TWI691237B - 常壓電漿束產生裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電漿產生裝置，包含有一殼體、一設置於殼體中的電極導管、一氣體進入口及一開口，氣體進入口與電極導管及開口相連通，電極導管中具有一內部電極、一外部電極及一第一介電材料，第一介電材料環設於外部電極及內部電極間，使內部電極在電極導管中形成槽道。外部電源以導線連接至內部電極與外部電極，並在電極導管內產生高電場。當外部氣體自氣體進入口流經電極導管時，被電極導管內之高電場解離而產生電漿，再由開口流出。本發明可產生常壓低溫之電漿，用以進行生醫處理。

Description

常壓電漿束產生裝置
本發明係關於一種可以產生電漿的裝置，特別是一種具有電極槽道的常壓電漿束產生裝置。
電漿，一般的人造電漿主要是藉由對氣體施加電磁場所產生，由於電漿的溫度及密度範圍很廣，因此可將電漿應用在學術研究、科技或工業中，例如電漿噴塗、半導體蝕刻、金屬切割或焊接等用途，或是也可以用在汽車排氣淨化或瑩光燈上。
現今，在常壓下產生的低溫電漿(接近室溫溫度)的方法，多數是藉由通入惰性氣體之方式產生，少數的研究可以解離氮氣、空氣甚或是氧氣，但需要通過較高的崩潰電壓 (breakdown voltage)，因為大氣中的氧氣電子親合力太強，容易搶走產生電漿的電子，導致電漿的產生不易穩定維持，此外，較高的操作電壓亦容易產生過高的溫度，或是無法控制臭氧的生成量，相對不適合應用在生醫臨床治療，或是對溫度敏感的材料應用。
再者，目前也很少有可以在常壓下，產生大量電漿水的設備，在水質淨化方面，因為使用的電漿工作氣體為空氣，會產生對水生動物有毒的亞硝酸離子，容易在電漿水使用的環境下，造成水生動物的死亡，會嚴重破壞水生環境的供應鏈。
因此，有鑑於上述習知之困擾，本發明提供一種常壓電漿束產生裝置，可以提供常壓低溫的電漿，以有效應用在對溫度敏感之材料或是生成電漿水。
本發明的主要目的係在提供一種常壓電漿束產生裝置，可以在常壓下產生低溫(接近室溫)電漿束，具有低耗能且可在不傷害生物體的條件下進行殺菌，可以取代傳統抗生素殺菌，或是抑菌產生抗藥性的問題，例如可以直接接觸人體，做止血、殺菌、牙齒美白或傷口癒合等應用。
本發明的另一目的係在提供一種常壓電漿束產生裝置，當其設置在水溶液中，所產生的電漿可以與水溶液反應，進而產生電漿水，藉由調控適當電漿參數，其富含自由基與活性化學物質，可以對水環境進行殺菌，去除水中有害的細菌，提高農業或是養殖漁業等生物、植物的生長，又不會對水環境中之生物，如魚蝦，造成傷害。
為了達成上述的目的，本發明提供一種常壓電漿束產生裝置包含有一殼體，在殼體中設有一電極導管、一氣體進入口，及殼體的底部具有一開口，氣體進入口與電極導管及開口相連通，電極導管中具有一內部電極、一外部電極及一第一介電材料，第一介電材料環設於外部電極及內部電極間，並使內部電極在電極導管中形成槽道。外部電源以導線連接至內部電極與外部電極，並在電極導管內產生高電場。當外部氣體自氣體進入口流經電極導管時，被電極導管內之高電場解離而產生電漿，再由開口流出。
在本發明中，上述的內部電極與第一介電材料間具有第一間隙，且第一介電材料與外部電極具有第二間隙，第一間隙加第二間隙之長度小於0.3公釐 (mm)。
在本發明中，外部電源可透過導線連接電極導管的內部電極或外部電極。
在本發明中，槽道的橫剖面形狀係為一扇形、至少一扇形、多尖角形或多凹槽形。
在本發明中，外部氣體係為空氣、氮氣、氧氣、氬氣、氦氣、二氧化碳或其組合之混合氣體。
在本發明中，放電區電漿溫度係在攝氏25~1370度間，且電漿可以混合水以形成電漿水溶液。
