CN101284711B - 可携带式常压电浆清洁机 - Google Patents

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Abstract

一种可携带式常压电浆清洁机，为清洗玻璃及玻璃镀膜材料的手持式设备，其主要包含一电极系统与一水气供应模块；该电极系统使用一般家用电源产生一电浆层；该水气供应模块整合储水箱和气流渠道并运用小型的水雾化器混和水和空气。藉此，混和气体被推进并导入电浆作用区的表面，同时此混和气体在导入电浆作用区前也流过电浆底板背面，可将电浆底板温度维持在常温下。本发明利用注入少量的水蒸气到电浆作用区，可减少电浆产生时连带排出的臭氧，进而达到环保的效用。也可用于玻璃表面涂布了含金属氧化物或含有机材料层的材料、涂上SiO2层的材料以及SiO2层上涂含有机表面层的材料。

Description

可携带式常压电浆清洁机
技术领域
本发明关于镀膜玻璃材料表面的清洁装置，尤指一种可携带式常压电浆清洁机，可以通过活跃电浆物质与表面的污染物反应达到安全、便利的清洁功用。
背景技术
公元十九世纪以来，玻璃或者是玻璃镀膜材料很广泛的使用在人类社会中。一开始玻璃应用在建筑中仅作为窗户之用，近来，摩登式的建筑物或是摩天大楼更是广泛的使用玻璃材质来替换旧有传统式的砖块或是混泥土来取代围墙。玻璃更是在屋内装潢扮演着举足轻重的角色，其取代了传统式的墙壁，举例来说，很多屋内的卫浴间以及温室花房等等，都可见到这样的设计。其它相关玻璃材质的应用更是多样化的出现在生活中，举凡镜子、桌子、椅子和水盆等等，凡是您可想象的东西都会使用到它。为了确保玻璃的洁净，传统上会使用各种化学洗净剂及大量的水。无论是哪种种类的化学清洁剂对环境都会造成影响，尤其是当我们在清洁一般的房子或是目前已有的清洁设备，都不具备清洁剂回收的机制。而且当我们使用水去清理和去除掉这些物理清洁剂时，对人体和环境都不是很好，特别是在清理摩天大楼时。这些非自然状况产生的化学雨，对于陆上徒步行走的行人而言，是不想要有的意外之灾。基于前述的这些原因，使用干式的清洁方式来洁净玻璃表面或是表面经过二氧化硅(SiO2)涂布的基材，具有环境及技术上的优势。
有相关文献探讨用热处理的方式做玻璃表面清洁，一般来说其处理的时间都会长达30分钟以上，并且加热的温度均需高于300℃。采用臭氧清洁玻璃的优点是能结合紫外线放射，这类相关数据可参考美国应用专利“20050076934”，使用雷射放射方式的有D.R.Halfpenny等在期刊“Applied Physics A:Materials Science&Processing71(2000)P147-151”所发表的文章，运用电子式电浆方式的方法也可在美国专利号码“5028453”和美国运用型专利“20040265505”见到。
在大多数已知的电浆表面处理装置，使用于玻璃和其它二氧化硅(SiO2)涂布材质时，其缺点是要产生电浆时必须要低于1kPa(常压)。因此必须要使用真空及很复杂的机构组件来达成这样的需求，对于可携式的应用来说会造成成本的增加，且其重量会过重并不适合此种方式的应用。此外，在低压式电浆清洁、电浆蚀刻和电浆活化的运用方面来说，因为较低的电浆密度，因此相对需要很长的暴露时间来达到各种表面处理的需求。
为了解决上述所提到的这些问题，各式的常压电浆设备因应而生，最大宗的应用方式是采用大量的介质阻挡放电(Dielectric BarrierDischarge)的方式来达成，其详细的运作方式可参考“T.Yamamoto et al.：Plasma Chemistry and Plasma Processing24(2004)1-1”及“Ch.Wang andX.He：‘Preparation of hydrophobic coating on glass surface by dielectricbarrier discharge using a16kHz power supply’Applied Surface Science(2006)”。