用于提供等离子流的装置 |
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| 申请号 | CN201280040051.6 | 申请日 | 2012-06-12 | 公开(公告)号 | CN103891416A | 公开(公告)日 | 2014-06-25 |
| 申请人 | 兰德股份公司; | 发明人 | T.B.霍尔贝切; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种用于在环境 大气压 力 下形成包括用于 治疗 治疗区的活性种类的气态等离子的装置(10)。该装置包括用于形成用于治疗治疗区的气态等离子的等离子单元(12)。等离子单元包括用于从源(18)接收气体的入口(16)和用于排出单元中生成的活性种类的出口(20)。由聚酰亚胺制成的 电介质 基底(22)围绕从入口到出口传送的气体的流动通路包围，并且 电极 (26)形成在电介质基底上用于沿流动通路激励气体以形成活性种类。保护涂层或衬套(32)位于电介质基底(22)的内表面上，用于抵抗等离子单元(12)中生成的活性种类与电介质基底(22)的材料的反应。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于在环境大气压力下形成包括用于治疗区的治疗的活性种类的气态等离子的装置，所述装置包括用于形成用于治疗所述治疗区的所述气态等离子的等离子单元，所述等离子单元包括用于从源接收气体的入口和用于排出所述单元中生成的活性种类的出口；电介质基底，所述电介质基底由围绕流动通路包围的聚酰亚胺制成，所述流动通路用于气体从所述入口传送至所述出口；以及电极，所述电极形成在所述电介质基底上，用于激励气体沿所述流动通路形成活性种类，其中，由电介质制成的保护涂层形成在所述电介质基底的内表面上，用于保护所述电介质基底免于与所述活性种类反应。 |
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| 说明书全文 | 用于提供等离子流的装置技术领域[0001] 本发明涉及一种用于提供常压等离子流的装置。具体而言，本发明涉及此类装置的等离子单元。 背景技术[0002] 用于生成非热气体等离子的系统是已知的，并且具有在许多领域中的应用，诸如用于人体或动物体的治疗的工业、牙科、医学、化妆品和兽医领域。非热气体等离子生成可用于促进血的凝结、清洁、杀菌和从表面除去污染物、消毒、组织的再连接，以及组织病症的治疗，而不会引起显著的热组织损伤。为了患者可忍受，包括离子和非离子气体的常压等离子流应当保持在可接受的温度下，优选为低于大约40℃。 [0003] 在此类等离子装置中，还合乎需要的是节省功率并且增大输送至治疗区的等离子中的活性种类(例如，OH自由基)的量，同时还节省气体消耗。 发明内容[0004] 本发明的目的在于在等离子输送装置中提供改进的等离子单元。 [0005] 本发明提供了一种用于在环境大气压力下形成包括用于治疗区的治疗的活性种类的气态等离子的装置，该装置包括用于形成用于治疗治疗区的所述气态等离子的等离子单元，等离子单元包括用于从源接收气体的入口和用于排出单元中生成的活性种类的出口；电介质基底，该电介质基底由围绕流动通路包围的聚酰亚胺制成，该流动通路用于气体从入口传送至出口，以及电极，该电极形成在电介质基底上，用于激励气体沿流动通路形成活性种类，其中，由电介质制成的保护涂层形成在电介质基底的内表面上，用于保护电介质基底免于与活性种类反应。 [0007] 电极可通过在电介质基底上形成导电材料图案来形成。 [0009] 电介质基底优选为柔性的，并且定形为限定流动通路。电介质基底可通过包围流动通路的柔性管形成。 [0010] 由电介质制成的保护护套可围绕电介质基底和电极形成。 [0011] 装置可包括具有多个所述等离子单元的等离子单元阵列。 [0012] 本发明还提供了一种用于此类装置的等离子单元。 [0013] 根据本发明的装置可通过以下制成：将电极形成到由聚酰亚胺制成的电介质基底上，构造电介质基底来形成从单元入口到单元出口的气体流动通路，以及在电介质基底的内表面上形成保护电介质涂层用于保护基底免于与活性种类反应。 [0014] 电极可形成图案到电介质基底上。 [0015] 有图案的电极可通过印刷或由传递到电介质基底上的纤维基质形成来沉积在电介质基底上。 [0016] 电介质基底为柔性的，并且在将电极形成在基底上之后，基底定形成包围入口与出口之间的流动通路。 [0017] 电介质基底可定形成与装置内的模板的形状对应。 [0018] 保护涂层可由大体上不与单元中生成的活性种类反应的材料制成。 [0020] 为了可更清楚地理解本发明，现在将参照附图来更详细地描述仅经由实例给出的其若干实施例，在该附图中：图1示出了用于形成等离子的装置； 图2更详细地示出了装置的等离子单元； 图3在图3a中以透视示出了等离子单元，在图3b中以纵截面示出了等离子单元，在图 3c中以横截面示出，并且在图4中示出了单元的电极； 图4在图4a中以透视示出了等离子单元，在图4b中以纵截面示出了等离子单元，在图 4c中以横截面示出，并且在图4中以平面示出了等离子单元； 图5以局部剖面示出了等离子单元；以及 图6示出了具有等离子单元阵列的装置。 具体实施方式[0021] 参考图1，示出了用于提供用于治疗区的治疗的等离子流的装置10，该治疗区可为人体或动物体的一部分，诸如，牙齿。装置包括等离子单元12，其用于在环境大气压力下形成气态等离子，该气态等离子包括活性种类来通过喷嘴14排出用于治疗该治疗区。压力不必受控制来保持严格的环境大气压力，但显著的正压或负压应当大体上在图1的实例中避免。 [0022] 等离子单元12包括用于从源18接收气体的入口16，以及用于排出单元中生成的活性种类的出口20。电介质基底22围绕流动通路24包围用于气体从入口传送至出口。电极26形成在电介质基底的外表面上，并且通过电连接器30连接到电源28上，用于激励气体沿流动通路来形成活性种类。电极26可嵌入基底中，或者夹在基底之间。电源设计成利用适当高的电压和频率来驱动电极，以激励单元中的气体，例如，在100MHz下的2.5kV RMS，然而，电压不必超过电介质基底的电介质强度，以避免通过基底形成传导路径。源还应当构造成不使电极构造过载而引起有图案的电极构造的管道的熔化和随后短路。壳体29收纳装置的构件。 [0023] 图2中示出了穿过等离子单元截取的放大截面II。在该实例中，电极26采取螺旋形式，并且传递到大体上圆柱形电介质基底22的外表面上。电极具有规则图案，以在等离子单元中产生大体上均匀的电场。保护衬套32位于电介质基底的内表面上，用于抵抗单元12中生成的活性种类与电介质基底22的反应。此类反应(如果允许)将使电介质基底退化，并且降低其电绝缘性质，或介电强度，并且导致电极与单元中的气体之间的导电。此类传导可导致电弧作用，这加热等离子，放出功率，并且可产生不合乎需要的活性种类。保护护套34包绕电极和电介质基底，并且保护内单元构件免受物理破坏。在该实例中，护套由电介质制成，该电介质保护等离子单元外的区免受暴露于高电压。等离子单元外的区典型地包含空气，并且高电压(如果未由护套保护)将通过激励空气中的氧而产生臭氧。 [0024] 由保护衬套提供的保护意味着用于电介质基底的材料选择大于在没有保护衬套的情况下的情况。在后一种情况中，除其需要的电性性质之外，将需要基底不与在单元中生成的活性种类反应。活性种类取决于源气体，等离子由该源气体生成，并且可为氩或氮。因此，基底可由聚酰亚胺制成，其具有适合的电性性质，但大体上与活性种类反应。保护衬套可由大体上不与活性种类反应的诸如PTFE、FEP或硅橡胶的材料制成。单元的复合结构提供具有所需的电性性质但在使用期间将不会显著退化的布置。 [0025] 电介质基底可由任何适合的电介质制成，并且优选为薄的，具有小于5mm的厚度，优选为小于2mm，并且更优选为小于1mm。由于横跨单元中的排出气体生成的电场通过增大厚度而减小，故薄基底允许以减少的功率消耗来生成较高强度的场。然而，将注意的是，特别是在为薄的来抵抗在暴露于足够高以在室中生成常压等离子的电场时的分解时，许多电介质具有不足的强度。因此，所选的电介质基底的介电强度应当足以抵抗从电极到单元中的气体的显著电传导。介电材料可为聚酰亚胺，其具有良好的电性性质，并且为柔性材料，这意味着其可构造成一定数量的不同形状中的任一种，如将在下面更详细地描述的。 [0026] 聚酰亚胺为酰亚胺单体的聚合物。聚酰亚胺为重量轻的、柔性的，抵抗热和化学品，具有高介电强度，并且能够用作用于印刷的电性构件的基底。例如，US 3 179 634中描述了适合的聚酰亚胺在本发明中的使用及其制备。用于制备聚酰亚胺的公知程序为两步骤聚(酰胺酸)工艺，其涉及在两极非酸碱溶剂(诸如，N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)或N-甲基吡咯烷酮(NMP))中在环境条件下使双酐和二胺反应，以产生对应的聚(胺)酸。接着，该酸环化成最终的聚酰亚胺。此类聚酰亚胺是市售的，特别在商标KAPTON下。在KAPTON产品中最广泛使用的聚酰亚胺被认为是使用单体苯均四酸二酐和4,4'-二氨基二苯醚。 [0027] 一些商业聚酰亚胺产品与其它塑料材料层合。US3616177和US2005/0013988A中公开了此类层合物。后一文献具体涉及包括聚酰亚胺芯层和高温含氟聚合物粘结层的电介质基底。 [0028] 还已知的是聚酰亚胺与石墨或玻璃纤维复合，以便提高其柔性强度，并且与金属复合，以便提高其导热性。还已知的是提供抵抗电晕放电的聚酰亚胺等级。例如，此类产品是市售的，诸如，KAPTON CR和KAPTON FCR。抗电晕放电形式的聚酰亚胺例如从US3389111中获知。本文中公开的成分包含某些金属有机化合物，特别是选自元素周期表的IVb和Vb组的元素的芳香族、脂肪族或羧酸化合物和铁，其中，金属通过碳粘结到分子的有机部分上。 [0029] 另一种适合的聚酰亚胺为APICAL聚酰亚胺膜，其为由Kaneka Texas公司制造的AF类型的芳族聚酰亚胺。该聚酰亚胺取决于选定的特定膜而具有在118kV/mm至197kV/mm的范围内的介电强度。 [0030] 电极可通过在印刷电路板的制作中使用的技术来由铜制成并且印刷到电介质基底上，诸如，沉积或蚀刻。然而，电极图案构造成在等离子单元中生成高电场，然而在PCB中，高电场大体上是不合乎需要的。此外，在PCB中，线形成在基底的一侧上，并且用作电导体，其主要用于通过互连的通孔在位于基底的另一侧上的构件之间传送电信号。在本发明中，电极图案未传送信号，并且设计用于与例如1kV(或更高)的高电势一起使用。 [0031] 保护护套构成电极图案和另一个方面的基底与装置中的环境条件之间的物理屏障，并且还提供了将单元保持在大体上圆柱形或其它期望构造的结构支承。