CN102933016A - 车载燃料的等离子体微波功率合成系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车载燃料的等离子体微波功率合成系统，利用微波等离子体技术将原料激发成等离子体状态，大幅提高化学反应速率，从而提高了产物的产生效率。该系统通过一个微小型空心阴极来激发等离子体，几何形状为圆柱形，通过在两电极间加高电压，将燃料气体击穿，形成等离子体，微小型空心阴极点火具有自启动功能。通过半导体微波发生器提供反应腔中的微波能量，所述反应腔设计成圆环形的柱体形状，圆环截面与矩形波导截面相同，有利于微波在反应腔中的传播，并产生较高的场强，保持反应处于等离子体状态。本系统实现了反应物的汽化、点火、等离子体重整于一体的优化设计，拓展了微波功率合成技术应用的新途径。
Description
技术领域
本发明涉及燃料的微波等离子在线转换技术、等离子转换器控制领域。
背景技术
微波加热与传统的加热方法相比有很大的区别，传统加热方法是依靠热源，通过辐射、传导、对流等途径，首先使物体的表面加热，然后经热传导，使内部的温度由表及里逐步升高。而微波具有高效节能、加热速度快、加热均匀、即时性、安全环保、清洁卫生、宜于控制等优点。因此设计研发微波加热的相关设备是人类社会发展的迫切需要。
由于等离子体具有更高的温度和能量密度，能够产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。因此本发明设计一套通过微波驱动的等离子体重整器系统，具有高效、易启动、易控制等优点。用于驱动微波等离子体重整器的微波能量可以通过磁控管、速调管、半导体微波发生器等微波源来产生。本发明采用的是半导体微波发生器来驱动微波等离子体重整器，它具有体积小、不需要高电压、成本低廉等优点。
一些研究者已经用不同方法研究了微波等离子体。激发等离子体的方式有火花塞点火、激光点火、脉冲电晕放电点火、介质阻挡放电等。通过对谐振腔的特殊设计也可以激发等离子体[United States Patent，No.5793013，August 11，1998]、[United States Patent，No.6205769，B1，March 27，2001]。文献[S.P.Kuo，“A microwave-augmented plasma torch module as anigniter/fuel injector of a scramjet engine”，Department of Electrical&Computer Engineering，Polytechnic University，Six Metrotech Center，Brooklyn，NY 11201]中介绍了一种小型化、低流速、注射点火一体化的等离子体产生装置，利用特殊的波导形状，产生的能量集中，可以有效实现点火。文献[Hidetoshi Sekiguchi and Yoshihiro Mori，“Steam plasma reforming usingmicrowave discharge”，Thin Solid Films，Vol.453，pp.44-48，2003]做了微波放电生成大气中的纯蒸汽等离子体的研究，以及用等离子体重整碳氢化合物制氢的研究，并使用了一个不具有热再生、微波功率和流控制的矩形谐振腔。
发明内容
前面介绍的几种点火方式都有一定的局限性，火花塞点火方式需要定期更换，对环境有较高要求，激光、脉冲等点火方式需要高电压、高交变电压，文献[S.P.Kuo，“Amicrowave-augmented plasma torch module as an igniter/fuel injector of a scramjet engine”，Department of Electrical&Computer Engineering，Polytechnic University，Six Metrotech Center，Brooklyn，NY 11201]产生的是低流速等离子体，不利于反应的快速进行。文献[HidetoshiSekiguchi and Yoshihiro Mori，“Steam plasma reforming using microwave discharge”，Thin SolidFilms，Vol.453，pp.44-48，2003]中矩形谐振腔结构简单、腔内电磁场分析也比较容易，但是得到的电磁场场强相对较小，反应气体在腔内的路程短，转化率较低。
本发明的目的是为解决上面的技术问题，本发明提供一种新型、高效、启动快、结构紧凑的车载燃料的等离子体微波功率合成系统。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：
