DE1936272C - Hochfrequenzplasmabrenner - Google Patents

Description

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode konisch zugespitzt und koaxial zu der Spule angebracht und die Kathode (40) eine zwischen der Anode (38) und der Spule (11) koaxial dazu angeordnete Ringelektrode ist, wobei die konische Spitze der Anode (38) der Kathode gegenüberliegt.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (38) durch sie hindurchgehende Durchlässe (39) aufweist und Einrichtungen für das Injizieren von Gas durch die Durchlässe (39) in den Raum zwischen den Elektroden (38, 40) vorgesehen sind.

5. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Wicklungen der Spule (11) an den Spulenenden einen geringeren Abstand haben als

in dem zwischen den Enden liegenden Teil, damit das an den Spulenenden erzeugte Magnetfeld, verglichen mit dem dazwischenliegenden Teil, stärker ist, wenn durch die Spule ein elektrischer Strom fließt, wodurch das Plasma in dem Zwischenteil der Spule (11) konzentriert ist.

6. Plasmabrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Spulenwindungen jeweils an den Spulenenden und in dem dazwischenliegenden Teil einen gleichen Abstand haben, wobei der Abstand in dem dazwischenliegenden Teil größer ist als an den Spulenenden.

7. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 2 bi? 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anode (38) und der Kathode (40) eine Gleich-. m.X <6A) liegt, um dazwischen periodisch S3SSÄ5S« anzulegen, .deren GröOe ffir die IonisierWg des Gasstroms in dem Spalt tischen den Elektroden ausreicht, der dann ,η S vcn ionisierten Teilchen durch und um die

nach Anspruch 7, dadurch

asrss

zu einem

fnSe äS, um die Kapazität (68 69) auf d"e Spannung der Quelle aufzuladen Impulse ίβς SM»> f^;ir ein periodisches Zünden u-> A"' SS). - d£ Kapazität (68, 69, „ entladen und in dem Resonanzentladungsk,,,, Glcichsiromimpulsc zu erzeugen sowie fc.nrxt: tuneen zum elektrischen Anschließen der Anod 38) und Kathode (40) an Stellen mit Potential unterschied in de..: Resonanzkreis umfaßt

9 Plasmabrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Jie Anode (38) und du-Kathode (40) rvt dem Resonanzentladungskre^ durch einen Zwei«indun_Sstransformator (M) nw sättigbarem Kern iransformatorgekoppelt sind.

Die Erfindung betritft einen Hochfrequenzplasmabrenner mit induktiver Gasentladung, bestehend aus einer zylindrischen Induktionsspule, einein Gaseinlaß an einem Ende der Induktionsspule zur Zufuhr von Gas in den Spuleninnenraum, einem Auslaß am anderen Ende der Spule, aus dem Gasentladungsplasma ausströmt, und einer aus zwei Elektroden bestehenden Ionisierungseinrichtung zwischen dem Gaseinlaß und dem einen Spulenende zur Ionisation des durch den Gaseinlaß einströmenden Gases zwischen den Elektroden.

Ein herkömmlicher Hochfrequenzplasmabrenner mit induktiver Gasentladung besteht im wesentlichen aus einer schraubenförmigen Spule, an die eine Hochfrequenzspannung angelegt wird. Durch den Spuleninnenraum strömt in Axialrichtung auf Grund eines Druckgefälles das Gas, das erhitzt werden soll. Die Ionisierung des Gases wird durch eine elektrische Bogenentladung eingeleitet, die im Spuleninnenraum stattfindet. Durch das von der Spule erzeugte Hochfrequenzrnagnetfeld wird ein Teil der Gasmoleküle im Inneren der Spule zu Ionen und Elektronen disoziiert, die sich am Ausgang der Induktionsspule wieder vereinigen, wobei ihre Energie in Form von Wärme freigesetzt wird. Es bildet sich schließlich ein stationäres Plasma aus, welches infolge des Skineffekts in einem relativ dünnen rohrförmigen Ring in der Spule konzentriert ist. Die der Spule zugeführte elektrische Energie wird auf das ringförmige Plasma dadurch übertragen, daß in diesem Plasma Wirbelströme erzeugt werden.

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Dieser bekannte Hochfreque'nzplasraabrenner hat aufeinanderfolgenden Windungen ^ ^de" fP^

den Nachteil, daß die Elektrodenanordnung zur Er- enden geringer ist als in der *J"™2^Jj£n

K.-gung der elektrischen Bogenentladung für die bevorzugte Ausfuhrungsform der Spule hat.an jeaem

ionisierung des Gases sich im Spuleninnenraum be- Ende einige Windungen mit gle eher Gangl

findet und dadurch die Erzeugung des Hochfrequenz- 5 gleichem Abstand und im Mittelteil einige

feldes bzw. des Plasmas stört. Der Wirkungsgrad des mit einem größeren, jedoch ebemaiis giei

Plasmabrenners ist dadurch relativ schlecht, und es Abstand. Die stärken ^Ma^^etfel_°^{er am} _nthaltenen

wird nicht mehr als etwa 50 «/, der der Hochtrequenz- Spule führen dazu, die in dem Plasma e™«°^en

spule zugeführten elektrischen Energie in Plasma- geladenen Teilchen in Richtung der Mitte des Spulen

enereie umgesetzt ¹⁰ inneren zurückzustoßen.

