многокатушечная индукционная плазменная горелка с твердотельным источником питания

Формула изобретения

1. Индукционная плазменная горелка, содержащая трубчатый корпус горелки, имеющий ближний и дальний концы и окружающий осевую камеру, в которой создается высокотемпературная плазма, газораспределительную головку, расположенную на ближнем конце корпуса горелки, выполненную для подачи по меньшей мере одного газообразного вещества в осевую камеру, ряд индукционных катушек, прикрепленных к трубчатому корпусу горелки в основном соосно с ним между ближним и дальним концами корпуса горелки, причем ряд индукционных катушек содержит первую индукционную катушку, при работе индукционной плазменной горелки подсоединяемую к выходу с более высокой частотой первого источника питания, для индукционного приложения энергии по меньшей мере к одному газообразному веществу, подаваемому в осевую камеру, и несколько вторых индукционных катушек между первой индукционной катушкой и дальним концом трубчатого корпуса горелки, причем вторые индукционные катушки имеют соответствующие выводы, и соединительную схему, при работе индукционной плазменной горелки расположенную между (а) первым и вторым выводами выхода с более низкой частотой второго источника питания, и (b) выводами вторых индукционных катушек, для включения вторых индукционных катушек по последовательной и/или параллельной схеме между первым и вторым выводами с возможностью обеспечения согласования входного полного сопротивления вторых индукционных катушек с выходным полным сопротивлением второго источника питания и индукционного приложения энергии, по меньшей мере, к одному газообразному веществу, подаваемому в осевую камеру.

2. Индукционная плазменная горелка по п.1, содержащая первый источник питания, имеющий выход с более высокой частотой, соединенный с первой индукционной катушкой, и второй источник питания, имеющий выход с более низкой частотой, включающий в себя первый и второй выводы, при этом предусмотрена соединительная схема, расположенная между (а) первым и вторым выводами выхода с более низкой частотой второго источника питания, и (b) выводами вторых индукционных катушек для включения вторых индукционных катушек по последовательной и/или параллельной схеме между первым и вторым выводами.

3. Индукционная плазменная горелка по п.1, в которой трубчатый корпус горелки содержит цилиндрическую внутреннюю поверхность, имеющую первый диаметр, причем предусмотрена удерживающая плазму трубка, (а) выполненная из материала, имеющего высокую теплопроводность, (b) образующая осевую камеру, в которой удерживается высокотемпературная плазма, и (с) содержащая цилиндрическую внешнюю поверхность, имеющую второй диаметр, который незначительно меньше первого диаметра, причем удерживающая плазму трубка установлена внутри трубчатого корпуса горелки, и цилиндрические внутренняя и внешняя поверхности расположены соосно для образования тонкой кольцевой камеры равномерной толщины между внутренней и внешней поверхностями, обеспечивающей пропускание через кольцевую камеру высокоскоростного потока охлаждающей жидкости, причем высокая теплопроводность материала, образующего удерживающую трубку, и высокоскоростной поток охлаждающей жидкости способствуют эффективному переносу тепла от удерживающей плазму трубки, нагретой высокотемпературной плазмой, в охлаждающую жидкость, для эффективного охлаждения удерживающей трубки.

4. Индукционная плазменная горелка по п.2, в которой трубчатый корпус горелки содержит цилиндрическую внутреннюю поверхность, имеющую первый диаметр, причем предусмотрена удерживающая плазму трубка, (а) выполненная из материала, имеющего высокую теплопроводность, (b) образующая осевую камеру, в которой удерживается высокотемпературная плазма, и (с) содержащая цилиндрическую внешнюю поверхность, имеющую второй диаметр, который незначительно меньше первого диаметра, причем удерживающая плазму трубка установлена внутри трубчатого корпуса горелки, и цилиндрические внутренняя и внешняя поверхности расположены соосно для образования тонкой кольцевой камеры равномерной толщины между внутренней и внешней поверхностями, обеспечивающей пропускание через кольцевую камеру высокоскоростного потока охлаждающей жидкости, причем высокая теплопроводность материала, образующего удерживающую трубку, и высокоскоростной поток охлаждающей жидкости способствуют эффективному переносу тепла от удерживающей плазму трубки, нагретой высокотемпературной плазмой, в охлаждающую жидкость, для эффективного охлаждения удерживающей трубки.

