非平衡等離子體產(chǎn)生裝置及顆粒狀粉末表面改性處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非平衡等離子體產(chǎn)生裝置及顆粒狀粉末表面改性處理系統(tǒng)，包括腔體、屏蔽網(wǎng)以及設(shè)置在腔體內(nèi)的高壓電極單元和低壓電極單元；高壓電極單元設(shè)置在高壓電極絕緣蓋板的下表面，高壓電極單元包括多個均勻陣列排布的高壓線電極，在高壓電極絕緣蓋板上設(shè)置有多個均勻陣列排布的第一通孔；各個高壓線電極的一端與高壓電極引線的一端固定；高壓線電極的另一端通過高壓電極固定螺栓固定，高壓電極引線的另一端通過第一通孔引出；并將各個高壓電極引線連接后作為非平衡等離子體產(chǎn)生裝置的脈沖高壓輸入端。本發(fā)明采用了高壓納秒重復(fù)頻率脈沖直接驅(qū)動大氣壓下空氣中非平衡等離子體，放電峰值電流密度更大，產(chǎn)生活性粒子的效率更好，等離子體的非平衡性也更高。
【專利說明】非平衡等離子體產(chǎn)生裝置及顆粒狀粉末表面改性處理系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于氣體放電與等離子體應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種非平衡等離子體產(chǎn)生裝置及顆粒狀粉末表面改性處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來，大氣壓空氣非平衡等離子體由于獨有的優(yōu)勢和巨大的應(yīng)用前景受到了格外的關(guān)注。非熱平衡等離子體是一種部分電離的低溫等離子體，它的電子和離子溫度相差很大。這種等離子體中含有大量電子、亞穩(wěn)態(tài)離子、自由基等活性粒子，具有較強的反應(yīng)活性，因此在能源、材料、機械加工、環(huán)境保護等諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。其中很重要的一個研究方向是用于對材料表面改性處理的應(yīng)用探索。非平衡等離子體用于材料的處理大多集中在對薄膜等宏觀成品的處理，顆粒狀粉末作為一種比宏觀成品有更廣泛和特殊用途的中間原料，對其進行表面改性處理的研究卻相對較少。與薄膜或類似材料相比，顆粒狀粉末材料與氣體的接觸面積要大得多。因而，等離子體處理后粉體的表面形態(tài)以及結(jié)構(gòu)，甚至粒徑大小都有可能發(fā)生顯著變化。
[0003]目前，大氣壓空氣非平衡等離子較成熟的產(chǎn)生方法是介質(zhì)阻擋放電和電暈放電，如CNl01838800.B。介質(zhì)阻擋放電由于絕緣介質(zhì)的存在，放電間隙的距離一般都比較小，影響了放電電極的結(jié)構(gòu)擴展和實際應(yīng)用，此外介質(zhì)阻擋層在使用中可能改變性狀并產(chǎn)生污染，其材質(zhì)屬性也可能對放電反應(yīng)造成影響。電暈放電的不足之處是氣體的電離主要集中在電極附近，很難獲得整個空間大氣中大體積的等離子體，且等離子體電離效率有限，產(chǎn)生的電子能量并不高，難以應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。因此，在常溫大氣壓空氣的自然環(huán)境中低成本、連續(xù)地產(chǎn)生大面積或大體積非熱平衡等離子體，對于等離子體的工業(yè)化應(yīng)用具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種非平衡等離子體產(chǎn)生裝置，其目的在于解決現(xiàn)有等離子體放電形式存在的難以獲得大體積的等離子體、能量利用效率低、放電峰值電流密度小、產(chǎn)生活性粒子效率低、等離子體非平衡性差、使用限制大、應(yīng)用成本高等技術(shù)難題。
