DE1264640B

DE1264640B - Vorrichtung zur Erzeugung von gasfoermigem Plasma

Info

Publication number: DE1264640B
Application number: DEB87341A
Authority: DE
Inventors: William Stanley Watson
Original assignee: British Titan Ltd
Current assignee: British Titan Ltd
Priority date: 1965-06-02
Filing date: 1966-05-27
Publication date: 1968-03-28
Also published as: US3415968A; GB1091498A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4WSWL· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

H05h

Deutsche Kl.: 21g-61/00

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

B 87341 VIIIc/21j

27. Mai 1966

28. März 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von gasförmigem Plasma durch Induktionserhitzung. Die Erfindung geht aus von einer zu diesem Zweck bekannten Vorrichtung, bestehend aus einem einseitig offenen Gasbegrenzungsrohr, das an der verschlossenen Stirnseite mit Gaseinlaßöffnungen versehen ist und durch das das Gas auf schraubenförmigen Bahnen strömt, und einer um das Rohr gewickelten Spule, deren Enden an einen Wechselspannungsgenerator angeschlossen sind.

Das Problem der Stabilisierung des Plasmas in dem Gasbegrenzungsrohr ist in der Literatur bereits angesprochen und behandelt worden, jedoch bis heute nicht endgültig gelöst. Die Erfindung stellt einen weiteren Beitrag zur Lösung des Stabilisierungsproblems dar und schlägt zu diesem Zweck vor, daß zwischen den Gaseinlaßöffnungen und dem von der Spule umgebenen Ionisierungsvolumen eine Prallplatte quer zur Rohrachse angeordnet werden soll, deren Randzone mit Öffnungen und Leitflächen versehen ist, die dem Gasstrom eine rotatorische Bewegungskomponente um die Rohrachse aufzwingen. Es hat sich gezeigt, daß mit Hilfe der erfindungsgemäß gestalteten Prallplatte eine ausgeprägte Schraubenbewegung des Gasstroms und eine bessere Stabilisierung möglich ist als mit bekannten Vorrichtungen.

Das Gasbegrenzungsrohr besteht gewöhnlich aus feuerfestem und praktisch elektrisch nicht leitendem Material, zumindest was den Teil, der das Plasma einschließt, betrifft. Es ist jedoch auch möglich, das Rohr aus einem anderen Material herzustellen, beispielsweise einem elektrisch leitfähigen Material, wie einem Metall.

Bei einem metallischen Rohr sind mehrere Isoliermaterialstreifen längs in die Rohrwand eingesetzt. Im allgemeinen wird zwischen dem Äußeren des Rohres und der Spule ein Zwischenraum gelassen. Jede Windung der Spule weist von den benachbarten Windungen einen Abstand auf.

Die Zahl der Windungen in der Spule kann je nach Wunsch geändert werden, beträgt vorzugsweise jedoch mindestens 3 und insbesondere mindestens 5. Falls gewünscht, kann die obere und/oder untere Windung der Spule (in Richtung der Gasströmung) so geformt sein, daß der Strom in umgekehrter Richtung zur benachbarten Windung geleitet wird, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, welches dazu beiträgt, das Plasma auf den Raum innerhalb der Spule zu begrenzen.

Während des Betriebs der Vorrichtung kann ein fließfähiges Kühlmittel, beispielsweise Wasser, im Vorrichtung zur Erzeugung
von gasförmigem Plasma

Anmelder:

British Titan Products Company Limited,

Billingham, Durham (Großbritannien)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

8000 München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

William Stanley Watson,

Norton, Stockton-on-Tees, Durham

(Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 2. Juni 1965 (23 449)

Wärmeaustausch mit der Spule geführt werden, um deren Überhitzung zu verhüten. Die Enden der Spule sind zur Verbindung mit einer geeigneten Quelle für den oszillierenden Strom eingerichtet. Eine Stromquelle, die mindestens 3 kW und vorzugsweise mindestens 8 kW bei einer Frequenz von etwa 10 kHz bis etwa 25 MHz und insbesondere Frequenzen im Bereich von 25 kHz bis 10 MHz liefert, erwies sich als sehr geeignet.

