CN102218422A

CN102218422A - 一种用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置

Info

Publication number: CN102218422A
Application number: CN2011100927235A
Authority: CN
Inventors: 诸葛兰剑; 金成刚; 叶超; 葛水兵; 吴雪梅
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2011-10-19

Abstract

本发明公开了一种用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置，包括真空系统、放电系统和传送系统，所述真空系统包括设于待清洗管道两端的密封盖，以及抽真空装置；管道一端的密封盖上设有的排气口，排气口与所述抽真空装置连接，管道另一端的密封盖上设有进气口；所述放电系统包括射频电源、天线和磁场线圈；所述传送系统包括密封管和传送杆；所述密封管设于带有进气口的密封盖的中央，并与密封盖密封固定连接，所述传送杆插接于密封管内并与密封管密封连接；所述天线设于待清洗管道的内部并与传送杆的一端固定连接；所述磁场线圈设于待清洗管道的外部并与天线处于同一平面内；所述射频电源与天线电连接。本发明可以在管道内引入，这是其他等离子体装置所不能实现的。

Description

一种用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置

技术领域

本发明涉及一种清洗装置，具体涉及一种用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置，以清洗管道内壁。

背景技术

管道在长时间使用后，不可避免的会在管道内部形成沉淀或污垢。这些沉积在管道中的污垢不但会大大增加流体输送过程中的阻力，而且还会对管道材料造成腐蚀和伤害，严重时甚至会使管道破裂，造成运输流体的外泄，而外泄的流体通常都有较大的危险性，会对正常的生产和生活造成不良影响。因此，对管道进行定期清洗是非常必要的。

目前，清洗管道的方法有很多种，常见的有机械清洗方法，如喷砂清洗、喷丸清除、手工打磨和机械刷洗的方法，以及化学清洗方法等。虽然这些清洗方法在工业中已经应用很久，但随着设备的大型化以及现代工业生产对经济性的要求，这些方法越来越表现出它们的不足之处。例如，喷砂、喷丸等机械清洗方法的工作机理决定了这些清洗方法很容易使被清洗的物体表面出现磨损，且清洗后还需继续对废物处理，劳动强度较大，并需设备停止工作，因而无法满足高洁净度清洗要求。化学清洗方法虽然能够使物体表面不出现磨损，但其缺点是如果对化学清洗液选择不当，会对清洗物造成腐蚀破坏，产生损失；且化学清洗产生的废液排放也是造成环境污染的原因之一，因此化学清洗必须配置废水处理装置；另外，化学药剂操作处理不妥会对人的健康和安全造成危害。

针对上述问题，出现了等离子体清洗技术，其最大的特点是不分处理对象的基材类型均可进行处理，对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚酯、环氧树脂等高聚物）都能很好地处理并可实现整体和局部以及复杂结构的等离子体清洗。等离子体清洗技术的机理是主要依靠处于“等离子态”的物质的“活化作用”达到去除物体表面污染物的目的。

从目前各类清洗方法来看，等离子体清洗是所有清洗方法中最为彻底的剥离式的清洗。然而，传统的等离子体技术只能够清洗管道的外壁，且清洗效率较低，而对管道内壁的清洗毫无办法。

发明内容

本发明目的是提供一种用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置，以清洗管道的内壁。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置，包括真空系统、放电系统和传送系统，

所述真空系统包括设于待清洗管道两端的密封盖，以及抽真空装置；管道一端的密封盖上设有的排气口，排气口与所述抽真空装置连接，管道另一端的密封盖上设有进气口；

所述放电系统包括射频电源、天线和磁场线圈；

所述传送系统包括密封管和传送杆；

所述密封管设于带有进气口的密封盖的中央，并与密封盖密封固定连接，所述传送杆插接于密封管内并与密封管密封连接；

所述天线设于待清洗管道的内部并与传送杆的一端固定连接；所述磁场线圈设于待清洗管道的外部并与天线处于同一平面内；所述射频电源与天线电连接。

上文中，所述真空系统可以采用机械泵-分子泵抽气系统，系统背景真空可达10^-4Pa；放电系统则由射频电源、天线（包含各种能够激发螺旋波等离子体的天线）和亥姆霍兹磁场线圈组成；天线与待清洗的管道同轴，且可以根据所清洗管道的大小，改变天线的尺寸（直径5~80厘米）；使用传送杆和波纹管移动天线，将整个管道全部扫描到，以达到管道的全面清洗。

上述技术方案的工作参数为：

气压0.01-10 Pa，射频频率13.56 MHz，电源功率100-2000 W，磁场100-20000 G；

(1) 工作气体：氧气、氢气和氩气；

氧气：化学工艺中等离子体与管道表面上的化合物反应；例如，有机污染物可以有效地用氧气等离子去掉，这里氧气等离子与污染物反应，产生二氧化碳、一氧化碳和水；

氢气：氢气可供去除管道表面氧化物使用；它经常与氩气混合使用，以提高去除速度；

氩气：物理轰击是氩气清洗的机理；氩气是最有效的物理等离子体清洗气体，原因在于它原子的尺寸大，可以用很大的力量轰击管道表面；正的氩离子将被吸引到接地的管道；撞击力足以去除表面上的任何污垢；然后这些气体污物通过真空泵排出；