因此，保护护套可由热塑性塑料制成，诸如，聚醚嵌段酰胺。保护护套还优选为提供电极与等离子单元的外部之间的电绝缘的电介质。作为备选，电介质层可覆盖电介质基底和电极，并且一个或更多个其它层可覆盖电介质层。 [0032] 附加的层可设在层合的等离子单元中，诸如，一个或更多个粘合层、一个或更多个附加电极图案，或一个或更多个电介质层。 [0033] 参考图3，更详细地示出了等离子单元40，其中，该电极或各个电极通过印刷传递至电介质基底，诸如，通过沉积或蚀刻。相似的附图标记将用于表示以上讨论的相似特征，并且将为了简短而不会又阐释。单元40包括第一电极42和第二电极44，两者通过PCB制作中已知的印刷技术印刷在电介质基底46上。第二电介质层48覆盖有图案的电极，并且保护和电隔离单元。气体导管49将气体从气体源传送至等离子单元。为了图简单，保护衬套不在图3中示出。 [0034] 在等离子单元的制造的优选方法中，(多个)电极42,44印刷在大体上平面的电介质基底上，诸如，聚酰亚胺，其为柔性的，以使在印刷之后，基底可形成为期望的构造，该期望的构造在该实例中为具有形成单元出口20的锥形前部分的圆柱。大体上矩形的平面基底形成为圆柱，并且接着基底的纵向侧连结和固定圆柱构造中的基底。在这点上，将(多个)电极印刷在平面基底上比通过印刷在圆柱形基底上更容易且廉价地实现，并且标准PCB制造设备可用于印刷在平面基底上。但当然，本发明并未排除印刷或另外在圆柱形基底上形成电极图案。 [0035] 柔性电子电路或所谓的柔性电路在其它技术领域中是已知的，并且例如用于相机和手机中。在此类领域中，电子构件安装在柔性塑料基底上，诸如，聚酰亚胺、PEEK或透明传导聚酯膜。此外，柔性电路可为聚酯上的丝网印刷银电路。这些柔性印刷电路(FPC)典型地由光刻法制成。制造柔性箔电路的备选方式为将非常薄(例如，0.07mm)的铜条层合在两层PET之间。典型地为0.05mm厚的这些PET层涂覆有粘合剂，该粘合剂为热固性的，并且将在层合过程期间活化。这些技术可用于生产当前的等离子单元。然而，将注意的是，当前的等离子单元的电极布置设计成传送高电压(例如，1kV到3kV)和高频率(例如，高于100kHz)，然而已知的柔性电路板设计成在低频率下传送低电势。 [0036] 电介质基底的柔性意味着其可定形为与装置内的模板对应。例如，模板可为石英管或喷嘴附接件的一部分。该基底的柔性允许将等离子单元定位在装置内的更大的范围，导致空间的更有效使用，并且有助于装置尺寸的减小，或者导致(如果优选)装置内的其它构件(诸如，电源)的尺寸的可允许的增大。 [0037] 在图3中所示的实例中，两个电极被示出，并且通过电连接器52,54连接到电源上。连接器和电极图案可在图3d中最清楚地看到，其中，已经除去了单元的其它构件。图案构造成加强单元中的活性种类的生成，并且可由任何适合的形状组成，诸如，线圈、锯齿或曲线管道。印刷图案实现了产生复杂且适合的图案，而没有显著的花费并且没有管道之间短路的风险。作为优选，图案覆盖尽可能多的单元表面，以使大体上均匀的电场应用于单元中的气体。图案可形成为没有尖锐的转角或尖点，这是因为将认识到这些区可吸收相对较高数量的电荷载体，这继而可产生不均匀的电场。 [0038] 大体上圆柱形的等离子单元40可具有3mm到10mm的外径，以及0.5mm至2mm的出口喷嘴直径。电介质基底层46,48可为0.1mm至1mm厚。电极线可为近似0.01mm至0.1mm宽和厚。保护层可为近似1mm厚。 [0039] 尽管图3中示出了大体上圆柱形的等离子单元，但其它形状可由柔性构件制成，例如，沿弯曲通路传送气体的单元。