CN103533733A - 大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，包括具有进气端口和出气端口的主体腔室、一对主放电电极和一对介质阻挡放电平板电极，主体腔室由绝缘材料制成；所述出气端口为窄缝状，主体腔室内靠近该出气端口的部分形成窄缝腔体，出气端口的宽度与厚度之比为5～100；所述主放电电极的放电端位于所述窄缝腔体处；所述平板电极位于进气端口与主放电电极之间，用来预电离工作气体；在窄缝腔体外侧，设置有永久磁铁，使得放电产生的电子和离子的行径发生改变。本发明巧妙地利用电磁感应原理，简便有效地实现了降低工作能耗和运行成本的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温等离子体电刷发生装置。
背景技术
中国专利ZL201210006023.4《介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置》中公开的介质阻挡放电增强型低温等离子体电刷发生装置，由一个主体腔室，一对主放电电极，一对介质阻挡放电（DBD）平板电极，一个限流电阻，一个质量流量计和两个电源设备组成。主体腔室包括两个端口，一个端口为进气端口，另一个端口为出气端口，主体腔室内靠近该出气端口的部分自然形成窄缝腔体。在窄缝腔体处，布置着主放电的两个电极，电极相互正对的放电端面为平面或针尖状。主放电电极的回路上还串联有限流电阻。在进气端口与主放电电极的位置之间还设置有用以对工作气体进行预电离的一对DBD平板电极，两平板电极金属表面紧贴窄缝腔体外壁上。主体腔室是由如聚四氟乙烯一类的聚合物或绝缘陶瓷材料制成；电极为耐热的金属材料。为主放电电极提供放电电压的电源既可以采用直流也可以采用交流；为平板电极提供放电电压的电源采用交流电源。质量流量计用来控制流经腔室的等离子体气流。电路中串联的限流电阻可以抑制阴极区域的电场波动，限制两极之间放电电流的大小，防止辉光放电转变成电弧放电，从而使得在气体腔室中可以产生稳定的辉光放电。
工作时，让工作气体（等离子体维持气体和/或活性气体）从进气端口流入腔室，当流经两平板电极所对应的区域时，在两电极上外加一定的交流电压，电压幅值控制在工作气体击穿阈值附近，确保DBD功率不大于1W。经DBD预处理的部分预电离气体在穿越腔室之前，在靠近出气端口主放电所对应的两个电极上外加一定的电压来再次激发预电离的工作气体，使其放电产生刷状的等离子体射流，从出气端口喷出，形成大气压低温等离子体电刷。
尽管与传统的等离子体发生装置相比，该装置优势明显，其结构简明、无需昂贵的真空系统就可以在常压下产生低温等离子体射流，等离子体射流放电更稳定，一定程度上也减少了工作能耗。
然而，进一步从节能减排和维持成本来考虑，该装置仍然不甚理想。由于在放电回路中设置了限流电阻，仍然有较多的能量消耗在电阻上而被浪费；其次，为了产生较大体积的等离子体射流，需要更高的气体流量，因而增加了运行成本。
发明内容
本发明提供一种大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，对背景技术中的技术方案进行改进，更大程度地降低工作能耗和运行成本。
为实现以上发明目的，本发明提供如下技术方案：
大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，包括具有进气端口和出气端口的主体腔室、一对主放电电极和一对介质阻挡放电平板电极，主体腔室由绝缘材料制成；所述出气端口为窄缝状，主体腔室内靠近该出气端口的部分形成窄缝腔体，出气端口的宽度与厚度之比为5～100；所述主放电电极的放电端位于所述窄缝腔体处；所述平板电极位于进气端口与主放电电极之间，用来预电离工作气体；其特征在于：在窄缝腔体外侧，设置有永久磁铁，使得放电产生的电子和离子的行径发生改变。
基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和改进：
