DE1764978A1

DE1764978A1 - Induktions-Plasmaerzeuger

Info

Publication number: DE1764978A1
Application number: DE19681764978
Authority: DE
Inventors: Thorpe Merle Lee; Harrington Kent William
Original assignee: Humphreys Corp
Current assignee: Humphreys Corp
Priority date: 1967-09-14
Filing date: 1968-09-16
Publication date: 1972-01-27
Also published as: JPS5014116B1; DE1764978C3; DE1764978B2; US3530334A; GB1231093A; JPS5246079B1

Description

ΓΙ/.Λ.Α.;

Induktions-Plasmaerζeuger

Die Erfindung betrifft Induktions-Plasmaerzeuger, insbesondere eine Yorrichtung zum Induktionserhitzen eines Gases mit elektrischer Hochfrequenzenergie. Solche Apparaturen, in denen hochheißes thermisches Plasmagas durch induktive Verkopplung von elektrischer Hochfrequenzenergie auf ein ionisiertes Gas erzeugt wird, eignen sich für verschiedene Zwecke, beispielsweise für

ugöDz^ von chemischen Reaktionen, für die Materialprüfung ™

und Materialbehandlung und für Industrieöfen oder -heizanlagen·

Ein Zweck der Erfindung ist es, neuartige und verbesserte Induktions-Plasmaerzeuger zu schaffen»

Ein weiterer Erfindungszweck besteht darin, eine neuartige und

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verbesserte Induktions-Plasmaerzeugerausbildung zu schaffen, die einen stabilen Betrieb mit verschiedenartigen ^fcrfcwaysowie verschiedenartigen PlasmakammerW*stü^itf]ttge» ermöglicht „

Ein weiterer Erfindungszweck besteht darin, neuartige und verbes— serte Induktions-Plasmaerzeugerausbildungeny~die sich besonders für technische oder Industrieverfahren eignen, bei denen entweder fluide Stoffe erhitzt oder Teilchen in einen erhitzten Gasstrom eingetragen werden.

Ein weiterer Erfindungszweck besteht darin, eine neuartige und verbesserte Plasmakammerausbildung für die Verwendung in Induktions-Plasmaerzeugern zu schaffen.

Weitere Aufgaben der Erfindung bestehen darin, neuartige und verbesserte Regel- und Zündverfahren für Induktions-Plasmaerzeuger zu schaffen.

Plasmaerzeuger gemäß dem Gegenstand der Erfindung haben eine Plasmakammer, eine die Kammer umgebende Induktionsspule und einen Injektor zum Einblasen von Gas in die Kammer, das dort unter dem Einfluß des von der Induktionsspule erzeugten elektromagnetischen Feldes in den thermischen Plasmazustand übergeführt wird» Gemäß

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einem Merkmal der Erfindung ist zwischen dem Gasinjektor und der Plasmaltammer eine Stabilisier anordnung vorgesehen, die einen Auslaß von kleinerem Querschnitt als die Plasmakaraner hat und zwischen dem Injektor und dem Elektromagnetfeldbereich (der z.B· an der ersten Windung der Induktionsspule endet, wenn eine Spule vom Solenoidtyp verwendet wird) angeordnet ist, so daß sich eine Vergrößerung der Querschnittsfläche ergibt und der Gasstrom beim Eintritt in die Plasmakammer von den Kammerwänden ferngehalten wird. Diese Ausbildung trägt zur Stabilität der Gasströmung in die Plasmakammer bei, und das aus dem Gasstrom erzeugte Plasma ermöglicht die Verwendung verschiedenartigster Gasinjektorausbildungen und Gase für "die Plasmaerzeugung, ferner verbesserte Materialwechselwirkungen in Plasmaerzeugern sowie die Anwendung verschiedenartiger Plasmakammerausbildungen. In Fällen, wo ein Teil der S tabi Ii si er an Ordnung in den Lichtbogenbereich (den Bereich, wo das Gas leitend ist) hineinreicht, ist dieser Teil der Stabilisieranordnung vorzugsweise so ausgebildet, daß er für das von der Hochfrequenzspule erzeugte elektrische Feld permeabel, d.h. durchdringbar ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Hilfsgas

injektoranOrdnung zum Einblasen eines zweiten Gases in

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die Stabilisieranordnung außen umgebenden Ringströmung vorgesehen, um eine glatte, gleichförmige, hochschnelle Ringströmung zu bilden, die den aus dem vom Hauptgasinjektor einströmenden Gas gebildeten Plasmalichtbogen umhüllt. Durch diese Hilfsgasinjektoranordnung erhöht sich die Vielseitigkeit des Plasmaerzeugers und wird die Verwendung für eine Vielzahl von chemischen und Materialumsetzung sproze ssen ermöglicht. Beispielsweise wird es durch die α Hilfsgasinjektoranordnung möglich, im Plasmaerzeuger erheblich größere Mengen und Konzentrationen an Wasserstoff zu erhitzen, als es bei Verwendung des Hauptinjektors allein möglich wäre·

