RU2379860C1 - Transformer plasma generator with dielectric discharge chamber - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to plasma devices, namely to transformer low-temperature plasma generators and can be used in chemistry of plasma and metallurgy, as well as in lasers. Transformer plasma generator comprises water-cooled discharge chamber 2 with gas inlet 1 and plasma jet outlet 7, and at least one magnetic core 5 with primary windings 4. Gas inlet 1 has flow swirlers 3. Plasma jet outlets 7 are arranged on opposite ends of chamber 2. One of magnetic cores, apart from the main cores, incorporates plasma ignition extra windings. Discharge chamber 2 made from dielectric material comprises at least one buffer gas inlet 6 and at least one plasma jet outlet.

EFFECT: increased intensity of arc discharge.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкотемпературной плазмы, использующимся в плазмохимии и металлургии для проведения различных плазмохимических процессов (например, синтез окислов азота, получение фторуглеродных соединений и т.д.), а также для нужд микроэлектроники с регулируемой температурой и работающих с агрессивными газами. Изобретение также может быть использовано в лазерной технике, где для получения инверсной заселенности уровней атомов и ионов используется электрический разряд.The invention relates to plasma technology, namely to transformer plasmatrons of low-temperature plasma, used in plasma chemistry and metallurgy for various plasma-chemical processes (e.g., synthesis of nitrogen oxides, production of fluorocarbon compounds, etc.), as well as for the needs of temperature-controlled microelectronics and working with aggressive gases. The invention can also be used in laser technology, where an electric discharge is used to obtain an inverse population of atomic and ion levels.

Использование плазмы в технологических целях позволяет получать продукты с уникальными свойствами. Самые разнообразные химические реакции с наибольшей эффективностью могут протекать только в плазменной струе. И область применения плазменных технологий непрерывно расширяется, вплоть до повышения износостойкости меховых изделий и упрочнения клеевых соединений в обуви.The use of plasma for technological purposes allows to obtain products with unique properties. The most diverse chemical reactions with the highest efficiency can occur only in a plasma jet. And the field of application of plasma technologies is constantly expanding, up to increasing the wear resistance of fur products and hardening of adhesive joints in shoes.

Плазмотроны индукционного типа имеют некоторые преимущества перед другими типами плазмотронов. Индукционный разряд трансформаторного типа представляет собой замкнутый газовый токопроводящий канал, индуктивно связанный с первичной обмоткой через магнитопровод. Наличие последнего позволяет осуществлять эффективную передачу энергии в плазму на существенно более низких частотах, чем те, на которых работают, например, ВЧИ - плазмотроны, и применять более простой источник питания. В отличие от дуговых плазмотронов трансформаторные плазмотроны имеют больший ресурс, а также обеспечивают получение спектрально чистой плазмы, не засоренной продуктами эрозии электродов, что важно, например, для обработки изделий микроэлектроники и, кроме того, позволяют работать с агрессивными плазмообразующими средами (кислород, фтор, хлор).Induction-type plasmatrons have some advantages over other types of plasmatrons. The transformer type induction discharge is a closed gas conducting channel inductively coupled to the primary winding through a magnetic circuit. The presence of the latter makes it possible to efficiently transfer energy to the plasma at substantially lower frequencies than those at which, for example, HF plasmatrons operate, and to use a simpler power source. Unlike arc plasmatrons, transformer plasmatrons have a longer life, and also provide spectrally pure plasma that is not clogged by the products of electrode erosion, which is important, for example, for processing microelectronic products and, in addition, allows working with aggressive plasma-forming media (oxygen, fluorine, chlorine).

Свойства трансформаторных плазмотронов позволят широко использовать их в таких плазмохимических технологиях, как синтез монооксида азота, конверсия природного газа, в процессе производства микросхем, а также в лазерной технике.The properties of transformer plasmatrons will make it possible to widely use them in plasma-chemical technologies such as nitrogen monoxide synthesis, natural gas conversion, in the process of manufacturing microcircuits, and also in laser technology.

