CN108770169A - 一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体放电与应用技术领域，涉及一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置。该装置包括大气压等离子体射流枪体和供气供电控制装置；大气压等离子体射流枪体用于产生可利用保护气调控活性粒子成分的大气压非平衡等离子体射流；供气供电控制装置用于为大气压非平衡等离子体射流枪体提供可控的工作气体、保护气体及高频高电压激励。本发明将保护气体引入到大气压等离子体射流的形成和发展过程中，显著降低大气环境对大气压非平衡等离子体射流的影响，实现大气压非平衡等离子体射流活性粒子成分的有效调控，提升大气压非平衡等离子体射流的应用效果，为大气压非平衡等离子体射流医学及材料表面处理等应用提供一种简便实用的技术装置。

Description

一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置

技术领域

本发明属于气体放电与应用技术领域，涉及一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置。

背景技术

大气压等离子体射流具有将等离子体产生与应用空间分离，并能在开放空间内传播的优点，在材料处理、等离子体喷涂、等离子体切割、等离子体生物医学等领域获得了广泛应用。大气压非平衡等离子体射流由于电子温度高、重粒子温度低，能耗小，应用操作简便，近年来在材料表面改性、等离子体医学应用等领域获得了迅猛发展，成为大气压等离子体应用领域最为重要的发展方向之一。

然而，目前的大气压非平衡等离子体射流均是在大气环境空间形成和应用的，势必造成空气的掺混，进而影响了大气压非平衡等离子体射流的特性和活性粒子成分，且由于空气成分随时间和地点的不同差异很大，大气压非平衡等离子体射流的特性和活性粒子成分难以精准控制，导致大气压非平衡等离子体射流在实际应用中的效果不稳定，阻碍了大气压非平衡等离子体射流应用技术的发展。

如果能将大气压等离子体射流加以保护，使其能与大气环境相隔离，减少空气成分对大气压等离子体射流的干扰，必然能使大气压非平衡等离子体射流特性和活性粒子成分更加稳定，显著提升大气压等离子体射流的应用效果。专利201110300103.6公开了一种采用同轴保护气流的等离子体射流保护罩，该保护罩安装有保护气入口导管，保护气体从该导管流进，作为主射流的引射气体，并冷却保护罩。但由于该保护罩与等离子体发生装置相分离，增加了使用的复杂性，且保护的等离子体为高温热电弧等离子体，因此难以在低温大气压非平衡等离子体射流装置上应用；专利201210141257.X公开了一种等离子体射流保护罩，该保护罩的射流芯体一端面设有两组进气孔并与内、外环配合形成内、外两层保护气，形成的两层保护气环向前延伸以使等离子体射流与大气有效隔离。该发明是在大气等离子体喷涂设备——喷枪上安装一个保护装置，通过气体保护，随焰流一起的全融或半融状态下的粉末受两层保护于保护气中，让其与大气隔离，减少其在高温中的氧化和氮化，提高靶材膜层质量。但该保护罩为大气等离子体喷涂设备——喷枪上的附加装置，同样会增加使用的复杂性，影响喷枪使用的灵活性，且保护的等离子体也为高温热电弧等离子体，因此同样难以在低温大气压非平衡等离子体射流装置上应用；授权专利201720752705.8公开了一种混合气体等离子体射流灭菌装置，该装置可以进行多种气体的快速有效混合，并在混合气氛下进行放电调节，使得低电压下也可产生灭菌能力强的等离子体射流。虽然该装置产生的射流为低温大气压非平衡等离子体射流，且可通过混合气调节活性粒子成分，但由于缺乏有效的保护，大气压非平衡等离子体射流仍然会与空气直接接触掺混，进而影响大气压非平衡等离子体射流特性及其活性粒子成分，降低了大气压非平衡等离子体射流的应用效果。可见，开发能够隔离大气，防止空气干扰的大气压非平衡等离子体射流装置非常必要。

