專利名稱：使用高強(qiáng)度和高功率超聲波在等離子體中增強(qiáng)氣相反應(yīng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在等離子體中的增強(qiáng)氣相反應(yīng)的方法。本發(fā)明還涉及用于在等離子體
中增強(qiáng)氣相反應(yīng)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
等離子體是一種離子化氣體。等離子體中的激活的各種離子、電子、高能中子、自 由基以及紫外放射可用于各種事情。等離子體產(chǎn)生或所產(chǎn)生的等離子體還可以有利地被用 于各種目的或應(yīng)用，比如產(chǎn)生臭氧、制氫、廢氣清潔、污染控制、氣味去除、燃料轉(zhuǎn)化、殺菌、 氧化等。 臭氧可以通過(guò)將三個(gè)單個(gè)氧原子重新結(jié)合而形成，其中單個(gè)氧原子是從等離子體 中的雙原子氧分裂出來(lái)的。燃料轉(zhuǎn)化是自然存在或經(jīng)改進(jìn)的燃料的化學(xué)或物理轉(zhuǎn)變，以提 高燃料的質(zhì)量。燃料轉(zhuǎn)化過(guò)程可以得到一種或者多種升級(jí)的燃料產(chǎn)品，其可以是固體、液體 或氣體，并且可以產(chǎn)生用于化學(xué)制造的化學(xué)制品或原材料。例如，煤一般需要減小尺寸、清 洗和惰性物質(zhì)(inert species)的去除。天然氣需要利用氣液和C2化合物的分離將H2S 和C02去除。然而，"氣-到-液"的燃料轉(zhuǎn)化(液化)也相當(dāng)重要。這里天然氣的主要成 分CH4在一步或多步化學(xué)反應(yīng)中被轉(zhuǎn)化成液體燃料。 存在多種等離子體，包括直流等離子體、電容耦合等離子體、脈沖等離子體、 磁控管等離子體、電子回旋共振等離子體、電感耦合等離子體、螺旋波等離子體、螺旋 共振器等離子體、微波等離子體和等離子體射流(例如參見(jiàn)，A Bogaerts等人發(fā)表于 Spectrochimica Pt. B57 (2002) 609-658的文章)。這些等離子中的許多都是在低氣壓下工 作，缺點(diǎn)是他們需要昂貴的真空系統(tǒng)。此外，僅充分發(fā)展了用于批量或半批量處理的方法。 為了克服這些缺點(diǎn)，可以使用常壓等離子體表面改進(jìn)系統(tǒng)，其不僅避免了對(duì)真空設(shè)備的需 要，還允許較大對(duì)象的表面改性和生產(chǎn)線連續(xù)表面的改性(例如參見(jiàn)，C Tendero等人發(fā)表 于Spectrochimica Pt. B 61 (2006) 2-30的文章)。 在圖1中示出現(xiàn)有技術(shù)等離子體應(yīng)用系統(tǒng)，并且在下面對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。 圖l例示在常壓下可用的已知的所謂介質(zhì)阻擋放電(DBD)類型的電容耦合等離子體的例 子。 其它各種類型的等離子體源包括具有基本上定位在兩個(gè)電極之間的中間處的單 介質(zhì)阻擋層或者僅覆蓋電極之一的單介質(zhì)阻擋層的介質(zhì)阻擋放電(DBD)。這樣的等離子體 源還通常被稱為體積放電(VD)源，其中微放電發(fā)生在一般隨機(jī)分布于電極和/或電介質(zhì)表 面的薄通道中。其它DBD等離子體源包括所謂的表面放電(SD)等離子體源，其典型地包括 在電介質(zhì)層上的若干表面電極和在電介質(zhì)層的相反側(cè)上的相對(duì)電極。這樣的SD等離子體 源可以包括所謂的SPCP(表面放電誘導(dǎo)的等離子體化學(xué)過(guò)程)放電元件或CDSD(共面漫射 表面放電)元件。在SPCP中，電極接附在電介質(zhì)上而在CDSD中電極嵌入在電介質(zhì)中。
其他類型的等離子體源例如是所謂的等離子體炬，比如，電弧等離子體炬、冷等離 子體炬(例如參見(jiàn)H Mortensen等人發(fā)表于Jpn. J Appl. Phys. 45 (10B) (2006) 8506-8511的文章)、常壓等離子體射流(APPJ)，類鉛筆炬(pencil like torches)、阻擋炬(barriertorches)和微波炬(例如參見(jiàn)C Tendero等人發(fā)表于Spectrochimica Pt. B 61(2006)2-30的文章)。然而，另一種類型的等離子體源是所謂的滑動(dòng)弧(例如參見(jiàn)，A Fridman等人發(fā)表于J. Phys. D Appl. Phys. 38 (2005) R1-R24的文章)。 另外類型的等離子體源有低氣壓等離子體、電暈放電(例如參見(jiàn)A Bogaerts等人發(fā)表于Spectrochimica Pt. B 57 (2002) 609-658的文章)和微等離子體(例如參見(jiàn)，V Karanassios發(fā)表于SpecrochimicaActa Pt. B 59 (2003) 909-928的文章)。例如參見(jiàn)以下文章可以得到等離子體和常壓等離子體的進(jìn)一步細(xì)節(jié)A Bogaerts等人發(fā)表于Spectrochimica Pt. B 57 (2002) 609-658的文章，U Kogelschatz發(fā)表于Plasma Chem.Plasma Proc. 23 (1) (2003) 1—46的文章，C Tendero等人發(fā)表于Spectrochimica Pt. B61 (2006)2-30的文章和A Fridman等人發(fā)表于J. Phys. D Appl. Phys. 38 (2005) R1-R24的文
化早。 Stanislav Pekarek， Rudolf Balek等人的三篇文章'Ozonegeneration byhollow-needle to plate electrical in an ultrasound field ' ， J. Phys. D :Appl.Phys. 37(2004) 1214-1220 ; ' Ultrasound and airflowinduced thermal instabilitysuppression of DC corona discharge :anexperimental study' ，Plasma Sources Sci.Technol. 15(2006)52-58禾口' Ultrasonic resonator with electrical discharge cellfor ozonegeneration' 'Ultrasonics 46 (2007) 227-234，披露了 DC電暈放電的抑制，其中使用超聲或者超聲與氣流的結(jié)合，并連同中空針-板電極系統(tǒng)一起，用來(lái)激勵(lì)電暈放電用于產(chǎn)生臭氧。還發(fā)現(xiàn)超聲波的應(yīng)用增加了臭氧的產(chǎn)生。 題 為 ' Improvement of Charging Performance of CoronaCharger inElectrophotography by Irradiating Ultrasonic Wave toSurrounding Region ofCorona Electrode' (Kwang-Seok Choi，SatoshiNakamura and Yuji Murata Jpn. J. Appl.Phys.44(5A) (2005)3248-3252.)的文章披露了在電子攝影術(shù)中使用超聲波提高電暈放電的放電速度，其中超聲波增加涂層鋁鼓的絕緣層上的電荷密度，其中所述涂層鋁鼓替代了用于打印的感光鼓。在這些文章中至少一些發(fā)現(xiàn)也已經(jīng)在專利申請(qǐng)CZ 295687中進(jìn)行了披露。 上面提及的文章中所披露的超聲發(fā)生器是基于壓電換能器。其中沒(méi)有提及所發(fā)射的聲學(xué)波或超聲波的特定或優(yōu)選的聲壓水平或者其優(yōu)點(diǎn)。 此外，這些文章中提到，以所產(chǎn)生超聲的20. 3kHz的頻率在換能器發(fā)射表面附近由超聲布置所產(chǎn)生的聲壓分別在2和10kPa的量級(jí)。在第四篇文章中，超聲發(fā)生器是28kHz、直徑50mm且高度80mm的螺栓緊固夾心型(bolt-clamped Langevin-type)壓電換能器。最大的輸入功率是50W。從這些值給出所發(fā)出的聲壓值估計(jì)大約為2kPa。 2kPa和10kPa的壓力值對(duì)應(yīng)于比參考?jí)毫?0iiPa高出160dB和174dB的非常高的聲壓水平?？梢怨烙?jì)出上面詳細(xì)說(shuō)明的在上述頻率的聲壓對(duì)應(yīng)于4. 4kW/m2和20kW/m2的超聲強(qiáng)度，或者對(duì)應(yīng)于比lpW/m2的參考強(qiáng)度高出156dB和163dB的聲音強(qiáng)度水平。這使得這些文章中的至少一些中所應(yīng)用的超聲波表征為高強(qiáng)度。然而，根據(jù)這些文章中所提供的聲學(xué)功率實(shí)際上太低并且太局部化，不能對(duì)等離子體中的氣相進(jìn)行有效的和大體積的增強(qiáng)。 類似的情況可以參照專利說(shuō)明書(shū)US6，391， 118概述。其披露了使用電暈放電在設(shè)備中從物品的表面去除粒子的方法。為粒子提供電荷并且隨后將超聲波或氣流應(yīng)用到物品 的表面，同時(shí)應(yīng)用電場(chǎng)以將帶有電荷的固體粒子從表面趕走。超聲波和/或氣體的應(yīng)用進(jìn) 一步方便了帶電固體粒子的去除。這里，超聲發(fā)生器(振蕩器)的種類包括壓電振蕩器、 聚合物壓電膜、電致伸縮振蕩器、朗之萬(wàn)(Langevin)振蕩器(即上述的特定類型的壓電換 能器)、磁致伸縮振蕩器、電動(dòng)變壓器和電容變壓器。使用這樣的振蕩器提供的聲學(xué)功率低 (不大于50W)并且局部化。其太低并且太局部化，以致不允許有效且大幅地改進(jìn)等離子體 中的氣相。此外，沒(méi)有披露所發(fā)射的超聲波的特定或優(yōu)選的聲壓水平或者其優(yōu)點(diǎn)。
