專利名稱：大氣壓裸電極冷等離子體射流發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于等離子體放電反應(yīng)器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
等離子體按照熱力學(xué)性質(zhì)可分為兩種，其一是高溫離子體，宏觀溫度高達(dá)IO6 IO8K,處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)；其二是低溫等離子體，宏觀溫度較低，大約IO2 105K。低溫等離子體按溫度又可分為熱等離子體(宏觀溫度IO3 IO5K,熱力學(xué)平衡或近熱力學(xué)平衡)和冷等離子體(宏觀溫度IO2 IO3K,非熱力學(xué)平衡)。冷等離子體雖然宏觀溫度不高，但其中的電子溫度和氣體溫度之比大約為10 100比1，因此同樣具有很高的化學(xué)活性其中富集大量的離子、電子、激發(fā)態(tài)原子、分子及自由基等活性粒子，比常見的液體和氣體的化學(xué)反應(yīng)器中所產(chǎn)生的活性粒子種類更多、活性更強(qiáng)，易于和所接觸的材料表面發(fā)生反應(yīng)。因此，近年來冷等離子體在滅菌消毒、臭氧合成、固體薄膜沉積、表面改性(改善薄膜、紙張、紡織品以及纖維的吸水性、導(dǎo)電性、粘著性、印染性和可濕性等性質(zhì))、等離子體刻蝕、器件清洗、大氣污染處理等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。冷等離子體射流技術(shù)是近年來興起的一種新型類輝光冷等離子體發(fā)生技術(shù)，可以將微小空間內(nèi)的放電加以擴(kuò)大并引出。冷等離子體射流直徑為幾十微米至幾毫米，射流長度可達(dá)幾十毫米，可方便的應(yīng)用于小范圍或局部處理，并且擊穿電壓較低、離子和亞穩(wěn)態(tài)原子濃度較高、電子溫度高、中性粒子溫度低、產(chǎn)生的等離子體中均勻部分較大、可控性好。目前，多數(shù)冷等離子體是在幾百帕以下的低氣壓下通過氣體放電產(chǎn)生的，對(duì)于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)，低氣壓等離子體需采用真空系統(tǒng)，技資高且應(yīng)用復(fù)雜，分批處理每次取放試品均需重新抽真空充入工作氣體，難于連續(xù)生產(chǎn)。而大氣壓下形成的冷等離子體由于無需真空腔，被處理工件尺寸不受限制，可連續(xù)工作等優(yōu)勢(shì)，更適合用于大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。當(dāng)前大氣壓冷等離子體射流裝置多由介質(zhì)阻擋感性耦合或容性耦合放電產(chǎn)生，電源通常采用射頻電源、微波電源或者高壓脈沖電源，這三類電源的成本較高，操作、控制及維護(hù)相對(duì)復(fù)雜。使用介質(zhì)阻擋放電(DBD)產(chǎn)生等離子體射流的裝置依賴于石英等絕緣介質(zhì)，而此類介質(zhì)存在可加工性差、強(qiáng)度低等問題，使得介質(zhì)阻擋放電的射流裝置不易在生產(chǎn)中推廣。另外，大氣壓冷等離子體射流裝置通常使用氦氣、氬氣等惰性氣體及其混合氣體作為工作氣體，對(duì)于大氣壓環(huán)境下的放電，用氣量非常巨大，從經(jīng)濟(jì)性考慮，如果使用氮?dú)饣蛘哐鯕庾鳛楣ぷ鳉怏w將大大減少用氣的費(fèi)用。但當(dāng)前使用氮?dú)饣蜓鯕庾龉ぷ鳉怏w產(chǎn)生大氣壓冷等離子體射流的研究尚不成熟。公開號(hào)為CN101252805A的發(fā)明采用雙針懸浮電極產(chǎn)生大氣壓冷等離子體射流；公開號(hào)為 CN101330794A、CN101466194A、CN101426327A、CN101652016A 的專利，分別使用不同結(jié)構(gòu)的電極進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生大氣壓冷等離子體射流。