CN109327954A - 一种雾化冷等离子体射流发生装置 - Google Patents

Abstract

一种雾化冷等离子体射流发生装置，包括供气系统、雾化系统、高压电源、冷离子体射流发生装置、圆柱形外壳。冷等离子体射流发生装置安装于圆柱形外壳内，二者同轴；供气系统从尾部将工作气体输入冷等离子体射流发生装置；高压电源的高、低压输出端与冷等离子体射流发生装置的电极连接；雾化装置将雾化液体输入圆柱形外壳内部。冷等离子体射流发生装置所产生的冷等离子体射流喷出时在圆柱形外壳内部产生负压，将雾化液体引入圆柱形外壳并与冷等离子体射流混合，形成雾化冷等离子体射流在圆柱形外壳出口处喷出。本发明获得均匀稳定的雾化冷等离子体射流，而且有利于提高等离子体对固体表面的亲水性改性效果和切削过程中切削接触区的冷却润滑效果。

Description

一种雾化冷等离子体射流发生装置

技术领域

本发明涉及一种雾化冷等离子体射流发生装置，属于等离子体放电反应器技术领域。

背景技术

冷等离子体宏观温度不高，但其中的电子温度和气体温度之比大约为10～100比1，因此同样具有很高的化学活性：其中富集大量的离子、电子、激发态原子、分子及自由基等活性粒子，比常见的液体和气体的化学反应器中所产生的活性粒子种类更多、活性更强，易于和所接触的材料表面发生反应。因此，近年来冷等离子体在灭菌消毒、臭氧合成、固体薄膜沉积、表面改性(改善薄膜、纸张、纺织品以及纤维的吸水性、导电性、粘着性、印染性和可湿性等性质)、等离子体刻蚀、器件清洗、大气污染处理等领域得到越来越广泛的应用。

公开号为CN103789716B的专利提出裸电极放电冷等离子体射流可快速对固体表面进行高效率的亲水性改性，且不会改变材料表面的结构。冷等离子体射流对固体表面亲水性的调控效率与冷等离子体射流中羟基、羧基等活性粒子浓度有关，而等离子体射流本身不含羟基和羧基，其主要来自于等离子体和空气中水汽的反应产物。因此，通常等离子体亲水性改性效率较低。如果在冷等离子射流中掺入雾化液体，那么冷等离子体射流与雾化液体的充分混合将大大增加其中羟基和羧基等亲水基团的浓度，从而可以提高对固体表面的亲水性改性效率。

公开号为CN102059350A的专利通过等离子体射流发生装置对切削区进行冷却，由于装置产生的等离子体射流中包含的活性粒子可减小工件表面的塑性变形抗力，降低摩擦系数，能有效降低切削力，减缓刀具磨损，且无需冷却液。但该方法冷却效果有限，仍难达到传统冷却液浇注方式所达到的冷却润滑效果，切削接触区热量很难在不借助冷却液的工况下对外传导，容易发生切削温度过高所产生的一系列问题。如在冷等离子体射流辅助加工切削过程中引入雾化冷却介质，则雾化冷等离子体射流在快速调控切削接触区亲水特性的同时，诱导雾化冷却介质进入切削接触区深部，可实现较佳的冷却润滑效果，特别对于难加工材料的车削、磨削、铣削等切削中实现高效低损伤加工有重要意义。

因此，雾化等离子体将有利于提高等离子体对固体表面的亲水性改性效果和切削过程中切削接触区的冷却润滑效果。

发明内容

本发明旨在提供一种雾化冷等离子体射流发生装置，具有结构简单、使用安全、实用性强等特点。本发明的目的是采用一种装置可以提供一种可以提高冷等离子体射流中的亲水性基团浓度以提高亲水性改性的效率。

等离子体射流对固体表面亲水性改性时由于羟基、羧基等活性粒子浓度不足导致的改性效率较低，以及等离子体辅助切削时由于亲水性改性速度慢和冷却效果不佳导致的切削烧伤问题，本发明提出一种雾化冷等离子体射流发生装置，将雾化的冷却介质通入到冷等离子体发生器中，可提高等离子体对固体表面的亲水性改性效果和切削过程中切削接触区的冷却润滑效果。

本发明的技术方案：

一种雾化冷等离子体射流发生装置，包括供气系统2、雾化系统3、高压电源5、冷离子体射流发生装置1和圆柱形外壳4；

所述的冷离子体射流发生装置1包括针电极6、喷嘴电极7和圆柱形内壳13；冷离子体射流发生装置1固定于圆柱形外壳4内，二者同轴；所述的圆柱形外壳4顶部和底部分别设有工作气源进气口和雾化冷等离子体出口，侧壁设有雾化液体进口；工作气源进气口与供气系统2连接；针电极6连接高压电源5的高压输出端，喷嘴电极7连接高压电源5的低压输出端；雾化液体进口连接雾化系统3；