Die Prallplatte im oberen Teil des Gasbegrenzungsrohres (in Richtung der Gasströmung durch das Rohr) stellt vorzugsweise eine praktisch kreisförmige Platte quer zum Rohr dar (d. h., ihr Durchmesser steht rechtwinklig zur Längsachse des Rohres) und weist im allgemeinen einen geringfügig kleineren Durchmesser auf als der Innendurchmesser des Rohres, in dem sie sich befindet.

Vorzugsweise wird die Prallplatte aus einem Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften, beispielsweise Kupfer, hergestellt, damit die vom Plasma ausgestrahlte Hitze verteilt werden kann.

Der äußere Rand der Prallplatte weist eine Anzahl von Öffnungen auf, die vorzugsweise gleiche Abstände voneinander aufweisen. Die Zahl dieser Öffnungen hängt vom Umfang der Prallplatte ab, da sie vorzugsweise Zwischenräume von etwa 1,26 cm aufweisen und im allgemeinen mindestens vier und

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vorzugsweise mindestens acht derartige Öffnungen in den Fließgeschwindigkeiten und/oder in der Gasvorhanden sind. Die Öffnungen sind so geformt, daß zusammensetzung toleriert, werden können, ohne daß sie einen Gasstrom, der über die Prallplatte (und über das Plasma erlischt. In der Zeichnung stellt ihre Kanten) fließt, in Ströme aufteilen, die im Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer wesentlichen einen schraubenförmigen Weg durch 5 Vorrichtung zum Erzeugen von gasförmigem Plasma das Gasbegrenzungsrohr beschreiben. Eine Möglich- und

keit, dies zu bewirken, besteht darin, den Öffnungen Fig. 2 eine Draufsicht der Prallplatte dar. die Form von Schlitzen zu geben und die einander Bezugnehmend auf Fig. 1 wird das zu erhitzende entsprechenden Schmalseiten an jedem der .Schlitze Gas in das Gasbegrenzungsrohr 1 durch die Einin einem Winkel zur Ebene der Prallplatte abzu- io lasse 2 und 3 eingeführt. Der obere Teil des Gaskanten. Wenn dieses Verfahren angewendet wird, begrenzungsrohres ist durch einen Kupferdeckel 4 können die Kanten im allgemeinen nach unten (d. h. verschlossen, dessen unteres Ende 5 ein Innengewinde in Richtung der Gasströmung) in einem Winkel aufweist, welches mit dem ein Außengewinde zwischen etwa 30 und 60°, insbesondere zwischen tragenden Mittelteil 6 des Messingdeckels 7 ver-40 und 50°, zur Ebene des Prallbleches gebogen sein. 15 schraubt ist. Zwischen diesen verschraubten Teilen Eine derartige Prallplatte wird beispielsweise in der des Kupferdeckels und des Messingdeckels sind eine Zeichnung beschrieben. Messingeinlage 8 und ein Rundgummiring 9 ange-

Es kann auch wünschenswert sein, außer den bracht, die einen gas- und flüssigkeitsdichten VerÖffnungen am äußeren Umfang der Prallplatte eine Schluß mit dem Gasbegrenzungsrohr bilden. Öffnung im Mittelpunkt der Prallplatte anzuordnen, 20 Der äußere Rand des Messingdeckels weist ein durch die fließfähige und/oder feinteilige feste Gewinde auf, welches sich mit dem Innengewinde Stoffe gegebenenfalls in das Plasma eingeführt am oberen Ende eines Kunststoffzylinders 10 im werden können. Eingriff befindet. Der Messingdeckel ist mit einem

Eine bequeme Methode zur Aufhängung der Prall- Auslaß 11 für das Kühlmittel versehen, und in der platte im Gasbegrenzungsrohr besteht in ihrer 25 Wand des Kunststoffzylinders befindet sich ein

Befestigung an einem Stab oder einem Rohr, welches Kühlmitteleinlaß 12.

wiederum auf einem Deckel oder einem ähnlichen Um das Gasbegrenzungsrohr ist außen ein Kupfer-Bauteil am oberen Ende des Gasbegrenzungsrohres rohr 13 gewickelt, welches mit Polyvinylchlorid befestigt ist. Falls die Prallplatte von einem Rohr überzogen ist. Die Enden des Kupferrohres laufen getragen wird (als Gegensatz zu einem Stab), kann 30 durch die Wände des Zylinders und sind mit Mitteln dieses durch die Prallplatte hindurchlaufen, und sein versehen, um

oberes Ende kann durch die Abdeckung des Gas- _} ^ _{Verbind mit einer Quelle für einen}

begrenzungsrohres fuhren, so daß^ane Leitung zum oszillierenden Strom geeigneter Frequenz her-

