專利名稱：等離子發(fā)生器、反應器系統(tǒng)和有關方法
技術領域：
依據(jù)美國能源部和Bechtel BWXT Idaho LLC之間的DE-AC-99ID13727號合同。美國政府對下面的發(fā)明享有權利。
本申請請求提交于2003年12月2日的美國S/N 10/727033號專利申請的優(yōu)先權，相關內(nèi)容援引于此作為參考。
背景技術：
發(fā)明領域本發(fā)明總地涉及等離子弧反應器以及系統(tǒng)，更具體地涉及一種模塊化等離子弧反應器和系統(tǒng)以及產(chǎn)生等離子弧的有關方法。
業(yè)內(nèi)動態(tài)等離子體一般被定義為帶電粒子集合物，它包括相等數(shù)量的正離子和電子并表現(xiàn)出某些氣體特性，但與氣體不同點在于它是良好的電導體并受磁場的影響。例如可將氣體通過電弧而產(chǎn)生等離子體。在氣體經(jīng)過電弧的幾微秒內(nèi)通過阻抗熱和輻射熱，電弧迅速地將氣體加熱到非常高的溫度。本質(zhì)上可使用任何氣體用這種方式產(chǎn)生等離子體。因此?？筛鶕?jù)等離子所使用的處理而使用惰性氣體或中性氣體(例如氬、氦、氖或氮)、還原性氣體(例如氫、甲烷、氨或一氧化碳)、氧化性氣體(例如氧或二氧化碳)。
包括那些與例如等離子炬、等離子噴射器和等離子弧反應器一起作用的裝置的等離子發(fā)生器一般會在工作氣體中產(chǎn)生放電以產(chǎn)生等離子體。等離子發(fā)生器已被形成為直流電(DC)發(fā)生器，交流電(AC)等離子發(fā)生器、射頻(RF)等離子發(fā)生器和微波(MW)等離子發(fā)生器。用RF或MW源產(chǎn)生的等離子體被稱為感應連接等離子體。例如，RF型等離子發(fā)生器包括RF源和包圍工作氣體的感應線圈。從源發(fā)送到感應線圈的RF信號通過感應連接而引起工作氣體的離子化以產(chǎn)生等離子體。DC和AC型發(fā)生器可包括兩個或多個電極(例如陽極和陰極)，其間定義有電位差。在諸電極之間可形成電弧以加熱和離子化周圍氣體以使該氣體達到等離子態(tài)。所產(chǎn)生的等離子可用于特定的處理應用中。
例如，等離子噴射器可用于元件的精切割或成形，等離子炬可用于將物質(zhì)涂層涂覆到襯底或其它元件上；等離子反應器可用于物質(zhì)化合物的高溫加熱以適應其化學或物質(zhì)處理。這種化學和物質(zhì)處理可能包括危險物質(zhì)的還原或分解。在其它應用中，等離子反應器可有助于從含有所需物質(zhì)的的化合物中提取所需物質(zhì)(諸如金屬或合金)。
利用等離子型反應器的范例性處理在5935293和RE37853號美國專利中已有公開，兩者均由Detering等公開并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，這些專利的公開內(nèi)容被援引于此以整體作為參考。Detering專利中所闡述的處理包括通過例如電子炬加熱一個或多個反應物以使反應物形成熱力學上穩(wěn)定的包含所需最終產(chǎn)物的高溫流。例如通過氣體膨脹使氣態(tài)流快速冷卻，以獲得所需的最終產(chǎn)物，而無需在氣態(tài)流中經(jīng)歷逆反應。
在一個實施例中，所希望的最終產(chǎn)物可包括乙炔而反應物包括甲烷和氫。在其它實施例中，所希望的最終產(chǎn)物和包括金屬、金屬氧化物或金屬合金，而反應物可包括特定的金屬化合物。然而，如Detering專利所指出的，由于固體在氣體冷卻前汽化太慢而不能在快速流動的等離子氣體中產(chǎn)生化學反應并因此氣體和液體是較佳的反應物形式。如果固體被用于等離子化學處理，這類固體理想地在相對低的溫度下具有高的汽化壓。然而，這些類型的固體受到嚴重的限制。
如上所述，采用等離子發(fā)生器的處理應用經(jīng)常是專門的，并因此相關的等離子噴射器、等離子炬和/或等離子反應器需要根據(jù)高度專門的標準而設計和配置。這種專門設計經(jīng)常導致用途受到限制的裝置。換句話說，被配置成使用特定工作氣體處理特定類型物質(zhì)以形成等離子體的等離子發(fā)生器不太可能適用于其它處理，例如要求不同的工作氣體、要求等離子表現(xiàn)出大為不同的溫度或要求產(chǎn)生更大或更小體積的等離子體。
鑒于現(xiàn)有技術的缺點，較為有利的是提供一種等離子發(fā)生器和相關系統(tǒng)，它提供關于可使用等離子發(fā)生器的應用類型的靈活性的改善。例如，較為有利的是提供一種等離子發(fā)生器和系統(tǒng)，它允許直接處理所述物質(zhì)而無需在將其導入等離子體之前使固體物質(zhì)揮發(fā)。更為有利的是提供一種等離子發(fā)生器和相關系統(tǒng)，它產(chǎn)生改善的電弧和相關的等離子柱或等離子立方體，其中可方便地調(diào)整并限定電弧和等離子體積以根據(jù)正在生成的等離子所希望的處理而提供具有優(yōu)化特性和參數(shù)的等離子。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一個方面提供用于產(chǎn)生等離子體的設備，該設備包括腔室、第一電極組和至少一個其它電極組。每個電極組可包括圍繞腔室的縱軸設置并相對于任何其它電極組沿所述縱軸而移動的三個獨立的電極。還可進一步配置每個電極組以使其連接于三相交流(AC)電源的一個相?？稍谙鄬τ诳v軸的規(guī)定角度上定位電極組或在規(guī)定方向上圍繞縱軸周向地設置電極組。
