[发明专利]一种等离子体射流装置

说明书

本发明公开了一种等离子体射流装置，包括纳秒脉冲电源、毫秒脉冲电源、信号发生器、一对环形电极、拉瓦尔喷管、高压固态开关模块、电阻、电容、电感和供气模块。拉瓦尔喷管包括首尾依次连接的喷管收缩段、喷管喉部和喷管扩张段，一对环形电极固定在喷管喉部的内部，环形电极的表面与喷管喉部内壁之间留有空隙，环形电极的内壁带齿，且两个环形电极上的齿相互错开。本发明通过电极和拉瓦尔喷管的合理设计与双脉冲电源系统的时序配合，不仅降低了等离子体射流的运行电压和消耗功率，而且提高能量利用效率和散热性能，降低射流管的工作温度，延长使用寿命。

技术领域

本发明属于等离子体技术领域，特别涉及了一种等离子体射流装置。

背景技术

等离子体是物质的第四态，是由大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种中性集合体。根据电离程度的不同可以分为高温等离子体和低温等离子体。

大气压低温等离子体射流发生器是近年来兴起的一种新的大气压低温等离子体放电技术，利用气流和电场的作用使放电区域产生的等离子体从喷管或孔口中喷出，在无固体边界约束的外界气体环境中作朝向工作区域定向流动形成等离子体射流。大气压低温等离子体射流源因其具有结构简单、运行稳定、作用距离长、活性粒子种类多、数量大等特点，在材料表面改性、生物医学(辅助伤口治疗、血液凝结、牙齿根管治疗、杀灭癌细胞、消毒杀菌、皮肤病治疗)、环境治理(空气净化、污水处理)等领域具有独特的技术优势和良好的应用前景。

等离子体射流的传播速度是限制低温等离子体应用于实际的主要因素之一，决定了等离子体射流的作用范围与处理效果。根据传播速度，传统的等离子体射流分为气流驱动型和电场驱动型。在电场驱动型等离子体射流应用中，被处理对象的介电特性和电导特性对等离子体射流的放电模式、传播速度和处理效果影响非常大，导致其适用性较差。在气流驱动型等离子体射流中，主要由气流决定放电模式、传播速度和处理效果等，对被处理物品的介电特性和电导特性不敏感，适用范围较大，特别适用于工业材料表面处理。然而，由于传统的射流装置喷嘴结构限制，使得提高工作气体通入速率也无法使等离子体射流的速度超过音速，这使得等离子体的应用往往效率较低。为此，借鉴航空航天领域与机械能源领域中广泛应用的拉瓦尔喷管，通过喷管截面改进，使气流从亚音速加速到音速，直至超音速，由此可实现等离子体射流速度的进一步增加。

以下是两种现有的超音速等离子体射流装置：

一种超音速等离子体喷枪的阳极及超音速等离子体喷枪，见中国专利申请1(申请公布号CN 103269558 A)。将常规的拉瓦尔型阳极一分为二，通过辅助阳极喷嘴替换基础阳极，减少因弧根附着效应而造成拉瓦尔基础阳极喷嘴表面的烧蚀，延长其工作寿命；另一方面，通过变换弧根位置，人为地拉长电弧，使得工作气体所受焦耳加热段变长，提高能量利用效率。但是该装置结构较复杂，不易于机械加工，且放电现象剧烈，散热能力不佳，仍有较大的烧蚀风险，导致需要定期更换辅助阳极，不利于应用于等离子体材料处理、表面改性等领域。

超音速等离子喷枪，见中国专利申请2(申请公布号CN 105025648 A)，此申请采用圆台形阴极，拉瓦尔喷嘴作为阳极的结构，实现超音速的射流，且喷嘴和电极使用寿命长、射流稳定，成本低。该装置结构简单，易于加工制作，但是由于将放电阳极作为拉瓦尔喷管主体，缺乏外部连接保护和绝缘装置，难以投入实际使用。同时，其工作功率高达30kW，且阳极、阴极均不具有较好的散热结构，因此发热严重。

通过上述分析可知，现有的超声速等离子体射流技术面临消耗功率高、发热严重和烧蚀等问题。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种等离子体射流装置。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：