Eine Verbesserung dieses Nachteils wird gemäß der Bei dieser Bauart erhält man, nachdem an die USA.-Patentschrift 3 324 334 dadurch erreicht, daß Spule eine hochfrequente Spannung angelegt und die die elektrische Bogenentladung zur Ionisierung des Ionisierung in ihrem Innenraum in Gang «^f^ Gases außerhalb der Induktionsspule stattfindet. Das einen Plasmakern bzw. em Plasmoid der in dem zu erhitzende Gas wird von einem Gaseinlaß über t₅ Mittelteil des Spulenmnenraums ausgebildet vsU etwa eine aus zwei Elektroden bestehende Ionisierungsein- Ei- oder Tropfenform hat und sich radiaI nachι außen, richtung in den Innenraum der zylindrischen Tnduk- von im wescnthchen der Spulenachse ausgehend, DiS tionsspule zugeführt. Das gesamte zu erhuzende Gas zu einer Entfernung, die etwas geringer is als ot wird durch die Wechselstromentladung zwischen den Innendurchmesser der Spule, und axial in derjSpuJ. Elektroden hindurchgeführt, so daß ein großer Teil *o in entgegengesetzten Richtungen vom Spu enmmüdes verwendeten Gases ionisiert ist, wenn es in die punkt im wesentlichen b.s zu der Stelle erstreuo,an Induktionsspule eintritt. Auf diese Weise wird ein welcher die Ganghöhe der Spule von A.n reiam höherer lonsierungsgrad des Gases erreicht und groß' η Abständen in der Mitte zu den relativ engen demzufolge auch eine höhere Temperatur des Ciases Abständen an den Enden ubergeni. bei der Rckoi.-.bination des dissoziierten Gases. Der 25 Diese Änderung der Form des Plasmas die aus Erhitzungsvorgang des Gases h dem Plasmabrenner dem relativ dünnen Ring gemäß der vorstehend erist jedoch im Prinzip unverändert, so daß auch hier wähnten herkömmlichen Bauart hervorgeht trgim der Wirkungsgrad bei der Umsetzung der zugeführ- sich, wie oben erwähnt, aus der latsache, oau du . . . . ^b,^b „ . , · · rfi j „^„^..„„o^mäRpii <lnn enaufbau die Magnet-

der Wirkungsgrad bei der Umsetzung der zugeführ- sich, wie oben erwähnt,

ten elektrischen Hochfrequenzenergie in Plasma dem erfindungsgemäßen Spulenaufbau die Miifmaenergic schicht ist. 30 feldstärke nach Anlegen der Hochfrequenz an den Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Spulenenden größer ist als in dem Mmeltei und daB Hochfrequenzptasmabrenner zu schaffen, bei dem die auf diese Weise das Plasmoid in dem Mittelteil des der Induktionsspule zugeführte elektrische Hoch- Spuleninneren bei der obenerwähnten GestaltgeDung frcquenzenergie mit einem möglichst hohen Wirkungs- konzentriert wird. . grad in Plasmaenergie umgesetzt wird. Auf diese 35 Der auf die vorstehend erwärmte Weise in der Weise wird es möglich, mit einer verhältnismäßig Hochfrequenzspule mit variabler Ganghohe erzeugte Pt ringen zugeführten elektrischen Leistung eine hohe Plasmakern hat hinsichthch seiner Große stark zuge- < Iiistemperatur in einem Pl?<=r.iabrenner zu erzielen. nommen und seine Temperatur gesteigert, uies wiru Frfindungsgemäß wird dies bei einem Hoch- dadurch erreicht, daß Einrichtungen fur das InjifiLtiueiuplasmabtenner mit induktiver Gasentladung 40 zieren von wiederholten Schauern von ladungsbilder eingangs beschriebenen Art dadurch ereicht, daß chcrs, die hauptsächlich aus Ionen bestehen, durch weitere Giseinlässe zwischen der lonisierungseinrich- das Spuleninnere und über deren Außenseite vorgetung und dem .inen Spu'.enende angeordnet sind, sehen werden. Ein Teil der Ionen dringt m den durch welche weiteres, nicht ionisiertes Gas einströmt, Plasmateil ein, wird dann gehalten und vergrauen sich mit zwischen den Elektroden ionisiertem Gas 45 und intensiviert ihn. Auf einen anderen leil de vermischt und zunimmst zum Teil durch den Raum Ionen, der über die Außenseite der Spule gerichtet innerhalb der Spule strömt. ist, wird durch das außerseitige Magnetfeld der Spule Bei diesem Hochfrequenzplasmabrenner strömt eine induktive Wirkung ausgeübt, wodurch aus den nur ein Teil des zu erhitzenden Gases durch die nicht ionisierten Gasmolekülen zusätzliche Ionen ge-Ionisierungseinrichtung in das Spuleninnere, wo er 50 bildet werden und die gesamte Gasaufherzwirkung zum Aufbau des Plasmas dient. Der restliche Teil ccr Spule durch die Wirbelstiwnwirkung ihres des Gases wird durch die zusätzlichen Caseinlässe als äußeren Magnetfeldes gesteigert wird^ Dadurch wird nicht ionisiertes Gas eingeleitet und durchströmt die der Wirkungsgrad der Energieumwandlung; von elek-Spule und das in ihr gebildete Plasma, ohne daß irischer in thermische Energie im Vergleich zu ner-Hochfrequenzfeldenergie zu seiner Ionisierung ver- 55 kömmlichen Plasmabrennern stark vergro Je π wendet wird. Erfindungsgemäß wird daher nur ein Die Einrichtung für die Erzeugung undΙΑ«»»· Teil des zu erhitzenden Gases ionisiert und zum Auf- tung der periodisch wiederholten Schauer von Ionen bau des Plasmas verwendet, während der übrige Teil durch und über die Hochfrequenzspule besteht im des Gases als nicht ionisiertes Gas beim Durchströmen wesentlichen aus einer mit einem Flansch yersenenen des Plasmas erhitzt wird. Auf diese Weise kann er- 60 und konisch »-.gespitzten Anode und marm^ Abfindungsgemäß der Wirkungsgrad bei der Umwandlung stand davon angeordneten Γ"^™¹^,,"*^'„„ der elektrischen Hochfrequenzenergie in thermische koaxial in einer rohrformigen .^υ£™£.™* ^anf™-Energie des Gases auf 85 bis 90«/„ erhöht werden. zend an ein Enae der Spule und kw«iald«uange Vorteilhaft für die Wirkungsweise des Hoch- ordnet ist. Zusammen d^mit sind Emnchtengen fur frequenzplasmabrenners ist es, wenn die Hoch- 6₅ die Erzeugung eines ^Ga*f °™f ..^v°'fsehen der frequenzspule für das Aufrechterhalten des Plasmas durch Bohrungen in dem Flanschte I J« Anode und in ihrem Tnnenraum mit variabler Ganghöhe längs darauf gegen die Kathode und sch ^durch„J ^ ihrer Achse gebaut wird, wobei der Abstand zwischen öffnung in der Kathode und durch und um die Spule

