使用高强度和高功率超声波在等离子体中增强气相反应 【技术领域】
本发明涉及在等离子体中的增强气相反应的方法。本发明还涉及用于在等离子体中增强气相反应的系统。
背景技术
等离子体是一种离子化气体。等离子体中的激活的各种离子、电子、高能中子、自由基以及紫外放射可用于各种事情。等离子体产生或所产生的等离子体还可以有利地被用于各种目的或应用，比如产生臭氧、制氢、废气清洁、污染控制、气味去除、燃料转化、杀菌、氧化等。
臭氧可以通过将三个单个氧原子重新结合而形成，其中单个氧原子是从等离子体中的双原子氧分裂出来的。燃料转化是自然存在或经改进的燃料的化学或物理转变，以提高燃料的质量。燃料转化过程可以得到一种或者多种升级的燃料产品，其可以是固体、液体或气体，并且可以产生用于化学制造的化学制品或原材料。例如，煤一般需要减小尺寸、清洗和惰性物质(inert species)的去除。天然气需要利用气液和C2化合物的分离将H2S和CO2去除。然而，“气-到-液”的燃料转化(液化)也相当重要。这里天然气的主要成分CH4在一步或多步化学反应中被转化成液体燃料。
存在多种等离子体，包括直流等离子体、电容耦合等离子体、脉冲等离子体、磁控管等离子体、电子回旋共振等离子体、电感耦合等离子体、螺旋波等离子体、螺旋共振器等离子体、微波等离子体和等离子体射流(例如参见，A Bogaerts等人发表于Spectrochimica Pt.B57(2002)609-658的文章)。这些等离子中的许多都是在低气压下工作，缺点是他们需要昂贵的真空系统。此外，仅充分发展了用于批量或半批量处理的方法。为了克服这些缺点，可以使用常压等离子体表面改进系统，其不仅避免了对真空设备的需要，还允许较大对象的表面改性和生产线连续表面的改性(例如参见，C Tendero等人发表于Spectrochimica Pt.B 61(2006)2-30的文章)。
在图1中示出现有技术等离子体应用系统，并且在下面对其进行更详细的解释。图1例示在常压下可用的已知的所谓介质阻挡放电(DBD)类型的电容耦合等离子体的例子。
其它各种类型的等离子体源包括具有基本上定位在两个电极之间的中间处的单介质阻挡层或者仅覆盖电极之一的单介质阻挡层的介质阻挡放电(DBD)。这样的等离子体源还通常被称为体积放电(VD)源，其中微放电发生在一般随机分布于电极和/或电介质表面的薄通道中。其它DBD等离子体源包括所谓的表面放电(SD)等离子体源，其典型地包括在电介质层上的若干表面电极和在电介质层的相反侧上的相对电极。这样的SD等离子体源可以包括所谓的SPCP(表面放电诱导的等离子体化学过程)放电元件或CDSD(共面漫射表面放电)元件。在SPCP中，电极接附在电介质上而在CDSD中电极嵌入在电介质中。
其他类型的等离子体源例如是所谓的等离子体炬，比如，电弧等离子体炬、冷等离子体炬(例如参见H Mortensen等人发表于Jpn.J Appl.Phys.45(10B)(2006)8506-8511的文章)、常压等离子体射流(APPJ)，类铅笔炬(pencil like torches)、阻挡炬(barrier torches)和微波炬(例如参见C Tendero等人发表于Spectrochimica Pt.B 61(2006)2-30的文章)。然而，另一种类型的等离子体源是所谓的滑动弧(例如参见，A Fridman等人发表于J.Phys.D Appl.Phys.38(2005)R1-R24的文章)。
另外类型的等离子体源有低气压等离子体、电晕放电(例如参见A Bogaerts等人发表于Spectrochimica Pt.B 57(2002)609-658的文章)和微等离子体(例如参见，V Karanassios发表于SpecrochimicaActa Pt.B 59(2003)909-928的文章)。例如参见以下文章可以得到等离子体和常压等离子体的进一步细节：A Bogaerts等人发表于Spectrochimica Pt.B 57(2002)609-658的文章，U Kogelschatz发表于Plasma Chem.Plasma Proc.23(1)(2003)1-46的文章，C Tendero等人发表于Spectrochimica Pt.B 61(2006)2-30的文章和A Fridman等人发表于J.Phys.D Appl.Phys.38(2005)R1-R24的文章。
Stanislav Pekarek，Rudolf Balek等人的三篇文章：′Ozonegeneration by hollow-needle to plate electrical in an ultrasound field′，J.Phys.D：Appl.Phys.37(2004)1214-1220；′Ultrasound and airflowinduced thermal instability suppression of DC corona discharge：anexperimental study′，Plasma Sources Sci.Technol.15(2006)52-58和′Ultrasonic resonator with electrical discharge cell for ozonegeneration′，Ultrasonics 46(2007)227-234，披露了DC电晕放电的抑制，其中使用超声或者超声与气流的结合，并连同中空针-板电极系统一起，用来激励电晕放电用于产生臭氧。还发现超声波的应用增加了臭氧的产生。
题为′Improvement of Charging Performance of CoronaCharger in Electrophotography by Irradiating Ultrasonic Wave toSurrounding Region of Corona Electrode′(Kwang-Seok Choi，SatoshiNakamura and Yuji Murata Jpn.J.Appl.Phys.44(5A)(2005)3248-3252.)的文章披露了在电子摄影术中使用超声波提高电晕放电的放电速度，其中超声波增加涂层铝鼓地绝缘层上的电荷密度，其中所述涂层铝鼓替代了用于打印的感光鼓。在这些文章中至少一些发现也已经在专利申请CZ 295687中进行了披露。
