脈衝射頻雙重點火的等離子體點火槍的製作方法

2023-10-17 03:32:29 1

專利名稱：脈衝射頻雙重點火的等離子體點火槍的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種脈衝射頻雙重點火的等離子體點火槍，尤其涉及ー種點火速度快，火焰穩定的脈衝射頻雙重點火的等離子體點火槍，屬於等離子體發生器技術領域。
背景技術：
目前，在大氣壓條件下能夠產生的等離子體有兩種，一種是熱等離子體，其特徵是氣體溫度往往很高，大約10000K量級，主要用於等離子體噴塗、切割、焊接、廢物處理、材料表面加工等領域。另ー種是冷等離子體，其特徵是氣體溫度很低(接近室溫)，但電子溫度很高，因此具有很高的化學活性，屬於非平衡等離子體。但是，常溫常壓下，將空氣電離以產生等離子體需要的電壓較大，通常需要幾千伏的高壓。而採用現有技術中的升壓電路，要產生這麼高的電壓，則需要器件的耐壓性較高。

發明內容
本發明的目的在於提供ー種基於脈衝射頻雙重點火的等離子體點火槍，其可以進遠程控制，且升壓電路中能夠採用耐壓較低元器件，等離子點火速度快，火焰穩定。為實現所述發明目的，本發明提供一種脈衝射頻雙重點火的等離子體點火槍，所述點火槍包括柱狀的內電極I、筒狀的外電極2、絕緣套筒3、高壓脈衝電源5、高壓射頻電源16、高頻線圈15和控制系統6，其中，所述柱狀的內電極I固定於絕緣套筒3的中心通孔上以將柱狀的內電極I設置於筒狀的外電極2中心軸線上並與外電極絕緣，所述的高壓脈衝電源5的兩輸出端分別接於內電極I和外電極2上，以給內電極I和外電極2之間提供一高壓脈衝電源以電離內電極I和外電極2之間的腔體內的空氣，所述的高頻線圈纏繞在外電極上，高頻線圈的兩端接高壓射頻電源16的兩輸出端以繼續電離內電極I和外電極2之間的腔體內的空氣，高壓脈衝電源5包括η級級連的充放電單元，每級充放電單元包括第一電子開關以及依次相連的第一電感、電容和第二電感，第一電子開關的第一端接第一電感的第二端和電容的第一端相連的節點，第一電子開關的第二端連接第二電感的第二端，第一電子開關的控制端連接控制系統，電容的第二端與第二電感的第一端相連接，高壓脈衝電源5還包括第二電子開關，第二電子開關的第一端接直流輸入電壓U的正極輸出端，第ニ電子開關的第二端接充放電単元的第一級的第一電感的第一端，第二電子開關的控制端連接控制系統，直流輸入電壓U的負極輸出端接充放電単元的第二電感的第二端，所述η為大於或者等於2的整數。優選地，所述的第一、第二電子開關為電晶體、場效應管或者可控矽。與現有技術相比，本發明提供的遠程控制的等離子體點火槍，可通過控制器軟體編程控制高壓射頻電源輸出任意電壓值，具有系統通用性。利用高壓脈衝產生等離子體，等離子點火速度快，利用高壓射頻使腔體內的等離子體流溫度升高，等離子體火焰穩定。


圖I是本發明提供的脈衝射頻率雙重點火的等離子體點火槍的示意圖；圖2是本發明提供的高壓直流電源的示意圖；圖3是本發明提供的高壓直流電源ー種情況下的瞬時電壓的波形圖；圖4是本發明提供的高壓直流電源另一種情況下的瞬時電壓的波形圖；圖5是本發明提供的高壓脈衝電源的示意圖；圖6是本發明提供的高壓脈衝電源給電容充電時的電路示意圖；圖7是本發明提供的高壓脈衝電源產生瞬時高電壓的電路示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發明。相同的附圖標記表示相同的部件。