Zariadenie na generovanie vrstvy neizotermickej elektrickej plazmy pomocou kapacitne asymetricky viazaných elektród

Číslo patentu: U 5783

Dátum: 06.07.2011

Autori: Černák Mirko, Ráheľ Jozef

Stiahnuť PDF súbor.

Text

Pozerať všetko

Technické riešenie sa týka zariadenia na generovanie vrstvy neizotermickej elektrickej plazmy na povrchu dielektrického telesa pomocou vhodného usporiadania systému kapacitne asymetricky viazaných elektród s rozdielnym plávajúcim elektrickým potenciálom.Neizotermická plazma generovaná na povrchu dielektrického telesa sa využíva pri generovaní svetelného žiarenia, pri výrobe ozónu, pri rozklade prchavých organických látok, pripadne pri manipulácii aerodynarnických hraničných vrstiev. Obrázky 1 až 3 zachytávajú známe spôsoby generovania povrchového bariérového výboja. Obr. 1 zobrazuje tzv. povrchový bariérový výboj (surface bairier discharge - SBD) publikovaný v japonskom patente JP 6123 l 573 (1983). Rovnaký typ výboja z nesymetrickým usporiadaním elektród je popísaný US patente 6200539, kde sa využíva ako tzv. plazmový aktuátor na manipuláciu aerodynamických hraničných vrstiev. Obr. 2 zachytáva SBD s izolovanými výbojovými elektródami (Engemann a kol., Thin Solid Films 442 (2003) pp. 36-39). Na obr. 3 je znázomené koplanáme usporiadanie elektród, zverejnené napr. v japonskom patente JP 58108559(19 S 3). Výhodou koplanámeho usporiadania je možnosť pokryť celý povrch dielektrického telesa spojitou vrstvou elektrickej plazmy (Šimor et al. Appl. Phys. Lett. 8 l(2002) pp.2716-2718). Plazma vytvorená na povrchu dielektrického telesa l 0 v oblasti nad výbojovýrni elektródarni 19 a Q sa vyznačuje vysokou priestorovou homogenítou a vysokým stupňom neizotermicity, čo nachádza priemyselne uplatnenie pri povrchových úpravách rozličných materiálov (WOO 2095 l 15, WO 2008085 l 39,WO 2008069766, WO 200409093 l).Na dosiahnutie dlhodobej životnosti výbojového systému je žiaduce potlačenie efektu erózie kovovej elektródy pôsobením výbojovej plazmy. Túto požiadavku spĺňajú vďaka dielektrickej izolácii kovových elektród iba izolovaný SBD (obr. 2) a koplanámy výboj (obr. 3). Výhodou izolovaného SBD v porovnaní s koplanámym usporiadaním elektród je nižšia hodnota zápalného napätia a menšia amplitúda intenzity elektrického poľa na hranách budiacich VN elektród, čo napomáha vyššej spoľahlivosti a životnosti takéhoto usporiadania. Nedostatkom izolovaného SBD v porovnaní s koplanámym usporiadaním je neprítorrmosť plazmy v oblasti nad elektricky vodivým systémom elektród E, tzn. elektródamí vytvárajúcimi nadkritické elektrické pole g nutné pre vznik elektrickej plazmy. Ďalším nedostatkom izolovaného SBD je problematické privedenie vysokého napätia k homému (výbojovému) elektricky vodivému systému elektród E tak, aby nedošlo k narušeniu hladkého povrchu elektroízolačnej vrstvy n, čo by prinieslo komplikácie pri plazmovej povrchovej úprave veľkorozmerných plošných materiálov (napr. tabuľové sklo, drevo, papier, textil a fólie). Známym riešením problému napájania výbojovej elektródy Q je využitie kapacitnej väzby spôsobom opísaným v patent US 5407639. Princíp je schematicky znázornený na obr. 4. K dvojici budiacich elektród Q a g galvanický spojených s generátorom striedavého vysokého napätia 53 je priradená tretia - kapacitne viazaná výbojová elektróda 50, ktorá tak získa plávajúci potenciál, typicky o veľkosti polovice napätia medzi 30 a 3 l. Elektrická plazma l vzniká vďaka oblasti s nadkriticky veľkou intenzitou elektrického poľa 2 V okolí tejto tretej elektródy. Ani toto riešenie však nezabezpečuje vytvorenie elektrickej plazmy v oblasti nad výbojovou elektródou s podobnými plazmochemickýmí vlastnosťami, ako ponúka koplanáme usporiadanie elektród.Cieľom technického riešenia je dosiahnuť pri elektródovom systéme s kapacitne asymetricky viazanou výbojovou elektródou vznik intenzívnej elektrickej plazmy aj nad jej povrchom.Naša analýza príčin neprítomnosti plazmy nad výbojovou elektródou v usporiadaní podľa obr. 3 ukazuje na neprítomnosť dostatočne veľkej elektrickej sily vedúcej k šíreniu výbojovej plazmy do tejto oblasti. Zmenu napätia elektrického poľa od elementámeho náboja dQ, ktorý sa ocitol na povrchu elektroizolačnej vrstvy vo vzdialenosť D od referenčnej elektródy možno vyjadriť vzťahomTáto lokálna zmena napätia pôsobí proti vonkaj šiemu napätiu, ktoré vyvolalo pohyb náboja dQ smerom na elektroizolačnú vrstvu . Pre geomctriu v usporiadaní podľa obr. 4 plati, že vzdialenosť D. medzi kapacitne viazanou výbojovou elektródou x a elektrickou plazmou 1 je podstatne menšia ako vzdialenosť D medzi protielektródou 30 (resp. g) a elektrickou plazmou l. Keďže platí D 1 D 2, pre zmenu lokálneho elek 10trického napätia bude platiť dU, dUz. To znamená, že náboj dQ vytvorený v plazme, tieni po dopade na povrch elektroizolačnej vrstvy 11 v oblasti nad kapacitne viazanou výbojovou elektródou 5 Q vonkaj šie elektrické pole oveľa účinnej šie než je v prípade, že dopadne mimo priestoru nad kapacitne viazanou výbojovou elektródou 5 Q. Následne elektrická plazma 1 preferenčne pokrýva plochu mimo kolmého príemetu výbojovej elektródy 50 do roviny povrchu elektroizolačnej vrstvy g. Rovnaké závery analýzy platia aj pre usporiadanie izolovaného SBD zobrazeného na obr. 2. Pre drift plazmového náboja do nadelektródovej oblasti je preto potrebné vytvoriť novú elektrickú silu, ktorá ho podporí.Cieľ technického riešenia je dosiahnutý vytvorením novej tangenciálnej zložky intenzity elektrického poľa k povrchu elektroizolačnej vrstvy 11 pomocou navrhnutého systému dvoch kapacitne asymetricky viazaných elektród g a 52 s rozdielnymi plávajúcirni potenciálrni. Navrhované technické riešenie pre jeden pár kapacitne asymetricky viazaných elektród 51 a 52 je zobrazené na obr. 5. Jednej strane dielektrického telesa 10 je priradená elektricky vodivá sústava dvojice budiacich elektród g a g vodivo spojených so zdrojom Q striedavého vysokého napätia.Protiľahlej strane dielektríckého telesa Q je priradené dvojica kapacitne asymetricky viazaných elektród g a 52, ktoré sú prekryté tenkou elektroizolačnou vrstvou . Tvar kapacitne asymetricky viazanej elektródy 51 je zvolený tak, aby obsah jej príemetu do plochy prvej budiacej elektródy 3 O bol menší ako obsah jej príemetu do plochy druhej budiacej elektródy g. Ak predpokladáme rovnakú hrúbku aj permitivitu materiálu dielektrického telesa Q, platí že kapacita C, medzi elektródami 51 a 3 g je menšia ako kapacita C 2 medzi elektródami g a g. Tvar a umiestnenie kapacitne viazanej elektródy 52 je zvolený tak, aby obsah jej priemetu do plochy prvej budiacej elektródy 30 bol väčší ako obsah jej príemetu do plochy druhej budiacej elektródy g. Potom platí, že kapacita C 3 medzi elektródami 52 a g je väčšia ako kapacita C 4 medzi elektródami 52 a 31.Pre potreby zjednodušenia ďalšej analýzy predpokladajme rovnaký tvar budiacich elektród x a g, rovnaký tvar kapacitne asymetricky viazaných elektród g a s a rovnakú veľkosť ich prislúchajúcich priemetov. V takom pripade platí C 1 C 4 C 2 C 3 C 1 C 2 a možno využiť zjednodušenú elektrickú schému na obr. 6. Z analýzy dvojice kapacitných deličov zachytených na elektrickej schéme vyplýva, že každá z kapacitne asymetricky viazaných elektród g a § 2 sa nachádza na odlišnom plávajúcom potenciáli. Pre rozdiel AU ich plávajúcich potenciálov platí výrazkde U je aktuálna veľkosť budiaceho vysokého napätia zo zdroja 49. Medzi dvojicou kapacitne asymetricky viazaných elektród priradených tej istej budiacej elektróde vzniká vďaka rozdiehiej ploche ich príemetu (tzn. kapacite väzby) nenulové elektrické pole. Súčasne platí, že elektrický výboj pozdĺž tej istej kapacitne asymetricky viazanej elektródy vznikne najprv v oblasti s kapacitou väzby C 1 (tzn. v jej užšej časti), kde je hodnota napätia voči kapacitne viazanej budiacej elektróde vyššia. Konkrétne, na obr. 5 elektrická plazma l sa vytvorí najprv na časti elektródy g ležiacej nad prvou budiacou elektródou 3 O a až po zvýšení amplitúdy priloženého napätia aj na časti elektródy 52 ležiacej nad budiacou elektródou 31.Nečakanými a unikátnymi vlastnosťami elektrickej plazmy vytvorenej takýmto usporiadaním kapacitne asymetricky viazaných elektród je jej prítomnosť aj v oblasti nad ich plochou a vysoký stupeň makroskopickej homogenity vytvorenej plazmy.Prehľad obrázkov na výkresochTechnické riešenie je spoločne so stavom techniky znázomené na výkresoch, kde obr. 1 ukazuje usporiadanie povrchového bariérového výboja SBD, obr. 2 ukazuje usporiadanie izolovaného povrchového bariérového výboja, obr. 3 ukazuje usporiadanie koplanárneho bariérového výboja, obr. 4 zobrazuje usporiadanie s kapacitne viazanou výbojovou elektródou na plávajúcom potenciáli, obr. 5 navrhované technické riešenie s usporiadanírn jednej dvojice kapacitne asymetricky viazaných elektród a obr. 6 zjednodušenú schému ekvivalentného elektrického obvodu zodpovedajúceho technickému riešeniu na obr. S.Príklady uskutočnenia technického riešenia Technické riešenie bude popísané na príklade uskutočnenia, ktoré slúži len pre ilustráciu podstaty tech nického riešenia, nie však ako obmedzujúci príklad jeho uskutočnenia. Odborníci znalí stavu techniky nájdu,alebo budú schopní nájsť, s použitím rutinného experimentovania väčšie alebo menšie množstvo ekvivalen 10tov k tomuto opísanému špecifickému technickému riešeniu, pričom však stále spadajú pod toto technické riešenie.Účinnosť technického riešenia bola overená skúmaním vlastností horenia elektrickej plazmy vo vzduchu na výbojovej elektróde zostrojenej podľa obr. 5. Na dielektrické teleso 10 z 96 Algog, s rozmermi 101 mm x 101 mm, hrúbky 0,635 mm, boli z jednej strany nanesenć súvislé plochy striebomej pasty ESL 9912-A, ktore po vypálení pri teplote 850 °C vytvorili elektricky vodivé budiace elektródy x a g.Rozmery budiacich elektród boli 60 mm x 20 mm, vzájorrmá vzdialenosť 30 mm. Na protiľahlej stene dielektrického telesa 19 bola nanesená dvojica strieborných elektród g a g s dĺžkou 80 mm, so šírkou 2 mm na užšom konci a šírkou 3 mm na širšom konci. Ich vzájorrmá vzdialenosť bola 4 mm. Elektródy boli následne pomocou sieťotlače prekryté vrstvou dielektrickej izolačnej pasty ESL 4905-CH, ktorá má po vypáleru dielektrickú permitívitu blízku perrnitivite A 120, Po pripojení VN elektrického napätia s frekvenciou 45 kHz, a postupnom zvyšovaní jeho amplitúdy sa plazma zapálila najprv v okolí užších koncov kapacitne viazaných elektród g a g. Zvýšenie napätia viedlo k zapáleniu plazmy pozdĺž celej dĺžky kapacitne viazaných elektród g a g. Ďalšie zvyšovanie napätia viedlo k pokrytiu celej plochy nad elektródami g a g výbojovou plazmou.Na dielektrické teleso 1 O z 96 A 12 O 3, s rozmermi 230 mm x 95 mm, hrúbky 0,635 mm, boli z jednej strany pomocou sieťotlače nanesené strieborné budiace elektródy v tvare súvislých plôch o rozmeroch 104 mm x 79 mm, vzájomne od seba vzdialených 6 mm. Na protíľahlú stranu bolo nanesených 8 rovnobežných vodivo spojených kapacitne asymetricky viazaných elektród g a 8 rovnobežných vodivo spojených kapacitne asymetricky viazaných elektród g. vzájomná medzi elektródová vzdialenosť bola 3,7 mm. Šírka elektródy bola 1 mm na užšom konci a 1,3 mm na širšom konci. Elektródy boli následne pomocou sieťotlače prekryté vrstvou dielektrickej