CN113767448A - 用于处理气体的等离子反应器 - Google Patents

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G·S·莱纳德三世
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Abstract

本发明提供一种等离子体产生系统(10)，包括：用于传输微波能量的波导(20)；设置在波导(20)内以限定等离子体腔的内壁(40)，其中等离子体(46)通过使用微波能量在等离子体腔内生成；第一进气口(44)安装在第一次的波导(20)和配置为引入第一气体至等离子腔内,在等离子腔内使用第一气体产生涡流(45),第一气体入口(44)具有一个孔(32)，由等离子体处理过(46)的气体穿过该孔(32)离开等离子腔；和离子体稳定器(38)，该离子体稳定器(38)具有圆形中空圆柱体形状并安装在波导(20)的第二侧，该等离子体稳定器(38)的纵向方向与第一涡旋流(45)的旋转轴平行。

Description

用于处理气体的等离子反应器
技术领域
本发明涉及等离子体生成器，更具体地说，涉及使用微波等离子体处理气体的装置。
背景技术
近年来，微波技术已应用于生成各种类型的等离子体。通常，用作等离子体源的微波放电，是通过将微波能量连接到包含待处理气体的放电室中来实现的。操作传统微波等离子体系统的困难之一，包括以稳定的方式维持等离子体。不稳定的等离子体，由于反应器几何形状、进气歧管、腔室设计或气体流速等不理想，可能导致气体处理或改造条件低于最佳条件，甚至可能导致等离子体自行熄灭或破坏反应器。
因此，需要一种微波等离子体系统，该微波等离子体系统具有改善的等离子体稳定性，从而产生更高效率的反应器和产量，以实现更好的经济性。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种等离子体生成系统包括：波导，该波导用于传输微波能量；内壁，该内壁设置在波导内以限定等离子体腔，其中等离子体在等离子体腔内通过使用微波能量产生；第一气体入口，该第一气体入口安装在波导的第一侧上，配置为将第一气体引入等离子体腔中并使用第一气体在等离子体腔中产生第一涡流，第一气体入口具有孔，由等离子体处理的气体穿过该孔离开等离子体腔；以及等离子体稳定器，该等离子体稳定器具有圆形中空圆柱体的形状并安装在波导管的第二侧，该等离子体稳定器的轴向方向与第一涡流的旋转轴平行。
根据本发明的另一个方面，一种等离子体生成系统包括：波导，该波导用于传输微波能量；内壁，该内壁设置在波导内以限定等离子体腔，其中等离子体在等离子体腔内通过使用微波能量产生；第一气体入口，该第一气体入口安装在波导的第一侧上，配置为将第一气体引入等离子体腔中并使用第一气体在等离子体腔中产生第一涡流，第一气体入口具有孔，由等离子体处理的气体穿过该孔离开等离子体腔；以及等离子体稳定器，该等离子体稳定器具有圆形中空圆柱体形状并安装在第一气体入口上，该等离子体稳定器的轴向与第一涡流的旋转轴平行。
附图说明
图1示出了根据本公开实施例的等离子体生成系统的示意图。
图2示出了根据本公开的实施例的图1沿线2-2截取的的等离子体室的截面图。
图3示出了根据本公开的实施例的顺流入口的透视图。
图4示出了根据本公开的实施例的图3沿着线4-4截取的顺流入口的剖视图。
图5示出了根据本公开的实施例的逆流入口的透视图。
图6示出了根据本公开的实施例的图5沿着线6-6截取的逆流入口的剖视图。
图7示出了根据本公开的实施例的内部涡流的透视图。
图8示出了根据本公开的实施例的外部涡流的透视图。
图9示出了根据本公开的实施例的等离子体室的截面图。
