ANTORCHA DE PLASMA DE INDUCCIÓN DE MÚLTIPLES BOBINAS PARA UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE ESTADO SÓLIDO.

Antorcha de plasma de inducción de múltiples bobinas para una fuente de alimentación de estado sólido. CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a las antorchas de plasma de inducción. En particular, la presente invención se refiere a una antorcha de plasma de inducción de múltiples bobinas.. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En las antorchas de plasma de inducción, se genera un campo magnético oscilatorio de gran intensidad mediante una bobina de inducción, y este campo se aplica a un gas que pasa a través de esta bobina para ionizar el gas y formar un plasma. Estas antorchas de plasma de inducción usan el concepto del acoplamiento inductivo en sí mismo, que consiste en acoplar inductivamente un campo de radiofrecuencia (en adelante RF) al gas que circula. El acoplamiento inductivo calienta el gas a una elevada temperatura, típicamente 9000 º C, A esta temperatura, el gas se transforma en un plasma de iones cargados positivamente y electrones. Las antorchas de plasma se usan típicamente para análisis elementales espectroscópicos, tratamiento de polvos finos, fusión de materiales, síntesis químicas, destrucción de residuos, y procedimientos similares. Estas aplicaciones se derivan de las altas temperaturas que inherentemente están en relación de asociación con los plasmas. Los intentos de épocas anteriores para producir plasma implicaban el uso de un campo de RF de alta frecuencia ( en la banda de megahercios) de una sola bobina. Se hicieron también intentos para inducir la formación de plasma usando un campo de RF de frecuencia más baja (por debajo de 400 kHz), pero sin resultados satisfactorios. Estos intentos de formar plasmas usando frecuencias más bajas fueron impulsados por la creencia de que, a frecuencias inferiores, el plasma es más amplio y tiene una temperatura más uniforme. En esta fase se reconoció también que el proceso de encender el plasma era diferente del de hacerlo funcionar una vez encendido. Cuando trabajan a un alto nivel de potencia (por encima de 10 kW) y a una presión igual que una (1) atmósfera, las antorchas inductivas industriales son difíciles de encender y de hacer funcionar de un modo estable. Como un método para aliviar estos problemas, se ha propuesto un diseño híbrido de RF-RF, o de doble bobina. A mediados de la década de 1960, estaban en marcha los experimentos que implicaban el uso de antorchas de plasma de inducción de doble bobina. El artículo de I.J. Floyd y J.C. Lewis, titulado Plasma de gas inducido por radiofrecuencia a 250-300 kc/s,Naturaleza, Volumen 211, Nº 5051, en la página 841 divulga el uso de un sistema de doble bobina que incluye: - un bobina de frecuencia más alta que trabaja en la banda de megahercios para encender o iniciar el plasma, y - una segunda bobina de trabajo que opera a una frecuencia más baja. El trabajo continuo y la antorcha de plasma de doble bobina revelaron que, como se esperaba, la bobina de frecuencia más baja producía un plasma con una temperatura mucho más homogénea. Esto, combinado con una reducción de la presión axial, aportó un aumento en el tiempo de exposición y en la penetración de productos que dieron lugar a beneficios en la forma de mejores condiciones para el tratamiento de esferoidización o de la pulverización de polvos. Adicionalmente, se averiguó que la presencia de dos etapas de inducción separadas permitía que los gases calientes que salían de la primera etapa se mezclasen con un gas diferente que de no ser así afectaría perjudicialmente a la sostenibilidad del plasma. Además, la disposición en cascada de dos bobinas de inducción permite que se optimicen los parámetros de funcionamiento de la antorcha, aumentando de ese modo el rendimiento y reduciendo la potencia requerida para hacer funcionar a la antorcha de plasma. Para suministrar la considerable cantidad de energía requerida para operar una antorcha de plasma de inducción se han utilizado dos tipos de fuente de alimentación de energía: una fuente de alimentación de oscilador tipo válvula y una fuente de alimentación de estado sólido. Las fuentes de alimentación de oscilador tipo válvula son notoriamente ineficaces con típicamente un 40% de la potencia perdida en el oscilador y en el circuito tanque (o resonante) y disponiéndose solamente del 20% al 40% de la potencia de entrada como entalpía del plasma en el gas caliente. Las fuentes de alimentación de estado sólido proporcionan un funcionamiento más eficiente y, por tanto, constituyen una alternativa mejor. En