5. Индукционная плазменная горелка по п.3 или 4, в которой предусмотрен источник охлаждающей жидкости, подсоединенный к тонкой кольцевой камере для создания высокоскоростного потока охлаждающей жидкости в тонкой кольцевой камере.

6. Индукционная плазменная горелка по любому из пп.1-4, в которой в качестве второго источника питания используется твердотельный источник питания.

7. Индукционная плазменная горелка по любому из пп.1-4, в которой в качестве первого источника питания используется источник питания на ламповом генераторе, а в качестве второго источника питания используется твердотельный источник питания.

8. Индукционная плазменная горелка по любому из пп.1-4, в которой вторые индукционные катушки включены через соединительную схему параллельно между первым и вторым выводами выхода с более низкой частотой второго источника питания.

9. Индукционная плазменная горелка по любому из пп.1-4, в которой вторые индукционные катушки включены через соединительную схему последовательно между первым и вторым выводами выхода с более низкой частотой второго источника питания.

10. Индукционная плазменная горелка по любому из пп.1-4, в которой вторые индукционные катушки включены через соединительную схему по последовательной и параллельной схеме между первым и вторым выводами выхода с более низкой частотой второго источника питания.

11. Индукционная плазменная горелка по любому из пп.1-4, в которой первая и вторые индукционные катушки вмонтированы в трубчатый корпус горелки.

12. Индукционная плазменная горелка по любому из пп.1-4, в которой вторые индукционные катушки навиты по спирали.

13. Индукционная плазменная горелка по любому из пп.1-4, в которой вторые индукционные катушки образуют ряд индукционных катушек между первой индукционной катушкой и дальним концом трубчатого корпуса горелки.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к индукционным плазменным горелкам. В частности, но не исключительно, настоящее изобретение относится к многокатушечной индукционной плазменной горелке.

В индукционных плазменных горелках индукционная катушка создает сильное колеблющееся магнитное поле, которое прикладывается к газу, пропускаемому через эту катушку, чтобы ионизировать газ и генерировать плазму. В таких индукционных плазменных горелках используется принцип индуктивной связи, выражающейся в индуктивной связи радиочастотного (РЧ) поля с движущимся газом. Индуктивная связь нагревает газ до высокой температуры, обычно 9000°С. При этой температуре газ превращается в плазму из положительно заряженных ионов и электронов. Плазменные горелки обычно применяются для спектроскопического элементарного анализа, обработки тонкоизмельченных порошков, плавления материалов, химического синтеза, уничтожения отходов и т.д. В основу этих применений положены высокие температуры, присущие плазме.

В предпринимавшихся ранее попытках генерировать плазму посредством индукции использовалось РЧ-поле высокой частоты (в мегагерцовом диапазоне) от одной катушки. Также предпринимались попытки вызвать образование плазмы с помощью РЧ-поля более низкой частоты (ниже 400 кГц), но они не принесли успеха. Попытки генерировать плазму с использованием более низких частот были основаны на уверенности, что при более низких частотах можно получить плазму большего размера, которая будет иметь более однородную температуру. На этой стадии было также обнаружено, что процесс воспламенения плазмы отличается от процесса протекания плазмы после ее воспламенения.

При работе с высоким уровнем мощности (выше 10 кВт) и давлением, равным одной (1) атмосфере или выше, воспламенение и стабильная эксплуатация промышленных индукционных горелок затруднены. Для решения некоторых из этих проблем была предложена двухкатушечная или гибридная РЧ-РЧ конструкция.

