ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР РОТОРНОГО ТИПА Российский патент 1995 года по МПК C01B13/11 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для воздействия низкотемпературной плазмы на поток газа и поверхности материалов с целью обеззараживания воздуха, получения озона, травления и очистки поверхностей диэлектриков, полупроводников, металлов, и может применяться в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности, а также в микроэлектронике, технологии машиностроения.

Известен плазмохимический генератор роторного типа, применяющийся для асептирования воздуха и производства озона в низкотемпературной плазме, возбуждаемой в однородном промежутке с барьерным разрядом на переменном напряжении. Совмещение вращающегося высоковольтного электрода с крыльчаткой вентилятора обеспечивает охлаждение разрядного промежутка потоком воздуха. К недостаткам устройства можно отнести применение плоскопараллельной системы электродов с диэлектрическим покрытием на одной из них. Емкостной характер разряда требует применения импульсного источника высокого напряжения. При этом производительность установки зависит как от частоты следования импульсов, так и от крутизны фронта напряжения, что усложняет установку [1]
При питании генератора от источника переменного напряжения необходимо учитывать уровень поверхностной плотности зарядов σ_пов на диэлектрическом покрытии, обеспечивающем периодическое запирание разряда полем потенциального барьера U_б σ_повd/(ε₀ε ), где ε и d соответственно диэлектрическая проницаемость материала и толщина покрытия на электроде. Изменение полярности напряжения U на металлическом электроде относительно знака U_б приводит к периодической генерации в промежутке искровых каналов разрядки подложки, сопровождающихся перегревом газового потока, что создает условия для синтеза в плазме побочных продуктов, например оксидов азота, являющихся канцерогенным веществом [2]
Применение знакопеременного высокого напряжения приводит к необходимости повышения мер электроизоляции неподвижного электрода, находящегося на основании установки. Для этого металлическая кольцевая пластина электрода помещается в толщу диэлектрического слоя (типа тефлона), что усложняет конструкцию, затрудняет выполнение ремонтных работ.

Наличие в приосевой области промежутка вертикального вала, соединяющего через скользящий контакт подвижный электрод с источником высокого напряжения, не позволяет использовать низкотемпературную плазму генератора для обработки поверхностей материалов, помещаемых в межэлектродное пространство.

Повышение качества обработки газа обеспечивается в генераторе роторного типа, работающего без образования искровых каналов в промежутке за счет подключения высоковольтного электрода, выполненного в виде стержня, к униполярному источнику постоянного напряжения [3] Газоразрядный промежуток образуется между стержнем и поверхностью подвижного электрода, выполненного в виде диэлектрического цилиндра с установленной внутри крыльчаткой и покрытого пленкой-барьером, обращенной металлизированной стороной к образующей цилиндра и гальванически связанной с дополнительным заземленным электродом. Дополнительный электрод выполнен в виде фольги и установлен с минимальным зазором параллельно образующей поверхности подвижного электрода по ходу движения цилиндра. Здесь обеспечивается полная нейтрализация поверхностных зарядов σ_пов на диэлектрическом барьере за счет зажигания индуцированного диффузного разряда между дополнительным заземленным электродом и барьером. Этот разряд имеет протяженную поверхностную фазу [4] которая может использоваться для обработки газовых сред [5] Однако в рассматриваемом прототипе дополнительный электрод вынесен из воздуховодного канала и обработка газа производится только в газоразрядном промежутке между высоковольтным электродом и поверхностью подвижного электрода. Кроме того, малый радиус кривизны поверхности высоковольтного электрода-стержня приводит к повышению напряжения зажигания разряда, реализации его в фазе грубодисперсных стримерных каналов, снижению роли многолавинной фазы коронного разряда. Значительная пространственная неоднородность структуры разряда при малой протяженности его по ходу движения газа обосновывают малую производительность генератора.

Другим недостатком устройства является сложность конструкции воздуховода, обеспечивающего переход потока из приосевой области в разрядный промежуток, занимающий малую часть поверхности подложки в области высоковольтного электрода.

Следующий недостаток связан со сложностью закрепления диэлектрического барьера-пленки на поверхности ротора, возможностью отставания его от образующей цилиндра, высокой вероятностью замыкания разряда на металлизированный слой барьера. Все это так же снижает надежность работы генератора, приводит к ограничению областей применения его.

