CN111988902B - 一种可弯曲的气囊式等离子体发生器 - Google Patents

Abstract

一种可弯曲的气囊式等离子体发生器，属于大气压低温等离子体技术领域，其特征在于，由点阵式金属放电电极和介质阻挡层结合而成的平板型混合放电电极、以弹性气囊筒为主构成的等离子体容纳结构和等离子体出口处加装的专用镂空掩膜层共同组成。其中：所述平板型混合放电电极既有良好的弯曲性又降低电源的功率需求；由气囊筒构成的柔性容纳结构保证了等离子体与待处理表面距离可调的需求；镂空式掩膜结构满足了不同用户对输出等离子体作用位置、面积和轮廓形状的不同需求。本发明是一种轻便型、中小功率等离子体发生器，对一般的被处理物体的表面具有普遍适用性。

Description

一种可弯曲的气囊式等离子体发生器

技术领域

一种可弯曲的气囊式等离子体发生器，属于大气压低温轻便型、中小功率的等离子体发生器领域。

技术背景

产生大气压低温等离子体的方法繁多，最常用的为介质阻挡放电、单电极电晕放电，根据应用场景，不同的放电形式对应相应的等离子体发生器。采用介质阻挡结构产生低温等离子体具有结构简单、运行稳定、作用距离长、活性物种种类多、浓度高等特点，广泛用于大气压开放环境下低温等离子体的产生。

目前，介质阻挡放电等离子体发生器主要为介质阻挡放电射流型和介质阻挡沿面放电型。其中，介质阻挡放电射流型可适应不同结构的被处理表面，但有效等离子体面积小，单次处理面积小、效率低且处理不均匀。介质阻挡沿面放电型为固定式刚性结构，虽可在其电极表面产生大面积等离子体，但实际应用中只能处理平整表面，在特殊结构表面处理时(如热特性敏感的医疗器械的消毒、人造骨骼的表面改性、大面积薄膜的表面处理和形状不规则精密零件的表面处理等)存在诸多限制。

除此之外，介质阻挡放电在实际应用中还存在诸多共性问题。

如专利CN101902872A公开了“大面积平板常压射频冷等离子体系统”，利用两表面平行的金属板为放电电极和地电极，可以在两电极之间产生大面积冷等离子体。专利CN105246241A“一种产生大面积冷等离子体的装置”利用条状电极和带有微孔阵列的介质板，在高压电源的激励下可以产生大面积、接近室温的等离子体。专利CN110167249A“常压放电冷等离子体发生器”公开了一种包括射频电极、隔板、地电极的等离子体发生装置，其射频电极在平板结构的基础上设有突起的平行板条，以射频电源为激励电源，通过突起的平行板条放电产生冷等离子体。这些装置在某些应用场景都存在突出的问题，这些装置虽然可以产生大面积冷等离子体，但发生器本身为刚性，只适用于相对较为平整的待处理表面，且以上装置所用工作气体为惰性气体(如He、Ar、N、Ne等)，但在一些偏远地区，高纯度惰性气体获取不易，且气体不易运输，特别是在户外应用等离子体上存在问题。

如专利CN108969889“一种柔性等离子体贴”公开了一种用于皮肤表面处理的柔性等离子体发生器，该装置由栅形放电电极和柔性绝缘层上下贴合组成，通过柔性绝缘层上的一层凸起，在绝缘层和待处理表面的间隙内产生大面积等离子体，因其放电间隙不可调，不适宜对不同位置、不同损伤程度皮肤的处理。如专利CN106687147“用于构成介质阻挡等离子放电的电极组件”公开了一种扁平电极结构，此结构在一块金属板和上下介质层上开设电极阵列孔，在弯曲和拉伸时极易损坏电极，难以适应非平整表面。专利CN209475394U“一种冷等离子体装置”公开了一种以介质层、绝缘层、电极层、栅格介质层等多层等离子体发生装置。专利CN107535042A“用于生成冷大气压等离子体的装置”采用栅形电极和柔性介质层阵列打孔的方式形成短距离的大面积冷等离子体。但是上述专利在产生大面积等离子体的同时，都存在放电面积不可控问题，一是难以把握待处理和不需要处理表面之间的界限，二是能量利用效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可弯曲、放电距离可调，且针对特定或具体表面的处理需求，通过改变设在等离子体出口处掩膜的镂空形状，满足被处理表面的不同放电面积、不同形状区域要求的轻便型、中小功率的柔性等离子体发生器。

本发明的特征在于，在面向被处理物体表面的正向，自上而下地包括：可弯曲的介质绝缘层1、可弯曲的柔性电极层2、可弯曲的电极支架3、柔性气囊4、等离子体发生器出口处加装的专用掩膜层5以及接地电极6，其中：

