CN113490322B - 一种便携式大面积等离子体射流装置、系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式大面积等离子体射流装置、系统，属于等离子体发生装置技术领域，包括壳体、射流喷口阵列、针电极阵列、电阻阵列、高压节点和升压模块；壳体内设有升压模块的固定腔及主管道；主管道的一端设有进气接口，另一端设有多个独立的气体管道；射流喷口阵列中每一射流喷口与相对应的气体管道连通，针电极阵列中多个针电极位于相对应的多个气体管道中；针电极阵列的多个针电极分别与电阻阵列相对应的多个电阻电性连接，多个电阻均与高压节点电性连接；高压节点与升压模块的高压侧电性连接。本发明使用分布式的电阻‑针串联阵列的电极结构，以及独立的针电极‑射流喷口连通气体管道优化了电场分布，提高了大面积射流放电的均匀性。

Description

一种便携式大面积等离子体射流装置、系统

技术领域

本发明属于等离子体发生装置技术领域，更具体地，涉及一种便携式大面积等离子体射流装置、系统。

背景技术

大气压非平衡等离子体是在大气压下产生的等离子体，其电子温度可高达数万度，而离子和中性粒子的温度远小于电子温度，通常接近室温，因此其放电时的气体温度也接近室温。大气压低温等离子体射流装置可以在大气压下产生等离子体射流，不会使被处理对象受到等离子体放电间隙尺寸的限制，操作简单，且产生的气体温度低，活性高。

随着低温等离子体在生物医学领域的广泛应用，等离子体发生装置小型化、简易化、等离子体大面积化以及活性成分可控化成为了新的发展趋势。专利申请201811235432.5公开了一种手持式等离子体治疗仪，这种装置能通过空心电极阵列产生等离子体射流。专利申请201780001937.2公开了一种等离子体放电式皮肤处理装置。该装置通过包裹介质的电极间产生空气介质阻挡放电产生了大面积的等离子。但是，现有大面积等离子体装置依然受到安全性、均匀性以及成分可控等因素的制约，比如高压电极直接放电容易产生电弧放电造成电击、烧蚀，空心针电产生射流面积小且为空心环状，作用效率低、空气介质阻挡放电间隙短，易造成伤口感染，电极电场分布不均匀导致的射流不均匀，射流密度受限于电极结构等，工作气体单一，无法控制活性粒子成分等。

综上所述，现有大面积等离子体装置依然存在装置复杂、安全性低、不均匀、成分难以控制的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种便携式大面积等离子体射流装置、系统，其目的在于使用分布式的电阻-针串联阵列的电极结构，以及独立的针电极-射流喷口连通气体管道优化了电场分布，提高了大面积射流放电的均匀性，由此解决现有技术电极电场不均匀导致的等离子体射流不均匀的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种便携式大面积等离子体射流装置，所述装置包括：壳体、等离子体发生机构和升压模块；

所述壳体内设有所述升压模块的固定腔及主管道；所述主管道的一端设有进气接口，其另一端设有多个独立的气体管道；

所述等离子体发生机构包括射流喷口阵列、针电极阵列、电阻阵列和高压节点；所述射流喷口阵列中每一射流喷口与相对应的气体管道连通，所述针电极阵列中多个针电极位于相对应的多个气体管道中；所述针电极阵列的多个针电极分别与所述电阻阵列相对应的多个电阻电性连接，所述多个电阻均与所述高压节点电性连接；所述高压节点与所述升压模块的高压侧电性连接。

优选地，所述气体管道设置于所述壳体内部且为弯折结构；所述针电极阵列还包括固定槽，所述针电极设置于所述固定槽且其针尖位于所述气体管道内并朝向气体流出方向，所述针电极为直线实心无缝隙结构的导电材料制成。

优选地，所述气体管道设置于所述壳体内部且为直线结构；所述针电极阵列还包括固定槽，所述针电极设置于所述固定槽且其针尖位于所述气体管道内并朝向气体流出方向，所述针电极为L型实心无缝隙结构的导电材料制成。