strömt Weiterhin sind noch Einrichtungen vorge- An Hand der Zeichnungen wird eine beispielsweise

sehen, um an die Anode und Kathode periodisch ein- Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranseitie Berichtete oder Gleichstromimpulse hoher Span- schaulicht.

nung mit einer derartigen Polarität anzulegen, daß Fig. 1 zeigt in einem Axialschnitl den Grundaui-

die Kathode bezüglich der Anode negativ ist. 5 bau des Hochfrequenz-Plasmabrenners;

Diese Hochspannungsimpulse verursachen Elek- Fig. 2a und 2b zeigen schematisch den Plasma-

tronenschauer, die von der Kathode emittiert werden brenner und dazugehörige elektrische Schaltungen und auf dem Weg zur Anode die Gasmoleküle bom- für seine Aktivierung, wobei der Brenner als Tcilbardieren und ionisieren. Auf Grund des Drucks des stück in einer vergrößerten Schnittansicht gezeigt ist Gasstromes und des durch den Elektronenstrom zwi- io und Fi g. 2 b eine Fortsetzung von Fi g. 2 a längs der sehen Kathode und Anode erzeugten negativen Feldes Linie x-x ist; in den

werden diese Ionen mit beträchtlicher Kraft in einem Fig. 2c, 2d, 2e und 2f sind Leistungsdiagiamme

fokussierten Strahl durch die Kathodenöffnung und verschiedener Komponenten des Plasmabrenners dardann durch und um die Hochfrequenzspule ge- gestellt;

schleudert. Die Fokussierwirkung ergibt sich aus der 15 Fig. 3 ist ein vergrößerter Axialschnitt der Ankonisch geformten Spitze der Anode, bezogen auf den oden-Kathoden-Anordnung des Plasmabrenners und Durchmesser der Kathodenöffnung. Sie ist bezüglich zeigt verschiedene Konstruktionsdetails für die Einder Strahlöffnung der herausgeschleuderten Ionen stellung des Abstandes zwischen Anode und Kathode, durch Einstellen des Abstandes zwischen Anode und das Anlegen der Spannung an die Anode und das Kathode regulierbar. Die Anoden-Kathoden- Anord- ao Injizieren von Luft unter Druck durch die Bohrungen nung wirkt auf diese Weise wie eine Ionenkanone, in die Anode und dann in den Raum zwischen der indem ein Ionenplasma erzeugt und durch und um Anode und der Kathode.

die Arbeitsspule gelenkt wird. Der in den Fig. 1, 2d und 4 gezeigte Plasma-

Die einseitig wirkenden, an Anode und Kathode brenner mit Gasentladung ist allgemein mit 10 beder Ionenkanone angelegten Hochspannungsimpulse »5 zeichnet und umfaßt eine Hochfrequenzinduktionswerden von der zyklischen Ladungskapazität abge- arbeitsspule 11 aus Kupfcrroln. Die Spule ist um eine leitet, die in einem Reihenresonanzlastkreis enthalten Innenraum- bzw. Kerniülirung 12 aus feuerfestem, ist und daraus durch eine gittergesteuerte Gasröhre, dielektrischem Material, wie Quarz, gewickelt. Um wie ein Thyratron, entlädt, dessen Gitter periodisch die Spule 11 sind rohrförmige Teile mit progressiv positiv bezüglich der Kathode durch herkömmliche 30 zunehmenden Durchmessern konzentrisch angeordnet Einrichtungen getriggert wird, um die Entladung zu und umfassen jeweils ein Radiatorteil 13 aus Zirkonbewirken. Die Resonanzfrequenz des Lastkreises ist erde, Molybdän od. dg:, für die nachstehend erso eingestellt, wie nachstehend erklärt, daß der kapa- klärten Zwecke, ein \\.,i nieisolierendes Teil 14 in zitive Entladungsstrom nicht schwingt und daher ein- Form einer Plattenwand :ws feuerfestem Material wie seitig gerichtet ist. Die Anode und die Kathode der 35 Quarz, ein Wärmeschild:^! 15, das ebenfalls aus Ionenkanone sind in dem Kapazitätsentladungskreis feuerfestem Materia! wie Ouarz hergestellt ist, einen zu einem aus zwei Windungen bestehenden sättig- metallischen Kühlmantel 16, vorzugsweise aus Alubaren Kern-Transformator transformatorgekoppelt, minium, und ein äußere? Hüllenteil 17 aus Metall, wobei die einseitig ausgerichteten Stromimpulse durch welches die Außenwand der- Kühlmantels bildet, die kapazitive Entladung beim Durchgang durch die 40 Die^Tcile 15. 16 und i7 erstrecken sich zwischen Primärwicklung des Transformators entsprechende den tragenden Lndteilcn 18 und 19 und sind dann. einseitig ausgerichtete Spannungsimpulse in der Se- wie gezeigt, angebracht. Das Plattenwandteil 14 ist f»i kundärwicklung erzeugen, die dann an die Anode einem Ende an dem EndicU 18 angebracht, während und Kathode der Ionenkanone angelegt werden, um ihr gegenüberliegendes Ende in einer öffnuP" in dem sie, wie vorstehend erwähnt, zu aktivieren. 45 gegenüberliegenden I-nd"-il 19 sitzt und darüber hin-

