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DE1239033B - Electric high frequency plasma jet generator - Google Patents

Electric high frequency plasma jet generator

Info

Publication number
DE1239033B
DE1239033B DEN27539A DEN0027539A DE1239033B DE 1239033 B DE1239033 B DE 1239033B DE N27539 A DEN27539 A DE N27539A DE N0027539 A DEN0027539 A DE N0027539A DE 1239033 B DE1239033 B DE 1239033B
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
jacket
cap
gas
base plate
plasma jet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DEN27539A
Other languages
German (de)
Inventor
Jacob Willem De Ruiter
Anton Willenstein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Philips Gloeilampenfabrieken NV filed Critical Philips Gloeilampenfabrieken NV
Publication of DE1239033B publication Critical patent/DE1239033B/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B11/00—Heating by combined application of processes covered by two or more of groups H05B3/00 - H05B7/00

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

H05hH05h

DeutscheKl.: 21g-61/00German class: 21g-61/00

Nummer: 1239 033Number: 1239 033

Aktenzeichen: N 27539 VIII c/21;File number: N 27539 VIII c / 21;

Anmeldetag: 27. Oktober 1965Filing date: October 27, 1965

Auslegetag: 20. April 1967Open date: April 20, 1967

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Plasmastrahlerzeuger mit einem aus einem nicht elektrisch leitenden hochschmelzenden Werkstoff bestehenden, einseitig offenen Zylindermantel, der in die Arbeitsöffnung einer zylinderförmigen Hochfrequenzspule gleichachsig zu dieser eingesetzt ist und wenigstens einen Einlaß zum Zuführen eines zum Erzeugen einer elektrischen Entladung geeigneten Gases in den vom Mantel umschlossenen Raum aufweist. Solche Plasmastrahlerzeuger dienen zum Erzielen einer Flamme sehr hoher Temperatur beim Schmelzen, Schweißen, Schneiden oder beim Durchführen einer anderen Wärmebehandlung von Werkstoffen.The invention relates to an electric plasma jet generator with one of a non-electric Conductive refractory material consisting of a cylinder jacket open on one side, which is inserted into the working opening of a cylindrical high-frequency coil is used coaxially to this and at least one inlet for supplying one to produce one electrical discharge having suitable gas in the space enclosed by the jacket. Such plasma jet generators serve to achieve a very high temperature flame when melting, welding, Cutting or other heat treatment of materials.

Durch das Zuführen von Gas zu einer elektrischen Lichtbogenentladung zwischen zwei Elektroden entsteht eine Flamme von Gasteilchen hoher Temperatur, die sich in der Bewegungsrichtung des Gases erstreckt und auf dem zu behandelnden Werkstoff auftrifft. Es ist bekannt, eine solche Gasentladung mittels eines Hochfrequenz-Induktionsfeldes aufrecht- ao zuerhalten, ohne daß von der Leitfähigkeit des Gases für den elektrischen Strom zwischen zwei Elektroden Gebrauch gemacht wird, sondern das Gas in einen Leitfähigkeitszustand gebracht wird und in kurzgeschlossenen Führungswegen durch das Induktionsfeld starke elektrische Ströme erzeugt werden (vgl. »Journal of Applied Physics«, Vol. 32, 1961, Nr. 5, S. 821 bis 824).By supplying gas to an electric arc discharge between two electrodes, a flame of high temperature gas particles is created, which extends in the direction of movement of the gas and hits the material to be treated. It is known that such a gas discharge by means of a high-frequency induction field main- ao obtain, without making use of the conductivity of the gas for the electric current between two electrodes, but the gas is brought into a conduction state and short-circuited guide paths by the induction field strong electrical currents are generated (cf. "Journal of Applied Physics", Vol. 32, 1961, No. 5, pp. 821 to 824).

Der Arbeitsraum eines solchen Gasentladungsbrenners ist von einem Isoliermantel aus einem hochschmelzenden Werkstoff umgeben, der seinerseits von mehreren Windungen einer Hochfrequenzspule umgeben ist. Genau wie es bei einer Lichtbogenentladung zwischen Elektroden der Fall ist, werden Mittel verwendet zum Erzeugen einer Entladung, die anfänglich von geringem Umfang sein kann, jedoch infolge der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme größer wird.The working space of such a gas discharge burner is surrounded by an insulating jacket made of a high-melting material, which in turn is surrounded by several turns of a high frequency coil. Just like an arc discharge is the case between electrodes, means are used to generate a discharge which may initially be of small size, but as a result of the conversion of electrical energy into Heat gets bigger.

