CN1572127A - 用于固态电源的多线圈感应等离子体火炬 - Google Patents
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Abstract
一等离子体火炬，包括：一管状火炬体，一安装在所述管状火炬体的近端的气体分布头用于供应至少一种气体物质进入所述管状火炬体内的轴向室；一低频固态电源连接多个轴向安装在管状火炬体第一感应线圈和管状火炬体远端之间的感应线圈。所述第一感应线圈提供形成等离子体的气体物质点火所需要的感应能量。所述第二感应线圈提供所述等离子体火炬操作需要的工作能量。所述第二感应线圈可以以串联和/或并联方式与所述固态电源连接以与所述固态电源的阻抗相匹配。
Description
技术领域
本发明涉及感应等离子体火炬，特别地但不限制地，本发明涉及一个多线圈感应等离子体火炬。
背景技术
在感应等离子体火炬中，通过一电感线圈产生一强烈振荡的磁场并施加到一流过所述线圈的气体上，以对所述气体离子化而产生一等离子体。这样的等离子体火炬使用电感耦合的概念，电感耦合由感应地将一无线电频率(RF)场耦合到所述流过的气体来组成。所述电感耦合将所述气体加热到一般为9000℃的高温。在该温度下，所述气体转变为具有正电荷离子和电子的等离子体。等离子体火炬一般使用在光谱成分分析、精细粉末处理、材料的熔炼、化学合成、废料分解及类似的方面。这些高温的应用装置特有地与等离子体相关联。
早期试图通过涉及使用一单线圈高频RF场(在兆赫范围)的感应来产生等离子体。也对用一低频RF场(400赫兹以下)来感应等离子体形式作了尝试，但没有成功。这些使用低频形成等离子体的尝试受到一些好处的驱使，如在低频下，等离子体较大并且具有更均匀的温度。在这个阶段也认识到对所述等离子体的点火的过程与等离子体一旦被点火后的运行不同。
当在一高功率水平(10KW以上)且压力等于或高于一个大气压操作时，工业用的感应火炬不易被点火和稳定地运行。已经提出一个双线圈，或RF-RF混合设计，试图作为缓解某些这样的问题的方法。
在六十年代中期进行了涉及使用双线圈等离子体火炬的实验。由I.J.floyd和J.C.lewis撰写的发表在Nature(自然杂志)第211卷No.5051第841页的题目为“Radio-frequency induced gas plasma at 250-300kc/s(在250-300kc/s下的无线电频率感应气体等离子体)”的文章中公开一个双线圈系统，包括：
-一为点火或起始等离子体的在兆赫范围下工作的高频线圈；和
-在一低频下工作的第二“工作”线圈。
对双线圈等离子体火炬的继续研究也如所期望的那样揭示所述低频线圈产生具有更均匀温度的等离子体。也就是结合一个轴向压力的下降，引起间歇(dwell)时间和产品的渗透的增加，而所述的渗透会以改进条件的形式对球化处理或粉末的喷射产生更加有利的效果。
而且，已经发现两个分离的感应阶段的存在可以使在第一阶段排出的热气体与一个对等离子体的稳定力有不利影响的不同的气体混合。还有，在所述两个感应线圈之间的分级可以优选所述火炬的工作参数，因此，增加的效率并且减少了所述等离子体火炬在操作中对电力的要求。
为供应操作所述感应等离子体火炬所需要的大量电力，已经使用了两种电源；一管型振荡器电源和一固态电源。
管型振荡器电源以低效率而闻名，在所述振荡器和共振电路中一般损失40％的输入功率并且仅仅20％到40％的输入功率作为在所述热气体中的等离子体的热焓可被获得。
固态电源具有更高的操作效率并且因此成为一更好的替代。与管型振荡器电源相比，在从一400或560伏特、50至60赫兹的相对低的供应电压到1500到3000伏特、300至400赫兹的高电压范围，它们显示出全面的转变电能效率。由于用一固态晶体管电路替换标准的、水冷的三极管或五极管振荡器，这样会极大地增加效率。
