RU2034778C1

RU2034778C1 - Rotor-type plasmochemical oscillator

Info

Publication number: RU2034778C1
Application number: RU93010101A
Authority: RU
Inventors: О.А. Журавлев
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им.акад.С.П.Королева
Priority date: 1993-02-26
Filing date: 1993-02-26
Publication date: 1995-05-10

Abstract

FIELD: air decontamination. SUBSTANCE: rotor-type plasmochemical oscillator has an electric motor with a dielectric disk and impeller on the shaft, connected to a unipolar DC voltage source are movable and fixed electrodes located in the air duct, where the fixed electrode is made as a flat metal disk with a hole on the axle and dielectric barrier on the surface forming the oscillator base that is conductive-coupled to an additional earthed electrode made as a plate and installed in a minimum spaced relation to the barrier surface and forms a gas-discharge gap with the high-voltage electrode. The high-voltage electrode has the shape of a knife with the point edge facing the barrier, it is secured together with the additional electrode on the lower end of the dielectric disk-rotor with radial orientation of their planes coinciding with the plane passing through the rotor axis. The oscillator air duct is formed in the gap between the lower end of the disk-rotor and working surface of the base, and the function of impeller blades of the centrifugal fan is fulfilled by electrode plates connected to the voltage source through sliding contacts, the air duct inlet connection is matched with the axle hole in the base. EFFECT: facilitated procedure. 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для воздействия низкотемпературной плазмы на поток газа и поверхности материалов с целью обеззараживания воздуха, получения озона, травления и очистки поверхностей диэлектриков, полупроводников, металлов, и может применяться в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности, а также в микроэлектронике, технологии машиностроения. The invention relates to devices intended for the influence of low-temperature plasma on the gas flow and the surface of materials with the aim of disinfecting air, obtaining ozone, etching and cleaning surfaces of dielectrics, semiconductors, metals, and can be used in agriculture, medicine, food industry, as well as in microelectronics , engineering technologies.

Известен плазмохимический генератор роторного типа, применяющийся для асептирования воздуха и производства озона в низкотемпературной плазме, возбуждаемой в однородном промежутке с барьерным разрядом на переменном напряжении. Совмещение вращающегося высоковольтного электрода с крыльчаткой вентилятора обеспечивает охлаждение разрядного промежутка потоком воздуха. К недостаткам устройства можно отнести применение плоскопараллельной системы электродов с диэлектрическим покрытием на одной из них. Емкостной характер разряда требует применения импульсного источника высокого напряжения. При этом производительность установки зависит как от частоты следования импульсов, так и от крутизны фронта напряжения, что усложняет установку [1]
При питании генератора от источника переменного напряжения необходимо учитывать уровень поверхностной плотности зарядов σ_пов на диэлектрическом покрытии, обеспечивающем периодическое запирание разряда полем потенциального барьера U_б σ_повd/(ε₀ε ), где ε и d соответственно диэлектрическая проницаемость материала и толщина покрытия на электроде. Изменение полярности напряжения U на металлическом электроде относительно знака U_б приводит к периодической генерации в промежутке искровых каналов разрядки подложки, сопровождающихся перегревом газового потока, что создает условия для синтеза в плазме побочных продуктов, например оксидов азота, являющихся канцерогенным веществом [2]
Применение знакопеременного высокого напряжения приводит к необходимости повышения мер электроизоляции неподвижного электрода, находящегося на основании установки. Для этого металлическая кольцевая пластина электрода помещается в толщу диэлектрического слоя (типа тефлона), что усложняет конструкцию, затрудняет выполнение ремонтных работ.Known plasma-chemical generator of rotary type, used for asepticization of air and production of ozone in a low-temperature plasma, excited in a uniform gap with a barrier discharge at alternating voltage. The combination of a rotating high-voltage electrode with a fan impeller provides cooling of the discharge gap by air flow. The disadvantages of the device include the use of a plane-parallel system of electrodes with a dielectric coating on one of them. The capacitive nature of the discharge requires the use of a pulsed high voltage source. Moreover, the performance of the installation depends both on the pulse repetition rate and on the steepness of the voltage front, which complicates the installation [1]
When the generator is powered by an alternating voltage source, it is necessary to take into account the level of surface charge density σ _pov on the dielectric coating, which ensures periodic discharge locking by the potential barrier field U _b σ _p d / (ε ₀ ε), where ε and d are the dielectric constant of the material and the coating thickness electrode. A change in the polarity of the voltage U on the metal electrode relative to the sign of U _b leads to periodic generation in the gap of the spark channels for discharging the substrate, accompanied by overheating of the gas stream, which creates the conditions for the synthesis of by-products in the plasma, for example nitrogen oxides, which are carcinogens [2]
The use of alternating high voltage leads to the need to increase the measures of electrical insulation of a fixed electrode located on the basis of the installation. To do this, the metal ring plate of the electrode is placed in the thickness of the dielectric layer (such as Teflon), which complicates the design, complicates the repair work.

