專利名稱：介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體電刷發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
中國(guó)專利ZL201120020842. 5《大氣壓低溫等離子體電刷發(fā)生裝置及其陣列組合》中公開的大氣壓低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，由一個(gè)主體腔室，兩個(gè)電極，一個(gè)限流電阻，一個(gè)質(zhì)量流量計(jì)和一個(gè)電源設(shè)備組成。主體腔室包括兩個(gè)端口，一個(gè)端口為進(jìn)氣端口，另一個(gè)端口為出氣端口，主體腔室內(nèi)靠近該出氣端口的部分自然形成窄縫腔體。在主體腔室內(nèi)部，靠近出氣端口布置著兩個(gè)電極。其中的一個(gè)電極與限流電阻連接。主體腔室是由如聚四氟乙烯一類的聚合物或絕緣陶瓷材料制成；電極為耐熱的金屬材料。腔室中兩個(gè)電極正 對(duì)的端面既可以是平面也可以是針尖狀。該裝置中的質(zhì)量流量計(jì)用來(lái)控制流經(jīng)腔室的等離子體氣流。電源設(shè)備提供直流或交流電壓。電路中串聯(lián)的限流電阻可以抑制陰極區(qū)域的電場(chǎng)波動(dòng)，限制兩極之間放電電流的大小，防止輝光放電轉(zhuǎn)變成電弧放電，從而使得在氣體腔室中可以產(chǎn)生穩(wěn)定的輝光放電。工作時(shí)，在兩個(gè)電極之間加上一定的電壓，等離子體維持氣體和活性氣體從進(jìn)氣端口流入腔室，流經(jīng)兩電極之間的區(qū)域時(shí)，將發(fā)生穩(wěn)定的等離子體氣體放電。在兩電極放電區(qū)間形成的等離子體氣流從腔室的窄縫流出，窄小的狹縫可確保等離子體氣體在噴出腔室的瞬間有較高的速度。從狹縫腔體快速流出的等離子體氣體攜帶著部分的熱量，正以此消除輝光放電的熱不穩(wěn)定因素。等離子體氣流以很快的速度從腔室噴出，向外延伸成刷狀穩(wěn)定的低溫等離子體射流，形成大氣壓低溫等離子體電刷。盡管與傳統(tǒng)的等離子體發(fā)生裝置相比，該裝置已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、成本低廉，無(wú)需昂貴的真空系統(tǒng)就可以在常壓下產(chǎn)生低溫等離子體射流；操作安全方便，對(duì)被處理物品的尺寸和形狀沒有嚴(yán)格的限制。但是，其耗能較高。由于在放電回路中設(shè)置了限流電阻，在放電電流過(guò)大時(shí)將會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱而將其浪費(fèi)；其次，為生成較大體積的等離子體而增加放電電極之間的間距，間距的增加同時(shí)增大了兩電極之間的擊穿電壓，以及等離子體的放電功率。這樣不僅消耗和浪費(fèi)過(guò)多的能量，還對(duì)外界電源提出了更高的要求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，對(duì)背景技術(shù)中的技術(shù)方案進(jìn)行改進(jìn)，以顯著降低能耗。為實(shí)現(xiàn)以上實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，包括具有進(jìn)氣端口和出氣端口的主體腔室和一對(duì)主放電電極，主體腔室由絕緣材料制成；所述出氣端口為窄縫狀，主體腔室內(nèi)靠近該出氣端口的部分形成窄縫腔體，出氣端口的寬度與厚度之比為5 100 ;所述主放電電極的放電端位于所述窄縫腔體處；其特殊之處在于在進(jìn)氣端口與主放電電極的位置之間還設(shè)置有用以對(duì)工作氣體進(jìn)行預(yù)電離的一對(duì)平板電極，平板電極與主放電沿工作氣體流速方向的間距不小于1_，平板電極的放電端面設(shè)置有絕緣層。上述窄縫腔體的結(jié)構(gòu)形式可以是主體腔室內(nèi)自進(jìn)氣端口至出氣端口逐漸收縮或趨于扁平；或者主體腔室內(nèi)整體即為窄縫腔體，效果更佳。若優(yōu)選上述所述主體腔室內(nèi)整體為長(zhǎng)方體的窄縫腔體，平板電極的金屬表面沿長(zhǎng)方體寬邊平行緊貼窄縫腔體外壁上，窄縫腔體的腔壁作為平板電極介質(zhì)阻擋放電的絕緣介質(zhì)層。