DE1764479B1

DE1764479B1 - HIGH FREQUENCY PLASMA GENERATOR

Info

Publication number: DE1764479B1
Application number: DE19681764479
Authority: DE
Inventors: Thorpe Merle Lee; Harrington Kent William
Original assignee: Humphreys Corp
Current assignee: Humphreys Corp
Priority date: 1968-06-11
Filing date: 1968-06-12
Publication date: 1972-03-09
Also published as: GB1223455A

Description

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änderbar sein, so daß der Plasmagenerator sich in Ein weiterer Vorteil der bevorzugten Ausführungseinfacher Weise vielseitiger verwenden läßt. Außer form des Plasmagenerators ist die verbesserte Kühder Vergrößerung des stabilen Arbeitsbereiches in- lung der Wand der Brennkammer, welche dadurch nerhalb eines größeren Bereiches von Gasdrücken erreicht wird, daß man das Kühlmittel in Berührung und Geschwindigkeiten der Gasströmung soll die 5 mit der Brennkammerwand und mit der Induktions-Leistung des Plasmagenerators erhöht werden. Fer- spule bringt und dabei die Induktionsspule in unmitner soll sich die Form des auf den Plasmagenerator telbarer Nähe der Brennkammer anordnet, so daß austretenden Plasmas beeinflussen lassen. der Lichtbogen in einem verhältnismäßig starken ma-be changeable so that the plasma generator can be changed in another advantage of the preferred embodiment Way more versatile. In addition to the plasma generator, there is an improved cooler Enlargement of the stable working area in the wall of the combustion chamber, which thereby within a larger range of gas pressures it is achieved that the coolant is in contact and velocities of the gas flow should be 5 with the combustion chamber wall and with the induction power of the plasma generator can be increased. Fer-coil brings and thereby the induction coil in the immediate vicinity should be the shape of the plasma generator telbaren near the combustion chamber so that let the escaping plasma influence. the arc in a relatively strong ma

Diese Aufgabe wird bei einem Hochfrequenz-Pias- gnetischen Felde liegt. Ferner wird eine Düsenplatte magenerator mit einer rohrförmigen Brennkammer, io aus Metall verwendet, welche einen Schutz für die die von einer Induktionsspule umgeben ist und an Befestigung der feuerfesten Kammerwände darstellt, einem Ende Gaszuführungsöffnungen aufweist, wel- Die Form der Düsenplatte begünstigt die Einleitung ehe eine sich längs der Innenwand der Brennkammer des Lichtbogens im Generator und erlaubt es, die in axialer Richtung ausbreitende Gasströmung mit Form des Plasmas für besondere Verfahren (etwa die azimutaler Komponente erzeugen, erfindungsgemäß 15 Erzeugung eines Drucks oder um die Evakuierung dadurch gelöst, daß zur Erzeugung der axialen und bei bestimmten Verfahren) zu beeinflussen. Die ganze der azimutalen Komponente der Gasströmung zwei Einrichtung ermöglicht einen stabilen Betrieb bei verschiedene Sätze von Öffnungen vorgesehen sind, hohen Temperaturen, bei welchen die Plasmaflamme deren Gaszuführungen getrennt voneinander Steuer- ein erhebliches Stück über die Plasmakammer hinbar sind. 20 ausreicht.This task is in the case of a high-frequency pias- gnetic field. Furthermore, a nozzle plate magenerator with a tubular combustion chamber, io made of metal, which provides protection for the which is surrounded by an induction coil and attaches to the refractory chamber walls, one end has gas supply openings, wel- The shape of the nozzle plate favors the introduction before one runs along the inner wall of the combustion chamber of the arc in the generator and allows the Axial gas flow in the form of plasma for special processes (such as the Generate azimuthal component, according to the invention 15 generation of a pressure or around the evacuation solved in that to influence the generation of the axial and in certain processes). The whole the azimuthal component of the gas flow two device allows stable operation at Different sets of openings are provided, high temperatures at which the plasma flame their gas feeds separately from one another control a considerable distance via the plasma chamber are. 20 is sufficient.

Bei diesem Plasmagenerator liegt innerhalb einer An Hand der Zeichnung werden verschiedene Hochfrequenzspule zur Erzeugung eines intensiven Ausführungsformen der Erfindung beschrieben,
elektromagnetischen Feldes eine Brennkammer. Ein Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Pias-Injektor für das zur Bildung des Plasmas bestimmte magenerator;This plasma generator is within a range of different high-frequency coils for generating an intense embodiment of the invention are described with reference to the drawing,
electromagnetic field a combustion chamber. 1 shows a longitudinal section through a Pias injector for the magenerator intended for the formation of the plasma;

Gas tritt am einen Ende der Kammer ein, welches 25 F i g. 2 ist eine Stirnansicht des PlasmageneratorsGas enters at one end of the chamber which 25 F i g. 2 is an end view of the plasma generator

aus dieser Kammer als nutzbare Flamme austritt. Die gemäß Fig. 1, wobei die Düsenplatte und der Trägeremerges from this chamber as a usable flame. The one according to FIG. 1, wherein the nozzle plate and the carrier

Gasströmung hat einen ringförmigen Querschnitt und eines O-Ringes abgenommen sind;Gas flow has an annular cross-section and an O-ring is removed;

verläuft längs der Wand der Kammer, so daß eine F i g. 3 stellt einen Längsschnitt durch den inruns along the wall of the chamber so that a F i g. 3 shows a longitudinal section through the in

thermische Barriere zwischen dem innerhalb der F i g. 1 verwendeten Injektor dar;thermal barrier between the within the F i g. 1 used injector;

Kammer Gasplasma bildenden Lichtbogen und der 30 F i g. 4 ist eine Stirnansicht des Injektors nachChamber gas plasma forming arc and the 30 F i g. 4 is an end view of the injector of FIG

