Устройство для возбуждения разряда в ВЧИ-плазмотроне

Полезная модель относится к области плазменной техники и касается конструкции устройства для возбуждения высокочастотного плазменного разряда в индукционных плазмотронах различного давления плазмообразующих газов.
3
Высокочастотный индукционный (ВЧИ) плазмотрон - это устройство, позволяющее получать и стационарно удерживать плазму с температурой (7...10)⋅10 К. Принцип действия ВЧИ-плазмотрона основан на высокочастотном безэлектродном разряде в газоразрядной камере переменным электромагнитным полем индуктора. Разряд представляет собой безэлектродный кольцевой ток в ионизированном газе, где плазма не загрязнена посторонними примесями, т.к. не имеет постоянного контакта с электродами в зоне разряда.
Известен плазмотрон для плавильной печи (патент RU2524173, Н05Н 1/34; Н05В 7/20, опубл. 27.07.2014). Плавильный плазмотрон включает водоохлаждаемый корпус, каналы для подачи плазмообразующего газа, расположенные параллельно оси плазмотрона и соединенные с вертикально расположенным водоохлаждаемым соплом, электрическую изоляцию, электрическую сеть, вольфрамовый электрод-катод, электрододержатель. Плазмотрон дополнительно снабжен вторым каналом для подачи плазмообразующего газа с соплом, причем сопла установлены симметрично относительно вертикальной оси плазмотрона и под углом 30-35° к вертикальной оси электрододержателя.
Известен комбинированный плазмотрон (патент RU2440701, Н05Н 1/00, опубл. 20.01.2012, Бюл. №2). Данный плазмотрон содержит металлическую водоохлаждаемую камеру с продольными разрезами, которая изготовлена из металлической трубы с толщиной стенки 7-20 мм, в которой выполнены продольные каналы водоохлаждения, с внешней стороны герметично закрытые металлическими накладками. На камеру надета кварцевая труба, выполняющая роль кожуха, установленная на съемные фланцы с возможностью съема. Индуктор охватывает камеру и кварцевую трубу, причем витки индуктора покрыты электроизоляционным материалом. Снизу к камере через газоформирователь, который установлен на входе камеры, подсоединен дуговой плазмотрон.
В этих плазмотронах для зажигания кольцевого индукционного разряда, используется устройство дугового типа. В таких устройствах с раздельной генерацией плазмы необходимо предусматривать защиту от замыканий источника питания через плазму, что приводит к усложнению конструкции плазмотрона.
Известен также высокочастотный плазмотрон, описанный в патенте RU2477026, Н05В 7/00, опубл. 27.02.2013 (нагрев электрическими разрядами). В конструкции высокочастотного плазмотрона, состоящей из индуктора и разрядной камеры, охлаждаемой изнутри трубками с водой, которые вынесены за зону кольцевого разряда и образуют продольные щели, индуктор с пылезащитными вводами расположен внутри разрядной камеры соосно и его наружный диаметр в два раза меньше внутреннего диаметра камеры по трубкам, а на входе разрядной камеры соосно расположена электродуговая горелка с промежутком до индуктора менее длины плазменной струи горелки и в который (промежуток) производится ввод разогреваемого газа.
Этот плазмотрон имеет существенный недостаток при обработке чистых материалов. Из-за испарения продуктов сгорания в дуговой камере загрязняется камера индукционного нагрева, что отрицательно сказывается, например, при обработке порошковых материалов. Кроме того, в камеру индукционного нагрева вносятся продукты эрозии при дуговых процессах.
В качестве прототипа выбрано устройство для возбуждения индукционного разряда в ВЧИ-плазмотроне, описанное в патенте RU2113073C1, Н05Н 1/46. Устройство содержит два соосно размещенных электрода и изолятор, снабжено индуктивным витком, укрепленным в изоляторе, при этом концы витка соединены с электродами, расположенными вдоль его продольной оси симметрии, а виток выполнен из материала, обеспечивающего возможность упругой деформации витка. Кроме того, устройство содержит кольцевой сердечник из магнитомягкого материала, размещенный внутри индуктивного витка для увеличения индуктивной связи витка с высокочастотным электромагнитным полем плазмотрона.
Для обеспечения разряда при замыкании и размыкании контактов создана сложная конструкция, включающая индуктивный виток из вольфрамовой проволоки, к концам которого присоединены электроды с контактами. Чтобы обойтись одним витком используют кольцевой сердечник из магнитомягкого материала, размещенный внутри индуктивного витка для увеличения индуктивной связи витка с высокочастотным электромагнитным полем плазмотрона. Как видно из чертежа, устройство совершает возвратно-поступательные перемещения со скольжением внутри разрядной камеры из кварцевой трубы, для возникновения колебаний электродов, обусловленных упругостью витка. В результате этих колебаний должны замыкаться и размыкаться контакты на электродах.
Недостатком устройства является сложность конструкции и высокая трудоемкость изготовления. Кроме того, при осуществлении такого процесса вручную трудно обеспечить надежное замыкание и размыкание контактов. Необходимость действий, перечисленных выше, создает дополнительные трудности при эксплуатации устройства, которое пригодно только для разрядной камеры из кварцевой трубы. Перечисленное выше, не позволяет применить данное устройство в щелевом плазмотроне с разрядной камерой из металлических разрезных водоохлаждаемых стенок.
Таким образом, технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является упрощение конструкции и повышение надежности его работы, а также обеспечение возможности работы предлагаемого устройства, в том числе, в разрядной камере с металлическими разрезными водоохлаждаемыми стенками.
Решение указанной технической проблемы достигается за счет того, что устройство для возбуждения разряда в ВЧИ-плазмотроне содержит каркас трансформатора, состоящий из кольца и фланца, соединенных стержнями, при этом все детали каркаса изготовлены из диэлектрического материала, внутри каркаса расположена обмотка из проводящего материала для образования «воздушного трансформатора» и гибкий проводник, соединяющий обмотку с подвижным контактирующим электродом, к каркасу через фланец коническим раструбом присоединена труба из диэлектрического материала, другой конец этой трубы через фиксирующее кольцо и направляющую втулку соединен с торцевым стаканом, внутри этой трубы и стакана расположен центральный стержень из диэлектрического материала, проходящий через фланец и соединенный одним концом с контактирующим электродом через муфту, другим концом - с ограничительной шайбой, между ограничительной шайбой и фиксирующим кольцом закреплен пружинный механизм подачи контактирующего стержня, пружинный механизм возврата контактирующего стержня расположен внутри стакана, при этом пружинный механизм состоит из пружины, ограниченной с двух сторон фиксирующей разрезной шайбой и упорной шайбой. Каркас трансформатора, центральный стержень и труба могут быть изготовлены из стекловолокна, фторопласта или полипропилена.
В конструкции устройства соосно с индуктором размещают вторичную обмотку воздушного трансформатора в изолирующем каркасе с окнами, устройство кратковременного замыкания вторичной обмотки воздушного трансформатора с подвижным контактом, приводимым в движение пружинным механизмом. Для увеличения индуктивной связи витка с высокочастотным электромагнитным полем плазмотрона достаточно использовать обмотку из нескольких витков, количество которых можно рассчитать.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в снижении вероятности коротких замыканий неизолированных элементов плазмотрона и зажигающих устройств, например, дугового типа, и обеспечивает возможность работы устройства, в том числе, в разрядной камере с металлическими разрезными стенками.
На прилагаемых к описанию чертежах дано:
Конструкция устройства для возбуждения разряда в ВЧИ-плазмотроне (фиг. 1).
Воздушный трансформатор, образующийся при внесении устройства, в разрядную камеру плазмотрона и магнитные потоки в нем (фиг. 2).
Конструкция устройства для возбуждения разряда в ВЧИ-плазмотроне представлена на Фиг. 1.
Устройство включает в себя следующие элементы: - каркас трансформатора 1, состоящий из кольца 2 и фланца 3 из диэлектрического материала, например стекловолокна, соединенных стержнями из стеклотекстолита 4, внутри каркаса расположена обмотка из проводящего материала 5, для образования  «воздушного трансформатора» и гибкий проводник 6, соединяющий обмотку 5 с контактирующим электродом 7, к каркасу 1 через фланец 3 коническим раструбом присоединена стекловолоконная труба 8,  другой конец этой трубы через фиксирующее кольцо 10 и направляющую втулку 11 соединен с торцевым стаканом 12, внутри этой трубы и стакана 12 расположен центральный стержень 13 из диэлектрического материала, например стеклотекстолита, проходящий через фланец 3, и соединенный одним концом с контактирующим электродом 7 через муфту 9, другим концом - с ограничительной шайбой 17, между ограничительной шайбой 17 и фиксирующим кольцом 10 закреплен пружинный механизм подачи контактирующего стержня 18, пружинный механизм возврата контактирующего стержня расположен внутри стакана 12. Он состоит из фиксирующей разрезной шайбы 14, пружины 15 и упорной шайбы 16. Пружинные механизмы подачи и возврата контактирующего стержня обеспечивают замыкание и размыкание контактирующего электрода 7 для получения электрической дуги 19.
