DE1259481B - Plasmabrenner - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B 23 k

Deutsche KL: 21 h- 30/02-

Nummer: 1259481 ' < ¹

Aktenzeichen: S 89158 VHI d/21 h

Anmeldetag: 21. Januar 1964

Auslegetag: 25. Januar 1968

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit einer Kammer, in welche ein Gas unter einem einstellbaren Druck eingeführt werden kann, und mit einem Induktionskreis, der um diese Kammer herum durch eine Primärwicklung und eine einschleifige Sekundärwicklung gebildet wirdj wobei diese einschleifige Sekundärwicklung aus einem metallischen Hohlzylinder besteht, der durch einen radialen Spalt längs einer Erzeugenden vollständig unterbrochen ist und der in seinem die Flamme umgebenden Abschnitt einen gekühlten, doppelwandigen, als Einschnürungsvorrichtung bezeichneten Ansatz aufweist, der durch den Spalt unterteilt ist.

Es ist bereits ein Hochfrequenz-Plasmabrenner bekannt, bei dem Einrichtungen vorgesehen sind, um die durch die induzierten Hochfrequenzströme erzeugte Erhitzung zu erhöhen, wobei dies mittels eines Gleichstromes oder eines Netz-Wechselstromes erfolgt, welcher durch das Plasma in Strömungsrichtung des Gases hindurchgeleitet wird.

Bei diesem Verfahren durchsetzt der Strom das Plasma in der Achse der Entladungskammer, und die Flamme ist, wie die ganze Entladungskammer, von einem Schutzmantel aus einem feuerfesten Oxyd oder aus einem anderen ähnlichen Material umgeben, wobei dieser Mantel gekühlt ist. Auf diesem Schutzmantel ist die Induktionsspule aufgewickelt. Eine derartige Anordnung ermöglicht die Verarbeitung sehr reiner Produkte. Das ionisierte Gas kommt niemals mit Körpern in Berührung, die das Gas verschmutzen können. Dieses Verfahren ist jedoch nur mit begrenzten Strömungsgeschwindigkeiten des Plasmas vereinbar, und ein Querschnitt der Entladungskammer muß groß genug sein, damit der Schutzmantel sich nicht zu schnell abnutzt.

Bei gewissen industriellen Anwendungen soll jedoch die Reinheit des Produktes nicht ebenso hoch sein, während die Geschwindigkeit des Plasmas und die Leistung des Induktionsstromes stark erhöht werden sollen. Der Induktor soll in Höhe der Flamme einen gedrosselten Teil aufweisen, um die Flamme einzuschnüren und um die Plasmaausströmung zu beschleunigen. Unter diesen Umständen ist es offensichtlich nicht mehr zweckmäßig, den Brenner mit einem Schutzmantel aus einem feuerfesten Oxyd zu umgeben, da dieser zu schnell verschleißt und da die Bearbeitung eines derartigen Schutzmantels wesentlich schwieriger ist als die eines metallischen Einsatzes.

Aus der französischen Patentschrift 1276 805 ist es bekannt, die Wärme eines Induktionsofens auf den zu behandelnden Gegenstand mit Hilfe eines Plasmabrenner

Anmelder:

Societe de Traitements Electrolytiques et

Electrothermiques, Paris

Vertreter:

Dipl.-Ing. E. Prinz, Dr. rer. nat. G. Hauser

und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,

8000 München-Pasing, Ernsbergerstr. 19

Als Erfinder benannt:
Jean Reboux, Paris

Beanspruchte Priorität:

Frankreich vom 22. Januar 1963 (922 221)

Hochfrequenztransformators zu konzentrieren, der eine Primärwicklung aufweist, die von einem Schutzmantel mit geringer Wandungsstärke getragen wird, der zwei konzentrische zylindrische Wandungen aus einem gut leitenden Metall umgibt, wobei jede längs einer Erzeugenden durch einen Spalt unterbrochen ist, der mit Isolätionsmaterial ausgelegt ist, und wobei diese Wandungen auf jeder Seite des Spaltes mittels einer radialen Wandimg elektrisch miteinander verbunden sind. Die äußere Wandung wird als Sekundärwindung bezeichnet, und die innere konzentrische Wandung bildet die Verdichtungswindung, welche die Hochfrequenzströme in Plasma induziert.

Gemäß der Erfindung wird ein derartiger Einschnürungs- oder Ausrichtungsinduktor verwendet, der eine innere metallische Wandung aufweist, welche ohne isolierenden Schutzmantel die Flamme umgibt, um radial durch das Plasma einen Gleichstrom oder einen Netz-Wechselstrom hindurchzuleiten.

Erfindungsgemäß weisen der metallische Hohlzylinder und die Einschnürungsvorrichtung eine Anzahl von η zusätzlichen radialen Spalten auf, und η ist eine ganze Zahl, und die Anordnung ist derart, daß wenigstens ein Paar radial einander gegenüberliegender Spalte vorhanden ist, und ein Kreis verbindet die beiden Anschlüsse an den beiden einander gegenüberliegenden Teilen symmetrisch mit den Anschlüssen einer Gleichstromquelle oder einer Netz-Wechselstromquelle.

Mit Vorteil kann die Kammer eine rotationszylindrische Wandung aus einem feuerfesten Material aufweisen, und die Kammer kann am Ausgang eine

709 720/405

3 4

metallische Wandung aufweisen, die den gleichen 20, welche die Geschwindigkeit des Strahls steigert,

Innendurchmesser hat wie die aus dem hitzebeständi- die Form einer langgestreckten Lanzenspitze an. Die

gen Material, und die Wandung kann durch eine induzierten Ströme, die im Endteil der Entladungs-

Innenauswölbung der Wandung des Hohlzylinders kammer 10 konzentriert sind, bewirken eine Vergebildet sein. Mit Vorteil können die Anschlüsse der 5 formung der Fackel 7. Die Breite des Plasmas ist am

Stromquelle durch eine Selbstinduktion, die in Serie Abschnitt 71 am Ausgang der Kammer 10 am

geschaltet ist, und durch einen Kondensator ge- größten.

schützt sein, wobei diese Teile eine Filterschaltung In F i g. 2 ist in Draufsicht ein Beispiel einer Einbilden. Es kann vorteilhaft sein, daß wenigstens ein schnürungsvorrichtung 20 dargestellt, die durch Paar radialer Spalte vorgesehen ist, die den Hohl- io radiale Spalte in zwei Halbschalen 21, 22 unterteilt zylinder und die Einschnürungsvorrichtung teilweise ist, wobei die Spalte einander gegenüberliegen, unterteilen. Der Primärstrom läuft in Richtung des Pfeils la

Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die und induziert einen entgegengesetzten Sekundär-

Figuren der Beschreibung näher erläutert werden. Es strom, der in der äußeren Oberfläche 20 α einer jeden

zeigt 15 Halbschale 21 und 22 durch den Pfeil 2 α dargestellt

F i g. 1 eine Axialschnittansicht eines erfindungs- ist. Die radialen Wandungen 20 c, 20 d dieser Halbgemäßen Plasmabrenners, schalen 21, 22 schließen den elektrischen Kreis der

Fig. 2 den Verlauf der Ströme in einem Aus- Oberfläche 20a über die. Oberfläche der inneren

führungsbeispiel einer Einschnürungswindung mit Wandung 20 b. Die Ströme laufen durch diese Ober-

einem Paar Spalte, und ao fläche in der Richtung hindurch, wie es durch den

F i g. 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele Pfeil 2 b angezeigt ist, und durch die radialen Wan-

mit mehreren Spalt-Paaren. düngen 20 c und 20 d in den Richtungen, wie es durch

F i g. 1 zeigt in einem Axialschnitt den Be- die Pfeile 2 c und 2 d angezeigt ist.

schickungskopf eines Induktions-Plasmabrenners, der Die beiden Halbschalen 21 und 22 bilden zwei

mit einem Einschnürinduktor gemäß der Erfindung 25 elektrisch voneinander isolierte Leiter, und es ist

ausgerüstet ist. möglich, diese Leiter an zwei Quellen von unter-

Eine Primärwicklung 1 umgibt einen zylindrischen schiedlicher Spannung anzulegen, vorzugsweise an

Leiter 2, dessen unterer Teil 20, der an der Unter- die Anschlüsse einer Gleichstromquelle oder an die

seite der Entladungskammer 10 angeordnet ist, Anschlüsse einer Netz-Wechselstromquelle 3, um

doppelwandig ausgebildet ist und der durch das Um- 30 das ionisierte Gas mit einem Entladungsstrom zu

walzen einer Flüssigkeit 23 gekühlt ist. ' durchsetzen, der sich aus dieser Spannungsdifferenz

Der Zylinder 2 ist längs einer Erzeugenden oder ergibt.

mehreren Paaren von Erzeugenden geschlitzt (F i g. 2, Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der

3 und 4). Jeder Spalt ist mit einer dünnen Schicht Erfindung sind der Anschluß 31 der Halbschale 2t

aus einem Isolationsmaterial ausgelegt, beispielsweise 35 und der Anschluß 32 der Halbschale 22 mit dem.

mit einer Mica-Schicht. positiven und negativen Anschluß eines Gleichstrom-

Die längs einer Erzeugenden elektrisch unter- generators 3 verbunden oder mit den Anschlüssen

brochene zylindrische Oberfläche bildet einen ein- eines Netz-Wechselstromgenerators 3.

schleifigen Sekundärkreis, wobei die Wicklung 1 der Die Selbstinduktionen 33 und 34, die in Serie in

Primärkreis ist. Der Teil 20 wird als Einschnürungs- 40 die Speiseleitung eingeschaltet sind, und die Konden-

teil bezeichnet. satoren 35 und 36 schützen den Generator 3 gegen

Die zylindrische Außenwandung 20 a der Ein- vom Brenner abgestrahlte Hochfrequenzströme und

schnürung 20 bildet die untere Verlängerung der ermöglichen eine Ausfilterung von Störfrequenzen,

Wandung des zylindrischen Leiters 2. Die ebenfalls die vom Generator 3 abgegeben werden und die

zylindrische und koaxial verlaufende Innenwandung 45 Schallerscheinungen und Ultraschallinterferenzen im

20 b der Einschnürung 20 weist einen Durchmesser Plasma hervorrufen können.

auf, der wesentlich kleiner ist als der der Wandung Die Fig. 3 und 4 zeigen weitere Ausführungs-

20 a. Diese beiden Wandungen bilden den eigent- beispiele der erfindungsgemäßen Einschnürungsvor-

lichen Induktor. Über diesen Induktor ist ein Isola- richtung 20.

tionsschutzmantel4 angeordnet, der aus einem feuer- 50 In Fig. 3 ist die Verdichtungs- oder Einschnüfesten Oxyd, beispielsweise aus Quarz, besteht. Dieser neigevorrichtung in vier Viertelschalen unterteilt, die Schutzmantel leitet und führt das Plasma, welches in elektrisch voneinander isoliert sind. Zwischen diesen die Kammer 10 eingeführt wird, und zwar über einen Viertelschalen können mittels einer Gleichspannung Zuleitungskanal 6, der in einer zylindrischen oder einer Netz-Wechselspannung Potential-Unter-Scheibe 5 angeordnet ist. 55 schiede ausgebildet werden.

Gegebenenfalls kann eine Elektrode 51, Vorzugs- Bei dem in F i g. 4 dargestellten Ausführungsweise eine Wolfram-Elektrode, die Scheibe 5 in der beispiel ist die Einschnürungsvorrichtung zwischen Mitte durchsetzen. Diese Elektrode wird zur Er- den Spalten, die vollständig die Einschnürungsvorregung der Ionisation zusammen mit einer nicht dar- richtung von der Außenwand bis zur Innenwandung gestellten anderen beweglichen Elektrode verwendet, 60 hin durchsetzen, mit Spalten ausgerüstet, die von die am Eingang 71 der Kammer 10 angeordnet ist. der Außenwandung ausgehen und die kurz vor der Die Elektrode 51 kann eine feine Axialbohrung auf- Innenwandung enden und/oder mit radialen Spalten, weisen, wodurch es möglich ist, in das Plasma in die von der inneren Wandung ausgehen und die die Form eines feinen Puders ein Auftragsmaterial ein- Außenwandung nicht erreichen, zugeben, mit welchem die gewünschte elektro- 65 Die zuletzt genannten Spalte unterteilen die Schalen thermische Behandlung durchgeführt werden soll. nicht in Unterabschnitte. Diese Spalte haben ledig-