圖I是本發明提供的脈衝射頻率雙重點火的等離子體點火槍的示意圖。如圖I所示，所述點火槍包括柱狀的內電極I、筒狀的外電極2、絕緣套筒3、高壓脈衝電源5、高壓射頻電源16、高頻線圈15、控制系統6和人機接ロ 14，其中，所述柱狀的內電極I固定於絕緣套筒3的中心通孔上以將柱狀的內電極I設置於筒狀的外電極2中心軸線上並與外電極絕緣，所述的高壓脈衝電源5的兩輸出端分別接於內電極I和外電極2上，以給內電極I和外電極2之間提供一高壓脈衝電源以電離內電極I和外電極2之間所形成的腔體內的空氣，所述的高頻線圈纏繞在外電極2上，高頻線圈的兩端接高壓射頻電源16的輸出端。外電極下端具有用於將高溫等離子體流噴出腔體的噴嘴，以點燃可燃物質，如煤、油、混合氣等。所述的高壓射頻電源16包括頻率合成器10、射頻放大器11、匹配調諧器12、耦合輸出器13以及高壓直流電源9，其中，頻率合成器10用於產生一高頻小信號，射頻放大器11用於將高頻小信號進行功率放大，匹配調諧器12用於調諧及阻抗變換以使射頻放大器11輸出的高頻大功率信號的工作頻率與高頻小信號的工作頻率相等並將耦合輸出器13的輸入阻抗變換為射頻放大器11輸出最大功率時阻抗，耦合輸出器13將高頻大功率信號耦合到高頻線圈15上以進ー步使電極I和外電極2之間的腔體內的離子進行高頻振蕩以使等離子體內的溫度進ー步升高。高壓直流電源用於給射頻放大器11和頻率合成器10提供電能，該直流電能的輸出電壓可根據用戶需要通過遠程編程的方式進行設定。用戶通過人機接ロ 14設定控制系統6。控制系統6分別根據採集頻率合成器10、射頻放大器11、匹配調諧器12或者耦合輸出器13的輸出的信號來控制它們的工作狀態。圖2是本發明提供的高壓直流電源的示意圖。如圖2所示，所述高壓直流電源5包括η級直流電壓單元Md、M1, Mf和Mn, η = Ν+1,各直流電壓單元通過N個續流線圈LQ1、L12、L23...級聯，控制系統6能夠遠程控制各直流電壓單元的通斷以給內電極和外電極施加所需要的高壓直流電能，所述η為大於或者等於4的整數。所述外電極2的上設置有通風管4，以將空氣、水汽等注入到內、外電極之間所形成的腔室內。所述的控制系統6包括一個控制器7和η個光發射器OTtl, OT1, OT2...和0ΤΝ，N =η-1。所述的高壓直流電源9還包括變壓器和η個光接收器0ル、OR1, OR2- 0RN，所述變壓器包括一個初級線圈和η個次級線圈，以將220伏交流エ頻電壓變換為所需要的交流電壓。所述的光發射器將控制器輸出的控制信號轉換成光信號以通過光纖傳輸到對應的光接收器。所述的光接收器接收對應的光發射器發射的光信號並將接收的光信號轉換成控制驅動級的電信號以此實現處於懸浮電壓之上的各級直流単元與低電平控制部分的高電壓隔離。
更具體地說，第一個直流電壓單元Mtl包括變壓器次級的第一個線圈U、ー個整流器ル、一個續流ニ極管Dtl、一個電子開關和ー個驅動級Ptl,電子開關為CMOS管CMOStl,所述整流器Rtl的正極連接於變壓器次級的第一個線圈Ltl的第一端，整流器R0的負極連接到續流ニ極管的負極；續流ニ極管Dtl的正極連接到CMOS管CMOStl的漏極，CMOS管CMOStl的源極連接到變壓器次級的第一個線圈Ltl的第二端，CMOS管CMOStl的柵極連接到驅動級Ptl,由驅動級Ptl根據光接收器ORtl所接收的控制器7所發出的控制指令控制CMOS管CMOStl的通斷。