專利名稱：車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料的微波等離子在線轉(zhuǎn)換技術(shù)、等離子轉(zhuǎn)換器控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微波加熱與傳統(tǒng)的加熱方法相比有很大的區(qū)別，傳統(tǒng)加熱方法是依靠熱源，通過輻射、傳導(dǎo)、對流等途徑，首先使物體的表面加熱，然后經(jīng)熱傳導(dǎo)，使內(nèi)部的溫度由表及里逐步升高。而微波具有高效節(jié)能、加熱速度快、加熱均勻、即時性、安全環(huán)保、清潔衛(wèi)生、宜于控制等優(yōu)點。因此設(shè)計研發(fā)微波加熱的相關(guān)設(shè)備是人類社會發(fā)展的迫切需要。由于等離子體具有更高的溫度和能量密度，能夠產(chǎn)生活性成分，從而引發(fā)在常規(guī)化學(xué)反應(yīng)中不能或難以實現(xiàn)的物理變化和化學(xué)反應(yīng)。因此本發(fā)明設(shè)計一套通過微波驅(qū)動的等離子體重整器系統(tǒng)，具有高效、易啟動、易控制等優(yōu)點。用于驅(qū)動微波等離子體重整器的微波能量可以通過磁控管、速調(diào)管、半導(dǎo)體微波發(fā)生器等微波源來產(chǎn)生。本發(fā)明采用的是半 導(dǎo)體微波發(fā)生器來驅(qū)動微波等離子體重整器，它具有體積小、不需要高電壓、成本低廉等優(yōu)點。一些研究者已經(jīng)用不同方法研究了微波等離子體。激發(fā)等離子體的方式有火花塞點火、激光點火、脈沖電暈放電點火、介質(zhì)阻擋放電等。通過對諧振腔的特殊設(shè)計也可以激發(fā)等離子體[United States Patent, No. 5793013, August 11,1998]、[United StatesPatent, No. 6205769, BI, March 27,2001]。文獻(xiàn)[S.P.Kuo,“A microwave-augmentedplasma torch module as an igniter/fuel injector of a scram jet engine，，，Department of Electrical&Computer Engineering, Polytechnic University, SixMetrotech Center, Brooklyn, NY 11201]中介紹了一種小型化、低流速、注射點火一體化的等離子體產(chǎn)生裝置，利用特殊的波導(dǎo)形狀，產(chǎn)生的能量集中，可以有效實現(xiàn)點火。文獻(xiàn)[Hidetoshi Sekiguchi and Yoshihiro Mori,“Steam plasma reforming using microwavedischarge”，Thin Solid Films, Vol. 453, pp. 44-48,2003]做了微波放電生成大氣中的純蒸汽等離子體的研究，以及用等離子體重整碳?xì)浠衔镏茪涞难芯浚⑹褂昧艘粋€不具有熱再生、微波功率和流控制的矩形諧振腔。

發(fā)明內(nèi)容
前面介紹的幾種點火方式都有一定的局限性，火花塞點火方式需要定期更換，對環(huán)境有較高要求，激光、脈沖等點火方式需要高電壓、高交變電壓，文獻(xiàn)[S.P.Kuo，“Amicrowave-augmented plasma torch module as an igniter/fuel injector of ascram jet engine，，，Department of Electrical&Computer Engineering, PolytechnicUniversity, Six Metrotech Center, Brooklyn, NY 11201]產(chǎn)生的是低流速等離子體，不利于反應(yīng)的快速進(jìn)行。文獻(xiàn)[Hidetoshi Sekiguchi and Yoshihiro Mori,“Steam plasmareforming using microwave discharge，，，Thin Solid Films, Vol. 453, pp. 44-48, 2003]中矩形諧振腔結(jié)構(gòu)簡單、腔內(nèi)電磁場分析也比較容易，但是得到的電磁場場強相對較小，反應(yīng)氣體在腔內(nèi)的路程短，轉(zhuǎn)化率較低。本發(fā)明的目的是為解決上面的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種新型、高效、啟動快、結(jié)構(gòu)緊湊的車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，結(jié)合