本发明设计了一个微小型空心阴极1004来激发等离子体，几何形状为圆柱形，通过在两电极间加高电压，使燃料气体电离，形成等离子体，空心阴极1015的点火还具有自启动功能。本发明通过半导体微波发生器1007提供反应腔1006中的微波能量，具有体积小、无需高压供电、安全稳定等特点。本发明还设计了一个特殊的反应腔1006，反应腔1006设计成圆环形的柱体形状，圆环截面与矩形波导截面相同，有利于微波1008在反应腔1006中的传播，并产生较高的场强，保持反应处于等离子体状态。
本发明所述的一种车载燃料的等离子体微波功率合成系统，主要由半导体微波发生器1007、微小型空心阴极1004、环形反应腔1006、汽化器1001和石英管1005组成，所述半导体微波发生器1007为多个，组成微波功率合成系统，用于产生微波1008，装配在反应腔1006圆环上，通过对半导体微波发生器1007电压的控制改变微波功率输出，以达到系统对微波功率输出的要求，所述反应腔1006为圆环形的柱体，其一侧通过石英管1005与微小型空心阴极1004相连，通过半导体微波发生器1007向反应腔1006中输入微波1008，反应气体在反应腔1006中的石英管1005中剧烈燃烧，所述汽化器1001为圆柱形(如图3所示)，位于环形反应腔1006内环下层，通过加热汽化器1001中的加热盘片1002将反应物汽化，汽化器1001上面是一个微小型空心阴极1004，通过石英管1005与反应腔1006相连。
车载燃料的等离子体微波功率合成系统参阅图1和图2所示，系统中包含半导体微波发生器1007、微小型空心阴极1004、环形反应腔1006、汽化器1001、销钉1009以及石英管1005等几部分。汽化器1001位于环形反应腔1006内环下层，通过加热汽化器1001中的加热盘片1002将反应物汽化，几何形状为圆柱形，这样的设计增大了反应物与加热盘片1002的接触面积，提高了汽化器1001的加热效率。汽化器1001上面是一个微小型空心阴极1004，通过石英管1005(管路可以是石英管、陶瓷管、纤维管等，文中暂定为石英管)与反应腔1006相连。
反应腔1006的设计需使得腔体中的微波能量尽量高，因此将反应腔1006做成圆环形的柱体，这样在腔体中心会形成能量强点，同时可以减小反应腔1006的体积。反应腔1006一侧通过石英管1005与微小型空心阴极1004相连，通过半导体微波发生器1007向反应腔1006中输入微波1008。反应气体在反应腔1006中的石英管1005中剧烈燃烧，石英管1005穿入和穿出反应腔1006会留下两个石英管1005直径大小的圆孔，会造成微波泄漏，因此在圆孔周边开几个耦合小孔，通过相位相反原理，减少微波的溢出。在反应腔1006圆环表面适当位置加入几个销钉1009，通过调节销钉1009的插入深度使反应腔1006达到谐振状态，提高反应腔的加热效率。石英管在反应腔中的沿着平行于反应腔轴向方向上下弯曲，增加了反应气体在反应腔1006中的行程，因此可以提高反应率。
半导体微波发生器1007用于产生微波1008，装配在反应腔1006圆环上，通过对半导体微波发生器1007的位置和数量的分析，使微波发生器1007功率的合成效率最大，如[Foti，S R Flam，W Scharp f 60-Way Radial Combiner Uses No Isolators.Microwaves&RF，July1984，p96]中所介绍的，并通过对半导体微波发生器1007电压的控制改变微波功率输出，最终达到系统对微波功率输出的要求。
微小型空心阴极1004如图4所示，包括电磁铁1010、空心阴极1015、阳极1016、空心阴极外壁1019、空心阴极轨道1017、堵气塞1018、弹簧1013、铁块1014、气孔1012等几部分构成。空心阴极1015可以在空心阴极轨道1017上左右滑动，空心阴极1015右端有四个气孔1012(如图6所示)，空心阴极轨道1017上也有同样的四个气孔1012。实验开始时，对电磁铁1010通电，电磁铁1010吸引铁块1014，使空心阴极1015气孔1012与空心阴极轨道1017气孔1012相重合，空心阴极1015与堵气塞1018相接触，堵气塞1018与空心阴极1015的气孔1012(如图7所示)关闭，此时气体将通过气孔1012进入空心阴极1015，反应气体在空心阴极1015中被击穿成等离子体状态。当完成点火后，停止对电磁铁1010供电，弹簧1013将空心阴极1015向左弹出，空心阴极1015与空心阴极轨道1017的气孔1021不重合，堵气塞1018与空心阴极1015相分离，气体停止进入空心阴极1015，并经堵气塞1018的气孔进入空心阴极1015的轨道中的气孔1012(如图5所示)，最后到达微小型空心阴1004极左侧。通过空心阴极1015产生的等离子体与未经空心阴极1015的反应气体同时进入反应腔1006，由于等离子体部分已经电离，将极大的提高电离粒子与中性气体分子的碰撞和碰撞频率以及碰撞次数，因此在微波反应腔1006内容易点燃反应气体，实现系统的自动控制点火。
