DE2004839A1 - - Google Patents

Description

8186-70/H ■

U.S. Ser.No. 796.121
filed February 3, I969

HUMPHREYS CORPORATION, Dow Road, Bow, New Hampshire ,U.S.A.

Vorrichtung zum induktiven Erzeugen eines Plasmas

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum induktiven Erzeugen eines Plasmas mit einer Induktionsspule, die eine
Plasmakammer umgibt, in welche ein Strom eines ersten Gases geleitet wird, und mittels ihres elektromagnetischen Feldes in der Kammer dieses Gas in ein stabiles Bogenentladungsplasma umwandelt, wobei die Bogenentladung allein durch dieses erste Gas eingeleitet und aufrechterhalten wird, und mit einem Hilfsgaseinlass, der einen zweiten Gasstrom mit einer Strömungsrate, die größer ist als diejenige des ersten Gasstromes, in eine ringförmige Hülle zwischen dem Plasma und
der Wand der Plasmakammer einführt, um Wärme aus dem Plasma auf das zweite Gas zu übertragen.

Ein solcher Plasmagenerator zum induktiven Erhitzen von Gas mit elektrischer Hochfrequenzenergie und zum Erzeugen eines sehr heißen Plasmas durch die induktive Kopplung der elektrischen Energie mit ionisiertem Gas, kann in verschiedenen Bereichen der Technik verwendet werden, z. B. zur Durchführung chemischer Reaktionen, bei der Erprobung und Behandlung von

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Werkstoffen und für allgemeine industrielle Heizzwecke.

Ein Plasmagenerator gemäß der Erfindung soll bei den verschiedensten Gasen und Arbeitsbedingungen einen stabilen Betrieb gewährleisten und in industriellen Verfahren das Erhitzen von Strömungsmedien und das Einführen von Partikeln in einen heißen Gasstrom ermöglichen. Vor allem schafft die Erfindung eine Vorrichtung zum Übertragen von Wärme aus einer inneren Gassäule oder einem Gaskern, der sich im Plasmazustand befindet, auf ein gasförmiges Medium.

Ein besonderer Zweck der Erfindung besteht darin,eine Vorrichtung zum Simulieren eines gasgekühlten bzw. mit einem Gaskern arbeitenden Kernreaktors anzugeben. Bei einer bestimmten Ausführungsform eines solchen Reaktors ist ein Kern aus spaltbarem Uran von einer Wasserstoffhülle umgeben, die zur Wärmeabfuhr und als Treibmedium zur Erfor-

dej5 tiefen Weltraums _Λ, „ . , ^ „ , „ schung dient. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung liefert Informationen über Misch- und Stabilisierungsvorgänge, die mit einiger Wahrscheinlichkeit in einer solchen Vortriebeinheit eines Reaktors auftreten, und über Verfahren zur Gewährleistung langer Haltezeiten des Materials im Wärmeerzeugungskern und/zur Verbesserung des Wirkungsgrades, mit dem die Wärme auf die Gashülle übertragen wird.

Ein Plasmagenerator gemäß der Erfindung enthält, wie schon erwähnt wurde, eine elektrische Spule, die eine Plasma kammer umgibt und in dieser ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Eine erste Gaseinlasseinrichtung läßt ein Hauptgas in die Plasmakammer strömen, das durch das elektromagnetische Feld in den Plasmazustand versetzt wird. In eine ringförmige Hülle zwischen der Wand der Kammer und dem Plasma des ersten Gases führt eine zweite Gaseinlasseinrichtung ein weiteres Gas ein, das zur Übertragung der Wärm·

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vom Plasma auf die Gashülle dient. Diese Gashülle oder Gasschicht kann auf verschiedene Weise in die Plasinakammer eingeführt werden, beispielsweise dadurch, daß sie durch die Wand der Plasmakammer transpiriert, oder durch eine Axialströmung längs dieser Wand mit hoher Seschwindigkeit. Zwischen den Gasen der Hülle und des Kernes ist bei der ersten Windung der Spule eine Stabilisierungsanordnung derart eingesetzt-, daß ein unterer Teil des Plasmas bzw. des Entladungsbogens sich innerhalb dieser Anordnung befindet und von der Gashülle isoliert ist. Die Stabilisierungsanordnung kann sich gegenüber der ersten Windung einer axial angeordneten Spule befinden oder auf jeder Seite derselben in einem axialen Abstand, der gleich dem halben Durchmesser des Strömungskanals für das Kerngas ist. Vorzugsweise ist die Stabiliserungsanordnung für das elektrische Feld durchlässig, für die Gase des Kernes und der Hülle jedoch undurchlässig.

Vorzugsweise weist die zweite oder Hilfsgaseinlasseinrichtung einen axial angeordneten ringförmigen Kanal großer Länge auf, dessen Außenwand die gleiche Form besitzt, wie die Innenwand der Plasmakammer und deren Innenwand am Anfang der Plasmakammer endet, so daß zwischen dem Inneren und äußeren Wänden der Hilfsgäseinlasseinrichtung ein Auslass zur Zuführung des Hüllengases gebildet ist. Das Hüllengas wird an einer von diesem Auslass entfernten Stelle in den ringförmigen Kanal eingeführt, fließt durch diesen hindurqh und gelangt in einer symmetrischen Hülle oder Schicht mit gleichmäßigen axialen Strömungseigenschaften in die Plasmakammer. In diesem Fall enthalten die beiden Einlasseinrichtungeri für das Plasmagas und das Hüllengas Teile, die das Gas längs einer Vielzahl von Pfaden in Richtungen, welche radiale Kom-> ponenten bezüglich der Achse des Plasmagenerators besitzen, '■'' derart gegen einen Wandteil ausströmen lassen, daß'diese ^:

