CN110832956B - 等离子体处理设备 - Google Patents

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Abstract

本技术的目的是提供一种对液体进行均匀等离子体处理的等离子体处理设备。等离子体处理设备(100)包括：同轴波导，该同轴波导具有内导体(110)、第一外导体(120)以及第二外导体(130)；微波发生单元(150)；外部管(140)，该外部管(140)位于第一外导体(120)和第二外导体(130)的外侧并与第一外导体(120)和第二外导体(130)共同形成供液体流通的流路(LP1)；以及等离子体发生区域(PG1)。第一外导体(120)的第一凸部(121)和第二外导体(130)的第二凸部(131)以非接触状态彼此面对。等离子体发生区域(PG1)是沿着第一外导体(120)的第一凸部(121)和第二外导体(130)的第二凸部(131)彼此面对的位置延伸的区域。

Description

等离子体处理设备
技术领域
本说明书的技术领域涉及将等离子体施用于液体的等离子体处理设备。
背景技术
等离子体技术已应用于电、化学和材料领域。等离子体会产生化学反应活性高的自由基和紫外线、以及电子和正离子。自由基用于例如膜成形和半导体的刻蚀。紫外线例如用于灭菌。如此丰富的等离子体产品拓宽了等离子体技术在实践中的应用领域。
存在利用微波产生等离子体的装置。例如，专利文献1公开了一种使用微波等离子体对液体例如废水进行等离子体处理的技术。专利文献1公开了一种使微波沿与被处理液体的流动方向正交的方向传播的技术。等离子体围绕具有环形横截面的流路产生。
现有技术文件专利文件
专利文献1：日本专利申请特开(公开)No.2015-050010
发明内容
本发明要解决的问题
在专利文献1的技术中，等离子体在微波沿0°方向入射到环状流路的位置处容易产生，而等离子体在微波沿180°方向离开的位置处不容易产生。即，即使期望在流路周围的环形区域中产生圆环形等离子体，但可能会产生半圆形等离子体。即使在产生圆环形等离子体的情况下，也会出现等离子体的强度在与微波的入射方向(0°方向)相对应的位置处增大的现象。专利文献1的技术难以在液体上进行均匀的等离子体处理。
已经完成了本说明书的技术，以解决上述传统技术的问题。即，本发明目的在于提供一种对液体进行均匀的等离子体处理的等离子体处理设备。
解决问题的手段
根据第一方式的等离子体处理设备包括：同轴波导，该同轴波导包括内导体、位于内导体的外侧并且具有第一端部的第一外导体、以及位于内导体的外侧并具有第二端部的第二外导体；微波发生单元，该微波发生单元产生要传播到同轴波导的微波；外部管，该外部管位于第一外导体和第二外导体的外侧，并且与第一外导体和第二外导体协同形成供液体流经的流路；以及等离子体发生区域，在该等离子体发生区域中产生等离子体。第一外导体的第一端部和第二外导体的第二端部以非接触状态彼此面对。等离子体发生区域是沿着第一外导体的第一端部和第二外导体的第二端部彼此面对的面对位置延伸的区域。
该等离子体处理设备可以产生均匀的环形等离子体。术语“环形”包括圆环形和具有多边形横截面的环的形状。由于可以产生均匀的等离子体，因此可以对流经流路的液体进行均匀的等离子体处理。而且，液体可以被连续地在线地进行等离子体处理而不是分批处理。
发明效果
在本说明书中，提供了一种对液体进行均匀等离子体处理的等离子体处理设备。
附图说明
图1是示意性地示出第一实施方式的等离子体处理设备的结构的图；
图2是第一实施方式的等离子体处理设备的剖视图，其中示出了在第一外导体和第二外导体彼此面对的面对位置附近的区域。
图3是表示第一实施方式的变形例的等离子体处理设备的第一剖视图，其中示出了在第一外导体和第二外导体彼此面对的面对位置附近的区域。
图4是第一实施方式的另一变形例的等离子体处理设备的第二剖视图，其中示出了在第一外导体和第二外导体彼此面对的面对位置附近的区域。
具体实施方式
现在将参照附图描述具体实施方式，以用于将等离子体施用到液体上的等离子体处理设备为例。
(第一实施方式)
1.等离子体处理设备
图1是示意性地示出第一实施方式的等离子体处理设备100的结构的图。等离子体处理设备100通过使用用于引导微波的波导来产生等离子体。等离子体处理设备100包括内导体110、第一外导体120、第二外导体130、外部管140、微波发生单元150、介电构件160和短柱塞170。