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Plasmakammer durch eine Vielzahl von dicht beabständeten, axial verlaufenden Rohrelementen gebildet und sind Einrichtungen zum Durchleiten eines Kühlmittels durch die Rohrelemente vorgesehen. Eine solche ™ Plasmakammerkonstruktion ist, wie sich herausgestellt hat, widerstandsfähiger gegen Beschädigung bei hohem V/ärmefluß als Keramikstoffe wie Quarz, so daß eine größere Energieübertragung auf das Ausgangsgas ohne nennenswerte Verringerung des Wirkungsgrades des Erzeugers möglich ist. Im Hinblick auf die elektrische Stabilität und die ^asstromstabilität hat es sichy^rforderlich erwiesen, daß jedes Rohrelement nur einen kleinen Bruchteil der Umfangslänge oder Winkelausdehnung der ^^ΚΒΕΒΟΒΟΰί Plasmakammer

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einnimmt, und zwar vorzugsweise weniger als 20 Grad. Bei einer speziellen Ausführungsform bestehen die Rohrelemente aus Metallzylindern. I

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird ein poröses Scheibenelement als Axialströmungsverteiler in der Injektoranordnung verwendet. Solche Scheibenelemente ergeben eine axiale Gasströmung über ihre gesamte fläche und bringen Verbesserungen in der Verteilung und im Volumen der Gasströmung beim stabilen Plasmaerzeugerbetrieb mit sich· Um eine gleichmäßige Gasverteilung zu erhalten, ist es erwünscht, daß das poröse Element ein Druckgefälle von mindestens 12,7 cm (5 Zoll) Wasser hat, wobei die Porengröße vorzugsweise weniger als 25 Mikron beträgt.

Gemäß weiteren Merkmalen der Erfindung sind Austragsdüsenanordnungen vorgesehen, die ein verbessertes ψΡ& Einblasen von Teilchen zur Behandlung durch den aus dem Erzeuger austretenden Heißgasstrom ermöglichen und für einen erhöhten Schutz von im Plasmagenerator verwendeten elastomeren Dichtungsteilen sorgen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist ein verbessertes Betriebsverfahren für Plasmaerzeuger vorgesehen· Das hierzu

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dienende elektrische System ist mit einer stetig veränderbaren Regelung ausgerüstet, die so arbeitet, daßVdie Oszillatorparameter eingestellt und das der l·lasmakaramerspule im lastfreien Zustand (kein Plasmalichtbogen in der Plasmakammer) zugefiihrte elektrische Potential maximalisiert wird; dann wird das Gas in der Plasmakammer ionisiert und das elektrische Feld auf das ionisierte Gas gekoppelt, um den Plasmazustand herbeizuführen; und anschließend wird die veränderliche Regelung weiter verstellt, so daß der Stromfluß in der Oszillatorregelschaltung innerhalb des Bereichs des maximalisierten elektrischen Potentials an der Plasmaspule erhöht wird. Bei dieser Betriebsweise erhöht sich der Prozentsatz der auf das Plasmagas übertragenen Energie, so daß die Kutzausgangsieistung des Erzeugers entsprechend ansteigt. Da der optimale Arbeitsbereich verhältnismäßig eng ist, erweist sich die stetig oder laufend veränderbare Regelung als besonders nützlich für die Erzielung des optimalen Betriebs.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert.

Bs zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Induktions-Plasmaerzeugers

gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 einen Schnitt der Plasmakammer des Erzeugers entlang der Linie 2-2 in Fig. 1|

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Figc 3 eine Schnittdarstellung einer anderen Injektor ausführung

für die Apparatur nach Pig. I;
Fig. 4 eine Schnittdarstellung eines Plasmaerzeugers gemäß p&mt

einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 in Fig. 4- zur Veranschaulichung der die Wandung der Piasmakammer bildenden

Anordnung;
Fig. 6 das Schaltschema einer Induktionsspulen-Erregerschaltung für die Plasmaerzeugeranordnungen nach Fig. 1-5}

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Fig. 7 toelfStirn an sieht der Spulenabstimmanor dnung für die

Schaltung nach Fig. 6;

Fig. 8 eine vergrößerte Seitenansicht eines Teils der Spulenabstimmanor dnung nach Fig. 7$

Fig. 9 drei Diagramme, welche die Änderung der Oszillatorparameter der Schaltung nach Fig. 6 in Abhängigkeit von der Einstellung der veränderlichen Regelspule wiedergeben; und

Fig. 10 eine abgewandelte Düsenform für die Behandlung von teilchenfarmiger Materie mit den Plasmaerzeugern nach Fig. 1 und 4.

Der in Fig. 1 gezeigte Plasmaerzeuger hat eine Basis 10 mit einer Mittelbohrung 12, in der eine Gasinjektor an or dnung 14 angeordnet

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ist. In einer Nut 16 der Bohrung sitzt ein O-Ring 18, der gegen die InjektoranOrdnung 14 abdichtet, die durch Stellschrauben 20

Bio«*

in Axiallage relativ zur fcfegeVlO befestigt ist.