(2) 压力：处理管道内的压力是工艺气体流速、管道泄露率和泵抽速的函数；工艺气体的选择决定等离子体清洗机制（物理、化学、物理/化学）；

物理工艺需要较低的压力：物理等离子体清洗要求受激的粒子碰撞管道表面，如果工艺压力高，已激励的粒子在到达清洗表面之前将与其他粒子经过很多次的碰撞，损失能量，可是，如果压力降低太多，将没有足够的活性反应组分在合理的时间内来清洁管道；

化学工艺依靠气体等离子体与管道表面的化学反应，所以反应粒子数越多就会增加清洗能力，需要使用较高压力，较高的压力使化学工艺具有较快的清洁速度；

(3) 功率：增加等离子体功率是通过增加等离子体内的离子密度和离子能量来增加清洁速度和清洁强度，可是，如果增加功率太多，可是对管道有害，并且对结果也是无效的；

(4) 时间：一般来说要在最短的工艺时间内到达最佳的清洗效果，是工艺时间与功率、气压和气体类型平衡，功率的设置主要要与处理时间相平衡，增加功率可以降低处理时间，然而，会使管道内温度升高，对于大多数处理工艺来说，较高的温度相当于催化剂，并会导致不均匀或清洗过度，所以要想优化处理工艺，综合考虑这两个参数是必须的。

本发明的螺旋波激发放电具有很宽的工作范围，包含各种频率(ωci?ω?ωce)，功率(100~2000 W)，气压(0.01~10 Pa)，磁场强度(100~20000 G)和磁场位形。

螺旋波等离子体作为很有前途的低温高密度等离子体源具有很多独特的性能，如密度高且均匀，电离效率高，磁场低，所需设备简单，气压工作范围宽，离子和电子能量能够独立控制，直流自偏压和功率电流驱动等特点。

本发明的螺旋波等离子清洗的机理是：

（1）化学反应：有机物的去除是利用等离子体将气体分子激活，

Figure 2011100927235100002DEST_PATH_IMAGE001

，

，

Figure 2011100927235100002DEST_PATH_IMAGE003

然后利用O，O₃与有机物进行反应(

)生成

副产物由真空系统排出，从而达到将有机物排除的目的；表面活化是利用O，O₃含氧官能团的表面活化作用，来改善材料的湿润性能，其反应为：，

；

（2）物理反应：离化惰性气体氩气，

，主要是利用等离子体里的离子作纯物理的撞击，把材料表面的原子或附着在材料表面的原子打掉，而通过离子的冲击作用可以极大促进物体表面化学反应发生的几率；由于离子在工作气压较低时的平均自由程较长，有能量的积累，因而在物理撞击时，离子能量越高，清洗的效率也就越高；且清洗完的管道粗糙度比传统的等离子体装置低很多；

利用天线伸入到管道内，激发产生低气压高密度等离子体，沿着磁力线运动到管道内壁，轰击管道内壁或者与内壁表面发生化学反应，以达到清洗管道内壁表面污染物的效果；通过波纹管和传送杆，天线可以在管道内任意移动，与此同时移动管道外面的磁场线圈与天线同步，从而实现管道内壁的清洗。

上述技术方案中，所述抽真空装置为分子泵。

上述技术方案中，所述密封管为波纹管。两者的连接结构为：传送杆插接于波纹管内，随着波纹管的收缩或拉伸实现传送杆在管道内的伸进或伸出。

上述技术方案中，所述射频源通过匹配网路与天线电连接。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明的清洗装置在清洗过程中不需要使用有机溶剂，可以长期使用，因而它的运行成本较低；适合于大部分金属及其合金，清洗可以去除氧化物、污染物、保护润滑剂、加工过程中的润滑剂等，特别是不耐溶剂的基底材料，而且还可以有选择地对材料的整体、局部或复杂结构进行部分清洗；而且，在完成清洗去污的同时，可以除去晶间腐蚀，也可以使如折皱、裂纹等缺陷暴露和除去凹凸部分，在清洗过程中还能改变材料本身的表面性能，如提高表面的润湿性能；清洗后，被清洗物体已经很干燥，不必再经过干燥处理工序，所以清洗效率极高。