等离子体处理设备100包括具有内导体110、第一外导体120和第二外导体130的同轴波导。因此，内导体110、第一外导体120、第二外导体130具有共同的中心轴线。如图1所示，微波在内导体110与第一外导体120和第二外导体130之间的空间MP1中传播。
内导体110用作同轴波导的内部波导。因此，内导体110布置在第一外导体120和第二外导体130的内侧。内导体110具有圆筒形的管状形状。内导体110的材料是铜、黄铜或任何其他金属。内导体110的表面可以被镀覆。
第一外导体120是同轴波导的外部波导。因此，第一外导体120布置在内导体110的外侧。第一外导体120具有第一端部E1。第一端部E1是第一外导体120的两个纵向端部之一。第一外导体120具有近似圆筒形的管状形状。第一外导体120的材料是铜、黄铜或任何其他金属。第一外导体120的表面可以被镀覆。
第二外导体130是同轴波导的外部波导。因此，第二外导体130布置在内导体110的外侧。的第二外导体130具有第二端部E2。第二端部E2是第二外导体130的两个纵向端部之一。第二外导体130具有近似圆筒形的管状形状。第二外导体130的材料是铜、黄铜或任何其他金属。第二外导体130的表面可以被镀覆。
外部管140布置在第一外导体120和第二外导体130的外侧。外部管140与第一外导体120和第二外导体130共同形成供液体流动穿过的流路LP1。外部管140具有圆筒形的管状形状。外部管140的中心轴线与内导体110、第一外导体120、第二外导体130的中心轴线是同一轴线。外部管140的材料例如为玻璃。
微波发生单元150是用于产生微波的装置。微波沿着同轴波导传播。微波发生单元150例如是磁控管。如果需要，微波发生单元150可以具有诸如隔离器之类的附加装置。由微波发生单元150产生的微波的频率例如是2.45GHz。当然，该频率也可以是2.45GHz以外的值。这些仅是示例，并且微波发生单元150的构型可以与上述构型不同。
介电构件160允许微波的一部分从其中穿过并反射剩余部分。介电构件160设置在如下区域中：该区域沿第一外导体120的第一凸部121和第二外导体130的第二凸部131彼此面对的面对位置(见图2)延伸并且从该面对位置向内延伸。介电构件160被布置成使得其从第一外导体120和第二外导体130延伸到内导体110并且被保持在它们之间。介电构件160的材料例如是石英管或氧化铝。当然，也可以使用其他材料。
微波由短柱塞170反射。短柱塞170以其被保持在内导体110与第二外导体130之间的状态布置。通过选择介电构件160的材料以及介电构件160与短柱塞170之间的距离，可以在介电构件160与短柱塞170之间的空间中产生驻波。这种驻波的产生有助于等离子体的激发。而且，激发的等离子体变得稳定。值得注意的是，短柱塞170可以稍微吸收一部分微波。
2.第一外导体和第二外导体彼此面对的位置
图2是示出了在第一外导体120和第二外导体130彼此面对的面对位置周围的区域的剖视图。第一外导体120和第二外导体130是分开的构件。第一外导体120和第二外导体130以非接触状态彼此面对。第一外导体120的中心轴线和第二外导体130的中心轴线与内导体110的中心轴线相同。第一外导体120的内径等于第二外导体130的内径。第一外导体120和第二外导体130被布置为使得当第一外导体120的内表面120a延伸时将与第二外导体130的内表面130a重合。但是，第一外导体120的内径可以与第二外导体130的内径略有不同。
2-1.凸部和缝隙
如图2所示，第一外导体120的第一端部El和第二外导体130的第二端部E2以非接触的状态彼此面对。
第一外导体120具有第一凸部121。第一凸部121形成在作为第一外导体120的一个端面的第一端部El上。第一凸部121从第一端部El向第二外导体130突出。第一凸部121具有圆环形状。该圆环的中心与第一外导体120的中心轴线重合。
第二外导体130具有第二凸部131。第二凸部131形成在作为第二外导体130的一个端面的第二端部E2上。第二凸部131从第二端部E2向第一外导体120突出。第二凸部131具有圆环形状。该圆环的中心与第二外导体130的中心轴线重合。
第一凸部121和第二凸部131以非接触状态彼此面对。因此，第一凸部121和第二凸部131之间限定有缝隙S1。缝隙S1具有约0.05mm至1mm的宽度。圆环形的第一凸部121的直径与圆环形的第二凸部131的直径相同。
