CN206977778U - 一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，包括放电约束管外层、放电约束管内层、上紧固件、冷却水适配件、下紧固件、进气适配件和螺旋铜线圈，本实用新型放电约束管内层对放电区域进行约束，同时放电约束管内层上端向下开槽，使放电约束管除下端小部分区域外形成非封闭环状结构，避免形成法拉第笼对电磁场的屏蔽；薄壁的中空部分为冷却水通道，通过冷却水对放电约束管内层和附件的区域进行冷却，放电空间的部分***的高温气流通过槽口到外层石英管壁面时已被冷却，提高了放电约束管工作时的安全性、稳定性和长效性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，属于高温等离子体技术领域。
背景技术
感应耦合热等离子体由于其频率高，又称射频感应耦合等离子体。感应耦合热等离子体具有如下特点：(1)温度高，等离子体的热量主要通过焦耳热产生，等离子体焰流的温度可以达到10000～3000K，是传统化学燃烧的5倍以上；(2)活性高，感应耦合等离子体重存在电子、离子、原子等多种粒子，对一些化学或物理变化提供了活性反应条件，加速了反应的进行；(3)气氛纯净可控，感应耦合等离子体主要依靠强烈的电磁耦合产生，不需要电极，因此不存在电极蒸发产生杂质的问题，产生的等离子体气氛纯净，且气氛可通过工作气体种类进行控制；(4)感应耦合等离子体体积较大，焰流速度低，温度分布均匀平坦。因此，感应耦合等离子体特别适用于难熔颗粒的加工(如球化、固气反应、超细粉制备等)以及对热环境气氛要求较高的深空探测器热防护材料的地面加热实验研究等。
高频感应耦合等离子体反应器是产生感应耦合热等离子体的设备，主要包括以下部分：放电约束管、产生等离子体的工作气体、射频电源和螺旋线圈。其原理是螺旋铜线圈缠绕在放电约束管上，螺旋线圈末端连接射频电源，当交变的射频电流通过螺旋线圈时，感应线圈内交变的电流产生变化的磁场，根据法拉第定律在放电管内变化的磁场又感应出电场，气体在变化的磁场作用下发生电离。电离的气体中引起电流并产生焦耳热，并且适当的控制电流和工作气体量可以形成稳定持续的高温等离子体流。因此，放电约束管的作用是提供密闭空间，约束反应器的工作气体，在其中形成高温等离子体焰流。
目前感应耦合等离子体反应器主要是采用单层石英管作为放电约束管，放电管的强度较低，放电管的安装、固定和密封难度较大，于此同时，放电管依靠放电管内壁附近的一层冷工作气气流进行冷却，这就对放电管内壁附件的气体量提出了较高的要求，降低了等离子体焰流的焓值和整套反应器运行的稳定性，金属材质的约束管易于实现安装、固定和密封，但由于封闭的金属结构对电磁感应存在屏蔽作用难以在感应耦合等离子体反应器中实现应用。
实用新型内容
本实用新型的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，本实用新型提供一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，提高放电约束管和反应器的安全性和稳定性。
本实用新型的技术解决方案是：
一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，包括放电约束管外层、放电约束管内层、上紧固件、冷却水适配件、下紧固件、进气适配件和螺旋铜线圈，放电约束管外层、放电约束管内层的上端和下端分别通过上紧固件和下紧固件进行固定和配合，形成内外双层的放电约束管结构，放电约束管外层为石英筒状结构，与放电约束管内层配合并在周向上形成封闭空间；
上紧固件上端配合安装冷却水适配件，进气适配件置于冷却水适配件上，放电约束管内层为具有水冷通道的笼式结构，在其上端开槽，槽口沿周向均匀分布并从上端沿轴向向下端延伸，槽口下缘距放电约束管内层下端面保留一定距离，使放电约束管内层下端部分保持完整的环状结构，放电约束管内层薄壁的中空部分为冷却水通道，冷却水自上而下流动对放电约束管内层及附近的等离子体流进行冷却以保护放电约束管外层，
螺旋铜线圈缠绕在放电约束管外层***，螺旋铜线圈与放电约束管内层同轴，且布置在开有槽口区域，螺旋铜线线圈末端连接射频电源；
放电约束管内层的槽口数量为6～12个。
槽口下缘距放电约束管内层下端的距离为5～10mm。
槽口宽度为1～3mm，使磁场有效透入，又能有效减小放电约束管外层与放电约束管内层内部的高温等离子体气流的接触面积。
线圈最下端距离槽口下缘不小于10mm，线圈最上端位于整个槽口的1/3以下处。