CMOS管CMOStl工作於開關狀態，當CMOS管CMOStl的柵極輸入一個高電位時，CMOS管CMOStl導通，第一個線圈Ltl的第二端相當於接到續流ニ極管Dtl的正扱。整流器Rtl將第一個線圈L0輸出的交流電壓Utl整流為直流電壓U00續流ニ極管Dtl兩端的電壓為Utl，上端為正，下端為負。當CMOS管CMOStl的柵極輸入ー個低電位吋，CMOS管CMOStl截止。續流ニ極管Dtl兩端的電壓為ニ極管結電壓。同理，第二個直流電壓單元M1包括變壓器次級的第二個線圈L1、ー個整流器R1、一個續流ニ極管D1、一個電子開關和ー個驅動級P1,電子開關為CMOS管CMOS1,所述整流器R1的正極連接於變壓器次級的第二個線圈L1的第一端，整流器R1的負極連接到續流ニ極管 的負極；續流ニ極管D1的正極連接到CMOS管CMOS1的漏極，CMOS管CMOS1的源極連接到變壓器次級的第二個線圈L1的第二端，CMOS管CMOS1的柵極連接到驅動級P1,由驅動級P1根據光接收器OR1所接收的控制器7所發出的控制指令控制CMOS管CMOS1的通斷。CMOS管CMOS1工作於開關狀態，當CMOS管CMOS1的柵極輸入一個高電位時，CMOS管CMOS1導通，第ニ個線圈L1的第二端相當於接到續流ニ極管D1的正扱。整流器R1將第二個線圈L1輸出的交流電壓U1整流轉換為直流電壓U10續流ニ極管D1兩端的電壓為U」上端為正，下端為負。當CMOS管CMOS1的柵極輸入ー個低電位吋，CMOS管CMOS1截止。續流ニ極管D1兩端的電壓為ニ極管結電壓。第三個直流電壓單元M2包括變壓器次級的第二個線圈L2、ー個整流器R2、一個續流ニ極管D2、一個電子開關和ー個驅動級P2,電子開關為CMOS管CMOS2,所述整流器R2的正極連接於變壓器次級的第三個線圈L2的第一端，整流器R2的負極連接到續流ニ極管的負極；續流ニ極管D2的正極連接到CMOS管CMOS2的漏極，CMOS管CMOS2的源極連接到變壓器次級的第三個線圈L2的第二端，CMOS管CMOS2的柵極連接到驅動級P2,由驅動級P2根據光接收器OR2所接收的控制器7所發出的控制指令控制CMOS管CMOS2的通斷。CMOS管CMOS2工作於開關狀態，當CMOS管CMOS2的柵極輸入一個高電位吋，CMOS管CMOS2導通，第三個線圈L2的第二端相當於接到續流ニ極管D2的正扱。整流器R2將第三個線圈L2輸出的交流電壓4轉換直流電壓U2伏。續流ニ極管D1兩端的電壓為U2，上端為正，下端為負。當CMOS管CMOStl的柵極輸入一個低電位吋，CMOS管CMOS2截止。續流ニ極管D2兩端的電壓為ニ極管結電壓。依次類推，第η個直流電壓單元Mn包括變壓器次級的第η個線圈Ln、ー個整流器Rn、一個續流ニ極管Dn、一個電子開關和ー個驅動級ΡΝ，電子開關為CMOS管CMOSn,所述整流器Rn的正極連接於變壓器次級的第η個線圈Ln的第一端，整流器Rn的負極連接到續流ニ極管的負極；續流ニ極管Dn的正極連接到CMOS管CMOSn的漏極，CMOS管CMOSn的源極連接到變壓器次級的第η個線圈Ln的第二端，CMOS管CMOSn的柵極連接到驅動級PN，由驅動級Pn根據光接收器ORn所接收的控制器7所發出的控制指令控制CMOS管CMOSn的通斷。MOS管CMOSn工作於開關狀態，當CMOS管CMOSn的柵極輸入一個高電位吋，CMOS管CMOSn導通，第η個線圈Ln的第二端相當於接到續流ニ極管Dn的正扱。整流器Rn將第η個線圈Ln輸出的交流電壓％轉換直流電壓Un伏。續流ニ極管Dn兩端的電壓為Un，上端為正，下端為負。當CMOS管CMOSn的柵極輸入ー個低電位吋，CMOS管CMOSn截止。續流ニ極管Dn兩端的電壓為
