NO851357L

NO851357L - PROCEDURE AND DEVICE FOR CREATING A PLASMA STREAM WITH A HEATED AND EXTENDED PLASMA RADIATION

Info

Publication number: NO851357L
Application number: NO851357A
Authority: NO
Inventors: Gerhard Frind; Henry Takeshi Nagamatsu
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1984-04-04
Filing date: 1985-04-02
Publication date: 1985-10-07
Also published as: EP0157407A3; JPS60249300A; EP0157407A2

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og en innretning for frembringelse av en plasmastrøm med en oppvarmet og utvidet plasmastråle. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen anvendelse av en induksjonsspole til å oppvarme plasmastrålen som strømmer ut fra en plasmasprøytepistol. The invention relates to a method and a device for generating a plasma stream with a heated and expanded plasma jet. More specifically, the invention relates to the use of an induction coil to heat the plasma jet that flows out from a plasma spray gun.

Plasmapistoler benyttes ofte til å avsette eller anbringe et materiale, såsom metall eller keramikk, på en gjenstand som skal belegges eller formes, typisk betegnet som et mål. Ved en typisk plasmapistoloperasjon formes det materiale som skal anbringes, til pulverpartikler, og partiklene inn-sprøytes i plasmaet. Ideelt sett oppvarmer varme, strømmende gasser fra plasmaet pulverpartiklene til disses smeltepunkt og akselererer partiklene med henblikk på avsetning på målet. Dersom alle de innsprøytede partikler oppvarmes og akselereres likt, og dersom alle partiklene forblir i plasmastrømmen mens de transporteres til målet, har det avsatte materiale høy, ensartet tetthet og høy styrke. I praksis er imidlertid dette ikke tilfelle. De avsetninger som er et resultat av konvensjonelle plasmapistoloperasjoner, har typisk høyere tetthet og styrke i det område som er kjent som den "jevne flekk" Plasma guns are often used to deposit or place a material, such as metal or ceramic, on an object to be coated or shaped, typically referred to as a target. In a typical plasma gun operation, the material to be applied is shaped into powder particles, and the particles are injected into the plasma. Ideally, hot, flowing gases from the plasma heat the powder particles to their melting point and accelerate the particles for deposition on the target. If all the injected particles are heated and accelerated equally, and if all the particles remain in the plasma flow while being transported to the target, the deposited material has a high, uniform density and high strength. In practice, however, this is not the case. The deposits resulting from conventional plasma gun operations typically have higher density and strength in the region known as the "even spot"

("sweet spot") i sentrum av avsetningen, enn i "kantområdet" ("sweet spot") in the center of the deposit, than in the "edge area"

("fringe area") rundt sentrum av avsetningen.("fringe area") around the center of the deposit.

En av grunnene til de forringede materialegenskaper i "kantområdet" er ikke-ensartet oppvarming og akselerasjon av pulverpartiklene. I mange konvensjonelle plasmapistoler avtar plasmaets temperatur raskt fra sentrum av plasmastrømmen til dennes ytre område. Optimal oppvarming og akselerasjon av innsprøytede partikler inntreffer innenfor et forholdsvis snevert område fra sentrum av plasmastrømmen. Videre avtar plasmastrømmens totale temperatur raskt etter hvert som plasmaet strømmer mot målet. Den midlere temperatur av et radialt tverrsnitt av plasmastrømmen som er beliggende nær målet, er bety-delig lavere enn middeltemperaturen av et liknende tverrsnitt som er beliggende der hvor plasmastrømmen strømmer ut fra plasmapistolen. Plasmastrømmens temperatur avtar derfor i både de aksiale og de radiale retninger. Resultatet av denne temperaturnedgang er at partikler som transporteres mot målet i de ytre lag av plasmastrømmen, kanskje ikke er oppvarmet tilstrekkelig til å være smeltet når de avsettes på målet, eller selv om de er smeltet når de strømmer ut fra plasmapistolen, kan de muligens størkne før de når frem til målet. Det ønskes følgelig en plasmastrøm som tilveiebringer et stort område av optimal partikkeloppvarming og som opprettholder sprøytede partikler i smeltet tilstand inntil de er avsatt på målet. One of the reasons for the deteriorated material properties in the "edge area" is non-uniform heating and acceleration of the powder particles. In many conventional plasma guns, the temperature of the plasma decreases rapidly from the center of the plasma stream to its outer region. Optimal heating and acceleration of injected particles occurs within a relatively narrow area from the center of the plasma flow. Furthermore, the total temperature of the plasma stream decreases rapidly as the plasma flows towards the target. The average temperature of a radial cross-section of the plasma flow which is located close to the target is significantly lower than the average temperature of a similar cross-section which is located where the plasma flow flows out from the plasma gun. The temperature of the plasma stream therefore decreases in both the axial and radial directions. The result of this temperature drop is that particles transported towards the target in the outer layers of the plasma stream may not be heated sufficiently to be molten when deposited on the target, or even if molten when exiting the plasma gun, they may solidify before they reach their destination. Accordingly, a plasma flow is desired which provides a large area of optimal particle heating and which maintains sprayed particles in a molten state until they are deposited on the target.

Det er følgelig et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for oppvarming og utvidelse av den plasmastråle som strømmer ut fra en plasmasprøytepistol. It is consequently an object of the invention to provide a method for heating and expanding the plasma jet that flows out from a plasma spray gun.

