DE102022131435A1 - Device for generating a plasma flame, plasma generation device, high-temperature processing plant and corresponding operating method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10, 10a, 10b) zur Erzeugung mindestens einer Plasmaflamme (12), eine Plasmaerzeugungseinrichtung (100) umfassend mehrere Vorrichtungen (10, 10a, 10b), eine Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage (26) zum Schmelzen eines Materials (28) mittels Schmelzwärme und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung (10, 10a, 10b), einer solchen Plasmaerzeugungseinrichtung (100) oder einer solchen Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage (26) .The invention relates to a device (10, 10a, 10b) for generating at least one plasma flame (12), a plasma generation device (100) comprising a plurality of devices (10, 10a, 10b), a high-temperature process plant, in particular a melting plant (26) for melting a material (28) by means of melting heat and a method for operating such a device (10, 10a, 10b), such a plasma generation device (100) or such a high-temperature process plant, in particular a melting plant (26).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung mindestens einer Plasmaflamme mit Merkmalen des Anspruchs 1, eine Plasmaerzeugungseinrichtung mit Merkmalen des Anspruchs 6, eine Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, mit Merkmalen des Anspruchs 11 und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung, einer solchen Plasmaerzeugungseinrichtung oder einer solchen Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, mit Merkmalen des Anspruchs 13.The invention relates to a device for generating at least one plasma flame with features of claim 1, a plasma generation device with features of claim 6, a high-temperature process plant, in particular a melting plant, with features of
Mit Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, ist hier eine Anlage gemeint, die Wärmeleistung von mindestens 100 kW, insbesondere mindestens 500 kW, besonders bevorzugt mindestens 2 MW in einer Plasmaflamme erzeugen kann. Das ist insbesondere für solche Anlagen interessant, die konventionelle Gasbrenner mit einer vergleichbaren Heizleistung im Zuge der Reduzierung des CO2-Ausstoßes ersetzen können sollen.High-temperature process plant, in particular melting plant, is understood here to mean a plant that can generate a heat output of at least 100 kW, in particular at least 500 kW, particularly preferably at least 2 MW in a plasma flame. This is particularly interesting for plants that are intended to be able to replace conventional gas burners with a comparable heating output in the course of reducing CO2 emissions.
Plasmabrenner sind aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei wird ein Lichtbogen aus einem ionisierten Gas, dem sogenannten Plasma, erzeugt. Das Plasma kann dabei eine Temperatur von ca. 30.000 °C aufweisen. Zur Erzeugung des Plasmas muss dieses zunächst gezündet, also das Gas ionisiert, werden. Um das Plasma aufrecht zu erhalten, also das Gas im ionisierten Zustand zu halten, muss dauerhaft Energie (bzw. Leistung) in den Plasmabrenner eingespeist werden.Plasma torches are well known in the art. They generate an arc from an ionized gas, known as plasma. The plasma can have a temperature of around 30,000 °C. To generate the plasma, it must first be ignited, i.e. the gas must be ionized. In order to maintain the plasma, i.e. to keep the gas in an ionized state, energy (or power) must be continuously fed into the plasma torch.
Nachteilig dabei ist, dass die in das Plasma eingespeiste Leistung nicht ausreichend für eine Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, der oben genannten Art ist.The disadvantage here is that the power fed into the plasma is not sufficient for a high-temperature process plant, in particular a melting plant, of the type mentioned above.
Aufgabe der folgenden Erfindung ist es eine Vorrichtung zur Erzeugung mindestens einer Plasmaflamme, eine Plasmaerzeugungseinrichtung, eine Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage zum Schmelzen eines Materials mittels Schmelzwärme und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung, einer solchen Plasmaerzeugungseinrichtung oder einer solchen Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, bereitzustellen, wobei die eingespeiste Leistung in einem Bereich von 100 Kilowatt bis 100 Megawatt liegt.The object of the following invention is to provide a device for generating at least one plasma flame, a plasma generation device, a high-temperature process plant, in particular a melting plant for melting a material by means of melting heat, and a method for operating such a device, such a plasma generation device or such a high-temperature process plant, in particular a melting plant, wherein the fed-in power is in a range from 100 kilowatts to 100 megawatts.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung mindestens einer Plasmaflamme mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Vorrichtung kann als ein Plasmabrenner ausgebildet sein. Die Vorrichtung umfasst eine Prozessgaszufuhr zur Zuführung eines Prozessgases in die Vorrichtung und mindestens einen Plasmaerzeugungsraum zur Erzeugung mindestens eines Plasmas durch ein Ionisieren des Prozessgases. Der Plasmaerzeugungsraum kann als eine Plasmaerzeugungskammer ausgebildet sein. Die Vorrichtung ist derart eingerichtet, dass das Plasma beim Verlassen der Vorrichtung die Plasmaflamme erzeugt.This object is achieved by a device for generating at least one plasma flame with the features of claim 1. The device can be designed as a plasma burner. The device comprises a process gas supply for supplying a process gas into the device and at least one plasma generation space for generating at least one plasma by ionizing the process gas. The plasma generation space can be designed as a plasma generation chamber. The device is set up in such a way that the plasma generates the plasma flame when it leaves the device.
Die Vorrichtung umfasst eine erste Energieversorgung zur Versorgung der Vorrichtung mit Energie.The device comprises a first power supply for supplying the device with power.
Mit Energieversorgung ist in dieser Offenbarung allgemein eine elektrische Energieversorgung gemeint. Sie weist üblicherweise eine Leistungsumwandlervorrichtung auf, die ausgelegt ist, die ihr gelieferte Leistung, insbesondere die ihr von einem Leistungsversorgungsnetz gelieferte elektrische Leistung in eine für den zu versorgenden Prozess geeignete elektrische Leistung umzuwandeln und zur Versorgung bereit zu stellen. Eine Energieversorgung im Sinne dieser Offenbarung kann weitere Komponenten aufweisen, um die gelieferte elektrische Leistung möglichst geeignet dem Prozess zur Verfügung stellen zu können.In this disclosure, energy supply generally means an electrical energy supply. It usually has a power converter device that is designed to convert the power supplied to it, in particular the electrical power supplied to it by a power supply network, into electrical power suitable for the process to be supplied and to make it available for supply. An energy supply in the sense of this disclosure can have further components in order to be able to make the electrical power supplied available to the process as suitably as possible.
Die erste Energieversorgung ist zur induktiven Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum ausgebildet. Die erste Energieversorgung umfasst mindestens eine erste Leistungsversorgungseinheit.The first energy supply is designed to inductively feed energy into the plasma generation chamber. The first energy supply comprises at least one first power supply unit.
Mit Leistungsversorgungseinheit ist in dieser Offenbarung allgemein eine elektrische Leistungsversorgungseinheit gemeint. Sie weist üblicherweise eine oben bereits genannte Leistungsumwandlervorrichtung auf, die ausgelegt ist, die ihr gelieferte Leistung, insbesondere die ihr von einem Leistungsversorgungsnetz gelieferte elektrische Leistung in eine für den zu versorgenden Prozess geeignete elektrische Leistung umzuwandeln und zur Versorgung bereit zu stellen. Eine Leistungsversorgungseinheit im Sinne dieser Offenbarung kann weitere Komponenten aufweisen, z.B. eine Steuerung, Filter, Abschirmungen und/oder Komponenten zur Vermeidung von Personenschäden auf Grund von Hitze, Strahlung oder elektrischem Strom.In this disclosure, a power supply unit generally means an electrical power supply unit. It usually has a power converter device as already mentioned above, which is designed to convert the power supplied to it, in particular the electrical power supplied to it by a power supply network, into electrical power suitable for the process to be supplied and to make it available for supply. A power supply unit in the sense of this disclosure can have further components, e.g. a controller, filters, shields and/or components for preventing personal injury due to heat, radiation or electrical current.