在本發明中，殼體還包含一第二介電材料，位在殼體側壁及電極導管間，當電極導管以導線連接外部電源，第二介電材料可避免外部電源放電至殼體。
底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明主要係透過特殊的槽狀電極結構，搭配小於0.3 mm之間隙和，以產生出低溫的常壓電漿束，在此所述之常壓係表示一標準大氣壓下的壓力，而低溫電漿係在電漿溫度中低於習知的高溫電漿，例如習知的類似電漿溫度皆在攝氏100度以上，最高可到攝氏25000度，而本發明所述的低溫電漿束係約為室溫，當使用在攝氏25度至30多度（接近室溫）時，可以應用在生醫方面並安全地接觸人體，亦可以透過控制不同的化學路徑來增加活性粒子反應，例如活性氧/氮物質(Reactive Oxygen/Nitrogen Species，RONS)，本發明形成之電漿束所產生的RONS可以殺菌及抑菌，以促進傷口細胞增生的反應路徑，刺激傷口癒合。
首先，請參照本發明第一圖及第二圖所示，一種常壓電漿束產生裝置10包含一殼體12、一電極導管14、一第二介電材料16，殼體12還可以區分成上殼體121、連接體122及下殼體123，當上殼體121、連接體122及下殼體123組合後，會使殼體12中形成一容置空間124，其主要是下殼體123所產生之空間，此一容置空間124的存在僅係為本實施例之說明，本發明不以此為限制，殼體12的一氣體進入口125係位在上殼體121側邊位置，殼體12之下殼體123的底部具有一開口126。氣體進入口125、電極導管14及開口126係相連通，第二介電材料16及電極導管14係位在容置空間124中，且第二介電材料16係位在下殼體123側壁以及電極導管14間，而電極導管14連通至開口126及連接體122。在本實施例中的第二介電材料16係為一中空圓筒狀，但本發明不以此形狀及數量為限制。
承接上段，並請同時參照本發明第三圖所示，本發明的電極導管14中包含有一外部電極142、一第一介電材料144及一內部電極148，第一介電材料144係環設在外部電極142中，且第一介電材料144中設有內部電極148，而內部電極148會在電極導管14中形成槽道146，在本發明中不限制槽道146的數量，會依照內部電極148的形狀而有差異，例如本實施例中內部電極148的橫剖面形狀係為具有三個矩形凹槽的形狀，而此三個矩形凹槽則會在電極導管14中形成三槽道146，內部電極148的橫剖面形狀係為多凹槽形狀，但可依照使用者的需求設計，本發明不以此為限制。在內部電極148與第一介電材料144間具有第一間隙G1，而第一介電材料144與外部電極142間具有第二間隙G2，在本發明中第一間隙G1加第二間隙G2的長度係小於0.3公釐(mm)，本發明不限制內部電極之長度，亦不對第一介電材料144多作限制。
說明完本發明的結構後，接著說明本發明的使用方式，並請同時參照第四圖、第五a圖及第五b圖所示，並請再同時參照第一圖，殼體12可以自氣體進入口125的位置接收外部氣體20，電極導管14則電性連接一外部電源22，且外部氣體20自氣體進入口125進入後，會流經電極導管14，接著藉由外部電源22的通電，使得電極導管14之內部電極148及其槽道146、外部電極142、第一介電材料144與外部氣體20產生反應，此時主要是內部電極148的槽道146以及極小的間隙距離(第一間隙G1+第二間隙G2)，其會大大的影響反應效果，此時電漿24會形成於內部電極148及其槽道146，並於內部電極148的槽道146流往殼體12底部，以自殼體12的開口126流出。