Det er et ytterligere formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for anvendelse av en induksjonsspole for å oppvarme og utvide den plasmastråle som strømmer ut fra en plasmasprøytepistol. It is a further object of the invention to provide a method for using an induction coil to heat and expand the plasma jet flowing from a plasma spray gun.

Det er et annet formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for frembringelse av en plasmastrøm som oppviser en forbedret temperaturfordeling og en utvidet plasmastråle. It is another object of the invention to provide a method for producing a plasma stream which exhibits an improved temperature distribution and an extended plasma jet.

Det er også et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en innretning for oppvarming og utvidelse av den plasmastråle som strømmer ut fra en plasmapistol. It is also an object of the invention to provide a device for heating and expanding the plasma jet that flows out from a plasma gun.

Enda et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et plasmastrøm-munnstykke med en induksjonsspole for oppvarming av en gasstrøm som strømmer gjennom dette. Yet another object of the invention is to provide a plasma stream nozzle with an induction coil for heating a gas stream flowing through it.

Enda et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en innretning for frembringelse av en plasmastrøm som har en oppvarmet og utvidet plasmastråle. A further object of the invention is to provide a device for generating a plasma stream which has a heated and expanded plasma jet.

I overensstemmelse med en utførelse av oppfinnelsen omfatter en fremgangsmåte for oppvarming og utvidelse av den plasmastråle som strømmer ut fra en plasmapistol, de trinn å rette plasmastrålen langs den sentrale akse av en induksjonsspole, og å lede en høyfrekvent' vekselstrøm gjennom induksjonsspolen, slik at de ytre lag av plasmastrålen oppvarmes mer enn strålens sentrum, og slik at strålens middeltemperatur økes. En foretrukket fremgangsmåte for frembringelse av en plasmastrøm som har en varmere og bredere stråle enn hva som konvensjonelt frembringes, omfatter de trinn å etablere en plasmauttømming eller plasmautladning (plasma discharge) i en gass som strømmer langs den sentrale akse av en første, opp-strøms beliggende induksjonsspole, ved å lede en høyfrekvent vekselstrøm gjennom spolen, å frembringe en plasmastråle ved å rette gassen, og i det minste en del av plasmautladningen, gjennom en innsnevret passasje, og å oppvarme den plasmastråle som avgis fra den innsnevrede passasje, ved hjelp av den ovenfor beskrevne fremgangsmåte, idet det benyttes en andre, nedstrøms beliggende induksjonsspole. In accordance with an embodiment of the invention, a method for heating and expanding the plasma jet flowing from a plasma gun comprises the steps of directing the plasma jet along the central axis of an induction coil, and of passing a high-frequency alternating current through the induction coil, so that the outer layer of the plasma jet is heated more than the center of the jet, and so the mean temperature of the jet is increased. A preferred method for producing a plasma stream which has a hotter and wider beam than is conventionally produced comprises the steps of establishing a plasma discharge or plasma discharge in a gas flowing along the central axis of a first, upstream located induction coil, by passing a high frequency alternating current through the coil, producing a plasma jet by directing the gas, and at least a portion of the plasma discharge, through a constricted passage, and heating the plasma jet emitted from the constricted passage, by means of the method described above, using a second, downstream induction coil.

I overensstemmelse med en annen utførelse av oppfinnelsen omfatter en innretning for utførelse av den foreliggende fremgangsmåte en plasmapistol som har et innløp og et utløp og i hvilken en plasmautladning kan etableres slik at en plasmastråle strømmer ut gjennom plasmapistolens utløp. Et varmeelementhus (heater housing) med en i dette avgrenset strøm-ningskanal er forbundet i strømningskommunikasjon med plasmapistolens utløp, slik at plasmastrålen rettes mot strømnings-kanalen. Innretningen omfatter også en varmeelement-induksj onsspole som er anbrakt rundt strømningskanalens utside, og en anordning for å lede en høyfrekvent vekselstrøm gjennom spolen for å oppvarme plasmastrålen. I en foretrukket utførelse omfatter den plasmapistol som benyttes i ovennevnte innretning, et hus som har en strømningskanal med en innløpsåpning og en utløpsåpning, et halsområde mellom kanalens innløps- og utløps-ender, og en annen induksjonsspole som er anbrakt rundt strøm-ningskanalens innløpsende. En innretning for frembringelse av en plasmastrøm som har en oppvarmet og utvidet plasmastråle, omfatter den ovenfor angitte innretning og videre en anordning for innføring av en strøm av gass med høy hastighet i plasmapistolen, og anordninger for å lede høyfrekvente vekselstrømmer gjennom hver av induksjonsspolene. In accordance with another embodiment of the invention, a device for carrying out the present method comprises a plasma gun which has an inlet and an outlet and in which a plasma discharge can be established so that a plasma jet flows out through the outlet of the plasma gun. A heating element housing (heater housing) with a flow channel defined therein is connected in flow communication with the outlet of the plasma gun, so that the plasma jet is directed towards the flow channel. The device also includes a heating element induction coil disposed around the outside of the flow channel, and a device for passing a high frequency alternating current through the coil to heat the plasma jet. In a preferred embodiment, the plasma gun used in the above-mentioned device comprises a housing which has a flow channel with an inlet opening and an outlet opening, a neck area between the inlet and outlet ends of the channel, and another induction coil which is placed around the inlet end of the flow channel. A device for producing a plasma stream which has a heated and expanded plasma jet comprises the above-mentioned device and further a device for introducing a stream of gas at high speed into the plasma gun, and devices for conducting high-frequency alternating currents through each of the induction coils.