Kammerwand gebildet wird. Außerdem enthält der F i g. 3;Chamber wall is formed. In addition, FIG. 3;

Injektor noch Einrichtungen zur Erzeugung einer Fig. 5 bis 9 sind Querschnitte längs der Schnitt-Wirbelbewegung in dem axialen Gasstrom in dem ebene 5-5, 6-6, 7-7, 8-8 und 9-9 in Fig. 3;
kreisringförmigen Querschnitt. Diese Wirbelbewe- F i g. 10 veranschaulicht den Betrieb des Plasmagung dient zur Stabilisierung. In der bevorzugten Aus- 35 generators;5 to 9 are cross-sections along the sectional vortex movement in the axial gas flow in the plane 5-5, 6-6, 7-7, 8-8 and 9-9 in FIG. 3;
circular cross-section. These eddy movements F i g. 10 illustrates the operation of the plasmagung used for stabilization. In the preferred form of generator;

führungsform der Erfindung wird der erwähnte Gas- F i g. 11 ist ein Schaltbild für die Speisung des inimplementation of the invention is the aforementioned gas F i g. 11 is a circuit diagram for the supply of the in

mantel von einer ringförmigen Kammer geliefert, in F i g. 1 dargestellten Apparates;jacket delivered by an annular chamber, in Fig. 1 shown apparatus;

welche ein Gasstrom in radialer Richtung von meh- pig. 12 zeigt den Betrieb des Plasmageneratorswhich a gas flow in the radial direction of meh- pig. 12 shows the operation of the plasma generator

reren gleichmäßig beabstandeten Punkten aus einge- bei verschiedenen Gasarten an;reren evenly spaced points from different types of gas;

leitet wird. Zur Erzeugung einer Wirbelbewegung in 40 Fig. 13 zeigt eine andere Ausführungsform füris directed. To generate a vortex movement in 40 Fig. 13 shows another embodiment for

dem axialen Gasstrom wird eine Reihe von tangential den Schwingungskreis;the axial flow of gas is a series of tangential to the oscillation circuit;

gerichteten öffnungen benutzt, um eine gleichmäßige Fig. 14 und 15 enthalten Schnittdarstellungen Verteilung des Gases in dem Gasmantel zu erreichen. durch andere Formen von Düsen, die bei der Anord-Andere Hilfsmittel zur Erzeugung einer Wirbelbewe- nung nach F i g. 1 benutzt werden können,
gung und zur Beeinflussung derselben, beispielsweise 45 Der Plasmagenerator nach F i g. 1 enthält ein rohreinstellbare Leitflächen, können natürlich auch be- förmiges Gehäuse 10 von hoher elektrischer Festignutzt werden. keit, welches auch gegenüber dem verwendeten Kühl-directed openings used to achieve a uniform Fig. 14 and 15 contain sectional views distribution of the gas in the gas jacket. by other forms of nozzles, which are used in the arrangement. 1 can be used,
generation and to influence the same, for example 45 The plasma generator according to FIG. 1 contains a pipe-adjustable guide surface, but also be-shaped housings 10 of high electrical strength can of course be used. speed, which is also compared to the cooling

Es ist ferner erwünscht, eine Reihe von axial ge- mittel unempfindlich ist. Ein geeignetes Material für richteten öffnungen zu benutzen, und zwar haupt- das Gehäuse ist Polytetrafluoräthylen. Im Innenraum sächlich zu dem Zweck, die Lage des Lichtbogens in 50 des Gehäuses 10 liegt eine Induktionsspule 12, deren der Brennkammer beeinflussen zu können. Durch Klemmen 14, 16 an den Gewindeklemmen 18, 20 anRegelung der Menge des Gases, welches die verschie- gelötet sind. Die Spule besteht aus einem runden denen öffnungen durchfließt, ferner durch Regelung Kupferdraht von etwa V10 mm Durchmesser, der in der Lage, der Form und der Stabilität des Plasmas vier Windungen mit etwa 7 cm Länge zwischen den kann man eine ganze Reihe von Gasen verwenden. 55 Klemmen 14 und 16 bei ungefähr 4,5 cm innerem Beispielsweise kann der Gasstrom durch die axial ge- Durchmesser verläuft.It is also desirable to have a number of axially medium insensitive. A suitable material for directed openings to use, mainly the housing is polytetrafluoroethylene. In the interior for the purpose of determining the position of the arc in 50 of the housing 10 is an induction coil 12, whose to influence the combustion chamber. By means of clamps 14, 16 on the threaded clamps 18, 20 to the control the amount of gas that are soldered differently. The coil consists of a round one through which openings flows, furthermore by regulating copper wire about V10 mm in diameter, which is in the position, the shape and the stability of the plasma four turns with a length of about 7 cm between the a wide variety of gases can be used. 55 clamps 14 and 16 at approximately 4.5 cm inner For example, the gas flow can run through the axial diameter.

richteten öffnungen ausschließlich für monoatomare Innerhalb der Induktionsspule 12 befindet sichdirected openings exclusively for monoatomic Inside the induction coil 12 is located

Gase benutzt werden, während der größere Teil des ein Quarzrohr 22, auf dessen Innenfläche sich eineGases are used, while the greater part of a quartz tube 22, on the inner surface of which is a

