專利名稱：一種同軸型低溫等離子體物料處理器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明為一種低溫等離子體物料處理器，特別涉及同軸型低溫等離子體物料處理器。
背景技術：
介質(zhì)阻擋放電原理是一種重要的低溫等離子體產(chǎn)生機制，它通過在陰陽兩電極中的任意極上覆蓋固體電介質(zhì)或在陰陽兩電極間放置固體電介質(zhì)，抑制放電電流，阻止放電形式轉(zhuǎn)向電弧放電，產(chǎn)生低溫等離子體。在納米粉末表面處理等表面處理工程中需大體積均勻放電的低溫等離子體。介質(zhì)阻擋放電在一個大氣壓或低氣壓下能以似輝光放電或輝光放電形式放電，產(chǎn)生空間均勻分布的低溫等離子體。大氣壓介質(zhì)阻擋放電因不需真空系統(tǒng)、結構簡單、成本低廉而成為重要選擇方案。大氣壓介質(zhì)阻擋放電結構主要分為同軸型與平板型。為產(chǎn)生輝光放電或似輝光放電，放電器的陰陽電極間距一般小于1厘米。平板結構的大氣壓介質(zhì)阻擋放電主要用于大件材料的表面處理，同軸結構的大氣壓介質(zhì)阻擋放電最早用在臭氧發(fā)生器中。在類似臭氧發(fā)生器的同軸結構大氣壓介質(zhì)阻擋放電應用中，氣體介質(zhì)為空氣，固體電介質(zhì)材料一般為陶瓷或耐熱玻璃。在納米粉末表面處理等材料應用中常利用氫氣、甲烷等易燃易爆氣體作為工作氣體，在這種同軸結構大氣壓介質(zhì)阻擋放電器的應用中，需要考慮放電狀態(tài)的可視性及工作氣體的密封性。為滿足放電狀態(tài)可視性要求，外電極表面的固體電介質(zhì)可采用具備耐熱特性的玻璃。在傳統(tǒng)設計方案中，內(nèi)外固體電介質(zhì)的固定需采用復雜的氣密結構，如O形圈與金屬或非金屬套筒等。在放電器長期運行中，放電管溫度升高。因耐熱玻璃與固定器件的熱膨脹系數(shù)不同，極易引起玻璃碎裂或氣體泄漏。因放電管內(nèi)存在大量活性粒子，O形圈易老化而造成氣密失效。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術容易引起玻璃碎裂或氣體泄漏的缺點，提供一種可滿足放電狀態(tài)可視性、放電工作氣體不泄漏的低溫等離子體物料處理器。
本發(fā)明低溫等離子體物料處理器包括一同軸型一體式放電與物料處理腔體、內(nèi)電極、外電極，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)及風冷系統(tǒng)。放電與物料處理腔體由內(nèi)管和外管組成，內(nèi)管與外管圓柱軸心重合。外管外側覆蓋外電極，內(nèi)管內(nèi)貫穿內(nèi)電極。放電與物料處理腔體兩端沿圓周方向均勻分布有供工作氣體和待處理物質(zhì)輸入、輸出的進、出氣(料)嘴。本發(fā)明采用網(wǎng)狀金屬外電極與玻璃質(zhì)固體電介質(zhì)放電與物料處理腔體，以滿足放電狀態(tài)的可視性的要求。考慮到放電工作氣體不泄漏的密閉性要求，本發(fā)明的放電與物料處理腔體設計為一體式，進、出氣(料)嘴采用與玻璃質(zhì)固體電介質(zhì)相同的材料，并用玻璃加工工藝，將管狀玻璃質(zhì)固體電介質(zhì)放電與物料處理腔體與進、出氣(料)嘴燒結為整體。出氣(料)嘴設有用于氣密的突環(huán)。本發(fā)明的內(nèi)電極采用金屬管，其內(nèi)通冷卻水，用水循環(huán)冷卻系統(tǒng)吸收內(nèi)電極與玻璃質(zhì)固體電介質(zhì)內(nèi)管上產(chǎn)生的焦耳熱，防止放電與物料處理腔體玻璃質(zhì)固體電介質(zhì)內(nèi)管熔融，從而使本發(fā)明能長時間工作。同時，本發(fā)明還采用風冷系統(tǒng)吸收外電極與玻璃質(zhì)固體電介質(zhì)外管上產(chǎn)生的焦耳熱，防止放電與物料處理腔體玻璃質(zhì)固體電介質(zhì)外管熔融，減緩外電極氧化。管狀金屬內(nèi)電極接地，網(wǎng)狀金屬外電極接交流高電壓。