Известно небольшое количество трансформаторных плазмотронов различной конструкции, описанных в патентах [А.с. 574100, 1976, Н05В 7/18, SU 957744, 1980, Н05В 7/18, Н05Н 1/24, RU 2094961, 1989, Н05В 7/18, RU 2022917, 1989, С01В 21/24, RU 2056702, 1990, Н05В 7/18, RU 2093459, 1995, С01В 13/11, US 6150628, 2000, В23К 10/10] и научно-технической литературе [Уланов И.М. Исследование возможности создания плазмотронов трансформаторного типа. ТВТ, т.31, №4, 1993, I.M.Ulanov. 200-KW transformer Plasmachemical reactor. Int. Congress "Electromagn. Processing of material" Paris, May, 1997, Уланов и др. Эффект «автозакалки» монооксида азота при вихревой стабилизации низкочастотного разряда трансформаторного типа. Теплофизика и аэромеханика, т.7, №4, 2002, Дресвин СВ. и др. Плазмотроны: конструкции, параметры, технологии: Учеб. пособие. С-Пб, из-во Политехи. ун-та, 2007.-208 с.]A small number of transformer plasmatrons of various designs are described in the patents [A.S. 574100, 1976, Н05В 7/18, SU 957744, 1980, Н05В 7/18, Н05Н 1/24, RU 2094961, 1989, Н05В 7/18, RU 2022917, 1989, С01В 21/24, RU 2056702, 1990, Н05В 7/18, RU 2093459, 1995, СВВ 13/11, US 6150628, 2000, В23К 10/10] and scientific and technical literature [Ulanov I.M. Study of the possibility of creating transformer type plasmatrons. TVT, t.31, No. 4, 1993, I.M.Ulanov. 200-KW transformer Plasmachemical reactor. Int. Congress "Electromagn. Processing of material" Paris, May, 1997, Ulanov et al. Effect of "auto-quenching" of nitrogen monoxide during vortex stabilization of a low-frequency discharge of a transformer type. Thermophysics and Aeromechanics, vol. 7, No. 4, 2002, Dresvin SV. and other Plasmatrons: designs, parameters, technologies: Textbook. allowance. St. Petersburg, because of the Polytechnic. University, 2007.-208 pp.]

Известен трансформаторный плазмотрон [Патент РФ RU 2094961, 1989, ⁸ Н05В 7/18], содержащий магнитопровод с первичной обмоткой и охватывающую магнитопровод замкнутую водоохлаждаемую разрядную камеру, выполненную из электроизолированных одна от другой металлических секций, с узлами ввода газа и вывода плазмы, расположенными на противоположных участках камеры. Узел ввода газа снабжен завихрителем для вихревой стабилизацией дуги, а магнитопровод имеет первичную обмотку, состоящую из нескольких витков обычного проводника.A transformer plasmatron is known [RF Patent RU 2094961, 1989, ⁸ Н05В 7/18], comprising a magnetic circuit with a primary winding and a closed water-cooled discharge chamber enclosing a magnetic circuit made of metal sections electrically insulated from one another, with gas inlet and plasma outlet assemblies located on opposite parts of the camera. The gas input unit is equipped with a swirl for vortex stabilization of the arc, and the magnetic circuit has a primary winding consisting of several turns of a conventional conductor.

В данном плазмотроне за счет особенностей конструкции достигается получение устойчивого разряда в среде инертных и молекулярных газов при давлениях вплоть до атмосферного.In this plasmatron, due to the design features, a stable discharge is achieved in an inert and molecular gas medium at pressures up to atmospheric pressure.

Недостатком такого трансформаторного плазмотрона является его неустойчивая работа при больших напряженностях электрического поля из-за возникновения электрических пробоев между металлическими секциями разрядной камеры.The disadvantage of such a transformer plasma torch is its unstable operation at high electric field intensities due to electrical breakdowns between the metal sections of the discharge chamber.

Известен трансформаторный плазмотрон [Патент РФ RU 2056702, 1990, 8 Н05В 7/18], содержащий замкнутую разрядную камеру в форме кольца, выполненную в виде электроизолированных одна от другой охлаждаемых металлических секций. Количество магнитопроводов, узлов ввода газа и узлов вывода газа выбрано равным количеству секций камеры. Такая конструкция позволяет существенно снизить удельный расход энергии и повысить производительность плазмотрона.Known transformer plasmatron [RF Patent RU 2056702, 1990, 8 Н05В 7/18], containing a closed discharge chamber in the form of a ring, made in the form of electrically insulated cooled metal sections from one another. The number of magnetic cores, gas inlet nodes and gas outlet nodes is chosen equal to the number of chamber sections. This design can significantly reduce specific energy consumption and increase the performance of the plasma torch.

