具体实施方式

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本发明的理解。然而，对于本领域技术人员而言，显而易见的是，可以在没有这些细节的情况下实施本发明。此外，本领域技术人员将认识到，下面描述的本发明的实施例可以通过各种方式来实现。

图中所示的部件或模块是本发明示例性实施例的说明，并且本发明的实施例意在避免使本发明模糊。还应当理解，在整个讨论中，部件可以描述为单独的功能单元，该单独的功能单元可以包括子单元，但是本领域技术人员能够认识到，各个部件或各个部件的部分可以被分成单独的部件或者可以集成在一起，包括集成在单个系统或部件内。应当注意，本文所讨论的功能或运行可以作为部件而执行。

说明书中对“一个实施例”(“one embodiment”)、“优选实施例”、“某实施例”(“anembodiment”)或“实施例”(“embodiments”)的引用表示结合实施例描述的特定特征、结构、特性或功能包含在本发明的至少一个实施例中、并且可以包含在多于一个实施例中。而且，上述短语在说明书中的各个地方的出现不一定全部指代相同的一个或多个实施例(“thesame embodiment or embodiments”)。

在说明书中的各个地方使用某些术语是为了说明，而这些术语的使用不应被解释为限制性的。术语“包括”(“include”)、“包括”(“including”)、“含括”(“comprise”)和“含有”(“comprising”)应被理解为开放式术语，并且以下的任何的列示内容都是示例，而并不旨在局限于所列出的项目。

图1(英语缩写“FIG.1”)示出了根据本发明的实施例的等离子体生成系统10的示意图。如所描绘的，等离子体生成系统10包括：微波腔/波导20，该微波腔/波导20具有中空管的形状；等离子体室22(等离子体室也被称为等离子体反应器)，该等离子体室22连接到波导20；以及微波供应单元12，该微波供应单元12连接到波导20，并且可运行以经由微波波导20向等离子体室22提供微波能量。在实施例中，等离子体室22接收微波能量并且通过使用所接收的微波能量来处理气体。在实施例中，气体罐26经由气体管线24向等离子体室22提供气体，并且气体罐30经由气体管线28向等离子体室22提供气体。

微波供应单元12向等离子体室22提供微波能量，并且包括：微波发生器14，用于产生微波；电源16，用于向微波发生器14提供电力；以及调谐器18，用于减少从等离子体室22反射、并且朝着微波发生器14行进的微波能量。在实施例中，微波供应单元12可以包括图1中未示出的其他部件，例如具有虚负载隔离器，该虚负载用于耗散朝向微波发生器14传播的反射微波能量；循环器，该循环器用于将反射微波能量引导到虚负载；滑动短路电路，该滑动短路电路设置在波导20的下游端处。

图2示出了根据本发明的实施例的、沿着线2-2截取的、图1中的等离子体室22的横截面图。如所描绘的，等离子体室22包括：内壁40；前向流动入口31，该前向流动入口31连接至气体管线24，并且配置为将前向气流引入等离子体室中；以及适配器74(适配器也被称为"反向流动入口")，该适配器74连接至气体管线28，并且配置为将反向气流引入等离子体室中。这里，术语等离子体腔是指由内壁40、波导20、前向流动入口31和适配器74围成的封闭空间，其中反向气流和前向气流在等离子体腔中、由经由波导20传输的微波能量处理/重整。

在实施例中，内壁40由对微波能量通透的材料形成，例如石英或陶瓷。在实施例中，内壁40由任何其它合适的介电材料形成，这些合适的介电材料在保持均匀流动、热阻性、耐化学腐蚀性和电磁通透性而言是被寄予期望的。在实施例中，内壁40优选地具有但不限于中空圆柱形的形状。

在实施例中，前向流动入口31包括：前向流动入口主体49；等离子体稳定器38，该等离子体稳定器38安装于前向流动入口主体49的底部表面上；涡流发生器42，安装于前向流动入口主体49的肩部上；以及盖63，该盖63通过合适的紧固机构——例如螺钉/螺栓(图2中未示出)等，可拆卸地固定至前进流动入口主体49。在实施例中，等离子体稳定器38是可选元件。前向流入口本体49、盖63和涡流发生器42限定了封闭空间61(封闭空间也称为停滞腔室)，在该封闭空间中，来自气体管线24的气体进入腔室61，并随后通过涡流发生器42朝向等离子体46离开。

