具有水冷卻陶瓷密封管的高效感應等離子炬的製作方法
2023-04-29 15:56:06
專利名稱：具有水冷卻陶瓷密封管的高效感應等離子炬的製作方法
技術領域：
本發明涉及感應等離子炬領域，尤其關係到使用由陶瓷材料製造的等離子密封管和通過流入包圍該管外表面的薄環形腔中的高速流體進行冷卻而改進性能的等離子炬。
在60年代初期，感應等離子炬已眾所周知，雖在過去30多年中它們的基本設計實質上已改進，例如在1967年3月15日公開在英國專利號1061956(cleaver)，註明日期為1972年9月26日的美國專利號3694618(Poole等人)和1973年10月2日的美國專利號3763392(Hollister)中所述的現有等離子炬的設計。其感應等離子炬的基本原理是應用4～6圈的感應線圈，將耦合能引入等離子體中。氣體分配頭用於產生合適的流型進入產生等離子的區域，這對於穩定被封閉在由石英製成的管子中的等離子體，保持等離子體在線圈的中心和保護等離子密封管，防備由於高熱負載等離子體而損害是必要的。相對於高功率範圍(約5～10千瓦)需要附加冷卻以保護等離子密封管，這通常通過主管的外表面上流動的去離子水來獲得。
已作出許多努力改進對等離子密封管的保護，這些方案涉及到使用(a)一種屏蔽的弓形金屬壁插入等離子密封管中[1984年2月14日授予專利的美國專利4431901(Hull)]。(b)多孔性陶瓷壓縮等離子密封管[1989年67，929-936加拿大雜誌，化學，英文(Can.J.Chem.Eng.)J.Mostaghimi，M.Dostie，和J.Jurewicg的「具有多孔性陶瓷壁的RF感應等離子炬的研究」]和(C)輻射冷卻陶瓷等離子密封管[P.S.C.VanderPlas和L.deGalan，「使用每分鐘1升氬的ICP-AES輻射冷卻炬」SpectrochemicaActa，39B，1161-1169(1984)和P.S.CVanderplas和L.deGalan「關於應用在非-冷卻低流量ICP炬中的陶瓷材料的評述」SpectrochemicaActa，42B，1250-1216(1987)]這些嘗試每個都有它們各自局限性的缺點。
使用弓形金屬壁插入的方法，改進了等離子密封管的保護，但存在實質上減少等離子炬總能量效率的缺點。
人們已發現，由多孔性陶瓷材料製成的等離子密封管僅能提供有限的保護。
關於輻射冷卻密封管，它們的陶瓷材料必須經得住相對高的工作溫度，顯示出極好的抗熱衝擊性能，必須不吸收RF(無線電頻率)場，而很多陶瓷材料是不能滿足一個或每個這些嚴格要求的。
故本發明的目的是為了消除上述現有技術的缺點。
本發明另一目的是改進由陶瓷材料製成的等離子密封管的保護。
本發明第三個目的是提供一種由陶瓷材料製成的密封管的等離子炬，和通過流入環繞密封管外表面的具有一定厚度的薄膜環形腔中的高速冷卻流體，來冷卻該等離子密封管。
更準確地說，根據本發明所提供的感應等離子炬包括有一個第一直徑的圓柱形內表面的管狀炬體;
一個等離子密封管(a)由高熱傳導性的陶瓷材料製成，(b)包括一個第一端部，一個第二端部和一個圓柱形的外表面，它的第二直徑稍小於第一直徑，該等離子密封管裝在管狀炬體內，其圓柱形的內外表面是同軸的，從而在內外表之間限定了一個均勻厚度的薄環形的腔體;
在等離子密封管第一端部的炬體上安裝一氣體分配頭，它至少向密封管中輸入一種氣態物質，該氣態物質通過等離子密封管從它的第一端部流向它的第二端部;
與該圓柱形內、外表面同軸的感應線圈，它設置在薄環形腔的外面，並通有電流，用於將能量感應地施加到流過等離子密封管的氣態物質上，以便在該密封管中產生和維持高溫等離子體;和在薄環形腔中形成高速冷卻液流的裝置，形成密封管的高導熱陶瓷材料和高速流動的冷卻流體，這二個因素都有助於將作用於高溫等離子體加熱的等離子密封管的熱量，高效地傳到冷卻液中，從而有效地冷卻了密封管。