Gases durch die radial gerichteten öffnungen oder dünne Wärmerefixionsschicht 24, beispielsweiseGas through the radially directed openings or thin thermal fixation layer 24, for example

zum Teil durch die radial gerichteten öffnungen, und 60 aus Gold befindet. Diese Schicht kann sich über diepartly through the radially directed openings, and 60 made of gold. This layer can spread over the

zwar gewünschtenfalls jeweils mit verschiedener Ge- ganze innere Länge des Zylinders 22 erstrecken oderalthough if desired each extend with a different total inner length of the cylinder 22 or

schwindigkeit geleitet wird. In Wirklichkeit wird nor- auch über nur einen Teil dieser Länge, beispielsweisespeed is directed. In reality, nor- is also over part of this length, for example

malerweise der axiale Gasstrom so eingerichtet, daß in der Nähe der Entladung. Der Zylinder 22 ist festsometimes the axial gas flow is set up so that it is close to the discharge. The cylinder 22 is fixed

das Plasma sich der Gaseintrittsstelle nicht zu stark innerhalb des Gehäuses 10 mittels federnder O-Ringethe plasma is not too close to the gas entry point inside the housing 10 by means of resilient O-rings

annähert, wenn es sich um ein leicht ionisierbares 65 26 gelagert. Jeder dieser Ringe befindet sich in einemapproximates if it is an easily ionizable 65 26 stored. Each of these rings is in one

Gas wie Argon handelt, und der Wirbelfluß wird so Ringgehäuse 28, so daß das Quarzrohr federnd undGas such as argon acts, and the eddy flow is so ring housing 28, so that the quartz tube is resilient and

gerichtet, wie es erforderlich ist, um den Gasmantel zuverlässig gegenüber dem Gehäuse 10 abgestütztdirected as it is necessary to reliably support the gas jacket with respect to the housing 10

durch den radialen Gasfluß zu stabilisieren. ist.to stabilize by the radial gas flow. is.

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Das Quarzrohr 22 umschließt eine Kammer 30 dargestellt. Der dort veranschaulichte Injektor entvon 38,5 mm Durchmesser. In dieser Kammer wird hält einen Hauptkörper 92 und einen Vorderteil 94. unter dem Einfluß des von der Spule 12 erzeugten Der Hauptkörper 92 enthält eine Reihe von axial elektromagnetischen Feldes das Plasma gebildet. Das voneinander beabstandeten ringförmigen Vertiefun-Gas wird in die Kammer über einen im ganzen mit 5 gen, welche eine gleichmäßige Verteilung des Kühl- 32 bezeichneten Injektor eingeführt, welcher in mittels (beispielsweise mittels der Vertiefung 100) einem Aluminiumgehäuse 34 angebracht ist, das und des Gases (beispielsweise mitteis der Vertiefunseinerseits am Gehäuse 10 mittels der Schrauben 36 gen 102,104 und 106) gewährleisten. Ferner sind ringbefestigt ist. Auf der Einlaßseite, d. h., auf der rech- förmige, zur Isolation dienende Vertiefungen 108 vorten Seite der in F i g. 1 dargestellten Anordnung, be- ίο handen, in welchen Dichtungsringe 110 eingelegt findet sich eine Aluminiumplatte 38 und auf der sind. Diese sollen den Eintritt des Kühlmittels in die Ausgangsseite, d. h., auf der linken Seite der Fig. 1, anderen Vertiefungen verhindern,
eine ebenfalls aus Aluminium bestehende Düsen- In dem Vorderteil 94 sind drei getrennte Sätze von platte 40. Gasverteilungsöffnungen angebracht. Es sind näm-The quartz tube 22 encloses a chamber 30 shown. The injector illustrated there has a diameter of 38.5 mm. In this chamber is held a main body 92 and a front part 94. Under the influence of the generated by the coil 12 , the main body 92 contains a series of axially electromagnetic fields which form the plasma. The spaced-apart annular recess gas is introduced into the chamber via an injector designated as a whole with 5, which provides an even distribution of the cooling 32 , which is mounted in an aluminum housing 34 by means of (for example by means of the recess 100) , the and the Gas (for example, in the middle of the recess on the housing 10 by means of the screws 36 gen 102,104 and 106) . It is also attached to a ring. On the inlet side, that is to say on the rectangular indentations 108 used for insulation, the side of the front side shown in FIG. 1 shows the arrangement in which sealing rings 110 are inserted, there is an aluminum plate 38 and on which there are. These are intended to prevent the coolant from entering the outlet side, that is, on the left-hand side of FIG. 1, other depressions,
A nozzle also made of aluminum. In the front part 94 there are three separate sets of plate 40. Gas distribution openings. There are namely

Ein metallisches wassergekühltes Rohr 42, das 15 lieh dort sechs axialgerichtete Öffnungen 114 (jedeA metallic water-cooled tube 42, which borrowed 15 there six axially directed openings 114 (each

mitttels eines Einsatzstückes 44 mit der Stirnplatte von 0,7 mm Durchmesser) vorhanden, ferner sechsby means of an insert 44 with the face plate 0.7 mm in diameter), and six

38 verschraubt ist, durchsetzt den Injektor 32 und radialgerichtete Öffnungen 118 (ebenfalls von 0,7 38 is screwed through the injector 32 and radially directed openings 118 (also from 0.7

reicht in die Plasmakammer 30 hinein. Dieses Rohr mm Durchmesser) und drei tangentialgerichtete Öff-extends into the plasma chamber 30 . This pipe mm diameter) and three tangentially directed opening

hat eine Innenbohrung 46 und ist doppelwandig, nungen 120 (je von etwa 0,8 mm Durchmesser). Diehas an inner bore 46 and is double-walled, openings 120 (each about 0.8 mm in diameter). the

d. h., mit einer inneren Trennwand 47 ausgeführt, so 20 axialgerichteten Öffnungen liegen in einer kreisring-d. that is, executed with an inner partition wall 47, so 20 axially directed openings are in a circular ring

daß also ein Kühlmittel über ein Rohr 48 eingeführt förmigen Platte 122. die in einer Vertiefung in derSo that a coolant introduced through a tube 48 shaped plate 122nd in a recess in the

und über ein Rohr 50 wieder abgeführt werden kann. Stirnfläche des Vorderteils 94 untergebracht ist, soand can be discharged again via a pipe 50. End face of the front part 94 is housed, so