图3示出根据本发明的实施例的涡流发生器42的透视图。图4示出根据本发明的实施例的涡流发生器42的沿线4-4截取的横截面图。如所示，涡流发生器42具有孔47，腔室61中的气体通过该孔47流入涡流发生器42。涡流发生器42还具有形成在涡流发生器的壁中的一个或多个气体通路48。在实施例中，气体通路48的出口位于等离子体稳定器38的内部，使得等离子体稳定器38使用来自气体通路48的气流来形成内部涡流43。在实施例中，等离子体稳定器38的内径可变化以调节内部涡流43的外径。在实施例中，如上所述，等离子体稳定器38可具有中空的圆柱形的形状，并设置成与前向流动入口42共中心。

在实施例中，每个气体通路48设置为当前向气流经由气体通路48进入等离子体腔时，向前向气流施加螺旋运动。在实施例中，每个气体通路48可以弯曲，以增强前向气流的涡度。在实施例中，涡流发生器42由任何合适的介电材料形成，例如陶瓷，使得涡流发生器42与波导20电隔离并承受来自等离子体46的热能。在实施例中，涡流发生器42由金属或介电材料制成。

在实施例中，前向流动入口主体49由金属，如镍合金(例如，铬镍铁合金或哈氏合金)形成。在实施例中，盖80可以与前向流动入口主体49分离，以接近前向流动入口31的部件。

在实施例中，等离子体稳定器38由对微波能量通透的材料形成，并且优选地由与内壁40相同的材料——例如石英或陶瓷形成。在实施例中，等离子体稳定器38安装在前向流动入口主体49的肩部上，并且突出到等离子体腔中，其中等离子体稳定器38的轴向方向平行于y轴。在实施例中，如上所述，内壁40可具有中空圆柱形的形状，并且等离子体稳定器38可与内壁40共中心地安装。在实施例中，前向气流形成内部涡流43并且朝向波导20的另一端前进，更具体地，朝向气体出口32前进。图7示出了根据本发明的实施例的内部涡流43的透视图。如所示，前向气流(或等效地，内部涡流)以螺旋运动方式沿内壁40的长度行进，直到内部涡流离开气体出口32。

在实施例中，当等离子体点火器(图2中未示出)点燃等离子体羽流46(等离子体羽流或可简称为等离子体)时，等离子体46由微波发生器14传输的微波能量维持。等离子体点火器的示例性实施例的描述可以在2020年2月28日提出申请的第16/805661号、标题为“用于等离子体反应器的耐用自动点火装置”(“Durable auto-ignition device for plasmareactor”)的共同待审(“copending”)的美国专利申请中找到，该申请的全部内容通过引用合并于此。在实施例中，等离子体46位于内部涡流43内，使得内部涡流43的气体颗粒通过等离子体46。如上所述，等离子体稳定器38确定内部涡流43的外径，防止前向气流在通过气体出口32离开等离子体腔之前绕过等离子体46。在实施例中，等离子体稳定器38有助于保持等离子体46稳定。

图5示出了根据本发明的实施例的适配器74的透视图。图6示出了根据本发明的实施例的适配器74沿线6-6截取的横截面图。如所示，适配器74包括适配器主体77和密封容器71。在实施例中，适配器主体77具有用于联接至气体管线28的孔/适配器52、形成气体出口32的孔、以及形成在适配器主体的壁中的一个或多个气体通路51。在实施例中，每个气体通路51布置成当反向气流经由气体通路51进入等离子体腔时，向反向气流施加螺旋运动。在实施例中，每个气体通道51是弯曲的以增强反向气流的涡度。在实施例中，适配器主体77和密封容器71优选地由但不限于镍合金形成，诸如铬镍铁合金或哈氏合金。

在实施例中，离开适配器74的反向气流朝向内壁40行进，然后以螺旋运动沿着内壁40朝向波导20的另一端向上(y轴方向)前进。随后，反向气流使流动方向反向以向下前进并且形成外部涡流45。在实施例中，外部涡流45的旋转轴线大体上平行于y轴。图8示出根据本发明的实施例的外部涡流45的透视图。如所描绘的，外部涡流45具有中空圆柱形状并且具有两个流动区域：内部向下流动区域45-1和外部向上流动区域45-2。在实施例中，内部涡流43设置在外部涡流45的中间的中空部分中并且由内部向下流动区域45-1包围。应该注意，来自涡流发生器42的气体与来自适配器74的气流混合以形成内部涡流43。