Der auf dieser Grundlage gebaute und betriebene aus hervorsteht. Der Radiaun 13 ist durch das PIa*- Plasmabrenner zeichnet sich weiterhin dadurch aus, tenwandtei! 14 mit Hilfe von Stiften 20 gehalten, die daß er selbststartend ist. Die von der Ionenkanone sich radial dazwischei· erstrecken. Einlaß- und Aus erzeugten und dann in dem Innenraum der Hoch- laßstutzen f-ir den Kühlmantel 16 sind bei 21. 22 für frequenzspule injizierten Ionen schaffen die erforder- 50 den Umlauf einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise kalte« liehe Ionenquelle für den Aufbau des Plasmas durch Wasser, durch den Kühlmantel vorgesehen. Isolierte eine darauf ausgeübte Induktionswirkung des Hoch- elektrische Leiter 23a, 24«. die an den gegenüber frequenzmagnetfeldes, das sich durch das Anlegen liegenden Luden der Arbeitsspule 11 angeschlosser einer hochfrequenten Spannung an die Hochfrequenz- sind, erstrecken sich durch Einlaß- und Auslaßkühl spule ergibt. . ⁵⁵ mittelstutzen 23,24 für den Umlauf einer Kühlfüssig

Der oben beschriebene Plasmabrenner wird als keit. wie kaltes Wasser, durch das Kunferrohr de: Gasheizvorrichtung verwendet. Dabei wird ein nicht Arbeitsspule.

ionisiertes Gas unter Druck in eine angrenzend an ein Auf der gegenüberliegenden Seite des Tragteiles U

Ende der Hochfijquenzarbeitsspule angebrachte Gas- der Spule und der Rohranordnung ist eine Gas kammer injiziert und strömt zwangsweise durch und eo kammer 25 angebracht. Ein rohrförmiEes Teil 26 er über die Arbeitsspule. Das Gas wird auf diese Weise streckt sich durch die Gaskammer und durch eim auf eine erhöhte Temperatur ohne merkliche Iom- Öffnung in dem Tragteil 18 wobei sich das rohr sierung im Gegensatz zu herkömmlichen Plasma- förmige Teil bei T7 erweitert und das obere End brennern aufgeheizt, bei weichet, die Aufheizung des des Radiators 13 oei 28 abgrenzt und mit dem Plat Gases, wie bereits erwähnt, dadurch erzielt wird, daß 65 tenwandtcil bei 28o (Fig. 2b) in Beriihrune stein die Gasmolcküle zuerst in Ionen und Elektronen Der obere Teil 26 a des Teils 26 besteht aus Metal dissoziiert werden und sich dann unter Freigabe von während der untere sich erweiternde Teil 27 au Wärme wieder vereinigen. dielektrischem Material hergestellt ist Die Inner

fc

raumführung 12 endet in ihrem oberen Ende in einem 53, 54 gezeigt ist, in der Stärke variiert. Dadurch

sich nach außen erweiternden flanschförmigcn Ende wird magnetisch ein Flascheneffekt geschaffen, der

29, das sich in einem Abstand zu dem flanschfönnigcn das Plasma in der Mitte der Spule bei 55 konzen-

Teil 27 des rohrförmigen Teils befindet, damit ein tricrt, wenn er, wie nachstehend beschrieben, erzeugt

Durchgang dazwischen bei 30 für die nachstehend S wird,

erklärten Zwecke geschaffen ist. Um die Heizeinheit 10 des Plasmabrenners mit

Die Gaskammer 25 ist mit einem Einlaßstutzen 31 Gasentladung zu aktivieren, umfassen die wesentliche

für das Injizieren von Gas unter Druck in die Kam- elektrische Ausrüstung und die erforderlichen Ver-

mer versehen, von wo aus es in das Innere des rohr- bindungen, wie aus den Fig. 2a bis 2f hervorgeht,

förmigen Teils 26 mit Hilfe von Sprühdüsen 32, 33 -o einen Hochfrequenzoszillator 61, der bei 62 mit der

versprüht wird, die an Rohrleilen 34, 35 angebracht Arbeitsspulc 11 für die Heizeinheit verbunden ist.

sind, die sich durch die Wände des rohrförmigen Dieser Oszillator prägt der Arbeitsspule eine hoch-

Teils 26 in die Gaskammer 25 erstrecken. In das frequente Spannung konstanter Amplitude ein, wie es

Innere des rohrförmigen Teils 26 wird ebenfalls Gas bei 63 in F i g. 2 c gezeigt ist.

