CN107852807A - 具有更高等离子体能量密度的感应式等离子体喷枪 - Google Patents
具有更高等离子体能量密度的感应式等离子体喷枪 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107852807A CN107852807A CN201680037862.9A CN201680037862A CN107852807A CN 107852807 A CN107852807 A CN 107852807A CN 201680037862 A CN201680037862 A CN 201680037862A CN 107852807 A CN107852807 A CN 107852807A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- plasma
- tubular
- main body
- confinement tube
- induction type
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000006698 induction Effects 0.000 title claims abstract description 147
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims abstract description 72
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000012809 cooling fluid Substances 0.000 claims description 41
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 18
- 239000007921 spray Substances 0.000 claims description 18
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 claims description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 2
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 claims description 2
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 claims description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 claims 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 abstract description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 5
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 318
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 40
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 17
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 description 1
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/28—Cooling arrangements
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
一种感应式等离子体喷枪，包括管状喷枪主体、管状插入件、等离子体约束管和环状通道。所述管状喷枪主体具有限定相应的内表面的上游段和下游段。所述管状插入件安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上。所述等离子体约束管布置在管状喷枪主体中，并与管状喷枪主体同轴。所述等离子体约束管具有管状壁，该管状壁的厚度沿等离子体流的轴向逐渐减小。所述环状通道限定在管状喷枪主体的上游段的内表面和插入件的内表面与等离子体约束管的管状壁的外表面之间。所述冷却通道输送用于冷却等离子体约束管的流体。
Description
技术领域
本公开涉及感应式等离子体喷枪领域。更具体地说，本公开涉及一种感应式等离子体喷枪，其能在减少杂散电弧的同时产生更高的等离子体能量密度。
背景技术
在过去数年中，感应耦合等离子体喷枪(所谓的感应式等离子体喷枪)的设计和性能得到了相当大的改善。感应式等离子体喷枪目前在世界范围内广泛用于各种应用，从实验室研发直到高纯度、高附加值材料的大规模工业生产。
作为一种在高温等离子体条件下进行材料合成和加工的有效工具，感应式等离子体喷枪已经引起越来越多的关注。感应式等离子体喷枪的操作背后的基本概念已经有六十多年的历史，并且已经稳定地从实验室工具演变为工业用高功率设备。
图1是一种示例性感应式等离子体喷枪100的结构和操作的示意图。感应式等离子体喷枪100包括等离子体约束管102，该等离子体约束管102例如可由耐高温且具有高导热率的陶瓷材料制成。等离子体约束管102被嵌入在同轴的管状喷枪主体106中的同轴水冷感应线圈104包围。高频电流通过电气接点105供应至感应线圈104。气体分配头(未示出)将等离子体气体108沿轴向并居中地供应到等离子体约束管102的内部空间中，以产生等离子体110。这有多种变化形式，包括将沿着等离子体约束管102的内表面流动的保护气体112喷注到等离子体110周围。保护气体112的功能是在等离子体110与等离子体约束管102的内表面之间提供一定程度的绝热能力。感应式等离子体喷枪100尤其可以但不只是用于处理在等离子体约束管102内居中注入的粉末材料114。
在操作中，流过感应线圈104的高频电流在等离子体约束管102内产生大致轴向的高频磁场120。该磁场120的能量导致存在于等离子体约束管102中的等离子体气体108的电击穿。一旦完成电击穿和等离子体点火，就在感应线圈104所处的高度处向等离子体约束管102内的区域122中的等离子体气体引入切向电流。这种引入的切向电流负责加热等离子体约束管102中的等离子体气体108，并维持产生等离子体110的等离子体气体放电。
已经开发出了许多种感应式等离子体喷枪设计。下列专利公告中说明了多个实例：美国专利5,200,595(1993年4月6日)、美国专利5,560,844(1996年10月1日)、美国专利6,693,253B2(2004年2月17日)、美国专利6,919,527B2(2005年7月19日)和美国专利公告2012/0261390A1(2012年10月18日)。所有这些参考文献的内容通过整体引用结合在此。
等离子体110中的能量密度定义为耦合到区域122中的等离子体110中的能量与由等离子体约束管102的内表面(即边界)和感应线圈104的高度限定的放电腔体的体积之比。等离子体110中的能量密度的增加表现为等离子体的体积比焓的增大，以及感应式等离子体喷枪100的出口124处的等离子体110的相应平均温度的增高。不幸的是，能量密度的这种增加也伴随着等离子体约束管102内表面的热通量的增加，从而导致其内表面的温度升高，并因此导致等离子体约束管故障的可能性。
为了降低等离子体约束管的内表面的温度，一种解决方案包括在制造等离子体约束管时使用高导热率陶瓷材料，并使冷却流体在围绕等离子体约束管的外表面的环状通道中高速流动。但是，尽管增加了这些特性，但感应式等离子体喷枪中的等离子体的最大能量密度仍然受限于等离子体约束管的高导热率陶瓷材料在保持其结构完整性的同时可承受的最高温度。
在使用感应式等离子体喷枪(例如图1中的感应式等离子体喷枪100)时遇到的另一个问题是，在感应式等离子体喷枪100的(a)等离子体气体放电区110和(b)出口喷嘴(图1中未示出)和/或其上安装有感应式等离子体喷枪100的反应器(图1中未示出)的主体之间产生杂散电弧。
因此，需要在增加等离子体能量密度的同时实质性地减少感应式等离子体喷枪中的杂散电弧(如果不能消除的话)。
发明内容
根据本公开，提供了一种感应式等离子体喷枪，其包括：具有上游段和下游段的管状喷枪主体，所述上游段和所述下游段限定相应的内表面。等离子体约束管布置在管状喷枪主体内，与管状喷枪主体同轴，并具有内径恒定的内表面和外表面。等离子体约束管具有厚度在等离子体约束管的至少一段上沿等离子体流的轴向逐渐减小的管状壁。一管状插入件安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上，该管状插入件具有内表面。在(a)管状喷枪主体的上游段的内表面和管状插入件的内表面与(b)等离子体约束管的外表面之间限定一环状通道，该环状通道配置为导引用于冷却等离子体约束管的冷却流体。