当这样介质阻挡放电，被使用为一种电浆处理，其被处理的材料位于二个电极之间并导入一个高频率高压信号，这种装置的位移电流线，其产生范围为从被处理的材料横跨的电极和放电电浆的空间中。介质阻挡放电可能发生在任一运作的气体里，包括空气和氧气。但是这种装置不利玻璃清洁的运用，因为放电电浆特征取决于被处理的物质厚度，所以不可能处理厚实的材料。这样装置不利于工业相关用途，其在于电浆功率密度的增量会导致不受欢迎的电浆丝状放电(filamentation)、激发火花和剧烈的增加电浆气体温度，如此一来造成不均匀的处理并且粗化被处理的物质表面。更主要的因素是电极必须置放于被处理材料的两面，因此设计成可携带式装置并不理想。
为了增加电浆功率密度和减少电浆对被处理的物质表面的处理时间，并且之前没有被提及的不均匀的处理及表面损伤相关议题，一种没有丝状放电(filamentation)并不激发火花的电浆装置被设计开发，这种装置是产生扩散式大气压力的电浆。该装置原理是利用所谓的大气压辉光放电，而这种用于玻璃表面清洁和活化作用被发表于，C.H.Yi et al.：Surface and Coatings Technology171(2003)237-240，in B.Das：J.Adhes.Sci.Technol.10(1996)1371-1382以及在美国应用专利“20050045103”。这项原理并且被使用在由Surfx Technologies公司所制造的AtomfloTM设备，以及由Radiiontech公司制造的APIS-FTM设备中。相似的原理也被命名为喷气电浆(plasma jet)，而它用于玻璃表面处理可参考H.Hermann.：“Atmospheric Pressure Plasma Jet for GlassProcessing”:GLASS PROCESSING DAYS2005-www.gpd.fi，pp.1-3。依照上述所提及的文章，这样设备为了防止电浆丝状放电(filamentation)、激发火花和气体热化，其必须使用含氦气等惰性气体为工作气体，这种工作方式因为太贵并不利于实际上的应用。具有氦气的气体，为了使该装置得以产生扩散式大气压力电浆，但使用很多氦气除费用很昂贵外，它并且限制此装置的工作的范围。举例来说，为进一步防止运作的气体热化及激发火花，该电浆的产生必须在大量流动的工作气体中，这使得该电浆装置运作必须增加能量和消耗极大的气体量。另外使用喷气电浆设备的缺点是，电浆发生在被处理的表面上方比1毫米更高的一个距离，当这与高流量的工作气体加成一起，会导致在没有与被处理的表面接触前，电浆活跃电离子部分已再结合，因此这样设备的能源效率极低。再者美国应用专利“20050045103”进一步表明，这些设备产生的放电电浆是直接与金属电极表面接触，因此会造成电极表面被侵蚀。如此一来，更不利于使用这样的设备在消费者市场，因为这样的电浆使用寿命不长，而且因为使用功率过高，这种装置通常对人体并不安全。
发明内容
因为玻璃类制品在人类社会广泛地被使用，表面污染物在玻璃表面、玻璃表面涂上了由金属氧化物或由有机材料层的材料、涂上SiO2层的材料以及SiO2层涂上含有机表面涂层的材料可被分类为几个类别，从油类或油酯类、聚合物、尘土乃至所有其它化学污染源都可能成为其表面污染物。
据此，本发明主要提供一可携带式常压电浆清洁机，包含一电极系统与一水气供应模块；该电极系统由一电介质材料及植于电介质材料里面一定数量的导电性电极所组成；该电极的间距介于0.05毫米与5毫米之间，而该电介质材料与该被处理的物质表面之间的工作距离少于5毫米；该水气供应模块混合水气与一工作气体加压后导入该电浆反应区域。
藉此，该电介质材料表面、位于该导电性电极之上产生一电浆层，被处理的物质放置在该电浆层的电浆下；且该电浆层的电场大部分存在于该电极之间，不相交于被该电浆层处理的物质或材料表面。
藉此，由于有该电介质材料保护，该电极系统不与被该处理的物质表面接触，不会对一使用者或是该被处理物质产生电击情形。
