DE19511915A1 - Plasmabrenner mit einem Mikrowellengenerator - Google Patents
Plasmabrenner mit einem MikrowellengeneratorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit einem Mikrowellen
generator, einem Hohlleiter zur Leitung der vom Mikrowellengenera
tor generierten Mikrowellen, einem von dem Hohlleiter abzweigenden
metallischen Hohlrohr, einer mittig in dem metallischen Hohlrohr
angeordneten, leitenden länglichen Düse, die sich von dem Hohllei
ter aus in das metallische Hohlrohr erstreckt, und einer an die
Düse angeschlossenen Gaszuleitung.
Die heute üblicherweise verwendeten Plasmabrenner sind ICP-Brenner
(Inductively Coupled Plasma), bei denen die zur Bildung des Plas
mas benötigte Energie über Spulen induktiv in das Gas eingekoppelt
wird.
Seit vielen Jahren sind grundsätzlich auch MIP-Brenner (Microwave-
Induced Plasma) bekannt, bei denen das Plasma durch mit dem Gas
wirksame Mikrowellen gebildet wird. Ein derartiger Brenner ist
durch Journal of Applied Physics, Vol. 39 (1968) Seiten 5478 bis
5484 bekannt und stellt einen Brenner der eingangs erwähnten Art
dar. Durch ein Magnetron erzeugte Mikrowellen werden in einen
Rechteck-Hohlleiter geleitet, der von einem Koaxialleiter gekreuzt
wird, dessen Außenleiter länger als sein Innenleiter ist. Der
Innenleiter ist als Düse ausgebildet und endet im oberen Ende in
einer Aluminiumelektrode. Die Düse ist unterhalb des Recht
eck-Hohlleiters mit einem Gasanschluß verbunden. Das gezündete Plasma
brennt am oberen Ende der Düse innerhalb des den Außenleiter bil
denden Hohlrohres ab. Die Düse ragt nur über eine geringe Länge
aus dem Rechteck-Hohlleiter heraus und in das Hohlrohr hinein, die
erkennbar kleiner als die Wellenlänge der verwendeten Mikrowellen
(2,469 GHz) ist.
Für die Bildung eines Plasmas durch Mikrowellen ist später ein
spezieller Mikrowellengenerator ("Beenakker-Resonator") angegeben
worden (Philips Technische Rundschau, 39. Jahrgang, 1980/1981, Nr.
3, Seiten 65 bis 79), in dem eine TMOIO-Mode ausgebildet wird. An
der Stelle der höchsten elektrischen Feldstärke wird ein Quarz
glasreaktor angeordnet, in dem sich das Plasma ausbildet.
Plasmabrenner dieser Art sind in zahlreichen Ausführungsformen
gebaut und modifiziert worden. Das sich bei dieser Bauart ergeben
de Problem besteht darin, daß die Ausbildung des Plasmas die Reso
natorbedingungen in dem Resonator verändert, so daß es zu einer
Verschiebung der Resonanzfrequenz kommt. Um den Zustand des gezün
deten Plasmas zu erhalten, müssen entweder die Maße des Hohllei
ters geändert oder Anpassungen auf andere Weise vorgenommen wer
den. Eine bekannte Maßnahme besteht in der Verwendung von ver
stellbaren Anpassungsstiften im Hohlleiter. Nachteilig ist ferner,
daß zur Beibehaltung der Resonanzbedingung in dem Hohlleiter der
Durchmesser des Loches im Hohlleiter, durch das die Quarzröhre
hindurchgeführt wird, kleingehalten werden muß. Der erzielbare
Gasdurchfluß ist daher beschränkt. Ferner ist erkannt worden, daß
verschiedene Gase unterschiedliche Verschiebungen der Reso
nanzfrequenz verursachen. Ein für ein bestimmtes Gas optimierter
Aufbau ist daher regelmäßig nicht für andere Gase einsetzbar.