В середине 1960-х проводились эксперименты, в которых использовались двухкатушечные индукционные плазменные горелки. В статье I.J.Floyd, J.C. Lewis, "Radio-frequency induced gas plasma at 250-300 kc/s" (Газовая плазма, индуцированная с радиочастотой 250-300 кГц/с), Nature, Vol.211, N 5051, р.841, описано использование двухкатушечной системы, которая содержит:

катушку с более высокой частотой, работающую в мегагерцевом диапазоне, для воспламенения или инициирования плазмы, и

вторую "рабочую" катушку, работающую при более низкой частоте.

Продолжение работ над двухкатушечной плазменной горелкой показало, что, как и ожидалось, катушка с более низкой частотой генерирует плазму с гораздо более однородной температурой. Вместе с уменьшением осевого давления это приводит к увеличению времени выдержки и проплавлению продуктов, что обеспечивает преимущества в виде улучшения условий для сфероидизирующей обработки или распыления порошков.

Кроме того, было обнаружено, что наличие двух отдельных ступеней индукции позволяет горячим газам, выходящим из первой ступени, перемешиваться с другим газом, что в противном случае оказало бы отрицательное воздействие на устойчивость плазмы. Кроме того, каскадная компоновка двух индукционных катушек позволяет оптимизировать рабочие параметры горелки, что повышает кпд и уменьшает мощность, необходимую для эксплуатации плазменной горелки.

Для подвода значительной мощности, необходимой для работы индукционной плазменной горелки, использовались два типа источников питания - источник питания на ламповом генераторе и твердотельный источник питания.

Известно, что источники питания на ламповом генераторе имеют низкий кпд и обычно теряют 40% входной мощности в цепи генератора и колебательного контура, и всего 20-40% входной мощности может использоваться как энтальпия плазмы в горячем газе.

Твердотельные источники питания имеют более высокий кпд и поэтому являются лучшей альтернативой. По сравнению с источниками питания на ламповом генераторе они обладают суммарным кпд при преобразовании электрической энергии из относительно низкого напряжения питания 440 или 560 вольт с частотой 50 или 60 Гц в более высокое напряжение 1500-3000 вольт г частотой 300-400 кГц. Это повышение кпд в значительной степени обусловлено заменой стандартного водоохлаждаемого триодного или пентодного лампового генератора твердотельной транзисторной схемой.

Однако известные твердотельные источники питания имеют собственный низкочастотный рабочий диапазон (обычно от 300 до 400 кГц) и поэтому вообще не пригодны для выработки требуемого РЧ-сигнала для высокочастотной катушки, которая используется для индукционного воспламенения плазмы. Кроме того, использование эффективных твердотельных источников питания запрещено в тех применениях, где необходимо воспламенять и эксплуатировать плазменную горелку при атмосферном давлении или в условиях незначительного разряжения.

Кроме того, известные двухкатушечные конструкции с использованием источников питания на ламповом генераторе вызывают серьезные взаимодействия между схемами управления двух источников питания, которые можно разрешить только посредством обеспечения минимального разнесения между катушками. Наличие разнесения между катушками серьезно влияет на однородность температурного поля в полученной плазме и прямо влияет на кпд.

Согласно настоящему изобретению предложена индукционная плазменная горелка, содержащая трубчатый корпус горелки, имеющий дальний и ближний концы и содержащий цилиндрическую внутреннюю поверхность, имеющую первый диаметр.

Удерживающая плазму трубка, выполненная из материала, имеющего высокую теплопроводность, образует осевую камеру, в которой удерживается высокотемпературная плазма, и содержит цилиндрическую наружную поверхность, имеющую второй диаметр, который немного меньше первого диаметра. Удерживающая плазму трубка установлена в трубчатом корпусе горелки, и цилиндрические внутренняя и внешняя поверхности расположены соосно с образованием между ними тонкой кольцевой камеры равномерной толщины.

Газораспределительная головка установлена на ближнем конце корпуса горелки для подачи по меньшей мере одного газообразного вещества в осевую камеру, образованную удерживающей плазму трубкой.

