[发明专利]具有更高等离子体能量密度的感应式等离子体喷枪

说明书

一种感应式等离子体喷枪，包括管状喷枪主体、管状插入件、等离子体约束管和环状通道。所述管状喷枪主体具有限定相应的内表面的上游段和下游段。所述管状插入件安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上。所述等离子体约束管布置在管状喷枪主体中，并与管状喷枪主体同轴。所述等离子体约束管具有管状壁，该管状壁的厚度沿等离子体流的轴向逐渐减小。所述环状通道限定在管状喷枪主体的上游段的内表面和插入件的内表面与等离子体约束管的管状壁的外表面之间。所述冷却通道输送用于冷却等离子体约束管的流体。

技术领域

本公开涉及感应式等离子体喷枪领域。更具体地说，本公开涉及一种感应式等离子体喷枪，其能在减少杂散电弧的同时产生更高的等离子体能量密度。

背景技术

在过去数年中，感应耦合等离子体喷枪(所谓的感应式等离子体喷枪)的设计和性能得到了相当大的改善。感应式等离子体喷枪目前在世界范围内广泛用于各种应用，从实验室研发直到高纯度、高附加值材料的大规模工业生产。

作为一种在高温等离子体条件下进行材料合成和加工的有效工具，感应式等离子体喷枪已经引起越来越多的关注。感应式等离子体喷枪的操作背后的基本概念已经有六十多年的历史，并且已经稳定地从实验室工具演变为工业用高功率设备。

图1是一种示例性感应式等离子体喷枪100的结构和操作的示意图。感应式等离子体喷枪100包括等离子体约束管102，该等离子体约束管102例如可由耐高温且具有高导热率的陶瓷材料制成。等离子体约束管102被嵌入在同轴的管状喷枪主体106中的同轴水冷感应线圈104包围。高频电流通过电气接点105供应至感应线圈104。气体分配头(未示出)将等离子体气体108沿轴向并居中地供应到等离子体约束管102的内部空间中，以产生等离子体110。这有多种变化形式，包括将沿着等离子体约束管102的内表面流动的保护气体112喷注到等离子体110周围。保护气体112的功能是在等离子体110与等离子体约束管102的内表面之间提供一定程度的绝热能力。感应式等离子体喷枪100尤其可以但不只是用于处理在等离子体约束管102内居中注入的粉末材料114。

在操作中，流过感应线圈104的高频电流在等离子体约束管102内产生大致轴向的高频磁场120。该磁场120的能量导致存在于等离子体约束管102中的等离子体气体108的电击穿。一旦完成电击穿和等离子体点火，就在感应线圈104所处的高度处向等离子体约束管102内的区域122中的等离子体气体引入切向电流。这种引入的切向电流负责加热等离子体约束管102中的等离子体气体108，并维持产生等离子体110的等离子体气体放电。

已经开发出了许多种感应式等离子体喷枪设计。下列专利公告中说明了多个实例：美国专利5,200,595(1993年4月6日)、美国专利5,560,844(1996年10月1日)、美国专利6,693,253B2(2004年2月17日)、美国专利6,919,527B2(2005年7月19日)和美国专利公告2012/0261390A1(2012年10月18日)。所有这些参考文献的内容通过整体引用结合在此。

等离子体110中的能量密度定义为耦合到区域122中的等离子体110中的能量与由等离子体约束管102的内表面(即边界)和感应线圈104的高度限定的放电腔体的体积之比。等离子体110中的能量密度的增加表现为等离子体的体积比焓的增大，以及感应式等离子体喷枪100的出口124处的等离子体110的相应平均温度的增高。不幸的是，能量密度的这种增加也伴随着等离子体约束管102内表面的热通量的增加，从而导致其内表面的温度升高，并因此导致等离子体约束管故障的可能性。

为了降低等离子体约束管的内表面的温度，一种解决方案包括在制造等离子体约束管时使用高导热率陶瓷材料，并使冷却流体在围绕等离子体约束管的外表面的环状通道中高速流动。但是，尽管增加了这些特性，但感应式等离子体喷枪中的等离子体的最大能量密度仍然受限于等离子体约束管的高导热率陶瓷材料在保持其结构完整性的同时可承受的最高温度。