CN106658931A - 一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，包括高压电源、第一电阻，第二电阻、介质管、正高压电极和负高压电极，介质管为空心圆管状，定义介质管的两端口分别为第一端口和第二端口，正高压电极的一端经第一电阻与高压电源的正极相连，正高压电极的另一端从第一端口伸入介质管中，负高压电极设置在靠近第二端口的介质管的外壁上，负高压电极经第二电阻与高压电源的负极相连，正、负高压电极构成悬浮电极，从介质管的第一端口通入工作气体，则伸入介质管的正高压电极的一端产生常温等离子体。本发明解决了现有低温等离子体产生装置存在的放电不稳定、能耗大、需接大地及电极不安全等问题。

Description

一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置

技术领域

本发明属于气体放电与放电等离子体技术领域，特别涉及了一种常温等离子体射流产生装置。

背景技术

等离子体是由电子、离子等带电粒子以及中性粒子组成的，宏观上呈中性。在目前气体放电等离子体技术中，按照电子温度与离子温度，放电等离子体可分为:高温等离子体和低温等离子体。其中，电子温度和离子温度相等则称为高温等离子体，反之，称为低温等离子体。

因为低温等离子体中富含活性粒子（如带电粒子、O、OH、NO和O₃等），所以近年来被广泛应用于材料表面处理、废气处理、纳米催化等诸多领域。特别是，大气压常温等离子体射流的出现，极大的促进了低温等离子体在生物医学领域的应用，如杀菌消毒、伤口愈合、牙齿根管治疗、癌细胞处理等，并促使形成了一门新兴学科−等离子体医学。相比于传统低温等离子体产生方式，如火花放电、电晕放电和介质阻挡放电，大气压常温等离子体射流具有无需昂贵真空环境、温度低至室温、放电稳定和能够处理三维复杂物体的突出优点，使得其特别适合于生物医学应用。

以下是几种典型的低温等离子体射流装置：

（1） 一种基于大气压低温等离子体的牙齿根管消毒装置，见中国专利申请1 （申请公布号 CN 105726140 A），此专利申请公开了一种基于大气压低温等离子体的牙齿根管消毒装置，如图1所示，包括手柄11a、微电弧等离子体发生器1a、导引管4a和高压电源2a，其中，所述微电弧等离子体1a发生器固定在手柄11a上，其高压极5a和地极6a分别通过导线连接高压电源2a，产生的等离子体射流喷射入导引管4a中；导引管4a的尖端一端深入牙根管的内部进行杀菌消毒。该装置能够快速有效杀灭细菌及生物膜，无毒、无刺激、无异味，有效避免氢氧化钙等药物时间长、耐药性及无法到达根管分支的缺点，同时大气压低温空气等离子体技术装置耗能低，操作简便，安全性好，导引管可更换，有效降低治疗成本。该装置产生电弧等离子体，放电不稳定，能量消耗大，发热严重，而且产生的等离子体容易使高压极与地极相连，使得装置能耗高；且地极需与大地相连才能使该发明绝缘层被损坏后仍处于安全状态，但接大地不仅会消耗成本，而且携带使用不便利。

（2）一种可手持的医用低温等离子体射流装置，见中国专利2（授权公告号 CN205142645 U），本专利公开了一种可手持的医用低温等离子体射流装置，如图2所示，等离子体喷枪内部有圆柱状的绝缘芯8b，绝缘芯8b的轴心处***了一端封闭的石英管12b，石英管中***了高压电极13b。绝缘芯8b的边缘处有气体通道，塑料气体软管11b插在其中。本实用新型中气体经过等离子体喷枪时，在高电压脉冲作用下，电离成等离子体并形成射流 ；等离子体喷枪可直接手持，并通过金属软管较大的活动范围，用于不同的医疗场合，比如皮肤的消毒灭菌、龋齿的处理、血液的凝固、伤口的愈合、皮肤病的治疗以及癌症治疗等等。该装置不足之处在于导电金属构成的高压脉冲电源外壳、金属软管以及金属材质的等离子体喷枪表面多处都需要与大地相连使接地处电势为零确保触碰安全，但手持处是金属，一旦接地出问题将会带来很大的安全隐患；且多处接地使得该装置携带使用不方便。

