感应等离子体焰炬和管状焰炬体的制作方法

本申请是发明名称为“高性能感应等离子体焰炬”、申请日为2012年2月2日、申请号为201280015875.8、申请人为泰克纳等离子系统公司的发明专利申请的分案申请。

本公开总体上涉及感应等离子体焰炬。更确切地但并不排他地，本公开涉及一种等离子体限制管、一种包括电容屏蔽层的管状焰炬体和一种包括这种等离子体限制管和管状焰炬体的感应等离子体焰炬，该感应等离子体焰炬用于在实验室和工业规模生产条件下在超高纯度和高功率密度条件下操作。

背景技术：

作为一种用于在高温等离子体条件下进行材料合成和处理的有价值的工具，感应等离子体焰炬受到持续的关注。已知该基本概念有60多年，并且该基本概念从实验室工具向工业上有价值的高功率器件稳定发展。感应等离子体焰炬的操作包括使用感应耦合构件(例如4-6匝感应线圈)将能量电磁耦合进等离子体中。气体分配器头用于在产生等离子体的放电(discharge)区中生成恰当的气体流型。该气体流型不仅使位于由例如石英制成的等离子体限制管中心的等离子体稳定，而且将等离子体维持在感应线圈中心，并防止等离子体限制管受到由来自等离子体的高热负荷引起的损害。在比较高的功率水平下(高于5-10kw)，需要额外的冷却来保护等离子体限制管。这通常使用冷却流体来实现，例如在等离子体限制管的外表面上流动的去离子冷却水。

图1示出感应等离子体焰炬的标准设计。图1的等离子体焰炬包括由供应有高频电流的水冷感应铜线圈围绕的柱形外壳。等离子气体沿轴向被引入柱形外壳的内部空间。当电流流过感应线圈时，其产生用于在放电腔中电击穿等离子气体的轴向交变磁场。一旦实现了电击穿，则在感应线圈区域内的等离子气体中产生切向感应电流。该切向感应电流在放电腔中加热等离子气体，以点火、产生和维持等离子体。

基本上基于相同原理，已开发并实验了许多设计来构造感应等离子体焰炬。于1993年4月6日授权的发明名称为highperformanceinductionplasmatorchwithawater-cooledceramicconfinementtube的美国专利5200595、发明名称为ignitiondeviceandmethodforignitingaplasmadischargeinaninductionplasmatorch的美国专利申请08/693513(1995年8月4日)、于1996年10月1日授权的发明名称为liquidfilmstabilizedinductionplasmatorch的美国专利5560844、于2004年2月17日授权的发明名称为multi-coilinductionplasmatorchforsolidstatepowersupply的美国专利6693253和于2005年7月19日授权的发明名称为multi-coilinductionplasmatorchforsolidstatepowersupply的美国专利6919527还教导了对感应等离子体焰炬的各种改进，这些专利的主题作为引用并入本文。

已进行了尝试来改进对等离子体限制管的保护。例如，分段的金属壁插件已用于改进对等离子体限制管的保护，但是具有明显降低等离子体焰炬的总能量效率的缺点。此外，由多孔陶瓷材料制成的等离子体限制管仅提供有限的保护。关于由辐射冷却的限制管，它们的陶瓷材料必须经得住比较高的操作温度，具有极好的抗热冲击性能，并且必须不会吸收rf(无线电频率)磁场。大部分陶瓷材料不能满足这些严格要求中的一个或多个。

对于电流感应等离子体焰炬，一直关心的是等离子体与焰炬的出口喷嘴和/或焰炬安装于其上的反应堆主体之间的电弧放电的问题。图2示出两种情况下触发电弧(strikeover)问题的示意图。

更确切地说，图2示出感应等离子体焰炬，其包括管状焰炬体，管状焰炬体包括用于产生等离子体的等离子体限制管。感应线圈嵌入管状焰炬体中。要在等离子体中处理的任何粉末材料或前体经由轴向安装的粉末注射器探针被注射通过位于等离子体焰炬体顶部的气体分配器头。等离子体放电经由水冷喷嘴产生进入由反应堆壁限定的反应堆。图2示出等离子体与焰炬的出口喷嘴和反应堆主体之间的电弧放电(触发电弧)。