Наличие в приосевой области промежутка вертикального вала, соединяющего через скользящий контакт подвижный электрод с источником высокого напряжения, не позволяет использовать низкотемпературную плазму генератора для обработки поверхностей материалов, помещаемых в межэлектродное пространство. The presence in the axial region of the gap of the vertical shaft connecting the moving electrode with a high voltage source through a sliding contact does not allow the use of a low-temperature generator plasma for processing surfaces of materials placed in the interelectrode space.

Повышение качества обработки газа обеспечивается в генераторе роторного типа, работающего без образования искровых каналов в промежутке за счет подключения высоковольтного электрода, выполненного в виде стержня, к униполярному источнику постоянного напряжения [3] Газоразрядный промежуток образуется между стержнем и поверхностью подвижного электрода, выполненного в виде диэлектрического цилиндра с установленной внутри крыльчаткой и покрытого пленкой-барьером, обращенной металлизированной стороной к образующей цилиндра и гальванически связанной с дополнительным заземленным электродом. Дополнительный электрод выполнен в виде фольги и установлен с минимальным зазором параллельно образующей поверхности подвижного электрода по ходу движения цилиндра. Здесь обеспечивается полная нейтрализация поверхностных зарядов σ_пов на диэлектрическом барьере за счет зажигания индуцированного диффузного разряда между дополнительным заземленным электродом и барьером. Этот разряд имеет протяженную поверхностную фазу [4] которая может использоваться для обработки газовых сред [5] Однако в рассматриваемом прототипе дополнительный электрод вынесен из воздуховодного канала и обработка газа производится только в газоразрядном промежутке между высоковольтным электродом и поверхностью подвижного электрода. Кроме того, малый радиус кривизны поверхности высоковольтного электрода-стержня приводит к повышению напряжения зажигания разряда, реализации его в фазе грубодисперсных стримерных каналов, снижению роли многолавинной фазы коронного разряда. Значительная пространственная неоднородность структуры разряда при малой протяженности его по ходу движения газа обосновывают малую производительность генератора.Improving the quality of gas processing is provided in a rotary type generator that works without the formation of spark channels in the gap by connecting a high-voltage electrode made in the form of a rod to a unipolar constant voltage source [3] A gas-discharge gap is formed between the rod and the surface of a movable electrode made in the form of a dielectric a cylinder with an impeller installed inside and covered with a film-barrier facing the metallized side to the cylinder generatrix and galvanic esk connected to an additional grounded electrode. The additional electrode is made in the form of a foil and is installed with a minimum gap parallel to the forming surface of the movable electrode in the direction of the cylinder. This ensures the complete neutralization of the surface charges of _σp at the dielectric barrier due to the ignition of the induced diffuse discharge between the additional grounded electrode and the barrier. This discharge has an extended surface phase [4] which can be used to process gaseous media [5] However, in the prototype under consideration, an additional electrode is removed from the air duct and the gas is processed only in the gas discharge gap between the high voltage electrode and the surface of the movable electrode. In addition, the small radius of curvature of the surface of the high-voltage electrode-rod leads to an increase in the ignition voltage of the discharge, its realization in the phase of coarsely dispersed streamer channels, and a decrease in the role of the multi-avalanche phase of the corona discharge. Significant spatial heterogeneity of the structure of the discharge with a small length in the direction of gas motion justifies the low productivity of the generator.