(若將平板電極置于主體腔室內(nèi)部則有以下不利因素其一，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將更復(fù)雜；其二，會(huì)讓更多的電極與等離子體接觸，這樣不僅會(huì)腐蝕電極，而且還會(huì)讓等離子體中含有不利的成份；其三，經(jīng)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，介質(zhì)阻擋放電置于內(nèi)部時(shí)的效果與置于外部基本相當(dāng)。)上述主放電電極的回路上最好再串聯(lián)限流電阻。為平板電極提供放電電壓的電源采用交流電源，交流電源的頻率從工頻至 13. 56MHz的射頻范圍內(nèi)可調(diào)；電源模式為連續(xù)或脈沖形式；其中，平板電極的的放電電流有效值不大于10mA。(放電電壓幅值根據(jù)因放電電壓與窄縫寬度、工作氣體類別、兩邊的腔壁厚度確定，一般在100 9000伏。)上述平板電極介質(zhì)阻擋放電功率不大于IW時(shí)，工作氣體流速為I 100L/min ；以I 30L/min更佳。上述主體腔室(的腔壁)可以由聚四氟乙烯、絕緣陶瓷或兩者的混合材料制成。上述主放電電極和平板電極最好采用由銅、鋁、鎢、鎳、鉭、鉬或其合金制成的電極，兩個(gè)主放電電極相互正對(duì)的放電端面為平面或針尖狀。較之于背景技術(shù)，本實(shí)用新型具有以下顯著效果(I)主放電或產(chǎn)生刷狀等離子體的起始電壓更低，正常輝光放電時(shí)額定工作電壓和電流更小，等離子體放電的能量更少，消耗在限流電阻上的焦耳熱也更少，可以延長(zhǎng)主放電電極和限流電阻的使用壽命；(2)介質(zhì)阻擋放電本身所消耗的能量可以控制在I瓦以內(nèi)，遠(yuǎn)小于產(chǎn)生等離子體電刷或主放電所需要的能量；(3)經(jīng)介質(zhì)阻擋放電輔助的大氣壓低溫等離子體電刷發(fā)生裝置產(chǎn)生的等離子體更穩(wěn)定，尺寸更大，活性物種更豐富，也更方便操作與控制，非常適合于在大氣環(huán)境中使用。

圖I為本實(shí)用新型的主體腔室的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型的主體腔室的俯視示意圖。圖3為本實(shí)用新型的工作示意圖。圖4為本實(shí)用新型的一對(duì)平板電極進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電預(yù)電離時(shí)的瞬時(shí)電壓和電流(傳導(dǎo)電流)波形圖。圖5為本實(shí)用新型工作時(shí)主放電電極的擊穿電壓(Ignition potential)隨工作氣體流速(Gas flowrate)的變化關(guān)系的對(duì)照曲線圖(與沒有采用預(yù)電離(輔助放電)的條件相比)。圖6為本實(shí)用新型工作時(shí)等離子體放電功率(Plasma discharge power)隨氣體流速的變化關(guān)系的對(duì)照曲線圖(與沒有采用預(yù)電離(輔助放電)的條件相比)。圖7為本實(shí)用新型工作時(shí)限流電阻所消耗的功率(Joule heat)隨氣體流速的變化關(guān)系的對(duì)照曲線圖(與沒有采用預(yù)電離(輔助放電)的條件相比)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的工作原理是在產(chǎn)生等離子體電刷主放電以前，預(yù)先對(duì)工作氣體(等離子體維持氣體和/或活性氣體)進(jìn)行預(yù)放電，將部分氣體電離，部分預(yù)電離的工作氣體再流經(jīng)主放電區(qū)域進(jìn)行放電。主放電時(shí)，氣體中存有的已電離正負(fù)離子、甚至少量的電子能夠減少氣體的擊穿閾值，從而降低主放電的起始電壓，還可以進(jìn)一步適當(dāng)?shù)販p少額定工作電壓和電流，這樣不僅減少了等離子體本身產(chǎn)生所需要的能量，而且還降低了限流電阻所消耗的焦耳熱，在很大程度上節(jié)省了能量。如圖I、圖2所示，相對(duì)于原有裝置(ZL201120020842. 5的方案)，本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)主要體現(xiàn)在，在工作氣體(等離子體維持氣體和/或活性氣體)進(jìn)氣端口與主放 電電極之間設(shè)置另一對(duì)互相平行，且正對(duì)的平板電極。平板電極通常為長(zhǎng)方體，由銅、鋁、鎢、鎳、鉭、鉬或其合金材料制成。平板電極置于窄縫腔體外部(在本實(shí)施例中主體腔室內(nèi)整體為窄縫腔體的形式)，用于放電的兩金屬表面分別平行緊靠著窄縫腔體較寬外表面的兩邊。兩平板電極所正對(duì)的面覆蓋窄縫的寬度，但不超越腔體外圍的寬度。兩平板電極與主放電兩電極沿工作氣體流速方向的間距不小于1_。兩平板電極、平板電極之間的兩層絕緣介質(zhì)(兩平板電極緊靠著主體腔室兩側(cè)的外表面，兩邊的腔壁用作介質(zhì)阻擋放電的絕緣介質(zhì)層)、以及放電間隙構(gòu)成一個(gè)介質(zhì)阻擋放電(DBD)等離子體發(fā)生器。其中一個(gè)電極接高壓交流電源的高壓端；另一電極接地。交流電壓的頻率可以從工頻變化到13. 56MHz的射頻；幅值通常為幾百伏到幾千伏；放電電流有效值不大于IOmA ;電源模式為連續(xù)或脈沖形式。工作時(shí)，讓工作氣體(等離子體維持氣體和/或活性氣體)從進(jìn)氣端口流入腔室，在流經(jīng)兩平板電極所對(duì)應(yīng)的區(qū)域時(shí)，在兩電極上外加一定的交流電壓，電壓幅值控制在工作氣體擊穿閾值附近，使DBD功率不大于1W。經(jīng)DBD預(yù)處理的部分預(yù)電離氣體在穿越腔室之前，在靠近出氣端口主放電所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電極上外加一定的電壓來(lái)再次激發(fā)預(yù)電離的工作氣體，使其放電產(chǎn)生刷狀的等離子體射流，從出氣端口噴出。在主放電回路利用限流電阻，選擇合適的等離子體維持氣體和活性氣體，以及合理地設(shè)計(jì)窄縫腔體可以避免輝光放電轉(zhuǎn)變成電弧放電。刷狀等離子體射流從腔室的出口噴出，該射流具有非平衡態(tài)等離子體的活性特征，因而，此等離子體發(fā)生設(shè)備可以用來(lái)進(jìn)行等離子體表面處理和清洗、等離子體沉積、等離子體殺菌以及等離子體凈化和生化武器的排除。下面進(jìn)一步詳述本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程。介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置包括主體腔室12，主體腔室12有兩個(gè)端口，一個(gè)端口 14和另一個(gè)端口 16。等離子體維持氣體和活性氣體從端口 14流入腔室，流經(jīng)主體腔室12內(nèi)部的窄縫腔體(在本實(shí)施例中主體腔室12內(nèi)整體為窄縫腔體)。等離子體電刷發(fā)生裝置還包括兩個(gè)電極，一個(gè)電極20和另一個(gè)電極22。電極20和電極22均在主體腔室12的內(nèi)部，相互正對(duì)著，并靠近端口 16。在端口 14與電極20或22之間，等離子體電刷發(fā)生裝置還包括兩個(gè)平行板電極17和電極18，電極17和電極18分別位于腔體外側(cè)兩邊。[0033]等離子體維持氣體和活性氣體持續(xù)地從端口 14流入主體腔室12，首先流經(jīng)電極17和電極18所對(duì)應(yīng)的放電區(qū)域，在不大于IW的功率下部分工作氣體發(fā)生預(yù)電離，預(yù)電離的后的氣體再流經(jīng)電極20和電極22所對(duì)應(yīng)的放電區(qū)域，當(dāng)電極20和22兩端電壓足夠高時(shí)，氣體將被再次擊穿，在腔室內(nèi)部形成較大體積和較高濃度的等離子體氣流，該氣流經(jīng)窄縫腔體從端口 16噴出，形成刷狀的射流24。圖3為本實(shí)用新型的大氣壓介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置26的工作示意圖。大氣壓等離子體電刷發(fā)生裝置26除了含有一個(gè)主體腔室12以外，還包括限流電阻28和電源設(shè)備30和電源設(shè)備40。電源設(shè)備30為靠近端口 16處的電極20和電極22提供放電電壓，形成主放電回路；電源設(shè)備40為電極17和電極18提供放電電壓，形成介質(zhì)阻擋放電回路。另外，還有分別控制等離子體維持氣體和活性氣體流速的質(zhì)量流量計(jì)34和32。