优选地，所述气体管道设置于所述壳体外部且通过柔性管道与所述主管道连通，所述电阻阵列中每一电阻被绝缘材料包裹并嵌入相对应的气体管道内；所述针电极阵列还包括固定槽，所述针电极设置于所述固定槽且其针尖位于所述气体管道内并朝向气体流出方向，所述针电极为直线实心无缝隙结构的导电材料制成。

优选地，射流喷口阵列的每一射流喷口的直径为0.5mm-3mm，壁厚为0.5mm-1mm，射流喷口间距为1mm-20cm。

优选地，所述升压模块的输出电压幅值为0-15kV。

优选地，所述电阻阵列中每个电阻的阻值为10MΩ-2GΩ。

优选地，所述进气接口输入的气体流速为0-15L/min。

优选地，在所述壳体上设有低压供电接口和开关，所述低压供电接口分别与所述开关与所述升压模块电性连接，所述低压供电接口的输入电压为0-50V。

按照本发明的另一方面，提供了一种便携式大面积等离子体射流系统，包括上文所述的便携式大面积等离子体射流装置，还包括控制器和可移动气瓶柜；

所述控制器包括流量控制单元、电压控制单元、接地端子和射流装置供电端口，所述射流装置供电端口与所述低压供电接口电连接；

所述可移动气瓶柜包括气瓶和夹持机构，所述气瓶设置于所述可移动气瓶柜内并与所述进气接口连通，所述夹持机构用于放置所述射流装置；

所述射流装置供电端口用于向所述射流装置供电；所述电压控制单元用于调节向所述射流装置的供电电压；所述流量控制单元用于控制输入至所述进气接口的气体流速。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的便携式大面积等离子体射流装置使用分布式的电阻-针串联阵列的电极结构，以及独立的针电极-射流喷口连通气体管道优化了电场分布，提高了大面积射流放电的均匀性。

2、本发明提出的便携式大面积等离子体射流装置通过电阻阻挡放电产生等离子体射流，可以确保人体安全触摸，不会产生任何发热和电击感，保证使用者的生命安全。

3、本发明提出的便携式大面积等离子体射流装置采用实心、无缝隙的针阵列电极结构，将电阻本体和升压模块输出端与工作气体隔绝，避免了高压电弧放电的产生，实心针电极通过介质管口放电，可以产生更弥散的等离子体射流，同时管口尺寸与间隙不受电极尺寸限制，可以有效地提高等离子射流密度，在适当的射流喷口间距和处理间隙下，可产生均匀的面状等离子体射流，提高了等离子体作用效率。

4、本发明提出的便携式大面积等离子体射流装置小巧、方便，价格低廉，同时大大提高了使用的灵活性，可供医院、家庭、野外等多种场景使用。

5、本发明提出的便携式大面积等离子体射流系统，通过外接供气系统改变工作气体的组分，并通过流量控制单元可以有效的控制多种活性成分的比重，提高使用效率。

附图说明

图1是本发明便携式大面积等离子体射流装置的一个实施例的结构示意图；

图2是本发明便携式大面积等离子体射流装置的一个实施例的结构示意图；

图3是本发明便携式大面积等离子体射流装置的一个实施例的结构示意图；

图4是本发明便携式大面积等离子体射流装置的控制器的结构示意图；

图5是本发明便携式大面积等离子体射流装置的可移动气瓶柜的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-壳体；2-升压模块；3-低压供电接口；4-进气接口；5-开关；6-射流喷口阵列；7-电阻阵列；8-高压节点；9-气体管道；10-固定槽；11-针电极阵列；12-等离子体射流；13-流量控制单元；14-电压控制单元；15-接地端子；16-射流装置供电端口；17-气瓶；18-夹持机构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1-5所示，本发明提出了一种便携式大面积等离子体射流装置，包括壳体1、电阻阻挡式等离子体发生机构、升压模块2、低压供电接口3、进气接口4、开关5；所述壳体1设有包括固定所述等离子体发生机构、所述升压模块2的固定腔，并由绝缘材料制成。

