 камеры 10 взаимодействия через входное отверстие 7 указанной камеры. Во внутреннем пространстве 11 камеры 10 взаимодействия размещены два электрода 15. Электроды 15 полностью покрыты алмазным покрытием. От блока электропитания (не показано) к электродам 15 подается напряжение 10 кВ. Таким образом, поддерживается генерирование плазмы и/или обеспечивается поддержание уже существующей в камере взаимодействия плазмы.

Во внутреннем пространстве 11 камеры 10 взаимодействия плазма 21 также взаимодействует с загрязнителями, присутствующими в плазме 21, в результате чего, дополнительно снижается количество загрязнителей в плазме 21.

Далее плазма 21 выходит из камеры 10 взаимодействия через два выходных отверстия 8.

На фиг.3 представлен схематичный общий вид дополнительного варианта осуществления устройства 1 для обработки воздуха. На фиг.3 показано устройство 1, подобное представленным на фиг.1 и фиг.2, которое содержит дополнительные трубки 3' из плавленого кварца, размещенные ниже по ходу камеры 10 взаимодействия. Одинаковые детали на фиг.3, фиг.1 и фиг.2 обозначены одинаковыми ссылочными позициями.

Плазма 21 выходит из камеры 10 взаимодействия через выходные отверстия 8 указанной камеры и переносится в дополнительные трубки 3' из плавленого кварца. Указанные трубки 3' из плавленого кварца и трубки 3 из плавленого кварца, размещенные выше по ходу камеры 10 взаимодействия, выполняют одинаковую функцию. Далее плазма 21 покидает дополнительные трубки 3' из плавленого кварца и переносится в дополнительную камеру через входные отверстия 9 указанной камеры.

Стенка 12 камеры 10 взаимодействия имеет алмазное покрытие 13. Электроды 15 полностью покрыты алмазным покрытием 13.

На фиг.4 представлен схематичный общий вид дополнительного варианта осуществления устройства 1 для обработки воздуха согласно изобретению, которое содержит дополнительную камеру 16, т.е. релаксационную камеру, предназначенную для гашения плазмы 21.

Устройство 1 для обработки воздуха согласно изобретению содержит генерирующее плазму устройство. Генерирующее плазму устройство 2 является магнетроном 30. Воздух 20 при помощи наружной вентиляции (не показано) подается в генерирующее плазму устройство 2 по входному каналу 5 указанного устройства. Магнетрон функционирует как генерирующее плазму устройство 2 и создает плазму 21. Плазма 21 имеет давление в диапазоне от 0,7 до 1,3 бар и температуру в диапазоне от 20°C до 40°C. Плазма 21 через выходные отверстия 6 генерирующего плазму устройства переносится в трубки 3 из плавленого кварца, которые имеют покрытие, содержащее пигменты 4, преобразующие длину волны электромагнитного излучения для получения волны большей длины.

Далее плазма 21 переносится в камеру 10 взаимодействия через входные отверстия 7 указанной камеры. Сторона стенки 12 камеры 10 взаимодействия, обращенная во внутреннее пространство 11, полностью покрыта алмазным покрытием 13. Электроды 15 во внутреннем пространстве 11 камеры 10 взаимодействия полностью покрыты алмазным покрытием 13. Плазма 21 взаимодействует с загрязнителями, присутствующими в обрабатываемом потоке, далее плазма 21 переносится в трубки 3' из плавленого кварца.

Затем плазма 21 переносится в дополнительную камеру 16 через входные отверстия 9 указанной камеры, в которой происходит гашение плазмы 21.

Дополнительная камера 16 имеет конусообразное сечение 17 в направлении потока. Поток воздуха 20, который вблизи выходного отверстия 18 дополнительной камеры практически уже не является плазмой 21, покидает устройство 1 через указанное выходное отверстие 18 дополнительной камеры.

На фиг.5 представлено генерирующее плазму устройство, на стенке 12 которого размещено несколько дефлекторов 19 для создания турбулентности в потоке воздуха, поступающего в генерирующее плазму устройство 2. Кроме того, генерирующее плазму устройство 2 имеет внутреннюю стенку с поверхностью 22 из плавленого кварца, расположенную напротив входного канала генерирующего плазму устройства (не показано). Генерирующее плазму устройство содержит дополнительные электроды 33, размещенные в зоне, сформированной выступом входного канала генерирующего плазму устройства (не показано) вдоль среднего направления потока газообразной среды, проходящей через входной канал генерирующего плазму устройства.

В стенке с поверхностью из плавленого кварца, выполнены выходные отверстия 6 генерирующего плазму устройства, к которым подсоединены диэлектрические структуры 3 для вывода плазмы из генерирующего плазму устройства.