由於等離子密封管的陶瓷材料的特點，在於高的熱傳導性，而流過薄環形腔中的高速冷卻流體提供了合適的冷卻等離子密封管所需要的高熱傳導係數，從而強烈的和有效地冷卻等離子密封管外表面，使得能產生低氣體流量，很高功率和溫度範圍的等離子體，這樣在等離子炬的排氣口處也產生了較高的特定的熱含量範圍。
有利的是，圓柱體的內外表面是機加工成圓柱形表面的，和感應線圈是放在炬體內的。
根據本發明的最佳實施例，(a)該等離子密封管是由純的或複合陶瓷材料，在燒結或粘結的氮化矽，氮化硼，氮化鋁或氧化鋁，或任何它們與各種添加劑和填充料的組合物反應的基礎上製成的，具有高熱傳導性，高電阻率和高抗熱衝擊性，(b)環形腔的厚度約為1毫米，(c)冷卻流體包括水在內，(d)高速冷卻流體平行於圓柱體內外表面的共同軸線。
最好，炬體是由鑄造複合聚合物或鑄造陶瓷製成的，感應線圈整個的裝入其中。
當感應線圈裝入鑄造陶瓷或複合聚合物的炬體中時，該線圈與等離子密封管之間的間隙可以精確的加以控制，以便改進線圈和等離子體之間的能量偶合效果。這樣也能精確的控制環形腔的厚度而不存在任何由於感應線圈而引起的妨礙，該控制可通過炬體的內表面和等離子密封管的外表面機加工到低出差而獲得。
通過閱讀下述不作限制說明的最佳實施例和參照附圖，可更明顯的看到本發明的目的，優點和其他特點。
圖1，是本發明的高效感應等離子炬的縱剖面圖。
在圖1中，本發明的高效感應等離子炬的整體結構用參考數碼1表示。
該等離子炬包括一個由鑄造陶瓷或複合聚合物製成的圓柱形炬體2，一個由水冷卻的銅管制成的感應線圈3，該線圈完全放櫃炬體2內，以確保該線圈的位置穩定性，線圈3的二端頭都伸到炬體2外表面4之外，並相應的連接到一對電接線端子5與6上，通過該接線端子，冷卻水和RF電流可輸到該線圈3中。正如圖所示，炬體2和感應線圈3是圓柱形結構並且是同軸安排的。
等離子體排氣噴咀7是圓柱形的，通過許多螺栓8將其固定到炬體的下端。如圖1所示，噴咀7有一個實質上與炬體2一致的外徑，和一個與由陶瓷材料製成並裝在炬體2中與其同軸的等離子密封管9的內徑一般相同的內徑。噴咀7製成上部呈內直角度10的結構，以便支承密封管9的下端。
氣體分配頭11藉助許多類似螺栓8的螺栓(未表示)固定到炬體2的上部。密封墊13處於炬體2和氣體分配頭11之間，該墊裝有把炬體2和分配頭11之間的接縫密封起來的O形圈，墊13有一個比密封管9外徑稍大些的內徑，以便與分配頭11的下端面形成直角度12而支承管9的上端。
氣體分配頭11還有一個中間管16，在頭11下端面14處形成一個空腔，該腔確定了圓柱形的壁15，其直徑加工成可容納中間16上端的大小。管16比較短，直徑比管9小些，它是圓柱形的並與炬體2，管9和線圈3同軸，從而在中間管16和密封管9之間確定一個圓柱形的腔體17。
氣體分配頭11具有一個中心孔18，通過該孔插入一個管狀的中心粉劑噴入探頭20，該探頭20是細長的並與管9和16、線圈3及炬體2同軸。
粉劑和載運氣體(箭頭21)通過探頭20噴入炬1中。在工藝上正如眾所周知的，由載運氣體輸送並通過中心管噴入的粉劑，形成一種被等離子體熔化或蒸發的材料。
氣體分配頭11包括傳統的導管裝置(未表示)，它適合於在圓柱腔體17中噴入外層氣體(箭頭23)，並且使這種氣體產生軸向流動而蓋住密封管9的內表面。
氣體分配頭11還包括傳統導管裝置(未表示)，它適於在中間管16內噴入中心氣體(箭頭24)和產生切向中心氣流。
相信，有經驗的技術人員可選擇(a)粉劑噴入探頭20和導管裝置(箭頭23，24)的結構，通過它們可以噴入中心氣體和外層氣體，(b)粉劑、載運氣體、外層氣體和中心氣體的種類，(c)製作排氣噴咀7，氣體分配頭11和它的中間管16及墊13的材料。與這些環相應的部分，在本說明書中將不作進一步敘述。
如圖1所示，在炬體2內表面和密封管9外表面之間限定了一個薄的(約1毫米厚)環形腔25，在該腔25中的高速冷卻水流過管9的外表面(如箭頭22所示)，以便冷卻該密封管與等離子體相接觸的內表面。