利用本发明装置执行清洁(广义蚀刻的一种方式)的简单方法，仅需将本发明的可携带式常压电浆清洁机来回扫过待处理物的表面。通过活跃电浆物质与表面的污染物反应即可达到清洁功用，其清洁时间取决于污染物质及其厚度可短于千分之几秒至数秒之间，这种电浆执行清洁方式无须任何化学制品或水。所以，对被处理材料的表面不会产生腐蚀或留下污班。在玻璃发明以后人类社会从未有这种暨简便又环保的清洁方式发生。
附图说明
图1为本发明的侧视图。
图2为图1电极电浆系统的细部结构。
图3为图1电极电浆系统的上视图。
图4为图3的电极系统的剖面图。
图5为图4的电极系统的上方产生一电浆层的示意图。
图6为本发明的把手的透视图。
图7为本发明的水气供应模块侧视图。
图8为本发明的把手机械力加强装置及其内部电力配电原件剖面图。
图号说明
10电浆电极系统   21风扇
11电极系统       30水气供应模块
111电极         31气流渠道
112电介质材料   32储水箱
12第一空间      33水雾化器
13第二空间      40把手机械力加强装置
20把手          41电力配电原件
具体实施方式
本发明的各项目的及其优点将由下面实施例的具体叙述及其附图说明。
请参阅图1-7，本发明为一种可携带式常压电浆清洁机1，为清洗玻璃及玻璃镀膜材料的手持式设备，其主要包含一电极系统11与一水气供应模块30；该电极系统11使用一般家用电源产生一电浆层；该水气供应模块30整合储水箱32和气流渠道31并运用小型的雾化器33混和水和空气。
该电极系统11由一电介质材料112及植于该电介质材料112里面一定数量的导电性电极111所组成；该电介质材料112可为一陶瓷或玻璃基体；该电极111的间距介于0.05毫米与5毫米，而该电介质材料112与该被处理的物质表面之间的工作距离少于5毫米。该电极111的剖面可能是任一形状但最好是长方形和三角形状(图4)。藉此，该电介质材料112表面、位于该导电性电极111之上产生一电浆层，被处理的物质放置在该电浆层的电浆下；且该电浆层的电场大部分存在于该电极111之间，不相交于被该电浆层处理的物质或材料表面。
请参阅图2，该电极系统11和外壳之间的第二空间13使混合气流均匀化并且被使用为电极系统的冷却之用；在外壳及电极系统11外围的一个第一空间12，使用为补充入电浆反应区域气体的气流渠道。
该水气供应模块30将水分子混合一工作气体加压后导入该电浆反应区域；该工作气体可为空气、氮气、氧气、水气及上述的气体混合物其一。该加压气流在流动入电浆反应区域之前可冷却该电极系统的背面，藉此降低该电介质材料的工作温度。
请参阅图6，该清洁器的把手20内装置一台微型风扇21，用以提供反应用的气流。
请参阅图7，该水气供应模块30整合储水箱32与气流渠道31。二台微小的水雾化器33被装置于储水箱32上面与空气渠道31之间，利用Bernoulli定律提供反应所需的薄雾水气。
请参阅图8，一把手机械力加强装置40包含一电力配电原件41，以提供该风扇21和电浆系统10必要的电力。
本发明解决以上所提及的各种缺点，对于玻璃表面、含有金属氧化物或聚合物涂布玻璃等被处理的各式物质，使其暴露于薄层不平衡电浆之下，电浆反应层的厚度范围从0.2毫米对0.3毫米为最佳。本发明的其电浆反应层仅发生在电介质材料表面，更严谨地说，电浆层只发生在电介质材料表面位于导电性电极之上。而导电性电极位于电介质材料里面，有效的由电介质材料所保护住。
电浆可产生在任一运作的气体里，更可实用在不含氦气或其它惰性气体的运作气体中，如氮(N2)、氧(O2)、水(H2O)、二氧化碳(CO2)和光晕碳氢(Halo-hydrocarbon)化合物分子。从本发明应用上而言，电浆发生在空气里并加入其它运作气体的组合譬如水气。电浆发生的气体压力范围可从1kPa至1000kPa，更可实际运作在大气压力之下，而其运作的气体流速则不大于10米/秒(m/s)。
电浆层发生在一个电介质材料的表面，导电性电极则位于在电介质材料里面，在这种情况下电极表面并不与电浆接触。此外，电介质层有效的阻挡直接电流产生，因而消弥可能在清洁操作期间危及消费者的安全事件的发生。电极由交流或脉冲电压的电力供应，所须电源操作的频率范围从50赫兹到1兆赫，而应用电压范围从100伏特至10万伏特。最小的电极间距距离是少于2毫米但长于0.05毫米。
