专利名称：大气压裸电极冷等离子体射流发生装置的制作方法
技术领域：
本发明属于等离子体放电反应器技术领域，涉及一种大气压裸电极冷等离子体射流发生装置。
背景技术：
等离子体按照热力学性质可分为两种，其一是高温离子体，宏观温度高达IO6 IO8K,处于热力学平衡状态；其二是低温等离子体，宏观温度较低，大约IO2 105K。低温等离子体按温度又可分为热等离子体(宏观温度IO3 IO5K,热力学平衡或近热力学平衡)和冷等离子体(宏观温度IO2 IO3K,非热力学平衡)。冷等离子体虽然宏观温度不高，但其中的电子温度和气体温度之比大约为10 100比1，因此同样具有很高的化学活性其中富集大量的离子、电子、激发态原子、分子及自由基等活性粒子，比常见的液体和气体的化学反应器中所产生的活性粒子种类更多、活性更强，易于和所接触的材料表面发生反应。因此，近年来冷等离子体在灭菌消毒、臭氧合成、固体薄膜沉积、表面改性(改善薄膜、纸张、纺织品以及纤维的吸水性、导电性、粘着性、印染性和可湿性等性质)、等离子体刻蚀、器件清洗、大气污染处理等领域得到越来越广泛的应用。冷等离子体射流技术是近年来兴起的一种新型类辉光冷等离子体发生技术，可以将微小空间内的放电加以扩大并引出。冷等离子体射流直径为几十微米至几毫米，射流长度可达几十毫米，可方便的应用于小范围或局部处理，并且击穿电压较低、离子和亚稳态原子浓度较高、电子温度高、中性粒子温度低、产生的等离子体中均匀部分较大、可控性好。目前，多数冷等离子体是在几百帕以下的低气压下通过气体放电产生的，对于大规模工业生产，低气压等离子体需采用真空系统，技资高且应用复杂，分批处理每次取放试品均需重新抽真空充入工作气体，难于连续生产。而大气压下形成的冷等离子体由于无需真空腔，被处理工件尺寸不受限制，可连续工作等优势，更适合用于大规模生产应用。当前大气压冷等离子体射流装置多由介质阻挡感性耦合或容性耦合放电产生，电源通常采用射频电源、微波电源或者高压脉冲电源，这三类电源的成本较高，操作、控制及维护相对复杂。使用介质阻挡放电(DBD)产生等离子体射流的装置依赖于石英等绝缘介质，而此类介质存在可加工性差、强度低等问题，使得介质阻挡放电的射流装置不易在生产中推广。另外，大气压冷等离子体射流装置通常使用氦气、氩气等惰性气体及其混合气体作为工作气体，对于大气压环境下的放电，用气量非常巨大，从经济性考虑，如果使用氮气或者氧气作为工作气体将大大减少用气的费用。但当前使用氮气或氧气做工作气体产生大气压冷等离子体射流的研究尚不成熟。公开号为CN101252805A的发明采用双针悬浮电极产生大气压冷等离子体射流；公开号为 CN101330794A、CN101466194A、CN101426327A、CN101652016A 的专利，分别使用不同结构的电极进行介质阻挡放电产生大气压冷等离子体射流。这些装置是由于电极悬浮或是由于介质阻挡产生的冷等离子体射流，如果将其应用于对金属材料进行处理，则此类冷等离子体射流易与金属之间发生击穿放电，产生高温电弧，烧伤被加工表面。
发明内容
本发明旨在提供一种大气压裸电极冷等离子体射流发生装置，具有结构简单、使用安全、实用性强等特点。可用氮气或氧气做工作气体，在大气压下开放的空气环境中获得均匀稳定的冷等离子体射流。一种大气压裸电极冷等离子体射流发生装置，包括工作气体源、减压阀、可调流量 计、高压电源、圆柱形壳体、喷嘴电极、针电极组成。工作气体由工作气体源经减压阀和可调流量计进入圆柱形壳体尾部。高压电源的高压输出端接针电极，低压输出端接喷嘴电极并且接地。圆柱形壳体的尾部与供气系统连接，前端通过螺纹与喷嘴电极连接；圆柱形壳体正中有一与针电极外径相同的中心孔，用来放置并定位针电极；在圆柱形壳体的中心孔周围均布若干与其平行的通孔，用以将工作气体输送到喷嘴电极内的放电区域。喷嘴电极尾部为筒状，与圆柱形壳体通过螺纹紧密连接；喷嘴电极的前部为锥台状，锥台顶部有一圆孔作为喷嘴电极出口，冷等离子体射流通过此出口圆孔射出。针电极固定在圆柱形壳体的中心孔中；针电极尖端距喷嘴电极出口圆孔有一定的距离。