Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Induktionsheizspule, welche insbesondere geeignet zum Heizen von Niedertemperaturplasmen ist.

Elektromagnetische Spulen sind in der Elektrotechnik Wicklungen und Wickelgüter, die geeignet sind, ein Magnetfeld zu erzeugen oder zu detektieren. Sie sind dabei oftmals Teil eines elektrischen Bauelementes oder Gerätes, wie beispielsweise eines Transformators, Relais, Elektromotors oder Lautsprechers. Ein wichtiges Anwendungsfeld von Spulen ist der Bereich des induktiven Heizens von elektrisch leitfähigen Materialien. Spulen umfassen üblicherweise mindestens eine Wicklung eines Stromleiters. Dieser besteht beispielsweise aus Draht, Kupferlackdraht, versilbertem Kupferdraht oder Hochfrequenzlitze. Spulen sind oftmals oft auf einen Spulenkörper (Spulenträger) gewickelt. Der Spulenkörper kann entweder massiv oder hohl sein. Hohle Spulenkörper können einen Kern aus einem anderen Material (z.B. aus einem weichmagnetischen Material) umfassen. Die Windungsanordnung und -form, der Drahtdurchmesser, das Wickel- und das Kernmaterial legen den Wert der Induktivität und weitere (Güte-)Eigenschaften der Spule fest.

Das Wirkprinzip von Spulen basiert darauf, dass wenn diese vom elektrischen Wechselstrom durchflossen werden, sich in ihrem Inneren ein magnetisches Feld B aufbaut. Dieses bewirkt ein elektrisches Feld E, welches eine Beschleunigung der Ladungsträger im Spuleninneren bewirkt. Dieses Feld umfasst im Wesentlichen die zwei Komponenten E_ϕ und E_z, wenn es sich bei der Spule um eine Zylinderspule handelt. Die erste Komponente E_ϕ bewirkt, dass die Ladungsträger auf einer Kreisbahn senkrecht zur Spulenhauptachse beschleunigt werden. Die Spulenhauptachse wird auch als z-Achse bezeichnet. Die Ebene dieser senkrecht zur Spulenhauptachse wird dabei auch als in der Azimutalebene bezeichnet. Die zweite Komponente E_z bewirkt eine Beschleunigung der Ladungsträger entlang der Spulenhauptachse.

Die elektrischen Eigenschaften von Spulen werden stark durch die Art und Weise bestimmt, wie der elektrische Leiter aus dem sie bestehen aufgewickelt ist. Wichtig ist hierbei die dabei entstehende geometrische Struktur aus einer oder mehreren Windungen oder Lagen. Diese Struktur wird auch als Wicklung bezeichnet.

In langen Spulen (Fig.1), deren Länge l üblicherweise mindestens um einen Faktor 10 größer ist als ihr Durchmesser, verlaufen die Feldlinien des Magnetfeldes der Spule im Wesentlichen parallel. Daraus folgt, dass das aus dem Magnetfeld resultierende elektrische Feld, im Wesentlichen nur eine Komponente E_ϕ umfasst. Die Komponente E_z und damit die Beschleunigung entlang der Spulenhauptachse kann dadurch vernachlässig werden. Daraus folgt, dass die Ladungsträger auf einer festen Kreisbahn beschleunigt werden und sich nicht in einer schraubenförmigen Bewegung in Richtung Spulenende bewegen.

In vielen Anwendungsfällen gilt diese Idealisierung nicht. In diesen Fällen kann die Komponente E_z des elektrischen Feldes nicht vernachlässig werden. Dies gilt insbesondere für kurze Spulen, deren länge nicht wesentlich größer ist als ihr Durchmesser. Diese umfassen oftmals nur wenige Windungen. In diesen Fällen erfahren Ladungsträger im Inneren der Spule auch eine Beschleunigung entlang der z-Achse. (Fig. 3)

Spulen, die als Induktionsheizspulen dienen, umfassen üblicherweise nur wenige Wicklungen und sind als kurz anzusehen. Das bedeutet, dass Ladungsträger im Spuleninneren üblicherweise eine nicht zu vernachlässigende Beschleunigung in z-Richtung erfahren. Besteht das zu erhitzende Material im Spuleninneren aus kondensierter Materie d.h. es liegt als Feststoff oder Flüssigkeit vor ist die Beschleunigung entlang der z-Achse irrelevant, da die Ladungsträger dieser Materialien die Spule nicht verlassen können.

Dies ist nicht der Fall, wenn Plasmen, insbesondere auch Niedertemperaturplasmen induktiv erzeugt und erhitzt werden. Hier sind die Ladungsträger frei beweglich. Dies ist beispielsweise bei Radiofrequenz-Ionentriebwerken (RIT) der Fall.

