專利名稱：一種微波等離子體點燃器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于大功率微波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用大功率微波產(chǎn)生等離子體火 炬的微波等離子體點燃器。
背景技術(shù)：
微波等離子體是一種通過無極放電產(chǎn)生的高電荷密度和溫度的準(zhǔn)平衡等離子體。 它與直流、射頻等離子體相比，具有轉(zhuǎn)換效率高、溫度高、體積大等特點。在微波工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，國際相關(guān)組織給出了兩個工作頻率窗口，即915MHz、 2450MHz。在這些工作頻率窗口，對于微波等離體的激勵，1個大氣壓或更高氣壓時，要產(chǎn) 生放電的微波場強需大于3X 104v/cm，超過低氣壓等離體激勵所需微波場強兩個數(shù)量級之 多。因此，在大氣壓強(》105帕)下，微波等離子點燃器產(chǎn)生微波等離子體火炬(APT)需 要大功率的微波，以提高等離子體產(chǎn)生區(qū)域的微波電場，激勵微波等離子體產(chǎn)生。為提高放電位置的微波電場，現(xiàn)有技術(shù)中的微波等離子體產(chǎn)生裝置，如圖2、3所示 的、2009年03月04日公開的、公告號為CN 101378615A、名稱為“一種微波等離子體火炬波導(dǎo) 激勵腔”的中國發(fā)明專利申請公開說明書。該專利申請中的微波等離子體點燃器通過壓縮波 導(dǎo)窄邊高度和構(gòu)成TE103型諧振腔的雙重提高放電區(qū)的微波場強措施，從而不僅省去了點火 器或引燃極，而且也大大提高了微波功率的利用率，即微波放電的轉(zhuǎn)換效率。實現(xiàn)了不采用任 何點火器或引燃極的情況下，較小微波功率就能借助此激勵腔激發(fā)大氣壓強(> 105帕)下 的微波等離子體火炬，裝置結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)換效率高，火炬電子溫度及電子密度高，工作穩(wěn)定。然而，在上述微波等離子體點燃器中，由于火炬電子溫度高，同軸線內(nèi)導(dǎo)體經(jīng)不起 長時間的高溫，會出現(xiàn)熔化現(xiàn)象。因此，現(xiàn)有的微波等離子體點燃器不能長時間使用，不能 起到助燃、穩(wěn)燃的作用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的微波等離子體點燃器不能長時間使用的技術(shù)問題 和不足，提供一種可以長時間使用的微波等離子體點燃器。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的微波等離子體點燃器，包括一微波諧振腔，與微波功率饋入系統(tǒng)連接，微波功率饋入系統(tǒng)向微波諧振腔輸入 大功率微波；一石英玻璃管，穿過微波諧振腔的微波場強最大處，用于提供微波等離子體火炬 產(chǎn)生并維持的空間，其內(nèi)微波場強最大處為微波等離子體產(chǎn)生區(qū)域；一切向送風(fēng)裝置，位于石英玻璃管底端，沿石英玻璃管內(nèi)壁圓周切線斜向上方向 送入氣流，用于在石英玻璃管內(nèi)壁與與產(chǎn)生的微波等離子體火炬之間形成保護氣膜，避免 石英玻璃管直接接觸高溫；其特征在于，還包括一煤粉流吹入裝置，其煤粉流吹出口位于石英玻璃管底端中心位置，用于向石英玻璃管中微波等離子體產(chǎn)生區(qū)域軸向送入煤粉流；當(dāng)微波功率饋入系統(tǒng)輸入微波功率超過 臨界值時，在煤粉流中的微小煤粉激勵下，在微波等離子體產(chǎn)生區(qū)出現(xiàn)初始電離放電，通過 雪崩效應(yīng)過渡到整個石英玻璃管內(nèi)，產(chǎn)生微波等離子體火炬，同時點燃煤粉流，形成煤粉微 波等離子體火炬，并沿石英玻璃管軸向從石英玻璃管上端吹出。本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實現(xiàn)的將煤粉流引入微波等離子體產(chǎn)生區(qū)域，一方面可以通過微小煤粉的激勵，即導(dǎo)引 下，初始電離放電，通過雪崩效應(yīng)過渡到整個石英玻璃管內(nèi)，產(chǎn)生微波等離子體火炬，降低 了微波等離子體激發(fā)產(chǎn)生所需微波場強；同時，另一方面，煤粉與微波等離子體相互作用， 使得軸向煤粉流在石英玻璃管中處于完全燃燒狀態(tài)，既提高了點燃器輸出火炬的功率密 度，又將大量熱量通過煤粉流帶出燃燒器，實現(xiàn)了對燃燒器裝置的保護，增加了微波等離子 體點燃器的點燃、助燃和穩(wěn)燃能力。在本發(fā)明中，由于是煤粉流在微波等離子體產(chǎn)生區(qū)域進(jìn)行激勵，該區(qū)域被螺旋氣 流膜隔離，產(chǎn)生輸出的火炬不與微波等離子體點燃器本身直接接觸，因而，能長時間使用， 在燃燒系統(tǒng)中，起到助燃、穩(wěn)燃的作用，克服了現(xiàn)有技術(shù)在微波等離子體產(chǎn)生區(qū)域放入同軸 線內(nèi)導(dǎo)體來產(chǎn)生微波等離子體火炬，高溫等離子體火炬會將同軸線內(nèi)導(dǎo)體熔化的缺點。同時，在本發(fā)明中，微波等離子體與煤粉流作用充分，轉(zhuǎn)換效率高，構(gòu)成的煤粉微 波等離子體火炬溫度高且體積大，可用于大型燃燒系統(tǒng)，如火力發(fā)電鍋爐、焚燒鍋爐等的點 燃、助燃和穩(wěn)燃，以取代現(xiàn)有的點燃器，如燃油點燃器、直流等離子體點燃器等。


