ЭЛЕКТРОДНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО БАРЬЕРНОГО ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА
ELECTRODE STRUCTURE FOR FORMATION OF DIELECTRIC BARRIER PLASMA DISCHARGE

Изобретение относится к электродной конструкции для образования диэлектрического барьерного плазменного разряда между электродом, питаемым от управляющего устройства высоким переменным напряжением, и подлежащей обработке поверхностью электропроводящего тела, которая служит заземляющим электродом, причем диэлектрик полностью закрывает электрод от подлежащей обработке поверхности и образует опорную сторону для этой поверхности.
Такого рода плоская электродная конструкция, которая может быть выполнена гибкой, известна из DE 10 2009 060 627 B4. Плоский электрод при этом уложен между нижней стороной диэлектрика и верхней стороной диэлектрика, каждая из которых проходит в этой плоскости за электрод и, тем самым, закрывает также и узкий край электрода, так что исключается соприкосновение с электродом, находящимся под высоким напряжением. Исключено также и такое приближение к электроду, которое могло бы вызвать проскакивание искрового разряда. Более того, этот диэлектрик предотвращает прохождение гальванического тока от электрода к подлежащей обработке поверхности, которая служит заземляющим электродом. А значит, такая электродная конструкция не имеет собственно заземляющего электрода. Чтобы обеспечить образование плазмы в воздушном слое между подлежащей обработке поверхностью и диэлектриком, в случае гладкой подлежащей обработке поверхности нижняя сторона электродной конструкции, обращенная к подлежащей обработке поверхности, выполнена с выступающими шишечками, которые своей верхней стороной прилегают к подлежащей обработке поверхности, и между ними имеются сквозные промежутки, в которых может образовываться плазма, когда к электроду прикладывают высокое переменное напряжение.
Такого рода электродная конструкция может прилегать к подлежащей обработке поверхности, причем эта подлежащая обработке поверхность может, в частности, находиться на коже тела человека или животного. Обработка плазмой при этом ведет к глубокой дезинфекции кожи и улучшает способность кожи впитывать питательные вещества, которые наносятся на обрабатываемую кожу.
Известно также, что обработка плазмой может быть предпочтительна для заживления ран. Согласно DE 10 2009 047 220 A1 в стержневидном приборе, через который протекает обрабатывающий газ, создается плазма, которая выходит на имеющей форму сопла торцевой стороне прибора и может направляться на подлежащую обработке кожу или рану.
В DE 10 2011 01 416 A1 раскрыто плоское гибкое устройство для обработки ран, у которого два плоских электрода образованы переплетенными друг с другом, изолированными электрическими проводниками. Между этими проводниками создается высокое напряжение, которое в воздушных промежутках должно привести к образованию плазмы. Для этого необходимо, чтобы вся эта электродная конструкция была газопроницаемой.
Далее, известны электродные конструкции, с помощью которых возможно создание диэлектрического барьерно-поверхностного плазменного разряда. В WO 2009/098662 A1 описана такого рода конструкция, в которой первый, плоский электрод и второй, сетчатый электрод уложены в диэлектрике в направлении по высоте электродной конструкции на расстоянии друг от друга, так что на поверхности диэлектрика образуется подходящее для образования плазмы электрическое поле, которое располагается вблизи сетчатого электрода. К сетчатому электроду приложено высокое переменное напряжение, тогда как к находящемуся под ним плоскому электроду приложен потенциал земли. Такая конструкция имеет высокое энергопотребление и низкий КПД по отношению к образованию поверхностного плазмона.
С этой точки зрения предпочтительны электродные конструкции, электрод которых выполнен так, что между плоским электродом и подлежащей обработке поверхностью в качестве заземляющего электрода возникает в значительно степени однородное поле, которое ведет к определенной и в идеале равномерной плазме.