Die Injektor an Ordnung hat einen zylindrischen Körper 22 (ß, Durchmesser 5jO8 cm = 2 Zoll) mit einem mittleren Materialeintragskanal 24 und drei axial verlaufenden GasStrömungskanälen 26, 28

CIn

und 3Oe Eine Gegenbohrung oderVSenker 32 am oberen Ende des Zylinders 22 bildet einen Sitz für einen Mischkopf 40, der durch, einen Bolzen 42 (mit einem Durchlaß 43, der mit dem Kanal 24 fluchtet und eine Verlängerung desselben bildet) befestigt ist.

Bleik Der Mischkopf 40 hat einen zylindrischen ^»f/44 (Durchmesser 4,763 cm = 1,875 Zoll) mit einem Verteilerringkanal 45 (Tiefe 0,157 cm = 0,062 Zoll; Breite 0,792 cm = 0,312 Zoll) an seinem oberen Ende, über dem ein Ring 46 befestigt ist, der eine Reihe von 12 axialen Austragsöffnungen 47 (0,066 cm = 0,026 Zoll) auf 3,048 cm ff(.i,2 Zoll) Durchmesser^ftfetfce aufweist. Unmittelbar unter dem Kanal 45 befinden sich zwei Umfangsverteilerkanäle 48 (in Verbindung mit dem Kanal 28) und 50 (in Verbindung mit dem Kanal 30). Auf der Wand des aufsitzenden Mischkörpers befindet sich ein Ring 52 mit einem Satz von 12 radialen Durchlässen 54 (Durchmesser je 0,066 cm = 0,026 Zoll) unmittelbar vor dem

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Verteilerkanal 48 sowie {$m\Satz von 12 Drall-oder Düsenöffnungen 56 (Durchmesser je 0,066 cm = 0,026 Zoll) vor der Verteilerkanal 50.

Auf der Basis 10 ist ein Zwischenteil 60 montiert, das eine Übergangskanal-Hilfsgasinjektoranordnung aufnimmt. Auf dem Zwischenteil 60 ist ein Gehäuse 62 montiert, in dem eine Induktionsspule 64 und ein die Plasmakammer bildendes Quarzrohr 66 ange- ^ ordnet sind. Zum Zusammenhalten und Befestigen der Anordnung dienen Bolzen 68, die durch die Basis 10 und den Zwischenzylinder 60 in das Gehäuse 62 eingeschraubt sind. Am oberen Ende des Gehäuses 62 ist eine Stirnkappe 70 mittels Schraubbolzen befestigt.

Der Zwischenzylinder 60 hat einen Innendurchmesser von 8,255 cm ( 3 1/4 Zoll) und nimmt abdichtend eine Stabilisieranordnung ™

in Form eines Übergangskanals 80 und einer HiIfsinRektor anordnung 89 auf. Die Übergangskanalanordnung 80 mit einem Innendurchmesser von 5,08 cm (2JZoll) und einer Länge von 12,38 cm (4 7/8 Zoll) besteht aus einem wassergekühlten Abschnitt aus Wandungen 82 und 84, einem oberen Stirnteil 85, einem unteren Stirnteil 86 und einem zylindrischen Quarζtrennstück 88 (Länge

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1,27 cm = 1/2 Zoll),dessen Ende im wesentlichen mit der unteren Energiezuführungsleitung der Spule 64 fluchtet. Der Übergangskanal 80 ist von der Hilfsgasinjektoranordnung 89 umgeben, die einen ringförmigen, axial verlaufenden Pufferkanal 90 (Breite 0,159 cm α 1/16 Zoll) und einen fffifff- umgebenden ringförmigen, axial verlaufenden Hauptkanal 92 (Breite 0,476 cm = 3/16 Zoll) aufweist. Hilfsgas wird dem Pufferkanal 90 durch die Öffnung 94 und über den Durchlaß 96 zugeführt, während der Hilfsgas-Hauptstrom durch die Öffnung 98 in den Verteilerkanal 100 und durch Radialöffnungen 102 (insgesamt 42 mit einem Durchmesser von je 0,066 cm = 0,026 Zoll) sowie durch einen zweiten Haupteinlaß mit der Öffnung 104 in den Verteiler kanal 106 und durch Düsenöffnungen 108 (insgesamt zwölf mit einem Durchmesser von je 0,066 cm = 0,026 Zoll) geleitet wird.

Der HiIfsgasverteiler und die Übergangskanalanordnung, die als einstückige Baueinheit ausgebildet sind, sind genau gleichachsig mit der Injektoranordnung 14 montiert. Das Quarzrohr 88 bildet eine Verlängerung der Innenwand der Übergangsanordnung 80, so daß sich eine gleichmäßige Piasmagass brömung (getrennt von dem aus der Injektoranordnung 89 einströmenden Hilfsgas) entlang den Wänden des Quarzrohres 88 ergibt.

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führt
Ein Kühlmitteleinlaß 1.10 fläi^von der Aufsitzfläche zwischen

dem Zylinder 60 und dem Gehäuse 62 zum Kanal zwischen den bänden 82 und 84, und ein Auslaß 112 führt vom Kanal zwischen den 7/änden 82 und 84 auf der dem Einlaß 112 gegenüberliegenden Seite radial nach außen.