comparación con las fuentes de alimentación de oscilador tipo válvula, presentan un rendimiento máximo en la conversión de energía eléctrica desde una tensión de alimentación relativamente baja de 440 ó 560 voltios a 50 ó 60 Hz hasta una tensión más alta de 1.500 a 3.000 voltios a 300 a 400 Hz. Este aumento de rendimiento se debe en gran parte a la sustitución de un oscilador de válvula estándar refrigerado por agua, de triodo o de pentodo, por un circuito transistorizado de estado sólido. Sin embargo, las fuentes de alimentación de estado sólido tienen actualmente un intervalo de operación 2 E02764463 02-11-2011   característico en baja frecuencia (típicamente de 300 a 400 kHz) y por tanto en general no son adecuadas para producir la señal de RF requerida para la bobina de alta frecuencia que se usa para encender el plasma por inducción. Adicionalmente, el uso de fuentes de alimentación de estado sólido que sean eficientes se ha proscrito en las aplicaciones que requieran el encendido y la operación de una antorcha de plasma en condiciones de presión atmosférica o de un vacío suave. Además, los diseños actuales de doble bobina que usan fuentes de alimentación de oscilador tipo válvula resultan en graves interacciones entre los circuitos de control de las dos fuentes de alimentación, que solamente se pueden resolver mediante la imposición de una separación mínima entre las bobinas. Esta imposición de una separación entre las bobinas afecta gravemente a la uniformidad del campo de temperaturas en el plasma resultante, y tiene un impacto directo en el rendimiento. El documento US 5.285.046 describe un aparato para depositar materiales en partículas o en polvo en la superficie de un sustrato. Se proveen al menos dos bobinas de inducción excitadas a frecuencias diferentes. Entre las bobinas de inducción individuales se debe proveer un espacio intermedio significativo para asegurar un aislamiento eléctrico adecuado y minimizar la diafonía entre las fuentes de alimentación diferentes que pueda afectar perjudicialmente a los circuitos de control de estas fuentes de alimentación. El documento DE 31 30 908 A1 muestra una antorcha de plasma que tiene una bobina principal de inducción excitada con una corriente de alta frecuencia y una pluralidad de bobinas secundarias de inducción alimentadas con una corriente de frecuencia más baja. Se han provisto unas zonas de refrigeración entre las bobinas para evitar un contacto del plasma producido con las paredes interiores del reactor. No se han descrito medidas específicas para adaptar la impedancia de entrada de las bobinas de inducción con la impedancia de salida de las fuentes de alimentación. SUMARIO DE LA INVENCIÓN Según la presente invención, se provee una antorcha de plasma de inducción que comprende un cuerpo de antorcha tubular que tiene extremos proximales y distales, y que incluye una superficie cilíndrica interior que tiene un primer diámetro. Un tubo de confinamiento de plasma se ha construido de un material que tiene una conductividad térmica elevada, define una cámara axial en la que se confina plasma a temperatura elevada, e incluye una superficie cilíndrica exterior que tiene un segundo diámetro un poco menor que el primer diámetro. El tubo de confinamiento de plasma está montado dentro del cuerpo de antorcha tubular, y las superficies cilíndricas interior y exterior son coaxiales para definir entre estas superficies interior y exterior una delgada cámara anular de espesor uniforme. En el extremo proximal del cuerpo de la antorcha está montada una cabeza distribuidora de gas para suministrar al menos una sustancia gaseosa al interior de la cámara axial definida por el tubo de confinamiento de plasma. Una fuente de alimentación de fluido de refrigeración está conectada a la cámara anular delgada para establecer un flujo de alta velocidad de fluido de refrigeración en esta cámara anular delgada. La elevada conductividad térmica del material que forma el tubo de confinamiento y el flujo de gran velocidad del fluido de refrigeración contribuyen ambos a una transmisión de calor eficaz desde el tubo de confinamiento de plasma, calentado por el plasma a elevada temperatura, al fluido de refrigeración para de ese modo refrigerar eficazmente al tubo de confinamiento. Una serie de bobinas de inducción están... [Seguir leyendo]