Ein Plasmabrenner der eingangs erwähnten Art ist beispielsweise
zur Diamantbeschichtung von Gegenständen bekannt. Das zugeführte
Gas ist dabei eine Mischung aus CH₄ und H₂. Durch die Plasmaflamme
und die dabei sich ergebenden Temperatur- und Druckbedingungen
lagert sich auf der Oberfläche des Werkstückes Kohlenstoff in Dia
mantform ab. Zur Konzentrierung des Mikrowellenfeldes unmittelbar
oberhalb der Düse weist das metallische Hohlrohr eine ringförmige
radiale Verengung auf, die durch die dadurch bedingte Konzentra
tion des Mikrowellenfeldes auf einen kleinen Querschnitt den Zünd
vorgang der Flamme unterstützen soll. Die Ausbreitungsbedingungen
für die Mikrowelle werden bei dieser Anordnung nicht erst durch
das Entstehen der Flamme nicht mehr erfüllt, sondern bereits durch
die radiale Verengung, so daß jenseits der radialen Verengung kein
relevantes Mikrowellenfeld vorhanden ist.
Der Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, einen Plasma
brenner zu erstellen, der stabile Verbrennungsbedingungen und da
mit gleichmäßige Arbeitsergebnisse ermöglicht.
Zur Lösung dieses Problems ist ein Plasmabrenner der eingangs er
wähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das metal
lische Hohlrohr auf der Höhe der Flamme eine Durchmesservergröße
rung derart aufweist, daß die Ausbreitungsbedingungen für die
Mikrowellen auch im Bereich der Flamme erfüllt sind.
Im Unterschied zu den bisherigen Vorstellungen, die auf eine Kon
zentration des Mikrowellenfeldes im Bereich der Düse abzielten,
sieht die vorliegende Erfindung eine Erweiterung des metallischen
Hohlrohres im Bereich der Flamme und des damit erzeugten Plasmas
vor. Diese Erweiterung führt grundsätzlich zu einer Verringerung
der Mikrowellenfelddichte. Der Erfindung liegt jedoch die Erkennt
nis zugrunde, daß das von der Flamme erzeugte Plasma wegen der
darin befindlichen freien Elektronen sich wie ein Metall verhält
und daher mit diesem Plasma die Koaxial-Wellenleitung zwischen
metallischer Düse und dem zylindrischen metallischen Hohlrohr
fortgesetzt werden kann. Da das Plasma der Flamme jedoch einen
größeren Durchmesser aufweist als die Düse, sind die Ausbreitungs
bedingungen für die Mikrowellen bei einem gleichbleibenden Durch
messer des metallischen Hohlrohres nicht mehr erfüllt. Durch die
erfindungsgemäße Durchmesservergrößerung können die Ausbreitungs
bedingungen wieder erfüllt werden, so daß im Bereich der Flamme
ein ionisierendes Mikrowellenfeld bestehen bleibt, das die Stabi
lität der Flamme deutlich vergrößert und eine gleichmäßige Ver
brennung auch bei schwer ionisierbaren Gasen ermöglicht.
Für die Energieeinleitung in den durch Düse und metallisches Hohl
rohr gebildeten Koaxialleiter aus dem Hohlleiter ist es vorteil
haft, wenn das untere Ende der Düse innerhalb des Hohlleiters
liegt, die Düse somit im Hohlleiter endet.
Allerdings kann es in vielen Fällen vorteilhaft sein, die Düse mit
einer umgewälzten Flüssigkeit zu kühlen. Für diesen Fall ist es
besonders zweckmäßig, wenn das untere Ende der Düse in einem An
satz außerhalb des Hohlleiters auf der dem metallischen Hohlrohr
gegenüberliegenden Seite des Hohlleiters liegt. Da das Kühlungs
fluid innerhalb der metallischen Düse fließt, wird es durch die
Mikrowellen in dem Hohlleiter nicht erhitzt, was jedoch der Fall
wäre, wenn über ein nichtleitendes Rohr das Kühlungsfluid dem
innerhalb des Hohlleiters liegenden Ende der metallischen Düse
zugeführt werden würde.