這些裝置是由于電極懸浮或是由于介質(zhì)阻擋產(chǎn)生的冷等離子體射流，如果將其應(yīng)用于對(duì)金屬材料進(jìn)行處理，則此類冷等離子體射流易與金屬之間發(fā)生擊穿放電，產(chǎn)生高溫電弧，燒傷被加工表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發(fā)生裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用安全、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。可用氮?dú)饣蜓鯕庾龉ぷ鳉怏w，在大氣壓下開放的空氣環(huán)境中獲得均勻穩(wěn)定的冷等離子體射流。一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發(fā)生裝置，包括工作氣體源、減壓閥、可調(diào)流量 計(jì)、高壓電源、圓柱形殼體、噴嘴電極、針電極組成。工作氣體由工作氣體源經(jīng)減壓閥和可調(diào)流量計(jì)進(jìn)入圓柱形殼體尾部。高壓電源的高壓輸出端接針電極，低壓輸出端接噴嘴電極并且接地。圓柱形殼體的尾部與供氣系統(tǒng)連接，前端通過螺紋與噴嘴電極連接；圓柱形殼體正中有一與針電極外徑相同的中心孔，用來放置并定位針電極；在圓柱形殼體的中心孔周圍均布若干與其平行的通孔，用以將工作氣體輸送到噴嘴電極內(nèi)的放電區(qū)域。噴嘴電極尾部為筒狀，與圓柱形殼體通過螺紋緊密連接；噴嘴電極的前部為錐臺(tái)狀，錐臺(tái)頂部有一圓孔作為噴嘴電極出口，冷等離子體射流通過此出口圓孔射出。針電極固定在圓柱形殼體的中心孔中；針電極尖端距噴嘴電極出口圓孔有一定的距離。通過調(diào)整電源電壓和工作氣體流量，冷等離子體將在針電極尖端產(chǎn)生，并隨氣流由噴嘴電極出口噴射而出，形成冷等離子體射流。使用此裝置形成的大氣壓冷等離子體射流宏觀溫度為室溫或略高于室溫。本發(fā)明的有益之處在于該裝置使用針電極和噴嘴電極的結(jié)構(gòu)，在大氣壓下可以產(chǎn)生穩(wěn)定的冷等離子體射流。由于采用裸露電極的形式，產(chǎn)生的冷等離子體射流溫度低，且不會(huì)與金屬工件表面發(fā)生之間擊穿放電；不但可使用惰性氣體做工作氣體，也可以使用氮?dú)饣蜓鯕猓员ＷC較低的用氣成本；可使用直流或中低頻高壓電源，相比射頻電源、微波電源以及脈沖電源，電源的購置成本大幅度降低，使用更加簡單，同時(shí)對(duì)電網(wǎng)和其它設(shè)備的電磁干擾也更低；工作在大氣壓開放的工作環(huán)境中，無需真空腔，無需特殊氣氛，方便在大多數(shù)工況下使用?？傊褂迷撗b置，可在常壓開放環(huán)境下獲得均勻、穩(wěn)定的冷等離子體射流，該裝置具有等離子體射流溫度低、長度長、產(chǎn)生及維持射流的電壓低、連續(xù)工作時(shí)間長、電極結(jié)構(gòu)簡單、操作容易等特點(diǎn)。


圖I為本發(fā)明的大氣壓裸電極冷等離子體射流發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，I圓柱形殼體，2針電極，3噴嘴電極，4冷等離子體射流，5高壓電源，6可調(diào)流量計(jì)，7減壓閥，8工作氣體源。圖2(a)為本發(fā)明實(shí)施例中圓柱形殼體的軸向截面圖。圖2(b)為本發(fā)明實(shí)施例中圓柱形殼體的徑向截面圖。