CN116437554A - 压缩波导等离子体炬 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压缩波导等离子体炬，包括：压缩波导，包括开设于压缩波导的上表面的第一圆形开口和开设于压缩波导的下表面的第二圆形开口，该第一圆形开口的圆心和该第二圆形开口的圆心在同一轴线上；石英玻璃管，设置于压缩波导上方，通过该第一圆形开口抵接于压缩波导下侧内壁；第一谐振腔，套设于石英玻璃管的外表面，位于压缩波导上方；第二谐振腔，设置于压缩波导下方，通过该第二圆形开口连接压缩波导。此外，还包括：矩形波导，微波通该过矩形波导的始端输入；渐变波导，其始端与矩形波导的末端连接，渐变波导的末端与压缩波导的始端连接。

Description

压缩波导等离子体炬

技术领域

本发明涉及微波等离子体技术领域，尤其涉及一种压缩波导等离子体炬。

背景技术

微波等离子体的产生原理是：利用波导装置将微波能量注入气体分子，诱发气体分子产生激发、电离等一系列反应，进而产生高反应活性的等离子体，微波电磁场“空洞结构”的特征能够将激励电离产生的等离子体限定在特定的空间内，同时，实现对等离子体的传输。通过微波等离子体炬产生等离子体的方法相较于其他方法而言，具有许多优点，如电离度高、适应压强范围宽、电子密度高、微波和等离子体特性容易调控等，这些特性使得微波等离子体技术的研究具有更大的实际应用价值。

在标准大气压下，空气的击穿场强为3×10⁶V/m。为了产生高电场强度进而击穿空气产生等离子体，传统的微波等离子体炬最常采用的是压缩波导结构，这种结构通过使电场聚集以增大电场强度，可以减小谐振腔体积；另一种方法是采用多个输入端的谐振腔结构，以提供更大的微波功率，但多端口之间的隔离难度较大。

传统的压缩波导谐振腔等离子体炬产生的等离子体体积小、处理距离短、要求较高的功率输入，并且通常需要外加机械点火装置进行触发。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种压缩波导等离子体炬，相较于传统式压缩波导谐振腔等离子体炬，产生的等离子体体积更大，处理距离更长，且无需机械点火装置进行触发。

具体地，该压缩波导等离子体炬包括：

压缩波导，包括开设于该压缩波导上表面的第一圆形开口和开设于该压缩波导下表面的第二圆形开口，该第一圆形开口的圆心和该第二圆形开口的圆心在同一轴线上，该轴线垂直于该压缩波导的该上表面和该下表面；石英玻璃管，设置于该压缩波导上方，通过该第一圆形开口抵接于该压缩波导下侧内壁；第一谐振腔，套设于该石英玻璃管的外表面，位于该压缩波导上方；第二谐振腔，设置于该压缩波导下方，通过该第二圆形开口连接该压缩波导。