Другим недостатком устройства является сложность конструкции воздуховода, обеспечивающего переход потока из приосевой области в разрядный промежуток, занимающий малую часть поверхности подложки в области высоковольтного электрода. Another disadvantage of the device is the complexity of the design of the duct, providing a transition of the flow from the axial region to the discharge gap, which occupies a small part of the surface of the substrate in the region of the high-voltage electrode.

Следующий недостаток связан со сложностью закрепления диэлектрического барьера-пленки на поверхности ротора, возможностью отставания его от образующей цилиндра, высокой вероятностью замыкания разряда на металлизированный слой барьера. Все это так же снижает надежность работы генератора, приводит к ограничению областей применения его. The next disadvantage is associated with the difficulty of fixing the dielectric barrier film on the surface of the rotor, the possibility of lagging it behind the generatrix of the cylinder, and the high probability of the discharge closing to the metallized barrier layer. All this also reduces the reliability of the generator, leading to a limitation of its applications.

В основу изобретения поставлена задача создать устройство, позволяющее повысить производительность обработки сред при упрощении конструкции генератора, увеличении надежности его работы, расширении функционального назначения. Данная задача решена за счет того, что в плазмохимическом генераторе роторного типа, содержащем электродвигатель с диэлектрическим ротором и крыльчаткой на валу, подключенные к униполярному источнику постоянного напряжения подвижные и неподвижный электроды, расположенные в воздуховоде, где неподвижный электрод выполнен в виде плоского диска с отверстием на оси и диэлектрическим барьером на поверхности, образующих основание генератора, которое гальванически связано с дополнительным заземленным электродом, выполненным в виде пластины и установленным с минимальным зазором относительно поверхности барьера и образует газоразрядный промежуток с высоковольтным электродом. Высоковольтный электрод имеет форму ножа с острийной кромкой, обращенной к барьеру, и закреплен совместно с дополнительным электродом на нижнем торце ротора с радиальной ориентацией их плоскостей, совпадающей с плоскостью, проходящей через ось ротора. На верхнем торце ротора имеются два соосных металлических кольца, которые изолированы друг от друга и гальванически связаны с соответствующими электродами на нижнем торце, являясь подвижными элементами скользящих контактов, подпружиненные графитовые стержни которых находятся в гнездах общего диэлектрического корпуса, который служит для крепления электродвигателя и установлен на четырех стойках, связанных в нижней части пластиной основания генератора, Воздуховод генератора образован в промежутке между нижнем торцом ротора и рабочей поверхностью основания, а роль лопастей крыльчатки вентилятора выполняют пластины высоковольтного и дополнительного электродов, причем входной патрубок воздуховода совмещен с приосевым отверстием в основании. The basis of the invention is the task to create a device that allows to increase the productivity of processing media while simplifying the design of the generator, increasing the reliability of its operation, expanding the functionality. This problem is solved due to the fact that in a plasma-chemical rotary-type generator containing an electric motor with a dielectric rotor and an impeller on the shaft, movable and fixed electrodes connected to a unipolar constant voltage source located in the duct, where the fixed electrode is made in the form of a flat disk with a hole on axis and a dielectric barrier on the surface, forming the base of the generator, which is galvanically connected with an additional grounded electrode made in the form of plates s and installed with a minimum gap relative to the surface of the barrier and forms a gas discharge gap with a high voltage electrode. The high-voltage electrode has the shape of a knife with a pointed edge facing the barrier and is fixed together with an additional electrode at the lower end of the rotor with a radial orientation of their planes coinciding with the plane passing through the axis of the rotor. At the upper end of the rotor there are two coaxial metal rings that are isolated from each other and galvanically connected to the corresponding electrodes at the lower end, being movable elements of sliding contacts, the spring-loaded graphite rods of which are located in the sockets of the common dielectric casing, which serves to mount the electric motor and is mounted on four racks connected in the lower part by the generator base plate, The generator air duct is formed in the gap between the lower end of the rotor and the working surface of the base, and the role of fan impeller blades operate the high voltage plate and the additional electrodes, wherein the inlet duct is aligned with the axial sleeve bore in the base.

