СВЧ-ПЛАЗМОТРОН ЦИКЛОННОГО ТИПА Российский патент 1997 года по МПК H05B7/18 H05H1/46 H01J37/32 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники а именно к плазмотронам, в которых плазму получают путем воздействия СВЧ-поля на газовый поток. Может найти применение в плазменной технологии машиностроения, в химико-технологических процессах.

Известен СВЧ-плазмотрон [1] содержащий коаксиально-волноводный переход и соосную ему разрядную камеру. Плазмотрон снабжен закрепленными на центральном проводнике диском и охватывающим его с равномерным зазором кожухом с центральными отверстиями на противоположных стенках.

Известен СВЧ-плазмотрон для спектрального анализа растворов [2] Плазмотрон состоит из разрядной камеры, выполненной в виде двойной коаксиальной трубы, соединенной через волноводно-коаксиальный переход с волноводной линией. Внутренний проводник имеет осевой канал с коническим расширением на выходе для ввода аэрозоля образца.

Известен СВЧ-плазмотрон [3] содержащий волновод с вводом энергии, расположенным по его оси, и цилиндрическую разрядную камеру, проходящую через волновод перпендикулярно его широкой стене, волновод в плоскости его широкой стенки выполнен кольцевым, а разрядная камера расположена на оси со стороны волновода, противолежащей вводу энергии.

Известен плазмотрон с газовихревой стабилизацией дуги [4] Содержит катодный и анодный узлы, причем катодный узел содержит корпус с завихрителем, катодную вставку, патрубок подачи газа в завихритель.

Известен вихревой плазмотрон [5] содержащий разрядную камеру, электрод, сопло и систему подачи рабочего тела с системой вихреобразования.

Ближайшим аналогом является СВЧ-плазменный реактор для проведения химических процессов [6] Он содержит металлическую разрядную камеру в виде цилиндра с торцовыми днищами, к боковой поверхности которой через равномерно расположенные по периметру окна подсоединено не менее двух прямоугольных волноводов, формирователь ввода закрученного потока газа, установленный у одного из днищ, и проходящие сквозь второе днище выходные сопла. Широкие стенки волноводов расположены параллельно оси камеры, количество сопл выбрано не менее четырех, одно из сопл расположено по оси камеры, а остальные по периферии на равномерном расстоянии от оси.

Недостатком прототипа и указанных выше плазмотронов является то, что при аксиальном способе стабилизации СВЧ-разряда необходимо наличие плохообтекаемого металлического тела, в котором горит разряд, где между разрядом и плохообтекаемым телом возможны электрические пробои, приводящие к эрозии плохоотбекаемого тела, загрязнению плазмы и снижению ресурса работы плазмотрона. Тангенциальный способ стабилизации разряда не требует наличия плохообтекаемого тела, но введение дисперсного материала в плазму вследствие действия центростремительных сил приводит к выбросу частиц на стенки разрядной камеры и, соответственно, прекращению подачи СВЧ- мощности и срыву разряда.

Целью предполагаемого изобретения является увеличение ресурса работы плазмотрона за счет создания газодинамических условий для эффективного вхождения частиц в разряд, получение не загрязненной материалами электродов плазмы и увеличение КПД нагрева газа.

Поставленная цель достигается тем, что в плазмотроне, содержащем волновод с вводом энергии, цилиндрическую разрядную камеру, проходящую через волновод перпендикулярно его широкой стенке, завихритель, расположенный в нижней части разрядной камеры, узел подачи золя, выходное сопло, выходное сопло встроено в завихритель и расположено в нижней части разрядной камеры.

Известно, что циклонные камеры, предназначенные для очистки газовых потоков от мелкодисперсных частиц, эффективно работают только до определенного размера частиц (30 мкм). Часть мелкодисперсного материала попадает в выхлопную трубу, что является отрицательным качеством циклона. В СВЧ-плазмотроне циклонного типа данное явление является положительным и позволяет вводить в СВЧ-плазму мелкодисперсный золь. При вводе частиц вдоль оси циклонной разрядной камеры крупные частицы > 30 мкм не успевают изменить траекторию движения и попадают в выхлопное сопло, проходя через СВЧ-плазму. Мелкие частицы < 30 мкм стабилизируются в области плазмы и также выходят через выхлопное сопло, проходя через плазму. Этим достигается с одной стороны стабильная работа плазмотрона за счет тангенциальной стабильности СВЧ-плазмы, с другой стороны высокий коэффициент вхождения мелкодисперсных частиц в плазму при отсутствии выбрасывания их на стенки.