izolačnej pasty ESL 4905-CH, ktorá má po vypálení diclektrickú permitívitu blízku perrnitivite Al 203. Budiace elektródy boli od seba odizolované prúdiacim transformátorovým olejom.Po pripojení budiaceho elektrického napätia s frekvenciou 30 kHz a amplitúdou 8 kV sa na povrchu dielektrickej izolačnej pasty vytvorila súvislá vrstva makroskopícký homogénnej plazmy.Technické riešenie je možné uplatniť pri generovaní neizotermickej plazmy za atmosférického tlaku určenej pre povrchové úpravy pevných a sypkých materiálov, generovaní ozónu, rozkladu prchavých organických látok alebo generovaní svetelného žiarenia.2 oblasť s vysokou intenzitou elektrického poľa zodpovedná za vznik plazmy 10 dielektrické teleso20 výbojová elektróda, ktorá je najbližšie k oblasti 240 zdroj striedavého vysokého napätia50 kapacitne viazaná výbojová elektróda5 l kapacitne asymetricky viazaná elektróda s meníacím sa príerezom52 kapacitne asymetricky viazaná elektróda s meníacím sa príerezom s iným plávajúcim potenciálom ako má S l .l. Zariadenie na generovanie vrstvy neizotermickej elektrickej plazmy na povrchu dielektrického telesa,v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že obsahuje elektricky vodivé sústavy budiacich elektród (30) a (31) umiestnené vnútri alebo na povrchu dielektrického telesa (10) pripojeného na zdroj (40) striedavého vysokého napätia a kapacitne asymetricky viazané elektródy (51) a (52) s rozdielnou amplitúdou plávajúcich potenciálov, umiestnené medzi elektricky vodivé sústavy budíacich elektród (30), (31) a vrstvu vytvorenej elektrickej plazmy (l), pričom elektrická kapacita medzi elektródou (Sl) a elektródou (30) je menšia ako elek 10tricka kapacita medzi elektródou (5 l) a elektródou (3 l) elektrická kapacita medzi elektródou (52) a elektródou (30) je väčšia ako elektrická kapacita medzi elektródou (52) a elektródou (3 l).2. Zariadenie podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že plocha priemetu elektródy (51) do jednotlivých elektricky vodivých sústav budiacich elektród (30) a (31) a plocha priemetu elektródy (52) do jednotlivých elektricky vodivých sústav budiacich elektród (30) a (3 l) je rozdielna.3. Zariadenie podľa nároku l, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že dielektrická permitivita materiálu medzi elektródou (51) a jednotlivými elektricky vodivými sústavami budiacich elektród (30) a (31) a dielektrická perrnitivita materiálu medzi elektródou (52) a jednotlivými elektricky vodivými sústavami budiacich elektród (30) a (3 l) je rozdielna.4. Zariadenie podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že hrúbka dielekuiká medzi elektródou(5 l) a jednotlivými elektricky vodivými sústavami budiacích elektród (30) a (3 l) a hrúbka díelektriká medzi elektródou (52) a jednotlivými elektricky vodivými sústavami budíacich elektród (30) a (3 l) je rozdielna.5. Zariadenie podľa nárokov 1 až 4, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že aspoň jedna kapacitne asymetricky viazaná elektróda (51) alebo (52) je mniesmená v kontakte s elektrickou plazmou (l).6. Zariadenie podľa nárokov 1 až 5, v y z n a č u j ú c e s a t ý m , že časť dielektrického telesa (10) je tvorená z kvapalného dielektrického materiálu.

MPK / Značky

MPK: H05H 1/00

Značky: viazaných, neizotermickej, generovanie, asymetricky, vrstvy, zariadenie, pomocou, plazmy, kapacitné, elektrod, elektrickej

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/8-u5783-zariadenie-na-generovanie-vrstvy-neizotermickej-elektrickej-plazmy-pomocou-kapacitne-asymetricky-viazanych-elektrod.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Zariadenie na generovanie vrstvy neizotermickej elektrickej plazmy pomocou kapacitne asymetricky viazaných elektród</a>

Podobne patenty