Источник охлаждающей жидкости подсоединен к тонкой кольцевой камере для создания высокоскоростного потока охлаждающей жидкости в тонкой кольцевой камере. Высокая теплопроводность материала, образующего удерживающую трубку, и высокоскоростной поток охлаждающей жидкости вместе способствуют эффективной передаче тепла от удерживающей плазму трубки, нагретой высокотемпературной плазмой, к охлаждающей жидкости, чтобы тем самым эффективно охладить удерживающую трубку.

Ряд индукционных катушек прикреплен к трубчатому корпусу горелки соосно с ним между ближним и дальним концами корпуса горелки. Этот ряд индукционных катушек содержит:

первую индукционную катушку, подсоединенную к выходу с более высокой частотой первого источника питания, для индукционного приложения энергии по меньшей мере к одному газообразному веществу, подаваемому в осевую камеру, и

несколько вторых индукционных катушек между первой индукционной катушкой и дальним концом трубчатого корпуса горелки, причем вторые индукционные катушки имеют соответствующие выводы.

Соединительная схема расположена между (а) первым и вторым выводами выхода с более низкой частотой второго источника питания и (b) выводами вторых индукционных катушек, для включения вторых индукционных катушек по последовательной и/или параллельной схеме между первыми и вторыми выводами, чтобы обеспечить

- существенное согласование входного полного сопротивления вторых индукционных катушек с выходным полным сопротивлением второго источника питания, и

- индукционное приложение энергии по меньшей мере к одному газообразному веществу, подаваемому в осевую камеру.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предложенная индукционная плазменная горелка дополнительно содержит первый источник питания, имеющий выход с более высокой частотой, и второй источник питания, имеющий выход с более низкой частотой, включающий в себя первый и второй выводы.

Указанные выше и другие задачи, преимущества и признаки настоящего изобретения станут более очевидны после прочтения дальнейшего описания, которое не ограничивает возможные варианты реализации изобретения, а приводится в качестве примера со ссылками на сопровождающие чертежи.

На прилагаемом чертеже изображено вертикальное сечение многокатушечной индукционной плазменной горелки, согласно настоящему изобретению, содержащей водоохлаждаемую удерживающую трубку.

На чертеже изображен вариант выполнения многокатушечной индукционной плазменной горелки, обозначенной в целом позицией 100. Более конкретно, вариант, изображенный на чертеже, представляет собой многокатушечную индукционную плазменную горелку, согласованную по высокому полному сопротивлению, способную генерировать индуктивно связанную газовую плазму.

Многокатушечная индукционная плазменная горелка 100, изображенная на фиг.1. содержит трубчатый (например, цилиндрический) корпус 2 горелки, состоящий из переднего 21 и заднего 23 трубчатых элементов, изготовленных из литой керамики или композитного полимера и собранных встык. Можно также изготовить трубчатые элементы 21 и 23 корпуса 2 горелки из других пригодных материалов. Трубчатый корпус 2 горелки имеет ближний 3 и дальний 5 концы и образует осевую камеру 70, в которой воспламеняется и удерживается плазма 72.

На чертеже также показано, что трубчатый корпус 2 горелки имеет внутреннюю цилиндрическую поверхность, покрытую цилиндрической, относительно тонкой, удерживающей плазму трубкой 39, расположенной соосно с корпусом 2. В качестве примера трубка 39 может быть выполнена из керамического материала.

Ряд индукционных катушек 4, 12, 14 и 16 установлен на трубчатом корпусе 2 горелки соосно с ним между ближним 3 и дальним 5 концами.

Ряд индукционных катушек включает первую индукционную катушку 4, выполненную из водоохлаждаемой медной трубки, полностью вмонтированной в передний элемент 21 трубчатого корпуса 2 горелки. Первая индукционная катушка 4 по существу соосна трубчатому корпусу 2 горелки и расположена у внутреннего конца трубчатой вставки 40. Однако необходимо отметить, что положение вставки 40 не ограничено примером, проиллюстрированным на фиг.1, так как обычно индукционная плазменная горелка 100 работает со вставкой 40, проникающей в плазму 72 до уровня третьей катушки 14. Два конца первой индукционной катушки 4 проходят к наружной поверхности 6 трубчатого корпуса 2 горелки и образуют пару выводов 7 и 9, через которые в катушку 4 можно подавать охлаждающую воду и РЧ-ток.