解决感应等离子体焰炬中的电弧放电问题的早期尝试由g.frind于1991年报告，并且是于1993年8月3日授权的美国专利5233155的主题。该专利确认电弧放电由感应线圈与等离子体之间的电容耦合产生，并提供了在感应线圈与等离子体限制管的外表面之间添加电容屏蔽层的解决方案。然而，由frind提出的引入电容屏蔽层导致等离子体点火的难度增加，并且由于金属屏蔽层中的能量耗散而在线圈和等离子体之间导致显著的能量耦合效率损失。

因此，仍需要在不会损失能量耦合效率的情况下消除电弧放电，并增加等离子体放电腔中的功率/能量密度。

技术实现要素：

根据第一方面，本公开涉及一种用在感应等离子体焰炬中的等离子体限制管。该等离子体限制管限定出几何轴线和外表面，并包括含有传导材料薄膜的电容屏蔽层，该传导材料薄膜施加到等离子体限制管的外表面上并被分割为轴向条。所述轴向条在一端互相连接，传导薄膜的厚度小于根据感应等离子体焰炬的操作频率和薄膜传导材料的电导率计算出的趋肤深度。

另一方面与一种用在感应等离子体焰炬中的等离子体限制管有关，该等离子体限制管限定出几何轴线和外表面，并包括：电容屏蔽层，包括传导材料薄膜，该传导材料薄膜施加到等离子体限制管的外表面上并被分割为轴向条，轴向条在一端互相连接；以及位于等离子体限制管的外表面中的轴向沟槽。轴向沟槽插入轴向条之间。

根据第三方面，本公开还涉及一种用在感应等离子体焰炬中的管状焰炬体。该管状焰炬体限定出几何轴线和内表面，并包括电容屏蔽层，该电容屏蔽层包括传导材料薄膜，传导材料薄膜施加到管状焰炬体的内表面上并被分割为轴向条。轴向条在一端互相连接，传导薄膜的厚度小于根据感应等离子体焰炬的操作频率和薄膜传导材料的电导率计算出的趋肤深度。

第四方面与一种用在感应等离子体焰炬中的管状焰炬体有关，该管状焰炬体限定出几何轴线和内表面，并包括：电容屏蔽层，包括被施加到管状焰炬体的内表面上并被分割为轴向条的传导材料薄膜，轴向条在一端互相连接；以及位于管状焰炬体的内表面中的轴向沟槽，轴向沟槽插入轴向条之间。

根据第五方面，本公开涉及一种感应等离子体焰炬，包括：管状焰炬体，具有内表面；等离子体限制管，布置在管状焰炬体中，与管状焰炬体同轴，等离子体限制管具有外表面；气体分配器头，布置在等离子体限制管的一端，并构造成将至少一种气体物质供应进等离子体限制管中；感应耦合构件，位于管状焰炬体内表面的外部，用于对气体物质施加能量以在等离子体限制管中产生并维持等离子体；以及电容屏蔽层，包括传导材料薄膜，该传导材料薄膜施加到等离子体限制管的外表面上或管状焰炬体的内表面上，其中，传导材料薄膜被分割为轴向条，轴向条在一端互相连接，传导薄膜的厚度小于根据供应给感应耦合构件的电流的频率和薄膜传导材料的电导率计算出的趋肤深度。