Die erste Leistungsversorgungseinheit ist zur Erzeugung einer alternierenden Stromstärke und/oder Spannung innerhalb eines ersten Frequenzbereichs eingerichtet. Der erste Frequenzbereich liegt in einem Bereich von 1 Kilohertz (kHz) bis 10 Megahertz (MHz). Der erste Frequenzbereich kann bevorzugt in einem Bereich von 10 kHz bis 1 MHz, besonders bevorzugt in einem Bereich von 10 kHz bis 600 kHz liegen.The first power supply unit is designed to generate an alternating current and/or voltage within a first frequency range The first frequency range is in a range from 1 kilohertz (kHz) to 10 megahertz (MHz). The first frequency range can preferably be in a range from 10 kHz to 1 MHz, particularly preferably in a range from 10 kHz to 600 kHz.
Die Vorrichtung umfasst eine zweite Energieversorgung zur Versorgung der Vorrichtung mit Energie. Die zweite Energieversorgung ist zur induktiven Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum ausgebildet. Die zweite Energieversorgung umfasst eine zweite Leistungsversorgungseinheit. Die zweite Leistungsversorgungseinheit ist zur Erzeugung einer alternierenden Stromstärke und/oder Spannung innerhalb eines zweiten Frequenzbereichs eingerichtet. Der zweite Frequenzbereich liegt in einem Bereich von 1 MHz bis 500 Gigahertz (GHz). Der zweite Frequenzbereich kann bevorzugt in einem Bereich von 1 MHz bis 10 GHz liegen.The device comprises a second energy supply for supplying the device with energy. The second energy supply is designed for inductively feeding energy into the plasma generation chamber. The second energy supply comprises a second power supply unit. The second power supply unit is designed to generate an alternating current and/or voltage within a second frequency range. The second frequency range is in a range from 1 MHz to 500 gigahertz (GHz). The second frequency range can preferably be in a range from 1 MHz to 10 GHz.
Die zweite Leistungsversorgungseinheit kann so ausgelegt sein, dass sie bei einer Frequenz betrieben wird, die größer ist als die Frequenz der ersten Leistungsversorgungseinheit, insbesondere um mindestens den Faktor 10 größer ist.The second power supply unit can be designed to operate at a frequency that is higher than the frequency of the first power supply unit, in particular at least a factor of 10 higher.
Eine mittels der ersten Energieversorgung und mittels der zweiten Energieversorgung in den Plasmaerzeugungsraum induktiv eingespeiste Leistung liegt in einem Bereich von 100 Kilowatt bis 100 Megawatt. Die mittels der ersten und der zweiten Energieversorgung in den Plasmaerzeugungsraum induktiv eingespeiste Leistung kann in einem Bereich von 100 Kilowatt bis 10 Megawatt, insbesondere in einem Bereich von 100 Kilowatt bis 1 Megawatt, liegen.A power inductively fed into the plasma generation chamber by means of the first energy supply and by means of the second energy supply lies in a range from 100 kilowatts to 100 megawatts. The power inductively fed into the plasma generation chamber by means of the first and second energy supplies can lie in a range from 100 kilowatts to 10 megawatts, in particular in a range from 100 kilowatts to 1 megawatt.
Die Vorrichtung kann mehrere erste und mehrere zweite Leistungsversorgungseinheiten umfassen. Die erste Leistungsversorgungseinheit kann als eine Strom- und/oder Spannungsquelle ausgebildet sein. Die zweite Leistungsversorgungseinheit kann ebenfalls als eine Strom- und/oder Spannungsquelle ausgebildet sein.The device can comprise a plurality of first and a plurality of second power supply units. The first power supply unit can be designed as a current and/or voltage source. The second power supply unit can also be designed as a current and/or voltage source.
Damit kann eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Plasmaflamme mit einer sehr hohen eingespeisten Leistung bereitgestellt werden.This makes it possible to provide a device for generating a plasma flame with a very high input power.
Gemäß einer Weiterbildung kann die erste Energieversorgung mindestens eine Induktionsspule zur induktiven Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum umfassen. Die zweite Energieversorgung kann derart eingerichtet sein, dass die mittels der zweiten Energieversorgung erzeugte Energie zumindest teilweise, insbesondere vollständig, mittels der Induktionsspule der ersten Energieversorgung in den Plasmaerzeugungsraum eingespeist werden kann. Die erste Energieversorgung kann mehrere Induktionsspulen zur induktiven Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum umfassen. Hierdurch kann auf eine separate Induktionsspule für die zweite Energieversorgung verzichtet werden. Damit können Bauteile der Vorrichtung eingespart und so die Komplexität der Vorrichtung reduziert werden.According to a further development, the first energy supply can comprise at least one induction coil for inductively feeding energy into the plasma generation chamber. The second energy supply can be set up in such a way that the energy generated by the second energy supply can be fed at least partially, in particular completely, into the plasma generation chamber by means of the induction coil of the first energy supply. The first energy supply can comprise several induction coils for inductively feeding energy into the plasma generation chamber. This means that a separate induction coil for the second energy supply can be dispensed with. This means that components of the device can be saved and the complexity of the device can be reduced.
Gemäß einer Weiterbildung kann die erste Energieversorgung mindestens eine Induktionsspule zur induktiven Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum umfassen. Die zweite Energieversorgung kann mindestens eine weitere Induktionsspule zur induktiven Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum umfassen. Die erste Energieversorgung kann mehrere Induktionsspulen und die zweite Energieversorgung kann mehrere weitere Induktionsspulen zur induktiven Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum umfassen. Damit kann die Einspeisung von Energie der ersten und der zweiten Energieversorgung über separate Induktionsspulen umgesetzt werden. Hierdurch kann eine sichere und stabile Einspeisung der Energie über die jeweilige Induktionsspule ohne gegebenenfalls störende Interferenzeffekte umgesetzt werden.According to a further development, the first energy supply can comprise at least one induction coil for inductively feeding energy into the plasma generation chamber. The second energy supply can comprise at least one further induction coil for inductively feeding energy into the plasma generation chamber. The first energy supply can comprise several induction coils and the second energy supply can comprise several further induction coils for inductively feeding energy into the plasma generation chamber. The energy supply of the first and second energy supplies can thus be implemented via separate induction coils. This enables a safe and stable energy supply via the respective induction coil to be implemented without any potentially disruptive interference effects.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung mindestens einen Magneten zur Erzeugung von magnetischen Inhomogenitäten innerhalb des Plasmaerzeugungsraumes umfassen. Der Magnet kann um den Plasmaerzeugungsraum angeordnet sein. Der Magnet kann zwischen der Prozessgaszufuhr und der Induktionsspule der ersten Energieversorgung bzw. der weiteren Induktionsspule der zweiten Energieversorgung angeordnet sein. Die Vorrichtung kann mehrere Magneten zur Erzeugung von magnetischen Inhomogenitäten innerhalb des Plasmaerzeugungsraumes umfassen. Hierdurch kann die induktive Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum energetisch begünstigt werden. Insbesondere kann das Zünden und/oder das Wiederzünden von Plasma energetisch begünstigt werden. Mit anderen Worten, die zum Zünden und/oder Wiederzünden des Plasmas benötigte Energie kann mittels der magnetischen Inhomogenitäten reduziert werden. Ebenso ist es denkbar, dass die zum Betrieb der Vorrichtung benötigte Energie bzw. Leistung aufgrund der magnetischen Inhomogenitäten reduziert werden kann.According to a further development, the device can comprise at least one magnet for generating magnetic inhomogeneities within the plasma generation space. The magnet can be arranged around the plasma generation space. The magnet can be arranged between the process gas supply and the induction coil of the first energy supply or the further induction coil of the second energy supply. The device can comprise several magnets for generating magnetic inhomogeneities within the plasma generation space. This can energetically promote the inductive feed of energy into the plasma generation space. In particular, the ignition and/or re-ignition of plasma can be energetically promoted. In other words, the energy required to ignite and/or re-ignite the plasma can be reduced by means of the magnetic inhomogeneities. It is also conceivable that the energy or power required to operate the device can be reduced due to the magnetic inhomogeneities.