上紧固件和下紧固件分别采用绝缘非金属材料和金属材料制成。
放电约束管内层为导热系数不小于300W/(m·K)的金属材质。
本实用新型的有益效果为：
(1)本实用新型放电约束管内层对放电区域进行约束，同时放电约束管内层上端向下开槽，使放电约束管除下端小部分区域外形成非封闭环状结构，避免形成法拉第笼对电磁场的屏蔽；薄壁的中空部分为冷却水通道，通过冷却水对放电约束管内层和附件的区域进行冷却，放电空间的部分***的高温气流通过槽口到外层石英管壁面时已被冷却，提高了放电约束管工作时的安全性、稳定性和长效性；
(2)本实用新型放电约束管主要通过内层冷却水通道的冷却水进行冷却，降低了对放电约束管内壁区域冷气量的要求，可适当提高反应器中心区域的工作气体量，感应耦合等离子体焰流的焓值有一定程度的提高；
(3)本实用新型放电约束管为双层结构，外层为石英管，保证放电空间的密闭性，内层为高导热性金属水冷笼式结构，提高了放电约束管整体的强度，便于安装、固定和密封。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为本实用新型图1的A-A向剖视图；
图3为放电约束管内层的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对实用新型做进一步的详细描述。
一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，如图1、图2所示，包括放电约束管外层4、放电约束管内层5、上紧固件3、冷却水适配件2、下紧固件6、进气适配件1和螺旋铜线圈，放电约束管外层4、放电约束管内层5的上端和下端分别通过上紧固件3和下紧固件6进行固定和配合，形成内外双层的放电约束管结构，上紧固件3和下紧固件6分别采用绝缘非金属材料和金属材料制成，放电约束管外层4为石英筒状结构，与放电约束管内层5配合并在周向上形成封闭空间；
螺旋铜线圈缠绕在放电约束管外层4***，螺旋铜线圈与放电约束管内层5同轴，且布置在开有槽口区域，螺旋铜线线圈末端连接射频电源，螺旋铜线线圈布置在开有槽口区域以防止感应磁场被屏蔽；
上紧固件3上端配合安装冷却水适配件2，进气适配件1置于冷却水适配件2上，放电约束管内层5为具有水冷通道的笼式结构，如图3所示，在其上端开槽，槽口沿周向均匀分布并从上端沿轴向向下端延伸，槽口下缘距放电约束管内层5下端面保留一定距离，使放电约束管内层5下端部分保持完整的环状结构，放电约束管内层5薄壁的中空部分为冷却水通道，冷却水自上而下流动对放电约束管内层5及附近的等离子体流进行冷却以保护放电约束管外层4，放电约束管内层5为导热系数不小于300W/(m·K)的金属材质，放电约束管内层5的槽口数量为6～12个，槽口下缘距放电约束管内层5下端的距离为5～10mm，槽口宽度为1～3mm，使磁场有效透入，又能有效减小放电约束管外层4与放电约束管内层5内部的高温等离子体气流的接触面积，线圈最下端距离槽口下缘不小于10mm，线圈最上端位于整个槽口的1/3以下处。
工作气体由进气适配件1进入到放电约束管内层5中，在感应区电离形成等离子体，而后经过下紧固件6中心出气口喷出；
冷却水由冷却水适配件2上的进水口进入冷却水适配件2上的环形均水腔，而后均匀分配到约束管内层5上的各个冷却水通道中，冷却水通过放电约束管内层5后流到下紧固件6中的集水腔中，并通过下紧固件6上的出水口流出。
本实用新型放电约束管内层5与外层4石英管配合，该设计既实现了放电空间的密闭性，又实现了金属套筒结构对放电区域的约束，在此设计基础上，可以通过冷却水对放电约束管内层5及附件区域进行有效的冷却，在增强了放电约束管整体的强度的同时提高了放电约束管及整个反应器工作的安全性、稳定性和长效性，与此同时，该设计降低了对放电约束管内壁区域冷气量的要求，可适当提高反应器中心区域的工作气体量，感应耦合等离子体焰流的焓值有一定程度的提高。
本实用新型的工作原理是：螺旋铜线圈缠绕在放电约束管外层4***，螺旋铜线线圈末端连接射频电源，当交变的射频电流通过螺旋线圈时，感应线圈内交变的电流产生变化的磁场，气体在变化的磁场作用下发生电离，电离的气体中引起电流并产生焦耳热，通过对电流和工作气体量进行控制，形成稳定持续的高温等离子体流，在工作过程中，冷却水通过放电约束管内层5中的冷却水通道对放电约束管和附近区域进行冷却，保护放电约束管内层和外层不被内部的高温气流烧损。