具体的，所述等离子体发生机构包括射流喷口阵列6、针电极阵列11、电阻阵列7、高压节点8，所述射流喷口阵列6的每一射流喷口与所述针电极阵列11相对应的一根针电极的针尖位于同一独立气体管道9，所述针电极阵列11的每根针电极的另一端与所述电阻阵列7相对应的一个电阻的一端引脚电性连接，所述电阻阵列7另一端引脚连接至同一高压节点8，所述高压节点8与所述升压模块2的高压侧电性连接。

更进一步的说明，所述升压模块2由固定腔固定在射流装置内部，所述升压模块2的输出端一极与等离子体发生机构高压节点电性连接，另一极与低压侧负极共地连接，所述升压模块2低压侧经过所述开关5与所述低压供电接口3电性连接，可由所述低压供电接口3连接蓄电池或低压直流电源供电，所述进气接口4与供气系统连接，输入可以为单一气体，也可为混合气体，供电和供气系统可集成到控制器中，通过调节输入电压、气体组分等参数，改变等离子体射流强度、活性粒子成分适应不同体质不同需求的对象。

作为本发明的优选实施例，所述壳体1的形状为圆柱形、扁圆体形、方体形、或者不规则形状。

作为本发明的优选实施例，所述壳体1为聚四氟乙烯烷氧基树脂、塑料等绝缘材料制成。

更进一步的说明，所述射流喷口阵列6每一射流喷口直径为0.5-3mm，壁厚为0.5-1mm，射流喷口间距为1mm-20cm。

作为本发明的优选实施例，射流喷口阵列可以是平面或三维任意形状。

所述针电极阵列11包括绝缘材料制成的固定槽10和导电材料制成的实心针阵列，所述针电极长度小于10cm,所述针电极阵列11整体为实心无缝隙结构，用以阻挡工作气体流入电阻本体，避免产生大电流且过热的电弧放电。所述射流喷口阵列6的每一个射流喷口与针电极阵列11的每一根针电极通过单独的绝缘材料的气体管道9连接，用以减轻针电极周围电场相互影响所引起的电场分布不均匀，进而维持等离子体射流阵列的均匀性。

更进一步的说明，所述电阻阵列7的每一个电阻与针电极阵列11的对应一根针电极连接，分布式的限流电阻阵列可以避免部分针电极放电导通导致的针尖电压整体下降使部分电极不放电的情况，维持等离子体射流阵列的均匀性，所述电阻阵列7电阻阻值为10MΩ-2GΩ。

更进一步的说明，所述升压模块2输出可以为直流、交流、脉冲高压，电压幅值为0-15kV。所述低压供电接口3的输入电压为0-50V。所述进气接口4输入气体流速为0-15L/min。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图1、图4和图5所示，本发明提供的一种便携式大面积等离子体射流装置，包括壳体1、电阻阻挡式等离子体发生机构、升压模块2、低压供电接口3、进气接口4和开关5。

壳体1设有包括固定等离子体发生机构、升压模块2的固定腔，由聚四氟乙烯树脂等绝缘材料制成。

电阻阻挡式等离子体发生机构包括射流喷口阵列6、针电极阵列11、电阻阵列7、高压节点8，所述射流喷口阵列6的每一射流喷口与针电极阵列11相对应的一根针电极的针尖位于同一独立气体管道9，工作气体从主管道进入弯曲的独立气体管道9从射流喷口喷出。

针电极阵列11包括绝缘材料制成的固定槽10和导电材料制成的实心针阵列，直立的针电极插在固定槽中，针尖嵌入到独立的气体管道9并朝向气体流出方向。所述针电极阵列11的每根针的另一端与电阻阵列7相对应的一个电阻的一端引脚电性连接，所述电阻阵列7另一端引脚连接至同一高压节点8，所述高压节点8与升压模块2高压侧电性连接，所述独立气体管道9与进气接口4通过主管道连接。针电极长度为5mm,针电极阵列11整体为实心无缝隙结构，用以阻挡工作气体流入裸露的电阻本体，避免产生大电流且过热的电弧放电。

射流喷口阵列6的每一个射流喷口与针电极阵列11的每一根针电极通过单独的绝缘材料的气体管道9连接，是为了减轻针电极周围电场相互影响所引起的电场分布不均匀和避免不同电极产生的等离子体通过同一电极通道放电，进而维持等离子体射流阵列的均匀性。

