CN1068697A - 具有水冷却陶瓷密封管的高效感应等离子炬 - Google Patents

Abstract

一种高效感应等离子炬，包括由铸造陶瓷或复合 聚合物制成的圆柱形的炬体，位于炬体内的同轴圆柱 形的等离子密封管，固定在炬体端供给密封管气态物 质的气体分配头、整个埋入在陶瓷或聚合物材料的炬 体内的圆柱形同轴感应线圈，和一个将同轴炬体和密 封管隔开的薄环形腔。该密封管可由建立在烧结或 粘结的氮化硅，氮化硼或矾土或任何它们与各种添加 剂和填充料的组合物反应的基础上的纯的或复合陶 瓷材料制成。该环形腔约为1毫米厚度，其内有高速 冷却水流动，有效地冷却等离子密封管。

Description

本发明涉及感应等离子炬领域，尤其关系到使用由陶瓷材料制造的等离子密封管和通过流入包围该管外表面的薄环形腔中的高速流体进行冷却而改进性能的等离子炬。

在60年代初期，感应等离子炬已众所周知，虽在过去30多年中它们的基本设计实质上已改进，例如在1967年3月15日公开在英国专利号1061956（cleaver），注明日期为1972年9月26日的美国专利号3694618（Poole等人）和1973年10月2日的美国专利号3763392（Hollister）中所述的现有等离子炬的设计。其感应等离子炬的基本原理是应用4～6圈的感应线圈，将耦合能引入等离子体中。气体分配头用于产生合适的流型进入产生等离子的区域，这对于稳定被封闭在由石英制成的管子中的等离子体，保持等离子体在线圈的中心和保护等离子密封管，防备由于高热负载等离子体而损害是必要的。相对于高功率范围（约5～10千瓦）需要附加冷却以保护等离子密封管，这通常通过主管的外表面上流动的去离子水来获得。

已作出许多努力改进对等离子密封管的保护，这些方案涉及到使用（a）一种屏蔽的弓形金属壁插入等离子密封管中[1984年2月14日授予专利的美国专利4431901（Hull）]。（b）多孔性陶瓷压缩等离子密封管[1989年67，929-936加拿大杂志，化学，英文（Can.J.Chem.Eng.）J.Mostaghimi，M.Dostie，和J.Jurewicg的“具有多孔性陶瓷壁的RF感应等离子炬的研究”]和（C）辐射冷却陶瓷等离子密封管[P.S.C.Van    der    Plas和L.de    Galan，“使用每分钟1升氩的ICP-AES辐射冷却炬”Spectrochemica    Acta，39B，1161-1169（1984）和P.S.C    Van    der    plas和L.de    Galan“关于应用在非-冷却低流量ICP炬中的陶瓷材料的评述”Spectrochemica    Acta，42B，1250-1216（1987）]这些尝试每个都有它们各自局限性的缺点。

使用弓形金属壁插入的方法，改进了等离子密封管的保护，但存在实质上减少等离子炬总能量效率的缺点。

人们已发现，由多孔性陶瓷材料制成的等离子密封管仅能提供有限的保护。

关于辐射冷却密封管，它们的陶瓷材料必须经得住相对高的工作温度，显示出极好的抗热冲击性能，必须不吸收RF（无线电频率）场，而很多陶瓷材料是不能满足一个或每个这些严格要求的。

故本发明的目的是为了消除上述现有技术的缺点。

本发明另一目的是改进由陶瓷材料制成的等离子密封管的保护。

本发明第三个目的是提供一种由陶瓷材料制成的密封管的等离子炬，和通过流入环绕密封管外表面的具有一定厚度的薄膜环形腔中的高速冷却流体，来冷却该等离子密封管。

更准确地说，根据本发明所提供的感应等离子炬包括：

有一个第一直径的圆柱形内表面的管状炬体;

一个等离子密封管（a）由高热传导性的陶瓷材料制成，（b）包括一个第一端部，一个第二端部和一个圆柱形的外表面，它的第二直径稍小于第一直径，该等离子密封管装在管状炬体内，其圆柱形的内外表面是同轴的，从而在内外表之间限定了一个均匀厚度的薄环形的腔体;