Das Gehäuse 62, das aus einem geeigneten Material gleichmäßig hoher elektrischer Isolierfestigkeit, das durch das verwendete Kühlmittel nicht angegriffen wird, beispielsweise Polytetrafluoräthylen (Teflon) besteht, ist mit rohrförmigen elektrischen Anschlußbolzen 120, 122 mit je einer wassergekühlten Bohrung 124 versehen. Der obere·Anschlußbolzen 120 ist mit einem Anschluß-

sptkd \ $o\Hceaa 126 verbunden, der seinerseits an das eine Ende der Spule 64 (bestehend aus fünf '//indungen 0,238 cm = 3/32 Zoll Kupferrunddraht mit einer Länge von ungefähr 10,16 cm = 4 Zoll und einem Innendurchmesser von ungefähr 8,255 cm = 3 1/4 Zoll) angeschlossen ist. Das andere Ende der Spule 64 ist mit dem Sockel 128 verbunden, in den der Anschlußbolzen 122 eingeschraubt ist. Die Kühlmittelbohrung 124 des Anschlußbolzens 122 ist mit dem Durchlaß 130 im Gehäuse 62 verbunden, der seinerseits mit dem Einlaß 110 im Abschnitt 60 fluchtet. Ein zweiter Durchlaß 132, der mit der die Spule 64 aufnehmenden Ringkammer 134 verbunden ist, ermöglicht

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eine Aufwärtsströmung des Kühlmittels an der Spule 64 vorbei und um das obere Ende des Quarzrohrs 66 herum, Jxtaydurch den Auslaß

Ii tro h,

136 in die Bohrung 124 im oberen An Schluß bolz en 120

Die an der Stirnkappe 70 befestigte Düse 140 bildet eine verengte Düsenöffnung, die sowohl vom Plasmagas als auch .vom Hilfsgas W durchströmt wird. Außerdem reicht die Düsenanordnung nach unten in die durch das Quarzrohr 66 gebildete Plasmakammer soweit hinein, daß ein für die vom Lichtbogenbereich ausgehende Strahlung undurchlässiger Schirm zwischen diesem Lichtbogenbereich (angedeutet bei 142) und dem oberen O-Iragring 144 für das Quarzrohr gebildet wird. Die Übergangskanalanordnung 80 bildet einen ähnlichen Strahlungsschutzschirm für den unteren O-Ring 146. Eine Anzahl von weiteren O-Ringdichtungen 148 sind jeweils zwischen den aufeinander sitzenden Teilen des Plasmaerzeugers, nämlich zwischen der Stirnkappe 70 und dem Gehäuse 66, zwischen dem Gehäuse 66 und dem Zylinder 60 sowie zwischen dem Hilfsinjektor 89 und dem Zylinder 60 und der Basis 10 vorgesehen.

Im Betrieb dieses Plasmaerzeugers wird durch Einleiten von Argongas mit einer JB%iHi2nnag^i?a4i«-^o(iöJP DurchflußmengeVvon 30 scfh durch

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die axialen Einlaßöffnungen 46 (Kanal 28) und von 80 sofh durch die Einlaßöffnungen 56 (Kanal 30) die Plasmabildung eingeleitet. Die Einleitung der Plasmabildung kann beispielsweise durch zeitweiliges Einführen eines Graphitstabes in die Plasmakammer erfolgen, wo der Graphitstab durch das von der Spule 64 erzeugte elektromagnetische Feld erhitzt wird. Nachdem das Plasma erzeugt, ist, wird die das Plasma unterhaltende Argonströmung auf z.B. die folgenden Werte eingestellt:

Kanal 26 40 scfh

Kanal 28 0 scfh

Kanal 30 80 scfh

Der resultierende Lichtbogen 142 hat allgemein die in Fig. 1 angedeutete Form. Ein Gas für die chemische Umsetzung oder für Analysenzwecke kann durch die Öffnungen 94, 98 und 104 eingespeist werden. Die öffnung 94· dient hauptsächlich für )$ Pufferungszwecke, während der Hauptgasstrom durch die öffnung 98 fließt (mit gewünschtenfalls Zusatzgas durch die öffnung 104). Bei der praktischen Erprobung der vorliegend^ beschriebenen Apparatur wurde Wasserstoff als Hilfsgas auf eine Temperatur von ⁰

(2800⁰F) erhitzt und^im Dauerbetriebfinehr als eine Stunde Durchflußmenge von 3600 β scfh, die sich auf die Hilfs-

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öffnungen wie folgt verteilte:

Öffnung 9A- 200-1000 scfh

öffnung 98 2600-3600 scfh

Öffnung 104 0 scfh

wobei keinerlei !Instabilitäten im Lichtbogen 142 auftraten. Mit geringeren Durchflußmengen über den Hilfsinjektor 89 eingeleitetes Wasserstoffgas wurde auf 276O⁰C (500O⁰F) erhitzt.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Hauptgasinjektors, die sich besonders für Argon als lichtbogenbildendes ^JiK Gas eignet, da ^Zk&Vbei gleicher Leistung bzw. gleichem Energieaufwand einen längeren und heißeren Gasstrom aus dem Brenner erzeugt, und die eine erhebliche Steigerung des Leistungsvermögens des Plasmaerzeugers ohne Versagen des Quarzrohrs 66 ermöglicht. Eine poröse Bronzescheibe 200 mit einer Dicke von 0,317 cm (1/8 Zoll) und einem Durchmesser von 4,128 cm (1 5/8 Zoll) ist gleichachsig in Bezug auf die Mischeranordnung mit 4,763 cm (1 7/8 Zoll) Durchmesser als Ersatz für die axialen Düsenöffnungen 47 (in der Platte 46) angeordnet. Der durch den Bolzen 42 gebildete Mittelabschnitt hat einen Durchmesser von 1,27 cm (1/2 Zoll). Porositäten von 1,5 bis 25 Mikron, die Druckgefälle von 76,2-177,8 bis 17_t78-35,56 cm (30-70 bis 7-14 Zoll) Wasser erzeugten, ergaben einen zufrieden-

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stellenden Betrieb. Ein zufriedenstellender Betrieb wurde ferner mit einem Hauptinjektor erhalten, bei dem eine poröse Bronzescheibe ohne Bolzen 42 verwendet wurde, so daß die Hauptgasströmung sich über die gesamte Breite der Scheihe erstreckte. Ein poröser Ring dieser Art kann auch am ringförmigen Auslaß des Hilfsinjektors 89 verwendet werden.

Fig. 4 und 5 veranschaulichen eine zweite Ausführungsform der Erfindung» Dieser Plasmaerzeuger hat eine Basis 10·, in der eine Plasmagasinjektoranordnung (Hauptinjektor), schematisch angedeutet bei 40·, sowie eine Hilfsgasinjektor-Übergangskanalanordnung 60' gehaltert 'sind. In der Anordnung 60' befindet sich ein Übergangskanaleinsatz 150 mit einem Innendurchmesser von 5»398 cm (2 1/8 Zoll) und einer Longe von 16,51 cm (6 1/2 Zoll). Dieser Übergangskanal 150 besteht aus einer Basis 152, die in den Abschnitt 60' eingeschraubt ist, einer metallischen Innenwandung 154, an der ein Kopfstück 156, auf dem eine Quarzrohrverlängerung 158 sitzt, befestigt ist, sowie einem umgebenden Rohrwandungsteil 160, das vom Kopfstück I56 nach unten ragt und mit der 7/andung 154 einen ringförmigen Kühlmittelkanal 162 bildet·

Tüin ebenfalls am Kopfstück 156 befestigtes drittes Rohrteil

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hat eine Reihe von 42 axialen öffnungen oder Durchlässen 166 (0,066 cm = 0,o26 Zoll Durchmesser) und eine Reihe von sechs Drall-oder Düsenöffnungen 167 (0,066 cm = 0,026 Zoll), die in Verbindung mit der Ringkammer 168-zwischen den Rohrteilen 160 und 164 stehen. Diese Einsatzanordnung 150 ist in der Anordnung 60' befestigt, die einen Kühlmitte!einsatz 170, einen Kühlmittelauslaß 172 und einen Hilfsgaseinlaß 174 aufweist. Durch O-Dich-A tungsringe 176 wird das Kühlmittel vom Hilfsgas isoliert.

Auf dem Zwischenteil 60' ist eine die Plasmakammer bildende Anordnung mit einer (als Kopfstück dienenden) Basis 180 angeordnet, an der ein Kranz vonVKupferrohren mit 0,317 cm (1/8 Zoll) Außendurchmesser und 0,216 cm (0,085 Zoll) Innendurchmesser und mit einem Abstand von 0,056 cm (0,022 Zoll) befestigt ist. Die unteren Enden der Rohre sind an die Basis 180 angelötet, um die Verbin-™ dung mit dem Verteilerkanal 184 herzustellen, der seinerseits mit Einlaßöffnungen 186 und Auslaßöffnungen 188 verbunden ist. Die oberen Enden der Rohre 182 sind in ähnlicher Weise mit dem Kopfstück 190 verbunden. Der Abstand zwischen den Kopfstücken 180 und 190 beträgt 14,61 cm (5 3/4 Zoll), und der Innendurchmesser Jedes Kopfstücks beträgt 7_f62 cm (3 Zoll).

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Der Rohrkranz 182 ist von einem Keramikrohr (Rotasil) mit einem Innendurchmesser von 8,89 cm (3 1/2 Zoll) und einer Länge von 18,42 cm(7 1/4 Zoll) umgeben. Eine Spule 64' aus Kupferrohr mit einem AußeniLurchmesser von 0,635 cm (1/4 Zoll) umgibt das Rohr 192 und ist an die Energieversorgung angeschlossen.