通过调整电源电压和工作气体流量，冷等离子体将在针电极尖端产生，并随气流由喷嘴电极出口喷射而出，形成冷等离子体射流。使用此装置形成的大气压冷等离子体射流宏观温度为室温或略高于室温。本发明的有益之处在于该装置使用针电极和喷嘴电极的结构，在大气压下可以产生稳定的冷等离子体射流。由于采用裸露电极的形式，产生的冷等离子体射流温度低，且不会与金属工件表面发生之间击穿放电；不但可使用惰性气体做工作气体，也可以使用氮气或氧气，以保证较低的用气成本；可使用直流或中低频高压电源，相比射频电源、微波电源以及脉冲电源，电源的购置成本大幅度降低，使用更加简单，同时对电网和其它设备的电磁干扰也更低；工作在大气压开放的工作环境中，无需真空腔，无需特殊气氛，方便在大多数工况下使用。总之，使用该装置，可在常压开放环境下获得均匀、稳定的冷等离子体射流，该装置具有等离子体射流温度低、长度长、产生及维持射流的电压低、连续工作时间长、电极结构简单、操作容易等特点。
图I为本发明的大气压裸电极冷等离子体射流发生装置的结构示意图。图中，I圆柱形壳体，2针电极，3喷嘴电极，4冷等离子体射流，5高压电源，6可调流量计，7减压阀，8工作气体源。图2(a)为本发明实施例中圆柱形壳体的轴向截面图。图2(b)为本发明实施例中圆柱形壳体的径向截面图。图3为本发明实施例中喷嘴电极的轴向截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细说明。一种大气压裸电极冷等离子体射流发生装置，包括工作气体源8、减压阀7、可调流量计6，通过管路顺序连接；可调流量计6的输出端通过管路连接圆柱形壳体I的尾端；针电极2固定在圆柱形壳体I中心的通孔中，喷嘴电极3固定在圆柱形壳体I的前端，并与针电极2同轴；高压电源5的输出端一端接针电极2，另一端接喷嘴电极3并且接地。工作气体由工作气体源8中经减压阀7、可调流量计6以固定流量从尾端进入圆柱形壳体1，穿过围绕针电极2均布的通气孔，进入喷嘴电极3，在针电极2的尖端发生放电产生等离子体，并随气流吹出喷嘴形成射流。工作气体可以是氮气、氧气或惰性气体，也可以是以上几种气体的混合气。高压电源5可为直流高压电源或中、低频交流高压电源。使用直流高压电源时，将电源输出端负极与针电极2相连，正极与喷嘴电极3相连并且接地；使用交流高压电源时，将电源的交流高压输出端与针电极2连接，低压输出端与喷嘴电极3连接并且接地。圆柱形壳体I整体由绝缘性能良好且可加工性好的材料制成，可以是尼龙、塑料、聚四氟乙烯等材料。圆柱形壳体I在加工时，需保证中心孔和针电极2之间配合精度，且保证针电极3和喷嘴电极3安装之后的具有较高的同轴度。圆柱形壳体I中在中心孔周围均布的通气孔直径在允许的范围内尽量大一些，以减少对工作气体的阻碍，通气孔的数量以4至8个为宜，在中心孔四周轴对称均匀分布。针电极2整体由导电性能良好并且耐烧蚀的材料制成，可选用铜焊条或钨电极截断、磨制而成。针电极2的直径对等离子体射流影响不大，可在I 3mm之间选择。针电极2的尖端是否尖锐对等离子体射流的产生和稳定有较大影响，使用时需观察针电极2尖端是否发生烧蚀而变钝，如果尖端变钝，需要立刻重磨。喷嘴电极3整体由导电性能良好且可加工性好的材料制成，比如不锈钢、铜、招合金等。喷嘴电极3的出口直径根据应用的不同,在I. 5 5mm之间选择。本发明的大气压裸电极冷等离子体射流发生装置在使用时，首先连接所有的管路和电路；打开减压阀7，通过可调流量计6调整冷等离子体射流的工作气体流量，此流量需根据喷嘴电极3出口直径的不同和冷等离子体射流的应用场合的不同在O. lm3/h至2. OmVh之间选择，流量的大小将影响冷等离子体射流的长度及放电电压，可经试验确定；从低到高调整高压电源5的输出电压，直到产生稳定的冷等离子体射流，并且针电极2和喷嘴电极3之间没有丝状放电击穿为止，此时，冷等离子体射流即可投入使用。