CN107466150A - 一种三维低温等离子体处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种三维低温等离子体处理装置，其结构包括脉冲电源和处理室，脉冲电源电源的高压输出端与处理室高压接线端相连，脉冲电源电源与处理室接地端接地，脉冲电源具有电源开关、调压旋钮、频率调节器三个可操作部分，高压电极与地电极埋设在箱体内壁的介质层后；处理室内壁为阻挡介质材料，通过共面介质阻挡放电在介质表面产生低温等离子体。优点：1）满足对大尺寸参数物体处理的应用需求；2）避免金属电极造成腐蚀，避免金属微粒喷溅而污染待处理物，也可避免电极受到氧化以及外界腐蚀；3）处理效率高，能够对三维物体多个表面同时进行处理,适用于工业化流水线生产。

Description

一种三维低温等离子体处理装置

技术领域

本发明涉及的是一种三维低温等离子体处理装置，属于材料改性、食品处理技术领域。

背景技术

低温等离子体在污水废气处理、杀菌消毒、材料改性及流动控制等领域具有广泛的应用价值及独特的优越性。早期低温等离子体多是在低气压下或稀有气体中产生，因结构复杂、实现成本高，且对生产环境有较为苛刻的要求，为实际应用带来极大不便。而大气压低温等离子体对产生环境要求低，且易于控制，实现成本较低，因此近年来低温等离子体在应用领域普遍在大气压下实现。目前，通过大气压低温等离子体处理实现材料表面改性、食品保鲜、医疗杀菌消毒等目的正受到日益广泛的关注。

应用等离子体进行材料改性处理时，通常采用介质阻挡放电产生低温等离子体，作用于材料表面。传统的介质阻挡放电为体放电模式，在大气压空气中工作时，受到空气击穿电压的限制，其高压电极与地电极间距不能过大，使得体介质阻挡放电装置多用于处理厚度较小的薄片状材料。应用等离子体进行食品保鲜处理时，低温等离子产生的活性粒子、紫外线、臭氧等作用于食品表面，能够实现灭菌、降解农残的功能。Hyun-Joo Kim等研究了沿面介质阻挡放电在牛奶灭菌应用中的效果，证明半接触式表面放电产生的等离子体能够对食品中的微生物起到一定的灭活作用，从而能够增加食品安全性并延长食品保质期。

与体介质阻挡放电相比，共面介质阻挡放电在介质层正面产生低温等离子体，可突破反应器结构对处理对象尺寸的限制。早期共面介质阻挡放电多应用在等离子体显示、薄膜沉积制备、硅晶片表面清洁等领域，近年来相关科学研究已经证明其也能够应用于材料改性、食品处理等领域。

如专利 CN 101045611A 中所述，采用共面介质阻挡放电在常温常压下制备纳米晶 TiO2 薄膜，其优点是能够在常温常压下进行工作，具有能耗低、薄膜沉积速率快等特点。如专利 CN 102946685 A 中所述，提供了一种大气压介质阻挡放电低温等离子体发生装置，其在两个平板电极狭缝中产生低温等离子体，在狭缝一侧采用诱导气体将产生的等离子体吹出用于材料改性和消毒灭菌，在应用时需要来回移动待处理物以实现对物体表面的均匀处理。如专利 CN 102390069 A 中所述，设计了一种木质薄板常温常压连续处理装置，其采用介质阻挡放电差分供电的方式，在10mm的间隙中产生低温等离子体，用于处理木质薄板，不适合处理厚度较大的物体。如专利 CN 2259765Y中所设计的食品消毒灭菌保鲜盒，利用气体放电产生的臭氧实现灭菌、降解乙烯、降解农残、除异味等功能。Hyun-Joo Kim等研究了沿面介质阻挡放电对牛奶进行半接触式处理时的灭菌效果，验证了半接触式等离子体能够起到一定的食品灭菌功能。