如下本發(fā)明設(shè)計了一個微小型空心陰極1004來激發(fā)等離子體，幾何形狀為圓柱形，通過在兩電極間加高電壓，使燃料氣體電離，形成等離子體，空心陰極1015的點火還具有自啟動功能。本發(fā)明通過半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007提供反應(yīng)腔1006中的微波能量，具有體積小、無需高壓供電、安全穩(wěn)定等特點。本發(fā)明還設(shè)計了一個特殊的反應(yīng)腔1006，反應(yīng)腔1006設(shè)計成圓環(huán)形的柱體形狀，圓環(huán)截面與矩形波導(dǎo)截面相同，有利于微波1008在反應(yīng)腔1006中的傳播，并產(chǎn)生較高的場強，保持反應(yīng)處于等離子體狀態(tài)。本發(fā)明所述的一種車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)，主要由半導(dǎo)體微波發(fā) 生器1007、微小型空心陰極1004、環(huán)形反應(yīng)腔1006、汽化器1001和石英管1005組成，所述半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007為多個，組成微波功率合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生微波1008，裝配在反應(yīng)腔1006圓環(huán)上，通過對半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007電壓的控制改變微波功率輸出，以達(dá)到系統(tǒng)對微波功率輸出的要求，所述反應(yīng)腔1006為圓環(huán)形的柱體，其一側(cè)通過石英管1005與微小型空心陰極1004相連，通過半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007向反應(yīng)腔1006中輸入微波1008，反應(yīng)氣體在反應(yīng)腔1006中的石英管1005中劇烈燃燒，所述汽化器1001為圓柱形(如圖3所示)，位于環(huán)形反應(yīng)腔1006內(nèi)環(huán)下層，通過加熱汽化器1001中的加熱盤片1002將反應(yīng)物汽化，汽化器1001上面是一個微小型空心陰極1004，通過石英管1005與反應(yīng)腔1006相連。車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)參閱圖I和圖2所示，系統(tǒng)中包含半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007、微小型空心陰極1004、環(huán)形反應(yīng)腔1006、汽化器1001、銷釘1009以及石英管1005等幾部分。汽化器1001位于環(huán)形反應(yīng)腔1006內(nèi)環(huán)下層，通過加熱汽化器1001中的加熱盤片1002將反應(yīng)物汽化，幾何形狀為圓柱形，這樣的設(shè)計增大了反應(yīng)物與加熱盤片1002的接觸面積，提高了汽化器1001的加熱效率。汽化器1001上面是一個微小型空心陰極1004，通過石英管1005(管路可以是石英管、陶瓷管、纖維管等，文中暫定為石英管)與反應(yīng)腔1006相連。反應(yīng)腔1006的設(shè)計需使得腔體中的微波能量盡量高，因此將反應(yīng)腔1006做成圓環(huán)形的柱體，這樣在腔體中心會形成能量強點，同時可以減小反應(yīng)腔1006的體積。反應(yīng)腔1006 一側(cè)通過石英管1005與微小型空心陰極1004相連，通過半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007向反應(yīng)腔1006中輸入微波1008。反應(yīng)氣體在反應(yīng)腔1006中的石英管1005中劇烈燃燒，石英管1005穿入和穿出反應(yīng)腔1006會留下兩個石英管1005直徑大小的圓孔，會造成微波泄漏，因此在圓孔周邊開幾個耦合小孔，通過相位相反原理，減少微波的溢出。在反應(yīng)腔1006圓環(huán)表面適當(dāng)位置加入幾個銷釘1009，通過調(diào)節(jié)銷釘1009的插入深度使反應(yīng)腔1006達(dá)到諧振狀態(tài)，提高反應(yīng)腔的加熱效率。石英管在反應(yīng)腔中的沿著平行于反應(yīng)腔軸向方向上下彎曲，增加了反應(yīng)氣體在反應(yīng)腔1006中的行程，因此可以提高反應(yīng)率。半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007用于產(chǎn)生微波1008，裝配在反應(yīng)腔1006圓環(huán)上，通過對半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007的位置和數(shù)量的分析，使微波發(fā)生器1007功率的合成效率最大，如[Foti, S R Flam, W Scharp f 60-ffay Radial Combiner Uses No Isolators.Microwaves&RF, Julyl984,p96]中所介紹的，并通過對半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007電壓的控制改變微波功率輸出，最終達(dá)到系統(tǒng)對微波功率輸出的要求。