Воздушный трансформатор, образующийся при внесении устройства, в разрядную камеру плазмотрона и магнитные потоки, возникающие при этом, представлены на Фиг. 2.
Здесь приняты следующие обозначения: индуктор плазмотрона, содержащий первичную обмотку 20; секции охлаждения разрядной камеры плазмотрона 21 располагаются между обмотками индуктора 20 и устройства для возбуждения разряда 1, кварцевая труба 22. Устройство работает следующим образом.
При подаче напряжения высокой частоты на индуктор плазмотрона 20 формируется высокочастотный кольцевой ток. Однако для получения начальной стадии разряда необходимо в газовой струе, протекающей через индуктор, сформировать проводящую электронно-ионную среду, развивающуюся в кольцевой разряд, т.е. «зажечь» ВЧИ-плазмотрон.
Задачу формирования среды, проводящей электрический ток, выполняет устройство возбуждения разряда, на короткое время (несколько секунд) вводимое в область индуктора, и образующее с ним воздушный трансформатор.
В воздушном трансформаторе возникает потокосцепление взаимной индукции, т.е. потокосцепление, связанное с протеканием тока в индукторе плазмотрона, с индуктивностью устройства возбуждения.
w
w
1
2
Вторичная обмотка воздушного трансформатора 5 устройства возбуждения помещена в изолирующий каркас 1 с окнами и щелями для пропуска плазмообразующего газа. Изолирующий каркас 1 необходим для устранения коротких замыканий водоохлаждающих секций 19 разрядной камеры плазмотрона с обмоткой устройства возбуждения. Т.к. обмотки индуктора 20 и возбуждающего устройства 5 расположены на расстоянии близком друг от друга (10...20 мм) и содержат  и  витков, то магнитное поле тока индуктора распространяется на область обмотки устройства возбуждения (фиг. 2).
e
M
2
Изменение магнитного потокосцепления взаимной индукции приводит к возбуждению в индуктивно связанных обмотках воздушного трансформатора ЭДС  взаимной индуктивности
(1)
w
M –
где Ψ = Ф - потокосцепление; взаимная индуктивностьобмоток;
w -
i
t –
число витков; Ф – магнитный поток;  – ток; время.
M
Значение взаимной индуктивности  в основном зависит от числа витков индуктора и устройства возбуждения, их формы и взаимного расположения.
21
M
Степень индуктивной связи индуктора 20 и обмотки устройства возбуждения 5 может изменяться в процессе зажигания плазмы, т.к. при замыкании обмотки устройства возбуждения в ней протекает ток, оказывающий влияние на магнитный поток Ф взаимной индукции .
k
Коэффициент индуктивной связи  катушек индуктора и возбуждающего устройства
(2)
L
L
1
2
12
21
где  и  – индуктивности катушек индуктора и возбуждающего устройства; Фи Ф - магнитные потоки взаимоиндукции индуктора с возбуждающим устройством и возбуждающего устройства с индуктором;
1
2
Ф и Ф - магнитные потоки самоиндукции индуктора и возбуждающего устройства.
Для возбуждения кольцевого разряда в плазме необходимо кратковременно внести в разрядную камеру щелевого плазмотрона обмотку возбуждающего устройства 5, расположенную в каркасе 1 и сжать пружинный механизм подачи контактирующего стержня 18. При замыкании подвижного контакта 7 в обмотке 5 индуцируется ЭДС и появится ток короткого замыкания. При отпускании пружинного механизма 18 происходит размыкание контакта обмотки 5 и подвижного контакта 7, что вызывает электрический дуговой или искровой разряд, вследствие высокого напряжения на вторичной обмотке воздушного трансформатора 5. Для ограничения тока короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора ее выполняют из высокоомного материала (например, нихрома). Напряжение на вторичной обмотке может достигать 5...10 кВ, что позволяет организовать дуговой или искровой разряд, который перерастает в кольцевой индукционный.