在实施例中，外部涡流45围绕内部涡流43，从而保护内壁40免受等离子体46的影响。在实施例中，当外部涡流45以螺旋运动沿着内壁40向上行进时，离开适配器74的反向气流可具有常温温度并从内壁40获取热能。

在实施例中，如上所述，等离子体稳定器38的内径决定内部涡流43的径向尺寸。因此，在实施例中，等离子体稳定器38的内径可进行调整，以使外部涡流45围绕内部涡流43，并以稳定的方式维持内部涡流43的流动状态，从而稳定等离子体并产出得到提高的产量和效率。

在实施例中，等离子体46用于将入口气体重整成期望的产物气体，其中入口气体通过前向流动入口31和适配器74引入到等离子体腔中。在实施例中，离开涡流发生器42的内部涡流的气体成分包括CO2、CH4和O2，并且离开气体出口32的气体包括CO和H2以及前向流动气体的未反应部分。在实施例中，前向气流的优选分布是进入等离子体室22的总气流的质量的5％至95％。在实施例中，反向气流可具有与前向气流相同的气体成分。在替代实施例中，前向气流具有与反向气流不同的气体成分。此外，前向气流(和/或反向气流)的气体成分可以在运行期间改变。例如，前向气流可以包括氩气块，以促进等离子体46的点燃。在实施例中，可以调节前向气流和反向气流的气体成分和流速，以提高等离子体室22中等离子体稳定性和化学反应的效率。

在实施例中，为了使等离子体生成系统10有效地运行，从气体罐流动到适配器74和/或前向流动入口31的处理气体可以在进入等离子体腔之前通过合适的机构(图2中未示出)加热。当处理气体处于升高的温度时，过量的热能可以传递到等离子体室22，并且随后通过(热)传导传递到波导20。此外，在运行期间，由等离子体46加热的气体将热能传递到适配器74和前向流动入口31，进而将热能传递到波导20。由于该热传递可能加热波导20并且潜在地损坏或缩短微波供应单元12的其他部件的寿命，在实施例中，等离子体室22通过间隙与波导20物理地分离，从而减少热传导。

图9示出根据本发明的实施例的图2的一部分的放大视图80。如图9中所描绘，前向流动入口主体49通过间隙82与波导20分离，从而减少通过从前向流动入口主体49到波导20传导的热传递。考虑到前向流动入口主体49的制造公差和热膨胀，间隙82也是被给予期望的。然而，如果间隙82未进行电磁密封，则微波能量可通过间隙82泄漏，从而降低系统10的运行效率。

在实施例中，间隙82由垫圈86密封，其中垫圈86由导电材料(例如金属)形成，但具有较低的热导率。垫圈86减少了从前向流动入口主体49到波导20的热传递，同时最小化/阻挡了通过前向流动入口主体49和波导20之间的间隙82的电磁辐射泄漏(即，热隔离)。在实施例中，垫圈86是电磁(EM)密封件，并且还减少了从前向流动入口主体49到波导20的热传递。在实施例中，垫圈86的宽度可以最小化，以减少与波导20(以及与前向流动入口主体49)接触的面积，从而减少了从前进流动入口本体到波导的热传导。

在实施例中，可以使用其他类型的低表面积电磁(EM)密封件来实现与垫圈86类似的效果。例如，间隙82由绕线线圈(绕线线圈也称为RF密封件或EM密封件)，例如螺旋弹簧84进行电磁密封。图10示出根据本发明的实施例的EM密封件84的透视图。在实施例中，EM密封件84位于形成在波导20中的凹口中，并且接触前向流动入口主体49，用于防止或减少电磁能通过间隙82泄漏。在实施例中，EM密封件84处于适度的压缩状态，并且具有足够的弹性以便适应间隙82的热膨胀和收缩。EM密封件84由导电材料形成，在等离子体腔室22中出现的升高的温度下，该导电材料具有足够的机械稳定性，以便能够在等离子体腔室的启动、运行和关闭之前、期间和之后维持前向流动入口主体49与波导20之间的接触。在实施例中，EM密封件84优选由高温相容材料形成，该高温相容材料在等离子体室22的运行温度下不会表现出过度腐蚀或机械疲劳。

在实施例中，气体密封件85用于防止等离子体室22中的气体通过前向流动入口主体49和内壁40之间的间隙82泄漏。在实施例中，气体密封件85是O形环并且由诸如橡胶或硅的弹性材料形成，该弹性材料对微波是通透的并且在高温下不会劣化。