在第五a圖中，外部電源22主要是將高壓端電性連接在電極導管14的內部電極148，而外部電極142則會電性連接接地端26，以形成一Filament模式；而第五b圖中，外部電源22則是將高壓端電性連接在電極導管14的外部電極142，而將接地端26電性連接在內部電極148，以形成一Glow模式。此二種模式的接法差在，Filament模式中的外部電源22電性連接內部電極148，可以提高所形成之電漿24的密度，然而Glow模式的電漿密度較低，使用者可以依應用目的隨時調整切換此二種模式，無論是何種模式下所形成的低溫電漿24，其溫度均為低溫(接近常溫)。在本發明中所揭露之外部氣體20係可為空氣、氮氣、氧氣、氬氣、氦氣、二氧化碳或其組合之混合氣體，本發明不限制所使用的氣體，使用者可以依照需求進行調整。第二介電材料16之主要用途為絕緣，當電極導管14電性連接外部電源22時，第二介電材料16可以避免外部電 源22放電至殼體12，以避免手握殼體12的使用者觸電，使用者也可以依照殼體12的材質或是厚度而決定是否一定要增設第二介電材料16，本發明則不以此為發明限制。
請參照本發明第六圖所示，本發明的常壓電漿束產生裝置10還可以插入水溶液28中，利用外部電源22及外部氣體20於常壓電漿束產生裝置10產生反應形成電漿後，電漿即可與水溶液反應，以形成富含自由基與活性化學物質的電漿水，本實施例係以Filament模式為例說明，但本發明不限制應當使用Glow模式或Filament模式，可依照使用者需求調整。本發明經由實驗，在操作瓦數為50瓦、頻率10~100kHz(千赫茲)，並與100毫升的自來水反應30分鐘，在溫度約攝氏30度與細菌濃度為107CFU/ml的大腸桿菌依照100：1的比例混合(1ml的電漿水與10μL大腸桿菌液混合)，放置約30分鐘後再將10μL大腸桿菌液均勻塗至培養皿上，從此實驗結果得知，經電漿水處理過的細菌幾乎全都被殺光，如本發明第七a圖所示，證實本案的電漿水確實有殺菌功能。如果是一般沒有使用電漿水殺菌的，塗在培養皿上，則呈現如第七b圖所示，可以看得出存有許許多多的細菌。
本案的電漿產生裝置主要是利用特殊槽道形狀結構之電極，並且將電場及流場設置為互相垂直的方式，利用外接電源的高電壓解離氣體產生低溫的電漿束，雖本發明的放電區溫度可落在攝氏25度~1370度，一般而言電漿束所操作的溫度約莫在攝氏25度至30幾度，溫度較一般電漿裝置低。若需提高溫度，使用者可以透過加強外部電源的瓦數，以提高電漿的產生溫度；因此，本發明的電漿束亦可透過電源的控制提高溫度。無論是何種槽道形狀的電極，影響低溫電漿束特性最直接的地方在於：內部電極與第一介電材料間的第一間隙及第一介電材料與外部電極間的第二間隙所加總的距離(例如第三圖中，第一間隙G1加第二間隙G2)，必須要小於0.3mm。可參照本發明第八a圖、第八b圖、第 八c圖，波長在200~300nm(奈米)之電漿放射光譜圖，其表示此電漿束可以產生大量的NO-γ，隨著第一間隙及第二間隙之距離和(G1+G2)越小，所產生的電漿相對強度最強，明顯可以從第八a圖在第一間隙及第二間隙距離和為2mm、第八b圖在第一間隙及第二間隙距離和為1mm及第八c圖在第一間隙及第二間隙距離和為0.3mm中發現，第八c圖的電漿強度是最強。上述實施例中的內部電極橫剖面，其形狀除了是多凹槽形狀以外，請同時參照本發明第九a圖~第九f圖所示，還可以是扇形、至少一扇形或多尖角形，使得所形成的槽道形狀及數量皆不同，上述圖示也僅是本發明之說明圖例，也不侷限於上述圖示的形狀與數量。
有鑑於此，本發明的電漿產生裝置可以將較難解離的氣體(例如氮氣)解離產生出低溫常壓電漿束，且比習知技術的電漿束溫度低。低溫電漿為低解離態氣體，包含豐富的高化學活性與高能粒子，如自由基、自由電子與帶電離子，應用在生物體上，不會因高溫產生傷害影響，並且同時具有殺菌的功效，在生醫方面的應有具有巨大的潛力，例如止血、殺菌、牙齒美白、傷口癒合等。
以上所述之實施例僅說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍。
10:常壓電漿束產生裝置
12:殼體
121:上殼體
122:連接體
123:下殼體
124:容置空間
125:氣體進入口
126:開口
14:電極導管
142:外部電極
144:第一介電材料
146:槽道
148:內部電極
16:第二介電材料
20:外部氣體
22:外部電源
24:電漿
26:接地端
28:水溶液
G1:第一間隙
G2:第二間隙
第一圖為本發明的剖面示意圖。 第二圖為本發明的分解示意圖。 第三圖為本發明電極導管的橫剖面示意圖。 第四圖為本發明產生電漿的示意圖。 第五a圖為本發明之Filament模式的方塊示意圖。 第五b圖為本發明之Glow模式的方塊示意圖。 第六圖為本發明設置於水溶液中的簡易示意圖。 第七a圖為本發明用於產生電漿水進行殺菌後的示意圖。 第七b圖為一般未實施殺菌前的示意圖。 第八a圖~第八c圖為本發明第一間隙及第二間隙和於不同長度下的實驗結果圖。 第九a圖~第九f圖為本發明中內部電極不同形狀之橫剖面示意圖。
10‧‧‧常壓電漿束產生裝置
12‧‧‧殼體
121‧‧‧上殼體
122‧‧‧連接體
123‧‧‧下殼體
124‧‧‧容置空間
125‧‧‧氣體進入口
126‧‧‧開口
14‧‧‧電極導管
142‧‧‧外部電極
144‧‧‧第一介電材料
148‧‧‧內部電極
16‧‧‧第二介電材料

Claims (9)

  1. 一種常壓電漿束產生裝置，包含：一殼體，其中設有一電極導管、一氣體進入口，及該殼體的底部具有一開口，該氣體進入口係與該電極導管及該開口相連通，該電極導管中具有一內部電極、一外部電極及一第一介電材料，該第一介電材料係環設於該外部電極及該內部電極間，並使該內部電極在該電極導管中形成槽道，該槽道為具有兩邊高起的牆面且中間凹下的凹槽，一外部電源以導線連接至該內部電極與該外部電極，並在該電極導管內產生高電場，當該外部氣體自該氣體進入口流經該電極導管時，被該電極導管內之該高電場解離而產生常壓電漿，再由該開口流出。
  2. 如請求項1所述之常壓電漿產生裝置，其中該內部電極與該第一介電材料具有第一間隙，且該第一介電材料與該外部電極具有第二間隙。
  3. 如請求項2所述之常壓電漿產生裝置，其中該第一間隙加該第二間隙之長度係小於0.3公釐(mm)。
  4. 如請求項1所述之常壓電漿產生裝置，其中當該外部電源係將高壓端電線連接該內部電極時，該外部電極電性連接接地端；當該外部電源係將高壓端電線連接該外部電極時，該內部電極電性連接接地端。
  5. 如請求項1所述之常壓電漿產生裝置，其中該槽道的橫剖面形狀係為一扇形、至少一扇形、多尖角形或多凹槽形。
  6. 如請求項1所述之常壓電漿產生裝置，其中該外部氣體係為空氣、氮氣、氧氣、氬氣、氦氣、二氧化碳或其組合之混合氣體。
  7. 如請求項1所述之常壓電漿產生裝置，其中該電漿束溫度係在攝氏25~100度間。
  8. 如請求項1所述之常壓電漿產生裝置，其中該電漿混合水後係可形成電漿水溶液。
  9. 如請求項1所述之常壓電漿產生裝置，其中該殼體更包含一第二介電材料，其係位於該殼體側壁及該電極導管間，當該電極導管藉由導線連接外部電源時，該第二介電材料可避免該外部電源放電至該殼體。
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