本發(fā)明涉及高溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種雙旋子兆瓦級高頻感應等離子發(fā)生器。

背景技術(shù)：

高頻感應熱等離子體由于其頻率高，又稱射頻感應耦合等離子體。高頻等離子體產(chǎn)生的原理為：高頻電源提供的高頻電流通過反應器的線圈產(chǎn)生變化的磁場與放電管內(nèi)的等離子體耦合，使氣體發(fā)生電離，線圈中的交變磁場產(chǎn)生的感應交變電場，在導電氣體中引起電流并產(chǎn)生焦耳熱。

高頻等離子體具有如下特點：(1)高頻等離子體主要依靠強烈的電磁耦合產(chǎn)生，不需要電極，因此不存在電極蒸發(fā)污染的問題，因此產(chǎn)生的等離子體氣氛純凈；(2)焦耳熱效應的作用，可以使等離子體流達到3000～10000K的極高溫度；(3)高頻等離子體體積較大，焰流速度低，溫度分布均勻平坦。因此，高頻等離子體特別適用于難熔顆粒的加工(如球化、固氣反應、超細粉制備等)以及對熱環(huán)境氣氛要求較高的深空探測器熱防護材料的地面加熱實驗研究等。

較為典型的高頻等離子體發(fā)生器主要由石英管、高頻線圈以及氣體通道組成，石英管作為感應放電室室壁，石英管外饒有水冷的高頻感性線圈，工作氣由上部引入發(fā)生器。但目前現(xiàn)有等離子發(fā)生器由于結(jié)構(gòu)相對簡單，工作氣體的進氣位置、進氣方式、工作氣體量與電源參數(shù)的匹配、石英管的冷卻較差大功率條件下難以維持等方面的原因，等離子發(fā)生器的最大功率為500kW左右，一定程度上限制了高頻等離子體這一純凈高溫的加熱技術(shù)的發(fā)展和應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種雙旋子兆瓦級高頻感應等離子發(fā)生器，發(fā)生器采用雙旋子旋轉(zhuǎn)進氣方式的高頻等離子體發(fā)生器。

本發(fā)明進一步解決的技術(shù)問題是，提供在一種兆瓦級別的高頻等離子體發(fā)生器。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：雙旋子高頻感應等離子發(fā)生器，包括內(nèi)環(huán)氣旋子、內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件、外環(huán)氣旋子、固定罩、外石英管、外石英管緊固環(huán)、內(nèi)石英管、水冷電感線圈、發(fā)生器與噴嘴連接件、輻射屏蔽倉；

內(nèi)環(huán)氣旋子、內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件、外環(huán)氣旋子、固定罩、外石英管、外石英管緊固環(huán)和內(nèi)石英管同軸布置；所述的內(nèi)環(huán)氣旋子、外環(huán)氣旋子為中空且外環(huán)面為旋轉(zhuǎn)溝槽結(jié)構(gòu)，外環(huán)氣旋子溝槽旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)環(huán)氣旋子旋轉(zhuǎn)方向一致；

內(nèi)環(huán)氣旋子與外環(huán)氣旋子之間通過內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件固連；內(nèi)石英管套在內(nèi)環(huán)氣旋子的旋轉(zhuǎn)溝槽外環(huán)面并與外環(huán)氣旋子之間通過階梯限位；外石英管套在外環(huán)氣旋子的旋轉(zhuǎn)溝槽外環(huán)面并通過外石英管緊固環(huán)緊固；外環(huán)氣旋子固定在固定罩的上部，固定罩的下部與輻射屏蔽倉的上部固連，外石英管與內(nèi)石英管部分置于輻射屏蔽倉內(nèi)；輻射屏蔽倉的下部連接發(fā)生器與噴嘴連接件；水冷電感線圈纏繞在位于輻射屏蔽倉內(nèi)外石英管的外圍，線圈末端接高頻電源。

還包括壓力監(jiān)測孔，安裝在內(nèi)環(huán)氣旋子的上部，用于監(jiān)測等離子發(fā)生器內(nèi)的壓力。

所述的內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件還包括一個保護內(nèi)石英管的薄壁結(jié)構(gòu)，該薄壁結(jié)構(gòu)直接套裝在內(nèi)環(huán)氣旋子的旋轉(zhuǎn)溝槽外環(huán)面，且與內(nèi)石英管內(nèi)壁之間保留間隙。