但是，固态电源现在具有一低频操作范围(一般在300到400赫兹之间)的特性并且因此一般不适合于对用于感应地使所述等离子体点火的所述高频线圈产生所要求的所述RF信号。而且，在大气压下或低真空条件下的等离子体火炬的点火和操作的应用中已经排除了有效的固态电源的使用。
而且，现有的使用管型振荡器电源的双线圈设计会在两个电源的控制电路之间产生严重的相互作用，而这只能通过在两个线圈之间布置一最小的间隔来解决。在所述线圈之间布置间隔严重地影响所产生的等离子体的温度场的均匀性并且直接减小效率。
发明内容
根据本发明，提供一感应等离子体火炬，包括一个具有近端和远端的管状火炬体，并且包括一个具有一第一直径的圆柱形内表面。
一等离子体限制管由具有高热传导系数的材料制成，限定出一个轴向室，在该室中限制高温等离子体，并且包括一个具有一稍微小于所述第一直径的第二直径的圆筒形外表面。所述等离子体限制管被安装在所述管状火炬体内，并且所述圆筒件内和外表面为同轴的以在所述内和外表面之间限定一个厚度均匀的薄环形室。
一气体分布头被安装在所述火炬体的近端以将至少一种气体供应到由所述等离子体限制管限定的轴向室内。
一冷却流体供应管与所述薄环形室连接以在所述环形室内建立一高速冷却流体的流动。所述形成该限制管的高热传导系数材料和所述冷却流体的高速流都有助于对从由高温等离子体加热的所述等离子体限制管上有效地将热量传递到所述冷却流体因此有效地冷却所述限制管。
一系列的感应线圈被安装到所述管状火炬体上的所述火炬体的近端和远端的中间并与所述管状火炬体同轴。该系列感应线圈包括：
一第一感应线圈，它连接到第一电源的高频输出以感应地将能量供应到提供至所述轴向室内的至少一种气体内；及
多个第二感应线圈，位于所述第一感应线圈和所述管状火炬体的远端之间，所述的第二感应线圈分别具有自己的端子。
一互连电路被放置在(a)一第二电源的低频输出的第一和第二端子之间和(b)所述第二感应线圈的端子之间，以将所述感应线圈以串联和/或并联的方式连接在这些第一和第二端子之间，以用于：
使所述多个第二感应线圈的输入阻抗与一所述第二电源的输出阻抗基本匹配；及
感应地将能量施加到提供至所述轴向室的一气体物质内。
根据另一个方面，本发明的所述感应等离子体火炬进一步包括带有高频输出的第一电源，及带有一低频输出并包括第一和第二端子的第二电源。
附图说明
通过阅读下面的非限定性描述，以示例的方式并参考附图给出的图示性实施例，本发明的上述的和其它的目的、优点和特征将会更加明显。
在附图中：
图1表示一个根据本发明的多线圈感应等离子体火炬的示意性实施例的剖面图，其中包括一个水冷却的限制管。
具体实施方式
图1为一般以标号100表示的多线圈感应等离子体火炬。特别地图1所示的示意性实施例形成一个高阻抗匹配的多线圈感应等离子体火炬，该感应等离子体火炬能够产生一个感应耦合气体等离子体。
图1中所述多线圈感应等离子体火炬100包括一个管状(例如圆筒形)火炬体2，由近端和远端管状件21和23组成，所述管状件由铸造陶瓷或复合聚合物制成并且首尾连接地组装。其它合适的材料也可以用于制造所述火炬体的管状件21和23。该管状火炬体2具有近端3和远端5，并且限定一个轴向室70，一等离子体72被点火并被维持在其中。
还是参考图1所示的示意性实施例，所述管状火炬体2具有一个内圆筒形表面，内部衬有与所述火炬体2同轴的圆筒形的相对薄的等离子体限制管39。作为一不限制的示例，所述等离子体限制管39可以由陶瓷材料制成。
一系列感应线圈4、12、14和16被通常地同轴地安装到所述管状火炬体2上的近端3和远端5之间。
这些感应线圈包括一第一感应线圈4，由水冷铜管制成并被完全埋设在所述管状火炬体2的近端管状件21内。该第一感应线圈4大致与所述管状火炬体2同轴并且在内端部布置一管状探针40。但是，应该指出所述探针40的位置不限于图1所示的情况，由于所述感应等离子体火炬100通常与伸入到所述第三线圈14的水平处的等离子体内的探针40一起被操作。所述第一感应线圈4的两个延伸到所述管状火炬体2外部表面6的端部形成一对端子7和9，通过这些端子，可以向所述感应线圈4供应冷却水和RF电流。