上面提及的文章中所披露的超声发生器是基于压电换能器。其中没有提及所发射的声学波或超声波的特定或优选的声压水平或者其优点。
此外，这些文章中提到，以所产生超声的20.3kHz的频率在换能器发射表面附近由超声布置所产生的声压分别在2和10kPa的量级。在第四篇文章中，超声发生器是28kHz、直径50mm且高度80mm的螺栓紧固夹心型(bolt-clamped Langevin-type)压电换能器。最大的输入功率是50W。从这些值给出所发出的声压值估计大约为2kPa。2kPa和10kPa的压力值对应于比参考压力20μPa高出160dB和174dB的非常高的声压水平。可以估计出上面详细说明的在上述频率的声压对应于4.4kW/m2和20kW/m2的超声强度，或者对应于比1pW/m2的参考强度高出156dB和163dB的声音强度水平。这使得这些文章中的至少一些中所应用的超声波表征为高强度。然而，根据这些文章中所提供的声学功率实际上太低并且太局部化，不能对等离子体中的气相进行有效的和大体积的增强。
类似的情况可以参照专利说明书US6,391,118概述。其披露了使用电晕放电在设备中从物品的表面去除粒子的方法。为粒子提供电荷并且随后将超声波或气流应用到物品的表面，同时应用电场以将带有电荷的固体粒子从表面赶走。超声波和/或气体的应用进一步方便了带电固体粒子的去除。这里，超声发生器(振荡器)的种类包括压电振荡器、聚合物压电膜、电致伸缩振荡器、朗之万(Langevin)振荡器(即上述的特定类型的压电换能器)、磁致伸缩振荡器、电动变压器和电容变压器。使用这样的振荡器提供的声学功率低(不大于50W)并且局部化。其太低并且太局部化，以致不允许有效且大幅地改进等离子体中的气相。此外，没有披露所发射的超声波的特定或优选的声压水平或者其优点。
Nakane等人发表于Japanese Journal of Applied Physics，Vol.43，No.5B，2004，pp.2852-2856的题名为′Current Waveforms ofElectric Discharge in Air under High-Intensity Acoustic StandingWave Field′的文章还披露了在高强度声学场中的放电现象。这里使用频率为660Hz的驻波，其限制用于生产臭氧的放电体积。根据该文章增强的臭氧生产可以通过帕刑定律(Paschen′s law)来解释，其意味着静压力越低，放电流光(streamer)的增长速率就越高。因此，流光在驻波的节点中应该增长更剧烈。所提出的机制的另一部分是在流光通道在声学场中进行振荡。
专利申请US 2003/0165636披露了一种用于对象表面的常压等离子体表面改性的方法，其中待处理的对象表面被激励，使其振动或波动，从而激活等离子体的应用。用于激励该表面的能量可以来自生成等离子体的过程、来自外部源或者来自其组合。用于激励该表面的能量可以来自与待处理对象相接触的振动发生器，或者通过与发射声学波(例如，超声波)至待处理对象的振动发生器间接接触，使得待处理对象激起湍流等离子体。没有公开关于声学波或超声波的特定或优选地声压水平或者其优点。因此，建议激励表面振动和波动，或者换句话说，建议在对象上产生受引导的和表面的声学波，以便加强等离子体处理。相应的，其披露了待处理的表面的振动是在与待处理的对象的主体相关的一个或几个本征频率和它们的谐波进行激励的结果。因此，或者由所使用的声学能量的源的工作频率来严格地限制改进的对象的特征维度(主要是其厚度)的范围，或者由对象的维度严格确定所述频率。其还披露了：当声学波的外部发生器发射的频率不是待处理对象的本征频率的谐波时，表面的振动也能够从受迫频率得到。这意味着产生了表面声学波(主要是瑞利表面波)。
把声学能量传播进入周围气体/等离子体的下列过程被提及：1.外部声学发生器一＞被处理对象表面振动—＞气体分子(等离子体粒子)振动。2.直接产生被处理表面对象振动，例如通过直接声学接触—＞气体分子(等离子体粒子)振动。
两个过程都需要声学波通过固体/气体界面至少一次。然而，由于对于固体和气体的声学阻抗相差超过4个数量级，所以大部分所产生的声学功率不能被发射(尤其是重新发射)到气体环境中并且保留在固体中最终被转化成热能。因此，不可能以这种方式在空气中产生功率足以使等离子体中的气相得到有效和大体积增强的声音或超声。因此，以下是非常重要的，即：不是简单的“震动”表面并以这样的方式激起未知效率和空间分布的不受控制的湍流等离子体，而是使等离子体中的气相有效率且大体积增强。
所产生的声学功率相对低(在任意比率，低于100W)，因为施加到声学波发射器的功率实际上是100W，并且即使对于最有效的气体射流(gas-jet)超声发射器，在气体环境中声音产生的效率也不能超过30％，更不用说其他方法了。
产生等离子体或其它等离子体过程的主要障碍是如何在等离子体中在大体积上进行非常有效地气相反应。
所提到的现有技术均没有详细披露足以有效地允许等离子体中气相有效并且大体积增强的声学功率水平。
此外，涉及压电换能器或具有用于传输能量的固体的其它换能器的现有技术，仅以非常局部化的方式提供能量，例如在非常接近于压电换能器(或其它固体换能器)处，因此不适合用于大体积的气相增强。
【发明内容】
本发明的一个目标是提供用于在等离子体中增强气相反应的方法和系统，其至少在一定程度减小了上面提到的现有技术的缺点。
本发明另一个目标是在大体积中增强等离子体的气相反应。
本发明一个附加的目标是为等离子体过程加速。
一些实施例的又一目标是增强涉及等离子体的产生过程，例如，使用等离子体的氢、臭氧或合成气的产生、使用等离子体的废气清洁、污染控制、气味去除、燃料转化、液化、杀菌、氧化等。