图10示出了根据本公开的实施例的内部涡流的透视图。
图11示出了根据本公开的实施例的等离子体室的截面图。
图12示出了根据本公开的实施例的外部涡流的透视图。
图13示出了根据本公开的实施例的等离子体室的截面图。
图14A示出了根据本公的开实施例的中空圆柱体的透视图。
图14B示出了根据本公开的实施例的中空圆柱体的透视图。
具体实施方式
在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以提供对本公开的理解。然而，对于本领域技术人员来说，显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实施本公开。此外，本领域技术人员将认识到，下面描述的本公开的实施例可以通过各种方式实现。
图中所示的组件或模块是本公开的示例性实施例的说明，并且本公开的实施例意在避免本公开模糊。还应当理解，在整个讨论中，组件可以描述为单独的功能单元，该单独的功能单元可以包括子单元，但是本领域技术人员能够认识到，各个组件或各个组件的部分可以被分成单独的组件或者可以被集成在一起，包括集成在单个系统或组件中。应当注意，本文讨论的功能或运行可以组件而执行。
说明书中对“一个实施例”、“优选实施例”、“实施例”或“一些实施例”的引用表示结合实施例描述的特定特征、结构、特性或功能包括在本公开的至少一个实施例中，并且可以在多于一个实施例中。此外，上述短语在说明书中不同地方出现不一定指代相同一个或多个实施例。
在说明书的不同地方使用某些术语是为了说明，而这些术语的使用不应解释为限制。术语“包括”、“包括有”、“含有”和“包含”应理解为开放式术语，并且以下的任何列表都是示例，并不意味着局限于所列出的项目。
图1(英语缩写“FIG.1”)示出了根据本公开一些实施例的等离子体生成系统10的示意图。如图所示，等离子体生成系统10包括：微波腔/波导20，该微波腔/波导20具有中空管形状；等离子体室22，该等离子体室22连接到波导20；和微波供应单元12，该微波供应单元12连接到波导20，并可以通过操作微波波导20向等离子体室22提供微波能量。在一些实施例中，等离子体室22接收微波能量，并利用接收的微波能量处理气体。在一些实施例中，气罐26通过气体管线24向等离子体室22提供气体，气罐30通过气体管线28向等离子体室22提供气体。
微波供应单元12向等离子体室22提供微波能量，并且包括：微波发生器14，该微波发生器14用于产生微波；电源16，该电源16用于向微波发生器14供电；以及调谐器18，该调谐器18用于减少从等离子体室22反射并向微波发生器14传播的微波能量。在一些实施例中，微波供应单元12可以包括其他部件，例如具有隔离器，该隔离器用于耗散向微波发生器14传播的反射微波能量的虚拟负载，和用于将反射微波能量引导至虚拟负载的循环器，以及设置在波导20端部的滑动短路。
图2示出了根据本公开实施例的图1沿线2-2中的等离子体室22(即，沿着平行于纸的平面切割)截取的截面图。如图所示，等离子体室22包括：内壁40；等离子体稳定器38；顺流入口42，该顺流入口42连接到气体管线24并配置为将顺流引入等离子体室；和逆流入口44，该逆流入口44连接到气体管线28并配置为将逆流引入等离子体室。这里，术语等离子体腔指的是由内壁40、波导20、顺流入口42和逆流入口44包围的封闭空间，其中逆流气体和顺流通过经由波导20传输的微波能量在等离子体腔内被处理/重整。
在一些实施例中，内壁40由对微波能量透明的材料构成，例如石英或陶瓷。在一些实施例中，内壁40由任何适合均匀流动、热变电阻、耐化学性和电磁透明度所需的其他介电材料构成。在一些实施例中，内壁40具有优选地但不限于中空圆柱体的形状。
图3示出了根据本公开的一些实施例的顺流入口42的透视图。图4示出了根据本公开实施例的沿着线4-4截取的顺流入口42的横截面视图。如图所示，顺流入口42具有孔/适配器47，该孔/适配器47用于连接到气体管线24，和形成在顺流入口42壁中的一个或多个气体通道48。在一些实施例中，气体通道48的出口位于等离子体稳定器38内部，使得等离子体稳定器38利用离开气体通道48的气流形成内部涡流43。在一些实施例中，等离子体稳定器38的内径可以变化，以调节内部涡流43的外径。在一些实施例中，如上所述，等离子体稳定器38可以具有中空圆柱体的形状，并且与顺流入口42同心设置。
在一些实施例中，任一气体通道48被布置成当顺流经由气体通道48进入等离子体腔时，顺流施加螺旋运动。在一些实施例中，任一气体通道48可以是弯曲的，以增强顺流的涡流。在一些实施例中，顺流入口42由任何合适的材料构成，例如陶瓷，使得入口与波导20电绝缘并承受来自等离子体46的热能。
在一些实施例中，等离子体稳定器38由对微波能量透明的材料构成，并且优选由与内壁40相同的材料构成。在一些实施例中，等离子体稳定器38附接到波导20，突出到等离子体腔内，其中等离子体稳定器38的轴向平行于y轴。在一些实施例中，如上所述，内壁40可以具有中空圆柱体的形状，并且等离子体稳定器38可以与内壁40同心安装。在一些实施例中，等离子体稳定器38内的顺流形成内部涡流43，并朝着波导20的另一端前进，更具体地说，朝着气体出口32前进。图7示出了根据本公开实施例的内部涡流43的透视图。如图所示，顺流(或等效的内部涡流)以螺旋运动的方式沿内壁40的长度移动，直到内部涡流离开气体出口32。
在一些实施例中，当等离子点火器(图2中未示出)点燃等离子体羽流(或简称为等离子体)46时，等离子体46由微波发生器14传输的微波能量维持。在一些实施例中，等离子体46位于内部涡流43内，使得内部涡流43的气体颗粒穿过等离子体46。在一些实施例中，等离子体稳定器38决定了内部涡流43的外径，防止顺流在通过气体出口32离开等离子体腔之前绕过等离子体46。在一些实施例中，等离子体稳定器38通过将内部涡流43与外部涡流45分开来帮助保持等离子体46稳定。
图5示出了根据本公开实施例的逆流入口44的透视图。图6示出了根据本公开实施例的逆流入口44沿线6-6截取的截面图。如图所示，逆流入口44具有孔/适配器52，该孔/适配器52用于连接到气体管线28，形成气体出口32的孔，以及形成在逆流入口44的壁中的一个或多个气体通道51。在一些实施例中，任一气体通道51布置成当逆流经由气体通道51进入等离子体腔时，将螺旋运动施加逆流。在一些实施例中，任一气体通道51可以是弯曲的，以增强逆流的涡流。在一些实施例中，逆流入口44优选但不限于由镍合金构成，例如铬镍铁合金或哈氏合金。
在一些实施例中，离开逆流入口44的逆流朝着内壁40前进，然后以螺旋运动沿着内壁40朝着波导20的另一端向上前进(y轴方向)。随后，逆流反转流动方向，向下前进并形成外部涡流45。在一些实施例中，外部涡流45的旋转轴基本上平行于y轴。图8示出了根据本公开实施例的外部涡流45的透视图。如图所示，外部涡流45具有中空圆柱形状，并且具有两个流动区域：内部向下流动区域45-1和外部向上流动区域45-2。在一些实施例中，内部涡流43设置在外部涡流45的中间中空部分，并且被内部向下流动区域45-1包围。需注意的是，来自顺流入口42的气体与来自逆流入口44的气流混合，形成内部涡流43。
在一些实施例中，外部涡流45围绕内部涡流43，从而保护内壁40免受等离子体46的影响。在一些实施例中，当外部涡流45以螺旋运动沿着内壁40向上前进时，离开逆流入口44的逆流可具有环境温度并从内壁40获取热能。