根据第六方面，本公开最后涉及一种感应等离子体焰炬，包括：管状焰炬体，具有内表面；等离子体限制管，布置在管状焰炬体中，与管状焰炬体同轴，等离子体限制管具有外表面；气体分配器头，布置在等离子体限制管的一端，并构造成将至少一种气体物质供应进等离子体限制管中；感应耦合构件，位于管状焰炬体内表面的外部，用于对气体物质施加能量以在等离子体限制管中产生并维持等离子体；电容屏蔽层，包括传导材料薄膜，该传导材料薄膜施加到等离子体限制管的外表面上或管状焰炬体的内表面上，其中，传导材料薄膜被分割为轴向条，轴向条在一端互相连接；以及位于等离子体限制管的外表面或管状焰炬体的内表面中的轴向沟槽，轴向沟槽插入轴向条之间。

通过阅读下面对仅参考附图通过示例给出的说明性实施例的非限制性描述，前述和其它特征会变得更明显。

附图说明

在附图中：

图1是感应等离子体焰炬的示意图；

图2是安装在反应堆顶部的感应等离子体焰炬的示意图，示出等离子体与焰炬的出口喷嘴和反应堆的主体之间的电弧放电；

图3是感应等离子体焰炬的示意性横截面正视图，其具有多个粉末注射探针和位于等离子体限制管外表面上的电容屏蔽层；

图4是图3的感应等离子体焰炬的俯视图；

图5是另一感应等离子体焰炬的示意性部分透视图，该等离子体焰炬具有位于等离子体限制管外表面上的电容屏蔽层；

图6是等离子体限制管的示意图，其具有外表面，外表面包括分段的薄膜传导电容屏蔽层，并在感应线圈的水平处形成有在等离子体限制管外表面中机加工的轴向沟槽；

图7是图6的等离子体限制管的横截面视图，示出沟槽在等离子体限制管的外周周围的典型分布；

图8是包括图6和7的等离子体限制管的感应等离子体焰炬的示意性透视图；

图9是在典型操作条件下，通过对等离子体焰炬和等离子体限制管壁中的流场、温度场和浓度场数学建模而获得的图6和7的等离子体限制管壁中的温度场的三维图；以及

图10是在与图9相同的操作条件下，等离子体限制管壁中位于该管的槽部中心的温度场的截面图。

具体实施方式

总体而言，本公开提供了一种感应等离子体焰炬，包括管状焰炬体、等离子体限制管、气体分配器头、感应耦合构件和联接到等离子体限制管或管状焰炬体的电容屏蔽层。等离子体在限制管中产生。等离子体限制管包括内外表面以及第一和第二端。一系列横向相邻的轴向沟槽在感应耦合构件水平处围绕等离子体限制管的外周可在等离子体限制管的外表面中机加工，以改进对等离子体限制管的冷却。气体分配器头布置在等离子体限制管的第一端，以将至少一种气体物质供应进该限制管中，所述气体物质从限制管的第一端朝向限制管的第二端流过限制管。感应耦合构件感应地将能量施加到流过限制管的气体物质，以在该管中感应地点火、产生和维持等离子体。电容屏蔽层在不损失能量耦合效率的情况下避免电弧放电，并允许增加产生等离子体放电的限制管中的功率/能量密度。根据一个实施例，该电容屏蔽层可由感应薄膜形成。

图3示出高性能感应等离子体焰炬10。

等离子体焰炬10包括管状焰炬体12，管状焰炬体由例如铸造陶瓷或复合聚合物制成，并限定出内部空腔13。感应线圈14形式的由水冷却铜管制成的感应耦合构件嵌入焰炬体12内。感应线圈14的两端均延伸至柱形焰炬体12的外表面16，并分别连接到一对电端子18和20，rf(无线电频率)电流经由电端子可被供应到线圈14。在所示实施例中，焰炬体12和感应线圈14均是柱形的并且同轴。

环形等离子体出口喷嘴22安装到焰炬体12的下端，并形成有环形座24，以接收等离子体限制管26的下端。如图3所示，环形座24可具有直角横截面。

气体分配器头28固定到管状焰炬体12的上端。盘30插入焰炬体12上端和气体分配器头28之间。盘30与气体分配器头28的下侧32一起形成能够接收等离子体限制管26上端的环形座34。此外，如图3所示，环形座34具有直角横截面。

