CN1812686A - 基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器及阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明属于大气压放电冷等离子体发生器技术领域，其特征在于：在所述发生器内的进气口、或放电区、或出气口设有平板型的或回转型的缩放通道结构，从而构成平板型的或同轴型的大气压放电冷等离子体发生器，并相应提出了发生器阵列。所述的缩放通道结构由连接到进气口的压缩部、喉部、扩展部依次贯通形成，使在冷等离子体工作气体质量流量增加不多的情况下，发生器出口的冷等离子体射流速度有显著提高，从而大大提高冷等离子体射流中活性粒子的有效空间作用范围。
Description
技术领域
本发明涉及大气压放电冷等离子体发生器技术领域。
背景技术
目前，在低气压条件下可以产生大面积的非平衡冷等离子体，但真空腔的存在，一方面使得设备的制造和维护费用大大增加，另一方面也限制了被处理工件的几何尺寸，从而极大地限制了其应用范围。当前在大气压条件下能够产生的等离子体有两种，一种是热等离子体，其特征是气体温度往往很高，大约10000K量级，主要用于等离子体喷涂、切割、焊接、废物处理、材料表面加工等领域。由于热等离子体温度很高，因此，对于畏热材料，不能采用其进行处理；另一种是冷等离子体，其特征是气体温度很低(接近室温)，但电子温度很高，因此具有很高的化学活性，属于非平衡等离子体。但目前在大气压条件下产生冷等离子体的方法主要是电晕放电、介质阻挡放电等。采用上述方法产生的冷等离子体往往体积比较小，而且空间分布很不均匀。近几年提出的大气压射频辉光放电等离子体技术，可以在大气压条件下产生比较大面积的均匀放电的冷等离子体。大气压射频辉光放电冷等离子体技术由于摆脱了昂贵、复杂的真空系统的限制，在微电子工业、核工业(核废料处理)、生物医学领域、军事领域、甚至在保障国家安全等诸多领域都将有着非常广阔的应用前景，如等离子体刻蚀、等离子体辅助化学气相沉积、材料表面改性、清除生化有机物、放射性废料处理或者清洗放射性沾染的表面、热电厂和某些化工厂的脱硫、脱硝、汽车尾气处理、医疗器械的快速消毒灭菌、制药和食品行业的消毒、食品保鲜、皮肤病治疗等。
但是现有的大气压冷等离子体发生器，无论是平板型冷等离子体发生器还是同轴型冷等离子发生器，对于冷等离子体射流流速的控制，都只能依靠增大工作气体流量来实现，从而极大地限制了冷等离子体中活性粒子的有效作用距离，而且也大大提高了该项技术的使用成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器及阵列。
本发明所述发生器的特征之一在于，所述发生器是基于平板型缩放通道结构的平板型大气压放电冷等离子体发生器，含有：
接有射频电源的一对电极，由上、下两块平板构成，该电极中间有支撑用的绝缘体；
平板型缩放通道结构，形成于所述上、下两块平板之间，所述结构由同进气口相连的压缩部、喉部、扩展部依次贯通而成。
所述平板型缩放通道位于所述发生器的进气口处或出气口处中的任何一处。
本发明所述发生器的特征之二在于，所述发生器是基于回转型缩放通道结构的同轴型大气压放电冷等离子体发生器，含有：
内电极，接射频电源；
绝缘支架，外套于所述内电极；
外电极，外套于所述绝缘支架并接地，该外电极侧向或轴向开有进气口；
回转型缩放通道，由连接到形成于所述内、外电极之间通道的压缩部、喉部及扩展部依次贯通而成。
所述的回转型缩放通道结构位于所述发生器的出口处，所述位于内、外电极间的通道是放电区。
所述的回转型缩放通道位于放电区，所述内电极的端部插入到压缩部内，在内电极和压缩部的内壁间也形成供放电用的通道，而所述内、外电极之间的放电区形成连接于所述压缩部处的进气口的进气通道。
本发明所述发生器的特征之三在于，所述发生器是基于该发生器进气口处的回转型缩放通道结构的平板型大气压放电冷等离子体发生器，含有：
回转型缩放通道，由连接等离子工作气体进气口的压缩部、喉部及扩展部依次贯通形成；
平板电极，由内电极和外电极构成，在内、外电极的相对应位置开有进气口；该平板电极的内、外电极依次固定在所述扩展部的出口位置。
本发明所述发生器的特征之四在于，所述发生器是基于该发生器进口处的方形缩放通道结构的平板型大气压放电冷等离子体发生器，含有：
方形缩放通道，由连接冷等离子体工作气体进气口的压缩部、喉部以及扩展部依次贯通形成；
平板电极，由内电极和外电极构成，该平板电极中的内、外电极依次固定在所述扩展部出口处，在内、外电极的相应位置开有进气口。
本发明所述发生器阵列之特征在于，所述的基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器组成的发生器阵列，其特征在于，含有：
筒型外壳，在壳体上开有射频电源连接口、冷等离子体工作气体进气口以及冷却介质(气体或液体)的进出口(如果需要)；
发生器阵列，由单个的所述基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器组成，各发生器的电极的一端并联后接射频电源，另一端在并联后接地；在各个发生器上开有侧向的所述冷等离子体工作气体的进气口或轴向的相应进气口；所述的发生器阵列整体内装于筒型外壳中。
