CN104602431A - 一种稳定层流等离子体射流的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稳定层流等离子体射流的方法，涉及等离子体射流技术领域。本发明的等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通，然后进入到等离子体源的气流通道内，最后进入电弧通道内。本发明的方法简单，可以合理有效的利用阳极冷却过程中释放的热量，加热工作气体，减小电弧通道内外工作气体压力，稳定等离子体射流，同时可以实现等离子体源的自冷却，提高阳极体能量利用率，避免能量浪费，提高层流等离子体发生器热效率。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体射流技术领域，更确切地说是一种稳定层流等离子体射流的方法。
背景技术
等离子体发生器内部，气流通道中气体温度与电弧通道内气体温度相差很大，在一定空间体积内两个通道中气体压力不同，电弧通道内气体对气流通道内气体产生一个反向推力，由于层流等离子体射流的工作气体流量一般很小，大概只有1-30slpm，这个反向推力会造成气流通道内气流的短暂阻塞，之后由于反向推力减小直至消失，阻塞消除。在层流等离子体发生器工作时，这个反向推力会周期性的产生和消失，这就造成层流等离子体射流不稳定。
另外在常规等离子体源中的气流通道对外连接流量计和减压阀，对内连接电弧通道，等离子体源工作时，电弧通道中工作气体温度升高，进而气压升高，对气流通道中的气体产生一个反向作用力，引起气流通道中的气压波动，且二者压力相差越大，波动越明显，这也造成等离子体源射流不稳定性。
国家知识产权局于2012年07月04日，公开了一种公开号为CN102534569A，名称为“一种常压辉光等离子体增强原子层沉积装置”的发明专利，该发明专利包括主腔室，所述主腔室内设有前驱体源进气管道口、等离子发生器上电极和等离子发生器下电极，所述等离子发生器下电极下方设有加热器，所述等离子发生器上电极和等离子发生器下电极之间形成气流通道，所述前驱体源进气管道口的出口正对气流通道，其进口与源进气加热管道连接，所述源进气加热管道与载气钢瓶连接，所述源进气加热管道上连接有前驱体源瓶；所述等离子发生器上电极和等离子发生器下电极与射频电源连接，所述等离子发生器上电极上设有多个将等离子体放电气体引入的通气孔，所述通气孔均与等离子体放电气体瓶连接；所述加热器、射频电源均连接到PLC上，所述PLC与计算机连接。
上述现有技术为了解决电弧通道内工作气体对气流通道内气体的反作用力，对进入气流通道的工作气体进行加热，但是这种方法，从一定程度上增大了等离子体源的体积，加大了等离子体源的控制难度，没有合理利用能量资源，造成一定的资源浪费。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明提供了一种稳定层流等离子体射流的方法，本发明的方法简单，可以合理有效的利用阳极冷却过程中释放的热量，加热工作气体，减小电弧通道内外工作气体压力，稳定等离子体射流，同时可以实现等离子体源的自冷却，提高阳极体能量利用率，避免能量浪费，提高层流等离子体发生器热效率。
为解决上述现有技术中的不足，本发明是通过下述技术方案是实现的：
一种稳定层流等离子体射流的方法，其特征在于：包括如下步骤：
冷却步骤：等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通时，工作气体对阳极本体进行冷却，同时阳极本体上多余的能量传导多工作气体上，对工作气体进行升温；然后工作气体从阳极本体中输出至
气流运输步骤：工作气体在外壳与阳极本体之间的气流通道内流通，在气流通道内工作气体的保持温度或持续升温；然后输送至
等离子体射流步骤：工作气体从气流通道内流通到电弧通道内，在电弧通道内将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从电弧通道射出形成等离子体射流。
所述工作气体在阳极本体内部流通具体是指：所述阳极本体内部设置有冷却通道；所述阳极本体上设置有进气口和出气口；所述进气口和出气口分别与冷却通道连通；所述冷却通道上设置有冷却结构，工作气体从进气口进入到阳极本体内部，从出气口输送至气流通道内。
所述冷却结构为设置在阳极本体内部的空腔；所述空腔分别与进气口和出气口连通。
所述冷却结构是由所述冷却通道环状分布在阳极本体内部形成的冷却结构。
所述冷却结构是由所述冷却通道螺旋状分布在阳极本体内部形成的冷却结构。
冷却结构是由所述冷却通道呈竖直螺旋状分布在阳极本体内部形成的冷却结构。
冷却结构是由所述冷却通道呈水平螺旋状分布在阳极本体内部形成的冷却结构。
所述冷却通道上至少设置有一层冷却结构。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益技术效果表现在：
1、等离子体源工作时工作气体由进气口进入阳极本体内部，气体在内气流通道中带走阳极本体能量，最后由出气口进入等离子体源的气流通道内，最后进入电弧通道内；工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
2、为了进一步提高冷却效果，阳极本体内部可以设置多层内气流通道，增大工作气体与阳极本体的接触面积，从而进一步提高了冷却阳极和吸收阳极本体上额外能量的效果。
3、阳极本体内部的内气流通道呈螺旋状分布或环状分布，都是为了增大工作气体与阳极本体的接触面积，而进一步提高了冷却阳极和吸收阳极本体上额外能量的效果。
附图说明
图1为多环状内气流通道阳极的结构示意图；
图2为螺旋状内气流通道阳极的结构示意图；
图3为等离子体源整体结构示意图；
附图标记：1、阳极本体，2、冷却通道，21、冷却结构，3、进气口，4、出气口，5、电弧通道，6、气流通道，7、阴极体。
具体实施方式
实施例1
作为本发明一较佳实施例，本实施例公开了一种稳定层流等离子体射流的方法，本实施例包括如下步骤：
冷却步骤：等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通时，工作气体对阳极本体进行冷却，同时阳极本体上多余的能量传导多工作气体上，对工作气体进行升温；然后工作气体从阳极本体中输出至
气流运输步骤：工作气体在外壳与阳极本体之间的气流通道内流通，在气流通道内工作气体的保持温度或持续升温；然后输送至
等离子体射流步骤：工作气体从气流通道内流通到电弧通道内，在电弧通道内将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从电弧通道射出形成等离子体射流。工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，使得工作气体温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
实施例2
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种稳定层流等离子体射流的方法，本实施例包括如下步骤：
冷却步骤：等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通时，工作气体对阳极本体进行冷却，同时阳极本体上多余的能量传导多工作气体上，对工作气体进行升温；然后工作气体从阳极本体中输出至
气流运输步骤：工作气体在外壳与阳极本体之间的气流通道内流通，在气流通道内工作气体的保持温度或持续升温；然后输送至
等离子体射流步骤：工作气体从气流通道内流通到电弧通道内，在电弧通道内将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从电弧通道射出形成等离子体射流。工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，使得工作气体温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
所述工作气体在阳极本体内部流通具体是指：所述阳极本体1内部设置有冷却通道2；所述阳极本体1上设置有进气口3和出气口4；所述进气口3和出气口4分别与冷却通道2连通；所述冷却通道2上设置有冷却结构21。
等离子体源工作时工作气体由进气口进入阳极本体内部，气体在内气流通道中带走阳极本体能量，最后由出气口进入等离子体源的气流通道内，最后进入电弧通道内；工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
实施例3
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种稳定层流等离子体射流的方法，本实施例包括如下步骤：
冷却步骤：等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通时，工作气体对阳极本体进行冷却，同时阳极本体上多余的能量传导多工作气体上，对工作气体进行升温；然后工作气体从阳极本体中输出至
气流运输步骤：工作气体在外壳与阳极本体之间的气流通道内流通，在气流通道内工作气体的保持温度或持续升温；然后输送至
等离子体射流步骤：工作气体从气流通道内流通到电弧通道内，在电弧通道内将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从电弧通道射出形成等离子体射流。工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，使得工作气体温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
所述工作气体在阳极本体内部流通具体是指：所述阳极本体1内部设置有冷却通道2；所述阳极本体1上设置有进气口3和出气口4；所述进气口3和出气口4分别与冷却通道2连通；所述冷却通道2上设置有冷却结构21。所述冷却结构21为设置在阳极本体1内部的空腔；所述空腔分别与进气口3和出气口4连通。
等离子体源工作时工作气体由进气口进入阳极本体内部，气体在内气流通道中带走阳极本体能量，最后由出气口进入等离子体源的气流通道内，最后进入电弧通道内；工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
实施例4
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种稳定层流等离子体射流的方法，本实施例包括如下步骤：
冷却步骤：等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通时，工作气体对阳极本体进行冷却，同时阳极本体上多余的能量传导多工作气体上，对工作气体进行升温；然后工作气体从阳极本体中输出至
气流运输步骤：工作气体在外壳与阳极本体之间的气流通道内流通，在气流通道内工作气体的保持温度或持续升温；然后输送至
等离子体射流步骤：工作气体从气流通道内流通到电弧通道内，在电弧通道内将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从电弧通道射出形成等离子体射流。工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，使得工作气体温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
所述工作气体在阳极本体内部流通具体是指：所述阳极本体1内部设置有冷却通道2；所述阳极本体1上设置有进气口3和出气口4；所述进气口3和出气口4分别与冷却通道2连通；所述冷却通道2上设置有冷却结构21。所述冷却结构21是由所述冷却通道2环状分布在阳极本体1内部形成的冷却结构21。