Emfuhren von fließfähigen und/oder femteihgen t 11 nd festen Stoffen in das Plasma geschaffen wird. 35 _{b) ein fließfähiges} Kühlmittel, wie Wasser, durch

Beider praktischen Durchfuhrung wurde gefunden, das Rohr zu führen daß durch die Ausdehnung des Gases, welches bei

Berührung mit dem Plasma rasch erhitzt wird, ein - Das' untere Ende* des Zylinders ist in ähnlichef

Rückdruck auf die Prallplatte ausgeübt wird. Dessen Weise mit einem Messingdeckel 14 versehen, durch

Wirkung kann, falls erforderlich, verringert werden, 40 den das Gasbegrenzungsrohr herausreicht. Eine gas-

indem man eine oder mehrere zusätzliche öffnungen und flüssigkeitsdichte Abdichtung befindet sich

in der Prallplatte vorsieht, die beispielsweise aus zwischen dem Messingdeckel und dem unteren Ende

Löchern bestehen, welche zwischen dem Mittelpunkt des Gasbegrenzungsrohres.

und der Peripherie in die Prallplatte gebohrt sind. Im oberen Ende des Gasbegrenzungsrohres ist das

Diese Löcher werden vorzugsweise in gleichen 45 Prallplatten-Trägerrohr 15 befestigt, an dem die

Abständen voneinander auf einer Linie angeordnet, Prallplatte 16 angebracht ist.

die den Mittelpunkt der Prallplatte konzentrisch Der äußere Rand der Prallplatte 16 weist Öff-

umgibt. nungenl7 auf, die gleiche Abstände voneinander

Das Gas, beispielsweise ein Inertgas, Sauerstoff besitzen und durch Einschneiden radialer Schlitze oder ein Metallhalogenid, welches über die Prallplatte 50 in die Prallplatte und anschließendes Abkanten der und durch die Öffnungen auf ihrem äußeren Umfang einander entsprechenden Seiten der Schlitze nach fließt, kann nach jedem geeigneten Verfahren in das unten in einem Winkel von 45° zur Ebene der Prall-Gasbegrenzungsrohr eingeführt werden. Ein Ver- platte hergestellt wurden.

fahren, welches sich als sehr geeignet erwies, insbe- Fig.2 zeigt die Prallplatte 16 und die Öffnungen sondere wenn das Gasbegrenzungsrohr an seinem 55 17. Ferner zeigt sie Löcher 18, die in gleichen oberen Ende einen Deckel aufweist, besteht im Ein- Abständen voneinander auf einer zum Mittelpunkt führen des Gases durch ein Rohr oder mehrere Rohre der Prallplatte konzentrischen Linie angebracht sind im Deckel. Zwei oder mehr Rohre werden bevorzugt, und sich ungefähr in der Mitte zwischen dem Mitteldie so angeordnet sind, daß sie den Gasstrom auf punkt und dem Außenrand der Prallplatte befinden, beide Seiten einer Ebene richten, in der die Längs- 60 Diese Löcher dienen zur Verminderung des Rückachse des Gasbegrenzungsrohres liegt, beispielsweise drucks auf die Prallplatte, wenn die Vorrichtung in wie in der Zeichnung gezeigt. Betrieb ist.

Durch die Verwendung einer Prallplatte wird der . Beispiel 1 '

Gasstrom so gerichtet, d. h. in Form einer Anzahl -·■-..

von Strömen, die einem praktisch spiralförmigen Weg 65 Es "würde ein Gerät, ähnlich dem oben beschrie-

im Gasbegrenzungsrohr folgen, daß eine bessere benen, verwendet, in dem das Gasbegrenzungsrohr

Stabilisierung des Plasmas erhalten wird, als es aus einem. Rohr von 38,1 mm Innendurchmesser,

bisher möglich war, ,und daß größere Veränderungen 43,18 mm¹ Außendurchmesser- und 38,1cm Länge

bestand. Die Prallplatte bestand aus Kupfer und hatte einen Durchmesser von 33,34 mm. Rund um die Außenkante wurden acht Öffnungen hergestellt, indem radiale Schlitze von 3,175 mm Tiefe eingeschnitten und die einander entsprechenden Seiten in einem Winkel von 45° nach unten abgekantet wurden. Die Prallplatte war außerdem mit drei Löchern von 2,381 mm Durchmesser versehen.