Nakane等人發(fā)表于Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 43， No. 5B， 2004， pp. 2852-2856的題名為'Current Waveforms ofElectric Discharge in Air under High-Intensity Acoustic StandingWave Field'的文章還t皮露了在高強(qiáng)度聲學(xué)Jg;中的方文 電現(xiàn)象。這里使用頻率為660Hz的駐波，其限制用于生產(chǎn)臭氧的放電體積。根據(jù)該文章增 強(qiáng)的臭氧生產(chǎn)可以通過(guò)帕刑定律(Paschen' s law)來(lái)解釋，其意味著靜壓力越低，放電流 光(streamer)的增長(zhǎng)速率就越高。因此，流光在駐波的節(jié)點(diǎn)中應(yīng)該增長(zhǎng)更劇烈。所提出的 機(jī)制的另一部分是在流光通道在聲學(xué)場(chǎng)中進(jìn)行振蕩。 專利申請(qǐng)US 2003/0165636披露了一種用于對(duì)象表面的常壓等離子體表面改性 的方法，其中待處理的對(duì)象表面被激勵(lì)，使其振動(dòng)或波動(dòng)，從而激活等離子體的應(yīng)用。用于 激勵(lì)該表面的能量可以來(lái)自生成等離子體的過(guò)程、來(lái)自外部源或者來(lái)自其組合。用于激勵(lì) 該表面的能量可以來(lái)自與待處理對(duì)象相接觸的振動(dòng)發(fā)生器，或者通過(guò)與發(fā)射聲學(xué)波(例 如，超聲波)至待處理對(duì)象的振動(dòng)發(fā)生器間接接觸，使得待處理對(duì)象激起湍流等離子體。沒(méi) 有公開(kāi)關(guān)于聲學(xué)波或超聲波的特定或優(yōu)選地聲壓水平或者其優(yōu)點(diǎn)。因此，建議激勵(lì)表面振 動(dòng)和波動(dòng)，或者換句話說(shuō)，建議在對(duì)象上產(chǎn)生受引導(dǎo)的和表面的聲學(xué)波，以便加強(qiáng)等離子體 處理。相應(yīng)的，其披露了待處理的表面的振動(dòng)是在與待處理的對(duì)象的主體相關(guān)的一個(gè)或幾 個(gè)本征頻率和它們的諧波進(jìn)行激勵(lì)的結(jié)果。因此，或者由所使用的聲學(xué)能量的源的工作頻
率來(lái)嚴(yán)格地限制改進(jìn)的對(duì)象的特征維度(主要是其厚度)的范圍，或者由對(duì)象的維度嚴(yán)格 確定所述頻率。其還披露了 當(dāng)聲學(xué)波的外部發(fā)生器發(fā)射的頻率不是待處理對(duì)象的本征頻 率的諧波時(shí)，表面的振動(dòng)也能夠從受迫頻率得到。這意味著產(chǎn)生了表面聲學(xué)波(主要是瑞 利表面波)。 把聲學(xué)能量傳播進(jìn)入周圍氣體/等離子體的下列過(guò)程被提及1.外部聲學(xué)發(fā)生器 一>被處理對(duì)象表面振動(dòng)一>氣體分子(等離子體粒子)振動(dòng)。2.直接產(chǎn)生被處理表面對(duì) 象振動(dòng)，例如通過(guò)直接聲學(xué)接觸一>氣體分子(等離子體粒子)振動(dòng)。
兩個(gè)過(guò)程都需要聲學(xué)波通過(guò)固體/氣體界面至少一次。然而，由于對(duì)于固體和氣 體的聲學(xué)阻抗相差超過(guò)4個(gè)數(shù)量級(jí)，所以大部分所產(chǎn)生的聲學(xué)功率不能被發(fā)射(尤其是重 新發(fā)射)到氣體環(huán)境中并且保留在固體中最終被轉(zhuǎn)化成熱能。因此，不可能以這種方式在 空氣中產(chǎn)生功率足以使等離子體中的氣相得到有效和大體積增強(qiáng)的聲音或超聲。因此，以 下是非常重要的，即不是簡(jiǎn)單的"震動(dòng)"表面并以這樣的方式激起未知效率和空間分布的 不受控制的湍流等離子體，而是使等離子體中的氣相有效率且大體積增強(qiáng)。
所產(chǎn)生的聲學(xué)功率相對(duì)低(在任意比率，低于100W)，因?yàn)槭┘拥铰晫W(xué)波發(fā)射器的 功率實(shí)際上是100W，并且即使對(duì)于最有效的氣體射流(gas-jet)超聲發(fā)射器，在氣體環(huán)境 中聲音產(chǎn)生的效率也不能超過(guò)30%，更不用說(shuō)其他方法了。
產(chǎn)生等離子體或其它等離子體過(guò)程的主要障礙是如何在等離子體中在大體積上進(jìn)行非常有效地氣相反應(yīng)。 所提到的現(xiàn)有技術(shù)均沒(méi)有詳細(xì)披露足以有效地允許等離子體中氣相有效并且大體積增強(qiáng)的聲學(xué)功率水平。 此外，涉及壓電換能器或具有用于傳輸能量的固體的其它換能器的現(xiàn)有技術(shù)，僅以非常局部化的方式提供能量，例如在非常接近于壓電換能器(或其它固體換能器)處，因此不適合用于大體積的氣相增強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是提供用于在等離子體中增強(qiáng)氣相反應(yīng)的方法和系統(tǒng)，其至少在一定程度減小了上面提到的現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。 本發(fā)明另一個(gè)目標(biāo)是在大體積中增強(qiáng)等離子體的氣相反應(yīng)。
本發(fā)明一個(gè)附加的目標(biāo)是為等離子體過(guò)程加速。 —些實(shí)施例的又一目標(biāo)是增強(qiáng)涉及等離子體的產(chǎn)生過(guò)程，例如，使用等離子體的氫、臭氧或合成氣的產(chǎn)生、使用等離子體的廢氣清潔、污染控制、氣味去除、燃料轉(zhuǎn)化、液化、殺菌、氧化等。 這些目標(biāo)至少一定程度上是通過(guò)增強(qiáng)等離子體中的氣相反應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)的，包括通過(guò)至少一種等離子體源生成等離子體，并且其中該方法還包括利用至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器產(chǎn)生具有預(yù)定量的聲學(xué)能量的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波，其中所述超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波被引導(dǎo)用于朝向所述等離子體傳播，使得所述預(yù)定量的聲學(xué)能量的至少一部分被吸收到所述等離子體中，并且其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的聲壓水平至少基本上為140dB，并且其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的聲學(xué)功率至少為基本上ioow。 通過(guò)該方法，獲得高聲音強(qiáng)度和功率，其有效的增強(qiáng)等離子體中的氣相反應(yīng)，從而增強(qiáng)等離子體過(guò)程，例如使得能夠使用等離子體更有效的產(chǎn)生臭氧或合成氣，使用與反應(yīng)速度和/或所獲得的所產(chǎn)生的化合物的濃度有關(guān)的等離子體進(jìn)行廢氣清潔、污染控制、氣味去除、燃料轉(zhuǎn)化、液化、殺菌、氧化等。 增加目的產(chǎn)品的濃度、減小污染物、氣味等的濃度和/或減少反應(yīng)時(shí)間，這些都減小了過(guò)程的成本，因?yàn)檫^(guò)程昂貴并且需要大量的能量。 作為對(duì)比，換能器的聲音發(fā)射表面面積在2X10—3m2的量級(jí)并且所發(fā)射的聲學(xué)功率是10-40W，其中該換能器例如類似在之前提到的現(xiàn)有技術(shù)文章('Ozone generationby hollow-needle to plateelectrical in an ultrasound field ' ; ' Ultrasoundand airflow inducedthermal instability suppression of DC corona discharge :anexperimental study ';以及' Improvement of Charging Performanceof CoronaCharger in Electrophotography by Irradiating UltrasonicWave to SurroundingRegion of Corona Electrode')中所描述的。 由高功率氣體射流發(fā)生器所提供的聲學(xué)功率能夠具有高得多的聲學(xué)功率輸出以及高聲壓和140dB或150dB至170dB的強(qiáng)度水平(例如參見(jiàn)Y. Y. Borisov，Acoustic gas—jet generators of Hartmanntype， in L.D.Rozenberg(ed. )Sourcesof High-Intensity Ultrasound (New York :Ple皿m :1969) part Land Levavasseur， R. High powergenerators of sound and ultrasound.US Patent, book 116—137， No.2755767(1956).)。 已經(jīng)示出大約IOOW或更高的聲學(xué)功率增強(qiáng)了等離子體中的氣相反應(yīng)。