（3） 一种手持式低温等离子体射流装置，见中国专利3（授权公告号 CN205265988 U），此专利公开了一种手持式等离子体发生装置，如图3所示，包括等离子体腔、绝缘保护套管6c、硬导气管4c、外部电源3c和外部气源5c ；所述等离子体腔包括小口径铜管电极1c和带绝缘层电极2c，所述带绝缘层电极2c为漆包线或带绝缘包层的导线，该电极可缠绕在铜管1c上或缠绕在所述硬导气管4c上距离铜管10mm 以内位置形成放电回路，由于放电回路在腔内形成而受外界干扰较小 ；所述硬导气管4c可直接套在铜管1c电极外面；所述绝缘保护套管6c为内径10~14mm 外径 14~18mm 的硅胶管或 PU 管，能够把等离子体腔及气管紧密牢固的装入其中，并且所述保护套管能够起到安全隔离作用及便于手持操作。此装置能在大气压下稳定工作，并保持等离子体温度为室温或仅略高于室温。此装置产生的等离子体射流面积、长度、强度可通过电源电压及频率进行调节，针对不同的处理对象可提供不同的工作模式。该装置的不足之处在于板板介质阻挡放电相对针板介质阻挡放电能耗更大，而且该装置地极需与大地相连才能够保证其安全性，不便于携带使用。

（4）一种医用低温等离子体大面积射流装置，见中国专利4（授权公告号 CN205142644 U），此专利公开了一种医用低温等离子体大面积射流装置，如图4所示，带绝缘层的高压导线9d和塑料气体软管10d通过金属软管连接到高压脉冲电源上，带绝缘层的高压导线9d与高压脉冲电源中的高压输出以及等离子体喷枪5中的高压电极14d相连，气体软管10d与高压脉冲电源中的气体流量模块相连，并***等离子体喷枪中。金属软管通过接头8d与等离子体喷枪5d中的金属圆筒外壳7d相连。等离子体喷枪5d内部有圆柱状的泡沫金属11d和绝缘芯12d，中间有按一定阵列排布的套在石英管13d中的高压电极14d阵列，石英管13d封闭的一端***泡沫金属11d中，石英管13d开口的一端***到绝缘芯12d中，高压电极14d的一端***到石英管13d封闭端的底部，另一端先连接到高压电极合并金属板15d上，然后与带绝缘层的高压导线9d相连。绝缘芯12d的边缘处有气体通道，气体软管10d插在气体通道中本实用新型中气体经过等离子体喷枪时，在高压脉冲作用下，电离成等离子体并形成大面积射流，可用于不同的医疗场合，比如医疗器械的消毒灭菌、皮肤的消毒灭菌、血液的凝固、皮肤病的治疗、癌症治疗、大面积伤口特别是烧伤的愈合等。该装置的不足之处在于产生的等离子体直接与地极相接触，使得产生的等离子体短、温度高且能耗大，且该装置需与大地相接，不利于携带使用。

（5）一种六边形管式结构的低温等离子体发生器，见中国专利5（授权公告号 CN105472856 U），此专利公开了一种低温等离子体发生器，如图5所示，它包括铜棒4e、发生器腔体5e和金属网6e，发生器腔体5e为正六边形管状，材料为石英玻璃或刚玉，作为放电间隙中间的介质 ；铜棒4e与发生器腔体5e形状相同，布置于发生器腔体5e内，其两端均通过定位塞密封固定，定位塞上均开有用于安装通气管的通孔，金属网6e包裹在发生器腔体的外表面，作为接地负极，以保证放电正常进行，并固定发生器腔体5e ；工作时铜棒4e通过正极接线头接高压电源正极，金属网6e通过外接高压电线接高压电源负极，通电后铜棒4e与发生器腔体5e的缝隙间产生紫色的低温等离子体，并使低温等离子体的产生量得以增加。当多个低温等离子体发生器并联时，可提高了空间利用率，并节省介质材料与负极材料使用量。该装置的不足之处在于地极需与大地相连，推广使用时要求有接地体，降低了实用性，且金属网6暴露在外部空气中，有很大的安全隐患。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，解决现有低温等离子体产生装置存在的放电不稳定、能耗大、需接大地及电极不安全等问题。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，包括高压电源、第一电阻，第二电阻、介质管、正高压电极和负高压电极，所述介质管为空心圆管状，定义介质管的两端口分别为第一端口和第二端口，所述正高压电极的一端经第一电阻与高压电源的正极相连，正高压电极的另一端从第一端口伸入介质管中，所述负高压电极设置在靠近第二端口的介质管的外壁上，负高压电极经第二电阻与高压电源的负极相连，正、负高压电极构成悬浮电极，从介质管的第一端口通入工作气体，则伸入介质管的正高压电极的一端产生常温等离子体。