Vorliegend ist mit einer magnetischen Inhomogenität eine Bündelung des magnetischen Feldes bzw. ein Erzeugen von lokalen Magnetfeldmaxima bzw. Magnetfeldminima (ungleichmäßiger Verlauf von Magnetfeldlinien) gemeint.In this case, magnetic inhomogeneity means a bundling of the magnetic field or a generation of local magnetic field maxima or minima (uneven course of magnetic field lines).
Vorliegend ist mit „Zünden“ das erstmalige Zünden eines „kalten Plasmas“ bzw. das erstmalige Ionisieren eines zu ionisierenden Gases gemeint. Entsprechend ist mit „Wiederzünden“ ein erneutes Zünden eines „vorgewärmten Plasmas“ gemeint. Mit anderen Worten, beim Wiederzünden wird ein bereits zuvor gezündetes Plasma erneut gezündet bzw. ein bereits zuvor ionisiertes Gas erneut ionisiert. Dabei ist die zum Wiederzünden benötigte Leistung geringer als die Leistung, die zum erstmaligen Zünden des Plasmas benötigt wird.In this case, “ignition” means the initial ignition of a “cold plasma” or the initial ionization of a gas to be ionized. Accordingly, "re-ignition" means the renewed ignition of a "preheated plasma". In other words, during re-ignition, a previously ignited plasma is re-ignited or a previously ionized gas is re-ionized. The power required for re-ignition is lower than the power required to ignite the plasma for the first time.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Vorrichtung mindestens eine Düse zum Ausleiten des Plasmas aus der Vorrichtung aufweisen. Die Düse kann zum Formen und Ausrichten der Plasmaflamme, die durch das aus der Vorrichtung ausgeleitete Plasma erzeugt wird, in eine Abstrahlrichtung eingerichtet sein. Die Düse kann derart eingerichtet sein, dass die Abstrahlrichtung, in die die Plasmaflamme ausgerichtet wird, mittels der Düse variiert bzw. eingestellt werden kann. Die Düse kann hierzu beweglich ausgebildet sein. Hierdurch können die Abstrahlrichtung der Plasmaflamme und damit die Richtung der abgegebenen Hitze durch die Plasmaflamme gezielt gesteuert werden.According to a further development, the device can have at least one nozzle for discharging the plasma from the device. The nozzle can be designed to shape and align the plasma flame, which is generated by the plasma discharged from the device, in a radiation direction. The nozzle can be designed in such a way that the radiation direction in which the plasma flame is directed can be varied or adjusted by means of the nozzle. The nozzle can be designed to be movable for this purpose. This allows the radiation direction of the plasma flame and thus the direction of the heat emitted by the plasma flame to be controlled in a targeted manner.
Die obige Aufgabe wird weiter durch eine Plasmaerzeugungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Die Plasmaerzeugungseinrichtung umfasst mehrere Vorrichtungen gemäß obigen Ausführungen. Die Plasmaerzeugungsräume der mehreren Vorrichtungen sind in einem Array angeordnet. Die Plasmaflammen der mehreren Vorrichtungen können eine gemeinsame Plasmaflamme erzeugen. Hierdurch kann die Wärmeentwicklung in den jeweiligen Plasmaerzeugungsräumen und/oder den jeweiligen Induktionsspulen untereinander auf mehrere aufgeteilt werden. Mit anderen Worten, die Wärmeentwicklung in den jeweiligen einzelnen Plasmaerzeugungsräumen und/oder den jeweiligen Induktionsspulen kann reduziert werden. Hinsichtlich der weiteren damit erzielbaren Vorteile wird auf die diesbezüglichen Ausführungen zur Vorrichtung verwiesen. Zur weiteren Ausgestaltung der Plasmaerzeugungseinrichtung können die im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebenen und/oder die nachfolgend noch erläuterten Maßnahmen dienen.The above object is further achieved by a plasma generation device with the features of claim 6. The plasma generation device comprises several devices according to the above statements. The plasma generation chambers of the several devices are arranged in an array. The plasma flames of the several devices can generate a common plasma flame. As a result, the heat development in the respective plasma generation chambers and/or the respective induction coils can be divided among several. In other words, the heat development in the respective individual plasma generation chambers and/or the respective induction coils can be reduced. With regard to the further advantages that can be achieved with this, reference is made to the relevant statements on the device. The measures described in connection with the device and/or those explained below can be used to further configure the plasma generation device.
Gemäß einer Weiterbildung können die Plasmaerzeugungsräume in einer Wabenstruktur angeordnet sein. So kann bspw. ein erster Plasmaerzeugungsraum mittig und sechs weitere Plasmaerzeugungsräume um den ersten Plasmaerzeugungsraum herum angeordnet sein (analog zu einer Bienenwabe). Hierdurch kann eine besonders stabile Struktur bzw. ein besonders stabiles Array von Plasmaerzeugungsräumen umgesetzt, sowie die einzelnen Plasmaflammen gezielt ausgerichtet werden.According to a further development, the plasma generation chambers can be arranged in a honeycomb structure. For example, a first plasma generation chamber can be arranged in the middle and six further plasma generation chambers can be arranged around the first plasma generation chamber (analogous to a honeycomb). This makes it possible to implement a particularly stable structure or a particularly stable array of plasma generation chambers and to align the individual plasma flames in a targeted manner.
Gemäß einer Weiterbildung können die Plasmaerzeugungsräume derart angeordnet sein, dass die Plasmaflammen einen Zyklon entstehen lassen. So können Partikel aufgrund der Zentrifugalkraft weg von den Plasmaflammen befördert werden. Zudem können die Plasmaflammen zielgerichtet ausgerichtet werden. Das kann durch die Anordnung der Plasmaerzeugungsräume erfolgen. Alternativ oder zusätzlich können auch zusätzliche elektrische und/oder magnetische Felder eingesetzt werden, um einen Zyklon aus den Plasmaflammen entstehen zu lassen und/oder die Plasmaflammen zielgerichtet auszurichten.According to a further development, the plasma generation chambers can be arranged in such a way that the plasma flames create a cyclone. In this way, particles can be transported away from the plasma flames due to centrifugal force. In addition, the plasma flames can be directed in a targeted manner. This can be achieved by arranging the plasma generation chambers. Alternatively or additionally, additional electrical and/or magnetic fields can be used to create a cyclone from the plasma flames and/or to direct the plasma flames in a targeted manner.