На чертеже изображен предлагаемый плазмотрон, разрез.

СВЧ-плазмотрон содержит: волновод, по которому подается СВЧ-мощность 1, цилиндрическую разрядную камеру 2, выполненную из кварца, которая проходит через волновод 1 в широкой стенке, завихритель 3, расположенный в нижней части разрядной камеры. Завихритель имеет ввод тангенциальной подачи воздуха 4. В завихритель 3 встроено выхлопное сопло выходное 5, которое расположено в нижней части разрядной камеры, как и завихритель. В верхней части разрядной камеры находится узел подачи золя 6. Золь мелкодисперсный порошок или распыленная жидкость.

Устройство работает следующим образом.

СВЧ-мощность, подаваемая по волноводу 1, поддерживает СВЧ-разряд атмосферного давления в разрядной камере 2, образованной цилиндрической кварцевой трубкой, узлом подачи золя 6, завихрителем 3 и выходным соплом 5. Плазмообразующий газ подается через патрубки завихрителя 4 и выходит в выходное сопло 5, нагревшись в СВЧ-плазме. Стабилизация СВЧ-разряда достигается тангенциальной подачей плазмообразующего газа, который дополнительно выполняет роль охладителя стенок разрядной камеры и выходного сопла. Золь подается через узел подачи 6, расположенный в верхней части разрядной камеры, проходит, нагреваясь, через СВЧ-плазму и выходит в выходное сопло 5.

Принцип действия СВЧ-циклонного плазмотрона заключается в том, что за счет формирования закрученного течения в нижней части камеры, имеющего радиальную составляющую газовой скорости, направленную к оси разрядной камеры, мелкодисперсные частицы стабилизируются в области плазмы и не выбрасываются на стенки.

В отличие от плазмотронов с аксиальной стабилизацией разряда данный плазмотрон может быть изготовлен полностью из неметаллических деталей, что позволяет инициировать безэлектродный СВЧ- разряд атмосферного давления для широкого набора параметров.

Параметры устойчивой работы плазмотрона:
частота СВЧ-поля 2450 МГц;
расход плазмообразующего газа 20 60 л/мин.

Минимальный диаметр разрядной камеры определяется размером контрагированного СВЧ- разряда при атмосферном давлении и составляет 10 мм. Максимальный диаметр определяется величиной расхода плазмообразующего газа и размерами волновода.

Минимальный размер выходного сопла также определяется размером контрагированного СВЧ-разряда и составляет 10 мм.

Максимальный диаметр выхлопного сопла должен быть меньше внутренних размеров разрядной камеры.

Глубина погружения выхлопного сопла определяется высотой завихрителя и должна обеспечивать формирование направленного вверх потока газа и исключать непосредственное проникновение плазмообразующего газа в выхлопное сопло.

Длина разрядной камеры определяется безэлектродным режимом горения СВЧ-разряда.

Предлагаемый плазмотрон циклонного типа можно использовать при получении чистых веществ в электронной, химической и металлургической промышленности, при нанесении покрытий, для нагрева газа, сфероидизации частиц, в спектральном анализе в качестве амортизатора, либо источника возбуждения спектров.

Существо предложения: СВЧ-плазмотрон содержит волновод с вводом энергии, цилиндрическую разрядную камеру, проходящую через волновод перпендикулярно его широкой стенке, завихритель, расположенный в нижней части разрядной камеры, узел подачи золя, выходное сопло. Выходное сопло встроено в завихритель и расположено в нижней части разрядной камеры. 1 ил.

СВЧ-плазмотрон, содержащий волновод с вводом энергии, цилиндрическую разрядную камеру, проходящую через волновод перпендикулярно его широкой стенке, завихритель, расположенный в нижней части разрядной камеры, узел подачи золя, выходное сопло, отличающийся тем, что выходное сопло встроено в завихритель и расположено в нижней части разрядной камеры.