调整高压电源和供气系统参数，使冷等离子体射流发生器产生稳定的冷等离子体射流，此时打开雾化系统，冷等离子体射流发生装置所产生的冷等离子体射流喷出时在圆柱形壳体内腔产生负压，将雾化液体引入其中并与冷等离子体射流混合，形成雾化冷等离子体射流在圆柱形壳体出口处喷出。

本发明的有益效果：

雾化冷等离子体辅助切削装置可以产生稳定且温度低于室温的混雾冷等离子体射流。

将雾化冷却介质混入冷等离子体发生装置中，可提高冷等离子体射流中羟基、氧原子等亲水性活性粒子浓度，提高射流对固体表面的亲水性改性效率。

混入雾化冷却介质的冷等离子体射流宏观温度较低，可降低切削区域温度，改善切削区域冷却润滑特性。雾化冷等离子体射流可快速提高切削区亲水性而不改变其表面微观结构，使冷却介质更易进入切削区域，同时，与传统油类冷却液相比，雾化冷却介质更易发生相变，传热效率较高，可更有效降低切削区域温度。

附图说明

图1为一种雾化冷等离子体射流发生装置的装置图。

图2为本发明一种雾化冷等离子体射流发生装置的具体实施例图。

图2(a)为本发明实施例中圆柱形内壳体的轴向截面图。

图2(b)为本发明实施例中圆柱形内壳体的径向截面图。

图中：1冷等离子体发生装置；2供气系统；3雾化系统；4圆柱形外壳；5高压电源；6针电极；7喷嘴电极；8单向雾阀；9液体雾化装置；10气体流量控制器；11气体压力控制器；12工作气源；13圆柱形内壳。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

一种雾化冷等离子体射流发生装置，包括冷等离子体发生装置1、供气系统2、雾化系统3、圆柱形外壳4、高压电源5。

冷等离子体射流发生装置安装在圆柱形外壳内部，且与圆柱形外壳同轴；供气系统产生的气源从冷等离子体发生装置进入；雾化系统产生的雾化冷却介质从圆柱形外壳的通孔进入内部空腔中。高压电源正负极输出端与冷等离子体装置的电极连接。

使用时，首先调整供气系统参数使进入冷等离子体发生装置中的气体稳定，之后调整高压电源的电压值，逐渐加大电压观察从冷等离子体发生装置出口处的冷等离子体射流稳定，最后打开雾化系统的开关，冷等离子体射流发生装置所产生的冷等离子体射流喷出时在圆柱形外壳内部产生负压，将雾化液体引入圆柱形外壳并与冷等离子体射流混合，形成雾化冷等离子体射流在圆柱形外壳出口处喷出。

具体实施例

一种雾化冷等离子体射流发生装置，包括工作气体12、气体压力控制器11、气体流量控制器10，通过管路顺序连接；气体流量控制器10的输出端通过管路连接圆柱形内壳13的尾端；针电极6固定在圆柱形内壳13中心的通孔中，喷嘴电极7固定在圆柱形内壳13的前端，并与针电极6同轴；高压电源5的输出端一端接针电极6，另一端接喷嘴电极7并且接地。工作气体由工作气体源12中经气体压力控制器11、气体流量控制器10以稳定流量从尾端进入圆柱形内壳13，穿过围绕针电极6均布的通气孔，进入喷嘴电极5，在针电极6的尖端发生放电产生等离子体射流，圆柱形外壳4起固定以及定位的作用与圆柱形内壳13连接，圆柱形外壳4、圆柱形内壳13同轴，在圆柱形外壳4下部有一个通孔，由液体雾化装置9产生的雾化冷却介质通过单向雾阀8调整稳定流量后，从通孔进入壳体内部，并从喷嘴处与冷等离子体射流一同被射出。

工作气体采用纯度99.999％的高纯氮气。

雾化的液体可以是水与植物油的混合液。

高压电源5采用中频交流高压电源，电源输出频率50k～120kHz，输出电压0～10kV，最大功率150W；电压输出端连接针电极6，低压输出端连接喷嘴电极7并且接地。