ニ極管結電壓。第I個直流電壓單元Mtl與第2個直流電壓單元M1之間用續流線圈Ltll連接，即續流線圈Ltll連接於續流ニ極管Dtl的負極和續流ニ極管D1的正極之間；第2個直流電壓單元M1與第3個直流電壓單元M2之間用續流線圈L12連接，即續流線圈L12連接於續流ニ極管D1的負極和續流ニ極管D2的正極之間，依次類推，第3個直流電壓單元M2與第4個直流電壓單元M3之間用續流線圈L23相連接。如此，如果每個直流電壓單元凡、Mp M2、…和Mn的電子開關均同時導通的情況下，高壓直流電源9總的輸出總電壓為U總=^隊+…+隊。高壓直流電源9還包括濾波電感L和濾波電容C，以將濾除U&中的開關頻率成分。 本發明提供的等離子點火槍，在時鐘脈衝控制下，控制系統6經過取樣電路(電阻分壓)得到的輸出電壓樣值與參考信號的電壓進行比較，採樣電壓小於設定電壓時，控制器發出指令，開啟ー個直流電壓單元，使高壓直流電源輸出電壓升高；在下一個時鐘周期，如果採樣電壓仍小於參考信號電壓，控制器發出指令，再開啟ー個直流電壓單元，繼續使高壓電源輸出電壓升高；直到採樣電壓大於設定電壓，控制器發出指令，關閉ー個直流単元，使高壓電源輸出電壓降低，直到採樣電壓等於設定電壓。本發明提供的等離子點火槍，還能夠在時鐘脈衝控制下，控制系統6使其中一部分直流電壓單元(假如總直流電壓單元為12，即η = 12的情況下)，如使凡、Μ^··和M5在一個時鐘周期T的第一個時間段[t1; t2]工作，使其中另一部分直流電壓單元Μ5、Μ^·4ΡΜη在一個時鐘周期T的第二個時間段[t2，t3]エ作，其中，t3-t2 = t2-t1； t3-t! = T，則在每一級的輸出電壓都相同的情況下，高壓電源的輸
出電壓約為%。如圖3所示，本發明提供的等離子點火槍，還能夠在時鐘脈衝控制下，控制
系統6使其中一部分直流電壓單元(，如MciJ1和M5在ー個周期T的第一個時鐘段[t1;t2]前半段時間工作，在第一個時間時鐘段[t1;t2]後半段時間截止；使其中另一部分直流電壓單元Μ5、Μ^··Μη在ー個周期T的第二個時間段[t2，t3]前半段時間時鐘工作，在第二個時間段[t2, t3]的後半段時間時鐘截止，其中，t3-t2 = t2-t1； t3-ti = T,則在姆一級的輸出電壓
都相同的情況下，高壓電源的輸出電壓約為I。如果控制系統6使其中一部分直流電壓單元(假如總直流電壓單元為12，即η =12的情況下)，如凡為…和M3在ー個周期T的第一個時間段[t1;t2]工作，使其中第二部分直流電壓單元M4、Mf和M7在ー個周期的第二個時間段[t2，t3]工作，使其中第三部分直流電壓單元M8、M9…和M11在ー個周期T的第三個時間段[t3, t4]工作，其中，t4-t3 = t3-t2 =
Vt17Vt1 = τ，則在每一級的輸出電壓都相同的情況下，高壓電源的輸出電壓約為I。如
圖4所示，本發明提供的等離子點火槍，還能夠在時鐘脈衝控制下，控制系統6使其中一部分直流電壓單元，如MciJ1和M3在ー個周期T的第一個時間段[t1;t2]前半時間段內工作，在第一個時間段[t1;t2]後半時間段內截止；使其中第二部分直流電壓單元M4、Mf和M7在ー個周期的第二個時間段[t2，t3]的前半時間段內工作，在第二個時間段[t2，t3]的後半時間段內截止；使其中第三部分直流電壓單元M8、MfM11在ー個周期T的第三個時間段[t3，t4]前半時間段內工作，在第二個時間段[t3，t4]的後半時間段內截止，其中，t4_t3 = t3_t2