这些目标至少一定程度上是通过增强等离子体中的气相反应的方法实现的，包括：通过至少一种等离子体源生成等离子体，并且其中该方法还包括：利用至少一个超声高强度和高功率气体射流声学波发生器产生具有预定量的声学能量的超声高强度和高功率声学波，其中所述超声高强度和高功率声学波被引导用于朝向所述等离子体传播，使得所述预定量的声学能量的至少一部分被吸收到所述等离子体中，并且其中所述所产生的超声高强度和高功率声学波的声压水平至少基本上为140dB，并且其中所述所产生的超声高强度和高功率声学波的声学功率至少为基本上100W。
通过该方法，获得高声音强度和功率，其有效的增强等离子体中的气相反应，从而增强等离子体过程，例如使得能够使用等离子体更有效的产生臭氧或合成气，使用与反应速度和/或所获得的所产生的化合物的浓度有关的等离子体进行废气清洁、污染控制、气味去除、燃料转化、液化、杀菌、氧化等。
增加目的产品的浓度、减小污染物、气味等的浓度和/或减少反应时间，这些都减小了过程的成本，因为过程昂贵并且需要大量的能量。
作为对比，换能器的声音发射表面面积在2×10-3m2的量级并且所发射的声学功率是10-40W，其中该换能器例如类似在之前提到的现有技术文章(′Ozone generation by hollow-needle to plateelectrical in an ultrasound field′；′Ultrasound and airflow inducedthermal instability suppression of DC corona discharge：anexperimental study′；以及′Improvement of Charging Performanceof Corona Charger in Electrophotography by Irradiating UltrasonicWave to Surrounding Region of Corona Electrode′)中所描述的。
由高功率气体射流发生器所提供的声学功率能够具有高得多的声学功率输出以及高声压和140dB或150dB至170dB的强度水平(例如参见Y.Y.Borisov，Acoustic gas-jet generators of Hartmanntype，in L.D.Rozenberg(ed.)Sources of High-Intensity Ultrasound(New York：Plenum：1969)part I.and Levavasseur，R.High powergenerators of sound and ultrasound.US Patent，book 116-137，No.2755767(1956).)。
已经示出大约100W或更高的声学功率增强了等离子体中的气相反应。
高功率气体射流发生器在20-30kHz的频率下在距离发生器喷嘴10cm处通常能够获得数百瓦特的声学功率(即，比压电换能器声学功率输出的幅度高大约1个量级)和典型的160dB的SPL(声压水平)。甚至可以获得1-2kW的声学功率。
压电(或其它固态声学换能器)和气体射流发生器在声学功率输出方面这样显著差异的主要物理原因在于压电换能器通过振动(使用声音)与气体接触的固体并因此将振动传输至气体来工作。由于对于固体和气体的声学阻抗的巨大差异(所谓的声学阻抗失配)，所产生的声学功率大部分不能被发射到周围气体中并且保留在固体中。其被转换成热能并导致换能器升温。
因此，不可能以这种方式在气体中产生具有足以充分的增强等离子体中的气相反应的功率的声音或超声。实际上，单个压电换能器仅在其发射表面附近提供高强度超声辐射并且照射与其发射表面的面积可比的有限表面面积。这是因为声学波衍射，在换能器直径与声学波波长可比时，所述声学波衍射是显著的。的确，对于在空气中20-30kHz的超声频率，波长是大约10-20mm，这在实际换能器直径的量级。在气体射流超声发射器的情况中，振动媒质不是固体而是气体。显然其中不存在任何阻抗失配并且在周围气体中能发射足够高的声学功率。此外，超声辐射的强度和声压水平在距离气体射流发射器喷嘴几十厘米处保持非常高，同时声学波前较宽(有时就是球形波前)。这样，可能将较大体积暴露于高强度超声(在距离发生器的喷嘴10cm处，声音强度和声音压力水平基本上为140dB或更高)并且使得等离子体中进行有效地气相反应。
在一个实施例中，所述所产生的超声高强度和高功率声学波的声压水平是：-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，这是在距离发生器喷嘴10cm处的声压水平。
在一个实施例中，所述所产生的超声高强度和高功率声学波的声学功率是：-至少基本上200W，-至少基本上300W，-至少基本上400W，-大约400W，-大于基本上400W，-至少基本上500W，-至少基本上1kW，或者-从大约1-2kW中选择。
应该理解，如果使用若干声学发生器，可以获得更高的功率。
在一个实施例中，等离子体源包括从以下的组中选择的至少一个源：介质阻挡放电(DBD)等离子体源、表面放电(SD)等离子体源、体放电(VD)等离子体源、等离子体炬源、电弧等离子体炬、滑动弧等离子体炬、冷等离子体炬、类铅笔炬、直流等离子体源、电容耦合等离子体源、脉冲等离子体源、磁控管等离子体源、电子回旋共振等离子体源、电感耦合等离子体源、螺旋波等离子体源、螺旋共振器等离子体源、微波等离子体源、常压等离子体射流(APPJ)源、阻挡炬、电弧微波炬、电晕放电等离子体源、微等离子体源、低气压等离子体源和高气压等离子体源。
在一个实施例中，至少一个超声高强度和高功率气体射流声学波发生器的入口处的工作气压是在大约1.9巴和大约5巴之间。
在一个实施例中，在常压下生成等离子体。
在一个实施例中，等离子体源包括至少一个电极并且其中所述至少一个电极的一个电极是网型电极。
这允许气体/能量以非常简单并且有效地方式通过“上”电极。
在一个实施例中，所产生的超声高强度和高功率声学波朝向一个膜传播，使得由所述至少一个超声高强度和高功率声学波发生器所使用的任意气体不与由所述等离子体源用来生成所述等离子体的一种或多种气体混合。