同样地，该系列感应线圈包括第二感应线圈12，第三感应线圈14和第四感应线圈16，同样由水冷却铜管制成完全被埋设在所述管状火炬体2的远端管状件23内。所述感应线圈12、14和16同样与所述管状火炬体2及所述第一感应线圈4同轴。如图1所示，所述感应线圈12、14和16被放置在所述第一感应线圈4和所述管状火炬体2的远端5之间。
在图1所示的实施例中，所述第二感应线圈12、第三感应线圈14和第四感应线圈16都表现出相同的感应特性，并且该系列的第一、第二、第三和第四感应线圈4，12，14，16，沿它们的共用轴可以彼此切换。
最终，所述线圈12、14和16也可以螺旋地被缠绕，使一个给定的线圈的回路在另一个线圈回路的正上面和/或下面。
而且，在图1所示实施例中，线圈4、12、14和16具有相同的半径。但是，本领域普通技术人员会明白不同直径的感应线圈也可以被使用来配合和/或优选所述感应等离子体火炬的操作特性。
所述第二感应线圈12的两个延伸到所述管状火炬体2外部表面6的端部形成一对端子11和13，通过这些端子，可以向所述感应线圈12供应冷却水和RF电流。同样，所述第三感应线圈14的两个延伸到所述管状火炬体2外部表面6的端部形成一对端子15和17，通过这些端子，可以向所述感应线圈14供应冷却水和RF电流。最后，所述第四感应线圈16的两个延伸到所述管状火炬体2外部表面6的端部形成一对端子25和27，通过这些端子，可以向所述感应线圈16供应冷却水和RF电流。
参考图2，通过一个管29，一联箱31，和所述端子13、17和27，冷却水19被供应到所述形成该线圈12、14和16的铜管内。该冷却水19通过所述端子11、15和25，一联箱33和一管35被回收。
还参考图1，通过所述端子9，冷却水37被供应到形成所述线圈4的铜管内。通过所述端子7，该冷却水37被回收。
通过如多个螺杆(未显示)的装置，一气体分布头30被固定地安装在所述火炬体2的近端3上。所述气体分布头包括一个中间管32。在所述头30的下侧54处形成一个腔，该腔限定一个近的、小直径圆筒壁部56，及一个远的、较大直径的圆筒壁部41。所述圆筒壁部41具有一个直径等于所述等离子体限制管39的内径。所述圆筒壁部56具有一个能够接受所述中间管32的相应端的直径大小。中间管32较短并且直径小于所述等离子体限制管39的直径。所述管32为圆筒形且一般与所述火炬体2及感应线圈4、12、14和16同轴。在所述中间管32和所述圆筒壁部41及所述等离子体限制管39的内表面43之间限定一个圆筒形腔36。
在所述气体分布头30上可以设置一个中心开口38，通过该开口，引入中心插入探针40的管被固定在该处。所述插入探针40为细长的并且通常与所述管32、火炬体2、等离子体限制管39和感应线圈4、12、14和16同轴。在许多情况下，粉末和载气(箭头42)，或合成反应的产物母体通过所述探针40被喷射到所述等离子体火炬100的室70内。所述由载气输送并通过所述探针40被喷射的粉末由要被等离子体熔化或蒸发的材料或要被处理的材料组成，正如本领域普通技术人员所公知的。
所述气体分布头30也包括适合于在所述中间管32内侧喷射一个聚中气体(箭头46)的常规管路装置(未显示)并且产生一个在所述管32的圆筒形内表面58的该气体的切线的流动。
所述气体分布头30进一步包括常规管路装置(未显示)，适合于在(a)所述中间管32的外圆柱表面60和(b)所述圆柱壁部41和所述等离子体限制管39的内表面43之间的腔36中喷射一个屏蔽气体(箭头44)并且产生该屏蔽气体在所述圆柱腔36内的轴向流动。
应该相信，(a)粉末喷射探针40的结构和所述等离子体气体管路装置(箭头44和46)，(b)粉末、载气、聚中气体和屏蔽气体的自然特性，(c)制造所述气体分布头30、喷射探针40和所述中间管32等材料的选择都在本领域普通技术人员的掌握范围内，因此在本说明书中不做进一步的描述。
如图1所示，在所述火炬体2的内表面和所述限制管39的外表面之间限定一薄(大致1mm厚)环形室45。如水的高速冷却流体在遍及所述管39外表面的(如箭头47、49)所述薄环形室45内流动，以冷却其内表面43暴露在所述等离子体的高温下的所述限制管39。
通过一入口52、一延伸通过所述气体分布头30及所述管状火炬体2的管55、及一结构成将冷却水从所述管55输送到所述环形室45的下部端的环形管装置57，所述冷却水(箭头47)被喷射进入到所述薄环形室45内。
通过在所述管状火炬体2和所述气体分布头30的上部形成的管道61，所述冷却水从所述薄环形室45的上部端被输送到出口59(箭头49)。
所述等离子体限制管39的陶瓷材料可以是纯的或以镍化硅、镍化硼、镍化铝和铝为基础烧结或化合反应、或结合各种添加剂和填料的陶瓷材料。该陶瓷材料为质密性的并且具有高的热传导系数、高电阻率和高热冲击阻力。
由于所述等离子体限制管39的陶瓷体表现出高热传导系数，在所述薄环形室45内流动的冷却水的高速度提供冷却所述等离子体限制管39适合的和所要求的高的热传导系数。和常规要求的由石英制成的限制管组成的标准等离子体火炬相比，所述等离子体限制管39的外表面的强度和效率能够产生更高功率更低气体流速的等离子体。这样导致在所述等离子体火炬的出口具有较高的比焓水平。
正如应该明白的，所述非常薄厚度(大约1mm厚)的环形室45对增加整个所述限制管39外表面冷却水的速度且因此达到高热传导系数的要求起非常关键的作用。
所述感应线圈4、12、14和16被完全埋入所述火炬体2的铸造陶瓷或复合聚合物内，为了提高在所述感应线圈和所述等离子体之间的能量耦合效率，所述感应线圈和所述等离子体限制管39之间的空间可以被准确地控制。这样也能够准确地控制所述环形管45的厚度，而没有任何由于感应线圈引起的干扰，其中通过以机加工地降低所述火炬体2的内表面和所述等离子体限制管39的外表面的公差来获得该控制。
在操作中，通过在所述第一4、第二12、第三14和第四16感应线圈上施加一RF电流，在所述轴向室70内产生一RF磁场来生成所述感应耦合等离子体72。所述外加的场在所述离子化气体中感应埃迪电流并且利用焦耳加热维持一个稳定的等离子体团。包括对等离子体的点火的所述感应等离子体火炬的操作，可以被认为是本领域普通技术人员所具有的知识，在此就不作进一步的描述。
通过所述振荡器电源48施加在所述第一感应线圈4上的RF电流负责点火及对产生的等离子体72稳定化。由于点火要求一个高的RF电流，所述振荡器电源48可以例如为一管型高频振荡器电源。因此，电源48具有连接到所述端子7和9的较高的频率输出以向感应线圈中最靠近所述气体分布头30的所述第一感应线圈4提供高频RF电流。以这样的方式，高频能量被感应地施加到供应到所述轴向室70内的气体物质上与以对所述等离子体72进行点火、维持及稳定。所述振荡器电源48可以在3MHz范围以6到15kV范围进行操作。应该记住来自所述电源48的该电压范围、操作频率范围和所述RF电流的阻抗可以变化，以满足所要求应用的特别需要。
一第二低频电源50具有低频输出，包括分别经过一个互连电路62和端子11和13、15和17，以及25和27与所述感应线圈12、14和16连接的两个端子51和53。以这样的方式，低频能量被感应地施加到在所述轴向室70内的气体物质(一种或多种)中以进一步维持和稳定所述等离子体72。在该第二示意性实施例中，所述电源50可以是一固态电源。例如，所述固态电源50可以具有2kV操作电压和高输出电流。所述输出电流可相对所述设备的额定电流而变化并且在某些情况下可以超过1000安培。所述电源的操作频率典型地可以为200kHZ到400kHz的范围。再一次应该记住来自所述电源50的该电压范围、操作频率范围以及输出电流的水平可以变化，以满足所要求应用的特别需要。
在常规的由两个高能量管型振荡器电源操作的双线圈等离子体火炬设备中，在所述每个感应线圈中间必须设置一明显的槽，以确保足够的电绝缘且减小在所述两个电源之间的串扰(cross talk)，该串扰会对这些电源的控制电路产生不良影响。一般地所述槽在5到10cm量级。通过用一个固态电源如以低电压操作的电源50结合一个常规的高电压管型振荡器电源如48，在所述第一感应线圈4和所述第二感应线圈12之间的槽52可以被减少到几个厘米，并且能够小到2到3厘米，同时确保良好的电绝缘并且减小串扰。