等离子体源工作时工作气体由进气口进入阳极本体内部，气体在内气流通道中带走阳极本体能量，最后由出气口进入等离子体源的气流通道内，最后进入电弧通道内；工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
实施例5
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种稳定层流等离子体射流的方法，本实施例包括如下步骤：
冷却步骤：等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通时，工作气体对阳极本体进行冷却，同时阳极本体上多余的能量传导多工作气体上，对工作气体进行升温；然后工作气体从阳极本体中输出至
气流运输步骤：工作气体在外壳与阳极本体之间的气流通道内流通，在气流通道内工作气体的保持温度或持续升温；然后输送至
等离子体射流步骤：工作气体从气流通道内流通到电弧通道内，在电弧通道内将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从电弧通道射出形成等离子体射流。工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，使得工作气体温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
所述工作气体在阳极本体内部流通具体是指：所述阳极本体1内部设置有冷却通道2；所述阳极本体1上设置有进气口3和出气口4；所述进气口3和出气口4分别与冷却通道2连通；所述冷却通道2上设置有冷却结构21。所述冷却结构21是由所述冷却通道2螺旋状分布在阳极本体1内部形成的冷却结构21。
等离子体源工作时工作气体由进气口进入阳极本体内部，气体在内气流通道中带走阳极本体能量，最后由出气口进入等离子体源的气流通道内，最后进入电弧通道内；工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
为了进一步提高冷却效果，阳极本体内部可以设置多层冷却通道，增大工作气体与阳极本体的接触面积，从而进一步提高了冷却阳极和吸收阳极本体上额外能量的效果。阳极本体内部的冷却通道呈环状或螺旋状分布，都是为了增大工作气体与阳极本体的接触面积，而进一步提高了冷却阳极和吸收阳极本体上额外能量的效果。
实施例6
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种稳定层流等离子体射流的方法，本实施例包括如下步骤：
冷却步骤：等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通时，工作气体对阳极本体进行冷却，同时阳极本体上多余的能量传导多工作气体上，对工作气体进行升温；然后工作气体从阳极本体中输出至
气流运输步骤：工作气体在外壳与阳极本体之间的气流通道内流通，在气流通道内工作气体的保持温度或持续升温；然后输送至
等离子体射流步骤：工作气体从气流通道内流通到电弧通道内，在电弧通道内将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从电弧通道射出形成等离子体射流。工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，使得工作气体温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
所述工作气体在阳极本体内部流通具体是指：所述阳极本体1内部设置有冷却通道2；所述阳极本体1上设置有进气口3和出气口4；所述进气口3和出气口4分别与冷却通道2连通；所述冷却通道2上设置有冷却结构21。冷却结构21是由所述冷却通道2呈竖直螺旋状分布在阳极本体1内部形成的冷却结构21。
等离子体源工作时工作气体由进气口进入阳极本体内部，气体在内气流通道中带走阳极本体能量，最后由出气口进入等离子体源的气流通道内，最后进入电弧通道内；工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
为了进一步提高冷却效果，阳极本体内部可以设置多层冷却通道，增大工作气体与阳极本体的接触面积，从而进一步提高了冷却阳极和吸收阳极本体上额外能量的效果。阳极本体内部的冷却通道呈环状或螺旋状分布，都是为了增大工作气体与阳极本体的接触面积，而进一步提高了冷却阳极和吸收阳极本体上额外能量的效果。
实施例7
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种稳定层流等离子体射流的方法，本实施例包括如下步骤：
冷却步骤：等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通时，工作气体对阳极本体进行冷却，同时阳极本体上多余的能量传导多工作气体上，对工作气体进行升温；然后工作气体从阳极本体中输出至
气流运输步骤：工作气体在外壳与阳极本体之间的气流通道内流通，在气流通道内工作气体的保持温度或持续升温；然后输送至
等离子体射流步骤：工作气体从气流通道内流通到电弧通道内，在电弧通道内将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从电弧通道射出形成等离子体射流。工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，使得工作气体温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
所述工作气体在阳极本体内部流通具体是指：所述阳极本体1内部设置有冷却通道2；所述阳极本体1上设置有进气口3和出气口4；所述进气口3和出气口4分别与冷却通道2连通；所述冷却通道2上设置有冷却结构21。冷却结构21是由所述冷却通道2呈水平螺旋状分布在阳极本体1内部形成的冷却结构21。