Аналогичным образом, ряд индукционных катушек содержит вторую индукционную катушку 12, третью индукционную катушку 14 и четвертую индукционную катушку 16, которые также выполнены из водоохлаждаемых медных трубок, вмонтированных в дальний элемент 23 трубчатого корпуса 2 горелки. Индукционные катушки 12, 14 и 16 расположены соосно с трубчатым корпусом 2 горелки и с первой индукционной катушкой 4. Как показано на чертеже, индукционные катушки 12, 14 и 15 расположены между первой индукционной катушкой 4 и дальним концом 5 трубчатого корпуса 2 горелки.

В варианте реализации, изображенном на чертеже, вторая катушка 12, третья катушка 14 и четвертая катушка 16 имеют одинаковое собственное полное сопротивление, и образующие ряд первая 4, вторая 12, третья 14 и четвертая 16 индукционные катушки смещены относительно друг друга вдоль их общей оси.

И, наконец, катушки 12, 14 и 16 можно также навить по спирали, чтобы петля данной катушки находилась непосредственно над и/или под петлей другой катушки.

Кроме того, в варианте на чертеже все катушки 4, 12, 14 и 16 имеют одинаковый радиус. Однако специалистам будет понятно, что можно также использовать индукционные катушки различных диаметров, чтобы адаптировать и/или оптимизировать рабочие характеристики индукционной плазменной горелки.

Два конца второй индукционной катушки 12 проходят к наружной поверхности 6 корпуса 2 горелки и образуют пару выводов 11 и 13, через которые можно подавать охлаждающую воду и РЧ-ток в эту катушку 12. Аналогично, два конца третьей индукционной катушки 14 проходят к наружной поверхности 6 корпуса 2 горелки и образуют пару выводов 15 и 17, через которые в катушку 14 можно подавать охлаждающую воду и РЧ-ток. И, наконец, два конца четвертой индукционной катушки 16 проходят к наружной поверхности 6 корпуса 2 горелки и образуют два вывода 25 и 27, через которые можно подавать охлаждающую воду и РЧ-ток в катушку 16.

На чертеже охлаждающая вода 19 подается в медные трубки, образующие катушки 12, 14 и 16, по трубопроводу 29, коллектору 31 и выводам 13, 17 и 27. Охлаждающая вода 19 выходит через выводы 11, 15 и 25, коллектор 33 и трубопровод 35.

На чертеже охлаждающая вода 37 подается в медную трубку, образующую катушку 4, через вывод 9. Охлаждающая вода 37 выводится через вывод 7.

Газораспределительная головка 30 жестко прикреплена к ближнему концу 3 корпуса 2 горелки с помощью, например, множества болтов (не показаны). Газораспределительная головка 30 содержит промежуточную трубку 32. В нижней части 54 головки 30 сформирована полость, которая образует ближнюю, цилиндрическую часть 56 меньшего диаметра и дальнюю, цилиндрическую часть 41 большего диаметра. Цилиндрическая часть 41 имеет диаметр, равный внутреннему диаметру удерживающей плазму трубки 39. Цилиндрическая часть 56 имеет диаметр, размер которого позволяет принимать соответствующий конец промежуточной трубки 32. Промежуточная трубка 32 имеет меньшие длину и диаметр, чем удерживающая плазму трубка 39. Трубка 32 цилиндрическая и расположена соосно корпусу 2 горелки и индукционным катушкам 4, 12, 14 и 16. Цилиндрическая полость 36 образована между промежуточной трубкой 32 и цилиндрической стенной частью 41, и внутренней поверхностью 43, удерживающей плазму трубки 39.