unier Druck durch einen Hilfseinlaßstulzen 36 einge- 15 Der obenerwähnte Impulsgeber oder die Moduführt, an dessen unterem Ende eine Füllkammcr 37 lator- bzw. Steuereinheit für die Erzeugung periangebracht ist, an der wiederum eine flanschförmige, odischer Schauer von Ladungsteilchen zwischen der konisch zugespitzte Anode 38 befestigt ist. Von der Kathode 40 und Anode 38 des Brenners ist allgemein Füllkammer aus gehen durch die Anode kleine Boh- mit 64 bezeichnet, was insbesondere in F i g. 2 a zu rungen 39 für das Injizieren von Gas aus dem Ein- »0 sehen ist. Die Schaltung davon umfaßt eine gitterlaßstutzen 36 durch die Bohrungen der Anode in gesteuerte Trioden-Thyratronröhre 65, wobei das den Raum zwischen der Anode und einer Kathode Gitter zwischen Kathode 66 und Anode 67 geschaltet 40. Die Kathode überspannt die öffnung des rohr- ist, ein Reihenresonanz-Impulsformernetzwerk, das förmigen Teils 26 und hat koaxial zu dem rohr- aus einem oder mehreren Kondensatoren 68, 69 und förmigen Teil eine Mittelöffnung 40a. die sich in »5 Spulen 70, 71 besteht, die, wie gezeigt, verbunden einen Abstand von der konisch zugespitzten Anode sind und einen Ausgangslastkreis für die Röhre umbefindet. In einem Abstand von der Kathode 40 be- fassen. Der Transformator M ist mit seiner Primärnnüci sich cir.s durchlöcherte Nrutralisierschirm- wicklung P in Reihe mit dem Impulsformernelzwerk elektrode 41 aus Metall, die ebenfalls die öffnung geschaltet, und die Sekundärwicklung 5 iiegi über die des rohrförmigen Teils 26 überspannt. Die Kathode 3° Masseanschlüsse 42, 48 und die Leitung 43 zwi- und der Neutralisierschirm sind beide bei 42 geerdet. sehen der Kathode 40 und der Anode 38 der Heiz-Die Anode 38 ist über eine Leitung 43 und, wie in einheit 10.

Fig. 2a gezeigt ist, über die SekundärwicklungS Eine Vollwellen-Drciphasen-Gleichrichtereinheit

eines Trenn- bzw. Entkoppelungstransformalors M 73, der drei Phasen über die Eingangsleitung 74 über

mit sättigbarem Kern bei 48 mit Erde verbunden. 35 die Steuerung der Schalter 75 für »Energie ein« und

Der Transformator M hat eine Primärwicklung P, die 76 für »Aus« zugetührt werden, versorgt die \us-

in den obenerwähnten Thyratron-Kapazitätsentla- gangsklcmmen 77, 78 mit Gleichspannung, wobei die

dungskreis geschaltet ist, wie es nachstehend im ein- Gleichspannungsquelle von einer Gleichstrombatterie

zclnen beschrieben wird. 79 der Spannung E in Reihe mit ihrem Innenwider-

Bei dem beschriebenen Aufbau der Gaskammer *° stand 80 simuliert wird. Die Plusklemme 77 der und der Anordnung der Bestandteile strömt in die Spannungsquelle ist über die Leitung 81 der Modu-Gaskammer aus dem Einlaßstutzen 36 injiziertes Gas latoreinheit durch eine Diode 82 und eine Ladein nicht ionisiertem Zustand durch die Sprühdüsen drossel 83 mit der Thyratronanode verbunden, deren 32.33 und in und durch die Innenraumführung 12 Kathode au die geerdete Gleichrichterausgangsund Arbeitsspule 11 und ebenfalls teilweise durch die 45 klemme 78 angeschlossen ist.

Durchlässe 30 und zwischen der Innenraumführung Wenn bei der gezeigten Anordnung der Gleich-12 und dem Radiator 13 über die Außenseite der richter eingeschaltet ist, laden sich die Kondensa-Arbeitsspule. Im Gleichstrom damit befindet sich ein toren 68,69 bis zu der vollen Ausgangsgleichspan durch den Hilfseinlaß 36 injiziertes Gas zwischen der nung E des Gleichrichters, wie es bei 84 des Span-Anode 38 und der Kathode 40 im Strömen und wird 50 nungsdiagramms 2d graphisch gezeigt ist, über die durch die hohe pulsierende Gleichspannung, die an Schaltung auf, die von der Gleichrichterausgangs diese beiden Elektroden so angelegt ist, wie es im klemme 68 aus über die Transformatorprimärwick allgemeinen bereits beschrieben und im einzelnen lung P, die parallelen Kondensatoren 68, 69 und dii noch beschrieben wird, ionisiert und in einem fokus- Spulen 70,71, die Ladedrossel 83 und die Diode 8; sierten Strahl dann in ionisiertem Zustand durch und 55 zu der Verstärkerausgangsklemme 77 geht. Wenn dii über die Arbeitsspule 11 gestrahlt. In Fig. 2b ist der maximale Aufladung erreicht ist, aktiviert i-ine Im Strom des ionisierten Gases von den Elektroden 38, pulsgebe reinheit 85 eine Impulsstcucreinheit .86, uii 40 mit 49 und der der vereinten Gase mit 50, 51 und einen kurzen positiven Impuls auf das Thyratron 52 bezeichnet. gitter 87 a zu geben und so dessen Weg zu ionisierer

Wie aus den Fig. 1 und 2b hervorgeht, ist der 60 Die aufgeladenen Kondensatoren68, 69 entlade

Abstand der schraubenförmigen Windungen der Ar- sich daraufhin, wie es in dem Spannungsdiagramr

beitsspule 11 an den gegenüberliegenden Enden da- von Fig. 2d bei 85 gezeigt ist, über den ionisierte

von enger angeordnet als in der Mitte der Spule, so Raumweg des Thyratrons in Reihe zu den Induktiv!

daß, wenn an die Spule ein elektrischer Strom ange- täten 70,71, den Kondensatoren 68.69 und der Pn

legt wird, die Magnetfeldstärke oder Magnetfluß- 65 mäiwicklung P des Transformators,

dichte im Innenraum der Spule an den Spulenenden Wenn die Reiheninduktivität, Kapazität und Widei

größer ist als in der Mitte der Spule und in ihrer stand der Entladungsschaltung durch L, C brv.. ι

Stärke längs des Innenraums, wie es in Fig. 2b bei dargestellt werden, ist die Resonanzfrequenz des Eni

9 10

ladungsstromes null, wenn einen becherförmigen oberen Teil 90α, in den ein'

daran angeschweißtes Scheibenteil 91a paßt, wobei ;.,

R? _ L jedoch ein Raum dazwischen bleibt, um die bereits ;/;