进一步地，该压缩波导等离子体炬还包括：

矩形波导，微波通过该矩形波导的始端输入；渐变波导，该渐变波导的始端与该矩形波导的末端连接，该渐变波导的末端与该压缩波导的始端连接。

进一步地，上述两个圆形开口的圆心所在的轴线经过压缩波导内的电场强度最强处。

根据本发明的实施例，石英玻璃管的轴线与上述两个圆形开口的圆心所在的轴线重合。

根据本发明的实施例，压缩波导的最右侧为短路面。

进一步地，第二谐振腔的上端开路，第二谐振腔的下端短路；该上端与压缩波导的下侧内壁平齐，第二谐振腔的轴线与上述两个圆形开口的圆心所在的轴线重合。

进一步地，该第二谐振腔还包括：

内导体，呈圆柱状，设置于第二谐振腔内，与第二谐振腔同轴，第二谐振腔与该内导体共同构成点火组件。

根据本发明的实施例，该内导体的顶端形状包括：平面、半球体、圆锥或圆台。

进一步地，压缩波导还包括：至少一个耦合口，开设于压缩波导的上表面；第一谐振腔的底面对应位置也开设与上述至少一个耦合口的形状、尺寸、数量一致的耦合接口。

进一步地，该压缩波导等离子体炬还包括：

至少一个耦合件，与上述至少一个耦合口的形状、尺寸、数量对应；第一谐振腔通过该至少一个耦合件，耦合于压缩波导的上表面。

进一步地，该点火组件在石英玻璃管内激发等离子体火焰后，第一谐振腔与该石英玻璃管内的等离子体形成同轴谐振腔。

进一步地，压缩波导还包括：

至少一个进气口，设置于该压缩波导的下表面；

进一步地，进气口的进气方向斜向上朝向石英玻璃管的内腔，且该进气方向在压缩波导的下侧内壁的投影与石英玻璃管的径向呈一角度θ，其中，0°<θ≤90°。

进一步地，若该进气口为多个，则各该进气口沿第二圆形开口的圆心呈中心对称分布。

进一步地，压缩波导还包括：

短路活塞，设置于该压缩波导的末端，该短路活塞右侧连接一活塞杆；在活塞杆的作用下，短路活塞在压缩波导内具有一横向行程。

基于此，相较于传统的压缩波导谐振腔等离子体炬，本发明提供的压缩波导等离子体炬至少具有以下有益效果：

在相同的环境以及输入功率下，产生的等离子体的体积更大。

在相同的环境以及输入功率下，产生的等离子体火焰处理距离更长且处理距离可调整。

在相同的环境以及输入功率下，无需额外设置机械点火装置激发等离子体火焰。

产生并维持同样大小、长度的等离子体火焰所需的输入功率更小。

可更为广泛的应用于垃圾尾气处理、材料表面处理、生物医学等应用方面。

附图说明

图1是传统的压缩波导谐振腔等离子体炬的结构示意图；

图2是根据本发明一较佳实施例绘示的压缩波导等离子体炬的分解结构示意图；

图3是根据本发明一较佳实施例绘示的压缩波导等离子体炬的俯视图；

图4是图3所示的压缩波导等离子体炬沿A-A线的剖视图；

图5是根据本发明一较佳实施例绘示的第一谐振腔通过耦合件耦合于压缩波导的上表面的示意图；以及，

图6是根据本发明一较佳实施例绘示的在压缩波导上开设进风口的示意图。

【附图标记说明】

1-矩形波导；2-渐变波导；3-压缩波导；31-轴线；32-第一圆形开口；33-第二圆形开口；34-上表面；35-下表面；36-耦合口；37-进气口；38-短路活塞；39-活塞杆；4-第一谐振腔；5-石英玻璃管；6-第二谐振腔；61-内导体；62-上端；63-下端；7-耦合件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。本领域技术人员应能理解的是，以下叙述中列举出的本发明的多种实施例，均只是为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，而示意性的示出，并非用以限制本发明的内容和保护范围。在以下所列举的各实施例中，将以相同的标号代表相同或相似的元件或组件。

需要说明的是，在本说明书中，当组件被描述为“包括”、“具有”、“包含”一个元件时，是指该组件可以包括一个或多个元件，并且该组件可以同时包括其他元件，并不意味着该组件只有其中一个元件，除非另有说明。

而且，在本说明书中，“第一”或“第二”等序数仅用于区分具有相同名称的多个元素，并不意味着元件之间本质上存在阶级、等级、执行顺序、或制造顺序，除非另有说明。说明书中元件的序号可能与权利要求书中的不同。例如，说明书中的“第二”元件可以是权利要求中的“第一”元件。

在本说明书中，除非另有说明，特征A“或”或是“及/或”特征B意味着仅特征A的存在，仅特征B的存在，或特征A和特征B都存在。特征A“及”特征B意味着特征A和B都存在。

此外，在本说明书中，“顶”、“上”、“底”、“前”、“后”、或“中”等用语，以及“之上”、“上面”、“在上面”、“之下”、“下面”或“之间”等用语，是用于描述多个元件之间的相对位置，这些方向性的词汇，是以附图所示的方向为参照的，所描述的相对位置可以解释为包括它们的平移、旋转或反射。

此外，说明书和权利要求书中所述的术语，例如“之上”、“上面”、“在上面”、“之下”或“下面”，意在使一个元件不仅可以直接接触其他元件，还可以间接接触另一个元件。

此外，说明书和权利要求书中记载的术语，例如“连接”，意指一个元件不仅可以直接连接到其他元件，还可以间接地连接到其他元件。另一方面，说明书和权利要求书中所记载的“电连接”、“耦接”等用语，意指一个元件不仅可以直接电连接到其他元件，还可以间接电连接到其他元件，本发明并不限制各个元件之间的连接方式。

此外，在各附图中，各部件的尺寸只是示意性的绘出，在图中某两个元件的尺寸相近并不意味着实际的产品中二者尺寸相近，各元件进行装配的配合间隙以及表面质量等参数也并未在附图中加以体现。

在本说明书中，除非另有说明，本文中使用的术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员习知的含义。需要说明的是，除本发明实施例中另有说明外，这些术语(例如通用词典中定义的术语)应当具有与本领域技术人员、本发明背景技术、或本说明书的上下文相同的含义，不应以理想或过分形式的方式阅读。