工作時(shí)，等離子體維持氣體通過(guò)流量計(jì)34控制途經(jīng)管道38再由進(jìn)氣端口流入腔室；活性氣體通過(guò)流量計(jì)32控制途經(jīng)管道38再由進(jìn)氣端口流入腔室。等離子體維持氣體和活性氣體首先流經(jīng)電極17和電極18所對(duì)應(yīng)的放電區(qū)域發(fā)生預(yù)電離，預(yù)電離后的氣體再流經(jīng)電極20和電極22所對(duì)應(yīng)的放電區(qū)域，當(dāng)加在電極20和22兩端的電壓足夠高時(shí)，流經(jīng)兩電極之間區(qū)域的氣體就被再次擊穿，發(fā)生放電現(xiàn)象，形成等離子體氣流。串聯(lián)在電路中的限流電阻28可以限制兩極之間放電電流的大小和抑制陰極區(qū)域的電場(chǎng)波動(dòng)，防止電極之間的輝光放電轉(zhuǎn)變成電弧放電。等離子體氣流因本身流速的影響，便能以穩(wěn)定刷狀低溫等離子體射流24的形式從窄縫腔體噴出。將低溫等離子體電刷發(fā)生裝置26產(chǎn)生的低溫等離子體射流24觸及到被處理物體36的表面，并與其適當(dāng)?shù)亟佑|和來(lái)回移動(dòng)，就可以對(duì)物體36的整個(gè)表面或預(yù)處理表面進(jìn)行處理。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本實(shí)用新型能夠顯著地降低能耗。以下舉例說(shuō)明。在大氣環(huán)境下采用本實(shí)用新型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，等離子體電刷發(fā)生裝置的一對(duì)主放電電極端面的間距為15mm，主放電電極直徑均為O. 9mm ;外加正弦交流電壓使腔體內(nèi)部的氣體發(fā)生預(yù)電離，電壓頻率為9. OKHz0圖4展示了一對(duì)平板電極進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電預(yù)電離時(shí)的瞬時(shí)電壓和電流(傳導(dǎo)電流)波形圖。此時(shí)放電電壓峰峰值約3. 6KV ;在外加電壓的半個(gè)周期內(nèi)，出現(xiàn)2 3個(gè)電流脈沖，電流幅值約1mA。放電功率為單位時(shí)間內(nèi)在外加電壓正負(fù) 半個(gè)周期內(nèi)發(fā)生電流脈沖時(shí)，該時(shí)刻的外加電壓轉(zhuǎn)移相應(yīng)電荷所做的功疊加。即尸= /· \T，通過(guò)檢測(cè)和計(jì)算得到放電功率Pdbd ^ 10mW。
JO從圖5中可以看出，在DBD輔助與否的情況下，擊穿電壓皆隨著氣流增加而緩慢增力口，這是由于正負(fù)離子或電子的擴(kuò)散速度隨著流速不斷增加的緣故。比較DBD輔助前后兩種情形，DBD輔助前的氣體擊穿電壓約5. IKV ;輔助后，擊穿電壓降至I. 3KV左右?？梢姴捎肈BD預(yù)電離的方式可以大幅減少工作氣體的擊穿電壓。圖6是在DBD輔助前后等離子體放電功率(Plasma discharge power)隨氣體流速的變化關(guān)系。兩種情形下，等離子體的放電功率皆隨著氣體流速的增加而增加，此說(shuō)明要維持穩(wěn)定的正常輝光放電，氣體流速越大，所需要的功率越高。比較DBD輔助前后情形，在DBD輔助前，維持正常輝光放電的功率約45W ;通過(guò)DBD輔助后，維持正常輝光放電的功率下降到IOW左右。此表明DBD預(yù)電離過(guò)程將等離子體放電功率降至到原來(lái)的1/5 1/4，在很大程度上節(jié)省了能量的使用。圖7是在DBD輔助前后限流電阻所消耗的功率(Joule heat)隨氣體流速的變化關(guān)系。兩種情形下，在限流電阻上產(chǎn)生的焦耳熱皆隨著氣體流速的增加而增加，這是由于放電電流隨著氣體流速不斷增加的緣故。比較DBD輔助前后情形，在DBD輔助前，在限流電阻上產(chǎn)生的焦耳熱約130W ;通過(guò)DBD輔助后，在限流電阻上產(chǎn)生的焦耳熱下降到35W左右。DBD預(yù)電離過(guò)程將限流電阻上所產(chǎn)生的焦耳熱降低到約原來(lái)的1/4，同樣在很大程度上減少了能量的浪費(fèi)和損失。