在一些实施例中，如上所述，等离子体稳定器38的内径决定了内部涡流43的径向尺寸。这样，在一些实施例中，可以调节等离子体稳定器38的内径，使得外部涡流45围绕内部涡流43，并以稳定的方式保持内部涡流43的流动状态，从而稳定等离子体，并提高产量和效率。
在一些实施例中，等离子体46用于将入口气体重整为所需的产品气体，其中入口气体通过顺流入口42和逆流入口44引入等离子体腔内。在一些实施例中，离开顺流入口42的内部涡流的气体成分包括CO2、CH4和O2，离开气体出口32的气体包括CO和H2以及顺流气体的未反应部分。在一些实施例中，顺流的优选分布是进入等离子体室22的总流量的质量5％-95％。在一些实施例中，逆流可以具有与顺流相同的气体成分。在一些替代实施例中，顺流可以具有不同于逆流的气体成分。此外，顺流(和/或逆流)的气体成分可以在操作期间改变。例如，顺流可以包括氩气块，以帮助等离子体46的点燃。在一些实施例中，可以调节顺流和逆流的气体成分和流速，以提高等离子体室22中化学反应的等离子体稳定性和效率。
图9示出了根据本公开实施例的等离子体室122的截面图。如图所示，等离子体室122类似于图2中的等离子体室22，不同之处在于等离子体稳定器138设置在逆流入口144上，突出到等离子体腔内。在一些实施例中，等离子体稳定器138位于外部涡流145内部，并且优选地将外部涡流143的内部向上流动区域(类似于45-1)与外部涡流143的外部向下流动区域(类似于45-2)分开，即，等离子体稳定器138位于外部涡流143的内部和外部流动区域之间的边界处。
如图所示，等离子体室122的部件包括：内壁140；波导120；顺流入口142和逆流入口144，其中这些部件分别具有与其对应部件相似的结构和功能。与等离子体室22不同，顺流的径向尺寸不受等离子体稳定器138的内径控制；相反，内部涡流143的径向尺寸由离开顺流入口142的顺流的流速决定。因此，如图10所示，内部涡流143可以沿着纵向方向(y轴)具有基本均匀的径向尺寸。在一些实施例中，外部涡流145具有与图8中的外部涡流45相似的几何形状。
在一些实施例中，等离子体稳定器138位于外部涡流145内部，并且在操作期间抑制外部涡流145的内部向上流动区域(类似于45-1)的径向尺寸的波动，从而稳定内部涡流143的整体流动状态，并且进而稳定等离子体146。
图11示出了根据本公开实施例的等离子体室222的截面图。图12示出了根据本公开实施例的外部涡流245的透视图。如图所示，等离子体室222类似于图2中的等离子体室22，不同之处在于等离子体室222不包括任何顺流的入口。这样，等离子体室222仅在等离子体腔内部产生外部涡流245，其中外部涡流245包括内部向下流动区域245-1和外部向上流动区域245-2。
如图所示，等离子体246保持在外部涡流245内，更具体地，外部涡流245的内部向下流动部分245-1。在一些实施例中，等离子体246对外部涡流245的内部向下流动部分245-1中的气体颗粒处理/重整，并且重整的气体离开气体出口，该气体出口在逆流入口244中形成。
在一些实施例中，等离子体稳定器238的高度(即沿y轴的长度)影响外部涡流245的高度。虽然不受理论的限制，但是等离子体稳定器238似乎抑制了等离子体腔中流动状态的波动，从而稳定了外部涡流245和在外部涡流245内部形成的等离子体246。
图13示出了根据本公开实施例的等离子体室322的截面图。如图所示，等离子体室322类似于图9中的等离子体室122，不同之处在于，等离子体室322不包括任何顺流的入口。在一些实施例中，等离子体稳定器338位于外部涡流345内部，该外部涡流345类似于外部涡流245，并且优选地将外部涡流345的内部向上流动区域(类似于245-1)与外部涡流345的外部向下流动区域(类似于245-2)分开，即，等离子体稳定器338位于外部涡流345的内部和外部流动区域之间的边界处。
