CN213244446U - 一种空气微波等离子体射流表面处理装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种空气微波等离子体射流表面处理装置，包括微波电源、圆柱形同轴谐振腔，微波电源和圆柱形同轴谐振腔通过同轴线连接，微波电源包括调幅整流滤波器、IGBT驱动信号模块、ZVS模块、高频脉冲高压包、降压变压器、灯丝电源、磁控管、工频交流电模块和交流调压器，圆柱形同轴谐振腔包括导体高度调节圈、导体高度调节冒、同轴线接头、通气孔、气体通入接口、导体固定座、同轴谐振腔内导体、导体柱形套，本实用新型提高表面活性、增加附着效果，节能环保、运行成本低、操作方便，特别对提高材料表面亲水性效果显著,在保证放电强度的同时也便于调节空气等离子体的温度，使空气等离子体的适用范围增加，克服了等离子体作用单一的缺陷。

Description

一种空气微波等离子体射流表面处理装置

技术领域

本实用新型涉及材料表面处理技术领域，具体为一种空气微波等离子体射流表面处理装置。

背景技术

等离子体作为物质的第四状态，其包含大量的电子、离子、自由基等活性粒子，接触被处理的物体表面，发生相应的物理或化学变化。空气等离子体是一种低温等离子体，可以通过微波放电、介质阻挡放电等方式产生，它既具有普通等离子体的基本特性，也具有高电离度、适应压强范围宽、高电子密度等特点。空气等离子体的具体应用主要包括材料处理与制备、空气等离子体光源、空气等离子体灭菌等。在材料处理方面，空气等离子体能够应用于材料表面改性、材料刻蚀等，空气等离子体主要包含氧离子，氮离子等，经处理后，材料表面产生大量含氮含氧等亲水基团。等离子体表面处理装置，处理的物体表面清洁度高、去除了油脂、添加剂等成分。同时，表面得到了活化，增加了附着力，提高了亲水性。

中国专利《水平线式等离子体表面处理机》(申请号：201910421629.6，授权公开号：CN110012583A，授权公开日：2019.07.12)公开了一种采用介质阻挡放电的方式在大气压下产生等离子体对物体表面进行处理的技术，使物体表面得到了活化，增加了附着力，有利于产品的粘合、喷涂、印刷及密封。但该技术存在产生的等离子中大量活性基团对材料表面微蚀，损害了物体的表面，不能对物体进行均匀处理等缺陷。

中国专利《一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置》(申请号：201821896028.8，授权公开号：CN209210910U，授权公开日：2019.08.06) 公开了一种轻质合金材料的耦合等离子体表面处理装置，该装置在真空环境下与低气压的等离子体技术相结合，可根据人们的设计和需要，通过工艺参数的调节，对材料的表面进行处理和改性。能在较低温度下使得材料表面硬化并具有耐磨损、耐腐蚀等特性，可使得其制造的零部件的性能优、寿命长、可靠性佳。该微波等离子体是以惰性气体为载体，处理效果显著。但惰性气体的成本高，存在必须在真空环境下制备的材料才能保证材料的清洁和纯净问题，并且产生的等离子体密度不够高，对材料进行表面处理不致密等缺陷。

中国专利《微波等离子体处理装置》(申请号：201480048097.1，授权公开号：CN105684558A，授权公开日：2019.03.22)公开了一种微波激发等离子体处理装置，该装置可实现无电极运转，且放电维持寿命较长、微波与等离子体的耦合效率良好、向外部的辐射损耗较少，可使电力集中在需要的地方，具有能够大面积地进行等离子体处理的较宽宽度的等离子体射流。但该装置在大气压下必须以惰性气体为载气才能放电产生等离子体，存在惰性气体成本高、装置结构复杂等缺陷。