在图3所示实施例中，管状焰炬体12和等离子体限制管26是同轴的，并限定出公共几何轴线。

气体分配器头28还包括中间管36。中间管36比等离子体限制管26短，并且直径比等离子体限制管的直径小。中间管36还可以是柱形的，并且与焰炬体12、等离子体限制管26和感应线圈14同轴。相应地，柱形空腔37限定在中间管36和等离子体限制管26之间。

气体分配器头28设有中心孔38，经由该中心孔安装粉末注射探针结构40(还见图4)。注射探针结构40包括与管26和36、感应线圈14和焰炬体12同轴的至少一个粉末注射探针(图5的实施例中为42’)。根据另一实施例，图3和4示出三个粉末注射探针42，它们是纵长的，并在这些管26和36内沿管26和36的公共几何轴线在中心聚集(见图4)。

粉末和载体气体经由探针42、42’被注射进等离子体焰炬10中。如本领域所知，由载体气体传送的并被注射进等离子体限制管26中的粉末构成被等离子体熔化或蒸发的材料。

气体分配器头28包括适于将鞘气体注射进柱形空腔37中并使该鞘气体在等离子体限制管26的内表面范围内纵向流动的导管(未示出)。气体分配器头28还包括导管44，以将中心气体注射进中间管36中，并使该中心气体沿切向流动。这些鞘气体和中心气体的功能在感应等离子体焰炬领域中是熟知的，因此在本说明书中不进行描述。

例如约1mm厚的薄环形腔45形成在等离子体限制管26的外表面和管状焰炬体12的内表面之间。更确切地说，环形腔45是通过将等离子体限制管26的所述外表面和管状焰炬体12的内表面机加工至低公差而制成的。例如去离子冷却水的冷却流体被供应到薄环形腔45，并高速流过室45，以有效地冷却等离子体限制管26，等离子体限制管的内表面暴露于等离子体的高温。更确切地说，冷却流体可经由气体分配器头28中的入口(未示出)供应流过焰炬体12中的一系列柱形通道(未示出)，到达出口喷嘴22，以有效地冷却该出口喷嘴22的暴露于由等离子体产生的热量的内表面。然后，冷却流体向上高速流过薄环形腔45，在等离子体限制管26外表面中机加工出的上述轴向沟槽内流动，从而在气体分配器头28水平处最终流出焰炬之前有效地冷却等离子体限制管26，等离子限制管的内表面直接暴露于来自等离子体的酷热。

在操作时，通过将rf电流供应到感应线圈14以在等离子体限制管26内产生rf磁场来点火、产生和维持感应耦合的等离子体。rf磁场在等离子体限制管26中的电离气体物质中通过焦耳热引起涡流，点火、产生并维持稳定等离子体。感应等离子体焰炬的包括等离子体点火的操作被认为是对于本领域一般技术人员来说熟知的，因此，不在本说明书中做进一步描述。

等离子体限制管26可由陶瓷材料制成，陶瓷材料是由纯的或者具有各种添加剂和填料的基于例如氮化硅、氮化硼、氮化铝和氧化铝或它们的任何组合烧结或反应粘合的复合陶瓷材料。该陶瓷材料是致密的，由高导热性、高电阻率和高抗热冲击性表征。

由于等离子体限制管26的材料呈现高导热性，所以流过环形腔45的冷却流体的高速度提供了恰当地冷却等离子体限制管26所适合和所需要的高传热系数。在等离子体限制管26的外表面中添加上述一系列横向相邻的轴向沟槽(如下文中参见图6、7和8更详细地描述)会通过增加可用的传热表面并减少管26的壁在沟槽底部的有效厚度而增强对等离子体限制管26的冷却。与包括由石英制成的限制管的标准等离子体焰炬所通常要求的相比，对等离子体限制管26的外表面的强烈和有效冷却会以更高功率密度和较低气体流率产生等离子体。这又在等离子体焰炬的出口处产生气体的较高比焓水平。