Gemäß einer Weiterbildung können die Induktionsspulen und/oder die weiteren Induktionsspulen von zumindest zwei, insbesondere allen, Vorrichtungen miteinander elektrisch und/oder magnetisch gekoppelt sein. Hierdurch kann ein besonders stabiles und flexibles Gesamtsystem bzw. eine besonders stabile und flexibel einsetzbare Plasmaerzeugungseinrichtung bereitgestellt werden.According to a further development, the induction coils and/or the further induction coils of at least two, in particular all, devices can be electrically and/or magnetically coupled to one another. This makes it possible to provide a particularly stable and flexible overall system or a particularly stable and flexibly usable plasma generation device.
Gemäß einer Weiterbildung können die Vorrichtungen derart miteinander gekoppelt sein, dass ein Leistungsverlust an einer Vorrichtung durch eine Leistungserhöhung an mindestens einer anderen Vorrichtung ausgeglichen werden kann. Hierdurch kann ein besonders stabiler Betrieb der Plasmaerzeugungseinrichtung gewährleistet werden.According to a further development, the devices can be coupled to one another in such a way that a loss of power in one device can be compensated by an increase in power in at least one other device. This can ensure particularly stable operation of the plasma generation device.
Die obige Aufgabe wird weiter durch eine Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage zum Schmelzen eines Materials mittels Schmelzwärme mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage kann zum Schmelzen von Glas, Halbleitermaterial oder eines Metalls, insbesondere zum Schmelzen von Aluminium, eingerichtet sein. Die Hochtemperaturprozessanlage kann auch zum Brennen von Zement verwendet werden. Die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, umfasst mindestens eine Vorrichtung gemäß obigen Ausführungen oder eine Plasmaerzeugungseinrichtung gemäß obigen Ausführungen. Die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, ist derart eingerichtet, dass die Hitze, insbesondere Schmelzwärme, zumindest teilweise insbesondere vollständig, mittels der Vorrichtung oder der Plasmaerzeugungseinrichtung erzeugt wird. Damit kann die Vorrichtung und/oder die Plasmaerzeugungseinrichtung als Heizquelle der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, eingesetzt werden und die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, effizient betrieben werden. Hinsichtlich der weiteren damit erzielbaren Vorteile wird auf die diesbezüglichen Ausführungen zur Vorrichtung bzw. zur Plasmaerzeugungseinrichtung verwiesen. Zur weiteren Ausgestaltung der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, können die im Zusammenhang mit der Vorrichtung bzw. mit der Plasmaerzeugungseinrichtung beschriebenen und/oder die nachfolgend noch erläuterten Maßnahmen dienen.The above object is further achieved by a high-temperature process plant, in particular a melting plant for melting a material by means of melting heat, with the features of
Gemäß einer Weiterbildung kann die Hochtemperaturprozessanlage einen Brennraum, insbesondere die Schmelzanlage einen Schmelzraum, umfassen. In dem Brennraum, insbesondere Schmelzraum kann das zu bearbeitende oder zu schmelzende Material angeordnet sein. Das zu schmelzende Material kann Glas, Metall, insbesondere Aluminium, sein. Das zu bearbeitende Material kann z.B. auch Zement sein. Die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, kann derart ausgebildet sein, dass die mittels der Vorrichtung oder mittels der Plasmaerzeugungseinrichtung erzeugte Plasmaflamme oder Plasmaflammen zumindest teilweise, insbesondere vollständig, in den Brennraum, insbesondere Schmelzraum, eingeleitet werden können. Hierdurch kann der Brennraum, insbesondere Schmelzraum der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, mittels der Vorrichtung bzw. mittelr des durch die Vorrichtung(en) erzeugten Plasmaflamme(n) effizient geheizt werden.According to a further development, the high-temperature process plant can comprise a combustion chamber, in particular the melting plant can comprise a melting chamber. The material to be processed or melted can be arranged in the combustion chamber, in particular the melting chamber. The material to be melted can be glass, metal, in particular aluminum. The material to be processed can also be cement, for example. The high-temperature process plant, in particular the melting plant, can be designed in such a way that the plasma flame or plasma flames generated by means of the device or by means of the plasma generation device can be introduced at least partially, in particular completely, into the combustion chamber, in particular the melting chamber. As a result, the combustion chamber, in particular the melting chamber of the high-temperature process plant, in particular the melting plant, can be efficiently heated by means of the device or by means of the plasma flame(s) generated by the device(s).
Die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, kann eine Gasabfuhr zum Abführen von Abgasen, insbesondere aus dem Brennraum, insbesondere Schmelzraum, umfassen. Damit können die während des Betriebs der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, entstehenden Abgase sicher abgeführt werden. Die Gasabfuhr kann eine Abzugshaube umfassen. Damit können die während des Betriebs der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, entstehenden Abgase effizient gesammelt, der Gasabfuhr zugeführt und aus der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, insbesondere aus dem Brennraum, oder Schmelzraum, abgeführt werden.The high-temperature process plant, in particular the melting plant, can comprise a gas discharge for discharging exhaust gases, in particular from the combustion chamber, in particular the melting chamber. This allows the exhaust gases generated during operation of the high-temperature process plant, in particular the melting plant, to be safely discharged. The gas discharge can comprise an exhaust hood. This allows the exhaust gases generated during operation of the high-temperature process plant, in particular the melting plant, to be efficiently collected, fed to the gas discharge and discharged from the high-temperature process plant, in particular the melting plant, in particular from the combustion chamber or melting chamber.
Die obige Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß obigen Ausführungen, eine Plasmaerzeugungseinrichtung gemäß obigen Ausführungen oder einer Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, gemäß obigen Ausführungen mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- Bereitstellen der Vorrichtung, der Plasmaerzeugungseinrichtung oder der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage.
- Providing the device, the plasma generation device or the high-temperature processing plant, in particular the melting plant.
Erzeugen der Plasmaflamme oder der Plasmaflammen mittels der Vorrichtung oder der Vorrichtungen.Generating the plasma flame or flames by means of the device or devices.
Zum Erzeugen der Plasmaflamme oder der Plasmaflammen versorgen die erste und die zweite Energieversorgung die jeweilige Vorrichtung mit Energie.To generate the plasma flame or flames, the first and second power supplies supply energy to the respective device.
Betreiben der Vorrichtung, der Plasmaerzeugungseinrichtung oder der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage.Operating the device, the plasma generation device or the high-temperature processing plant, in particular the melting plant.
Während des Betriebs der Vorrichtung, der Plasmaerzeugungseinrichtung oder der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage wird die jeweilige Vorrichtung
- i) mittels der ersten Energieversorgung oder
- ii) mittels der ersten und der zweiten Energieversorgung mit Energie versorgt.
- (i) by means of the first energy supply or
- ii) supplied with energy by means of the first and second energy supplies.