可弯曲的介质绝缘层1，在上端面中心位置开设有射频电源插口11；

可弯曲的柔性电极层2，是一种由底面带有圆形凸起的点阵式金属放电电极21和弥散地喷涂在各所述圆形凸起金属放电电极之间的介质阻挡层22组合而成的混合放电型平板电极，其上端面与所述可弯曲的介质绝缘层1的底面粘接，介质阻挡层22的垂直高度低于金属放电电极21底面的圆形凸起的垂直高度，从而在空间形成一个由介质阻挡平板和金属裸露圆形电极耦合生成的混合电场，从而用以激发气体产生等离子体；

可弯曲的电极支架3，由一种可弯曲绝缘材料制成，内侧面与可弯曲的介质绝缘层1和可弯曲的柔性电极层2的外侧面环形联接；

柔性气囊4从上到下主要包括：上支撑环41、气囊42和下支撑环43，其中：

上支撑环41包括：上柔性支撑环架411和上柔性支撑环412，其中：

上柔性支撑环412由可弯曲绝缘橡胶材料制成，其环的上端面与可弯曲的电极支架3的下端面环形联接；

上柔性支撑环架411是一个实心的橡胶环，嵌入到所述上柔性支撑环412的环形凹槽内；

下支撑环43包括：下柔性支撑环架431和下柔性支撑环432，其中：

下柔性支撑环架431所用材料与所述上柔性支撑环架411相同，形状、结构和作用也相同；

下柔性支撑环432所用材料与所述上柔性支撑环412相同，形状、结构和作用也相同；

气囊42包括：弹性气囊筒421和多种化学组分气体的输入端口422，其中：

弹性气囊筒421，由可弯曲折叠的绝缘材料制成，其上下两端面的边缘各分别环状包裹着一个所述上下柔性支撑环架411、431，所述上下柔性支撑环架411、431与所述上下柔性支撑环412、432为嵌入式可拆卸结构，以便于上、下柔性支撑环架411、431方便镶嵌于所述上下柔性支撑环412、432内部，从而达到固定弹性气囊筒421的目的；

等离子体发生器出口处的掩膜层5是由柔性绝缘材料制备的薄介质层，粘接在所述柔性气囊4的所述下柔性支撑环432的环形底面上，其对应于柔性气囊4中等离子体出口处所述掩膜层5中起掩膜作用的薄膜称为掩膜51，用化学腐蚀工艺对所述掩膜51进行腐蚀后，可形成相应的镂空图形；所述镂空图形对应于处理材料表面的待处理区域的分割线条轮廓图，所述掩膜51中的各分割区域的线条轮廓图对应于待处理物体表面上等离子体作用在分割区域轮廓图的位置、面积和形状；所述掩膜51上的镂空图形解决了如何调节等离子体在待处理表面的作用位置、或面积、或形状的问题，适应了不同处理表面的现实需求；

所述等离子体发生器出口处的掩膜的环形下端面52与被处理物体表面的外轮廓环形粘接；

等离子体发生器在所述下柔性支撑环432左侧设有接地电极6，所述接地电极6保证了所述可弯曲的柔性电极层2与被处理物体表面形成稳定的电位差。

附图说明

图1一种可弯曲的气囊式等离子体发生器剖视图。

图2空气输入端盖剖视图。

图中各标志的意义说明如下：

1、可弯曲的介质绝缘层；11、射频电源插口。

2、可弯曲的柔性电极层；21、点阵式金属放电电极；22、介质阻挡层。

3、可弯曲的电极支架。

4、柔性气囊；41、上支撑环；411、上柔性支撑环架；412、上柔性支撑环；42、气囊；421、弹性气囊筒；422、多种化学组分气体的输入端口；43、下支撑环；431、下柔性支撑环架；432、下柔性支撑环。

5、等离子体发生器出口处的掩膜层；51、掩膜；52、掩膜的环形下端面。

6、接地电极。

具体实施方式

在多数情况下，待处理物体表面总会有凸度或凹度，统称为弯曲度或弯度，在弯曲度小且曲率半径变化不大(即物体表面无明显弯折)的情况下，从俯视角度来看，被处理物体表面是非平整表面，存在不同区域、不同表面形状的不同程度的弯曲。

针对上述现实需求，本发明针对可弯曲而非可弯折的情况，使用了可弯曲性和可塑性较好的弹性绝缘材料(聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺)，大大降低了对材料表面平整度的要求，这种可弯曲而不可弯折的概念具有广泛的实用性。

针对上述现实需求，本发明提出了“等离子体放电距离可调”的概念，其第一层含义是指：输出等离子体的作用距离可调，即放电电极所电离出的等离子体强度可调；本发明提出的“混合等离子体电场”概念降低了对电源输出功率的要求，从而为增加等离子体的作用距离提供了可行性，进一步实现轻便型、中小功率的等离子体发生器放电。“放电距离可调”的第二层含义是指：在电源输出功率不变的情况下，即在等离子体放电稳定、强度不变的情况下，等离子体放电沿面可随所述柔性气囊内气压的变化而上浮或下沉，从而达到改变放电电极与被处理物表面垂直距离的目的。本发明采用弹性气囊筒，解决了因待处理表面微观不平整而难以处理的问题。