等离子体源工作时工作气体由进气口进入阳极本体内部，气体在内气流通道中带走阳极本体能量，最后由出气口进入等离子体源的气流通道内，最后进入电弧通道内；工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
所述阳极本体1内部设置有两层冷却通道2；其中一层冷却通道呈环状分布在阳极本体内部，且相邻两个环状冷却通道连通；另一层冷却通道呈螺旋状分布在阳极本体内部。为了进一步提高冷却效果，阳极本体内部可以设置多层冷却通道，增大工作气体与阳极本体的接触面积，从而进一步提高了冷却阳极和吸收阳极本体上额外能量的效果。阳极本体内部的冷却通道呈环状或螺旋状分布，都是为了增大工作气体与阳极本体的接触面积，而进一步提高了冷却阳极和吸收阳极本体上额外能量的效果。
实施例8
作为本发明又一较佳实施例，本实施例公开了一种稳定层流等离子体射流的方法，本实施例包括如下步骤：
冷却步骤：等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通时，工作气体对阳极本体进行冷却，同时阳极本体上多余的能量传导多工作气体上，对工作气体进行升温；然后工作气体从阳极本体中输出至
气流运输步骤：工作气体在外壳与阳极本体之间的气流通道内流通，在气流通道内工作气体的保持温度或持续升温；然后输送至
等离子体射流步骤：工作气体从气流通道内流通到电弧通道内，在电弧通道内将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从电弧通道射出形成等离子体射流。工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，使得工作气体温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
所述工作气体在阳极本体内部流通具体是指：所述阳极本体1内部设置有冷却通道2；所述阳极本体1上设置有进气口3和出气口4；所述进气口3和出气口4分别与冷却通道2连通；所述冷却通道2上设置有冷却结构21。
等离子体源工作时工作气体由进气口进入阳极本体内部，气体在内气流通道中带走阳极本体能量，最后由出气口进入等离子体源的气流通道内，最后进入电弧通道内；工作气体在经过阳极本体内部的内气流通道时，吸收阳极本体释放的能量，温度升高，气压增加，使得电弧通道内外气体压力差减小，气流波动减小，能够稳定等离子体射流；同时阳极本体上额外的能量部分被用于气体电离，提高了等离子体源的热效率。
所述冷却通道2上设置两层冷却结构21。其中一层冷却结构21是由冷却通道2呈环状分布在阳极本体1内部形成的冷却结构21，且相邻两个环状冷却通道连通；另一层冷却结构21是由冷却通道2呈竖直螺旋状分布在阳极本体1内部形成的冷却结构21。为了进一步提高冷却效果，阳极本体内部可以设置多层冷却通道，增大工作气体与阳极本体的接触面积，从而进一步提高了冷却阳极和吸收阳极本体上额外能量的效果。阳极本体内部的冷却通道呈环状或螺旋状分布，都是为了增大工作气体与阳极本体的接触面积，而进一步提高了冷却阳极和吸收阳极本体上额外能量的效果。
Claims (8)
1.一种稳定层流等离子体射流的方法，其特征在于：包括如下步骤：
冷却步骤：等离子体源工作时，工作气体先进入阳极本体内部，工作气体在阳极本体内部流通时，工作气体对阳极本体进行冷却，同时阳极本体上多余的能量传导多工作气体上，对工作气体进行升温；然后工作气体从阳极本体中输出至
气流运输步骤：工作气体在外壳与阳极本体之间的气流通道内流通，在气流通道内工作气体的保持温度或持续升温；然后输送至
等离子体射流步骤：工作气体从气流通道内流通到电弧通道内，在电弧通道内将工作气体加热并使其电离成等离子体，然后从电弧通道射出形成等离子体射流。
2.如权利要求1所述的一种稳定层流等离子体射流的方法，其特征在于：所述工作气体在阳极本体内部流通具体是指：所述阳极本体内部设置有冷却通道；所述阳极本体上设置有进气口和出气口；所述进气口和出气口分别与冷却通道连通；所述冷却通道上设置有冷却结构，工作气体从进气口进入到阳极本体内部，从出气口输送至气流通道内。
3.如权利要求2所述的一种稳定层流等离子体射流的方法，其特征在于：所述冷却结构为设置在阳极本体内部的空腔；所述空腔分别与进气口和出气口连通。
4.如权利要求2所述的一种稳定层流等离子体射流的方法，其特征在于：所述冷却结构是由所述冷却通道环状分布在阳极本体内部形成的冷却结构。
5.如权利要求2所述的一种稳定层流等离子体射流的方法，其特征在于：所述冷却结构是由所述冷却通道螺旋状分布在阳极本体内部形成的冷却结构。
6.如权利要求2或5所述的一种稳定层流等离子体射流的方法，其特征在于：冷却结构是由所述冷却通道呈竖直螺旋状分布在阳极本体内部形成的冷却结构。
7.如权利要求2或5所述的一种稳定层流等离子体射流的方法，其特征在于：冷却结构是由所述冷却通道呈水平螺旋状分布在阳极本体内部形成的冷却结构。
8.如权利要求2-5任意一项所述的一种稳定层流等离子体射流的方法，其特征在于：所述冷却通道上至少设置有一层冷却结构。
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|---|---|
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| CN201510058995.1A Pending CN104602431A (zh) | 2015-02-05 | 2015-02-05 | 一种稳定层流等离子体射流的方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN104602431A (zh) |
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