4 £2 ~ LC genannte Fällkammer 37 zu schaffen. Die Scheiben- g

5 platte 91a hat mittig angeordnet einen Kugellager- _; ^;

In diesem Fall schwingt der Entladungsstrom nicht laufring 92, in dem ein kurzer Stutzenabschnitt 93 und umfaßt einen einzigen Gleichstromimpuls, wie es befestigt ist. Ein Isolatorteil 94 aus keramischem ^;;_; in dem Entladungsstromdiagramm von Fig. 2e bei Material, an dem eine Büchse 95 befestigt ist, nimmt 88 gezeigt ist. Der Spannungsabfall an den Konden- an ihrem unteren Ende das obere Ende des Einbausatoren 68,69 ist bei 85 in Fig. 2d gezeigt. Wenn to Stutzens in einer Schraubverbindung auf. In dem der Strom im wesentlichen auf null abgesunken ist, oberen Ende des Isolators 94 ist eine Innengewindedeionisiert das Thyratron, und die Kondensatoren 68, büchse 97 befestigt, die in Schraubverbindung das 69 laden sich wieder auf die Spannung £ über den untere Ende eines langen Gewinderohres 96 aufobcn gezeigten Ladekreis auf, wie es bei 87 in nimmt. Zwischen dem unteren Ende der Büchse 95 Fig. 2d gezeigt ist. Wird das Thyratrongitter wieder 15 und einer an dem Scheibenteil 91a befestigten Platte positiv getriggert, so entladen sich die Kondensa- 98 ist eine Federdichtung 99 angeordnet. Diese Federtoren wieder, wie es bei 86 in Fig. 2e des Strom- dichtung99 ist mit Hilfe von Schraubenbolzen 100 diagramms gezeigt ist, und der Vorgang wiederholt an der Scheibe 91 ij befestigt, welche auch die Scheibe sich. Die Impulsgeber- und Steuereinheiten 85. 86 98 in Lage halten. Diese Federdichtung übt zwischen sind geeignet eingestellt, um auf das Thyratron- 20 den beiden Teilen 98 und 95 einen Druck aus, um Steuergitter positive Impulse zu geben, damit die die Drehung der Scheibe 91a und der Anodenanordzyklische Aufeinanderfolge der in den Fig. 2d und nung38 einzuschiänken. An einer Einbauplatte 200 2e gezeigten Abläufe erzeugt wird. ist eine Büchse 101 mit Innengewinde daran befestigt.

Die Stromimpulse 86, 89 von Fig. 2e durch die durch welche chis Rohr 96 geschraubt ist. An dem Kondensatorentladung erzeugen beim Durchströmen 25 oberen Ende des Rohres 96 ist durch eine Fixierder Primärwicklung P des Transformators M mit schraube 102 ein Einstellten" 103 befestigt. An dem sättigbarem Kern in eine Richtung gerichtete Span- oberen Ende des Rohres 96 ist durch den Klemmring jjiirjoc. iirjfi Stromimpuls? in der Sekundärwicklung S 105 ein flexibler Schlauch 104 für den Gaseinluß des Transformators, wie es graphisch bei 90, 91 in befestigt. Durch den Schlauch wird das Hilfsgas, F i g. 2 f gezeigt ist. Dies ergibt sich aus der Tatsache. 30 dessen Zuführung in Fig. 1 und 2 b bei 36 gezeigt daß, wenn der Stromimpuls 86 von Fig. 2e bei- ist, injiziert.

spielsweise in der Primärwicklung des Transformators Um die Anode 38 anzuheben oder abzusenken

anwächst, er eine Spannung in der Sckundärwick- bezüglich der Kathode 40 und dabei den Spalt zwilung erzeugt, die fast augenblicklich auf einen Maxi- sehen den Ividen Elektroden zu verändern, wird das malwert steigt, wo-auf ein weiterer Spannungsanstieg 35 Einstellteil 103 im Uhrzeigersinn oder gewüimhU'iiabrupt durch die Sättigung der Transformatorspule falls im Gegenuhrzemersinn gedr ht. Dabei werden unterbrochen wird. Wenn nun der Strom in der mit diesem Teil das mit Gewinde versehene Rohr 96 Transformatorprimärwicklung seinen Maximalwert und der Isolator 94 nach unten gedreht und schlie! .n \> τ hmax (Fig. 2e) erreicht und dann auf null ab- den ImuMring der Kugellageranordnung92 ein Als fällt, wird in der Transformatorsekundärwicklung ₄o r-'oipe dieser Handhabung schraubt sich das Gcwtr.dekeine merkliche negative Spannung erzeugt, da der rohr 96 nach oben oder nach unten bezüglich der Transformatorkern nicht genügend Zeii hat, sich von Buchse HU. die von der ortsfesten Einbauplattc 200 seinem Sättigungsstadium in diesem Zeitraum zu getragen wird, wobei die Anode 38 angehoben oder erholen. Daher liegen an der Kathode und Anode 40, abgesenkt wird, ohne jedoch das Scheibenteil 91a 38 des Brenners eine Reihe von in einer Richtung 45 und die daran festgeschweißte Anode 38 zu drehen, gerichteten Spannungsimpulsen an, die die oben be- p.s ist nötig, daß die Anordnung Anode 38 und

schriebenen Schauer von ionisierten Teilchen in dem Scheibe 91 a " in nicht verdrehbarer Lage fixiert Gasstrom zwischen diesen Elektroden erzeugen. bleibt, da die Anode bezüglich der Kathode ange-