在一个实施例中，使用气体媒质产生所产生的超声高强度和高功率声学波并且其中声学波被引导朝向所述等离子体，并且其中在离开所述至少一个超声高强度和高功率气体射流声学波发生器之后，所述气体媒质被引导远离所述等离子体。
在一个实施例中，所产生的超声高强度和高功率声学波不与从发生器喷嘴排出的工作气体流空间重叠。此外，因为所产生的超声高强度和高功率声学波被朝向等离子体引导并且从超声高强度和高功率声学波发生器排出的气体空间不重叠，所以所述排出的工作气体不与由所述等离子体源使用来生成等离子体的一种或多种气体混合。
在这些方法中，能控制用于等离子体产生过程的气体环境。
在一个实施例中，用于生成等离子体的气体混合物基本上在所述超声声学波朝向所述等离子体传播的方向供应给等离子体源的至少一个电极。
在一个实施例中，超声高强度高功率气体射流声学波发生器的至少一个选自下面的组：-哈特曼(Hartmann)型气体射流发生器，-拉瓦瓦瑟(Levavasseur)型气体射流发生器，-包括限定通道的外部部分和内部部分的发生器，所述外部部分和内部部分限定了通道、开口和提供在所述内部部分中的腔体，其中所述超声高强度和高功率气体射流声学波发生器适于接收加压气体并且把该加压气体传递到所述开口，从所述开口，该加压气体以朝向腔体的射流的方式被排出。-任意上面提及类型的发生器，其包括任意类型的声学波集中器或反射器。
在一个实施例中，食物产品受等离子体的处理，其中等离子体的生成产生了化学自由基并且对食物产品杀菌。
在一个实施例中，所产生的超声高强度和高功率声学波包括：-通过第一声学波发生器使用气体媒质产生高强度和高功率声学波，其中在离开第一声学波发生器之后，气体媒质具有第一主要方向，该第一主要方向与由第一声学波发生器产生的高强度和高功率声学波的第二主要方向不同。-通过第二声学波发生器产生高强度和高功率声学波，-其中，第一和第二声学波发生器彼此相关的定位，使得由所述第二声学波发生器所产生的高强度声学波的至少一部分被引导朝向离开所述第一声学波发生器后的至少一部分气体媒质。
在一个实施例中，等离子体被用在从下面的组中选择的过程中：-臭氧产生，-氢生产，-废气清洁，-污染控制，-气味去除，-燃料转化，-杀菌，和-氧化。
本发明还涉及对应于本发明的方法的一种系统。更具体地说，本发明涉及用于增强等离子体中的气相反应的系统，包括：适于生成等离子体的至少一个等离子体源，其中该系统还包括：适于产生超声高强度和高功率声学波的至少一个超声高强度和高功率气体射流声学波发生器，其中所述超声高强度和高功率声学波具有预定量的声学能量并且被引导以朝向所述等离子体传播，使得所述预定量的声学能量的至少一部分被吸收到所述等离子体中，并且其中所述所产生的超声高强度和高功率声学波的声压水平为至少基本上140dB，并且其中所述所产生的超声高强度和高功率声学波的声学功率是至少100W。
系统的有利实施例在从属权利要求中限定并在下面详细描述。系统的实施例对应于方法的实施例并且基于同样的理由而具有相同的优点。
【附图说明】
参照在附图中所例示的实施例，本发明的这些方面以及其他方面将变得清楚，其中：图1简要例示现有技术的等离子体设备；图2简要例示等离子体设备的框图；图3a简要例示未应用超声高强度和高功率声学波的(湍流)流动；图3b简要例示一种流动，其中例示了向空气/气体施加超声高强度和高功率声学波或在空气/气体中施加超声高强度和高功率声学波的效果；图4简要例示增强等离子体设备的一个实施例；图5简要例示增强等离子体设备的可选实施例；图6简要例示增强等离子体设备的可选实施例；图7简要例示增强等离子体设备的实施例，其中等离子体源是表面放电(SD)等离子体源；图8简要例示增强等离子体设备的实施例，其中等离子体源是炬等离子体源，例如滑动弧等离子体源；图9简要例示高强度和高功率气体射流声学波发生器的实施例，其中输出环形喷口和在蘑菇型谐振器中制动的会聚的超声气体射流为盘的形式(即，所谓的盘-射流哈特曼超声发生器)；图10是沿着在图9中的高强度和高功率声学波发生器(101)的直径的截面视图，其更清楚的例示了开口(302)、气体通道(303)和腔体(304)的形状；图11简要例示具有细长主体的形式的高强度和高功率声学发生器的另一个实施例；以及图12简要例示包括两个发生器的高强度和高功率声学发生器的实施例。附图中，相同的附图标号表示类似或相应的特征。
【具体实施方式】
图1简要例示一种现有技术的等离子体反应或发生设备。所示的是等离子体发生器或等离子体源的示例，即能够生成已知的所谓介质阻挡放电(DBD)类型的甚至能够在常压下使用的等离子体的任意设备和方法(此后仅表示为等离子体源)。如图所示，诸如He、Ar、O2、CO2和NH3的多种气体(111)供给到气体混合单元(110)，气体混合单元(110)将气体混合成用于指定的使用或应用的合适的成分。为等离子体而选择的气体应该根据等离子体反应的特定类型或所使用的混合物产生过程来选择，并且可以是通常用于这样的过程的任意气体。具体并且典型的例子包括空气、天然气、CH4、He、Ar、Ne、Xe、空气、N2、O2、H2O、CO2、诸如氟利昂气体(CF4、CHF3、C3F6、C4F8等)的卤素化合物气体、哈龙气体(Halon gases)、NH3、NF3、SF6、有机化合物气体(CH4、C2H6、C2H4、C2H2、C6H6、C2H5OH等)、NOx(氮氧化物)、SO2、硅烷等以及从它们中选择的气体混合物。为了稳定等离子体，利用He、Ar等来稀释气体，例如参见欧洲专利EP0508833B1。
还示出了两个电极(103)，这两个电极被分开放置且在他们之间具有放电间隙，其中至少一个电极(103)在朝向另一个电极的电极侧上邻接或覆盖有绝缘或电介质材料(105)，以避免电弧放电。在图中，两个电极(103)均邻接或覆盖有电介质材料(105)。一个电极(103)连接至适宜的电源(114)，该电源(114)接地并且在电极(103)之间提供AC高电压，例如0.1kHz-500kHz。