上述的永久磁铁为一对，对称设置于窄缝腔体外侧，磁场B方向与主放电区域的电流J垂直。
上述窄缝腔体的结构形式可以是：主体腔室内自进气端口至出气端口逐渐收缩或趋于扁平；或者主体腔室内整体即为窄缝腔体，效果更佳。
若优选上述所述主体腔室内整体为长方体的窄缝腔体，平板电极的金属表面沿长方体宽边平行紧贴窄缝腔体外壁上，窄缝腔体的腔壁作为平板电极介质阻挡放电的绝缘介质层；平板电极与主放电电极沿工作气体流速方向的间距不小于1mm。
磁场B可以全面覆盖介质阻挡放电以及主放电区域，磁场B方向与主放电区域的电流J（主放电电场E）垂直，与介质阻挡放电电场平行，且J×B沿气体流动方向。
上述永久磁铁与窄缝腔体外壁的距离不大于10mm为宜。磁场B为500～20000高斯为宜。
上述主放电电极的回路上最好再串联限流电阻。
为平板电极提供放电电压的电源采用交流电源，交流电源的频率从工频至13.56MHz的射频范围内可调；电源模式为连续或脉冲形式；其中，平板电极的放电电流有效值不大于10mA。（放电电压幅值根据因放电电压与窄缝宽度、工作气体类别、两边的腔壁厚度确定，一般在100～9000伏）
上述平板电极介质阻挡放电功率不大于1W时，工作气体流速为1～100L/min；以1～30L/min更佳。
上述主体腔室（的腔壁）可以由聚四氟乙烯、绝缘陶瓷或两者的混合材料制成。
上述主放电电极和平板电极最好采用由铜、铝、钨、镍、钽、铂或其合金制成的电极，两个主放电电极相互正对的放电端面为平面或针尖状。
本发明巧妙地利用电磁感应原理，简便有效地实现了降低工作能耗和运行成本的目的。具体有以下显著效果：
（1）在相同工作电流情况下，工作电压更低，等离子体放电功率更小。
（2）在相同工作电流情况下，能产生更大尺寸、均匀性更好的等离子体，活性物种也更丰富。
（3）能够在更低工作电流条件下，获得更大尺寸的等离子体射流，消耗在限流电阻上的焦耳热也更少，可以延长主放电电极和限流电阻的使用寿命。
附图说明
图1为本发明未配置永久磁铁时（背景技术）主体腔室结构示意图。
图2（a）和图2（b）为本发明装置的结构示意图。
图3为本发明装置的工作示意图。
图4(a)为本发明未配置永久磁铁时（背景技术）的等离子体射流，图4(b)为本发明装置的等离子体射流。
具体实施方式
本领域技术人员考虑对等离子体发生装置降低工作能耗和运行成本，通常是通过调节外加直流电压减少放电电流或调节流量控制器减少工作气体流量来实现。然而，放电电流或气体流量的减少会缩小等离子体射流的体积，降低等离子体发生装置的工作效率，甚至不能产生稳定的等离子体射流，使其无法正常工作。
本发明经过大量理论分析和实验研究，巧妙地利用电磁感应原理，取得了显著的效果。具体的工作原理是：工作气体（等离子体维持气体和/或活性气体）首先经介质阻挡放电进行预电离。部分预电离的工作气体再流经主放电区域进行放电，使得主放电区域存在大量的电荷（电子和正负离子）。电荷（主要是电子）在磁场的影响下受到洛伦兹力的作用，其路径由未加磁场时的直线变成曲线，增加了电子在放电空间的行程和寿命，以及电离度，使得电子能够与更多的气体分子再次碰撞电离或激发产生更多的电子和活性物种，而增加等离子体的化学活性；电子的行径由直线变成曲线后，放电空间不再局限于两电极连线的直线上，而是扩展到更大的空间，使得放电更加均匀；因电流的整体方向是由阳极指向阴极，故而洛伦兹力的方向与气流方向一致，能够加速电荷沿气流方向移动，形成更大体积的等离子体射流；电离度的增加使得在相同的工作电流情况下，工作电压更低，放电功率更小；电离度的增加和放电空间的增大使得等离子体装置在较小的工作电流和工作气体流量条件下，能够获得较大体积的等离子体射流，同时减少限流电阻上的焦耳热和运行成本。
如图1、图2所示，相对于背景技术（ZL201210006023.4的方案），本发明结构上的改进主要体现如下。
在窄缝腔体较宽外表面的两侧设置另一对互相平行正对的永久磁铁。永久磁铁通常为长方体，磁场覆盖主放电和介质阻挡放电区域，其方向与主放电电场E或电流J垂直，且与介质阻挡放电电场平行，J×B沿气体流动方向；永久磁铁与窄缝腔体外壁的距离不大于10mm，磁场为500～20000高斯。