高功率氣體射流發(fā)生器在20-30kHz的頻率下在距離發(fā)生器噴嘴10cm處通常能夠 獲得數(shù)百瓦特的聲學(xué)功率(即，比壓電換能器聲學(xué)功率輸出的幅度高大約1個(gè)量級(jí))和典 型的160dB的SPL(聲壓水平)。甚至可以獲得l-2kW的聲學(xué)功率。 壓電(或其它固態(tài)聲學(xué)換能器)和氣體射流發(fā)生器在聲學(xué)功率輸出方面這樣顯著 差異的主要物理原因在于壓電換能器通過(guò)振動(dòng)(使用聲音)與氣體接觸的固體并因此將振 動(dòng)傳輸至氣體來(lái)工作。由于對(duì)于固體和氣體的聲學(xué)阻抗的巨大差異(所謂的聲學(xué)阻抗失 配)，所產(chǎn)生的聲學(xué)功率大部分不能被發(fā)射到周圍氣體中并且保留在固體中。其被轉(zhuǎn)換成熱 能并導(dǎo)致?lián)Q能器升溫。 因此，不可能以這種方式在氣體中產(chǎn)生具有足以充分的增強(qiáng)等離子體中的氣相反 應(yīng)的功率的聲音或超聲。實(shí)際上，單個(gè)壓電換能器僅在其發(fā)射表面附近提供高強(qiáng)度超聲輻 射并且照射與其發(fā)射表面的面積可比的有限表面面積。這是因?yàn)槁晫W(xué)波衍射，在換能器直 徑與聲學(xué)波波長(zhǎng)可比時(shí)，所述聲學(xué)波衍射是顯著的。的確，對(duì)于在空氣中20-30kHz的超聲 頻率，波長(zhǎng)是大約10-20mm，這在實(shí)際換能器直徑的量級(jí)。在氣體射流超聲發(fā)射器的情況中， 振動(dòng)媒質(zhì)不是固體而是氣體。顯然其中不存在任何阻抗失配并且在周圍氣體中能發(fā)射足夠 高的聲學(xué)功率。此外，超聲輻射的強(qiáng)度和聲壓水平在距離氣體射流發(fā)射器噴嘴幾十厘米處 保持非常高，同時(shí)聲學(xué)波前較寬(有時(shí)就是球形波前)。這樣，可能將較大體積暴露于高強(qiáng) 度超聲(在距離發(fā)生器的噴嘴10cm處，聲音強(qiáng)度和聲音壓力水平基本上為140dB或更高) 并且使得等離子體中進(jìn)行有效地氣相反應(yīng)。 在一個(gè)實(shí)施例中，所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的聲壓水平是-至 少基本上150dB，-至少基本上160dB，-至少基本上170dB，-至少基本上180dB，-至少基 本上190dB，或者-至少基本上200dB。 其中，這是在距離發(fā)生器噴嘴10cm處的聲壓水平。 在一個(gè)實(shí)施例中，所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的聲學(xué)功率是-至 少基本上200W，-至少基本上300W，-至少基本上400W，-大約400W，-大于基本上400W，-至 少基本上500W，-至少基本上lkW，或者-從大約l-2kW中選擇。
應(yīng)該理解，如果使用若干聲學(xué)發(fā)生器，可以獲得更高的功率。 在一個(gè)實(shí)施例中，等離子體源包括從以下的組中選擇的至少一個(gè)源介質(zhì)阻擋放 電(DBD)等離子體源、表面放電(SD)等離子體源、體放電(VD)等離子體源、等離子體炬源、 電弧等離子體炬、滑動(dòng)弧等離子體炬、冷等離子體炬、類鉛筆炬、直流等離子體源、電容耦合 等離子體源、脈沖等離子體源、磁控管等離子體源、電子回旋共振等離子體源、電感耦合等 離子體源、螺旋波等離子體源、螺旋共振器等離子體源、微波等離子體源、常壓等離子體射 流(APPJ)源、阻擋炬、電弧微波炬、電暈放電等離子體源、微等離子體源、低氣壓等離子體 源和高氣壓等離子體源。 在一個(gè)實(shí)施例中，至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和 功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器的入口處 的工作氣壓是在大約1. 9巴和大約5巴之間。
在一個(gè)實(shí)施例中，在常壓下生成等離子體。 在一個(gè)實(shí)施例中，等離子體源包括至少一個(gè)電極并且其中所述至少一個(gè)電極的一個(gè)電極是網(wǎng)型電極。 這允許氣體/能量以非常簡(jiǎn)單并且有效地方式通過(guò)"上"電極。 在一個(gè)實(shí)施例中，所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波朝向一個(gè)膜傳播，使得由
所述至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器所使用的任意氣體不與由所述等離子體
源用來(lái)生成所述等離子體的一種或多種氣體混合。 在一個(gè)實(shí)施例中，使用氣體媒質(zhì)產(chǎn)生所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波并且其中聲學(xué)波被引導(dǎo)朝向所述等離子體，并且其中在離開(kāi)所述至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器之后，所述氣體媒質(zhì)被引導(dǎo)遠(yuǎn)離所述等離子體。 在一個(gè)實(shí)施例中，所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波不與從發(fā)生器噴嘴排出的工作氣體流空間重疊。此外，因?yàn)樗a(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波被朝向等離子體引導(dǎo)并且從超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器排出的氣體空間不重疊，所以所述排出的工作氣體不與由所述等離子體源使用來(lái)生成等離子體的一種或多種氣體混合。
在這些方法中，能控制用于等離子體產(chǎn)生過(guò)程的氣體環(huán)境。 在一個(gè)實(shí)施例中，用于生成等離子體的氣體混合物基本上在所述超聲聲學(xué)波朝向所述等離子體傳播的方向供應(yīng)給等離子體源的至少一個(gè)電極。 在一個(gè)實(shí)施例中，超聲高強(qiáng)度高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器的至少一個(gè)選自下面的組-哈特曼(Hartma皿)型氣體射流發(fā)生器，_拉瓦瓦瑟(Levavasseur)型氣體射流發(fā)生器，-包括限定通道的外部部分和內(nèi)部部分的發(fā)生器，所述外部部分和內(nèi)部部分限定了通道、開(kāi)口和提供在所述內(nèi)部部分中的腔體，其中所述超聲高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器適于接收加壓氣體并且把該加壓氣體傳遞到所述開(kāi)口 ，從所述開(kāi)口 ，該加壓氣體以朝向腔體的射流的方式被排出。-任意上面提及類型的發(fā)生器，其包括任意類型的聲學(xué)波集中器或反射器。 在一個(gè)實(shí)施例中，食物產(chǎn)品受等離子體的處理，其中等離子體的生成產(chǎn)生了化學(xué)自由基并且對(duì)食物產(chǎn)品殺菌。 在一個(gè)實(shí)施例中，所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波包括-通過(guò)第一聲學(xué)波發(fā)生器使用氣體媒質(zhì)產(chǎn)生高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波，其中在離開(kāi)第一聲學(xué)波發(fā)生器之后，氣體媒質(zhì)具有第一主要方向，該第一主要方向與由第一聲學(xué)波發(fā)生器產(chǎn)生的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的第二主要方向不同。-通過(guò)第二聲學(xué)波發(fā)生器產(chǎn)生高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波，_其中，第一和第二聲學(xué)波發(fā)生器彼此相關(guān)的定位，使得由所述第二聲學(xué)波發(fā)生器所產(chǎn)生的高強(qiáng)度聲學(xué)波的至少一部分被引導(dǎo)朝向離開(kāi)所述第一聲學(xué)波發(fā)生器后的至少一部分氣體媒質(zhì)。
在一個(gè)實(shí)施例中，等離子體被用在從下面的組中選擇的過(guò)程中-臭氧產(chǎn)生，-氫
生產(chǎn)，_廢氣清潔，_污染控制，_氣味去除，_燃料轉(zhuǎn)化，_殺菌，和_氧化。 本發(fā)明還涉及對(duì)應(yīng)于本發(fā)明的方法的一種系統(tǒng)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及用于增
強(qiáng)等離子體中的氣相反應(yīng)的系統(tǒng)，包括適于生成等離子體的至少一個(gè)等離子體源，其中該
系統(tǒng)還包括適于產(chǎn)生超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率氣體射
流聲學(xué)波發(fā)生器，其中所述超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波具有預(yù)定量的聲學(xué)能量并且被引導(dǎo)以朝向所述等離子體傳播，使得所述預(yù)定量的聲學(xué)能量的至少一部分被吸收到所述等離子
體中，并且其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的聲壓水平為至少基本上140dB，
并且其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的聲學(xué)功率是至少ioow。 系統(tǒng)的有利實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中限定并在下面詳細(xì)描述。系統(tǒng)的實(shí)施例對(duì)應(yīng)
于方法的實(shí)施例并且基于同樣的理由而具有相同的優(yōu)點(diǎn)。


參照在附圖中所例示的實(shí)施例，本發(fā)明的這些方面以及其他方面將變得清楚，其 中圖1簡(jiǎn)要例示現(xiàn)有技術(shù)的等離子體設(shè)備；圖2簡(jiǎn)要例示等離子體設(shè)備的框圖；圖3a簡(jiǎn) 要例示未應(yīng)用超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的(湍流)流動(dòng)；圖3b簡(jiǎn)要例示一種流動(dòng)，其中 例示了向空氣/氣體施加超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波或在空氣/氣體中施加超聲高強(qiáng)度和 高功率聲學(xué)波的效果；圖4簡(jiǎn)要例示增強(qiáng)等離子體設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例；圖5簡(jiǎn)要例示增強(qiáng) 等離子體設(shè)備的可選實(shí)施例；圖6簡(jiǎn)要例示增強(qiáng)等離子體設(shè)備的可選實(shí)施例；圖7簡(jiǎn)要例 示增強(qiáng)等離子體設(shè)備的實(shí)施例，其中等離子體源是表面放電(SD)等離子體源；圖8簡(jiǎn)要例 示增強(qiáng)等離子體設(shè)備的實(shí)施例，其中等離子體源是炬等離子體源，例如滑動(dòng)弧等離子體源； 圖9簡(jiǎn)要例示高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器的實(shí)施例，其中輸出環(huán)形噴口和在蘑 菇型諧振器中制動(dòng)的會(huì)聚的超聲氣體射流為盤的形式(即，所謂的盤-射流哈特曼超聲發(fā) 生器)；圖10是沿著在圖9中的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器(101)的直徑的截面視圖， 其更清楚的例示了開(kāi)口 (302)、氣體通道(303)和腔體(304)的形狀；圖11簡(jiǎn)要例示具有 細(xì)長(zhǎng)主體的形式的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)發(fā)生器的另一個(gè)實(shí)施例；以及圖12簡(jiǎn)要例示包括 兩個(gè)發(fā)生器的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)發(fā)生器的實(shí)施例。附圖中，相同的附圖標(biāo)號(hào)表示類似或 相應(yīng)的特征。