根据本公开，还提供了一种感应式等离子体喷枪，其包括具有上游段、中央段和下游段的管状喷枪主体，所述上游段，中央段和下游段限定相应的内表面。等离子体约束管布置在管状喷枪主体内，与管状喷枪主体同轴，并具有内径恒定的内表面和外表面。等离子体约束管具有厚度在等离子体约束管的至少一段上沿等离子体流的轴向逐渐减小的管状壁。一管状插入件安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上，该管状插入件具有内表面。在(a)管状喷枪主体的上游段的内表面、管状喷枪主体的中央段的内表面和管状插入件的内表面与(b)等离子体约束管的外表面之间限定一环状通道，该环状通道配置为导引用于冷却等离子体约束管的冷却流体。
根据本公开，还提供了一种从上述感应式等离子体喷枪移除等离子体约束管的方法，该方法包括将等离子体约束管和管状插入件沿等离子体流的轴向从管状喷枪主体同时拉出。所述的从感应式等离子体喷枪移除等离子体约束管的方法可包括：在将等离子体约束管和管状插入件沿等离子体流的轴向从管状喷枪主体同时拉出之前，移除安装到管状喷枪主体的下游端的环状等离子体出口喷嘴；以及拆卸由包围等离子体约束管的至少两个互补段构成的管状插入件，管状插入件的拆卸包括将所述的至少两个互补段彼此分开。
本公开还涉及一种将等离子体约束管安装在上述感应式等离子体喷枪上的方法，该方法包括将等离子体约束管和管状插入件同时沿与等离子体流的方向相反的轴向方向引入到管状喷枪主体中。所述的将等离子体约束管安装在感应式等离子体喷枪上的方法可包括：组装由所述的包围等离子体约束管的至少两个互补段构成的管状插入件，所述管状插入件的组装包括将所述的至少两个互补段在等离子体约束管的周围组装在一起；以及将环状等离子体出口喷嘴安装到管状喷枪主体的下游端，以将等离子体约束管和管状插入件定位并保持在管状喷枪主体中。
本发明还涉及一种用于感应式等离子体喷枪的管状喷枪主体，其包括内壁和内电容屏蔽层，该内电容屏蔽层包括嵌入在管状喷枪主体的内壁中的一层导电材料。这层导电材料层被分割成轴向条，并限定用于互连所述轴向条的上游端的环。所述电容屏蔽层与管状喷枪主体的内壁一起加工，以露出导电材料层，并产生管状喷枪主体的内壁的光滑表面。
通过阅读下文中参照附图给出的示例性实施方式的非限定性说明，本发明的上述和其它特征将将变得更加明显。
附图说明
下面将参照附图示例性地说明本公开的一些实施方式，在附图中：
图1是感应式等离子体喷枪的一个实例的示意图；
图2是一种实施方式的具有管状插入件的感应式等离子体喷枪的正立面截面图；
图3是图2的感应式等离子体喷枪的等离子体约束管和管状插入件的透视局部剖视图；
图4是另一种实施方式的具有管状插入件和电容屏蔽层的感应式等离子体喷枪的正视截面图；
图5是图4的感应式等离子体喷枪的等离子体约束管、管状插入件和电容屏蔽层的透视局部剖视图；
图6是图4的感应式等离子体喷枪的管状喷枪主体的透视局部剖视图；
图7a、7b和7c分别是沿着图4中的A-A，B-B和C-C线截取的感应式等离子体喷枪的截面图；
图8示出了(a)常规等离子体约束管和(b)图2或图4的感应式等离子体喷枪的等离子体约束管的管状壁的轴向热通量分布图，该感应式等离子体喷枪以100千瓦功率工作；和
图9示出了(a)常规等离子体约束管和(b)图2或图4的感应式等离子体喷枪的等离子体约束管的管状壁的轴向热通量分布图，该感应式等离子体喷枪以140千瓦功率工作。
相似的附图标记表示不同附图中的相似特征。
具体实施方式
本公开的各个方面一般解决在增加等离子体中的能量密度的同时实质性地减少感应式等离子体喷枪中的杂散电弧(如果不能消除的话)的一种或多种需求。
具体而言，本公开说明了感应式等离子体喷枪的改进，与先前的感应式等离子体喷枪相比，这些改进允许感应式等离子体喷枪以更高的等离子体能量密度工作。与此同时，这些改进还降低了耦合至等离子体气体放电区的电容性能量，从而实质性地减少杂散电弧的产生(如果不能消除的话)。
本公开说明了利用等离子体约束管的管状壁厚度的逐渐减小来控制感应式等离子体喷枪的等离子体约束管的内表面的温度。在开始等离子体放电的上游端，所述管状壁较厚，并且其壁厚朝下游方向逐渐减小。一般来说，等离子体约束管的管状壁的厚度与等离子体约束管的管状壁上的局部热通量分布成反比。
围绕等离子体约束管的管状壁的外表面限定具有大致恒定厚度的环状通道。水(例如去离子水或其它冷却流体)在该环状通道内流动，以控制等离子体约束管的温度。出于冷却效率的考虑，环状通道具有较小且通常恒定的厚度，以确保冷却流体的快速且恒定的流动。
等离子体约束管安装在管状喷枪主体内，并从其下游端插入管状喷枪主体内。与等离子体约束管的中央区相比，等离子体约束管在其上游端和下游端处的外径较大，难以在将其插入到喷枪主体中的同时保持环状通道的狭窄间隙，以确保有效地冷却等离子体约束管的外表面。为了克服这个困难，管状喷枪主体构造为其内径至少在其下游段处大于限定环状通道所需的内径。因此，管状喷枪主体在上游段中具有第一内表面，该第一内表面用于在该第一内表面与等离子体约束管的外表面之间形成环状通道的上游部分。管状喷枪主体在其下游段中具有直径较大的第二内表面。分体式的圆筒状插入件可安装到管状喷枪主体的下游段中的第二内表面上，抵靠在第一和第二内表面之间的肩部上。所述插入件构造为与等离子体约束管一起插入并安装到管状喷枪主体上。环状冷却通道的下游部分形成在插入件的内表面与等离子体约束管的外表面之间。
现在请参考附图，图2是一种实施方式的具有插入件216的感应式等离子体喷枪200的正视截面图。图3是图2的感应式等离子体喷枪200的等离子体约束管218和插入件216的透视局部剖视图。
现在请参考图2和图3，感应式等离子体喷枪200包括管状喷枪主体204，该管状喷枪主体204可以但不限于由铸造陶瓷或聚合物基体复合材料制成。管状喷枪主体204也形成有上游段206和下游段208。上游段206限定具有较小直径的内表面210，而下游段208限定具有较大直径的内表面212。一环状肩部214将上游段206的内表面210与下游段208的内表面212分开。
感应式等离子体喷枪200还包括气体分配头，该气体分配头一般以标号202示出。气体分配头202安装到感应式等离子体喷枪200的管状喷枪主体204的上游端。气体分配头202设计为尤其但不只是用于将上述等离子体气体和保护气体供应至感应式等离子体喷枪200。感应式等离子体喷枪200还包括安装到管状喷枪主体204的下游端的环状(例如圆形或椭圆形)等离子体出口喷嘴240。气体分配头202和等离子体出口喷嘴240在感应式等离子体喷枪领域是公知的，因此在本说明书中不再对其进一步说明。
插入件216是管状的，并且例如由分体式圆筒的两个半圆筒段制成。管状插入件216布置在管状喷枪主体204的下游段208的内表面212上。另外，插入件216具有抵接环状肩部214的上游端以及具有下游端。如图所示，插入件216具有(a)与管状喷枪主体204的下游段208的内表面212的恒定内径对应的恒定外径，以及(b)从上游端沿等离子体流的轴向222逐渐减小的内径，以增加管状插入件216在该方向上的厚度，并且形成直至点242的截锥形内表面226，从点242开始，该内径保持恒定，以使管状插入件216的厚度保持恒定，并形成内圆筒面227。所述插入件可由TeflonTM或具有相似或适当的物理特性的其它材料制成。
感应式等离子体喷枪200包括等离子体约束管218，该等离子体约束管218可由耐高温且具有高导热率的陶瓷材料制成。等离子体约束管218布置在管状喷枪主体204内，与该管状喷枪主体204同轴，并处于气体分配头202与等离子体出口喷嘴240之间。等离子体约束管218具有恒定内径，并且例如在感应线圈228的区域中具有沿等离子体流的轴向222逐渐减小的外径，以形成等离子体约束管218的外表面的截锥部219，从而使等离子体约束管218的管状壁220的厚度沿该方向逐渐减小。由于等离子体约束管218的管状壁220的厚度的逐渐减小在所示的实例中仅限于感应线圈228的区域，因此等离子体约束管218包括厚度较大且恒定的上游段和厚度较小且恒定的下游段，所述上游段具有直径较大的圆筒状外表面部221，所述下游段具有直径较小的圆筒状外表面部223。
在气体分配头202和等离子体出口喷嘴240上形成有环状座，以接收等离子体约束管218的相应端部，并将该等离子体约束管218适当地定位在管状喷枪主体204内。具体而言，如图3所示，等离子体约束管218的下游端包括向外的环状肩部/凸缘延伸部250，该环状肩部/凸缘延伸部接收在等离子体出口喷嘴240的互补的环状座241中。
环状通道224限定在管状喷枪主体204的上游段206的内表面210、管状插入件216的内截锥状表面226和圆筒状表面227与等离子体约束管218的外表面部219、221和223之间。环状通道224配置为接收用于冷却等离子体约束管218的冷却流体(未示出)。环状通道224在产生等离子体的等离子体约束管218的至少一大段上具有恒定厚度，但不限于此。当环状通道224足够薄时，在其中能形成冷却流体的高速流动，以有效地冷却等离子体约束管218。冷却流体的非限制性实例包括水(例如去离子水)或其它适当的冷却液。具体而言，冷却流体供应至形成在等离子体出口喷嘴240中的环状冷却流体入口232，流过环状通道224，并通过形成在管状喷枪主体204中的环状冷却流体出口234和气体分配头202流出。冷却流体在冷却通道224中沿与等离子体流的轴向222相反的方向流动，但不限于此。在所示的实施方式中，为了便于冷却流体从环状冷却流体入口232通至环状通道224，在插入件216的环状下游端的外周上加工出了多个半圆形开口，如标号236所示。也可以设想冷却流体从环状冷却流体入口232和环状通道224通过的其它构造。