目前人们已经研发了几种装置，但是它们的作用单一，适用范围狭窄，处理效果不明显，破坏物体表面结构，而未能被人们很好的使用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种空气微波等离子体射流表面处理装置，可以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种空气微波等离子体射流表面处理装置，包括微波电源、圆柱形同轴谐振腔，微波电源和圆柱形同轴谐振腔通过同轴线连接，所述微波电源包括调幅整流滤波器、IGBT驱动信号模块、ZVS模块、高频脉冲高压包、降压变压器、灯丝电源、磁控管、工频交流电模块和交流调压器，IGBT驱动信号模块的信号输出端连接三极管的集电极，调幅整流滤波器的输出端连接三极管的集电极，三极管的发射极连接到ZVS模块的信号输入端，ZVS模块与高频脉冲高压包电性连接，高频脉冲高压包与磁控管的第一个端口电性连接，所述调幅整流滤波器还与工频交流电模块电性连接，工频交流电模块与降压变压器电性连接，降压变压器与交流调压器电性连接，交流调压器与灯丝电源电性连接，灯丝电源还与磁控管的第二个端口电性连接，磁控管的外壳接地；

所述圆柱形同轴谐振腔包括导体高度调节圈、导体高度调节冒、同轴线接头、通气孔、气体通入接口、导体固定座、同轴谐振腔内导体、导体柱形套，所述导体固定座的底端中央固定设置导体柱形套，导体柱形套的外部通过螺纹旋接导体高度调节冒，所述导体柱形套的中央空腔内滑动安装同轴谐振腔内导体，同轴谐振腔内导体的上端向导体固定座的上端延伸，所述导体固定座的上端内沿通过螺纹旋接导体高度调节圈，所述导体固定座的侧面开设有通气孔，通气孔连接气体通入接口，导体固定座的侧面还设有同轴线接头。

进一步地，所述导体高度调节圈的长度为35mm、外径为22mm。

进一步地，所述同轴谐振腔内导体的高度为32mm、外径为2mm，同轴谐振腔内导体的底端转动连接于导体高度调节冒。

进一步地，所述同轴线为镍铜合金金属丝，同轴线在同轴线接头内呈倒L 型环耦合结构。

进一步地，所述同轴线接头为SMA射频接口，通过同轴线连接微波电源和圆柱形同轴谐振腔。

进一步地，所述圆柱形同轴谐振腔一端为载气输入端口，另一端为等离子体射流工作区域，所述等离子体射流呈火焰状。

进一步地，包括微波电源和矩形同轴谐振腔，矩形同轴谐振腔包括圆柱形金属内导体和矩形谐振腔，圆柱形金属内导体在矩形谐振腔横向排列。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的一种空气微波等离子体射流表面处理装置，克服微波难以使空气产生等离子体这一技术难题，摆脱了只能在惰性气体环境下才能产生等离子体这一环境条件的缺陷，并且产生的等离子体密度比低频电源激发的等离子体密度高两个数量级。耦合结构是能量交换的桥梁，选择正确的耦合结构能够得到更好的耦合系数，即微波能量能够最大限度地进入谐振腔中，减小输入功率的需求。本实用新型提供一种耦合结构为倒L型磁耦合方式，当内导体尖端出现等离子体火焰时，耦合结构不会出现击穿空气或被烧坏等现象。微波能量由同轴线馈入圆柱形同轴谐振腔，当圆柱形同轴谐振腔内的同轴谐振腔内导体尖端达到击穿空气电场强度时，击穿空气形成气体放电，形成高密度、低温、稳定均匀的等离子体，等离子体中含有大量活性粒子且无其他杂质，保证了材料表面的清洁度，大量的亲水基团能够提高材料表面的亲水性，从而明显提高表面活性、增加附着效果，并且节能环保、运行成本低、操作方便，特别对提高材料表面亲水性效果显著。本实用新型运用的脉冲调制技术，能够使装置工作在较大功率情况下，空气等离子体射流的温度仍是低温。在保证放电强度的同时也便于调节空气等离子体的温度，使空气等离子体的适用范围大大增加，克服了等离子体作用单一的这一缺陷。