此车载燃料的等离子体微波功率合成系统结构紧凑、功能高效合理。通过对汽化器1001、微小型空心阴极1004、环形反应腔1006以及石英管1005的位置摆放，最大限度的降低了系统的体积。本系统实现了反应物的汽化、点火、等离子体重整于一体的优化设计，拓展了微波功率合成技术应用的新思想。
与现有技术相比，本发明有以下效果：
(一)体积小型化、重量轻便化、控制智能化
(二)微波输出功率连续可调
(三)自动点火
(四)可以进行连续稳定的等离子体重整
(五)转化效率高
附图说明
图1为车载燃料的等离子体微波功率合成系统。
图2为图1的侧视图。
图3为汽化器内部结构图。
图4为微小型空心阴极。
图5为微小型空心阴极A-A向视图。
图6为微小型空心阴极B-B视图。
图7为微小型空心阴极C-C视图。
图中：
1001.汽化器，1002.加热盘片，1003.气体输入，1004.微小型空心阴极，1005.石英管，1006.反应腔，1007.半导体微波发生器，1008.微波，1009.销钉，1010.电磁铁，1011.入射窗，1012.气孔，1013.弹簧，1014.铁块，1015.空心阴极，1016.阳极，1017.空心阴极轨道，1018.堵气塞，1019.空心阴极外壁，1020.等离子体气流，1021液体输入，1022气体输出。
具体实施方式
图1和图2为车载燃料的等离子体微波功率合成系统示意图，系统中包含半导体微波发生器1007、微小型空心阴极1004、环形反应腔1006、汽化器1001、销钉1009以及石英管1005等几部分。进入车载燃料的等离子体微波功率合成系统的反应物先进入位于环形反应腔1006内环下层的汽化器1001，通过加热汽化器1001中的加热盘片1002将反应物汽化，汽化器1001几何形状为圆柱形(如图3所示)，这样的设计增大了反应物与加热盘片1002的接触面积，提高了汽化器1001的加热效率。经过汽化器1001汽化的反应气体经石英管1005(管路可以是石英管1005、陶瓷管、纤维管等，文中暂定为石英管)进入微小型空心阴极。
微小型空心阴极如图4所示，包括电磁铁1010、空心阴极1015、阳极1016、空心阴极外壁1019、空心阴极轨道1017、堵气塞1018、弹簧1013、铁块1014、气孔1012等级部分构成。空心阴极1015可以在空心阴极轨道1017上左右滑动，空心阴极1015右端有四个气孔1012(如图6所示)，空心阴极轨道1017上也有同样的四个气孔1015。实验开始时，对位于微型空心阴极1015右侧外壁上的电磁铁1010通电，电磁铁1010吸引空心阴极1015左侧的铁块1014，使空心阴极1015的气孔1012与空心阴极轨道1017气孔1012相贯通，使空心阴极1015与堵气塞1018相接触，即堵气塞1018与空心阴极1015的气孔1012(如图7所示)关闭，此时气体将通过气孔1012进入空心阴极1015。通过对空心阴极1015供电将气体击穿成等离子体状态。当反应气体被激发成等离子体状态后，停止对电磁铁1010供电，位于空心阴极1015右侧的弹簧1013将空心阴极1015向左弹出，空心阴极1015与空心阴极轨道1017的气孔1012不重合，堵气塞1018与空心阴极1015相分离，气体停止进入空心阴极1015，并经堵气塞1018的气孔1012进入空心阴极轨道1017中的气孔1012(如图5所示)，最后到达微小型空心阴极1004左侧。通过空心阴极1015产生的等离子体与未经空心阴极1015的反应气体同时进入反应腔1006，由于等离子体部分已经电离，将极大的提高电离粒子与中性气体分子的碰撞和碰撞频率以及碰撞次数，因此在微波反应腔1006内容易点燃反应气体，实现系统的自动控制点火。
反应腔1006的设计需使得腔体中的微波能量尽量高，因此将反应腔1006做成圆环形的柱体，这样在腔体中心会形成能量强点，同时可以减小反应腔1006的体积。反应腔1006一侧通过石英管1005与微小型空心阴极1004相连，通过半导体微波发生器1007向反应腔1006中输入微波1008。反应气体在反应腔1006中的石英管1005中剧烈燃烧，石英管1005穿入和穿出反应腔1006会留下两个石英管1005直径大小的圆孔，会造成微波泄漏，因此在圆孔周边开几个耦合小孔，通过相位相反原理，减少微波的溢出。在反应腔1006圆环表面适当位置加入几个销钉1009，通过调节销钉1009的插入深度使反应腔1006达到谐振状态，提高反应腔1006的加热效率。石英管1005在反应腔1006中的沿着平行于反应腔1006轴向方向上下弯曲，增加了反应气体在反应腔1006中的行程，因此可以提高反应率。