如图2所示，感应式等离子体喷枪200包括嵌入在管状喷枪主体204内并与该管状喷枪主体同轴的感应耦合件，例如上述感应线圈228。高频电流可经由电接点230供应至感应线圈228。感应线圈228在等离子体约束管218内产生大致轴向的磁场，以便如上文所述将能量施加到存在于等离子体约束管218中的等离子体气体，并导致等离子体气体的电击穿。一旦完成电击穿和等离子体点火，就向嵌入有感应线圈228的喷枪主体204的区域(参见图1中的122)中的等离子体气体中引入切向电流。这种引入的切向电流负责加热等离子体约束管218中的等离子体气体，并维持产生等离子体的等离子体气体放电。感应线圈228可由横截面为圆形或矩形(如图2所示)的导电管制成，以利用通过电接点230在其中形成的冷却流体的流动对其进行冷却。同样，冷却流体的非限制性实例包括水(例如去离子水)或其它适当的冷却液。
图2和3示出了感应式等离子体喷枪200的插入件216的变化形式。在图2中，插入件216较长并沿着等离子体约束管218的较长部分延伸，管状喷枪主体204的上游段206比下游段208短。在图3中，插入件216较短并沿着等离子体约束管218的较短的下游部分延伸，并且虽然图3中没有示出管状喷枪主体204，但应理解，在此变化形式中，管状喷枪主体204的上游段206比下游段208长。在本公开的基础上，本领域普通技术人员能够根据操作和维护需要(包括等离子体约束管218的冷却要求)更改感应式等离子体喷枪200的各个部件的几何形状。
在感应式等离子体喷枪200的另一种变化形式中，等离子体约束管218可由流经环状通道204的冷却流体可渗透的材料制成。这样，一部分冷却流体可透过等离子体约束管218的材料，以在等离子体约束管218的内表面238上形成一层冷却流体膜。来自所述膜的冷却流体被感应式等离子体喷枪200中产生的热量蒸发。在此，冷却流体最好选择为在蒸发时形成能够产生等离子体的气体。
图4是一种实施方式的具有插入件416和电容屏蔽层440的感应式等离子体喷枪400的正视截面图。图5是图4的感应式等离子体喷枪400的等离子体约束管418、插入件416和电容屏蔽层440的透视局部剖视图。图6是图4的感应式等离子体喷枪400的管状喷枪主体404的透视局部剖视图。现在请参考图4-6，感应式等离子体喷枪400包括在上文中参照图2和3所述的感应式等离子体喷枪200的大部分元件。使用相同的标号来标识两种实施方式中的相同元件。
如图4-6所示，感应式等离子体喷枪400包括管状喷枪主体404，该管状喷枪主体404可以但不限于由铸造陶瓷或聚合物基体复合材料制成。管状喷枪主体404也形成有上游段406、中央段407和下游段408。上游段406限定圆筒状内表面410。中央段407具有从上游段406到环状肩部414逐渐减小的内径，以形成截锥状表面411。最后，下游段408限定圆筒状内表面412。环状肩部414将中央段407的截锥状内表面411与下游段408的圆筒状内表面412分开。
感应式等离子体喷枪400还包括气体分配头，该气体分配头一般以标号202示出。气体分配头202安装到感应式等离子体喷枪404的管状喷枪主体400的上游端。如上文所述，气体分配头202尤其但不只是用于将上述等离子体气体和保护气体供应至感应式等离子体喷枪400。感应式等离子体喷枪400还包括安装到管状喷枪主体404的下游端的环状(例如圆形或椭圆形)等离子体出口喷嘴240。气体分配头202和等离子体出口喷嘴240在感应式等离子体喷枪领域是公知的，因此在本说明书中不再对其进一步说明。
插入件416是管状的，并且例如由分体式圆筒的两个半圆筒段制成。管状插入件416布置在管状喷枪主体404的下游段408的内表面412上。另外，插入件416具有抵接环状肩部414的上游端和下游端。如图所示，插入件416具有(a)与管状喷枪主体404的下游段408的内表面412的恒定内径对应的恒定外径，以及(b)从上游端沿等离子体流的轴向222逐渐减小的内径，以沿该方向增加管状插入件416的厚度，并形成直至点442的截锥形内表面426，从点442开始，该内径保持恒定，以使管状插入件416的厚度保持恒定，并形成圆筒状内表面427。如图4所示，插入件416在其上游端的厚度等于环状肩部414的宽度，从而管状喷枪主体404的中央部分407的截锥状内表面411与插入件418的截锥状内表面426形成连续的截锥状内表面。插入件416可由TeflonTM或具有相似或适当物理特性的其它材料制成。
感应式等离子体喷枪400包括等离子体约束管418。等离子体约束管418可由耐高温且具有高导热率的陶瓷材料制成，布置在管状喷枪主体404内，与该管状喷枪主体404同轴，并位于气体分配头202和等离子体出口喷嘴240之间。等离子体约束管418具有恒定内径，并且例如在感应线圈428的区域中具有沿等离子体流的轴向222上逐渐减小的外径，以形成等离子体约束管418的外表面的截锥部419，从而使管状壁420的厚度沿该方向逐渐减小。由于等离子体约束管418的管状壁420的厚度的逐渐减小在所示的实例中仅限于感应线圈428的区域，因此等离子体约束管418包括厚度较大且恒定的上游段和厚度较小且恒定的下游段，所述上游段具有直径较大的圆筒状外表面部421，所述下游段具有直径较小的圆筒状外表面部423。
如上所述，在气体分配头202和等离子体出口喷嘴240上形成有环状座，以接收等离子体约束管418的相应端部，并将该等离子体约束管418适当地定位在管状喷枪主体404内。具体而言，如图5所示，等离子体约束管418的下游端包括向外的环状肩部/凸缘延伸部450，该环状肩部/凸缘延伸部接收在等离子体出口喷嘴240的互补的环状座241中。
环状通道424限定在管状喷枪主体404的上游段406的内表面410、中央段407的截锥状内表面411、插入件416的截锥状内表面426及圆筒状表面427与等离子体约束管418的外表面部419、412和423之间。环状通道424配置为接收用于冷却等离子体约束管418的冷却流体(未示出)。环状通道424在产生等离子体的等离子体约束管418的至少一大段上具有恒定厚度，但不限于此。当环状通道424足够薄时，在其中能形成冷却流体的高速流动，以有效地冷却等离子体约束管418。冷却流体的非限制性实例包括水(例如去离子水)或其它适当的冷却液。具体地，冷却流体供应至形成在出口喷嘴240中的环状冷却流体入口432，流过环状通道424，并通过形成在管状喷枪主体404和气体分配头202中的环状冷却流体出口434流出。冷却流体在冷却通道424中沿与等离子体流的轴向222相反的方向流动，但不限于此。在所示的实施方式中，为了便于冷却流体从环状冷却流体入口432通至环状通道424，在插入件416的环状下游端的外周上加工出了多个半圆形开口，如标号436所示。也可以设想冷却流体从环状冷却流体入口432和环状通道424通过的其它构造。
与图2中的实施方式一样，感应式等离子体喷枪400包括嵌入在管状喷枪主体404内并与该管状喷枪主体同轴的感应耦合件，例如上述感应线圈428。
如图4-6所示，感应式等离子体喷枪400包括管状电容屏蔽层440，该管状电容屏蔽层440由嵌入在管状喷枪主体404的上游段406和中央段407的内表面410和411材料中的由导电材料(例如金属)构成的管形成。在一种实施方式中，所述电容屏蔽层(例如由导电材料构成的管)足够厚，可以与管状喷枪主体404的内壁(即，管状喷枪主体的内表面410和411)一起机械加工，以露出这些内表面410和411上的所述导电材料层，并且产生管状喷枪主体404的内壁的光滑表面。
形成电容屏蔽层440的所述层(例如由导电材料构成的管)可分割成下游轴向条(例如442)，这些轴向条由位于管状喷枪主体404的上游段406的顶部的上游环444互连。电容屏蔽层440也可以简单地施加到管状喷枪主体404的上游段406和中央段407的内表面410和411上。
感应耦合件428在很大程度上布置在电容屏蔽层440的高度处，并位于电容屏蔽层440的外部。因此，在等离子体气体流承受来自感应耦合件428的能量的等离子体约束管418区域中，电容屏蔽层440覆盖该区域的较大部分。因此，电容屏蔽层440会减少耦合至感应式等离子体喷枪400中的等离子体气体放电区的电容性能量，从而实质性地减少杂散电弧的产生(如果不能消除的话)。
在上述感应式等离子体喷枪200和400中，向外的环状肩部/凸缘延伸部250/450配置为将插入件216/416保持在感应式等离子体喷枪200/400内的适当位置。为此，向外的环状肩部/凸缘延伸部分250/450限定抵接在插入件216/416的下游端上的肩部251/451。利用向外的环状肩部/凸缘延伸部分250/450(包括肩部251/451)，当布置在环状座241中时，还能实现等离子体约束管218/418在管状喷枪主体204/404内的精确定位。显然，当存在向外的环状肩部/凸缘延伸部250/450时，能防止等离子体约束管218/418向上滑动，从而防止其被从感应式等离子体喷枪200/400的上游端移除。
图7a、图7b和图7c分别是沿着图4的A-A，B-B和C-C线截取的感应式等离子体喷枪400的截面图。
在图7a中可见的电容屏蔽层440仅存在于图4的感应式等离子体喷枪400中。图7b和7c的视图适用于图2和4所示的感应式等离子体喷枪200和400。
图7b示出了插入件216/416包括由轴向切口454分开的至少两个互补的半圆筒段216A和216B/416A和416B。所述互补段216A和216B/416A和416B完全包围等离子体约束管218/418，并可通过将等离子体约束管218/418和插入件216/416经由管状喷枪主体204/404的下游端从管状喷枪主体204/404滑出、然后沿轴向切口454将它们彼此分开来而从感应式等离子体喷枪200/400拆卸下来。
图7c尤其示出了多个半圆状开口(例如236/436)，这些开口加工并分布在插入件216/416的环状下游端的外周上。
虽然图7a、图7b和图7c不是按比例绘制的，但是它们示出了等离子体约束管418的管状壁的厚度在沿图4中的A-A、B-B及C-C线的横截面之间减小。环状通道224/424在这些高度处具有相当恒定的厚度。
在感应线圈228/428的区域中，等离子体约束管218/418的管状壁220/420沿着其长度的给定横截面的变化厚度可如下计算：
其中：
δw是距等离子体约束管218/418的上游端的选定距离处的管状壁220/420的厚度，单位为m；
k是形成等离子体约束管218/418的材料的热导率，单位为W/m·K；
ΔT是等离子体约束管218/418的管状壁220/420上的允许温度差，单位为K；
q是距等离子体约束管218/418的上游端的选定距离处的等离子体约束管的热通量，单位为W/m2。
若由感应式等离子体喷枪200/400的操作引起的热通量以及等离子体约束管218/418的导热率、耐热性和期望的耐用性是已知的，则能够确定等离子体约束管218/418的厚度变化，并由此确定感应式等离子体喷枪200/400的其他部件的几何尺寸。
图8示出了(a)恒定厚度的等离子体约束管和(b)如图2或图3所示的等离子体约束管的管状壁的热通量的轴向分布图，该感应式等离子体喷枪以100千瓦功率工作。图8中所示的计算结果是使用加拿大魁北克省舍布鲁克市的TEKNA公司的PL-70型感应式等离子体喷枪获得的。首先，使用标准的PL-70感应式等离子体喷枪获得计算和测量结果。然后，通过使用在图2和图3中引入的特性修改PL-70感应式等离子体喷枪来制作原型喷枪。在这两种情况下，等离子体约束管的内径为70毫米，等离子体由常压下的氩和氢的混合物组成，感应式等离子体喷枪以100千瓦屏极功率工作，其中65千瓦功率耦合到等离子体放电区中。
在图8中，图800伴有感应式等离子体喷枪200/400的部件的局部示意图850。图800在其横轴上示出了从其上游端沿等离子体约束管的长度计算的轴向距离，以毫米为单位。箭头852和854允许相对于感应耦合件228/428的位置沿着局部示意图850观察该轴向距离。图800左侧的第一竖轴表示等离子体约束管204/404的管状壁220/420上的热通量，以W/m2为单位。图800的右侧的第二竖轴表示等离子体约束管的管状壁的温度，以K为单位。曲线802示出了热通量的变化，热通量在感应耦合件228/428的中心附近达到将近1.4x106W/m2的最大值，在感应耦合件的上游端处下降至大约0.3x106W/m2，在感应耦合件228/428的下游端处为大约0.5x106W/m2。
使用标准的PL-70感应式等离子体喷枪，在温度曲线804上示出的等离子体约束管的管状壁的温度紧随热通量曲线802的趋势而变化，在最大热通量的位置达到将近700K的最大值，在感应耦合件228/428的上游端和下游端分别减小至大约400和500K。
使用如图2和3所示的具有逐渐减小的厚度的等离子体约束管，等离子体约束管的管状壁的温度分布明显变平，如温度曲线806所示。可以注意到，在这种情况下，管状壁的最高温度低于450K，这比使用一致的管状壁厚度获得的700K值低得多。
图9示出了(a)恒定厚度的等离子体约束管和(b)如图2或图3所示的等离子体约束管的管状壁的热通量的轴向分布图，该感应式等离子体喷枪以140千瓦功率工作。使用同一型号的PL-70感应式等离子体喷枪，首先采用标准配置，然后使用图2和图4中引入的特性，图8和图9之间的区别在于，图9中的结果是在较高的工作功率下获得的。
在图9中，图900伴随有感应式等离子体喷枪200/400的部件的局部示意图950。图900在其横轴上示出了从其上游端沿等离子体约束管的长度计算的轴向距离，以毫米为单位。箭头952和954允许相对于感应耦合件228/428的位置沿着局部示意图950观察该轴向距离。在曲线图900的左侧的第一竖轴表示等离子体约束管的管壁上的热通量，以W/m2为单位。图900的右侧的第二竖轴表示等离子体约束管的管状壁的温度，以K为单位。曲线902示出了热通量的变化，热通量在感应耦合件228/428的中心附近达到约2.2x106W/m2的最大值，在感应耦合件228/428的上游端处下降到约0.2x106W/m2，在感应耦合件228的下游端处下降到约0.7x106W/m2。
使用标准的PL-70感应式等离子体喷枪，温度曲线904所示的等离子体约束管的管壁温度紧随热通量曲线902的趋势而变化，在最大热通量的位置达到将近1000K的最大值，在感应耦合件228/428的上游端和下游端分别减小至大约470K和600K。
使用如图2和图3所示的具有逐渐减小的厚度的等离子体约束管，虽然感应式等离子体喷枪的工作功率较高，但是等离子体约束管的管状壁的温度分布仍然显著地变平，如温度曲线906所示。可以注意到，在这种情况下，最大管状壁温度大约为550K，这比用均匀管壁厚度获得的1000K值低得多，并且仍然低于使用具有均匀管状壁厚度的等离子体约束管时在100千瓦屏极功率下获得的最大值700K。
可以注意到，等离子体约束管的管状壁上的温度梯度不受图4的电容性屏蔽层440的存在的显著影响，因此，图800上的曲线806和图900上的曲线906适用于图2和4的两种实施方式。还可以注意到，温度曲线804、806、904和906是使用冷却流体不能透过的等离子体约束管获得的。
虽然此技术减少了施加到其管状壁220/420上的极端热量，但等离子体约束管218/418仍然承受高温，最终导致需要更换。本领域技术人员能理解，没有插入件216/416的感应式等离子体喷枪200/400的配置会使等离子体约束管218/418的更换变得非常困难，在一些配置中几乎是不可能的。由于等离子体约束管218/418在其上游端较厚，因此如果管状喷枪主体204/404的内表面以直径不断减小的形式延伸以便提供具有相当恒定的厚度的薄环状通道224/424，那么等离子体约束管218/418在从管状喷枪主体204/404向下滑动时不碰撞该内表面的周边是不可能的。
喷枪主体的内表面具有恒定直径的方案允许移除和更换等离子体约束管，但是这种方案在冷却方面表现不佳，因为这会使环状冷却通道在其底端处较厚。通过将等离子体约束管在喷枪主体内向上滑动而移除等离子体约束管的另一种方案需要很耗费人力，因为需要拆卸感应式等离子体喷枪的分配头。此外，这种方案在等离子体约束管的下游端存在向外的环状肩部/凸缘延伸部(例如250/450)的情况下根本不可行。
在感应式等离子体喷枪200/400的等离子体约束管218/418包括向外的环状肩部/凸缘延伸部250/450的情况下，移除等离子体约束管218/418的方法包括将等离子体出口喷嘴240从管状喷枪主体204/404移除。移除等离子体出口喷嘴240会从等离子体出口喷嘴240的环状座241释放等离子体约束管218/418的向外的环状肩部/凸缘延伸部250/450。然后，可沿方向222将等离子体约束管218/418与管状插入件216/416一起向外拉动，使等离子体约束管218/418的上游端从气体分配头202的环状座脱开，并使插入件216/416从管状喷枪主体204/404的下游段208/408的内表面212/412脱开。在从管状喷枪主体204/404内移除等离子体约束管218/418和插入件216/416之后，可在轴向切口454处(图7b)将管状插入件216/416的两个互补的半圆筒段216A、216B/416A、416B彼此分开，从而从等离子体约束管218/418拆下管状插入件216/416。应说明的是，环状肩部414处的管状喷枪主体404的内径足够大，允许等离子体约束管418的具有较大外径的上游段从管状喷枪主体404滑出。
然后可以将新的等离子体约束管218/418安装在感应式等离子体喷枪200/400中。为此，要在轴向切口454处将插入件216/416的互补的半圆筒段216A、216B/416A、416B组装在一起，并置于新的等离子体约束管218/418上的适当位置。然后将插入件/等离子体约束管组件通过该管状喷枪主体的下游端引入管状喷枪主体204/404内；将插入件216/416在管状喷枪主体204/404的下游段208/408的内表面212/412上滑动就位，并将等离子体约束管218/418的上游端置于气体分配头202的环状座上。最后，将等离子体出口喷嘴240安装在管状喷枪主体204/404上，使向外的环状肩部/凸缘延伸部250/450处于环状座241中。