图5示出与图3和4的等离子体焰炬10类似的等离子体焰炬10’，如上所述，差别在于等离子体焰炬10’仅包括一个中心粉末注射探针42’，由于所有其它元件与等离子体焰炬10的类似，所以不再进一步描述。

电容屏蔽层50可被施加到等离子体限制管26的外表面上。

可例如通过沉积传导材料薄膜来涂覆等离子体限制管26的外表面来施加电容屏蔽层50。传导材料可以是金属材料，例如铜、镍、金或铂或其它金属。薄膜的厚度小于根据所施加的rf磁场的频率和薄膜传导材料的电导率计算出的趋肤深度，以减少由电容屏蔽层50引起的磁耦合能量损失，结果，使焰炬效率相应地增加。总体而言，薄膜的厚度等于或小于100微米。在一个实施例中，薄膜的厚度处于约100微米至约10微米的范围内。在另一实施例中，薄膜厚度处于10微米至1微米的范围内。在又一实施例中，薄膜厚度小于1微米。

趋肤深度可如下定义。趋肤效应是交变电流自身以靠近导体表面的电流密度最大的形式分布在导体内，深度越深，电流密度减小的趋势。电流主要在外表面和称为趋肤深度的水平之间、在导体的“皮肤”处流动。在较高频率(趋肤深度较小)下，趋肤效应使导体的有效阻抗增加，从而减少了导体的有效横截面。

趋肤深度

其中：

ξ0＝自由空间的磁导率＝4π×10^-7(h/m)或(v.s/a.m)

σ＝电容屏蔽层材料的电导率(mho/m)或(a/v.m)

f＝振荡频率(s^-1)

电容屏蔽层50在等离子体限制管26外表面上的沉积与流过环形腔45的焰炬冷却流体直接接触会确保对电容屏蔽层50的有效冷却，并保护其长期机械完整性。

如图3-5所示，为了在形成电容屏蔽层50的传导材料薄膜中尽可能多地避免电磁耦合，通过形成多个窄的和横向相邻的轴向条51来分割薄膜。条51在等离子体限制管26的外表面上在管26的大部分长度范围内沿轴向延伸，每对相邻的轴向条51之间的间距相等。所有轴向条51在一端电互连，更确切地说在等离子体限制管26的上端电互连。

为了便于等离子体点火，可提供用于将电容屏蔽层50保持在浮动电位直到实现等离子体点火为止的装置。当已点火、产生和维持等离子体时，提供这样的装置：该装置用于将电容屏蔽层50的上端(所有轴向条51互相连接)接地，以排干在形成电容屏蔽层50的薄膜的表面上产生的任何电容式电位。

在另一实施例中，其中，形成电容屏蔽层50的传导材料薄膜形成有多个横向相邻的轴向条51’，每对横向相邻条51’之间的间距相等，等离子体限制管26的外表面被机加工为形成上述标号为510的插入轴向条51’之间的轴向沟槽。更确切地说，轴向沟槽之一占据每对横向相邻的轴向条51’之间的空间。在如图6和7所示实施例中，轴向沟槽510未被传导薄膜覆盖，轴向条51’和轴向沟槽510在感应线圈14水平处沿纵向布置在等离子体限制管26的外表面上。所有轴向条51’在管26的上端电互连。图8示出等离子体焰炬10”，其包括具有轴向条51’和轴向沟槽510的等离子体限制管26。

沿等离子体限制管26外表面的大部分长度或在感应线圈14水平处将形成电容屏蔽层50的传导材料薄膜分割为轴向条51或51’还会显著地改进由感应线圈14产生的rf磁场与等离子体限制管26中的等离子体的耦合，还会显著地减少由电容屏蔽层50引起的磁耦合能量损失，结果，使得焰炬效率相应地增加。

