2014 十月

CeraPlas™压电等离子发电器

冷等离子通过单一元件组成

冷大气压等离子可为诸多工业和医疗应用带来决定性的优势。凭借新型CeraPlas™产品,TDK提供了一种比传统技术更紧凑、更易于集成、更高效的等离子发电器。

各行各业对冷等离子技术的兴趣与日俱增。借助这种技术,人们不仅可以运用多种方式来改进材料表面属性并不会导致损伤,而且还可以用来对表面和空间进行清洁和消毒。作为四种基本的物质状态之一,等离子通过电离空气或气体来形成。它拥有类似于金属的导电属性,该属性受能量、压力、过程气体成分或添加物等因素的影响。几乎在各个行业中都能看到等离子处理工艺的身影。其中许多应用越来越需要冷式(非热式)大气压等离子,尤其是在工业和医疗应用中,例如表面处理、清洁、消毒和除臭等。

等离子源需要高压来激发,因而也需要GHz级高压变压器或者射频发生器。出于可制造性和安全考虑,这类发生源内部的高压电源和等离子发生装置一般被设计在独立的外壳内。为避免用户触碰高压,安全措施是必不可少的,而现有解决方案往往笨重不堪。除此之外,它们只限于使用部分过程气体。因此,市场正迫切需要紧凑、轻巧、易操作的高性能冷式大气压等离子发生器解决方案,同时最好采用电池供电并兼容各种过程气体。

单一元件解决方案

TDK 推出一种全新的元件,即CeraPlas™以满足这类要求。新型CeraPlas由TDK位于奥地利德意志兰茨贝格的陶瓷器件研发中心开发而成,凝聚了其在压电式执行器量产和叠层陶瓷技术领域的多年知识结晶。该产品的研发也得到了德国领先等离子源制造商relyon plasma的大力协助。

CeraPlas是一种新型压电式元件,可以极大地提高冷式大气压等离子的产生效率,并独创地将电压转变和等离子发生结合在一起。作为压电式变压器,CeraPlas可以产生必要的高压,同时在元件的输出端产生等离子。

创新的压电材料

新型专利技术基于硬PZT(锆钛酸铅)陶瓷材料,它可以与内部铜电极共烧结在一起。该材料组合由此兼具在宽应变范围上机械质量系数较高且稳定、机电耦合好、损耗低等优点。

该元件被设计成一种叠层Rosen型压电式变压器:输入侧采用一种带有铜内部电极的叠层结构,而输出侧则采用一种单片结构(图1)。

图1:Rosen型设计的CeraPlas压电式变压器和等离子发生器

CeraPlas输入侧采用一种带有铜内部电极的叠层结构,而输出侧则采用一种单片结构。

电压转换是借助形成的驻波在谐振频率下,将输入侧的低压转换成机械耦合输出侧的高压实现的。因为压电式变压器工作在二次谐波振动模式下,它可以在振动节点处实现接触和安装而不干扰其机械运动。

标准的DBD等离子激发是通过由电介质分开的两个电极之间产生放电。而CeraPlas则与之不同,放电是通过产生高压并在其作用下直接在压电式变压器输出侧的表面上进行的。此时压电式变压器也起到介电电极的作用,因此无需使用传统DBD解决方案所需的放电电极。在高电场的作用下,电荷聚集在介电材料表面并在数毫秒内释放。类似于其他放电方式,只要能量源提供足够的电离,等离子就会始终保持。

紧凑和安全

CeraPlas具有外形紧凑、轻巧、低功耗、低输入电压、高输出电压等优点。它可以轻松地集成到不同的等离子源内,而无需采取特殊的高压保护措施,应用十分灵活。此外,在等离子温度和表面激活方面的性能也十分突出。相比于传统等离子发生技术,CeraPlas在极低功率下可以实现更高的表面激发效率(图2)。

图2:使用CeraPlas可产生具有表面活化的等离子

在极低功率输入下的表面激发效率高于传统技术。传统技术的表面活性由可湿性来衡量,由表面(此时为ABS塑料)的液体接触角度决定。(数据来源:relyon plasma)