=t2-t1； t4-ti = T，則在每一級的輸出電壓都相同的情況下，高壓電源的輸出電壓約為~。本發明提供的等離子點火槍，對直流電壓單元的開關控制遵循以下規則需要開啟ー個直流電壓單元時，總是開啟處於關閉狀態的時間最久的那個直流電壓單元；需要關閉ー個直流電壓單元時，總是關閉處於開啟狀態的時間最久的那個直流電壓單元。這樣的開關控制規則帶來兩個好處(I)每個開關模塊工作時間區域均等，等效負荷均衡；(2)對一定的時鐘脈衝頻率，每個直流電壓單元的電子開關的開關頻率大幅度降低。以直流參考信號為例，如果時鐘脈衝頻率為f，高壓電源由η個直流電壓單元構成，則每個直流電壓單元電子開關的實際開關頻率為f/n。本發明中在高壓直流電源中引入續流ニ極管，使得各個直流電壓單元的電子開關可以獨立控制，無需同時導通或截止。某個直流単元的電子開關導通時，其輸出電壓是串聯 接入；電子開關截止吋，其它直流単元通過續流ニ極管向外電路輸出電壓(電流)，即續流ニ極管的作用是在電子開關的截止狀態，提供電流通路。續流線圈的作用是抑制電子開關導通或截止瞬間的暫態脈衝幹擾；另ー方面，所有續流線圈的等效自感係數，也參與構成後級濾波電路。如此，我們可以根據需要通過控制器設置所需要的高壓電源。同時採用直流電壓單元相串聯的形成以形成所需要的高壓，則每級直流電壓單元的元器件不需要耐壓值很高，即可完成升壓變換。圖5是本發明提供的高壓脈衝電源的示意圖。如圖5所示，高壓脈衝電源5包括級連的N級充放電單元。第一級充放電單元包括電子開關T1和依次相連的電感Ln、電容C1和電感L12,電子開關T1的第一端連接到電感L11的第二端和電容C1的第一端相連的節點，電子開關T1的第二端連接到電感L12的第二端和變壓器次級相連的節點，電子開關T1的控制端連接到控制系統6。電容C1的第二端和電感L12的第一端相連。第二級充放電單元包括電子開關T2和依次相連的電感L21、電容C2和電感L22,電子開關T2的第一端連接到電感L21的第二端和電容C2的第一端相連的節點，電子開關T2的第二端連接到電感L22的第二端和電感L12的第一端相連的節點，電子開關T2的控制端連接到控制系統6。電容C2的第二端和電感L22的第一端相連。依次類推，第η級充放電單元包括電子開關Tn和依次相連的電感Lni、電容Cn和電感LN2，電子開關Tn的第一端連接到電感Lni的第二端和電容Cn的第一端相連的節點，電子開關Tn的第二端連接到電感Ln2的第二端，電子開關ム的控制端連接到控制系統6。電容Cn的第二端和電感Ln2的第一端相連。高壓脈衝電源5還包括電子開關1\6，電子開關T,6的第一端接直流輸入電壓U的正極輸出端，電子開關T,6的第二端接充放電単元的第一級的電感L11的第一端，電子開關的控制端連接到控制系統6。本發明提供的直流輸入電壓U是通過將220伏交流エ頻電壓經變器tr變壓為所需要的交流電壓，而後經ニ級管D整流，經電容C,6濾波得到的。圖6是本發明提供的高壓脈衝電源給電容充電時的示意圖。如圖6所示，充電吋，控制系統發出控制指令，使電子開關導通，電子開關T1. T2,…和Tn同時截止，電壓U同時給電容C1. C2、…和Cn，電容C1. C2、…和Cn兩端的充電電壓均為U。