在标准大气压下，为了产生超过空气的击穿场强(3×10⁶V/m)的高电场强度，进而击穿空气产生等离子体，传统的压缩波导谐振腔等离子体炬，如图1所示，常采用的是压缩波导结构，这种结构通过使电场聚集以增大电场强度。其工作原理大致如下：

首先，将微波输入矩形波导1，微波将在矩形波导1的定向引导作用下进入渐变波导2；渐变波导2的结构体现为，从始端到末端方向，纵向的尺寸线性规律缩减，基于此，可以使电场聚集，在其末端产生高场强区域，微波也随着传输至压缩波导3，压缩波导3的最右侧为短路面；石英玻璃管5垂直插入压缩波导3，并经过压缩波导3内电场强度最强的区域；空气由下至上进入石英玻璃管5中，当空气经过最高场强区域时电离，产生微波等离子体。

然而，这种传统的等离子体炬通常仍需要较高的功率输入，才能产生超过空气的击穿场强的高电场强度，或者外加一个机械点火装置进行触发；此外，这种传统的等离子体炬产生的等离子体体积小、处理距离短。

有鉴于此，本发明提供一种压缩波导等离子体炬，相较于传统式压缩波导谐振腔等离子体炬，产生的等离子体体积更大，处理距离更长，所需功率更小，且无需机械点火装置进行触发。

根据本发明实施例，请参照图2～图6，该压缩波导等离子体炬包括：

压缩波导3，包括开设于压缩波导3上表面34的第一圆形开口32和开设于压缩波导3下表面35的第二圆形开口33；石英玻璃管5，设置于压缩波导3上方，通过第一圆形开口32抵接于压缩波导3下侧内壁；第一谐振腔4，套设于石英玻璃管5的外表面，位于压缩波导3上方；第二谐振腔6，设置于压缩波导3下方，通过第二圆形开口33连接压缩波导3。

进一步地，压缩波导等离子体炬还包括：矩形波导1，微波通过矩形波导1的始端输入；渐变波导2，渐变波导2的始端与矩形波导1的末端连接，渐变波导2的末端与压缩波导3的始端连接。此部分为现有技术，在此不再赘述。

在本发明一较佳实施例中，第一圆形开口32的圆心和第二圆形开口33的圆心在同一轴线31上，轴线31垂直于压缩波导3的上表面34和下表面35。

在本发明一较佳实施例中，轴线31经过压缩波导3内的电场强度最强处。

在本发明一较佳实施例中，石英玻璃管5的轴线与轴线31重合。

在一些实施例中，压缩波导3的最右侧(压缩波导3的末端)为短路面。

在上述较佳实施例中，在压缩波导3的末端设置有短路活塞38，短路活塞38的右侧连接一活塞杆39，构成可以调节位置的短路面；在活塞杆39的作用下，短路活塞38在压缩波导3内具有一横向行程。当然，为了力学结构的平衡，活塞杆39的数量也可以为多根或者各种形式，本发明不对其做限制。

基于此，即使石英玻璃管5的底端并未准确的处于压缩波导3内的电场强度最强区域，也能通过短路活塞38进行调整，短路活塞38的表面作为短路面，在压缩波导3内横向移动，可以调整压缩波导3内部的电场强度分布，使得压缩波导3内的电场强度最强区域在能够横向移动。另一方面，在后续的大体积等离子体激励和维持的过程中，电场强度分布也可能发生变化，短路活塞38的设置也能用于及时调整，使得石英玻璃管5的底端始终准确的处于压缩波导3内的电场强度最强区域。

进一步地，第二谐振腔6的上端62开路，第二谐振腔6的下端63短路。

在本发明一较佳实施例中，第二谐振腔6的上端62与压缩波导3的下侧内壁平齐，第二谐振腔6的轴线与轴线31重合。

进一步地，第二谐振腔6还包括：内导体61，呈圆柱状，设置于第二谐振腔6内，与第二谐振腔6共同构成点火组件。其中，该内导体61的顶端形状包括：平面、半球体、圆锥或圆台。

在本发明一较佳实施例中，内导体61为顶端为半球体，且该内导体61与第二谐振腔6同轴。CST仿真实验结果表明，相同条件下，内导体61的顶端为半球体时，内导体61的顶端周围的电场强度最强，更利于等离子体的激发。