2-2.等离子体发生区域
如图2所示，等离子体处理设备100具有用于产生等离子体的等离子体发生区域PG1。等离子体发生区域PG1沿着缝隙S1延伸。即，等离子体发生区域PG1是沿着第一外导体120的第一凸部121和第二外导体130的第二凸部131彼此面对的面对位置延伸的区域。
等离子体发生区域PG1可以宽于第一凸部121和第二凸部131的宽度。等离子体发生区域PG1是第一外导体120的第一凸部121和第二外导体130的第二凸部131彼此面对的区域(面对位置)，并且可以包含面对位置外侧的区域。等离子体发生区域PG1是第一外导体120的第一凸部121和第二外导体130的第二凸部131彼此面对的区域(面对位置)，并且可以包含面对位置内侧的区域。
因此，作为等离子体发生区域PG1的该“沿着第一外导体120的第一凸部121和第二外导体130的第二凸部131彼此面对的面对位置延伸的区域”为包括在第一凸部121与第二凸部131之间的第一区域以及分别位于第一区域的在第一外导体120和第二外导体130的径向方向上的内侧和外侧的区域。即，等离子体发生区域PG1是沿着第一外导体120的第一端部E1和第二外导体130的第二端部E2彼此面对的位置延伸的区域。
如上所述，第一凸部121和第二凸部131均具有圆环形形状。因此，等离子体发生区域PG1也具有圆环形形状。值得注意的是，不用担心等离子体发生区域PG1被流经流路LP1的液体淹没。因此，等离子体处理设备100可以在液体的等离子体处理期间稳定地产生等离子体。
2-3.倾斜面
第一外导体120具有第一倾斜面122。第一倾斜面122从第一外导体120的外周朝向外部管140突出。第一倾斜面122朝向外部管140的突出程度随着靠近第一凸部121而增大。因此，流路LP1朝向第一端部El变得更窄。第一倾斜面122形成为围绕第一外导体120的外周延伸。
第二外导体130具有第二倾斜面132。第二倾斜面132从第二外导体130的外周朝向外部管140突出。第二倾斜面132朝着外部管140的突出程度随着靠近第二凸部131而增大。因此，流路LP1随着靠近第二端部E2而变窄。第二倾斜面132形成为围绕第二外导体130的外周延伸。
如上所述，流路LP1向着等离子体生成区域PG1变窄。因此，流经流路LP1的液体的流速在等离子体发生区域PG1附近非常大。因此，在面对等离子体发生区域PG1的位置处，液体的压力变得非常小。具体地，液体在大气压(1atm)下的压力可以降低到约0.1atm。通过调整第一倾斜面122的倾斜度、第二倾斜面132的倾斜度和流路LP1在等离子体发生区域PG1附近的宽度，可以将等离子体发生区域PG1中的压力设置为在0.1atm至1atm的范围内的压力。此外，可以实现较低的压力。如上所述，等离子体处理设备100利用了文丘里效应。
3.等离子体处理设备的操作
液体沿图2的箭头L1的方向被供应到流路LP1。在该阶段中，在等离子体发生区域PG1中不产生等离子体。但是，等离子体发生区域PG1附近的压力下降。
接下来，微波发生单元150产生微波，并且微波沿着同轴波导传播。因此，微波沿图2的箭头M1的方向传播经过第一外导体120与内导体110之间的空间。一部分微波穿过介电构件160并朝向短柱塞170传播。因此，在介电构件160与短柱塞170之间的空间K1中产生驻波。
因此，微波在内导体110、第一外导体120和第二外导体130中感应出表面电流。这样，在第一凸部121与第二凸部131之间施加以强电场。由此，在第一凸部121与第二凸部131之间发生放电，进而在等离子体发生区域PG1中产生等离子体。
由于在等离子体发生区域PG1中产生了等离子体，源自等离子体的产物被施加至流经流路LP1的液体。源自等离子体的产物包括电子、正离子、自由基和紫外线。由此，流经流路LP1的液体被等离子体处理。
4.本实施方式的效果
本实施方式的等离子体处理设备100能够产生均匀的圆环形等离子体。因此，可以对流经流路LP1的液体均匀地进行等离子体处理。在本实施方式中，可以在不使用减压泵等的情况下在降低的压力下产生等离子体。而且，可以在线连续地对液体进行等离子体处理而不是分批处理。
该等离子体处理设备100中的等离子体发生区域PG1的直径足够大。因此，流路LP1的直径足够大。因此，与传统设备相比，每单位时间由等离子体处理设备100处理的液体量非常大。另外，由于形成流路LP1的外部管140是透明的，因此操作者等可以目视检查等离子体。另外，可以通过使用照相机等监视等离子体处理的状态。