2．本发明的清洗装置可以通过控制工艺参数，在不损伤基材表面的情况下有效去除污染物，是目前所有清洗方法中最为彻底的剥离式的清洗。

3．本发明的清洗装置将天线设于待清洗管道的内部，并由天线激发产生等离子体，从而在管道内引入等离子体达到清洗管道内壁的目的，这是其他等离子体装置所不能实现的。

4．本发明的清洗装置结构简单，操作方便，电路简单，调试方便造价低廉。

附图说明

图1是发明实施例一的结构示意图。

其中：1、待清洗管道；2、密封盖；4、进气口；5、排气口；6、磁场线圈；7、磁力线；8、天线；9、密封管；10、传送杆；11、射频接头；13、匹配网络； 14、射频电源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

实施例一

参见图1所示，一种用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置，包括真空系统、放电系统和传送系统，

所述真空系统包括设于待清洗管道1两端的密封盖2，以及抽真空装置；管道一端的密封盖上设有的排气口5，排气口与所述抽真空装置连接，管道另一端的密封盖上设有进气口4；所述放电系统包括射频电源14、天线8和磁场线圈6；所述传送系统包括密封管9和传送杆10；所述密封管设于带有进气口的密封盖的中央，并与密封盖密封固定连接，所述传送杆插接于密封管内并与密封管密封连接；所述天线设于待清洗管道的内部并与传送杆的一端固定连接；所述磁场线圈设于待清洗管道的外部并与天线处于同一平面内；所述射频电源与天线电连接。密封盖2可以采用真空法兰，密封管9可以采用波纹管。

清洗时，由抽真空装置通过排气口5将待清洗管道1抽至较低压强（10^-4~10^-2 Pa）后，工作气体（例如氩气和氧气混合气体）通过进气口4进入管道，通入的氩气使得管道的压强上升（10^-2~10 Pa）；放电系统则由射频电源14、匹配网络13、天线8和磁场线圈6组成，首先给磁场线圈6接通直流电源，获得合适的磁场(100-20000 G)，然后通过匹配网络13和射频接头11给天线8提供射频功率(100-2000 W)，激发气体，产生等离子体；当射频电源接通天线时，高频电流流经天线后，产生感生电场，由于电子在平行磁场方向可以自由移动，在垂直于磁场方向电子横越磁场较困难，垂直于磁场方向的电场得以建立，击穿并维持等离子体放电；

螺旋波由射频驱动天线激发，然后发射到等离子体中，在那里螺旋波具有横波模式结构并且沿着等离子体柱传播，电磁波的能量则通过碰撞或无碰撞阻尼被电子吸收，螺旋波激发的等离子体沿着磁力线7到达管道内壁，轰击管道内壁或者与内壁表面发生化学反应，以达到清洗管道内壁表面污染物的效果。可以使用不同比例的氧气/氩气/氢气混合气体，获得最佳的清洗效果。

对管道内壁有机物进行清洗的工艺参数为：氧气/氩气的气体流量比为20/2 sccm，工作气压为0.1 Pa，电源功率为700 W时，可达到清洗速率>2400 nm/min，均匀性<3%的清洗效果，远高于传统的等离子体装置的清洗速率（<600 nm/min）。这是由于与传统的射频等离子体的离化程度10^-4~10^-5相比，螺旋波等离子体的离化程度高达100%，提高4-5个数量级，而且螺旋波等离子体密度即使在工作气压0.133 Pa以下的范围仍可维持10¹¹~10¹³ cm^-3的量级，比其他传统的等离子密度（不超过10¹¹ cm^-3）高1-2个量级；由于低气压具有粒子的平均自由程大，电场可以辅助带电粒子沿着磁力线游向管道内壁，不致因受到太多的碰撞而产生散射效应，其清洗角度可以达到90°的垂直效果。

本发明利用等离子体速度快、能量密度大及气氛可控等特点，从真空室内部的天线产生等离子体柱沿着磁场方向到达管道内壁，使被照射的物质发生振动、熔化、蒸发、燃烧等一系列复杂的物理化学过程，最终脱离物品表面，从而实现对表面污染物的清除。由于天线能够伸入到管道内部进行清洗，若天线沿着管道移动，可以对管道实现全方位清洗。这样可对管道内壁实现快速，均匀，无死角和无污染的清洗。

Claims

1.一种用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置，其特征在于：包括真空系统、放电系统和传送系统，

所述真空系统包括设于待清洗管道(1)两端的密封盖(2)，以及抽真空装置；管道一端的密封盖上设有的排气口(5)，排气口与所述抽真空装置连接，管道另一端的密封盖上设有进气口(4)；

所述放电系统包括射频电源(14)、天线(8)和磁场线圈(6)；

所述传送系统包括密封管(9)和传送杆(10)；

2.根据权利要求1所述的用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置，其特征在于：所述抽真空装置为分子泵。

3.根据权利要求1所述的用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置，其特征在于：所述密封管(9)为波纹管。

4.根据权利要求1所述的用于清洗管道的螺旋波等离子体清洗装置，其特征在于：所述射频电源(14)通过匹配网路(13)与天线(8)电连接。