升压模块2由固定腔固定在壳体1内部，升压模块2的输出端正极与等离子体发生机构的高压节点8电性连接，负极与低压侧负极共地连接，升压模块2低压侧经过开关5与低压供电接口3电性连接。

所述壳体1近似于立方体，总体体积小于20cm×3cm×7cm射流喷口阵列6每一喷口直径为1mm，壁厚为1mm，为提高射流喷口密度，相邻射流喷口共用一个壁，射流喷口中心间距为2mm，处理间隙小于5mm时，可产生面状的均匀等离子体射流12。

射流装置配备如图4所示控制器和如图5所示装有小型瓶装气体的可移动的气瓶柜，该控制器集成流量控制单元13、电压控制单元14、接地端子15、射流装置供电端口16等，由220V市电供电，工作气体经过减压器送入控制器的流量控制单元13，再通入射流装置，控制器电压控制单元14输出0-15V可调低压直流电，其中负极与射流装置低压侧负极电性连接并直接接地。射流装置由控制器连接射流装置低压供电接口供电，气体接口与供气系统连接。如图5所示气瓶柜可安装两个小型气瓶17，输出可以为单一气体，也可为混合气体，气瓶柜配置了灵活的夹持机构18，使用时可代替操作人员来固定射流装置位置。射流装置供电和供气系统集成到控制器中，通过调节输入电压、气体组分等参数，改变等离子体射流强度、活性粒子成分以适应不同需求的对象。

使用时，将被处理部分附近任意区域通过接地线与控制器接地端子连接，连接好控制器并启动电压、流量控制单元，对准处理区域调节好放电间隙，操作射流装置开关至导通，针电极阵列通过周围的杂散电容充电，在达到击穿场强时在工作气体中产生等离子体射流，等离子体射流12经过射流喷口喷出，其活性粒子随射流产生并作用于目标。

实施例2

如图2、图4和图5所示，本发明提供的一种便携式大面积等离子体射流装置，包括壳体1、电阻阻挡式等离子体发生机构、升压模块2、低压供电接口3、进气接口4、开关5。

壳体1设有包括固定等离子体发生机构、升压模块2的固定腔，由聚四氟乙烯树脂等绝缘材料制成。

电阻阻挡式等离子体发生机构包括射流喷口阵列6、针电极阵列11、电阻阵列7、高压节点8，所述射流喷口阵列6的每一喷口与针电极阵列相对应的一根针电极的针尖位于同一独立气体管道9，弯曲的针电极通过绝缘的对外独立的通道嵌入对应的气体管道9内，针电极长度取决于固定槽10到对应独立气体管道的距离，针尖朝向气体流出的方向。所述针电极阵列11的每根针电极的另一端与电阻阵列7相对应的一个电阻的一端引脚电性连接，所述电阻阵列7另一端引脚连接至同一高压节点8，

所述高压节点8与升压模块2高压侧电性连接，所述独立气体管道9与进气接口4通过主管道连接此结构在大量电极并列情况下，独立气路设计更容易。

针电极长度差异会使每个放电回路中的杂散电容不同，使放电不均匀，实际应用中，可改变不同限流电阻的阻值和杂散电容匹配，从而得到均匀的等离子体射流阵列。

升压模块2由固定腔固定在射流装置内部，升压模块2的输出交流高压，其一电极与等离子体发生机构的高压节点8电性连接，另一极与低压侧负极共地连接，升压模块2低压侧经过开关5与低压供电接口3电性连接。

本装置总体体积小于20cm×3cm×7cm射流喷口阵列每一喷口直径为2mm，壁厚为1mm，为提高射流喷口密度，相邻射流喷口共用一个壁，射流喷口中心间距为4mm，使用时，手握升压模块2位置的壳体1，手握方向于射流方向垂直。