CST仿真实验表明，该点火组件的存在，能够改变压缩波导3内的电场分布，对压缩波导3内部分区域的电场强度有强化作用，尤其是在内导体61的顶端周围，电场强度显著增强。

根据本发明的一优选实施例，CST仿真实验结果表明，在压缩波导等离子体炬的输入功率为0.5W时，该压缩波导等离子体炬内的石英玻璃管5下部靠近内导体61的区域的电场强度为1.6×10³V/m，而在内导体61的顶端附近区域，电场强度为4.2×10⁴V/m，该压缩波导等离子体炬内的电场强度峰值则达到1.2×10⁵V/m。显然地，在该压缩波导等离子体炬的输入功率较小的情况下，内导体61的顶端周围的电场强度峰值即可超过空气的击穿场强，实现等离子体的激发，产生等离子体火焰。基于此，本发明提供的压缩波导等离子体炬能够在小输入功率的情况下，无需额外设置机械点火装置即可实现等离子体的激发。基于此，本发明提供的压缩波导等离子体炬激发等离子体所需的最小输入功率，相较于传统的压缩波导谐振腔等离子体炬更小。

在本发明另一较佳实施例中，内导体61在第二谐振腔6内的高度可调节。基于此，可以调整压缩波导3内的最高电场强度的位置，尤其是高度方向的位置。

进一步地，压缩波导3还包括：至少一个耦合口36，开设于压缩波导3的上表面34；第一谐振腔4的底面对应位置也开设与上述至少一个耦合口36的形状、尺寸、数量一致的耦合接口。

进一步地，该压缩波导等离子体炬还包括：至少一个耦合件7，与上述至少一个耦合口36的形状、尺寸、数量对应；第一谐振腔4通过上述至少一个耦合件7，耦合于压缩波导3的上表面34。

在本发明一较佳实施例中，第一谐振腔4的轴线与轴线31重合，多个耦合口36沿轴线31呈中心对称分布。

在如图5所示的实施例中，在压缩波导3的上表面34上开设了2个耦合口36，相应地，在第一谐振腔4的底面相应的位置也开设了2个形状、尺寸一致的耦合接口。压缩波导3上的耦合口36并不直接与第一谐振腔4的底面上的耦合接口接触相连，而是通过两个与该耦合口36的形状、尺寸对应的耦合件7相连接。基于此，在该点火组件激发等离子体后，该耦合的结构能够将电磁能量从压缩波导3耦合进第一谐振腔4中。

进一步地，该点火组件在石英玻璃管5内激发等离子体火焰后，第一谐振腔4与石英玻璃管5内的等离子体形成同轴谐振腔。

本发明实施例通过在压缩波导的上方纵向扩展一个第一谐振腔4，微波在压缩波导3中成功击穿气体产生等离子体后，由于等离子体的金属特性，第一谐振腔4内的电场分布发生变化。此时，第一谐振腔4与石英玻璃管5内的等离子体形成同轴谐振腔结构。此同轴谐振腔结构能够增强并持续维持等离子体火焰。基于此，本发明实施例提供的压缩波导等离子体炬能够产生并持续维持体积更大、处理距离更长的等离子体火焰。CST仿真实验的结果表明，当输入功率达到1.5kW时，此压缩波导等离子体炬即可保证对该体积更大、处理距离更长的等离子体火焰的持续维持，此维持等离子体火焰所需的最小输入功率，相较于传统的压缩波导谐振腔等离子体炬更小。

在本发明一较佳实施例中，耦合件7在高度方向上的尺寸是可以根据需要进行设定的，意在调节第一谐振腔在高度方向上的位置，即调整上述第一谐振腔4与石英玻璃管5内的等离子体形成同轴谐振腔在高度方向上的位置。基于此，有利于形成更佳的等离子体火焰。

进一步地，压缩波导3还包括：

至少一个进气口37，设置于压缩波导3的下表面35。基于此，可以引入空气到压缩波导3，空气进入后即在内导体61附近的高场强区域电离，产生微波等离子体。

进一步地，该至少一个进气口37的进气方向斜向上朝向石英玻璃管5的内腔；该进气方向在压缩波导3的下侧内壁的投影与石英玻璃管5的径向呈一角度θ，其中，0°<θ≤90°。基于此，可以在石英玻璃管5内部产生螺旋向上的气流，一方面可以保护石英玻璃管5，防止其被高温等离子体熔融；另一方面，螺旋向上的气流可以带动等离子体火焰，使得等离子体火焰的处理距离更长。

