一種用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置的製作方法

2023-07-25 07:32:36

專利名稱：一種用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種清洗裝置，具體涉及一種用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置，以清洗管道內壁。
背景技術：
管道在長時間使用後，不可避免的會在管道內部形成沉澱或汙垢。這些沉積在管道中的汙垢不但會大大增加流體輸送過程中的阻力，而且還會對管道材料造成腐蝕和傷害，嚴重時甚至會使管道破裂，造成運輸流體的外洩，而外洩的流體通常都有較大的危險性，會對正常的生產和生活造成不良影響。因此，對管道進行定期清洗是非常必要的。目前，清洗管道的方法有很多種，常見的有機械清洗方法，如噴砂清洗、噴丸清除、 手工打磨和機械刷洗的方法，以及化學清洗方法等。雖然這些清洗方法在工業中已經應用很久，但隨著設備的大型化以及現代工業生產對經濟性的要求，這些方法越來越表現出它們的不足之處。例如，噴砂、噴丸等機械清洗方法的工作機理決定了這些清洗方法很容易使被清洗的物體表面出現磨損，且清洗後還需繼續對廢物處理，勞動強度較大，並需設備停止工作，因而無法滿足高潔淨度清洗要求。化學清洗方法雖然能夠使物體表面不出現磨損，但其缺點是如果對化學清洗液選擇不當，會對清洗物造成腐蝕破壞，產生損失；且化學清洗產生的廢液排放也是造成環境汙染的原因之一，因此化學清洗必須配置廢水處理裝置；另外， 化學藥劑操作處理不妥會對人的健康和安全造成危害。針對上述問題，出現了等離子體清洗技術，其最大的特點是不分處理對象的基材類型均可進行處理，對金屬、半導體、氧化物和大多數高分子材料(如聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚醯亞胺、聚酯、環氧樹脂等高聚物)都能很好地處理並可實現整體和局部以及複雜結構的等離子體清洗。等離子體清洗技術的機理是主要依靠處於「等離子態」的物質的「活化作用」達到去除物體表面汙染物的目的。從目前各類清洗方法來看，等離子體清洗是所有清洗方法中最為徹底的剝離式的清洗。然而，傳統的等離子體技術只能夠清洗管道的外壁，且清洗效率較低，而對管道內壁的清洗毫無辦法。

發明內容
本發明目的是提供一種用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置，以清洗管道的內壁。為達到上述目的，本發明採用的技術方案是一種用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置，包括真空系統、放電系統和傳送系統，
所述真空系統包括設於待清洗管道兩端的密封蓋，以及抽真空裝置；管道一端的密封蓋上設有的排氣口，排氣口與所述抽真空裝置連接，管道另一端的密封蓋上設有進氣口 ； 所述放電系統包括射頻電源、天線和磁場線圈； 所述傳送系統包括密封管和傳送杆；所述密封管設於帶有進氣口的密封蓋的中央，並與密封蓋密封固定連接，所述傳送杆插接於密封管內並與密封管密封連接；
所述天線設於待清洗管道的內部並與傳送杆的一端固定連接；所述磁場線圈設於待清洗管道的外部並與天線處於同一平面內；所述射頻電源與天線電連接。上文中，所述真空系統可以採用機械泵-分子泵抽氣系統，系統背景真空可達 ICT4Pa;放電系統則由射頻電源、天線(包含各種能夠激發螺旋波等離子體的天線)和亥姆霍茲磁場線圈組成；天線與待清洗的管道同軸，且可以根據所清洗管道的大小，改變天線的尺寸(直徑5 80釐米);使用傳送杆和波紋管移動天線，將整個管道全部掃描到，以達到管道的全面清洗。上述技術方案的工作參數為