Hier können die Ladungsträger die Induktionsheizspule verlassen und damit dem Heizprozess verloren gehen. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad des Heizprozesses. Bislang wird der Einfluss der entlang der Spulenhauptachse entweichenden und damit nicht zur Heizung beitragenden Ladungsträger durch eine Erhöhung der eingespeisten elektromagnetischen Energie gelöst. Diese Lösung ist aber energieaufwändig und senkt die Effizienz der Induktionsheizspule.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsheizspule zum induktiven Heizen bereitzustellen, welche eine verringerte Beschleunigung der in ihr befindlichen Ladungsträger entlang der z-Achse aufweist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Induktionsheizspule, weist eine erste innere Wicklung W₁ und wenigstens eine weitere äußere Wicklung W₂ auf. Dabei weist die innere Wicklung W₁ einen Radius r₁ und die äußeren Wicklung W₂, einen Radius r₂ auf (Fig. 3). r₁ ist dabei kleiner als r₂. Weiterhin liegt innere Wicklung W₁ innerhalb der äußeren Wicklung W₂. Die Wicklungen W₁ und W₂ sind an einer Stelle 100 an einem Ende der Spule verbunden, sodass an dieser Stelle 100 ein Stromfluss i durch die Spule seine axiale Richtung in z-Richtung wechselt.

Das bewirkt, dass sich die Komponenten E_z und E_-z des resultierenden elektrischen Feldes entlang der z-Achse aufheben. Durch die Überlagerung der Ströme an jeder Stelle, wird zudem eine größere Feldstärke E_ϕ bewirkt. Das heißt zum einen, dass weniger Ladungsträger beim induktiven Heizen die Spule entlang der z-Achse verlassen und zum anderen, dass mit derselben Stromstärke eine höhere Heizleistung erreicht wird.

Die Radien r₁ und r₂ der Wicklungen W₁ und W₂ liegen bei bevorzugt 10 mm bis 100 mm.

Die Länge der Induktionsheizspule beträgt bevorzugt zwischen 10 mm und 100 mm.

Die Windungszahl N der Wicklungen W₁ und W₂ der Induktionsheizspule liegt vorzugsweise bei 3 bis 20, besonders bevorzugt bei 5 bis 10. Spulen mit kleineren Windungszahlen weisen eine größere z-Komponente des resultierenden elektrischen Feldes auf. Bei größeren Windungszahlen sinkt durch den größeren elektrischen Widerstand der Wirkungsgrad der Induktionsheizspule.

In besonders vorteilhaften Ausführungsarten der Induktionsheizspule weist diese eine rechteckige, runde oder ellipsoide Form auf. Das erlaubt eine Anpassung der Spule an den Spulenkörper. Des Weiteren führt so eine regelmäßige Form der Spule zu einem homogeneren Feld im Spuleninneren.

Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Induktionsheizspule liegt in induktiv oder induktiv-kapazitiv angeregten lonen- oder Elektronenquellen. Hier dient sie der Einkopplung von elektromagnetischer Energie.

Bei diesen Quellen befindet sich ein Gas (z.B. Xenon) und hochfrequent anzuregende Elektronen innerhalb eines isolierten Gefäßes, des Entladungsgefäßes. Um das Entladungsgefäß ist eine Induktionsheizspule zur Einspeisung einer zur Plasma-Anregung notwendigen Hochfrequenz-Energie gewickelt. Aus dem Stromfluss in der Spule resultiert ein Magnetfeld, welches Elektronen im Spuleninneren beschleunigt. Diese Elektronen stoßen nun auf die im Entladungsgefäß befindlichen Gasatome oder Gasmoleküle und ionisieren diese.

Durch die Dämpfung der elektrischen Feldkomponente, die parallel zur z-Achse wirkt, wird das induktiv-gekoppelte Plasma effizienter geheizt, da verhältnismäßig mehr Feldenergie in die azimutale Ebene induziert wird und nicht durch die Beschleunigung entlang der z-Achse verloren geht. Dies führt dazu, dass die durch die elektrischen Felder beschleunigten Elektronen auf Spiralbahnen gezwungen werden, deren axiale Steigung immer geringer wird. Letzteres bewirkt, dass ein größerer Anteil der beschleunigten Elektronen innerhalb der Spule bleibt und bei der Heizung des Plasmas mitwirkt.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Radiofrequenz-Ionentriebwerk (RIT) die erfindungsgemäße Induktionsheizspule. Bei einem Radiofrequenz-Ionen-Triebwerk befindet sich ein hochfrequent anzuregendes Plasma innerhalb eines isolierten Gefäßes, des sog. Entladungsgefäßes. Um das Entladungsgefäß ist eine oft auch als Koppelspule bezeichnete Induktionsheizspule zur Einspeisung einer zur Plasma-Anregung notwendigen Energie gewickelt. Das Plasma befindet sich damit innerhalb der Spule. Wenn ein Ionentriebwerk die erfindungsgemäße Induktionsspule umfasst, ist sie effizienter, da nahezu alle Elektronen in der Plasmaentladung zur Erhaltung dieser beitragen, da sie gehindert werden, die geheizten Bereiche zu verlassen.