Минимальное расстояние l между боковыми торцами электродов в приосевой области удовлетворяет условию Е_р ≅ 0,8Е_к.т., где Е_к.т. напряженность поля зажигания короны на боковых торцах электродов; Е_р рабочая напряженность поля на острийной кромке высоковольтного электрода, которая в свою очередь определяется из условия Е_р ≅ 2Е_кор, где Е_кор напряженность поля зажигания короны на острийной кромке высоковольтного электрода. Ширина газоразрядного промежутка δ между высоко- вольтным и неподвижным электродами линейно возрастает от δ_минпри максимальном расстоянии R₁ от оси ротора до δ_макс при минимальном радиусе R₂ согласно эмпирическому соотношению δ_мин/δ_макс0,6R₂/R₁, обеспечивающему равномерность распределения σ_пов на подложке.The minimum distance l between the side ends of the electrodes in the axial region satisfies E _p ≅ 0,8E _rt condition where E _ct the intensity of the ignition field of the corona at the side ends of the electrodes; E _{p is the} working field strength at the tip edge of the high voltage electrode, which in turn is determined from the condition E _p ≅ 2E _core , where E _core is the crown ignition field at the tip edge of the high voltage electrode. The width of the gas-discharge gap δ between the high-voltage and fixed electrodes increases linearly from δ _min with a maximum distance R ₁ from the rotor axis to δ _max with a minimum radius R ₂ according to the empirical ratio δ _min / δ _max 0,6R ₂ / R ₁ , ensuring uniformity distribution σ _dressings substrate.

На фиг. 1 и 2 представлена конструкция генератора. Генератор состоит из корпуса 1, в котором установлен электродвигатель 2 с ротором 3 на валу, и основания 4. На нижнем торце ротора 3 закреплена система электродов 5, 6, из которых ножевые электроды 5 являются высоковольтными, а пластинчатые электроды 6 дополнительными. Электроды 5 с помощью шин 7 соединены с металлическим кольцом 8, являющимся подвижным элементом электрического контакта, состоящего также из графитового стержня 9, пружинки 10 и металлической вставки 11, помещенных в цилиндрическом гнезде корпуса 1 и клеммы 12, соединенной с униполярным источником высокого напряжения 13. Дополнительные электроды 6 с помощью шин 14 соединены с кольцом 15, которое через графитовый стержень 16, пружинку 17 и металлическую вставку 18, находящихся в гнезде корпуса 1, и клемму 19 выводится на заземленный неподвижный электрод 20 в основании 4. На поверхность электрода 20 нанесено диэлектрическое покрытие 21, переходящее в приосевой области устройства в трубопровод 22 подачи газа. In FIG. 1 and 2 shows the design of the generator. The generator consists of a housing 1, in which an electric motor 2 with a rotor 3 is mounted on the shaft, and a base 4. At the lower end of the rotor 3, a system of electrodes 5, 6 is fixed, of which the knife electrodes 5 are high-voltage and the plate electrodes 6 are additional. The electrodes 5 by means of tires 7 are connected to a metal ring 8, which is a movable element of an electrical contact, also consisting of a graphite rod 9, a spring 10 and a metal insert 11 placed in a cylindrical socket of the housing 1 and terminal 12 connected to a unipolar high voltage source 13. Additional electrodes 6 using tires 14 are connected to a ring 15, which through a graphite rod 16, a spring 17 and a metal insert 18 located in the housing socket 1, and terminal 19 is output to a grounded stationary electro 20 at the base electrode 4. In the surface 20 is coated with a dielectric coating 21, passing in the axial area of the device in the gas supply line 22.