Газораспределительная головка 30 может быть снабжена центральным отверстием 38, через которое вводится и закрепляется центральная впускная вставка 40. Впускная вставка 40 имеет удлиненную форму и расположена соосно с трубкой 32, корпусом 2 горелки, удерживающей плазму трубкой 39 и индукционными катушками 4, 12, 14 и 16. Во многих случаях через вставку 40 в камеру 70 плазменной горелки 100 вводятся порошок и газ-носитель (стрелка 42) или реагенты для реакции синтеза. Как известно специалистам, порошок, переносимый газом-носителем и вводимый через вставку 40, является материалом, который должен плавиться или испаряться в плазме, или материалом, подлежащим обработке.

Газораспределительная головка 30 также содержит обычные трубчатые средства (не показаны), предназначенные для введения центрального газа (стрелка 46) внутрь промежуточной трубки 32 и создания тангенциального потока этого газа на цилиндрической внутренней поверхности 58 этой трубки 32.

Газораспределительная головка 30 дополнительно содержит обычные трубчатые средства (не показаны), предназначенные для введения газа оболочки (стрелки 44) в цилиндрическую полость 36 между (а) цилиндрической наружной поверхностью 60 промежуточной трубки 32 и (b) цилиндрической стенной частью 41, и внутренней поверхностью 43, удерживающей плазму трубки 39, и создающие осевой поток этого газа оболочки в цилиндрической полости 36.

Предполагается, что специалист в данной области сможет выбрать (а) конструкцию вставки 40 для введения порошка и трубчатых средств для плазменного газа (стрелки 44 и 46); (b) сорт порошка, газа-носителя, центрального газа и газа оболочки, и (с) материалы, из которых выполнены газораспределительная головка 30, нагнетательная вставка 40 и промежуточная трубка 32, поэтому данные признаки не будут более подробно раскрываться в настоящем описании.

Как показано на чертеже, тонкая (толщиной приблизительно 1 мм) кольцевая камера 45 образована между внутренней поверхностью корпуса 2 горелки и внешней поверхностью удерживающей трубки 39. Высокоскоростной поток охлаждающей жидкости, например воды, течет в тонкой кольцевой камере 45 по внешней поверхности трубки 39 (стрелки 47, 49) для охлаждения удерживающей трубки 39, внутренняя поверхность 43 которой открыта воздействию высокой температуры плазмы.

Охлаждающая вода (стрелка 47) вводится в тонкую кольцевую камеру 45 через впускное отверстие 52, трубу 55, проходящую через газораспределительную головку 30, и трубчатый корпус 2 горелки, и кольцевое трубчатое средство 57, выполненное с возможностью передачи охлаждающей воды из трубки 55 к нижнему концу кольцевой камеры 45.

Охлаждающая вода из верхнего конца тонкой кольцевой камеры 45 передается к выпускному отверстию 59 (стрелка 49) через трубку 61, образованную в верхней части трубчатого корпуса 2 горелки, и газораспределительную головку 30.

Керамический материал трубки 39, удерживающей плазму, может быть чистым или композитным керамическим материалом на основе спеченного или связанного реакцией нитрида кремния, нитрида бора, нитрида алюминия и глинозема, или любой их комбинации с различными добавками и наполнителями. Этот керамический материал плотный и характеризуется высокой теплопроводностью, высоким удельным сопротивлением и высоким сопротивлением тепловым ударам.

Так как керамический корпус удерживающей плазму трубки 39 имеет высокую теплопроводность, высокая скорость течения охлаждающей воды в тонкой кольцевой камере 45 обеспечивает высокий коэффициент теплопередачи, который пригоден и необходим для соответствующего охлаждения удерживающей плазму трубки 39. Такое интенсивное и эффективное охлаждение внешней поверхности удерживающей плазму трубки 39 позволяет получать плазму при более высокой мощности и более низком расходе газа, чем обычно требуется в стандартных плазменных горелках с удерживающей плазму трубкой, выполненной из кварца. Это, в свою очередь, обеспечивает более высокие уровни энтальпии газов на выходе плазменной горелки.