以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，低能耗的DBD預(yù)電離方式可以有效地降低氣體擊穿電壓，減少等離子體放電功率和限流電阻所產(chǎn)生的焦耳熱，以及延長(zhǎng)限流電阻和主放電電極的使用壽命。因而，該大氣壓介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置在物質(zhì)表面清理、材料性質(zhì)改良、殺菌和環(huán)境凈化等領(lǐng)域有著巨大潛在的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求1.介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，包括具有進(jìn)氣端口和出氣端口的主體腔室和一對(duì)主放電電極，主體腔室由絕緣材料制成；所述出氣端口為窄縫狀,主體腔室內(nèi)靠近該出氣端口的部分形成窄縫腔體，出氣端口的寬度與厚度之比為5 100 ;所述主放電電極的放電端位于所述窄縫腔體處；其特征在于在進(jìn)氣端口與主放電電極的位置之間還設(shè)置有用以對(duì)工作氣體進(jìn)行預(yù)電離的一對(duì)平板電極，平板電極與主放電沿工作氣體流速方向的間距不小于1_，平板電極的放電端面設(shè)置有絕緣層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，其特征在于主體腔室內(nèi)自進(jìn)氣端口至出氣端口逐漸收縮或趨于扁平，或者主體腔室內(nèi)整體即為窄縫腔體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，其特征在于所述主體腔室內(nèi)整體為長(zhǎng)方體的窄縫腔體，平板電極的金屬表面沿長(zhǎng)方體寬邊平行緊貼窄縫腔體外壁上，窄縫腔體的腔壁作為平板電極介質(zhì)阻擋放電的絕緣介質(zhì)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3任一所述的介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，其特征在于主放電電極的回路上還串聯(lián)有限流電阻。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，其特征在于為平板電極提供放電電壓的電源采用交流電源，交流電源的頻率從工頻至13. 56MHz的射頻范圍內(nèi)可調(diào)；電源模式為連續(xù)或脈沖形式；其中，平板電極的的放電電流有效值不大于 10mA。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，其特征在于平板電極介質(zhì)阻擋放電功率不大于1W，工作氣體流速為I 100L/min。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，其特征在于所述主體腔室由聚四氟乙烯或絕緣陶瓷制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，其特征在于所述主放電電極和平板電極均為銅、鋁、鎢、鎳、鉭或鉬制成的電極，兩個(gè)主放電電極相互正對(duì)的放電端面為平面或針尖狀。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，對(duì)背景技術(shù)中的技術(shù)方案進(jìn)行改進(jìn)，以顯著降低能耗。該介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置在進(jìn)氣端口與主放電電極的位置之間還設(shè)置有用以對(duì)工作氣體進(jìn)行預(yù)電離的一對(duì)平板電極，平板電極與主放電沿工作氣體流速方向的間距不小于1mm，平板電極的放電端面設(shè)置有絕緣層。本實(shí)用新型主放電或產(chǎn)生刷狀等離子體的起始電壓更低，正常輝光放電時(shí)額定工作電壓和電流更小，等離子體放電的能量更少，消耗在限流電阻上的焦耳熱也更少，可以延長(zhǎng)主放電電極和限流電阻的使用壽命。
文檔編號(hào)H05H1/24GK202524634SQ201220006880
公開日2012年11月7日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者段憶翔, 湯潔, 王屹山, 趙衛(wèi) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所