Den ifølge oppfinnelsen tilveiebrakte fremgangsmåte og innretning er kjennetegnet ved de i patentkravene angitte, karakteriserende trekk. The method and device provided according to the invention are characterized by the characterizing features specified in the patent claims.

Oppfinnelsen, sammen med ytterligere formål og for-deler med denne, skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegningene, der fig. 1 er et gjennomskåret sideriss som skjematisk illustrerer én utførelse av oppfinnelsen, fig. 2 er et liknende riss som fig. 1 og illustrerer skjematisk en annen utførelse av oppfinnelsen, og fig. 3 er et liknende riss som fig. 2 og illustrerer skjematisk en ytterligere utførelse av oppfinnelsen. The invention, together with further purposes and advantages thereof, shall be described in more detail below with reference to the drawings, where fig. 1 is a cross-sectional side view schematically illustrating one embodiment of the invention, fig. 2 is a similar view to fig. 1 and schematically illustrates another embodiment of the invention, and fig. 3 is a similar view to fig. 2 and schematically illustrates a further embodiment of the invention.

Man har funnet at for å frembringe en plasmapistol-avsetning med en større, "jevn flekk" og et redusert "kantom-råde", må plasmastrålen som strømmer ut fra den plasmasprøyte-pistol som benyttes til å danne avsetningen, oppvarmes og utvides ytterligere. I overensstemmelse med oppfinnelsen omfatter en fremgangsmåte for å gjøre dette de trinn å rette plasmastrålen langs den sentrale akse av en nedstrøms beliggende induksjonsspole, og å lede en høyfrekvent vekselstrøm gjennom nedstrøms-induksjonsspolen, slik at både plasmastrålens ytre lag oppvarmes og strålens middeltemperatur økes. Størrelsen og frekvensen av den høyfrekvente vekselstrøm som strømmer gjennom induksjonsspolen, velges fortrinnsvis slik at strømmen frembringer en utgangseffekt på mellom ca. 20 kW og 100 kW. Frekvensen av strømsvingningen ligger fortrinnsvis mellom ca. 500 kHz og 10 MHz. Slik som skjematisk vist ved hjelp av tverrsnitts-siderisset på fig. 1 , strømmer en plasmastråle 14 ut fra en plasmasprøytepistol 10 og strømmer langs den sentrale akse av en nedstrøms beliggende induksjonsspole 12 som består av flere induks j onsspole-viklingsomløp. Når en høyfrekvent vekselstrøm ledes gjennom induksjonsspolen 12, frembringes et høyfrekvent magnetfelt gjennom hvilket energi koples inn i plasmastrålen 14. Denne energi overfører varme til de ytre lag av plasmastrålen 14 mer enn den oppvarmer strålens sentrum, slik at den reduserer plasmastrålens 14 temperaturnedgang i radialretningen. Plasmastrålen 14 kan således bringes til å ha en i hovedsaken flat, radial temperaturfordeling. Oppvarming av plasmastrålen 14 på denne måte resulterer i en bredere plasmastrålestrøm med større diameter, slik som vist på fig. 1 ved hjelp av plasmastrålesjiktet 16. Med en plasmastrålestrøm med større diameter kan partikler som innsprøytes i strømmen, lettere holdes innenfor plasmastrømmens grenser. Med en strøm med større diameter har videre det område innenfor strømmen hvor plasmatemperaturen er optimal, en større radius. Oppvarming av plasmastrålen 14 ved hjelp av energioverføring fra induksjonsspolen 12 øker også plasmastrålens 14 middeltemperatur, slik at virkningene på partikkelsraelting av en temperaturnedgang i aksialretningen, dermed reduseres. Som et resultat av disse tre virkninger, dvs. redusert radial temperaturnedgang, utvidelse av plasmastrålen og økning av strålens middeltemperatur, blir partikler som innsprøytes i plasmastrømmen, mer ensartet oppvarmet og mer fullstendig smeltet før de avsettes på et mål. Dette resultat er særlig betydningsfullt for partikler i området for grensesjiktet. Partikler som, uten oppvarming og utvidelse av plasmastrålen ved hjelp av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, muligens ikke blir oppvarmet til den smeltede tilstand, eller som kan størkne på nytt før de når frem til målet, vil, når den foreliggende oppfinnelse benyttes, bli bedre oppvarmet og mer fullstendig smeltet. En annen fordel som tilveiebringes ved hjelp av oppfinnelsen, er at oppvarming av gassen rundt plasmastrålens utside, frembrakt ved hjelp av høyfrekvens-vekselstrøm som passerer gjennom nedstrøms-induksj onsspolen, øker f riksj onen mellom plasmastrålen og den gass som omgir denne, slik at strålens hastighet reduseres. Denne reduserte strålehastighet resulterer i en lengre oppholdstid for innsprøytede partikler i de varme, strømmende gasser i plasmastrålen, og derfor forbedret oppvarming av partiklene. Det kan således innses at fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen resulterer i at et større antall av skikkelig oppvarmede partikler treffer målet. It has been found that in order to produce a plasma gun deposit with a larger, "even spot" and a reduced "edge radius", the plasma jet exiting from the plasma spray gun used to form the deposit must be further heated and expanded. In accordance with the invention, a method for doing this comprises the steps of directing the plasma jet along the central axis of a downstream induction coil, and of passing a high-frequency alternating current through the downstream induction coil, so that both the outer layer of the plasma jet is heated and the mean temperature of the jet is increased. The size and frequency of the high-frequency alternating current that flows through the induction coil is preferably chosen so that the current produces an output power of between approx. 20 kW and 100 kW. The frequency of the current fluctuation is preferably between approx. 500 kHz and 10 MHz. As shown schematically by means of the cross-sectional side view in fig. 1, a plasma jet 14 flows out from a plasma spray gun 10 and flows along the central axis of a downstream induction coil 12 which consists of several induction coil winding circuits. When a high-frequency alternating current is passed through the induction coil 12, a high-frequency magnetic field is produced through which energy is coupled into the plasma jet 14. This energy transfers heat to the outer layers of the plasma jet 14 more than it heats the center of the jet, so that it reduces the temperature drop of the plasma jet 14 in the radial direction. The plasma jet 14 can thus be brought to have an essentially flat, radial temperature distribution. Heating the plasma jet 14 in this way results in a wider plasma jet stream with a larger diameter, as shown in fig. 1 by means of the plasma jet layer 16. With a plasma jet stream of larger diameter, particles injected into the stream can more easily be kept within the limits of the plasma stream. With a stream with a larger diameter, the area within the stream where the plasma temperature is optimal has a larger radius. Heating of the plasma jet 14 by means of energy transfer from the induction coil 12 also increases the mean temperature of the plasma jet 14, so that the effects on particle scattering of a temperature decrease in the axial direction are thus reduced. As a result of these three effects, i.e. reduced radial temperature drop, expansion of the plasma jet and increase of the jet mean temperature, particles injected into the plasma stream are more uniformly heated and more completely melted before being deposited on a target. This result is particularly significant for particles in the area of the boundary layer. Particles which, without heating and expanding the plasma jet by means of the method according to the invention, may not be heated to the molten state, or which may solidify again before reaching the target, will, when the present invention is used, be better heated and more completely melted. Another advantage provided by the invention is that heating of the gas around the outside of the plasma jet, produced by means of high-frequency alternating current passing through the downstream induction coil, increases the friction between the plasma jet and the gas surrounding it, so that the jet's speed is reduced. This reduced jet velocity results in a longer residence time for injected particles in the hot, flowing gases in the plasma jet, and therefore improved heating of the particles. It can thus be realized that the method according to the invention results in a greater number of properly heated particles hitting the target.

