[发明专利]车载燃料的微波等离子体重整系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料的微波等离子在线转换技术、等离子转换器控制领域。

背景技术

微波加热与传统的加热方法相比有很大的区别，传统加热方法是依靠热源，通过辐射、传导、对流等途径，首先使物体的表面加热，然后经热传导，使内部的温度由表及里逐步升高。而微波具有高效节能、加热速度快、加热均匀、即时性、安全环保、清洁卫生、宜于控制等优点。因此设计研发微波加热的相关设备是人类社会发展的迫切需要。

由于等离子体具有更高的温度和能量密度，能够产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。因此本专利设计一套通过微波驱动的等离子体重整器系统，具有高效、易启动、易控制等优点。用于驱动微波等离子体重整器的微波能量可以通过磁控管、速调管、半导体微波发生器等微波源来产生。本系统采用的微波频率为2.45GHz，微波传输线为矩形波导，具有结构简单、机械强度大等优点，还可以避免外界干扰和辐射损耗。

一些研究者已经用不同方法研究了微波等离子体。激发等离子体的方式有火花塞点火、激光点火、脉冲电晕放电点火、介质阻挡放电等。通过对谐振腔的特殊设计也可以激发等离子体[United States Patent，No.5793013，August11，1998]、[United States Patent，No.6205769，B1，March27，2001]。文献[S.P.Kuo，“A microwave-augmented plasma torch module as anigniter/fuel injector of a scramjet engine”，Department of Electrical&Computer Engineering，Polytechnic University，Six Metrotech Center，Brooklyn，NY11201]中介绍了一种小型化、低流速、注射点火一体化的等离子体产生装置，利用特殊的波导形状，产生的能量集中，可以有效实现点火。文献[Hidetoshi Sekiguchi and Yoshihiro Mori，“Steam plasma reforming usingmicrowave discharge”，Thin Solid Films，Vo1.453，pp.44-48，2003]做了微波放电生成大气中的纯蒸汽等离子体的研究，以及用等离子体重整碳氢化合物制氢的研究，并使用了一个不具有热再生、微波功率和流控制的矩形谐振腔。

发明内容

背景技术所述的几种点火方式都有一定的局限性，火花塞点火方式需要定期更换，对环境有较高要求，激光、脉冲等点火方式需要高电压、高交变电压，文献[S.P.Kuo，“Amicrowave-augmented plasma torch module as an igniter/fuel injector of a scramjet engine”，Department of Electrical&Computer Engineering，Polytechnic University，Six Metrotech Center，Brooklyn，NY11201]产生的是低流速等离子体，不利于反应的快速进行。文献[HidetoshiSekiguchi and Yoshihiro Mori，“Steam plasma reforming using microwave discharge”，Thin SolidFilms，Vo1.453，pp.44-48，2003]中矩形谐振腔结构简单、腔内电磁场分析也比较容易，但是得到的电磁场场强相对较小，反应气体在腔内的路程短，转化率较低。因此，本发明设计了两个特殊的腔体——点火腔1014和圆环反应腔1015；点火腔1014用于点燃等离子体，几何形状为锥形，微波通过时能够形成高密度微波能量，具有很高的场强，当场强达到气体的击穿场强时，就会产生微波打火，将混合气体点燃。反应腔1015设计成圆环形的柱体形状，圆环截面与矩形波导截面尺寸相同，有利于微波在反应腔中的传播，并产生较高的场强，持续不断的为反应提供能量，保持反应处于等离子体状态。通过对电调反射器1013的控制使整个系统具备自启动功能。

为解决上面的技术问题，本发明提供一种新型、高效、启动快、结构紧凑的车载燃料的微波等离子重整系统。

本发明的技术方案结合附图说明如下：