本领域普通技术人员应认识到，感应式等离子体喷枪和等离子体约束管更换方法的说明仅是示例性的，并不意图以任何方式进行限制。对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说，其它实施方式是显而易见的。此外，所公开的感应式等离子体喷枪和等离子体约束管更换方法可以定制，以提供有效的解决方案，满足在提高等离子体的能量密度的同时减少或消除感应式等离子体喷枪中的杂散电弧的现有需求。
为了清楚起见，在此并未示出和说明感应式等离子体喷枪和等离子体约束管更换方法的实现方式的全部常规特征。当然，应理解，在开发感应式等离子体喷枪和等离子体约束管更换方法的任何此类实际实现方式时，可能需要做出许多特定的实现决定，以达到开发者的具体目标，例如遵循与应用、系统和业务相关的约束条件，这些具体目标会因具体实现方式和具体开发人员而有所不同。此外，还应理解，开发工作可能很复杂且耗时，但是对于受益于本公开的感应式等离子体喷枪领域的普通技术人员而言仍然是常规工程任务。
本公开在上文中是通过非限定性的示例性实施方式说明的。这些示例性实施方式可以根据需要修改。权利要求的范围不应受这些示例性实施方式的限制，而是应总体地按照说明书以最宽泛的方式来解读。
Claims (31)
1.一种感应式等离子体喷枪，包括：
具有上游段和下游段的管状喷枪主体，所述上游段和所述下游段限定相应的内表面；
等离子体约束管，该等离子体约束管布置在管状喷枪主体内，与管状喷枪主体同轴，并具有内径恒定的内表面和外表面，其中，该等离子体约束管具有厚度在等离子体约束管的至少一段上沿等离子体流的轴向逐渐变细的管状壁；
安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上的管状插入件，该管状插入件具有内表面；和
限定在(a)管状喷枪主体的上游段的内表面和管状插入件的内表面与(b)等离子体约束管的外表面之间的环状通道，该环状通道配置为导引用于冷却等离子体约束管的冷却流体。
2.如权利要求1所述的感应式等离子体喷枪，包括嵌入在管状喷枪主体内的感应耦合件，该感应耦合件用于向存在于等离子体约束管中的等离子体气体施加能量，以产生和维持等离子体。
3.如权利要求2所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述感应耦合件包括同轴线圈，并且其中所述等离子体约束管的管状壁的厚度在该同轴线圈的区域中逐渐减小。
4.如权利要求1至3中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述管状喷枪主体的上游段的内表面，所述管状插入件的内表面、以及所述等离子体约束管的外表面配置为限定所述具有恒定厚度的环状通道。
5.如权利要求1至4中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述管状喷枪主体包括位于所述上游段的内表面与所述下游段的内表面之间的环状肩部，并且其中所述管状插入件包括抵接该环状肩部的上游端。
6.如权利要求1至5中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中：
所述等离子体约束管限定上游圆筒状外表面部、中央截锥状外表面部、以及下游圆筒状外表面部；和
所述管状喷枪主体的上游段的内表面是圆筒状的，并面向等离子体约束管的所述上游圆筒状外表面部；和
所述管状插入件的内表面包括面向等离子体约束管的中央截锥状外表面部的上游截锥状表面部、以及面向等离子体约束管的下游圆筒状外表面部的下游圆筒状表面部。
7.如权利要求1至6中任一项所述的感应式等离子体喷枪，包括内电容屏蔽层，该内电容屏蔽层包括布置在管状喷枪主体的内壁上的导电材料层，其中，所述导电材料层分割成轴向条，并且限定用于互连所述轴向条的上游端的环。
8.如权利要求7所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述电容屏蔽层嵌入到管状喷枪主体的内壁中。
9.如权利要求7所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述导电材料层包括由所述导电材料构成的管。
10.一种感应式等离子体喷枪，包括：
具有上游段、中央段和下游段的管状喷枪主体，所述上游段、中央段和下游段限定相应的内表面；
等离子体约束管，该等离子体约束管布置在管状喷枪主体内，与管状喷枪主体同轴，并具有内径恒定的内表面和外表面，其中，该等离子体约束管具有厚度在等离子体约束管的至少一段上沿等离子体流的轴向逐渐变细的管状壁；
安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上的管状插入件，该管状插入件具有内表面；和
限定在(a)管状喷枪主体的上游段的内表面、管状喷枪主体的中央段的内表面和管状插入件的内表面与(b)等离子体约束管的外表面之间的环状通道，该环状通道配置为导引用于冷却等离子体约束管的冷却流体。
11.如权利要求10所述的感应式等离子体喷枪，包括嵌入在管状喷枪主体内的感应耦合件，该感应耦合件用于向存在于等离子体约束管中的等离子体气体施加能量，以产生和维持等离子体。
12.如权利要求11所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述感应耦合件包括同轴线圈，并且其中所述等离子体约束管的管状壁的厚度在该同轴线圈的区域中逐渐减小。
13.如权利要求10至12中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述管状喷枪主体的上游段的内表面、所述管状喷枪主体的中央段的内表面、所述管状插入件的内表面、以及所述等离子体约束管的外表面配置为限定所述具有恒定厚度的环状通道。
14.如权利要求10至13中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述管状喷枪主体包括位于所述中央段的内表面与所述下游段的内表面之间的环状肩部，并且其中所述管状插入件包括抵接该环状肩部的上游端。
15.如权利要求10至14中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中：
所述等离子体约束管限定上游圆筒状外表面部、中央截锥状外表面部、以及下游圆筒状外表面部；和
所述管状喷枪主体的上游段的内表面是圆筒状的，所述管状喷枪主体的中央段的内表面是截锥状的；
所述管状插入件的内表面包括上游截锥状表面部和下游圆筒状表面部，所述上游截锥状表面部与所述管状喷枪主体的中央段的截锥状内表面构成一致的截锥状内表面；
其中，(a)管状喷枪主体的上游段的圆筒状内表面面向等离子体约束管的上游圆筒状表面部，(b)一致的截锥状内表面面向等离子体约束管的中央截锥状外表面部，并且(c)管状插入件的下游圆筒状内表面部面向等离子体约束管的下游圆筒状外表面部。
16.如权利要求10至15中任一项所述的感应式等离子体喷枪，包括内电容屏蔽层，该内电容屏蔽层包括布置在管状喷枪主体的内壁上的导电材料层，其中，所述导电材料层分割成轴向条，并且限定用于互连所述轴向条的上游端的环。
17.如权利要求16所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述电容屏蔽层嵌入到所述管状喷枪主体的上游段和中央段的内壁中，并且其中所述电容屏蔽层与所述管状喷枪主体的上游段和中央段的内表面一起机械加工，以露出所述导电材料层。
18.如权利要求16或17所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述导电材料层包括由所述导电材料构成的管。
19.如权利要求1至18中任一项所述的感应式等离子体喷枪，包括：
用于向环状通道供应冷却流体的冷却流体入口；和
用于从环状通道排出冷却流体的冷却流体出口。
20.如权利要求19所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述冷却流体入口和出口布置为使得冷却流体在环状通道中沿与等离子体流的方向相反的方向流动。
21.如权利要求1至20中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述等离子体约束管由冷却流体可渗透的材料制成，一部分冷却流体透过所述等离子体约束管的材料，以在所述等离子体约束管的内表面上形成一层冷却流体膜，所述膜的冷却流体被等离子体产生的热量蒸发，所述冷却流体选择为在蒸发时形成能够产生等离子体的气体。
22.如权利要求1至21中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述等离子体约束管包括设置有向外的环状肩部/凸缘延伸部的下游端，并且其中所述感应式等离子体喷枪包括环状等离子体出口喷嘴，该环状等离子体出口喷嘴安装到所述管状喷枪主体的下游端，并包括用于接收所述向外的环状肩部/凸缘延伸部的环状座。