Hinsichtlich der damit erzielbaren Vorteile wird auf die diesbezüglichen Ausführungen zur Vorrichtung, zur Plasmaerzeugungseinrichtung oder zur Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, verwiesen. Zur weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können die im Zusammenhang mit der Vorrichtung, der Plasmaerzeugungseinrichtung oder der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, beschriebenen und/oder die nachfolgend noch erläuterten Maßnahmen dienen.With regard to the advantages that can be achieved, reference is made to the relevant statements on the device, the plasma generation device or the high-temperature process plant, in particular the melting plant. The measures described in connection with the device, the plasma generation device or the high-temperature process plant, in particular the melting plant, and/or those explained below can be used to further develop the method.
Gemäß einer Weiterbildung kann die jeweilige erste und/oder zweite Leistungsversorgungseinheit kontinuierlich betrieben werden. Mit anderen Worten, die jeweilige erste und/oder zweite Leistungsversorgungseinheit kann im cw-Betrieb (continuous-wave-Betrieb) betrieben werden. Hierdurch lässt sich ein besonders stabiler Betrieb, insbesondere der jeweiligen Leistungsversorgungseinheit, umsetzen.According to a further development, the respective first and/or second power supply unit can be operated continuously. In other words, the respective first and/or second power supply unit can be operated in cw operation (continuous wave operation). This enables particularly stable operation, in particular of the respective power supply unit, to be implemented.
Gemäß einer Weiterbildung kann die jeweilige erste und/oder zweite Leistungsversorgungseinheit gepulst betrieben werden. Hierdurch lässt sich ein besonders effizienter Betrieb, insbesondere der jeweiligen zweiten Leistungsversorgungseinheit, umsetzen.According to a further development, the respective first and/or second power supply unit can be operated in a pulsed manner. This enables particularly efficient operation, in particular of the respective second power supply unit, to be implemented.
Gemäß einer Weiterbildung können die mittels des gepulsten Betriebs der jeweiligen ersten und/oder zweiten Leistungsversorgungseinheit erzeugten Pulse oder Pulspakete mit Nulldurchgängen der alternierenden Stromstärke und/oder Spannung der jeweiligen anderen Leistungsversorgungseinheit korrespondieren. Hierdurch lässt sich der Betrieb der jeweiligen Vorrichtung besonders effizient gestalten.According to a further development, the pulses or pulse packets generated by means of the pulsed operation of the respective first and/or second power supply unit can correspond to zero crossings of the alternating current intensity and/or voltage of the respective other power supply unit. This allows the operation of the respective device to be designed to be particularly efficient.
Vorliegend ist mit einem Nulldurchgang der Zeitpunkt gemeint, in dem die alternierende Stromstärke und/oder Spannung der jeweiligen anderen Leistungsversorgungseinheit einen Amplitudenwert von nahe Null, insbesondere von Null, aufweist. Mit anderen Worten, bei einem Nulldurchgang weist die Stromstärke und/oder die Spannung der jeweiligen anderen Leistungsversorgungseinheit den Wert Null (bzw. einen Wert nahe Null) auf. Damit ist auch die im Nulldurchgang (bzw. zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs) eingespeiste Leistung minimal (bzw. kann ebenfalls Null betragen). Die gepulst eingespeiste Leistung der jeweiligen gepulsten ersten oder zweiten Leistungsversorgungseinheit kann den Leistungsabfall im Nulldurchgang der jeweiligen anderen Leistungsversorgungseinheit ausgleichen. Hierdurch kann verhindert werden, dass das Plasma im Nulldurchgang der jeweiligen anderen Leistungsversorgungseinheit ausgeht. Mit anderen Worten, hierdurch kann das Plasma, auch im Nulldurchgang (zum Zeitpunkt des Nulldurchgangs) der jeweiligen ersten oder zweiten Leistungsversorgungseinheit, aufrechterhalten werden.In the present case, a zero crossing is the point in time at which the alternating current and/or voltage of the respective other power supply unit has an amplitude value close to zero, in particular zero. In other words, at a zero crossing, the current and/or the voltage of the respective other power supply unit has the value zero (or a value close to zero). This means that the power fed in at the zero crossing (or at the time of the zero crossing) is also minimal (or can also be zero). The pulsed power fed in by the respective pulsed first or second power supply unit can compensate for the power drop at the zero crossing of the respective other power supply unit. This can prevent the plasma from going out at the zero crossing of the respective other power supply unit. In other words, this can maintain the plasma even at the zero crossing (at the time of the zero crossing) of the respective first or second power supply unit.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt umfassen:
- Variieren der mittels der jeweiligen ersten und der zweiten Energieversorgung eingespeisten Leistung durch ein Einstellen der mittels der jeweiligen zweiten Leistungsversorgungseinheit erzeugten Stromstärke und/oder Spannung. Hierdurch kann die eingespeiste (Gesamt-)Leistung mittels der jeweiligen zweiten Leistungsversorgungseinheit gesteuert und eingestellt werden. Auf ein separates Einstellen der eingespeisten Leistung der ersten Energieversorgung und den damit zusammenhängenden Bauteilen kann verzichtet werden. Hierdurch kann die Komplexität der jeweiligen Vorrichtung reduziert werden.
- Varying the power fed in by means of the respective first and second energy supplies by adjusting the current and/or voltage generated by the respective second power supply unit. This allows the (total) power fed in to be controlled and adjusted by means of the respective second power supply unit. There is no need to separately adjust the power fed in by the first energy supply and the associated components. This allows the complexity of the respective device to be reduced.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt umfassen:
- Variieren der mittels der jeweiligen ersten Energieversorgung eingespeisten Leistung durch ein Einstellen der mittels der jeweiligen zweiten Leistungsversorgungseinheit erzeugten Stromstärke und/oder Spannung. Durch ein Einstellen der mittels der jeweiligen zweiten Leistungsversorgungseinheit erzeugten Stromstärke und/oder Spannung kann eine Einkoppelimpendanz der jeweiligen ersten Energieversorgung variiert werden. Hierdurch kann das Einspeisen der Leistung mittels der ersten Energieversorgung gesteuert und gezielt eingestellt werden.
- Varying the power fed in by means of the respective first energy supply by adjusting the current and/or voltage generated by means of the respective second power supply unit. By adjusting the current and/or voltage generated by means of the respective second power supply unit, a coupling impedance of the respective first energy supply can be varied. In this way, the feeding in of the power by means of the first energy supply can be controlled and specifically adjusted.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren die Schritte umfassen:
- Betreiben mehrerer Vorrichtungen.
- Operating multiple devices.
Einstellen der jeweils in die jeweilige Vorrichtung eingespeisten Leistung durch ein Variieren einer Frequenz, einer Frequenzamplitude und/oder einer Frequenzphase der von der ersten und/oder der zweiten Leistungsversorgungseinheit erzeugten Stromstärke und/oder Spannung einer Vorrichtung gegenüber einer Frequenz, einer Frequenzamplitude und/oder einer Frequenzphase der von der ersten und/oder von der zweiten Leistungsversorgungseinheit erzeugten Stromstärke und/oder Spannung mindestens einer anderen Vorrichtung. Mit anderen Worten, die Differenz zwischen der Frequenz, der Frequenzamplitude und/oder der Frequenzphase der ersten und/oder der zweiten Leistungsversorgungseinheit mindestens zweier Vorrichtungen kann eingestellt bzw. variiert werden.Adjusting the power fed into the respective device by varying a frequency, a frequency amplitude and/or a frequency phase of the current and/or voltage of a device generated by the first and/or the second power supply unit compared to a frequency, a frequency amplitude and/or a frequency phase of the current and/or voltage generated by the first and/or the second power supply unit of at least one other device. In other words, the difference between the frequency, the frequency amplitude and/or the frequency phase of the first and/or the second power supply unit of at least two devices can be adjusted or varied.