具體實(shí)施例方式
圖1簡(jiǎn)要例示一種現(xiàn)有技術(shù)的等離子體反應(yīng)或發(fā)生設(shè)備。所示的是等離子體發(fā)生 器或等離子體源的示例，即能夠生成已知的所謂介質(zhì)阻擋放電(DBD)類型的甚至能夠在常 壓下使用的等離子體的任意設(shè)備和方法(此后僅表示為等離子體源)。如圖所示，諸如He、 八1~、02、0)2和朋3的多種氣體(111)供給到氣體混合單元(110)，氣體混合單元(110)將氣體 混合成用于指定的使用或應(yīng)用的合適的成分。為等離子體而選擇的氣體應(yīng)該根據(jù)等離子體 反應(yīng)的特定類型或所使用的混合物產(chǎn)生過(guò)程來(lái)選擇，并且可以是通常用于這樣的過(guò)程的任 意氣體。具體并且典型的例子包括空氣、天然氣、CH4、He、Ar、Ne、Xe、空氣、^、(^、H20、C02、諸 如氟利昂氣體(CF4、 CHF3、 C3F6、 C4F8等)的鹵素化合物氣體、哈龍氣體(Halon gases) 、 NH3、 NF3、 SFe、有機(jī)化合物氣體(CH4、 C2H6、 C2H4、 C2H2、 C6H6、 C2H50H等)、N0x (氮氧化物)、SO"硅烷 等以及從它們中選擇的氣體混合物。為了穩(wěn)定等離子體，利用He、Ar等來(lái)稀釋氣體，例如參 見(jiàn)歐洲專利EP0508833B1。 還示出了兩個(gè)電極(103)，這兩個(gè)電極被分開(kāi)放置且在他們之間具有放電間隙， 其中至少一個(gè)電極(103)在朝向另一個(gè)電極的電極側(cè)上鄰接或覆蓋有絕緣或電介質(zhì)材料 (105)，以避免電弧放電。在圖中，兩個(gè)電極(103)均鄰接或覆蓋有電介質(zhì)材料(105)。 一個(gè) 電極(103)連接至適宜的電源(114)，該電源(114)接地并且在電極(103)之間提供AC高電壓，例如0. lkHz-500kHz。 此外，示出了連接至電源(114)的高電壓探針(113)和連接至高電壓探針(113)的示波器。該高電壓探針被用于監(jiān)測(cè)所施加的電壓，但與等離子體過(guò)程不相關(guān)也不會(huì)影響等離子體過(guò)程。 氣體混合物從氣體混合單元(110)供應(yīng)到兩個(gè)電極(103)之間的放電區(qū)域，并且因此，當(dāng)電壓被施加到電極(103)時(shí)產(chǎn)生等離子體(104)。樣品或物體(未示出)可以位于等離子(104)中，例如用于表面改性、處理、加工等。 所發(fā)生的等離子體過(guò)程可以例如涉及臭氧產(chǎn)生、制氫、合成氣生產(chǎn)、廢氣清潔、污染控制、氣味去除、燃料轉(zhuǎn)化、殺菌、氧化等。 臭氧可以通過(guò)三個(gè)單個(gè)氧原子重新結(jié)合而形成，其中單個(gè)氧原子是從等離子體中的雙原子氧分裂出來(lái)的。燃料轉(zhuǎn)化是自然存在或經(jīng)改進(jìn)的燃料的化學(xué)或物理轉(zhuǎn)變，以提高燃料的質(zhì)量。燃料轉(zhuǎn)化過(guò)程可以得到一種或者多種升級(jí)的燃料產(chǎn)品，其可以是固體、液體或氣體，并且可以產(chǎn)生用于化學(xué)制造的化學(xué)制品或原材料。例如，煤一般需要減小尺寸、清洗和去除惰性物質(zhì)。天然氣需要利用氣液和C2混合物的分離將H^和C(^去除。然而，"氣_到_液"燃料轉(zhuǎn)化(液化)也很重要。這里天然氣的主要成分CH4在一個(gè)或多于一個(gè)步驟的化學(xué)反應(yīng)中被轉(zhuǎn)化成液體燃料。 一個(gè)已知的過(guò)程是首先合成合成氣(C0+H2);CH4+H20- > C0+3H2CH4+C20- > 2C0+2H2或者CH4+02- > C0+2H2
并且隨后合成液體；C0+H2_ >汽油、柴油、酒精等。 等離子體還可以合成液體(甲醇、乙醇、苯等)和其它分子(乙烷、丙烷、乙烯、乙炔、丙烯苯和重?zé)N)(K. V. Kozlov， P. Michel, H. E. Wagner 〃 Synthesisof organic compounds from mixtures of methanewith carbon dioxide indielectric barrier discharge at atmosphericpressure 〃 Plasmas and Polymers,5(3/4)(2000) 129-150. ， S. Kado， Y.Sekine， T. Nozaki， K. 0kazaki 〃 Diagnosis ofatmospheric pressure lowtemperature plasma and application to high efficientmethaneconversion" Catalysis Today 89 (2004) 47_55etc.)。所產(chǎn)生的氫氣還可以用作其他目的，例如用于燃料電池的環(huán)境友好的燃料。石油精煉和煤氣化也是例子。質(zhì)量升級(jí)的例子是通過(guò)石油成分的裂解進(jìn)行汽車汽油的制造，以及通過(guò)將燃料和氫反應(yīng)從液體燃料中去除硫和氮。 可以通過(guò)穿過(guò)等離子體或者向廢氣中注入活性物質(zhì)進(jìn)行廢氣清潔。這樣的例子是N0x和S02還原。 等離子體可以用于分解諸如揮發(fā)性有機(jī)化合物(V0C) (K. Urashima，J.S. Chang" Removal of volatile compounds from airstreams and industrial fluegases by non_thermal plasmatechnoklogy〃 IEEE Transactions on Dielectrics andElectricalEngineering 7 (5) (2000) 602-614)的毒氣成份和諸如NH3 (L. Xia， L. Huang，X. Shu，R. Zhang，W. Dong，H. Hou" Removal of ammoniafrom gas streams with dielectricbarrier discharge plasmas" 152(2008) 113-119)的氣味。它們通常通過(guò)在等離子體中氧化而被分解。 如在下面所示并解釋的，可以增強(qiáng)等離子體(104)中氣相反應(yīng)。 圖2簡(jiǎn)要例示等離子體過(guò)程/設(shè)備的框圖。所例示的是生成或供應(yīng)等離子體(104)的一個(gè)或多個(gè)等離子體源(106)。 進(jìn)一步例示的是產(chǎn)生高強(qiáng)度和高功率超聲(102)的一個(gè)或多個(gè)超聲高強(qiáng)度和高 功率聲波發(fā)生器(101)。根據(jù)本發(fā)明，所產(chǎn)生的超聲(102)被施加到等離子體(104)的至少 一部分，由此至少一部分聲學(xué)能量被等離子體(104)吸收。施加到等離子體(104)的附加 的能量將增強(qiáng)氣相反應(yīng)并且增強(qiáng)正在發(fā)生的等離子體過(guò)程。如在下面結(jié)合圖3a和圖3b所 解釋的那樣，應(yīng)用至少基本上140dB的聲壓水平和至少基本上100W的能量的高強(qiáng)度和高功 率超聲波，將增強(qiáng)氣相反應(yīng)并從而顯著增強(qiáng)等離子體過(guò)程。 可以優(yōu)化在超聲高強(qiáng)度和高功率聲波發(fā)生器(101)的入口處的工作氣壓，使得能 夠產(chǎn)生高聲壓。其優(yōu)選地介于1. 9巴和5巴之間或者介于2. 5巴到4巴之間，并且典型地將 取決于所使用的發(fā)生器類型。在高功率射流發(fā)生器的出口處的氣壓小于在入口處的氣壓， 并且可以實(shí)踐上幾乎等于等離子體過(guò)程的氣壓。 操作氣體射流高強(qiáng)度和高功率超聲發(fā)射器的空氣壓強(qiáng)在通常條件下是至少超過(guò) 1. 9巴，而在距發(fā)生器噴嘴10cm處穩(wěn)定的產(chǎn)生具有超過(guò)140dB的SPL的超聲的最佳操作所 需要的壓強(qiáng)是2. 5-4巴(取決于發(fā)生器類型)。 該一個(gè)或多個(gè)等離子體源(106)可以是適于給定等離子體過(guò)程的任意等離子體 源，例如是在之前解釋的等離子體源和接下來(lái)所解釋的等離子體源或其結(jié)合，或者是如在 前面所解釋的使用一種或多種氣體生成等離子體的等離子體源。該一種或多種等離子體源
(106)可以從任意現(xiàn)有的等離子體源(低氣壓和高氣壓等離子體)中選擇，并且更具體的 可以是例如直流等離子體、電容耦合等離子體、脈沖等離子體、磁控管等離子體、電子回旋 共振等離子體、感應(yīng)耦合等離子體、螺旋波等離子體、螺旋共振器等離子體、微波等離子體、 DBD、SD、等離子體炬，例如電弧等離子體炬、冷等離子體炬、APPJ、類鉛筆炬、阻擋炬、電弧等 離子體炬、微波炬、滑動(dòng)弧、電暈放電和微等離子體。 等離子體過(guò)程的氣壓優(yōu)選地高于0. 4巴并且可以在常壓附近或者更高，使得聲學(xué) 能量可以有效地傳遞。另一方面，在更低的壓力下更容易產(chǎn)生等離子體。因此，等離子體過(guò) 程的氣壓優(yōu)選地大于0.4巴并且小于高功率氣體射流發(fā)生器的入口處的壓強(qiáng)。更優(yōu)選地， 等離子體源可以是能夠在上面提及的壓力下工作的DBD、 SD、等離子體炬，例如電弧等離子 體炬、冷等離子體炬、APPJ、類鉛筆炬、阻擋炬、微波炬、滑動(dòng)弧、電暈放電和微等離子體。