图2(a)为使用PEEK高温工程塑料材质加工的圆柱形内壳13。图2(a)中圆柱形内壳13外侧加工成细牙螺纹用来与圆柱形外壳连接；圆柱形内壳1的尾端加工成内管螺纹，用来连接快速接头，使工作气体可以进入到壳体内；圆柱形内壳13的另一端加工成普通的内螺纹，在方便喷嘴电极7接入的同时可保证喷嘴电极7和针电极6之间的同轴度；圆柱形内壳13两端内螺纹尽头均留有退刀槽以方便螺纹加工；圆柱形内壳13的中心孔直径1.6mm；如图2(a)和图2(b)所示，在圆柱形壳体1内中心孔周围轴对称的均布6个直径为3mm的通气孔。

针电极6使用直径1.6mm的氩弧焊钨电极磨制而成。将针电极6安装于圆柱形内壳13的中心孔，再将喷嘴电极7旋入圆柱形内壳13的螺纹孔中固定；调整针电极6和喷嘴电极7的出口之间垂直距离为2.5mm。

连接电源负极的喷嘴电极7的材料为黄铜，与圆柱形内壳13连接的一端加工成外螺纹；喷嘴电极7出口直径为3mm。

本发明的一种雾化冷等离子体射流发生装置在使用时，按照附图将这些设备分别连接：工作气体由工作气体12经过气体压力控制器11和气体流量控制器10进入圆柱形内壳13中；高压电源5的高压与低压的输出端分别与高压电极和低压电极相连；调整喷嘴出口处的方向，使其对准待处理表面。打开工作气体12开关，打开气体压力控制器11，调整气体流量控制器10，使工作气体以合适的流量进入圆柱形内壳13中。

雾化冷却润滑介质发生装置包括：液体雾化装置9，单向雾阀8。

当工作气体以稳定的流量进入圆柱形内壳13后，打开液体雾化装置9，调整单向雾阀8使雾化液体可以以恒定的流量进入圆柱形外壳4的内部。开启高压电源5，调整整个装置的角度，使待处理表面能够完全浸没在雾化等离子体射流中。

按照图2的连接方式，将雾化冷却介质引入导管连接至喷嘴外前壳，打开雾化冷却介质发生器打开调整气路单向阀的阀值使雾化冷却介质的流量达到稳定；之后将管路连接至圆柱形内壳13尾部的快速接头中，打开气体压力控制器11，调整气体流量控制器10，使流量达到10L/Min；打开高压电源5，调整频率至55kHz，从0开始逐渐增加电源输出电压，直到输出电压峰-峰值大约达到750V左右，即可观察雾化冷却介质与等离子体混合射流喷射而出，射流温度低于室温；继续增大电压，雾化冷却介质与等离子体混合射流将更加明亮，长度也会更长；直到针电极6和喷嘴电极7之间出现丝状放电击穿，此时高压电源5处于脉动状态，等离子体放电的稳定性下降。针电极尖端会因放电烧蚀而变钝，应尽量避免出现丝状放电出现。

在稳定的工作电压下，雾化冷却介质与等离子体混合射流可以长时间工作。加工结束后，依次关闭高压电源5、气体流量控制器10、液体雾化装置9和气体压力控制器11。之后使用气体流量计的清洗功能将整个管路以及圆柱形内壳13中的工作气体排出。

Claims (5)

1.一种雾化冷等离子体射流发生装置，其特征在于，所述的雾化冷等离子体射流发生装置包括供气系统(2)、雾化系统(3)、高压电源(5)、冷离子体射流发生装置(1)和圆柱形外壳(4)；

所述的冷离子体射流发生装置(1)包括针电极(6)、喷嘴电极(7)和圆柱形内壳(13)；冷离子体射流发生装置(1)固定于圆柱形外壳(4)内，二者同轴；针电极(6)连接高压电源(5)的高压输出端，喷嘴电极(7)连接高压电源(5)的低压输出端；所述的圆柱形外壳(4)顶部和底部分别设有工作气源进气口和雾化冷等离子体出口，侧壁设有雾化液体进口；工作气源进气口与供气系统(2)连接；雾化液体进口连接雾化系统(3)。

2.根据权利要求1所述的雾化冷等离子体射流发生装置，其特征在于，所述的圆柱形内壳(13)中，针电极(6)位于其中心，针电极(6)圆周设有多个进气通道。

3.根据权利要求1或2所述的雾化冷等离子体射流发生装置，其特征在于，所述的工作气源进气口依次与气体流量控制器(10)、气体压力控制器(11)和工作气源(12)相连。

4.根据权利要求1或2所述的雾化冷等离子体射流发生装置，其特征在于，所述的工作气源进气口依次与单向雾阀(8)、液体雾化装置(9)和液体池相连。

5.根据权利要求1或2所述的雾化冷等离子体射流发生装置，其特征在于，所述的工作气源进气口依次与单向雾阀(8)、液体雾化装置(9)和液体池相连。