Понятно, что очень малая толщина (приблизительно 1 мм) кольцевой камеры 45 играет важную роль для увеличения скорости охлаждающей воды над внешней поверхностью удерживающей трубки 39 и соответственно для достижения требуемого высокого коэффициента теплопередачи.

При полном погружении индукционных катушек 4, 12, 14 и 16 в литую керамику или композитный полимер корпуса 2 горелки расстояние между индукционными катушками и удерживающей плазму трубкой 39 можно точно контролировать для улучшения эффективности энергетической связи между индукционными катушками и плазмой. Это также позволяет точно контролировать толщину кольцевой камеры 45 без какого-либо вмешательства, вызванного индукционными катушками, причем этот контроль обеспечивается посредством механической обработки до низкого допуска внутренней поверхности корпуса 2 горелки и внешней поверхности удерживающей плазму трубки 39.

В работе индуктивно связанная плазма 72 генерируется посредством приложения РЧ электрического тока к первой 4, второй 12, третьей 14 и четвертой 16 индукционным катушкам для создания РЧ магнитного поля в осевой камере 70. Приложенное поле индуцирует вихревые токи в ионизированных газах и за счет нагрева джоулевым теплом поддерживается стабильный плазмоид. Работа индукционной плазменной горелки, включая воспламенение плазмы, известна специалистам и не требует подробного раскрытия в настоящем описании.

Электрический РЧ-ток, подаваемый в первую индукционную катушку 4 генераторным источником питания 48, отвечает за воспламенение и стабилизацию генерируемой плазмы 72. Так как для воспламенения требуется РЧ-ток более высокой частоты, генераторным источником питания 48 может быть, например, источник питания с высокой частотой на ламповом генераторе. Поэтому источник питания 48 имеет выход с более высокой частотой, подсоединенный к выводам 7 и 8, для подачи РЧ-тока более высокой частоты к первой индукционной катушке 4, которая расположена ближе всех к газораспределительной головке 30. Таким образом, высокочастотная энергия индукционно прикладывается к газообразному веществу (веществам), подаваемому в осевую камеру 70, для воспламенения, удержания и стабилизации плазмы 72. Генераторный источник питания 48 может работать в диапазоне 3 мГц с рабочим напряжением 6-15 кВ. При этом следует учитывать, что диапазон напряжения, рабочую частоту и амплитуду РЧ-тока от источника питания 48 можно варьировать, чтобы удовлетворить конкретные требования предполагаемого применения.

Второй источник питания 50 с более низкой частотой имеет выход с более низкой частотой, включающий в себя два вывода 51 и 53, подключенные к индукционным катушкам 12, 14 и 16 через соединительную схему 62 и выводы 11 и 13, 15 и 17 и 25 и 27 соответственно. Таким образом, энергия более низкой частоты индукционно прикладывается к газообразному веществу (веществам), подаваемым в осевую камеру 70, чтобы дополнительно удерживать и стабилизировать плазму 72. В другом варианте источник питания 50 может быть твердотельным источником питания. Например, такой твердотельный источник питания 50 может иметь рабочее напряжение 2 кВ и высокий выходной ток. Выходной ток изменяется в зависимости от номинального тока установки и в некоторых случаях может превышать 1000 ампер. Рабочая частота источника питания может обычно колебаться между 200 и 400 кГц. При этом также следует учитывать, что рабочее напряжение и частота, а также уровень выходного тока источника питания 50 можно варьировать, чтобы удовлетворить требования планируемого применения.

В обычной установке с двухкатушечной плазменной горелкой, работающей с двумя источниками питания высокой мощности на ламповом генераторе, необходимо предусмотреть значительный зазор между отдельными индукционными катушками, чтобы гарантировать соответствующую электрическую изоляцию и уменьшить перекрестные помехи между двумя источниками питания, которые могут отрицательно влиять на схемы управления этих двух источников питания. Обычно этот зазор составляет от 5 до 10 см. При комбинации твердотельного источника питания, такого как источник питания 50, работающего при низком напряжении, с обычным высоковольтным источником питания на ламповом генераторе, таким как источник питания 48, зазор 52 между первой индукционной катушкой 4 и второй индукционной катушкой 12 можно уменьшить до нескольких сантиметров, например, всего двух или трех сантиметров, и при этом сохранить хорошую электрическую изоляцию и уменьшить перекрестные помехи.