In den Innenraum des Doppelwandrohres, das mit daß eine ringförmige Verteilungskammer 124 vonIn the interior of the double-walled pipe with that an annular distribution chamber 124 of

einer Schraube 52 befestigt ist, wird das betreffende 1,6mm Tiefe und 4mmBreite unter der Öffnungsplattea screw 52 is attached, the relevant 1.6mm depth and 4mm width under the orifice plate

Gas eingeführt. Das Rohr ist mittels eines O-Ringes 25 122 entsteht. Ein Kanal 126 verläuft vom VorderteilGas introduced. The tube is created by means of an O-ring 25 122 . A channel 126 runs from the front

54, der zwischen dem Einsatzkörper 44 und einer 94 und vom Hauptkörper 92 zu einer Eingangsöff- 54, which extends between the insert body 44 and a 94 and from the main body 92 to an input port

Hülse 56 liegt, im Injektor 32 befestigt. Wenn der nung 128 (Fig. 1 und 3). in welche das Gaseinfüh-Sleeve 56 is attached in injector 32. If the voltage 128 (Fig. 1 and 3). in which the gas inlet

Einsaizkörper 44 gelockert wird, kann das Rohr rungsrohr 130 eingefügt ist.Einsaizkörper 44 is loosened, the pipe can guide tube 130 is inserted.

nach innen oder nach außen verschoben, d. h., nach Die radialen Öffnungen 118 sind in einem zylindri-shifted inwards or outwards, that is, after the radial openings 118 are in a cylindri-

Wunsch eingestellt werden. 30 sehen Ring 132 angebracht, der sich an" einemWish to be set. 30 see ring 132 attached to "a

Der Generator enthält ferner einen Kühlmittel- Flansch 134 des Vorderteils 94 abstützt und dortThe generator also includes a coolant flange 134 which supports the front part 94 and there

kreislauf, in welchem ein Kühlmittel, beispielsweise festgelötet ist. Eine ringförmige Verteilungskammercircuit in which a coolant, for example, is firmly soldered. An annular distribution chamber

Wasser, durch einen Kanal 60 der Wasseranschluß- 136 von 2.5 mm Tiefe und etwa 3,8 mm Breite befin-Water, through a channel 60 of the water connection 136 2.5 mm deep and about 3.8 mm wide

klemme 62 zugeführt wird, welche mit der Spulen- det sich hinter diesem Ring 132 in Deckung mit denterminal 62 is supplied, which with the bobbin is behind this ring 132 in alignment with the

klemme 20 verschraubt ist. Über eine in den Körper 35 Öffnungen 118. Eine Leitung 138 verläuft von dieserterminal 20 is screwed. Via an opening 118 in the body 35. A line 138 extends from this

10 eingearbeitete Leitung 64 wird eine Verteilungs- Kammer durch das Vorderteil, den Hauptkörper und10 incorporated conduit 64 becomes a distribution chamber through the front panel, main body and

kammer 63 mit einem Kreisringraum 100 im Injek- die Auslaßöffnung im Körper 34 zu einem Stutzenchamber 63 with an annular space 100 in the Injek- the outlet opening in the body 34 to a nozzle

torkörper 32 verbunden, so daß die Kühlflüssigkeit 142. Die zur Wirbelbildiing bestimmten tangentialengate body 32 connected, so that the cooling liquid 142. The intended for vortex formation tangential

aus diesem Raum 100 über eine zweite Leitung 66 zu Öffnungen 120 führen über a?:id verlaufende Kanälelead from this space 100 via a second line 66 to openings 120 via channels running through a?: id

einem zylindrischen Kanal 68 außerhalb des Quarz- 40 146 und über die Vertiefungen 182 sowie über einena cylindrical channel 68 outside the quartz 40 146 and over the recesses 182 as well as over a

rohres 22 gelangen kann und über die Spule 12 zum radialen Kanal 148 zur Einlaßleitung 150. tube 22 and via the coil 12 to the radial channel 148 to the inlet line 150.

vorderen Ende 70 des Generators fließt. Zn dem be- In F i g. 1 und 10 sind die radialen Öffnungen 118 front end 70 of the generator flows. Zn the loading In F i g. 1 and 10 are radial openings 118

schriebenen Kühlweg liegt ein zweiter Kühlweg 72 und die zur Wirbelbildung bestimmten ÖffnungenWritten cooling path is a second cooling path 72 and the openings intended for vortex formation

parallel, der unter Umgehung des Injektors 32 unmit- 120 an einen Kreisringraum 152 von einer Breite vonin parallel, the bypassing of the injector 32 unmit- 120 to an annulus space 152 having a width of

telbar zum vorderen Ende des Generators verläuft. 45 etwa 1 mm und einer axialen Länge von etwa 1.3 cmdirectly to the front end of the generator. 45 about 1 mm and an axial length of about 1.3 cm

Eine Auslaßleitung 74 verbindet die Kammer 70 mit angeschlossen, so daß das Gas aus diesem Kreisring-An outlet line 74 connects the chamber 70 with connected so that the gas from this circular ring

einem Ringraum 75, in welchem sich ein Wasserab- raum in Form eines Zylinders in Richtung der Pfeilean annular space 75 in which there is a water waste in the form of a cylinder in the direction of the arrows

führungsstutzen 76 befindet, der zur Auslaßleitung 154 in Fig. 10 nach "links austritt. Die"öffnungenGuide stub 76 is located, which exits to the outlet line 154 in FIG. 10 to the "left. The" openings

78 führt. Man erkennt, daß Rippen in der Kammer 120 dienen dazu, der Gasbewegung eine tangentiale78 leads. It can be seen that ribs in the chamber 120 serve to make the gas movement tangential