从现有技术可以看出，体放电对放电空间有一定限制不能对大尺寸物体进行处理；通过诱导气体将等离子体带出的处理方式需要来回移动待处理物体，若需对物体多个表面进行处理还需旋转物体进行处理，因此效率不高。在一些科研机构的实验过程中，通过单个共面介质阻挡放电反应器实现了材料处理、食品保鲜处理，证明了共面介质阻挡放电在上述领域的可用性。但是该研究尚未转化为技术和产品，而且仅能够单一表面进行处理。在处理对象具有多个待处理表面时，处理效率相对较低。为填补这一空白，本发明设计一种在空间产生三维环绕式等离子体的处理装置，可对处理对象的多个表面进行同步处理，并可进一步推广至工业自动化流水线应用中。

发明内容

本发明提出的是一种三维低温等离子体处理装置，其目的旨在解决现有技术处理空间狭小、待处理物尺寸参数受到限制、处理效率较低、易受到外界污染等

问题，满足对不同物体的处理需求。

本发明的技术解决方案：三维低温等离子体处理装置，其特征是包括脉冲电源1和处理室2，脉冲电源电源1的高压输出端6与处理室高压接线端相连，脉冲电源电源1与处理室接地端接地，脉冲电源具有电源开关3、调压旋钮4、频率调节器5三个可操作部分，高压电极与地电极7埋设在箱体内壁的介质层后。处理室内壁为阻挡介质材料，通过共面介质阻挡放电在介质表面产生低温等离子体。

本发明的优点：

1）在空间中产生三维空间环绕式等离子体，满足对大尺寸参数物体处理的应用需求；

2）共面放置的电极完全被绝缘材料密封，避免放电细丝对裸露的金属电极造成腐蚀，避免金属微粒喷溅而污染待处理物，也可避免电极受到氧化以及外界腐蚀；

3）空间环绕式反应器设计，使得本发明装置能够对三维物体多个表面同时进行处理，针对不同的处理需求合理设计处理室形状、尺寸参数，较适用于工业化流水线生产，提高了处理效率。

附图说明

附图1是三维低温等离子体处理装置结构示意图。

附图2处理室结构示意图。

附图3共面介质阻挡放电反应器剖面结构示意图。

附图4反应器结构示意图。

附图5反应器连接结构示意图。

附图6柱状物处理室结构示意图。

附图7管状物处理室结构示意图。

附图8管状物体处理方式示意图。

附图9蔬果处理箱箱体结构示意图。

附图中1是脉冲电源、2是处理室、3电源开关、4是调压旋钮、5频率调节器、6是电源高压输出端、7是地电极；

101是地电极、102是绝缘密封层、103为处理室外壁、104是介质层、106是高压电极、105为待处理物、107是虚框示意低温等离子体产生于虚框内、108是A反应器、109是B反应器、110是C反应器、111是左地电极、112是上地电极、113是右地电极、114是左高电极、115是上高电极、116是右高电极、201为地电极、202为管状介质层、203为待处理物、204为硅橡胶密封层、205为处理箱体外壁、206为高压电极。

301为外地电极、302为外介质管、303为管状待处理物、304为外绝缘密封层、305为内地压电极、306为内介质管、307为内绝缘密封层、308为基座、309为外高压电极、310为内高压电极，401为蔬果。

具体实施方式

如图1所示，三维低温等离子体处理装置，其结构包括脉冲电源1和处理室2，脉冲电源电源1的高压输出端6与处理室高压接线端相连，脉冲电源电源1与处理室接地端接地，脉冲电源具有电源开关3、调压旋钮4、频率调节器5三个可操作部分，高压电极与地电极7埋设在箱体内壁的介质层后。处理室内壁为阻挡介质材料，通过共面介质阻挡放电在介质表面产生低温等离子体。

如图2、图3所示，处理室的结构包括地电极101和高压电极106、绝缘密封层102、处理室外壁103、介质层104、待处理物105；其中地电极101和高压电极106均设置在介质层104后侧，地电极101和高压电极106通过绝缘密封层102进行密封，待处理物105置于处理室腔内；