发明内容

本发明针对现有大气压等离子体射流装置应用中存在的问题，提供一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置。该装置利用保护气将大气压非平衡等离子体射流与大气环境相隔离，大幅度降低了空气对大气压非平衡等离子体射流的干扰，并依此实现对大气压非平衡等离子体射流特性及其活性粒子成分的有效调控，为大气压非平衡等离子体射流医学及材料表面处理等应用提供一种新的更易调控的技术装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，包括大气压等离子体射流枪体A和供气供电控制装置B；大气压等离子体射流枪体A用于产生可利用保护气调控活性粒子成分的大气压等离子体射流；供气供电控制装置B用于为大气压等离子体射流枪体A提供可控的工作气体、保护气体以及高频高电压激励，是大气压等离子体射流枪体A的控制装置；

所述的大气压等离子体射流枪体A，包括外壳1、石英玻璃放电管2、支撑隔板3、带孔支撑隔板4、端盖5、保护气体入口6、喷嘴7、放电电极8、接地电极9、工作气体入口10、等离子体射流出口11和控制按键12；

所述的外壳1为空心的圆管，外壳1的前端设有喷嘴7，尾端设有端盖5；所述的喷嘴7用于箍缩石英玻璃放电管2喷出的大气压等离子体射流，并在大气压等离子体射流周围形成保护气体层流，减弱大气环境对大气压等离子体射流的影响；所述的端盖5用以实现工作气体输入、工作气体和保护气体通道密封以及高频高压电接入；

所述的石英玻璃放电管2为空心的圆管，通过圆环形的支撑隔板3和带孔支撑隔板4固定在外壳1的内部，用以形成工作气体通道和保护气体通道，石英玻璃放电管2的尾端通过端盖5实现与外壳1的进一步固定与密封；石英玻璃放电管2的内部作为工作气体通道，石英玻璃放电管2的外壁与外壳1的内壁之间的空隙作为保护气体通道；石英玻璃放电管2的尾端作为工作气体入口10，石英玻璃放电管2的前端作为等离子体射流出口11；支撑隔板3和带孔支撑隔板4之间对应的外壳1上开有通孔，作为保护气体入口6，用以输入保护气体，并在外壳1和石英玻璃放电管2之间的保护气体通道内完成均流；所述的带孔支撑隔板4设置有8～16个等间距孔洞13，用以平衡保护气体流速，使保护气体在围绕等离子体射流同一截面内的流速相同，误差不超过5％；所述的放电电极8涂覆在石英玻璃放电管2的内表面，所述的接地电极9涂覆在石英玻璃放电管2的外表面，放电电极8与高频高压电源14相连，接地电极9与大地相连；

所述的控制按键12设置在外壳1的外表面，通过信号电缆连接至供气供电控制装置B，为供气供电控制装置B提供工作信号；

所述的供气供电控制装置B，包括高频高压电源14、工作气体储罐15、质量流量控制器a16、保护气体储罐17、质量流量控制器b18和控制电路19；所述的控制电路19，分别与控制按键12、高频高压电源14、质量流量控制器a16和质量流量控制器b18相连；高频高压电源14与放电电极8相连；工作气体储罐15通过质量流量控制器a16控制工作气体流量并与工作气体入口10相连；保护气体储罐17通过质量流量控制器b18控制保护气体流量并与保护气体入口6相连；

所述的高频高压电源14为大气压等离子体射流枪体A提供高频高电压激励；所述的工作气体储罐15为大气压等离子体射流枪体A提供工作气体，由质量流量控制器a16控制工作气体输入到大气压等离子体射流枪体A的工作气体入口10，工作气体流量为1～6L/min；所述的保护气体储罐17为大气压等离子体射流枪体A提供保护气体，由质量流量控制器b18控制保护气体输入到大气压等离子体射流枪体A的保护气体入口6，保护气体流量为2～10L/min。

本装置的工作启停，由大气压等离子体射流枪体A上的控制按键12控制，启动时，供气供电控制装置B首先向大气压等离子体射流枪体A先后注入工作气体和保护气体，保护气体流量大于等于工作气体流量；经过1～2秒延迟后，启动高频高压电源14，大气压等离子体射流形成，手持大气压等离子体射流枪体A开展应用操作。

所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置产生大气压非平衡等离子体射流的放电模式为大气压介质阻挡放电模式。