Существует растущая потребность в обработке даже сравнительно больших поверхностей путем наложения электродной конструкции, в частности гибкой, описанного выше рода. Однако, по мере увеличения обрабатываемой площади становится все труднее обычными методами создавать необходимую напряжённость поля для образования равномерной плазмы между опорной стороной диэлектрика и подлежащей обработке поверхностью. Таким образом, в основе данного изобретения лежит проблема выполнения электродной конструкции указанного рода так, чтобы, с одной стороны, эффективным образом образовывалась максимально равномерная плазма, и, с другой стороны, с низкими энергетическими затратами могли обрабатываться даже большие поверхности с помощью соответственно большой электродной конструкции.
Для решения этой проблемы согласно изобретению электродная конструкция упомянутого вначале рода характеризуется тем, что электрод состоит из по меньшей мере двух частичных электродов, расположенных рядом друг с другом на одинаковом расстоянии от опорной стороны и изолированных друг от друга диэлектриком, и тем, что к соседним частичным электродам от управляющего устройства прикладываются взаимно компенсирующиеся частичные переменные высокие напряжения, зеркально противоположные по форме волны и величине напряжения.
Предлагаемая изобретением электродная конструкция основана, тем самым, на том известном принципе, чтобы использовать подлежащую обработке поверхность электропроводящего тела в качестве заземляющего электрода, так что в принципе для образования плазменного поля требуется лишь один единственный электрод, который для образования плазмы взаимодействует с подлежащей обработке поверхностью как с заземляющим электродом. При этом над поверхностью электрода возникает в значительной мере идеально однородное электрическое поле, в котором силовые линии проходят параллельно друг другу. Лишь на краю электрода могут возникать известным образом изогнутые или проходящие под углом силовые линии. В предлагаемой изобретением электродной конструкции упомянутые частичные электроды предпочтительно выполнены с площадью такого размера, что протяженность электрического поля и идеально параллельных силовых линий составляет более 50%, предпочтительно более 65%, а еще предпочтительнее более 80% от площади частичных электродов. Предлагаемые изобретением электроды являются занимающими большую площадь и позиционированы параллельно опорной стороне диэлектрика. Согласно изобретению предусмотрены по меньшей мере два частичных электрода, которые по отдельности снабжаются высоким переменным напряжением от управляющего устройства. Эти высокие переменные напряжения осциллируют при этом предпочтительно относительно потенциала земли. В идеале эти высокие переменные напряжения могли бы иметь синусоидальную форму. За счет имеющихся в управляющем устройстве емкостей и индуктивностей могут образовываться также и колебательные контуры, с помощью которых импульс накачки соответственно запускает процесс высокочастотных колебаний.
Если бы расположенные рядом друг с другом частичные электроды управлялись синфазно, то в области этого однородного поля между соответствующими частичными электродами и подлежащей обработке поверхностью в идеале образовалась бы однородная плазма. Однако в соединительной области между расположенными рядом друг с другом частичными электродами напряжения суммировались бы, и это приводило бы к нежелательным пикам напряжения, которые искажали бы равномерное плазменное поле. Кроме того, внутри электропроводящего тела, на котором находится подлежащая обработке поверхность, создавались бы значительные разности потенциалов, которые могли бы привести к протеканию нежелательных токов внутри тела. В живом теле это может привести к неприятным и, в некоторых случаях, опасным явлениям.
Согласно изобретению поэтому предусмотрено, что находящиеся рядом друг с другом частичные электроды управляются зеркально противоположными (зеркально симметричными) высокими переменными напряжениями, так что в тех краевых зонах частичных электродов, которые лежат между соседними частичными электродами, возникает по существу свободная от поля разделительная область. Поскольку эта разделительная область может быть узкой и линейчатой, то образовавшиеся в плазме дезинфицирующие продукты, например, образующиеся в воздухе в плазме OH-радикалы и молекулы озона действуют также и в разделительной области, так как они даже в пределах своего очень короткого срока жизни могут попадать в зону поверхностей в разделительной области.