此外，示出了连接至电源(114)的高电压探针(113)和连接至高电压探针(113)的示波器。该高电压探针被用于监测所施加的电压，但与等离子体过程不相关也不会影响等离子体过程。
气体混合物从气体混合单元(110)供应到两个电极(103)之间的放电区域，并且因此，当电压被施加到电极(103)时产生等离子体(104)。样品或物体(未示出)可以位于等离子(104)中，例如用于表面改性、处理、加工等。
所发生的等离子体过程可以例如涉及臭氧产生、制氢、合成气生产、废气清洁、污染控制、气味去除、燃料转化、杀菌、氧化等。
臭氧可以通过三个单个氧原子重新结合而形成，其中单个氧原子是从等离子体中的双原子氧分裂出来的。燃料转化是自然存在或经改进的燃料的化学或物理转变，以提高燃料的质量。燃料转化过程可以得到一种或者多种升级的燃料产品，其可以是固体、液体或气体，并且可以产生用于化学制造的化学制品或原材料。例如，煤一般需要减小尺寸、清洗和去除惰性物质。天然气需要利用气液和C2混合物的分离将H2S和CO2去除。然而，“气-到-液”燃料转化(液化)也很重要。这里天然气的主要成分CH4在一个或多于一个步骤的化学反应中被转化成液体燃料。一个已知的过程是首先合成合成气(CO+H2)；CH4+H2O-＞CO+3H2CH4+C2O-＞2CO+2H2或者CH4+O2-＞CO+2H2
并且随后合成液体；CO+H2-＞汽油、柴油、酒精等。
等离子体还可以合成液体(甲醇、乙醇、苯等)和其它分子(乙烷、丙烷、乙烯、乙炔、丙烯苯和重烃)(K.V.Kozlov，P.Michel，H.E.Wagner″Synthesis of organic compounds from mixtures of methanewith carbon dioxide in dielectric barrier discharge at atmosphericpressure″Plasmas and Polymers，5(3/4)(2000)129-150.，S.Kado，Y.Sekine，T.Nozaki，K.Okazaki″Diagnosis of atmospheric pressure lowtemperature plasma and application to high efficient methaneconversion″Catalysis Today 89(2004)47-55etc.)。所产生的氢气还可以用作其他目的，例如用于燃料电池的环境友好的燃料。石油精炼和煤气化也是例子。质量升级的例子是通过石油成分的裂解进行汽车汽油的制造，以及通过将燃料和氢反应从液体燃料中去除硫和氮。
可以通过穿过等离子体或者向废气中注入活性物质进行废气清洁。这样的例子是NOx和SO2还原。
等离子体可以用于分解诸如挥发性有机化合物(VOC)(K.Urashima，J.S.Chang″Removal of volatile compounds from airstreams and industrial flue gases by non-thermal plasmatechnoklogy″IEEE Transactions on Dielectrics and ElectricalEngineering 7(5)(2000)602-614)的毒气成份和诸如NH3(L.Xia，L.Huang，X.Shu，R.Zhang，W.Dong，H.Hou″Removal of ammoniafrom gas streams with dielectric barrier discharge plasmas″152(2008)113-119)的气味。它们通常通过在等离子体中氧化而被分解。
如在下面所示并解释的，可以增强等离子体(104)中气相反应。
图2简要例示等离子体过程/设备的框图。所例示的是生成或供应等离子体(104)的一个或多个等离子体源(106)。
进一步例示的是产生高强度和高功率超声(102)的一个或多个超声高强度和高功率声波发生器(101)。根据本发明，所产生的超声(102)被施加到等离子体(104)的至少一部分，由此至少一部分声学能量被等离子体(104)吸收。施加到等离子体(104)的附加的能量将增强气相反应并且增强正在发生的等离子体过程。如在下面结合图3a和图3b所解释的那样，应用至少基本上140dB的声压水平和至少基本上100W的能量的高强度和高功率超声波，将增强气相反应并从而显著增强等离子体过程。
可以优化在超声高强度和高功率声波发生器(101)的入口处的工作气压，使得能够产生高声压。其优选地介于1.9巴和5巴之间或者介于2.5巴到4巴之间，并且典型地将取决于所使用的发生器类型。在高功率射流发生器的出口处的气压小于在入口处的气压，并且可以实践上几乎等于等离子体过程的气压。
操作气体射流高强度和高功率超声发射器的空气压强在通常条件下是至少超过1.9巴，而在距发生器喷嘴10cm处稳定的产生具有超过140dB的SPL的超声的最佳操作所需要的压强是2.5-4巴(取决于发生器类型)。
该一个或多个等离子体源(106)可以是适于给定等离子体过程的任意等离子体源，例如是在之前解释的等离子体源和接下来所解释的等离子体源或其结合，或者是如在前面所解释的使用一种或多种气体生成等离子体的等离子体源。该一种或多种等离子体源(106)可以从任意现有的等离子体源(低气压和高气压等离子体)中选择，并且更具体的可以是例如直流等离子体、电容耦合等离子体、脉冲等离子体、磁控管等离子体、电子回旋共振等离子体、感应耦合等离子体、螺旋波等离子体、螺旋共振器等离子体、微波等离子体、DBD、SD、等离子体炬，例如电弧等离子体炬、冷等离子体炬、APPJ、类铅笔炬、阻挡炬、电弧等离子体炬、微波炬、滑动弧、电晕放电和微等离子体。
等离子体过程的气压优选地高于0.4巴并且可以在常压附近或者更高，使得声学能量可以有效地传递。另一方面，在更低的压力下更容易产生等离子体。因此，等离子体过程的气压优选地大于0.4巴并且小于高功率气体射流发生器的入口处的压强。更优选地，等离子体源可以是能够在上面提及的压力下工作的DBD、SD、等离子体炬，例如电弧等离子体炬、冷等离子体炬、APPJ、类铅笔炬、阻挡炬、微波炬、滑动弧、电晕放电和微等离子体。