在喷嘴电极3的出口直径不变且针电极2和喷嘴电极3之间的距离不变的情况下，稳定的冷等离子体射流产生后，工作气体的流量和高压电源5的输出电压均不需要改变，仅需要控制工作气体和高压电源5的通断即可。具体实施例图2为使用聚四氟乙烯材质加工的圆柱形壳体I。图2(a)中圆柱形壳体I的尾端加工成内管螺纹，用来连接普通快速接头，方便工作气体管路的接入；圆柱形壳体I的另一端加工成普通的内螺纹，在方便喷嘴电极3接入的同时可保证喷嘴电极3和针电极2之间的同轴度；圆柱形壳体I两端内螺纹尽头均留有退刀槽以方便螺纹加工；圆柱形壳体I的中心孔直径I. 6mm ;如图2(a)和图2(b)所示，在圆柱形壳体I内中心孔周围轴对称的均布6个直径为3mm的通气孔。
图3中喷嘴电极3的材料为黄铜，与圆柱形壳体I连接的一端加工成外螺纹；喷嘴电极3出口直径为4mm。针电极2使用直径I. 6mm的氩弧焊钨电极磨制而成。将针电极2安装于圆柱形壳体I的中心孔，再将喷嘴电极3旋入圆柱形壳体I的螺纹孔中固定；调整针电极2和喷嘴电极3的出口之间垂直距离为2. 5mm。 高压电源5采用中频交流高压电源，电源输出频率50k 120kHz，输出电压O 10kV，最大功率150W ;压输出端连接针电极2，低压输出端连接喷嘴电极3并且接地。工作气体采用纯度99. 999%的高纯氮气。按照图I的连接方式，将管路连接至圆柱形壳体I尾部的快速接头中，打开减压阀7，调整可调流量计6，使流量达到O. 8m3/h ;打开高压电源5，调整频率至55kHz，从O开始逐渐增加电源输出电压，直到输出电压峰-峰值大约达到750V左右，即可观察冷等离子体射流4喷射而出，射流温度和室温相当；继续增大电压，冷等离子体射流4将更加明亮，长度也会更长；直到针电极2和喷嘴电极3之间出现丝状放电击穿，此时高压电源5处于脉动状态，等离子体放电的稳定性下降，冷等离子体射流4的温度也迅速提高，针电极尖端会因放电烧蚀而变钝，应尽量避免出现丝状放电出现。在稳定的工作电压下，冷等离子体射流可以长时间工作。加工结束后，关闭高压电源5和减压阀7，不需调整可调流量计6的流量和高压电源5的输出电压；下次使用时，直接将减压阀7和高压电源5打开，即可产生稳定的冷等离子体射流，无需再次调整电源输出电压和工作气体流量。
权利要求
1.一种大气压裸电极冷等离子体射流发生装置，包括工作气体源、减压阀、可调流量计、圆柱形壳体、高压电源、喷嘴电极、针电极，其特征在于工作气体源通过减压阀和可调流量计进入圆柱形壳体尾部；高压电源的高压输出端接针电极，低压输出端接喷嘴电极并且接地；圆柱形壳体的尾部与供气系统连接，前端与喷嘴电极连接，圆柱形壳体的中心孔放置并定位针电极；圆柱形壳体用绝缘制成；圆柱形壳体的中心孔周围均布若干通孔，这些通孔与中心孔平行并且轴对称分布；喷嘴电极用导电材料制成；喷嘴电极尾部为筒状，用螺纹与圆柱形壳体紧密连接；喷嘴电极的前部为圆台状，圆台顶部有一圆孔作为喷嘴电极出口 ；针电极用导电耐高温烧蚀的材料制成；针电极固定在圆柱形壳体的中心孔中；针电极尖端与喷嘴电极出口圆孔有距离。
全文摘要
本发明提出一种大气压裸电极冷等离子体射流发生装置，包括工作气体源、减压阀、可调流量计、高压电源、圆柱形壳体、喷嘴电极、针电极组成。绝缘材质的圆柱形壳体尾部与供气系统连接，前端通过螺纹与喷嘴电极连接；针电极固定在圆柱形壳体的中心孔，针电极尖端与喷嘴电极之间保持一定的放电间隙；圆柱形壳体的中心孔周围均布若干与其平行的通孔，用以将工作气体输送到喷嘴电极内的放电区域；高压电源的高压输出端接针电极，低压输出端接喷嘴电极并接地。调整电源电压和工作气体流量，冷等离子体将在针电极尖端产生，并由喷嘴电极出口喷射而出，形成冷等离子体射流。本发明可在大气压开放的空气环境中获得均匀稳定的冷等离子体射流。
文档编号H05H1/26GK102625557SQ201210089200
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月30日 优先权日2012年3月30日
发明者刘新, 孙晶, 宋金龙, 徐文骥, 武立波, 王续跃 申请人:大连理工大学