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radialen Strömungskomponenten in eine axiale Strömung mit gleichmäßigem Umfangsprofil geändert werden.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Innenwand der Hilfseinlasseinrichtung durch ein rohrförmiges Glied gebildet, durch welches ein Kühlmedium hindurchströmt und in welchem eine Stabilisierungsanordnung in Form eines dielektrischen Ringes montiert ist« Bei einem anderen Ausführungsbeispiel sind statt dessen in einem mittleren Schutz- oder Pufferrohr eine Vielzahl von axial und in geringem Abstand voneinander angeordneten Rohrteilen montiert, die bis zum Beginn der Plasmazone reichen und eine Vielzahl von getrennten Zufuhr- und Rückführpfaden für ein Kühlmedium bilden. Bei diesen Ausführungsbeispielen sind die Teile der Übergangsanordnungen, die sich im Hauptteil des das Plasma aufrechterhaltenden elektromagnetischen Feldes befinden, so angeordnet, daß sie dieses Feld nicht wesentlich absorbieren. Beispielsweise sind eine Reihe von Rohrgliedern in einem Ring angeordnet, oder es ist ein Absperring aus Quarz vorgesehen. Diese Anordnungen können sich durch die gesamte Länge der Plasmakammer erstrecken.

Es wurde festgestellt, daß eine Vorrichtung gemäß der Erfindung zufriedenstellend mit einer Anodenleistung von mehr als 80 kW arbeitet, wenn als das das Plasma bildende Hauptgas Argon und als Hüllengas Wasserstoff verwendet wird, und zwar bei einem Geschwindigkeitsverhältnis zwischen dem Wasserstoff und dem Argon von mehr als 60:1. Mit Argon als Kerngas und Luft als Hüllengas läßt sich bei einem Verhältnis der Geschwindigkeit des Hüllengases zu derjenigen des Kerngases von 45:1 eine Anodenleistung von mehr als 900 kW erreichen.

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Ein weiteres Merkmal der Erfindung bestellt' darin, daß zwischen der Hauptgasströinung und der Hilfsgasströmung mindestens ein zusätzliches Gasströmungssystem vorgesehen ist, das eine verbesserte Geschwindigkeitsanpassung gewährleistet" und somit im Übergangsbereich eine Mischung zwischen dem Hauptgas und dem Hilfsgas weitgehend verhindert.

Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird die Plasmakammer durch eine Vielzahl von axial verlaufenden, im Abstend voneinander in einem Ring angeordneten Rohrelementen gebildet, die einen Kanal begrenzen, durch den' das das Plasma bildende Kerngas fließt. Die Rohrelemente sind in Gruppen angeordnet. Die Enden eines ersten Teiles der Rohrglieder jeder Gruppe können an eine Quelle eines Kühlströmungsmediums am Eingangsende angeschlossen werden, und die entsprechenden Enden des übrigen Teiles der Rohrglieder jeder Gruppe können mit einem Kühlmittelsumpf ebenfalls beim Einlassende verbunden sein. Die anderen Enden der Rohrelemente jeder Gruppe sind am Ausgangsende der Plasmakammer miteinander verbunden und bilden einen Rückkehrweg für das Kühlmedium. Der Eingang für das das Plasma bildende Gas befindet sich bei den Verbindungsstellen am Einlassende, Eine elektrische Spule umgibt die Kammer und kann an einen Oszillator angeschlossen werden, so daß sie innerhalb der Kammer ein elektromagnetisches Feld erzeugt, welches das Hauptgas in den Plasmazustand versetzt. Zwischen den Ring der Rohrelemente und die Spule ist ein Rohr aus dielektrischem ¥erkstoff eingesetzt. Die Spule kann nahe am Ausgangsende angeordnet sein, so daß eine kürzere Gesamtlänge des Brenners erreicht wird. t

Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung erleichtert den Betrieb des Brenners, beispielsweise die Anpassung der induktiven Last an die Leistungsquelle. Ferner ermöglicht die

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Erfindung einen Betrieb mit höheren Leistungsdichten, als es bisher bei Plasmageneratoren der vorliegenden Art möglich war. Die Hilfs- oder Hüllengasströmung führt zu einer Herabsetzung des Durchmessers des Plasmas bzw. Entladungsbogens und gewährleistet einen zusätzlichen Schutz für die Wand der Plasmakammer. Es lassen sich Geschwind igke its verhältnis se von bis zu 300:1 zwischen dem Kerngas und dem Hilfsgas erreichen. Das Hilfsgas wurde beispielsweise zum Transportieren von Makroteilchen zum Zweck der Wärmebehandlung oder zur Scha flung eines verbesserten Strahlungsschutzes verwendet.

In Verbindung mit der Zeichnung sollen nun bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Induktionsplasmagenerators gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt durch die Plasmakammer des Generators längs der Ebene 2-2. der Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels ;

Fig. 4 einen Schnitt durch Fig. 3 längs der Ebene 4-4, der Einzelheiten der die Wand der Plasmakammer bildenden Anordnung zeigt;

Fig. 5 eine Schnittans.icht eines weiteren Ausführungsbeispiels ;

Fig. 6 einen Schnitt durch Fig. 5 längs der Ebene 6-6;

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Fig. 7 ein schematisches Schaltbild einer elektrischen Schaltungsanordnung für die in den Figuren 1 bis 6 dargestellten Plasmageneratoren; .

Fig. 8 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels und.

Fig. 9 eine grafische Parstellung zur Erläuterung des Betriebsvernaltens des in Fig. 8 dargestellten Piastaagenerators.

Der in Fig· 1 dargestellte Plasmagenerator besitzt einen Sockel 10 Biit einer zentralen Bohrung 12, in der eine Gaszufuhreinrichtung i4 montiert ist. In einer Nut 16 in der Bohrung sitzt ein O-Ring 18, der zur Abdichtung gegen die Zufahreinrichtung dient. Durch Klemmschrauben 20 ist die axiale Stellung der Einrichtung 14 relativ zum Sockel gesichert.