Недостатком данного плазмотрона является наличие изготовленных из металла секций замкнутой разрядной камеры, что исключает применение газов, требующих для поддержания разряда высокой напряженности электрического поля, так как существует большая вероятность возникновения электрического пробоя между секциями.The disadvantage of this plasma torch is the presence of sections of a closed discharge chamber made of metal, which excludes the use of gases that require a high electric field to maintain a discharge, since there is a high probability of an electrical breakdown between the sections.

В качестве прототипа выбрано устройство [Патент US 6150628, 2000, В23K 10/10], предназначенное для диссоциации газов, включающее разрядную камеру и магнитопровод с первичной обмоткой, охватывающий часть камеры. Разрядная камера может быть изготовлена из металла, из металла с, по крайней мере, одной вставкой из диэлектрического материала или из диэлектрического материала (кварца).As a prototype of the selected device [Patent US 6150628, 2000, B23K 10/10], designed for the dissociation of gases, including a discharge chamber and a magnetic circuit with a primary winding, covering part of the chamber. The discharge chamber may be made of metal, of metal with at least one insert of dielectric material or of dielectric material (quartz).

Однако плазмотрон с разрядной камерой из металла, а также из металла с хотя бы одной вставкой из диэлектрика не может работать при больших напряженностях электрического поля, например, при использовании газов, содержащих водород. В этом случае могут возникать пробои.However, a plasma torch with a discharge chamber made of metal, as well as of metal with at least one insulator insert, cannot operate at high electric field strengths, for example, when using gases containing hydrogen. In this case, breakdowns may occur.

Как следует из описания указанного патента, в изобретении используется осевая подача газа в разрядную камеру, что существенно ограничивает диапазон рабочих режимов плазмотрона по напряженности электрического поля в плазме от 1B/см до 100 В/см, по давлению газа - от слабого вакуума, 10^-3 мм рт.ст. (0,13 Па) до 100 мм рт.ст. (13300Па, 0,13 нормального атмосферного давления). Такие значения параметров существенно ограничивают возможность использования плазмотрона для технологических целей, где желательно работать при атмосферном или даже повышенном давлении. Использование осевой подачи газа в разрядную камеру, изготовленную из диэлектрического материала, приводит к существенному ограничению срока службы такой разрядной камеры из-за растрескивания стенок камеры в результате изменения режима работы плазмотрона.As follows from the description of the said patent, the axial gas supply to the discharge chamber is used in the invention, which significantly limits the range of plasmatron operating modes in plasma electric field strength from 1B / cm to 100 V / cm, in gas pressure - from low vacuum, 10 ^{- 3} mmHg (0.13 Pa) up to 100 mmHg (13300Pa, 0.13 normal atmospheric pressure). Such parameter values significantly limit the possibility of using a plasma torch for technological purposes, where it is desirable to work at atmospheric or even elevated pressure. The use of an axial gas supply to a discharge chamber made of dielectric material leads to a significant limitation of the service life of such a discharge chamber due to cracking of the chamber walls as a result of a change in the plasma torch operating mode.

Использование дополнительных электродов и источника ультрафиолетового излучения для поджига и активации плазмы в указанном устройстве существенно усложняет конструкцию устройства, увеличивая его вес и габариты.The use of additional electrodes and a source of ultraviolet radiation to ignite and activate the plasma in the specified device significantly complicates the design of the device, increasing its weight and dimensions.

Задачей изобретения является расширение области применения трансформаторного плазмотрона, в частности, проведение плазмохимических реакций с использованием таких газов, как, например, чистый водород или кислород, для получения которых требуется высокая напряженность электрического поля. Плазмохимические реакции, при проведении которых используются такие газы, как, например, чистый водород или кислород, невозможно осуществить ни в одном известном на сегодняшний день плазмотроне.The objective of the invention is to expand the scope of the transformer plasma torch, in particular, conducting plasma-chemical reactions using gases such as, for example, pure hydrogen or oxygen, which require a high electric field strength. Plasma-chemical reactions that use gases such as pure hydrogen or oxygen, for example, cannot be carried out in any plasmatron known to date.

Поставленная задача решается применением новых конструктивных элементов и изменением характера связей между ними.The problem is solved by the use of new structural elements and by changing the nature of the relationship between them.

