[发明专利]具有水冷却陶瓷密封管的高效感应等离子炬

说明书

本发明涉及感应等离子炬领域，尤其关系到使用由陶瓷材料制造的等离子密封管和通过流入包围该管外表面的薄环形腔中的高速流体进行冷却而改进性能的等离子炬。  

在60年代初期，感应等离子炬已众所周知，虽在过去30多年中它们的基本设计实质上已改进，例如在1967年3月15日公开在英国专利号1061956(cleaver)，注明日期为1972年9月26日的美国专利号3694618(Poole等人)和1973年10月2日的美国专利号3763392(Hollister)中所述的现有等离子炬的设计。其感应等离子炬的基本原理是应用4～6圈的感应线圈，将耦合能引入等离子体中。气体分配头用于产生合适的流型进入产生等离子的区域，这对于稳定被封闭在由石英制成的管子中的等离子体，保持等离子体在线圈的中心和保护等离子密封管，防备由于高热负载等离子体而损害是必要的。相对于高功率范围(约5～10千瓦)需要附加冷却以保护等离子密封管，这通常通过主管的外表面上流动的去离子水来获得。

已作出许多努力改进对等离子密封管的保护，这些方案涉及到使用(a)一种屏蔽的弓形金属壁插入等离子密封管中[1984年2月14日授予专利的美国专利4431901(Hull)]。(b)多孔性陶瓷压缩等离子密封管[1989年67，929-936加拿大杂志，化学，英文(Can.J.Chem.Eng.)J.Mostaghimi，M.Dostie，和J.Jurewi cg的＂具有多孔性陶瓷壁的RF感应等离子炬的研究＂]和(C)辐射冷却陶瓷等离子密封管[P.S.C.Van der Plas和L.de Galan，＂使用每分钟1升氩的ICP-AES辐射冷却炬＂Spectrochemica Acta，39B，116l-1169(1884)和P.S.C Vander plas和L.de Galan＂关于应用在非一冷却低流量ICP炬中的陶瓷材料的评述＂Spectrochemi ca Acta，42B，1250-1216(1987)]这些尝试每个都有它们各自局限性和缺点。

使用弓形金属壁插入的方法，改进了等离子密封管的保护，但存在实质上减少等离子炬总能量效率的缺点。

人们已发现，由多孔性陶瓷材料制成的等离子密封管仅能提供有限的保护。    

关于辐射冷却密封管，它们的陶瓷材料必须经得住相对高的工作温度，显示出极好的抗热冲击性能，必须不吸收RF(无线电频率)场，而很多陶瓷材料是不能满足一个或每个这些严格要求的。

故本发明的目的是为了消除上述现有技术的缺点。

本发明另一目的是改进由陶瓷材料制成的等离子密封管的保护。

本发明第三个目的是提供一种由陶瓷材料制成的密封管的等离子炬，和通过流入环绕密封管外表面的具有一定厚度的薄环形腔中的高速冷却流体，来冷却该等离子密封管。

更准确地说，根据本发明所提供的感应等离子炬包括：

有一个第一直径的圆柱形内表面的管状炬体；

一个等离子密封管(a)由高热传导性的陶瓷材料制成，(b)包括一个第一端部，一个第二端部和一个圆柱形的外表面，它的第二直径稍小于第一直径，该等离子密封管装在管状炬体内，其圆柱形的内外表面是同轴的，从而在内外表之间限定了一个均匀厚度的薄环形的腔体；

在等离子密封管第一端部的炬体上安装一气体分配头，它至少向密封管中输入一种气态物质，该气态物质通过等离子密封管从它的第一端部流向它的第二端部；

与该圆柱形内、外表面同轴的感应线圈，它设置在薄环形腔的外面，并通有电流，用于将能量感应地施加到流过等离子密封管的气态物质上，以便在该密材管中产生和维持高温等离子体；和

在薄环形腔中形成高速冷却液流的装置，形成密封管的高导热陶瓷材料和高速流动的冷却流体，这二个因素都有助于将作用于高温等离子体加热的等离子密封管的热量，高效地传到冷却液中，从而有效地冷却了密封管。    

由于等离子密封管的陶瓷材料的特点，在于高的热传导性，而流过薄环形腔中的高速冷却流体提供了合适的冷却等离子密封管所需要的高热传导系数，从而强烈的和有效地冷却等离子密封管外表面，使得能产生低气体流量，很高功率和温度范围的等离子体，这样在等离子炬的排气口处也产生了较高的特定的热含量范围。

有利的是，圆柱体的内外表面是机加工成圆柱形表面的，和感应线圈是放在炬体内的。