Die Zufuhreinrichtung enthält einen zylindrischen Körper 22 mit einem Durchmesser von 50,8 mm, der einen zentralen Materialeinlasskanal 24 und drei axial verlaufende Gasströmungskanäle 26, 28 und 30 besitzt· Bine Einsenkungen 32 am oberen Ende des Körpers 22 bildet einen Sitz für einen Mischkopf 40, der mittels eines Hohlbolzens 42 in Stellung gehalten wird, dessen Hohlkanal 43 einen Fortsatz des Kanäles24 darstellt und mit diesem !Fluchtet. Der Mischkopf 40 enthält einen zylindrischen Block 44 mit einem Durchmesser von 47,62 mm, an dessen oberem Snde sich ein ringförmiger Verteilerkanal 45 befindet, der 1,57 β*⁰ tief und 7,92 mm breit ist. Über dem Kanal ist ein Ring 46 befestigt, in dem sich auf. einem Kreis mit einen Durchmesser von 30,48 mm eine Reihe von zwölf

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Of66 mm starken axialen Auslassöffnungen 47 befindet. Unmittelbar unter dem Kanal 45 sind zwei periphere Verteilerkanäle 48 und 50 vorgesehen, von denen der Kanal 48 mit dem Kanal 26 und der Kanal 50 mit dem Kanal 30 in Verbindung steht. Auf der Wand des aufgesetzten Mischerkörpers befindet sich ein Ringkörper 52 mit einem Satz von zwölf radial verlaufenden Mündungen 54, die jeweils einen Durchmesser von 0,66 mm haben und unmittelbar vor dem Verteilerkanal 48 angeordnet sind, und einem Satz von zwölf Drallmündungen 56, deren Durchmesser ebenfalls 0,66 mm beträgt und die sich vor dem Verteilerkanal 50 befinden.

Auf dem Sockel 10 ist ein Abstandhalter in Form eines Zylinders 60 montiert, der eine Übergangskanal- und Hilfsgaszuführeinrichtung enthält. Ein Gehäuse 62, in welchem eine Induktionsspule 64 und ein die Plasmakammer bildendes Quarzrohr 66 angeordnet sind, ist seinerseits auf dem Zylinder 60 montiert. Durch den Sockel 10 und den Abstandhalterzylinder 60 hindurchgesteckte und in das Gehäuse 62 reichende Schrauben halten diese Teile zusammen. Auf dem oberen Ende des Gehäuses 02 ist durch Schrauben 72 eine Endkappe 70 befestigt.

Abgedichtet befindet sich im Zylinder 60, dessen Innendurchmesser 82,6 mm beträgt, eine Stabilisierungsanordnung in Form eines Übergangskanals 80 und einer Hilfsgaszuführanordnung 89. Der Übergangskanal 80, der einen Innendurchmesser von 50,8 mm besitzt und 123,8 mm lang ist, enthält einen durch Wände 82 und 84 gebildeten Wassergekühlten Abschnitt, ein oberes Kopfstück 85, ein unteres Kopfstück 86 sowie ein 12,7 mm langes Trennstück 88 aus Quarz, dessen Ende praktisch mit der unteren Leistungszuführungslei«*tung der Spule 64 fluchtet. Um den Kanal 80 herum ist die Hilf8-

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gaszuführanordnung 89 angeordnet, die einen ringförmigen, sich, axial erstreckenden, 1,59 mm breiten Pufferkanäl 90 und. einen den Kanal 90 umschließenden, ebenfalls axial angeordneten, 4,77 nun breiten Hauptkanal 92 aufweist. Das Hilfsgas wird in den Pufferkanal 90 durch eine Einlassöffnung 94 und einen Kanal 96 geleitet. Die Hauptströmung des Hilfsgases gelangt hingegen durch eine Einlassöffnung 98 in einen Verteilungskanal 100 und strömt durch zweiundvierzig radiale Öffnungen 102 hindurch, die jeweils einen Durchmesser von 0,66 mm besitzen. Außerdem wird die Hauptströmung des Hilfsgases durch eine zweite Haupteinlassoffnung 104 in einen Verteilerkanal 106 geleitet und strömt durch eine Anzahl von zwölf Drallmündungen 108 mit einem Durchmesser von ebenfalls 0,66 nun,

Es ist zu beachten, daß die Hilfsgasverteiler- und Übergangskanalanordnung, die als einstückige Einheit gebildet ist, genau koaxial mit der Gaszufuhreinrichtung 14 angeordnet ist. Das aus einem Quarzrohr bestehende Trennstück 88 bildet einen Fortsatz der Innenwand des Übergangskanals 80, so daß längs der Wände des Trennstücks 88 eine glatte Strömung des Plasmagases gewährleistet ist, das von dem von der Anordnung 89 zugeführten Hilfsgas getrennt ist.

Von den aufeinanderliegenden Flächen.des Zylinders 60 und des Gehäuses 62 verläuft ein Kühlmitteleinlasskanal 110 zum Kanal zwischen den Wänden 82 und 84, Ein Auslasskanal 112 erstreckt sich an der dem Kanal 110 gegenüberliegenden Seite vom Kanal zwischen den Wänden 82 und 84 radial nach außen.

Das Gehäuse 62 besteht aus einem Werkstoff gleichmäßiger hoher dielektrischer Widerstandsfähigkeit, das von dem verwendeten Kühlmittel nicht angegriffen wird, be.isp.iels-

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weise aus Polytetrafluoräthylen (Teflon). Am Gehäuse 62 sind rohrförmige elektrische Anschlußstücke 120, 122 befestigt, von denen jedes einen wassergekühlten DurchlasskarA 124 besitzt. Das obere Anschlußstück 120 ist mit einem Anschlußblock 126 verbunden, der seinerseits am einen Ende der Spule 64 befestigt ist. Bei dieser Spule handelt es sich um 2,38 mm starken runden Kupferdraht, der fünf Windungen über eine Länge von etwa 101,6 mm mit einem Innendurchmesser von etwa 82,6 mm bildet. Das andere Ende der Spule 64 ist an einem Block 128 befestigt, an dem das Anschlußstück 122 festgeschraubt ist. Der Kühlmitteldurchlasskanal 124 des Anschlußstücks 122 ist mit dem Kanal 130 im Gehäuse 62 verbunden, welcher seinerseits mit dem Kanal im Zylinder 60 fluchtet. Ein weiterer Kanal 132, der mit einer ringförmigen Kammer 134 in Verbindung steht, in welcher sich die Spule 64 befindet, läßt das Kühlmittel nach oben an der Spule 64 vorbei und um das obere Ende des Quarzrohres 66 herum fließen. Das Kühlmittel kehrt dann durch einen Auslasskanal 136 zum Kanal 124 im oberen Anschlußstück 120 zurück.