冷卻水(箭頭29)由進水孔28，通過在分配頭11、墊13和炬體2(如箭頭31所示)中所加工的通道30及通過環形水道裝置32而進入薄環形腔25中，通道30和環形水道裝置32其斷面一般為U形，構成了使冷卻水從通道30傳送到環形腔25的下端，如圖所示，水沿著排氣噴咀7的內表面流動，有效的冷卻了與等離子體所產生的熱相接觸的該內表面。
通過二個在氣體分配頭11中的平行通道34(如箭頭36所示)，冷卻水由薄環形腔25的上端輸送到排水口26(箭頭27)。壁35也製作在二通道34中，以使冷卻水沿分配頭11內表面流動，從而有效地冷卻該內表面。
在操作中，感應耦合等離子體是通過在感應線圈中通以RF電流，在密封管9中產生一個RF磁場而產生的。該作用場在離子化氣體中依據焦耳熱感應渦流，維持穩定的等離子狀態。包括引燃等離子體在內的感應等離子炬的操作，在技術上被認為是公知的，不需要在本說明書中進一步詳述。
該等離子密封管9的陶瓷材料，可以是建立在燒結或粘結的氮化矽、氮化硼，氮化鋁和礬土，或任何它們與各種添加劑和填充料的組合物反應基礎上的純的或複合陶瓷材料。這種陶瓷材料是緻密的，並具有高導熱性，高電阻率，和高耐熱衝擊的特點。
由於等離子密封管9的陶瓷體具有高導熱性，在薄環形腔25中流動的高速冷卻水提供適當冷卻等離子密封管9所需要的和合適的高的熱傳導係數，強烈和有效地冷卻等離子密封管9的外表面，使之能在比通常在包括由石英製成的密封管的標準等離子炬中所要求的氣體流速低，功率高許多情況下，產生等離子體，這樣，在等離子炬排氣口處就可產生較高的特定的氣體熱含量範圍。
人們知道，厚度(≈1毫米)非常小的環形腔25，在增加密封管9外表面上的冷卻水速度方面，和相應地達到所需要的高熱傳導率方面，起了關鍵作用，要達到這種效果，密封管9外表面上的冷卻流體的速度應至少為1米/秒。
感應線圈3整個放入鑄造陶瓷或複合聚合物的炬體2中，線圈3與密封管9之間的間隔可精確的控制，以便改進線圈3與等離子體之間能量耦合效應。這樣也能精確的控制環形腔25的厚度，而不存在任何由於感應線圈而引起的妨礙，該控制可通過將炬體2的內表面和等離子密封管9的外表面進行機加工到低的出差來實現。
應指出，為了成功的實現本發明的感應等離子炬，必須考慮一些直接影響炬的性能的關鍵因素，這些因素可概括如下等離子管的性能是很重要的，由於它密切的關係到具有高導熱性，高電阻率，和耐高熱衝擊性的要求，雖然管9是成功的由實驗過的燒結氮化矽製成，但本發明並不限於使用這種陶瓷材料，它也可使用其它任何一種滿足上述要求的純的或複合材料，例如氮化硼，氮化鋁，或礬土組合物所構成的可替換物。
精確控制炬體2和等離子密封管9之間的環形腔25的小厚度，及陶瓷管9外表面和炬體2內表面機加工到低的出差，這是關鍵性要求。此外，感應線圈3裝入由鑄造陶瓷或複合聚合物製成的炬體2中時，炬體2內表面必須機加工到它的低出差值，以確保它與等離子密封管9的同心度。
冷卻水的性質，和它在等離子密封管9外表面流動速度，也是為實現有效地冷卻管9和保護其克服與高熱通量的等離子接觸的關鍵因素。
雖然通過上述最佳實施例對本發明作了描述，但在從屬權利要求範圍內，該實施例可任意改進而不違背本發明的精神和特徵。
權利要求
1.一種感應等離子炬，包括一個具有第一直徑的圓柱形內表面的管狀炬體；一個等離子密封管，(a)由高熱傳導性的陶瓷材料製成，(b)它有一個第一端部，一個第二端部和一個圓柱形的外表面，它的第二直徑稍小於第一直徑，所述的等離子密封管裝在所述的管狀炬體中，所述的圓柱形內表面和外表面是同軸的，從而在所述的內、外表面之間限定了一個均勻厚度的薄環形腔；一個氣體分配頭安裝於等離子密封管第一端部的炬體上，用於向所述的密封管提供至少一種氣態物質，所述的至少一種氣態物質通過等離子密封管的第一端部流向它的第二端部；一個與所述的園柱形內外表面同軸的感應線圈，設置在薄環形腔的外面，並通有電流，用於將能量感應地施加到流過等離子密封管的所述的至少一種氣態物質上，以便在所述的密封管中產生和維持高溫等離子體；和在薄環形腔中形成高速冷卻液流的裝置，製成密封管的高導熱陶瓷材料和高速流動的冷卻流體這二個因素，有助於把被高溫等離子體加熱的等離子密封管的熱量，高效的傳導到冷卻液內，從而有效地冷卻了密封管。