Hierdurch lässt sich die eingespeiste Leistung mehrerer Vorrichtungen flexibel und zielgerichtet anpassen.This allows the power fed into several devices to be adjusted flexibly and in a targeted manner.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren die Schritte umfassen:
- Betreiben mehrerer Vorrichtungen.
- Operating multiple devices.
Ausgleichen eines Leistungsverlustes bei einer Vorrichtung durch eine Leistungserhöhung bei mindestens einer anderen Vorrichtung.Compensating for a loss in performance of one device by increasing the performance of at least one other device.
Hierdurch kann ein besonders stabiler Betrieb der mehreren Vorrichtungen umgesetzt werden.This enables particularly stable operation of the multiple devices to be achieved.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren die Schritte umfassen:
- Betreiben mehrerer Vorrichtungen.
- Operating multiple devices.
Einspeisen einer jeweils gleichen Leistung in die jeweiligen Vorrichtungen.Feeding the same power into each device.
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln ein möglichst stabiler Betrieb der mehreren Vorrichtungen umgesetzt werden.This makes it possible to achieve the most stable operation possible for several devices using simple means.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren die Schritte umfassen:
- Betreiben mehrerer Vorrichtungen.
- Operating multiple devices.
Einspeisen einer jeweils unterschiedlichen Leistung in mindestens zwei, insbesondere in alle, Vorrichtungen, um eine Leistungsdifferenz zwischen den jeweiligen Vorrichtungen und so ein, insbesondere asymmetrisches, Leistungsprofil zu erzeugen. Durch ein gezieltes Verstimmen der eingespeisten Leistungen in den jeweiligen Vorrichtungen kann bspw. ein gezieltes, ungleich verteiltes Leistungsprofil über die Vorrichtungen hinweg erzeugt werden. Das kann nützlich sein, um bspw. die Plasmaflamme(n) innen (im Kern der Plasmaflamme(n)) mit mehr oder weniger Leistung zu versorgen, als im äußeren Bereich (Außenradius) der Plasmaflamme(n). Ebenso ist auch eine beliebig andere gezielte Asymmetrie des Leistungsprofils denkbar.Feeding a different power into at least two, in particular into all, devices in order to create a power difference between the respective devices and thus a power profile, in particular an asymmetrical one. By deliberately detuning the power fed into the respective devices, for example, a targeted, unevenly distributed power profile can be generated across the devices. This can be useful, for example, to supply the plasma flame(s) inside (in the core of the plasma flame(s)) with more or less power than in the outer area (outer radius) of the plasma flame(s). Any other targeted asymmetry of the power profile is also conceivable.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren den Schritt umfassen:
- Zeitliches Variieren des Leistungsprofils.
- Varying the performance profile over time.
Hierdurch kann das Leistungsprofil bzw. die Asymmetrie des Leistungsprofils zeitabhängig an die Gegebenheiten angepasst werden. Damit kann das Verfahren flexibler eingesetzt werden.This allows the performance profile or the asymmetry of the performance profile to be adapted to the circumstances over time. This allows the process to be used more flexibly.
Gemäß einer Weiterbildung kann das Verfahren die Schritte umfassen:
- Betreiben der Vorrichtung, der Plasmaerzeugungseinrichtung oder der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage.
- Operating the device, the plasma generation device or the high-temperature processing plant, in particular the melting plant.
Ausrichten der jeweiligen Plasmaflamme in die Abstrahlrichtung.Aligning the respective plasma flame in the radiation direction.
Variieren der Abstrahlrichtung, in die die jeweilige Plasmaflamme ausgerichtet ist, während des Betriebs der Vorrichtung, der Plasmaerzeugungseinrichtung oder der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage. Hierdurch kann ein (permanenter) Richtungs-sweep der Plasmaflame(n) umgesetzt werden. Damit kann die Plasmaflamme (bzw. die Plasmaflammen) gezielt gleichmäßig über eine Oberfläche des zu schmelzenden Materials (bzw. der Schmelze) „pinseln“, um bspw. lokale Hotspots zu vermeiden und das zu schmelzende Material gleichmäßig(er) zu erwärmen.Varying the direction of radiation in which the respective plasma flame is directed during operation of the device, the plasma generation device or the high-temperature process plant, in particular the melting plant. This enables a (permanent) directional sweep of the plasma flame(s) to be implemented. This allows the plasma flame(s) to "brush" evenly over a surface of the material to be melted (or the melt) in a targeted manner, for example to avoid local hotspots and to heat the material to be melted more evenly.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Plasmaflamme gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; -
2 eine schematische Darstellung der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, mit der Vorrichtung zur Erzeugung der Plasmaflamme gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; -
3 eine schematische Darstellung der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage, mit einer Plasmaerzeugungseinrichtung und -
4 verschiedene Beispiele von alternierender Spannungsstärke einer ersten bzw. zweiten Leistungsversorgungseinheit.
-
1 a schematic representation of a high-temperature process plant, in particular a melting plant, with a device for generating a plasma flame according to a first embodiment; -
2 a schematic representation of the high-temperature process plant, in particular melting plant, with the device for generating the plasma flame according to a second embodiment; -
3 a schematic representation of the high-temperature process plant, in particular melting plant, with a plasma generation device and -
4 various examples of alternating voltage levels of a first and second power supply unit.