Eine an der Ändkappe 70 befestigte Düse 14O bildet eine beschränkte Mündung, durch die sowohl das Plasmagas als auch das Hilfsgas strömen. Diese Düsenanordnung erstreckt sich außerdem nach unten so weit in die durch das Quarzrohr 66 gebildete Plasmakammer hinein, daß zwischen dem Bereich des Entladungsbogens, der mit 142 bezeichnet ist, und einem oberen Haiterungs-0-Ring 144 für das Quarrohr ein für die Strahlung aus dem Bogenbereich undurchlässiger Schutzschild gebildet ist. Für einen unteren Halterungs-O-Ring 146 bildet der Übergangskanal 80 einen ähnlichen strahlungsundurchlässigen Schutz. Eine Anzahl weiterer 0-D.ichtungsringe sind zwischen den aufeinanderliegenden Teilen des Generators

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vorgesehen, nämlich zwischen der Endkappe 70 und dem Gehäuse 62, dem Gehäuse 62 und dem Zylinder 60 sowie zwischen der Anordnung 89 und dem ZylinderoO und dem Sockel 10,

Gemäß einer typischen Betriebsweise dieses Plasmagenerators entsteht das Plasma zunächst dadurch, daß Argongas mit einer Durchflußleistung oder Strömungsrate von 0,85 nr/h (= •cfh) durch die Einlaßöffnungen des Ringes 46 bzw. den Kanal 28 und pit 2,27 V?/h (« 80 scfh) durch die Mündungen bzw. den Kanal 30 eingeführt wird. Die Plasmabildung kann dadurch eingeleitet werden, daß vorübergehend ein Graphitstab in die Kammer eingeführt und dort durch das elektromagnetische Feld der Spule 6k erhitzt wird. Nach der Bildung des Plasmas werden die Strömungsraten der das Plasma aufrechterhaltenden Argonströmung auf folgende Werte eingeetellti

Kanal 26 1,13 n»³/n

Kanal 28 0

Kanal 30 2,87 m³/k.

Di· Form des aich ergebenden Entladungsbogens 1U2 ist allgemein so, vie in Fig. 1 dargestellt ist. Durch die Öffnungen °Λ, 98 und 104 kann ein Gas zum Zweck einer chemischen Reaktion oder für eine Analyse eingeführt werden. Die Öffnung 9U dient vor allem für Pufferzwecke, während die Hauptgasströmung durch die Öffnung 98 fließt (zusätzliches Gas durch die öffnung \Qk ist im allgemeinen nicht erwünscht). Mit dieser Vorrichtung wurde Wasserstoff als Hilfsgas auf eine Temperatur von 1538° C (2000° F) bei einer Strömungsrate von 102 nr/h erhitzt,, und zwar bei folgender Verteilung auf die HilfsÖffnungen:

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Öffnung 94 5,7 - 28,3 Öffnung 98 73,6 - 102 Öffnung 1θ4 0.

Dieser Betrieb erfolgte länger als eine Stunde, ohne daß der Sntladungsbogen 142 instabil wurde. Wasserstoff, der ■it niedrigeren Strömungsraten durch die Anordnung 89 zugeführt wurde, wurde auf 2760° C (5000° F) erhitzt.

In den Figuren 3 und k ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der Plasmagenerator besitzt einen Sockel 10', in dem eine mit 40' bezeichnete Hauptzufuhranordnung für das Plasmagas und eine mit 60* bezeichnete Hilfsgaszufuhr- und Übergangskanalanordnung gelagert sind. Xn der Anordnung 60⁽ befindet sich ein Einsatzstück zur Bildung eines übergangskanals 150, der einen Innendurchmesser von 5k mm und eine Länge von 165 mm besitzt. Dieser Übergangskanal 150 weist ein Sockelteil 152 auf, das an der Anordnung 60¹ festgeschraubt ist, ferner eine innere Metallwand 154, an der ein Kopfstück 156 befestigt ist, auf dem ein rohrförmlger Fortsatz 158 aus Quarz sitzt, sowie eine die Wand 154 umgebende rohrförmige weitere Wand 160, die vom Kopfstück 156 nach unten ragt und mit der Wand 154 einen ringförmigen Kühlmittelkanal 162 bildet. Sin drittes rohrförmiges Teil 164, das ebenfalls am Kopfstück 156 befestigt ist, enthält eine Reihe von zweiundvierzig axialen Öffnungen 166 mit einem Durchmesser von 0,66 mm sowie eine Reihe von sechs Drallöffnungen I67 mit einem Durchmesser von ebenfalls 0,66 mm, die in Verbindung mit der zwischen den Wandteilen I60 und 164 gebildeten ringförmigen Kammer 168 stehen. Die Anordnung 60¹, in der die Übergangskanalanordnung 150 montiert ist, enthält einen Kühlmitteleinlass 170, einen Kühlmittelauslass 172 sowie einen Hilfsgaseinlass 174. Ein Dichtungs-O-

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Ring 176 trennt das Kühlmittel vom Hilfsgas.