在等离子密封管第一端部的炬体上安装一气体分配头，它至少向密封管中输入一种气态物质，该气态物质通过等离子密封管从它的第一端部流向它的第二端部;

与该圆柱形内、外表面同轴的感应线圈，它设置在薄环形腔的外面，并通有电流，用于将能量感应地施加到流过等离子密封管的气态物质上，以便在该密封管中产生和维持高温等离子体;和

在薄环形腔中形成高速冷却液流的装置，形成密封管的高导热陶瓷材料和高速流动的冷却流体，这二个因素都有助于将作用于高温等离子体加热的等离子密封管的热量，高效地传到冷却液中，从而有效地冷却了密封管。

由于等离子密封管的陶瓷材料的特点，在于高的热传导性，而流过薄环形腔中的高速冷却流体提供了合适的冷却等离子密封管所需要的高热传导系数，从而强烈的和有效地冷却等离子密封管外表面，使得能产生低气体流量，很高功率和温度范围的等离子体，这样在等离子炬的排气口处也产生了较高的特定的热含量范围。

有利的是，圆柱体的内外表面是机加工成圆柱形表面的，和感应线圈是放在炬体内的。

根据本发明的最佳实施例，（a）该等离子密封管是由纯的或复合陶瓷材料，在烧结或粘结的氮化硅，氮化硼，氮化铝或氧化铝，或任何它们与各种添加剂和填充料的组合物反应的基础上制成的，具有高热传导性，高电阻率和高抗热冲击性，（b）环形腔的厚度约为1毫米，（c）冷却流体包括水在内，（d）高速冷却流体平行于圆柱体内外表面的共同轴线。

最好，炬体是由铸造复合聚合物或铸造陶瓷制成的，感应线圈整个的装入其中。

当感应线圈装入铸造陶瓷或复合聚合物的炬体中时，该线圈与等离子密封管之间的间隙可以精确的加以控制，以便改进线圈和等离子体之间的能量偶合效果。这样也能精确的控制环形腔的厚度而不存在任何由于感应线圈而引起的妨碍，该控制可通过炬体的内表面和等离子密封管的外表面机加工到低出差而获得。

通过阅读下述不作限制说明的最佳实施例和参照附图，可更明显的看到本发明的目的，优点和其他特点。

图1，是本发明的高效感应等离子炬的纵剖面图。

在图1中，本发明的高效感应等离子炬的整体结构用参考数码1表示。

该等离子炬包括一个由铸造陶瓷或复合聚合物制成的圆柱形炬体2，一个由水冷却的铜管制成的感应线圈3，该线圈完全放柜炬体2内，以确保该线圈的位置稳定性，线圈3的二端头都伸到炬体2外表面4之外，并相应的连接到一对电接线端子5与6上，通过该接线端子，冷却水和RF电流可输到该线圈3中。正如图所示，炬体2和感应线圈3是圆柱形结构并且是同轴安排的。

等离子体排气喷咀7是圆柱形的，通过许多螺栓8将其固定到炬体的下端。如图1所示，喷咀7有一个实质上与炬体2一致的外径，和一个与由陶瓷材料制成并装在炬体2中与其同轴的等离子密封管9的内径一般相同的内径。喷咀7制成上部呈内直角度10的结构，以便支承密封管9的下端。

气体分配头11借助许多类似螺栓8的螺栓（未表示）固定到炬体2的上部。密封垫13处于炬体2和气体分配头11之间，该垫装有把炬体2和分配头11之间的接缝密封起来的O形圈，垫13有一个比密封管9外径稍大些的内径，以便与分配头11的下端面形成直角度12而支承管9的上端。

气体分配头11还有一个中间管16，在头11下端面14处形成一个空腔，该腔确定了圆柱形的壁15，其直径加工成可容纳中间16上端的大小。管16比较短，直径比管9小些，它是圆柱形的并与炬体2，管9和线圈3同轴，从而在中间管16和密封管9之间确定一个圆柱形的腔体17。