本發(fā)明另一方面提供一種電弧發(fā)生設備。該設備包括第一電極組和至少一個其它電極組。每個電極組可包括圍繞定義軸設置并相對于任何其它電極組沿所述定義軸而移動的三個獨立的電極。還可進一步配置每個電極組以使其連接于三相交流(AC)電源的一個相?？稍谙鄬τ诙x軸的規(guī)定角度上定位電極組或圍繞定義軸在規(guī)定方向上周向地設置電極組。
本發(fā)明又一方面提供一種等離子弧反應器。反應器包括第一腔室和可移動地連接于第一腔室部分的至少一個其它腔室部分。諸腔室部分可操作地界定一個腔體。反應器還可包括連接于第一腔室部分的第一電極組以及連接于其它腔室部分的至少一個其它電極組。每個電極組可包括圍繞腔室的縱軸設置并相對于任何其它電極組沿所述縱軸移動的三個獨立的電極。還可進一步配置每個電極組以使其連接于三相交流(AC)電源的一個相。
本發(fā)明的另一方面提供了一種用于處理物質(zhì)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可包括在其第一端具有入口并在其第二端具有出口的腔室。該系統(tǒng)還包括第一電極組和至少一個其它電極組。每個電極組可包括圍繞腔室的縱軸設置并相對于任何其它電極組沿所述縱軸移動的三個獨立的電極。包括三相AC電氣伺服的第一電源可連接于第一電極組而另一包括三相AC電氣伺服的電源連接于其它電極組上。每一個電源還包括被配置成在有關電極組中控制每個電極的相角點火的可控硅整流器(SCR)。
本發(fā)明的又一方面提供一種產(chǎn)生等離子體的方法。該方法包括將氣體引入腔室并提供第一電極組和至少第二電極組。每個電極組可包括圍繞腔室的縱軸設置并相對于任何其它電極組沿所述縱軸移動的三個獨立的電極。電極組連接于相關的三相AC電源。在腔室內(nèi)具有氣體時，第一和第二電極組的電極之間產(chǎn)生電弧以在其中形成等離子。


在參閱附圖并閱讀后面的詳細說明后，本發(fā)明前述的和其它優(yōu)點將變得明顯，其中圖1是表示根據(jù)本發(fā)明一個實施例的等離子反應器系統(tǒng)的示意圖；圖2是圖1的系統(tǒng)的一部分的立體圖；圖3A-3C示出在不同細化程度下的范例性等離子反應器的局部剖面圖；圖4是可與圖3反應器一起使用的電極配置的示意性側(cè)視圖；圖5A-5C是圖4中所表示的不同電極組的平面圖；圖6是表示對根據(jù)本發(fā)明實施例的多個電極組的獨立供電和控制的示意圖；圖7是為一單獨電極組供電的一般示意圖；圖8是為根據(jù)本發(fā)明實施例的單獨電極組供電的更細化的示意圖；圖9是用于根據(jù)本發(fā)明實施例的等離子反應器系統(tǒng)可用的變壓器連接圖解的示意圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明實施例的單獨電極的布置相關的電動機控制圖解的示意圖。
具體實施例方式
參閱圖1，其中示出了包括等離子反應器102的系統(tǒng)100的示意圖。反應器102可包括電氣連接于電源106的多個電極組件104?？蓪⒗鋮s系統(tǒng)108配置成傳送來自反應器102、電極組件104或其兩者的熱能。傳感器110可被用來確定與反應器102相關的一個或多個操作特性，例如反應器102的一個或多個元件的溫度或被引入并由反應器102處理的物質(zhì)的流速。同樣，傳感器112或其它合適的裝置可被用來確定提供給電極104的功率的多種電氣特性。
控制系統(tǒng)114可連接于系統(tǒng)100的多個部件以收集來自例如多個傳感器110和112的信息并根據(jù)需要控制電源106、冷卻系統(tǒng)108和/或電極組件104。盡管沒有特別示出，控制系統(tǒng)114可包括處理器(例如中央處理器(CPU))、有關存儲器和存儲裝置、一個或多個輸入裝置和一個或多個輸出裝置。在另一實施例中，控制系統(tǒng)114包括專用處理器，例如其上集成地形成有一個或多個存儲裝置的片載系統(tǒng)(SOC)處理器。
參閱圖2，其中示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的反應器102和有關冷卻系統(tǒng)108的立體圖。冷卻系統(tǒng)108包括諸如管道或?qū)Ч艿亩鄺l冷卻管線120，它們被配置成使通過反應器102不同部件的冷卻液流過。例如，冷卻管線120使冷卻液流向單獨的電極組件104或流向用作反應器102外殼的腔室122的一部分。泵124可使液體流過冷卻管線120、流過反應器102的不同部件并回到熱交換器126。流過冷卻管線120的冷卻液用來傳送來自反應器102不同部件(例如電極組件104和/或反應器腔室122)的熱能。隨后冷卻液流過熱交換器126，以在那里傳送任何因為冷卻液而積蓄的熱能，并隨后重新流過冷卻管線120。