Auf der im wesentl.ich.en aus einem zylindrischen Abstandhalter bestehenden Anordnung 6O¹ ist eine die Plasmakammer bildende oder begrenzende Anordnung montiert, die einen als Kopfstück dienenden Sockel 180 enthält, auf welchem in einem Ring im Abstand von 0,56 mm eine Reihe von Kupferrohren 182 angeordnet sind, deren Innendurchmesser 2,16 mm und deren Außendurchmesser 3118 mm beträgt. Die unteren Enden der. Rohre 182 sind, am Sockel I80 angelötet und stehen in Verbindung mit einem Verteilerkanal 184-, der seinerseits mit einer Einlassöffnung 186 und einer Auslassöffnung 188 in Verbindung steht. In ähnlicher Weise sind die oberen Enden der Rohre 182 an ein Kopfstück 190 angeschlossen. Der Abstand, zwischen dem Kopfstück oder Sockel 180 und dem Kopfstück 190 beträgt 146 nun, und der, Innendurchmesser der beiden Kopfstücke beträgt 76,2 mm,.

Um den Ring der Rohre 182 herum ist ein Rohr 192 aus Keramik (Rotasil) angeordnet, dessen Innendurchmesser 88,9 nim beträgt und das 184,2 mm lang ist. Eine das Rohr 192 umgebende, an eine elektrische Leistungsquelle angeschlossene Induktionsspule 6k^r besitzt sechs Windungen aus Kupferrohr mit einem Außendurchmesser von 6,35 mm.

Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung dieser Metallwandkons truktion zur Bildung der Plasmakämmer besondere Vorteile aufweist, wenn der Generator ohne eine Hilfsgasströmung betrieben wird. Beisp.i0lswe.ise wurden Generatoren, in denen die Plasmakämmer durch den beschriebenen Ring aus Metallrohren gebildet wird, mit einem prozentualen Anteil von Wasserstoff in der HauptgasStrömung betrieben, der größer war als Wasserstoffanteile, die bei einem Generator von

dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Typ zu einer Zerstörung des Quarzrohres führen würden. Ferner waren durch die Verwendung des Ringes aus Rohrelementen höhere Leistungsdichten möglich. Ein solcher Generator mit einer aus Rohreletaenten gebildeten Plasmakammer mit einem Durchmesser von 25,4 ^mm kann mit einer Leistung von 110 kW im Entladungsbogen arbeiten, während bei Verwendung eines Quarzrohres mit einem Durchmesser von 25,4 mm die maximale Betriebsleistung im Bogen 17 kW beträgt, wobei in beiden Fällen als Plasmagas Luft vorausgesetzt ist.

Die Zündung dieser Plasmageneratorvorrichtung kann dadurch erfolgen, daß ein Bolzen 42 aus Graphit des Mischkopfes IfO mit einer unter Spannung stehenden Elektrode in Berührung gebracht wird, die axial durch das Auslassende der Plasmakammer eingeführt wird. Es wird ein Gleichstrombogen gezogen, der das Gas in der Kammer ionisiert, und mit diesem koppelt sich das von der Spule 64 erzeugte elektrische Feld.

Bei einem praktischen Fall arbeitete der in den Figuren 3 und 4 dargestellte Plasmagenerator mit folgenden Betriebsdaten:

Argonkern	3,	26 ar/h
Wasserstoffhülle	77,	35 ia3/h
Windungszahl der Spule	6
Innendurchmesser der Spule	101	, 6 mm
Schwingkreiskondensator des Oszillators (Fig. 7)	900	Mikrofarad
Blockkondensator	125	Mikrofarad
Frequenz	2,5	MHz.

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Xn Abwandlung der in Flg. 5 dargestellten Vorrichtung kann auch die in Flg. 1 dargestellte Plasmakammer-kon-8trüktion (statt des Ringes aus Bohrelementen) verwendet werden,während die Spol» 64 in der in Fig. 3 dargestellten Weise au Ende des Quftrzforteatzes 158 angeordnet ist. Bei« Betrieb ergaben sich die folgenden Werte, die man ■it den oben angegebenen Werten vergleichen kann«

¥a*e«retoffiaülle , 102,3 Windungszahl de? Spule 5

Xnndendutfcharaseer der

■-■.-■■. ,Spul· ■'■·: .. * ■■-■-■ B3_tB

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Bei der Messung der Wärmeenergie in de« den Brenner ver lassenden Gas wurde, festgestellt, daß sie mehr als 40 fi der aielehstronelngaragaleietung des Gatneratora betrug.

Bitt weiteres Ausfuhrungsbelspiel 1st in dan Figuren 5 6 dargestellt. Dieser Plasmageiaerator besitat einen Sockel 10", in welche« eine schenatisch alt 4O" beeeichnete Hauptsufillira&ordnusiig für das Plasaagas und eine nit 60" be-■eichaete ^Llfsgassuführanordnung gelagert sind. Sine an der zylindrischen Anordnung 60^e befestigte und von dieser natch oben ragende übergangskanalanordnuag besteht aus achtundjülnfzig Rohren 200 «it eine« Atsßendurcbjsesser von 3,18 «M und eine« Xnnendurcheeseer von 2, 16 m». !Die Rohre besitsen einen gegenseitigen Abstand van ungefähr 0,51 son, doch ergibt sich auch eine befriedigende Betriebsweise, wenn «ehrere (aber nicht alle) Rohre benachbarter Paare •iM&A*T berühren. In die Zwischenräume zwischen den Rohren 200 sind geeignete isassperrmittel wie s. B. Sauereisen-

zement eingesetzt. Die oberen Enden von jeweils einem Paar von Rohren 200 sind zusammengelötet, so daß ein Rückströmkanal gebildet 1st. Außerhalb des Ringes van Rohren 200 let ein Pufferrohr 202 aus |uarz angeordnet und dieses Rohr 202 wird von einem die Plasmakammer bildenden Rohr 66* umgeben, das seinerseits von der Spule 64" umschlossen ist.

