大氣壓磁場(chǎng)增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種大氣壓磁場(chǎng)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、一對(duì)主放電電極和一對(duì)介質(zhì)阻擋放電平板電極，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；所述平板電極位于進(jìn)氣端口與主放電電極之間，用來(lái)預(yù)電離工作氣體；在窄縫腔體外側(cè)，設(shè)置有永久磁鐵，使得放電產(chǎn)生的電子和離子的行徑發(fā)生改變。本發(fā)明巧妙地利用電磁感應(yīng)原理，簡(jiǎn)便有效地實(shí)現(xiàn)了降低工作能耗和運(yùn)行成本的目的。
【專利說(shuō)明】大氣壓磁場(chǎng)增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種低溫等離子體電刷發(fā)生裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]中國(guó)專利ZL201210006023.4《介質(zhì)阻擋放電增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置》中公開(kāi)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，由一個(gè)主體腔室，一對(duì)主放電電極，一對(duì)介質(zhì)阻擋放電(DBD)平板電極，一個(gè)限流電阻，一個(gè)質(zhì)量流量計(jì)和兩個(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。在窄縫腔體處，布置著主放電的兩個(gè)電極，電極相互正對(duì)的放電端面為平面或針尖狀。主放電電極的回路上還串聯(lián)有限流電阻。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)DBD平板電極，兩平板電極金屬表面緊貼窄縫腔體外壁上。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。為主放電電極提供放電電壓的電源既可以采用直流也可以采用交流；為平板電極提供放電電壓的電源采用交流電源。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。
[0003]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，當(dāng)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，確保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，形成大氣壓低溫等離子體電刷。
[0004]盡管與傳統(tǒng)的等離子體發(fā)生裝置相比，該裝置優(yōu)勢(shì)明顯，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明、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，等離子體射流放電更穩(wěn)定，一定程度上也減少了工作能耗。
[0005]然而，進(jìn)一步從節(jié)能減排和維持成本來(lái)考慮，該裝置仍然不甚理想。由于在放電回路中設(shè)置了限流電阻，仍然有較多的能量消耗在電阻上而被浪費(fèi)；其次，為了產(chǎn)生較大體積的等離子體射流，需要更高的氣體流量，因而增加了運(yùn)行成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種大氣壓磁場(chǎng)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)，更大程度地降低工作能耗和運(yùn)行成本。
[0007]為實(shí)現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0008]大氣壓磁場(chǎng)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、一對(duì)主放電電極和一對(duì)介質(zhì)阻擋放電平板電極，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；所述平板電極位于進(jìn)氣端口與主放電電極之間，用來(lái)預(yù)電離工作氣體；其特征在于:在窄縫腔體外側(cè)，設(shè)置有永久磁鐵，使得放電產(chǎn)生的電子和離子的行徑發(fā)生改變。
[0009]基于上述基本方案，本發(fā)明還做如下優(yōu)化限定和改進(jìn):
[0010]上述的永久磁鐵為一對(duì)，對(duì)稱設(shè)置于窄縫腔體外側(cè)，磁場(chǎng)B方向與主放電區(qū)域的電流J垂直。
[0011]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。
[0012]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；平板電極與主放電電極沿工作氣體流速方向的間距不小于1_。
[0013]磁場(chǎng)B可以全面覆蓋介質(zhì)阻擋放電以及主放電區(qū)域，磁場(chǎng)B方向與主放電區(qū)域的電流J (主放電電場(chǎng)E)垂直，與介質(zhì)阻擋放電電場(chǎng)平行，且JXB沿氣體流動(dòng)方向。
[0014]上述永久磁鐵與窄縫腔體外壁的距離不大于IOmm為宜。磁場(chǎng)B為500?20000高斯為宜。
[0015]上述主放電電極的回路上最好再串聯(lián)限流電阻。
[0016]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)
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]本發(fā)明巧妙地利用電磁感應(yīng)原理，簡(jiǎn)便有效地實(shí)現(xiàn)了降低工作能耗和運(yùn)行成本的目的。具體有以下顯著效果:
[0021 ] (I)在相同工作電流情況下，工作電壓更低，等離子體放電功率更小。
[0022](2)在相同工作電流情況下，能產(chǎn)生更大尺寸、均勻性更好的等離子體，活性物種