所述的地电极101、高压电极106采用覆铜板刻蚀、镀铜、3D打印等方式制作，

所述上、介质层104采用厚度为0.5~1 mm的石英玻璃、玻璃纤维板、氧化铝陶瓷绝缘介质材料制作；介质层104若采用氧化铝陶瓷制作介质层，则介质层104与绝缘密封层102通过异性陶瓷挤压制作方式进行一体化制作，低压电极采用0.5mm~2mm的长条状铜片插入原有电极位置。

低压电极通过真空灌注硅橡胶的绝缘密封层102进行密封，密封层厚度在3mm~10mm；处理室外壁103用采用金属材料或绝缘材料制作。

如图4、5所示，反应器包括A反应器108、B反应器109、C反应器110三个反应器，三个反应器分别放置在处理室的左、上、右的三个单面上，三个反应器称三个单面反应器，三个单面反应器相邻的左地电极111、上地电极112、右地电极113通过铜胶带或导电胶粘贴方式进行电气连接并接地，与至对应的左高电极114、上高电极115、右高电极116通过埋设在绝缘层102内的高压引出线连接到脉冲电源高压输出端；

所述单面反应器中的高压电极106与地电极101呈耙形，有效放电区域在虚线框107内部，高压电极106与地电极101相互间隔呈栅状排列，高压电极106与地电极101的宽度1~2mm，间隔为0.5~1 mm，反应器长度与宽度均在5 cm ~ 30 cm。

装置工作时处理室内的介质层内壁产生低温等离子体，待处理物105可放置于处理室内或通过流水线从处理室内通过；根据不同待处理物都需求，反应器还可设计为直径5~50cm、高5~50cm的圆柱形；采用脉冲电源作为反应器驱动电源，其输出电压达25 kV，脉冲频率1~5 kHz，脉冲上升沿小于20 μs，电源功率200~500W。

实施例1

单面反应器电极结构平面图如图4所示，地电极101与高压电极106分别为栅状。处理室的上、左、右三个面都设置有共面介质阻挡放电反应器，反应器排布方式如图5所示，A反应器108、B反应器109、C反应器110三个反应器分别放置在处理室的左、上、右三个面上，左、上、右三面上的左地电极111、上地电极112、右地电极113通过铜胶带或导电胶粘贴方式进行电气连接并接地，左高电极114、上高电极115、右高电极116通过埋设在绝缘层102内的高压引出线连接到脉冲电源高压输出端上。

三维低温等离子体处理装置工作时，能够在大气压空气中形成三面围绕的低温等离子体，针对不同尺寸参数的待处理物，设计不同尺寸的反应器进行匹配。图4虚线框107内为单个反应器有效放电区域，在该实施例中，待处理物尺寸参数为150 mm×150 mm×50mm，单个反应器设计为100 mm×152 mm，电极宽度1.5 mm，电极间隔1 mm，介质层采用0.5mm厚的氧化铝陶瓷。该实施例中反应器适合于对方形物体进行材料改性处理。

实施例2

处理室内部反应器设计为圆柱状，如图6所示，高压电极206与地电极201成栅状围绕管状介质层202排布，管状介质层202采用石英玻璃管、氧化铝陶瓷制作，管状介质层直径5~50cm、高5~50cm、厚度0.5~1mm，电极通过镀铜方式覆盖在管状介质层外表面，由硅橡胶204真空灌注进行密封，硅橡胶密封层厚度3~10mm，工作时，装置在管状介质层202内壁产生圆柱状三维环绕式低温等离子体，待处理物203置于处理室内部，适用于对柱状材料外壁的进行处理。