所述的外壳1的材质为PVC；所述的端盖5的材质为PVC；所述的喷嘴7的材质为石英。

所述的放电电极8和接地电极9间距为15～20mm，放电电极8和接地电极9的宽度相同，电极宽度为10～15mm，电极的材质为铜、银、铜合金材料或银合金材料。

所述的高频高压电源14的工作频率为5～20kHz，工作电压有效值为3～7kV，电压波形为正弦波。

所述的工作气体储罐15储存的工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氮气中的一种或两种以上混合；所述的保护气体储罐17储存的工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氮气或二氧化碳。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明针对目前大气压等离子体射流装置应用中存在的问题，采用专门的枪体结构将保护气体引入到大气压非平衡等离子体射流的形成和发展过程中，显著降低了大气环境对大气压等离子体射流特性的影响，实现了利用保护气体对大气压非平衡等离子体射流特性及其活性粒子成分的有效调控，拓展了大气压非平衡等离子体射流的应用范围，提升了大气压非平衡等离子体射流的应用效果，为大气压非平衡等离子体射流医学及材料表面处理等应用提供一种新的更易调控的技术装置。

附图说明

图1是引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置原理结构图。

图2是带孔支撑隔板的C-C截面示意图。

图3是引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置工作效果实例图。

图中：A大气压等离子体射流枪体；B供气供电控制装置；

1外壳；2石英玻璃放电管；3支撑隔板；4带孔支撑隔板；5端盖；

6保护气体入口；7喷嘴；8放电电极；9接地电极；10工作气体入口；

11等离子体射流出口；12控制按键；13孔洞；14高频高压电源；

15工作气体储罐；16质量流量控制器a；17保护气体储罐；

18质量流量控制器b；19控制电路。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置原理结构如附图1所示，该装置包括大气压等离子体射流枪体A和供气供电控制装置B两部分。供气供电控制装置B提供的工作气体、保护气体通过塑料软管与大气压等离子体射流枪体A连接；大气压等离子体射流枪体A的放电电极8通过高压电缆与供气供电控制装置B的高频高压电源14连接。

所述的大气压等离子体射流枪体A包括外壳1、石英玻璃放电管2、支撑隔板3、带孔支撑隔板4、端盖5、保护气体入口6、喷嘴7、放电电极8、接地电极9、工作气体入口10、等离子体射流出口11和控制按键12。其中，支撑隔板3和带孔支撑隔板4置于外壳1和石英玻璃放电管2之间，用以形成工作气体和保护气体两个通道，石英玻璃放电管2内为工作气体通道，石英玻璃放电管2外为保护气体通道，带孔支撑隔板4设置有8～16个等间距孔洞13(如图2所示)，用以平衡保护气体流速，使保护气体在围绕等离子体射流同一截面内的流速相同，误差不超过5％；其中，石英玻璃放电管2设置有放电电极8和接地电极9，放电电极8设置在石英玻璃放电管2的内部，接地电极9设置在石英玻璃放电管2的外部，放电电极8和接地电极9间距为15～20mm，放电电极8和接地电极9的宽度相同，优化的电极宽度为10～15mm，电极采用铜、银或其合金材料镀涂在石英玻璃放电管2的表面；其中，外壳1设置有保护气体入口6，用以输入保护气体，并在外壳1和石英玻璃放电管2之间的保护气体通道内完成均流，外壳1采用绝缘性能好的PVC材质制作；其中，喷嘴7使用石英材质制作，用于箍缩石英玻璃放电管2喷出的大气压等离子体射流，并在大气压等离子体射流周围形成保护气体层流，减弱大气环境对大气压等离子体射流的影响；其中，端盖5使用PVC材质制作，用以实现工作气体输入、工作气体和保护气体通道密封、高频高压电接入等功能；其中，控制按键12通过信号电缆连接至供气供电控制装置B，用以为供气供电控制装置B提供工作信号。