23.如权利要求22所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述环状肩部/凸缘延伸部限定环状肩部，所述管状插入件的下游端抵靠在该环状肩部上，以将所述环状插入件在感应式等离子体喷枪中保持在所述管状喷枪主体的下游段的内表面上。
24.如权利要求1至23中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述管状插入件包括包围所述等离子体约束管的至少两个互补段。
25.如权利要求24所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述管状插入件的互补段包括两个半圆筒段。
26.一种从如权利要求1至25中任一项所述的感应式等离子体喷枪移除等离子体约束管的方法，包括将等离子体约束管和管状插入件沿等离子体流的轴向从管状喷枪主体同时拉出。
27.如权利要求26所述的从感应式等离子体喷枪移除等离子体约束管的方法，包括：
在将等离子体约束管和管状插入件沿等离子体流的轴向从管状喷枪主体同时拉出之前，移除安装到管状喷枪主体的下游端的环状等离子体出口喷嘴；和
拆卸由包围等离子体约束管的至少两个互补段组成的管状插入件，拆卸管状插入件包括将所述的至少两个互补段彼此分开。
28.一种将等离子体约束管安装到如权利要求1至25中任一项所述的感应式等离子体喷枪上的方法，包括将等离子体约束管和管状插入件沿与等离子体流的方向相反的轴向同时引入管状喷枪主体中。
29.如权利要求28所述的将等离子体约束管安装到感应式等离子体喷枪上的方法，包括：
组装由包围等离子体约束管的至少两个互补段组成的管状插入件，组装管状插入件包括在等离子体约束管的周围将所述的至少两个互补段组装在一起；和
将环状等离子体出口喷嘴安装到管状喷枪主体的下游端，以将等离子体约束管和管状插入件定位并保持在管状喷枪主体中。
30.一种用于感应式等离子体喷枪的管状喷枪主体，包括：
内壁；和
内电容屏蔽层，其包括嵌入在管状喷枪主体的内壁中的导电材料层，其中，该导电材料层分割成轴向条，并限定用于互连所述轴向条的上游端的环；
其中，所述电容屏蔽层与所述管状喷枪主体的内壁一起机加工，以露出所述导电材料层，并产生所述管状喷枪主体的内壁的光滑表面。
31.如权利要求30所述的管状喷枪主体，其中，所述导电材料层包括由所述导电材料构成的管。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201562185799P | 2015-06-29 | 2015-06-29 | |
| US62/185,799 | 2015-06-29 | ||
| PCT/CA2016/050754 WO2017000065A1 (en) | 2015-06-29 | 2016-06-27 | Induction plasma torch with higher plasma energy density |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107852807A true CN107852807A (zh) | 2018-03-27 |
| CN107852807B CN107852807B (zh) | 2020-07-07 |
Family
ID=57605196
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201680037862.9A Expired - Fee Related CN107852807B (zh) | 2015-06-29 | 2016-06-27 | 具有更高等离子体能量密度的感应式等离子体喷枪 |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10028368B2 (zh) |
| EP (1) | EP3314989B1 (zh) |
| JP (1) | JP6817971B2 (zh) |
| KR (1) | KR102068539B1 (zh) |
| CN (1) | CN107852807B (zh) |
| AU (1) | AU2016288266B2 (zh) |
| CA (1) | CA2988198A1 (zh) |
| RU (1) | RU2724929C2 (zh) |
| WO (1) | WO2017000065A1 (zh) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017011900A1 (en) | 2015-07-17 | 2017-01-26 | Ap&C Advanced Powders & Coatings Inc. | Plasma atomization metal powder manufacturing processes and systems therefore |
| EP3442726B1 (en) | 2016-04-11 | 2023-01-04 | AP&C Advanced Powders And Coatings Inc. | Reactive metal powders in-flight heat treatment processes |
| US10212798B2 (en) * | 2017-01-30 | 2019-02-19 | Sina Alavi | Torch for inductively coupled plasma |
| WO2019241226A1 (en) * | 2018-06-12 | 2019-12-19 | Agilent Technologies, Inc | Icp spectroscopy torch with removable one-piece injector |
| IT201800020206A1 (it) | 2018-12-19 | 2020-06-19 | Directa Plus Spa | Apparecchiatura per il trattamento di materiali con plasma. |
| KR20220011117A (ko) * | 2019-03-26 | 2022-01-27 | 6케이 인크. | 마이크로파 플라즈마 장치 내의 세그먼트화된 라이너 및 사용 방법들 |
| AT526353B1 (de) * | 2022-08-09 | 2024-02-15 | Thermal Proc Solutions Gmbh | Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes |
| AT526238B1 (de) * | 2022-08-09 | 2024-01-15 | Thermal Proc Solutions Gmbh | Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas |
| AT526239B1 (de) | 2022-08-09 | 2024-01-15 | Thermal Proc Solutions Gmbh | Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69216970T2 (de) * | 1991-04-12 | 1997-07-31 | Univ Sherbrooke | Hochleistungsfähiger induktionsplasmabrenner mit einem wassergekühlten keramischen abschlussrohr |
| WO1998057528A1 (en) * | 1997-06-11 | 1998-12-17 | The Regents Of The University Of California | Plasma torch |
| US6312555B1 (en) * | 1996-09-11 | 2001-11-06 | Ctp, Inc. | Thin film electrostatic shield for inductive plasma processing |
| US20030080097A1 (en) * | 2001-10-05 | 2003-05-01 | Maher Boulos | Multi-coil induction plasma torch for solid state power supply |
| KR20040097583A (ko) * | 2003-05-12 | 2004-11-18 | 재단법인서울대학교산학협력재단 | 원통형 유도코일 구조체를 갖는 일체형 유도 결합플라즈마 토치 |
| CN1572127A (zh) * | 2001-10-05 | 2005-01-26 | 舍布鲁克大学 | 用于固态电源的多线圈感应等离子体火炬 |