1. Una antorcha de plasma de inducción que comprende: - un cuerpo tubular (2) de antorcha que tiene unos extremos proximal (3) y distal (5), y que incluye una superficie cilíndrica interior que tiene un primer diámetro; - un tubo (39) de confinamiento de plasma (a) fabricado de un material que tiene una elevada conductividad térmica, (b) que define una cámara axial (70) en la que está confinado un plasma a elevada temperatura, y (c) que incluye una superficie cilíndrica exterior que tiene un segundo diámetro ligeramente menor que el primer diámetro; - cuyo tubo (39) de confinamiento de plasma está montado dentro del cuerpo tubular (2 ) de antorcha, y las superficies cilíndricas exterior e interior que son coaxiales, para definir entre dichas superficies interior y exterior una cámara anular delgada (45) de espesor uniforme; - una cabeza (30) distribuidora de gas fijada al extremo proximal (3) del cuerpo (2) de antorcha para suministrar al menos una sustancia gaseosa al interior de la cámara axial (70) definida por el tubo (39) de confinamiento de plasma; - un dispositivo de suministro de fluido de refrigeración conectado a la cámara anular delgada (45) para establecer un flujo de gran velocidad de un fluido de refrigeración en dicha cámara delgada anular (45), contribuyendo tanto la elevada conductividad térmica del material que forma el tubo de confinamiento (39) como el flujo de gran velocidad del fluido de refrigeración a la transmisión eficaz de calor del fluido de refrigeración para de ese modo refrigerar eficazmente el tubo de confinamiento (39); - una primera fuente de alimentación (48) que tiene una salida de frecuencia más alta; - una segunda fuente de alimentación (50) que tiene una salida de frecuencia más baja que incluye unos terminales primero y segundo (51, 53); - una serie de bobinas de inducción (4, 12, 14, 16) fijadas al cuerpo tubular (2) de antorcha generalmente coaxiales con dicho cuerpo tubular (2) entre los extremos proximal (3) y distal (5) del cuerpo (2) de antorcha, cuya serie de bobinas de inducción comprende: - una primera bobina de inducción (4) conectada a una salida de frecuencia más alta de una primera fuente de alimentación para aplicar energía por inducción a la como mínimo una sustancia gaseosa suministrada a la cámara axial (70); y - una pluralidad de segundas bobinas de inducción (12, 14, 16) entre la primera bobina de inducción (4) y el extremo distal (5) del cuerpo tubular (2) de antorcha, cuyas segundas bobinas de inducción (12, 14, 16) tienen unos terminales respectivos (11 y 13, 15 y 17, 25 y 27); y - un circuito de interconexión (52) interpuesto entre (a ) los terminales primero (51) y segundo (53) de una salida de frecuencia más baja de la segunda fuente de alimentación (50) y (b) los terminales de las segundas bobinas de inducción (12, 14, 16), para conectar las segundas bobinas de inducción (12, 14, 16) en una disposición en serie o en paralelo entre dichos terminales primero y segundo (51, 53) con el fin de: adaptar sustancialmente una impedancia de entrada de la segunda bobina de inducción con una impedancia de salida de la segunda fuente de alimentación (50); y aplicar energía por inducción a dicha al menos una sustancia gaseosa suministrada al interior de dicha cámara axial (70). 2. Una antorcha de plasma de inducción según la reivindicación 1, en la que la segunda fuente de alimentación (50) es una fuente de alimentación de estado sólido. 3. Una antorcha de plasma de inducción según la reivindicación 1,en la que la primera fuente de alimentación (48) es una fuente de alimentación de oscilador del tipo de válvula, y la segunda fuente de alimentación (50) es una fuente de alimentación de estado sólido. 4. Una antorcha de plasma de inducción según la reivindicación 1, en la que las segundas bobinas de inducción (12, 14, 16) están conectadas, a través del circuito de interconexión (62), en paralelo entre los terminales primero (51) y segundo (53) de la salida de frecuencia más baja de la segunda fuente de alimentación (50). 5. Una antorcha de plasma de inducción según la reivindicación 1, en la que las segundas bobinas de inducción (12, 14, 16) están conectadas, a través del circuito de interconexión (62), en serie entre los terminales primero (51) y segundo (53) de la salida de frecuencia más baja de la segunda fuente de alimentación (50). 6. Una antorcha de plasma de inducción según la reivindicación 1, en la que las segundas bobinas de inducción (12, 14, 16) están conectadas, a través del circuito de interconexión (62), en una disposición en serie y en paralelo entre los terminales primero (51) y segundo (53) de la salida de frecuencia más baja de la segunda fuente de alimentación (50). 7. Una antorcha de plasma de inducción según la reivindicación 1, en la que la primera y las segundas bobinas de inducción (4, 12,14,16) están empotradas en el cuerpo tubular (2) de antorcha. 8 E02764463 02-11-2011   9 E02764463 02-11-2011