实施例3

处理室内的外介质管302与内介质管306上均可产生低温等离子体，如图7所示，其中外介质管302的外壁设有栅状环绕式排列的外高压电极309与外地电极301，内介质管306内壁设有按栅状环绕式排列的内高压电极310与内地电极305，内外介质管306为直径5~50cm，长度5~50cm同轴放置的管状物，用厚度为0.5~1mm的石英玻璃、氧化铝陶瓷介质材料制作，外高压电极309、外地电极301电极、内高压电极310和内地电极305通过镀铜、3D打印等方式覆盖在介质管上，外高压电极309、外地电极301通过外绝缘介质层304内的引线引入基座308，内高压电极310和内地电极305通过引线引入基座308，基座308对上方反应器起到固定、支撑、与电源连接的功能。工作时分别在外介质管302的内侧表面以及内介质管306的外侧表面产生低温等离子体，适用于对管状材料内外壁进行同步处理，处理方式如图8所示待处理管状物303可垂直插入处理室内，处理后再垂直取出。

实施例4

待处理对象为蔬果405。处理室结构与实施例1中相同，反应器尺寸为100mm×100mm，电极宽度与间隔距离与实施例1中相同，可用于处理尺寸范围在40mm×40mm×40mm至90mm×90mm×90mm内的蔬果。蔬果405可置于处理室中，或通过流水线从处理是内通过。工作时装置在左、上、右三面产生等离子体、臭氧、紫外光，臭氧可对苹果表面农药残留和乙烯起到一定降解作用，半接触式等离子体、紫外光以及抽样能够对苹果表面微生物起到灭活作用，从而实现延长蔬果保质期的功能。

Claims (7)

1.三维低温等离子体处理装置，其特征是包括脉冲电源和处理室，其中脉冲电源电源的高压输出端与处理室高压接线端相连，脉冲电源电源与处理室接地端接地，脉冲电源具有电源开关、调压旋钮、频率调节器三个可操作部分，高压电极与地电极埋设在箱体内壁的介质层后；处理室内壁为阻挡介质材料，通过共面介质阻挡放电在介质表面产生低温等离子体。

2.根据权利要求1所述的三维低温等离子体处理装置，其特征是处理室的结构包括高压电极和地电极、绝缘密封层、处理室外壁、介质层、待处理物室；其中高压电极和地电极均设置在下介质层的后侧，并通过绝缘密封层进行绝缘密封，待处理物置于在处理室腔内；

工作时，处理室内的介质层内壁产生低温等离子体，待处理物放置于处理室内或通过流水线从处理室内通过；根据不同待处理物的需求，反应器还可设计为直径5~50cm、高5~50cm的圆柱形；采用脉冲电源作为反应器驱动电源，其输出电压达25kV，脉冲频率1~5kHz，脉冲上升沿小于20μs，电源功率200~500W。

3.根据权利要求2所述的三维低温等离子体处理装置，其特征是所述的高压电极和地电极采用覆铜板刻蚀、镀铜、3D打印方式制作，处理室外壁采用金属材料或绝缘材料制作。

4.根据权利要求2所述的三维低温等离子体处理装置，其特征是所述的所述介质层采用厚度为0.5~1mm的石英玻璃、玻璃纤维板、氧化铝陶瓷等绝缘介质材料制作；介质层若采用氧化铝陶瓷制作介质层，则将介质层与绝缘密封层通过异性陶瓷挤压制作方式进行一体化制作，低压电极采用0.5mm~2mm的长条状铜片插入原有电极位置。

5.根据权利要求2所述的三维低温等离子体处理装置，其特征是绝缘密封层的厚度为3mm~10mm。

6.根据权利要求1所述的三维低温等离子体处理装置，其特征是反应器包括A反应器、B反应器、C反应器三个反应器，三个反应器分别放置在处理室的左、上、右的三个单面上，三个反应器称三个单面反应器，三个单面反应器相邻的左地电极、上地电极、右地电极通过铜胶带或导电胶粘贴方式进行电气连接并接地，与至对应的左高电极、上高电极、右高电极通过埋设在绝缘层内的高压引出线连接到脉冲电源高压输出端。

7.根据权利要求6所述的三维低温等离子体处理装置，其特征是所述单面反应器中的高压电极与地电极呈耙形，有效放电区域在虚线框内部，高压电极与地电极相互间隔呈栅状排列，高压电极与地电极的宽度1~2mm，间隔为0.5~1mm，反应器长度与宽度均在5cm~30cm。