圖1是本發(fā)明微波等離子體點燃器的一種具體實施方式
下的結(jié)構(gòu)示意圖，其中 (a)為側(cè)面剖視圖、(b)為俯視圖、(c)為仰視圖、(d)為場強分布圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的一種微波等離子體點燃器側(cè)剖面圖；圖3是圖2所示的微波等離子體點燃器的工作原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的最佳具體實施方式
進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更 好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計的詳細(xì)描述 也許會淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時，這些描述在這里將被忽略。實施例在本實施例中，如圖1 (a)所示，微波諧振腔100包括一標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101，其始端與微波功率饋入系統(tǒng)連接，并具有一等效短路面形成 裝置；微波功率饋入系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101輸入大功率微波；一漸變矩形波導(dǎo)102，其始端與標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101的末端連接；漸變矩形波導(dǎo)102 從始端到末端，其窄邊按線性規(guī)律壓縮；一窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103，其始端與漸變矩形波導(dǎo)102末端相連，并且與漸變矩形 波導(dǎo)102末端窄邊高度一致，末端為金屬短路板1031 ；窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103的上下兩面 分別開有一個圓孔1032、1033，其圓心在波導(dǎo)寬邊中心軸線上距離末端1/4波導(dǎo)波長左右， 且兩個圓孔1032、1033的圓心連線與窄邊壓縮矩形波導(dǎo)的上下兩面垂直；
微波諧振腔長度滿足諧振條件，在本實施例中，三段矩形波導(dǎo)101、102、103總長 度滿足半波導(dǎo)波長的整數(shù)倍。在本實施中，如圖1(b)、(c)所示，石英玻璃管200通過窄邊壓縮矩形波導(dǎo)上面的 圓孔1032插入窄邊壓縮矩形波導(dǎo)內(nèi)，至少到達(dá)窄邊壓縮矩形波導(dǎo)下面的圓孔1033，用于提 供微波等離子體火炬產(chǎn)生并維持的空間。在本實施例中，微波等離子體點燃器還包括一下金屬筒301，位于窄邊壓縮矩形波 導(dǎo)103下面圓孔1033外側(cè)上，起著截止圓波導(dǎo)的作用。在下金屬筒的底端端面上有一金屬 圓環(huán)400，與金屬筒301 —起用于防止微波諧振腔100中的微波泄漏。在本實施中，切向送風(fēng)裝置為在下金屬筒301的筒壁，沿圓周切線斜向上方向開 有數(shù)個小孔501，每個小孔501沿筒壁圓周切線斜向上方向焊接一金屬管502，金屬管502 的筒壁外管口 5021與供風(fēng)裝置(未畫出)，如空氣壓縮機等連接。氣流從金屬管502的筒 壁內(nèi)管口 5022送出，沿石英玻璃管200內(nèi)壁圓周切線斜向上方向進(jìn)入石英管，用于在石英 玻璃管200內(nèi)壁與與產(chǎn)生的煤粉微波等離子體火炬800之間形成保護氣膜，避免石英玻璃 管200直接接觸高溫。在本實施例中，煤粉流吹入裝置600的煤粉流吹出口 601位于石英玻璃管200底 端中心位置，在本實施中，位于金屬圓環(huán)400的圓心處，用于向石英玻璃管200中微波等離 子體產(chǎn)生區(qū)域軸向送入煤粉流700;當(dāng)微波功率饋入系統(tǒng)輸入微波功率超過臨界值時，在 煤粉流700中的微小煤粉激勵下，在微波等離子體產(chǎn)生區(qū)產(chǎn)生初始電離放電，通過雪崩效 應(yīng)過渡到整個石英玻璃管200內(nèi)，產(chǎn)生微波等離子體火炬，同時點燃煤粉流，形成煤粉微波 等離子體火炬800，并沿石英玻璃管200軸向從石英玻璃管200上端吹出。