熱交換器126包括逆流配置，其中流過冷卻管線120的冷卻液沿界定的路徑在熱交換器126中沿第一方向流動，另外第二液體通過額外的管線128被引入以沿相鄰第一流動路徑的第二路徑而沿基本相反的方向流動。逆流配置允許來自冷卻管線120冷卻液的熱或熱能通過額外管線128而傳遞到第二冷卻流。通過額外管線128而被引入的液體包括可穩(wěn)定獲得的工廠水或適當?shù)闹评鋭?br> 當然，其它類型的熱交換器可包括環(huán)境空氣型或加壓空氣型熱交換器，這取決于各種熱交換要求。本領域內(nèi)技術人員應該知道可對應于從反應器102中去除的熱能的量而對熱交換器、泵或與冷卻系統(tǒng)108相聯(lián)的其它設備的尺寸或結構進行配置。并且可使用多種類型的系統(tǒng)以實現(xiàn)這種熱傳遞。
如上所述，反應器102可包括外殼或在其中進行化學處理、材料處理的腔室122。反應器腔室122可連接于額外的處理設備，例如旋流器130和過濾器132，用于分離和收集由反應器102處理的物質(zhì)。
參閱圖3，其中示出了反應器腔室122的放大的局部剖視圖。反應器腔室122包括多個腔室部分122A-122C。腔室122還包括出口部分122D，它可以包括匯聚嘴和出口管線以使物質(zhì)流出腔室122。
每個腔室部分122A-122C包括多個貫通于其側(cè)壁形成的端口?？蓪⑦@些端口配置成觀察口140A、電極口140B或冷卻液口140C以連接于相關的冷卻管線120(圖2)。
電極組連接于各腔室部分122A-122C，它在這里被稱為炬。例如，第一腔室部分122A可具有與其相連的多個電極組件104A-104C，第二腔室部分可具有與其相連的多個電極組件104D-104F(電極組件104F在圖3A中未圖示)，而第三腔室部分可具有與其相連的多個電極組件104G-104I(電極組件104I在圖3A中未圖示)。
參閱圖3B，其中更詳細地示出了腔室部分122C和有關的電極組件104G-104I。腔室部分122C可包括大致管狀本體142，該管狀本體142具有在本體142各端上與之相連的凸緣144?？膳渲猛咕?44以連接于相鄰部分(例如腔室部分122B和出口部分122D)的諸凸緣。囊或通道146可在本體中形成，例如在一實施例中，本體142可由相對于彼此構形和定位以在其間留出大致呈環(huán)形的間隙的兩個同心管狀部分形成，環(huán)形間隙界定囊或通道146。冷卻口140C(圖3B)可流體連通于通道146以使冷卻液流過其中并將腔室部分122C保持在要求的溫度下。
電極組件104G-104I連接于電極端口140B，由此電極148G-148I延伸通過它們各自的電極端口140B、通過本體142并進入腔室部分122C的內(nèi)部。電極148G-148I可形成為石墨電極。在另一實施例中，諸電極可形成為大致中空并被配置成接收冷卻液的金屬件。
如下面將更詳細討論的那樣，電極148G-148I可圍繞腔室部分122C(和反應器腔室122)的縱軸150而在周向?qū)ΨQ地設置并被配置成提供電弧并同時在反應器腔室122內(nèi)出現(xiàn)的氣體內(nèi)建立等離子體。
參閱圖3C和圖3B，圖3C更詳細地示出腔室部分122C和相關的電極組件104G的局部剖視圖。如上所述，電極組件104G連接于電極端口140B。電極組件104G包括延伸入由本體142形成的腔室部分122C的內(nèi)部區(qū)域。電極組件104G還包括致動器152，它被配置成調(diào)整電極148G相對于腔室部分122C的位置。例如，致動器152可包括可沿定義軸156直線移動的螺紋驅(qū)動桿154。致動器可包括可配置以控制驅(qū)動桿154的位置的直線定位伺服電動機，如本領域內(nèi)技術人員所知的那樣。
可滑動框構件158可結合于驅(qū)動桿154并可滑動地設置在一個或多個直線桿支承160的周圍，直線桿支承160在致動器152和結合件162之間延伸并大致平行于定義軸156。連接件162機械地結合于電極端口140B，由此固定致動器152、直線桿支承160和結合件162相對于腔室部分122C的相對位置。
可滑動框構件158也連接于電極148G，并且當可滑動框構件158通過致動器152和相連的驅(qū)動桿154而移動時，則在大致沿定義軸156的方向上實現(xiàn)相對于腔室部分122C的電極148G的位移。因此電極組件104G-104I是可調(diào)的，由此電弧間隙、相鄰電極148G-148I之間的距離可被設置成能在其間獲得所要求的電弧。另外，當由于重復拉弧而使電極148G-148I磨損時，可通過與之結合的致動器152使之前進以維持所希望的電弧間隙。