更优地，进气口37为多个，在如图6(视角为图5中压缩波导3的仰视图)所示的本发明一较佳实施例中，进气口37为4个，形状尺寸均一致，各进气口37沿轴线31呈中心对称分布，进气口37开设于石英玻璃管5内壁处，其进气方向在压缩波导3的下侧内壁的投影与石英玻璃管5的径向所成角度θ＝90°。基于此，4个进气口37在石英玻璃管5内部产生的螺旋向上的气流会最大效率的相互叠加而不是抵消，能够增强上述效果。

在本发明另一较佳实施例中，设置了空气加压装置，为进气口37通入的空气提供一初速度。基于此，进气口37在石英玻璃管5内部产生的螺旋向上的气流更强，能够增强上述效果，还能通过调整上述初速度来调整得到的等离子体火焰的处理距离。

综上所述，本发明提供的压缩波导等离子体炬，能够在标准大气压下，产生的等离子体的体积更大；产生的等离子体火焰处理距离更长且处理距离可调整；无需额外设置机械点火装置激发等离子体火焰；激发等离子体所需的最小输入功率更小；产生并维持同样大小、长度的等离子体火焰所需的输入功率更小。本发明提供的压缩波导等离子体炬可实际应用于垃圾尾气处理、材料表面处理、生物医学等应用方面。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压缩波导等离子体炬，其特征在于，包括：

压缩波导(3)，包括开设于所述压缩波导(3)的上表面(34)的第一圆形开口(32)和开设于所述压缩波导(3)的下表面(35)的第二圆形开口(33)，所述第一圆形开口(32)的圆心和所述第二圆形开口(33)的圆心在同一轴线(31)上；

石英玻璃管(5)，设置于所述压缩波导(3)上方，通过所述第一圆形开口(32)抵接于所述压缩波导(3)的下侧内壁；

第一谐振腔(4)，套设于所述石英玻璃管(5)的外表面，位于所述压缩波导(3)上方；

第二谐振腔(6)，设置于所述压缩波导(3)下方，通过所述第二圆形开口(33)连接所述压缩波导(3)。

2.根据权利要求1所述的压缩波导等离子体炬，其特征在于，还包括：

矩形波导(1)，微波通过所述矩形波导(1)的始端输入；

渐变波导(2)，所述渐变波导(2)的始端与所述矩形波导(1)的末端连接，所述渐变波导(2)的末端与所述压缩波导(3)的始端连接。

3.根据权利要求1所述的压缩波导等离子体炬，其特征在于，所述轴线(31)经过所述压缩波导(3)内的电场强度最强处。

4.根据权利要求1所述的压缩波导等离子体炬，其特征在于，所述第二谐振腔(6)的上端(62)开路，所述第二谐振腔(6)的下端(63)短路。

5.根据权利要求4所述的压缩波导等离子体炬，其特征在于，所述第二谐振腔(6)还包括：

内导体(61)，设置于所述第二谐振腔(6)内，与所述第二谐振腔(6)共同构成点火组件。

6.根据权利要求1所述的压缩波导等离子体炬，其特征在于，所述压缩波导(3)还包括：至少一个耦合口(36)，开设于所述上表面(34)；所述第一谐振腔(4)的底面对应位置开设与所述至少一个耦合口(36)的形状、尺寸、数量一致的耦合接口。

7.根据权利要求6所述的压缩波导等离子体炬，其特征在于，还包括：

至少一个耦合件(7)，与所述至少一个耦合口(36)的形状、尺寸、数量对应；所述第一谐振腔(4)通过所述至少一个耦合件(7)，耦合于所述压缩波导(3)的所述上表面(34)。

8.根据权利要求7所述的压缩波导等离子体炬，其特征在于，所述石英玻璃管(5)内激发产生等离子体火焰后，所述第一谐振腔(4)与所述石英玻璃管(5)内的等离子体形成同轴谐振腔。

9.根据权利要求1所述的压缩波导等离子体炬，其特征在于，所述压缩波导(3)还包括：

至少一个进气口(37)，开设于所述下表面(35)；

所述至少一个进气口(37)的进气方向斜向上朝向石英玻璃管(5)的内腔，且所述进气方向在所述压缩波导(3)的下侧内壁的投影与所述石英玻璃管(5)的径向呈一角度θ，其中，0°<θ≤90°。

10.根据权利要求1所述的压缩波导等离子体炬，其特征在于，所述压缩波导(3)还包括：

短路活塞(38)，设置于所述压缩波导(3)的末端，所述短路活塞(38)右侧连接一活塞杆(39)；在所述活塞杆(39)的作用下，所述短路活塞(38)在所述压缩波导(3)内具有一横向行程。

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