微小型空心陰極1004如圖4所示，包括電磁鐵1010、空心陰極1015、陽極1016、空心陰極外壁1019、空心陰極軌道1017、堵氣塞1018、彈簧1013、鐵塊1014、氣孔1012等幾部分構(gòu)成。空心陰極1015可以在空心陰極軌道1017上左右滑動，空心陰極1015右端有四個氣孔1012 (如圖6所示)，空心陰極軌道1017上也有同樣的四個氣孔1012。實驗開始時，對電磁鐵1010通電，電磁鐵1010吸引鐵塊1014，使空心陰極1015氣孔1012與空心陰極軌道1017氣孔1012相重合，空心陰極1015與堵氣塞1018相接觸，堵氣塞1018與空心陰極1015的氣孔1012 (如圖7所示)關(guān)閉，此時氣體將通過氣孔1012進(jìn)入空心陰極1015，反應(yīng)氣體在空心陰極1015中被擊穿成等離子體狀態(tài)。當(dāng)完成點火后，停止對電磁鐵1010供電，彈簧1013將空心陰極1015向左彈出，空心陰極1015與空心陰極軌道1017的氣孔1021不重合，堵氣塞1018與空心陰極1015相分離，氣體停止進(jìn)入空心陰極1015，并經(jīng)堵氣塞1018的氣孔進(jìn)入空心陰極1015的軌道中的氣孔1012 (如圖5所示)，最后到達(dá)微小型空心陰1004極左側(cè)。通過空心陰極1015產(chǎn)生的等離子體與未經(jīng)空心陰極1015的反應(yīng)氣體同時進(jìn)入反應(yīng)腔1006，由于等離子體部分已經(jīng)電離，將極大的提高電離粒子與中性氣體分子的碰撞和碰 撞頻率以及碰撞次數(shù)，因此在微波反應(yīng)腔1006內(nèi)容易點燃反應(yīng)氣體，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制點火。此車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能高效合理。通過對汽化器1001、微小型空心陰極1004、環(huán)形反應(yīng)腔1006以及石英管1005的位置擺放，最大限度的降低了系統(tǒng)的體積。本系統(tǒng)實現(xiàn)了反應(yīng)物的汽化、點火、等離子體重整于一體的優(yōu)化設(shè)計，拓展了微波功率合成技術(shù)應(yīng)用的新思想。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下效果(一)體積小型化、重量輕便化、控制智能化( 二)微波輸出功率連續(xù)可調(diào)(三)自動點火(四)可以進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的等離子體重整(五)轉(zhuǎn)化效率高

圖I為車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)。圖2為圖I的側(cè)視圖。圖3為汽化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖4為微小型空心陰極。圖5為微小型空心陰極A-A向視圖。圖6為微小型空心陰極B-B視圖。圖7為微小型空心陰極C-C視圖。圖中1001.汽化器，1002.加熱盤片，1003.氣體輸入，1004.微小型空心陰極，1005.石英管，1006.反應(yīng)腔，1007.半導(dǎo)體微波發(fā)生器，1008.微波，1009.銷釘，1010.電磁鐵，1011.入射窗，1012.氣孔，1013.彈簧，1014.鐵塊，1015.空心陰極，1016.陽極，1017.空心陰極軌道，1018.堵氣塞，1019.空心陰極外壁，1020.等離子體氣流，1021液體輸入，1022氣體輸出。
具體實施例方式圖I和圖2為車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)示意圖，系統(tǒng)中包含半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007、微小型空心陰極1004、環(huán)形反應(yīng)腔1006、汽化器1001、銷釘1009以及石英管1005等幾部分。進(jìn)入車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)的反應(yīng)物先進(jìn)入位于環(huán)形反應(yīng)腔1006內(nèi)環(huán)下層的汽化器1001，通過加熱汽化器1001中的加熱盤片1002將反應(yīng)物汽化，汽化器1001幾何形狀為圓柱形(如圖3所示)，這樣的設(shè)計增大了反應(yīng)物與加熱盤片1002的接觸面積，提高了汽化器1001的加熱效率。經(jīng)過汽化器1001汽化的反應(yīng)氣體經(jīng)石英管1005 (管路可以是石英管1005、陶瓷管、纖維管等，文中暫定為石英管)進(jìn)入微小型空心陰極。微小型空心陰極如圖4所示，包括電磁鐵1010、空心陰極1015、陽極1016、空心陰極外壁1019、空心陰極軌道1017、堵氣塞1018、彈簧1013、鐵塊1014、氣孔1012等級部分·構(gòu)成。