Высоковольтные электроды 5 образуют разрядный промежуток шириной δ для возбуждения газового разряда. Дополнительные электроды 6 установлены с минимально допустимым зазором а относительно основания 4 (а ≈ 0,1 δ). Основание 4 и корпус 1 закреплены на стойках 23, которые устанавливаются на расстоянии С относительно наружных торцов подвижных электродов 5, 6, гарантируя отсутствие электрического пробоя. High voltage electrodes 5 form a discharge gap of width δ to excite a gas discharge. Additional electrodes 6 are installed with a minimum permissible gap a relative to the base 4 (a ≈ 0.1 δ). The base 4 and the housing 1 are mounted on racks 23, which are installed at a distance C relative to the outer ends of the movable electrodes 5, 6, guaranteeing the absence of electrical breakdown.

Плазмохимический генератор роторного типа работает следующим образом. После подачи напряжения на электродвигатель 2 и набора оборотов ротора 3 включается источник высокого напряжения 13 и униполярное постоянное напряжение U через клемму 12, скользящий контакт 8-11 подается на шины 7 и электроды 5. При достижении U > U_кор, где U_кор напряжение зажигания короны, в газовом промежутке δ возбуждается многолавинно-стримерный разряд, который реализуется в виде периодической последовательности импульсов энерговклада с образованием на подложке радиальной системы диффузных структур, являющихся основаниями разрядов. Периодический характер разряда при постоянном напряжении U источника 13 связан с осаждением зарядов на подложку 21 с плотностью σ_пов, которое приводит к снижению напряженности внешнего поля Е≈ U/δ полем поверхностных зарядов на E_δ ≈ U_δ/δ. Восстановление напряженности внешнего поля в промежутке δ обеспечивается за счет смещения электродов 5 на участок подложки 21 с σ_пов ≈ 0 и возрастания U до исходного уровня, когда U > U_кор, что дает новый импульс разряда [4] Следом за высоковольтным электродом 5 идет дополнительный электрод 6, который обеспечивает нейтрализацию поверхностного заряда σ_пов на подложке за счет возбуждения в промежутке а индуцированного диффузного разряда (типа тлеющего [5]).The plasma-chemical generator of the rotor type operates as follows. After applying voltage to the electric motor 2 and turning the rotor 3, the high voltage source 13 is turned on and the unipolar constant voltage U is connected via terminal 12, the sliding contact 8-11 is applied to the buses 7 and electrodes 5. When U> U _cor , where U _cor the ignition voltage is reached corona, a multi-avalanche-streamer discharge is excited in the gas gap δ, which is realized in the form of a periodic sequence of energy deposition pulses with the formation of diffuse structures on the substrate of the radial system, which are the bases of the discharges. The periodic nature of the discharge at a constant voltage U source 13 is associated with the charges deposited on substrate 21 at a density σ _dressing that reduces the intensity of the external field E≈ U / δ field of surface charges on the E _{_δ} ≈ U _δ / _δ. Recovery of the external field in the gap δ is provided by electrodes offset 5 on the substrate portion 21 with σ _dressing ≈ 0 and increasing U to the original level when U> U _armature, which gives a new discharge pulse [4] Following the high voltage electrode 5 is optional electrode 6, which provides the neutralization of the surface charge of _σp on the substrate due to the excitation in the gap a of an induced diffuse discharge (such as a glow [5]).