在一些实施例中，等离子体稳定器338位于外部涡流345内部，并且在操作期间抑制外部涡流345的内部向上流动区域的径向尺寸的波动，从而稳定外部涡流345的整体流动状态，并且进而稳定等离子体346。
在一些实施例中，图1-13中的内部和外部涡流的涡流运动增强了等离子体腔中流动状态的稳定性。在一些实施例中，图1-13中的等离子体室中的一个或多个部件可以被螺纹或翅片化，以进一步将涡流运动施加涡流。例如，外部涡流45与内壁40的内表面直接接触，并且同样地，内壁40的内表面可以是有螺纹的或有翅片的，以施加外部涡流螺旋运动。在另一个例子中，等离子体稳定器38与内部涡流43直接接触，因此，等离子体稳定器38的内表面可以是有螺纹的或有翅片的，以将螺旋运动施加内部涡流。图14A示出了根据本公开实施例的中空圆柱体400的透视图。如图所示，中空圆柱体400的内表面包括一个或多个凹槽(或翅片)402，以在气体沿着圆柱体的内表面流动时施加气体螺旋运动。在一些实施例中，圆柱体400可以用作图1-13中的等离子体稳定器和/或内壁。
在一些实施例中，等离子体稳定器(例如338)位于外部涡流(例如345)内部，因此，等离子体稳定器338的内表面和外表面都可以螺纹或翅片化，以进一步施加外部涡流345螺旋运动。图14B示出了根据本公开实施例的中空圆柱体420的透视图。如图所示，中空圆柱体420的内表面和外表面都包括一个或多个凹槽(或翅片)422，以在气体沿着圆柱体的内表面和/或外表面流动时施加气体螺旋运动。在一些实施例中，圆柱体420可以用作图1-13中的等离子体稳定器和/或内壁。
本领域技术人员将认识到，没有计算系统或编程语言对本公开的实践是关键的。本领域技术人员还将认识到，上述许多元件可以在物理上和/或功能上分离成子模块或组合在一起。
本领域技术人员将会理解，前述的示例和实施例是示例性的，并不限制本公开的范围。本领域技术人员在阅读说明书和研究附图后得出的所有的显而易见的置换、增强、等同、组合和改进，都包含在本公开的真实精神和范围内。还应当注意，任何权利要求的元素可以被不同地布置，包括具有多种从属关系、配置和组合。

Claims (20)

1.一种等离子体生成系统，包括：
波导，所述波导用于传输微波能量；
内壁，所述内壁设置在所述波导内以限定等离子体腔，等离子体在所述等离子体腔内通过使用所述微波能量生成；
第一气体入口，所述第一气体入口安装在所述波导的第一侧上，并且配置为将第一气体引入所述等离子体腔内，并且在所述等离子体腔内使用所述第一气体产生第一涡流，所述第一气体入口具有孔，由等离子体处理过的气体穿过所述孔离开所述等离子体腔；以及
等离子体稳定器，所述等离子体稳定器具有圆形中空圆柱体的形状，安装在所述波导的第二侧并且突出到所述等离子体腔内，所述等离子体稳定器的纵向方向与所述第一涡流的旋转轴平行。
2.如权利要求1所述的等离子体生成系统，其中，所述内壁由对所述微波能量透明的材料构成。
3.如权利要求1所述的等离子体生成系统，其中，所述第一涡流具有以螺旋运动朝向所述波导的第二侧前进的外部区域，和以螺旋运动朝向所述波导的第一侧前进的内部区域，并且其中所述等离子体在所述第一涡流的内部区域中产生。
4.如权利要求1所述的等离子体生成系统，其中，所述第一气体入口具有一个或多个通道，所述一个或多个通道将所述第一气体引入所述等离子体腔内，并且所述一个或多个通道的每一个均布置成将涡旋运动施加给穿过所述一个或多个通道的第一气体。