实施例3

如图3、图4和图5所示，本发明提供的一种便携式大面积等离子体射流装置包括壳体1、电阻阻挡式等离子体发生机构、升压模块2、低压供电接口3、进气接口4、开关5。

其与实例一的区别在于，独立气体管道9与主管道通过硅胶等柔性绝缘材料制成的软管连接，其高压节点8固定在外壳内，电阻阵列7中的电阻由包裹绝缘的高压导线连接至高压节点8，电阻本体通过绝缘材料包裹并嵌入独立管道内，每个独立管道可在一定空间范围内自由移动，可用于处理不规则的三维表面。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式大面积等离子体射流装置，其特征在于，所述装置包括：壳体（1）、等离子体发生机构和升压模块（2）；

所述壳体（1）内设有所述升压模块（2）的固定腔及主管道；所述主管道的一端设有进气接口（4），其另一端设有多个独立的气体管道（9）；

所述等离子体发生机构包括射流喷口阵列（6）、针电极阵列（11）、电阻阵列（7）和高压节点（8）；所述射流喷口阵列（6）中每一射流喷口与相对应的气体管道（9）连通，所述针电极阵列（11）中多个针电极位于相对应的多个气体管道（9）中；所述针电极阵列（11）的多个针电极分别与所述电阻阵列（7）相对应的多个电阻电性连接，所述多个电阻均与所述高压节点（8）电性连接；所述高压节点（8）与所述升压模块（2）的高压侧电性连接；

所述针电极为直线或L型实心无缝隙结构的导电材料制成；

所述电阻阵列和所述升压模块（2）输出端分别与工作气体隔绝。

2.根据权利要求1所述的一种便携式大面积等离子体射流装置，其特征在于，所述气体管道（9）设置于所述壳体（1）内部且为弯折结构；所述针电极阵列（11）还包括固定槽（10），所述针电极设置于所述固定槽（10）且其针尖位于所述气体管道（9）内并朝向气体流出方向，所述针电极为直线实心无缝隙结构的导电材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种便携式大面积等离子体射流装置，其特征在于，所述气体管道（9）设置于所述壳体（1）内部且为直线结构；所述针电极阵列（11）还包括固定槽（10），所述针电极设置于所述固定槽（10）且其针尖位于所述气体管道（9）内并朝向气体流出方向，所述针电极为L型实心无缝隙结构的导电材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种便携式大面积等离子体射流装置，其特征在于，所述气体管道（9）设置于所述壳体（1）外部且通过柔性管道与所述主管道连通，所述电阻阵列（7）中每一电阻被绝缘材料包裹并嵌入相对应的气体管道（9）内；所述针电极阵列（11）还包括固定槽（10），所述针电极设置于所述固定槽（10）且其针尖位于所述气体管道（9）内并朝向气体流出方向，所述针电极为直线实心无缝隙结构的导电材料制成。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种便携式大面积等离子体射流装置，其特征在于，射流喷口阵列（6）的每一射流喷口的直径为0.5mm-3mm，壁厚为0.5mm-1mm，射流喷口间距为1mm-20cm。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种便携式大面积等离子体射流装置，其特征在于，所述升压模块（2）的输出电压幅值为0-15kV。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种便携式大面积等离子体射流装置，其特征在于，所述电阻阵列（7）中每个电阻的阻值为10MΩ-2GΩ。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种便携式大面积等离子体射流装置，其特征在于，在所述壳体（1）上设有低压供电接口（3）和开关（5），所述低压供电接口（3）分别与所述开关（5）与所述升压模块（2）电性连接，所述低压供电接口（3）的输入电压为0-50V。

9.一种便携式大面积等离子体射流系统，其特征在于，包括如权利要求8所述的便携式大面积等离子体射流装置，还包括控制器和可移动气瓶柜；

所述控制器包括流量控制单元（13）、电压控制单元（14）、接地端子（15）和射流装置供电端口（16），所述射流装置供电端口（16）与所述低压供电接口（3）电连接；

所述可移动气瓶柜包括气瓶（17）和夹持机构（18），所述气瓶（17）设置于所述可移动气瓶柜内并与所述进气接口（4）连通，所述夹持机构（18）用于放置所述射流装置；

所述射流装置供电端口（16）用于向所述射流装置供电；所述电压控制单元（14）用于调节向所述射流装置的供电电压；所述流量控制单元（13）用于控制输入至所述进气接口（4）的气体流速。

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