附图说明

图1为本实用新型微波电源控制系统结构示意图；

图2为本实用新型空气微波等离子体射流表面处理装置结构示意图；

图3为本实用新型图2的高度调节后的状态图；

图4为本实用新型空气微波等离子体射流表面处理装置通气孔和射频馈入接口装置结构示意图；

图5(A)为本实用新型空气微波等离子体射流表面处理装置对塑料薄膜处理示意图；

图5(B)为本实用新型空气微波等离子体射流表面处理装置对塑料薄膜处理的效果图；

图6为本实用新型空气微波等离子体射流表面处理装置的阵列和产生的空气等离子体射流效果图；

图7为本实用新型矩形空气微波等离子体射流表面处理装置的结构示意图。

图中：1、微波电源；101、调幅整流滤波器；102、IGBT驱动信号模块；103、ZVS模块；104、高频脉冲高压包；105、降压变压器；106、灯丝电源； 107、磁控管；108、工频交流电模块；109、交流调压器；2、圆柱形同轴谐振腔；201、导体高度调节圈；202、导体高度调节冒；203、同轴线接头；204、通气孔；205、气体通入接口；206、导体固定座；207、同轴谐振腔内导体； 208、导体柱形套；3、矩形同轴谐振腔；301、圆柱形金属内导体；302、矩形谐振腔。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

请参阅图1，一种空气微波等离子体射流表面处理装置，包括微波电源1、圆柱形同轴谐振腔2，微波电源1和圆柱形同轴谐振腔2通过同轴线连接，同轴线为镍铜合金金属丝，同轴线的作用为微波能量馈入，实现微波功率向圆柱形同轴谐振腔2提供能量。微波电源1包括调幅整流滤波器101(输出直流电压12V～24V)、IGBT驱动信号模块102(输出脉冲频率1kHz～10kHz，占空比1～100，方波直流电压12V～24V)、ZVS模块103(输出脉冲调制50kHz高频交流，交流电压30V～100V)、高频脉冲高压包104(输出脉冲负直流高压 -500V～-2500V)、降压变压器105、灯丝电源106(3.3V)、磁控管107、工频交流电模块108和交流调压器109，IGBT驱动信号模块102的信号输出端连接三极管的集电极，调幅整流滤波器101的输出端连接三极管的集电极，三极管的发射极连接到ZVS模块103的信号输入端，ZVS模块103与高频脉冲高压包104电性连接，高频脉冲高压包104与磁控管107的第一个端口电性连接，调幅整流滤波器101还与工频交流电模块108电性连接，工频交流电模块108与降压变压器105电性连接，降压变压器105与交流调压器109电性连接，交流调压器109与灯丝电源106电性连接，灯丝电源106还与磁控管 107的第二个端口电性连接，磁控管107的第三个端口接地，微波电源1通过工频交流电模块108将工频交流电通过调幅整流滤波器101、ZVS模块103、高频脉冲高压包104输入磁控管107内，同时工频交流电通过降压变压器105、交流调压器109和灯丝电源106输入磁控管107内，由高频脉冲高压包104 和灯丝电源106共同作用于磁控管107，使磁控管107开始输出功率。

微波电源1的工作原理是：接通工频交流电，通过调幅整流滤波器101、 IGBT驱动信号模块102、ZVS模块103、高频脉冲高压包104给磁控管107提供脉冲负值流电压，ZVS模块103的调节电压范围30V～100V，高频脉冲高压包104按照比例进行放大，提供给磁控管107的电压范围在-500V～-2500V之间，调幅整流滤波器101可以调节输入幅值的大小，从而改变高频脉冲高压包104的输出，改变磁控管107的输出功率大小。工频交流电通过降压变压器105、交流调压器109给灯丝电源106提供3.3V的灯丝电压，使磁控管107 正常工作。磁控管107外壳接地，一端由灯丝电源106提供3.3V工作电压，另一端由高频脉冲高压包104提供不同的输入电压，磁控管107根据高频脉冲高压包104输出电压的幅值来输出相应的功率，通过SMA端口接连同轴线进行功率输出，使圆柱形同轴谐振腔2在不同的功率下进行工作放电。

