CN103945627A - 一种手持式大面积低温等离子体发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手持式大面积低温等离子体发生装置，包括设有气体入口和等离子体出口的绝缘外壳，在绝缘外壳内，气体入口和等离子体出口之间还设有气体缓冲腔，在气体缓冲腔与等离子体出口之间还设有介质阻挡放电单元；所述的介质阻挡放电单元包括与高压电极引线相连接的第二多孔圆盘电极和与地电极引线相连接的第一多孔圆盘电极，第一多孔圆盘电极、第二多孔圆盘电极上均设有多个孔，位于同一直线的对应孔中贯穿有阻挡介质导管，由阻挡介质导管构成等离子体射流阵列。其放电单元的放电均匀性很好，产生的活性粒子产物丰富；而且等离子体产生面积大，有利于产生高效率、均匀且富含活性成份的低温等离子体射流。

Description

一种手持式大面积低温等离子体发生装置

技术领域

本发明属于低温等离子体生物环境应用技术领域，涉及一种手持式大面积低温等离子体发生装置。

背景技术

近年来，低温等离子体及其应用技术的研究逐渐引起了学术界的关注，现已形成研究的热点。空气中如何产生大面积等离子体的技术和方法一直处于不断的发展完善之中，业已取得较大的进步。现有空气中等离子体放电技术，放电等离子体源有两类：一是低气压等离子体；二是大气压等离子体，如电晕放电，(类)辉光放电等。

随着低温等离子体技术的迅速发展，其在生物医学方面的应用优势亦非其他物理或者化学方法可比拟。国内外大量的实验研究已经表明，在介质阻挡放电等离子体中有非常丰富的活性粒子，如大量的O₃、OH自由基、处于激发态的N₂和N+2等；此外还有大量高能粒子，如电子，以及紫外线。这些活性粒子、高能粒子以及紫外线可以与应用对象表面的细菌发生复杂的理化反应，使得处理对象表面微生物的活性在短时间内(≤5min)大幅下降乃至全部杀灭。

目前制约低温等离子体应用的瓶颈问题是面积过小，无法大面积的处理物体，且不便于携带，安全性不高；同时由于等离子体面积过小，难以对等离子体进行诊断，难以针对不同的处理对象优化等离子体放电参数。

现有的几种典型非热平衡等离子体射流包括：(1)微波放电非热平衡等离子体射流。J Hnilica等描述了一种利用2.45GHz微波源放电产生等离子体装置。但该装置需要昂贵的微波源，因此该等离子体装置结构程序非常复杂、等离子体激发电源过于昂贵、等离子体面积很小，且产生的等离子体喷流温度也偏高，这些无不极大的限制微波放电非热平衡等离子体射流的应用范围。(2)脉冲直流非热平衡等离子体射流。近年来采用脉冲直流电源进行介质阻挡放电产生等离子体引起了越来越多学者的关注，形成了新的研究热潮。X PLu等描述了一种利用纳秒重频电源产生等离子体刷的方法。实验证明该装置在高压环境下易发生弧光放电，等离子体刷的宽度仅有约2cm左右。该装置结构略显复杂，产生的等离子体近似为一条直线，大面积处理物体时仍有诸多不便。(3)直流放电非热平衡等离子体射流。X L Deng等描述了一种利用直流激励源放电的等离子体装置。该等离子体发生装置采用中心电极结构，一个主要弊端是中心电极无法很好的固定，制作工艺复杂；且易损坏，不利于户外便携使用。

综上所述，现有装置都各自存在类似的不足。类似的缺陷也同样存在于最近的一些等离子体射流产生方法、装置和系统的专利发明中，例如美国专利号为5369336“Plasma Generating Device”Hideomi Koinuma et al.；中国西安电子科技大学李小平、刘东林，谢楷等所有，申请(专利)号为CN201210254991.7的“带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统”的输入功率有所提高，且能够产生较大等离子体；但需要真空装置和复杂的冷却系统。以上这些因素都大大的限制了现有等离子体射流技术及装置的广泛应用。

发明内容

本发明提供一种手持式大面积低温等离子体发生装置，以产生大面积、高效率、低温的等离子体，其结构简单，而且安全可靠。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种手持式大面积低温等离子体发生装置，包括设有气体入口和等离子体出口的绝缘外壳，在绝缘外壳内，气体入口和等离子体出口之间还设有气体缓冲腔，在气体缓冲腔与等离子体出口之间还设有介质阻挡放电单元；所述的介质阻挡放电单元包括与高压电极引线相连接的第二多孔圆盘电极和与地电极引线相连接的第一多孔圆盘电极，第一多孔圆盘电极、第二多孔圆盘电极上均设有多个孔，位于同一直线的对应孔中贯穿有阻挡介质导管，由阻挡介质导管构成等离子体射流阵列；阻挡介质导管的一端与气体缓冲腔相连通，另一端与等离子体出口外沿对齐或向内收缩；在绝缘外壳外还设有手持用手柄。

