CN212324445U - 一种基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，包括微波发生器、微波波导管、非金属放电管，还包括高压电源、金属电极和气旋装置，微波发生器发射微波，在微波波导管内产生微波电场；非金属放电管固定在微波波导管内；高压电源连接两根金属电极；两根金属电极对称弯折分布在气旋装置中；气旋装置出风口与非金属放电管的一端相对。所述两根金属电极的端部未伸入到微波波导管内部。所述非金属放电管的一端固定在气旋装置表面，另一端伸出至微波波导管外。本实用新型基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，激发成功率高、激发稳定、装置简单、使用方便，且能够实现大气压下微波等离子体的激发和维持，能够大规模应用于工业生产中。

Description

一种基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置

技术领域

本实用新型属于微波等离子体激发技术领域，特别涉及一种基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置。

背景技术

微波在波导内传播，在电磁功率足够大的情况下，会导致强烈的气体电离从而产生微波等离子体。微波等离子体具有无需电极、瞬时高温、能量密度高等优点，因而在固废处理、气废处理、冶金、金属焊接等方面具有的应用前景。而微波等离子体的激发场强为777kV/m，激发场强要远高于维持场强。在常规应用中，整个腔体是由波导、过渡波导与压缩波导组成，虽然压缩波导能够在一定程度上提高电场强度，但达不到激发场强的要求。所以在微波等离子体激发的过程中，还需要进行辅助激发。

目前，辅助激发的方法有三种。一种是金属探针法，即使用金属丝或者金属喷头形式的点火方式。现有的可供参考的文件为公开号为CN104507249A的实用新型申请文件，其公开了一种矩形波导微波等离子体源发生装置，在矩形波导谐振腔反应区内设置一个铜质探针激发微波等离子体。但由于反应区温度极高，铜质探针使用一次即熔融或烧蚀，其过程伴随着金属污染的问题，且在微波等离子体意外熄灭时无法迅速将其重燃。

另一种方法为DBD法，即介质阻挡放电。现有的可供参考的文件为公开号为CN107801286A的中国实用新型申请文件，其介绍了一种基于介质阻挡放电激发微波等离子体的激发系统，该申请通过介质阻挡放电产生带电粒子，利用气流将其吹入腔体中作为种子电子来激发微波等离子体。此类方法使用时需要氩气作为电离气体，且非金属预电离射流管下端距离等离子体区域较近，容易发生熔融从而无法再次顺利激发微波等离子体。同时，该方法成本高、系统复杂、使用不方便，难以在工业中大规模应用。

还有一种方法为在非金属放电管内壁处固定金属导体的方法。现有的可供参考的文件有公开号为CN109104808A的中国实用新型申请文件，该申请通过在非金属放电管中放置半径匹配的螺旋或网格状耐高温导电材料，利用导体吸收微波能量发生闪络产生种子电子，继而激发微波等离子体。该装置虽然简单，但激发不稳定，且容易发生金属导体烧蚀现象。

本实用新型主要在于解决微波等离子体激发困难、激发不稳定、激发装置复杂的问题。

实用新型内容

本实用新型目的是：提供一种基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，激发成功率高、激发稳定、装置简单、使用方便，且能够实现大气压下微波等离子体的激发和维持，能够大规模应用于工业生产中。

本实用新型的技术方案是：

一种基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，包括微波发生器、微波波导管、非金属放电管，还包括高压电源、金属电极和气旋装置，其中：

微波发生器，发射微波，在微波波导管内产生微波电场；

非金属放电管，固定在微波波导管内；

高压电源，连接两根金属电极；

两根金属电极，对称弯折分布在气旋装置中；

气旋装置，其出风口与非金属放电管的一端相对。

优选的，所述两根金属电极的端部未伸入到微波波导管内部。

优选的，所述非金属放电管的一端固定在气旋装置表面，另一端伸出至微波波导管外，中间部分横穿微波波导管内部。

优选的，所述高压电源的参数在10kV-30kV之间，工作频率为从直流到几十kHz的高频交流正弦波。

优选的，所述气旋装置包括圆筒型的气旋外壳和气泵，气旋外壳一端封闭，另一端设置出风口，两根金属电极通过高压绝缘介质从封闭端深入气旋外壳内部；气旋外壳上沿圆周分布有若干导气孔，分别与气泵接通。

优选的，所述导气孔与气旋外壳内壁平齐，且与气旋外壳的轴线的夹角呈10-80度；所述导气孔数目在2个及以上，各导气孔的中心延长线与气旋外壳的轴线处于不同平面。

优选的，所述的非金属放电管的中心轴线位置位于距离微波波导管端面λ/4+kλ处，λ为系统中微波的波长，k为不小于0的整数。

优选的，所述高压电源使得两个金属电极在间距最窄处发生击穿，形成电弧，在气旋装置的气流作用下，电弧向出风口方向滑动，通过气流将带电粒子送入到非金属放电管中，激发微波等离子体。

优选的，所述电弧向出风口方向滑动过程中，长度增加，当电弧长度增加超过到电源所能维持放电的极限时，电弧熄灭，但新的电弧又会在间距最短处形成，如此循环。

优选的，所述带电粒子送入到非金属放电管中，激发微波等离子体，形成稳定微波等离子体火炬后关闭高压电源，如遇微波等离子体火炬意外熄灭情况，重新打开高压电源。

本实用新型的优点是：

本实用新型基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，激发成功率高、激发稳定、装置简单、使用方便，且能够实现大气压下微波等离子体的激发和维持，能够大规模应用于工业生产中。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置的结构原理图。