| WO2012023684A1 (ko) * | 2010-08-18 | 2012-02-23 | 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원 | 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조 |
| CN103503579A (zh) * | 2011-02-03 | 2014-01-08 | 泰克纳等离子系统公司 | 高性能感应等离子体焰炬 |
| CN103843107A (zh) * | 2011-06-21 | 2014-06-04 | Fei公司 | 电感耦合等离子体离子源与不主动泵送的液体的高压隔离 |
| CN104470185A (zh) * | 2014-12-11 | 2015-03-25 | 中国航天空气动力技术研究院 | 100kw高频感应发生器 |
Family Cites Families (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3041672A (en) | 1958-09-22 | 1962-07-03 | Union Carbide Corp | Making spheroidal powder |
| US3891824A (en) | 1971-04-01 | 1975-06-24 | Philips Corp | Method of plasma-MIG-welding |
| US4374075A (en) | 1981-06-17 | 1983-02-15 | Crucible Inc. | Method for the plasma-arc production of metal powder |
| JPH0658840B2 (ja) * | 1988-04-26 | 1994-08-03 | 新日本製鐵株式会社 | 移行形プラズマトーチ |
| DE4022112C2 (de) * | 1990-07-11 | 1996-03-14 | Mannesmann Ag | Plasmabrenner für übertragenen Lichtbogen |
| US5296667A (en) | 1990-08-31 | 1994-03-22 | Flame-Spray Industries, Inc. | High velocity electric-arc spray apparatus and method of forming materials |
| US5147448A (en) | 1990-10-01 | 1992-09-15 | Nuclear Metals, Inc. | Techniques for producing fine metal powder |
| DE4102101C2 (de) | 1991-01-25 | 2003-12-18 | Ald Vacuum Techn Ag | Einrichtung zum Herstellen von Pulvern aus Metallen |
| JPH0782918B2 (ja) * | 1991-11-11 | 1995-09-06 | 株式会社三社電機製作所 | インダクションプラズマトーチ |
| RU2032280C1 (ru) * | 1992-02-18 | 1995-03-27 | Инженерный центр "Плазмодинамика" | Способ управления плазменным потоком и плазменное устройство |
| US5277705A (en) | 1992-12-30 | 1994-01-11 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Powder collection apparatus/method |
| US5560844A (en) * | 1994-05-26 | 1996-10-01 | Universite De Sherbrooke | Liquid film stabilized induction plasma torch |
| US5707419A (en) | 1995-08-15 | 1998-01-13 | Pegasus Refractory Materials, Inc. | Method of production of metal and ceramic powders by plasma atomization |
| US5874134A (en) * | 1996-01-29 | 1999-02-23 | Regents Of The University Of Minnesota | Production of nanostructured materials by hypersonic plasma particle deposition |
| US5939151A (en) | 1996-10-25 | 1999-08-17 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Method and apparatus for reactive plasma atomization |
| CA2214194C (en) | 1997-01-10 | 2002-04-09 | Basf Corporation | Multiple domain fibers having inter-domain boundary compatibilizing layer and methods of making the same |
| US5808270A (en) | 1997-02-14 | 1998-09-15 | Ford Global Technologies, Inc. | Plasma transferred wire arc thermal spray apparatus and method |
| US6142382A (en) | 1997-06-18 | 2000-11-07 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Atomizing nozzle and method |
| WO2001058625A1 (en) | 2000-02-10 | 2001-08-16 | Tetronics Limited | Plasma arc reactor for the production of fine powders |
| US6365867B1 (en) | 2000-11-01 | 2002-04-02 | Sandia Corporation | Plasma arc torch with coaxial wire feed |
| US6915964B2 (en) | 2001-04-24 | 2005-07-12 | Innovative Technology, Inc. | System and process for solid-state deposition and consolidation of high velocity powder particles using thermal plastic deformation |
| GB0201600D0 (en) | 2002-01-24 | 2002-03-13 | Univ Cambridge Tech | Large- scale plasma synthesis of hollow nanostructures |
| US7465430B2 (en) * | 2004-07-20 | 2008-12-16 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Apparatus for making metal oxide nanopowder |
| WO2011054113A1 (en) | 2009-11-05 | 2011-05-12 | Ap&C Advanced Powders & Coatings Inc. | Methods and apparatuses for preparing spheroidal powders |
| CN103429354B (zh) | 2010-12-22 | 2016-08-17 | 火焰喷射工业股份有限公司 | 利用等离子体转移金属丝电弧的改进的热喷涂方法和设备 |
| US9533909B2 (en) | 2014-03-31 | 2017-01-03 | Corning Incorporated | Methods and apparatus for material processing using atmospheric thermal plasma reactor |
| PL3302855T3 (pl) | 2015-06-05 | 2022-01-31 | Pyrogenesis Canada Inc. | Urządzenie plazmowe do produkcji wysokiej jakości proszków sferycznych z wysoką wydajnością |