[0005]本發(fā)明提供了一種非平衡等離子體產(chǎn)生裝置，包括腔體、屏蔽網(wǎng)以及設(shè)置在腔體內(nèi)的高壓電極單元和低壓電極單元；所述腔體中相對的兩個表面作為高壓電極絕緣蓋板和低壓電極絕緣蓋板，相對的兩個側(cè)面作為屏蔽網(wǎng)，另外兩個相對的側(cè)面作為密封絕緣板；所述高壓電極單元設(shè)置在所述高壓電極絕緣蓋板的下表面，所述高壓電極單元包括多個均勻陣列排布的高壓線電極，在所述高壓電極絕緣蓋板上設(shè)置有多個均勻陣列排布的第一通孔；各個高壓線電極的一端與所述高壓電極引線的一端固定；所述高壓線電極的另一端通過所述高壓電極固定螺栓固定，所述高壓電極引線的另一端通過所述第一通孔引出；并將各個高壓電極引線連接后作為所述非平衡等離子體產(chǎn)生裝置的脈沖高壓輸入端；所述低壓電極單元設(shè)置在所述低壓電極絕緣蓋板的下表面，所述低壓電極單元包括多個均勻陣列排布的低壓線電極；在所述低壓電極絕緣蓋板上設(shè)置有多個均勻陣列排布的第二通孔；各個低壓線電極的一端與所述低壓電極引線的一端固定；所述低壓線電極的另一端通過所述低壓電極固定螺栓固定，所述低壓電極引線的另一端通過所述第二通孔引出；并將各個低壓電極引線連接后接地。
[0006]其中，所述高壓線電極和所述低壓線電極的結(jié)構(gòu)相同，所述高壓線電極的直徑為
0.2mm至Imm ;所述高壓線電極的長度為IOcm至200cm。
[0007]其中，所述高壓線電極和低壓線電極的垂直間距為2cm至8cm，所述高壓電極單元中的各個高壓線電極的水平間距為5cm至15cm。
[0008]其中，所述非平衡等離子體產(chǎn)生裝置的脈沖高壓輸入端接收的納秒脈沖的重復(fù)頻率為IOOHz至1000Hz，電壓幅值為50kV至150kV，單次高壓脈沖的上升沿時間為30ns。
[0009]其中，所述屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)孔直徑為0.5mm。
[0010]本發(fā)明還提供了一種顆粒狀粉末表面改性處理系統(tǒng)，包括非平衡等離子體產(chǎn)生裝置、脈沖發(fā)生器和收納籠，所述脈沖發(fā)生器通過高壓導(dǎo)線與所述非平衡等離子體產(chǎn)生裝置的脈沖高壓輸入端連接；所述收納籠用于收集已處理顆粒；所述非平衡等離子體產(chǎn)生裝置為上述的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置。
[0011]本發(fā)明能夠帶來如下技術(shù)效果:
[0012](I)采用了高壓納秒重復(fù)頻率脈沖直接驅(qū)動大氣壓下空氣中非平衡等離子體，實驗結(jié)果顯示，相比于介質(zhì)阻擋放電和電暈放電，這種放電形式中放電峰值電流密度更大，產(chǎn)生活性粒子的效率更好，等離子體的非平衡性也更高。
[0013](2)線陣列電極可有不同的長度和數(shù)量，可以增大放電中大氣壓非平衡等離子分布的體積，從而讓空氣電離區(qū)充滿在整個放電裝置中，提高了脈沖電源能量的利用效率。
[0014](3)線陣列電極設(shè)置于開放的常溫常壓空氣環(huán)境下，不需要復(fù)雜的介質(zhì)阻擋絕緣層，摒棄了昂貴且繁瑣的真空、充氣系統(tǒng)，容易構(gòu)造出結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、性能穩(wěn)定的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置。從而使得它的使用限制較小，應(yīng)用成本大大降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明非平衡等離子體產(chǎn)生裝置及顆粒狀粉末表面改性處理系統(tǒng)示意圖。
[0016]圖2是本發(fā)明非平衡等離子體產(chǎn)生裝置的正面示意圖。
[0017]圖3是本發(fā)明非平衡等離子體產(chǎn)生裝置的反面示意圖。
[0018]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:
[0019]I為非平衡等離子體產(chǎn)生裝置，101為高壓線電極；102為低壓線電極；103為高壓電極引線；104為低壓電極引線；105為高壓電極絕緣蓋板；106為低壓電極絕緣蓋板；107為第一通孔；108為第二通孔；109為等離子體產(chǎn)生區(qū)域；110為左側(cè)屏蔽網(wǎng)；111為右側(cè)屏蔽網(wǎng)；112為側(cè)面絕緣蓋板；113為高壓電極固定螺栓；114為低壓電極固定螺栓；2為脈沖發(fā)生器；3為待處理顆粒；4為已處理顆粒；5為收納籠；51為半開口絕緣盒；52為靜電屏蔽板。
