DE2112888A1

DE2112888A1 - Hochfrequenz-Induktionsplasmabrenner

Info

Publication number: DE2112888A1
Application number: DE19712112888
Authority: DE
Inventors: Josef Galliker
Original assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; Brown Boveri und Cie AG Germany
Current assignee: BBC BROWN BOVERI and CIE; BBC Brown Boveri AG Germany
Priority date: 1971-02-23
Filing date: 1971-03-17
Publication date: 1972-09-07
Also published as: CH528847A; DE2112888B2; DE7110104U; DE2112888C3; AT306182B

Description

Hochfrequenz-Induktionsplasmabrenner Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Induktionsplasmabrenner mit Vorrichtungen zum Durchfluss eines Kühlmittels, mit einer Brennkammerwand aus dielektrischem Material und mit einer Hochfrequenzspule, sowie ein Verfahren zur erstellung eines solchen Brenners.
Werden Hochfrequenz-Induktionsplasmabrenner mit relativ hohen Leistungen betrieben, kann das Problem der Kühlung erhebliche Schwierigkeiten hereiten. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, innerhalb eines äusseren Rohres ein zweites, stärker hitzebeständiges Rohr, beispielsweise aus Quarzglas oder Siliziumdioxyd, vorzusehen und im Zwischenraum ein Kühlmittel strömen zu lassen. Bei einer derartigen Konstruktion treten jedoch erhebliche Probleme bezüglich der Dichtung auf, da sich wegen des starken Temperaturgefälles beide Rohre verschieden stark ausdehnen.
Es wurde daher versucht, Vorrichtungen zu schaffen, welche die nachteiligen Wirkungen dieser Temperaturunterschiede beseitigen sollten; So ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 811 501 ein Plasmastrahlgenerator bekannt, welcher aus einem einseitig offenen inneren Rohr aus dielektrischem Material besteht, in dem das zu ionisierende Gas strömt. Ferner ist ein dieses mit radialem Abstand konzentrisch umgebendes äusseres Rohr vorgesehen, das mit dem inneren Rohr eine Kammer einschliesst, in welcher ein Kühlmittel strömt.
Zwischen den beiden Rohren sind elastische Federeinrichtungen vorgesehen, die axiale Längenänderungen des inneren Rohres relativ zum äusseren zulassen. Der Aufbau dieser Vorrichtung ist jedoch relativ kompliziert, weshalb die Vorrichtung äusserst störanfällig ist.
Ein weiterer Nachteil bekannter Vorrichtungen dieser Art besteht darin, dass die Hochfrequenzspule ausserhalb des äusseren Rohres angeordnet ist, wodurch der radiale Abstand zwischen dem Plasma und der Spule relativ gross ist.
Dies bedeutet einen-relativ geringen Kopplungsfaktor zwischen der Hochfrequenzspule als Primärwicklung und der als Sekundärwicklung eines Transformators wirkenden konzentrischen Strombahn an der äusseren Grenzfläche des Plasmas.
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Hochfrequenz-Induktionspiasmabrenner mit Vorrichtungen zum Durchfluss eines Kühlmittels zu beschreiben, welcher einfach im Aufbau und in der Herstellung und sicher im Betrieb ist, und welcher einen höheren Kopplungsfaktor aufweist als bekannte Brenner dieser Art. Diese Aufgabe wird für einen eingangs zitierten Hochfrequenz-Induktionsplasmabrenner erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die als Wärmeleiter ausgebildete Hochfrequenzspule mit der Brennammerwand in wärmeleitender Verbindung steht und an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist.
Durch diese einfache Massnahme werden die vielfachen Dichtungsprobleme umgangen, welche insbesondere zu den Schwierigkeiten bei der Vorrichtung gemäss der deutschen Auslegeschrift 1 811 501 geführt haben. Ferner wird ein wesentlich besserer Kopplungsfaktor zwischen der Spule und dem Plasma erzielt, wodurch bei sonst gleichen Voraussetzungen die Leistungsfähigkeit des Brenners wesentlich verbessert werden konnte.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Xochfrequenz-Induktionsplasmabrenners ist dadurch gekennzeichnet, dass das wendelförmige Metallrohr in eine der Brennkammer entsprechende Form eingegeben wird und dass die Zwischenräume mit einer hoch wärmefesten keramischen Isoliermasse ausgefüllt werden. Dadurch ergibt sich eine einfache Möglichkeit zur Fabrikation eines solchen Brenners, wobei die äusseren Abmessungen wegen der vorgegebenen Form besonders gut eingehalten werden können.
In besonders vorteilhafter Weise ist es möglich, als Kühlmittel flüssiges Metall vorzusehen, welches selbst den elektrischen Leiter für die Hochfrequenzspule darstilt.
Dadurch erübrigt sich die Aufnahme eines separaten Rohres in die Brennkammerwand, wenn diese selbst mit einem wendelförmigen Kanal versehen ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 die teilweise geschnittene Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 die teilweise geschnittene Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels, Fig. 3 die teilweise geschnittene Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels.
Gemäss Fig. 1 umfassder Induktions-Hochfrequenzplasmabrenner eine beispielsweise rohrförmige Brennkammerwand 1, welche bespielsweise aus keramischem Material besteht. In dem Innenraum 2 wird durch nicht dargestellte Vorrichtungen ein Gas eingeleitet und durch ebenfalls nicht dargestellte Mittel zum Zünden gebracht.
Die äussere Oberfläche der Brennkammerwand 1 weist eine wendelförmige Ausnehmung 3 auf, welche zur Aufnahme einer mehrwindigen Hochfrequenzspule 4 ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist die Oberfläche der wendelförmigen Ausnehmung 3 metallisiert, um eine gute Wärmeleitung zwischen dem Rohr 1 und der Hochfrequenzspule 4 herzustellen. Ferner nimmt die Metallschicht das elektrische Potential der Spule an, wodurch möglichst stetige Potentialflächen erhalten werden, so dass die elektrische Feldverteilung zwischen der Spule und dem Plasma keine lokalen Maxima aufweist, welche zu unerwünschten und unvorhersehbaren Spannungsüberschlägen führen könnten.
Die ijochfrequenzspule 4 besteht aus einem Rohr guter elektrischer und thermischer citfähigkeit. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht die Spule aus Kupferrohr. Vorzugsweise sind die Kupferrohre mit der metallisierten Oberfläche innerhalb der wendelförmigen Ausnehmung 3 verlötet, um den Wärmeübergang zu verbessern, und um die Metallschicht auf das gleiche elektrische Potential zu bringen wie die Spule. Der Innenraum 5 der rohrförmigen Hochfrequenzspule 4 dient dem Durchfluss des Kühlmittels, als welches z.B. Wasser verwendet wird.
Zur Zu- und Ableitung des Kühlmittels sind die in der Figur nicht dargestellten Enden der Hochfrecuenzspule 4 über geeignete Isolierstücke an eine Kühlmittelquelle, bezw. Kühlmittelsenke angeschlossen.
Wird als Kühlmittel ein elektrisch leitendes Medium, beispielsweise Wasser, verwendet, ist es besonders vorteilhaft, die Hochfrequenzspule 4 wie in Fig. 1 angedeutet als Doppelwicklung (Bifilarwicklung) auszuführen.
Dadurch ergeben sich besonders einfache und unkomplizierte Anschlussmöglichkeiten für die Spule, da beide Spulenenden an der Anschlussstelle gleiches Potential aufweisen.
Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel besteht aus einem Rohr 1, dessen Wandung mit einem wendelförmigen, geschlossenen Kanal 6 versehen ist. Die Oberflächen dieses Kanals können metallisiert sein, so dass der Kanal als Hochfrequenzspule dient, nachdem entsprechende elektrische Anschlüsse hergestellt worden sind. Der wendelförmige Kanal 6 wird vorzugsweise von einem flüssigen Kühlmittel durchsetzt.
Auf die Oberflächenmetallisierung des Kanals 6 kann jedoch verzichtet werden, wenn gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel als Kühlmittel für die in Fig. 2 gezeigte Anordnung ein flüssiges Metall benützt wird, welches gleichzeitig den elektrischen Leiter für die Hochfrequenzspule darstellt. Als solches kann beispielsweise eine Watrium-Kalzium-Legierung verwendet werden, welche einen Schmelzpunkt von -110C undeinen Siedepunkt von+7940C aufweist. Selbstverständlich können auch andere geeignete flüssige oder gasförmige Kühlmittel verwendet werden.
Gemäss einem weiteren, in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist als Hochfrequenzspule eine rohrförmige Metallwendel 7 in .,rennkammerwand eingebettet. Die in die Brennkammerwand eingebettet. Die Einbettung geschieht durch Einfüllen einer zunächst formbaren, im ausgehärteten Zustand hoch wärmefesten Isoliermasse. Vorzugsweise besteht diese Isoliermasse aus keramischem Material. Die herstellung kann in einer entsprechenden Form vorgenommen werden, wodurch sich eine besonders sichere, einfache und kostensparende Serienfabrikation durchführen lässt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

liochfrequenz-Induktionsplasmabrenner mit Vorrichtungen zum Durchfluss eines Kdhlmittels, mit einer Brennkammerwand aus dielektrischem Material und mit einer Hochfrequenzspule, dadurch gekennzeichnet, dass die als Wärmeleiter ausgebildete Hochfrequenzspule (4) mit der Brennkammerwand (1) in wärmeleitender Verbindung steht und an einen Kühlmitteikreislauf angeschlossen ist.
2. Hochfrequenz-Induktionsplasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzspule (4) als Rohr ausgebildet ist, welches in wendelförmigen Ausnehmungen (3) auf der äusseren Oberfläche einer rohrförmigen Brennkammerwand (1) angeordnet ist.
3. Hochfrequenz-Induktionsplasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wendelförmigen Ausnehmungen (3) metallisiert sind.
4. IIochfrequenz-Induktionsplasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die iiochfrequenzspule (4) bifilar ausgeführt ist.
5. Iiochrrequcnz-Indukt; ionsplasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerwand (1) mit einem wendelförmigen Kanal (6) versehen ist.
6. Hochfrequenz-Induktionsplasmabrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kanals (6) metallisiert ist.
7. Hochfrequenz-Induktionsplasmabrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel flüssiges Metall vorgesehen ist, welches selbst den elektrischen Leiter für die Hochfrequenzspule (4) darstellt.
8. Kochfrequenz-Induktionsplasmabrenner nach Anspruch 7,-dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel eine Natrium-Kalzium-Legierung vorgesehen ist, deren Schmelzpunkt etwa -110C und deren Siedepunkt etwa +794°C beträgt.
9. Hochfrequenz-Induktionsplasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Hochfrequenzspule dienendes wendelförmiges Metallrohr (7) in der Brennkammerwand (1) eingebettet ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Hcchfrequenz-Induktionsplasmabrenners nach Ansprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wendelförmie Metallrohr (7) in eine der Brennkammer entsprechende Form eingegeben wird, und dass die Zwischenräume mit einer hoch wärmefesten keramischen Isoliermasse ausgefüllt werden. L e e r s e i t e