Die Verwendung dieser KetalIwandanordnung für die Plasmakammer hat sich als besonders vorteilhaft beim Betrieb des Plasmaerzeugers äM ohne Hilfsgasstrom erwiesen. Beispielsweise wurden Plasmaerzeuger, deren Plasmakammer durch den MetalIrohrring gebildet wird, mit Prozentsätzen an Wasserstoff im Hauptgasstrom betrieben, welche diejenigen Prozentsätze überstiegen, die bei einem Plasmaerzeuger in der Ausführung nach Fig. 1 und 2 zum Reißen oder Springen des Quarzrohres führen wurden. Ferner waren mit dem Ring oder Kranz aus Rohrelementen hohe Energiedichten erzielbar. Bei"einem Plasmaerzeuger mit aus Rohren in der beschriebenen Art aufgebauter Plasmakammer mit einem Durchmesser von 2,54 cm (1 Zoll) war eine Energie- oder Leistungsdichte von 60 kW erzielbar, während bei Verwendung eines Quarzrohrs von 2,54 cm (1 Zoll) Durchmesser die maximal erzielbare Leistungsdichte 25 kW betrug.

Die Zündung dieses Plasmaerzeugers kann in der V/eise erfolgen,

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daß ein Graphitbolzen 43 des Mischers 40 mit einer axial durch das Austragsende der Plasmakammer eingeführten Elektrode unter Spannung berührt wird. Durch den entstehenden Gleichstromlichtbogen wird das Gas in der Kammer ionisiert, wobei das von der Spule 64 erzeugte elektrische Feld auf das ionisierte Gas gekoppelt wird.

Der in Fig. 4 und 5 gezeigte Plasmaerzeuger wurde mit folgenden Bemessungswerten betrieben:

Argonkern 115 scfh

Wasserstoffhülle 2730 scfh
Spulenwindungen 6

Spuleninnendurchmesser 10,16 cm (4 Zoll)

Oszillatorschwingkreiskondensator 900 Mikrofarad Sperrkondensator 125 Mikrofarad Frequenz 2,5 MHz

In Abwandlung der Plasmaerzeugeranordnung nach Fig. 4 kann die PlasmakammeranOrdnung nach Fig. 1 verwendet werden, während die Spule 64 am Ende der Quarzverlängerung 158 in der gleichen Lage angeordnet ist wie in Fig. 4. Eine derartige Anordnung wurde mit den folgenden Bemessungswerten (die mit den obenange-

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gebenen Werten vergleichbar? sind) betrieben:

Argonkern 120 scfh

Wasser stoffhülle 3610 scfh Spulenwindungen 5

Spuleninnendurchmesser 8,38 cm (3»3 Zoll)

Oszillatorschwingte ei skon den sat or 900 Mikrofarad

Sperrkondensator 200 Mikrofarad

Frequenz 3»1 MHz.

Die gemessene 7/ärmeenergie im aus dem Brenner austretenden Gas betrug mein? als 40% der Gleichstromeingangsenergie des Plasmaerzeugers·

Fig. 6 zeigt ein Schaltschema der für die beschriebenen Plasmaerzeuger verwendeten elektrischen Anordnung. Diese Anordnung enthält eine Oszillatorröhre 210, die über die Leitungen 212, 214 mit Gleichstromenergie gespeist ist. Die Anode 216 der Röhre 210 ist über den Gleichstrom-Sperrkondensator 218 mit dem Hauptschwingkreis gekoppelt, der aus den Kondensatoren 220, 222, der Regelspule 224 und der Plasmaerzeugerspule 64 besteht. An das Steuergitter 226 der Röhre 210 sind ein Kondensator 228 und eine

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stetig veränderliche Spule 230 angeschlossen. Fig. 7 und 8 zeigen in schematischer Stirn- bzw. Seitenansicht diese stetig veränderliche Gitterspule 230. Die Spule 230 hat 36 //indungen, von denen eine durch einen Abgriff in"Form zweier nebeneinander angeordneter Scheiben 232, 234 kontaktiert wird, die auf einem Arm 236 angeordnet sind, der seinerseits drehbar auf einer Welle 236 in der Mitte der Spule 230 sitzt. Beim Drehen der Welle traversiert diese ^griffanordnung die Wendelspule 230, so daß der Abgriff über einen großen Bereich stetig verstellt werden kann.

Die Änderung der An ο de η spannung, des Anodenstromes und der Gitter-rjfspannung in Abhängigkeit von der Einstellung des Abgriffs der Spule 230 im lastfreien Betrieb ist in den Diagrammen nach Fig.9A bis^C wiedergegeben. Im Betrieb wird zunächst der Bereich 240, d.h. der Bereich maximaler Anodenspannung (Fig. 9B) und minimalen Anodenstroms (Fig. 9A) eingestellt. Dann wird der Plasmalichtbogen 142 gezündet und damit eine Last hergestellt. Die Einstellung der Gitter spule wird dann im Sinne einer Maximalisierung des Gitterstroms im Bereich 240 und der Leistungswerte des Systems verändert.

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Figo 10 zeigt eine abgewandelte Düsenanordnung 140', die sich besonders für das Eintragen von teilchenförmigen Stoffen in den aus der Plasmakammer austretenden heißen Gasstrom eignete Die Düse hat einen Austrittsabschnitt 250 von 3,81 dm (1 1/2 Zoll) Durchmesser und einen verjüngt zulaufenden Übergangsabschnitt mit einem ersten Segment 255» das im .Zinke 1 von 45° zur Achse des Plasmaerzeugers verläuft, und einem zweiten Segment 254, das im V/inkel von 60° zur Achse des Plasmaerzeugers angeordnet ist. W Von der Außenwand der Düse zum Austrittsabschnitt 250 führen zwei gegenüberliegende Durchlässe 256, 258 mit jeweils 0,208 cm (0,082 Zoll) Durchmesser, die im Winkel von 120 zur Richtung der Gasströmung durch den Austrittsabschnitt 250 gebohrt sind. Die Flansche 260 und 262 bilden Festspann- und Dichtungsflächen zum Befestigen der Düse 140* an der Plasmaerzeugeranordnung.