本实用新型放电约束管内层对放电区域进行约束，同时放电约束管内层上端向下开槽，使放电约束管除下端小部分区域外形成非封闭环状结构，避免形成法拉第笼对电磁场的屏蔽；薄壁的中空部分为冷却水通道，通过冷却水对放电约束管内层和附件的区域进行冷却，放电空间的部分***的高温气流通过槽口到外层石英管壁面时已被冷却，提高了放电约束管工作时的安全性、稳定性和长效性。
本实用新型未公开技术属本领域技术人员公知常识。
Claims (7)
1.一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，其特征在于，包括放电约束管外层(4)、放电约束管内层(5)、上紧固件(3)、冷却水适配件(2)、下紧固件(6)、进气适配件(1)和螺旋铜线圈，放电约束管外层(4)、放电约束管内层(5)的上端和下端分别通过上紧固件(3)和下紧固件(6)进行固定和配合，形成内外双层的放电约束管结构，放电约束管外层(4)为石英筒状结构，与放电约束管内层(5)配合并在周向上形成封闭空间；
上紧固件(3)上端配合安装冷却水适配件(2)，进气适配件(1)置于冷却水适配件(2)上，放电约束管内层(5)为具有水冷通道的笼式结构，在其上端开槽，槽口沿周向均匀分布并从上端沿轴向向下端延伸，槽口下缘距放电约束管内层(5)下端面保留一定距离，使放电约束管内层(5)下端部分保持完整的环状结构，放电约束管内层(5)薄壁的中空部分为冷却水通道，冷却水自上而下流动对放电约束管内层(5)及附近的等离子体流进行冷却以保护放电约束管外层(4)，
螺旋铜线圈缠绕在放电约束管外层(4)***，螺旋铜线圈与放电约束管内层(5)同轴，且布置在开有槽口区域，螺旋铜线线圈末端连接射频电源。
2.根据权利要求1所述的一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，其特征在于，放电约束管内层(5)的槽口数量为6～12个。
3.根据权利要求1所述的一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，其特征在于，槽口下缘距放电约束管内层(5)下端的距离为5～10mm。
4.根据权利要求1所述的一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，其特征在于，槽口宽度为1～3mm，使磁场有效透入，又能有效减小放电约束管外层(4)与放电约束管内层(5)内部的高温等离子体气流的接触面积。
5.根据权利要求1所述的一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，其特征在于，线圈最下端距离槽口下缘不小于10mm，线圈最上端位于整个槽口的1/3以下处。
6.根据权利要求1所述的一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，其特征在于，上紧固件(3)和下紧固件(6)分别采用绝缘非金属材料和金属材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器，其特征在于，放电约束管内层(5)为导热系数不小于300W/(m·K)的金属材质。
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| CN201720756993.4U CN206977778U (zh) | 2017-06-27 | 2017-06-27 | 一种水冷笼式高频感应耦合等离子体反应器 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109769335A (zh) * | 2019-03-06 | 2019-05-17 | 大连理工大学 | 一种射频微放电长尺度等离子体产生装置及方法 |
| CN112638023A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-04-09 | 中国人民解放军战略支援部队航天工程大学 | 一种同轴式双线圈射频驱动气体放电装置 |
| CN113634759A (zh) * | 2021-07-26 | 2021-11-12 | 西安理工大学 | 一种制备纳米钼粉的高频感应等离子体装置 |
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2017
- 2017-06-27 CN CN201720756993.4U patent/CN206977778U/zh active Active
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