En utførelse av en innretning som er egnet for prak-tisering av den foran beskrevne fremgangsmåte for oppvarming og utvidelse av plasmastrålen fra en plasmapistol, er skjematisk vist ved hjelp av tverrsnitts-siderisset på fig. 2. En plasmapistol 18 omfatter et innløp 22 for mottakelse av en strøm av gass med høy hastighet (ikke vist på fig. 2). Plasmapistolen 18 omfatter også en katode 26 og en anode 20 for frembringelse av en elektrisk lysbue og dermed innledning av en plasmautladning i gassen, som vist på fig. 2 ved hjelp av lysbueutladningen 28. Plasmapistolen 18 omfatter også et utløp 24 for utstrømning av i det minste en del av plasmautladningen fra plasmapistolen 18 som en plasmastråle 32. Et varmeelementhus 34 som har en strømningskanal 30 dannet gjennom dette, er forbundet med plasmapistolen 18 slik at strømningskanalen 30 står i strømningsforbindelse med plasmapistolens 18 utløp 24, og slik at plasmastrålen 32 rettes gjennom strømningskanalen 30. En varmeelement-induksjonsspole 36 er anbrakt rundt strøm-ningskanalens utside. I den utførelse som er vist på fig. 2, er induksjonsspolen 36 videre anbrakt slik at spolens lengdeakse er beliggende koaksialt med strømningskanalens 30 lengdeakse. I den viste utførelse er videre strømningskanalen 30 sylinderformet, og induksjonsspolen 36 er skruelinj eviklet rundt strømningskanalens 30 utside. Innretningen omfatter videre en konvensjonell anordning (ikke vist på fig. 2) som er elektrisk forbundet med induksjonsspolen 36 for å lede en høyfrekvent vekselstrøm gjennom denne, for å oppvarme de ytre lag av plasmastrålen 32 mer enn dennes sentrum, og å øke plasmastrålens 32 middeltemperatur. An embodiment of a device which is suitable for practicing the method described above for heating and expanding the plasma jet from a plasma gun is shown schematically by means of the cross-sectional side view in fig. 2. A plasma gun 18 comprises an inlet 22 for receiving a stream of gas at high speed (not shown in Fig. 2). The plasma gun 18 also comprises a cathode 26 and an anode 20 for producing an electric arc and thus initiating a plasma discharge in the gas, as shown in fig. 2 by means of the arc discharge 28. The plasma gun 18 also comprises an outlet 24 for outflow of at least part of the plasma discharge from the plasma gun 18 as a plasma jet 32. A heating element housing 34 having a flow channel 30 formed therethrough is connected to the plasma gun 18 as follows that the flow channel 30 is in flow connection with the outlet 24 of the plasma gun 18, and so that the plasma jet 32 is directed through the flow channel 30. A heating element induction coil 36 is placed around the outside of the flow channel. In the embodiment shown in fig. 2, the induction coil 36 is further arranged so that the longitudinal axis of the coil is located coaxially with the longitudinal axis of the flow channel 30. In the embodiment shown, the flow channel 30 is also cylindrical, and the induction coil 36 is helically wound around the outside of the flow channel 30. The device further comprises a conventional device (not shown in Fig. 2) which is electrically connected to the induction coil 36 to pass a high-frequency alternating current through it, to heat the outer layers of the plasma jet 32 more than its center, and to increase the average temperature of the plasma jet 32 .