In einer in vielen Fällen sehr vorteilhaften Anordnung befindet
sich zwischen der Düse und dem metallischen Hohlrohr ein nichtlei
tendes Rohr mit einem Gaszuführungsanschluß. In dieses Rohr kann
Verbrennungsgas - zusätzlich zu dem in die Düse geleiteten Ver
brennungsgas - oder ein Trägergas eingeleitet werden, um Verbren
nungsprodukte gezielt abzutransportieren. Das nichtleitende Rohr
hat darüber hinaus den Vorteil, daß der Durchmesser des Flammen
plasma begrenzt wird und im wesentlichen dem Durchmesser des
nichtleitenden Rohres entspricht.
Zu Kühlungszwecken kann das nichtleitende Rohr von einem weiteren
Rohr umgeben sein, durch das ein Kühlungsfluid geleitet wird.
In einer alternativen Ausführungsform wird das Gas innerhalb des
metallischen Hohlrohres geleitet, wobei jedoch der Gasraum des
Hohlleiters von dem Gasraum der Flamme durch eine ringförmige Ab
dichtung zwischen Düse und metallischem Hohlrohr getrennt sind.
Hierbei kann in vorteilhafter Weise im Gasraum der Flamme ein Un
terdruck durch eine Absaugeinrichtung erzeugt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
das Durchmesserverhältnis zwischen dem metallischen Hohlrohr
(außerhalb der Durchmesservergrößerung) und der Düse gleich dem
Durchmesserverhältnis zwischen der Durchmessererweitung des metal
lischen Hohlrohres und dem Flammenplasma. Auf diese Weise sind
nicht nur die Ausbreitungsbedingungen für die Mikrowellen weiter
hin erfüllt, sondern es besteht auch eine im wesentlichen gleiche
Mikrowellenimpedanz über die Länge des metallischen Hohlrohres.
Das metallische Hohlrohr kann je nach Anwendungsfall oberhalb der
Durchmesservergrößerung wieder den ursprünglichen Durchmesser an
nehmen oder sich oberhalb der Durchmesservergrößerung in einen
Aufnahmeraum für ein Werkstück erweitern. Für die Funktion des
Plasmabrenners ist diese Ausgestaltung nicht mehr von Bedeutung.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung darge
stellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Plasmabrenners
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Plasmabrenners
Fig. 3 eine Modifikation der zweiten Ausführungsform gemäß
Fig. 2.
Fig. 1 läßt einen Rechteck-Hohlleiter 1 erkennen, in dem ein
(nicht dargestellter) Mikrowellengenerator Mikrowellen erzeugt.
Zur Abstimmung des Rechteck-Hohlleiters 1 ist dieser an einem Ende
mit einem verschiebbaren Kurzschluß 2 versehen, so daß für jeden
Anwendungsfall optimale Anpassungen eingestellt werden können.
Durch den Rechteck-Hohlleiter 1 ist ein kreiszylindrisches metal
lisches Hohlrohr 3 hindurchgeführt, das sich mit seinem wesentli
chen Teil in der Darstellung der Fig. 1 nach oben erstreckt und
einen auf der anderen Seite des Hohlleiters 1 liegenden Ansatz 3′
aufweist. In den nach oben erstreckten Hauptteil des metallischen
Hohlrohres 3 erstreckt sich eine metallische Düse 4, die einen
kreiszylindrischen Grundkörper aufweist, der am oberen Ende der
Düse in eine Düsenspitze 5 übergeht. Das untere Ende der Düse 4
befindet sich innerhalb des Hohlleiters 1, und zwar etwa mittig.
An das untere Ende der Düse 4 ist ein Quarzrohr 6 angeschlossen,
das als Gaszuleitung für Verbrennungsgas in die hohl ausgebildete
Düse 4 dient. Die Düse 4 ist von einem nichtleitenden Rohr, vor
zugsweise aus Quarzglas, umgeben, das mit einem Gaszuführungsan
schluß 8 versehen ist. Durch das Rohr 7 kann zusätzliches Verbren
nungsgas oder ein Trägergas geleitet werden.
Das Rohr 7 ist von einem weiteren nichtleitenden Rohr 9 umgeben,
das einen Anschluß 10 für ein Kühlungsfluid, vorzugsweise in Gas
form, aufweist.