半导体微波发生器1007用于产生微波1008，装配在反应腔1006圆环上，通过对半导体微波发生器1007的位置和数量的分析，使微波发生器1007功率的合成效率最大，如[Foti，S R Flam，W Scharp f 60-Way Radial Combiner Uses No Isolators.Microwaves&RF，July1984，p96]中所介绍的。通过对半导体微波发生器1007电压的控制改变微波功率输出，最终达到系统对微波功率输出的要求。
此车载燃料的等离子体微波功率合成系统结构紧凑、功能高效合理。通过对汽化器1001、微小型空心阴极1004、环形反应腔1006以及石英管1005的位置摆放，最大限度的降低了系统的体积。本系统实现了反应物的汽化、点火、等离子体重整于一体的优化设计，拓展了微波功率合成技术应用的新思想。
Claims (6)
1.一种车载燃料的等离子体微波功率合成系统，主要由半导体微波发生器(1007)、微小型空心阴极(1004)、环形反应腔(1006)、汽化器(1001)和石英管(1005)组成，其特征在于：所述半导体微波发生器(1007)为多个，组成微波功率合成系统，用于产生微波(1008)，装配在反应腔(1006)圆环上，通过对半导体微波发生器(1007)电压的控制改变微波功率输出，以达到系统对微波功率输出的要求，所述反应腔(1006)为圆环形的柱体，其一侧通过石英管(1005)与微小型空心阴极(1004)相连，通过半导体微波发生器(1007)向反应腔(1006)中输入微波(1008)，反应气体在反应腔(1006)中的石英管(1005)中剧烈燃烧，所述汽化器(1001)为圆柱形，位于环形反应腔(1006)内环下层，通过加热汽化器(1001)中的加热盘片(1002)将反应物汽化，汽化器(1001)上面是一个微小型空心阴极(1004)，通过石英管(1005)与反应腔(1006)相连。
2.根据权利要求1所述的一种车载燃料的等离子体微波功率合成系统，其特征在于：所述微小型空心阴极(1004)由空心阴极(1015)、阳极(1016)构成，阳极(1016)装在空心阴极(1015)内，空心阴极(1015)由固定在空心阴极外壁(1019)内的空心阴极轨道(1017)支撑，并能沿空心阴极轨道(1017)滑动，所述空心阴极轨道(1017)设有气孔(1012)，空心阴极(1015)右端侧壁上设有气孔(1012)，该气孔与右侧空心阴极轨道(1017)上的气孔(1012)对应，空心阴极(1015)右端装有铁块(1014)，并通过弹簧(1013)与固定在空心阴极外壁(1019)内的入射窗(1011)接触，空心阴极外壁(1019)右端装有电磁铁(1010)，空心阴极外壁(1019)内还设有堵气塞(1018)，通过电磁铁(1010)对空心阴极(1015)在空心阴极轨道(1017)上左右滑动位置的变化，使得反应气体在微小型空心阴极(1004)中存在两种流经方式：通过空心阴极(1015)和沿空心阴极(1015)外部流过，当反应气体流过空心阴极(1015)时，会将反应气体激发成等离子体状态，当沿空心阴极(1015)外部流过时，反应气体直接进入环形反应腔(1006)，并被前面产生的等离子体引燃。
3.根据权利要求1或2所述的一种车载燃料的等离子体微波功率合成系统，其特征在于，在反应腔(1006)圆环表面加入销钉(1009)，通过调节销钉(1009)的插入深度使反应腔1006达到谐振状态，提高反应腔(1006)的加热效率。
4.根据权利要求1所述的一种车载燃料的等离子体微波功率合成系统，其特征在于，所述石英管(1005)在反应腔(1006)中的沿着平行于反应腔(1006)轴向方向上下弯曲，以增加反应气体在反应腔(1006)中的行程，提高反应率。
5.根据权利要求1或4所述的一种车载燃料的等离子体微波功率合成系统，其特征在于，所述石英管(1005)穿入和穿出反应腔(1006)留下的两个圆孔的周边上开耦合小孔，通过相位相反原理，减少微波(1008)的溢出。
6.根据权利要求1或4所述的一种车载燃料的等离子体微波功率合成系统，其特征在于，所述石英管1005可用陶瓷管或纤维管代替。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130213 |