大氣壓裸電極冷等離子體射流發生裝置的製作方法

2023-09-14 08:11:05

專利名稱：大氣壓裸電極冷等離子體射流發生裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於等離子體放電反應器技術領域，涉及一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發生裝置。
背景技術：
等離子體按照熱力學性質可分為兩種，其一是高溫離子體，宏觀溫度高達IO6 IO8K,處於熱力學平衡狀態；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,熱力學平衡或近熱力學平衡)和冷等離子體(宏觀溫度IO2 IO3K,非熱力學平衡)。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活性其中富集大量的離子、電子、激發態原子、分子及自由基等活性粒子，比常見的液體和氣體的化學反應器中所產生的活性粒子種類更多、活性更強，易於和所接觸的材料表面發生反應。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、導電性、粘著性、印染性和可溼性等性質)、等離子體刻蝕、器件清洗、大氣汙染處理等領域得到越來越廣泛的應用。冷等離子體射流技術是近年來興起的一種新型類輝光冷等離子體發生技術，可以將微小空間內的放電加以擴大並引出。冷等離子體射流直徑為幾十微米至幾毫米，射流長度可達幾十毫米，可方便的應用於小範圍或局部處理，並且擊穿電壓較低、離子和亞穩態原子濃度較高、電子溫度高、中性粒子溫度低、產生的等離子體中均勻部分較大、可控性好。目前，多數冷等離子體是在幾百帕以下的低氣壓下通過氣體放電產生的，對於大規模工業生產，低氣壓等離子體需採用真空系統，技資高且應用複雜，分批處理每次取放試品均需重新抽真空充入工作氣體，難於連續生產。而大氣壓下形成的冷等離子體由於無需真空腔，被處理工件尺寸不受限制，可連續工作等優勢，更適合用於大規模生產應用。當前大氣壓冷等離子體射流裝置多由介質阻擋感性耦合或容性耦合放電產生，電源通常採用射頻電源、微波電源或者高壓脈衝電源，這三類電源的成本較高，操作、控制及維護相對複雜。使用介質阻擋放電(DBD)產生等離子體射流的裝置依賴於石英等絕緣介質，而此類介質存在可加工性差、強度低等問題，使得介質阻擋放電的射流裝置不易在生產中推廣。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，對於大氣壓環境下的放電，用氣量非常巨大，從經濟性考慮，如果使用氮氣或者氧氣作為工作氣體將大大減少用氣的費用。但當前使用氮氣或氧氣做工作氣體產生大氣壓冷等離子體射流的研究尚不成熟。公開號為CN101252805A的發明採用雙針懸浮電極產生大氣壓冷等離子體射流；公開號為 CN101330794A、CN101466194A、CN101426327A、CN101652016A 的專利，分別使用不同結構的電極進行介質阻擋放電產生大氣壓冷等離子體射流。這些裝置是由於電極懸浮或是由於介質阻擋產生的冷等離子體射流，如果將其應用於對金屬材料進行處理，則此類冷等離子體射流易與金屬之間發生擊穿放電，產生高溫電弧，燒傷被加工表面。

發明內容
本發明旨在提供一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發生裝置，具有結構簡單、使用安全、實用性強等特點。可用氮氣或氧氣做工作氣體，在大氣壓下開放的空氣環境中獲得均勻穩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生裝置，包括工作氣體源、減壓閥、可調流量 計、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減壓閥和可調流量計進入圓柱形殼體尾部。高壓電源的高壓輸出端接針電極，低壓輸出端接噴嘴電極並且接地。圓柱形殼體的尾部與供氣系統連接，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，用來放置並定位針電極；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的放電區域。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狀，錐臺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生，並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於室溫。本發明的有益之處在於該裝置使用針電極和噴嘴電極的結構，在大氣壓下可以產生穩定的冷等離子體射流。由於採用裸露電極的形式，產生的冷等離子體射流溫度低，且不會與金屬工件表面發生之間擊穿放電；不但可使用惰性氣體做工作氣體，也可以使用氮氣或氧氣，以保證較低的用氣成本；可使用直流或中低頻高壓電源，相比射頻電源、微波電源以及脈衝電源，電源的購置成本大幅度降低，使用更加簡單，同時對電網和其它設備的電磁幹擾也更低；工作在大氣壓開放的工作環境中，無需真空腔，無需特殊氣氛，方便在大多數工況下使用。總之，使用該裝置，可在常壓開放環境下獲得均勻、穩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、產生及維持射流的電壓低、連續工作時間長、電極結構簡單、操作容易等特點。


圖I為本發明的大氣壓裸電極冷等離子體射流發生裝置的結構示意圖。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可調流量計，7減壓閥，8工作氣體源。圖2(a)為本發明實施例中圓柱形殼體的軸向截面圖。圖2(b)為本發明實施例中圓柱形殼體的徑向截面圖。圖3為本發明實施例中噴嘴電極的軸向截面圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進一步詳細說明。一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發生裝置，包括工作氣體源8、減壓閥7、可調流量計6，通過管路順序連接；可調流量計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，並與針電極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並且接地。工作氣體由工作氣體源8中經減壓閥7、可調流量計6以固定流量從尾端進入圓柱形殼體1，穿過圍繞針電極2均布的通氣孔，進入噴嘴電極3，在針電極2的尖端發生放電產生等離子體，並隨氣流吹出噴嘴形成射流。工作氣體可以是氮氣、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，將電源輸出端負極與針電極2相連，正極與噴嘴電極3相連並且接地；使用交流高壓電源時，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連接並且接地。圓柱形殼體I整體由絕緣性能良好且可加工性好的材料製成，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，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安裝之後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範圍內儘量大一些，以減少對工作氣體的阻礙，通氣孔的數量以4至8個為宜，在中心孔四周軸對稱均勻分布。針電極2整體由導電性能良好並且耐燒蝕的材料製成，可選用銅焊條或鎢電極截斷、磨製而成。針電極2的直徑對等離子體射流影響不大，可在I 3mm之間選擇。針電極2的尖端是否尖銳對等離子體射流的產生和穩定有較大影響，使用時需觀察針電極2尖端是否發生燒蝕而變鈍，如果尖端變鈍，需要立刻重磨。噴嘴電極3整體由導電性能良好且可加工性好的材料製成，比如不鏽鋼、銅、招合金等。噴嘴電極3的出口直徑根據應用的不同,在I. 5 5mm之間選擇。本發明的大氣壓裸電極冷等離子體射流發生裝置在使用時，首先連接所有的管路和電路；打開減壓閥7，通過可調流量計6調整冷等離子體射流的工作氣體流量，此流量需根據噴嘴電極3出口直徑的不同和冷等離子體射流的應用場合的不同在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，可經試驗確定；從低到高調整高壓電源5的輸出電壓，直到產生穩定的冷等離子體射流，並且針電極2和噴嘴電極3之間沒有絲狀放電擊穿為止，此時，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，穩定的冷等離子體射流產生後，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。具體實施例圖2為使用聚四氟乙烯材質加工的圓柱形殼體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螺紋，在方便噴嘴電極3接入的同時可保證噴嘴電極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內中心孔周圍軸對稱的均布6個直徑為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的氬弧焊鎢電極磨製而成。將針電極2安裝於圓柱形殼體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採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並且接地。工作氣體採用純度99. 999%的高純氮氣。按照圖I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，調整可調流量計6，使流量達到O. 8m3/h ;打開高壓電源5，調整頻率至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；繼續增大電壓，冷等離子體射流4將更加明亮，長度也會更長；直到針電極2和噴嘴電極3之間出現絲狀放電擊穿，此時高壓電源5處於脈動狀態，等離子體放電的穩定性下降，冷等離子體射流4的溫度也迅速提高，針電極尖端會因放電燒蝕而變鈍，應儘量避免出現絲狀放電出現。在穩定的工作電壓下，冷等離子體射流可以長時間工作。加工結束後，關閉高壓電源5和減壓閥7，不需調整可調流量計6的流量和高壓電源5的輸出電壓；下次使用時，直接將減壓閥7和高壓電源5打開，即可產生穩定的冷等離子體射流，無需再次調整電源輸出電壓和工作氣體流量。
權利要求
1.一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發生裝置，包括工作氣體源、減壓閥、可調流量計、圓柱形殼體、高壓電源、噴嘴電極、針電極，其特徵在於工作氣體源通過減壓閥和可調流量計進入圓柱形殼體尾部；高壓電源的高壓輸出端接針電極，低壓輸出端接噴嘴電極並且接地；圓柱形殼體的尾部與供氣系統連接，前端與噴嘴電極連接，圓柱形殼體的中心孔放置並定位針電極；圓柱形殼體用絕緣製成；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並且軸對稱分布；噴嘴電極用導電材料製成；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狀，圓臺頂部有一圓孔作為噴嘴電極出口 ；針電極用導電耐高溫燒蝕的材料製成；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
本發明提出一種大氣壓裸電極冷等離子體射流發生裝置，包括工作氣體源、減壓閥、可調流量計、高壓電源、圓柱形殼體、噴嘴電極、針電極組成。絕緣材質的圓柱形殼體尾部與供氣系統連接，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的放電區域；高壓電源的高壓輸出端接針電極，低壓輸出端接噴嘴電極並接地。調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生，並由噴嘴電極出口噴射而出，形成冷等離子體射流。本發明可在大氣壓開放的空氣環境中獲得均勻穩定的冷等離子體射流。
文檔編號H05H1/26GK102625557SQ201210089200
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月30日 優先權日2012年3月30日
發明者劉新, 孫晶, 宋金龍, 徐文驥, 武立波, 王續躍 申請人:大連理工大學