进一步地，所述负高压电极的宽度的范围是1～20mm，所述正高压电极伸入介质管的一端与负高压电极的水平距离的范围是0～30mm，所述介质管的第二端口与负高压电极的水平距离的范围是8～60mm。

进一步地，所述第一电阻的阻值范围是10千欧姆～100兆欧姆，第二电阻的阻值范围是1千欧姆～10兆欧姆。

进一步地，所述正高压电极为针尖状或棒状，正高压电极的材质为铜、铝或不锈钢；所述负高压电极为环状，套设在介质管的外壁，负高压电极采用导电金属箔。

进一步地，所述工作气体为单质气体、包含单质气体的混合气体、空气、气态化合物或气态有机物。

进一步地，所述介质管的管壁具有厚度，介质管的内径为1mm，介质管的外径为1.5mm，介质管的材质为石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷。

进一步地，所述装置还包括气体存储器、气流调节阀和气体导管，所述气体导管的一端套设在介质管的第一端口上，气体导管的另一端经气流调节阀与气体存储器相连，气体存储器内存储了工作气体，通过气流调节阀调节工作气体的输出流量。

进一步地，所述装置还包括特定容器，该特定容器为两端开口的空心容器，且该特定容器由绝缘材料制成，所述介质管、正高压电极、负高压电极和气体导管均置于该特定容器内。

进一步地，所述高压电源为直流电源、交流电源或脉冲电源。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明基于电晕放电和介质阻挡放电的协同作用，产生稳定性高、温度较低、能耗小、人体可直接安全接触的等离子体。本发明的特点如下：

（1）相比板板介质阻挡放电，本发明使用直流电也可产生等离子体。如图6所示，本发明采用的特殊针-环介质阻挡放电结构，使工作气体形成电晕放电和介质阻挡放电，这两种放电的协同作用使本装置所需放电电压降低，而且提高了自脉冲的频率；

（2）本装置便捷性较高，成本较低。正高压电极和负高压电极经第一电阻、第二电阻形成回路，两电极构成悬浮电极，由于悬浮电极不需要额外接地装备，因此在使用过程中不需要考虑安装接地桩，这样不仅降低了制作成本，而且便于携带使用；

（3）本发明虽然没有额外接地，但是仍可以保证使用安全性。通过第一、第二电阻限制了电流的大小，使得脉冲电流峰峰值小于10mA，平均值小于1mA，在人体安全电流范围内；

（4）本发明可安全手持使用。如图7所示，特定容器由绝缘材料制成，将高压电极与人体隔离开来，确保了手持使用的安全性。

附图说明

图1是背景技术中中国专利申请1设计的结构示意图；

图2是背景技术中中国专利2设计的结构示意图；

图3是背景技术中中国专利3设计的结构示意图；

图4是背景技术中中国专利4设计的结构示意图；

图5是背景技术中中国专利5设计的结构示意图；

图6是本发明的结构示意图；

图7是本发明增加手持功能的结构示意图；

图8是本发明中特定容器的侧视图；

图9是本发明中特定容器的径向截面图。

附图中的主要标号说明：1、高压电源；2、第一电阻；3、第二电阻；4、正高压电极；5、负高压电极；6、等离子体；7、工作气体；8、介质管；9、气体导管；10、气流调节阀；11、气体存储器；12、导线；13、特定容器。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图6所示，一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，包括高压电源1、第一电阻2，第二电阻3、介质管8、正高压电极4和负高压电极5，所述介质管8为空心圆管状，定义介质管的两端口分别为第一端口和第二端口，所述正高压电极4的一端经第一电阻2与高压电源1的正极相连，正高压电极4的另一端从第一端口伸入介质管8中，所述负高压电极5设置在靠近第二端口的介质管8的外壁上，负高压电极5经第二电阻3与高压电源1的负极相连，正、负高压电极4、5构成悬浮电极，从介质管8的第一端口通入工作气体7，则伸入介质管8的正高压电极4的一端产生常温等离子体6。

在本实施例中，负高压电极5的宽度的范围是1～20mm，优选为10mm；正高压电极4伸入介质管8的一端与负高压电极5的水平距离d₁的范围是0～30mm，优选为5mm；介质管的第二端口与负高压电极5的水平距离d₂的范围是8～60mm，优选为10mm。