固定罩還包括一個保護外石英管的薄壁結(jié)構(gòu)，該薄壁結(jié)構(gòu)直接套裝在外環(huán)氣旋子的旋轉(zhuǎn)溝槽外環(huán)面，且與外石英管內(nèi)壁之間保留間隙。

所述的薄壁結(jié)構(gòu)的壁厚1-2mm。

所述內(nèi)環(huán)氣旋子旋轉(zhuǎn)溝槽數(shù)量為30～60個，旋轉(zhuǎn)角度α設為15～45°。

所述外環(huán)氣旋子旋轉(zhuǎn)溝槽數(shù)量為30～60個，旋轉(zhuǎn)角度β設為15～60°。

所述通過內(nèi)環(huán)氣旋子的氣體量與通過外環(huán)氣旋子的氣體量比例設為：1/10～5/10。

當高頻電源提供的電壓10kV以上，通過內(nèi)環(huán)氣旋子和外環(huán)氣旋子的氣體總量保持在20g/s以上，且外環(huán)氣旋子旋轉(zhuǎn)溝槽旋轉(zhuǎn)角度在45～60°范圍內(nèi)調(diào)整，等離子發(fā)生器能夠達到兆瓦級且穩(wěn)定運行。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點為：

1、內(nèi)環(huán)旋子和外環(huán)旋子采用旋轉(zhuǎn)溝槽結(jié)構(gòu)使氣體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，這種結(jié)構(gòu)易于加工且阻力小，能夠保證經(jīng)過旋轉(zhuǎn)溝槽的氣體的旋轉(zhuǎn)強度。

2、采用內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩層旋子，工作氣體分層旋轉(zhuǎn)進入等離子發(fā)生器，一方面滿足發(fā)生器產(chǎn)生高頻等離子體所需的工作氣體，另一方面外環(huán)進入的工作氣體作為冷卻氣體對外石英管進行充分的冷卻，保證了發(fā)生器在大功率運行時外石英管的安全性和可靠性。

3、由與外石英管和內(nèi)石英管強度較低，若直接與旋子配合易使石英管破碎，在固定罩和內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件上分別設置一層薄壁結(jié)構(gòu)，薄壁與旋子旋轉(zhuǎn)溝槽外環(huán)面配合且與石英管內(nèi)壁保留間隙，避免了金屬旋子與易碎的石英管直接配合，對石英管起到保護作用。

4、通過設計內(nèi)環(huán)氣旋子、外環(huán)氣旋子旋轉(zhuǎn)溝槽數(shù)量和角度、內(nèi)環(huán)氣與外環(huán)氣的比例、工作氣體量與電源參數(shù)的匹配等參數(shù)，可實現(xiàn)高頻等離子發(fā)生器的不同工作氣體和不同功率條件下的安全穩(wěn)定工作。

5、在本發(fā)明結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整工作氣體量、高頻電源輸出電壓、外環(huán)旋子的旋轉(zhuǎn)溝槽角度等參數(shù)，可使高頻等離子發(fā)生器的最大功率達到1MW并安全穩(wěn)定運行，提高了高頻等離子體技術(shù)的研究和應用水平。

附圖說明

圖1為本發(fā)明裝置的示意圖；

圖2為本發(fā)明裝置的側(cè)視圖；

圖3為圖1的A-A示意圖；

圖4為圖2的B-B示意圖；

圖5為內(nèi)環(huán)氣旋子示意圖；

圖6為外環(huán)氣旋子示意圖；

圖中標號：1-內(nèi)環(huán)氣旋子；2-內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件；3-外環(huán)氣旋子；4-固定罩；5-外石英管緊固環(huán)；6-外石英管；7-內(nèi)石英管；8-水冷電感線圈；9-發(fā)生器與噴嘴連接件；10-輻射屏蔽倉；11-壓力監(jiān)測孔；

