RU2407249C2 - Device for production of plasma with open magnetic conductor and method for electric charge realisation and production of plasma in it - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: transformer plasmatron comprises transformer and closed water-cooled discharge chamber of dielectric material with units of gas supply and exhaust arranged at opposite sections of chamber. Gas supply unit is equipped with swirler. Transformer is arranged in the form of open magnetic conductor, and discharge chamber is arranged between its ends, distance between which is more than 5 mm. Method for realisation of electric charge and production of plasma in it includes gas passing through discharge chamber and exposure of gas in chamber to electric field. Electric discharge is realised, and plasma is produced in it by means of electric breakthrough between ends of magnetic conductor at the pressure from 10^-1-10^-2 mm of mercury column to atmospheric one. At the same time length of discharge reduces twice.

EFFECT: reduced power consumption and increased efficiency of thermal treatment.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к трансформаторным плазмотронам низкотемпературной плазмы, использующейся в плазмохимии и металлургии для плазменной обработки газообразных продуктов и дисперсных материалов. Изобретение может использоваться 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 plasma processing of gaseous products and dispersed materials. The invention can be used in laser technology, where an electric discharge is used to obtain an inverse population of atomic and ion levels.

Изобретение относится к способам осуществления электрического разряда и получения плазмы из газов, требующих высокой напряженности электрического поля, в том числе при атмосферном давлении. Технический результат заключается в возможности снижения потребления энергии и увеличения эффективности теплообработки в сопровождаемом плазмой производстве.The invention relates to methods for electric discharge and plasma production from gases requiring a high electric field strength, including at atmospheric pressure. The technical result consists in the possibility of reducing energy consumption and increasing the efficiency of heat treatment in plasma-accompanied production.

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. Плазмотрон может работать при давлениях от 1 до 10 атмосфер. Поджиг плазмы осуществляется с помощью дополнительных обмоток.Known transformer plasma torch [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 from one another cooled metal sections. 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. The plasma torch can operate at pressures from 1 to 10 atmospheres. Plasma ignition is carried out using additional windings.

К недостаткам этого устройства следует отнести невозможность достижения больших напряженностей электрического поля для поддержания разряда, что связано с возникновением электрических пробоев между металлическими секциями камеры.The disadvantages of this device include the impossibility of achieving high electric field strengths to maintain a discharge, which is associated with the occurrence of electrical breakdowns between the metal sections of the chamber.

Известно устройство [Патент US 6150628, 2000, В23К 10/10], предназначенное для диссоциации газов, включающее замкнутую разрядную камеру из металла или диэлектрического материала (кварца) и трансформатор с магнитопроводом, охватывающим часть камеры, и первичной обмоткой. Для поджига и активации плазмы используются дополнительные электроды и источник ультрафиолетового излучения.A device is known [Patent US 6150628, 2000, B23K 10/10], intended for the dissociation of gases, including a closed discharge chamber of metal or dielectric material (quartz) and a transformer with a magnetic circuit covering part of the chamber and a primary winding. To ignite and activate the plasma, additional electrodes and a source of ultraviolet radiation are used.

К существенным недостаткам такого плазмотрона следует отнести невозможность работы плазмотрона при атмосферном давлении. Недостатком разрядной камеры из металла является невозможность использовать газы, требующие больших напряженностей электрического поля, например газы, содержащие водород, так как в этом случае могут возникать пробои. Устраняет этот недостаток использование разрядной камеры из диэлектрического материала, например кварца. Однако плазменные камеры из кварца не технологичны и не пригодны для создания плазмотронов большой мощности, так как не способны пропустить большие тепловые потоки, идущие в стенку от разряда. Кроме того, кварцевые камеры, а также камеры из диэлектриков не выдерживают ударных нагрузок, возникающих при неустойчивом характере разряда. Использование дополнительных электродов и источника ультрафиолетового излучения для поджига и активации плазмы существенно усложняет конструкцию устройства, увеличивая его вес и габариты.Significant disadvantages of such a plasma torch include the inability to operate the plasma torch at atmospheric pressure. The disadvantage of a discharge chamber made of metal is the inability to use gases that require high electric field strengths, for example, gases containing hydrogen, since in this case breakdowns can occur. Eliminates this drawback using a discharge chamber made of a dielectric material, such as quartz. However, plasma chambers made of quartz are not technologically advanced and are not suitable for creating high-power plasmatrons, since they are not able to miss large heat fluxes going into the wall from the discharge. In addition, quartz chambers, as well as chambers made of dielectrics, cannot withstand shock loads arising from the unstable nature of the discharge. The use of additional electrodes and a source of ultraviolet radiation to ignite and activate the plasma significantly complicates the design of the device, increasing its weight and dimensions.