如圖3C所示，電極148G可包括第一管狀部分163和第二管狀部分164，第二管狀部分164大致同心地形成在第一管狀部分163內(nèi)。可對第一和第二管狀部分163和164定尺寸、定位和配置以在其間界定一個環(huán)形間隙165。液體入口166可以流體連通于第二管狀部分163的內(nèi)部，液體出口167可流體連通于環(huán)形間隙165。因此在操作中，可通過液體入口166導入冷卻液，冷卻液流過第二管狀部分164的內(nèi)部、流入環(huán)形間隙165并流出液體出口167。這種配置使得電極148G有效冷卻并提高其工作壽命。
管狀部分163、164可由均為可導電和導熱的金屬材料形成。另外，電極148G包括可拆下地配合于第一管狀部分163的可替換尖部168，因此磨損的尖部可在需要時被替換。另外，電極組件104G可包括電氣絕緣襯套169，它可設置在第一管狀部分163和電極端口140B之間以使電極與之絕緣。該襯套169可由氮化硼或氮化硼和氮化鋁的混合材料形成。
連接于各腔室部分122A-122C的電極組可從幾何上進行配置以在其間形成所希望的電弧和相關的等離子體積。例如，參閱圖3A和圖4，在一個實施例中，第一電極組中的每個電極148A-148C可被定位和定向，使它們從反應器腔室122(為簡明起見，在圖4中以虛線表示)延伸以相對縱軸150形成一個銳角(圖3A)。另一電極組148D-148F可從第一電極組148A-148C偏移一所要求的距離并定向成大致橫貫縱軸150而延伸。另一電極組148G-148I可從第二電極組148D-148F偏移一所要求的距離并定向成大致橫貫縱軸150而延伸。
參閱圖5A，第一電極組148A-148C可周向地、大致對稱地設置在縱軸150周圍縱軸150兩條彼此正交并與縱軸150正交的迪卡爾軸170、172(圖3A)的交點所表示。例如，一個電極(148A)相對于相鄰電極(148B)的角度可接近120°。更具體地，相對于定義軸170、172，第一電極148A可定位在大約90°的方向上，第二電極148B可被定位在大約210°的方向上，而第三電極148C可被定位在大約330°的方向上。
參閱圖5B，第二電極組148D-148F也可被周向地、大致對稱地設置在縱軸150周圍，但與第一電極組148A-148C相比，相對于定義軸170、172具有不同的定向。例如，相對于定義軸170、172，第一電極148D可被定位在大約30°的方向上，第二電極148D可被定位在大約150°的方向上，而第三電極148F可被定位在大約270°的方向上。
參閱圖5C，第三電極組148G-148I也可被周向地、大致對稱地設置在縱軸150周圍，但與第二電極組148D-148F相比，相對于定義軸170、172具有不同的定向。例如，相對于定義軸170、172，第一電極148G可被定位在大約90°的方向上，第二電極148H可被定位在大約210°的方向上，而第三電極148I可被定位在大約330°的方向上。因此，第一電極組148A-148C可類似于第三電極組148G-148I那樣進行定向。
要注意的是圖4和圖5A-5C所描述的這種電極配置中，第一電極組148A-148C表現(xiàn)出圍繞縱軸150的第一角方向或布局，而第二電極組148D-148表現(xiàn)出圍繞縱軸150的第二角方向，當從橫貫于縱軸150的平面觀察時，第二電極組的電極148D-148F表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)地散布在第一電極組的電極148A-148C之間。對第二電極組148D-148F以及第三電極組148G-148I而言也具有類似的布局。
這種配置的優(yōu)點是使得電極148A-148I呈均勻分布在腔室122內(nèi)，以在諸電極148A-148I之間產(chǎn)生長久的高溫電弧。所產(chǎn)生的高溫電弧提供可觀的熱能以加熱、熔化和汽化多種物質(zhì)。電弧還在反應器腔室122內(nèi)產(chǎn)生大致均一的等離子柱或等離子體。另外，電極組(即148A-148C、148D-148F以及148G-148I)的交疊布局和所引起的加長的電弧和等離子柱為任何流過其間的反應物提供更長的滯留時間。因此，由于反應器102(圖2)的模塊性質(zhì)，包括單獨的腔室部分122A-122C，可通過引入附加的腔室部分或去除現(xiàn)有腔室部分而形成可變長度的等離子柱，從而為所希望的處理量身定制所產(chǎn)生的等離子體。另外，如圖3B所示的取間隔器179可結合于腔室部分122A-122C(圖3A)的各端以改變相鄰電極組(148A-148C以及148D-148F)之間沿縱軸的距離。換句話說，盡管為簡明起見，在圖3B中僅示出將取間隔器設置在腔室部分122C的下部，相同的取間隔器179也可以設置于腔室部分的各端，從而在各腔室部分122A-122C之間設置至少一個取間隔器179。