在本實施中，由標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101、漸變矩形波導(dǎo)102、窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103構(gòu)成 的微波諧振腔100與現(xiàn)有技術(shù)，即2009年03月04日公開的、公告號為CN 101378615A的 中國發(fā)明專利申請公開說明書公開的微波等離子體點燃器中微波諧振腔結(jié)構(gòu)和原理一致。 但如圖3所示，其標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)2的等效短路面形成裝置采用的是始端金屬膜片5，由于微 波功率饋入系統(tǒng)送入大功率微波的頻率誤差以及諧振腔結(jié)構(gòu)的制造誤差，往往不能在微波 諧振腔100形成諧振，使石英玻璃管11穿過微波諧振腔的微波場強較大處。因此，在本實 施中，對微波諧振腔100進(jìn)行了改進(jìn)在標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101始端寬邊中心軸線L上安裝有銷釘調(diào)配器1011，通過調(diào)節(jié)銷 釘調(diào)配器1011使標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101始端形成等效短路面。在本實施例中，調(diào)節(jié)銷釘調(diào)配器 1011為微波領(lǐng)域常用的三銷釘調(diào)配器，包括三個等間距排列的可上下調(diào)節(jié)的銷釘，在標(biāo)準(zhǔn) 矩形波導(dǎo)101寬邊中心沿軸向依次安裝。通過三個銷釘在標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101內(nèi)不同插入深度的配合，在標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101 始端形成等效短路面。此時，標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101始端等效短路面以及窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103 末端金屬短路板1031的作用，微波諧振腔100構(gòu)成一個封閉的TE-模式的諧振腔。在本實施中，如圖1所示，本發(fā)明的微波等離子體點燃器是這樣工作的微波饋入系統(tǒng)通過法蘭盤900，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101中，經(jīng)三銷釘調(diào)配器1011調(diào) 配后進(jìn)入漸變矩形波導(dǎo)102進(jìn)行壓縮，壓縮后的微波送入窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103中；當(dāng)微波 窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103末端的金屬短路板1031后產(chǎn)生全反射，逆向經(jīng)微波窄邊壓縮矩形波 導(dǎo)103向漸變矩形波導(dǎo)102、標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101返回輸入微波饋入系統(tǒng)，但大部分微波功率通過三銷釘調(diào)配器1011調(diào)配形成的等效短路面返回，重新向標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101、漸變矩形 波導(dǎo)102、窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103方向傳輸。由于三段矩形波導(dǎo)101、102、103總長度滿足波 導(dǎo)波長整數(shù)倍，在微波諧振腔100產(chǎn)生諧振。諧振時，由于石英玻璃管200位于窄邊壓縮矩 形波導(dǎo)103波導(dǎo)寬邊中心軸線距離末端1/4波導(dǎo)波長左右處，處于諧振后的駐波波腹位置， 即圖1 (d)中的A處，穿過微波諧振腔的微波場強較大處，石英玻璃管200中微波場強較大 處為微波等離子體產(chǎn)生區(qū)域，即圖1(a)中的B區(qū)域。煤粉流吹入裝置600的煤粉流吹出口 601向石英玻璃管200中微波等離子體產(chǎn)生 區(qū)域軸向送入煤粉流700。當(dāng)輸入微波功率大于臨界值，在煤粉流700中的微小煤粉激勵下，在微波等離子 體產(chǎn)生區(qū)域B產(chǎn)生初始電離放電，通過雪崩效應(yīng)過渡到整個石英玻璃管200內(nèi)，產(chǎn)生微波等 離子體火炬，同時點燃煤粉流，形成煤粉微波等離子體火炬800，并沿石英玻璃管200軸向 從石英玻璃管200上端吹出。