Im Betrieb wird durch die Kanäle 256, 258 teilehenförmige Materie in den aus der Plasmakammer austretenden Eeißgasstrom eingetragen. Das Eintragen der teilchenförmigen Materie erfolgt im Gegenstrom zur Strömungsrichtung des Gases und an einer solchen Stelle im zylindrischen Austrittsabschnitt 250, das der Heißgasstrom über eine beträchtliche Zeitspanne auf die Materie einwirkt, ohne daß dabei etwas vonder erhitzten teilchenförmigen Materie auf irgend-

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eine der im Winkel zur Sichtung des Gasstromes angeordneten Flächen der Düsenanordnung auftrifft. Auf diese Weise wird die erhitzte beilchenförmige Materie durch den Gasstrom beim 7/ärmebehandlungsverfahren vollständig aus der Düsenanordnung ausgetragen, ohne daß sie sich auf den Düsenflächen ansammelt.

Die hier beschriebenen Ausführungsformen lassen sich im Rahmen der Erfindung in verschiedener Hinsicht abwandeln und anders ausgestalten und die angegebenen Bemessungswerte sind lediglich beispielsweise zu verstehen.

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Claims

Patentansprüche

1. Induktionsplasmaerzeuger, bei dem um eine Plasmakammeranordnung herum eine Hochfrequenzspule zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der Kammer angeordnet ist und mittels eines im Abstand vom einen Kammerenda angeordneten Hauptgasinjektors ein Gasstrom in die PlasmakammeJ? zur Umwandlung in den Plasmalichtbogenzustand unter dem Einfluß des elektrischen Feldes eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Injektor und der Plasmakammer ein ringförmige StabilisieranOrdnung von kleinerem Querschnitt als die Plasmakammer angeordnet ist, derart, daß das Gas vom Injektor in die Plasmakammer in der Nähe der Hochfrequenzspule als mit der Plasmakammer gleichachsiger, von der Kammerwand beabstandeter Hauptstrom eingeleitet wird.

2. Plasmaerzeuger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hilfsgasinjektor zum Einleiten eines zweiten Gases in Form eines den Hauptgasstrom außen umhüllenden Ringstromes, der durch die Plasmakammer am Plasmalichtbogen des Hauptgasstromes vor beiströmt.

3. Plasmaerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

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der Hilfsgasingektor einen axial verlaufenden Ringkanal von erheblicher Länge aufweist, dessen Außenwand die gleiche Form wie die Innenwand der Plasmakammer hat und dessen Innenwand an der Stabilisieranordnung endet, derart, daß zwischen der Innenwand und der Außenwand des Hilfsgasinjektors an der Stabilisieranordnung ein Auslaß gebildet wird, wobei an einer von diesem Auslaß entfernten Stelle eine Einrichtung zum Einleiten des zweiten φ Gases in den Ringkanal vorgesehen ist, derart, daß dieses Gas als gleichmäßig symmetrische Hülle an der Stabilisieranordnung vorbeiströmt.

4-. Plasmaerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptgasinjektor eine Einrichtung zum Einleiten des ersten Gases als Axialströmung in die Plasmakammer sowie eine unabhängig regelbare Einrichtung, die der Erstgasströmung eine tangentiale Komponente für Stabilisierzwecke erteilt, enthält.

5· Plasmaerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Injektoren jeweils eine Einrichtung zum Austragen des Gases über eine Vielzahl von Strömungswegen in einer .Richtung, die eine in Bezug auf die Achse

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des Plasmaerzeugers radiale Komponente aufweist, sowie einen gegenüber dieser Gasaustragseinrichtung angeordneten Randteil zum Umlenken des Gases in der Vielzahl von Strömungswegen in eine Axialströmung enthält.

6. Plasmaerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisieranordnung eine Rohranordnung ist, die vom Hauptgasinjektor zur Plasmakaramer verläuft und einen Teil des unter dem Einfluß des elektrischen Feldes erzeugten Lichtbogens umgibt.

7. Plasmaerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmakammeranordnung aus einer Vielzahl von dichtpeabstandeten, axial verlaufenden Hohrelementen besteht, durch die ein Kühlmittel geleitet wird.

8. Plasmaerzeuger nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die lehrelemente Me tall zylinder sind und der Abstand zwischen diesen Zylindern jeweils ungefähr 0,254 cm (0,1 Zoll) beträgt.

9o Plasmaerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Gasinjektor einen Gasverteiler-

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körper mit einer Ausnehmung enthält, die durch eine zwischen ihr und der Plasmakammer angeordnete poröse Scheibe abgedeckt ist, derart, daß das Gas aus der Ausnehmung in Axlalrichfcung durch die Plasmakammer strömt, wobei die Scheibe eine solche Porösität hat, daß das an ihr herrschende Gasströmungsdruckgefälle mindestens 12,7 cm (5 Zoll) Wasser beträgt.

