DE2004839B2 - Hochfrequenz-Plasmagenerator - Google Patents

Description

duktionsspule Hegen, während die mit Kühlmittelein- F i g. 4 eine Schnittansicht eines weiteren Ausfüh-

lässen bzw. -auslassen verbundenen Enden von der rungsbeispiels und

Induktionsspule abgewandt sind F i g. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung

Mit diesem Hochfrequenz-Plasmagenerator ist einer- des Betriebsverhaltens des in Fig. 4 dargestellten

seits sichergestellt, daß die im Plasmagenerator ent- 5 Plasmagenerators.

wickelte Wärme die Funktion und Dichtigkeit der Der Plasmagenerator nach F i g. 1 besitzt einen Kühlleitungen, insbesondere bei den in dieser Hin- Sockel 10, in in welchem eine schematisch mit 40 besieht kritischen Kühlmittelein- und -auslassen, nicht zeichnete Hauptzuführanordnung für das Gas und gefährdet. Andererseits wird mit dieser Anordnung der eine mit 60 bezeichnete Hilfsgaszuführanordnung ge-Metallröhren zur Kühlung eine optimale Kühlung er- io lagert sind. Eine an der zylindrischen Anordnung 60 reicht. Ein Plasmagenerator kann daher trotz hoher befestigte und von dieser nach oben ragende Uber-Leistungsdichte gegebenenfalls auch ohne Hilfsgas- gangskanalanordnung besteht aus achtundfünfzig strom betrieben werden, wodurch bei den verschieden- Rohren 200 mit einem Außendurchmesser von 3,18 mm sten Gasen und Arbeitsbedingungen ein stabiler Be- und einem Innendurchmesser von 2,16 mm. Die Rohre trieb gew^sHrleistet ist und in industriellen Verfahren 15 besitzen einen gegenseitigen Abstand von ungefähr das Erhitzen von Strömungsmedien und das Einführen 0,51 mm, doch ergibt sich auch eine befriedigende Bevon Partikeln in einen heißen Gasstrom ermöglicht triebsweise, wenn mehrere (aber nicht alle) Rohre bewird, nachbarter Paare einander berühren. In die Zwischen-

Eine besondere Anordnungsmöglichkeit des Plasma- räume zwischen den Rohren 200 sind geeignete Gasgenerators besteht darin, einen gasgekühlten bzw. mit ao sperrmittel wie z. B. Sauereisenzement eingesetzt. Die einem Gaskern arbeitenden Kernreaktor zu simulieren. oberen Enden von jeweils einem Paar von Rohren 200 Bei einer bestimmten Ausführungsform eines solchen sind zusammengelöstet, so daß ein Rückströmkanal Reaktors ist ein Kern aus spaltbarem Uran von einer gebildet ist. Außerhalb des Ringes von Rohren 200 Wasserstoffhülle umgeben, die zur Wärmeabfuhr und ^:st ein Pufferrohr 202 aus Quarz angeordnet, und dieses als Treibmedium zur Erforschung des tiefen Weltraumes »5 Rohr 202 wird ',on eiucm die Plasmakammer bildendient. Der vorliegende Hochfrequenz-Plasmagener.itor den Rohr 66 umgeben, das seinerseits von der Spule 64 liefert Informationen übei Misch- und Stabilisierungs- umschlossen ist.

vorgänge, die mit einiger Wahrscheinlichkeit in einer Die zylindrische Hilfszuführanordnung 60 enthält

solchen Vortriebseinheit eines Reaktors auftreten, und eine Kühlwassereinlaßöffnung 210, die über einen

über Verfahren zur Gewährleistung langer Haltezeiten 30 Kanal 212 mit einer Leitung 214 verbunden ist, die mit

des Materials im Wärmeerzeugungskern und zur Ver- jedem zweiten Rohr 200 in Verbindung steht, und eine

besserung des Wirkungsgrades, mit dem die Wärme Kühlwasserauslaßöffnung 216, die mittels eines Kanals

auf die Gashülle übertragen wird. 218 mit einer ähnlichen Leitung 220 verbunden ist,

Es wurde festgestellt, daß der vorliegende Hochfre- die an das jeweils andere Rohr jedes Paares angeschlos-

quenz-Plasmagenerator zufriedenstellend mit einer 35 sen ist, so daß ein Rückweg für die Kühlwasserströ-

Anodenleistung von mehr als 80 kW arbeitet, wenn als mung gebildet ist. Ein Schutz- oder Puffergas wird durch

das das Plasma bildende Hauptgas Argon und als eine Einlaßöffnung 222 einer Reihe von radialen

Hilfs-Hüllengas Wasserstoff verwendet wird, und zwar öffnungen 224 zugeleitet und prallt gegen die Außen-

bei einem Geschwindigkeitsverhältnis zwischen dem wand des Ringes der Rohre 200, wodurch das Gas in

Wasserstoff und dem Argon von mehr als 60:1. Mit 40 eine axiale Strömung zwischen diesem Ring und dem

Argon als Kerngas und Luft als Hilfs-Hüllengas läßt Quarzrohr 202 umgelenkt wird. Eine Einlaßöffnung

sich bei einem Verhältnis der Geschwindigkeit des 226, durch die das Hüllgengas eingeführt wird, steht in

Hilfshüllengases zu derjenigen des Kerngases von Verbindung mit einem Leitungsring 228 und einer

45:1 eine Anodenleistung von mehr als 900 kW er- Reihe von radialen öffnungen 230, die das Hüllengas

reichen. 45 gegen die Außenwand des Pufferrohres 202 lenken, wo

Der vorliegende Hochfrequenz-Plasmabrenner er- es in eine Strömung umgelenkt wird, die zwischen den leichtert die Anpassung der induktiven Last an die Rohren 202 und 66 axial nach oben in die Plasma-Leistungsquelle. Ferner ermöglicht er einen Betrieb kammer gerichtet ist. Eine an eine elektrische Leistungsmit höheren Leistungsdichten, als es bisher bei quelle angeschlossene Induktionsspule 64, die drei Plasmageneratoren der vorhegenden Art möglich war. 50 Windungen aus doppeltgewickeltem massivem Kupfer-Die Hilfs-Hüllengasströmung führt zu einer Herab- draht aufweist, umschließt das Rohr 66.
Setzung des Durchmessers des Entladungsbogens und Für den in den F i g. 1 und 2 dargestellten Plasmagewährleistet einen zusätzlichen Schutz für die Wand generator ergab sich ein stabiler Betrieb mit den folgender Plasmakammer. Es lassen sich Geschwindigkeits- den Werten:
Verhältnisse von bis zu 300:1 zwischen dem Kerngas 55

und dem Hilfsgas erreichen. Das Hilfsgas wurde bei- Argonkern 3,4 m^s/h

spielsweise zum Transportieren von Makroteilchen Wasserstoff als Puffergas ... 14,2 bis 22,7 m³/h

zum Zweck der Wärmebehandlung oder zur Schaf- Wasserstoffhülle 85 m^s/h

fung eines verbesserten Strahlungsschutzes verwendet.

In Verbindung mit der Zeichnung soll die Erfindung 60 Bei konstanter Strömungsrate von 3,4 m^s/h für das

beispielsweise näher erläutert werden. Es zeigt Kerngas kann die Strömungsrate des Hüllengases zwi-

F i g. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbei- sehen 0 und 142 m^s/h geändert werden, ohne daß der

spiels der Erfindung, Betrieb instabil wird. Der Entladungsbogen 142 strahlt

F i g. 2 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß in der Nähe der ersten, d. h. untersten Windung der

F i g. 1 längs der Ebene 6-6, 65 Spule 64 am stärksten, und das obere Ende der Über-

F i g. 3 ein schematisches Schaltbild einer elektri- gangsanordnung (Rohre 200) wird vorzugsweise relativ

sehen Schaltungsanordnung für den in den F i g. 1 zur Spule 64 derart angeordnet, daß der Bogen 142 sich

und 2 dargestellten Plasmagenerator, innerhalb der stabilisierenden TrennanorHnmn» he-

findet, wie in F i g. 1 dargestellt 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 F i g. 3 ist schematisch eine elektrische Schaltungsanordnung dargestellt, die für die Plasmageneratoren verwendet wird. Diese Schaltungsanordnung enthält eine Oszillatorröhre 240, der über die Leitungen 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 Steuergitter 254 enthält Kondensatoren 256, 258, Induktivitäten 260, 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 Blockkondensators 270 mit dem

Hauptschwingkreis gekoppelt, der einen Schwingkreiskondensator 272, die Generatorspule 64 und eine regelbare Drosselspule 274 enthält.