工作时，让工作气体（等离子体维持气体和/或活性气体）从进气端口流入腔室，当流经两平板电极所对应的区域时，在两电极上外加一定的交流电压，电压幅值控制在工作气体击穿阈值附近，使DBD功率不大于1W。经DBD预电离的气体在穿越腔室之前，在靠近出气端口主放电电极外加一定的电压来再次激发预电离的工作气体，形成含有大量电子和正负离子的等离子体气流。外加磁场之后，这些等离子体在气流牵引力和磁场洛伦兹力的共同作用下从出气端口喷出，形成更大体积的刷状等离子体射流。该射流具有非平衡态等离子体的活性特征，可以用来进行等离子体表面处理和清洗、等离子体沉积、等离子体杀菌以及等离子体净化。
下面进一步详述本发明的结构和工作过程。
大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置包括主体腔室12，主体腔室12有两个端口，一个端口14和另一个端口16。等离子体维持气体和活性气体从端口14流入腔室，流经主体腔室12内部的窄缝腔体（在本实施例中主体腔室12内整体为窄缝腔体）。
等离子体电刷发生装置还包括两个电极，一个电极20和另一个电极22。电极20和电极22均在主体腔室12的内部，相互正对着，并靠近端口16。
在端口14与电极20或22之间，等离子体电刷发生装置还包括两个平行板电极17和18，电极17和电极18分别位于腔体外侧两边。
在窄缝腔体较宽外表面的两侧，等离子体电刷发生装置还包括一对互相平行，且正对的永久磁铁42和永久磁铁44。
等离子体维持气体和活性气体持续地从端口14流入主体腔室12，首先流经电极17和电极18所对应的放电区域，在不大于1W的功率下部分工作气体发生预电离，预电离的后的气体再流经电极20和电极22所对应的放电区域，当电极20和22两端电压足够高时，气体将被再次击穿，在腔室内部形成含有大量电子和正负离子的等离子体气流。永久磁铁42和永久磁铁44的磁力线穿过电极20和电极22所对应的放电区域，等离子体在气流牵引力和磁场洛伦兹力的共同作用下从端口16喷出，形成刷状的等离子体射流24。
上述主体腔室12，端口14和16，主放电电极20和22，平行板电极17和18，以及永久磁铁42和44组建成大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置主体结构10。
图3为本发明的大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置26的工作示意图。等离子体电刷发生装置26除了含有一个主体结构10以外，还包括限流电阻28和电源设备30和电源设备40。电源设备30为靠近端口16处的电极20和电极22提供放电电压，形成主放电回路；电源设备40为电极17和电极18提供放电电压，形成介质阻挡放电回路。
工作时，一定流量的等离子体维持气体和活性气体首先流经电极17和电极18所对应的放电区域发生预电离，预电离后的气体再流经电极20和电极22所对应的放电区域，当加在电极20和22两端的电压足够高时，流经两电极之间区域的气体就被再次击穿，发生放电现象，形成含有大量电子和正负离子的等离子体气流。等离子体在气流牵引力和永久磁铁42和44磁场洛伦兹力的共同作用下从端口16喷出，形成刷状的等离子体射流24。将等离子体电刷发生装置26产生的等离子体射流24触及到被处理物体36的表面，并与其适当地接触和来回移动，就可以对物体36的整个表面或预处理表面进行处理。
通过实验，验证了本发明装置能够显著地增大等离子体尺寸，并降低能耗。以下举例说明。