CeraPlas可以使用12 ~ 24 Vpp正弦电压输出高达20 kV的电压,足以在空气以及氮气或氩气等工业气体中产生放电(图3)。等离子自身温度低于50 °C,几乎适合处理任何温度敏感材料的表面。

图3:CeraPlas 产生的空气等离子

CeraPlas通过12 ~ 24 Vpp正弦电压(50 kHz)驱动组件来在输出侧边角处直接激发冷式大气压等离子。

为提高Cera­Plas元件的效率,TDK开发了一种驱动器,可以更好匹配压电式等离子发生器的要求。由于必须在其谐振频率下驱动,为稳定地工作,压电式变压器必须对负载和环境变化作出快速响应。图4所示的驱动器对CeraPlas等离子发生器的压电式变压性能进行调谐,从而降低器件受到的潜在应力。

图4:CeraPlas 的驱动器

该驱动器专为CeraPlas 元件而研发,可以更好匹配压电式等离子发生器的要求,从而提高效率。它通过对负载和环境变化作出快速响应来防止硬开关,确保器件稳定工作。

相比现有低功率等离子发生器,基于CeraPlas的等离子源展现出了优异的性能。整体等离子发生器概念非常简洁,只需要一个低压电源、驱动器、CeraPlas和一个可选气源。因此,取决于应用要求,从简易的笔式设计和手持器件直至工业级集成模块,CeraPlas可以拓宽等离子发生设备的设计视野。

使用CeraPlas的首款商用产品

piezobrush® PZ2是relyon plasma携手TDK联合研发的一种无磨损冷大气压等离子源,也是首款基于CeraPlas的上市产品(图5)。作为一种紧凑型手持装置,该产品不需要任何外部过程气体。CeraPlas组件用于在气流中激发等离子,具有较高的激发效率。由于等离子温度不足50 °C,piezobrush PZ2可以用来激活温度敏感的材料。这些特性再结合紧凑的尺寸,使之在手持设备和工业等离子领域拥有很好的应用前景。

可靠性好、功率密度高

relyon plasma公司的piezobrush PZ2是一款基于CeraPlas的紧凑、手持冷等离子源,具有低功耗、轻巧、静音的特点。relyon plasma总经理Stefan Nettesheim博士与《元器件》杂志谈及了CeraPlas的优势。

为什么relyon plasma会选择CeraPlas作为新产品的核心组件?
答:有了它,我们可以设计出更纤薄的手持工具,例如piezobrush PZ2这类易于操作、接触安全、满足洁净室要求的等离子源。

CeraPlas最引人注目的特性是什么?
答:CeraPlas产生等离子的效率极高。此外,CeraPlas技术的可靠性和功率密度也很出色。

高效率有哪些具体的好处?
答:总体上对我们产品的尺寸和性能大有好处。借助CeraPlas,我们可以设计出更坚实的驱动电路和外壳而不需要任何辅助冷却。我们的piezobrush PZ2可以承受机械冲击和热应力,适应极端工况。得益于CeraPlas较高的固有电压比,我们能够将PZ2的电源和驱动电路设计成一个极其紧凑的模块。

CeraPlas样片现已对外发布,目前正根据叠层压电元件(例如大获成功的汽车燃油喷射系统压电式执行器)的现有批量制造技术进行量产筹备中。

作为世界一流的组合式变压器和等离子发生元件,Cera­Plas适用于各种创新应用,例如汽车内饰织物的表面处理、食品加工和医疗机械的消毒,甚至包括伤口的直接处理。

表:爱普科斯 (EPCOS) CeraPlas的关键技术参数

工作电压 [Vpp]12 ~ 24
工作频率 [kHz]~ 50
输出电压 [kV]Up to 15 (depending on load)
转换功率 [W]10 (max.)
等离子温度 [°C]<50
过程气体空气、N2、Ar、He等工业气体
臭氧生成率(8W,采用自定义测量设置时)20
尺寸 [mm]72 × 6 × 2.8
材料组合硬PZT与铜电极共烧结
装配在节点处焊接安装和连接

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