DE19511915C2 - Plasmabrenner mit einem Mikrowellengenerator - Google Patents

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 Rechteck-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. Ähnliche Konstruktionen sind durch JP 3-57 199 A und US 4 611 108 bekannt.

Grundsätzlich andersartige Konstruktionen eines Plasmabrenners sehen die Anregung des Plasmas unmittelbar im Bereich der Flamme vor, so daß ein Mikrowellenresonator am Ort der Gasdüse angeordnet ist. Derartige Konstruktionen sind beispielsweise durch US 5 349 154 und JP 1-176 700 A offenbart.

Durch DE 40 04 560 A1 ist es darüber hinaus bekannt, einen koaxia­ len Wellenleiter mit einer spiralförmigen Spule zu bilden, durch die ein Plasma jenseits einer Gasdüse erzeugt wird.

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 TM010-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 plasmas 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 Rechteck-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.