В основу изобретения поставлена задача создать устройство, позволяющее повысить производительность обработки сред при упрощении конструкции генератора, увеличении надежности его работы, расширении функционального назначения. Данная задача решена за счет того, что в плазмохимическом генераторе роторного типа, содержащем электродвигатель с диэлектрическим ротором и крыльчаткой на валу, подключенные к униполярному источнику постоянного напряжения подвижные и неподвижный электроды, расположенные в воздуховоде, где неподвижный электрод выполнен в виде плоского диска с отверстием на оси и диэлектрическим барьером на поверхности, образующих основание генератора, которое гальванически связано с дополнительным заземленным электродом, выполненным в виде пластины и установленным с минимальным зазором относительно поверхности барьера и образует газоразрядный промежуток с высоковольтным электродом. Высоковольтный электрод имеет форму ножа с острийной кромкой, обращенной к барьеру, и закреплен совместно с дополнительным электродом на нижнем торце ротора с радиальной ориентацией их плоскостей, совпадающей с плоскостью, проходящей через ось ротора. На верхнем торце ротора имеются два соосных металлических кольца, которые изолированы друг от друга и гальванически связаны с соответствующими электродами на нижнем торце, являясь подвижными элементами скользящих контактов, подпружиненные графитовые стержни которых находятся в гнездах общего диэлектрического корпуса, который служит для крепления электродвигателя и установлен на четырех стойках, связанных в нижней части пластиной основания генератора, Воздуховод генератора образован в промежутке между нижнем торцом ротора и рабочей поверхностью основания, а роль лопастей крыльчатки вентилятора выполняют пластины высоковольтного и дополнительного электродов, причем входной патрубок воздуховода совмещен с приосевым отверстием в основании.

Минимальное расстояние l между боковыми торцами электродов в приосевой области удовлетворяет условию Е_р ≅ 0,8Е_к.т., где Е_к.т. напряженность поля зажигания короны на боковых торцах электродов; Е_р рабочая напряженность поля на острийной кромке высоковольтного электрода, которая в свою очередь определяется из условия Е_р ≅ 2Е_кор, где Е_кор напряженность поля зажигания короны на острийной кромке высоковольтного электрода. Ширина газоразрядного промежутка δ между высоко- вольтным и неподвижным электродами линейно возрастает от δ_минпри максимальном расстоянии R₁ от оси ротора до δ_макс при минимальном радиусе R₂ согласно эмпирическому соотношению δ_мин/δ_макс0,6R₂/R₁, обеспечивающему равномерность распределения σ_пов на подложке.

На фиг. 1 и 2 представлена конструкция генератора. Генератор состоит из корпуса 1, в котором установлен электродвигатель 2 с ротором 3 на валу, и основания 4. На нижнем торце ротора 3 закреплена система электродов 5, 6, из которых ножевые электроды 5 являются высоковольтными, а пластинчатые электроды 6 дополнительными. Электроды 5 с помощью шин 7 соединены с металлическим кольцом 8, являющимся подвижным элементом электрического контакта, состоящего также из графитового стержня 9, пружинки 10 и металлической вставки 11, помещенных в цилиндрическом гнезде корпуса 1 и клеммы 12, соединенной с униполярным источником высокого напряжения 13. Дополнительные электроды 6 с помощью шин 14 соединены с кольцом 15, которое через графитовый стержень 16, пружинку 17 и металлическую вставку 18, находящихся в гнезде корпуса 1, и клемму 19 выводится на заземленный неподвижный электрод 20 в основании 4. На поверхность электрода 20 нанесено диэлектрическое покрытие 21, переходящее в приосевой области устройства в трубопровод 22 подачи газа.

Высоковольтные электроды 5 образуют разрядный промежуток шириной δ для возбуждения газового разряда. Дополнительные электроды 6 установлены с минимально допустимым зазором а относительно основания 4 (а ≈ 0,1 δ). Основание 4 и корпус 1 закреплены на стойках 23, которые устанавливаются на расстоянии С относительно наружных торцов подвижных электродов 5, 6, гарантируя отсутствие электрического пробоя.

Плазмохимический генератор роторного типа работает следующим образом. После подачи напряжения на электродвигатель 2 и набора оборотов ротора 3 включается источник высокого напряжения 13 и униполярное постоянное напряжение U через клемму 12, скользящий контакт 8-11 подается на шины 7 и электроды 5. При достижении U > U_кор, где U_кор напряжение зажигания короны, в газовом промежутке δ возбуждается многолавинно-стримерный разряд, который реализуется в виде периодической последовательности импульсов энерговклада с образованием на подложке радиальной системы диффузных структур, являющихся основаниями разрядов. Периодический характер разряда при постоянном напряжении U источника 13 связан с осаждением зарядов на подложку 21 с плотностью σ_пов, которое приводит к снижению напряженности внешнего поля Е≈ U/δ полем поверхностных зарядов на E_δ ≈ U_δ/δ. Восстановление напряженности внешнего поля в промежутке δ обеспечивается за счет смещения электродов 5 на участок подложки 21 с σ_пов ≈ 0 и возрастания U до исходного уровня, когда U > U_кор, что дает новый импульс разряда [4] Следом за высоковольтным электродом 5 идет дополнительный электрод 6, который обеспечивает нейтрализацию поверхностного заряда σ_пов на подложке за счет возбуждения в промежутке а индуцированного диффузного разряда (типа тлеющего [5]).