在本实施例中，第一电阻的阻值范围是10千欧姆～100兆欧姆，优选为100兆欧姆；第二电阻的阻值范围是1千欧姆～10兆欧姆，优选为10兆欧姆；高压电源的输出电压为9千伏。

在本实施例中，正高压电极4为针尖状或棒状，正高压电极4的材质为铜、铝或不锈钢。负高压电极5的环状，套设在介质管8的外壁，负高压电极5采用导电金属箔，如铜箔或锡箔。

在本实施例中，工作气体7为单质气体、包含单质气体的混合气体、空气、气态化合物或气态有机物。

在本实施例中，介质管8的管壁具有厚度，介质管8的内径为1mm，介质管8的外径为1.5mm，介质管8的材质为石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷，其形状及尺寸根据正高压电极4的形状尺寸而定。

如图7所示，在本实施例中，装置还包括气体存储器11、气流调节阀10和气体导管9，所述气体导管9的一端套设在介质管8的第一端口上，气体导管9的另一端经气流调节阀10与气体存储器11相连，气体存储器11内存储了工作气体7，通过气流调节阀10调节工作气体7的输出流量。当气体流量增大时，产生的等离子体的长度也会随之增大，当通入工作气体流量为1L/min时，可以产生3cm长度的低温等离子体。装置还包括特定容器13，该特定容器13为两端开口的空心容器，且由绝缘材料（如机玻璃、树脂、AS塑料）制成，为了便于手持使用，将介质管8、正高压电极4、负高压电极5和气体导管9均置于该特定容器13内，负高压电极5通过导线12与第二电阻相连。特定容器13的侧视图和径向截面图分别如图8、图9所示。

本发明使用方便、成本较低、易于携带，具有多种实际应用，比如刻蚀、沉积、材料表面处理、表面清洗、净化、食物处理、生物医学消毒杀菌、牙齿清洗以及根管治疗等。根据不同的具体应用，可选择不同的工作气体和高压电极，调节高压电源的电压，产生的等离子体长度、粗细、温度可以不同。本发明产生的低温等离子体温度接近室温，人体可以安全的与之接触。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，其特征在于：包括高压电源、第一电阻，第二电阻、介质管、正高压电极和负高压电极，所述介质管为空心圆管状，定义介质管的两端口分别为第一端口和第二端口，所述正高压电极的一端经第一电阻与高压电源的正极相连，正高压电极的另一端从第一端口伸入介质管中，所述负高压电极设置在靠近第二端口的介质管的外壁上，负高压电极经第二电阻与高压电源的负极相连，正、负高压电极构成悬浮电极，从介质管的第一端口通入工作气体，则伸入介质管的正高压电极的一端产生常温等离子体。

2.根据权利要求1所述一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，其特征在于：所述负高压电极的宽度的范围是1～20mm，所述正高压电极伸入介质管的一端与负高压电极的水平距离的范围是0～30mm，所述介质管的第二端口与负高压电极的水平距离的范围是8～60mm。

3.根据权利要求1所述一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，其特征在于：所述第一电阻的阻值范围是10千欧姆～100兆欧姆，第二电阻的阻值范围是1千欧姆～10兆欧姆。

4.根据权利要求1所述一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，其特征在于：所述正高压电极为针尖状或棒状，正高压电极的材质为铜、铝或不锈钢；所述负高压电极为环状，套设在介质管的外壁，负高压电极采用导电金属箔。

5.根据权利要求1所述一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，其特征在于：所述工作气体为单质气体、包含单质气体的混合气体、空气、气态化合物或气态有机物。

6.根据权利要求1所述一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，其特征在于：所述介质管的管壁具有厚度，介质管的内径为1mm，介质管的外径为1.5mm，介质管的材质为石英玻璃、派克拉斯玻璃或氧化铝陶瓷。

7.根据权利要求1所述一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，其特征在于：所述装置还包括气体存储器、气流调节阀和气体导管，所述气体导管的一端套设在介质管的第一端口上，气体导管的另一端经气流调节阀与气体存储器相连，气体存储器内存储了工作气体，通过气流调节阀调节工作气体的输出流量。

8.根据权利要求7所述一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，其特征在于：所述装置还包括特定容器，该特定容器为两端开口的空心容器，且该特定容器由绝缘材料制成，所述介质管、正高压电极、负高压电极和气体导管均置于该特定容器内。

9.根据权利要求1所述一种便捷式大气压常温等离子体射流产生装置，其特征在于：所述高压电源为直流电源、交流电源或脉冲电源。