Суть изобретения состоит в том, что плазмотрон состоит из замкнутой водоохлаждаемой разрядной камеры и одного или нескольких магнитопроводов с первичными обмотками. Вторичной обмоткой является плазменный виток. Разрядная камера выполнена из диэлектрического материала, что позволяет исключить электрические пробои, и может иметь любую форму, например, прямоугольную, овальную, кольцевую. Охлаждение камеры осуществляют путем охлаждения металлических конструкций, накладываемых на камеру (на схеме не показано). Количество узлов ввода в разрядную камеру рабочего газа составляет один или более, количество узлов вывода плазмы из разрядной камеры составляет один или более. Узлы ввода газа располагают противоположно узлам вывода плазмы. Узлы ввода газа снабжают завихрителями потока, что позволяет расширить диапазон рабочих давлений от нескольких Паскалей до атмосферного давления и выше и предотвратить разрушение стенок камеры в результате изменения режима работы плазмотрона. При повышении давления в разрядную камеру через один или несколько узлов ввода тангенциально подают буферный газ. В качестве буферного можно использовать любой газ, требующий меньшей напряженности электрического поля для поддержания разряда, по сравнению с напряженностью электрического поля, требуемой для поддержания разряда в рабочем газе.The essence of the invention lies in the fact that the plasma torch consists of a closed water-cooled discharge chamber and one or more magnetic circuits with primary windings. The secondary winding is a plasma coil. The discharge chamber is made of dielectric material, which eliminates electrical breakdowns, and can have any shape, for example, rectangular, oval, annular. The chamber is cooled by cooling metal structures superimposed on the chamber (not shown in the diagram). The number of nodes entering the discharge chamber of the working gas is one or more; the number of nodes of the plasma outlet from the discharge chamber is one or more. The gas inlet nodes are opposite to the plasma outlet nodes. Gas injection units supply flow swirls, which allows expanding the working pressure range from several Pascals to atmospheric pressure and higher and preventing the destruction of the chamber walls as a result of changing the plasma torch operating mode. With increasing pressure, buffer gas is tangentially supplied to the discharge chamber through one or more input nodes. As a buffer, you can use any gas that requires a lower electric field to maintain a discharge, compared with the electric field required to maintain a discharge in the working gas.

Для поджига плазмы магнитопровод снабжен, по меньшей мере, одной дополнительной обмоткой. Дополнительные обмотки расположены на одном из магнитопроводов плазмотрона независимо от того, где этот магнитопровод расположен. Дополнительные обмотки имеют в 2-3 раза больше витков, чем основные обмотки. Дополнительные обмотки служат для зажигания разряда при пониженном давлении. Они позволяют поднять напряжение на разрядной камере до напряжения, при котором осуществляется пробой газа. После поджига разряда дополнительные обмотки автоматически отключаются. Достигаемый за счет использования дополнительных обмоток технический результат заключается в том, что упрощается схема зажига, отпадает необходимостьх установки дополнительного трансформатора для пробоя газов и поджига разряда. Это отражается также на стоимости устройства.To ignite the plasma, the magnetic circuit is equipped with at least one additional winding. Additional windings are located on one of the magnetic circuits of the plasma torch regardless of where this magnetic circuit is located. Additional windings have 2-3 times more turns than the main windings. Additional windings are used to ignite the discharge under reduced pressure. They allow you to raise the voltage on the discharge chamber to the voltage at which the breakdown of gas. After ignition of the discharge, the additional windings are automatically turned off. The technical result achieved through the use of additional windings consists in the fact that the ignition circuit is simplified, there is no need to install an additional transformer for gas breakdown and ignition of the discharge. This is also reflected in the cost of the device.

В прототипе [Патент US 6150628, 2000, В23К 10/10] поджиг разряда осуществляется от источника питания через повышающий трансформатор путем подключения его к двум противоположным секциям плазмотрона. Это технически неудобно.In the prototype [Patent US 6150628, 2000, B23K 10/10], the discharge is fired from a power source through a step-up transformer by connecting it to two opposite sections of the plasma torch. This is technically inconvenient.