气体分配头11具有一个中心孔18，通过该孔插入一个管状的中心粉剂喷入探头20，该探头20是细长的并与管9和16、线圈3及炬体2同轴。

粉剂和载运气体（箭头21）通过探头20喷入炬1中。在工艺上正如众所周知的，由载运气体输送并通过中心管喷入的粉剂，形成一种被等离子体熔化或蒸发的材料。

气体分配头11包括传统的导管装置（未表示），它适合于在圆柱腔体17中喷入外层气体（箭头23），并且使这种气体产生轴向流动而盖住密封管9的内表面。

气体分配头11还包括传统导管装置（未表示），它适于在中间管16内喷入中心气体（箭头24）和产生切向中心气流。

相信，有经验的技术人员可选择（a）粉剂喷入探头20和导管装置（箭头23，24）的结构，通过它们可以喷入中心气体和外层气体，（b）粉剂、载运气体、外层气体和中心气体的种类，（c）制作排气喷咀7，气体分配头11和它的中间管16及垫13的材料。与这些环相应的部分，在本说明书中将不作进一步叙述。

如图1所示，在炬体2内表面和密封管9外表面之间限定了一个薄的（约1毫米厚）环形腔25，在该腔25中的高速冷却水流过管9的外表面（如箭头22所示），以便冷却该密封管与等离子体相接触的内表面。

冷却水（箭头29）由进水孔28，通过在分配头11、垫13和炬体2（如箭头31所示）中所加工的通道30及通过环形水道装置32而进入薄环形腔25中，通道30和环形水道装置32其断面一般为U形，构成了使冷却水从通道30传送到环形腔25的下端，如图所示，水沿着排气喷咀7的内表面流动，有效的冷却了与等离子体所产生的热相接触的该内表面。

通过二个在气体分配头11中的平行通道34（如箭头36所示），冷却水由薄环形腔25的上端输送到排水口26（箭头27）。壁35也制作在二通道34中，以使冷却水沿分配头11内表面流动，从而有效地冷却该内表面。

在操作中，感应耦合等离子体是通过在感应线圈中通以RF电流，在密封管9中产生一个RF磁场而产生的。该作用场在离子化气体中依据焦耳热感应涡流，维持稳定的等离子状态。包括引燃等离子体在内的感应等离子炬的操作，在技术上被认为是公知的，不需要在本说明书中进一步详述。

该等离子密封管9的陶瓷材料，可以是建立在烧结或粘结的氮化硅、氮化硼，氮化铝和矾土，或任何它们与各种添加剂和填充料的组合物反应基础上的纯的或复合陶瓷材料。这种陶瓷材料是致密的，并具有高导热性，高电阻率，和高耐热冲击的特点。

由于等离子密封管9的陶瓷体具有高导热性，在薄环形腔25中流动的高速冷却水提供适当冷却等离子密封管9所需要的和合适的高的热传导系数，强烈和有效地冷却等离子密封管9的外表面，使之能在比通常在包括由石英制成的密封管的标准等离子炬中所要求的气体流速低，功率高许多情况下，产生等离子体，这样，在等离子炬排气口处就可产生较高的特定的气体热含量范围。

人们知道，厚度（≈1毫米）非常小的环形腔25，在增加密封管9外表面上的冷却水速度方面，和相应地达到所需要的高热传导率方面，起了关键作用，要达到这种效果，密封管9外表面上的冷却流体的速度应至少为1米/秒。

感应线圈3整个放入铸造陶瓷或复合聚合物的炬体2中，线圈3与密封管9之间的间隔可精确的控制，以便改进线圈3与等离子体之间能量耦合效应。这样也能精确的控制环形腔25的厚度，而不存在任何由于感应线圈而引起的妨碍，该控制可通过将炬体2的内表面和等离子密封管9的外表面进行机加工到低的出差来实现。