In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren tragen sich entsprechende Bauteile und Elemente gleiche Bezugszeichen.In the following description and in the figures, corresponding components and elements have the same reference symbols.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Prozessgaszufuhr 14 zur Zuführung eines Prozessgases in die Vorrichtung 10 und einen Plasmaerzeugungsraum 16 zur Erzeugung eines Plasmas 11 durch ein Ionisieren des Prozessgases. Der Plasmaerzeugungsraum 16 ist vorliegend in Form einer Plasmaerzeugungskammer ausgebildet. Die Vorrichtung 10 ist vorliegend derart eingerichtet, dass das Plasma 11 beim Verlassen der Vorrichtung 10 die Plasmaflamme 12 erzeugt.The
Die Vorrichtung 10 umfasst weiter eine erste Energieversorgung 18 zur Versorgung der Vorrichtung 10 mit Energie. Die erste Energieversorgung 18 ist zur induktiven Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum 16 ausgebildet. Die erste Energieversorgung 18 umfasst eine erste Leistungsversorgungseinheit 20. Die erste Leistungsversorgungseinheit 20 ist vorliegend als eine Strom- und/oder Spannungsquelle ausgebildet. Die erste Leistungsversorgungseinheit 20 ist zur Erzeugung einer alternierenden Stromstärke und/oder Spannung innerhalb eines ersten Frequenzbereichs eingerichtet. Der erste Frequenzbereich liegt vorliegend in einem Bereich von 1 kHz bis 10 MHz. Der erste Frequenzbereich kann bevorzugt in einem Bereich von 10 kHz bis 1 MHz, besonders bevorzugt in einem Bereich von 10 kHz bis 600 kHz, liegen.The
Die Vorrichtung 10 umfasst weiter eine zweite Energieversorgung 22 zur Versorgung der Vorrichtung 10 mit Energie. Die zweite Energieversorgung 22 ist zur induktiven Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum 16 ausgebildet. Die zweite Energieversorgung 22 umfasst eine zweite Leistungsversorgungseinheit 24. Die zweite Leistungsversorgungseinheit 24 ist vorliegend als eine Strom- und/oder Spannungsquelle ausgebildet. Die zweite Leistungsversorgungseinheit 24 ist zur Erzeugung einer alternierenden Stromstärke und/oder Spannung innerhalb eines zweiten Frequenzbereichs eingerichtet. Der zweite Frequenzbereich liegt in einem Bereich von 1 MHz bis 500 GHz. Der zweite Frequenzbereich kann in einem Bereich von 1 MHz bis 10 GHz liegen.The
Die mittels der ersten und der zweiten Energieversorgung 18, 22 in den Plasmaerzeugungsraum 16 induktiv eingespeiste Leistung liegt in einem Bereich von 100 Kilowatt bis 100 Megawatt. Die eingespeiste Leistung kann in einem Bereich von 100 Kilowatt bis 10 Megawatt liegen. Ebenso denkbar ist es, dass die eingespeiste Leistung in einem Bereich von 100 Kilowatt bis 1 Megawatt liegen kann.The power fed inductively into the
Die erste Energieversorgung 18 weist eine Induktionsspule 23 zur induktiven Einspeisung von Energie in den Plasmaerzeugungsraum 16 auf. Die zweite Energieversorgung 22 ist vorliegend derart eingerichtet, dass die mittels der zweiten Energieversorgung 22 erzeugte Energie vollständig mittels der Induktionsspule 23 der ersten Energieversorgung 18 in den Plasmaerzeugungsraum 16 eingespeist werden kann.The
Die Vorrichtung 10 umfasst vorliegend einen Magneten 27 zur Erzeugung von magnetischen Inhomogenitäten innerhalb des Plasmaerzeugungsraumes 16. Der Magnet 27 ist um den Plasmaerzeugungsraum 16 angeordnet. Mittels der erzeugten magnetischen Inhomogenitäten kann insbesondere die zum Zünden und/oder Wiederzünden benötigte Energie bzw. Leistung reduziert werden. Ebenso ist es denkbar, dass die zum Betrieb der Vorrichtung 10 benötigte Energie bzw. Leistung aufgrund der mittels des Magneten 27 erzeugten magnetischen Inhomogenitäten reduziert werden kann.In the present case, the
Die Vorrichtung 10 umfasst vorliegend eine Düse 31 zum Ausleiten des Plasmas 11 aus der Vorrichtung 10. Mittels der Düse 31 kann die Plasmaflamme 12 geformt und ausgerichtet werden. Die Plasmaflamme 12 kann mittels der Düse 31 in eine Abstrahlrichtung 36 ausgerichtet werden. Die Düse 31 kann derart eingerichtet sein, dass die Abstrahlrichtung 36 der Plasmaflamme 12 mittels der Düse 31 variiert bzw. eingestellt werden kann. Hierzu kann die Düse 31 beweglich ausgebildet sein.The
Die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26, ist zum Bearbeiten, insbesondere Brennen oder Schmelzen eines Materials 28 mittels Hitze oder Schmelzwärme eingerichtet. Die Hitze oder Schmelzwärme wird vorliegend mittels der Vorrichtung 10 erzeugt. Die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26 weist einen Brennraum, insbesondere Schmelzraum 30 auf, in welchem das zu brennende bzw. schmelzende Material 28 angeordnet ist. Die mittels der Vorrichtung 10 erzeugte Plasmaflamme 12 wird vorliegend in den Brennraum, insbesondere Schmelzraum 30, eingeleitet. So kann der Brennraum, insbesondere Schmelzraum 30, mittels der von der Vorrichtung 10 erzeugten Plasmaflamme 12 aufgeheizt werden. Mit anderen Worten, die Plasmaflamme 12 dient als Heizquelle für den Brennraum, insbesondere Schmelzraum 30 der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26.The high-temperature process plant, in
Die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26 umfasst vorliegend eine Gasabfuhr 35 zum Abführen von Abgasen aus dem Brennraum, insbesondere Schmelzraum 30. Die Gasabfuhr 35 umfasst eine Abzugshaube 37. So können die während des Betriebs der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26, entstehenden Abgase mittels der Abzugshaube 37 gesammelt, der Gasabfuhr 35 zugeführt und mittels der Gasabfuhr 35 aus dem Brennraum, insbesondere Schmelzraum 30 abgeleitet werden.The high-temperature process plant, in
Die erste Energieversorgung 18 umfasst vorliegend eine Induktionsspule 23 zur induktiven Einspeisung von Energie inden Plasmaerzeugungsraum 16.Die zweite Energieversorgung 22 umfasst eine weitere Induktionsspule 25 zur induktiven Einspeisung von Energie inden Plasmaerzeugungsraum 16. Mit anderen Worten, die jeweils mittels der ersten und der zweiten Energieversorgung 18, 22 erzeugte Energie wird jeweils über dieInduktionsspule 23 und die weitere Induktionsspule 25 inden Plasmaerzeugungsraum 16 eingespeist.Die Induktionsspule 23 und dieweitere Induktionsspule 25 sind vorliegend separat ausgebildet und insbesondere beabstandet zueinander angeordnet.
- The
first energy supply 18 comprises aninduction coil 23 for inductively feeding energy into theplasma generation chamber 16. Thesecond energy supply 22 comprises afurther induction coil 25 for inductively feeding energy into theplasma generation chamber 16. In other words, the energy generated by the first and second energy supplies 18, 22 is fed into theplasma generation chamber 16 via theinduction coil 23 and thefurther induction coil 25. Theinduction coil 23 and thefurther induction coil 25 are designed separately and are arranged at a distance from one another.