针对上述现实需要，本发明提出了一个柔性气囊部件，采用可弯曲的高弹高强度橡胶材料，实现了发生器整体的柔韧性，通过弹性气囊筒形成的等离子体容纳结构，解决了因被处理表面在宏观上非平整而难以均匀处理的问题。同时，采用矩阵分布式放电电极解决了放电电极弯曲时易折断问题，保证了使用安全性与电极耐用性。且相较于条形、栅形电极，本发明的点阵分布式电极产生的电场更为集中且电阻更小，降低了电源功率和电极热损耗，提升了发生器的使用寿命。

针对上述现实需求，本发明在等离子体出口处设置了掩膜层，利用化学腐蚀的镂空工艺，在掩膜上腐蚀出适用于特定待处理表面的特定镂空图形，使其在处理过程中，等离子体与被处理表面所期望的作用位置、面积、轮廓形状保持一致。掩膜层结构解决了被处理表面仅在限定面积、区域内进行等离子体表面处理的问题。

等离子体发生器在所述下柔性支撑环架左侧设有接地电极6，所述接地电极6保证了所述可弯曲的柔性电极层2与被处理表面形成稳定的电位差；

图2是空气进入端口44的纵剖面图，用弹性材料制成，4221是一个弹性气囊筒制成一体的插槽，4222为端盖。

Claims (1)

1.一种可弯曲的气囊式等离子体发生器，其特征在于，在面向被处理物体表面的正向，自上而下地包括：可弯曲的介质绝缘层(1)、可弯曲的柔性电极层(2)、可弯曲的电极支架(3)、柔性气囊(4)、等离子体发生器出口处加装的专用掩膜层(5)以及接地电极(6)，其中：

可弯曲的介质绝缘层(1)，在上端面中心位置开设有射频电源插口(11)；

可弯曲的柔性电极层(2)，是一种由底面带有圆形凸起的点阵式金属放电电极(21)和弥散地喷涂在各所述圆形凸起之间的介质阻挡层(22)组合而成的混合放电型平板电极，其上端面与所述可弯曲的介质绝缘层(1)的底面粘接，介质阻挡层(22)的垂直高度低于金属放电电极(21)底面的圆形凸起的垂直高度，从而在空间形成一个由介质阻挡平板和金属裸露圆形电极耦合生成的混合电场，从而用以激发气体产生等离子体；

可弯曲的电极支架(3)，由一种可弯曲绝缘材料制成，内侧面与可弯曲的介质绝缘层(1)和可弯曲的柔性电极层(2)的外侧面环形联接；

柔性气囊(4)从上到下主要包括：上支撑环(41)、气囊(42)和下支撑环(43)，其中：

上支撑环(41)包括：上柔性支撑环架(411)和上柔性支撑环(412)，其中：

上柔性支撑环(412)由可弯曲绝缘橡胶材料制成，其环的上端面与可弯曲的电极支架(3)的下端面环形联接；

上柔性支撑环架(411)是一个实心的橡胶环，嵌入到所述上柔性支撑环(412)的环形凹槽内；

下支撑环(43)包括：下柔性支撑环架(431)和下柔性支撑环(432)，其中：

下柔性支撑环架(431)所用材料与所述上柔性支撑环架(411)相同，形状、结构和作用也相同；

下柔性支撑环(432)所用材料与所述上柔性支撑环(412)相同，形状、结构和作用也相同；

气囊(42)包括：弹性气囊筒(421)和多种化学组分气体的输入端口(422)，其中：

弹性气囊筒(421)，由可弯曲折叠的绝缘材料制成，其上下两端面的边缘各分别环状包裹着一个所述上下柔性支撑环架(411、431)，所述上下柔性支撑环架(411、431)与所述上下柔性支撑环(412、432)为嵌入式可拆卸结构，以便于上、下柔性支撑环架(411、431)方便镶嵌于所述上下柔性支撑环(412、432)内部，从而达到固定弹性气囊筒(421)的目的；

等离子体发生器出口处的掩膜层(5)是由柔性绝缘材料制备的薄介质层，粘接在所述柔性气囊(4)的所述下柔性支撑环(432)的环形底面上，其对应于柔性气囊(4)中等离子体出口处所述掩膜层(5)中起掩膜作用的薄膜称为掩膜(51)，用化学腐蚀工艺对所述掩膜(51)进行腐蚀后，形成相应的镂空图形；所述镂空图形对应于处理材料表面的待处理区域的分割线条轮廓图，所述掩膜(51)中的各分割区域的线条轮廓图对应于待处理物体表面上等离子体作用在分割区域轮廓图的位置、面积和形状；所述掩膜(51)上的镂空图形解决了如何调节等离子体在待处理表面的作用位置、或面积、或形状的问题，适应了不同处理表面的现实需求；

所述等离子体发生器出口处的掩膜的环形下端面(52)与被处理物体表面的外轮廓环形粘接；

等离子体发生器在所述下柔性支撑环(432)左侧设有接地电极(6)，所述接地电极(6)保证了所述可弯曲的柔性电极层(2)与被处理物体表面形成稳定的电位差。

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