应指出，为了成功的实现本发明的感应等离子炬，必须考虑一些直接影响炬的性能的关键因素，这些因素可概括如下：

等离子管的性能是很重要的，由于它密切的关系到具有高导热性，高电阻率，和耐高热冲击性的要求，虽然管9是成功的由实验过的烧结氮化硅制成，但本发明并不限于使用这种陶瓷材料，它也可使用其它任何一种满足上述要求的纯的或复合材料，例如氮化硼，氮化铝，或矾土组合物所构成的可替换物。

精确控制炬体2和等离子密封管9之间的环形腔25的小厚度，及陶瓷管9外表面和炬体2内表面机加工到低的出差，这是关键性要求。此外，感应线圈3装入由铸造陶瓷或复合聚合物制成的炬体2中时，炬体2内表面必须机加工到它的低出差值，以确保它与等离子密封管9的同心度。

冷却水的性质，和它在等离子密封管9外表面流动速度，也是为实现有效地冷却管9和保护其克服与高热通量的等离子接触的关键因素。

虽然通过上述最佳实施例对本发明作了描述，但在从属权利要求范围内，该实施例可任意改进而不违背本发明的精神和特征。

Claims (15)

1、一种感应等离子炬，包括：

一个具有第一直径的圆柱形内表面的管状炬体；

一个等离子密封管，(a)由高热传导性的陶瓷材料制成，(b)它有一个第一端部，一个第二端部和一个圆柱形的外表面，它的第二直径稍小于第一直径，所述的等离子密封管装在所述的管状炬体中，所述的圆柱形内表面和外表面是同轴的，从而在所述的内、外表面之间限定了一个均匀厚度的薄环形腔；

一个气体分配头安装于等离子密封管第一端部的炬体上，用于向所述的密封管提供至少一种气态物质，所述的至少一种气态物质通过等离子密封管的第一端部流向它的第二端部；

一个与所述的园柱形内外表面同轴的感应线圈，设置在薄环形腔的外面，并通有电流，用于将能量感应地施加到流过等离子密封管的所述的至少一种气态物质上，以便在所述的密封管中产生和维持高温等离子体；和

在薄环形腔中形成高速冷却液流的装置，制成密封管的高导热陶瓷材料和高速流动的冷却流体这二个因素，有助于把被高温等离子体加热的等离子密封管的热量，高效的传导到冷却液内，从而有效地冷却了密封管。

2、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是所述的圆柱体的内外表面是机加工成圆柱形的表面。

3、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是所述的感应线圈埋入所述的炬体内。

4、根据权利要求2所述的等离子炬，其特征是所述的感应线圈埋入所述的炬体内。

5、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是所述的陶瓷材料包括氮化硅。

6、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是所述的陶瓷材料包括烧结的或含有至少一种添加剂，和/或填充料的粘结氮化硅反应。

7、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是等离子密封管包括从一组包含氮化硼、氮化铝和矾土中选择的陶瓷材料。

8、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是所述的陶瓷材料是一组具有高导热性，高电阻率和耐高热冲击的致密的陶瓷材料。

9、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是所述的环形腔厚度约为1毫米，在所述的环形腔中的冷却流体的流速至少为1米/秒。

10、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是该冷却流体包括水。

11、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是该高速流动的冷却流体平行于所述圆柱体内、外表面的共同轴。

12、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是所述的炬体是由铸造复合聚合物制成的，在炬体内埋入整个感应线圈。

13、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是所述的炬体是由铸造陶瓷制成的，在炬体内埋入整个感应线圈。

14、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是感应线圈是由其内腔通有冷却流体的电导管制成，以冷却所述的感应线圈。

15、根据权利要求1所述的等离子炬，其特征是所述的等离子炬进一步包括安装在等离子密封管的第二端部处的炬体上的等离子排气喷咀，在所述的头和喷咀中，每个都包括一个内表面，在内表面中，高速液体形成装置包括在气体分配头和等离子排气喷咀中的水道装置，所述的冷却流体以高速流过所述的水道装置，该水道装置的设置可使冷却流体去冷却所述的头和喷咀的内表面。

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