[发明专利]车载燃料的等离子体微波功率合成系统

说明书

技术领域

本发明涉及燃料的微波等离子在线转换技术、等离子转换器控制领域。

背景技术

微波加热与传统的加热方法相比有很大的区别，传统加热方法是依靠热源，通过辐射、传导、对流等途径，首先使物体的表面加热，然后经热传导，使内部的温度由表及里逐步升高。而微波具有高效节能、加热速度快、加热均匀、即时性、安全环保、清洁卫生、宜于控制等优点。因此设计研发微波加热的相关设备是人类社会发展的迫切需要。

由于等离子体具有更高的温度和能量密度，能够产生活性成分，从而引发在常规化学反应中不能或难以实现的物理变化和化学反应。因此本发明设计一套通过微波驱动的等离子体重整器系统，具有高效、易启动、易控制等优点。用于驱动微波等离子体重整器的微波能量可以通过磁控管、速调管、半导体微波发生器等微波源来产生。本发明采用的是半导体微波发生器来驱动微波等离子体重整器，它具有体积小、不需要高电压、成本低廉等优点。

一些研究者已经用不同方法研究了微波等离子体。激发等离子体的方式有火花塞点火、激光点火、脉冲电晕放电点火、介质阻挡放电等。通过对谐振腔的特殊设计也可以激发等离子体[United States Patent，No.5793013，August 11，1998]、[United States Patent，No.6205769，B1，March 27，2001]。文献[S.P.Kuo，“A microwave-augmented plasma torch module as an igniter/fuel injector of a scramjet engine”，Department of Electrical&Computer Engineering，Polytechnic University，Six Metrotech Center，Brooklyn，NY 11201]中介绍了一种小型化、低流速、注射点火一体化的等离子体产生装置，利用特殊的波导形状，产生的能量集中，可以有效实现点火。文献[Hidetoshi Sekiguchi and Yoshihiro Mori，“Steam plasma reforming using microwave discharge”，Thin Solid Films，Vol.453，pp.44-48，2003]做了微波放电生成大气中的纯蒸汽等离子体的研究，以及用等离子体重整碳氢化合物制氢的研究，并使用了一个不具有热再生、微波功率和流控制的矩形谐振腔。

发明内容

前面介绍的几种点火方式都有一定的局限性，火花塞点火方式需要定期更换，对环境有较高要求，激光、脉冲等点火方式需要高电压、高交变电压，文献[S.P.Kuo，“Amicrowave-augmented plasma torch module as an igniter/fuel injector of a scramjet engine”，Department of Electrical&Computer Engineering，Polytechnic University，Six Metrotech Center，Brooklyn，NY 11201]产生的是低流速等离子体，不利于反应的快速进行。文献[Hidetoshi Sekiguchi and Yoshihiro Mori，“Steam plasma reforming using microwave discharge”，Thin Solid Films，Vol.453，pp.44-48，2003]中矩形谐振腔结构简单、腔内电磁场分析也比较容易，但是得到的电磁场场强相对较小，反应气体在腔内的路程短，转化率较低。

本发明的目的是为解决上面的技术问题，本发明提供一种新型、高效、启动快、结构紧凑的车载燃料的等离子体微波功率合成系统。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

本发明设计了一个微小型空心阴极1004来激发等离子体，几何形状为圆柱形，通过在两电极间加高电压，使燃料气体电离，形成等离子体，空心阴极1015的点火还具有自启动功能。本发明通过半导体微波发生器1007提供反应腔1006中的微波能量，具有体积小、无需高压供电、安全稳定等特点。本发明还设计了一个特殊的反应腔1006，反应腔1006设计成圆环形的柱体形状，圆环截面与矩形波导截面相同，有利于微波1008在反应腔1006中的传播，并产生较高的场强，保持反应处于等离子体状态。