氣壓 0. 01-10 Pa，射頻頻率 13. 56 MHz,電源功率 100-2000 W，磁場 100-20000 G ；
(1)工作氣體氧氣、氫氣和氬氣；
氧氣化學工藝中等離子體與管道表面上的化合物反應；例如，有機汙染物可以有效地用氧氣等離子去掉，這裡氧氣等離子與汙染物反應，產生二氧化碳、一氧化碳和水； 氫氣氫氣可供去除管道表面氧化物使用；它經常與氬氣混合使用，以提高去除速度； 氬氣物理轟擊是氬氣清洗的機理；氬氣是最有效的物理等離子體清洗氣體，原因在於它原子的尺寸大，可以用很大的力量轟擊管道表面；正的氬離子將被吸引到接地的管道； 撞擊力足以去除表面上的任何汙垢；然後這些氣體汙物通過真空泵排出；
(2)壓力處理管道內的壓力是工藝氣體流速、管道洩露率和泵抽速的函數；工藝氣體的選擇決定等離子體清洗機制(物理、化學、物理/化學)；
物理工藝需要較低的壓力物理等離子體清洗要求受激的粒子碰撞管道表面，如果工藝壓力高，已激勵的粒子在到達清洗表面之前將與其他粒子經過很多次的碰撞，損失能量， 可是，如果壓力降低太多，將沒有足夠的活性反應組分在合理的時間內來清潔管道；
化學工藝依靠氣體等離子體與管道表面的化學反應，所以反應粒子數越多就會增加清洗能力，需要使用較高壓力，較高的壓力使化學工藝具有較快的清潔速度；
(3)功率增加等離子體功率是通過增加等離子體內的離子密度和離子能量來增加清潔速度和清潔強度，可是，如果增加功率太多，可是對管道有害，並且對結果也是無效的；
(4)時間一般來說要在最短的工藝時間內到達最佳的清洗效果，是工藝時間與功率、 氣壓和氣體類型平衡，功率的設置主要要與處理時間相平衡，增加功率可以降低處理時間， 然而，會使管道內溫度升高，對於大多數處理工藝來說，較高的溫度相當於催化劑，並會導致不均勻或清洗過度，所以要想優化處理工藝，綜合考慮這兩個參數是必須的。本發明的螺旋波激發放電具有很寬的工作範圍，包含各種頻率(ωci ω ωce)， 功率(100 2000 W)，氣壓(0.01 10 Pa)，磁場強度(100 20000 G)和磁場位形。螺旋波等離子體作為很有前途的低溫高密度等離子體源具有很多獨特的性能，如密度高且均勻，電離效率高，磁場低，所需設備簡單，氣壓工作範圍寬，離子和電子能量能夠獨立控制，直流自偏壓和功率電流驅動等特點。本發明的螺旋波等離子清洗的機理是
(1)化學反應有機物的去除是利用等離子體將氣體分子激活， O2 ->0+0+2e" , O+ O2-> O3, O3-> O+ O2然後利用0，O3與有機物進行反應(有機物+o，o3—co2+ii2o )生成+ 副產物由真空系統排出，從而達到將有機物排除的目的；表面活化是利用0，O3含氧官能團的表面活化作用，來改善材料的溼潤性能,其反應為』_+0·4Λ0·,3·+02 —Roo* ；
(2)物理反應離化惰性氣體氬氣，e + Jr 4 Jr+ Vie',主要是利用等離子體裡的離子作純物理的撞擊，把材料表面的原子或附著在材料表面的原子打掉，而通過離子的衝擊作用可以極大促進物體表面化學反應發生的機率；由於離子在工作氣壓較低時的平均自由程較長，有能量的積累，因而在物理撞擊時，離子能量越高，清洗的效率也就越高；且清洗完的管道粗糙度比傳統的等離子體裝置低很多；
利用天線伸入到管道內，激發產生低氣壓高密度等離子體，沿著磁力線運動到管道內壁，轟擊管道內壁或者與內壁表面發生化學反應，以達到清洗管道內壁表面汙染物的效果； 通過波紋管和傳送杆，天線可以在管道內任意移動，與此同時移動管道外面的磁場線圈與天線同步，從而實現管道內壁的清洗。上述技術方案中，所述抽真空裝置為分子泵。上述技術方案中，所述密封管為波紋管。兩者的連接結構為傳送杆插接于波紋管內，隨著波紋管的收縮或拉伸實現傳送杆在管道內的伸進或伸出。上述技術方案中，所述射頻源通過匹配網路與天線電連接。由於上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點