Der Brenner ist durch die Erzeugung von Wellen hoben und abgesenkt wird, um die elektrische Vervon geladenen Teilchen in der Gaskammer, wie oben 50 bindung 43 mit der Anode herzustellen Aus diesem beschrieben, nicht nur selbststartend gemacht, son- Grunde wird die Eingangsverbindung 43 an der Andern diese Teilchen werden zusätzlich durch und ode durch eine flexible Leitung 106 zu einer Muffe über die Heizspule 11 gerichtet, um die gesamte 107 eingeführt, die von der Einbauplatte 200 bei erzeugte Gaserhitzungswirkung im Vergleich mit her- getragen wird. Der Leiter erstreckt sich dann durch kömmlichen Bauarten zu erhöhen. Die geladenen 55 einen Isolator 109 und dann zu einem ringförmigen Teilchen aus der Gaskammer, die durch den Innen- flexiblen Verbindungsstück HO hin, an das der I eiter raum der Heizspule gehen, werden denen durch 43 an einer Stelle angeschweißt ist An der dazu Hochfrequenzinduktion darin erzeugten zur Inten- gegenüberliegenden Stelle ist ein weiterer Leiter IH sivieiung der Größe und (":r Temperatur des Pla^.ias ^ angeschweißt, der sich zu dem Scheibenteil 91 α ~ .. . .... . ^ ^.^

!■edreht ielwnen

ionisierten ι fasst rom aus der Gaskammer 15 unit <ier Alt anzuheben oder abzusenken der Kitiglcitcr HO rohifön :gen Kammer 26 in den Raum '«««hen entsprechend nad. »hen oder nach unten, um für die den Radiator 13 und die Wärmeplattenwaiid 11 lim- 65 ι -,„stellung einen Ausgleich m schaffen Der Isolator ein erhöht. 94 ist zwischen dc I inbaiiplatte 200 und der Anode

I" ¹V ß -\^lsl ' \ ^A^n..uibaM veigii-Hcit ilaijfc- 38 aus dem Grund angeordnet, daR die Hinbauplatte stellt Die koniih spm ?ulaufctulc Anode W hat geerdet werden kann

11 12

Bei einer erfolgreich betriebenen Ausführungs- des Spuleninnenraums 55 (Fig. 2b) angeordnet ist. form hat die Arbeitsspule 11 einen Außendurch- Zur Aufrechterhaltung des einmal eingestellten Plasmesser von 127mm. Die Spule wird mit einem mas ist kein merkenswerter Gasstrom durch den Kupferrohr gewickelt, das einen Außendurcbmesser Spuleninnenraum erforderlich. Das äußere elektrische von 15,9 mm hat. Der Abstand zwischen den Spulen- S Feld des Plasmas wird durch die darin enthaltenen windungen an den Spulenenden beträgt die Hälfte dissoziierten Elektronen und Ionen im wesentlichen des Rohraußendurchmessers und ist in dem dazwi- neutral gehalten. Daher wird ein Strom nicht ionischenliegenden Teil gleich dem Rohraußendurch- sicrten Gases durch die Spuleninnenseite von dem messer. Die Spule besteht, wie in der Zeichnung Plasma erhitzt, ohne daß dabei eine wesentliche gezeigt, aus acht Windungen und hat eine Gesamt- io Ionisierung des Gases eintritt.

länge von 241 mm. Der Radiator 13 besteht aus einem Versuche mit dem vorliegenden Plasmabrenner

6,35 mm starken Rohr und hat einen Innendurch- haben gezeigt, daß, wenn die hochfrequente elek-

messer von 152,4 mm. Das Wärmeplatten-Wandrohr trische Aktivierung der Spule von dem Ionenstrom

14 hat einen Durchmesser von 190 mm. aus der Ionenkanone ergänzt wird, das Plasma 55

Der Kühlmantel 16 hat einen Innendurchmesser 15 (Fig. 2b) hinsichtlich seines Volumens stark ver-

von 310 mm und einen Außendurchmesser von größert ist, daß sich die Temperatur erhöht und der

342 mm "<id besteht aus Aluminium. Die ringförmige Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer in

Kathode32 hat einen Außendurchmesser von 190 mm thermische Energie stark zunimmt. Diese Versuche

und einen Innendurchmesser von 50,8 mm. Die An- zeigen, daß, wenn die Hochfrequenzspule allein akti-

ode38 hat einen Auße.!durchmesser von 165 mm, ao viert wird, die Temperatur des Plasmas ungefähr

und der Abstand zwischen den Elektroden 38 und 40 3500° C beträgt, während, wenn die Ionenkanone

beträgt 22,9mm. Der Konuswinkel 115 (Fig. 3) der auch aktiviert ist, die Plasmatemperatur auf ungefähr

Anode 38 beträgt 60°. Die Anode 38, die Kathode 40 5000° C ansteigt und das Volumen des Plasmas um

und die Neutralisierelcktrode 41 sind aus Aluminium ungefähr 25 bis 30 °/o zunimmt. Gleichzeitig nimmt

hergestellt. Der Abstand '.wischen den Endhaltern 25 der von dem Oszillator 61 der Hochfrequenzspule

18, 19 beträgt470mm. 11 zugeführte hochfrequente Strom (Fig. 2b) um

Die Hochfrequenzquelle 61 arbeitet mit einer Fre- ungefähr 13 °/o ab. Zusätzlich wird das Plasma

quenz von 4,3 ±0,5 MHz und erzeugt eine Spannung äußerst stabil. Die sich ergebende Volumenzunahme

von 3800V. Die Gleichspannung am Ausgang des und Temperaturerhöhung des Plasmas führt auf

Gleichrichters 73 beträgt 8,5 kV. Wenn die Konden- 30 diese Weise zu einem erhöhten Vermögen, Gas auf-

satoren 68,69 entladen werden, gehen Gleichstrom- zuheizen, das wenigstens das Produkt dieser Zu-

impulse mit 8 kV Spitzenwert zu der Primärspule 5 nahmen, d. h. ungefähr 85 °/o, ausmacht, wobei der

des Ausgangs-Transformators M. Da das Überset- Wirkungsgrad der Energieumwandlung entsprechend

zungsverhältnis dieses Transformators 1: 1 ist, wer- zunimmt.