—個(gè)或多個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器(101)是氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器 并且可以是例如一個(gè)或多個(gè)哈特曼型的氣體射流發(fā)生器、一個(gè)或多個(gè)拉瓦瓦瑟型的氣體射 流發(fā)生器等，或者是其組合，如在下面所解釋和圖9-12中所示。 氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器的使用在聲學(xué)功率、高強(qiáng)度、聲學(xué)阻抗等方面具有與之前 描述的類似的優(yōu)點(diǎn)。 如果使用多個(gè)超聲和高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器，它們不需要是相同的類型， 雖然也可以是相同的。 等離子體過(guò)程可以例如是臭氧發(fā)生、制氫、廢氣清潔、污染控制、燃料轉(zhuǎn)化、殺菌、 氧化等。 在一個(gè)實(shí)施例中，食物產(chǎn)品受到等離子體處理，其中該處理將以非常有效的方式 產(chǎn)生化學(xué)自由基和對(duì)食物產(chǎn)品殺菌。 圖3a簡(jiǎn)要例示未應(yīng)用超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的(湍流)流動(dòng)。
所示是固體對(duì)象(100)的表面(314)，其中氣體或氣體混合物(500)圍繞或接觸表 面(314)。 熱能能夠通過(guò)傳導(dǎo)以及通過(guò)氣體從一個(gè)區(qū)域到另一個(gè)區(qū)域的移動(dòng)被傳送通過(guò)氣 體。該與氣體移動(dòng)相關(guān)的傳熱過(guò)程通常被稱作對(duì)流。當(dāng)該氣體運(yùn)動(dòng)僅由溫度差異帶來(lái)的 浮力導(dǎo)致時(shí)，該過(guò)程通常被稱作為自然或自由對(duì)流；但如果氣體運(yùn)動(dòng)是由一些其他機(jī)制導(dǎo) 致，其通常稱作為強(qiáng)制對(duì)流。對(duì)于強(qiáng)制對(duì)流的情況，將存在靠近表面(314)的層流邊界層 (311)。該層的厚度是流體雷諾數(shù)的遞減函數(shù)，使得在高流動(dòng)速度下，層流邊界層(311)的 厚度將減小。當(dāng)流動(dòng)變成湍流時(shí)，該層被分成湍流邊界層(312)和層流邊界層(313)。對(duì)于 幾乎所有的實(shí)際發(fā)生的氣體流動(dòng)，除了覆蓋表面(314)的層流邊界層(313)中的流動(dòng)方式 是層流之外，在整個(gè)流動(dòng)體積中的流動(dòng)方式將是湍流。考慮在層流邊界層(313)中的氣體 分子或粒子(315)，速度(316)將基本上平行于表面(314)并且等于層流邊界層(313)的速 度。因?yàn)閷恿鞯男再|(zhì)，跨過(guò)層流邊界層的熱輸送將通過(guò)傳導(dǎo)或輻射進(jìn)行。
此外，將僅通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)行跨過(guò)層流邊界層的質(zhì)量輸運(yùn)。層流邊界層(313)的存在 不提供最佳或有效的增加的質(zhì)量輸運(yùn)。任意跨過(guò)邊界層的質(zhì)量輸送將僅是通過(guò)擴(kuò)散，并且 因此經(jīng)常是總的質(zhì)量輸運(yùn)中的最終限制因素。 從氣體輸送或傳輸能量和/或質(zhì)量到固體表面的一個(gè)障礙是氣體的邊界層，該邊 界層附著于固體表面。甚至當(dāng)氣體的運(yùn)動(dòng)是完全的湍流時(shí)，也存在阻礙質(zhì)量輸運(yùn)和/或熱 傳輸?shù)膶恿鬟吔鐚?。雖然已經(jīng)提出各種類型的方法和設(shè)備用于克服該問(wèn)題，例如通過(guò)利用 聲波驅(qū)動(dòng)氣體并利用外部振動(dòng)發(fā)生器振動(dòng)固體對(duì)象(100)，盡管這些方法有一定的效果，但 是，它們?cè)谑箤恿鬟吔鐚佑行ё钚』⑼瑫r(shí)覆蓋足夠大的面積以使該方法有效的能力本身 有限。 圖3b簡(jiǎn)要例示一種流體，其中示出了向空氣/氣體(500)施加高強(qiáng)度和高功率超 聲波或在空氣/氣體(500)中施加高強(qiáng)度和高功率超聲波的效果。 更具體地說(shuō)，圖3b例示當(dāng)氣體射流聲波發(fā)生器(未示出，例如參見(jiàn)在其它圖中的 101)向固體對(duì)象(100)的表面(314)施加高強(qiáng)度和高功率超聲波并且其中高強(qiáng)度和高功率 超聲波在等離子體中被吸收，使得反應(yīng)增強(qiáng)的情況。 再次考慮在層流層中的氣體分子/粒子(315);速度(316)將基本上平行于表面 (314)并且等于應(yīng)用超聲之前的層流層的速度。在圖3b中在向表面(314)發(fā)射聲場(chǎng)的方向 中，分子(315)的振蕩速度顯著增加，如箭頭(317)表示。作為示例，在頻率是f = 22kHz 并且聲壓水平=160dB的情況下，能夠得到v = 4. 5m/sec的最大速度和+/_32 y m的位移。 在圖3a中相應(yīng)的(垂直)位移基本上等于零，因?yàn)榉肿友刂砻娓S層流空氣流。因此， 通過(guò)最小化層流邊界層來(lái)增加傳導(dǎo)，聲學(xué)波將建立從表面到周圍氣體/空氣(500)的強(qiáng)制 熱流動(dòng)和/或質(zhì)量輸運(yùn)。在一個(gè)實(shí)施例中，聲壓水平基本上為140dB或更大。此外，聲壓 水平可以在大約140-160dB的范圍內(nèi)選擇。聲壓水平可以高于基本上150dB，高于基本上 160dB、高于基本上170dB、高于基本上180dB、高于基本上190dB或高于基本上200dB。
層流邊界層的變薄或毀壞具有大大地增加從表面(314)到周圍或接觸氣體(500) 的熱傳輸和質(zhì)量輸運(yùn)的效果，因?yàn)閷恿鬟吔鐚拥拇嬖诨驕p小的尺寸不再妨礙向固體對(duì)象 (100)的表面的熱傳輸和/或質(zhì)量輸運(yùn)，其中該固體對(duì)象(100)的表面受到等離子體表面改 性，即等離子體將更加有效地影響對(duì)象的表面。
此外，高強(qiáng)度和高功率超聲波在等離子體中被吸收使得反應(yīng)增強(qiáng)。 結(jié)合下面的附圖描述各個(gè)實(shí)施例。
圖4簡(jiǎn)要例示增強(qiáng)的等離子體設(shè)備的一個(gè)實(shí)施例。 所示是至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波氣體射流發(fā)生器(101)，其產(chǎn)生朝向 等離子體(104)傳播并到達(dá)等離子(104)的高強(qiáng)度和高功率超聲波(102)，該等離子體 (104)吸收大量聲學(xué)能量，從在等離子體(104)中的氣相反應(yīng)將因所接收到的能量而增強(qiáng)。
等離子體(104)由等離子體源(106)使用所示的氣流、所示的電極(103 ;103')和 絕緣體或電介質(zhì)材料(105)產(chǎn)生(例如結(jié)合圖1所解釋的那樣)。具體示出的等離子體源 (106)是DBD類型的，但可以是其它的類型。 絕緣體或電介質(zhì)材料(105)可以例如包括A1203或一般的具有電介質(zhì)特性的材料 或任意類型的絕緣體(例如陶瓷、聚合體和玻璃)。陶瓷和玻璃更耐得住等離子體，因?yàn)樗?們具有相對(duì)高的耐熱性。通常將它們作為優(yōu)選，因?yàn)樗鼈兊湫偷鼐哂懈呓殡姵?shù)并且因此 能夠以較低AC電壓產(chǎn)生并維持等離子體。 還示出喇叭或類似物(402)或者聲音指導(dǎo)或引導(dǎo)裝置，其保證聲音強(qiáng)度和功率被 控制并朝向等離子體/對(duì)象聚焦。 在一個(gè)實(shí)施例中，膜(401)或類似物位于高強(qiáng)度和高功率超聲波發(fā)生器(102)和 等離子體之間。這使得能夠控制等離子體發(fā)生過(guò)程的氣體環(huán)境，以便僅所接收的氣流被用 于生成等離子體。這可能對(duì)于氣體驅(qū)動(dòng)發(fā)生器(102)有用，使得來(lái)自這樣的發(fā)生器的氣體 不與用于等離子體生成的氣體混合物相干擾。其它實(shí)施例可以取消膜(401)。膜(401)優(yōu) 選地相對(duì)薄并且對(duì)于超聲相對(duì)透明?？梢詢?yōu)化膜(401)的厚度、尺寸和/或形狀，以及施加 于該膜(401)的張力，以降低超聲損失。 在一些實(shí)施例中，盡管不希望用于產(chǎn)生高強(qiáng)度和高功率超聲波的氣體媒質(zhì)和用于 產(chǎn)生等離子體的氣體混合，但是膜可以省去。這能夠通過(guò)一個(gè)高強(qiáng)度和高功率超聲波發(fā)生 器來(lái)實(shí)現(xiàn)，該超聲波發(fā)生器所產(chǎn)生的聲學(xué)波通常在與在離開(kāi)超聲波發(fā)生器之后的氣體媒質(zhì) 的總的方向不同的方向傳播。 在圖12中示出兩個(gè)這樣的發(fā)生器，其中所產(chǎn)生的聲學(xué)波的總的方向與在離開(kāi)發(fā) 生器之后的氣體媒質(zhì)的總的方向成一定角度。 可以設(shè)計(jì)發(fā)生器使得兩個(gè)方向基本上相反。例如在所謂的高頻范圍輻射超 聲的干-射流(stem-jet)哈曼特發(fā)生器允許超聲場(chǎng)和排出氣流的這樣的"自然"空間 分離(例如參見(jiàn)Y. Y. Borisov， Acousticgas-jet generators of Hartmann type， in L D. Rozenberg(ed.) Sourcesof High-Intensity Ultrasound (New York :Ple皿m :1969) parti.)這樣的發(fā)生器在避免使用膜方面非常有用，因?yàn)闅怏w媒質(zhì)可能被從等離子體引開(kāi)。 通過(guò)該方法，用于產(chǎn)生聲學(xué)波的氣體不會(huì)影響等離子體氣體。應(yīng)該理解，即使在這樣的布置 中，膜還是有用的(但其可以有不同的設(shè)計(jì))，因?yàn)槠淠軌蚩刂朴糜谏墒芸氐入x子體的氣 體，使得它們不會(huì)擴(kuò)散到周圍環(huán)境中去，這是有用的因?yàn)槠渲幸恍┚哂兄匾杀尽?