Поэтому предлагаемая изобретением электродная конструкция со своими по меньшей мере двумя частичными электродами рассчитана так, что эти частичные электроды почти по всей своей площади с подлежащей обработке поверхностью в идеале образуют по существу однородное поле, и тем самым – в идеале равномерную плазму, и для соседних частичных электродов может возникать узкая, в принципе свободная от поля разделительная область. Поэтому при двух соседних частичных электродах один частичный электрод управляется положительной полуволной высокого переменного напряжения, тогда как другой частичный электрод управляется отрицательной полуволной, так что в разделительной области оба эти напряжения компенсируются. В одном предпочтительном варианте выполнения соответствующие полуволны идентичны по величине и по форме, так что в разделительной области устанавливается постоянный потенциал, не изменяющийся в течение периода высокого переменного напряжения и соответствующий потенциалу земли заземляющего электрода. На практике идентичность зеркально противоположных полуволн может иметь место лишь приближенно, так что постоянный суммарный потенциал в разделительной области имеет место лишь тогда, когда еще имеющееся незначительное колебание суммарного потенциала составляет, например, менее пяти процентов от амплитуды напряжения. В идеале равномерная плазма может на практике перекрываться или искажаться незначительными нитевидными разрядами, даже если стремятся предотвращать такие нитевидные разряды.
Амплитуда напряжение используемых высоких переменных напряжений предпочтительно может лежать между ± 10 кВ и ± 100 кВ. Смежные частоты высоких переменных напряжений лежат предпочтительно в диапазоне между несколькими 100 Гц и примерно 100 МГц.
Для приспосабливания к неровным поверхностям целесообразно, чтобы частичные электроды и диэлектрик были гибкими. Благодаря этому вся электродная конструкция может следовать за неровной поверхностью, так что в идеале такая поверхность может обрабатываться равномерным плазменным полем.
Известным сам по себе образом опорная сторона диэлектрика, обращенная к подлежащей обработке поверхности, может иметь структуру, предпочтительно в форме решетки или шишечек, между которыми может образовываться плазма, когда диэлектрик верхней стороной этих шишечек или другими выступающими структурами прилегает к подлежащей обработке поверхности.
Предлагаемая изобретением электродная конструкция может быть выполнена также как раневая накладка, когда диэлектрик образован из приемлемого для раны материала, например, из подходящих силиконов (кремнийорганических полимеров), или на опорную сторону диэлектрика наложен слой из приемлемого для раны материала, например, марли.
Предлагаемая изобретением электродная конструкция пригодна также для отведения раневой жидкости или для подвода ранозаживляющей или, соответственно, способствующей заживлению ран жидкости, если диэлектрик и частичные электроды имеют сквозные отверстия, которые проходят в направлении по высоте через такие электродные конструкции и сплошь ограничены окружающим частичные электроды диэлектриком.
Предлагаемая изобретением электродная конструкция предпочтительно обладает высокой степенью симметрии в отношении этих частичных электродов. Для этого целесообразно, чтобы частичные электроды имели одинаковый размер, так что действующая для образования плазмы поверхность будет равномерно распределяться по числу частичных электродов.
Эти частичные электроды могут быть выполнены из плоского металлического материала, который предпочтительно с обеих сторон покрывается диэлектриком. Однако можно также реализовать эти электроды с помощью проводящего полимерного материала, который может с геометрическим замыканием соединяться с диэлектриком, тоже образованным полимерным материалом, например, силиконом. Такой электрод может, например, состоять из силикона с проводящими добавками в виде металлических частиц, углеродных частиц или т.п.
Ниже данное изобретение поясняется подробнее на примерах осуществления, представленных на чертежах. На них показано следующее.
Фиг. 1 - конструкция электрода на изображении с пространственным разделением деталей,
Фиг. 2 - вид сверху готовой электродной конструкции по Фиг. 1 и
Фиг. 3 - схематичное изображение работы предлагаемой изобретением принципиальной схемы.