在一些实施方式中，气体密封件85可能不适于前向流动入口主体49中的升高的温度。在此类情况下，石墨垫片用作气体密封件85，其中石墨垫片具有矩形环形状，并且由石墨材料形成(即，石墨垫片可具有与图11中的气体密封件99相同的形状)。在实施例中，石墨材料可能对微波能量不通透；相反，石墨材料可通过吸收微波能量而加热。在实施例中，为了防止微波能量到达气体密封件85，内壁40包括由金属(诸如银)形成的涂层89。

图11示出根据本发明的实施例的图2的部分的放大视图90。如所描绘的，密封容器71通过合适的紧固机构(例如螺钉/螺栓，图11中未示出)安装在适配器主体77上并且可拆卸地固定到适配器主体77，其中内壁40设置在密封容器71与适配器主体77之间。在实施例中，波导20通过间隙92与适配器74(更具体地，密封容器71)物理地分离，以减少从密封容器71到波导20的热传导。并且，考虑到前向流动入口74的制造公差和热膨胀，间隙92是被寄予期望。然而，微波能量可通过间隙92泄漏，因此，EM密封件94和/或垫圈96用于防止/减少微波能量通过间隙92的泄漏。在实施例中，EM密封件94和垫圈96具有分别与EM密封件84和垫圈86类似的结构和功能。在实施例中，EM密封件94和/或垫圈96能够在等离子体室的启动、运行和关闭之前、期间和之后维持密封容器71与波导20之间的接触。

值得注意的是，密封容器71可以包括凹口/凹槽，EM密封件94位于该凹口/凹槽中。在这种情况下，波导20可以不包括用于EM密封件94的凹口或凹槽。

在实施例中，气体密封件99用于防止气体通过内壁40和适配器主体77之间的间隙97泄漏。在实施例中，在运行期间，离开气体出口32的气体的温度可达到高达1200℃至1500℃，从而导致适配器主体77和密封容器71过热，以至于不能在适配器本体77和内壁40之间的接口处采用常规弹性密封件。在实施例中，由高温兼容材料(优选地但不限于石墨)形成的气体密封件99在密封容器71和适配器主体77之间保持压缩，以便阻止气体通过间隙97泄漏。在实施例中，密封容器71具有用于气体密封件99的凹口/凹槽，并且通过使用合适的紧固机构，例如螺钉/螺栓(图11中未示出)，对气体密封件99施加适度的压缩。在实施例中，气体密封件99具有矩形的环形形状，但对于本领域普通技术人员而言，显而易见的是，气体密封件99可具有其它合适的横截面形状。

在实施例中，气体密封件99通过吸收微波能量以及来自适配器主体77的(热)传导而被加热，而该气体密封件99可由对微波能量不通透的材料形成。在实施例中，为了防止微波能量到达气体密封件99，内壁40包括由金属(诸如银)形成的涂层98。

在实施例中，类似于RF密封件94的另一个EM密封件95位于在适配器主体77中的凹口/凹槽中，并且防止微波能量到达气体密封件99。在实施例中，薄的金属片93可选地插入间隙97中，以进一步防止微波能量到达气体密封件99。

值得注意的是，等离子体室22可具有不同的部件以及部件的布置。例如，图12示出了根据本发明的实施例的图1中的等离子体室沿线2-2截取的横截面图。如所示，与等离子体室22相比，等离子体室122不包括前向流动入口。由于等离子体室122不具有前向流动入口，因此在等离子体室122的内部不产生与图7中的涡流相似的内部涡流。

在另一示例中，图13示出了根据本发明的实施例的图1中的等离子体室沿线2-2截取的横截面图。如所描绘的，等离子体室222类似于等离子体室22，区别在于适配器主体77由适配器主体277取代，其中适配器主体277中不具有任何气体通路。并且，由于适配器主体277中不具有任何气体通路，所以适配器274未联接至气体管线。应当注意的是，反向流动入口274未将气体引入等离子体室的内部，因此，在等离子体室222内未产生类似于图8中的旋涡的外部旋涡。