5.改型
5-1.介电构件
本实施方式的等离子体处理设备100具有介电构件160。然而，等离子体处理设备也可以不具有介电构件160。
5-2.介电构件(绝缘体)的形状
如图3所示，代替介电构件160，可以设置用于使第一外导体120与第二外导体130彼此绝缘的绝缘体260。绝缘体260可以使第一外导体120和第二外导体130彼此绝缘，并且防止气体从第一外导体120和第二外导体130内部的空间泄漏到等离子体发生区域。绝缘体260最好设置在为使绝缘体260不与微波的传播区域重叠而确定的位置处。
5-3.外部管的形状
外部管140不是必须具有圆筒形管状形状。外部管140不是必需具有如上所述的固定内径。液体流路LP1仅穿过等离子体发生区域PG1的位置就足够了。然而，优选的是，第一外导体120和第二外导体130中的至少一者的中心轴线的方向平行于外部管140的中心轴线的方向。
图4是用于描述等离子体处理设备300的视图，其中，不是第一外导体320和第二外导体330而是其外部管340具有第一倾斜面341和第二倾斜面342。在这种情况下，必须注意在等离子体发生区域PG1附近的液体的流量。
而且，第一外导体、第二外导体和外部管中的每一者均可以具有倾斜面。在这种情况下，液体流路从两侧即波导侧和外部管侧变窄。
5-4.外部管的材料
在本实施方式中，外部管140的材料是例如玻璃。但是，可以使用玻璃以外的材料(例如，金属或绝缘体)。然而，在等离子体发生区域PG1附近，外部管140与第一外导体120和第二外导体130之间的距离相对较小。因此，优选地，外部管140是绝缘体。而且，优选地，外部管140由透明材料形成，因为可以容易地从外部观察等离子体。
5-5.波导的形状
内导体110、第一外导体120和第二外导体130中的每一者均呈近似圆筒形管状形状。然而，内导体110、第一外导体120和第二外导体130中的每一者也可以呈锥形形状。另外，内导体110、第一外导体120和第二外导体130中的每一者也可以呈具有多边形横截面的管的形状。在这种情况下，优选的是，外部管的形状与波导的形状一致。
5-6.水泵
在本实施方式中，液体自发地流经流路LP1。然而，等离子体处理设备可以包括用于进给液体的泵。泵可以增大液体的流速。这样一次处理的液体量增加。而且，可以进一步降低等离子体发生区域PG1附近的压力。
5-7.等离子体处理设备的操作顺序
在本实施方式中，在将液体供应到流路LP1之后，使微波被传播到空间MP1。然而也可以在将液体供应到流路LP1之前将微波发射到空间MP1。这是因为，即使在大气压下，等离子体处理设备100也可以在等离子体发生区域PG1中产生等离子体。
可替代地，可以在将某种类型的模拟液体供应到流路LP1之后将微波传播到空间MP1，而在产生等离子体之后将要处理的液体供应到流路LP1。模拟液体不通过等离子体处理来处理，仅用于在等离子体发生区域PG1中形成减压状态的目的。
5-8.驻波
在本实施方式中，在介电构件160和短柱塞170之间的空间k1中产生驻波。此时，为了在第一凸部121与第二凸部131之间施加强电场，适当地选择介电构件160的材料以及介电构件160与短柱塞170之间的距离。
5-9.组合
上述改型可以自由地组合。
6.本实施方式的概要
如上面已经描述过的，本实施方式的等离子体处理设备100能够产生均匀的圆环形等离子体。因此，可以对流经流路LP1的液体均匀地进行等离子体处理。在本实施方式中，可以在不使用减压泵等的情况下在降低的压力下产生等离子体。同样，液体可以在线连续地进行等离子体处理而不是分批处理。
A.补充说明
根据第一方式的等离子体处理设备包括：同轴波导，该同轴波导包括内导体、位于内导体的外侧并且具有第一端部的第一外导体、以及位于内导体的外侧并且具有第二端部的第二外导体；微波发生单元，该微波发生单元产生被传播到同轴波导的微波；外部管，该外部管位于第一外导体和第二外导体的外侧，并且与第一外导体和第二外导体协同形成供液体流经的流路；以及等离子体发生区域，在该等离子体发生区域中产生等离子体。第一外导体的第一端部和第二外导体的第二端部以非接触状态彼此面对。等离子体发生区域是沿着第一外导体的第一端部和第二外导体的第二端部彼此面对的面对位置延伸的区域。
在根据第二方式的等离子体处理设备中，第一外导体具有从第一端部向第二外导体突出的第一凸部。第二外导体具有从第二端部向第一外导体突出的第二凸部。第一凸部和第二凸部以非接触状态彼此面对。