Durch die Zuführung von Gas regelt man die Größe der Flamme und erzeugt gleichzeitig eine die Wärme isolierende Schicht, welche die Wand des Mantels schützt. Mit der Gasströmung durch den Entladungsbereich ist die Bedingung verbunden, daß diese Gasströmung nicht so stark sein darf, daß Gefahr von Löschen der Entladung besteht, was bedeuten kann, daß die aus diesem Grund beschränkte Gasströmung zum Schutz des Mantels nicht ausreicht. Man begegnet diesem Nachteil dadurch, daß das Gas in einer Wirbelbewegung durch den Mantel durchgeleitet wird, wozu eine tangential gerichtete Zuführung von Gas verwendet wird, so daß eine der Wand entlang fortschreitende Zirkulation entsteht,By supplying gas, the size of the flame is regulated and a die is generated at the same time Heat insulating layer that protects the wall of the jacket. With the gas flow through the Discharge area is linked to the condition that this gas flow must not be so strong that danger of deleting the discharge, which may mean that it is restricted for this reason Gas flow is insufficient to protect the jacket. This disadvantage is countered by the fact that the gas is passed through the jacket in a whirling motion, including a tangentially directed feed of gas is used, so that a progressive circulation is created along the wall,

Elektrischer Hochfrequenz-Plasmastrahlerzeuger Anmelder:Electric high-frequency plasma jet generator Applicant:

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)NV Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Netherlands)

Vertreter:Representative:

Dr. H. Scholz, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7Dr. H. Scholz, patent attorney,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7th

Als Erfinder benannt:Named as inventor:

Jacob Willem de Ruiter,Jacob Willem de Ruiter,

Anton Willenstein, Eindhoven (Niederlande)Anton Willenstein, Eindhoven (Netherlands)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Niederlande vom 31. Oktober 1964 (6 412 703)Netherlands October 31, 1964 (6 412 703)

wodurch eine Strömung aufrechterhalten wird, die der Wand entlang von größerer Dichte ist als im Mittelteil. Es ist einleuchtend, daß auch in diesem Fall der Umfang der Gaszuführung das Verhalten der Entladung und der die Wärme isolierenden Gasschicht, die das Entladungsvolumen vom Mantel getrennt hält, beeinflußt, so daß der erwähnte Nachteil, obwohl in geringerem Maß, bestehenbleibt. Wenn nämlich zur Vergrößerung des spezifischen Wärmeinhalts des Gasentladungsvolumens weniger Gas zugelassen wird, verringert gleichzeitig die Dichte des der Wand entlangzirkulierenden Gases, während im Zusammenhang mit der erhöhten Temperatur im Entladungsbereich das Gegenteil stattfinden müßte.thereby maintaining a flow which is of greater density along the wall than in the Middle part. It is evident that in this case too the extent of the gas supply influences the behavior of the Discharge and the heat-insulating gas layer that separates the discharge volume from the jacket holds, influenced, so that the aforementioned disadvantage, although to a lesser extent, persists. if namely, to increase the specific heat content of the gas discharge volume, less gas is allowed at the same time reduces the density of the gas circulating along the wall, while im In connection with the increased temperature in the discharge area, the opposite would have to take place.

Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu vermeiden. Nach der Erfindung wird der Zylindermantel innerhalb der Arbeitsöffnung der Spule um die Zylinderachse gedreht. Durch die auf das Gas einwirkende Zentrifugalkraft wird die Dichte des Gases an der Wand entlang des Mantels unabhängig von der axialen Geschwindigkeit des Gases erhöht und in der Mitte verringert. Durch Regelung der Drehgeschwindigkeit kann der Unterschied in Dichte unabhängig von der axialen Strömungsgeschwindigkeit gewählt werden.The invention aims to avoid this disadvantage. According to the invention, the cylinder jacket rotated around the cylinder axis within the working opening of the coil. By acting on the gas Centrifugal force is independent of the density of the gas on the wall along the mantle the axial velocity of the gas increased and decreased in the middle. By regulating the speed of rotation the difference in density can be independent of the axial flow velocity to get voted.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Plasmastrahlerzeugers dargestellt ist.The invention is explained in more detail with reference to the drawing, in which an embodiment of an electrical Plasma jet generator is shown.

