具有更高等离子体能量密度的感应式等离子体喷枪制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有更高等离子体能量密度的感应式等离子体喷枪
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。
技术介绍
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。在使用感应式等离子体喷枪(例如图1中的感应式等离子体喷枪100)时遇到的另一个问题是，在感应式等离子体喷枪100的(a)等离子体气体放电区110和(b)出口喷嘴(图1中未示出)和/或其上安装有感应式等离子体喷枪100的反应器(图1中未示出)的主体之间产生杂散电弧。因此，需要在增加等离子体能量密度的同时实质性地减少感应式等离子体喷枪中的杂散电弧(如果不能消除的话)。
技术实现思路
根据本公开，提供了一种感应式等离子体喷枪，其包括：具有上游段和下游段的管状喷枪主体，所述上游段和所述下游段限定相应的内表面。等离子体约束管布置在管状喷枪主体内，与管状喷枪主体同轴，并具有内径恒定的内表面和外表面。等离子体约束管具有厚度在等离子体约束管的至少一段上沿等离子体流的轴向逐渐减小的管状壁。一管状插入件安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上，该管状插入件具有内表面。在(a)管状喷枪主体的上游段的内表面和管状插入件的内表面与(b)等离子体约束管的外表面之间限定一环状通道，该环状通道配置为导引用于冷却等离子体约束管的冷却流体。根据本公开，还提供了一种感应式等离子体喷枪，其包括具有上游段、中央段和下游段的管状喷枪主体，所述上游段，中央段和下游段限定相应的内表面。等离子体约束管布置在管状喷枪主体内，与管状喷枪主体同轴，并具有内径恒定的内表面和外表面。等离子体约束管具有厚度在等离子体约束管的至少一段上沿等离子体流的轴向逐渐减小的管状壁。一管状插入件安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上，该管状插入件具有内表面。在(a)管状喷枪主体的上游段的内表面、管状喷枪主体的中央段的内表面和管状插入件的内表面与(b)等离子体约束管的外表面之间限定一环状通道，该环状通道配置为导引用于冷却等离子体约束管的冷却流体。根据本公开，还提供了一种从上述感应式等离子体喷枪移除等离子体约束管的方法，该方法包括将等离子体约束管和管状插入件沿等离子体流的轴向从管状喷枪主体同时拉出。所述的从感应式等离子体喷枪移除等离子体约束管的方法可包括：在将等离子体约束管和管状插入件沿等离子体流的轴向从管状喷枪主体同时拉出之前，移除安装到管状喷枪主体的下游端的环状等离子体出口喷嘴；以及拆卸由包围等离子体约束管的至少两个互补段构成的管状插入件，管状插入件的拆卸包括将所述的至少两个互补段彼此分开。本公开还涉及一种将等离子体约束管安装在上述感应式等离子体喷枪上的方法，该方法包括将等离子体约束管和管状插入件同时沿与等离子体流的方向相反的轴向方向引入到管状喷枪主体中。所述的将等离子体约束管安装在感应式等离子体喷枪上的方法可包括：组装由所述的包围等离子体约束管的至少两个互补段构成的管状插入件，所述管状插入件的组装包括将所述的至少两个互补段在等离子体约束管的周围组装在一起；以及将环状等离子体出口喷嘴安装到管状喷枪主体的下游端，以将等离子体约束管和管状插入件定位并保持在管状喷枪主体中。本专利技术还涉及一种用于感应式等离子体喷枪的管状喷枪主体，其包括内壁和内电容屏蔽层，该内电容屏蔽层包括嵌入在管状喷枪主体的内壁中的一层导电材料。这层导电材料层被分割成轴向条，并限定用于互连所述轴向条的上游端的环。所述电容屏蔽层与管状喷枪主体的内壁一起加工，以露出导电材料层，并产生管状喷枪主体的内壁的光滑表面。通过阅读下文中参照附图给出的示例性实施方式的非限定性说明，本专利技术的上述和其它特征将将变得更加明显。附图说明下面将参照附图示例性地说明本公开的一些实施方式，在附图中：图1是感应式等离子体喷枪的一个实例的示意图；图2是一种实施方式的具有管状插入件的感应式等离子体喷枪的正立面截面图；图3是图2的感应式等离子体喷枪的等离子体约束管和管状插入件的透视局部剖视图；图4是另一种实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种感应式等离子体喷枪，包括：具有上游段和下游段的管状喷枪主体，所述上游段和所述下游段限定相应的内表面；等离子体约束管，该等离子体约束管布置在管状喷枪主体内，与管状喷枪主体同轴，并具有内径恒定的内表面和外表面，其中，该等离子体约束管具有厚度在等离子体约束管的至少一段上沿等离子体流的轴向逐渐变细的管状壁；安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上的管状插入件，该管状插入件具有内表面；和限定在(a)管状喷枪主体的上游段的内表面和管状插入件的内表面与(b)等离子体约束管的外表面之间的环状通道，该环状通道配置为导引用于冷却等离子体约束管的冷却流体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.06.29 US 62/185,7991.