70 den bereits oben erwähnten Aufnahmering 28 für 50 Komponente zu verleihen. Bei einer solchen Gasbe-70 to lend the above-mentioned receiving ring 28 for 50 components. With such a gas

die O-Dichtungsringe 26 in der Kammer 70 abstüt- wegung läßt sich der Gasstrom besser stabilisieren,the O-sealing rings 26 in the chamber 70 support movement, the gas flow can be better stabilized,

zen und daß gleichwohl Kühlflüssigkeit um den Ein Lichtbogen 156 in Form eines dünnwandigenzen and that at the same time cooling liquid around the one arc 156 in the form of a thin-walled

Körper 28 und die Düsenplatte 40 herumfließen Zylinders entsteht unter dem Einfluß des elektroma-The body 28 and the nozzle plate 40 flow around the cylinder is created under the influence of the electroma-

kann. gnetischen Feldes der Spule 12, so daß ein Plasma-can. magnetic field of the coil 12, so that a plasma

Die Düsenplatte 40 enthält einen Flansch 80, der 55 strom 158 gebildet wird, der eine erhebliche Strecke in das Innere der Plasmakammer 30 hineinragt und über die Plasmakammer 30 hinausragt. Außerdem das Ende des Quarzrohres 22 überdeckt. Dieser dienen die axialen Öffnungen 114, die etwa in der Flansch 80 stellt somit eine thermische Barriere dar, Mitte zwischen der Wand und der Mittelachse der welche den Q-Ring 26 schützt. Die Düsenplatte kann Plasmakammer 30 liegen, zur Beeinflussung des Gasin verschiedener Weise ausgeführt werden, um das 60 Stroms der von dem kreisringförmigen Gasmantel ausaus der Plasmakammer 30 austretende Plasma in der geht und hauptsächlich zur Steuerung des Lichtbogewünschten Weise zu beeinflussen. gens 156 relativ zum Injektor 32, während ein TeilThe nozzle plate 40 contains a flange 80, the stream 158 is formed, which protrudes a considerable distance into the interior of the plasma chamber 30 and protrudes beyond the plasma chamber 30 . In addition, the end of the quartz tube 22 is covered. This is done by the axial openings 114, which approximately in the flange 80 thus represents a thermal barrier, center between the wall and the central axis of which the Q-ring 26 protects. The nozzle plate can be located in the plasma chamber 30 , designed to influence the gas in various ways, in order to influence the flow of the plasma emerging from the annular gas jacket from the plasma chamber 30 in the manner desired and mainly to control the arc. gens 156 relative to injector 32 while a part

Zwischen den verschiedenen Bestandteilen des des Gasmantels 154 entlang der Wand der Röhre 22 Between the various components of the gas jacket 154 along the wall of the tube 22

Plasmagenerators sind geeignete O-Ringe 88 als läuft, und zwar etwa in laminarer Form. Durch diePlasma generator are suitable O-rings 88 as running, in approximately laminar form. Through the

Dichtungsringe vorhanden, um einen Eintritt von 65 Beeinflussung des Gasstroms durch die radial verlau-Sealing rings are provided to prevent the gas flow from being influenced by the radially extending

Kühlflüssigkeit in den Plasmaraum 30 zu verhin- fenden und die tangential verlaufenden ÖffnungenCooling fluid into the plasma chamber 30 to prevent fenden and the tangential openings

dem. kann die Form des austretenden Plasmas 158 beein-to the. can affect the shape of the exiting plasma 158

Der Injektor 32 ist im einzelnen in F i g. 3 bis 9 flußt werden.The injector 32 is shown in detail in FIG. 3 to 9 are flowing.

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Eine vereinfachte Schaltung für den Plasmagenera- Die Folie 24 hat einen verhältnismäßig hohen Widertor ist in F i g. 11 dargestellt. Diese Schaltung ist stand und es werden nur kleine Lichtbogen erzeugt, nach Art einer gewöhnlichen Induktionsheizung auf- welche das Argon genügend ionisieren, um die Piasgebaut und enthält einen Hochspannungstransforma- maentladung einzuleiten. Man kann aber auch die tor 200, dessen Primärwicklung 202 an einem Netz 5 Plasmaentladung durch kurzzeitige Einführung eines von 60 Hz liegt. Aus der Sekundärwicklung 206 wird Graphitstabes durch die öffnung in der Düsenplatte über einen Gleichrichter 208 eine Gleichspannung 40 einleiten, der durch das elektromagnetische Feld auf den Leitungen 210 und 212 hergestellt, und zwar der Spule 12 geheizt wird. Der Lichtbogen kann auch vorzugsweise mit einer Filterung bis auf weniger als dadurch hervorgerufen werden, daß man die eine der 4% Wechselspannung, um einen Schwingungskreis io metallischen Stirnplatten 38 oder 40 erdet. Eine weimit der Schwingröhre 214, einem Kondensator 216 tere Methode zur Einleitung der Plasmaentladung und der Spule 12 als Schwingspule zu speisen. In besteht in der Benutzung eines Lichtbogens, der aus Reihe zwischen der Anode 218, der Röhre 214 und einer Hilfsstromquelle mit Gleichspannung gespeist dem Schwingkreis liegt noch ein Blockkondensator wird. Das letztere Verfahren ist insbesondere für 220. Die Spule 222 im Schwingungskreis ist induktiv 15 niedrige Schwingfrequenzen in der Größenordnung mit einer Spule 224 im Kreise des Gitters 226 der von 450 kHz empfehlenswert. Nachdem das Plasma Röhre gekoppelt. gebildet ist, wird ein Übergang zu einem zweiatomi-A simplified circuit for the plasma generator The foil 24 has a relatively high resistance is shown in FIG. 11 shown. This circuit is stable and only small arcs are generated, in the manner of an ordinary induction heater, which ionize the argon enough to build the Pias and initiate a high-voltage transformer discharge. But you can also use the gate 200, the primary winding 202 of which is connected to a network 5 plasma discharge by briefly introducing a 60 Hz. From the secondary winding 206 , the graphite rod will introduce a DC voltage 40 through the opening in the nozzle plate via a rectifier 208 , which is produced by the electromagnetic field on the lines 210 and 212 , namely the coil 12 is heated. The arc can also preferably be caused with a filtering to less than that one of the 4% alternating voltage is grounded around an oscillation circuit in the metallic face plates 38 or 40. A method for initiating the plasma discharge and the coil 12 as a voice coil is fed by using the vibrating tube 214, a capacitor 216. In consists of the use of an arc, which is connected in series between the anode 218, the tube 214 and an auxiliary power source supplied with direct voltage, the resonant circuit and a blocking capacitor. The latter method is in particular for 220. The coil 222 in the oscillation circuit is inductively recommended 15 low oscillation frequencies in the order of magnitude with a coil 224 in the circle of the grid 226 of 450 kHz. After the plasma tube is coupled. is formed, a transition to a diatomic