煤粉微波等離子體火炬800體積大小與輸入微波功率相關(guān)，功率越大，火炬體積 越大、溫度越高。煤粉微波等離子體火炬800形成后，維持火炬的微波功率可大大降低。在本實施例中，微波等離子體點燃器還包括一上金屬筒302，位于窄邊壓縮矩形波 導(dǎo)103上面外側(cè)面圓孔1032上，其中心軸線與圓孔1032圓心重合，起著固定石英玻璃管 200以及截止圓波導(dǎo)的作用。在本實施例中，根據(jù)微波饋入系統(tǒng)的工作頻率為915MHz設(shè)計的，標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo) 101采用BJ-9標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，其波導(dǎo)內(nèi)壁尺寸為寬邊a = 248mm，窄邊b = 124mm。波導(dǎo)采 用高光潔度的鋁制成，要求內(nèi)表面鍍銀，以提高諧振腔的固有品質(zhì)因數(shù)(Qo值)，標(biāo)準(zhǔn)矩形 波導(dǎo)101大于300mm。漸變矩形波導(dǎo)102、微波窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103的長度均為220mm。標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)101寬邊中心沿軸向加裝三個直徑為15mm的調(diào)節(jié)銷釘，構(gòu)成銷釘調(diào) 配器釘調(diào)配器1011。銷釘軸心彼此相距60mm，用螺紋旋入的銷釘位置可上下調(diào)節(jié)。漸變矩形波導(dǎo)102為窄邊按線性規(guī)律壓縮的矩形波導(dǎo)，其窄邊從始端的124mm到 壓縮到末端62mm。窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103的窄邊bl = 62mm,寬邊中心軸上、距末端120mm處、波導(dǎo)寬 邊上下兩面開孔徑為100mm的同心圓孔1032、1033。上金屬筒302長度為30_，內(nèi)徑為100mm，石英玻璃管200外徑100mm，通過上金屬 筒302插入窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103，直至窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103另一面，下金屬筒301的軸 向長度約為50mm，外徑為100mm，插入圓孔1033，端面與窄邊壓縮矩形波導(dǎo)103保持在同一 平面，起著截止圓波導(dǎo)作用，同時也為煤粉流700輸入通道。在本實施例中，在20kw功率下可產(chǎn)生直徑80mm，長度300mm以上的火炬，其溫度在 3000k以上。本發(fā)明微波等離子體點燃器也可以應(yīng)用到其它頻段，如L波段，S波段，C波段，X 波段，或同一頻段的不同波導(dǎo)尺寸如BJ22等的激勵腔均屬于本發(fā)明所要求保護的范圍。盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實施方式
進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人 員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式
的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變 化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
權(quán)利要求
一種微波等離子體點燃器，包括一微波諧振腔，與微波功率饋入系統(tǒng)連接，微波功率饋入系統(tǒng)向微波諧振腔輸入大功率微波；一石英玻璃管，穿過微波諧振腔的微波場強較大處，用于提供微波等離子體火炬產(chǎn)生并維持的空間，其內(nèi)微波場強最大處為微波等離子體產(chǎn)生區(qū)域；一切向送風(fēng)裝置，位于石英玻璃管底端，沿石英玻璃管內(nèi)壁圓周切線斜向上方向送入氣流，用于在石英玻璃管內(nèi)壁與與產(chǎn)生的微波等離子體火炬之間形成保護氣膜，避免石英玻璃管直接接觸高溫；其特征在于，還包括一煤粉流吹入裝置，其煤粉流吹出口位于石英玻璃管底端中心位置，用于向石英玻璃管中微波等離子體產(chǎn)生區(qū)域軸向送入煤粉流；當(dāng)微波功率饋入系統(tǒng)輸入微波功率超過臨界值時，在煤粉流中的微小煤粉激勵下，在微波等離子體產(chǎn)生區(qū)產(chǎn)生初始電離放電，通過雪崩效應(yīng)過渡到整個石英玻璃管內(nèi)，產(chǎn)生微波等離子體火炬，同時點燃煤粉流，形成煤粉微波等離子體