Die erfindungsgemäße Induktionsheizspule führt dazu, dass sich die axial induzierten Felder in z-Richtung aufgrund der Symmetrie nahezu aufheben, da derselbe Strom sowohl in positiver als auch in negativer z-Richtung fließt. Das heißt, dass die Komponente E_z des resultierenden elektrischen Feldes gedämpft wird. Da der Strom durch beide Wicklungen der Induktionsheizspule parallel fließt, überlagern sich gleichzeitig die resultierenden Feldkomponenten E_ϕ und werden damit verstärkt. Zusätzlich wird bedingt durch die steigende Spuleninduktivität L, eine geringere Stromstärke Strom I zur Bereitstellung des magnetischen Feldes benötigt. Dies begünstigt das thermische Verhalten der Spule, da kleinere Ströme zu weniger Ohm'scher Verlustleistung führen. Dies ist trotz nahezu doppelter Länge des stromdurchflossenen Leiters der Spule der Fall, da sich die Verlustleistung zu P = I² R, linear zum Widerstand R und somit zur Länge des stromdurchflossenen Leiters wächst, aber gleichzeitig quadratisch mit der kleineren benötigten Stromstärke I sinkt.

Der Radius der äußeren Wicklung W₂ ist größer als der Radius der inneren Wicklung W₁, dadurch ist das durch W₂ induzierte Feld betragsmäßig etwas kleiner als das durch W₁ induzierte. Dennoch ist die Komponente E_z des resultierenden elektrischen Feldes vernachlässigbar klein.

Ein Ausführungsbeispiel ist ein Ionentriebwerk umfassend die erfindungsgemäße Spule als Induktionsheizspule.

Hierzu wurden Vergleichsmessungen an einem ersten unmodifizierten Ionentriebwerk RIM-4 mit einer Induktionsspule mit konventioneller Wicklung und einem weiteren modifizierten Ionentriebwerk RIM-4 mod. mit erfindungsgemäßer Induktionsheizspule jeweils bei einem Ionenstrom I_b = 10 mA bei einem Volumenstrom des verwendeten Gases von 0,2 sccm vorgenommen. Die Vergleichswerte der elektrischen Parameter sowie der Leistungsdaten sind hierbei Fig. 5 zu entnehmen. Der Unterschied zwischen unmodifiziertem und modifiziertem Triebwerk hinsichtlich der benötigten Spulenleistung P_s beträgt 1.5 W bei einer Gesamtleistung P_s von 15,23 W. Damit ist das Triebwerk, welches die erfindungsgemäße Induktionsheizspule umfasst, ca. 10 % effizienter.

Es wird weniger Leistung für das Heizen des Plasmas benötigt, da weniger Elektronen verloren gehen. Ebenfalls von hoher Bedeutung ist, dass mit etwa der halben Stromamplitude I_c gearbeitet werden kann, was auch zu einer besseren elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) führt. So werden die anderen Triebwerkskomponenten weniger durch die Induktionsheizspule beeinflusst.

• Fig. 1 zeigt eine lange Spule. Die Feldlinien des inneren Magnetfeldes sind hier über einen weiten Bereich der Länge I parallel. Dies bewirkt, dass auf die Ladungsträger im Inneren nur in den Randbereichen der Spule eine Beschleunigung entlang der z-Achse erfolgt.
• Fig. 2 zeigt eine typische kurze Spule mit wenigen Windungen. In dieser Art von Spulen erfahren die Ladungsträger eine Beschleunigung entlang der z-Achse. Im Fall eines induktiv geheizten Plasmas innerhalb der Spule würden diese Ladungsträger die Spule verlassen.
• Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Induktionsheizspule. In dieser Spule heben sich durch die gegenläufige Wicklung die auf die Ladungsträger wirkenden Kräfte entlang der z-Achse auf. Dadurch bleiben auch frei bewegliche Ladungsträger in der Spule. Aufgrund leicht unterschiedlicher Radien der beiden Spulen heben sich die Felder nicht vollständig auf. In guter Näherung kann allerdings davon ausgegangen werden, dass die Ladungsträger nahezu keine Beschleunigung in z-Richtung erfahren und die Elektronen auf der Achse verschwinden.
• Fig. 4 zeigt in Teilabbildung 4a die axial in z-Richtung induzierte elektrische Feldstärkenkomponente E_z einer konventionellen einfach gewickelten Induktionsheizspule in einem Ionentriebwerk und in Teilabbildung 4b die axial in z-Richtung induzierte elektrische Feldstärkenkomponente einer erfindungsgemäßen Spule.
• Fig. 5 zeigt die Betriebsparameter des Ionentriebwerkes RIM-4 und des modifizierten Ionentriebwerkes RIM-4 mod. η_m bezeichnet hier den Massenwirkungsgrad, η_el den elektrischen Wirkungsgrad, R_s den elektrischen Widerstand der Induktionsspule, H_s die magnetische Feldstärke der Spule, ζ den Koppelfaktor und t die Übertragungseffizienz.