В качестве прототипа выбран трансформаторный плазмотрон [Патент РФ №2094961, 1989, 8 Н05В 7/18], содержащий трансформатор, выполненный в виде сердечника и первичной обмотки, и охватывающую сердечник 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, а трансформатор снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным магнитопроводом с индивидуальной первичной обмоткой.As a prototype, a transformer plasmatron was selected [RF Patent No. 2094961, 1989, 8 Н05В 7/18], comprising a transformer made in the form of a core and a primary winding, and a closed water-cooled discharge chamber enclosing the core made of electrically insulated metal sections from one another, with gas inlet and plasma outlet units located in opposite portions of the chamber. The gas input unit is equipped with a swirl, and the transformer is equipped with at least one additional magnetic circuit with an individual primary winding.

В таком плазмотроне за счет выбранной конструкции трансформатора и металлической водоохлаждаемой секционной разрядной камеры с вихревой стабилизацией дуги потоком газа достигают увеличения мощности в разряде и устойчивого разряда при давлениях вплоть до атмосферного в инертных и молекулярных газах.In such a plasma torch, due to the chosen design of the transformer and the metal water-cooled sectional discharge chamber with vortex stabilization of the arc by the gas flow, an increase in the discharge power and a stable discharge at pressures up to atmospheric in inert and molecular gases are achieved.

Однако плазмотрон с металлической разрядной камерой не может работать при больших напряженностях электрического поля, например при использовании газов, содержащих водород, поскольку между отдельными его секциями могут возникать электрические пробои. Наличие вспомогательных электродов, предназначенных для поджига плазмы, усложняет конструкцию, при этом увеличиваются вес и габариты устройства.However, a plasma torch with a metal discharge chamber cannot work at high electric field strengths, for example, when using gases containing hydrogen, since electrical breakdowns can occur between its individual sections. The presence of auxiliary electrodes designed to ignite the plasma complicates the design, while the weight and dimensions of the device increase.

Кроме указанного общего для всех вышеперечисленных устройств недостатка - невозможность работать с газами, требующими высокой напряженности электрического поля для поддержания разряда, в качестве общих недостатков следует также указать наличие существенных потерь в стенки разрядной камеры за счет большой длины разряда и невозможность создать в разряде высокие температуры, например для аргона - более 10000°С.In addition to the indicated drawback common to all of the above devices - the inability to work with gases that require a high electric field to maintain a discharge, the presence of significant losses in the walls of the discharge chamber due to the large length of the discharge and the inability to create high temperatures in the discharge should be noted as general disadvantages for example, for argon - more than 10000 ° C.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков известных трансформаторных плазмотронов, что позволит существенно улучшить электрические характеристики, увеличить срок эффективной работы плазмотронов, уменьшить потери энергии в стенки разрядной камеры, а также разработка нового способа осуществления разряда и получения плазмы, который позволит уменьшить затраты энергии и тем самым создать недорогое и энергоэффективное оборудование.The aim of the invention is to remedy these disadvantages of the known transformer plasmatrons, which will significantly improve the electrical characteristics, increase the effective life of the plasmatrons, reduce energy loss in the walls of the discharge chamber, as well as develop a new method of discharge and plasma production, which will reduce energy costs and thereby create low-cost and energy-efficient equipment.