可以使用任意類型的膜，只要既沒(méi)有嚴(yán)重的超聲損失又沒(méi)有嚴(yán)重的氣體泄漏即 可。只要它們能夠形成薄膜，它們的材料可以從任意熱塑性和熱固性聚合物中選擇，例如 聚酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚烯烴(低密度(LD)聚乙烯(PE)、高密度(HD)PE、超高密 度PE、超高分子量PE、聚丙烯、聚(氯乙烯)、聚(偏二氯乙烯)、聚苯乙烯、聚酰亞胺、聚酰胺、聚(乙烯基乙烯基醚)、聚異丁烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚亞安酯、聚乙酸乙烯酯、聚丙 烯腈、天然和合成橡膠、聚合物合金、共聚物和它們的層壓材料。使用任意現(xiàn)有技術(shù)可以向 它們涂覆有機(jī)和/或無(wú)機(jī)材料。它們之中，可以使用諸如PE的低密度材料。此外，金屬箔 可以用作膜。其他的例子有金屬涂覆(或涂覆無(wú)機(jī)材料的材料)或?qū)訅旱木酆衔锬ぁ?
可替換的，膜可以包括氣凝膠或由氣凝膠組成。 在一個(gè)實(shí)施例中，位于等離子體(104)和發(fā)生器(101)之間的電極是網(wǎng)型電極 (103')或其他類型的穿孔電極。這使得所產(chǎn)生的超聲不受妨礙的通過(guò)并到達(dá)對(duì)象(100)而 不會(huì)損失大量的能量，從而盡可能多的能量被用以影響在對(duì)象(100)周圍的層流子層。其 它實(shí)施例可以取消網(wǎng)型/穿孔電極(103')。 用于生成等離子體(104)的氣體/氣體混合物的排出方向以及超聲(102)的方向 非?？煽夭⑶宜鼈兊闹鞣较蛑g的角度可以變化。在所示的實(shí)施例中，該角度是大約90。。 但該角度原則上可以是任意角度。例如在圖5中，該角度是大約0。。 用于生成等離子體(104)的氣體或氣體混合物還可以被用于驅(qū)動(dòng)氣體射流聲學(xué)
發(fā)生器(101)。等離子體(104)可以在聲學(xué)發(fā)生器(101)之前、之中、之后產(chǎn)生。 圖5簡(jiǎn)要例示增強(qiáng)的等離子體設(shè)備的可替換實(shí)施例。該實(shí)施例與結(jié)合圖4所示并
闡述的實(shí)施例類似，只是用于等離子體的氣體不是從側(cè)部而是從與高強(qiáng)度和高功率超聲波
(102)相同的方向饋送的。 圖6簡(jiǎn)要例示增強(qiáng)的等離子體設(shè)備的可替換實(shí)施例。該實(shí)施例與結(jié)合圖4所示并 闡述的實(shí)施例類似，只是其不包括膜。這樣的實(shí)施例適于背景(ambient)或普通空氣等離 子體。在這樣的沒(méi)有膜的實(shí)施例中，用于產(chǎn)生高強(qiáng)度和高功率超聲的高速氣流能夠被用作 等離子體的工藝氣體。 圖7簡(jiǎn)要例示增強(qiáng)的等離子體設(shè)備的實(shí)施例，其中等離子體源是表面放電(SD)等
離子體源。所示的實(shí)施例與結(jié)合圖4所示并闡述的實(shí)施例類似，只是用表面放電(SD)等離
子體源(106)來(lái)代替DBD等離子體源，該表面放電等離子體源(106)包括單個(gè)絕緣體或電
解質(zhì)材料(105)和嵌入在該絕緣體或電介質(zhì)材料(105)中的若干電極(103)。所示的SD等
離子體源是所謂的包括所謂CDSD放電元件。可替換的，其能夠包括SPCP放電元件或由另
一類型的SD等離子體源構(gòu)成。作為從側(cè)面接收氣流的一種替換，其能夠例如在圖5中所示
那樣在超聲的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波的方向供應(yīng)，或者以其它方式供應(yīng)。 圖8簡(jiǎn)要例示增強(qiáng)等離子體設(shè)備的實(shí)施例，其中等離子體源是炬等離子體源，例
如滑動(dòng)弧等離子體源。所示的實(shí)施例與結(jié)合圖4所示并闡述的實(shí)施例相似，只是作為對(duì)DBD
等離子體源的替代，其包括諸如滑動(dòng)弧等離子體源的炬等離子體源。 炬等離子體源可以例如是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的阻擋炬設(shè)計(jì)或冷等離子體炬 設(shè)計(jì)。 圖9簡(jiǎn)要例示高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波氣體射流發(fā)生器的一個(gè)實(shí)施例，其具有盤狀 的盤射流(disk jet)的形式(即，盤射流哈特曼超聲發(fā)生器)。所示是高強(qiáng)度超聲發(fā)生器 (101)的實(shí)施例，在該例子中是所謂的盤射流。發(fā)生器(101)包括基本上環(huán)形的外部部分 (305)和基本上圓柱形的內(nèi)部部分(306)，其中環(huán)形腔(304)是凹進(jìn)的。通過(guò)環(huán)形氣體通道 (303)，氣體可以擴(kuò)散到環(huán)形開(kāi)口 (302)中并且從該環(huán)形開(kāi)口 (302)被送達(dá)到腔體(304)。 外部部分(305)可以相對(duì)于內(nèi)部部分(306)調(diào)整，例如 過(guò)在外部部分(305)的底部提供螺紋或其它調(diào)整設(shè)備(未示出)，其還可以包括緊固裝置(未示出)，當(dāng)在他們之間獲得期 望的間隔時(shí)，該緊固裝置用于相對(duì)于內(nèi)部部分(306)鎖定外部部分(305)。這樣的超聲設(shè) 備可以在氣壓為4個(gè)大氣壓的情況下可以產(chǎn)生大約22kHz的頻率。氣體的分子因此能夠以 4. 5m/s的速度每秒大約22， 000次遷移達(dá)到33 y m。提供這些值僅是用于給出超聲設(shè)備的 大小和比例的概念但絕不限制所示的實(shí)施例。 圖10是沿著在圖9中的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器(101)的直徑的截面視圖， 其更清晰的說(shuō)明開(kāi)口 (302)、氣體通道(303)和腔體(304)的形狀。如結(jié)合圖9所提及的，開(kāi) 口 (302)通常是環(huán)形的。氣體通道(303)和開(kāi)口 (302)由基本上環(huán)形的外部部分(305)和 布置在其內(nèi)的基本上柱狀的內(nèi)部部分(306)限定。從開(kāi)口 (302)排出的氣體射流擊打在形 成于內(nèi)部部分(306)中的基本上圓形的腔體(304)上，然后離開(kāi)高強(qiáng)度超聲發(fā)生器(101)。 如之前提到的，外部部分(305)限定氣體通道(303)的外部并且還沿著其形成高強(qiáng)度超聲 發(fā)生器的開(kāi)口的內(nèi)部圓周的外表面以大約30°的角度傾斜，氣體射流擴(kuò)散時(shí)可以從這里膨 脹。上面的傾斜與內(nèi)部圓周的內(nèi)表面上大約60。的傾斜共同形成從外部限定開(kāi)口 (302)的 銳角圓周邊緣。內(nèi)部部分(306)在其朝向開(kāi)口的外部圓周處具有大約45。的傾斜并且從外 部限定開(kāi)口 (302)。外部部分(305)可以相對(duì)于內(nèi)部部分(306)調(diào)整，從而可以調(diào)整擊打 腔體(304)的氣體射流的壓力。腔體(304)凹進(jìn)于其中的內(nèi)部部分(306)的頂部也以大約 45°傾斜，以允許振蕩的氣體射流在高強(qiáng)度超聲發(fā)生器的開(kāi)口處膨脹。
圖11簡(jiǎn)要例示細(xì)長(zhǎng)主體形式的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器的另一個(gè)實(shí)施例。 所示的是一種高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(IOI)，其包括細(xì)長(zhǎng)的基本上呈軌道 型的主體，其中該主體功能上與在圖9和10中所示的實(shí)施例相同。在該實(shí)施例中，外部部 分包括一個(gè)軌道型部分(305)，其與軌道型的另一部分(306)共同形成超聲設(shè)備(101)。在 軌道型部分(305)和軌道型另一部分(306)之間提供氣體通道(303)。氣體通道具有開(kāi) 口 (302)，該開(kāi)口 (302)把所發(fā)射的氣體從氣體通道(303)輸送至形成于軌道型另一部分 (306)中的腔體(304)。該實(shí)施例的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是軌道型主體能夠覆蓋比圓形主體大得多的 表面面積。該實(shí)施例的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器可以通過(guò)擠壓工藝形 成，從而降低材料的成本。 圖12簡(jiǎn)要例示包括兩個(gè)發(fā)生器的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)發(fā)生器的實(shí)施例。所示是 兩個(gè)氣體射流高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器(101 ;101')(第一發(fā)生器(101)和第二發(fā)生
器(ior ))的例子，其中每個(gè)發(fā)生器(ioi ;ior )使用氣體媒質(zhì)(121)產(chǎn)生高強(qiáng)度和高功
率聲學(xué)波(102)。氣體媒質(zhì)(121)以類錐形(如陰影區(qū)域所示)在由箭頭(A;A')示意性
指示的主要方向上離開(kāi)各自的發(fā)生器(IOI)，朝向所產(chǎn)生的等離子體前進(jìn)。 由第一發(fā)生器(101)所產(chǎn)生的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)在由箭頭(B)所示意
性指示的主要方向上傳播，由于高功率聲學(xué)放發(fā)生器(101)的設(shè)計(jì)，該箭頭(B)所示意性指
示的主要方向與來(lái)自第一發(fā)生器(101)的氣體媒質(zhì)(A)的總的方向不同。 由第二發(fā)生器(IOI')所產(chǎn)生的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)在由箭頭(B')所
示意性指示的總的方向上傳播。 結(jié)合圖11示出并解釋了以類似方式工作的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器的一個(gè) 示例。該設(shè)計(jì)以基本線性的方式產(chǎn)生高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(從上面看)，而圖9和圖10 的設(shè)計(jì)以基本上環(huán)形的方式產(chǎn)生波。
第一高功率聲學(xué)波發(fā)生器(101)和第二高功率聲學(xué)波發(fā)生器(101)彼此相關(guān)的定 位，使得由第二聲學(xué)波發(fā)生器(IOI')所產(chǎn)生的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)的至少一部分 在總的方向(B')上，該總的方向(B')被引導(dǎo)朝向來(lái)自第一聲學(xué)波發(fā)生器(101)的氣體媒 質(zhì)(121)的至少一部分；并且使得由第一聲學(xué)波發(fā)生器(101)所產(chǎn)生的高強(qiáng)度和高功率聲 學(xué)波(102)的至少一部分具有總的方向(B)，該總的方向(B)被引導(dǎo)朝向來(lái)自第二聲學(xué)波發(fā) 生器(ior )的氣體媒質(zhì)(121)的至少一部分。 通過(guò)將由第二發(fā)生器(101)產(chǎn)生的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波直接引導(dǎo)朝向來(lái)自第 一發(fā)生器(101)的氣體媒質(zhì)(121)，以盡可能直接的方式提供能量，使得其直接影響氣體媒 質(zhì)(121)，從而增加氣體媒質(zhì)的效率或湍流。 因?yàn)榭偣矁H使用兩個(gè)發(fā)生器，每個(gè)發(fā)生器的氣體媒質(zhì)被另一個(gè)發(fā)生器的高強(qiáng)度和 高功率聲學(xué)波增強(qiáng)，所以這提供了非常緊湊和有效地設(shè)置。 如果僅使用單個(gè)發(fā)生器(IOI)，因?yàn)槁晫W(xué)波與氣體媒質(zhì)(121)不一致，所以單個(gè)發(fā) 生器(101)的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(B或B')的總的方向和氣體媒質(zhì)的總的方向(A或 A')之間的差異將導(dǎo)致效率損失。 發(fā)生器(101 ;101')相對(duì)于彼此的位置可以改變。 一個(gè)例子是，例如兩個(gè)發(fā)生 器彼此相對(duì)移位或偏移，但是高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波依然直接影響另一個(gè)發(fā)生器的氣體媒 質(zhì)。 在圖中，所示出的圓錐(121 ;102)的尺寸、方向等并不涉及類似聲學(xué)波強(qiáng)度等的