此类布置增大了气体在单元中的停留时间，并且促进了等离子形成。图4中示出了具有更扁平的形状的另一个等离子单元。 [0040] 参考图4，等离子单元60示为包括印刷在电介质基底66上的电极62,64。图4中的相似附图标记将用于表示以上讨论的相似特征，并且将为了简单而不会又阐释。第二电介质层68覆盖电极图案，使得电极嵌入电介质材料内。在该实例中，电介质基底66形成为大体上平面的构造。在这点上，基底在于入口16和出口20之间沿流动通路延伸的第一维度D1和大体上横向于第一维度的第二维度D2上比在大体上正交于所述第一维度和第二维度的第三维度D3上具有大致更大的范围。如所示，第一维度大体上延伸穿过室，第二维度横跨室延伸，并且第三维度延伸室的厚度。 [0041] 平面单元的益处为三重的。首先，气体在相对较长的时期内暴露于电场，这是因为其在第一维度上穿过室。第二，对于第一维度上的各个单元长度，由于第二维度上的相对较大的宽度，故相对较大量的气体暴露于电场。第三，确保穿过室的任何气体的最大距离的室的相对较小的厚度仅为离该电极或各个电极的短距离，同时仍允许室内的合理气流。还应当注意的是，等离子室的内表面面积相比于气体体积较大，并且因此为传导性的来将热输送远离气体。在图1中所示的实例中，室的宽度为大约10mm，并且长度为大约50mm。室的高度优选为小于5mm，并且更优选为小于大约2mm。 [0042] 在该实例中，电极以大体上'S'形状构造传递到基底66的各个平面侧上。电极仅覆盖与其边缘间隔开的各个平面侧的一部分，以减少围绕边缘生成的电场的交叉，而非穿过单元中的气体室。 [0043] 电极图案可不继续，但作为备选可成段或成离散图案提供，这可为一个与另一个间隔开。(多个)电极优选地取决于单元的具体特征来构造，例如，穿过单元的气体的流速、单元中生成的活性种类的半衰期，以及所需的治疗的类型。 [0044] 图5中示出了本发明的另一个实施例。示出了等离子单元80，其包括在该情况下由聚酰亚胺形成的大体上管状或圆柱形电介质基底82。可由PTFE制成的保护层84覆盖电介质基底的内表面，以在使用期间抵抗基底的退化。电极86形成图案到电介质基底上。电极由纤维基质制成，在该实例中，该纤维基质为钢编织物。电极图案在该图中为纤维网格，但将认识到可形成任何适合的图案。涉及改变电压和频率的简单实验将显示图案良好地执行并且在等离子单元中建立良好的电场。电极图案可通过首先将钢、铜或其它传导材料层传递至电介质基底并且接着使用激光来除去材料以产生期望图案来形成。作为备选，纤维基质可在挤压过程期间传递至基底。保护护套88覆盖电极图案和电介质基底。护套提供机械支承和电绝缘。聚酰亚胺可用于形成护套。 [0045] Microlumen®产生适合的管状结构，虽然在医学领域中使用，其中，管用作插管。传递至聚酰亚胺层的钢编织物向管提供结构回弹性，并且并未设计成传送电。聚酰亚胺基底提供了柔性材料来允许在插入本体中时结束。将认识到的是，此类管的尺寸必须小(大约1mm至3mm)，以配合内侧身体管道，并且出于上文详细描述的原因，此类尺寸还适合于用作等离子单元。 [0046] 经由实例参考图2，本文所述的等离子单元可通过以下制成：在电介质基底22上形成电极26图案、例如将电介质基底构造成圆柱，以形成气体从单元入口16到单元出口20的流动通路，以及在电介质基底的内表面上形成保护衬套32用于抵抗活性种类与电介质基底的反应。步骤的顺序可按需要来选定。 [0047] 在图3和图4中所示的实例中，有图案的电极通过在印刷电路板制造中已知的印刷技术来沉积在电介质基底上。