在实施例中，除了适配器主体277之外，等离子体室222的部件具有与等离子体室22的对应部件相似的功能和结构。例如，密封容器271与波导220物理分离，并且垫圈和/或EM密封件用于防止微波通过间隙泄漏。值得注意的是，等离子体室122和等离子体室222是等离子体室22的示例性变型。等离子体室的各种实施例的描述可以在共同待审的美国专利申请第16/752689号、于2020年1月26日申请的题为“用于气体处理的等离子体反应器”(“Plasma Reactor for Processing Gas”)，以及第16/790644号、于2020年2月13日提交的题为“用于实现等离子体稳定性的控制等离子体反应器的废气压力”(“ControllingExhaust Gas Pressure of a Plasma Reactor for Plasma Stability”)中找到，这些申请的全部内容通过引用并入本文。

图14示出了根据本发明的实施例的图1中的等离子体室沿线2-2截取的横截面图。图15示出了根据本发明的实施例的图14的一部分的放大图。如所示，等离子体室322与图2中的等离子体室22相似，区别在于前向流动主体377具有与前向流动入口主体49不同的几何形状。在实施例中，前向流动入口331包括：前向流动入口主体377；密封容器371，该密封容器371通过合适的紧固机构，例如螺钉/螺栓(图14中未示出)可拆卸地固定至前向流动入口主体377；等离子体稳定器338，该等离子体稳定器338安装在前向流动入口主体377的底部表面上；涡流发生器342，该涡流发生器342安装在前向流动入口主体377的肩部上；以及盖363，该盖363通过合适的紧固机构，例如螺钉/螺栓(图14中未示出)可拆卸地固定至前向流动入口主体377。

在实施例中，内壁340设置在密封容器371与前向流动入口主体377之间。在实施例中，波导320与前向流动入口331通过间隙392物理地隔开(更具体地，与密封容器371隔开)，以减少从密封容器371至波导320的热传导。此外，考虑到前向流动入口331的制造公差及热膨胀，间隙392是被给予期望的。然而，微波能量可能会通过间隙392泄漏，因此，EM密封件394和/或垫圈396用于防止/减少微波能量通过间隙392而泄漏。在实施例中，EM密封件394和垫圈396具有分别与EM密封件84和垫圈86相似的结构和功能。例如，垫圈396是减少从前向流动入口331至波导320的热传递的EM密封件。在实施例中，EM密封件394和/或垫圈396能够在等离子体室启动、运行和关闭之前、期间和之后维持密封容器371与波导320之间的接触。

需要注意的是，密封容器371可包括凹口/凹槽，EM密封件394位于该凹口/凹槽中。在这种情况下，波导320可不包括用于EM密封件394的凹口或凹槽。

在实施例中，气体密封件399是由弹性材料制成的O形环，并且气体密封件399用于防止气体通过内壁340和前向流动入口主体377之间的间隙397泄漏。在一些实施例中，在运行期间，等离子体腔的内部的气体可具有升高的温度，从而导致前向流动入口主体377和密封容器371达到过热的温度，以至于不能在前向流入口主体377与内壁340之间的接口处采用常规的弹性密封件。在实施例中，由高温相容材料(优选但不限于石墨)形成的气体密封件399在密封容器371和前向流动入口主体377之间保持压缩，以便阻止气体通过间隙397泄漏。在实施例中，密封容器371具有用于气体密封件399的凹口/凹槽，并且通过使用合适的紧固机构，例如螺钉/螺栓(图15中未展示)，向气体密封件399施加适度压缩。在实施例中，气体密封件399件具有矩形环形状的形状，但对于本领域普通技术人员而言，显而易见的是，气体密封件399可具有其它合适的横截面形状。

在实施例中，气体密封件399通过吸收微波能量以及来自前向流动入口主体377的(热)传导而被加热，而该气体密封件399可由对于微波能量不通透的材料形成。在实施例中，为了防止微波能量到达气体密封件399，内壁340包括由金属(诸如银)形成的涂层398。

在实施例中，类似于RF密封件94的另一个EM密封件395位于设置在前向流动入口主体377中的凹口/凹槽中，并且防止微波能量到达气体密封件399。在实施例中，薄的金属片393可选地插入在间隙397中，以进一步防止微波能量到达气体密封件399。

本领域技术人员将理解，前述示例和实施例是示例性的，并且不限制本发明的范围。本领域技术人员在阅读说明书和研究附图后得出的所有的显而易见的置换、增强、等价、组合和改进，应当包括在本发明的真实精神和范围内。还应当注意，任何权利要求的元素可以进行不同的布置，包括具有多种从属关系、配置和组合。