當本發(fā)明的內(nèi)外電極接高壓交流電源時，放電與物料處理腔體中內(nèi)管附近的氣體介質(zhì)在強電場下電離，形成多電子雪崩放電或多電子流注放電，外管內(nèi)側附近的氣體介質(zhì)的電場較小，在高電壓作用下形成流注放電。在玻璃質(zhì)固體電介質(zhì)作用下放電電流密度小，放電形式為輝光放電或似輝光放電。放電與物料處理腔體中工作氣體電離，形成低溫等離子體。
運行時，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)與風冷系統(tǒng)首先開機，冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，連接內(nèi)、外電極的高壓交流電源輸出高壓交流電。從本發(fā)明的進氣(料)嘴輸入的工作氣體在腔體的內(nèi)、外管間區(qū)域電離后，形成正、負粒子。部分離子在電場加速作用下撞擊從進氣(料)嘴輸入的納米粉末或待處理氣體，以物理或化學方式附著在納米粉末表面或生成新的氣體。殘余氣體及處理后的納米粉末或氣體從出氣(料)口排出。氣體放電產(chǎn)生的焦耳熱及粒子間物理、化學反應釋放的熱量被水循環(huán)冷卻系統(tǒng)及風冷系統(tǒng)吸收，物料處理器溫度維持穩(wěn)定。
圖1為本發(fā)明放電和物料處理腔體的結構示意圖。其中1外管、2內(nèi)管、3進氣(料)腔、4進氣(料)嘴、5出氣(料)腔、6出氣(料)嘴、7突環(huán)。
圖2為本發(fā)明放電與物料處理腔體及其所附的內(nèi)外電極示意圖。其中9外電極、11內(nèi)電極、10引出端。
圖3為本發(fā)明放電與物料處理腔體的剖面圖。
圖4為本發(fā)明結構示意圖。其中12風冷系統(tǒng)、13地、14增壓水泵、15水箱、16水管。
具體實施例方式
本發(fā)明由同軸型一體式放電與物料處理腔體、內(nèi)電極11、外電極9、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)及風冷系統(tǒng)12等構成。
同軸型一體式放電與物料處理腔體由玻璃質(zhì)物質(zhì)整體制成，玻璃質(zhì)物質(zhì)可為石英玻璃等耐熱玻璃。如圖1所示，放電與物料處理腔體由外管1、內(nèi)管2、進氣(料)腔3、進氣(料)嘴4、出氣(料)腔5及出氣(料)嘴6構成。內(nèi)管2壁厚均勻，為1-5毫米，內(nèi)徑3-20毫米，管長可根據(jù)實際需要決定。外管1壁厚均勻，為1-5毫米，內(nèi)徑5-50毫米，管長可根據(jù)實際需要決定。一體式放電腔體的內(nèi)管2與外管1圓柱軸心重合。進氣(料)嘴4用于輸入工作氣體與待處理的物質(zhì)，其數(shù)量與尺寸可根據(jù)實際需要決定，進氣(料)嘴4設有用于氣密的突環(huán)7。進氣(料)腔3為進氣(料)嘴4與外管1的過渡段，進氣(料)嘴4分布在進氣(料)腔3上，進氣(料)腔3與外管1的連接部分為凹圓弧形，進氣(料)腔3外表面的軸向長度根據(jù)沿面閃絡要求決定。出氣(料)嘴6用于輸出處理后的物質(zhì)與殘余氣體，其數(shù)量與尺寸可根據(jù)實際需要決定，出氣(料)嘴6設有用于氣密的突環(huán)(8)。出氣(料)腔5為出氣(料)嘴6與外管1的過渡段，出氣(料)嘴6分布在出氣(料)腔5上，出氣(料)腔5與外管1的連接部分為凹圓弧形，出氣(料)腔5外表面的軸向沿面長度大于15厘米，以防止內(nèi)外電極間的沿面閃絡。進氣(料)嘴4與出氣(料)嘴6在腔體上沿圓周方向均勻分布。
同軸型一體式放電腔體的制備工藝為將內(nèi)管2、外管1、進氣(料)嘴4、進氣(料)腔3、出氣(料)嘴6及出氣(料)腔5各自的連接部分用加熱方法轉(zhuǎn)變成液態(tài)后連接在一起，再用退火工藝消除連接部分的應力。
如圖2所示，放電與物料處理腔體外側覆蓋外電極9，內(nèi)管2內(nèi)貫穿內(nèi)電極11，外電極上裝有引出端10，引出端10上有用于固定的螺孔。
內(nèi)電極由紫銅管制成。內(nèi)電極置于放電與物料處理腔體的內(nèi)管內(nèi)，兩者緊密配合。內(nèi)電極的長度大于內(nèi)管長，內(nèi)電極兩側伸出內(nèi)管的長度可根據(jù)實際需要決定。內(nèi)電極接地。
外電極由銅網(wǎng)制成，網(wǎng)眼小于5×5平方毫米。外電極覆蓋在外管外側，將外管完全包裹住，外電極可用數(shù)個紫銅環(huán)固定。外電極須延伸至進氣(料)腔、出氣(料)腔與外管的弧形連接段上。外電極接交流高電壓。
內(nèi)電極11與外電極9與放電與物料處理腔體緊密接觸，如圖3所示。
如圖4所示，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)由水管16、增壓水泵14與水箱15組成。水管16緊密套接在內(nèi)電極10的外表面或內(nèi)表面。增壓水泵的揚程大于5米。水循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作時，增壓水泵從水箱中抽水，經(jīng)水管輸送至內(nèi)電極內(nèi)，冷卻水與內(nèi)電極通過熱傳導方式交換熱量，維持內(nèi)電極的溫度平衡。風冷系統(tǒng)12采用軸流鼓風機等驅(qū)動外電極周圍的氣體流動，該風冷系統(tǒng)安裝在外電極9附近。
本發(fā)明所接的高壓交流電壓源的電壓為1-100kV，頻率為50Hz-100kHz。
本發(fā)明放電與物料處理腔體的玻璃質(zhì)內(nèi)管2為覆蓋在內(nèi)電極11外壁面上的固體電介質(zhì)，玻璃質(zhì)外管1為覆蓋在外電極9內(nèi)壁面上的固體電介質(zhì)。外電極9、玻璃質(zhì)外管1、玻璃質(zhì)內(nèi)管2、內(nèi)電極11構成同軸型介質(zhì)阻擋放電結構，如圖3所示。水循環(huán)冷卻系統(tǒng)與風冷系統(tǒng)吸收低溫等離子體物料處理器產(chǎn)生的焦耳熱，使低溫等離子體處于熱平衡狀態(tài)。一體式放電與物料處理腔體的設計徹底解決了低溫等離子體放電和物料處理過程中的氣密性問題。
本發(fā)明的外電極9引出端10接高壓交流電源17，內(nèi)電極11與地13相連。
本發(fā)明運行時，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的增壓泵14與風冷系統(tǒng)12首先開機，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)與風冷系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，連接內(nèi)、外電極的高壓交流電源17輸出高壓交流電。從進氣(料)嘴4輸入的工作氣體在高電壓作用下，在放電與物料處理腔體的內(nèi)、外管間區(qū)域發(fā)生輝光放電或似火光放電。從進氣(料)嘴4輸入納米粉末或待處理氣體。氣體放電產(chǎn)生的部分離子在電場加速作用下撞擊輸入的納米粉末或待處理氣體，以物理或化學方式附著在納米粉末表面或生成新的氣體。殘余氣體及處理后的納米粉末或氣體從出氣(料)口6排出。氣體放電產(chǎn)生的焦耳熱及粒子間物理、化學反應釋放的熱量被水循環(huán)冷卻系統(tǒng)及風冷系統(tǒng)吸收，本發(fā)明同軸型低溫等離子體物料處理器的溫度維持穩(wěn)定。
權利要求