Das metallische Hohlrohr 3 weist im Bereich des oberen Endes der
Düse 4, wo im Betrieb eine Flamme 11 entsteht, eine stufenförmige
Durchmesservergrößerung 12 auf, die sich über eine Höhe erstreckt,
die wenigstens der Länge der Flamme 11 entspricht, vorzugsweise
jedoch eine deutlich größere Höhe aufweist.
Das Durchmesserverhältnis des Durchmessers D2 des metallischen
Hohlrohres 3 außerhalb der Durchmesservergrößerung 12 und des
Durchmessers D1 der Düse 4 liegt zwischen 1,5 und 3, vorzugsweise
zwischen 2 und 3. Kriterien für die Dimensionierung sind dabei die
Einhaltung der Ausbreitungsbedingung für die Mikrowellen und die
Ermöglichung eines ausreichenden Gasdurchflusses.
Das Plasma der Flamme 11 erstreckt sich im Betrieb im wesentlichen
über den Innendurchmesser D3 des nichtleitenden Rohres 7. Der
Durchmesser D4 der Durchmesservergrößerung 12 sollte daher mög
lichst so gewählt werden, daß das Durchmesserverhältnis D4 : D3 etwa
dem Durchmesserverhältnis D2 : D1 entspricht.
In einem Ausführungsbeispiel für eine Mikrowellenfrequenz von
2,45 GHz ist D1 etwa 20 mm, D2 etwa 45 mm, D3 etwa 30 mm und D4
etwa 80 mm. Aus praktischen Gründen ist das nichtleitende Rohr 7
länger als das zweite nichtleitende Rohr 9 und dieses ist wiederum
länger als das metallische Hohlrohr 3, dessen Durchmesser in dem
dargestellten Ausführungsbeispiel oberhalb der Durchmesserver
größerung 12 wieder dem ursprünglichen Durchmesser D2 entspricht.
Die in der Figur dargestellte Anordnung ist beispielsweise für die
Verbrennung von toxischen Gasen in einem geschlossenen System ge
eignet.
Fig. 2 zeigt eine prinzipiell gleiche Anordnung eines Recht
eck-Hohlleiters 1 mit einem verschiebbaren Kurzschluß 2 und einem da
von abzweigenden metallischen Hohlrohr 3, in dem sich die Düse 4
erstreckt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1
weist das metallische Hohlrohr 3 keinen auf der anderen Seite des
Hohlleiters 1 liegenden Ansatz 3′ auf. Vielmehr ist das das Gas
zu führende Quarzrohr 6 unmittelbar aus dem Hohlleiter 1 herausge
führt. Zwischen der Düse 4 und dem metallischen Hohlrohr 3 befin
det sich eine ringförmige Abdichtung 13, die den Gasraum des Hohl
leiters 1 von dem Gasraum der Flamme 11 trennt. Oberhalb der ring
förmigen Abdichtung 13 sind in dem metallischen Hohlrohr 3 Gasan
schlüsse 14 vorgesehen, über die zusätzlich Verbrennungsgas oder
Trägergas in den Gasraum des metallischen Hohlrohres 3 oberhalb
der Abdichtung 13 eingeleitet werden kann. Vorzugsweise ist an den
Gasraum eine (nicht dargestellte) Absaugeinrichtung angeschlossen,
die zur Ausbildung eines Unterdrucks in dem Gasraum der Flamme 11
dient.
In der Höhe der Flamme 11 befindet sich die Durchmesservergröße
rung 12 des metallischen Hohlrohres 3, die zur Anpassung an den
hier nicht durch ein Rohr 7 definierten Durchmesser des Plasmas
der Flamme 11 dimensioniert ist.
Oberhalb der Flamme 11 befindet sich ein Werkstück 15, das bei
spielsweise in der Vorrichtung diamantbeschichtet werden kann. Zur
Einbringung des Werkstücks 15 schließt sich an die Durchmesserver
größerung 12 eine Erweiterung 16 des metallischen Hohlrohres 3 zur
Bildung eines Aufnahmeraums 17 für das Werkstück 15 an.