Плазмохимический генератор может производить бактерицидную обработку воздуха в разряде и вырабатывать озон в режиме самопрокачки, так как электроды 5, 6 на роторе 3 играют роль крыльчатки центробежного вентилятора и создают в приосевой области разрежение, что приводит к подтоку воздуха по каналу 22. Кроме этого, с помощью генератора можно производить поверхностную обработку материалов низкотемпературной плазмой при установке образцов на подложке 21 в промежутке δ. Как показали испытания модели генератора, при частоте вращения ротора ≈ 1500 об/мин, δ 510^-3 м, а 510^-4 м и покрытии 21 в виде лавсановой пленки с ε= 2,3 и d 150 мкм возбуждение разряда происходило при U ≈ 6 кВ, а при U 10 кВ частота следования импульсов энерговклада составляла ≈ 1 кГц. Свечение разряда визуализируется на всей ширине промежутка δ и обеспечивает достаточно однородное заполнение поверхности подложки под электродами 5, 6. Тонкая структура дисперсных каналов в разряде не приводит к существенной наработке канцерогенных веществ, что позволяет перейти к бескамерной плазмохимической технологии. Этому способствует принятая схема подачи газа в разрядный промежуток, создающая достаточно однородное динамическое заполнение промежутка δ заданной средой (кислородом, азотом, гелием и т.д.), вытесняющей воздух.

Применение ножевых электродов снижает напряжение горения разряда, повышая надежность работы устройства. Кроме того, обеспечивается более быстрое запирание промежутка и повышение частоты следования импульсов разряда по сравнению с разрядными промежутками с однородным распределением поля. Совместное движение высоковольтного и дополнительного электродов приводит к развитию вспомогательного однородного разряда непосредственно в газовом промежутке, разделяющем ближние торцы электродов, что способствует повышению полноты обработки газа, прокачиваемого через устройство.

Использование: обеззараживание воздуха в низкотемпературной плазме, получение озона, безкамерное травление и очистка поверхностей диэлектриков, полупроводников и металлов в контролируемой среде. Сущность изобретения: плазмохимический генератор роторного типа содержит электродвигатель с диэлектрическим диском и крыльчаткой на валу, подключенные к униполярному источнику постоянного напряжения подвижные и неподвижные электроды, расположенные в воздуховоде, где неподвижный электрод выполнен в виде плоского металлического диска с отверстием на оси и диэлектрическим барьером на поверхности, образующих основание генератора, которое гальванически связано с дополнительным заземленным электродом, выполненным в виде пластины и установленным с минимальным зазором относительно поверхности барьера и образует газорязрядный промежуток с высоковольтным электродом. Высоковольтный электрод имеет форму ножа с острийной кромкой, обращенной к барьеру, и закреплен совместно с дополнительным электродом на нижнем торце диэлектрического диска-ротора с радиальной ориентацией их плоскостей, совпадающей с плоскостью, проходящей через ось ротора. Воздуховод генератора образован в промежутке между нижним торцом диска-ротора и рабочей поверхностью основания, а роль лопастей крыльчатки центробежного вентилятора выполняют пластины электродов, подключенные к источнику напряжения с помощью скользящих контактов, причем входной патрубок воздуховода совмещен с приосевым в основании. 2 ил.

ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР РОТОРНОГО ТИПА, содержащий электродвигатель с диэлектрическим ротором, подвижный электрод, снабженный крыльчаткой и подключенный к униполярному источнику постоянного напряжения, дополнительный и неподвижный заземленные электроды, отличающийся тем, что неподвижный электрод выполнен в виде плоского диска с осевым отверстием для входа газа, покрытого пленкой-барьером по поверхности, образующих основание генератора, крыльчатка закреплена на нижнем торце ротора, лопасти которой состоят из чередующихся ножевых высоковольтных электродов, обращенных острой кромкой к пленке-барьеру, и дополнительных пластинчатых электродов, имеющих минимально допустимый зазор относительно поверхности неподвижного электрода.