火炬，并沿石英玻璃管軸向從石英玻璃管上端吹出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波等離子體點燃器，其特征在于，所述的微波諧振腔包括一標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，其始端與微波功率饋入系統(tǒng)連接，并具有一等效短路面形成裝置；微波功率饋入系統(tǒng)向標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)輸入大功率微波；一漸變矩形波導(dǎo)，其始端與標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的末端連接；漸變矩形波導(dǎo)從始端到末端，其 窄邊按線性規(guī)律壓縮；一窄邊壓縮矩形波導(dǎo)，其始端與漸變矩形波導(dǎo)末端相連，并且與漸變矩形波導(dǎo)末端窄 邊高度一致，末端為金屬短路板；窄邊壓縮矩形波導(dǎo)的上下兩面分別開有一個圓孔，其圓心 在波導(dǎo)寬邊中心軸線上距離末端1/4波導(dǎo)波長左右處，且兩個圓孔的圓心連線與窄邊壓縮 矩形波導(dǎo)的上下兩面垂直；微波諧振腔長度滿足諧振條件；石英玻璃管通過窄邊壓縮矩形波導(dǎo)上面的圓孔插入窄邊壓縮矩形波導(dǎo)內(nèi)，至少到達(dá)窄 邊壓縮矩形波導(dǎo)下面的圓孔，用于提供微波等離子體火炬產(chǎn)生并維持的空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波等離子體點燃器，其特征在于，所述的等效短路面形成 裝置為銷釘調(diào)配器，安裝在標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)始端寬邊中心軸線上，用于調(diào)節(jié)銷釘調(diào)配器使標(biāo) 準(zhǔn)矩形波導(dǎo)始端形成等效短路面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微波等離子體點燃器，其特征在于，所述的銷釘調(diào)配器為三 銷釘調(diào)配器，包括三個等間距排列的可上下調(diào)節(jié)的銷釘，在標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)寬邊中心沿軸向 依次安裝；通過三個銷釘在標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)內(nèi)不同插入深度的配合，在標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)始端形成等效 短路面。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微波等離子體點燃器，其特征在于，所述的微波等離子體點 燃器還包括一下金屬筒，位于窄邊壓縮矩形波導(dǎo)下面外側(cè)面圓孔上，其中心軸線與圓孔圓 心重合，起著截止圓波導(dǎo)的作用；在下金屬筒的底端端面上有一金屬圓環(huán)，與下金屬筒一起 用于防止微波諧振腔中的微波泄漏。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微波等離子體點燃器，其特征在于，所述的切向送風(fēng)裝置為在下金屬筒的筒壁，沿圓周切線斜向上方向開有數(shù)個小孔，每個小孔沿筒壁圓周切線斜向上方向焊接一金屬管，金屬管的筒壁外管口與供風(fēng)裝置連接，氣流從金屬管的筒壁內(nèi)管口 送出O
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波等離子體點燃器，包括微波諧振腔、石英玻璃管等離子體產(chǎn)生區(qū)、切向送風(fēng)裝置以及煤粉流吹入裝置。煤粉流吹入裝置向石英玻璃管中微波等離子體產(chǎn)生區(qū)域軸向送入煤粉流，當(dāng)輸入微波功率超過臨界值時，在煤粉流中的微小煤粉激勵下，微波等離子體產(chǎn)生區(qū)產(chǎn)生初始電離，通過雪崩效應(yīng)過渡到整個石英玻璃管內(nèi)，從而形成微波等離子體火炬。同時點燃煤粉流，形成煤粉微波等離子體火炬，并沿石英玻璃管軸向從石英玻璃管上端吹出。煤粉與微波等離子體相互作用，這樣，既提高了點燃器輸出火炬的溫度，又增加了微波等離子體點燃器的點燃、助燃和穩(wěn)燃能力，同時克服了現(xiàn)有技術(shù)在微波等離子體產(chǎn)生區(qū)域通過同軸線內(nèi)導(dǎo)體激勵微波等離子體火炬，高溫等離子體火炬時間長了就會將同軸線內(nèi)導(dǎo)體熔化的缺點。
文檔編號H05H1/30GK101852444SQ20101018310
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月26日
發(fā)明者白野, 蒲力萌 申請人:白野;蒲力萌