還應當注意，不同的電極組148A-148C、148D-148F、148G-148I可表現(xiàn)出與圖4和圖5A-圖5C所描述的不同的角方向。例如，假設第一電極組148A-148C如圖4和圖5A那樣進行配置，第二電極組148D-148F可分別相對于定義軸170、172定向在10°、130°、250°的方向上，同時第三電極組148G-148I可分別相對于定義軸170、172定向在50°、170°、290°的方向上。當然也可以采用其它布局，這取決于例如所利用的電極組數(shù)量以及沿縱軸150各電極組之間的距離。
再次參閱圖3A和圖4，在腔室內(nèi)形成入口180以將諸如反應物的物質(zhì)導入到反應器腔室122中。在一個具體實施例中，可將入口180配置成沿縱軸150導入物質(zhì)，由此物質(zhì)通過由多個電極148A-148I形成的電弧中心。使物質(zhì)基本上通過電弧中心的能力使固體物質(zhì)熔化和/或汽化，由此在導入到腔室122之前無需對這類物質(zhì)進行預處理。
現(xiàn)參閱圖6，其中示出關于反應器102的供電和有關致動器控制的范例性示意圖。電氣伺服188A-188B將480伏(V)和60安培(A)的三相交流電(AC)功率提供給各單獨電極組電源190A-190C。功率測量裝置或系統(tǒng)192A-192C可連接于電源190A-190C。功率測量裝置或系統(tǒng)192A-192C可連接于各電源190A-190C。各功率測量系統(tǒng)192A-192C可被配置成監(jiān)控與其相連的電源190A-190C的功率的各相的電壓和電流。
變壓器194A-194C可以連接在各電源190A-190C和反應器102之間。更具體地說，各變壓器194A-194C可連接在相關的電源190A-190C和規(guī)定電極組(例如電極148A-148C、148D-148F或148G-148H)之間。多個致動器控制裝置196A-196C也連接于反應器102。更具體地說，每個致動器控制裝置196A-196C連接于規(guī)定電極組的致動器152(圖3B、3C)。
參閱圖7和圖8，其中示出了電極組電源190A的范例性示意圖。要注意電源190A包括可控硅整流器(SCR)198。使各三相電源的一個單相相連接于電極組(如148A-148C)的一個電極(如電極148A)，SCR198便可用于控制各電極的相角點火。在一個具體實施例中SCR198可額定在480V和75A上。該裝置通過FL Clearwater的Phasetronics可從市面上購得。
簡單地參閱圖8，其中示出可用于根據(jù)本發(fā)明實施例的變壓器194A的范例性示意圖。變壓器194A被用于限制與電弧點火有關的高瞬變電流。更具體地，變壓器的感抗使來自有關電源190A的初始電流減小，由此無法啟動電流保護裝置。
參閱圖9，其中示出用于致動器控制系統(tǒng)或裝置196A的范例性示意圖。致動器152的控制(圖3A和3B)可例如響應性于連接于電極的電功率測得的各相的電流和電壓值?；谌∽韵嚓P電源(如190A)的電流和電壓測量，可如上所述地移動各給定電極組的各個電極(例如電極148A-148C)以改變其間的間隙和距離。電壓和/或電流的連續(xù)監(jiān)測和伴隨而來的對電極組的各單獨電極進行調(diào)整使這些電極產(chǎn)生更高效的電弧。另外，在啟動期間，可控制致動器以在諸電極之間界定較小的間隙以使反應器在較容易啟動。一旦建立電弧，可重新對電極進行定位以獲得正常操作時的優(yōu)化性能。
盡管本發(fā)明容許多種修改和改變形式，但還是通過附圖中的例子而示出了多個特定實施例并在此作了詳細說明。然而，要知道的是本發(fā)明不局限于所公開的具體形式；與之相反，本發(fā)明包括落在本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的所有修改、等效物、改變，這由所附權利要求書所定義。
權利要求
1.一種等離子發(fā)生設備，包括腔室；含三個電極的第一電極組，其中第一電極組的每個電極被配置成連接于三相交流(AC)電源的一個相，第一電極組的三個電極圍繞腔室的縱軸設置；以及至少另一含三個電極的電極組，其中至少另一電極組的各電極被配置成連接于另一三相交流電(AC)源的一個相，至少另一電極組的三個電極圍繞腔室的縱軸而設置，其中至少另一電極組沿縱軸相對于第一電極組而位移。
2.如權利要求1所述設備，其特征在于，所述腔室在第一端包括一個入口并在第二相對端包括一個出口。
3.如權利要求2所述設備，其特征在于，定位和配置所述入口以在大致沿由第一電極組和至少另一電極組所產(chǎn)生的電弧中心線的位置上將物質(zhì)引入腔室內(nèi)。
4.如權利要求3所述設備，其特征在于，所述出口被配置成匯聚嘴。
5.如權利要求1所述設備，其特征在于，所述第一電極組的每個電極被配置成相對于縱軸而位移。
6.如權利要求5所述設備，其特征在于，至少另一電極組的每個電極被配置成相對于縱軸而位移。
7.如權利要求6所述設備，其特征在于，還包括多個致動器，其中第一電極組的每個電極和至少另一電極組的每個電極連接于多個致動器中的一個致動器并可藉此位移。
