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Stickstoffplasmotron
Stickstoffplasmotrone bilden infolge ihrer bedeutenden Wärmekapazität Generatoren von Hochleistungsplasma. Abhängig von der Art ihrer Arbeit, mit geteiltem Aussenbogen oder mit nicht geteiltem Innenbogen, erreicht man in ihnen Temperaturen einer Grössenordnung von 100000 C oder 200000 C. Sie dienen hauptsächlich für metallurgische Zwecke, zum Schneiden von Metall, zum Aufspritzen insbesondere mit schwerschmelzbarem Pulver sowie zur chemischen Analyse und Synthese.
Moderne Plasmotrone arbeiten auf dem Prinzip der Gaswirbelströmung, wodurch eine grössere Stabilität des Plasmastrahles als in früher angewendeten Plasmotronen mit axialer Strömung erreicht wird.
Bekannte Plasmotrone zeichnen sich durch eine komplizierte Konstruktion aus und besitzen gewöhnlich eine zwischen die Anode und die Kathode eingebaute Einlage mit in dieser ausgebildeten, die Gaswir- belströmung bewirkenden kleinen Kanälen. Es ist schwer, diese Einlagen dicht anzubringen und ausserdem treten in ihnen oft Risse infolge vorkommender heftiger Temperaturänderungen auf. Die Kathode bekannter Plasmotrone besteht üblicherweise aus einem Körper aus Kupfer, dessen Ende die Einfassung der Wolfrarneinlage bildet. Diese Kathode wird von innen mit Wasser gekühlt, wobei die Anbringung ihres Endes auf der keramischen Einlage das zusätzliche Kühlen der Einfassung mit der Wolframeinlage mittels zugeführtem Gas nicht ermöglicht. Dies wirkt sich ungünstig auf die Lebensdauer der Kathode aus.
Die in der keramischen Einlage befindlichen, die Gaswirbelströmung bewirkenden Kanäle haben einen verhältnismässig grossen Querschnitt, wodurch eine Vergrösserung der Intensität der Gasströmung und Schwierigkeiten bei der Erlangung einer hohen Temperatur des Plasmas auftreten.
Ausserdem gestatten die ovalen oder runden Querschnitt aufweisenden, die Wirbelströmung bewirkenden Kanäle nicht die Erlangung einer gleichmässigen Strömung des Wirbelgases und die gleichmässige Verteilung des Druckes, was eine schädliche Zündung des Plasmotrons an nicht in der Kathodenachse gelegenen Stellen, an denen geringerer Druck herrscht, zur Folge hat.
Durch die brit. Patentschrift Nr. 863, 189 ist auch ein Plasmagenerator bekanntgeworden, bei dem die Gaszufuhr in die die Elektrode umgebende zylindrische Gaskammer mittels eines ringförmigen Schlitzes erfolgt. Der Boden der Gaskammer ist eben und die zugespitzte Elektrode ragt etwas in die ebenfalls zylindrische Hauptdüse hinein. Bei dieser Konstruktion ist keine Verwirbelung der Stickstoffgase angestrebt vielmehr wird dort gleichsam eine Schürze um die Elektrode gebildet, die den Lichtbogen verengt und ihn entlang der Hauptdüse vorwärts treibt.
Das Plasmotron gemäss der Erfindung weist die weiter oben genannten Mängel nicht auf, ist einfach in der Konstruktion und in geringerem Masse einem Verschleiss ausgesetzt.
Erfindungsgemass ist ein Stickstoffplasmotron, das auf dem Prinzip der Stickstoffwirbelströmung arbeitet, mit einer an ihrem Ende konisch zulaufenden Elektrode (Kathode), die in einer Gaskammer angeordnet ist, von deren Boden eine zur Elektrode koaxiale Hauptdüse ausgeht, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gaszufuhr eine tangentiai zur Gaskammer angeordnete und einen senkrecht zur Gaskammerachse orientierten Austrittsschlitz aufweisende Düse vorgesehen ist, und dass der Boden der Gaskammer
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konisch geformt ist und mit dem konischen Ende der Elektrode einen zur Hauptdüse konisch verjüngten
Ringraum bildet, so dass eine Wirbelbewegung des Stickstoffes längs der Elektrode in Form einer band- förmigen Wirbelströmung mit stetig abnehmendem Radius stattfindet.
Die Wirbelbewegung des einge- pressten Stickstoffes wird durch die Anwendung der tangential zur Gaskammer des Plasmotrons angeordneten, aus Metall bestehenden geschlitzten Gasdüse erreicht. Der das Ende der Düse bildende rechtwin- kelige Schlitz erzeugt ein in der zur Achse der Gasströmung senkrechten Ebene horizontales Stickstoff- band, wodurch optimale aerodynamische Strömungsbedingungen mit maximalem Unterdruck längs der
Achse der Wolframeinlage erlangt werden.