Die Prallplatte war 6,35 mm vom unteren Ende des Prallplatten-Tragrohres befestigt, welches einen Außendurchmesser von 4,76 mm aufwies und derart in das Gasbegrenzungsrohr eingesetzt war, daß die Prallplatte horizontal im Gasbegrenzungsrohr 19,5 mm von seinem oberen Ende gehalten wurde.

Das Kupferrohr, aus dem die Windungen bestanden, hatte einen Innendurchmesser von 4,76 mm, und es waren sechs Windungen vorhanden, mit einem Abstand von etwa 15,24 mm.

Durch das Innere des Kunststoffzylinders wurde Kühlwasser durch das Kupferrohr geschickt. Argon ao wurde durch die Einlasse (die sich in einem Winkel von 60° am oberen Ende des Gerätes befanden) mit einer Geschwindigkeit von 40 l/min, und durch das Innere des Prallplatten-Trägerrohres mit einer Geschwindigkeit von 10 l/min, zugeführt.

Ein oszillierender Strom mit einer Frequenz von 5 MHz und 8 kW Stärke wurde den Enden des Kupferrohres zugeführt, und eine Plasmaentladung wurde unterhalb der Windungen im Gasbegrenzungsrohr angeregt. Der Argonfluß wurde dann allmählich durch Sauerstoff (95 l/min, durch die Einlasse und 24 l/min, durch das Prallblech-Trägerrohr) ersetzt, und die Leistung wurde auf 36 kW heraufgesetzt.

Während des Austausches und längere Zeit danach arbeitete die Vorrichtung mit deutlich größerer Stabilität, als sie unter ähnlichen Bedingungen in Abwesenheit einer Prallplatte erfahrungsgemäß erhalten wird.

Beispiel 2

40

Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde wiederholt unter Verwendung eines oszillierenden Stroms mit einer Frequenz von 5,3 MHz und einem Energieeinsatz von 36 kW.

Die Stabilität dieser Vorrichtung beim Betrieb wurde gezeigt, indem die Gasflußgeschwindigkeit durch die angewinkelten Einlasse zwischen 20 und 200 l/min, und durch das Prallplatten-Trägerrohr zwischen 5 und 40 l/min, variiert wurde, wobei das Plasma im Gasbegrenzungsrohr aufrechterhalten blieb.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung von gasförmigem Plasma durch Induktionserhitzung, bestehend aus einem einseitig offenen Gasbegrenzungsrohr, das an der verschlossenen Stirnseite mit Gaseinlaßöffnungen versehen ist und durch das das Gas auf schraubenförmigen Bahnen strömt, und einer um das Rohr gewickelten Spule, deren Enden an einen Wechselspannungsgenerator angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gaseinlaßöffnungen (2) und dem von der Spule (13) umgebenen Ionisierungsvolumen eine Prallplatte (16) quer zur Rohrachse angeordnet ist, deren Randzone mit Öffnungen (17) und Leitflächen versehen ist, die dem Gasstrom eine rotatorische Bewegungskomponente um die Rohrachse aufzwingen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasbegrenzungsrohr (1) ein Kupferrohr ist und die Spule (13) mindestens drei Windungen aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und/oder die untere Windung der Spule den Strom in einer zur Stromrichtung der jeweils benachbarten Windung entgegengesetzten Richtung führt.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte kreisförmig ist und mindestens vier öffnungen und zugehörige Leitflächen aufweist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (17) und die Leitflächen durch Einschneiden von Schlitzen und Ausbiegen der Schlitzbegrenzungsränder unter einem Winkel von zwischen 30 und 60° gegen die Prallplattenebene gebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplatte eine zentrale Öffnung aufweist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gaseinlaßöffnungen vorgesehen sind, die bezüglich der Längsachse des Gasbegrenzungsrohres einander diametral gegenüberliegen.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Journal of Applied Physics, Vol. 32, 1961, Nr. 5, bis 824.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen