Высокочастотный индукционный плазмотрон

 

Изобретение относится к электротехнике и направлено на увеличение срока службы ВЧИ-плазмотронов и повышение их теплового КПД. Поставленная задача решается тем, что ВЧИ-плазмотрон содержит цилиндрическую разрядную камеру, выполненную в виде водоохлаждаемых продольных профилированных металлических секций, размещенных в защитном диэлектрическом кожухе, охватывающий кожух индуктор, установленные внутри разрядной камеры в ее торцевой части узлы ввода основного и термозащитного газов. Узел ввода термозащитного газа выполнен в виде одного или более коаксиальных кольцевых рядов продольных металлических трубок с количеством в каждом ряду, равным количеству продольных профилированных металлических секций. Трубки со стороны индуктора имеют профилированный зазор для выхода газа, а также продольный зазор относительно соседних трубок в ряду до расстояния не менее одного внутреннего диаметра разрядной камеры, считая от ближайшего витка индуктора. Трубки соединены по боковой поверхности пайкой или сваркой с радиально расположенными продольными металлическими трубками соседнего коаксиального кольцевого ряда, причем продольные металлические трубки ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, соединены по боковой поверхности со смежной секцией пайкой или сваркой. Узел ввода основного газа со стороны индуктора снабжен диафрагмой, расположенной на расстоянии не менее одного внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора и имеющей, по крайней мере, одно отверстие для прохода газа. Торцы продольных металлических трубок для выхода газа в каждом ряду расположены вне зоны индуктора и равноудалены от его ближайшего витка, а расстояние торцов продольных металлических трубок для выхода газа от ближайшего витка индуктора увеличивается с удалением коаксиального кольцевого ряда от продольных профилированных металлических секций. Продольные металлические трубки расположены на поверхности соседних, радиально расположенных продольных металлических трубок, причем продольные металлические трубки коаксиального кольцевого ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, расположены на поверхности смежных секций. Диафрагма со стороны индуктора образует кольцевой зазор для прохода газа с продольными металлическими трубками ближайшего коаксиального кольцевого ряда, а высота кольцевого зазора для прохода газа выполнена меньше высоты профилированного зазора для выхода газа продольных металлических трубок ближайшего коаксиального кольцевого ряда. Использование предлагаемой конструкции ВЧИ-плазмотрона в качестве генератора низкотемпературной плазмы в струйно-плазменных процессах обработки дисперсных материалов позволило создать эффективные плазменные реакторные устройства для вскрытия тонкоизмельченного рудного сырья, сфероидизации дисперсных материалов и получения высокодисперсных порошков оксидов за счет генерирования незакрученных плазменных струй при тепловом КПД ВЧИ-плазмотронов более 80%. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к высокочастотным генераторам низкотемпературной плазмы, и может быть использовано в качестве источника высокоэнтальпийных плазменных струй при термической обработке дисперсных материалов в машиностроении, металлургии и плазмохимии.

Известны высокочастотные индукционные плазмотроны (ВЧИ-плазмотроны), различающиеся по типу разрядной камеры и по способу ввода в разрядную камеру плазмообразующей среды (газа) /1, с 21-30/.

По первому признаку наибольшее промышленное применение находят ВЧИ-плазмотроны с водоохлаждаемыми металлическими разрезными разрядными камерами /2,3/, изготавливаемые из меди или ее сплавов, позволяющие значительно расширить величину допустимой тепловой нагрузки на стенки разрядной камеры.

По способу ввода плазмообразующей среды в разрядную камеру различают ВЧИ-плазмотроны с аксиальной, коаксиальной, тангенциальной (вихревой) и поперечной подачей плазмообразующего газа. При использовании аксиальной подачи газа тепловой КПД (коэффициент полезного действия) ВЧИ-плазмотрона с водоохлаждаемой металлической разрезной разрядной камерой не превышает 70%. Тангенциальный ввод газа ограниченно применим в технологических процессах. Например, при обработке дисперсных материалов возникают трудности с вводом исходного сырья в плазменный поток, и, кроме того, происходит выброс обрабатываемого материала в периферийные "холодные" области разряда или на стенки реакционного устройства. Поперечный ввод плазмообразующего газа в водоохлаждаемую металлическую разрезную разрядную камеру (в зазоры между секциями) /4/ из-за неоднородности распределения массового расхода газа по сечению разрядной камеры и усложнения конструкции плазмотрона применения пока не нашел.

Использование коаксиального ввода плазмообразующего газа в разрядную камеру ВЧИ-плазмотрона /5/ позволяет значительно снизить тепловые нагрузки на стенки разрядной камеры, повысить тепловой КПД и стабильность горения ВЧИ-разряда. Одновременно повышается эффективность плазменной обработки дисперсных материалов за счет формирования незакрученного плазменного потока.

Для организации коаксиального ввода газа в ВЧИ–плазмотроне /см.: 1, с.22, рис. 1.10; 5/, состоящего, как правило, из экранирующего корпуса с расположенной в нем охваченной индуктором разрядной камерой, на входном торце которой установлен кольцевой газовый коллектор с отверстиями для ввода в разрядную камеру плазмообразующего газа, внутри разрядной камеры соосно устанавливают кварцевую разделительную трубку, закрепленную дальним от индуктора концом в газораспределителе. При этом происходит деление продуваемого газа на две части - термозащитный (пристеночный) и основной (плазмообразующий). За счет кольцевого зазора между стенкой (поверхностью водоохлаждаемых металлических секций) разрядной камеры и внешней поверхностью разделительной трубки вдоль поверхности разрядной камеры создается пристеночная газовая завеса. Отношение расходов термозащитного и основного потоков газа составляет от 1:1 до 4:1.

Использование в качестве материала разделительной трубки кварцевого стекла, равно как и другого тугоплавкого материала, имеет ряд недостатков, которые ограничивают возможность промышленного использования таких конструкций ВЧИ-плазмотронов. Во-первых, это низкая механическая прочность кварцевого стекла. Во-вторых, для увеличения теплового КПД ВЧИ-плазмотрона свободный конец кварцевой разделительной трубки должен быть расположен по возможности ближе к ближайшему витку индуктора, что создает вероятность его оплавления от термического воздействия циркулирующих в разрядной камере потоков плазмы. Увеличение расстояния между концом кварцевой разделительной трубки и ближайшим торцом индуктора неизбежно приводит к ухудшению газовой термозащиты стенок разрядной камеры плазмотрона и стабильности горения ВЧИ-разряда. Так, в /5/ нижний конец трубки газоформирователя предлагается располагать на расстоянии не менее 1,4-1,6 внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора. В-третьих, вызывает также проблему центровка разделительной кварцевой трубки относительно стенок разрядной камеры в части обеспечения равномерности зазора для прохода газа по периметру разрядной камеры.

Увеличить механическую прочность и термическую стойкость узла ввода термозащитного газа ВЧИ-плазмотрона можно, выполнив его из металла. В частности, для получения высокоэнтальпийных потоков газа известен высокочастотный индукционный плазмотрон /см.: 1, с 53-54, рис. 1.28, прототип/, содержащий цилиндрическую разрядную камеру, выполненную в виде продольных водоохлаждаемых профилированных металлических секций, размещенных в защитном диэлектрическом кожухе, охватывающий кожух индуктор и установленные внутри камеры в ее торцевой части узлы ввода основного и термозащитного газов, где узел ввода термозащитного газа выполнен в виде водоохлаждаемого металлического цилиндра.

Хотя термическая стойкость газоформирователя в этом случае повышается, но нагрев металлического цилиндра электромагнитным полем индуктора не позволяет расположить его на расстоянии ближе 1,0-1,2 внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего торца индуктора, что определяет невысокий тепловой КПД ВЧИ–плазмотрона.

К особенностям прототипа (как и любой другой конструкции плазмотрона) следует отнести его устойчивую работу только при существовании в разрядной камере режима прямой циркуляции газа. Причиной циркуляции является тепловая конвекция и магнитное давление в плазмоиде ВЧИ-разряда. В результате в приосевой зоне разрядной камеры возникают потоки плазмы, направленные навстречу потоку основного газа и вызывающие нагрев узлов ввода термозащитного и основного газа, в том числе торцевой поверхности узла ввода основного газа, на котором расположено устройство поджига ВЧИ-разряда. Попытка подавить или ограничить прямую циркуляцию плазмы увеличением расхода основного газа приводит к вытеснению плазмоида из зоны индуктора и срыву разряда. Дополнительный нагрев упомянутых выше узлов плазмотрона вызывает излучение ВЧИ-разряда, в некоторых случаях достигающее 5-10% его мощности.

Тепловая нагрузка на узлы ввода основного и термозащитного газов не только снижает тепловой КПД плазмотрона, но и может служить причиной термического разрушения конструкционных элементов этих узлов.

К другим недостаткам прототипа следует отнести снижение теплового КПД плазмотрона и надежности стабилизации ВЧИ-разряда в разрядной камере с переходом на повышенные мощности разрядов (несколько сот киловатт) и увеличением одновременно с этим диаметра и длины разрядной камеры ВЧИ-плазмотронов. Причиной этого является следующее. Для эффективной передачи электромагнитной энергии от индуктора к ВЧИ-разряду высота пристеночного слоя термозащитного газа должна быть минимальной, в связи с чем возрастает электрическая связь индуктора с разрядом. С другой стороны, уменьшение высоты пристеночного термозащитного слоя газа уменьшает протяженность создаваемой им эффективной газовой завесы. Известно, что газовая завеса при щелевом вдуве наиболее эффективна на участках протяженностью 20-30 кратных размеров высоты щели. При оптимальной высоте зазора для вдува термозащитного газа, равной (2-5)·10^-3 м в зависимости от внутреннего диаметра разрядной камеры, протяженность газовой завесы составляет 0,04-0,15 м, которой недостаточно для газовой завесы поверхности секций разрядной камеры не только по всей их длине за щелевым вдувом 0,35-0,45 м, но и в особо теплонапряженной зоне индуктора - 0,20-0,25 м.

Увеличение высоты пристеночного термозащитного слоя газа, приводящее к увеличению протяженности эффективной газовой завесы, сопровождается уменьшением эквивалентного диаметра ВЧИ-разряда в разрядной камере, что в свою очередь снижает коэффициент связи между индуктором и разрядом и уменьшает КПД системы индуктор-плазма, ограничивая мощность, которую удается передать в разряд.

К недостаткам прототипа следует отнести также эрозию металлических секций разрядной камеры в зоне индуктора из-за возникающих в основном в момент пуска плазмотрона электрических разрядов в зазоре между внутренней поверхностью диэлектрического кожуха и продольными металлическими трубками, снижающую долговечность ВЧИ-плазмотрона. Зазор создают ввиду недопустимости непосредственного контакта металлических секций с диэлектрическим кожухом, в качестве материала которого используют керамику или кварц. При контакте из-за термического расширения металлических секций от нагрева потоками плазмы кожух разрушается.

Задачей настоящего изобретения является увеличение срока службы плазмотрона и повышение его теплового КПД.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном высокочастотном индукционном плазмотроне, содержащем цилиндрическую разрядную камеру, выполненную в виде водоохлаждаемых продольных профилированных металлических секций, размещенных в защитном диэлектрическом кожухе, охватывающий кожух индуктор, установленные внутри разрядной камере в ее торцевой части узлы ввода основного и термозащитного газов, узел ввода термозащитного газа выполнен в виде одного или более коаксиальных кольцевых рядов продольных металлических трубок с количеством в каждом ряду, равным количеству продольных профилированных металлических секций, причем трубки со стороны индуктора имеют профилированный зазор для выхода газа, а также продольный зазор относительно соседних трубок в ряду до расстояния не менее одного внутреннего диаметра разрядной камеры, считая от ближайшего витка индуктора, кроме того, трубки соединены по боковой поверхности пайкой или сваркой с радиально расположенными продольными металлическими трубками соседнего коаксиального кольцевого ряда, причем продольные металлические трубки ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, соединены по боковой поверхности со смежной секцией пайкой или сваркой, а узел ввода основного газа со стороны индуктора снабжен диафрагмой, расположенной на расстоянии не менее одного внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора и имеющей, по крайней мере, одно отверстие для прохода газа.

Кроме того, торцы продольных металлических трубок для выхода газа в каждом ряду расположены вне зоны индуктора и равноудалены от его ближайшего витка; расстояние торцов продольных металлических трубок для выхода газа от ближайшего витка индуктора увеличивается с удалением коаксиального кольцевого ряда от продольных профилированных металлических секций.

Кроме того, высота профилированного зазора продольных металлических трубок в коаксиальном кольцевом ряду выполнена одинаковой; высота профилированного зазора трубок выполнена уменьшающейся с удалением коаксиального кольцевого ряда от продольных профилированных металлических секций; высота профилированного зазора выполнена больше толщины стенки продольных металлических трубок в их выходном сечении.

Кроме того, продольные металлические трубки расположены на поверхности соседних радиально расположенных продольных металлических трубок, причем продольные металлические трубки коаксиального кольцевого ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, расположены на поверхности смежных секций.

Кроме того, торцы продольных металлических трубок коаксиального кольцевого ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, расположены на расстоянии 0,1-0,4 внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора, а торцы продольных металлических трубок второго от продольных профилированных металлических секций коаксиального кольцевого ряда расположены на расстоянии 0,5-0,8 внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора.

Кроме того, диаметр отверстия диафрагмы выбран равным 0,15-0,30 внутреннего диаметра разрядной камеры, а само отверстие расположено по оси разрядной камеры; диафрагма со стороны индуктора образует кольцевой зазор для прохода газа с продольными металлическими трубками ближайшего коаксиального кольцевого ряда; высота кольцевого зазора для прохода газа выполнена меньше высоты профилированного зазора для выхода газа продольных металлических трубок ближайшего коаксиального кольцевого ряда; диафрагма в сторону индуктора выполнена с профилем диффузора.

Кроме того, узел ввода основного газа снабжен диэлектрической втулкой с центральным отверстием, установленной перед диафрагмой по ходу газа на оси разрядной камеры и имеющей внешний и внутренний диаметры, соответственно, больше и меньше диаметра центрального отверстия диафрагмы.

Кроме того, продольные профилированные металлические секции размещены относительно стенок защитного диэлектрического кожуха с зазором, причем высота зазора не превышает 0,5×10^-3 м.

Достижение поставленной цели обеспечивается, прежде всего, тем, что при продуве термозащитный газ вводится через продольные металлические трубки в разрядную камеру ВЧИ-плазмотрона в виде сформированных равномерных коаксиальных кольцевых потоков. Из-за наличия между трубками в ряду продольных зазоров до расстояния не менее внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора и расположения трубок вне зоны индуктора они не образуют по периметру разрядной камеры замкнутого электрического контура для высокочастотного тока индуктора, что исключает их индукционный нагрев и влияние на передачу высокочастотной энергии от индуктора в разряд. Разное удаление коаксиальных кольцевых рядов трубок от ближайшего витка индуктора обеспечивает взаимную газовую термозащиту поверхности стенок трубок, обращенную внутрь разрядной камеры, от нагрева потоками плазмы. А разная высота профилированного зазора для выхода газа продольных металлических трубок позволяет создать внутри разрядной камеры пристеночное течение газа без увеличения общей высоты его слоя в зоне индуктора. При такой организации потоков газа и плазмы происходят турбулентное смешение и нагрев пристеночного слоя газа с циркулирующими в объеме разрядной камеры потоками плазмы с соответствующим увеличением электропроводности газа, которые не приводят к уменьшению эквивалентного диаметра высокочастотного разряда и эквивалентного электрического сопротивления нагрузки для ВЧ-генератора, являющегося источником электропитания плазмотрона. По этой причине проблем с передачей мощности в ВЧИ-разряд не происходит. В результате дополнительной газовой завесы ближайший к металлическим секциям ряд продольных металлических трубок удается расположить на расстоянии 0,1-0,4 внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора без опасения их термического разрушения. Второй ряд - на расстоянии 0,5-0,8 внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора. Дополнительное охлаждение продольных металлических трубок обеспечивают сваркой или пайкой трубок по боковой поверхности со смежными трубками и с водоохлаждаемыми секциями разрядной камеры и их расположением на поверхности друг друга, что наиболее просто выполняется при равенстве количества трубок в рядах количеству секций.

При высоте профилированного зазора для выхода газа трубок больше толщины их стенок в выходном сечении обеспечивается наибольшая протяженность газовой завесы прилегающей поверхности.

Установка диафрагмы ограничивает зону прямой циркуляции потоков плазмы внутри разрядной камеры плазмотрона без увеличения расхода основного газа, что позволяет уменьшить линейные размеры плазмотрона. Одновременно диафрагма исполняет роль радиационного экрана, защищающего торцовую поверхность узла ввода основного газа от воздействия излучения ВЧИ-разряда. Диаметр отверстия диафрагмы выбирают, с одной стороны, из требования обеспечить максимальную защиту торцевой поверхности узла ввода основного газа от нагрева излучением, для чего он должен быть минимальным. Предельное минимальное значение диаметра определяется величиной, при которой газодинамический напор основного газа, вдуваемого в разрядную камеру через это отверстие, равен или несколько больше газодинамического напора циркулирующего в разрядной камере газа. В этом случае основной газ создает газовую завесу поверхности диафрагмы от воздействия встречного потока плазмы. Другое требование - исключить электрический пробой газового промежутка между стенкой отверстия диафрагмы и высоковольтным поджигающим электродом, вводимым в зону индуктора разрядной камеры через отверстие в диафрагме для получения вспомогательного разряда при запуске плазмотрона. Экспериментально установлено, что величина диаметра отверстия диафрагмы должна находиться в интервале от 0,15 до 0,30 величины внутреннего диаметра индуктора.

Установка диэлектрической втулки у диафрагмы в узле ввода основного газа позволяет дополнительно уменьшить радиационный поток к его торцевой поверхности.

Охлаждение диафрагмы обеспечивается за счет выполнения ее из металла и отвода тепла по материалу (металлу) узла ввода основного газа к водоохлаждаемым секциям разрядной камере. При расположении диафрагмы от ближайшего витка индуктора на расстоянии не менее половины его внутреннего диаметра, что соответствует, примерно, внутреннему диаметру разрядной камеры, исключается нагрев диафрагмы вихревыми токами индуктора.

Наличие кольцевого зазора для прохода газа между диафрагмой и ближайшим рядом трубок и его высота обеспечивают газовую термозащиту поверхности стенок трубок этого ряда без влияния на устойчивость существования разряда в разрядной камерой. Этой же цели служит выполнение формы диафрагмы со стороны индуктора в виде диффузора.

При величине зазора между продольными профилированными металлическими секциями и стенкой защитного диэлектрического кожуха не более 0,5×10^-3м возникновения высокочастотных электрических разрядов в этом зазоре не происходит.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и фиг.3 изображен общий вид двух вариантов ВЧИ-плазмотрона в продольном разрезе; на фиг.2, 4 и 5 - сегменты поперечного сечения разрядной камеры плазмотрона в плоскости установки диафрагмы и дополнительных продольных металлических трубок (на фиг.1 и 3 пунктиром показаны предполагаемые контуры ВЧИ-разряда, стрелками - направление движения потоков газа и плазмы в различных зонах разрядной камеры).

ВЧИ-плазмотрон содержит разрядную камеру 1 внутренним диаметром D_к из продольных водоохлаждаемых профилированных металлических секций 2, установленных с зазором δс (см. фиг.4) в диэлектрическом кожухе 3, и индуктор 4. Внутри разрядной камеры в ее торцевой части установлены узлы 5 и 6 с патрубками 7 и 8 ввода основного и термозащитного газов, соответственно. Узел 6 ввода термозащитного газа выполнен в виде двух рядов основных 9 и дополнительных 10 продольных металлических (медных) трубок. Боковые поверхности металлических трубок соединены между собой и с секциями разрядной камеры пайкой или сваркой 11. Металлические трубки могут быть расположены как на поверхности смежных трубок или секций (см. фиг.2 и 4), так и установлены относительно их с зазором δ_с1 и δ_с2 (см. фиг.5), через который в разрядную камеру вдувается газ, создавая дополнительную газовую завесу прилегающей поверхности.

Узел 5 снабжен диафрагмой 12 из меди или ее сплавов с отверстием D_д (см. фиг.1), образующей по одному из вариантов (см. фиг.1 и 2) кольцевой зазор 13 высотой Н_д. На диафрагме установлена диэлектрическая (из стекла или керамики) втулка 14 (см. фиг.3) с диаметром отверстия D_вт <D.

На противоположном от индуктора 4 торце узла 5 ввода основного газа установлено устройство поджига 15 ВЧИ-разряда с электродом 16. Устройство поджига расположено на диэлектрической крышке 17, которая герметизирует торцовую часть разрядной камеры и одновременно служит изолятором при подаче на поджигающий электрод высоковольтного напряжения, поскольку остальные конструктивные части разрядной камеры обычно заземлены.

Торцы основных и дополнительных металлических трубок, а также диафрагма удалены от ближайшего витка индуктора, соответственно, на расстояние (см. фиг.1 и 3) L_oc=(0,1-0,3)D_к; L_доп=(0,4-0,8)D_к и L_д ≥ D_к. Высоты профилированных зазоров для выхода газа металлических трубок, толщина их стенок со стороны индуктора и зазор, образованный диафрагмой, связаны соотношением (см. фиг.2 и 4) Н_o>Н_д; Н_д<Н<Н; Н_д>δ_д; Н_доп>δ_доп.

Плазмотрон работает следующим образом.

Через патрубки 7 и 8 узлов 5 и 6 ввода, соответственно, основного и термозащитного газов через разрядную камеру 1 продувают газ. Отношение расходов термозащитного и основного газа - от 1:1 до 1:4. Основной газ поступает в полость между крышкой 17 и диафрагмой 12. Здесь происходит выравнивание полей давления и скорости газа, и на входе в разрядную камеру в сечении отверстия D_д основной газ имеет профиль скорости, близкий к равномерному. Термозащитный газ в полости узла 6 разделяется на две и более части в соответствии с площадью проходных сечений трубок 9, 10 и кольцевого зазора 12 (конструктивное исполнение деления термозащитного газа может быть выполнено и по-иному) и на входе в разрядную камеру 1 образует два (возможно, три-пять (см. фиг.5)) кольцевых потока газа, внешний из которых создает газовую завесу секций 2 разрядной камеры, внутренний - поверхность основных трубок 9. Протяженность газовой завесы прилегающей поверхности кольцевыми потоками прямо пропорциональна высоте профилированной щели. Охлаждение диафрагмы осуществляется за счет ее теплового контакта по материалу узла 5 с водоохлаждаемыми секциями 2 разрядной камеры.

Запуск плазмотрона производят при продуве аргона. С помощью индуктора 4 в разрядной камере создают высокочастотное электромагнитное поле. Из устройства поджига 15 через отверстие в диафрагме 12 и/или втулке 14 в разрядную камеру вводят электрод 16, на который подано высоковольтное напряжение, и посредством предварительного поджига вспомогательного разряда в зоне индуктора возбуждают основной ВЧИ-разряд в аргоне. Причем при установке втулки диаметр ее отверстия D_ш=(4-6)·10^-3м составляет немногим больше диаметра поджигающего электрода. При δ_с ≤ 0,5×10^-3м паразитных разрядов в кольцевом зазоре между секциями 2 и чехлом 3 не происходит. После запуска аргон заменяют рабочим технологическим газом, в частности кислородом.

Потоки плазмы, циркулирующие в разрядной камере при горении разряда и ориентированные в сторону узла ввода основного газа, вблизи поверхности диафрагмы оттесняются струей основного газа, истекающей из отверстия D_д диафрагмы, в результате чего ограничивается зона циркуляции и создается газовая завеса поверхности диафрагмы.

Снабжение узла 5 ввода основного газа диафрагмой 12 и диэлектрической втулкой 14 позволяет защитить поверхность крышки 17 от нагрева излучением ВЧИ-разряда (радиационный поток на торцовую часть уменьшается, примерно, в (D_к/D_д)² или (D_к/D_ш)² раз) и получить на входе в разрядную камеру 1 основной газ с равномерным профилем скорости. Последнее повышает надежность стабилизации ВЧИ-разряда на оси разрядной камеры.

Разделение термозащитного газа на два и более коаксиальных кольцевых потока позволяет увеличить поверхность секций 2 разрядной камеры, защищенную пристеночным газовым потоком, и одновременно организовать газовую завесу части узла 6 ввода термозащитного газа, расположенной внутри разрядной камеры, а также улучшить условия передачи электромагнитной энергии от индуктора 4 в ВЧИ-разряд за счет уменьшения общей высоты слоя термозащитного газа в области индуктора.

Использование предлагаемой конструкции ВЧИ-плазмотрона в качестве генератора низкотемпературной плазмы в струйно-плазменных процессах обработки дисперсных материалов позволило создать эффективные плазменные реакторные устройства для вскрытия тонкоизмельченного рудного сырья, сфероидизации дисперсных материалов и получения высокодисперсных порошков оксидов за счет генерирования незакрученных плазменных струй при тепловом КПД ВЧИ-плазмотронов более 80%.

Источники информации

1. ВЧ- и СВЧ-плазмотроны.//С.В. Дресвин и др. - Новосибирск: Наука. Сиб. Отд - ние, 1992. - 319 с. - (Низкотемпературная плазма. Т. 6).

2. А.С. 166411 (СССР), кл. Н 05 в, 1963 г.

3. Патент США 5233155, МПК В 23 К 9/00.

4. А.С. 300134 (СССР), кл. Н 05 h 1/02, 1967 г.

5. А.С. 1489562 (СССР), МПК Н 05 В 7/18, 1986 г.

Формула изобретения

1. Высокочастотный индукционный плазмотрон, содержащий цилиндрическую разрядную камеру, выполненную в виде водоохлаждаемых продольных профилированных металлических секций, размещенных в защитном диэлектрическом кожухе, охватывающий кожух индуктор, установленные внутри разрядной камеры в ее торцевой части узлы ввода основного и термозащитного газов, отличающийся тем, что узел ввода термозащитного газа выполнен в виде одного или более коаксиальных кольцевых рядов продольных металлических трубок с количеством в каждом ряду, равным количеству продольных профилированных металлических секций, трубки со стороны индуктора имеют профилированный зазор для выхода газа, а также продольный зазор относительно соседних трубок в ряду до расстояния не менее одного внутреннего диаметра разрядной камеры, считая от ближайшего витка индуктора, кроме того, трубки по боковой поверхности соединены пайкой или сваркой с радиально расположенными продольными металлическими трубками соседнего коаксиального кольцевого ряда, причем продольные металлические трубки ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, соединены по боковой поверхности со смежной секцией пайкой или сваркой, а узел ввода основного газа со стороны индуктора снабжен диафрагмой, расположенной на расстоянии не менее одного внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора, и имеющей, по крайней мере, одно отверстие для прохода газа.

2. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что торцы продольных металлических трубок для выхода газа в каждом ряду расположены вне зоны индуктора и равноудалены от его ближайшего витка.

3. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1 или 2, отличающийся тем, что расстояние торцов продольных металлических трубок для выхода газа от ближайшего витка индуктора увеличивается с удалением коаксиального кольцевого ряда от продольных профилированных металлических секций.

4. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что высота профилированного зазора продольных металлических трубок в коаксиальном кольцевом ряду выполнена одинаковой.

5. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1 или 4, отличающийся тем, что высота профилированного зазора трубок выполнена уменьшающейся с удалением коаксиального кольцевого ряда от продольных профилированных металлических секций.

6. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что высота профилированного зазора выполнена больше толщины стенки продольных металлических трубок в их выходном сечении.

7. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что продольные металлические трубки расположены на поверхности соседних, радиально расположенных продольных металлических трубок, причем продольные металлические трубки коаксиального кольцевого ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, расположены на поверхности смежных секций.

8. Высокочастотный индукционный плазмотрон по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что торцы продольных металлических трубок коаксиального кольцевого ряда, ближайшего к продольным профилированным металлическим секциям, расположены на расстоянии 0,1÷0,4 внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора.

9. Высокочастотный индукционный плазмотрон по любому из пп.1-3 или 8, отличающийся тем, что торцы продольных металлических трубок второго от продольных профилированных металлических секций коаксиального кольцевого ряда расположены на расстоянии 0,5÷0,8 внутреннего диаметра разрядной камеры от ближайшего витка индуктора.

10. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что диаметр отверстия диафрагмы выбран равным 0,15÷0,30 внутреннего диаметра разрядной камеры, а само отверстие расположено по оси разрядной камеры.

11. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1 или 10, отличающийся тем, что диафрагма выполнена из металла и со стороны индуктора образует кольцевой зазор для прохода газа с продольными металлическими трубками ближайшего коаксиального кольцевого ряда.

12. Высокочастотный индукционный плазмотрон по любому из пп.1, 4 или 11, отличающийся тем, что высота кольцевого зазора для прохода газа выполнена меньше высоты профилированного зазора для выхода газа продольных металлических трубок ближайшего коаксиального кольцевого ряда.

13. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что диафрагма в сторону индуктора выполнена с профилем диффузора.

14. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1 или 10, отличающийся тем, что узел ввода основного газа снабжен диэлектрической втулкой с центральным отверстием, установленной перед диафрагмой по ходу газа на оси разрядной камеры и имеющей внешний и внутренний диаметры соответственно больше и меньше диаметра центрального отверстия диафрагмы.

15. Высокочастотный индукционный плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что продольные профилированные металлические секции размещены относительно стенок защитного диэлектрического кожуха с зазором, причем высота зазора не превышает 0,5·10^-3 м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5