【具體實施方式】[0020]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明實施例提供的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置I可以應(yīng)用于材料的表面改性處理，醫(yī)療儀器設(shè)備的殺菌消毒等。圖1示出了該非平衡等離子體產(chǎn)生裝置I的結(jié)構(gòu)，為了便于說明，僅示出了與本發(fā)明實施例相關(guān)的部分，現(xiàn)詳述如下:
[0022]非平衡等離子體產(chǎn)生裝置I包括腔體、屏蔽網(wǎng)以及設(shè)置在腔體內(nèi)的高壓電極單元和低壓電極單元；其中腔體可以為長方體腔體；長方體腔體中相對的兩個表面分別為高壓電極絕緣蓋板105和低壓電極絕緣蓋板106 ;長方體腔體中相對的兩個側(cè)面為屏蔽網(wǎng)110、111 ;長方體腔體中另外兩個相對的側(cè)面為密封絕緣板112。
[0023]高壓電極單元設(shè)置在高壓電極絕緣蓋板105的下表面，高壓電極單元包括多個均勻陣列排布的高壓線電極101 ;在高壓電極絕緣蓋板105上設(shè)置有多個均勻陣列排布的第一通孔107 ;各個高壓線電極101的一端與高壓電極引線103的一端固定；高壓線電極101的另一端通過高壓電極固定螺栓113固定，高壓電極引線103的另一端通過第一通孔107引出；并將各個高壓電極引線103連接后作為非平衡等離子體產(chǎn)生裝置I的脈沖高壓輸入端。
[0024]低壓電極單元設(shè)置在低壓電極絕緣蓋板106的下表面，低壓電極單元包括多個均勻陣列排布的低壓線電極102 ;在低壓電極絕緣蓋板106上設(shè)置有多個均勻陣列排布的第二通孔108 ;各個低壓線電極102的一端與低壓電極引線104的一端固定；低壓線電極102的另一端通過低壓電極固定螺栓114固定，低壓電極引線104的另一端通過第二通孔108引出；并將各個低壓電極引線103連接后接地。
[0025]在本發(fā)明實施例中，高壓電極引線103與低壓電極引線104不能設(shè)置在同一個平面，以避免電極引線間形成的電場影響到線電極之間的電場分布，從而造成非平衡等離子體的產(chǎn)生區(qū)域集中在裝置的一側(cè)；將高壓電極引線103與低壓電極引線104分別設(shè)置在高壓電極絕緣蓋板105和106的兩側(cè)。
[0026]在實際工作中，高壓重復(fù)頻率納秒脈沖施加在高、低壓電極引線103、104的兩端，從而在高、低線陣列電極之間形成極不均勻電場，該極不均勻場使得空氣發(fā)生放電。隨著高、低線陣列電極之間的距離的改變，放電的形式也將發(fā)生改變。適當(dāng)?shù)剡x取高、低線陣列電極之間的距離，可得到介于火花放電和電暈放電之間的彌散狀輝光放電。彌散狀輝光放電產(chǎn)生的大氣壓非平衡等離子體均勻在分布于高、低線陣列電極之間。
[0027]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠獲得下列優(yōu)勢:
[0028](I)該裝置采用了高壓納秒重復(fù)頻率脈沖直接驅(qū)動大氣壓下空氣中非平衡等離子體的方法，實驗結(jié)果顯示，相比于介質(zhì)阻擋放電和電暈放電，這種放電形式中放電峰值電流密度更大，產(chǎn)生活性粒子的效率更好，等離子體的非平衡性也更高。
[0029](2)該裝置中，線陣列電極可有不同的長度和數(shù)量，可以增大放電中大氣壓非平衡等離子分布的體積，從而讓空氣電離區(qū)充滿在整個放電裝置中，提高了脈沖電源能量的利用效率。
[0030](3)該裝置中，線陣列電極設(shè)置于開放的常溫常壓空氣環(huán)境下，不需要復(fù)雜的介質(zhì)阻擋絕緣層，摒棄了昂貴且繁瑣的真空、充氣系統(tǒng)，容易構(gòu)造出結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、體積小、性能穩(wěn)定的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置。從而使得它的使用限制較小，應(yīng)用成本大大降低。