圖3為本發(fā)明實(shí)施例中噴嘴電極的軸向截面圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發(fā)生裝置，包括工作氣體源8、減壓閥7、可調(diào)流量計(jì)6，通過管路順序連接；可調(diào)流量計(jì)6的輸出端通過管路連接圓柱形殼體I的尾端；針電極2固定在圓柱形殼體I中心的通孔中，噴嘴電極3固定在圓柱形殼體I的前端，并與針電極2同軸；高壓電源5的輸出端一端接針電極2，另一端接噴嘴電極3并且接地。工作氣體由工作氣體源8中經(jīng)減壓閥7、可調(diào)流量計(jì)6以固定流量從尾端進(jìn)入圓柱形殼體1，穿過圍繞針電極2均布的通氣孔，進(jìn)入噴嘴電極3，在針電極2的尖端發(fā)生放電產(chǎn)生等離子體，并隨氣流吹出噴嘴形成射流。工作氣體可以是氮?dú)?、氧氣或惰性氣體，也可以是以上幾種氣體的混合氣。高壓電源5可為直流高壓電源或中、低頻交流高壓電源。使用直流高壓電源時(shí)，將電源輸出端負(fù)極與針電極2相連，正極與噴嘴電極3相連并且接地；使用交流高壓電源時(shí)，將電源的交流高壓輸出端與針電極2連接，低壓輸出端與噴嘴電極3連接并且接地。圓柱形殼體I整體由絕緣性能良好且可加工性好的材料制成，可以是尼龍、塑料、聚四氟乙烯等材料。圓柱形殼體I在加工時(shí)，需保證中心孔和針電極2之間配合精度，且保證針電極3和噴嘴電極3安裝之后的具有較高的同軸度。圓柱形殼體I中在中心孔周圍均布的通氣孔直徑在允許的范圍內(nèi)盡量大一些，以減少對(duì)工作氣體的阻礙，通氣孔的數(shù)量以4至8個(gè)為宜，在中心孔四周軸對(duì)稱均勻分布。針電極2整體由導(dǎo)電性能良好并且耐燒蝕的材料制成，可選用銅焊條或鎢電極截?cái)?、磨制而成。針電極2的直徑對(duì)等離子體射流影響不大，可在I 3mm之間選擇。針電極2的尖端是否尖銳對(duì)等離子體射流的產(chǎn)生和穩(wěn)定有較大影響，使用時(shí)需觀察針電極2尖端是否發(fā)生燒蝕而變鈍，如果尖端變鈍，需要立刻重磨。噴嘴電極3整體由導(dǎo)電性能良好且可加工性好的材料制成，比如不銹鋼、銅、招合金等。噴嘴電極3的出口直徑根據(jù)應(yīng)用的不同,在I. 5 5mm之間選擇。本發(fā)明的大氣壓裸電極冷等離子體射流發(fā)生裝置在使用時(shí)，首先連接所有的管路和電路；打開減壓閥7，通過可調(diào)流量計(jì)6調(diào)整冷等離子體射流的工作氣體流量，此流量需根據(jù)噴嘴電極3出口直徑的不同和冷等離子體射流的應(yīng)用場(chǎng)合的不同在O. lm3/h至2. OmVh之間選擇，流量的大小將影響冷等離子體射流的長度及放電電壓，可經(jīng)試驗(yàn)確定；從低到高調(diào)整高壓電源5的輸出電壓，直到產(chǎn)生穩(wěn)定的冷等離子體射流，并且針電極2和噴嘴電極3之間沒有絲狀放電擊穿為止，此時(shí)，冷等離子體射流即可投入使用。在噴嘴電極3的出口直徑不變且針電極2和噴嘴電極3之間的距離不變的情況下，穩(wěn)定的冷等離子體射流產(chǎn)生后，工作氣體的流量和高壓電源5的輸出電壓均不需要改變，僅需要控制工作氣體和高壓電源5的通斷即可。具體實(shí)施例圖2為使用聚四氟乙烯材質(zhì)加工的圓柱形殼體I。圖2(a)中圓柱形殼體I的尾端加工成內(nèi)管螺紋，用來連接普通快速接頭，方便工作氣體管路的接入；圓柱形殼體I的另一端加工成普通的內(nèi)螺紋，在方便噴嘴電極3接入的同時(shí)可保證噴嘴電極3和針電極2之間的同軸度；圓柱形殼體I兩端內(nèi)螺紋盡頭均留有退刀槽以方便螺紋加工；圓柱形殼體I的中心孔直徑I. 6mm ;如圖2(a)和圖2(b)所示，在圓柱形殼體I內(nèi)中心孔周圍軸對(duì)稱的均布6個(gè)直徑為3mm的通氣孔。