φ 10. Plasmaerzeuger nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet,

daß die Scheibe eine Metallscheibe mit einer Porengröße von weniger als 25 Mikron ist.

11. Plasmaerzeuger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspule durch einen HF-Oszillator erregt wird, der ein Regelelement mit Ausgangskreis und Steuerelektrode, einen über den Ausgangskreis geschalteten Schwingkreis, in dem die Hochfrequenzspule liegt, sowie eine an die Steuerelektrode angeschlossene, stetig veranderliehe Induktivität enthält.

12, Plasmaerzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die^stetig veränderliche Induktivität eine V/endelspule, eine gleichachsig in dieser angeordnete Drehwelle sowie eine auf dieser

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Drehwelle angeordnete Abgrif'fanordnung enthält, die mit einem Ende in Schleifkontakt mit einem 'Teil einer Jindung der Spule steht und bei Drehung der V;elIe in einem Schrauber).weg längs der Spule bewegbar ist.

13. Flasmaerzeuger nach einejfm der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem von Haurtin-iektor entfernten Ausladende der Plasmakammer eine Düsenanordnung; angeordnet ist, die einen axial verlaufenden Auslaßkanalabschnitt von erheblich kleinerer '4^ueJ?schnittsf lache als die Flasmaka^r;imer sowie einen verjüngt zulaufenden Übergangsabschnitt zwischen der Plasmakammer und dem Auslaßkanalabschnitt bildet und die ferner einen in den Auslaßkanalabschnitt mündenden Llaterialeinleitungskanal zum Eintragen von Material in die Gasströmung durch die Düse in einem 7/inkel von mehr als 90° zur Richtung der Gasströmung durch den Auslaßkanalabsclmitt aufweist»

14. Induktions-Flasmaerzeuger, bei dem um eine eine Flasmakammer bildende Anordnung herum eine Hochfrequenzspule zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der Plasmakammer angeordnet ist und im Abstand vom einen Kammerende ein Fauptgasinjektor zum Einleiten eines Erstgasstromes in die Plasmakammer vorgesehen ist,

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dadurch gekennzeichnet, daß die die Plasmakammer bildende Anordnung aus einer Vielzahl von dicht beabstandeten, axial verlaufenden Rohre lementen besteht, durch die ein Kühlmittel geleitet wird·

15ο Plasmaerzeuger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Rohrelemente jeweils eine Winkelausdehnung von weniger als 20 des Plasmakammerumfangs haben.

16. Plasmaerzeuger nach Anspruch 15,dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrelemente Metallzylinder mit einem gegenseitigen Abstand von weniger als 0,254 cm (0,1 Zoll) sind.

17· Induktions-Flasmaerzeuger, bei dem um eine eine Plasmakammer bildende Anordnung herum eine Hochfrequenzspule zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in der Kammer angeordnet ist, mittels eines im Abstand vom einen Kammerende angeordneten Hauptgasinjektors ein Erstgasstrom in die Plasmakammer eingeleitet wird und die Hochfrequenzspule durch einen HF-Ossi Hat or erregt wird, der ein Hegelelement mit Ausgangskreis und Steuerelektrode, einen über den Ausgangskreis peschalteben Schwingkreis, in dem die Hochfrequenzspule liegt, sowie einen au die Steuer-

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elektrode angeschlossenen .Stromkreis mit einem induktiven und einem kapazitiven Element enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines dieser Elemente stetig veränderlich ist.

18« Plasmaerzeuger nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das stetig veränderliche Element eine V/ende !spule, eine gleichachsig darin angeordnete Drehwelle und eine auf dieser Drehwelle angeordnete Abgriffanordnung enthält, die mit einem Ende in Schleifkontakt mit einem Teil einer 7/indung der Spule steht und bei Drehung der ie lie in einem Schraubenweg längs der Spule bewegbar ist.

19» Verfahren zum Betrieb eines Induktions-Plasmaerzeugers mit einer Plasmakammer, einer diese umgebenden Spule und einem Oszillator zum Erregen dieser Spule zwecks Erzeugung eines elektrischen Feldes in der Plasmakammer mit einem Schwingkreis mit % Induktivität und Kapazität, einem Regelelement mit an den Schwingkreis angeschlossenem Ausgangskreis und Steuerelektrode und einem an die Steuerelektrode angeschlossenen Stromkreis mit einem induktiven und einem kapazitiven Element, wobei mindestens eines dieser "B lerne η be stetig veränderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Elemente im Steuere Ie kbrodenkr eis im Sinne einer

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Maximalisierung der Spannung im Ausgangskreis eingestellt wird; daß in der Plasmakammer Gas ionisiert wird, um ein leitendes Medium zu erzeugen, auf k· welches das von der opule erzeugte elektrische Feld gekoppelt wird; und daß das stetig veränderliche Element im Sinne einer Maximalisierung des Stromflusses im Steuerelektrodenkreis innerhalb des Bereichs der maximalisierten Spannung im Ausgangskreis weiter verstellt wird.

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