2.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是所述的圓柱體的內外表面是機加工成圓柱形的表面。
3.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是所述的感應線圈埋入所述的炬體內。
4.根據權利要求2所述的等離子炬，其特徵是所述的感應線圈埋入所述的炬體內。
5.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是所述的陶瓷材料包括氮化矽。
6.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是所述的陶瓷材料包括燒結的或含有至少一種添加劑，和/或填充料的粘結氮化矽反應。
7.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是等離子密封管包括從一組包含氮化硼、氮化鋁和礬土中選擇的陶瓷材料。
8.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是所述的陶瓷材料是一組具有高導熱性，高電阻率和耐高熱衝擊的緻密的陶瓷材料。
9.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是所述的環形腔厚度約為1毫米，在所述的環形腔中的冷卻流體的流速至少為1米/秒。
10.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是該冷卻流體包括水。
11.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是該高速流動的冷卻流體平行於所述圓柱體內、外表面的共同軸。
12.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是所述的炬體是由鑄造複合聚合物製成的，在炬體內埋入整個感應線圈。
13.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是所述的炬體是由鑄造陶瓷製成的，在炬體內埋入整個感應線圈。
14.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是感應線圈是由其內腔通有冷卻流體的電導管制成，以冷卻所述的感應線圈。
15.根據權利要求1所述的等離子炬，其特徵是所述的等離子炬進一步包括安裝在等離子密封管的第二端部處的炬體上的等離子排氣噴咀，在所述的頭和噴咀中，每個都包括一個內表面，在內表面中，高速液體形成裝置包括在氣體分配頭和等離子排氣噴咀中的水道裝置，所述的冷卻流體以高速流過所述的水道裝置，該水道裝置的設置可使冷卻流體去冷卻所述的頭和噴咀的內表面。
全文摘要
一種高效感應等離子炬，包括由鑄造陶瓷或複合聚合物製成的圓柱形的炬體，位於炬體內的同軸圓柱形的等離子密封管，固定在炬體端供給密封管氣態物質的氣體分配頭、整個埋入在陶瓷或聚合物材料的炬體內的圓柱形同軸感應線圈，和一個將同軸炬體和密封管隔開的薄環形腔。該密封管可由建立在燒結或粘結的氮化矽，氮化硼或礬土或任何它們與各種添加劑和填充料的組合物反應的基礎上的純的或複合陶瓷材料製成。該環形腔約為1毫米厚度，其內有高速冷卻水流動，有效地冷卻等離子密封管。
文檔編號H05H1/42GK1068697SQ92103380
公開日1993年2月3日 申請日期1992年4月11日 優先權日1991年4月12日
發明者馬爾·I·布爾羅斯, 傑澤·朱爾維茨 申請人:舍布魯克大學