圖3中噴嘴電極3的材料為黃銅，與圓柱形殼體I連接的一端加工成外螺紋；噴嘴電極3出口直徑為4mm。針電極2使用直徑I. 6mm的氬弧焊鎢電極磨制而成。將針電極2安裝于圓柱形殼體I的中心孔，再將噴嘴電極3旋入圓柱形殼體I的螺紋孔中固定；調(diào)整針電極2和噴嘴電極3的出口之間垂直距離為2. 5mm。 高壓電源5采用中頻交流高壓電源，電源輸出頻率50k 120kHz，輸出電壓O 10kV，最大功率150W ;壓輸出端連接針電極2，低壓輸出端連接噴嘴電極3并且接地。工作氣體采用純度99. 999%的高純氮?dú)?。按照?qǐng)DI的連接方式，將管路連接至圓柱形殼體I尾部的快速接頭中，打開減壓閥7，調(diào)整可調(diào)流量計(jì)6，使流量達(dá)到O. 8m3/h ;打開高壓電源5，調(diào)整頻率至55kHz，從O開始逐漸增加電源輸出電壓，直到輸出電壓峰-峰值大約達(dá)到750V左右，即可觀察冷等離子體射流4噴射而出，射流溫度和室溫相當(dāng)；繼續(xù)增大電壓，冷等離子體射流4將更加明亮，長度也會(huì)更長；直到針電極2和噴嘴電極3之間出現(xiàn)絲狀放電擊穿，此時(shí)高壓電源5處于脈動(dòng)狀態(tài)，等離子體放電的穩(wěn)定性下降，冷等離子體射流4的溫度也迅速提高，針電極尖端會(huì)因放電燒蝕而變鈍，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)絲狀放電出現(xiàn)。在穩(wěn)定的工作電壓下，冷等離子體射流可以長時(shí)間工作。加工結(jié)束后，關(guān)閉高壓電源5和減壓閥7，不需調(diào)整可調(diào)流量計(jì)6的流量和高壓電源5的輸出電壓；下次使用時(shí)，直接將減壓閥7和高壓電源5打開，即可產(chǎn)生穩(wěn)定的冷等離子體射流，無需再次調(diào)整電源輸出電壓和工作氣體流量。
權(quán)利要求
1.一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發(fā)生裝置，包括工作氣體源、減壓閥、可調(diào)流量計(jì)、圓柱形殼體、高壓電源、噴嘴電極、針電極，其特征在于工作氣體源通過減壓閥和可調(diào)流量計(jì)進(jìn)入圓柱形殼體尾部；高壓電源的高壓輸出端接針電極，低壓輸出端接噴嘴電極并且接地；圓柱形殼體的尾部與供氣系統(tǒng)連接，前端與噴嘴電極連接，圓柱形殼體的中心孔放置并定位針電極；圓柱形殼體用絕緣制成；圓柱形殼體的中心孔周圍均布若干通孔，這些通孔與中心孔平行并且軸對(duì)稱分布；噴嘴電極用導(dǎo)電材料制成；噴嘴電極尾部為筒狀，用螺紋與圓柱形殼體緊密連接；噴嘴電極的前部為圓臺(tái)狀，圓臺(tái)頂部有一圓孔作為噴嘴電極出口 ；針電極用導(dǎo)電耐高溫?zé)g的材料制成；針電極固定在圓柱形殼體的中心孔中；針電極尖端與噴嘴電極出口圓孔有距離。
全文摘要
本發(fā)明提出一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發(fā)生裝置，包括工作氣體源、減壓閥、可調(diào)流量計(jì)、高壓電源、圓柱形殼體、噴嘴電極、針電極組成。絕緣材質(zhì)的圓柱形殼體尾部與供氣系統(tǒng)連接，前端通過螺紋與噴嘴電極連接；針電極固定在圓柱形殼體的中心孔，針電極尖端與噴嘴電極之間保持一定的放電間隙；圓柱形殼體的中心孔周圍均布若干與其平行的通孔，用以將工作氣體輸送到噴嘴電極內(nèi)的放電區(qū)域；高壓電源的高壓輸出端接針電極，低壓輸出端接噴嘴電極并接地。調(diào)整電源電壓和工作氣體流量，冷等離子體將在針電極尖端產(chǎn)生，并由噴嘴電極出口噴射而出，形成冷等離子體射流。本發(fā)明可在大氣壓開放的空氣環(huán)境中獲得均勻穩(wěn)定的冷等離子體射流。
文檔編號(hào)H05H1/26GK102625557SQ201210089200
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月30日
發(fā)明者劉新, 孫晶, 宋金龍, 徐文驥, 武立波, 王續(xù)躍 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)