其中：1、微波波导管；2、非金属放电管；3、微波发生器；4、微波电源；5、散热风扇；6、气旋外壳；7、气孔；8、气泵；9、高压电源；10、高压绝缘介质；11、金属电极。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，包括微波波导管1、非金属放电管2、微波发生器3、微波电源4、散热风扇5、气旋装置、高压电源9、高压绝缘介质10、金属电极11；所述气旋装置包括气旋外壳6、气孔7、气泵8。

在使用时，将微波波导管1与微波发生器3相连，通过接通微波发生器3的微波电源4，使得微波波导管1内部产生微波电场，通过压缩波导将微波电场增大，并在距离短路端面λ/4+kλ处形成最大场强，其中k为不小于0的整数。然后通过高压电源9使得在两个金属电极11间距最窄处发生击穿，形成电弧，在气流的作用下，电弧向外滑动，同时长度增加，当电弧长度增加超过到电源所能维持放电的极限时，电弧熄灭，但新的电弧又会在间距最短处形成，如此周而复始。虽然两个金属电极11未深入到微波波导管1内部，但当电弧向外滑动过程中，一部分电弧会深入到非金属放电管2内部，从而作为种子电子激发微波等离子体。

由于金属电极未深入到微波波导管内部，所以在微波等离子体激发的过程中以及微波等离子体运行过程中，金属电极不会受到高温的微波等离子体火炬的烧蚀，从而避免金属电极损耗，继而延长滑动电弧金属电极的使用寿命。

气体通过气泵8通入气旋外壳6中，形成涡旋气体，该涡旋气体称为微波等离子体装置的载气。由于微波等离子体的产生对气体的要求不高，通常可以通入氩气、氦气、氮气或者空气作为载气，根据不同的应用场合需要，还可以选择其它气体作为激发微波等离子体的载气。

用于产生滑动电弧的高压电源的参数在10kV-30kV之间，工作频率从直流到几十kHz的高频交流正弦波均可，高频正弦交流信号为最佳。

导气孔与整个气旋装置内壁平齐，且与气旋装置的轴线的夹角呈10-80度。同时一个气旋装置上的气孔沿圆周均匀分布，气孔数目在2个以上为宜，气孔的中心延长线与气旋装置轴线处于不同平面，这样可以较好地形成涡旋气体。

非金属放电管的一端固定在气旋装置表面，另一端伸出至微波波导管外。

上述的非金属放电管、用于产生滑动电弧的金属电极均为耐高温材料为宜。

本实用新型激发微波等离子体的步骤如下：

步骤1：打开气泵，使得载气形成涡旋气体通入非金属放电管中；

步骤2：打开散热风扇，准备给微波发生器降温 ；

步骤3：接通微波电源，给微波发生器供电，使得微波波导管内产生微波电场；

步骤4：打开高压电源，产生滑动电弧，通过气流将带电粒子送入到非金属放电管4中激发微波等离子体；

步骤5：待微波等离子体火炬稳定后关闭高压电源；

步骤6：如遇微波等离子体火炬意外熄灭情况，重复步骤4、步骤5即可。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，其特征在于，包括微波发生器、微波波导管、非金属放电管，还包括高压电源、金属电极和气旋装置，其中：

微波发生器，发射微波，在微波波导管内产生微波电场；

非金属放电管，固定在微波波导管内；

高压电源，连接两根金属电极；

两根金属电极，对称弯折分布在气旋装置中；

气旋装置，其出风口与非金属放电管的一端相对。

2.根据权利要求1所述的基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，其特征在于，所述两根金属电极的端部未伸入到微波波导管内部。

3.根据权利要求2所述的基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，其特征在于，所述非金属放电管的一端固定在气旋装置表面，另一端伸出至微波波导管外，中间部分横穿微波波导管内部。

4.根据权利要求3所述的基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，其特征在于，所述高压电源的参数在10kV-30kV之间，工作频率为从直流到几十kHz的高频交流正弦波。

5.根据权利要求3所述的基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，其特征在于，所述气旋装置包括圆筒型的气旋外壳和气泵，气旋外壳一端封闭，另一端设置出风口，两根金属电极通过高压绝缘介质从封闭端深入气旋外壳内部；气旋外壳上沿圆周分布有若干导气孔，分别与气泵接通。

6.根据权利要求5所述的基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，其特征在于，所述导气孔与气旋外壳内壁平齐，且与气旋外壳的轴线的夹角呈10-80度；所述导气孔数目在2个及以上，各导气孔的中心延长线与气旋外壳的轴线处于不同平面。

7.根据权利要求3所述的基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，其特征在于，所述的非金属放电管的中心轴线位置位于距离微波波导管端面λ/4+kλ处，λ为系统中微波的波长，k为不小于0的整数。

8.根据权利要求1所述的基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，其特征在于，所述高压电源使得两个金属电极在间距最窄处发生击穿，形成电弧，在气旋装置的气流作用下，电弧向出风口方向滑动，通过气流将带电粒子送入到非金属放电管中，激发微波等离子体。

9.根据权利要求8所述的基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，其特征在于，所述电弧向出风口方向滑动过程中，长度增加，当电弧长度增加超过到电源所能维持放电的极限时，电弧熄灭，新的电弧又会在间距最短处形成，如此循环。

10.根据权利要求9所述的基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置，其特征在于，所述带电粒子送入到非金属放电管中，激发微波等离子体，形成稳定微波等离子体火炬后关闭高压电源，如遇微波等离子体火炬意外熄灭情况，重新打开高压电源。

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