8.如權利要求7所述設備，其特征在于，還包括多個連接于多個致動器的滑動組件，其中每個滑動組件包括大致剛性地連接于腔室的第一框構件，連接在框構件和所述框構件所連接的致動器之間的至少一個直線桿支承，以及連接于相連的電極并配置成沿至少一個直線桿支承而大致直線位移的滑動構件。
9.如權利要求7所述設備，其特征在于，所述腔室還包括具有內(nèi)表面的本體，外表面和界定于內(nèi)表面和外表面間的至少一個通道。
10.如權利要求9所述設備，其特征在于，還包括至少一個流體連通于至少一個通道的冷卻口。
11.如權利要求10所述設備，其特征在于，所述本體界定從外表面通過內(nèi)表面的至少一個開口，其中觀察口連接于至少一個開口。
12.如權利要求6所述設備，其特征在于，所述第一電極組的每個電極在相對于縱軸呈銳角的方向上延伸。
13.如權利要求12所述設備，其特征在于，至少另一電極組的每個電極在相對于縱軸大致呈直角的方向上延伸。
14.如權利要求13所述設備，其特征在于，所述第一電極組的每個電極周向地設置在縱軸周圍并相對于所述第一電極組的相鄰電極呈大約120°的夾角。
15.如權利要求14所述設備，其特征在于，所述至少另一電極組的每個電極周向地設置在縱軸周圍并相對于至少另一電極組的相鄰電極呈大約120°的夾角。
16.如權利要求15所述設備，其特征在于，第一電極組表現(xiàn)出圍繞縱軸的第一周向定向而至少另一電極組表現(xiàn)出與所述第一周向定向不同的圍繞縱軸的第二周向定向。
17.如權利要求16所述設備，其特征在于，所述第二周向定向包括相對于第一電極組的諸電極而大致圍繞縱軸旋轉(zhuǎn)60°的至少另一電極組的諸電極。
18.如權利要求1所述設備，其特征在于，至少另一電極組包括第二電極組和相對于第二電極組沿縱軸而位移的第三電極組。
19.如權利要求1所述設備，其特征在于，所述電極是由包含石墨的材料構成的。
20.如權利要求1所述設備，其特征在于，每個所述電極包括至少一個金屬管狀件。
21.如權利要求20所述設備，其特征在于，至少一個金屬管狀件包括第一金屬管狀部分和第二金屬管狀部分，其中第二金屬管狀部分被設置在第一金屬管狀部分內(nèi)，而第一和第二管狀部分被定尺寸、定位和配置以在其中界定一個環(huán)形間隙。
22.如權利要求21所述設備，其特征在于，還包括流體連通于第二管狀部分內(nèi)部的入口以及流體連通于環(huán)形間隙的出口。
23.如權利要求20所述設備，其特征在于，每個電極還包括可移動地配合于至少一個金屬管狀部分的電極尖部。
24.一種電弧發(fā)生設備，包括含三個電極的第一電極組，其中第一電極組的每個電極被配置成連接于三相交流(AC)電源的一個相，第一電極組的三個電極圍繞定義軸而設置；以及至少另一含三個電極的電極組，其中至少另一電極組的各電極被配置成連接于另一三相交流電(AC)源的一個相，至少另一電極組的三個電極圍繞腔室的縱軸而設置，其中至少另一電極組沿定義軸相對于第一電極組而位移。
25.如權利要求24所述設備，其特征在于，所述第一電極組的每個電極被配置成相對于定義軸而位移。
26.如權利要求25所述設備，其特征在于，至少另一電極組的每個電極被配置成相對于定義軸而位移。
27.如權利要求26所述設備，其特征在于，所述第一電極組的每個電極相對于定義軸呈銳角的方向延伸。
28.如權利要求27所述設備，其特征在于，至少另一電極組的每個電極相對于定義軸大致呈直角的方向延伸。
29.如權利要求28所述設備，其特征在于，第一電極組的每個電極周向地設置在定義軸周圍并相對于所述第一電極組的相鄰電極呈大約120°的夾角。
30.如權利要求29所述設備，其特征在于，至少另一電極組的每個電極周向地設置在定義軸周圍并相對于所述至少另一電極組的相鄰電極呈大約120°的夾角。
31.如權利要求30所述設備，其特征在于，所述第一電極組表現(xiàn)出圍繞定義軸的第一周向定向而至少另一電極組表現(xiàn)出與所述第一周向定向不同的圍繞定義軸的第二周向定向。
32.如權利要求31所述設備，其特征在于，所述第二周向定向包括相對于第一電極組的諸電極而圍繞定義軸旋轉(zhuǎn)大約60°的至少另一電極組的諸電極。
33.如權利要求32所述設備，其特征在于，至少另一電極組包括第二電極組和相對于第二電極組沿定義軸而位移的第三電極組。
34.如權利要求24所述設備，其特征在于，所述電極是由包含石墨的材料構成的。
35.如權利要求24所述設備，其特征在于，每個所述電極包括至少一個金屬管狀件。
36.如權利要求35所述設備，其特征在于，至少一個金屬管狀件包括第一金屬管狀部分和第二金屬管狀部分，其中第二金屬管狀部分被設置在第一金屬管狀部分內(nèi)，而第一和第二管狀部分被定尺寸、定位和配置以在其中界定一個環(huán)形間隙。
37.如權利要求36所述設備，其特征在于，還包括流體連通于第二管狀部分內(nèi)部的入口以及流體連通于環(huán)形間隙的出口。
38.如權利要求35所述設備，其特征在于，每個電極還包括可移動地配合于至少一個金屬管狀部分的電極尖部。