所述的供气供电控制装置B包括高频高压电源14、工作气体储罐15、质量流量控制器a16、保护气体储罐17、质量流量控制器b18和控制电路19。其中，高频高压电源14的工作频率为5～20kHz，工作电压有效值为3～7kV，电压波形为正弦波；其中，工作气体储罐15储存的工作气体可为稀有气体氦气、氖气、氩气、氪气、氙气和氮气以及以这些气体为基本气的混合气体，工作时由质量流量控制器a16控制工作气体输入到大气压等离子体射流枪体A的工作气体入口10，工作气体流量控制范围为1～6L/min；其中，保护气体储罐17储存的工作气体可为稀有气体氦气、氖气、氩气、氪气、氙气以及氮气、二氧化碳，工作时由质量流量控制器b18控制保护气体输入到大气压等离子体射流枪体A的保护气体入口6，保护气体流量控制范围为2～10L/min。

所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置产生大气压非平衡等离子体射流的放电模式为大气压介质阻挡放电模式。

大气压等离子体射流枪体A采用直接手持工作。

工作时，按压大气压等离子体射流枪体A上的控制按键12，启动供气供电控制装置B，供气供电控制装置B开始向大气压等离子体射流枪体A先后注入工作气体和保护气体，保护气体流量要大于等于工作气体流量；经过1～2秒延迟后，启动高频高压电源14，大气压等离子体射流形成，可以手持开展医疗处理或材料表面处理等。

图3为引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置工作效果实例图，该装置采用的工作气体为99.999％氦气，保护气体为99.9％的氮气，工作气体与保护气体流量均为2L/min，施加有效电压为7.0kV，工作频率8.0kHz。从大气压He等离子体射流影像和发射光谱图可以看出，大气压He等离子体射流长度虽然超过了6.5cm，但由于氮气保护气的作用，大气中的空气并没有对大气压He等离子体射流形成干扰，发射光谱中主要是工作气体He产生的四条光谱、背景气体N₂产生的12条谱线，空气中常见的由O₂产生的2条O原子谱线777.14nm、844.60nm并没有出现，可见，氮气保护气体有效阻止了大气中的空气对大气压He等离子体射流活性粒子成分的干扰。

本发明针对目前大气压等离子体射流装置应用中存在的问题，采用专门结构将保护气体引入到大气压非平衡等离子体射流的形成和发展过程中，以此显著降低大气环境对大气压非平衡等离子体射流的影响，实现了对大气压非平衡等离子体射流活性粒子成分的有效调控，为大气压非平衡等离子体射流医学及材料表面处理应用提供了一种简便实用的技术装置。

Claims (10)

1.一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，其特征在于，所述的装置包括大气压等离子体射流枪体(A)和供气供电控制装置(B)；大气压等离子体射流枪体(A)用于产生可利用保护气调控活性粒子成分的大气压等离子体射流；供气供电控制装置(B)用于为大气压等离子体射流枪体(A)提供可控的工作气体、保护气体以及高频高电压激励，是大气压等离子体射流枪体(A)的控制装置；

所述的大气压等离子体射流枪体(A)，包括外壳(1)、石英玻璃放电管(2)、支撑隔板(3)、带孔支撑隔板(4)、端盖(5)、保护气体入口(6)、喷嘴()7、放电电极(8)、接地电极(9)、工作气体入口(10)、等离子体射流出口(11)和控制按键(12)；

所述的外壳(1)为空心的圆管，外壳(1)的前端设有喷嘴(7)，尾端设有端盖(5)；所述的喷嘴(7)用于箍缩石英玻璃放电管(2)喷出的大气压等离子体射流，并在大气压等离子体射流周围形成保护气体层流，减弱大气环境对大气压等离子体射流的影响；所述的端盖(5)用以实现工作气体输入、工作气体和保护气体通道密封以及高频高压电接入；

所述的石英玻璃放电管(2)为空心的圆管，通过圆环形的支撑隔板3和带孔支撑隔板(4)固定在外壳(1)的内部，用以形成工作气体通道和保护气体通道，石英玻璃放电管(2)的尾端通过端盖(5)实现与外壳(1)的进一步固定与密封；石英玻璃放电管(2)的内部作为工作气体通道，石英玻璃放电管(2)的外壁与外壳(1)的内壁之间的空隙作为保护气体通道；石英玻璃放电管(2)的尾端作为工作气体入口(10)，石英玻璃放电管(2)的前端作为等离子体射流出口(11)；支撑隔板(3)和带孔支撑隔板(4)之间对应的外壳(1)上开有通孔，作为保护气体入口(6)，用以输入保护气体，并在外壳(1)和石英玻璃放电管(2)之间的保护气体通道内完成均流；所述的带孔支撑隔板(4)设置有8～16个等间距孔洞(13)，用以平衡保护气体流速，使保护气体在围绕等离子体射流同一截面内的流速相同，误差不超过5％；所述的放电电极(8)涂覆在石英玻璃放电管(2)的内表面，所述的接地电极(9)涂覆在石英玻璃放电管(2)的外表面，放电电极(8)与高频高压电源(14)相连，接地电极(9)与大地相连；

所述的控制按键(12)设置在外壳(1)的外表面，通过信号电缆连接至供气供电控制装置(B)，为供气供电控制装置(B)提供工作信号；

所述的供气供电控制装置(B)，包括高频高压电源(14)、工作气体储罐(15)、质量流量控制器a(16)、保护气体储罐(17)、质量流量控制器b(18)和控制电路(19)；所述的控制电路(19)，分别与控制按键(12)、高频高压电源(14)、质量流量控制器a(16)和质量流量控制器b(18)相连；高频高压电源(14)与放电电极(8)相连；工作气体储罐(15)通过质量流量控制器a(16)控制工作气体流量并与工作气体入口(10)相连；保护气体储罐(17)通过质量流量控制器b(18)控制保护气体流量并与保护气体入口(6)相连；

所述的高频高压电源(14)为大气压等离子体射流枪体(A)提供高频高电压激励；所述的工作气体储罐(15)为大气压等离子体射流枪体(A)提供工作气体，由质量流量控制器a(16)控制工作气体输入到大气压等离子体射流枪体(A)的工作气体入口(10)，工作气体流量为1～6L/min；所述的保护气体储罐(17)为大气压等离子体射流枪体(A)提供保护气体，由质量流量控制器b(18)控制保护气体输入到大气压等离子体射流枪体(A)的保护气体入口(6)，保护气体流量为2～10L/min。

2.根据权利要求1所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，其特征在于，产生大气压非平衡等离子体射流的放电模式为大气压介质阻挡放电模式。

3.根据权利要求1或2所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，其特征在于，所述的外壳(1)的材质为PVC；所述的端盖(5)的材质为PVC；所述的喷嘴(7)的材质为石英。

4.根据权利要求1或2所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，其特征在于，所述的放电电极(8)和接地电极(9)间距为15～20mm，放电电极(8)和接地电极(9)的宽度相同，电极宽度为10～15mm，电极的材质为铜、银、铜合金材料或银合金材料。

5.根据权利要求3所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，其特征在于，所述的放电电极(8)和接地电极(9)间距为15～20mm，放电电极(8)和接地电极(9)的宽度相同，电极宽度为10～15mm，电极的材质为铜、银、铜合金材料或银合金材料。

6.根据权利要求1、2或5所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，其特征在于，所述的高频高压电源(14)的工作频率为5～20kHz，工作电压有效值为3～7kV，电压波形为正弦波。

7.根据权利要求3所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，其特征在于，所述的高频高压电源(14)的工作频率为5～20kHz，工作电压有效值为3～7kV，电压波形为正弦波。

8.根据权利要求4所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，其特征在于，所述的高频高压电源(14)的工作频率为5～20kHz，工作电压有效值为3～7kV，电压波形为正弦波。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，其特征在于，所述的工作气体储罐(15)储存的工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氮气中的一种或两种以上混合；所述的保护气体储罐(17)储存的工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氮气或二氧化碳。

10.根据权利要求3所述的一种引入保护气的大气压非平衡等离子体射流装置，其特征在于，所述的工作气体储罐(15)储存的工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氮气中的一种或两种以上混合；所述的保护气体储罐(17)储存的工作气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氮气或二氧化碳。