所述的第一多孔圆盘电极、第二多孔圆盘电极在绝缘外壳内平行设置，阻挡介质导管平行排列；

第一多孔圆盘电极、第二多孔圆盘电极分别与绝缘外壳无缝连接，并通过绝缘柱来固定，绝缘柱嵌入多孔圆盘电极边缘处设置的电极固定孔中，多孔圆盘电极之间的距离由绝缘柱确定。

所述的第一多孔圆盘电极、第二多孔圆盘电极的厚度均为1～2cm，其中设置的孔的直径为0.4～0.5cm，第一多孔圆盘电极距等离子体出口1～2cm设置。

所述的高压电极引线与地电极引线之间施加的电压幅值为2.5～6.0kV，介质阻挡放电单元产生的有效等离子体面积为30cm²～40cm²。

所述高压电极引线、地电极引线通过内置螺母固定，高压电极引线被植入绝缘外壳内与第二多孔圆盘电极紧密接触。

所述的高压电极引线设置在绝缘外壳内，经过高压AC-AC电源与工频市电相连接。

所述的绝缘外壳为包括聚四氟乙烯、玻璃钢板在内的具有阻燃性和电绝缘性的材料；

所述的多孔圆盘电极为由铜质圆盘多孔电极，阻挡介质导管为聚四氟乙烯管；两个多孔圆盘电极用绝缘棒固定封装。

所述的手持用手柄、高压电极引线分别设置在绝缘外壳的两侧；

所述的气体缓冲腔为球形空间，其内填充有用于弥散气体的材料，以使气体均匀进入各阻挡介质导管。

所述的气体入口设有气体控制装置，调节流入气体缓冲腔中的气体流量；

所述的等离子体出口处还套有不同形状的喷嘴，以匹配不同形状的应用对象。

所述的气体入口通入的气体为惰性气体、惰性气体与微量气体的混合气体或空气。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的手持式大面积低温等离子体发生装置，通过多孔圆盘电极、以及阻挡介质导管来构成介质阻挡放电单元，同时进行多个等离子体射流装置的阵列化，结构简单、构思精巧；其处理过程在常温常压下进行，不需要成本昂贵的真空设备；有效处理面积大，整个装置直接接工频220V市电；等离子体放电过程开始中心射流稍强，随着电压的升高等离子体射流逐渐均匀；提高气流速会增加射流的长度，有利于形成稳定的类辉光放电。

本发明提供的手持式大面积低温等离子体发生装置，其放电单元的放电均匀性很好，产生的活性粒子产物丰富；而且等离子体产生面积大，有利于产生高效率、均匀且富含活性成份的低温等离子体射流。

本发明提供的手持式大面积低温等离子体发生装置，电极置于绝缘圆柱形外壳内部，不仅安全而且可以避免发生弧光放电，在使用过程中有利于高压电极和人体之间的绝缘隔离，本发明适用于惰性气体或惰性气体与微量气体的混合气体以及空气；工作气体可以是氩气、氦气、氮气等单质气体或混有其他气体的混合气体，气态化合物或气态有机物等；不仅有利于增加等离子体射流中活性成份的种类和数量，同时也可以很好的避免发生漏气现象。

本发明提供的手持式大面积低温等离子体发生装置，结构简单易于大规模制作、好维护、使用方便、成本低、便携性好，克服了现有大面积等离子体发生装置工艺复杂不适合大规模生产的局限性；能有效解决现有大气压下DBD等离子体发生装置体积过大不易便携、电压高难隔离，特别是大面积阵列化DBD等离子体射流放电不均匀的问题。

本发明提供的手持式大面积低温等离子体发生装置，射流强度较大、放电均匀，同时喷射出来的等离子体属于非热力学平衡的低温等离子体，可根据不同的具体应用，配置不同的驱动电源和不同的工作气体，喷射出来的等离子体喷流温度可以改变，可以低于室温、接近室温或高于室温。喷射出来的等离子体含有的活性物质成份的种类及数量也可以根据具体应用进行选择，并可以实现常温常压下、空气中大面积的具体应用。因此可以很方便的在常温常压下对物品或各种异形物品进行刻蚀、镀膜、表面改性和杀菌消毒等处理，极大的拓宽了等离子体射流技术的应用范围，具有广阔的应用前景。

本发明提供的手持式大面积低温等离子体发生装置，可应用于对果蔬表面农药降解去除、促进动物伤口愈合等用途；属于干式消毒灭菌，对应用对象的腐蚀小，不需要化学制剂，处理程序简单。

附图说明

图1为本发明手持式大面积低温等离子体发生装置的结构示意图；其中，1为高压电极引线，2为地电极引线，3为气体缓冲腔，4为第一多孔圆盘电极，5为第二多孔圆盘电极，6为阻挡介质导管，7为气体入口，8为手持用手柄；

图2为本发明手持式大面积低温等离子体发生装置的接线示意图；

图3为本发明所涉及的铜质圆盘多孔电极示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1、图2、图3，一种手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，包括设有气体入口7和等离子体出口的绝缘外壳，在绝缘外壳内，气体入口7和等离子体出口之间还设有气体缓冲腔3，在气体缓冲腔3与等离子体出口之间还设有介质阻挡放电单元；所述的介质阻挡放电单元包括与高压电极引线1相连接的第二多孔圆盘电极5和与地电极引线2相连接的第一多孔圆盘电极4，第一多孔圆盘电极4、第二多孔圆盘电极5上均设有多个孔，位于同一直线的对应孔中贯穿有阻挡介质导管，由阻挡介质导管构成等离子体射流阵列；阻挡介质导管的一端与气体缓冲腔3相连通，另一端与等离子体出口外沿对齐或向内收缩；在绝缘外壳外还设有手持用手柄8。

绝缘外壳选用的介质材料应有一定的阻燃和良好的电绝缘性，如聚四氟乙烯，玻璃钢板等；本发明以聚四氟乙烯为例，但不仅限于以上绝缘介质材料；所述等离子体发生装置，配有手持用手柄，操作安全、便捷；

具体的，所述的第一多孔圆盘电极4、第二多孔圆盘电极5在绝缘外壳内平行设置，阻挡介质导管平行排列；

第一多孔圆盘电极4、第二多孔圆盘电极5分别与绝缘外壳无缝连接，以防止气体泄漏，同时有利于等离子体阵列内部各个管道气体均匀；并通过绝缘柱来固定，绝缘柱嵌入多孔圆盘电极边缘处设置的电极固定孔中，多孔圆盘电极之间的由绝缘柱确定。

所述的多孔圆盘电极为由铜质圆盘多孔电极，阻挡介质导管为聚四氟乙烯管；两个多孔圆盘电极用绝缘棒固定封装。

所述的绝缘柱为聚四氟乙烯制造，可头部稍尖嵌入铜盘电极边缘处电极固定孔，以便于调节两铜盘电极间距；

介质阻挡放电单元为由高压铜质圆盘多孔电极，地铜质圆盘多孔电极，中间通过多个聚四氟乙烯气流导管构成的夹心结构；两铜质圆盘多孔电极通过圆盘铜质电极边缘的聚四氟乙烯细柱来固定；多个介质阻挡放电单元由同一个高压交流电源驱动；

所述的第一多孔圆盘电极4、第二多孔圆盘电极5的厚度均为1～2cm，其中设置的孔的直径为0.4～0.5cm，第一多孔圆盘电极4距等离子体出口1～2cm设置。

所述的所述高压电极引线1与地电极引线2之间施加的电压幅值为2.5～6.0kV，介质阻挡放电单元产生的有效等离子体面积为30cm²～40cm²。所述的等离子体装置，其工作电源可以为交流电源、脉冲电源。

具体的，高压电极引线、地电极引线通过内置螺母固定，高压电极引线1被植入绝缘外壳内与第二多孔圆盘电极5紧密接触。

所述的高压电极引线1设置在绝缘外壳内，与外部处理区空间独立，经过高压AC-AC电源与工频市电相连接。在使用过程中有利于高压电极和人体之间的绝缘隔离。

所述的气体缓冲腔3为球形空间，其内填充有用于弥散气体的材料，以使气体均匀进入各阻挡介质导管，所述的气体入口7设有气体控制装置，调节流入气体缓冲腔中的气体流量，比如通过阀门可以很方便的调节流入气体缓冲腔中的气体流量；