Цель достигается тем, что трансформаторный плазмотрон содержит трансформатор, выполненный в виде разомкнутого магнитопровода и первичной обмотки, и замкнутую водоохлаждаемую разрядную камеру из диэлектрического материала с узлом ввода газа, оснащенным завихрителем потока, и узлом вывода плазмы, находящимися на противоположных участках камеры, расположенную между концами разомкнутого магнитопровода. Разрядная камера в зависимости от требуемых параметров процесса и сечения магнитопровода может иметь форму замкнуто-тороидальную, кольцевую, трубчатую, цилиндрическую. Узел ввода газа оснащают завихрителем потока, что позволяет расширить диапазон рабочих давлений от нескольких Паскалей до атмосферного давления и выше, а также ресурс службы разрядной камеры. При вихревой стабилизации потока газ подается в трубку по касательной и протекает через нее, совершая винтовое движение. При таком способе подачи газ протекает вдоль трубки в основном у ее стенок, отжимает разряд от стенок и изолирует последние от разрушительного действия высоких температур, что дает возможность работать при повышенных мощностях.The goal is achieved by the fact that the transformer plasmatron contains a transformer made in the form of an open magnetic circuit and a primary winding, and a closed water-cooled discharge chamber of dielectric material with a gas inlet unit equipped with a flow swirl and a plasma outlet located at opposite parts of the chamber located between the ends open magnetic circuit. The discharge chamber, depending on the required process parameters and the cross section of the magnetic circuit, may take the form of a closed toroidal, annular, tubular, cylindrical. The gas inlet unit is equipped with a flow swirl, which allows to expand the range of working pressures from several Pascals to atmospheric pressure and higher, as well as the service life of the discharge chamber. During the vortex stabilization of the flow, the gas is fed tangentially into the tube and flows through it, making a helical motion. With this method of supply, gas flows along the tube mainly near its walls, squeezes the discharge from the walls and isolates the latter from the destructive effect of high temperatures, which makes it possible to work at increased capacities.

Одной из наиболее важных характеристик плазмотронов, позволяющих расширить область их применения по рабочим газам, является напряженность электрического поля. Для того чтобы добиться большего увеличения напряженности электрического поля, нужно либо уменьшать длину разряда (l), либо увеличивать индукционное напряжение (U), например, за счет увеличения частоты разряда, в соответствии с формулами: E=U/l и U=4,44 BSf, где Е - напряженность электрического поля, l - длина разряда (м), U - индукционное напряжение, создаваемое магнитным полем, В - индукция (Тесла), S - площадь магнитопровода (м²), f - частота (Гц).One of the most important characteristics of plasmatrons, allowing to expand the scope of their application for working gases, is the electric field strength. In order to achieve a greater increase in the electric field strength, one must either reduce the discharge length (l) or increase the induction voltage (U), for example, by increasing the discharge frequency, in accordance with the formulas: E = U / l and U = 4, 44 BSf, where E is the electric field strength, l is the discharge length (m), U is the induction voltage generated by the magnetic field, B is the induction (Tesla), S is the area of the magnetic circuit (m ² ), f is the frequency (Hz).

В прототипе разрядная камера охватывает магнитопровод, что увеличивает длину разряда. В предлагаемом изобретении за счет новой конструкции, а именно размещения разрядной камеры между концами разомкнутого магнитопровода, достигают уменьшение длины разряда, по меньшей мере, в два раза. В результате предлагаемое решение позволяет на порядок увеличить напряженность электрического поля. Кроме того, уменьшение длины разряда позволяет получить более высокие по сравнению с аналогами температуры в разряде, например для аргона 20000°С. Длина разряда влияет на потери энергии в стенки камеры, и чем меньше длина разряда, тем меньше потери энергии в стенки камеры.In the prototype, the discharge chamber covers the magnetic circuit, which increases the length of the discharge. In the present invention due to the new design, namely the placement of the discharge chamber between the ends of the open magnetic circuit, achieve a reduction in discharge length by at least two times. As a result, the proposed solution allows an order of magnitude increase in the electric field strength. In addition, a decrease in the length of the discharge allows one to obtain higher temperatures in comparison with analogs of the discharge, for example, for argon 20,000 ° С. The length of the discharge affects the energy loss in the chamber walls, and the smaller the discharge length, the smaller the energy loss in the chamber walls.