因电极所摆放于电介质材料中的位置，使得从电极发出的大部分电场电力线流动在电极之间，更精确而言大于50％总电场线分布在电极之间，在这种情况下，电压所产生的电场，并不与被处理的材料相交。
使用上述的方法产生的扩散不平衡电浆是可能达到100W/cm3大功率密度，并且在增加功率之下电浆会变得更均匀和较不容易产生丝状放电。这些独特的特点，解决电浆丝状放电(filamentation)和激发火花的问题。此外本发明的重大好处是，由于它是能使用较高的电浆功率处理待处理表面，因此清洁时间可短至0.1～1秒的等级，而且没有使用氦气或Ar气体等堕性气体及其它高流量的工作气体。另外本发明的另一重大好处是，在没有任一种外加的工作气体下，本电浆可直接使用在待处理表面上，因此工作气体和电源消耗量可大幅地减少。这些独特的特征清楚地区分它与其它电浆方法的不同，并更适用于玻璃表面或是表面涂上含金属氧化物或者SiO2镀膜的聚合材料的清洁及表面处理。
根据此发明的电浆，均匀产生的电浆和功率密度会发生于被处理的材料表面从0.05毫米到2毫米之间。在一大气压下其最佳化电浆的工作距离为从电介质材料表面0.2毫米到0.3毫米之间。此发明的另一优点是，电浆的暴露时间短于10秒并不会导致任何材料表面的粗化，这点可由电子力显微镜(AFM)观测得以证实。
根据上述实施例，本发明的效益是：所产生的高密度电浆不会危害人体，不经意接触时不会令人产生不快的感觉。混和气体被推进并导入电浆作用区的表面，同时此混和气体在导入电浆作用区前也流过电浆底板背面，可将电浆底板温度维持在常温下。本发明利用注入少量的水蒸气到电浆作用区，可减少电浆产生时连带排出的臭氧，进而达到环保的效用。提供一种简便清洁表面方法，也可用于玻璃表面涂布了含金属氧化物或含有机材料层的材料、涂上SiO2层的材料以及SiO2层上涂含有机表面层的材料。
本发明同时揭露一种由电浆的产生而清洁、蚀刻和活化的方法，包含以一电极系统产生电浆、以一水气供应模块混合水气与一工作气体加压导入两个步骤。此方法可作用于玻璃表面、由金属氧化物或聚合镀膜的玻璃以及其它SiO2镀膜材料等物质作为表面处理的使用，这些材料表面所处环境具下列情况之一：处于可被电浆影响范围之内。暴露于含有水的气态环境中。电浆环境中，且电浆产生的臭氧及其它气态反应物质环境之中。电浆环境中，且被导入的水分子于电浆中被离解，电浆环境含有被离解水分子以抑制臭氧的产生。电浆环境中，且低臭氧量电浆使用的气态反应物质包含被氮、氧和OH极性反应离子，这些气态反应物质则用于蚀刻在玻璃表面的污染物质。
本发明的方法所用的电浆最好由大气气体压力以及用空气和水混合物发生。此外，本发明揭露一种减少臭氧产生的清洁方法，其电浆里有效反应的气象物质为氮、氧和OH极性物质。
本发明原理如上述实施例所示，然其相同概念也可应用于许多不详载的实施例，其应视为于符合本发明精神的范围之内。

Claims (16)

1.一种可携带式常压电浆清洁机，可清洁、蚀刻和活化玻璃的表面，包括：
一电极系统，该电极系统由一电介质材料及植于电介质材料里面一定数量的导电性电极所组成；该电极的间距介于0.05毫米与5毫米之间，而该电介质材料与该被处理的物质表面之间的工作距离少于5毫米；藉此，该电介质材料表面、位于该导电性电极之上产生一电浆层，被处理的物质放置在该电浆层的电浆下；且该电浆层的电场大部分存在于该电极之间，不相交于被该电浆层处理的物质或材料表面；与
一水气供应模块，更包含一储水箱、一气流渠道、与至少一个小型的雾化器，以混合水气与一工作气体加压后导入该电浆反应区域；
藉此，由于有该电介质材料保护，该电极系统不与被该处理的物质表面接触，不会对一使用者或是该被处理物质产生电击情形。
2.如权利要求1所述的可携带式常压电浆清洁机，其特征在于：该电极系统的电极之间使用从50赫兹至1兆赫的频率的电压源。