所述的高压等离子体发生区及处理区相独立的空间，高压交流引线原理处理对象，远离手柄，高压交流电源与工频市电相连接；

所述的手持用手柄8、高压电极引线1分别设置在绝缘外壳的两侧，以远离高压电极。

所述的等离子体出口处还套有不同形状的喷嘴，以匹配不同形状的应用对象。所述的气体入口7通入的气体为惰性气体、惰性气体与微量气体的混合气体或空气。

具体的，放电单元的电路连接图如图2所示，图中的高压高频电源是用于产生低温等离子体的高压交流电源(HVAC)；根据实际处理对象的需要，HVAC提供正弦波外施电压，每一个放电单元在外施电压幅值为3kV产生等离子体，无噪声，放电均匀稳定。根据实际需求，可通过调节气流速度，调节电源电压大小和频率不同调节等离子体中的活性粒子成份。

本发明提供的手持式大面积低温等离子体发生装置，等离子体放电过程开始中心射流稍强，随着电压的升高等离子体射流逐渐均匀；提高气流速会增加射流的长度，有利于形成稳定的类辉光放电。

本发明能产生富含活性成份的等离子体射流，且能方便、安全、可靠地手持；常压下产生接近室温的等离子体圆盘状射流；可进行特殊材料的表面改性处理；尤其是对医疗器械进行三维消毒灭菌，无需化学制剂、物理添加剂，可用在大气压下大面积、高效率、便捷，安全地对水果表面农药降解去除、医疗器械消毒等。

以上所述，仅为本发明的实施案例，但本发明的保护不仅仅局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，尤其是采用铜质多空圆盘电极的放电阵列化介质阻挡放电结构，根据本发明的技术方案及发明构思加以移植或者改变，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，包括设有气体入口(7)和等离子体出口的绝缘外壳，在绝缘外壳内，气体入口(7)和等离子体出口之间还设有气体缓冲腔(3)，在气体缓冲腔(3)与等离子体出口之间还设有介质阻挡放电单元；所述的介质阻挡放电单元包括与高压电极引线(1)相连接的第二多孔圆盘电极(5)和与地电极引线(2)相连接的第一多孔圆盘电极(4)，第一多孔圆盘电极(4)、第二多孔圆盘电极(5)上均设有多个孔，位于同一直线的对应孔中贯穿有阻挡介质导管，由阻挡介质导管构成等离子体射流阵列；阻挡介质导管的一端与气体缓冲腔(3)相连通，另一端与等离子体装置的出口外沿对齐或向内收缩；在绝缘外壳外还设有手柄(8)。

2.如权利要求1所述的手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，所述的第一多孔圆盘电极(4)、第二多孔圆盘电极(5)在绝缘外壳内平行设置，阻挡介质导管平行排列；

第一多孔圆盘电极(4)、第二多孔圆盘电极(5)分别与绝缘外壳无缝连接，并通过绝缘柱来固定，绝缘柱嵌入多孔圆盘电极边缘处设置的电极固定孔中，多孔圆盘电极之间的距离由绝缘柱确定。

3.如权利要求1或2所述的手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，所述的第一多孔圆盘电极(4)、第二多孔圆盘电极(5)的厚度均为1～2cm，其中设置的孔的直径为0.4～0.5cm，第一多孔圆盘电极(4)距等离子体出口1～2cm设置。

4.如权利要求1所述的手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，所述高压电极引线(1)与地电极引线(2)之间施加的电压幅值为2.5～6.0kV，介质阻挡放电单元产生的有效等离子体面积为30cm²～40cm²。

5.如权利要求1所述的手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，高压电极引线、地电极引线通过内置螺母固定，高压电极引线(1)被植入绝缘外壳内与第二多孔圆盘电极(5)紧密接触。

6.如权利要求1所述的手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，所述的高压电极引线(1)设置在绝缘外壳内，经过高压AC-AC电源与工频市电相连接。

7.如权利要求1所述的手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，所述的绝缘外壳为包括聚四氟乙烯、玻璃钢板在内的具有阻燃性和电绝缘性的材料；

所述的多孔圆盘电极为铜质圆盘多孔电极，阻挡介质导管为聚四氟乙烯管；两个多孔圆盘电极用绝缘棒固定封装。

8.如权利要求1所述的手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，所述的手持用手柄(8)、高压电极引线(1)分别设置在绝缘外壳的两侧；

所述的气体缓冲腔(3)为球形空间，其内填充有用于弥散气体的材料，以使气体均匀进入各阻挡介质导管。

9.如权利要求1所述的手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，所述的气体入口(7)设有气体控制装置，调节流入气体缓冲腔中的气体流量；

所述的等离子体出口处还套有不同形状的喷嘴，以匹配不同形状的应用对象。

10.如权利要求1所述的手持式大面积低温等离子体发生装置，其特征在于，所述的气体入口(7)通入的气体为惰性气体、惰性气体与微量气体的混合气体或空气。