Die zylindrische Hilfszuführanordnung 60^w enthält eine Kühlτ wassereinlassöffnung 210, die über einen Kanal 212 mit einer Leitung 214 verbunden ist, die mit jedem zweiten Rohr 200 in Verbindung steht, und eine Kühlwasserauslassöffnung 216, die mittels eines Kanales 218 mit einer ähnlichen Leitung 220 verbunden ist, die an das jeweils andere Rohr jedes Paares angeschlossen ist, so daß ein Rückweg für die Kühlwasser-Strömung gebildet ist. Bin Schutz- oder Puffergas wird durch eine Einlassöffnung 222 einer Reihe von radialen öffnungen 224 zugeleitet und prallt gegen die Außenwand des Ringes der Rohre 200, wodurch das Gas in eine axiale Strömung zwischen diesem Ring und dem Quarzrohr 202 umgelenkt wird. Eine Einlassöffnung 226, durch die das Hüllengas eingeführt wird, steht in Verbindung mit einem Leitungsring 228 und einer Reihe von radialen Öffnungen 230, die das Hüllengas gegen die Außenwand des Pufferrohres 202 lenken, wo es in eine Strömung umgelenkt wird, die zwischen den Rohren 202 und 66" axial nach oben in die Plasmakammer gerichtet ist. Sine an eine elektrische Leistungsquelle angeschlossene Induktionsspule 6h*, die drei Windungen aus doppelt gewickeltem massivem Kupferdraht aufweist, umschließt das Rohr 66".

Für den in den Figuren 5 und 6 dargestellten Plasmagenerator ergab sich ein stabiler Betrieb mit den folgenden Verterti

Argonkern 3,k m /h

Wasserstoff als Puffergas 14,2 - 22,7 «a / Wasserstoffhülle 85 m³/h.

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'3 Bei konstanter Strömungsräte von 3,4 nr/h für das Kerngas kann die Strömungsrate des Hüllengases zwischen O und 142 m /h geändert werden, ohne daß der Betrieb instabil wird. Der Entladungsbogen 142" strahlt in der Nähe der ersten, d. h. untersten Windung der Spule 64" am stärksten, und das obere Ende der Übergangsanordnung (Rohre 200 ) wird vorzugsweise relativ zur Spule 6kⁿ derart angeordnet, daß der Bogen 142" sich innerhalb der stabilisierenden Trennanordnung, befindet, wie in Fig. 5dargestellt ist. Es ergibt sich aber auch ein befriedigender Betrieb der Vorrichtung, wenn das Ende der Trennanordnung mit dem Ende der Spule fluchtet, 12,7 mm in die Spule hineinragt oder einen Abstand von 12,7 mm von der Spule aufweist.

In Fig. 7 ist schematisch eine elektrische Schaltungsanordnung dargestellt, die für die Plasmageneratoren gemäß der Erfindung verwendet wird. Diese Schaltungsanordnung enthält eine Oszillatorröhre 240, der über Leitung 242, 244 die Gleichstromleistung zugeführt ist. Die Eingangsleistung wird durch ein Amperemeter 246 und ein Voltmeter 248 gemessen. Ein Kondensator 250 und eine Induktivität 252 bilden einen Filterkreis. Ein Abstimmkreis für das Steuerg.itter 254 enthält Kondensatoren 256, 258, Induktivitäten 2$O, 262 und einen Widerstand 264, Ein Amperemeter 266 dient zur Messung des im Gitterkreis fließenden Stromes. Die als Ausgangselektrode dienende Anode 268 der Röhre 240 ist mittels eines Blockkondensafcors 27O mit dem Haupt schwingkreis gekoppelt, der einen Schwingkreiskondensator 272» die Generatorspule 64 und eine regelbare Drosselspule 274 enthält.

Mit dieser Anordnung wird zunächst ein Plasmazustand hergestellt. Der Hilfsgasstrum, also das Gas, auf welches Wärme übertragen werden soll, wird dann in die das gebildete

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Bogenentladungsplasma umgebende ringförmige Hülle eingeführt· Durch, die Verwendung eines oder mehrerer Puffergasströme werden die Geschwindigkeitsübergänge zwischen dem das Plasma bildenden Kerngas und dem Hüllengas moderiert, wobei diese Hülle eine hohe Geschwindigkeit aufweist und einen Entladungabogen mit größerem Durchmesser und erhöhter Stabilität bewirkt .

In der folgenden Tabelle ist ein Betriebsbereich für solche Systeme angegeben. Bs wurden ein Brenner mit einem Durchmesser von T6 mm mit h MHz und Brenner mit Durchmessern von 114 mm und 152 mm mit 450 KHz gespeist»

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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Dieser Plasmagenerator besitzt einen Sockel ΙΟ*¹, in welche« eine schematisch mit kO^H ' bezeichnete PlasBsagassufuhreinriehtung gelagert ist, die allgemein vom gleichen Typ ist, wie diejenige gemäß Fig. 1. An der Einrichtung kOⁿ · ist eine die Plasmakamner bildende Anordnung befestigt, die einen Durchmesser JC von etwa 27,9 mm besitzt und aus acht und zwanzig Rohren ρ 280 mit einem Außendurchmesser von 3,18 mm und einem In- % nendurchmesser von 2,16 mm gebildet ist. Der Abstand zwijj[ sehen den Einzelnen Rohren beträgt etwa 0,51 mm. Auf die gleiche Weise wie bei der Rohrkonstruktion gemäß der Figuren 5 und 6 sind die oberen Enden eines jeden Paares ί " von Rohren 280 zusammengelötet und bilden einen Rückström- ! kanal für ein Kühlmittel. In den Zwischenräumen zwischen ρ den Rohren 280 befindet sich Sauereisenzement. Außerhalb des Ringes der Rohre 280 ist ein dielektrisches Rohr 282 aus Quarz mit einem Innendurchmesser von 38,1 mm und einer Länge von 152,4 mm angeordnet, und eine wassergekühlte elektrische Spule 6k** umgibt in einem Abstand von 3»18 mm ihrerseits das Rohr 282.

Für einen Brennerbetrieb mit reinem Wasserstoff wurden eine Spule 6k^mi mit sieben Windungen und ein Schwingkreis verwendet, der eine Kapazität von 1200 pF und eine ge-+ samte Kreisinduktivität einschließlich der Spule 6k^m · von ungefähr 1 Mikrohenry besaß. Der Brenner arbeitete vertikal und in offener Luft. Die Einheit wurde mit reinem Argon bei einer Strömungsrate von 2,83 m /h gezündet, und die Leistung wurde auf 100 kW erhöht. Nun wurde

3 Wasserstoff mit einer Strömungsrate von 0,17 m /h zur Argonzündströmung hinzugefügt, und dann wurde der A_rgonetron abgestellt.