例如，在消去过程中，铜层可粘合在整个基底上面(产生"空白PCB")，接着在施加临时掩模(例如，通过蚀刻)之后除去不需要的铜，仅留下期望的铜迹线。作为备选，在添加过程中，传导路径可通过将迹线沉积到裸露基底(或具有非常薄的铜层的基底)上来制成，通常通过多个电镀步骤的复杂过程。 [0048] 大多数电路板在使用中仍为平的。然而，在制造等离子单元的优选方法中，电介质基底由薄膜柔性电介质材料制成，电极形成图案到该薄膜柔性电介质材料上。接着，基底随后可定形为包围入口与出口之间的流动通路，例如，作为圆柱，或者呈不沿着出口与入口之间的笔直通路的形式。作为备选，电路可插入到石英或其它电介质材料管中，其中，其将符合管的形状。以该方式，等离子单元可通过将传导管道相对廉价地印刷在平面基底上并且接着形成为所需的形状来制成。保护衬套可形成到平面基底的一个表面上，而电极图案印刷在相对的表面上。 [0049] 参考图5，有图案的电极由纤维基质形成，该纤维基质在管状基底的挤压期间或在其制造之后传递到电介质基底上。由于为基底选定的材料为柔性的，故等离子单元随后可形成为任何期望的形状。 [0050] 在当前实施例中，基底的电介质材料的选定应当优选考虑其导热性，并且在这点上，聚酰亚胺具有大约0.5W/m.K的相对较好的导热性，以使热可传导远离单元中的气体。从等离子室排出的气体混合物的温度优选小于60℃，并且更优选小于40℃。 [0051] (多个)电极可在电介质基底上大体上均匀地形成图案，或者可形成图案来产生一个区，该区具有不同于另一个区的传导管道密集度。例如，相比于朝单元的入口，可合乎需要的是朝单元的出口产生更强的电场，使得在气体接近治疗区时，更多能量供应至气体。作为备选，电极图案可由沿流动通路与彼此间隔开的串联的多个离散图案组成。 [0052] 具有本文所述的等离子单元的实施例的装置适合于紧凑形式，并且在优选布置中，装置构造为手持的，并且例如类似于可手持和操作的电动牙刷操作。手持装置必须足够小和轻，其在使用中不笨重，并且可相对精确地被引导，用于将生成的活性种类施加于治疗区，诸如，口中的特定的牙齿。在这点上，装置可构造成具有小于1kg的质量，小于200mm的长度和50mm的宽度。 [0053] 又一个装置在图6中示出。由于本文所述的等离子单元可相对较小(例如，50mm长乘5mm宽)，故包括多个等离子单元的等离子单元阵列88可设在单个装置中，该单个装置自身可适于手持和操作。在图6中，装置90包括三个等离子单元92,94,96，其中各个与气源18流动连通，用于接收到单元气体中来被激励，并且与喷嘴14(或各个喷嘴)连通来用于等离子从单元输送至治疗区。气体导管98从气源延伸，并且成三叉来将气体输送至单元中的各个。另外的导管100从单元出口延伸，并且会聚来将活性种类输送至喷嘴。各个单元的(多个)电极由电导体102连接到电源28上。 [0054] 如所示的等离子单元阵列能够比图1中所示的装置的单个等离子单元输送更大量的活性种类至治疗区。然而，不同于简单地结合较大等离子单元的装置，提供等离子单元阵列允许气体更接近单元的电极，并且因此更容易与生成的电场相互作用。在较大的单元中，气体与电极之间的最大距离增大，并且因此将必须在电极处产生较大的电势来输送相当的能量至气体。 [0055] 尽管在该实例中，等离子单元阵列包括三个等离子单元，但可结合任何数量的单元。此外，三个等离子单元以并联关系设置，然而单元中的一个或更多个可串联提供，然而，只有在活性种类的半衰期足够长而使得在串联中的第一个中生成的等离子存活用于施加到治疗区时，串联关系才可为适当的。 |
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