Плазмохимический генератор может производить бактерицидную обработку воздуха в разряде и вырабатывать озон в режиме самопрокачки, так как электроды 5, 6 на роторе 3 играют роль крыльчатки центробежного вентилятора и создают в приосевой области разрежение, что приводит к подтоку воздуха по каналу 22. Кроме этого, с помощью генератора можно производить поверхностную обработку материалов низкотемпературной плазмой при установке образцов на подложке 21 в промежутке δ. Как показали испытания модели генератора, при частоте вращения ротора ≈ 1500 об/мин, δ 5

10^-3 м, а 5

10^-4 м и покрытии 21 в виде лавсановой пленки с ε= 2,3 и d 150 мкм возбуждение разряда происходило при U ≈ 6 кВ, а при U 10 кВ частота следования импульсов энерговклада составляла ≈ 1 кГц. Свечение разряда визуализируется на всей ширине промежутка δ и обеспечивает достаточно однородное заполнение поверхности подложки под электродами 5, 6. Тонкая структура дисперсных каналов в разряде не приводит к существенной наработке канцерогенных веществ, что позволяет перейти к бескамерной плазмохимической технологии. Этому способствует принятая схема подачи газа в разрядный промежуток, создающая достаточно однородное динамическое заполнение промежутка δ заданной средой (кислородом, азотом, гелием и т.д.), вытесняющей воздух.The plasma-chemical generator can carry out bactericidal treatment of air in the discharge and produce ozone in the self-pumping mode, since the

electrodes

5, 6 on the rotor 3 play the role of a centrifugal fan impeller and create a vacuum in the axial region, which leads to air inflow through channel 22. In addition, with using the generator, it is possible to perform surface treatment of materials with low-temperature plasma when installing samples on a substrate 21 in the interval δ. As tests of the generator model showed, at a rotor speed of ≈ 1500 rpm, δ 5

10 ^-3 m, and 5

10 ^-4 m and a coating 21 in the form of a lavsan film with ε = 2.3 and d 150 μm, the discharge was excited at U ≈ 6 kV, and at U 10 kV the pulse repetition rate was ≈ 1 kHz. The discharge glow is visualized over the entire gap width δ and provides a fairly uniform filling of the substrate surface under the

electrodes

5, 6. The fine structure of the dispersed channels in the discharge does not lead to significant production of carcinogenic substances, which allows us to switch to tubeless plasma-chemical technology. This is facilitated by the adopted scheme for supplying gas to the discharge gap, which creates a fairly uniform dynamic filling of the gap δ with a given medium (oxygen, nitrogen, helium, etc.), which displaces air.

Применение ножевых электродов снижает напряжение горения разряда, повышая надежность работы устройства. Кроме того, обеспечивается более быстрое запирание промежутка и повышение частоты следования импульсов разряда по сравнению с разрядными промежутками с однородным распределением поля. Совместное движение высоковольтного и дополнительного электродов приводит к развитию вспомогательного однородного разряда непосредственно в газовом промежутке, разделяющем ближние торцы электродов, что способствует повышению полноты обработки газа, прокачиваемого через устройство. The use of knife electrodes reduces the burning voltage of the discharge, increasing the reliability of the device. In addition, provides faster locking of the gap and an increase in the repetition rate of discharge pulses compared with discharge gaps with a uniform field distribution. The combined movement of the high-voltage and additional electrodes leads to the development of an auxiliary homogeneous discharge directly in the gas gap separating the near ends of the electrodes, which helps to increase the completeness of the processing of gas pumped through the device.

Claims

A PLASMA-CHEMICAL ROTOR TYPE GENERATOR comprising an electric motor with a dielectric rotor, a movable electrode equipped with an impeller and connected to a unipolar constant voltage source, an additional and fixed grounded electrodes, characterized in that the fixed electrode is made in the form of a flat disk with an axial hole for gas inlet, coated with a film - by a barrier on the surface forming the base of the generator, the impeller is mounted on the lower end of the rotor, the blades of which consist of alternating knives x high-voltage electrodes, pointed with a sharp edge to the film-barrier, and additional plate electrodes having a minimum allowable gap relative to the surface of the fixed electrode.