特定物理特性，僅是用于說(shuō)明的目的。兩個(gè)發(fā)生器(101)的強(qiáng)度和/或功率可以相同或不
同(任意一個(gè)比另一個(gè)大)。此外，形狀、大小和方向可以根據(jù)應(yīng)用而變化。 發(fā)生器(101 ;101')之一的特定位置還可以相對(duì)于另一個(gè)發(fā)生器變化，并且可以
例如放置在另一個(gè)發(fā)生器(101)上面或高于另一個(gè)發(fā)生器(101)，和/或朝向另一個(gè)發(fā)生器
(101);只要一個(gè)發(fā)生器(101)的聲學(xué)波直接影響另一個(gè)發(fā)生器的氣體媒質(zhì)(121)即可，反
之亦然。 雖然該具體示例示出了兩個(gè)發(fā)生器，但是應(yīng)該理解，給定的布置可以包括附加的 發(fā)生器。 氣體媒質(zhì)(102)總的來(lái)說(shuō)可以為任意氣體媒質(zhì)。在一個(gè)實(shí)施例中，氣體媒質(zhì)(102) 是蒸汽。在可替換實(shí)施例中，氣體媒質(zhì)(102)包括用于生成等離子體的一種或多種氣體。
需要注意的是，結(jié)合圖12或任意其它圖所示的一個(gè)或多個(gè)聲學(xué)發(fā)生器可以包括 一個(gè)或多個(gè)用于將聲學(xué)能量引導(dǎo)至優(yōu)選區(qū)域或點(diǎn)的反射器，例如總的為拋物線或橢圓型的 反射器。 應(yīng)該強(qiáng)調(diào)，當(dāng)用在本說(shuō)明書(shū)中時(shí)，術(shù)語(yǔ)"包括"是詳細(xì)說(shuō)明存在所陳述的特征、整 數(shù)、步驟或部件，但不排除存在或附加一個(gè)或多個(gè)其它特征、整數(shù)、步驟、部件和/或其組群。 在權(quán)利要求中，放在括號(hào)之內(nèi)的任何參考標(biāo)記不應(yīng)該構(gòu)成對(duì)權(quán)利要求的限制。詞 語(yǔ)"包括"不排除不同于在權(quán)利要求中所列的元件或步驟之外的其他元件或步驟的存在。在 元件之前的詞語(yǔ)"一"或"一個(gè)"不排除多個(gè)這樣的元件的存在。 本發(fā)明可以通過(guò)包括幾個(gè)不同元件的硬件實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)適當(dāng)編程的計(jì)算機(jī)或 處理器實(shí)現(xiàn)。在列舉若干裝置的系統(tǒng)和設(shè)備權(quán)利要求中，這些裝置的幾個(gè)能夠通過(guò)同一個(gè)硬件產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。特定方案在彼此不同的從屬權(quán)利要求中敘述的簡(jiǎn)單事實(shí)不能表明這些方案 的結(jié)合不能用于產(chǎn)生有益效果。
權(quán)利要求
一種增強(qiáng)等離子體中的氣相反應(yīng)的方法，包括-通過(guò)至少一個(gè)等離子體源(106)生成等離子體(104)，其特征在于所述方法還包括-通過(guò)至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(101)產(chǎn)生具有預(yù)定量的聲學(xué)能量的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)，其中所述超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波被引導(dǎo)朝向所述等離子體(104)傳播，使得所述預(yù)定量的聲學(xué)能量的至少一部分被吸收到所述等離子體(104)中，并且其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)的聲壓水平為至少基本上140dB，并且其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)的聲學(xué)功率為至少基本上100W。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102) 的所述聲壓水平為-至少基本上150dB ; -至少基本上160dB ; -至少基本上170dB ; -至少基本上180dB ; -至少基本上190dB ;或者 -至少基本上200dB。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1-2中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功 率聲學(xué)波(102)的所述聲學(xué)功率為-至少基本上200W ; -至少基本上300W ; -至少基本上400W ; -大約400W ; -大于基本上400W ; -至少基本上500W ; -至少基本上lkW，或者 -從大約l-2kW中選擇。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l-3的任意一項(xiàng)所述的方法，其中所述等離子體源(106)包括從以下 的組中選擇的至少一個(gè)源介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體源、表面放電(SD)等離子體源、 體積放電(VD)等離子體源、等離子體炬源、電弧等離子體炬、滑動(dòng)弧等離子體炬、冷等離子 體炬、類鉛筆炬、直流等離子體源、電容耦合等離子體源、脈沖等離子體源、磁控管等離子體 源、電子回旋共振等離子體源、電感耦合等離子體源、螺旋波等離子體源、螺旋共振器等離 子體源、微波等離子體源、常壓等離子體射流(APPJ)源、阻擋炬、電弧微波炬、電暈放電等 離子體源、微等離子體源、低氣壓等離子體源和高氣壓等離子體源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4的任意一項(xiàng)所述的方法，其中在所述至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功 率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(101)的入口處的工"氣壓介于大約1. 9巴和大約5巴之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5的任意一項(xiàng)所述的方法，其中在常壓下生成所述等離子體(104)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l-6的任意一項(xiàng)所述的方法，其中所述等離子體源(106)包括至少一 個(gè)電極(103;103')并且其中所述至少一個(gè)電極(103 ;103')的一個(gè)電極(103')是網(wǎng)型電極。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-7的任意一項(xiàng)所述的方法，其中所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué) 波朝向膜(401)傳播，使得由所述至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器(101)所使 用的任意氣體不與由所述等離子體源(106)用來(lái)生成所述等離子體(104)的一種或多種氣 體(111)混合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l-8的方法，其中所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)是使用 氣體媒質(zhì)(121)產(chǎn)生的，并且其中聲學(xué)波(102)被引導(dǎo)朝向?qū)ο?100)的所述表面(314)， 并且其中所述氣體媒質(zhì)(121)在離開(kāi)所述至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波 發(fā)生器(101)之后被引導(dǎo)而離開(kāi)所述等離子體(104)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l-9的任意一項(xiàng)所述的方法，其中用于生成等離子體(104)的氣體混 合物(111)基本上在所述超聲聲學(xué)波朝向所述等離子體(104)傳播的方向供應(yīng)給等離子體 源(106)的至少一個(gè)電極(103 ;103')。
11. 根據(jù)權(quán)利要求i-io的任意一項(xiàng)所述的方法，其中，所述至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度高功 率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(101)從下面的組中選擇_哈特曼型氣體射流發(fā)生器， -拉瓦瓦瑟型氣體射流發(fā)生器，-包括外部部分(305)和內(nèi)部部分(306)的發(fā)生器，所述外部部分(305)和內(nèi)部部分 (306)限定了通道(303)、開(kāi)口 (302)和提供在所述內(nèi)部部分(306)中的腔體(304)，其中所 述超聲高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(101)適于接收加壓氣體并且把該加壓氣 體傳遞到所述開(kāi)口 (302)，該加壓氣體從所述開(kāi)口以朝向所述腔體(304)的射流的方式被 排出。-任意上述類型的發(fā)生器，所述任意上述類型的發(fā)生器包括任意類型的聲學(xué)波集中器 或反射器。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l-ll的任意一項(xiàng)所述的方法，其中食物產(chǎn)品受等離子體(104)的處 理，其中所述等離子體(104)的生成產(chǎn)生了化學(xué)自由基并且對(duì)所述食物產(chǎn)品殺菌。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1-12的任意一項(xiàng)所述的方法，其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功 率聲學(xué)波(102)包括-通過(guò)第一聲學(xué)波發(fā)生器(101)使用氣體媒質(zhì)(121)產(chǎn)生高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波 (102)，其中氣體媒質(zhì)(121)在從第一聲學(xué)波發(fā)生器(101)離開(kāi)之后具有第一主要方向(A)， 所述第一主要方向(A)與由第一聲學(xué)波發(fā)生器(101)產(chǎn)生的高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102) 的第二主要方向(B)不同；-通過(guò)第二聲學(xué)波發(fā)生器(IOI')產(chǎn)生高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)，-其中，所述第一聲學(xué)波發(fā)生器(ioi)和第二聲學(xué)波發(fā)生器(ior )彼此相關(guān)地定位， 使得由所述第二聲學(xué)波發(fā)生器(ior )所產(chǎn)生的高強(qiáng)度聲學(xué)波(102)的至少一部分被引導(dǎo)朝向從所述第一聲學(xué)波發(fā)生器(101)離開(kāi)后的所述氣體媒質(zhì)(121)的至少一部分。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1-13的任意一項(xiàng)所述的方法，其中所述等離子體(104)被用在從下 面的組中選擇的過(guò)程中-臭氧產(chǎn)生， -制氫，_廢氣清潔， -污染控制， -氣味去除， -燃料轉(zhuǎn)化， -殺菌，以及 _氧化。