Die Plasmafackel 7 nimmt durch die Einschnürung hch die Wirkung, den Strömungsweg der Ströme

des Innnenquerschnitts der Einschnürungsvorrichtung längs der Oberfläche zu verlängern, und eine der-

artige Spaltanordnung ist für bestimmte Anwendungszwecke vorteilhaft. In allen Fällen wird der Induktor durch eine einzige Windung großer Oberfläche gebildet, die eine geringe Impedanz hat.

Durch die Erfindung ist es möglich, die Vorteile eines einschleifigen Konzentrationsinduktors, insbesondere bei Brennern großer Leistung, die mit verhältnismäßig kleinen Hochfrequenzspannungen arbeiten sollen, mit den Vorteilen der Überlagerung des Plasmas mit einem Gleichstrom oder mit einem Netz-Wechselstrom zu kombinieren.

Diese Überlagerung erhöht beträchtlich die Maximaltemperatur des Plasmabrenners und insbesondere auch die Temperaturen, die in zahlreichen Gegenständen erhalten werden, die mit dem Brenner behandelt werden, und zwar durch eine Verformung des Plasmas, die durch die neue Einschnürungsvorrichtung erhalten wird, und zwar insbesondere am Ausgang der Entladungskammer.

20

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Plasmabrenner mit einer Kammer, in welche ein Gas unter einem einstellbaren Druck eingeführt werden kann, und mit einem Induktionskreis, der um diese Kammer herum durch eine Primärwicklung und eine einschleifige Sekundärwicklung gebildet wird, wobei diese einschleifige Sekundärwicklung aus einem metallischen Hohlzylinder besteht, der durch einen radialen Spalt längs der Erzeugenden vollständig unterbrochen ist und der in seinem die Flamme umgebenden Abschnitt einen gekühlten, doppelwandigen, als Einschnürungsvorrichtung bezeichneten Ansatz aufweist, der durch den Spalt unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Hohlzylinder (2) und die Einschnürungsvorrichtung (20) eine Anzahl von η zusätzlichen radialen Spalten aufweist, daß η eine ganze ZahL ist, daß die Anordnung der Spalte derart ist, daft wenigstens ein Paar radiale, einander gegenüberliegende Spalte vorhanden sind, und daß ein Kreisdie beiden Anschlüsse (31, 32) an den beiden einander gegenüberliegenden Teilen (21, 22) symmetrisch mit den Anschlüssen einer Gleichstromquelle (3) oder einer Netz-Wechselstromquelle (3) verbindet.

2. Brenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer eine zylindrische Wandung (4) aus einem feuerfesten Material aufweist, daß die Kammer am Ausgang eine metallische Wandung (20 b) aufweist, die den gleichen Innendurchmesser hat wie die Wandung aus dem hitzebeständigen Material, und daß diese Metallwandung (20 b) durch eine Innenauswölbung der Wandung des Hohlzylinders (2) gebildet wird.

3. Brenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse der Stromquelle (3) durch eine Selbstinduktion (33, 34), die in Serie geschaltet ist und durch einen Kondensator (35,36) geschützt ist, wobei diese Teile eine Filterschaltung bilden.

4. Brenner nach einem der Patentansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Paar radiale Spalte vorgesehen sind, die den Hohlzylinder (2) und die Einschnürungsvorrichtung (20) teilweise unterteilen (Fig. 4).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1276 805,

946;

USA.-Patentschrift Nr. 3 024 350;
»Industrie-Anzeiger« (Essen), Jahrgang 84, Nr. 92

vom 16. 11. 1962, S. 8 bis 12.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 720/405 1.68 © Bundesdruckerei Berlin