一个或多个超声高强度和高功率声学波发生器(101)是气体射流声学波发生器并且可以是例如一个或多个哈特曼型的气体射流发生器、一个或多个拉瓦瓦瑟型的气体射流发生器等，或者是其组合，如在下面所解释和图9-12中所示。
气体射流声学波发生器的使用在声学功率、高强度、声学阻抗等方面具有与之前描述的类似的优点。
如果使用多个超声和高强度和高功率声学波发生器，它们不需要是相同的类型，虽然也可以是相同的。
等离子体过程可以例如是臭氧发生、制氢、废气清洁、污染控制、燃料转化、杀菌、氧化等。
在一个实施例中，食物产品受到等离子体处理，其中该处理将以非常有效的方式产生化学自由基和对食物产品杀菌。
图3a简要例示未应用超声高强度和高功率声学波的(湍流)流动。
所示是固体对象(100)的表面(314)，其中气体或气体混合物(500)围绕或接触表面(314)。
热能能够通过传导以及通过气体从一个区域到另一个区域的移动被传送通过气体。该与气体移动相关的传热过程通常被称作对流。当该气体运动仅由温度差异带来的浮力导致时，该过程通常被称作为自然或自由对流；但如果气体运动是由一些其他机制导致，其通常称作为强制对流。对于强制对流的情况，将存在靠近表面(314)的层流边界层(311)。该层的厚度是流体雷诺数的递减函数，使得在高流动速度下，层流边界层(311)的厚度将减小。当流动变成湍流时，该层被分成湍流边界层(312)和层流边界层(313)。对于几乎所有的实际发生的气体流动，除了覆盖表面(314)的层流边界层(313)中的流动方式是层流之外，在整个流动体积中的流动方式将是湍流。考虑在层流边界层(313)中的气体分子或粒子(315)，速度(316)将基本上平行于表面(314)并且等于层流边界层(313)的速度。因为层流的性质，跨过层流边界层的热输送将通过传导或辐射进行。
此外，将仅通过扩散进行跨过层流边界层的质量输运。层流边界层(313)的存在不提供最佳或有效的增加的质量输运。任意跨过边界层的质量输送将仅是通过扩散，并且因此经常是总的质量输运中的最终限制因素。
从气体输送或传输能量和/或质量到固体表面的一个障碍是气体的边界层，该边界层附着于固体表面。甚至当气体的运动是完全的湍流时，也存在阻碍质量输运和/或热传输的层流边界层。虽然已经提出各种类型的方法和设备用于克服该问题，例如通过利用声波驱动气体并利用外部振动发生器振动固体对象(100)，尽管这些方法有一定的效果，但是，它们在使层流边界层有效最小化并同时覆盖足够大的面积以使该方法有效的能力本身有限。
图3b简要例示一种流体，其中示出了向空气/气体(500)施加高强度和高功率超声波或在空气/气体(500)中施加高强度和高功率超声波的效果。
更具体地说，图3b例示当气体射流声波发生器(未示出，例如参见在其它图中的101)向固体对象(100)的表面(314)施加高强度和高功率超声波并且其中高强度和高功率超声波在等离子体中被吸收，使得反应增强的情况。
再次考虑在层流层中的气体分子/粒子(315)；速度(316)将基本上平行于表面(314)并且等于应用超声之前的层流层的速度。在图3b中在向表面(314)发射声场的方向中，分子(315)的振荡速度显著增加，如箭头(317)表示。作为示例，在频率是f＝22kHz并且声压水平＝160dB的情况下，能够得到v＝4.5m/sec的最大速度和+/-32μm的位移。在图3a中相应的(垂直)位移基本上等于零，因为分子沿着表面跟随层流空气流。因此，通过最小化层流边界层来增加传导，声学波将建立从表面到周围气体/空气(500)的强制热流动和/或质量输运。在一个实施例中，声压水平基本上为140dB或更大。此外，声压水平可以在大约140-160dB的范围内选择。声压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。
层流边界层的变薄或毁坏具有大大地增加从表面(314)到周围或接触气体(500)的热传输和质量输运的效果，因为层流边界层的存在或减小的尺寸不再妨碍向固体对象(100)的表面的热传输和/或质量输运，其中该固体对象(100)的表面受到等离子体表面改性，即等离子体将更加有效地影响对象的表面。
此外，高强度和高功率超声波在等离子体中被吸收使得反应增强。
结合下面的附图描述各个实施例。
图4简要例示增强的等离子体设备的一个实施例。
所示是至少一个超声高强度和高功率声学波气体射流发生器(101)，其产生朝向等离子体(104)传播并到达等离子(104)的高强度和高功率超声波(102)，该等离子体(104)吸收大量声学能量，从在等离子体(104)中的气相反应将因所接收到的能量而增强。
等离子体(104)由等离子体源(106)使用所示的气流、所示的电极(103；103’)和绝缘体或电介质材料(105)产生(例如结合图1所解释的那样)。具体示出的等离子体源(106)是DBD类型的，但可以是其它的类型。
绝缘体或电介质材料(105)可以例如包括Al2O3或一般的具有电介质特性的材料或任意类型的绝缘体(例如陶瓷、聚合体和玻璃)。陶瓷和玻璃更耐得住等离子体，因为它们具有相对高的耐热性。通常将它们作为优选，因为它们典型地具有高介电常数并且因此能够以较低AC电压产生并维持等离子体。
还示出喇叭或类似物(402)或者声音指导或引导装置，其保证声音强度和功率被控制并朝向等离子体/对象聚焦。
在一个实施例中，膜(401)或类似物位于高强度和高功率超声波发生器(102)和等离子体之间。这使得能够控制等离子体发生过程的气体环境，以便仅所接收的气流被用于生成等离子体。这可能对于气体驱动发生器(102)有用，使得来自这样的发生器的气体不与用于等离子体生成的气体混合物相干扰。其它实施例可以取消膜(401)。膜(401)优选地相对薄并且对于超声相对透明。可以优化膜(401)的厚度、尺寸和/或形状，以及施加于该膜(401)的张力，以降低超声损失。