39.一種等離子弧反應器，包括第一腔室部分；至少另一腔室部分，其中第一腔室部分和至少另一腔室部分被配置和定位置至少部分地界定一個腔室本體；第一電極組，包括至少部分設置于第一腔室部分內(nèi)的三個電極，其中第一電極組的每個電極被配置成連接于三相交流電(AC)電源的一個相，第一電極組的三個電極定位在腔室本體的縱軸的周圍；以及至少另一電極組，包括至少部分設置于至少另一腔室部分內(nèi)的三個電極，其中至少另一電極組的每個電極被配置成連接于三相交流電(AC)電源的一個相，至少另一電極組的三個電極定位在腔室本體的縱軸的周圍，其中至少另一電極組相對于第一電極組沿縱軸位移。
40.如權利要求39所述反應器，其特征在于，第一電極組的每個電極被配置成相對縱軸而位移。
41.如權利要求40所述反應器，其特征在于，至少另一電極組的每個電極被配置成相對縱軸而位移。
42.如權利要求41所述反應器，其特征在于，還包括多個致動器，其中第一電極組的每個電極和至少另一電極組的每個電極連接于多個致動器中的一個致動器并藉此位移。
43.如權利要求42所述反應器，其特征在于，第一腔室部分還包括內(nèi)表面、外表面和至少一個界定于其間的通道。
44.如權利要求43所述反應器，其特征在于，還包括至少一個流體連通于第一腔室部分的至少一個通道的冷卻口。
45.如權利要求44所述反應器，其特征在于，至少另一腔室部分還包括內(nèi)表面、外表面和至少一個界定于其間的通道。
46.如權利要求45所述反應器，其特征在于，還包括至少一個流體連通于至少另一腔室部分的至少一個通道的冷卻口。
47.如權利要求42所述反應器，其特征在于，第一電極組的每個電極相對于縱軸呈銳角方向延伸。
48.如權利要求47所述反應器，其特征在于，至少另一電極組的每個電極相對于縱軸呈直角方向延伸。
49.如權利要求48所述反應器，其特征在于，所述第一電極組表現(xiàn)出圍繞縱軸的第一周向定向而至少另一電極組表現(xiàn)出與所述第一周向定向不同的圍繞縱軸的第二周向定向。
50.如權利要求39所述反應器，其特征在于，至少另一腔室部分可移動地連接于第一腔室部分。
51.如權利要求39所述反應器，其特征在于，至少另一腔室部分包括可移動地連接于第一腔室部分的第二腔室部分以及可移動地連接于第二腔室部分的第三腔室部分，其中至少另一電極組包括至少部分地設置在第二腔室部分內(nèi)的第二電極組以及至少部分地設置在第三腔室部分中的第三電極組。
52.如權利要求32所述反應器，其特征在于，還包括設置在第一腔室部分和至少另一腔室部分之間并可移動地分別連接于與所述第一腔室部分和至少另一腔室部分的取間隔器。
53.一種用于處理物質(zhì)的系統(tǒng)，包括在第一端具有入口并在第二端具有出口的腔室；包括三個電極的第一電極組，所述第一電極組的三個電極被設置在腔體縱軸的周圍；包括三個電極的至少另一電極組，所述至少另一電極組的三個電極被設置在腔室縱軸的周圍，其中至少另一電極組相對于第一電極組沿縱軸而設置；包括三相交流電(AC)電氣伺服的第一電源，其中第一電源的每個相連接于所述第一電極組的一單個電極；包括三相AC電氣伺服的至少另一電源，其中至少另一電源的每個相連接于至少另一電極組的一單個電極。
54.如權利要求53所述系統(tǒng)，其特征在于，還包括被定位和設置成將熱量從腔室除去的冷卻系統(tǒng)。
55.如權利要求54所述系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)還包括熱交換器和被定位和配置成適應冷卻流體在腔室和熱交換器之間循環(huán)的至少一條冷卻管線。
56.如權利要求55所述系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)還包括被定位和配置成使冷卻流體循環(huán)流過至少一條冷卻管線的泵。
57.如權利要求53所述系統(tǒng)，其特征在于，第一電源包括第一可控硅整流器(SCR)。
58.如權利要求57所述系統(tǒng)，其特征在于，所述第一SCR被配置成根據(jù)第一電源的每個相的相角而控制第一電極組的每個電極的點火。
59.如權利要求53所述系統(tǒng)，其特征在于，至少另一電源包括至少另一可控硅整流器。
60.如權利要求59所述系統(tǒng)，其特征在于，所述至少另一SCR被配置成根據(jù)至少另一電源的每個相的相角而控制至少另一電極組的每個電極的點火。
61.如權利要求60所述系統(tǒng)，其特征在于，第一電極組的每個電極被設置成可相對于縱軸位移。
62.如權利要求61所述系統(tǒng)，其特征在于，所述至少另一電極組的每個電極被設置成可相對于縱軸位移。
63.如權利要求62所述系統(tǒng)，其特征在于，還包括多個致動器，其中第一電極組的每個電極和至少另一電極組的每個電極連接于多個致動器中的一個致動器并藉此位移。
64.如權利要求63所述系統(tǒng)，其特征在于，還包括被定位和配置成確定所述第一電源各組的電流和電壓的至少一個并響應于此而產(chǎn)生第一信號的第一測量裝置，以及被定位和配置成確定所述至少另一電源各相的電流和電壓的至少一個并響應于此而產(chǎn)生至少另一信號的至少另一測量裝置。