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Die Betriebsgrenzen dieses Brenners sind in Fig. 9 dargestellt. Die oberen Grenzen des stabilen Betriebes sind eine Funktion der jeweiligen Leistungsversorgung und der Form der verwendeten Spule. In der folgenden Tabelle sind typische Betriebsbedingungen für Luft, Wasserstoff-, Helium und Argon zusammengestellt.

Betriebs- typische Wasser- Wasser- Wasser- Helium Argon punkt Luft stoff stoff stoff

AB· C

Anoden- 95,0 110,1 114,1 103,7 '57 90

leistung ~ - ■■

Windungszahl 8 7 7 7 7 4 der Arbeitsspule

Innendurch- 27,9 27»9 27,9 27,9 27,9 27»9 messer des

Brenners

Gasströmungs-

rate(nryh) 3.26 0,28 0,1? 0,13 1,7 9,63

^-Verhältnis 30,0 13,8 12,8 14,38 7,38 50,1 zwischen Ausgangsgaslei
stung u.Anodenlei s tung

mittlere Aus- ,

gangsgas- ti.1Q0 591.00 i.594.00 2.162.00 23.200 3890 Enthalpie .

(kcal/g χ _ ■■■":·
0,56 χ TO"-³)

Die Buchstaben beziehen sich auf die Betriebspunkte in Fig. 9. .

Die mit diesem Brenner erzeugten hohen Ausgangsgas-Bnthalpien (die Strahlüngskömponenten der AüsgangsgäB*-Bnthälpien wurden

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mit einem Gerät vom Typ "High CaI Engineering detector q£ C-7015¹¹ gemessen, sind bemerkenswert. Die beschriebene Rohrförmige Anordnung führt bei gleichwertigen Bogenentladungsbedingungen zu einem niedrigen Rückwirkungswiderstand und erlaubt, die Spule 6h näher an den Ausgang der Plasmakammer zu rücken, so daß sich ein kürzerer Brenner und, weil weniger Wärme an die Brennerwände verloren geht, eine höhere Leistung im Ausgangsgas ergeben. Der Entladungsbogen erstreckt sich beträchtlich über das Ende der Plasmakammer hinaus, und eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann als Lichtquelle hoher Strahlungsintensität verwendet werden.

Ferner ermöglicht eine Vorrichtung gemäß der Erfindung eine wirksame Gaskernreaktorsimulation mit einem Geschwindigkeitsverhältnis zwischen einer Wasserstoffhülle und einem Argonkern von mehr- als 30t 1. Bei stabilem Betrieb, der höhere Leistungen zuläßt, erfolgt die Wärmeübertragung auf das Hilfsgas mit hohem Wirkungsgrad. Die Vorrichtung liefert eine intensive Strahlung und kann daher nicht nur als Lichtquelle dienen, sondern auch zur Behandlung von Werkstoffen.

Ss versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung verschiedene Änderungen und Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele Möglich sind· Diese gilt insbesondere für die angegebenen Bemessungen.

Die angegebenen Strömungsraten gelten für Normalbedingungen

bedeutet jeweils N m3 tr/h) f

^ji;: OöiiÜ/H1S

Claims (1)

1. 20Q4839

   - 23 -

   PAT» N T A N S P RU C H E

   Vorrichtung .asu» . induktiv®η Br ze sage a sines Plasma »it eiämit Induktionsspule« die ©ine Plasraakaanner umgibt, in we 1 eiie ein Ström eines ersten Gases geleitet

   üittela ihr©» alektroe^giietischen Feldes in" Gas_ ist ein stabil©s Bogea®tttladtnags~ ■*?©&« 1 die 'Bo^&n&ntla.d^rag allein dtärcln. erst» Gas eisigsleitei; *jad a,?sfr«ciit erhalt en wird, und seit »in©» Hilfsgaaeinlase, der einen zweiten Gasstrom aiit einer Ströaeangsrate, dia größer ist als diejenige des eretett Cfce.&troia&a _t in aiiae riugfSrBäige Mülle zwiscben den Plassa ΐΐηβΐ d©r Wasad der PlasmaScasaaar eihfübrt, ubUKibs *ö3 -dem "Pl«.*aai asif iiaa sweito ii&s' ζκ lbertragen _e d&darch gekeuazaiclmet, daß la der Kaliä öer ersten Wind«V Induktionsspule (6%) eine Stabiiisierungsanord-(8©,S3,89) v&£<gQB®*A®n ist, ia waltsae^ sicli der unteleil äei Bogeaamtlaärasagsplasssas (i42).; fa&t±nü®*b and Teil.-vow |6as $&'£ Hülle Äe©li©»t" sisad die aiich daiEKi aüf^öciivfcextolllt, wenn

   StsfdiKMsgerate "de* ssweitea Ö-asötroaes so gi-oßist, »laö d©^ Bogen oim« diese Stabiiisieruugsanordnung ge-

   Äasprueü t, dadurch

   »icii »wischen des BilfsgÄSöiwiasa/aiiäd dem "Einlass (SjÖ⁶⁵) für d&s erste Sae ©ine Anordnwtig «it einer Melirvon axial Tsrlaufenden, in einem Ring iie Abstand angeordneten Roiirgliedern (200) befindet, zu denen «in lüMmittel etröat. · "

   3, VorsichtUQg nacla. Anspruch 2„ dadurch gekennzeichnet, di« Roferglieder (200) paarweise angeordnet sind,

   ORIGINAL

   - Zk -

   daß die Glieder jedes Paares an Ihrem einen Ende miteinander verbunden sind, und daß das andere Ende des einen bzw. des anderen Gliedes jedes Paares an eine Kühlmittelquelle (210,214) bzw. an einen Kühlmittelsumpf (216,22O) angeschlossen ist.

   k. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einlasseinrichtung (⁰O»9^» 222) zum Zuführen eines ringförmigen Puffergasstromes zwischen der Hilfsgashülle (92;226) und dem Plasmagas mit einer Geschwindigkeit, die^swischen denjenigen des Plasmagases und des Hüllengases liegt, vorgesehen ist.