Die Betriebseigenschaften des Plasmagenerators gen Gas, beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff, sind in Fig. 12 veranschaulicht. Dort ist der Gas- durchgeführt. Als Beispiel für einen solchen Überstrom, welcher in die Kammer 30 eintritt, in der Or- 20 gang kann Stickstoff mit einer Rate von 70 SCFH dinate dargestellt und die Gleichstromleistung in kW dem radialen Einlaß 142 und mit einer Rate von an der Anode der Röhre 218 in der Abszissenrich- 28 SCFH dem Wirbeleinlaß 150 zugeführt werden, tung. Wie in Fig. 11 dargestellt, kann der Genera- Der Argonzufluß an den Stellen 130 und 150 wird tor innerhalb des eingezeichneten Vierecks 230 stabil dann so schnell wie möglich unterbrochen. Während arbeiten. Die Grenzen dieses stabilen Arbeitsberei- »5 dieses Übergangs wird die Anodenleistung auf 30 kW ches sollen nunmehr im einzelnen betrachtet wer- oder darüber erhöht und in dieser Höhe aufrechterden: halten, um das zweiatomige Gasplasma zu erhalten.The operating characteristics of the gas plasma generator, for example nitrogen or oxygen, are illustrated in FIG. There the gas is carried out. As an example of such an overflow entering chamber 30 , nitrogen may be dinate in the organ at a rate of 70 SCFH and DC power in kW at radial inlet 142 and at a rate of at the anode of tube 218 in the abscissa direction 28 SCFH are fed to the vortex inlet 150, device. As shown in FIG. 11, the generator The argon flow at points 130 and 150 is then interrupted stably within the drawn square 230 as quickly as possible. While working. The limits of this stable Arbeitsberei- »5 of this transition is the anode power to 30 kW ches are now considered in detail advertising or increase it and maintain ground at this level: keep getting to the diatomic gas plasma.

Die Plasmaflamme reicht dann etwa 40 cm über dieThe plasma flame then extends about 40 cm over the

1. Der Gasstrom kann zu niedrig sein, und der Stirnplatte 40 hinaus. Die Länge der Plasmaflamme Lichtbogen kann daher in einen unstabilen Ar- 3° kann vermindert werden, wenn man die Strömung an beitsbereich gelangen, d. h., der Arbeitspunkt den Wirbelöffnungen erhöht. Für einen normalen Bekann etwa bei 232 liegen. trieb, bei welchem eine lange Flamme erwünscht ist,1. The gas flow may be too low and the faceplate 40 out. The length of the plasma flame arc can therefore be reduced to an unstable range if the flow reaches the working area, ie the working point of the vortex openings is increased. For a normal acquaintance this is around 232 . drove in which a long flame is desired,

2. Der Gasstrom kann zu hoch sein, was zu einem soll die Wirbelkomponente der gesamten Mantelströkleinen unstabilen Lichtbogen führt, der außer- mung kleiner als 33 % sein.2. The gas flow can be too high, which means that the vortex component of the entire sheath flow is small leads to an unstable arc, the magnitude can be less than 33%.

dem dazu neigt, aus der Röhre 22, und zwar 35 Bei der Schaltung nach Fig. 11 wurde gefunden, etwa im Gebiet 234 in Fig. 12, auszutreten. daß durch Erdung der Stirnplatte 38 oder der Düsen-which tends to emerge from the tube 22, namely 35. The circuit of FIG. 11 was found to emerge approximately in the area 234 in FIG. that by earthing the face plate 38 or the nozzle

3. Die Plasmakammer 30 wird mit unzureichender platte 40 das Plasma zum Erlöschen gebracht werden Leistung gespeist und der Lichtbogen ist zu konnte. Bei manchen Anwendungsfällen eines solklein, d.h., kommt in Fig. 12 etwa in das Ge- chen Plasmagenerators ist dies jedoch eine unerbiet236. 40 wünschte Eigenschaft, die dadurch vermieden wer-3. The plasma chamber 30 is fed with insufficient plate 40, the plasma is extinguished, and the arc is too. In some cases of application of a very small, ie, in FIG. 40 desired property that can be avoided as a result

4. Die Eingangsleistung übertrifft die Kühlungs- den kann, daß man eine Schaltung gemäß Fig. 13 möglichkeiten des Generators und der Lichtbo- verwendet. Dort sind zwei Kondensatoren 250 und gen wird zu groß, worauf die Quarzröhre 22 252 in Reihe geschaltet und bilden als Serienschalbrechen kann und der Lichtbogen also etwa im tung den Kondensator des Schwingkreises, wobei Gebiet 238 liegt. 45 der Verbindungspunkt 254 beider Kondensatoren4. The input power exceeds the cooling, because a circuit according to FIG. 13 is possible for the generator and the light bulb. There are two capacitors 250 and gene is too large, whereupon the quartz tube 22 252 is connected in series and can form a series circuit break and the arc thus roughly in the direction of the capacitor of the resonant circuit, with area 238 being . 45 the connection point 254 of the two capacitors

geerdet ist. Jeder Kondensator 250 und 252 kann anis grounded. Each capacitor 250 and 252 can connect

Innerhalb des stabilen Arbeitsbereichs 230 sind eine getrennte Schwingröhre, beispielsweise in einerWithin the stable work area 230 are a separate oscillating tube, for example in one

noch diagonale Linien 240, welche einem isothermen Duplex-Schaltung, angelegt werden.still diagonal lines 240, which are an isothermal duplex circuit, are applied.