In dem vom Mantel 1 umschlossenen Raum erfolgt die elektrische Gasentladung, wobei Hoch-The electrical gas discharge takes place in the space enclosed by the jacket 1, with high-

709 550/269709 550/269

Claims (3)

frequenzenergie in Wärme umgesetzt wird. Der Entladungsbereich wird etwa durch die gestrichelte Linie 2 umfaßt werden. Die innerhalb dieser äußeren Linie weiter vorhandenen Linien sind Isothermen. Es wurde festgestellt, daß bei Verwendung bestimmter Gase die Temperatur im Zentrum 20 000° C oder höher sein kann. Der Mantel 1 ist zylinderförmig und aus einem hochschmelzenden, elektrisch nicht leitenden Werkstoff hergestellt, wozu z. B. Quarzglas verwendbar ist. An seinem Außenumfang liegen mehrere Windungen einer Hochfrequenzspule 3, innerhalb der sich der Mantel frei bewegen kann. Stromzuleitungen 4 und 5 verbinden die Enden der Spule 3 mit dem Generator 6 zum Liefern des Hochfrequenzstromes, der beim Einschalten des Generators 6 die Spulenwindungen durchläuft. Die Windungen sind aus einem kupfernen Hohlrohr hergestellt. Eine Kühlflüssigkeit kann gemäß den Pfeilen 7 und 8 zu- und abgeführt werden. Falls keine künstliche Kühlung notwendig ist, kann die Spule aus massivem Draht hergestellt sein. Mit Hilfe eines Kohlestabs 9 kann die eigentliche Gasentladung eingeleitet werden, wozu der Kohlestab bis in die Nähe des Entladungsbereiches 2 innerhalb des Mantels 1 reicht. Die Spitze des Stabes 9 befindet sich im Randbereich des magnetischen Wechselfeldes, das beim Einschalten des Hochfrequenzgenerators entsteht, und wird von diesem Feld erhitzt, so daß anschließend Wärmeabgabe an das Umgebungsgas erfolgt, bis die Temperatur zum Entstehen einer selbständigen Entladung unter Einfluß des Wechselfeldes hoch genug ist. Am oberen Ende des Mantels 1 ist eine Kappe 10 angebracht, die durch Halterungsstäbe 11 und 12 unter Vermittlung eines flachen Flansches 14, der einen Teil der Kappe 10 bildet, an einer Bodenplatte 13 befestigt ist. Zwischen der Kappe 10 und der Bodenplatte 13 ist der Mantel 1 drehbar angeordnet, wozu Kugellager 15 und 16 dienen. Der Innenring 17 des oberen Kugellagers 15 ist an der Wand des Mantels 1 befestigt, während der Außenring 18 ein aufrecht stehender Rand am Flansch 14 ist. Zwischen der Kappe 10 und dem Innenring 17 befindet sieh ein Dichtungsring 19. Der Kohlestab 9 ist in der Kappe 10 mittels einer Klemmschraube 20 verschiebbar befestigt, so daß der Stab leicht in die Höhe verschoben und außerhalb des Bereiches der Gasentladung gebracht werden kann. Das Aufrechterhalten einer Gasströmung durch den Mantel erfolgt durch in der Kappe 10 vor- gesehene Einlaßöffnungen 21 und 22. Das zugeführte Gas kann den Mantel 1 an der Unterseite verlassen und eine Gasflamme hinausführen, die z. B. für Werkstoffbearbeitung benutzt werden kann. An der Unterseite des Mantels 1 ist der damit verbundene Innenring 23 des Kugellagers 16 mit einer Scheibe 24 versehen, die längs des Randes einen V-förmigen Schlitz 25 zum Einlegen eines Treibriemens besitzt. Die obere Fläche des Außenringes 26, der von der Bodenplatte 13 unterstützt wird, dient als Träger von Kugeln 27, die zusammen mit der Scheibe 24 ein Drucklager bilden. Das Ergebnis ist ein zuverlässiger Plasmastrahlerzeuger, der in einfacher Weise in der Temperatur und Flammenlänge regelbar ist, und mit einer hohen Energieleistung infolge der Regelung der die Wärme isolierenden Fähigkeit der die Wand schützenden Gasschicht durch Änderung der Drehgeschwindigkeit unabhängig von der Gaszuführung. Patentansprüche:frequency energy is converted into heat. The discharge area will be encompassed approximately by the dashed line 2. The lines that continue to exist within this outer line are isotherms. It has been found that when certain gases are used, the temperature in the center can be 20,000 ° C or higher. The jacket 1 is cylindrical and made of a high-melting, electrically non-conductive material, including z. B. quartz glass can be used. There are several turns of a high-frequency coil 3 on its outer circumference, within which the jacket can move freely. Power supply lines 4 and 5 connect the ends of the coil 3 to the generator 6 for supplying the high-frequency current which runs through the coil windings when the generator 6 is switched on. The windings are made from a copper hollow tube. A cooling liquid can be supplied and discharged according to arrows 7 and 8. If no artificial cooling is necessary, the coil can be made of solid wire. The actual gas discharge can be initiated with the aid of a carbon rod 9, for which purpose the carbon rod extends into the vicinity of the discharge