本发明通过在大气压放电冷等离子体发生器上采用缩放型通道结构，使得在冷等离子体工作气体质量流量增加不多的情况下，发生器出口的冷等离子体射流速度得到显著的提高，从而大大提高冷等离子体射流中活性粒子的有效空间运动距离和有效空间作用范围。
附图说明
图1.气体通过缩放型通道示意图；
图2.位于冷等离子体发生器进气口处的回转型缩放通道示意图；
21：纵剖视图； 22：位于喉部的横剖视图；
23：内或外电极正视图；
图3.位于冷等离子体发生器进气口处的方形缩放通道示意图；
31：纵剖视图； 32：横剖视图；
33：内或外电极正视图；
图4.进气口处有平板型缩放通道结构的冷等离子体发生器的剖视图；
图5.出气口处有平板型缩放通道结构的冷等离子体发生器的剖视图；
图6.处于放电处的回转型通道结构的剖视图；
图7、9.出气口处带有回转型缩放通道结构的冷等离子体发生器的剖视图之一、二；
图8.位于出气口处的回转型缩放通道结构的剖视图；
图10.带有回转型缩放通道结构的冷等离子体发生器的正视图；
图11.带有回转型缩放通道的冷等离子体发生器的横截面图；
图12.缩放通道示意图；
图13.采用平板型缩放通道结构的由多个平板型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图之一：采用自然冷却；
图14.采用平板型缩放通道结构的由多个平板型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图之二：采用气体冷却方式；
图15.采用圆柱形缩放通道结构的由多个圆柱形冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图：采用自然冷却；
151：纵剖视图；
152：横剖视图；
图16.采用方形缩放通道结构的由多个方形冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图：采用气体冷却方式；
161：纵剖视图；
162：横剖视图。
具体实施方式
本发明在冷等离子体发生器中采用了如图1所示的缩放型通道。通过调整进气压力、缩放通道喉部截面积(通道最小截面处)，使气流在喉部达到当地音速，在随后的扩张阶段，流速将随着喷嘴截面积的增加而增加，从而实现在质量流量增加不多的情况下，显著提高气体出口流速。缩放通道的缩放结构可以应用在冷等离子体发生器的进气口处，放电处和气体出口处，而且缩放通道截面可以做成圆形、或方形、或椭圆形等形状，均能实现提高气体出口流速的目的。
图2～11给出了该缩放型通道结构设计在一些大气压放电冷等离子体发生器上的典型应用。
图2为回转型缩放通道结构在平板型大气压射频放电冷等离子体发生器进气口处的应用，其中201为外电极，202为内电极，203为回转型缩放通道。
图3为方形缩放通道结构在平板型大气压射频放电冷等离子体发生器进气口处的应用，其中301为外电极，302为内电极，303为方形缩放通道。
图4为平板型缩放通道结构在平板型大气压射频放电冷等离子体发生器进气口处的应用，其中401为缩放通道，402、404为电极，403为放电区域，405为绝缘材料。
图5为平板型缩放通道结构在平板型大气压射频放电冷等离子体发生器出气口处的应用，其中401为缩放通道，402、404为电极，403为放电区域，405为绝缘材料。
图6为回转型缩放通道结构在同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器放电区的应用。相应地，采用该缩放通道结构设计的同轴型冷等离子体发生器侧面结构剖视图如图7所示，其中601为内电极，602为外电极，603为圆柱形缩放通道，604为放电区，605为绝缘体。
图8为回转型缩放通道结构在同轴型大气压射频放电冷等离子体发生器出口处的应用。相应地，采用该缩放通道结构设计的同轴型冷等离子体发生器侧面结构剖视图、正面视图及其剖面视图分别如图9、10和11所示，其中701为外电极，702为内电极，703为圆柱形缩放通道，704为放电区。
图9为采用缩放型通道结构的大气压冷等离子体发生器侧面结构剖视图，图10和11分别为该发生器的正面视图及其剖面视图，剖面位置在702与704之间。
参照图9，705为绝缘材料，射频内电极702穿过705，与外电极701组合。内外电极间隙704为放电区。缩放通道703与外电极701相连。气体由进气口进入内外电极间隙704进行放电，冷等离子体通过缩放型通道后从发生器出口喷出，形成高速流动的冷等离子体射流。
图13为采用缩放型通道结构的由多个平板型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图(采用自然冷却方式)。
图14为采用缩放型通道结构的由多个平板型冷等离子体发生器构成的阵列型冷等离子体发生器示意图(采用气体冷却方式)。
本发明将缩放型通道结构应用于大气压射频放电冷等离子体发生器，能在大气压下稳定工作，其优点是：
(1)采用射频电源(13.56MHz的K倍，K＝0.5～2.0)在大气压下形成均匀、稳定、高速流动的冷等离子体射流；
(2)从发生器出口喷出的冷等离子体射流温度较通常情况下不采用该缩放型通道结构设计得到的气流温度低；
(3)由于冷等离子体射流的流动速度较高，因此，大大提高了射流中活性粒子的空间运动距离，增强了活性粒子的有效空间作用范围。