Согласно Фиг. 1 электрод 1 образован двумя частичными электродами 2, 3, которые не соединены друг с другом и находятся на определенном расстоянии друг от друга. Каждый из этих частичных электродов 2, 3 состоит из узкого плоского подвода 4, который переходит в плоскую структуру 5. Плоские структуры 5 обоих частичных электродов 2, 3 вместе образуют примерно квадратную поверхность электрода, причем в представленном примере осуществления между этими плоскими структурами 5 в задаваемом подводами 4 продольном направлении имеется промежуток 6.
Плоские структуры 5 частичных электродов 3 имеют некоторое количество сквозных отверстий 7, функция которых подробнее рассматривается ниже. Материалом частичных электродов, как упоминалось, может быть металлическая фольга, тонкий металлический лист или сделанный проводящим за счет добавки проводящих частиц слой полимерного материала, в частности, слой силикона.
На Фиг. 1 можно видеть, что со стороны промежутка 6 в обеих плоских структурах 5 частичных электродов 2, 3 имеются сквозные отверстия примерно в форме полукруга, которые содействуют надежному зубчатому сцеплению этих частичных электродов с заполняющим промежуток 6 диэлектриком.
Электрод 1 со всех сторон закрывается диэлектриком 8, который на Фиг. 1 представлен состоящим из верхнего слоя 9 диэлектрика и нижнего слоя 10 диэлектрика. Верхний слой 9 диэлектрика своей поверхностью выступает за общую поверхность обоих частичных электродов 2, 3 во все стороны и тоже снабжен сквозными отверстиями 11, которые расположены таким образом, что они совпадают со сквозными отверстиями 7 частичных электродов 2, 3. В области промежутка 6 между частичными электродами 2, 3 верхний слой диэлектрика выполнен массивным, чтобы создавать надежную электрическую изоляцию между частичными электродами 2, 3. Как верхний слой 9 диэлектрика, так и нижний слой 10 диэлектрика имеют по одному выступу 12, 13, которыми подводы 4 экранируются от окружающего пространства.
Сквозные отверстия 11 в верхнем слое 9 диэлектрика выполнены концентрично со сквозными отверстиями 7, однако имеют меньший диаметр, так что и в области сквозных отверстий 7 слой диэлектрика экранирует материал частичных электродов 2, 3. Поэтому даже через жидкость не может создаваться непосредственное электрическое соединение с частичными электродами 2, 3.
Нижний слой 10 диэлектрика, как и верхний слой 9 диэлектрика, образует сплошной однородный слой. Верхний слой 9 диэлектрика может быть перфорирован сквозными отверстиями 14. Сквозные отверстия 14 тоже выполнены концентричными со сквозными отверстиями 7 частичных электродов и со сквозными отверстиями 11 верхнего слоя диэлектрика. Также и в нижнем слое 10 диэлектрика диаметр сквозных отверстий 14 меньше, чем диаметр сквозных отверстий 7 частичных электродов 2, 3, и имеет ту же величину, что и диаметр сквозных отверстий 11 верхнего слоя 9 диэлектрика.
На обращенной от частичных электродов 2, 3 стороне нижний слой 10 диэлектрика образует решетчатую структуру 15 с перекрещивающимися ребровидными стенками, свободные кромки 16 которых задают опорную сторону, которой электродная конструкция может прилегать к подлежащей обработке поверхности.
На Фиг. 1 можно видеть также, что сплошной нижний слой 10 диэлектрика боковыми полосами 17, 18 выступает за контуры верхнего слоя 9 диэлектрика с боков и за счет этого образует выступы, которыми электродная конструкция может крепиться на подлежащей обработке поверхности. Для этого указанные боковые полосы на своей нижней стороне могут быть снабжены слоем контактного клеящего средства или могут быть выполнены из адгезионного материала.