5.如权利要求1所述的等离子体生成系统，进一步包括：
第二气体入口，所述第二气体入口安装在所述波导的第二侧上，并且配置为将第二气体引向所述等离子体稳定器，
其中，所述第二气体入口配置为在所述等离子体腔内使用所述第二气体产生第二涡流。
6.如权利要求5所述的等离子体生成系统，其中，所述第二涡流位于所述第一涡流内部，并且在所述第二涡流中生成所述等离子体。
7.如权利要求5所述的等离子体生成系统，其中，所述第二气体入口具有一个或多个通道，所述第二气体流经所述一个或多个通道，并且所述一个或多个通道中的每一个布置成将涡旋运动施加给穿过所述一个或多个通道的第二气体。
8.如权利要求5所述的等离子体生成系统，其中，所述第二气体的流量范围为流入所述等离子体腔的气体总流量质量的5-95％。
9.如权利要求1所述的等离子体生成系统，其中，所述内壁和所述等离子体稳定器中的至少一个具有被刻线的表面，以施加螺旋运动至与所述表面接触的气体。
10.一种等离子体生成系统，包括：
波导，所述波导用于传输微波能量；
内壁，所述内壁设置在所述波导内以限定等离子体腔，等离子体在所述等离子体腔内通过使用所述微波能量生成；
第一气体入口，所述第一气体入口安装在所述波导的第一侧上，配置为将第一气体引入等离子体腔内并在所述等离子体腔内使用所述第一气体产生第一涡流，所述第一气体入口具有孔，由等离子体处理过的气体穿过所述孔离开等离子体腔；以及
等离子体稳定器，所述等离子体稳定器具有圆形中空圆柱体的形状，并且安装在所述第一气体入口上，所述等离子体稳定器的纵向方向与所述第一涡流的旋转轴平行。
11.如权利要求10所述的等离子体生成系统，其中，所述内壁由对所述微波能量透明的材料构成。
12.如权利要求10所述的等离子体生成系统，其中，所述第一涡流具有以螺旋运动朝向所述波导的第二侧前进的外部区域，和以螺旋运动朝向所述波导的第一侧前进的内部区域，并且其中所述等离子体在所述第一涡流的内部区域中产生。
13.如权利要求10所述的等离子体生成系统，其中，所述第一涡流具有以螺旋运动朝向所述波导的第二侧前进的外部区域，和以螺旋运动朝向所述波导的第一侧前进的内部区域，并且其中所述等离子体稳定器位于所述第一涡流的内部区域和外部区域之间的边界处。
14.如权利要求10所述的等离子体生成系统，其中，所述第一气体入口具有一个或多个通道，所述第一气体通过所述一个或多个通道将被引入所述等离子体腔内，并且所述一个或多个通道中的每一个布置成将涡旋运动施加给穿过所述一个或多个通道的第一气体。
15.如权利要求10所述的等离子体生成系统，进一步包括：
第二气体入口，所述第二气体入口安装在所述波导的第二侧上，并且配置为将第二气体引向所述等离子体稳定器，
其中，所述第二气体入口配置为在所述等离子体腔内使用所述第二气体产生第二涡流。
16.如权利要求15所述的等离子体生成系统，其中，所述第二涡流位于所述第一涡流内部，以及所述等离子体在所述第二涡流中生成。
17.如权利要求15所述的等离子体生成系统，其中，所述第二涡流设置在所述第一涡流中。
18.如权利要求15所述的等离子体生成系统，其中，所述第二气体入口具有一个或多个通道，所述第二气体流经所述一个或多个通道，并且所述一个或多个通道中的每一个布置成将涡旋运动施加给穿过所述一个或多个通道的第二气体。
19.如权利要求15所述的等离子体生成系统，其中，所述第二气体的流量范围为流入所述等离子体腔的总气体流量质量的5-95％。
20.如权利要求10所述的等离子体生成系统，其中，所述内壁和所述等离子体稳定器中的至少一个具有被刻线的表面，施加螺旋运动至与所述表面接触的气体。
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