轴向沟槽510减小了等离子体限制管26的壁的厚度，并扩大了传热表面面积，以改进轴向沟槽510的内表面和高速流过环形腔45的冷却流体之间的热交换。更确切地说，由于与轴向沟槽510之间的壁厚度相比，等离子体限制管26的壁厚度在轴向沟槽510的底部较薄，所以沟槽510底部表面与冷却流体之间的热交换较高，导致从等离子体限制管26向高速冷却流体的传热增加。图9和10示出等离子体限制管中的相应温度场模式。

在等离子体限制管26的外表面中机加工的轴向沟槽510还通过允许冷却流体更深地穿入等离子体限定管26的壁中而提供了形成电容屏蔽层50的轴向条51’的传导材料薄膜的更好绝缘。

由于等离子体限制管的材料由高导热性表征，所以流过薄环形腔45及由此在等离子体限制管26外表面中机加工的轴向沟槽510内流动的冷却流体的高速度提供了高传热系数。等离子体限制管26外表面的强烈和有效冷却能够产生较低气体流率和更高功率/能量密度的等离子体。这还在等离子体焰炬的出口处导致较高比焓水平。

为了达到上述功能，等离子体限制管56外表面中的各个沟槽510的宽度可以在1和10mm之间变化，深度可以在1至2mm之间变化，但是不能超过等离子体限制管26的总厚度。

根据另一可能构造，电容屏蔽层50的传导材料薄膜(被分割或没有被分割)被施加成例如沉积在围绕等离子体限制管26并嵌入有感应线圈14的焰炬体12的内表面上。此外，可以在传导材料薄膜的轴向条之间以与上述在等离子体限制管26外表面进行机加工相同的方式在管状焰炬体12的内表面机加工轴向沟槽。在该构造中，电容屏蔽层50的传导材料薄膜同样受益于由在环形腔45中流动的焰炬冷却液体提供的冷却效应，以确保电容屏蔽层50的热保护以及机械和电完整性。此外，除了提供用于将电容屏蔽层50接地以排干在薄膜表面上产生的任何电容式电位的装置，还可提供保持电容屏蔽层50处于浮动电位以用于等离子体点火的装置。

薄膜电容屏蔽层50的功能是避免等离子体与位于等离子体焰炬、等离子体焰炬的出口喷嘴和/或安装有等离子体焰炬的反应堆装置中的金属部件之间的流浪电弧。电容屏蔽层50还能够将多个粉末注射探针42引入焰炬内部空腔13中(如图3和4所示)以使粉末材料更好地分散进等离子体放电。

例如，薄膜电容屏蔽层50避免感应线圈14与粉末注射探针42之间的可能的电弧放电，与探针居中地并同轴地位于焰炬中的情况(如图2所示)相比，粉末注射探针42可放置成更靠近等离子体限制管26的内壁。

在感应线圈14完全嵌入焰炬体12材料中时，感应线圈14和等离子体限制管26之间的空间可被精确地控制以提高感应线圈14和等离子体之间的能量耦合效率。这还使得能精确控制环形腔45的厚度，而没有任何由感应线圈14产生的干扰，通过将焰炬体12的内表面和等离子体限制管26的外表面机加工至低公差来获得该控制。

等离子体限制管26的质量与高导热性、高电阻率和高抗热冲击性的要求密切相关。本公开不局限于使用陶瓷材料，而还包含使用其它或者纯的或者复合的材料，只要它们满足上述严格要求即可。例如，氮化硼、氮化铝或氧化铝复合材料构成可能的替代例。

环形腔45的小厚度(约1mm)有助于增加流过薄环形腔45并由此在等离子体限制管26的外表面或管状焰炬体的内表面范围内流动以相应地达到高传热系数的冷却流体的速度。更确切地说，冷却流体的质量及其在等离子体限制管26的外表面范围内的速度选择成实施对该管26的有效冷却，并保护管免受高热通量(管因等离子体而暴露于高热通量)的影响。

尽管上述描述已描述了非限制的说明性实施例，但是在不脱离本公开的精神和本性的情况下，可以在所附权利要求范围内修改这些实施例。