   5· Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlasseinrichtung für das Puffergas eine axial angeordnete gasundurchlässige ringförmige Yandanordnung (82,8*0 zwischen den Einlasseinrichtungen (40,92) für das erste Gas und das Hilfsgas enthält, welche die Ströme des Plasmagases, Puffergases und Hilfsgases voneinander trennt.

   6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgaeeinlasseinrichtung einen axial angeordneten ringförmigen Kanal (92) aufweist, der bei der ersten Windung der Induktionsspule {6k) einen Auslass besitzt, welcher von einer für das elektromagnetische Feld der Spule durchlässigen, für das Plasmagas und das Hilfsgas aber undurchlässigen Anordnung (88) gebildet ist.

   7· Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsanordnung (80,88,89) für das von der Induktionsspule (64) erzeugte

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   elektromagnetische Feld durchlässig und für das Kerngas und das Hüllengas undurchlässig ist.

   8, Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsanordnung eine Mehrzahl von in einem Ring im Abstand voneinander angeordneten Rohrgliedern (182) enthält.

   9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7< dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsanordnung einen

   ■„Zylinder (80,89) aus dielektrischem Material enthält.

   10. Vorrichtung nach einem der.vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,- daß aus einem Teil (224,230) jeder der Gaseinlasseinrichtungen das Gas längs mehrerer Pfade ausströmt, die in einer Richtung mit einer radialen Komponente bezüglich der Generatorachse verlaufen, und daß

   gegenüber jedem dieser Gaseinlass teile ein Wandte.il (200, 202) angeordnet ist, das den Gasstrom längs dieser Pfade so ändert, daß er in axialer Richtung zur Plasmakammer (66) fließt.

   11» Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzoszillator (Pig, 7) zum Erregen der Induktionsspule (6k) vorgesehen ist, der ein Steuerglied (24θ) mit einer Ausgangsschaltung (268) und einer Steuerelektrode (25k) sowie einen mit der Ausgangsschaltung gekoppelten Schwingkreisj der die Induktionsspule und einen Kondensator (272) enthält, aufweist.

   12, Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsgasexnlasseinrichtung (89) einen langen Kanal enthält, dessen Außenwand, die

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   gleiche Form besitzt wie die Innenwand der Plasmakanone r (66), daß diese Innenwand nahe beim Snde der Induktionsspule (64) endet, so daß zwischen den Innen- und Außenwänden der Hilfsgaseinlasseinrichtung ein Auslass gebildet ist, und daß an einer von diesem Auslass entfernten Stelle eine Einrichtung (98) (104) vorgesehen ist, die Gas in den ringförmigen Kanal einführt und eine Axialströmung in einer gleichmäßigen symmetrischen Hülle durch den Kanal hindurch und in die Kammer bewirkt .

   13* Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Kanal eine für das elektromagnetische Feld der Spule (64), nicht aber für die Gase durchlässige Anordnung (88) zur Bildung eines Auslasses aufweist.

   14. Plasmagenerator mit einer Induktionsspule, die eine Plasmakammer umgibt und in dieser ein elektromagnetisches Feld erzeugt, und mit einem Gaseinlass am einen Snde der Kammer, durch den ein Strom eines Gases in die Kammer geleitet wird, das durch das elektromagnetische Feld in ein Plasma umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl axial und in einem Ring ie Abstand voneinander angeordneten Rohrelementen (200) einen Kanal bildet, durch welchen das Gas strömt, daß die Rohrelemente in Gruppen angeordnet sind, daß das eine Snde jedes Rohrelements in einem ersten Teil der Gruppe an eine Kühlmittelquelle (210) und das entsprechende Snde jedes Rohrelements im übrigen· Teil der Gruppe an einen Kühlmittelsumpf anschließbar ist, während die anderen Snden miteinander verbunden sind, so daß zwischen dem ersten Teil und dem übrigen Teil jeder Gruppe ein Kühlmittelströmungsweg besteht und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die ionisiertes Gas aus der Plasmakammer daran hindert, zur Induktionsspule zu wandern«

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   15» PlasEs&genejratöx n&tsU ,Anspruch i^, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilf«gas©inlsi&s einrichtung (226)

   . verge sefeess. .ist, die ®in zweites Gas. in einem" ringförmigen StX¹OBa außeiffealb des erstesi Gases -und dimes um »GhlA&Bmnu durch die Plasmakamjuer am Bogenentladungsglassna (i42) des ersten Gases vorbei derart strömen --".-!set., - jlafi öie Sts.SEösagageeelx#indigliÄit In'der ringför- - : ,«igen-Hiille wfts'eas,tli.©& größer ;ist -als .diejenige des .._

   das awc&x uan «ersten Gaseinlass (ko) ein< und die elmati sich axial erstreckenden Kanal beträohtHoher axialer Läng® enthält« dessen Außenwand die gleiche Fo r«a wie die Innenwand des¹ Plasmakaamer besitzt und daeseia Xanenwasäd an dem dem Gas- einlas» beasc&Taarten Slid* der Xsidufe*ionaspule endet _f so dafi atwischea den - Xaa#a- να&ά Außatevränden «ief Kilfsei3ilaeseinricht«2isg· ®ia AisBlass geibiliis'c ist_t und da© an einer von dies®» Auslass .entfernten Stelle eine

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   Anspruch 1% oder 13»* dadurch die Pl&s**kam»er durch den Hing aus jÄoijrec (;20Ö) gebildet ist, «ad dftß die Siaricn^ t'iss^g sews?· Verbindeafwag 4®5Ρ ßasw^iaderung ela zwischen di«8Ä« "Hing und der- Xt&iiaktionsagulö (6%) angeordnetes

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