在一些实施例中，尽管不希望用于产生高强度和高功率超声波的气体媒质和用于产生等离子体的气体混合，但是膜可以省去。这能够通过一个高强度和高功率超声波发生器来实现，该超声波发生器所产生的声学波通常在与在离开超声波发生器之后的气体媒质的总的方向不同的方向传播。
在图12中示出两个这样的发生器，其中所产生的声学波的总的方向与在离开发生器之后的气体媒质的总的方向成一定角度。
可以设计发生器使得两个方向基本上相反。例如在所谓的高频范围辐射超声的干-射流(stem-jet)哈曼特发生器允许超声场和排出气流的这样的“自然”空间分离(例如参见Y.Y.Borisov，Acousticgas-jet generators of Hartmann type，in L.D.Rozenberg(ed.)Sourcesof High-Intensity Ultrasound(New York：Plenum：1969)partI.)这样的发生器在避免使用膜方面非常有用，因为气体媒质可能被从等离子体引开。通过该方法，用于产生声学波的气体不会影响等离子体气体。应该理解，即使在这样的布置中，膜还是有用的(但其可以有不同的设计)，因为其能够控制用于生成受控等离子体的气体，使得它们不会扩散到周围环境中去，这是有用的因为其中一些具有重要成本。
可以使用任意类型的膜，只要既没有严重的超声损失又没有严重的气体泄漏即可。只要它们能够形成薄膜，它们的材料可以从任意热塑性和热固性聚合物中选择，例如聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚烯烃(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、聚酰亚胺、聚酰胺、聚(乙烯基乙烯基醚)、聚异丁烯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚亚安酯、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯腈、天然和合成橡胶、聚合物合金、共聚物和它们的层压材料。使用任意现有技术可以向它们涂覆有机和/或无机材料。它们之中，可以使用诸如PE的低密度材料。此外，金属箔可以用作膜。其他的例子有金属涂覆(或涂覆无机材料的材料)或层压的聚合物膜。
可替换的，膜可以包括气凝胶或由气凝胶组成。
在一个实施例中，位于等离子体(104)和发生器(101)之间的电极是网型电极(103’)或其他类型的穿孔电极。这使得所产生的超声不受妨碍的通过并到达对象(100)而不会损失大量的能量，从而尽可能多的能量被用以影响在对象(100)周围的层流子层。其它实施例可以取消网型/穿孔电极(103’)。
用于生成等离子体(104)的气体/气体混合物的排出方向以及超声(102)的方向非常可控并且它们的主方向之间的角度可以变化。在所示的实施例中，该角度是大约90°。但该角度原则上可以是任意角度。例如在图5中，该角度是大约0°。
用于生成等离子体(104)的气体或气体混合物还可以被用于驱动气体射流声学发生器(101)。等离子体(104)可以在声学发生器(101)之前、之中、之后产生。
图5简要例示增强的等离子体设备的可替换实施例。该实施例与结合图4所示并阐述的实施例类似，只是用于等离子体的气体不是从侧部而是从与高强度和高功率超声波(102)相同的方向馈送的。
图6简要例示增强的等离子体设备的可替换实施例。该实施例与结合图4所示并阐述的实施例类似，只是其不包括膜。这样的实施例适于背景(ambient)或普通空气等离子体。在这样的没有膜的实施例中，用于产生高强度和高功率超声的高速气流能够被用作等离子体的工艺气体。
图7简要例示增强的等离子体设备的实施例，其中等离子体源是表面放电(SD)等离子体源。所示的实施例与结合图4所示并阐述的实施例类似，只是用表面放电(SD)等离子体源(106)来代替DBD等离子体源，该表面放电等离子体源(106)包括单个绝缘体或电解质材料(105)和嵌入在该绝缘体或电介质材料(105)中的若干电极(103)。所示的SD等离子体源是所谓的包括所谓CDSD放电元件。可替换的，其能够包括SPCP放电元件或由另一类型的SD等离子体源构成。作为从侧面接收气流的一种替换，其能够例如在图5中所示那样在超声的高强度和高功率声学波的方向供应，或者以其它方式供应。
图8简要例示增强等离子体设备的实施例，其中等离子体源是炬等离子体源，例如滑动弧等离子体源。所示的实施例与结合图4所示并阐述的实施例相似，只是作为对DBD等离子体源的替代，其包括诸如滑动弧等离子体源的炬等离子体源。
炬等离子体源可以例如是本领域技术人员所熟知的阻挡炬设计或冷等离子体炬设计。
图9简要例示高强度和高功率声学波气体射流发生器的一个实施例，其具有盘状的盘射流(disk jet)的形式(即，盘射流哈特曼超声发生器)。所示是高强度超声发生器(101)的实施例，在该例子中是所谓的盘射流。发生器(101)包括基本上环形的外部部分(305)和基本上圆柱形的内部部分(306)，其中环形腔(304)是凹进的。通过环形气体通道(303)，气体可以扩散到环形开口(302)中并且从该环形开口(302)被送达到腔体(304)。外部部分(305)可以相对于内部部分(306)调整，例如通过在外部部分(305)的底部提供螺纹或其它调整设备(未示出)，其还可以包括紧固装置(未示出)，当在他们之间获得期望的间隔时，该紧固装置用于相对于内部部分(306)锁定外部部分(305)。这样的超声设备可以在气压为4个大气压的情况下可以产生大约22kHz的频率。气体的分子因此能够以4.5m/s的速度每秒大约22,000次迁移达到33μm。提供这些值仅是用于给出超声设备的大小和比例的概念但绝不限制所示的实施例。