在根据第三方式的等离子体处理设备中，第一外导体具有第一倾斜面，该第一倾斜面在第一外导体的外周部分上形成为使流路随着靠近第一端部而变窄。
在根据第四方式的等离子体处理设备中，第二外导体具有第二倾斜面，该第二倾斜面在第二外导体的外周部分上形成为使流路随着靠近第二端部而变窄。
根据第五方式的等离子体处理设备包括介电构件，该介电构件位于沿着第一外导体的第一端部和第二外导体的第二端部彼此面对的面对位置延伸并从该面对位置向内延伸的区域中。
在第六方式的等离子体处理设备中，介电构件设置成从第一外导体和第二外导体延伸至内导体。
根据第七方式的等离子体处理设备包括位于第二外导体与内导体之间的柱塞。
在根据第八方式的等离子体处理设备中，第一外导体和第二外导体中的至少一者的中心轴线方向与外部管的中心轴线方向平行。
附图标记说明
100：等离子体处理设备
110：内导体
120：第一外导体
121：第一凸部
122：第一倾斜面
130：第二外导体
131：第二凸部
132：第二倾斜面
140：外部管
150：微波发生单元
160：介电构件
170：短柱塞
El：第一端部
E2：第二端部
S1：缝隙
LPl：流路
PG1：等离子体发生区域

Claims (10)

1.一种等离子体处理设备，包括：
同轴波导，所述同轴波导包括内导体、位于所述内导体的外侧并具有第一端部的第一外导体、以及位于所述内导体的外侧并具有第二端部的第二外导体；
微波发生单元，所述微波发生单元产生要传播至所述同轴波导的微波；
外部管，所述外部管位于所述第一外导体和所述第二外导体的外侧，并且与所述第一外导体和所述第二外导体协同形成供液体流动穿过的流路；以及
等离子体发生区域，在所述等离子体发生区域中产生等离子体，其中，
所述第一外导体的所述第一端部和所述第二外导体的所述第二端部以非接触状态彼此面对，
所述等离子体发生区域是沿着所述第一外导体的所述第一端部和所述第二外导体的所述第二端部彼此面对的面对位置延伸的区域，以及
所述等离子体处理设备将等离子体施加至流经所述流路的所述液体。
2.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，其中，所述第一外导体包括从所述第一端部朝向所述第二外导体突出的第一凸部，所述第二外导体包括从所述第二端部朝向所述第一外导体突出的第二凸部，并且所述第一凸部与所述第二凸部以非接触状态彼此面对。
3.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，其中，所述第一外导体包括第一倾斜面，所述第一倾斜面在所述第一外导体的外周部分上形成为使所述流路随着靠近所述第一端部而变窄，所述第一倾斜面形成为围绕所述第一外导体的外周延伸。
4.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，其中，所述第二外导体包括第二倾斜面，所述第二倾斜面在所述第二外导体的外周部分上形成为使所述流路随着靠近所述第二端部而变窄，所述第二倾斜面形成为围绕所述第二外导体的外周延伸。
5.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，还包括介电构件，所述介电构件位于沿着所述第一外导体的所述第一端部和所述第二外导体的所述第二端部面对彼此的所述面对位置延伸并从所述面对位置向内延伸的区域中。
6.根据权利要求5所述的等离子体处理设备，其中，所述介电构件被布置成从所述第一外导体和所述第二外导体延伸到所述内导体。
7.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，还包括位于所述第二外导体与所述内导体之间的柱塞。
8.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，其中，所述第一外导体和所述第二外导体中的至少一者的中心轴线的方向与所述外部管的中心轴线的方向平行。
9.根据权利要求1所述的等离子体处理设备，其中，所述第一外导体的所述第一端部和所述第二外导体的所述第二端部构成在0.05mm至1mm范围内的缝隙。
10.根据权利要求2所述的等离子体处理设备，其中，所述第一凸部和所述第二凸部的形状为圆环形。
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