Суть изобретения поясняется фиг.1, на которой показан трансформаторный плазмотрон с диэлектрической разрядной камерой. Плазмотрон содержит магнитопроводы 5 с первичными индуктивными обмотками 4 и замкнутую водоохлаждаемую разрядную камеру 2, выполненную из диэлектрического материала. В разрядную камеру 2 рабочий газ подается через узлы ввода газа 1, снабженные завихрителями газового потока 3. Завихрители газового потока 3 обеспечивают вращение потока газа. Благодаря этому за счет разности в плотности более холодная компонента газа перемещается к стенкам, оставляя более горячий газ в центре, что уменьшает нагрев стенок камеры. Буферный газ тангенциально подается в разрядную камеру через узлы ввода буферного газа 6. Узлы вывода плазменной струи 7 служат для вывода плазмы, например в рабочую камеру.The invention is illustrated in figure 1, which shows a transformer plasma torch with a dielectric discharge chamber. The plasma torch contains magnetic circuits 5 with primary inductive windings 4 and a closed water-cooled discharge chamber 2 made of dielectric material. The working gas is supplied to the discharge chamber 2 through the gas inlet units 1 provided with swirls of the gas stream 3. Swirls of the gas stream 3 provide rotation of the gas stream. Due to this, due to the difference in density, the colder gas component moves to the walls, leaving a hotter gas in the center, which reduces the heating of the chamber walls. The buffer gas is tangentially supplied to the discharge chamber through the nodes of the input of the buffer gas 6. The output nodes of the plasma jet 7 are used to output the plasma, for example, into the working chamber.

Замкнутая водоохлаждаемая разрядная камера 2 может иметь любую геометрическую форму, например, как на фиг.2.The closed water-cooled discharge chamber 2 may have any geometric shape, for example, as in FIG.

Плазмотрон работает следующим образом.The plasma torch works as follows.

Вначале разряд зажигается в разрядной камере 2 при пониженном давлении (1-10)Па. Затем давление в разрядной камере подниматься до (1-2)·10² кПа. Ввод рабочего газа осуществляется через узлы 1, снабженные завихрителями газового потока 3. Образовавшаяся плазма выводится через узлы вывода плазменной струи 7, например в рабочую камеру 12. В рабочей камере можно помещать различные закалочные устройства для завершения плазмо-химических реакций, а также может осуществляться процесс нанесения покрытий на различные изделия 10. Основную часть газового потока и продукты реакций выводят из рабочей камеры через выходы 8 и 11, снабженные газовыми кранами 9.Initially, the discharge is ignited in the discharge chamber 2 at a reduced pressure (1-10) Pa. Then the pressure in the discharge chamber rise to (1-2) · 10 ² kPa. The input of the working gas is carried out through nodes 1 equipped with swirls of the gas stream 3. The resulting plasma is discharged through the nodes of the output of the plasma jet 7, for example, into the working chamber 12. Various quenching devices can be placed in the working chamber to complete the plasma-chemical reactions, and the process can also be carried out coating various products 10. The main part of the gas stream and reaction products are removed from the working chamber through exits 8 and 11, equipped with gas valves 9.

В данном изобретении за счет выбранной конструкции разрядной камеры достигается расширение диапазона рабочих давлений от нескольких Паскалей до атмосферного давления и выше, а также появляется возможность применять газы, требующие высокой напряженности электрического поля для поддержания разряда.In the present invention, due to the selected design of the discharge chamber, an expansion of the operating pressure range from several Pascals to atmospheric pressure and higher is achieved, and it is also possible to use gases that require a high electric field to maintain the discharge.

Claims (3)

1. Трансформаторный плазмотрон, содержащий замкнутую водоохлаждаемую разрядную камеру с узлами ввода рабочего газа, снабженными завихрителями потока, и вывода плазменной струи, расположенными на противоположных концах камеры, и, по меньшей мере, один магнитопровод с первичными обмотками, отличающийся тем, что один из магнитопроводов, кроме основных, содержит дополнительные обмотки поджига плазмы, при этом разрядная камера, изготовленная из диэлектрического материала, содержит, по меньшей мере, один узел ввода буферного газа, и, по меньшей мере, один узел вывода плазменной струи.1. Transformer plasma torch containing a closed water-cooled discharge chamber with working gas inlet units equipped with flow swirls and a plasma jet outlet located at opposite ends of the chamber, and at least one magnetic circuit with primary windings, characterized in that one of the magnetic circuits , in addition to the main ones, contains additional windings of plasma ignition, while a discharge chamber made of a dielectric material contains at least one buffer gas inlet unit, and, at least st least one node output plasma jet. 2. Трансформаторный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что разрядная камера имеет прямоугольную, овальную, кольцевую форму.2. The transformer plasmatron according to claim 1, characterized in that the discharge chamber has a rectangular, oval, annular shape. 3. Трансформаторный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что подача буферного газа в разрядную камеру осуществляется радиально или тангенциально. 3. The transformer plasmatron according to claim 1, characterized in that the buffer gas is supplied to the discharge chamber radially or tangentially.

Images