具體實施方式

本發(fā)明的工作原理是：水冷電感線圈纏繞在外石英管外圍，線圈末端接高頻電源，當交變的高頻電流通過電感線圈時在外石英管內(nèi)產(chǎn)生變化的磁場，由法拉第定律得知，石英管內(nèi)變化的磁場又感應出電場，進入發(fā)生器的氣體在變化的磁場作用下發(fā)生電離并產(chǎn)生焦耳熱，適當控制電流和氣體流量以形成穩(wěn)定持續(xù)的高溫等離子體氣流。工作氣體分內(nèi)外兩層旋轉(zhuǎn)進入等離子發(fā)生器，內(nèi)環(huán)工作氣體通過內(nèi)環(huán)氣旋子沿內(nèi)石英管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)進入發(fā)生器，通過電磁感應區(qū)發(fā)生電離產(chǎn)生高溫等離子體；外環(huán)工作氣體通過外環(huán)氣旋子沿外石英管內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)進入發(fā)生器，一方面作為工作氣體通過電磁感應區(qū)發(fā)生電離產(chǎn)生高溫等離子體，另一方面緊貼外石英管壁面的冷氣流對外石英管進行冷卻，保證發(fā)生器在大功率運行時外石英管不被高溫等離子體氣流燒損。

以下結(jié)合附圖對發(fā)明做進一步的詳細描述。

如圖1-3所示，雙旋子兆瓦級高頻感應等離子發(fā)生器，包括：內(nèi)環(huán)氣旋子1、內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件2、外環(huán)氣旋子3、固定罩4、外石英管6、外石英管緊固環(huán)5、內(nèi)石英管7、水冷電感線圈8、發(fā)生器與噴嘴連接件9、輻射屏蔽倉10和壓力監(jiān)測孔11。內(nèi)環(huán)氣旋子1、內(nèi)環(huán)與外環(huán)旋子連接件2、外環(huán)氣旋子3、固定罩4、外石英管6、外石英管緊固環(huán)5和內(nèi)石英管7同軸布置；部分工作氣體通過內(nèi)環(huán)氣旋子1沿內(nèi)石英管7內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)進入發(fā)生器，作為工作氣體通過電磁感應區(qū)發(fā)生電離產(chǎn)生高溫等離子體，內(nèi)環(huán)氣旋子1溝槽旋轉(zhuǎn)角度為α；另一部分工作氣體通過外環(huán)氣旋子3沿外石英管6內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)進入發(fā)生器，一方面作為工作氣體通過電磁感應區(qū)發(fā)生電離產(chǎn)生高溫等離子體，另一方面緊貼外石英管壁面的冷氣流對外石英管進行冷卻以防止其被高溫等離子體氣流燒損，外環(huán)氣旋子3溝槽旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)環(huán)氣旋子旋轉(zhuǎn)方向一致，溝槽旋轉(zhuǎn)角度為β。水冷電感線圈8纏繞在外石英管外圍，線圈末端接高頻電源，交變的高頻電流通過電感線圈時在外石英管6內(nèi)產(chǎn)生變化的磁場，通過外環(huán)氣旋子和內(nèi)環(huán)氣旋子進入發(fā)生器的氣體在變化的磁場作用下發(fā)生電離并產(chǎn)生焦耳熱，適當控制電流和氣體流量以形成穩(wěn)定持續(xù)的高溫等離子體氣流。

如圖4所示，在內(nèi)環(huán)氣旋子、內(nèi)環(huán)旋子與外環(huán)旋子連接件、外環(huán)旋子和固定罩上均設有冷卻水通道，且相互連通，冷卻水的入口和出口均集成在內(nèi)環(huán)氣旋子上，通過循環(huán)冷卻水對以上部件進行冷卻。

如圖5所示，內(nèi)環(huán)氣旋子1旋轉(zhuǎn)溝槽數(shù)量為30～60個，旋轉(zhuǎn)角度α設為15～45°。

如圖6所示，外環(huán)氣旋子3旋轉(zhuǎn)溝槽數(shù)量為30～60個，旋轉(zhuǎn)角度β設為15～60°。

通過內(nèi)環(huán)氣旋子1的氣體量與通過外環(huán)氣旋子3的氣體量比例設為：1/10～5/10。

在上述的雙旋子兆瓦級高頻感應等離子發(fā)生器中，發(fā)生器最大功率為1MW。

本發(fā)明未公開技術(shù)屬本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。