Кроме того, генерирующее плазму устройство 2 содержит электрод 31 магнетрона и петлеобразный электрод 32 с наружными элементами 35 и внутренними элементами 34. Петлеобразный электрод 32 выполнен в виде кольца. Наружные элементы 35 размещены на петлеобразном электроде 32 параллельно прямой линии, соединяющей электрод 31 магнетрона с дополнительным электродом 33.

Каждый из внутренних элементов 34 петлеобразного электрода 32 размещен параллельно прямой линии, соединяющей электрод 31 магнетрона с петлеобразным электродом 32. Внутренние элементы 34 отличаются по длине, при этом внутренние элементы одного типа вдвое длиннее внутренних элементов другого типа, т.е. отношение длин внутренних элементов составляет 2:1.

На фиг.6 представлен еще один вариант осуществления устройства 1 для обработки газообразной среды согласно настоящему изобретению, которое содержит генерирующее плазму устройство 2 и камеру 10 взаимодействия.

На фиг.6 показано в плане изображенное на фиг.5 устройство, которое содержит генерирующее плазму устройство. Ниже по ходу генерирующего плазму устройства размещены трубки 3 из плавленого кварца, которые имеют покрытие, содержащее пигменты 4, преобразующие длину волны электромагнитного излучения для получения волны большей длины.

Входной канал 5 генерирующего плазму устройства имеет в направлении потока конусообразное сечение 14.

Также на чертеже показан противоэлектрод 36 в виде кольца с перфорированными стенными секциями, расположенными практически параллельно радиусу кольца.

Плазма переносится в камеру 10 взаимодействия через входное отверстие 7 указанной камеры, в которой размещены электроды 15, обеспечивающие поддержание плазмы в камере 10 взаимодействия.

Камера 10 взаимодействия, к тому же, содержит размножающую структуру 23 в форме эпициклоида и цилиндрическую структуру 24, размещенную в объеме, который охватывает размножающая структура 23, причем на размножающую структуру, цилиндрическую структуру и стенку 12 нанесено алмазное покрытие 13.

Плазма через выходные отверстия 8 камеры взаимодействия переносится в трубки 3' из плавленого кварца.

Внутреннее пространство 26 генерирующего плазму устройства, по существу, сужается в среднем направлении потока газообразной среды, а внутреннее пространство 11 камеры 10 взаимодействия, по существу, расширяется в среднем направлении потока газообразной среды.

На фиг.7 представлен вид в перспективе размножающей структуры 23, цилиндрической структуры 24 и стенки 12, причем на размножающую структуру 23, цилиндрическую структуру 24 и стенку 12 нанесено алмазное покрытие.

На фиг.8 представлено устройство 1, которое заключено в корпус. На чертеже видны только входные каналы 5 генерирующего плазму устройства. Входные каналы 5 генерирующего плазму устройства, приближенные к внешнему радиусу, содержат спиралевидные направляющие каналы 25.

На фиг.9 показано в плане изображенное на фиг.8 устройство 1. В устройстве 1, показанном на фиг.9, участок между входными каналами 5 генерирующего плазму устройства для подачи воздуха 20 и выходными отверстиями 8 камеры взаимодействия имеет такую же конфигурацию, как подобный участок устройства 1, показанного на фиг.6.

Устройство 1, представленное на фиг.9, в отличие от устройства, представленного на фиг.6, имеет во входных каналах 5 генерирующего плазму устройства направляющие каналы 25 и дефлектор 19, усиливающий турбулентность потока.

Ниже по ходу выходных отверстий 8 камеры взаимодействия размещены дополнительные диэлектрические структуры 3' в виде диэлектрических трубок, которые находятся в потоковом взаимодействии с входными отверстиями дополнительной камеры 9.

Плазма может переноситься в дополнительную камеру 16 через входные отверстия 9 указанной камеры. Благодаря конусообразному сечению 17 дополнительной камеры 16 облегчается вывод из устройства 1 обработанной газообразной среды, которая практически уже не является плазмой, через выходное отверстие 18 дополнительной камеры.

Реферат

Изобретение относится к устройству для плазменной обработки газообразной среды. Устройство содержит генерирующее плазму устройство для создания в газообразной среде плазмы, диэлектрическую структуру, сформированную в виде трубки из плавленого кварца, причем плазма способна переноситься в диэлектрическую структуру, и камеру взаимодействия, включающую внутреннее пространство и стенку. Изобретение обеспечивает эффективную обработку газообразной среды и снижение потребления энергии. 7 н. и 20 з.п. ф-лы, 9 ил.

Формула