3.如权利要求1所述的可携带式常压电浆清洁机，其特征在于：该电极系统的电极之间使用从500伏特至100千伏特的电压。
4.如权利要求1所述的可携带式常压电浆清洁机，其特征在于：电浆发生的该电介质材料表面处于工作气体之中，其该气体压力适用于1KPa至500KPa的范围。
5.如权利要求4所述的可携带式常压电浆清洁机，其特征在于：该气体最佳工作压力为一大气压。
6.如权利要求4所述的可携带式常压电浆清洁机，其特征在于：其中水分子经由一水雾化器和加压机制混合该工作气体形成加压气流导入该电浆反应区域。
7.如权利要求4所述的可携带式常压电浆清洁机，其特征在于：该工作气体为空气、氮气、氧气、水气及上述的气体混合物之其一。
8.如权利要求6所述的可携带式常压电浆清洁机，其特征在于：该加压气流在流动入电浆反应区域之前可冷却该电极系统的背面，藉此降低该电介质材料的工作温度。
9.一种使用电浆以清洁、蚀刻和活化玻璃表面的方法，包含下列步骤：
(a)以一电极系统产生电浆，该电极系统包括至少二个导电性电极与一个包覆该电极的电介质材料，该电极系统在该电极间维持500伏特至100千伏特、频率50赫兹至1兆赫的电压藉以产生电浆，且该电压所产生的电场大部分流动在电极之间且不与被处理的材料相交；与
(b)以一水气供应模块混合水气与一工作气体加压后导入步骤(a)中的该电浆反应区域进行该被处理物质的表面清洁。
10.如权利要求9所述的使用电浆以清洁、蚀刻和活化玻璃表面的方法，其特征在于：步骤(a)中的被电浆层包附的电介质材料，其表面与被处理的物质表面之间距离是少于5毫米。
11.如权利要求9所述的使用电浆以清洁、蚀刻和活化玻璃表面的方法，其特征在于：本方法可清洗玻璃表面、玻璃表面涂上了含金属氧化物或含有机材料层的材料、涂上SiO2层的材料以及SiO2层涂上含有机表面涂层的材料；而这些材料表面乃处于可被电浆影响范围之内。
12.如权利要求9所述的使用电浆以清洁、蚀刻和活化玻璃表面的方法，其特征在于：本方法可清洗玻璃表面、玻璃表面涂上了含金属氧化物或含有机材料层的材料，涂上SiO2层的材料，以及SiO2层涂上含有机表面涂层的材料；而这些材料表面，乃暴露于含有水的气态环境中。
13.如权利要求9所述的使用电浆以清洁、蚀刻和活化玻璃表面的方法，其特征在于：本方法可清洗玻璃表面、玻璃表面涂上了含金属氧化物或含有机材料层的材料、涂上SiO2的材料以及SiO2涂上含有机表面涂层的材料；这些材料表面，乃暴露于电浆产生的臭氧及其它气态反应物质环境之中。
14.如权利要求9所述的使用电浆以清洁、蚀刻和活化玻璃表面的方法，其特征在于：本方法可清洗玻璃表面、玻璃表面涂上了含金属氧化物或含有机材料层的材料、涂上SiO2层的材料以及SiO2层涂上含有机表面涂层的材料；这些材料表面乃暴露于电浆环境之中，而被导入的水分子于电浆中被离解，电浆环境含有被离解水分子以抑制臭氧的产生。
15.如权利要求9所述的使用电浆以清洁、蚀刻和活化玻璃表面的方法，其特征在于：本方法可清洗玻璃表面、玻璃表面涂上了含金属氧化物或含有机材料层的材料、涂上SiO2层的材料以及SiO2层涂上含有机表面涂层的材料；这些材料表面乃暴露于电浆环境之中，而此低臭氧量电浆使用的气态反应物质包含被氮、氧和OH极性反应离子，这些气态反应物质则用于蚀刻在玻璃表面的污染物质。
16.一种可携带式常压电浆清洁机，为清洗玻璃及玻璃镀膜材料的可携带式常压电浆清洁机，其主要包含：
一电极系统，该电极系统由一电介质材料及植于电介质材料里面一定数量的导电性电极所组成，以于该电介质材料表面、位于该导电性电极之上产生一电浆层；
一整合水槽和气流管路在同一个架构中，运用小型的风扇做为水和空气的混和及藉此推进混和气流并将其导入电浆作用区的表面，此混和气流在导入电浆作用区前也流过电浆底板背面，其效果可将电浆底板降温并将温度维持在常温下；与
一电源供应器，将一般家用电源转化为可产生电浆的电源；
藉此，利用注入很少量的水蒸气到电浆作用区，可减少电浆产生时连带排出的臭氧，达到环保的效益。
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