DE1264640B - Vorrichtung zur Erzeugung von gasfoermigem Plasma - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung von gasfoermigem PlasmaInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4WSWL· PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CI.:
H05h
Deutsche Kl.: 21g-61/00
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
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
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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3 4
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.
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 (7)
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.
Journal of Applied Physics, Vol. 32, 1961, Nr. 5, bis 824.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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