[0031]在本發(fā)明實施例中，高壓線電極101和低壓線電極102均可以采用線狀電極，采用線電極的主要原因在于線電極的曲率半徑小，更容易在電極之間形成極不均勻電場，而極不均勻電場是產(chǎn)生大氣壓非平衡等離子體的必要條件。高壓線電極101和低壓線電極102可以采用由銅、鋁、石墨等導(dǎo)體制作，制作電極的工藝屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠獲知的公知技術(shù)，在此不再贅述。
[0032]在本發(fā)明實施例中，左、右側(cè)屏蔽網(wǎng)以及高、低壓電極固定螺栓均為絕緣材料制成，屏蔽網(wǎng)網(wǎng)孔直徑取為0.5_。屏蔽網(wǎng)的作用為濾除大直徑雜志顆粒進入非平衡等離子體產(chǎn)生裝置1，并且保證非平衡等離子體產(chǎn)生裝置I的內(nèi)部工作條件始終保持為大氣壓空氣條件，摒棄了昂貴且繁瑣的真空、充氣系統(tǒng)，使得裝置的使用條件不受限制。
[0033]在本發(fā)明實施例中，高壓線電極101和低壓線電極102的直徑可以選為0.2mm至1mm。高壓線電極101和低壓線電極102的長度調(diào)節(jié)范圍可以在IOcm至200cm之間。高、低壓線電極101、102直徑和長度的設(shè)置主要是以形成電極間極不均勻電場為目的，這也是空氣中非平衡等離子體產(chǎn)生的必要條件之一。
[0034]其中，高壓線電極101和低壓線電極102的垂直間距可以在2cm到8cm之間，高壓電極單元中的各個高壓線電極101的水平間距可以在5cm到15cm之間。低壓電極單元中各個低壓線電極102的設(shè)置與高壓電極單元中的電極設(shè)置相同。高、低壓線電極101、102垂直間距和水平間距的設(shè)置同樣是以形成電極間極不均勻電場為目的，實驗發(fā)現(xiàn)，隨著電極垂直間距的減小，放電由彌散形的輝光放電向絲狀的火花放電形式發(fā)展，而隨著電極垂直間距的增大，放電由彌散形的輝光放電向微弱的電暈放電發(fā)展。同樣，隨著電極水平間距的減小，放電由彌散形的輝光放電向絲狀的火花放電形式發(fā)展，而隨著電極水平間距的增大，放電由大體積彌散形的輝光放電向各自獨立的彌散形輝光放電發(fā)展。
[0035]在本發(fā)明實施例中，非平衡等離子體產(chǎn)生裝置I的脈沖高壓輸入端接收的納秒脈沖的重復(fù)頻率在IOOHz到IOOOHz內(nèi)，電壓幅值在50kV到150kV內(nèi)，單次高壓脈沖的上升沿時間為30ns。脈沖高壓的幅值和上升沿的選擇同樣是以形成電極間極不均勻電場為目的，這也是空氣中非平衡等離子體產(chǎn)生的一個必要條件。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著高壓脈沖的上升沿時間的減小，放電由絲狀的火花放電形式發(fā)展為能夠產(chǎn)生非平衡等離子體的彌散形輝光放電，而納秒脈沖的幅值越大，頻率越高，輝光放電的放電強度越大，并逐步使得放電由彌散形的輝光放電向絲狀的火花放電形式發(fā)展。
[0036]為了更進一步的說明本發(fā)明實施例提供的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置1，現(xiàn)結(jié)合具體實例詳述如下:
[0037]在實踐過程中，通過調(diào)節(jié)高壓納秒脈沖的幅值、上升沿時間和重復(fù)頻率，以及調(diào)節(jié)線陣列電極的材料、直徑、長度、水平間距、垂直間距、線電極數(shù)量，設(shè)計并完成了大量的放電實驗，獲得了大量得到大體積彌散放電的實例經(jīng)驗，具體舉例如下。
[0038]本實施例為一種產(chǎn)生空氣中非平衡等離子用于顆粒狀粉末表面改性處理的裝置，其結(jié)構(gòu)布局示意圖如圖1、圖2、圖3所示。高壓線電極101和低壓線電極102為直徑0.8mm、長度IOOcm的石墨絲，高、低壓線陣列電極線的數(shù)量分別為6根，線陣列電極間的垂直間距為4cm，水平間距為12cm。非平衡等離子體產(chǎn)生裝置I的脈沖高壓輸入端輸入脈沖幅值為120kV，上升沿時間為30ns，重復(fù)頻率為500Hz，待處理顆粒4為納米炭黑。實驗中產(chǎn)生大體積彌散放電等離子體，并使納米炭黑材料屬性在處理后得到改善。
[0039]本發(fā)明實施例提供的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置I中各個參數(shù)的具體實例詳見下
表:
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種非平衡等離子體產(chǎn)生裝置，其特征在于，包括腔體、屏蔽網(wǎng)以及設(shè)置在腔體內(nèi)的高壓電極單元和低壓電極單元； 所述腔體中相對的兩個表面作為高壓電極絕緣蓋板(105)和低壓電極絕緣蓋板(106)，相對的兩個側(cè)面作為屏蔽網(wǎng)(110、111)，另外兩個相對的側(cè)面作為密封絕緣板(112)； 所述高壓電極單元設(shè)置在所述高壓電極絕緣蓋板(105)的下表面，所述高壓電極單元包括多個均勻陣列排布的高壓線電極(101)，在所述高壓電極絕緣蓋板(105)上設(shè)置有多個均勻陣列排布的第一通孔(107);各個高壓線電極(101)的一端與所述高壓電極引線(103)的一端固定；所述高壓線電極(101)的另一端通過所述高壓電極固定螺栓(113)固定，所述高壓電極引線(103)的另一端通過所述第一通孔(107)引出；并將各個高壓電極引線(103)連接后作為所述非平衡等離子體產(chǎn)生裝置的脈沖高壓輸入端； 所述低壓電極單元設(shè)置在所述低壓電極絕緣蓋板(106)的下表面，所述低壓電極單元包括多個均勻陣列排布的低壓線電極(102);在所述低壓電極絕緣蓋板(106)上設(shè)置有多個均勻陣列排布的第二通孔(108);各個低壓線電極(102)的一端與所述低壓電極引線(104)的一端固定；所述低壓線電極(102)的另一端通過所述低壓電極固定螺栓(114)固定，所述低壓電極引線(104)的另一端通過所述第二通孔(108)引出；并將各個低壓電極引線(103)連接后接地。
2.如權(quán)利要求1所述的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述高壓線電極(101)和所述低壓線電極(102)的結(jié)構(gòu)相同，所述高壓線電極(101)的直徑為0.2mm至Imm;所述高壓線電極(101)的長度為IOcm至200cm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述高壓線電極(101)和低壓線電極(102)的垂直間距為2cm至8cm，高壓電極單元中的各個高壓線電極(101)的水平間距為5cm至15cm。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述非平衡等離子體產(chǎn)生裝置的脈沖高壓輸入端接收的納秒脈沖的重復(fù)頻率為IOOHz至1000Hz，電壓幅值為50kV至150kV，單次高壓脈沖的上升沿時間為30ns。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述屏蔽網(wǎng)(IlOUll)的網(wǎng)孔直徑為0.5mm。
6.一種顆粒狀粉末表面改性處理系統(tǒng)，包括非平衡等離子體產(chǎn)生裝置(I)、脈沖發(fā)生器(2)和收納籠(5)，所述脈沖發(fā)生器(2)通過高壓導(dǎo)線與所述非平衡等離子體產(chǎn)生裝置(I)的脈沖高壓輸入端連接；所述收納籠(5)用于收集已處理顆粒(4);其特征在于，所述非平衡等離子體產(chǎn)生裝置(I)為上述權(quán)利要求1-5任一項所述的非平衡等離子體產(chǎn)生裝置。
【文檔編號】H05H1/24GK103826379SQ201410091619
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】李黎, 俞斌, 劉云龍, 姜立秋, 騰云, 劉明海, 林福昌 申請人:華中科技大學(xué)