Betrieb entsprechen, eingezeichnet. Die linke obere Wie oben bereits gesagt, kann die Düsenplatte 40 Operation are shown. The upper left As already stated above, the nozzle plate 40

Ecke des Gebietes 230 ist der Arbeitspunkt der tief- 50 verschiedene Formen annehmen. Zwei brauchbareThe corner of area 230 is the working point, which takes on 50 different shapes. Two useful ones

sten Temperatur des Plasmas und die untere rechte Ausgestaltungen sind in Fig. 14 und 15 veranschau-Most temperature of the plasma and the lower right configurations are shown in FIGS. 14 and 15.

Ecke ist der Arbeitspunkt der höchsten Tempera- licht. In jedem Falle erhält die Düsenplatte 40' einenThe corner is the working point of the highest temperature. In each case, the nozzle plate 40 ' receives one

tür. Einsatz 260 bzw. 262, der aus Kupfer besteht unddoor. Insert 260 or 262, which is made of copper and

Ein typischer Betrieb des Plasmagenerators bei einen nach innen ragenden Flansch 80' besitzt. Die-Typical operation of the plasma generator with an inwardly protruding flange 80 ' . The-

einer Freqrenz von 4 MHz wird dann erzielt, wenn 55 ser ragt ebenso wie in F i g. 1 der Flansch 80 übera freqrenz of 4 MHz is achieved when 55 water protrudes as well as in FIG. 1 the flange 80 over

man durch das Rohr 130 Argon mit einer Rate von das Ende des Quarzrohres 22 hinaus und es ist fernerone argon through tube 130 at a rate from the end of quartz tube 22 out and it is further

48 SCFH (ISCFH=28,32 l/h bei 15,6° C und an den Flanschen 80' noch ein radialer Ansatz-48 SCFH (ISCFH = 28.32 l / h at 15.6 ° C and on the flanges 80 ' another radial attachment

762 mm Hg) einleitet, kein Gas durch das zu den ra- flansch 264 vorhanden, welcher eine Nut 266 ent-762 mm Hg) introduces, no gas is present through the flange 264 , which has a groove 266.

dialen öffnungen 118 führende Rohr 142 einleitet hält, in die ein Dichtungselement eingefügt werdenmedia openings 118 leading pipe 142 holds, into which a sealing element is inserted

und Gas mit einer Rate von 96 SCFH durch das zu ⁶° kann. Der Einsatz 260 (F i g. 14) besitzt auch eineand gas at a rate of 96 SCFH through that to ⁶ ° can. The insert 260 (FIG. 14) also has one

den der Wirbelbewegung dienenden öffnungen 120 Kühlrippe 268, welche eine Wand einer Kammer bil- the openings 120 serving for the vortex movement cooling rib 268, which form a wall of a chamber

führende Rohr 150 einleitet. Der Schwingungskreis wird det, durch welche zusätzliches Kühlmittel durch dieleading pipe 150 initiates. The oscillation circuit is det, through which additional coolant through the

auf einer Anodenleistung von 9 kW (1,5 Ampere Leitung 270 in die Düsenplatte 40' eingeführt werdenon an anode power of 9 kW (1.5 ampere line 270 are introduced into the nozzle plate 40 '

bei 6000VoIt) eingeregelt, und die Bildung eines kann. Die öffnung 272 des Düseneinsatzes nachat 6000VoIt), and the formation of a can. The opening 272 of the nozzle insert after

Plasmas wird dadurch eingeleitet, daß an dem leiten- ⁶5 Fig. 14 kann Durchmesser von 3 bis 30 mm anneh-Plasma is introduced by the fact that the guide ⁶ 5 Fig. 14 can assume a diameter of 3 to 30 mm.

den Innenüberzug 24 des Quarzrohres 22 Funken men.the inner coating 24 of the quartz tube 22 sparks men.

entstehen, welche durch das intensive elektromagne- Der Einsatz 262 in Fig. 15 hat einen schräg ver-caused by the intense electromagnetic The insert 262 in Fig. 15 has an obliquely

tische Feld in der Plasmakammer 30 erzeugt werden. laufenden Übergangsteil 274 an seinem Ausgangska-tables field in the plasma chamber 30 are generated. running transition part 274 at its output channel

nal 276. Dieser Kanal kann Durchmesser zwischen 6 und 18 mm annehmen. Auch die Injektorkanäle 278 verlaufen radial durch die Düsenwand in den Austrittskanal 276 und befinden sich in Deckung mit den Zuführungsleitungen 280 in der Düsenplatte 40'. Über die Leitung 278 kann auch Material zugeführt werden, welches in dem Plasmastrahl, welcher den Generator verläßt, beispielsweise zur Bildung von Kügelchen, vorhanden sein soll.nal 276. This canal can assume a diameter between 6 and 18 mm. Also the injector channels 278 run radially through the nozzle wall into the outlet channel 276 and are in register with the Feed lines 280 in the nozzle plate 40 '. Material can also be supplied via line 278 which in the plasma jet which leaves the generator, for example to form spheres, should be present.