В данном иллюстративном варианте твердотельный источник питания 50 требует индуктивной нагрузки, составляющей 1/3 индуктивной нагрузки отдельной катушки 12, катушки 14 или катушки 16. Если считать, что полные сопротивления катушек 12, 14 и 16 равны, то требуемую индуктивную нагрузку можно получить, подключив вторую катушку 12, третью катушку 14 и четвертую катушку 16 параллельно между выводами 51 и 53 твердотельного источника питания 50. Соответствующие соединения показаны пунктирными линиями в соединительной схеме 62.

При объединении нескольких катушек (таких, как катушки 12, 14 и 16) можно существенно согласовать выходное полное сопротивление твердотельного источника питания 50 и входное полное сопротивление индукционных катушек (катушки 12, 14 и 16 в проиллюстрированном варианте), поддерживающих индукционную плазму, повысив тем самым суммарную эффективность энергетической связи индуктивно связанной плазменной горелки. Фактически, комплексная нагрузка, воспринимаемая твердотельным источником питания 50, изменяется в зависимости от количества катушек, питающихся от данного твердотельного источника питания 50. Параллельное и/или последовательное включение индукционных катушек (таких, как катушки 12, 14 и 16) между выводами 51 и 53 через соединительную схему 62 вызывает изменение комплексной нагрузки. Более конкретно, значение индуктивности комплексной нагрузки увеличивается при последовательном соединении индукционных катушек (таких, как катушки 12, 14 и 16) и уменьшается при их параллельном соединении. Таким образом, путем выбора оптимального соединения катушек (таких, как катушки 12, 14 и 16) последовательно и/или параллельно друг с другом можно согласовать входное полное сопротивление индукционных катушек с выходным полным сопротивлением твердотельного источника питания 50.

Конечно, объем изобретения включает в себя использование другого количества вторых индукционных катушек меньше или больше 3, вместо трех (3) катушек 12, 14 и 16.

Использование многокатушечной конструкции впервые позволило осуществить существенное согласование входного полного сопротивления индукционных катушек 12, 14 и 16 с выходным полным сопротивлением источника питания 50. Это особенно важно, когда используется твердотельный (транзисторный) РЧ-источник питания 50, так как такие источники питания имеют относительно жесткую конструкцию и не могут выдерживать большое рассогласование между выходным полным сопротивлением источника питания и входным полным сопротивлением индукционных катушек.

Для ясности приведем следующий численный пример.

Дано, что эквивалентное полное сопротивление катушки определяется следующим уравнением:

L_c =a·N_c ²·d _c·e/Z_c,

где а - константа (4,0×10^-6);

N _c = количество витков в катушке;

d _c = внутренний диаметр катушки;

d _n = диаметр плазмы или нагрузки;

е = (d _c-d_n)/2, и

Z _c = длина катушки.

Также дано, что для сегмента N _s (количество катушек N_s=3) катушки эквивалентное полное сопротивление определяется как:

L _экв=L_c/N_s.

Эквивалентное полное сопротивление многовитковой катушки, состоящей, например, из трех (3) сегментов, каждый из двух (2) витков имеет:

L_экв=(4/3)L _{одновитковая катушка}.

Таких дробных значений полного сопротивления катушки невозможно достичь никакими известными альтернативными конструкциями индукционных катушек, которые ограничены целым числом кратным "виткам одной катушки".

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано выше со ссылками на его варианты осуществления, эти варианты можно модифицировать по желанию, в пределах объема прилагаемой формулы изобретения, не выходя за рамки притязаний настоящего изобретения.