DE2004839C3 - Hochfrequenz-Plasmagenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Plasmagencrator mit einer rohrförmigen Brennkammer, die von einer mehrere Windungenenthaltenden Induktionsspule umgeben ist, einen Hauptgaseinlaß für einen in der Mitte der Brennkammer verlaufenden Hauptgasstrom sowie Hilfsgaseinlässe zum Erzeugen von längs der Brennkammerwand verlaufenden Hiifsgasströmen aufweist und eine von einem Bereich zwischen den Gaseinlässen ausgehend in die Brennkammer vorspringende, bis zur ersten Windung der Induktionsspule reichende rohrartige Anordnung enthält.
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 Erprobungund Behandlung von Werkstoffen und für allgemeine industrielle Heizzwecke.

Aus der Zeitschrift J. Appl. Phys., 32 (1961), S. 2534/2535, ist ein Plasmabrenner zur Züchtung von

ao Einkristallen bekannt, welcher eine rohrförmige Brennkammer enthält, die an der einen Seite mit drei Gas- und Material-Einlaßkanälen versehen ist und am anderen, offenen Ende von einer spiralförmigen Induktionsspule umgeben ist. Vom Gaseinlaßende aus

as springen in die Brennkammer ein axiales Rohr, durch das das zu schmelzende Material in einem Trägergasstrom eingespeist wird, und ein dies im Abstand umgebendes weiteres Rohr in Richtung auf das Auslaßende vor. Beide Rohre enden in axialem Abstand und vor der die Induktionsspule enthaltenden Ebene. Zwischen das axiale Rohr und das weitere Rohr sowie zwischen letzteres und die Brennkammerwand können jeweils Hilfsgase eingeleitet werden, wobei längs der Brennkammerwand eine schnelle Schutz- und Kühlgasströmung erzeugt wird, während die Entladung im wesentlichen in dem Gas brennt, das zwischen dem axialen Rohr und dem weiteren Rohr eingespeist wird. Die dem Plasma in der Brennkammer zugeführte Hochfrequenzleistung beträgt etwa 3 kW. Diese An-Ordnung ist also für kleine Leistungen ausgelegt, die bei der Züchtung von Einkristallen ausreichen. Dementsprechend treten auch keine Schwierigkeiten bei der Kühlung der Brennkammerwandung auf.
Es ist weiterhin ein Hochfrequenz-Plasmagenerator vorgeschlagen worden, bei dem die Wand der Brennkammer aus MetaUröhren gebildet wird, durch die Kühlmittel fließt. Hierbei befindet sich entweder der Kühlmitteleinlaß oder der Kühlmittelauslaß in der Nähe der Induktionsspule und damit auch in der Nähe des Plasmas. Daher treten konstruktive Schwierigkeiten auf, insbesondere für die Abdichtung der Kühlmittelleitungen.

Darüber hinaus ist eine derartige Kühleinrichtung auch für die Betriebsverhältnisse des Plasmagenerators nachteilig.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Hochfrequenz-Generator zu schaffen, der in konstruktiver Hinsicht eine verbesserte Kühlanordnung besitzt, die zusätzlich eine bessere Kühlwirkung besitzt, so daß der Hochfrequenz-Plasmagenerator mit hoher Leistung betrieben werden kann und gegebenenfalls auch ohne Hilfsgasstrom auskommt.

Bei einem Hochfrequenz-Plasmageneralor der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die rohranige Anordnung aus haarnadelförmig gebogenen, von einem Kühlmittel durchströmten MetaUröhren besteht, die so angeordnet sind, ciaß die Biegungen auf der Seite der In-

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

Essen bzw. -auslassen verbundenen Enden von der rungsbeispiels und

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

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

•eits sichergestellt, daß die im Plusmagenerator 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 beticht kritischen Kühimitteiein- 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 Kten Gasen und Arbeitsbedingungen ein stabiler Be- und einem Innendurchmesser von 2,16 mm. Die Rohre trieb gewährleistet ist und in industriellen Verfahren 15 besitzen einen gegenseitigen Abstand von ungefähr das Erhitzen von Strömungsmediev. und das Einführen 0,51 mm, doch ergibt sich auch eine befriedigende Beton Partikeln in einen heißen Gasstrom ermöglicht triebsweise, wenn mehrere (aber nicht alle) Rohre be-Vird. nachbarter Paare einander berühren. In die Zwischen-

Eme besondere Anordnungsmöglichkeit des Plasma- räume zwischen den Rohren 200 sind geeignete Gasgenerators besteht darin, einen gasgekühlten bzw. mit 20 sperrmittel wie z. B. Sauereisenzement eingesetzt. Die tinem 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 ist ein Pufferrohr 202 aus Quarz angeordnet, und dieses eis Treibmedium zur Erforschung des tiefen Weltraumes as Rohr 202 wird von einem die Plasmakammer bildendient. Der vorliegende Hochfrequenz-Plasmagenerator den Rohr 66 umgeben, das seinerseits von der Spule 64 liefert Informationen über 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 Milfs-Hiillengas läßt Quarzrohr 202 umgelenkt wird. Eine Einlaßöffnung

sich bei einem Verhältnis der ι icschwindigkeit 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 ts bisher bei quelle angeschlossene Induktionsspule 64, die drei Plasmageneratoren der vorliegenden Art möglich war. so Windungen aus doppeltgewickeltem massivem Kupfer-Die Hilfs-Hüllengasströmung fuhrt 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 m³/h

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

zum Zweck der Wärmebehandlung oder zur Schaf- Wasserstoff hülle 85 m³/h

fung eines verbesserten Strahlungsschutzes verwendet.

In Verbindung mit der Zeichnung soll die Erfindung 60 Bei konstanter Strömungsrate von 3,4 m³/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 m³/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 Uber-

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 Trennanordnung 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 Gleichstrornleistung zugeführt ist. Die Eingangsleistung wird durch ein Amperemeter 246 und ein Voltmeter 248 gemessen. Ein Kondensator 250 und eine Induktivität 2Si 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 Schwingkreiskondensat ar 272, die Gerieratorspule 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 Geschwindigkeitsübeirgänge 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 45OkHz gespeist:

	Anodenleiüliing	Ausgangsleistung	Argonkern	Hülle	Puflergas
Brenner durchmesser		des Brenners in Prozent	Strömungsrate
	(kW)	der Anodenleistung	(m'/h)/Durchmesser	Typ/m'/h	Typ/m'/h
(mm)	87.5		(mm)	Η,/87,8	H2/28,3
76	84,2	45,7	3,4/50,8	Hs/87,8	H2/24,l
76	72,2	43,0	3,4/50,8	Η,/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 Ausführungsbeispiel 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 zusammengelöfet und bilden einen Rückströmkanal für ein Kühlmittel In den Zwischenräumen zwischen den Rohren 200 befindet sich Sauercisenzement. 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 3,18mm ihrerseits das Rohr 66.

so Für einen Brennerbetrieb mit reinem Wasserstoff wurden eine Spule 64 mit sieben Windungen und ein Schwingkreis verwendet, der eine Kapazität vor 1200 pF und eine gesamte Kreisinduktivität einschließlich der Spule 64 von ungefähr 1 Mikrohenry besaß Der Brenner arbeitete vertikal und in offener Luft. Die Einheit wurde mit reinem Argon bei einer Strömungs rate von 2,83 m'/h gezündet, und die Leistung wurd< auf 100 kW erhöht. Nun wurde Wasserstoff mit eine; Strömungsrate von 0,17 m*/h zur Argonzündströ mung hinzugefügt, und dann wurde der Argonstron abgestellt.

Die Betriebsgrenzen dieses Brenners sind in F i g.: dargestellt. Die oberen Grenzen des stabilen Betriebe sind eine Funktion der jeweiligen Leistungsversorgun und der Form der verwendeten Spule. In der folgende Tabelle sind typische Betriebsbedingungen für Luft Wasserstoff, Helium und Argon zusammeng« 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 (m3/h) $-Verhältnis zwischen Ausgangs gasleistung und Anodenleistung Mittlere Ausgangsgas-Enthalpie (kcal/g · 0,56 · 10-»)			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 Ausgangs- §as-Enthalpien sind bemerkenswert. Die beschriebene lohrförmige Anordnung führt bei gleichwertigen Bogenentladungsbedingungen zu einem niedrigen Rücktvirkungswiderstand und erlaubt, die Spule 64 näher tn den Ausgang der Plasmakammer zu rücken, so daß feich ein kürzerer Brenner und, weil weniger Wärme an die Brenuerwände verlorengeht, eine höhere Leistung Im Ausgangsgas ergeben. Der Entladungsbogen er-Itreckt sich beträchtlich über das Ende der Plasmakammer hinaus. Ein derartiger Plasmabrenner kann als Lichtquelle hoher Strahlungsintensivität verwendet werden.

ao Ferner ermöglicht eine Vorrichtung gemäß der Erfindung eine wirksame Gaskernreaktorsimulation mit einem Geschwindigkeitsverhältnis zwischen einer Wasserstolfhülle und einem Argonkeni von mehr als 30:1. Bei stabilem Betrieb, der höhere Leistungen zuläßt, eras folgt 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'/h) bedeutet jeweils N m* tr/h).

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

S09 625/

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Hochfrequenz-Plasmagenerator mit einer f ohrförmigen Brennkammer, die von einer mehrere Windungen enthaltenden Induktionsspule umgetien ist, einen Hauptgaseinlaß für einen in der Mitte <er Brennkammer verlaufenden Hauptgasstrom sowie Hilfsgaseinlässe zum Erzeugen von "längs der Brennkammerwand verlaufenden Hilfsgasströmen aufweist und eine von einem Bereich zwischen den Gaseinlässen ausgehend in die Brennkammer vorspringende, bis zur ersten Windung der Induktionsspule reichende rohrartige Anordnung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrartige Anordnung aus haarnadelförmig gebogenen, »on einem Kühlmittel durchströmten MetaUröhren |200) besteht, die so angeordnet sind, daß die Biegungen auf der Seite der Induktionsspule (64) liefen, während die mit Kühlmitteleinlässen (210,212, Ϊ14) bzw. -auslassen (216, 218, 220) verbundenen Enden von der Induktionsspule abgewandt sind.

2. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach Antpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsgeschwindigkeit der ringförmigen Hilfsgasttröme größer ist als die Strömungsgeschwindigkeit des Hauptgasstromes.

3. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas aus den Hilfsgaseinlässen (222, 226) längs mehrerer Gaswege einströmt, die in einer Richtung mit einer radialen Komponente bezüglich der Generator-Mittelachse verlaufen, und daß gegenüber jedem dieser Gaseinlässe ein Wandteil (200, 202) angeordnet ist, das den Gasstrom in seiner Richtung so ändert, daß er in axialer Richtung in die Brennkammer strömt.

4. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zwei Hilfseinlässe aufweisende Hilfsgaseinlaßvorrichtung (60) ein Puffergas durch einen Hilfsgaseinlaß (222) und Hilfshüllengas durch den anderen Hilfsgaseinlaß (226) einströmt, wobei die Strömungsgeschwindigkeit des Puffergases zwischen der des Hauptstromes und der des Hilfshüllengases liegt, und daß der Hilfsgaseinlaß (222) für das Puffergas gegenüber einer axial angeordneten gasundurchlässigen Wandung zwischen dem Hauptgaseinlaß (40) und dem Hilfshüllengaseinlaß (226) mündet, welche die Ströme des Puffeirgases und des Hilfshüllengases voneinander trennt.

5. Hochfrequenz-Plasmagenerator nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß gasundurchlässiges Material in den Zwischenräumen zwischen den Metallröhren (200) vorgesehen ist.

6. Hochfrequenz-Plasnvjgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gasundurchlässige Material im Zwischenraum zwischen den MetaUröhren (200) aus keramischem Material besteht.