请参阅图2-3，圆柱形同轴谐振腔2属于半封闭谐振腔，是由一端短路，另一端开路的同轴线设计而成，同轴谐振腔在谐振状态下在开路端能成形成电场波腹，从而得到很大的电场强度，圆柱形同轴谐振腔2包括导体高度调节圈201、导体高度调节冒202、同轴线接头203、通气孔204、气体通入接口205、导体固定座206、同轴谐振腔内导体207、导体柱形套208，导体固定座206的底端中央固定设置导体柱形套208，导体柱形套208的外部通过螺纹旋接导体高度调节冒202，导体柱形套208的中央空腔内滑动安装同轴谐振腔内导体207，同轴谐振腔内导体207的高度为32mm、外径为2mm，同轴谐振腔内导体207的底端转动连接于导体高度调节冒202，通过转动导体高度调节冒202，在螺纹的作用下，可以是对同轴谐振腔内导体207进行高度的调节，同轴谐振腔内导体207的上端向导体固定座206的上端延伸，导体固定座206 的上端内沿通过螺纹旋接导体高度调节圈201，导体高度调节圈201在转动后，在螺纹作用下可以进行上下活动，可以将同轴谐振腔内导体207完全覆盖，也可以将同轴谐振腔内导体207的顶部漏出，这样也就实现了同轴谐振腔内导体207的高度调节，同轴谐振腔内导体207的高度得到调节，使得同轴谐振腔内导体207尖端电场强度达到最大，从而能够击穿标准大气压下的空气并产生高密度、低温、高速等离子体流，导体高度调节圈201的长度为35mm、外径为22mm，导体固定座206的侧面开设有通气孔204，通气孔204连接气体通入接口205(如图4)，导体固定座206的侧面还设有同轴线接头203，同轴线接头203为SMA射频接口，通过同轴线连接微波电源1和圆柱形同轴谐振腔2，圆柱形同轴谐振腔2一端为载气输入端口，另一端为等离子体射流工作区域，等离子体射流呈火焰状。

本实用新型的工作原理：接通工频交流电，由微波电源1输出功率，通过同轴线接头203与同轴线连接，呈倒L型环耦合结构能够使微波能量最大限度地进入圆柱形同轴谐振腔2中，减小输入功率的需求。采用圆柱形同轴谐振腔2外导体锥形渐变结构减小正常的四分之一波长圆柱形同轴谐振腔2 的开口大小，达到压缩开路端处内外导体之间的电场强度，从而达到提高同轴谐振腔内导体207尖端电场的目的。从气体通入接口205一端输入气体，流经圆柱形同轴谐振腔2，当同轴谐振腔内导体207尖端达到击穿空气的电场强度时，击穿空气，形成高密度、低温、高速的等离子体。空气等离子体主要包含氧离子，氮离子等，经处理后，材料表面产生大量含氮含氧等亲水基团。等离子表面处理装置处理的物体表面清洁高，去除了油脂、添加剂等成分。同时，表面得到了活化，增加了附着力，提高了亲水性。

微波电源1接通市电，将微波电源1的功率设定为30W，微波电源1输出功率，通过同轴线与同轴线接头203连接，同轴谐振要工作在它的共振状态，设备的总体长度需要设计为四分之一波长的整数倍以实现共振。所用的微波频率为2.45GHz，波长为122.4mm，因此设计了总长度为31mm(四分之一波长) 的谐振器。微波电源1输出微波功率，经由同轴线耦合微波能量给同轴谐振的金属功率电极，位于圆柱形同轴谐振腔2中的同轴谐振腔内导体207的尖端产生局部增强电场，在增强电场的放电驱动下，产生大量电子、正离子等带电粒子，同轴谐振腔内导体207尖端达到击穿空气的电场强度时，击穿空气，形成高密度、低温的等离子体。本实用新型的空气微波等离子体射流表面处理装置，已对多种物体表面进行处理，本实用新型仅举以塑料薄膜作为一种实验处理对象(图5(A))，由图5(B)可以看出经过装置处理后的塑料薄膜的亲水性明显提高，可以验证本实用新型的空气微波等离子体射流表面处理装置能够大大提高物体表面的亲水性。图6表示本实用新型的具体实施例的阵列结构图和阵列装置产生的空气等离子体射流图，阵列装置由四个喷头组成，这样可以大面积的处理物体表面，提高了物体表面的处理效率。