也更豐富。
[0023](3)能夠在更低工作電流條件下，獲得更大尺寸的等離子體射流，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。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明未配置永久磁鐵時(shí)(【背景技術(shù)】)主體腔室結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2 Ca)和圖2 (b)為本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3為本發(fā)明裝置的工作示意圖。
[0027]圖4(a)為本發(fā)明未配置永久磁鐵時(shí)(【背景技術(shù)】)的等離子體射流，圖4(b)為本發(fā)明裝置的等離子體射流。
【具體實(shí)施方式】
[0028]本領(lǐng)域技術(shù)人員考慮對(duì)等離子體發(fā)生裝置降低工作能耗和運(yùn)行成本，通常是通過(guò)調(diào)節(jié)外加直流電壓減少放電電流或調(diào)節(jié)流量控制器減少工作氣體流量來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，放電電流或氣體流量的減少會(huì)縮小等離子體射流的體積，降低等離子體發(fā)生裝置的工作效率，甚至不能產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體射流，使其無(wú)法正常工作。
[0029]本發(fā)明經(jīng)過(guò)大量理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，巧妙地利用電磁感應(yīng)原理，取得了顯著的效果。具體的工作原理是:工作氣體(等離子體維持氣體和/或活性氣體)首先經(jīng)介質(zhì)阻擋放電進(jìn)行預(yù)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，使得主放電區(qū)域存在大量的電荷(電子和正負(fù)離子)。電荷(主要是電子)在磁場(chǎng)的影響下受到洛倫茲力的作用，其路徑由未加磁場(chǎng)時(shí)的直線變成曲線，增加了電子在放電空間的行程和壽命，以及電離度，使得電子能夠與更多的氣體分子再次碰撞電離或激發(fā)產(chǎn)生更多的電子和活性物種，而增加等離子體的化學(xué)活性；電子的行徑由直線變成曲線后，放電空間不再局限于兩電極連線的直線上，而是擴(kuò)展到更大的空間，使得放電更加均勻；因電流的整體方向是由陽(yáng)極指向陰極，故而洛倫茲力的方向與氣流方向一致，能夠加速電荷沿氣流方向移動(dòng)，形成更大體積的等離子體射流；電離度的增加使得在相同的工作電流情況下，工作電壓更低，放電功率更?。浑婋x度的增加和放電空間的增大使得等離子體裝置在較小的工作電流和工作氣體流量條件下，能夠獲得較大體積的等離子體射流，同時(shí)減少限流電阻上的焦耳熱和運(yùn)行成本。
[0030]如圖1、圖2所示，相對(duì)于【背景技術(shù)】(ZL201210006023.4的方案)，本發(fā)明結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)主要體現(xiàn)如下。
[0031]在窄縫腔體較寬外表面的兩側(cè)設(shè)置另一對(duì)互相平行正對(duì)的永久磁鐵。永久磁鐵通常為長(zhǎng)方體，磁場(chǎng)覆蓋主放電和介質(zhì)阻擋放電區(qū)域，其方向與主放電電場(chǎng)E或電流J垂直，且與介質(zhì)阻擋放電電場(chǎng)平行，JXB沿氣體流動(dòng)方向；永久磁鐵與窄縫腔體外壁的距離不大于10_，磁場(chǎng)為500?20000高斯。
[0032]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，當(dāng)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)電離的氣體在穿越腔室之前，在靠近出氣端口主放電電極外加一定的電壓來(lái)再次激發(fā)預(yù)電離的工作氣體,形成含有大量電子和正負(fù)離子的等離子體氣流。外加磁場(chǎng)之后，這些等離子體在氣流牽引力和磁場(chǎng)洛倫茲力的共同作用下從出氣端口噴出，形成更大體積的刷狀等離子體射流。該射流具有非平衡態(tài)等離子體的活性特征，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。
[0033]下面進(jìn)一步詳述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程。
[0034]大氣壓磁場(chǎng)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)。
[0035]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。[0036]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18，電極17和電極18分別位于腔體外側(cè)兩邊。
[0037]在窄縫腔體較寬外表面的兩側(cè)，等離子體電刷發(fā)生裝置還包括一對(duì)互相平行，且正對(duì)的永久磁鐵42和永久磁鐵44。
[0038]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)部形成含有大量電子和正負(fù)離子的等離子體氣流。永久磁鐵42和永久磁鐵44的磁力線穿過(guò)電極20和電極22所對(duì)應(yīng)的放電區(qū)域，等離子體在氣流牽引力和磁場(chǎng)洛倫茲力的共同作用下從端口 16噴出，形成刷狀的等離子體射流24。
[0039]上述主體腔室12，端口 14和16，主放電電極20和22，平行板電極17和18，以及永久磁鐵42和44組建成大氣壓磁場(chǎng)增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置主體結(jié)構(gòu)10。
[0040]圖3為本發(fā)明的大氣壓磁場(chǎng)增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置26的工作示意圖。等離子體電刷發(fā)生裝置26除了含有一個(gè)主體結(jié)構(gòu)10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。