Die beiden Vorrichtungen 10a, 10b sind vorliegend derart angeordnet, dass deren Plasmaerzeugungsräume 16 in einem Array angeordnet sind. Aufgrund der Anordnung der beiden Vorrichtungen 10a, 10b bzw. deren Plasmaerzeugungsräumen 16 erzeugen die Plasmaflammen 12 der beiden Vorrichtungen 10a, 10b vorliegend eine gemeinsame Plasmaflamme 29.The two
Die beiden Vorrichtungen 10a, 10b bzw. deren Plasmaerzeugungsräume 16 sind vorliegend derart angeordnet, dass die Plasmaflammen 12 (bzw. die gemeinsame Plasmaflamme 29) einen Zyklon entstehen lassen.The two
Die beiden Vorrichtungen 10a, 10b der Plasmaerzeugungseinrichtung 100 sind vorliegend derart miteinander gekoppelt, dass ein Leistungsverlust an der ersten Vorrichtung 10a durch eine Leistungserhöhung an der zweiten Vorrichtung 10b, und umgekehrt, ausgeglichen werden kann.The two
Hierfür sind vorliegend die Induktionsspulen 23 der beiden Vorrichtungen 10a, 10b miteinander elektrisch und magnetisch gekoppelt.For this purpose, the induction coils 23 of the two
Die Schmelzwärme der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26, wird vorliegend mittels der Plasmaerzeugungseinrichtung 100 erzeugt. Die mittels der Plasmaerzeugungseinrichtung 100 bzw. den beiden Vorrichtungen 10a, 10b erzeugten Plasmaflammen 12 (bzw. die gemeinsame Plasmaflamme 29) werden vorliegend in den Brennraum, insbesondere Schmelzraum 30, der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26, eingeleitet. So kann der Brennraum, insbesondere Schmelzraum 30 mittels der von der Plasmaerzeugungseinrichtung 100 bzw. den beiden Vorrichtungen 10a, 10b erzeugten Plasmaflammen 12 (bzw. mittels der gemeinsamen Plasmaflamme 29) aufgeheizt werden. Mit anderen Worten, die Plasmaflammen 12 (bzw. die gemeinsame Plasmaflamme 29) dienen als Heizquelle für den Brennraum, insbesondere Schmelzraum 30, der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26.The melting heat of the high-temperature process plant, in
Es ist denkbar, dass die Plasmaerzeugungseinrichtung 100 eine Vielzahl von Vorrichtungen 10, 10a, 10b aufweist, deren Plasmaerzeugungsräume 16 in einer Wabenstruktur angeordnet sein können.It is conceivable that the
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung 10, 10a, 10b, der Plasmaerzeugungseinrichtung 100 bzw. der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26 beschrieben:
- Zunächst wird die
10, 10a, 10b, dieVorrichtung Plasmaerzeugungseinrichtung 100 bzw. die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26, bereitgestellt. Mittels der Vorrichtung(en) 10, 10a, 10b wird 12, 29 erzeugt.eine Plasmaflamme
- First, the
10, 10a, 10b, thedevice plasma generation device 100 or the high-temperature process plant, inparticular melting plant 26, is provided. A 12, 29 is generated by means of the device(s) 10, 10a, 10b.plasma flame
Zum Erzeugen der Plasmaflamme(n) 12, 29 versorgt die erste und die zweite Energieversorgung 18, 22 die jeweilige Vorrichtung 10, 10a, 10b mit Energie.To generate the plasma flame(s) 12, 29, the first and second energy supplies 18, 22 supply the
Als nächstes werden die Vorrichtung 10, 10a, 10b, die Plasmaerzeugungseinrichtung 100 bzw. die Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26, betrieben. Während des Betriebs der Vorrichtung 10, 10a, 10b, der Plasmaerzeugungseinrichtung 100 bzw. der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26 wird die jeweilige Vorrichtung 10, 10a, 10b mittels der ersten Energieversorgung 18 mit Energie versorgt. Alternativ kann während des Betriebs der Vorrichtung 10, 10a, 10b, der Plasmaerzeugungseinrichtung 100 bzw. der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26 die jeweilige Vorrichtung 10, 10a, 10b mittels der ersten und der zweiten Energieversorgung 18, 22 mit Energie versorgt werden.Next, the
Die jeweilige mittels der ersten und der zweiten Energieversorgung 18, 22 eingespeiste Leistung kann vorliegend durch ein Einstellen der mittels der jeweiligen zweiten Leistungsversorgungseinheit 24 erzeugten Stromstärke und/oder Spannung variiert werden.The respective power fed in by means of the first and second energy supplies 18, 22 can be varied in the present case by adjusting the current intensity and/or voltage generated by means of the respective second
Zudem kann vorliegend die mittels der jeweiligen ersten Energieversorgung 18 eingespeiste Leistung durch ein Einstellen der mittels der jeweiligen zweiten Leistungsversorgungseinheit 24 erzeugten Stromstärke und/oder Spannung variiert werden. Dabei kann durch ein Einstellen der mittels der jeweiligen zweiten Leistungsversorgungseinheit 24 erzeugten Stromstärke und/oder Spannung eine Einkoppelimpendanz der jeweiligen ersten Energieversorgung 18 variiert werden.In addition, the power fed in by means of the respective
Beim Verfahren können mehrere Vorrichtungen 10, 10a, 10b betrieben werden. Die jeweils in die jeweilige Vorrichtung 10, 10a, 10b eingespeiste Leistung kann durch ein Variieren einer Frequenz, einer Frequenzamplitude und/oder einer Frequenzphase der von der ersten und/oder von der zweiten Leistungsversorgungseinheit 20, 24 erzeugten Stromstärke und/oder Spannung einer Vorrichtung 10, 10a, 10b gegenüber einer Frequenz, einer Frequenzamplitude und/oder einer Frequenzphase der von der ersten und/oder von der zweiten Leistungsversorgungseinheit 20, 24 erzeugten Stromstärke und/oder Spannung mindestens einer anderen Vorrichtung 10, 10a, 10b eingestellt werden. Mit anderen Worten, die Differenz zwischen der Frequenz, der Frequenzamplitude und/oder der Frequenzphase der ersten und/oder der zweiten Leistungsversorgungseinheit 20, 24 mindestens zweier Vorrichtungen 10, 10a, 10b kann eingestellt bzw. variiert werden.In the method,
Beim Betrieb mehrerer Vorrichtungen 10, 10a, 10b kann ein Leistungsverlust bei einer Vorrichtung 10, 10a, 10b durch eine Leistungserhöhung bei mindestens einer anderen Vorrichtung 10, 10a, 10b ausgeglichen werden.When operating
Beim Betrieb mehrerer Vorrichtungen 10, 10a, 10b können jeweils gleiche Leistungen in mindestens zwei, insbesondere in alle, Vorrichtungen 10, 10a, 10b eingespeist werden. Ebenso ist es denkbar, dass unterschiedliche Leistungen in mindestens zwei, insbesondere in alle, Vorrichtungen 10, 10a, 10b eingespeist werden können. Damit kann ein gewünschtes Leistungsprofil über die Vorrichtungen 10, 10a, 10b hinweg erzeugt werden. Das Leistungsprofil kann dabei zeitlich variiert werden.When operating
Beim Betrieb der Vorrichtung 10, 10a, 10b, der Plasmaerzeugungseinrichtung 100 oder der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26 kann die jeweilige Plasmaflamme 12, 29 in die Abstrahlrichtung 36 ausgerichtet werden. Die Abstrahlrichtung 36 kann zudem während des Betriebs der Vorrichtung 10, 10a, 10b, der Plasmaerzeugungseinrichtung 100 oder der Hochtemperaturprozessanlage, insbesondere Schmelzanlage 26 (über die Zeit hinweg) variiert werden.During operation of the
Die jeweilige zweite Leistungsversorgungseinheit 24 kann kontinuierlich betrieben werden. Ebenso ist es denkbar, dass die jeweilige zweite Leistungsversorgungseinheit 24 gepulst betrieben werden kann.The respective second
Die mittels des gepulsten Betriebs der jeweiligen zweiten Leistungsversorgungseinheit 24 erzeugten Pulse 32 oder Pulspakete 34 können mit Nulldurchgängen 38 der alternierenden Stromstärke und/oder Spannung der jeweiligen ersten Leistungsversorgungseinheit 20 korrespondieren.
In
In
Bei den Pulsen 32 kann es sich um Rechteckpulse, wie in
Ein Pulspaket 34 kann mehrere einzelne Pulse 32 umfassen (siehe
Die Darstellung der Pulse für die jeweiligen Leistungsversorgungseinheiten 20, 24 ist beispielhaft gewählt. Es können auch die jeweilige andere oder beide Leistungsversorgungseinheiten 20, 24 gepulst betrieben werden, mit jeweils unterschiedlichen synchronisierten oder asynchronen Pulszeiten oder Pulspaketzeiten.The representation of the pulses for the respective
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