Die Düse dieses Plasmagenerators kann verschiedene Formen annehmen und kann beispielsweise aus einer Mehrzahl von parallelen Kanälen bestehen, ausThe nozzle of this plasma generator can take various forms and can, for example, from consist of a plurality of parallel channels

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denen je ein Strahl austritt. Gewünschtenfalls kann man auch einen sternförmigen Querschnitt des Strahls erzeugen. Die Düsenplatte wird dauern vom Kühlmittel bespült und schützt daher das Rohr 22 und den elastischen Ring 26. Die Düsenplatte und die Stirnwand 38 sind elektrisch voneinander durch das Gehäuse 10 und das Rohr 22 isoliert, so daß sie getrennt zur elektrischen Steuerung des Generators benutzt werden können. Die Anordnung ermöglicht ίο auch in der Plasmakammer 30 den Druck zu überwachen und zu beeinflussen und dadurch den Arbeitsbereich des Generators zu vergrößern.each of which emits a jet. If desired, you can also have a star-shaped cross section of the Generate a beam. The nozzle plate is continuously flushed by the coolant and therefore protects the pipe 22 and the elastic ring 26. The nozzle plate and the end wall 38 are electrically through from each other the housing 10 and the tube 22 are insulated so that they are separated for electrical control of the generator can be used. The arrangement makes it possible to monitor the pressure in the plasma chamber 30 as well and to influence and thereby increase the working range of the generator.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Generate a gas flow with an azimuthal component that propagates in the maximum direction.

1. High-frequency plasma generator with a plasma generator is a strong electric tube-shaped combustion chamber, which is surrounded by an magnetic field to generate an electrical induction coil and at one end 5 current in an ionized gas and for induction gas feed openings, which uses a tion heating so that a thermal plasma is created along the inner wall of the combustion chamber. Such a plasma can be used for many purposes in the axial direction with expanding gas flow, for example for the processing of azimuthal components, thereby of metallic and refractory materials, characterized for that for generating the io chemical reactions and for processes that under axial and azimuthal Component of high temperature need to be carried out. Gas flow two different sets of open- There are known plasma generators (German openings (114 and 120) are provided, their Auslegeschrift 1 239 033 and 1 264 640), in which gas inlets (130 and 150) are separated from one- the gas so in the combustion chamber is initiated that are other controllable. In addition to the axial component, it has an azimuthal component

2. Plasma generator according to claim 1, marked component is issued so that it moves helically along the characteristic through several separate openings combustion chamber wall. The azimuthal direction responsible for (114) for introducing the gas in azimuthal this helical movement into the combustion chamber (30). component is either replaced by a corresponding

3. Plasma generator according to claim 1, marked 20 inclination of the gas inlet channel or channels or with the aid of draws caused by several separate, tangential to a specially designed baffle plate. Circumference of the combustion chamber (30) directed opening According to an older suggestion (German patent applications (120) for the introduction of the gas in azimu-1286 241) the two flow compotaler are in the direction of the combustion chamber. components of separately arranged gas ducts

4. Plasma generator according to claim 1, marked 25 supplies, the gas supply lines, however, are not separated by several additional radially judicially controllable from one another, so that here, too, the opening gas flow within the combustion chambers (118) that can be acted upon independently of gas for introducing the gas in radial mer, its direction into the combustion chamber (30) and its geometry cannot be changed within a larger area. The stabilization of an annular space (152) between the plasma over the rotation of the gas or over the mouths of these openings and the wall allows specially exploited turbulence phenomena in the combustion chamber. therefore only in a relatively narrow operating range

5. Achieve plasma generator according to one of the claims. In particular, it is difficult to produce a stable before 1 to 4, characterized in that under high power plasma. The pressurized gas at the same time through the axially, 35 of the generator generated plasma must namely be stable radially and tangentially directed openings (114, against displacements, furthermore the 118, 120) must enter the combustion chamber (30). Walls of the combustion chamber dissipated heat small

6. Plasma generator according to claim 5, characterized enough to allow heat dissipation without damage, that the radial and tangential movement of the combustion chamber must be guaranteed during operation Gas channels outward in the direction of the 40 th.

Wall of one of the combustion chamber (30) enclosing- As the heat capacities and the electrical

the tubular body (22) extend. Resistances of different gases in the ionization

7. Plasma generator according to claim 5 or 6, change state, the load is characterized in that the openings (114th plasma generator feeding power source at each 118, 120) of the axially, tangentially and radially gerich- 45 gas different. For nitrogen and hydrogen, the gas ducts each have the same distance from each other - a greater amount of energy is required than for argon. Therefore have stalls. has an argon plasma for a given input

8. Plasma generator according to one of the claims energy having a much larger diameter than a before 1 to 7, with a tubular body made of nitrogen plasma or hydrogen plasma, which are thermally stabilized on the one hand by their dielectric material and small thermal 5o. Attempts to convert a co-expansion coefficient for the combustion chamber, generated by means of an induction effect, into a housing (10), characterized by a tubular body plasma of a diatomic gas, waper (22) and an intermediate housing (10), often unsuccessful because Changes to the tubular body and the housing in the geometry of the plasma, its stability with the chamber (68) formed to accommodate the influences and the coupling of the coil to the induction coil (12) and through channels (63, 64, stung ( So there were changes 66, 75) to the passage of a coolant gene in the geometry of the assembly and / or changes through the chamber (68). changes in the power supply, for example in.

the frequency of the power supply for each gas, not-60 agile.

The object of the invention is to provide a high frequency plasma generator which in a larger range of different

The invention relates to a high-frequency Pias- drive conditions, such as monatomic and at magenerator with a tubular combustion chamber, 65 diatomic gases, operated with better stability which is surrounded by an induction coil and can be turned on. For this purpose, the geometric dimensions should be Has the end of gas supply openings, changes in the plasma without changing the energy consumption a supply along the inner wall of the combustion chamber when the gas used is changed