董威武，李占贤

(1.华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省工业机器人产业技术研究院，河北 唐山 063210)

0 引言

空气等离子体射流发生器的结构设计对研究在大气压下以空气为工作气体并且产生等离子体射流具有重要的意义[1]。目前人们对射流的研究集中在大气压冷等离子体放电技术上[2,3]，而这些射流的工作气体大多都是诸如氦气、氩气等稀有气体或者是以一些惰性气体为主的气体混合物[4]，但这些气体存在成本高、不利于大规模应用的弊端。空气射流具有在工作气体上不受时间地点的限制、成本低廉等优势[5-7]。Nunnally T等[8]发明了“龙卷风”电极结构，其通过旋流进气式进气孔道的发生器结构成功实现了对H2S的分解。本文采用类似的进气方式设计了等离子体射流装置，并且设计了电极的冷却回路，以这种方式形成的等离子体射流温度较低，避免了电极的烧蚀、延长了等离子体源的使用寿命，同时兼具了暖等离子体的优点，具有更大的能量密度和处理能力。

1 大气压空气等离子体射流发生器的结构设计

1.1 发生器整体结构设计

发生器中电极材料和绝缘材料的选择是发生器设计的重点，影响电极选材的因素有材料的电子逸出功、材料的可加工性和材料的传热性能，根据相关文献可知，紫铜、钨、铈钨合金和石墨等材料为常用的电极材料，本文设计的发生器拟采用紫铜为外部裸露电极材料，钨作为内部电极材料。由于钨的熔点和沸点非常高，并且在高温下蒸发速度慢、膨胀系数很小，所以很适合用作暖等离子体发生器的电极。在绝缘材料的选择上，由于发生器所用的电源为高频高压等离子体电源，因此选用绝缘性能良好的聚四氟乙烯作为内外电极连接件的材料，同时用其保证发生器电极的同轴度。由于聚四氟乙烯材料具有很好的表面自润滑性，因此可以实现高压电极的位置移动，同时也存在一定的夹紧力并具有一定的密封特性。发生器的其余外壳部分选用黄铜作为加工材料。

本文设计的同轴型空气射流等离子体发生器结构如图1所示，电弧在接地电极1和高压钨棒电极9之间产生，两者相距最近的距离约为2 mm，通过高速旋转气流将产生的等离子体吹出产生射流。本发生器采用分段式结构设计，方便电极等易损件更换和电极间距的调节。

1-接地电极；2-接地极外壁；3-聚四氟乙烯垫圈；4-高压极外壁；5-地电极螺母；6-高压极螺母；7-聚四氟乙烯绝缘棒；8-高压电极；9-钨棒电极

1.2 接地电极结构设计

图2为接地电极结构示意图，采用了锥形出气道的方式，这种锥形的结构能够减少对气体旋向的干扰，同时也保证了高压电极和接地电极的距离呈线性变化，使得放电只在电极尖端部位产生，从而保证射流的稳定性和内部电弧的旋转特性。接地电极外壁也做了相同的圆锥形设计，能够使得通入的冷却气体均匀分布在整个冷却腔体内，对电极具有较好的冷却效果。而在接地电极与发生器外部的连接处，设计了一个倒锥形结构，这种结构有较好的密封效果。

图2 接地电极结构示意图

2 发生器进气和冷却回路的设计

2.1 进气结构设计

等离子体射流的产生主要依靠内部气流将发生器电极间产生的等离子体从喷嘴处喷出而形成，因此，进气结构和工作气体的流量将会直接影响产生的等离子体射流的特性。本文设计了一种切向进气环结构，如图3所示，保证了所产生的等离子体充满整个射流区间，并且通过增加气流的行程长度来保证放电的稳定性。

图3 发生器内部工作气体流向

2.2 冷却回路设计

在发生器工作过程中，为了减少电极烧蚀，需要对内、外电极进行冷却。由于采用气冷进行冷却，因此电极与外壁之间采用紧配方式，并且加装密封圈来预防可能产生的漏气问题。发生器内冷却气体流向如图4所示，高流速气体从气口1进入气口2流出，在此期间冷却气体将充满整个接地电极与外壁之间的空间，以达到对接地电极冷却的目的，随后冷却气流入气口3，最后从气口4流出。由于整个高压电极内部设计了冷却气流回路，因此可以保证气流能对高压电极产生一个很好的降温效果。

图4 发生器内冷却气体流向

3 发生器放电实验

3.1 发生器放电实验测量系统搭建

本次实验装置的供电电源为南京苏曼低温等离子体实验电源CTP-2000K，可支持在0～30 kV范围内输出电压，输出频率为0～30 kHz。用于电压电流采样的测试系统主要包括电压探头(Tektronix P6015A)和电流探头(Tektronix TCP202)以及用于处理采样信号的示波器(Tektronix DPO4034)，摄像机为Nicon D7000单反相机。搭建的空气等离子体射流实验平台如图5所示。

图5 空气等离子体射流实验平台

3.2 工作气体流量对放电现象的影响

用所设计的发生器进行实验，保持频率在24.2 kHz稳定状态下，缓慢调节电压旋钮至示波器显示电压为6 kV。在无气体流量时，此时放电现象为弧根约束放电；当气体流量增加到0.5 L/min时，可以看到微弱的气流推动电弧根在接地电极圆柱内部旋转；当气流增大到2 L/min左右时，放电区形成明亮的区域，放电状态由约束弧根转变为弥散弧根；当气流量增大到3 L/min左右时，发生器端口开始产生等离子体，判断此时应是电弧弧根随气流沿电极轴向下移动，导致产生的等离子体逐渐外溢；继续增大气流至4 L/min左右时，发生器端口出现等离子体射流，而据实验所采集的数据来看，发生器射流长度最长时对应的气体流量约为4.5 L/min左右，此时射流长度约为12 mm，但并不稳定，而随着气体流量的增大，射流长度逐渐缩小。不同气体流量对应的射流长度如图6所示。

图6 不同气体流量对应的射流长度

4 结语

本文设计了在大气压空气环境下工作的等离子体射流发生器，选择了发生器的进气模式，对工作气体的流量和冷却方式进行了一系列的设计，并对气体流量对放电现象的影响进行了实验探究。实验结果表明：等离子体发生器工作气体的流量会对气体放电的状态产生显著的影响，射流长度会随着气体流量的增加呈现先增长后减小的趋势。