На Фиг. 2 показан вид сверху нижней стороны, т.е. опорной стороны электродной конструкции по Фиг. 1. Это изображение позволяет увидеть, что решетчатая структура образует квадратные ячейки, в середине которых располагаются сквозные отверстия 14 нижнего слоя диэлектрика, которые расположены концентрично (бόльшим) сквозным отверстиям 7 частичных электродов 2, 3. Таким образом, эти совпадающие друг с другом сквозные отверстия 7, 14 образуют сквозные каналы, которые со всех сторон ограничены материалом диэлектрика 8 и, в частности, экранируют материал частичных электродов 2, 3 также и в области сквозных отверстий 7.
На Фиг. 2 можно видеть также, что в области промежутка 6 между частичными электродами 2, 3 материал диэлектрика выполнен массивным. Решетчатая структура 15 вне области частичных электродов 2, 3 усилена краевой структурой 19 из расположенных в виде рамки мелких ячеек.
На Фиг. 2 показано, что подводы 4 посредством схематично представленного контактного приспособления контактируют в управляющем устройстве 20. Разумеется, при этом следует учитывать, что обеспечена защита от прикосновения к подающим высокое напряжение подводам 4. Для этого контактирование этих подводов 4 может происходить, например, посредством ножевых контактов, которые автоматически просекают материал диэлектрика 8 до этих проводящих подводов 4 и при этом замыкают изолирующий корпус. Такого рода контактирование ножевыми контактами является традиционным и не требует здесь дополнительных разъяснений. Схематично показано, однако, что подводы запитываются высокими переменными напряжениями, которые по периоду смещены относительно друг друга таким образом, что в сумме они компенсируются, в идеале до нуля.
Заключение этих частичных электродов 2, 3 с их подводами 4 в материал диэлектрика 8 может производиться обычным образом. В устройстве по Фиг. 1 верхний слой 9 диэлектрика и нижний слой 10 диэлектрика образованы так, что они как термопластический материал свариваются друг с другом или же могут лишь склеиваться друг с другом. Разумеется, точно так же можно весь диэлектрик с уложенными в нем частичными электродами 2, 3 изготовить как единое цело в одном процессе литья.
На Фиг. 3 схематично поясняется, что частичные электроды 2, 3, которые заключены в диэлектрик 8 и изолированы друг от друга посредством промежутка 6, в области решетчатой структуры 15, работающей как дистанцирующий элемент, вызывают образование плазмы, которая однородна благодаря тому, что создающее плазму электрическое поле между частичными электродами 2, 3 и поверхностью 21 проходит однородно, что показано здесь направленными параллельно друг другу силовыми линиями. Далее, можно видеть, что в области промежутка 6 плазма не образуется, поскольку в этой области практически нет поля. Это вызвано тем, что оба частичных электрода 2, 3 управляются зеркально противоположными по форме волны и величине высокими переменными напряжениями, как это схематично обозначено на Фиг. 3 над этими частичными электродами 2, 3. Также обозначенная суммарная кривая Σ показывает, что результирующее поле в области промежутка 6 является нулевым, поскольку оба высоких переменных напряжения в идеале взаимно компенсируются в нуль. Благодаря этому в области между частичными электродами 2, 3 предотвращается возникновение полевых эффектов, искажающих плазмообразование. В частности, предотвращаются пики напряжений.
Выполнение электрода 1 с двумя частичными электродами 2, 3 является предпочтительным, поскольку оно может быть реализовано наиболее простым образом. Однако, в случае больших подлежащих обработке поверхностей можно также предусмотреть конструкцию, например, с четырьмя частичными электродами, которые, например, четырьмя квадратными плоскими структурами 5 образуют вместе квадратную поверхность электрода. Управление этими частичными электродами в таком случае могло бы производиться по диагонали с одинаковыми формами волны, а у соседних - с зеркально противоположными формами волны.
Разумеется, возможны и другие геометрические формы этих частичных электродов, например, треугольники, ромбы, шестиугольники или же круги.