图10是沿着在图9中的高强度和高功率声学波发生器(101)的直径的截面视图，其更清晰的说明开口(302)、气体通道(303)和腔体(304)的形状。如结合图9所提及的，开口(302)通常是环形的。气体通道(303)和开口(302)由基本上环形的外部部分(305)和布置在其内的基本上柱状的内部部分(306)限定。从开口(302)排出的气体射流击打在形成于内部部分(306)中的基本上圆形的腔体(304)上，然后离开高强度超声发生器(101)。如之前提到的，外部部分(305)限定气体通道(303)的外部并且还沿着其形成高强度超声发生器的开口的内部圆周的外表面以大约30°的角度倾斜，气体射流扩散时可以从这里膨胀。上面的倾斜与内部圆周的内表面上大约60°的倾斜共同形成从外部限定开口(302)的锐角圆周边缘。内部部分(306)在其朝向开口的外部圆周处具有大约45°的倾斜并且从外部限定开口(302)。外部部分(305)可以相对于内部部分(306)调整，从而可以调整击打腔体(304)的气体射流的压力。腔体(304)凹进于其中的内部部分(306)的顶部也以大约45°倾斜，以允许振荡的气体射流在高强度超声发生器的开口处膨胀。
图11简要例示细长主体形式的高强度和高功率声学波发生器的另一个实施例。所示的是一种高强度和高功率气体射流声学波发生器(101)，其包括细长的基本上呈轨道型的主体，其中该主体功能上与在图9和10中所示的实施例相同。在该实施例中，外部部分包括一个轨道型部分(305)，其与轨道型的另一部分(306)共同形成超声设备(101)。在轨道型部分(305)和轨道型另一部分(306)之间提供气体通道(303)。气体通道具有开口(302)，该开口(302)把所发射的气体从气体通道(303)输送至形成于轨道型另一部分(306)中的腔体(304)。该实施例的一个优点是轨道型主体能够覆盖比圆形主体大得多的表面面积。该实施例的另一个优点是高强度和高功率声学波发生器可以通过挤压工艺形成，从而降低材料的成本。
图12简要例示包括两个发生器的高强度和高功率声学发生器的实施例。所示是两个气体射流高强度和高功率声学波发生器(101；101′)(第一发生器(101)和第二发生器(101’))的例子，其中每个发生器(101；101’)使用气体媒质(121)产生高强度和高功率声学波(102)。气体媒质(121)以类锥形(如阴影区域所示)在由箭头(A；A′)示意性指示的主要方向上离开各自的发生器(101)，朝向所产生的等离子体前进。
由第一发生器(101)所产生的高强度和高功率声学波(102)在由箭头(B)所示意性指示的主要方向上传播，由于高功率声学放发生器(101)的设计，该箭头(B)所示意性指示的主要方向与来自第一发生器(101)的气体媒质(A)的总的方向不同。
由第二发生器(101’)所产生的高强度和高功率声学波(102)在由箭头(B’)所示意性指示的总的方向上传播。
结合图11示出并解释了以类似方式工作的高强度和高功率声学波发生器的一个示例。该设计以基本线性的方式产生高强度和高功率声学波(从上面看)，而图9和图10的设计以基本上环形的方式产生波。
第一高功率声学波发生器(101)和第二高功率声学波发生器(101)彼此相关的定位，使得由第二声学波发生器(101’)所产生的高强度和高功率声学波(102)的至少一部分在总的方向(B’)上，该总的方向(B’)被引导朝向来自第一声学波发生器(101)的气体媒质(121)的至少一部分；并且使得由第一声学波发生器(101)所产生的高强度和高功率声学波(102)的至少一部分具有总的方向(B)，该总的方向(B)被引导朝向来自第二声学波发生器(101’)的气体媒质(121)的至少一部分。
通过将由第二发生器(101)产生的高强度和高功率声学波直接引导朝向来自第一发生器(101)的气体媒质(121)，以尽可能直接的方式提供能量，使得其直接影响气体媒质(121)，从而增加气体媒质的效率或湍流。
因为总共仅使用两个发生器，每个发生器的气体媒质被另一个发生器的高强度和高功率声学波增强，所以这提供了非常紧凑和有效地设置。
如果仅使用单个发生器(101)，因为声学波与气体媒质(121)不一致，所以单个发生器(101)的高强度和高功率声学波(B或B’)的总的方向和气体媒质的总的方向(A或A′)之间的差异将导致效率损失。
发生器(101；101′)相对于彼此的位置可以改变。一个例子是，例如两个发生器彼此相对移位或偏移，但是高强度和高功率声学波依然直接影响另一个发生器的气体媒质。
在图中，所示出的圆锥(121；102)的尺寸、方向等并不涉及类似声学波强度等的特定物理特性，仅是用于说明的目的。两个发生器(101)的强度和/或功率可以相同或不同(任意一个比另一个大)。此外，形状、大小和方向可以根据应用而变化。
发生器(101；101’)之一的特定位置还可以相对于另一个发生器变化，并且可以例如放置在另一个发生器(101)上面或高于另一个发生器(101)，和/或朝向另一个发生器(101)；只要一个发生器(101)的声学波直接影响另一个发生器的气体媒质(121)即可，反之亦然。
虽然该具体示例示出了两个发生器，但是应该理解，给定的布置可以包括附加的发生器。
气体媒质(102)总的来说可以为任意气体媒质。在一个实施例中，气体媒质(102)是蒸汽。在可替换实施例中，气体媒质(102)包括用于生成等离子体的一种或多种气体。
需要注意的是，结合图12或任意其它图所示的一个或多个声学发生器可以包括一个或多个用于将声学能量引导至优选区域或点的反射器，例如总的为抛物线或椭圆型的反射器。
应该强调，当用在本说明书中时，术语“包括”是详细说明存在所陈述的特征、整数、步骤或部件，但不排除存在或附加一个或多个其它特征、整数、步骤、部件和/或其组群。
在权利要求中，放在括号之内的任何参考标记不应该构成对权利要求的限制。词语“包括”不排除不同于在权利要求中所列的元件或步骤之外的其他元件或步骤的存在。在元件之前的词语“一”或“一个”不排除多个这样的元件的存在。
本发明可以通过包括几个不同元件的硬件实现，也可以通过适当编程的计算机或处理器实现。在列举若干装置的系统和设备权利要求中，这些装置的几个能够通过同一个硬件产品实现。特定方案在彼此不同的从属权利要求中叙述的简单事实不能表明这些方案的结合不能用于产生有益效果。