УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ С РАЗОМКНУТЫМ МАГНИТОПРОВОДОМ И СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РАЗРЯДА И ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ В НЕМ
DEVICE FOR PRODUCTION OF PLASMA WITH OPEN MAGNETIC CONDUCTOR AND METHOD FOR ELECTRIC CHARGE REALISATION AND PRODUCTION OF PLASMA IN IT

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
2
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 (м), f - частота (Гц).
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.
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.
-1
-2
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 10-10 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].
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.
На чертеже показан трансформаторный плазмотрон с разомкнутым магнитопроводом.
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.
Трансформаторный плазмотрон с разомкнутым магнитопроводом работает следующим образом.
-1
-2
Разряд зажигается в разрядной камере 2 при давлении от 10-10 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.