实施例2

请参阅图7，本实用新型的另一个实施例是：空气微波等离子体射流表面处理装置包括微波电源1和矩形同轴谐振腔3，矩形同轴谐振腔3包括圆柱形金属内导体301和矩形谐振腔302，圆柱形金属内导体301在矩形谐振腔302 横向排列以产生较长的长轴空气等离子体，并且产生稳定均匀的宽幅空气等离子体射流，能够大面积地进行处理物体表面，矩形同轴谐振腔3与圆柱形同轴谐振腔2只是形状不同，结构均相同，在此不做赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种空气微波等离子体射流表面处理装置，包括微波电源(1)、圆柱形同轴谐振腔(2)，微波电源(1)和圆柱形同轴谐振腔(2)通过同轴线连接，其特征在于，所述微波电源(1)包括调幅整流滤波器(101)、IGBT驱动信号模块(102)、ZVS模块(103)、高频脉冲高压包(104)、降压变压器(105)、灯丝电源(106)、磁控管(107)、工频交流电模块(108)和交流调压器(109)，IGBT驱动信号模块(102)的信号输出端连接三极管的集电极，调幅整流滤波器(101)的输出端连接三极管的集电极，三极管的发射极连接到ZVS模块(103)的信号输入端，ZVS模块(103)与高频脉冲高压包(104)电性连接，高频脉冲高压包(104)与磁控管(107)的第一个端口电性连接，所述调幅整流滤波器(101)还与工频交流电模块(108)电性连接，工频交流电模块(108)与降压变压器(105)电性连接，降压变压器(105)与交流调压器(109)电性连接，交流调压器(109)与灯丝电源(106)电性连接，灯丝电源(106)还与磁控管(107)的第二个端口电性连接，磁控管(107)的外壳接地；

所述圆柱形同轴谐振腔(2)包括导体高度调节圈(201)、导体高度调节冒(202)、同轴线接头(203)、通气孔(204)、气体通入接口(205)、导体固定座(206)、同轴谐振腔内导体(207)、导体柱形套(208)，所述导体固定座(206)的底端中央固定设置导体柱形套(208)，导体柱形套(208)的外部通过螺纹旋接导体高度调节冒(202)，所述导体柱形套(208)的中央空腔内滑动安装同轴谐振腔内导体(207)，同轴谐振腔内导体(207)的上端向导体固定座(206)的上端延伸，所述导体固定座(206)的上端内沿通过螺纹旋接导体高度调节圈(201)，所述导体固定座(206)的侧面开设有通气孔(204)，通气孔(204)连接气体通入接口(205)，导体固定座(206)的侧面还设有同轴线接头(203)。

2.如权利要求1所述的空气微波等离子体射流表面处理装置，其特征在于，所述导体高度调节圈(201)的长度为35mm、外径为22mm。

3.如权利要求1所述的空气微波等离子体射流表面处理装置，其特征在于，所述同轴谐振腔内导体(207)的高度为32mm、外径为2mm，同轴谐振腔内导体(207)的底端转动连接于导体高度调节冒(202)。

4.如权利要求1所述的空气微波等离子体射流表面处理装置，其特征在于，所述同轴线为镍铜合金金属丝，同轴线在同轴线接头(203)内呈倒L型环耦合结构。

5.如权利要求1所述的空气微波等离子体射流表面处理装置，其特征在于，所述同轴线接头(203)为SMA射频接口，通过同轴线连接微波电源(1)和圆柱形同轴谐振腔(2)。

6.如权利要求1所述的空气微波等离子体射流表面处理装置，其特征在于，所述圆柱形同轴谐振腔(2)一端为载气输入端口，另一端为等离子体射流工作区域，所述等离子体射流呈火焰状。

7.如权利要求1所述的空气微波等离子体射流表面处理装置，其特征在于，包括微波电源(1)和矩形同轴谐振腔(3)，矩形同轴谐振腔(3)包括圆柱形金属内导体(301)和矩形谐振腔(302)，圆柱形金属内导体(301)在矩形谐振腔(302)横向排列。

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