1.一種同軸型低溫等離子體物料處理器，其特征在于它包括一同軸型一體式放電與物料處理腔體和內(nèi)電極[11]、外電極[9]，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)及風冷系統(tǒng)[12]；同軸型一體式放電與物料處理腔體由玻璃質(zhì)物質(zhì)整體制成；放電與物料處理腔體由外管[1]、內(nèi)管[2]、進氣(料)腔[3]、進氣(料)嘴[4]、出氣(料)腔[5]及出氣(料)嘴[6]構成；內(nèi)管[2]與外管[1]圓柱軸心重合；進氣(料)嘴[4]設有用于氣密的突環(huán)[7]；進氣(料)腔[3]分布在進氣(料)腔3上，為進氣(料)嘴[4]與外管[1]的過渡段，進氣(料)腔[3]與外管[1]的連接部分為凹圓弧形，進氣(料)腔[3]外表面的軸向長度根據(jù)沿面閃絡要求決定；出氣(料)嘴[6]設有用于氣密的突環(huán)[8]；出氣(料)腔[5]為出氣(料)嘴[6]與外管[1]的過渡段，出氣(料)嘴[6]分布在出氣(料)腔5上，出氣(料)腔[5]與外管[1]的連接部分為凹圓弧形，出氣(料)腔[5]外表面的軸向沿面長度大于15厘米，以防止內(nèi)外電極間的沿面閃絡；進氣(料)嘴[4]與出氣(料)嘴[6]在腔體上沿圓周方向均勻分布；放電與物料處理腔體外側覆蓋外電極[9]，內(nèi)管[2]內(nèi)貫穿內(nèi)電極[11]，外電極[9]上裝有引出端[10]，引出端[10]上有用于固定的螺孔；內(nèi)電極[11]、外電極[9]與放電與物料處理腔體緊密接觸；水循環(huán)冷卻系統(tǒng)由水管[16]、增壓水泵[14]與水箱[15]組成。水管[16]緊密套接在內(nèi)電極[10]的外表面或內(nèi)表面；風冷系統(tǒng)[12]采用軸流鼓風機等，安裝在外電極[9]附近。
2.按照權利要求1所述的同軸型低溫等離子體物料處理器，其特征在于所述的內(nèi)電極[11]由金屬管制成，置于放電與物料處理腔體的內(nèi)管[2]內(nèi)，兩者緊密配合；內(nèi)電極[11]的長度大于內(nèi)管[2]長，內(nèi)電極[11]兩側伸出內(nèi)管[2]的長度可根據(jù)實際需要決定；內(nèi)電極[11]接地。
3.按照權利要求1所述的同軸型低溫等離子體物料處理器，其特征在于所述的外電極[9]由金屬網(wǎng)制成，網(wǎng)眼小于5×5平方毫米；外電極[9]覆蓋在外管[1]外側，將外管[1]完全包裹住；外電極[9]可用數(shù)個金屬環(huán)固定；外電極[9]須延伸至進氣(料)腔[3]、出氣(料)腔[5]與外管[1]的弧形連接段上；外電極[9]接交流高電壓。
4.按照權利要求1所述的同軸型低溫等離子體物料處理器，其特征在于所述的同軸型一體式放電腔體的制備工藝為，將內(nèi)管[2]、外管[1]、進氣(料)嘴[4]、進氣(料)腔[3]、出氣(料)嘴[6]及出氣(料)腔[5]各自的連接部分用加熱方法轉(zhuǎn)變成熔融狀態(tài)后連接在一起，再用退火工藝消除連接部分的應力。
全文摘要
一種同軸型低溫等離子體物料處理器，包括同軸型一體式放電與物料處理腔體、內(nèi)電極[11]、外電極[9]、水循環(huán)冷卻系統(tǒng)及風冷系統(tǒng)[12]放電與物料處理腔體由內(nèi)管[2]和外管[1]組成，內(nèi)管[2]與外管[1]圓柱軸心重合。外管[1]外側覆蓋外電極[9]，內(nèi)管[2]內(nèi)貫穿內(nèi)電極[11]。放電與物料處理腔體兩端沿圓周方向均勻分布有供工作氣體和待處理物質(zhì)輸入、輸出的進、出氣(料)嘴。該裝置利用介質(zhì)阻擋放電原理，在同軸型處理器腔體內(nèi)產(chǎn)生低溫等離子體，輸入腔體待處理的微?；驓怏w在腔體內(nèi)經(jīng)低溫等離子體處理后排出。本裝置能在密閉腔體內(nèi)連續(xù)產(chǎn)生工業(yè)應用的低溫等離子體，可滿足放電狀態(tài)可視性、放電工作氣體不泄漏，具有結構簡單、工作安全的特點。
文檔編號B01J19/08GK1832655SQ200510011398
公開日2006年9月13日 申請日期2005年3月9日 優(yōu)先權日2005年3月9日
發(fā)明者袁偉群, 嚴萍 申請人:中國科學院電工研究所