Selv om plasmapistolen 18 på fig. 2 er vist å bestå av en plasmapistol med en likestrøms-lysbuestråle, kan den også bestå av en elektrodeløs radiofrekvens-plasmapistol, som vist på fig. 3. Fig. 3 er et tverrsnitts-sideriss som skjematisk viser et plasmastrøm-munnstykke i overensstemmelse med en annen utførelse av oppfinnelsen. Munnstykket omfatter et hus 40 som har en hovedstrømningskanal 42 dannet i dette, med en innløpsåpning 44 som er beliggende ved den ene ende av strøm-ningskanalen 42 og er anbrakt i strømningsf orbindelse med denne, og en utløpsåpning 48 som er beliggende ved den motsatte ende av strømningskanalen 42 og også er anbrakt i strømnings-forbindelse med denne. I den viste utførelse er et hals- eller innsnevringsområde 46, som har redusert tverrsnitts-strømnings-areal, anbrakt i strømningskanalen 42 og er beliggende mellom innløpsåpningen 44 og utløpsåpningen 48, for å akselerere gass som strømmer gjennom innsnevringsområdet 46 og danne en strålestrøm på dettes nedstrømsside. Man må imidlertid være klar over at strålestrømmen også kan dannes ved hjelp av andre konvensjonelle midler. En første eller oppstrøms beliggende induksjonsspole 50 er beliggende ved strømningskanalens 42 innløpsende, og en andre eller nedstrøms beliggende induksjonsspole 52 er beliggende ved strømningskanalens 42 utløpsende. Den første induksjonsspole 50 og den andre induksjonsspole 52 er hver anbrakt rundt strømningskanalens 42 utside. I den på fig. 3 viste utførelse er de første og andre induksjonsspoler 50 og 52 videre anbrakt slik at deres lengdeakser hver er beliggende koaksialt i forhold til strømningskanalens 42 lengdeakse. I den viste utførelse er videre strømningskanalen 42 sylinderformet, og de første og andre induksjonsspoler 50 og 52 er hver skruelinjeviklet rundt strømningskanalens 42 utside. For anvendelser der hvor det er ønskelig, kan de første og andre induksjonsspoler 40 og 52 være elektrisk sammenkoplet, slik at de danner en eneste elektrisk krets. Although the plasma gun 18 in fig. 2 is shown to consist of a plasma gun with a direct current arc beam, it may also consist of an electrodeless radio frequency plasma gun, as shown in fig. 3. Fig. 3 is a cross-sectional side view schematically showing a plasma stream nozzle in accordance with another embodiment of the invention. The nozzle comprises a housing 40 which has a main flow channel 42 formed therein, with an inlet opening 44 located at one end of the flow channel 42 and placed in flow communication therewith, and an outlet opening 48 located at the opposite end of the flow channel 42 and is also placed in flow connection with this. In the illustrated embodiment, a throat or constriction region 46, which has a reduced cross-sectional flow area, is placed in the flow channel 42 and is located between the inlet opening 44 and the outlet opening 48, to accelerate gas flowing through the constriction region 46 and form a jet stream on its downstream side. However, one must be aware that the jet stream can also be formed using other conventional means. A first or upstream induction coil 50 is located at the inlet end of the flow channel 42, and a second or downstream induction coil 52 is located at the outlet end of the flow channel 42. The first induction coil 50 and the second induction coil 52 are each placed around the outside of the flow channel 42. In the one in fig. 3 embodiment, the first and second induction coils 50 and 52 are further arranged so that their longitudinal axes are each located coaxially in relation to the longitudinal axis of the flow channel 42. In the embodiment shown, the flow channel 42 is further cylindrical, and the first and second induction coils 50 and 52 are each helically wound around the flow channel 42's outside. For applications where it is desired, the first and second induction coils 40 and 52 may be electrically interconnected to form a single electrical circuit.

I overensstemmelse med en annen utførelse av den foreliggende oppfinnelse omfatter en fremgangsmåte for frembringelse av en plasmastrøm som har en oppvarmet og utvidet plasmastråle, de trinn å rette en gasstrøm i hvilken et plasma skal frembringes, med høy hastighet langs den sentrale akse av en første, oppstrøms beliggende induksjonsspole, og å lede en høyfrekvent vekselstrøm gjennom den første induksjonsspole, slik at gassen oppvarmes og en plasmautladning innledes i denne. Fremgangsmåten omfatter forming av en plasmastråle av gasstrømmen og i det minste en del av plasmautladningen. Én metode for forming av plasmastrålen er å rette gasstrømmen og en del av plasmautladningen gjennom en innsnevret passasje som har redusert tverrsnitts-strømningsareal, for å akselerere gasstrømmen gjennom den innsnevrede passasje og å frembringe en plasmastråle. Fremgangsmåten omfatter videre det trinn å rette den resulterende plasmastråle langs den sentrale akse av en andre, nedstrøms beliggende induksjonsspole. En høyfre-kvent vekselstrøm ledes gjennom den andre induksjonsspole, for å oppvarme de ytre lag av plasmastrålen mer enn dens sentrum, og å øke plasmastrålens middeltemperatur. I en foretrukket utførelse frembringer den høyfrekvente vekselstrøm som strømmer gjennom den første induksjonsspole, en utgangseffekt på mellom ca. 20 kW og 100 kW, og høyfrekvensstrømmen som strømmer gjennom den andre induksjonsspole, frembringer på liknende måte en utgangseffekt påmellom 20 kW og 100 kW. For hver av spolene omfatter den strøm som strømmer gjennom spolen, fortrinnsvis strømsvingninger med en frekvens på mellom ca. 500 kHz og 10 MHz. Hastigheten av gasstrømmen langs den første induksjonsspoles sentrale akse er videre fortrinnsvis mellom ca. 5 meter pr. sekund og 50 meter pr. sekund. Plasmastrøm-munnstykket på fig. 3 er særlig egnet for utførelse av denne fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen. En innretning for frembringelse av en plasmastrøm som har en oppvarmet og utvidet plasmastråle, omfatter det der viste plasmastrøm-munnstykke, og omfatter videre en konvensjonell anordning (ikke vist på fig. 3) for innføring av en strøm av gass med høy hastighet i strømnings-kanalen 42 som er tilkoplet i strømningsforbindelse med inn-løpsåpningen 44. Innretningen omfatter også en konvensjonell anordning (heller ikke vist på fig. 3) som er elektrisk tilkoplet til den første induksjonsspole 50, for å lede en høy-frekvent vekselstrøm gjennom denne, for å oppvarme gass som strømmer langs spolens 50 sentrale akse, og å innlede en plasmautladning 56 i gassen som strømmer gjennom strømningskanalen 42. Innretningen omfatter videre en konvensjonell anordning (heller ikke vist på fig. 3) som er elektrisk forbundet med den andre induksjonsspole 52, for å lede en høyfrekvent veksel-strøm gjennom denne for å oppvarme de ytre lag av strålestrømmen 58, som er dannet av gass som passerer gjennom innsnevringsområdet 46, mer enn sentrum av strålestrømmen 58 oppvarmes, og for å øke strålestrømmens 58 middeltemperatur. I tillegg til de ønskelige trekk som er beskrevet foran, har en plasma-strøm som er frembrakt i overensstemmelse med denne utførelse av oppfinnelsen, den fordel av den utmerker seg ved en bred og lang plasmautladning, med en så godt som flat, radial temperaturfordeling. Strømningshastigheten av den gass i hvilken plasmaet etableres, kan videre være ganske lav, slik at opp-holdstiden for partikler som innsprøytes i plasmaet, kan være ganske lang. Plasmatettheten kan også gjøres ganske høy, slik at varmeoverføring fra plasmaet til de innsprøytede partikler lettes, og videre partikkelsmelting og partikkelakselerasjon og endelige egenskaper til målet forbedres. In accordance with another embodiment of the present invention, a method for producing a plasma stream having a heated and expanded plasma jet comprises the steps of directing a gas stream in which a plasma is to be produced, at high speed along the central axis of a first, upstream induction coil, and to pass a high-frequency alternating current through the first induction coil, so that the gas is heated and a plasma discharge is initiated therein. The method comprises forming a plasma jet from the gas stream and at least part of the plasma discharge. One method of forming the plasma jet is to direct the gas flow and a portion of the plasma discharge through a constricted passage having reduced cross-sectional flow area, to accelerate the gas flow through the constricted passage and produce a plasma jet. The method further comprises the step of directing the resulting plasma jet along the central axis of a second, downstream induction coil. A high-frequency alternating current is passed through the second induction coil, to heat the outer layers of the plasma jet more than its center, and to increase the average temperature of the plasma jet. In a preferred embodiment, the high-frequency alternating current flowing through the first induction coil produces an output power of between approx. 20 kW and 100 kW, and the high frequency current flowing through the second induction coil similarly produces an output power between 20 kW and 100 kW. For each of the coils, the current flowing through the coil preferably comprises current fluctuations with a frequency of between approx. 500 kHz and 10 MHz. The speed of the gas flow along the central axis of the first induction coil is further preferably between approx. 5 meters per second and 50 meters per second. The plasma stream nozzle of fig. 3 is particularly suitable for carrying out this method according to the invention. A device for producing a plasma stream which has a heated and expanded plasma jet comprises the plasma stream nozzle shown there, and further comprises a conventional device (not shown in Fig. 3) for introducing a stream of gas at a high velocity into the flow the channel 42 which is connected in flow connection with the inlet opening 44. The device also comprises a conventional device (also not shown in Fig. 3) which is electrically connected to the first induction coil 50, to conduct a high-frequency alternating current through this, for to heat gas flowing along the central axis of the coil 50, and to initiate a plasma discharge 56 in the gas flowing through the flow channel 42. The device further comprises a conventional device (also not shown in Fig. 3) which is electrically connected to the second induction coil 52, to pass a high-frequency alternating current through this to heat the outer layers of the jet stream 58, which is formed by gas passing through the the annular area 46, more than the center of the jet stream 58 is heated, and to increase the jet stream 58 mean temperature. In addition to the desirable features described above, a plasma stream produced in accordance with this embodiment of the invention has the advantage of being characterized by a wide and long plasma discharge, with an almost flat radial temperature distribution. The flow rate of the gas in which the plasma is established can furthermore be quite low, so that the residence time for particles injected into the plasma can be quite long. The plasma density can also be made quite high, so that heat transfer from the plasma to the injected particles is facilitated, and further particle melting and particle acceleration and final properties of the target are improved.

Det foregående beskriver en fremgangsmåte for oppvarming og -utvidelse av den plasmastråle som strømmer ut fra en plasmasprøytepistol, ved benyttelse av en nedstrøms-induksjonsspole for å oppvarme og utvide plasmastrålen. Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer også en fremgangsmåte for frembringelse av en plasmastrøm med mindre temperaturnedgang i både de radiale og de aksiale retninger. Oppfinnelsen tilveiebringer videre et plasmastrøm-munnstykke med en induksjonsspole for å oppvarme en gasstrøm som strømmer gjennom dette, og en innretning for frembringelse av en plasmastrøm som har en oppvarmet og utvidet plasmastråle. The foregoing describes a method for heating and expanding the plasma jet flowing from a plasma spray gun, using a downstream induction coil to heat and expand the plasma jet. The present invention also provides a method for producing a plasma stream with less temperature drop in both the radial and axial directions. The invention further provides a plasma stream nozzle with an induction coil for heating a gas stream flowing therethrough, and a device for producing a plasma stream having a heated and expanded plasma jet.

Selv om oppfinnelsen er blitt beskrevet i detalj i overensstemmelse med visse, foretrukne utførelser av denne, kan mange modifikasjoner og endringer gjøres av fagfolk på området. Selv om eksempelvis innretningen er blitt beskrevet og på tegningene er vist å ha i hovedsaken sirkulært tverrsnitt, vil det innses at andre tverrsnittsformer kan benyttes, såsom rektangulære eller elliptiske tverrsnitt. Selv om videre induk-sjonsspoleviklingene på fig. 2 og 3 er vist å være innstøpt i et hus, kan viklingene også være montert på enten den indre eller den ytre overflate av huset. Selv om videre huset 34 på fig. 2 og huset 40 på fig. 3 begge er blitt angitt å bestå av kvarts, kan andre temperaturbestandige, elektrisk isolerende materialer også benyttes. Husene 34 og 40 kan også bestå av metall dersom det er gjort foranstaltninger slik at absorpsjon av radiofrekvensenergi, frembrakt av induks j onsspolene, i hvert av husene 34 og 40 er minimert. Selv om videre katoden 26 og anoden 20 på fig. 2 er blitt vist å bestå av metall, kan andre elektrisk ledende materialer benyttes. De etterføl-gende krav er følgelig ment å dekke alle sådanne modifikasjoner og endringer som faller innenfor oppfinnelsens sanne ånd og ramme. Although the invention has been described in detail in accordance with certain preferred embodiments thereof, many modifications and changes may be made by those skilled in the art. Although, for example, the device has been described and shown in the drawings to have an essentially circular cross-section, it will be realized that other cross-sectional shapes can be used, such as rectangular or elliptical cross-sections. Although further the induction coil windings in fig. 2 and 3 are shown to be embedded in a housing, the windings may also be mounted on either the inner or the outer surface of the housing. Although further the housing 34 in fig. 2 and the housing 40 in fig. 3 have both been stated to consist of quartz, other temperature-resistant, electrically insulating materials can also be used. The housings 34 and 40 can also consist of metal if measures have been taken so that absorption of radio frequency energy, produced by the induction coils, in each of the housings 34 and 40 is minimized. Although further the cathode 26 and the anode 20 in fig. 2 has been shown to consist of metal, other electrically conductive materials can be used. The subsequent claims are therefore intended to cover all such modifications and changes as fall within the true spirit and scope of the invention.

Claims

1. Method for heating and expanding a plasma jet flowing out from a plasma spray gun, characterized in that it comprises the steps directing the plasma jet along the central axis of an induction coil, and to pass a high-frequency alternating current through the induction coil, so that both the outer layers of the plasma jet are heated more than its center, and the mean temperature of the plasma jet is increased.

2. Method according to claim 1, characterized in that the high-frequency alternating current that flows through the induction coil produces an output power of between approx. 20 kW and 100 kW.

3. Method according to claim 1, characterized in that the high-frequency alternating current comprises current fluctuations with a frequency of between approx. 500 kHz and 10 MHz.

4. Method for producing a plasma stream which has a heated and expanded plasma jet, characterized in that it includes the steps directing a gas stream in which a plasma is to be provided, at high speed along the central axis of a first induction coil, passing a high-frequency alternating current through the first induction coil, so that said gas is heated and a plasma discharge is initiated therein, forming a plasma jet from the gas flow and at least part of the plasma discharge, directing the plasma jet along the central axis of a second induction coil, and passing a high-frequency alternating current through the second induction coil, so that both the outer layers of the plasma jet are heated more than its center, and the average temperature of the plasma jet is increased.

5. Method according to claim 4, characterized in that the speed of the gas flow along the central axis of the first induction coil lies between approx. 5 meters per second and 50 meters per second.

6. Method according to claim 4, characterized in that the high-frequency alternating current that flows around the first induction coil produces an output power of between approx. 20 kW and 100 kW, and that the high-frequency alternating current that flows through the second induction coil also produces an output power of between approx. 20 kW and 100 kW.

7. Method according to claim 4, characterized in that the high-frequency alternating current that flows through the first induction coil includes current fluctuations •r with a frequency of between approx. 500 kHz and 10 MHz, and that the high-frequency alternating current that flows through the second induction coil also includes current fluctuations with a frequency of between approx. 500 kHz and 10 MHz.

8. Method according to claim 4, characterized in that the step of forming a plasma jet comprises directing the gas flow and at least part of the plasma discharge through a constricted passage that has a reduced cross-sectional flow area, in order to accelerate the gas flow through the constricted passage and to produce a plasma jet.

9. Device for producing a plasma beam, characterized in that it comprises a plasma gun having an inlet and an outlet, for receiving a stream of high velocity gas, initiating a plasma discharge into the gas, and discharging at least a portion of the plasma discharge through the plasma gun outlet in the form of a plasma jet, a heating element housing having a flow channel formed therethrough, the flow channel being in flow connection with the outlet of the plasma gun, so that the plasma jet is directed through the flow channel, a heating element induction coil disposed around the outside of the flow channel, and a device for passing a high frequency alternating current through the heating element induction coil, the device being electrically connected to the coil, so that both the outer layers of the plasma jet are heated more than its center, and the average temperature of the plasma jet is increased.

10. Device according to claim 9, characterized in that the heating element induction coil is further positioned so that the longitudinal axis of the coil is located coaxially with the longitudinal axis of the flow channel.

11. Device according to claim 10, characterized in that the flow channel is cylindrical, and that the heating element induction coil is helically wound around the outside of the flow channel.

12. Device according to claim 9, characterized in that the plasma gun consists of a plasma gun with a direct current arc beam.

13. Device according to claim 9, characterized in that the plasma gun consists of an electrodeless radio frequency plasma gun.

14. Plasma flow nozzle, characterized in that it comprises a house having a main flow channel formed therein, an inlet opening which is located at one end of the flow channel and arranged in flow connection with this, an outlet opening which is located at the opposite end of the flow channel and arranged in flow connection with this, a first induction coil which is located at the inlet end of the flow channel, the first induction coil being arranged around the outside of the flow channel, and a second induction coil which is situated at the outlet end of the flow channel, the second induction coil being arranged around the outside of the flow channel.

15. Plasma nozzle according to claim 14, characterized in that the first and second induction coils are further arranged so that the longitudinal axis of each induction coil is located coaxially with the longitudinal axis of the flow channel.

16. Plasma nozzle according to claim 15, characterized in that the flow channel is cylindrical and the first and second induction coils are each helically wound around the outside of the flow channel.

17. Plasma nozzle according to claim 14, characterized in that the first and second induction coils are electrically interconnected, so that they form a single electrical circuit.

18. Plasma nozzle according to claim 14, characterized in that it further comprises a narrowing area with a reduced cross-sectional flow area which is placed in the main flow channel and is located between its inlet end and outlet end, in order to accelerate gas that passes through the narrowing area and form a plasma flow of - the downstream side of the narrowing area.

19. Device for generating a plasma flow which has a heated and expanded plasma jet and which comprises the plasma flow nozzle according to claim 14, characterized in that it further comprises a device for introducing a flow of gas at high speed into the flow channel, and which is connected in flow connection with the aforementioned inlet opening, a device for passing a high frequency alternating current through the first induction coil, the device being electrically connected to the first induction coil, to heat gas flowing through the flow channel along the central axis of the first induction coil, and to initiate a plasma discharge therein, and a device for passing a high-frequency alternating current through the second induction coil, the device being electrically connected to the second induction coil, to heat the outer layers of a plasma stream formed by said gas having said plasma discharge introduced therein and flowing through the flow channel, and to increase the mean temperature of the plasma flow.

20. Device for producing a plasma flow which has a heated and expanded plasma jet and which comprises the plasma flow nozzle according to claim 16, characterized in that it further comprises a device for introducing a flow of gas at high speed into the said flow channel and which is connected in flow connection with the said inlet opening, means for passing a high-frequency alternating current through the first induction coil, the means being electrically connected to the induction coil, for heating gas flowing through the flow channel along the central axis of the first induction coil, and for initiating a plasma discharge therein, and a device for passing a high-frequency alternating current through the second induction coil, the device being electrically connected to the second induction coil, to heat the outer layers of a plasma flow formed by said gas and having the plasma discharge introduced therein and flowing through the flow channel , and to increase the mean temperature of the plasma flow.

21 . Device for producing a plasma flow which has a heated and expanded plasma jet and which comprises the plasma flow nozzle according to claim 17, characterized in that it further comprises a device for introducing a flow of gas at high speed into the flow channel and which is connected in flow connection with the aforementioned inlet opening, a device for conducting a high-frequency alternating current through the electrically connected first and second induction coils, the device being electrically connected to said single electrical circuit, for heating gas flowing through the flow channel, and initiating a plasma discharge therein, and for heating a plasma stream formed by the gas having the plasma discharge introduced therein and flowing through the flow channel, to heat the outer layers of the plasma stream more than its center, and to increase the mean temperature of the plasma stream.

22. Device for producing a plasma flow which has a heated and expanded plasma jet and which comprises the plasma flow nozzle according to claim 18, characterized in that it further comprises a device for introducing a flow of gas at high speed into the flow channel and which is connected in flow connection with the aforementioned inlet opening, a device for passing a high frequency alternating current through the first induction coil, the device being electrically connected to the first induction coil, to heat gas flowing through the flow channel along the central axis of the first induction coil, and to initiate a plasma discharge therein, and a device for passing a high-frequency alternating current through the second induction coil, the device being electrically connected to the second induction coil, to heat the outer layers of the plasma jet stream formed by gas passing through said narrowing region, and to increase the mean temperature of the jet stream.