1.本發明的清洗裝置在清洗過程中不需要使用有機溶劑，可以長期使用，因而它的運行成本較低；適合於大部分金屬及其合金，清洗可以去除氧化物、汙染物、保護潤滑劑、加工過程中的潤滑劑等，特別是不耐溶劑的基底材料，而且還可以有選擇地對材料的整體、局部或複雜結構進行部分清洗；而且，在完成清洗去汙的同時，可以除去晶間腐蝕，也可以使如折皺、裂紋等缺陷暴露和除去凹凸部分，在清洗過程中還能改變材料本身的表面性能，如提高表面的潤溼性能；清洗後，被清洗物體已經很乾燥，不必再經過乾燥處理工序，所以清洗效率極高。2.本發明的清洗裝置可以通過控制工藝參數，在不損傷基材表面的情況下有效去除汙染物，是目前所有清洗方法中最為徹底的剝離式的清洗。3.本發明的清洗裝置將天線設於待清洗管道的內部，並由天線激發產生等離子體，從而在管道內引入等離子體達到清洗管道內壁的目的，這是其他等離子體裝置所不能實現的。4.本發明的清洗裝置結構簡單，操作方便，電路簡單，調試方便造價低廉。


圖1是發明實施例一的結構示意圖。其中1、待清洗管道；2、密封蓋；4、進氣口 ；5、排氣口 ；6、磁場線圈；7、磁力線；8、 天線；9、密封管；10、傳送杆；11、射頻接頭；13、匹配網絡；14、射頻電源。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述實施例一
參見圖1所示，一種用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置，包括真空系統、放電系統和傳送系統，
所述真空系統包括設於待清洗管道1兩端的密封蓋2，以及抽真空裝置；管道一端的密封蓋上設有的排氣口 5，排氣口與所述抽真空裝置連接，管道另一端的密封蓋上設有進氣口 4 ；所述放電系統包括射頻電源14、天線8和磁場線圈6 ；所述傳送系統包括密封管9和傳送杆10 ；所述密封管設於帶有進氣口的密封蓋的中央，並與密封蓋密封固定連接，所述傳送杆插接於密封管內並與密封管密封連接；所述天線設於待清洗管道的內部並與傳送杆的一端固定連接；所述磁場線圈設於待清洗管道的外部並與天線處於同一平面內；所述射頻電源與天線電連接。密封蓋2可以採用真空法蘭，密封管9可以採用波紋管。清洗時，由抽真空裝置通過排氣口 5將待清洗管道1抽至較低壓強(lO—^lO—2 Pa) 後，工作氣體(例如氬氣和氧氣混合氣體)通過進氣口 4進入管道，通入的氬氣使得管道的壓強上升(10_，10 Pa)；放電系統則由射頻電源14、匹配網絡13、天線8和磁場線圈6組成， 首先給磁場線圈6接通直流電源，獲得合適的磁場(100-20000 G)，然後通過匹配網絡13 和射頻接頭11給天線8提供射頻功率(100-2000 W)，激發氣體，產生等離子體；當射頻電源接通天線時，高頻電流流經天線後，產生感生電場，由於電子在平行磁場方向可以自由移動，在垂直於磁場方向電子橫越磁場較困難，垂直於磁場方向的電場得以建立，擊穿並維持等離子體放電；