一种感应式等离子体喷枪，包括：具有上游段和下游段的管状喷枪主体，所述上游段和所述下游段限定相应的内表面；等离子体约束管，该等离子体约束管布置在管状喷枪主体内，与管状喷枪主体同轴，并具有内径恒定的内表面和外表面，其中，该等离子体约束管具有厚度在等离子体约束管的至少一段上沿等离子体流的轴向逐渐变细的管状壁；安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上的管状插入件，该管状插入件具有内表面；和限定在(a)管状喷枪主体的上游段的内表面和管状插入件的内表面与(b)等离子体约束管的外表面之间的环状通道，该环状通道配置为导引用于冷却等离子体约束管的冷却流体。2.如权利要求1所述的感应式等离子体喷枪，包括嵌入在管状喷枪主体内的感应耦合件，该感应耦合件用于向存在于等离子体约束管中的等离子体气体施加能量，以产生和维持等离子体。3.如权利要求2所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述感应耦合件包括同轴线圈，并且其中所述等离子体约束管的管状壁的厚度在该同轴线圈的区域中逐渐减小。4.如权利要求1至3中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述管状喷枪主体的上游段的内表面，所述管状插入件的内表面、以及所述等离子体约束管的外表面配置为限定所述具有恒定厚度的环状通道。5.如权利要求1至4中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述管状喷枪主体包括位于所述上游段的内表面与所述下游段的内表面之间的环状肩部，并且其中所述管状插入件包括抵接该环状肩部的上游端。6.如权利要求1至5中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中：所述等离子体约束管限定上游圆筒状外表面部、中央截锥状外表面部、以及下游圆筒状外表面部；和所述管状喷枪主体的上游段的内表面是圆筒状的，并面向等离子体约束管的所述上游圆筒状外表面部；和所述管状插入件的内表面包括面向等离子体约束管的中央截锥状外表面部的上游截锥状表面部、以及面向等离子体约束管的下游圆筒状外表面部的下游圆筒状表面部。7.如权利要求1至6中任一项所述的感应式等离子体喷枪，包括内电容屏蔽层，该内电容屏蔽层包括布置在管状喷枪主体的内壁上的导电材料层，其中，所述导电材料层分割成轴向条，并且限定用于互连所述轴向条的上游端的环。8.如权利要求7所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述电容屏蔽层嵌入到管状喷枪主体的内壁中。9.如权利要求7所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述导电材料层包括由所述导电材料构成的管。10.一种感应式等离子体喷枪，包括：具有上游段、中央段和下游段的管状喷枪主体，所述上游段、中央段和下游段限定相应的内表面；等离子体约束管，该等离子体约束管布置在管状喷枪主体内，与管状喷枪主体同轴，并具有内径恒定的内表面和外表面，其中，该等离子体约束管具有厚度在等离子体约束管的至少一段上沿等离子体流的轴向逐渐变细的管状壁；安装到管状喷枪主体的下游段的内表面上的管状插入件，该管状插入件具有内表面；和限定在(a)管状喷枪主体的上游段的内表面、管状喷枪主体的中央段的内表面和管状插入件的内表面与(b)等离子体约束管的外表面之间的环状通道，该环状通道配置为导引用于冷却等离子体约束管的冷却流体。11.如权利要求10所述的感应式等离子体喷枪，包括嵌入在管状喷枪主体内的感应耦合件，该感应耦合件用于向存在于等离子体约束管中的等离子体气体施加能量，以产生和维持等离子体。12.如权利要求11所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述感应耦合件包括同轴线圈，并且其中所述等离子体约束管的管状壁的厚度在该同轴线圈的区域中逐渐减小。13.如权利要求10至12中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述管状喷枪主体的上游段的内表面、所述管状喷枪主体的中央段的内表面、所述管状插入件的内表面、以及所述等离子体约束管的外表面配置为限定所述具有恒定厚度的环状通道。14.如权利要求10至13中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中，所述管状喷枪主体包括位于所述中央段的内表面与所述下游段的内表面之间的环状肩部，并且其中所述管状插入件包括抵接该环状肩部的上游端。15.如权利要求10至14中任一项所述的感应式等离子体喷枪，其中：所述等离子体约束管限定上游圆筒状外表面部、中央截锥状外表面部、以及下游圆筒状外表面部；和所述管状喷枪主体的上游段的内表面是圆筒状的，所述管...

【专利技术属性】
技术研发人员：MI布洛斯，JW尤雷维茨，N迪格纳尔德，A奥杰，S特伦德，
申请(专利权)人：泰克纳等离子系统公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA