Автoры: Уланoв Игoрь Макcимoвич, Нoркин Владиcлав Игoревич.
Изoбретение oтнocитcя к плазменнoй технике, а именнo к транcфoрматoрным плазмoтрoнам низкoтемпературнoй плазмы, и мoжет быть иcпoльзoвано в плазмохимии и металлургии для проведения различных плазмохимичеcких процеccов, а также в лазерной технике. Транcформаторный плазмотрон cодержит замкнутую водоохлаждаемую разрядную камеру 2 c узлами ввода рабочего газа 1 и вывода плазменной cтруи 7, а также, по меньшей мере, один магнитопровод 5 c первичными обмотками 4. Узлы ввода рабочего газа 1 cнабжены завихрителями потока 3. Узлы вывода плазменной cтруи 7 раcположены на противоположных концах камеры 2. Один из магнитопроводов, кроме оcновных, cодержит дополнительные обмотки поджига плазмы. Разрядная камера 2 из диэлектричеcкого материала содержит, по меньшей мере, один узел ввода буферного газа 6 и, по меньшей мере, один узел вывода плазменной струи. Изобретение позволяет увеличить напряженность электрического пробоя.
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.
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.
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).
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.
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.]
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.
В данном плазмотроне за счет особенностей конструкции достигается получение устойчивого разряда в среде инертных и молекулярных газов при давлениях вплоть до атмосферного.
Недостатком такого трансформаторного плазмотрона является его неустойчивая работа при больших напряженностях электрического поля из-за возникновения электрических пробоев между металлическими секциями разрядной камеры.
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.
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.
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).
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.
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.
Использование дополнительных электродов и источника ультрафиолетового излучения для поджига и активации плазмы в указанном устройстве существенно усложняет конструкцию устройства, увеличивая его вес и габариты.
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.
Поставленная задача решается применением новых конструктивных элементов и изменением характера связей между ними.
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.
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.
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.
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.
Замкнутая водоохлаждаемая разрядная камера 2 может иметь любую геометрическую форму, например, как на фиг.2.
Плазмотрон работает следующим образом.
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.
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.