在该示意性实施例中，所述固态电源50要求感应负荷等于所述分离的线圈12，线圈14或线圈16的感应负荷的三分之一。如果我们考虑到所述线圈12、14和16的阻抗是相同的通过连接所述第二线圈12、所述第三线圈14和所述第四线圈16在所述固态电源50的端子51和53之间并联而获得所要求的感应负荷。相应的连接以在所述互连电路62的虚线来表示。
通过结合多个线圈(如线圈12、14和16)，所述固态电源50的输出阻抗能够基本上与维持所述感应等离子体的所述感应线圈(线圈12、14和16)的输入阻抗匹配，因此增加了所述感应耦合等离子体火炬的整个能量耦合效率。事实上，正如所看见的，通过所述固态电源50的综合负载作为由所述固态电源50供能的线圈数量的函数而变化。感应线圈(如线圈12、14和16)的通过所述互连电路62在所述端子51和53中间的并联和/或串联连接具有改变所述综合负载的作用。更特别地，将所述感应线圈(如线圈12、14和16)串联连接将增加所述综合负载的感应值并且通过将所述线圈并联会减少所述综合负载的感应值。因此，通过选择所述线圈(如线圈12、14和16)的彼此串联和/或并联的优化的互连，所述感应线圈的输入阻抗可以与所述固态电源50的输出阻抗相匹配。
当然，在本发明的范围内可以使用第二感应线圈的数量小于或多于三个来替代三个线圈12、14和16。
多线圈设计的使用首次基本上可以使感应线圈12、14和16的输入阻抗与所述固态电源50的输出阻抗相互匹配，当使用一个固态(晶体管)RF电源50，由于其具有一相对精密的设计并且不能容忍在电源输出阻抗和感应线圈的输入阻抗之间的大的不匹配的特点，这一点非常重要。
为了清楚起见给出下面的数字示例。
给出由下面的公式限定的等效线圈阻抗：
Lc＝a.Nc 2.dc.e/Zc
其中：
a＝常数(4.0×10-6)；
Nc 2＝线圈的匝数；
dc＝线圈的内径；
dn＝所述等离子体或负荷的直径；
e＝(dc-dn)/2；及
Zc＝线圈长度。
同样，给出对于线圈段的Ns(线圈数量Ns＝3)，以下式给出等效线圈阻抗：
Leq＝Lc/Ns
对于一由例如三段每个有两匝的线圈组成的多线圈的等效线圈阻抗为：
Leq＝(4/3)Lsingle turn coil
这样的分数值的线圈阻抗通过任何已有的可替换感应线圈的设计都不能完成，这受到“单线圈匝数”的整数倍的限制。
虽然在上面参考示意性实施例对本发明进行了描述，这些实施例可以在不背离本发明的精神和特性的情况下作出各种修改并且都落入后附的权利要求书的范围内。
Claims (8)
1.一感应等离子体火炬，包括：
一具有近端和远端的管状火炬体，并且包括一具有第一直径的圆筒形内表面；
一等离子体限制管，(a)由具有高热传导系数的材料制造，(b)限定一轴向室，将高温等离子体限制在该室内，及(c)包括一具有稍微比所述第一直径小的第二直径的圆筒形外表面；
所述等离子体限制管被安装在所述管状火炬体内部，并且使所述圆筒形内和外表面同轴来限定在所述内和外表面之间一个具有均匀厚度的薄环形室；
一安装在所述管状火炬体的近端的气体分布头，用于供应至少一种气体物质进入由所述等离子体限制管限定的轴向室；
一冷却流体供应管，与所述薄环形室连接，用于在所述环形室内建立冷却流体的高速流，所述形成该限制管的高热传导系数的材料和冷却流体的高速流同时有助于将由高温等离子体加热产生的热量有效地从所述等离子体限制管传输到所述冷却流体内以因此有效地冷却所述限制管；
一具有高频输出的第一电源；
一具有低频输出的包括第一和第二端子的第二电源；
一系列位于所述管状火炬体的近端和远端之间并基本上与所述管状火炬体同轴地安装在管状火炬体上的感应线圈，所述系列感应线圈包括：
一与所述第一电源的高频输出相连接的第一感应线圈，以感应地将能量施加到提供在所述轴向室内的至少一种气体上；及