[0041]工作時(shí)，一定流量的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，形成含有大量電子和正負(fù)離子的等離子體氣流。等離子體在氣流牽引力和永久磁鐵42和44磁場(chǎng)洛倫茲力的共同作用下從端口 16噴出，形成刷狀的等離子體射流24。將等離子體電刷發(fā)生裝置26產(chǎn)生的等離子體射流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。
[0042]通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本發(fā)明裝置能夠顯著地增大等離子體尺寸，并降低能耗。以下舉例說(shuō)明。
[0043]在大氣環(huán)境下采用本發(fā)明裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該裝置主放電電極端面的間距為15mm，主放電電極直徑均為0.9mm ;外加正弦交流電壓使腔體內(nèi)部的氣體發(fā)生預(yù)電離，電壓幅值
1.76KV，頻率9.0KHz，介質(zhì)阻擋放電功率約12mW ;主放電電流10mA，放電電壓274V，限流電阻100K Ω。圖4展示了有無(wú)磁場(chǎng)輔助情況下的等離子體射流，其中圖4 (a)為未加磁場(chǎng)的情形，而圖4(b)為加磁場(chǎng)的情形。從圖4(a)可以看出，在未加磁場(chǎng)時(shí)，等離子體射流只能在出氣端口 16局部形成，且分布不均勻，也不穩(wěn)定。當(dāng)加上磁場(chǎng)后，如圖4(b)所示，在出氣端口 16的上方形成均勻穩(wěn)定的等離子體射流。比較圖4(a)和圖4(b)，可以發(fā)現(xiàn)等離子體射流在磁場(chǎng)的輔助下，其體積增大的同時(shí)，等離子體的均勻性和穩(wěn)定性都得到了明顯的改善。在未加磁場(chǎng)的情況下，若想得到相同體積的等離子體射流，并保持氣體的流量不變，主放電電流需增大到27mA。磁場(chǎng)的引入使得等離子體放電功率從7.4W減少到2.7W，限流電阻上的焦耳熱從73W減少到10W，總的能量消耗由80.4W降低到12.7W。由此可見(jiàn)，本發(fā)明裝置在很大程度上降低了能耗。
【權(quán)利要求】
1.大氣壓磁場(chǎng)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、一對(duì)主放電電極和一對(duì)介質(zhì)阻擋放電平板電極,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；所述平板電極位于進(jìn)氣端口與主放電電極之間，用來(lái)預(yù)電離工作氣體；其特征在于:在窄縫腔體外側(cè)，設(shè)置有永久磁鐵，使得放電產(chǎn)生的電子和離子的行徑發(fā)生改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓磁場(chǎng)增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，其特征在于:在窄縫腔體外側(cè)，對(duì)稱設(shè)置有一對(duì)永久磁鐵，磁場(chǎng)B方向與主放電區(qū)域的電流J垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大氣壓磁場(chǎng)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大氣壓磁場(chǎng)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；平板電極與主放電電極沿工作氣體流速方向的間距不小于1_。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的大氣壓磁場(chǎng)增強(qiáng)型低溫等離子體電刷發(fā)生裝置，其特征在于:磁場(chǎng)B覆蓋介質(zhì)阻擋放電以及主放電區(qū)域，磁場(chǎng)B方向與主放電區(qū)域的電流J(主放電電場(chǎng)E)垂直，與介質(zhì)阻擋放電電場(chǎng)平行，且JXB沿氣體流動(dòng)方向；永久磁鐵與窄縫腔體外壁的距離不大于IOmm ;磁場(chǎng)B為500?20000高斯。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的大氣壓磁場(chǎng)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。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的大氣壓磁場(chǎng)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，平板電極的放電電流有效值不大于IOmA0
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的大氣壓磁場(chǎng)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。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的大氣壓磁場(chǎng)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、絕緣陶瓷或兩者的混合材料制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的大氣壓磁場(chǎng)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、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。
【文檔編號(hào)】H05H1/24GK103533733SQ201310488730
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】湯潔, 姜煒曼, 王屹山, 趙衛(wèi), 段憶翔, 李新忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所