空心陰極1015可以在空心陰極軌道1017上左右滑動，空心陰極1015右端有四個氣孔1012 (如圖6所示)，空心陰極軌道1017上也有同樣的四個氣孔1015。實驗開始時，對位于微型空心陰極1015右側(cè)外壁上的電磁鐵1010通電，電磁鐵1010吸引空心陰極1015左側(cè)的鐵塊1014，使空心陰極1015的氣孔1012與空心陰極軌道1017氣孔1012相貫通，使空心陰極1015與堵氣塞1018相接觸，即堵氣塞1018與空心陰極1015的氣孔1012 (如圖7所示)關(guān)閉，此時氣體將通過氣孔1012進(jìn)入空心陰極1015。通過對空心陰極1015供電將氣體擊穿成等離子體狀態(tài)。當(dāng)反應(yīng)氣體被激發(fā)成等離子體狀態(tài)后，停止對電磁鐵1010供電，位于空心陰極1015右側(cè)的彈簧1013將空心陰極1015向左彈出，空心陰極1015與空心陰極軌道1017的氣孔1012不重合，堵氣塞1018與空心陰極1015相分離，氣體停止進(jìn)入空心陰極1015，并經(jīng)堵氣塞1018的氣孔1012進(jìn)入空心陰極軌道1017中的氣孔1012 (如圖5所示)，最后到達(dá)微小型空心陰極1004左側(cè)。通過空心陰極1015產(chǎn)生的等離子體與未經(jīng)空心陰極1015的反應(yīng)氣體同時進(jìn)入反應(yīng)腔1006，由于等離子體部分已經(jīng)電離，將極大的提高電離粒子與中性氣體分子的碰撞和碰撞頻率以及碰撞次數(shù)，因此在微波反應(yīng)腔1006內(nèi)容易點燃反應(yīng)氣體，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制點火。反應(yīng)腔1006的設(shè)計需使得腔體中的微波能量盡量高，因此將反應(yīng)腔1006做成圓環(huán)形的柱體，這樣在腔體中心會形成能量強點，同時可以減小反應(yīng)腔1006的體積。反應(yīng)腔1006 一側(cè)通過石英管1005與微小型空心陰極1004相連，通過半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007向反應(yīng)腔1006中輸入微波1008。反應(yīng)氣體在反應(yīng)腔1006中的石英管1005中劇烈燃燒，石英管1005穿入和穿出反應(yīng)腔1006會留下兩個石英管1005直徑大小的圓孔，會造成微波泄漏，因此在圓孔周邊開幾個耦合小孔，通過相位相反原理，減少微波的溢出。在反應(yīng)腔1006圓環(huán)表面適當(dāng)位置加入幾個銷釘1009，通過調(diào)節(jié)銷釘1009的插入深度使反應(yīng)腔1006達(dá)到諧振狀態(tài)，提高反應(yīng)腔1006的加熱效率。石英管1005在反應(yīng)腔1006中的沿著平行于反應(yīng)腔1006軸向方向上下彎曲，增加了反應(yīng)氣體在反應(yīng)腔1006中的行程，因此可以提高反應(yīng)率。半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007用于產(chǎn)生微波1008，裝配在反應(yīng)腔1006圓環(huán)上，通過對半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007的位置和數(shù)量的分析，使微波發(fā)生器1007功率的合成效率最大，如[Foti, S R Flam, W Scharp f 60-ffay Radial Combiner Uses No Isolators.Microwaves&RF, Julyl984, p96]中所介紹的。通過對半導(dǎo)體微波發(fā)生器1007電壓的控制改變微波功率輸出，最終達(dá)到系統(tǒng)對微波功率輸出的要求。此車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、功能高效合理。通過對汽化器1001、微小型空心陰極1004、環(huán)形反應(yīng)腔1006以及石英管1005的位置擺放，最大限度的 降低了系統(tǒng)的體積。本系統(tǒng)實現(xiàn)了反應(yīng)物的汽化、點火、等離子體重整于一體的優(yōu)化設(shè)計，拓展了微波功率合成技術(shù)應(yīng)用的新思想。
權(quán)利要求