(4)喷出的射流中含有活性粒子或粒子基团；
(5)不但能用氦气或者氩气作为工作气体，还可以添加适当比例的其它反应气体或液体成分。
(6)直接采用射频电源来激励放电，击穿电压的均方根值在通常为100～1000伏，而工作在千赫兹频率量级的介质阻挡放电的击穿电压均方根值通常都在千伏量级(或更高)。
(7)可以根据需要灵活扩展，方便地实现冷等离子体的大面积应用。
(8)采用的结构便于实际应用。
本发明将缩放型通道结构应用于大气压射频放电冷等离子体发生器，可以产生流动速度较高的、含有活性粒子的冷等离子体射流。同不采用该种缩放型通道结构设计的冷等离子体发生器相比，由于采用本发明所提出的缩放型通道结构后，所形成的冷等离子体射流中活性粒子的有效空间运动距离和有效空间作用范围显著增加，因此，该项技术的提出将大大地推动冷等离子体技术在等离子体刻蚀、薄膜沉积、生化清洗、消毒灭菌、空气净化、废物处理、疾病治疗、材料表面改性等领域的实际应用，显示其高效、快速的处理能力。
本发明所提出的缩放型通道结构设计在原理上还可以用于处于其它频率范围的、其它形式的大气压放电冷等离子体发生器，用以提高所产生的冷等离子体射流的流动速度。
表1 回转型缩放通道典型计算结果
| 工况 | 出口半径(mm) | 喉部半径(mm) | 气体流量(g/s) | 出口气流速度(m/s) | 圆柱形通道出口气流速度(m/s) |
| 1 | 5 | 3 | 4 | 296 | 286 |
| 2 | 5 | 2 | 4 | 347 | 286 |
| 3 | 8 | 2 | 3 | 138 | 84 |
| 4 | 8 | 2 | 2 | 126 | 56 |
| 5 | 8 | 1 | 1 | 108 | 28 |
| 6 | 5 | 1 | 2 | 183 | 143 |
Claims (8)
1.基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述发生器是基于平板型缩放通道结构的平板型大气压放电冷等离子体发生器，含有：
接有射频电源的一对电极，由上、下两块平板构成，该电极中间有支撑用的绝缘体；
平板型缩放通道结构，形成于所述上、下两块平板之间，所述结构由同进气口相连的压缩部、喉部、扩展部依次贯通而成。
2.根据权利要求1所述的基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述平板型缩放通道位于所述发生器的进气口处或出气口处中的任何一处。
3.基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述发生器是基于回转型缩放通道结构的同轴型大气压放电冷等离子体发生器，含有：
内电极，接射频电源；
绝缘支架，外套于所述内电极；
外电极，外套于所述绝缘支架并接地，该外电极侧向或轴向开有进气口；
回转型缩放通道，由连接到形成于所述内、外电极之间通道的压缩部、喉部及扩展部依次贯通而成。
4.根据权利要求3所述的基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述的回转型缩放通道结构位于所述发生器的出口处，所述位于内、外电极间的通道是放电区。
5.根据权利要求3所述的基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述的回转型缩放通道位于放电区，所述内电极的端部插入到压缩部内，在内电极和压缩部的内壁间也形成供放电用的通道，而所述内、外电极之间的放电区形成连接于所述压缩部处的进气口的进气通道。
6.基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述发生器是基于该发生器进气口处的回转型缩放通道结构的平板型大气压放电冷等离子体发生器，含有：
回转型缩放通道，由连接等离子工作气体进气口的压缩部、喉部及扩展部依次贯通形成；
平板电极，由内电极和外电极构成，在内、外电极的相对应位置开有进气口；该平板电极的内、外电极依次固定在所述扩展部出口的位置。
7.基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器，其特征在于，所述发生器是基于该发生器进口处的方形缩放通道结构的平板型大气压放电冷等离子体发生器，含有：
方形缩放通道，由连接冷等离子体工作气体进气口的压缩部、喉部以及扩展部依次贯通形成；
平板电极，由内电极和外电极构成，该平板电极中的内、外电极依次固定在所述扩展部的出口处，在内、外电极的相应位置开有进气口。
8.根据权利要求1、或3、或6、或7中的任何一项权利要求中的所述的基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器组成的发生器阵列，其特征在于含有：
筒型外壳，在壳体上开有射频电源连接口、冷等离子体工作气体进气口以及冷却介质的进出口；
发生器阵列，由单个的所述基于缩放通道结构的大气压放电冷等离子体发生器组成，各发生器的电极的一端并联后接射频电源，另一端在并联后接地；在各个发生器上开有侧向的所述冷等离子体工作气体的进气口或轴向的相应进气口；所述的发生器阵列整体内装于筒型外壳中。
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