area 2 within the jacket 1. The tip of the rod 9 is in the edge area of the alternating magnetic field that arises when the high-frequency generator is switched on, and is heated by this field, so that heat is subsequently given off to the surrounding gas until the temperature is high enough for an independent discharge to occur under the influence of the alternating field is. A cap 10 is attached to the upper end of the jacket 1 and is fastened to a base plate 13 by holding rods 11 and 12 through the intermediary of a flat flange 14 which forms part of the cap 10. The jacket 1 is rotatably arranged between the cap 10 and the base plate 13, for which purpose ball bearings 15 and 16 are used. The inner ring 17 of the upper ball bearing 15 is fastened to the wall of the casing 1, while the outer ring 18 is an upright edge on the flange 14. A sealing ring 19 is located between the cap 10 and the inner ring 17. The carbon rod 9 is slidably fastened in the cap 10 by means of a clamping screw 20, so that the rod can be easily moved upwards and brought outside the area of the gas discharge. A gas flow through the jacket is maintained through inlet openings 21 and 22 provided in the cap 10. B. can be used for material processing. On the underside of the shell 1, the inner ring 23 of the ball bearing 16 connected to it is provided with a washer 24 which has a V-shaped slot 25 along the edge for inserting a drive belt. The upper surface of the outer ring 26, which is supported by the base plate 13, serves as a carrier for balls 27 which, together with the disk 24, form a thrust bearing. The result is a reliable plasma jet generator, which can be easily regulated in terms of temperature and flame length, and with a high energy output due to the regulation of the heat-insulating ability of the gas layer protecting the wall by changing the rotational speed independently of the gas supply. Patent claims: 1. Elektrischer Plasmastrahlerzeuger mit einem aus einem nicht elektrisch leitenden hochschmelzenden Werkstoff bestehenden, einseitig offenen Zylindermantel, der in die Arbeitsöffnung einer zylinderförmigen Hochfrequenzspule gleichachsig zu dieser eingesetzt ist und wenigstens einen Einlaß zum Zuführen eines zum Erzeugen einer elektrischen Entladung geeigneten Gases in den vom Mantel umschlossenen Raum aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel (1) innerhalb der Arbeitsöffnung der Spule (3) um die Zylinderachse gedreht wird.1. Electric plasma jet generator with a non-electrically conductive high-melting material, open on one side cylinder jacket, which is inserted into the working opening of a cylindrical high-frequency coil coaxially to this and at least one inlet for feeding a gas suitable for generating an electrical discharge into the enclosed by the jacket Has space, characterized in that the cylinder jacket (1) is rotated about the cylinder axis within the working opening of the coil (3). 2. Elektrischer Plasmastrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit des Mantels veränderbar ist.2. Electric plasma jet generator according to claim 1, characterized in that the rotational speed of the jacket is changeable. 3. Elektrischer Plasmastrahlerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylindermantel (1) an einem Ende mittels einer stationären Kappe (10), in der Einlaßöffnungen (21, 22) für die Zuführung des Gases vorgesehen sind, verschlossen und zwischen der Kappe (10) und einer Bodenplatte (13) durch Andrücken des Zylindermantels gegen die Bodenplatte mit Hilfe von an der Kappe und an der Bodenplatte befestigten Halterungsstäben (11, 12) und über Lager (15, 16, 27) drehbar gehaltert ist.3. Electric plasma jet generator according to claim 1 or 2, characterized in that the cylinder jacket (1) at one end by means of a stationary cap (10), in the inlet openings (21, 22) are provided for the supply of the gas, closed and between the Cap (10) and a base plate (13 ) is rotatably supported by pressing the cylinder jacket against the base plate with the aid of mounting rods (11, 12) attached to the cap and the base plate and via bearings (15, 16, 27). In Betracht gezogene Druckschriften:
»Journal of Applied Physics«, Vol. 32, 1961, Nr. 5, S. 821 bis 824.Considered publications:
"Journal of Applied Physics", Vol. 32, 1961, No. 5, pp. 821-824. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 709 550/269 4.67 © Bundesdruckerei Berlin709 550/269 4.67 © Bundesdruckerei Berlin
DEN27539A 1964-10-31 1965-10-27 Electric high frequency plasma jet generator Pending DE1239033B (en)

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