Dies gewährleistet eine rechtmässige Zündung des Plasmotrons von der Mitte der Wolframeinlage.
Die Metalldüse und der in ihr ausgeführte Schlitz ist kleiner dimensioniert als es in einer aus kerami- schem Werkstoff hergestellten Düse möglich ist, wodurch in ihr eine geringere Strömungsintensität und infolgedessen eine höhere Temperatur des Plasmas bei unveränderten elektrischen Parametern erreicht wird. Die erzielte Verringerung der Strömungsintensität ermöglicht auch die Anwendung der gleichen
Plasmotrondüse zur Arbeit sowohl mit innerem als auch mit äusserem Bogen.
Die Konstruktion des Plasmotrons und dessen Arbeitsweise werden nun an Hand der Zeichnungen ge- schildert, in denen die Fig. 1 das Plasmotron im Längsschnitt, die Fig. 2 im Querschnitt längs der Li- nie A-A in Fig. 1 zeigt, die Fig. 3 veranschaulicht die Gasdüse in Frontansicht von der Richtung D, und die Fig. 4 den Wasserumlauf im Düsenkörper, im Schnitt längs der Linie C-B in Fig. 2
S ist die Gleichstromspeisevorrichtung, R ist der elektrische Widerstand, M ist die Aussen- anode, Z, und Z sind Anker, Bei der Arbeit des Plasmotrons mit Innenbogen befindet sich der An- ker Z in horizontaler Lage und der Anker Z ist geöffnet. Bei der Arbeit mit Aussenbogen befin- det sich der Anker Z in vertikaler Stellung und der Anker Z2 ist geschlossen.
Stickstoff wird zum Plasmotron mittels der Röhre 1 zugeführt, in der er zur auf der Höhe der
Rundung der Einfassung 5 der Kathode angebrachten Gasdüse 2 fliesst, die in einem tangential zum
Wandumfang der Gaskammer 3 orientierten rechtwinkeligen Schlitz 2' (Fig. 3) endet, wobei die längeren Seiten dieses Schlitzes senkrecht zur Achse der Gasströmung gelegen sind. In der Kammer 3 befindet sich eine Wolframeinlage 4, die in die Kupfereinfassung 5 eingelötet ist. Die tangentiale
Stickstoffzuführung unter einem Druck von 6 bis 7 atm bewirkt das Entstehen der Wirbelströmung im
Raum zwischen dem kegelförmigen Ende der Kammer 3 und der in ihr befindlichen abgerundeten ke- gelförmigen Einfassung 5.
Das Kühlwasser wird mittels der Leitung 6 zugeführt, in der sich innen ein elektrisches Kabel 7 befindet. Am Ende der Leitung 6 befindet sich ein mit Gewinde versehenes Endstück 8, in welches das Kabel 7 eingelötet ist. Das Endstück 8 der Leitung 6 ist in den Körper der Kathode 9 ein- geschraubt, an dessen Ende sich eine Röhre 10 befindet, die Wasser in das Innere der Einfassung 5 zuführt. Der Körper 9 der Kathode zusammen mit der Leitung 6 ist mit dem Nest 11 der Katho- de mittels einer Mutter 12 verbunden. Nach dem Austritt aus der Einfassung 5 fliesst das Wasser durch das Isolierstück 13 hindurch in den Körper 14 der Hauptdüse (Anode, Fig. 4).
Das durch den genannten Körper fliessende Wasser umspült die Hauptdüse 15 des Plasmotrons, wonach es in die Röh- re 16 fliesst und darauf durch das mit Gewinde versehene Endstück 17 in die Leitung 18, die das Wasser nach aussen führt.
Im Innern der Leitung befindet sich ein elektrisches Kabel 19, das in das Endstück 17 einge- lötet ist. Die Hauptdüse des Plasmotrons wird mittels einer Mutter 20 an den Körper angedrückt und mittels zweierGummidichtungen 21 abgedichtet. Der Kathodensatz ist mit zwei Dichtungen 22 ab- gedichtet.
Der Körper 14 der Hauptdüse ist vom Nest 11 der Kathode durch ein Zwischenstück 13 ge- trennt. Die den Stickstoff zuführende Röhre 1 sowie die Wasserzuleitung 16 führen durch die Plat- te 23, in die drei Röhren 24,25 und 26 eingeklebt sind. Das Isolierstück 13 wird von einer in dasselbe eingeklebten vernickelten Messingplatte 27 abgeschirmt, die es vor der Strahlung des elek- trischen Lichtbogens schützt.
Das Plasmotron ist mit einem Gehäuse versehen, das aus der Abschirmung 28 des Körpers der
Hauptdüse, dem kegelförmigen Ring 29 der Abschirmung der Speiseleitungen 30 und dem inner- halb des Gehäuses eingeklebte Isoliereinlagestück 31 besteht.