Не менее важным является уменьшение затрат энергии на получение плазмы и поддержание разряда при атмосферном давлении. Известно, что обычно поджиг плазмы осуществляется путем подвергания газа воздействию достаточного количества микроволнового излучения при давлениях газа значительно ниже атмосферного давления. Однако вакуумное оборудование, которое требуется для снижения давления газа, может быть дорогим, а также медленным и потребляющим много энергии. Более того, использование подобного оборудования может ограничить гибкость производства.No less important is the reduction of energy costs for obtaining plasma and maintaining the discharge at atmospheric pressure. It is known that plasma ignition is usually carried out by exposing the gas to a sufficient amount of microwave radiation at gas pressures well below atmospheric pressure. However, the vacuum equipment that is required to reduce gas pressure can be expensive, as well as slow and consuming a lot of energy. Moreover, the use of such equipment may limit production flexibility.

В предлагаемом решении ввиду малого расстояния (5-10 мм) между стенками разрядной камеры (или концами магнитопровода) осуществление разряда и получение плазмы реализуют путем пробоя при давлении, соответствующем минимуму кривой Пашена. Осуществление разряда и получение плазмы осуществляют при давлении от 10^-1-10^-2 мм рт.ст.вплоть до атмосферного в зависимости от рабочего газа. Между концами разомкнутого магнитопровода возникает электрический разряд, в котором концентрируется большая магнитная энергия и тем самым большая электрическая энергия, которая разогревает газ в камере. При этом отпадает необходимость использовать дополнительные устройства для поджига плазмы, например вспомогательные электроды [Патент РФ №2094961, 1989, 8 Н05В 7/18], дополнительные обмотки [Патент РФ RU2056702, 1990, 8 Н05В 7/18] или вспомогательные электроды и источник ультрафиолетового излучения [Патент US 6150628, 2000, В23К 10/10].In the proposed solution, due to the small distance (5-10 mm) between the walls of the discharge chamber (or the ends of the magnetic circuit), the discharge and plasma are realized by breakdown at a pressure corresponding to the minimum of the Paschen curve. The discharge and plasma is carried out at a pressure of 10 ^-1 -10 ^-2 mm Hg up to atmospheric, depending on the working gas. An electric discharge arises between the ends of the open magnetic circuit, in which a large magnetic energy is concentrated, and thereby a large electric energy, which heats the gas in the chamber. In this case, there is no need to use additional devices for igniting the plasma, for example, auxiliary electrodes [RF Patent No. 2094961, 1989, 8 Н05В 7/18], additional windings [RF Patent RU2056702, 1990, 8 Н05В 7/18] or auxiliary electrodes and an ultraviolet source radiation [Patent US 6150628, 2000, BK 10/10].

Предлагаемая конструкция трансформаторного плазмотрона позволяет существенно улучшить электрические характеристики плазмы, например, как минимум на порядок увеличить напряженность электрического поля, достичь более высоких по сравнению с известными аналогами (трансформаторными плазмотронами) температур в разряде и при этом уменьшить потери энергии в стенки камеры. Устройство позволяет получать в камере разряд, концентрирующий большую магнитную энергию в малом объеме при мощности, на порядок меньшей той мощности, которая требуется в известных трансформаторных плазмотронах. Пробой газа может осуществляться при давлении вплоть до атмосферного.The proposed design of the transformer plasma torch can significantly improve the electrical characteristics of the plasma, for example, by at least an order of magnitude increase in the electric field strength, achieve higher discharge temperatures compared to known analogues (transformer plasmatrons), and at the same time reduce the energy loss in the chamber walls. The device allows to obtain a discharge in the chamber that concentrates large magnetic energy in a small volume at a power that is an order of magnitude lower than the power required in known transformer plasma torches. Gas breakdown can be carried out at pressures up to atmospheric.