| WO2017011900A1 (en) | 2015-07-17 | 2017-01-26 | Ap&C Advanced Powders & Coatings Inc. | Plasma atomization metal powder manufacturing processes and systems therefore |
-
2016
- 2016-06-27 EP EP16816883.9A patent/EP3314989B1/en active Active
- 2016-06-27 AU AU2016288266A patent/AU2016288266B2/en active Active
- 2016-06-27 WO PCT/CA2016/050754 patent/WO2017000065A1/en active Application Filing
- 2016-06-27 KR KR1020177037781A patent/KR102068539B1/ko active IP Right Grant
- 2016-06-27 CN CN201680037862.9A patent/CN107852807B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2016-06-27 RU RU2018102802A patent/RU2724929C2/ru active
- 2016-06-27 JP JP2017567719A patent/JP6817971B2/ja active Active
- 2016-06-27 CA CA2988198A patent/CA2988198A1/en active Pending
- 2016-06-28 US US15/194,815 patent/US10028368B2/en active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69216970T2 (de) * | 1991-04-12 | 1997-07-31 | Univ Sherbrooke | Hochleistungsfähiger induktionsplasmabrenner mit einem wassergekühlten keramischen abschlussrohr |
| US6312555B1 (en) * | 1996-09-11 | 2001-11-06 | Ctp, Inc. | Thin film electrostatic shield for inductive plasma processing |
| WO1998057528A1 (en) * | 1997-06-11 | 1998-12-17 | The Regents Of The University Of California | Plasma torch |
| US20030080097A1 (en) * | 2001-10-05 | 2003-05-01 | Maher Boulos | Multi-coil induction plasma torch for solid state power supply |
| CN1572127A (zh) * | 2001-10-05 | 2005-01-26 | 舍布鲁克大学 | 用于固态电源的多线圈感应等离子体火炬 |
| KR20040097583A (ko) * | 2003-05-12 | 2004-11-18 | 재단법인서울대학교산학협력재단 | 원통형 유도코일 구조체를 갖는 일체형 유도 결합플라즈마 토치 |
| WO2012023684A1 (ko) * | 2010-08-18 | 2012-02-23 | 재단법인 철원플라즈마 산업기술연구원 | 나노 분말 제조용 플라즈마 토치 전극 구조 |
| CN103503579A (zh) * | 2011-02-03 | 2014-01-08 | 泰克纳等离子系统公司 | 高性能感应等离子体焰炬 |
| CN103843107A (zh) * | 2011-06-21 | 2014-06-04 | Fei公司 | 电感耦合等离子体离子源与不主动泵送的液体的高压隔离 |
| CN104470185A (zh) * | 2014-12-11 | 2015-03-25 | 中国航天空气动力技术研究院 | 100kw高频感应发生器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3314989A1 (en) | 2018-05-02 |
| RU2018102802A (ru) | 2019-07-29 |
| KR20180021369A (ko) | 2018-03-02 |
| RU2018102802A3 (zh) | 2019-12-11 |
| KR102068539B1 (ko) | 2020-01-21 |
| US10028368B2 (en) | 2018-07-17 |
| JP2018519637A (ja) | 2018-07-19 |
| JP6817971B2 (ja) | 2021-01-20 |
| EP3314989B1 (en) | 2020-05-27 |
| AU2016288266A1 (en) | 2018-01-04 |
| AU2016288266B2 (en) | 2021-05-13 |
| RU2724929C2 (ru) | 2020-06-26 |
| US20160381777A1 (en) | 2016-12-29 |
| EP3314989A4 (en) | 2019-03-20 |
| CA2988198A1 (en) | 2017-01-05 |
| CN107852807B (zh) | 2020-07-07 |
| WO2017000065A1 (en) | 2017-01-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107852807A (zh) | 具有更高等离子体能量密度的感应式等离子体喷枪 | |
| JP6158396B2 (ja) | 高性能誘導プラズマトーチ | |
| CN102474970B (zh) | 喷嘴保护罩和喷嘴保护罩保持架以及具有喷嘴保护罩和/或喷嘴保护罩保持架的电弧等离子燃烧器 | |
| CN102388681A (zh) | 用于电弧等离子喷枪的冷却管、电极容纳部和电极以及由它们组成的装置和包括这些部件的电弧等离子喷枪 | |
| CN103391678A (zh) | 非转移且中空型的等离子体喷枪 | |
| NO121927B (zh) | ||
| CN110024481A (zh) | 电磁感应加热装置 | |
| US3375392A (en) | Plasma generator utilizing a ribbonshaped stream of gas | |
| CN201467557U (zh) | 一种新型的等离子枪 | |
| CN106793236B (zh) | 一种焊接结构管式电极 | |
| CN105931934A (zh) | 双螺旋水槽型强流电子束收集极 | |
| RU2328096C1 (ru) | Плазменная установка для напыления покрытий (варианты) | |
| NO163409B (no) | Analogifremgangsmaate ved fremstilling av nye terapeutisk aktive nitrosoureaderivater. | |
| CN110214124A (zh) | 臭氧产生装置 | |
| CN101866801B (zh) | 等离子避电器插件 | |
| CN106304592A (zh) | 一种层流等离子发生器阴极结构 | |
| CN220405983U (zh) | 加载气体的喷嘴及蒸汽汽化装置 | |
| JP2014216054A (ja) | マイクロ波イオン源、及びマイクロ波イオン源の運転方法 | |
| KR20120025196A (ko) | 플라즈마 토치 전극의 주입관 구조 | |
| Anshakov et al. | Plasma generator | |
| Buchanan et al. | Hypersonic test facility Patent | |
| BRPI1104137B1 (pt) | Tocha híbrida geradora de plasma para aplicação em processos de fabricação, e, processo de produção de tocha |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200707 |