Mit dieser Anordnung wird zunächst ein Plasmazustand hergestellt. Der Hilfsgasstrom, also das Gas, auf welches Wärme übertragen werden soll, wird dann in die das gebildete 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 Entladungsbogen mit größerem Durchmesser und erhöhter Stabilität bewirkt.

In der folgenden Tabelle ist ein Betriebsbereich für solche Systeme angegeben. Es wurden ein Brenner mit einem Durchmesser von 76 mm mit 4 MHz und Brenner mit Durchmessern von 114 und 152 mm mit 450 kHz gespeist:

	Anoder.leistung	Ausgangsleistung	Argonkern	Hülle	Puffergas
Brenner- durchmesser		des Brenners in Prozent	Strömungsrate
	(kW)	der Anodenleistung	(m'/h)/Durchmesser	Typ/m'/h	Typ/m»/h
(mm)	87,5		(mm)	Hi/87,8	H2/28,3
76	84,2	45,7	3,4/50,8	H2/87,8	Hg/24,1
76	72,2	43,0	3,4/50,8	H/79,3	0
76	629	39,2	3,4/50,8	Luft/62,3	0
114	870	33,8	21,2/88,9	Luft/62,3	0
114	770	33,2	21,2/88,9	Luft/66,2	0
114	159	36,2	1,4/88,9	Luft/21,2	0
152	293	18,6	22,3/127	Luft/62,3	0
152	425	29,0	22,3/127	Luft/62,3	0
152	721	33,4	22,3/127	Luft/62,3	0
152	967	38,5	11,7/127	Luft/62,3	0
152	33,0	22,3/127

Ein weiteres Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 4 dargestellt. Dieser Plasmagenerator besitzt einen Sockel 10, in welchem eine schematisch mit 40 bezeichnete Plasmagaszuführeinrichtung gelagert ist, die allgemein vom gleichen Typ ist wie diejenige gemäß F i g. 1. An der Einrichtung 40 ist eine die Plasmakammer bildende Anordnung befestigt, die einen Durchmesser von etwa 27,9 mm besitzt und aus achtundzwanzig Rohren 200 mit einem Außendurchmesser von 3,18 mm und einem Innendurchmesser von 2,16 mm gebildet ist. Der Abstand zwischen den einzelnen Rohren beträgt etwa 0,51 mm. Auf die gleiche Weise wie bei der Rohrkonstruktion gemäß der F i g. 1 und 2 sind die oberen Enden eines jeden Paares von Rohren 200 zusammengelötet und bilden einen Rückströmkanal für ein Kühlmittel. In den Zwischenräumen zwischen den Rohren 200 befindet sich Sauereisenzeinent Außerhalb des Ringes der Rohre 200 ist ein dielektrisches Rohr 66 aus Quarz mit einem Innendurchmesser von 38,1 mm und einer Länge von 152,4 mm angeordnet, und eine wassergekühlte elektrische Spule 64 umgibt in einem Abstand von 3,18 mm ihrerseits das Rohr 66.

so Für einen Brennerbetrieb mit reinem Wasserstofl wurden eine Spule 64 mit sieben Windungen und eil Schwingkreis verwendet, der eine Kapazität voi 1200 pF und eine gesamte Kreisinduktivität einschließlich der Spule 64 von ungefähr 1 Mikrohenry besaß.

Der Brenner arbeitete vertikal und in offener Luft. Dk Einheit wurde mit reinem Argon bei einer Strömungsrate von 2,83 m^s/h gezündet, und die Leistung wurde auf 100 kW erhöht Nun wurde Wasserstoff mit einei Strömungsrate von 0,17 m^s/h zur Argonzündströ-

mung hinzugefügt, und dann wurde der Argonstron: abgestellt

Die Betriebsgrenzen dieses Brenners sind in F j g. ί dargestellt Die oberen Grenzen des stabilen Betriebt» sind eine Funktion der jeweiligen Leistungsversorgurij

und der Form der verwendeten Spule. In der folgende:: Tabelle sind typische Betriebsbedingungen für Luft Wasserstoff, Helium und Argen zusaxnmengc stellt.

7	Betriebspunkt	Typische Luft	Wasserstoff A	Wasserstoff B	8	Helium	Argon
Anodenleistung (kW) Windungszahl der Arbeitsspule Innendurchmesser des Brenners (mm)	95,0 8 27,9 3,26 30,0 11.100	110,1 7 27,9 0,28 13,8 591.000	114,1 7 27,9 0,17 12,8 1.594.000	Wasserstoff C	57 7 27,9 1,7 7,38 23.200	4 27,9 9,63 50,1 3890
Gasströmungsrate (ms/h) %-Verhältnis zwischen Ausgangs gasleistung und Anodenleistung Mittlere Ausgangsgas-Enthalpie (kcal/g · 0,56 · 10~3)			103,7 7 27,9 0,13 14,38 2.162.000

Die Buchstaben beziehen sich auf die Betriebspunkte in F i g. 5.

Die mit diesem Brenner erzeugten hohen Ausgangsgas-Enthalpien sind bemerkenswert. Die beschriebene rohrförmige Anordnung führt bei gleichwertigen Bogenentladungsbedingungen zu einem niedrigen Rückwirkungswiderstand und erlaubt, die Spule 64 näher an den Ausgang der Plasmakammer zu rücken, so daß sich ein kürzerer Brenner und, weil weniger Wärme an die Brennerwände verlorengeht, eine höhere Leistung im Ausgangsgas ergeben. Der Entladungsbogen erstreckt sich beträchtlich über das Ende der Plasmakammer hinaus. Ein derartiger Plasmabrenner kann als Lichtquelle hoher Str^Uungsintensivität verwendet werden.

so Ferner ermöglicht eine Vorrichtung gemäß der Erfindung eine wirksame Gaskernreaktorsimulation mit einem Geschwindigkeitsverhältnis zwischen einer Wasserstoffhülle und einem Argonkern von mehr als 30:1. 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, Die angegebenen Strömungsraten gelten für Normalbedingungen (m^a/h) bedeutet jeweils N m³ tr/h)

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

spule umgeben ist, einen Hauptgaseinlaß für eine Patentansprüche: in der Mitte der Brennkammer verlaufenden Haupt gasstrom sowie Hilfsgaseinlässe zum Erzeugen voi

1. Hochfrequenz-Plasmagenerator mit einer längs der Brennkammerwand verlaufenden Hilfs rohrförmigen Brennkammer, die von einer mehrere 5 gasströmen aufweist und eine von einem Bereich zwi Windungen enthaltenden Induktionsspule umge- sehen den Gaseinlässen ausgehend in die Brennkamme ben ist, einen Hauptgaseinlaß für einen in der Mitte vorspringende, bis zur ersten Windung der Induktions der Brennkammer verlaufenden Hauptgasstrom spule reichende rohrartige Anordnung enthält,
sowie Hilfsgaseinlässe zum Erzeugen von längs der Ein solcher Plasmagenerator zum induktiven Er Brennkammerwand verlaufenden Hilfsgasströmen to litzen von Gas mit elektrischer Hochfrequenzenergii aufweist und eine von einem Bereich zwischen den und zum Erzeugen eines sehr heißen Plasmas durcl Gaseinlässen ausgehend in die Brennkammer vor- die induktive Kopplung der elektrischen Energie mi springende, bis zur ersten Windung der Induktions- ionisiertem Gas kann in verschiedenen Bereichen de: spule reichende rohrartige Anordnung enthält, Technik verwendet werden, z. B. zur Durchführunj dadurch gekennzeichnet, daß die rohr- 15 chemischer Reaktionen, bei der Erprobungund Behänd artige Anordnung aus haarnadelförmig gebogenen, lung von Werkstoffen und für allgemeine industriell« von einem Kühlmittel durchströmten Metallröhren Heizzwecke.

(200) besteht, die so angeordnet sind, daß die Bie- Aus der Zeitschrift J. Appl. Phys., 32 (1961) gungen auf der Seite der Induktionsspule (64) lie- S. 2534/2535, ist ein Plasmabrenner zur Züchtung vor gen, während die mit Kühlmitteleinlässen (210,212, ao Einkristallen bekannt, welcher eine rohrförmige Brenn· 214) bzw. -auslassen (216, 218, 220) verbundenen kammer enthält, die an der einen Seite mit drei Gas-Enden von der Induktionsspule abgewandt sind. und Material-Einlaßkanälen versehen ist und am

2. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach An- anderen, offenen Ende von einer spiralförmigen spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strö- Induktionsspule umgeben ist. Vom Gaseinlaßende aus mungsgeschwindigkeit der ringförmigen Hilfsgas- 35 springen in die Brennkammer ein axiales Rohr, durch ströme größer ist als die Strömungsgeschwindigkeit dat das zu schmelzende Material in einem Trägergasdes Hauptgasstromes. strom eingespeist wird, und ein dies im Abstand um-

3. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach An- gebendes weiteres Rohr in Richtung auf das Auslaßspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ende vor. Beide Rohre enden in axialem Abstand und Hilfsgas aus den Hilfsgaseinlässen (222, 226) längs 30 vor der die Induktionsspule enthaltenden Ebene. Zwimehrerer Gaswege einströmt, die in einer Richtung sehen das axiale Rohr und das weitere Rohr sowie zwimit einer radialen Komponente bezüglich der sehen letzteres und die Brennkammerwand können je-Generator-Mittelachse verlaufen, und daß gegen- weils Hilfsgase eingeleitet werden, wobei längs der über jedem dieser Gaseinlässe ein Wandteil (200, Brennkammerwand eine schnelle Schutz- und Kühl- 202) angeordnet ist, das den Gasstrom in seiner 35 gasströmung erzeugt wird, während die Entladung Richtung so ändert, daß er in axialer Richtung in im wesentlichen in dem Gas brennt, das zwischen dem die Brennkammer strömt. axialen Rohr und dem weiteren Rohr eingespeist wird.

4. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach An- Die dem Plasma in der Brennkammer zugeführte spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Hochfrequenzleistung beträgt etwa 3 kW. Diese Aneine zwei Hilfseinlässe aufweisende Hilfsgaseinlaß- 40 Ordnung ist also für kleine Leistungen ausgelegt, die vorrichtung (60) ein Puffergas durch einen Hilfs- bei der Züchtung von Einkristallen ausreichen. Demgaseinlaß (222) und Hilfshüllengas durch denande- entsprechend treten auch keine Schwierigkeiten bei der ren Hilfsgaseinlaß (226) einströmt, wobei die Kühlung der Brennkammerwandung auf.
Strömungsgeschwindigkeit des Puffergases zwischen Es ist weiterhin ein Hochfrequenz-Plasmagenerator der des Hauptstromes und der des Hilfshüllengases 45 vorgeschlagen worden, bei dem die Wand der Brennliegt, und daß der Hilfsgaseinlaß (222) für das kammer aus Metallröhren gebildet wird, durch die Puffergas gegenüber einer axial angeordneten gas- Kühlmittel fließt. Hierbei befindet sich entweder der undurchlässigen Wandung zwischen dem Haupt- Kühlmitteleinlaß oder der Kühlmittelauslaß in der gaseinlaß (40) und dem Hilfshüllengaseinlaß (226) Nähe der Induktionsspule und damit auch in der Nähe mündet, welche die Ströme des Puffergases und des 5° des Plasmas. Daher treten konstruktive Schwierigkei-Hilfshüllengases voneinander trennt. ten auf, insbesondere für die Abdichtung der Kühl-

5. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach wenig- mittelleitungen.

stens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- Darüber hinaus ist eine derartige Kühleinrichtung

kennzeichnet, daß gasundurchlässiges Material in auch für die Betriebsverhältnisse des Plasmagenerators den Zwischenräumen zwischen den Metallröhren 55 nachteilig.
(200) vorgesehen ist. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen

6. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach An- Hochfrequenz-Generator zu schaffen, der in konspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gasun- struktiver Hinsicht eine verbesserte Kühlanordnung bedurchlässige Material im Zwischenraum zwischen sitzt, die zusätzlich eine bessere Kühlwirkung besitzt, den Metallröhren (200) aus keramischem Material 60 so daß der Hochfrequenz-Plasmagenerator mit hoher besteht. Leistung betrieben werden kann und gegebenenfalls

auch ohne Hilfsgasstrom auskommt.

Bei einem Hochfrequenz-Plasmagenerator der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungs-65 gemäß dadurch gelöst, daß die rohrartige Anordnung

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Plasma- aus haarnadelförmig gebogenen, von einem Kühlmittel generator mit einer rohrförmigen Brennkammer, die durchströmten Metallröhren besteht, die so angevon einer mehrere Windungen enthaltenden Induktions· ordnet sind, daß die Biegungen auf der Seite der In-