den Gleichspannungsimpulse von 8 kV Spitzenwert 35 Wie bereits ausgeführt, dringt ein Teil der Ionen über die Transformatorsekundärwicklung S an die aus der Ionenkanone in das Plasma ein und inten-Elektroden 38,40 der Heizvorrichtung angelegt. Die siviert es, während ein Teil der über das Spulen-Kondensatoren 68, 69 haben jeder eine Kapazität äußere gerichteten Ionen durch das äußere Magnetvon 9,9InF. Die Spulen 79, 71 haben Induktivitä- feld der Spule beeinflußt wird, so laß zusätzlich ten, die entsprechend der vorstehend angeführten 40 nicht ionisierte Gasmoleküle zu Ionen und Elektronen Gleichung berechnet sind, um eine Resonanzfrequenz dissoziiert werden, wodurch die Heizwirkung auf das von null in dem Thyratron-Entladungskreis zu er- Gas weiterhin verstärkt wird. Diese Heizwirkung zeugen. wird außerdem noch durch den Radiator 13 erhöht,

In Fig. 2d ist gezeigt, daß die Zeit zwischen den der vorzugsweise aus Zirkonerde hergestellt wird.

Impulsen »X« zwischen den Kondensatorlade- und 45 Obwohl dieses Material im wesentlichen ein ' ^Ak-

-entladungszyklen der Hälice eines Resonanzlade- trischer Isolator bei Umgebungstemperaturen ist, wird

zyklus »y« genau gleich ist. Die Eigenschaften des es elektrisch leitend, wenn es auf eine Temperatur

Impulsformernetzwerks 68 bis 71 sind derart, daß aufgeheizt wird, die es während des Betriebs des

jeder Stromimpuls bei einer Kondensatorentladung Plasmabogens erreicht. Bei dieser Temperatur wer-

86 (Fig. 2e) zu seinem Maximalwert in 0,1 s ansteigt, 50 den von dem Radiator Ionen sowohl thermisch als

eine Spitzerdauer von 2 ms hat und dann in 0.2 ms auch durch die induktive Wirkung des äußeren

auf im wesentlichen null abfallt. Der Spitzenwert I_maK Magnetfeldes der Hochfrequenzspule abgegeben,

des Stromimpulses beträgt ungefähr 75 bis 9OA. Einige der so erzeugten Ionen dringen auch in das

Durch Versuche wurde gefunden, daß die maximale Plasma ein und verstärken es so. Zusätzlich wirkt det

Umwandlung von elektrischer in thermische Energie 55 Radiator als Wärmereflektor, um die Aufheizwirkung

eintritt, wenn sich die aufeinanderfolgenden Strom- in ihm zu beschränken.

impulse 86,89 (Fig. 2e) mit ungefähr 300 bis Im Betrieb kann der Plasmabrenner mit Gasent

475 Impulsen pro Sekunde wiederholen. Bei einer ladung große Mengen von strömendem Gas aul

derartigen Wieder holung hat die Primat wicklung P Temperaturen im Bereich von ungefähr 1080 bi·

des TransfoimatorsA/ eine Impedanz von ungefähr 60 3300° C bei Betriebswirkungsgraden in der Nähe voi

50 Ω und die Sekundärwicklung S eine Impedanz von 90 °/o aufheizen,

ungefähr 633 ih Die Eifindung findet unter anderem Anwendunj

Bei der vorliegenden Bauart der Iloihfic jiienz- bei der Herstellung der Dampfphase vonTitanpig

spule, die an den Finden im Vergleich zum Mittelteil mcntcn. Dabei wird der für die Reaktion mit Titan

frequenzinduktion in einem aufreihtethaltcncn erfolgt und dabei ein Titandioxyd-Pigment mit her Plasma oder Plasmoid erzeugt, da; in dem Mittelteil vorragenden Eigenschaften erzeugt wird.

eiwe verringerte (!anghöhe verwendet, wird die ein- 65 tetrachlorid erforderliche Sauerstoff auf derartig

mal in Gnng gebrachte Ionisierung dun h die Hoch- Temperaturen vorerhitzt, daß eine solche Reaktioi

hteihaltenen erfolgt und

.■in Mittelteil vorragenden

Hier/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Hochfrequenz-Plasmabrenner mit induktiver Gasentladung, bestehend aus einer zylindrischen Induktionsspule, einem Gaseinlaß am einen Ende der Induktionsspule zur Zufuhr von Gas in den Spuleninnenraum, einem Auslaß am anderen Ende der Spule, aus dem Gasentladungsplasma ausströmt, und einer aus zwei Elektroden bestehenden Ionisierungsemrichtung zwischen dem Gaseinlaß und dem einen Spulenende zur Ionisation des durch den Gaseinlaß einströmenden Gases zwischen den Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Gaseinlass (32) zwischen der Ionisierung .»inrichtung und dem einen Spulenende angeordnet sind, durch welche weiteres, nicht ionisiertes Gas einströmt, sich mit /wischen den Elektroden (38, 40) ionisiertem Gas vermischt und zumindest zum Teil durch den Raum innerhalb der Spule (11) strömt.

2. Plasmabrenner nach Anspru :h 1, bei welchem die Spule um ein erstes Rohr aus dielektrischem Material gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, as daß ein zweites Rohr (14) aus dielektrischem Material das erste Rohr (12) und die Spule (11)

in radialem Abscand umgibt, welches in axialer Richtung beids-j'tig über das c.Ae Rohr hinausragt und welches aus deru ?inen Ende vor der Anode (38) und der Kathode (4,) eine öffnung aufweist, durch die das vermengte Gas auch zwischen das zweite Rohr (14) und die Spule (11) strömen kann, wobei aas andere Ende des zweiten Rohres (14) für den Durchtritt des Plasmas offen ist.