1.一種車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)，主要由半導(dǎo)體微波發(fā)生器(1007)、微小型空心陰極(1004)、環(huán)形反應(yīng)腔(1006)、汽化器(1001)和石英管(1005)組成，其特征在于所述半導(dǎo)體微波發(fā)生器(1007)為多個，組成微波功率合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生微波(1008)，裝配在反應(yīng)腔(1006)圓環(huán)上，通過對半導(dǎo)體微波發(fā)生器(1007)電壓的控制改變微波功率輸出，以達(dá)到系統(tǒng)對微波功率輸出的要求，所述反應(yīng)腔(1006)為圓環(huán)形的柱體，其一側(cè)通過石英管(1005)與微小型空心陰極(1004)相連，通過半導(dǎo)體微波發(fā)生器(1007)向反應(yīng)腔(1006)中輸入微波(1008)，反應(yīng)氣體在反應(yīng)腔(1006)中的石英管(1005)中劇烈燃燒，所述汽化器(1001)為圓柱形，位于環(huán)形反應(yīng)腔(1006)內(nèi)環(huán)下層，通過加熱汽化器(1001)中的加熱盤片(1002)將反應(yīng)物汽化，汽化器(1001)上面是一個微小型空心陰極(1004)，通過石英管(1005)與反應(yīng)腔(1006)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)，其特征在于所述微小型空心陰極(1004)由空心陰極(1015)、陽極(1016)構(gòu)成，陽極(1016)裝在空心陰極(1015)內(nèi)，空心陰極(1015)由固定在空心陰極外壁(1019)內(nèi)的空心陰極軌道(1017)支撐，并能沿空心陰極軌道(1017)滑動，所述空心陰極軌道(1017)設(shè)有氣孔(1012)，空心陰極(1015)右端側(cè)壁上設(shè)有氣孔(1012)，該氣孔與右側(cè)空心陰極軌道(1017)上的氣孔(1012)對應(yīng)，空心陰極(1015)右端裝有鐵塊(1014)，并通過彈簧(1013)與固定在空心陰極外壁(1019)內(nèi)的入射窗(1011)接觸，空心陰極外壁(1019)右端裝有電磁鐵(1010)，空心陰極外壁(1019)內(nèi)還設(shè)有堵氣塞(1018)，通過電磁鐵(1010)對空心陰極(1015)在空心陰極軌道(1017)上左右滑動位置的變化，使得反應(yīng)氣體在微小型空心陰極(1004)中存在兩種流經(jīng)方式通過空心陰極(1015)和沿空心陰極(1015)外部流過，當(dāng)反應(yīng)氣體流過空心陰極(1015)時，會將反應(yīng)氣體激發(fā)成等離子體狀態(tài)，當(dāng)沿空心陰極(1015)外部流過時，反應(yīng)氣體直接進(jìn)入環(huán)形反應(yīng)腔(1006)，并被前面產(chǎn)生的等離子體引燃。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)，其特征在于，在反應(yīng)腔(1006)圓環(huán)表面加入銷釘(1009)，通過調(diào)節(jié)銷釘(1009)的插入深度使反應(yīng)腔1006達(dá)到諧振狀態(tài)，提高反應(yīng)腔(1006)的加熱效率。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)，其特征在于，所述石英管(1005)在反應(yīng)腔(1006)中的沿著平行于反應(yīng)腔(1006)軸向方向上下彎曲，以增加反應(yīng)氣體在反應(yīng)腔(1006)中的行程，提高反應(yīng)率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的一種車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)，其特征在于 所述石英管(1005)穿入和穿出反應(yīng)腔(1006)留下的兩個圓孔的周邊上開耦合小孔，通過相位相反原理，減少微波(1008)的溢出。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的一種車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)，其特征在于，所述石英管1005可用陶瓷管或纖維管代替。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車載燃料的等離子體微波功率合成系統(tǒng)，利用微波等離子體技術(shù)將原料激發(fā)成等離子體狀態(tài)，大幅提高化學(xué)反應(yīng)速率，從而提高了產(chǎn)物的產(chǎn)生效率。該系統(tǒng)通過一個微小型空心陰極來激發(fā)等離子體，幾何形狀為圓柱形，通過在兩電極間加高電壓，將燃料氣體擊穿，形成等離子體，微小型空心陰極點火具有自啟動功能。通過半導(dǎo)體微波發(fā)生器提供反應(yīng)腔中的微波能量，所述反應(yīng)腔設(shè)計成圓環(huán)形的柱體形狀，圓環(huán)截面與矩形波導(dǎo)截面相同，有利于微波在反應(yīng)腔中的傳播，并產(chǎn)生較高的場強，保持反應(yīng)處于等離子體狀態(tài)。本系統(tǒng)實現(xiàn)了反應(yīng)物的汽化、點火、等離子體重整于一體的優(yōu)化設(shè)計，拓展了微波功率合成技術(shù)應(yīng)用的新途徑。
文檔編號H05H1/30GK102933016SQ20121049601
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者王慶年, 王鄭強, 王軍年, 閆佳偉 申請人:吉林大學(xué)