15. —種用于增強(qiáng)等離子體中的氣相反應(yīng)的系統(tǒng)，包括-適于生成等離子體(104)的至少一個(gè)等離子體源(106)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括-適于產(chǎn)生超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)的至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率氣體 射流聲學(xué)波發(fā)生器(IOI)，其中所述超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)具有預(yù)定量的聲學(xué) 能量并且被引導(dǎo)以朝向所述等離子體(104)傳播，使得所述預(yù)定量的聲學(xué)能量的至少一部 分被吸收到所述等離子體(104)中，并且其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波 (102)的聲壓水平為至少基本上140dB，并且其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué) 波(102)的聲學(xué)功率是至少IOOW。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波 (102)的聲壓水平為-至少基本上150dB ; -至少基本上160dB ; -至少基本上170dB ; -至少基本上180dB ; -至少基本上190dB ;或者 -至少基本上200dB。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15-16的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高 功率聲學(xué)波(102)的所述聲學(xué)功率為-至少基本上200W ; -至少基本上300W ; -至少基本上400W ; -大約400W ; -大于基本上400W， -至少基本上500W ; -至少基本上lkW，或者 -從大約l-2kW中選擇。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15-17的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體源(106)包括從 以下的組中選擇的至少一個(gè)源介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體源、表面放電(SD)等離子體 源、體積放電(VD)等離子體源、等離子炬源、電弧等離子體炬、滑動(dòng)弧等離子體炬、冷等離 子體炬、類鉛筆炬、直流等離子體源、電容耦合等離子體源、脈沖等離子體源、磁控管等離子 體源、電子回旋共振等離子體源、電感耦合等離子體源、螺旋波等離子體源、螺旋共振器等 離子體源、微波等離子體源、常壓等離子體射流(APPJ)源、阻擋炬、微波炬、電暈放電等離子體源、微等離子體源、低氣壓等離子體源和高氣壓等離子體源。
19. 根據(jù)權(quán)利要求15-18的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中在所述至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和 高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(101)的入口處的工作氣壓介于大約1.9巴和大約5巴之 間。
20. 根據(jù)權(quán)利要求15-19的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中在常壓下生成所述等離子體 (104)。
21. 根據(jù)權(quán)利要求15-20的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體源(106)包括至 少一個(gè)電極(103 ;103')，并且其中所述至少一個(gè)電極(103 ;103')的一個(gè)電極(103') 是網(wǎng)型電極。
22. 根據(jù)權(quán)利要求15-21的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)還包括膜(401)，并且 所述系統(tǒng)適于將所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波朝向所述膜(401)傳播，使得由所述 至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波發(fā)生器(101)所使用的任意氣體不與由所述等離子 體源(106)用來(lái)生成所述等離子體(104)的一種或多種氣體(111)混合。
23. 根據(jù)權(quán)利要求15-22的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高 功率聲學(xué)波(102)是使用氣體媒質(zhì)(121)產(chǎn)生的，并且其中聲學(xué)波(102)被引導(dǎo)朝向所述 等離子體(104)，并且其中所述氣體媒質(zhì)(121)在離開(kāi)所述至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率 氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(101)之后被引導(dǎo)離開(kāi)所述等離子體(104)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求15-23的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體源(106)包括至少 一個(gè)電極(103 ;103')，并且其中用于生成所述等離子體(104)的氣體混合物(111)基本上 在所述超聲聲學(xué)波朝向所述等離子體(104)傳播的方向被提供給所述至少一個(gè)電極(103 ; 103，)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求15-24的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中從下面的組中選擇所述至少一 個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(101):_哈特曼型氣體射流發(fā)生器， -拉瓦瓦瑟型氣體射流發(fā)生器，-包括外部部分(305)和內(nèi)部部分(306)的發(fā)生器，所述外部部分(305)和內(nèi)部部分 (306)限定了通道(303)、開(kāi)口 (302)和提供在所述內(nèi)部部分(306)中的腔體(304)，其中所 述超聲高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(101)適于接收加壓氣體并且把該加壓氣 體傳遞到所述開(kāi)口 (302)，該加壓氣體從所述開(kāi)口 (302)以朝向所述腔體(304)的射流的方 式被排出，-任意上述類型的發(fā)生器，所述任意上述類型的發(fā)生器包括任意類型的聲學(xué)波集中器 或反射器。
26. 根據(jù)權(quán)利要求15-25的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中食物產(chǎn)品受等離子體(104)的處 理，其中等離子體(104)的生成產(chǎn)生了化學(xué)自由基并且對(duì)所述食物產(chǎn)品殺菌。
27. 根據(jù)權(quán)利要求15-26的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高 功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(101)包括-第一聲學(xué)波發(fā)生器(IOI)，用于使用氣體媒質(zhì)(101)產(chǎn)生高強(qiáng)度聲學(xué)波(102)，其中氣 體媒質(zhì)(101)在從所述第一聲學(xué)波發(fā)生器(101)離開(kāi)之后具有第一主要方向(A)，該第一主 要方向(A)與由所述第一聲學(xué)波發(fā)生器(101)產(chǎn)生的高強(qiáng)度聲學(xué)波(102)的第二主要方向(B)不同；和-至少一個(gè)第二聲學(xué)波發(fā)生器(ior )，用于產(chǎn)生高強(qiáng)度聲學(xué)波(102)， 其中，所述第一聲學(xué)波發(fā)生器(ioi)和第二聲學(xué)波發(fā)生器(ior )彼此相關(guān)地定位，使 得由所述第一聲學(xué)波發(fā)生器(ioi)和第二聲學(xué)波發(fā)生器(ior )之一所產(chǎn)生的高強(qiáng)度聲學(xué) 波(102)的至少一部分被引導(dǎo)朝向從所述第一聲學(xué)波發(fā)生器(101)和第二聲學(xué)波發(fā)生器 (ior )的另一個(gè)離開(kāi)后的氣體媒質(zhì)(ioi)的至少一部分。
28.根據(jù)權(quán)利要求14-27的任意一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，其中所述等離子體(104)被用在從下 面的組中選擇的過(guò)程中 -臭氧產(chǎn)生， -制氫， -廢氣清潔， -污染控制， -氣味去除， -燃料轉(zhuǎn)化， -殺菌，和 -氧化。
全文摘要
本發(fā)明涉及增強(qiáng)在等離子體中的氣相反應(yīng)的方法，包括通過(guò)至少一個(gè)等離子體源(106)生成等離子體(104)，并且其中該方法還包括通過(guò)至少一個(gè)超聲高強(qiáng)度和高功率氣體射流聲學(xué)波發(fā)生器(101)產(chǎn)生具有預(yù)定量的聲學(xué)能量的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)，其中所述超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波被引導(dǎo)朝向所述等離子體(104)傳播，使得所述預(yù)定量的聲學(xué)能量的至少一部分被吸收到所述等離子體(104)中，并且其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)的聲壓水平為至少基本上140dB，并且其中所述所產(chǎn)生的超聲高強(qiáng)度和高功率聲學(xué)波(102)的聲學(xué)功率為至少基本上100W。通過(guò)這種方法，獲得了有效地增強(qiáng)了等離子體中的氣相反應(yīng)的高聲音強(qiáng)度和功率，其增強(qiáng)等離子體處理，例如，使得與反應(yīng)速度和/或所獲得的所產(chǎn)生的混合物濃度相關(guān)的利用等離子的的臭氧或氫的產(chǎn)生更有效率。也可以增強(qiáng)包括等離子體的其他處理，比如廢氣清潔、污染控制、氣味去除、燃料轉(zhuǎn)化、殺菌、氧化。
文檔編號(hào)H05H1/46GK101731025SQ200880021706
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月11日
發(fā)明者A·巴登施泰恩, H·賓德斯雷弗, N·克雷布斯, 草野行弘 申請(qǐng)人:力技術(shù)公司;丹麥科技大學(xué)