На чертеже показан трансформаторный плазмотрон с разомкнутым магнитопроводом.The drawing shows a transformer plasma torch with an open magnetic circuit.

Трансформаторный плазмотрон содержит трансформатор, состоящий из магнитопровода 1 с индивидуальными первичными обмотками 3 и водоохлаждаемой разрядной камерой 2, выполненной из диэлектрического материала. На чертеже показана разрядная камера цилиндрической формы. Камера имеет узел ввода газа 4, оснащенный завихрителем потока 5, узел вывода плазмы 6.The transformer plasmatron contains a transformer consisting of a magnetic circuit 1 with individual primary windings 3 and a water-cooled discharge chamber 2 made of dielectric material. The drawing shows a discharge chamber of a cylindrical shape. The chamber has a gas inlet unit 4, equipped with a flow swirl 5, a plasma outlet unit 6.

Трансформаторный плазмотрон с разомкнутым магнитопроводом работает следующим образом.Transformer plasma torch with an open magnetic circuit operates as follows.

Разряд зажигается в разрядной камере 2 при давлении от 10^-1-10^-2 мм рт.ст. вплоть до атмосферного (зависит от рабочего газа). Затем давление в разрядной камере может подниматься до 1-2 атм. Ввод газа осуществляется через узел 4. Холодный газ, например аргон, нагревается в разряде до 20000°С и вытекает через узел 5 в виде плазменной струи.The discharge is ignited in the discharge chamber 2 at a pressure of from 10 ^-1 -10 ^-2 mm RT.article up to atmospheric (depending on the working gas). Then the pressure in the discharge chamber can rise to 1-2 atm. The gas is introduced through the node 4. Cold gas, such as argon, is heated in the discharge to 20,000 ° C and flows through the node 5 in the form of a plasma jet.

Claims (3)

1. Трансформаторный плазмотрон, содержащий трансформатор, выполненный в виде магнитопровода и первичной обмотки, и замкнутую водоохлаждаемую разрядную камеру из диэлектрического материала с узлом ввода газа, оснащенным завихрителем, и узлом вывода плазмы, расположенными на противоположных участках камеры, отличающийся тем, что магнитопровод разомкнут, а разрядная камера расположена между концами магнитопровода, расстояние между которыми более 5 мм.1. A transformer plasmatron containing a transformer made in the form of a magnetic circuit and a primary winding, and a closed water-cooled discharge chamber of dielectric material with a gas inlet unit equipped with a swirler and a plasma outlet unit located in opposite parts of the chamber, characterized in that the magnetic circuit is open, and the discharge chamber is located between the ends of the magnetic circuit, the distance between which is more than 5 mm. 2. Трансформаторный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что разрядная камера может иметь форму замкнутую тороидальную, кольцеобразную, трубчатую, цилиндрическую.2. The transformer plasma torch according to claim 1, characterized in that the discharge chamber may take the form of a closed toroidal, annular, tubular, cylindrical. 3. Способ осуществления электрического разряда и получения плазмы в нем, включающий пропускание газа через разрядную камеру, расположенную между концами магнитопровода, и воздействие создаваемым электрическим полем на газ в камере, отличающийся тем, что осуществление электрического разряда и получение плазмы в нем реализуют путем электрического пробоя между концами магнитопровода при давлении от 10^-1-10^-2 мм рт.ст. до атмосферного, причем длина разряда уменьшается вдвое. 3. A method for carrying out an electric discharge and obtaining plasma in it, including passing gas through a discharge chamber located between the ends of the magnetic circuit, and applying an electric field to the gas in the chamber, characterized in that the electric discharge and plasma are realized in it by electrical breakdown between the ends of the magnetic circuit at a pressure of 10 ^-1 -10 ^-2 mm RT.article to atmospheric, and the discharge length is halved.