在大气环境下采用本发明装置进行实验，该装置主放电电极端面的间距为15mm，主放电电极直径均为0.9mm；外加正弦交流电压使腔体内部的气体发生预电离，电压幅值1.76KV，频率9.0KHz，介质阻挡放电功率约12mW；主放电电流10mA，放电电压274V，限流电阻100KΩ。图4展示了有无磁场辅助情况下的等离子体射流，其中图4(a)为未加磁场的情形，而图4(b)为加磁场的情形。从图4(a)可以看出，在未加磁场时，等离子体射流只能在出气端口16局部形成，且分布不均匀，也不稳定。当加上磁场后，如图4(b)所示，在出气端口16的上方形成均匀稳定的等离子体射流。比较图4(a)和图4(b)，可以发现等离子体射流在磁场的辅助下，其体积增大的同时，等离子体的均匀性和稳定性都得到了明显的改善。在未加磁场的情况下，若想得到相同体积的等离子体射流，并保持气体的流量不变，主放电电流需增大到27mA。磁场的引入使得等离子体放电功率从7.4W减少到2.7W，限流电阻上的焦耳热从73W减少到10W，总的能量消耗由80.4W降低到12.7W。由此可见，本发明装置在很大程度上降低了能耗。
Claims (10)
1.大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，包括具有进气端口和出气端口的主体腔室、一对主放电电极和一对介质阻挡放电平板电极，主体腔室由绝缘材料制成；所述出气端口为窄缝状，主体腔室内靠近该出气端口的部分形成窄缝腔体，出气端口的宽度与厚度之比为5～100；所述主放电电极的放电端位于所述窄缝腔体处；所述平板电极位于进气端口与主放电电极之间，用来预电离工作气体；其特征在于：在窄缝腔体外侧，设置有永久磁铁，使得放电产生的电子和离子的行径发生改变。
2.根据权利要求1所述的大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：在窄缝腔体外侧，对称设置有一对永久磁铁，磁场B方向与主放电区域的电流J垂直。
3.根据权利要求2所述的大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：主体腔室内自进气端口至出气端口逐渐收缩或趋于扁平，或者主体腔室内整体即为窄缝腔体。
4.根据权利要求3所述的大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：所述主体腔室内整体为长方体的窄缝腔体，平板电极的金属表面沿长方体宽边平行紧贴窄缝腔体外壁上，窄缝腔体的腔壁作为平板电极介质阻挡放电的绝缘介质层；平板电极与主放电电极沿工作气体流速方向的间距不小于1mm。
5.根据权利要求1至4任一所述的大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：磁场B覆盖介质阻挡放电以及主放电区域，磁场B方向与主放电区域的电流J（主放电电场E）垂直，与介质阻挡放电电场平行，且J×B沿气体流动方向；永久磁铁与窄缝腔体外壁的距离不大于10mm；磁场B为500～20000高斯。
6.根据权利要求5所述的大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：主放电电极的回路上还串联有限流电阻。
7.根据权利要求6所述的大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：为平板电极提供放电电压的电源采用交流电源，交流电源的频率从工频至13.56MHz的射频范围内可调；电源模式为连续或脉冲形式；其中，平板电极的放电电流有效值不大于10mA。
8.根据权利要求7所述的大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：平板电极介质阻挡放电功率不大于1W，工作气体流速为1～100L/min。
9.根据权利要求8所述的大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：所述主体腔室由聚四氟乙烯、绝缘陶瓷或两者的混合材料制成。
10.根据权利要求9所述的大气压磁场增强型低温等离子体电刷发生装置，其特征在于：所述主放电电极和平板电极均为铜、铝、钨、镍、钽、铂或其合金制成的电极，两个主放电电极相互正对的放电端面为平面或针尖状。
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