Das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
von dem in Fig. 2 dargestellten lediglich dadurch, daß sich die
Düse 4 durch den Rechteck-Hohlleiter 1 hindurch auf die andere
Seite des Rechteck-Hohlleiters 1 erstreckt. Hiermit ist zwar eine
Verschlechterung der Einkopplung der Mikrowellen in den durch Düse
4 und metallisches Hohlrohr 3 gebildeten Koaxialleiter verbunden,
vermittelt jedoch den Vorteil, daß die Düse 4 beispielsweise mit
Wasser gekühlt werden kann, ohne daß das Wasser durch die Mikro
wellen des Hohlleiters 1 aufgeheizt wird.
Claims (13)
1. Plasmabrenner mit einem Mikrowellengenerator, einem Hohl
leiter (1) zur Leitung der vom Mikrowellengenerator generier
ten Mikrowellen, einem von dem Hohlleiter (1) abzweigenden
metallischen Hohlrohr (3), einer mittig in dem Hohlrohr (3)
angeordneten, leitenden länglichen Düse (4), die sich von dem
Hohlleiter (1) aus in das metallische Hohlrohr (3) erstreckt,
und einer an die Düse (4) angeschlossenen Gaszuleitung (6)
zur Speisung einer am Ausgang (5) der Düse (4) entstehenden
Flamme (11), dadurch gekennzeichnet, daß das metallische
Hohlrohr (3) auf der Höhe der Flamme (11) eine Durchmesser
vergrößerung (2) derart aufweist, daß die Ausbreitungsbedin
gungen für die Mikrowellen auch im Bereich der Flamme (11)
erfüllt sind.
2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das untere Ende der Düse (4) innerhalb des Hohlleiters (1)
liegt.
3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Gaszuleitung zur Düse (4) mittels eines nichtleitenden
Rohres (6) erfolgt.
4. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das untere Ende der Düse (4) außerhalb des Hohlleiters (1)
auf der dem metallischen Hohlrohr (3) gegenüberliegenden
Seite des Hohlleiters (1) liegt.
5. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Düse (4) mit Hilfe einer umgewälzten Flüssigkeit gekühlt
ist.
6. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeich
net durch ein zwischen der Düse (4) und dem metallischen
Hohlrohr (3) angeordnetes nichtleitendes Rohr (7) mit einem
Gaszuführungsanschluß (8).
7. Plasmabrenner nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein
zwischen dem nichtleitenden Rohr (7) und dem metallischen
Hohlrohr (3) eingesetztes weiteres nichtleitendes Rohr (9)
mit einem Anschluß (10) für ein Kühlfluid.
8. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeich
net durch eine ringförmige Abdichtung (13) zwischen Düse (4)
und metallischem Hohlrohr (3) zur Trennung der Gasräume des
Hohlleiters (1) und der Flamme (11).
9. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeich
net durch eine Absaugeinrichtung zur Erzeugung eines Unter
drucks im Gasraum der Flamme (11).
10. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeich
net durch ein Durchmesserverhältnis (D2 : D1) von metallischem
Hohlrohr (3) zur Düse (4) von 1,5 bis 3.
11. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Durchmesserverhältnis (D4 : D3) von
metallischem Hohlrohr (3) im Bereich der Durchmesservergröße
rung (12) zu dem Flammenplasma im wesentlichen gleich dem
Durchmesserverhältnis (D2 : D1) von metallischem Hohlrohr (3)
zur Düse (4) ist.
12. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich der Durchmesser des metallischen Hohl
rohres (3) oberhalb der Durchmesservergrößerung (12) wieder
auf den ursprünglichen Durchmesser (D2) verringert.
13. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich das metallische Hohlrohr (3) oberhalb
der Durchmesservergrößerung (12) in einen Aufnahmeraum (17)
für ein Werkstück (15) erweitert.
Priority Applications (1)
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DE1995111915 DE19511915C2 (de) | 1995-03-31 | 1995-03-31 | Plasmabrenner mit einem Mikrowellengenerator |
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DE19511915C2 DE19511915C2 (de) | 1997-04-30 |
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