多个在所述第一感应线圈和所述管状火炬体远端之间的第二感应线圈，所述第二感应线圈各自具有端子；及
一互连电路，设置在(a)所述第二电源低频输出的第一和第二端子之间，(b)所述第二感应线圈的端子之间，以将所述第二感应线圈以一串联和/或并联的布置连接在所述第一和第二端子之间，使：
-基本上使所述多个第二感应线圈的输入阻抗与所述第二电源的输出阻抗匹配；和
-感应地将能量施加到被提供到所述轴向室的至少一种所述气体中。
2.如权利要求1所述感应等离子体火炬，其中所述第二电源为一固态电源。
3.如权利要求1所述感应等离子体火炬，其中所述第一电源为一管型振荡器电源，且所述第二电源为一固态电源。
4.如权利要求1所述感应等离子体火炬，其中所述第二感应线圈通过所述互连电路并联连接在第二电源的低频输出的第一和第二端子之间。
5.如权利要求1所述感应等离子体火炬，其中所述第二感应线圈通过所述互连电路串联连接在第二电源的低频输出的第一和第二端子之间。
6.如权利要求1所述感应等离子体火炬，其中所述第二感应线圈通过所述互连电路串联和并联连接在第二电源的低频输出的第一和第二端子之间。
7.如权利要求1所述感应等离子体火炬，其中所述第一和第二感应线圈被埋设在所述管状火炬体内。
8.一感应等离子体火炬，包括：
一具有近端和远端的管状火炬体，并且包括一具有第一直径的圆筒形内表面；
一等离子体限制管，(a)由具有高热传导系数的材料制造，(b)限定一轴向室，将高温等离子体限制在该室内，及(c)包括一具有稍微比所述第一直径小的第二直径的圆筒形外表面；
所述等离子体限制管被安装在所述管状火炬体内部，并且使所述圆筒形内和外表面同轴来限定在所述内和外表面之间一个具有均匀厚度的薄环形室；
一安装在所述管状火炬体的近端的气体分布头，用于供应至少一种气体物质进入由所述等离子体限制管限定的轴向室；
一冷却流体供应管，与所述薄环形室连接，用于在所述环形室内建立冷却流体的高速流，所述形成该限制管的高热传导系数的材料和冷却流体的高速流同时有助于将由高温等离子体加热产生的热量有效地从所述等离子体限制管传输到所述冷却流体内以因此有效地冷却所述限制管；
一系列在所述管状火炬体的近端和远端之间并基本上与所述管状火炬体同轴地安装在管状火炬体上的感应线圈，所述系列感应线圈包括：
一与第一电源的高频输出相连接的第一感应线圈，以感应地将能量施加到在所述轴向室内的至少一种气体上；及
多个在所述第一感应线圈和所述管状火炬体远端之间的第二感应线圈，所述第二感应线圈各自具有端子；及
一互连电路，设置在(a)第二电源的低频输出的第一和第二端子之间，(b)所述第二感应线圈的端子之间，以将所述第二感应线圈以一串联和/或并联的布置连接在所述第一和第二端子之间，使：
-基本上使所述第二感应线圈的输入阻抗与第二电源的输出阻抗匹配；和
-感应地将能量施加到被提供到所述轴向室的所述至少一种气体中。
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Effective date of registration: 20050401 Address after: Quebec Applicant after: Tektronix Hi Tech Systems Inc. Address before: Quebec Applicant before: UNIVERSITE DE SHERBROOKE |
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Owner name: NATEXIS GROWTH SYSTEM CO.,LTD. Free format text: FORMER OWNER: UNIV SHERBROOKE Effective date: 20050415 |
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