65.如權利要求64所述系統(tǒng)，其特征在于，所述多個致動器的每個被設置成響應于第一信號和至少另一信號中的至少一個而使所連接的電極產(chǎn)生位移。
66.如權利要求65所述系統(tǒng)，其特征在于，定位和設置所述入口以在大致沿由第一電極組和至少另一電極組產(chǎn)生的電弧中心線的位置上使物質(zhì)導入腔室內(nèi)。
67.如權利要求66所述系統(tǒng)，其特征在于，所述出口被設置成匯聚嘴。
68.如權利要求67所述系統(tǒng)，其特征在于，還包括連接于腔室出口的分離裝置。
69.如權利要求68所述系統(tǒng)，其特征在于，所述分離裝置包括旋流器和過濾器中的至少一個。
70.如權利要求65所述系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電極組的每個電極相對于縱軸呈銳角地延伸。
71.如權利要求70所述系統(tǒng)，其特征在于，至少另一電極組的每個電極相對于縱軸大致呈直角地延伸。
72.如權利要求71所述系統(tǒng)，其特征在于，所述第一電極組表現(xiàn)出圍繞縱軸的第一周向定向而至少另一電極組表現(xiàn)出與所述第一周向定向不同的圍繞縱軸的第二周向定向。
73.一種生成等離子的方法，所述方法包括將氣體引入腔室內(nèi)；提供設置在腔室縱軸周圍的包含三個電極的第一電極組；提供設置在縱軸周圍并相對于第一電極組沿縱軸位移的包括三個電極的至少另一電極組；將第一電極組連接于第一電源包括將第一電極組的每個電極連接于三相交流電(AC)電源的一個相上；將至少另一電極組連接于至少另一電源包括將至少另一電極組的每個電極連接于至少另一個三相電源的一個相；當存在氣體時，在腔室中的第一電極組和至少另一電極組之間產(chǎn)生電弧。
74.如權利要求73所述方法，其特征在于，還包括確定第一電源的至少一個操作特性和至少另一電源的至少一個操作特性。
75.如權利要求74所述方法，其特征在于，確定第一電源的至少一個操作特性包括確定第一電源的電流和電壓中的至少一個，而確定至少另一電源的至少一個操作特性包括確定至少另一電源的電流和電壓中的至少一個。
76.如權利要求75所述方法，其特征在于，還包括響應所述第一電源的確定的至少一個操作特性而使第一電極組的至少一個電極位移。
77.如權利要求76所述方法，其特征在于，還包括響應所述至少另一電源的確定的至少一個操作特性而使至少另一電極組的至少一個電極位移。
78.如權利要求77所述方法，其特征在于，還包括將熱能從腔室除去。
79.如權利要求77所述方法，其特征在于，還包括控制第一電源的每個相的相角。
80.如權利要求78所述方法，其特征在于，還包括控制至少另一電源的每個相的相角。
81.一種生成等離子體的方法，所述方法包括將氣體引入腔室內(nèi)；將至少多個第一電極以第一布局至少部分地設置在腔室內(nèi)，以使至少一個電極的尖部被設置在離開相鄰電極尖部第一距離的位置上；當存在氣體時，在腔室內(nèi)的至少多個第一電極之間產(chǎn)生電?。灰约笆怪辽僖粋€電極位移，從而使至少一個電極的尖部位于離開相鄰電極的尖部第二距離的位置上，同時維持電弧。
82.如權利要求81所述方法，其特征在于，將至少多個第一電極至少部分地設置在腔室內(nèi)還包括基本對稱地將至少多個第一電極周向地設置在腔室的縱軸周圍。
83.如權利要求82所述方法，其特征在于，使至少一個電極位移還包括使多個電極的每個電極位移。
84.如權利要求83所述方法，其特征在于，在至少多個第一電極之間產(chǎn)生電弧還包括將電氣伺服提供給每個電極，所述方法還包括確定與提供給每個電極的電氣伺服相關的至少一個操作參數(shù)，其中響應于所確定的至少一個操作參數(shù)而使每個電極位移。
85.如權利要求81所述方法，其特征在于，將至少多個第一電極至少部分地設置在腔室內(nèi)還包括將第一電極組設置在沿縱軸的第一位置，并將至少第二電極組設置在沿縱軸偏離所述第一位置的第二位置上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種等離子發(fā)生器、反應器和相關系統(tǒng)和方法。等離子反應器包括多個可移動地彼此連接以形成腔室的部分或模塊。包括三塊電極的電極組與各部分相連，其中每個電極連接于三相交流電(AC)電源的一個相。這些電極被設置在腔室的縱向中心線的周圍并被配置成提供延長的電弧和產(chǎn)生延長的等離子體的結構。諸電極可相對于腔室的縱向中心線位移?？墒褂每刂葡到y(tǒng)以響應有關電源的測得電壓或電流而自動地使電極位移并界定電極間隙。
文檔編號B23K9/02GK1822913SQ200480020152
公開日2006年8月23日 申請日期2004年12月1日 優(yōu)先權日2003年12月2日
發(fā)明者P·C·孔, R·J·皮恩克, J·E·李 申請人:柏克德Bwxt愛達荷有限責任公司