[發明專利]等離子體頭結構及具有該結構的等離子體放電裝置

有效

• 申請號: 200710162695.3
• 申請日: 2007-10-16
• 公開（公告）號: CN101415293A
• 公開（公告）日: 2009-04-22
• 發明（設計）人: 蔡陳德;陳志瑋;張加強;許文通;楊德輝
• 申請（專利權）人: 財團法人工業技術研究院
• 主分類號: H05H1/28
• 分類號: H05H1/28
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 周國城

技術領域

本發明是有關于一種等離子體頭結構及具有該等離子體頭結構的等離子體放電裝置，尤指一種于內電極內部設有冷卻流道，可提供工作流體流入內電極內部作為冷卻流體的等離子體頭結構及具有該等離子體頭結構的等離子體放電裝置。

背景技術

大氣等離子體乃指于一大氣壓或接近一大氣壓的狀態下所產生的等離子體；以設備成本而言，它不需使用昂貴及笨重的真空設備；就制作工藝方面，工件可以不受真空腔體的限制，并可以進行連續式的程序，這些技術特色皆可有效地降低產品的制造成本。

大氣等離子體的產生是在常壓的環境中在兩電極間驅動一電場，當電場間的氣體因為崩潰解離時而產生等離子體，而依照等離子體形式的不同，也有多種的等離子體源設計和種類，大致上可以分為電暈放電(Corona)、介電質放電(Dielectric?barrierdischarge)、噴射等離子體(Plasma?jet)和等離子體火炬(Plasma?torch)等，在等離子體操作過程中，由于高電壓的作用及等離子體高溫的影響，會使內電極損耗嚴重，不僅降低使用壽命，其金屬離子的剝離更會造成處理過程中的二次污染。

再者，為了獲得等離子體，需施予一外加能量使中性物質持續解離，因此需要一能量且大于氣體的崩潰電壓，此崩潰電壓的大小受到許多因素的影響，包含氣體種類、電極間格與工作壓力等；請參閱圖1所示，其顯示欲在常壓環境中獲得等離子體，需施予的工作電壓將近1000V；再如圖2所示工作壓力與氣體溫度Tg及電子溫度Te之間的關系，一般在低壓環境中，由于平均自由徑的關系電子和中性原子的碰撞機率并不高，能量無法有效傳遞，所以無法達到熱平衡，此時，電子溫度Te高達數千度至數個Ev(Electron?volt，電子伏特)單位，而氣體溫度Tg卻只有數百K，因此又稱為低溫等離子體。當壓力增加時，電子和中性原子碰撞增加，能量能有效傳遞而達成平衡，所以電子溫度Te與氣體溫度Tg會逐漸趨于一致，所以又稱為熱平衡等離子體。

由上述得知，為獲得大氣等離子體，須在兩電極間施以高電壓，此時電能會有部分轉變為熱能而增加電極的溫度。同時，產生的等離子體又衍生了另外一熱能，此兩熱源的相加總合，會使電極受到極高的溫度作用，而又以內電極(亦即陽電極)更為明顯。因此于大氣等離子體系統中，內電極是一損耗材，在數百小時到數千小時后即需更換，更嚴重的是，電極損耗代表電極中金屬粒子的剝離，容易造成處理工件的二次污染。

就公知專利而言，如中國臺灣新型專利申請第095220778號「低溫等離子體放電裝置」，請參閱圖3所示，該案揭露一種可生產低溫噴射等離子體的等離子體放電裝置100，其包括一外電極102，該外電極102具有一第一腔室101以及一第二腔室111，于該第一腔室101內設有一內電極106，該第一腔室101的一端設有一開口103，由輸入口109輸入工作氣體110，通過內電極106與外電極102電弧放電產生等離子體氣體121經由該開口103噴出該第一腔室101外；于該第一腔室101側璧內部以及外部，分別設置有冷卻水管127、129，用以冷卻該外電極102；于該第二腔室111及該內電極106內部分別設有導熱鰭片120、119，該第二腔室111與一熱交換裝置125連通，可通入冷媒123、117進行熱交換，以此達到降低工作溫度，延長電極使用壽命等目的；由上述結構可知，該公知案所提供的冷卻水管127、129、導熱鰭片120、119及熱交換裝置125等冷卻構件，是加設于原本的等離子體放電裝置100外，與工作氣體110通路(亦即該輸入口109)是分離的通路，使得裝置體積極為龐大，不僅結構復雜，且成本高。

發明內容

有鑒于公知技術的缺失，本發明的目的在于提出一種等離子體頭結構及具有該等離子體頭結構的等離子體放電裝置，于內電極內部設有冷卻流道，可提供工作流體流入內電極內部作為冷卻流體，有效降低內電極溫度、避免內電極損耗，增加內電極使用壽命及避免金屬離子剝離所造成的污染。

為達到上述目的，本發明提出一種等離子體頭結構及具有該等離子體頭結構的等離子體放電裝置，該等離子體放電裝置包含一電源供應器，用以供應電源，該電源供應器具有兩電極端；該等離子體頭結構包括一外電極、一內電極以及一導流結構：該外電極及內電極分別連接該電源供應器的兩電極端，該外電極具有一腔室，該內電極是設置于該外電極的腔室內；該導流結構是設置于該內電極內，其具有至少一輸入端以及至少一輸出端，該輸入端是用以輸入工作流體，該輸出端是連通該外電極的腔室；通過該導流結構導引工作流體進入該內電極內部，再由該輸出端將工作流體輸出至該外電極的腔室。