圖7是本發明提供的高壓脈衝電源產生瞬時高電壓電路示意圖。如圖7所示，放電時，控制系統發出控制指令，使電子開關T,6截止，電子開關VT2、…和Tn同時導通，則電容C1Xp…和Cn兩端的充電電壓瞬時疊加，總電壓為nU，該電壓給內電極I和外電極2之間提供一瞬時高電壓以電離內電極I和外電極2之間的腔體內的空氣。可選地，電子開關可以為CMOS管、電晶體或可控矽。由於本發明提供的高壓射頻電源可以通過控制器軟體編程其輸出任意電壓值，所 以等離子體點火槍的火焰溫度可以根據需要進行設定。而產生高電壓的直流和脈衝電源是通過多級級聯而成的，故可以採用耐壓值較低的元器件來完成低電壓到高電壓的變換。雖然以上已結合附圖對按照本發明目的的構思和實例作了詳盡說明，但本領域技術人員應當認識到，在沒有脫離本發明構思的前提下，任何基於本發明作出的改進和變換仍然屬於本發明保護範圍內的內容。
權利要求
1.一種脈衝射頻雙重點火的等離子體點火槍，所述點火槍包括柱狀的內電極(I)、筒狀的外電極(2)、絕緣套筒(3)、高壓脈衝電源(5)、高壓射頻電源(16)、高頻線圈(15)和控制系統(6)，其中，所述柱狀的內電極(I)固定於絕緣套筒(3)的中心通孔上以將柱狀的內電極(I)設置於筒狀的外電極(2)中心軸線上並與外電極絕緣，所述的高壓脈衝電源(5)的兩輸出端分別接於內電極(I)和外電極⑵上，以給內電極⑴和外電極⑵之間提供一高壓脈衝電源以電離內電極(I)和外電極⑵之間的腔體內的空氣，所述的高頻線圈纏繞在外電極上，高頻線圈的兩端接高壓射頻電源(16)的兩輸出端，其特徵在於，高壓脈衝電源(5)包括η級級連的充放電単元，每級充放電單元包括第一電子開關以及依次相連的第一電感、電容和第二電感，第一電子開關的第一端接第一電感的第二端和電容的第一端相連的節點，第一電子開關的第二端連接第二電感的第二端，第一電子開關的控制端連接控制系統，電容的第二端與第二電感的第一端相連，高壓脈衝電源(5)還包括第二電子開關，第二電子開關的第一端接直流輸入電壓U的正極輸出端，第二電子開關的第二端接充放電単元的第一級的第一電感的第一端，第二電子開關的控制端接控制系統，直流輸入電壓U的負極輸出端接充放電単元的第二電感的第二端，所述η為大於或者等於2的整數。
2.根據權利要求I所述的等離子體點火槍，其特徵在於，所述的第一、第二電子開關為電晶體、場效應管或者可控矽。
全文摘要
本發明提供一種脈衝射頻雙重點火的等離子體點火槍，屬於等離子產生技術領域。所述點火槍包括柱狀的內電極(1)、筒狀的外電極(2)、絕緣套筒(3)、高壓脈衝電源(5)、高壓射頻電源(16)、高頻線圈(15)和控制系統(6)，其中，所述柱狀的內電極(1)固定於絕緣套筒(3)的中心通孔上以將柱狀的內電極(1)設置於筒狀的外電極(2)中心軸線上並與外電極絕緣，所述的高壓脈衝電源(5)的兩輸出端分別接於內電極(1)和外電極(2)上，以給內電極(1)和外電極(2)之間提供一高壓脈衝電源以電離內電極(1)和外電極(2)之間的腔體內的空氣，所述的高頻線圈纏繞在外電極上，高頻線圈的兩端接高壓射頻電源(16)的兩輸出端。本發明可以進行遠程控制，且升壓電路中能夠採用耐壓較低的元器件，點火速度快，火焰穩定。
文檔編號H05H1/30GK102695356SQ20121008890
公開日2012年9月26日 申請日期2012年3月30日 優先權日2012年3月30日
發明者舒小明 申請人:馬鞍山市同力液壓設備製造有限公司