螺旋波由射頻驅動天線激發，然後發射到等離子體中，在那裡螺旋波具有橫波模式結構並且沿著等離子體柱傳播，電磁波的能量則通過碰撞或無碰撞阻尼被電子吸收，螺旋波激發的等離子體沿著磁力線7到達管道內壁，轟擊管道內壁或者與內壁表面發生化學反應，以達到清洗管道內壁表面汙染物的效果。可以使用不同比例的氧氣/氬氣/氫氣混合氣體，獲得最佳的清洗效果。對管道內壁有機物進行清洗的工藝參數為氧氣/氬氣的氣體流量比為20/2 sccm，工作氣壓為0. 1 Pa，電源功率為700 W時，可達到清洗速率>2400 nm/min，均勻性<3% 的清洗效果，遠高於傳統的等離子體裝置的清洗速率(<600 nm/min)。這是由於與傳統的射頻等離子體的離化程度10_，10_5相比，螺旋波等離子體的離化程度高達100%，提高4-5個數量級，而且螺旋波等離子體密度即使在工作氣壓0. 133 Pa以下的範圍仍可維持IOllIO13 cm-3的量級，比其他傳統的等離子密度(不超過IO11 cm—3)高1_2個量級；由於低氣壓具有粒子的平均自由程大，電場可以輔助帶電粒子沿著磁力線遊向管道內壁，不致因受到太多的碰撞而產生散射效應，其清洗角度可以達到90°的垂直效果。本發明利用等離子體速度快、能量密度大及氣氛可控等特點，從真空室內部的天線產生等離子體柱沿著磁場方向到達管道內壁，使被照射的物質發生振動、熔化、蒸發、燃燒等一系列複雜的物理化學過程，最終脫離物品表面，從而實現對表面汙染物的清除。由於天線能夠伸入到管道內部進行清洗，若天線沿著管道移動，可以對管道實現全方位清洗。這樣可對管道內壁實現快速，均勻，無死角和無汙染的清洗。
權利要求
1.一種用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置，其特徵在於包括真空系統、放電系統和傳送系統，所述真空系統包括設於待清洗管道(1)兩端的密封蓋(2)，以及抽真空裝置；管道一端的密封蓋上設有的排氣口(5)，排氣口與所述抽真空裝置連接，管道另一端的密封蓋上設有進氣口⑷；所述放電系統包括射頻電源(14)、天線⑶和磁場線圈(6)；所述傳送系統包括密封管(9)和傳送杆(10)；所述密封管設於帶有進氣口的密封蓋的中央，並與密封蓋密封固定連接，所述傳送杆插接於密封管內並與密封管密封連接；所述天線設於待清洗管道的內部並與傳送杆的一端固定連接；所述磁場線圈設於待清洗管道的外部並與天線處於同一平面內；所述射頻電源與天線電連接。
2.根據權利要求1所述的用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置，其特徵在於所述抽真空裝置為分子泵。
3.根據權利要求1所述的用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置，其特徵在於所述密封管(9)為波紋管。
4.根據權利要求1所述的用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置，其特徵在於所述射頻電源(14)通過匹配網路(13)與天線(8)電連接。
全文摘要
本發明公開了一種用於清洗管道的螺旋波等離子體清洗裝置，包括真空系統、放電系統和傳送系統，所述真空系統包括設於待清洗管道兩端的密封蓋，以及抽真空裝置；管道一端的密封蓋上設有的排氣口，排氣口與所述抽真空裝置連接，管道另一端的密封蓋上設有進氣口；所述放電系統包括射頻電源、天線和磁場線圈；所述傳送系統包括密封管和傳送杆；所述密封管設於帶有進氣口的密封蓋的中央，並與密封蓋密封固定連接，所述傳送杆插接於密封管內並與密封管密封連接；所述天線設於待清洗管道的內部並與傳送杆的一端固定連接；所述磁場線圈設於待清洗管道的外部並與天線處於同一平面內；所述射頻電源與天線電連接。本發明可以在管道內引入，這是其他等離子體裝置所不能實現的。
文檔編號B08B9/027GK102218422SQ20111009272
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月13日 優先權日2011年4月13日
發明者葉超, 吳雪梅, 葛水兵, 諸葛蘭劍, 金成剛 申請人:蘇州大學