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Plasmagenerator mit magnetischer Fokussierung und mit zusätzlichem Gaseinlass
Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmagenerator, der unter Verwendung eines magnetischen Feldes und eines, ausserhalb einer Düse eingelassenen zusätzlichen Wirbelluftstrahles einen sich innerhalb und ausserhalb des Generators drehenden konzentrierten Plasmalichtbogen erzeugt, welcher sowohl für das Schneiden von Metallen, als auch für Schweissungen, Auftragsschweissungen, Metallisierungen, chemische Reaktionen, bei Gleichstrom-oder Wechselstromspeisung eingesetzt werden kann, wobei als ionisierendes Mittel Druckluft, Stickstoff oder andere Gasgemische verwendet werden.
Es sind zahlreiche Typen von für das Schneiden von Metallen, für Auftragsschweissungen oder für Metallisierungen verwendeten Plasmageneratoren bekannt, u. zw. mit oder ohne übertragenen Lichtbogen. Diese Generatoren weisen den Nachteil auf, dass bei Anordnungen mit übertragenem Bogen sauerstoffreie Gase verwendet werden müssen oder dass gleichzeitig auch ein träges Gas, wie z. B. Argon, als Kathodenschutz erforderlich ist. Aus diesem Grunde sind die bekannten Verfahren für das Schneiden von Metallen, für Auftragsschweissungen oder für Metallisierungen weniger wirtschaftlich, erfordern infolge der geringen Konzentration des Plasmabogens, vor allem beim Schneiden von Metallen, einen höheren Verbrauch elektrischer Energie und weisen daher einen geringeren Wirkungsgrad und eine geringere Leistungsfähigkeit auf.
Es sind ferner Plasmageneratoren mit magnetischer Fokussierung bekannt, bei welchen das magnetische Feld von Spulen erzeugt wird, die entweder auf dem Generatorgehäuse über der Brennkammer oder am Ausgang der Düse angeordnet sind. Diese Geräte weisen den Nachteil auf, dass infolge der Streuung des magnetischen Flusses und infolge des Fehlens von Feldverdichtern (Feldkonzentratoren) nur ein geringer Fokussierungswirkungsgrad erzielt wird und dass, infolge der Anordnung der Spule am Ausgang der Düse kein Elektrodenschutz besteht.
Es sind weiters mit Einphasen-Wechselstrom gespeiste Plasmageneratoren bekannt, deren Nachteil in der Unbeständigkeit des elektrischen Lichtbogens besteht, aus welchem Grund im Lichtbogenkreis der ständige Einsatz eines Hochfrequenzschwingers, mit Hochspannungsimpulsen erforderlich ist. Diese Generatoren belasten das Verteilnetz in asymmetrischer Weise und können nicht als Geräte mit übertragenem Bogen verwendet werden.
Die Drehstromplasmageneratoren erfordern die Verwendung von zwei oder drei Elektroden, aus welchem Grund das verwendete Gas sauerstofffrei sein muss und das erzielte Plasma nur einen geringen lonisierungsgrad aufweist. Ferner arbeiten solche Anlagen, hauptsächlich wenn sie für chemische Reaktionen eingesetzt werden, mit verhältnismässig geringem Wirkungsgrad. Die Anordnung der Elektroden in verschiedenen Achsen, die nicht mit jener der Düse übereinstimmen können, bedingt eine begrenzte, von der Düse hervorgerufene Drosselung, so dass sich auch ein geringer Konzentrationsgrad des auf diese Weise erzielten thermischen Plasmas ergibt.
Solche Generatoren können nicht für Schweissungen, Auftragsschweissungen oder Metallisierungen verwendet werden und sind für besondere
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Zwecke, insbesondere für gewisse chemische Reaktionen bestimmt, wobei sie durch einen geringen
Wirkungsgrad und durch einen raschen Verschleiss der Elektroden gekennzeichnet sind.
Die Erfindung sucht die oben angeführten Nachteile zu vermeiden und besteht im wesentlichen darin, dass sowohl eine Spule, durch welche der gesamte Düsenstrom fliesst, als auch ein in der Zone des
Plasmabogens angeordneter magnetischer Kern angeordnet sind, welche die Drehung des ausserhalb der
Düse befindlichen Lichtbogens und des Gasstrahles bewirken, dass in einem zu dieser Drehung entgegengesetzten Sinne ausserhalb der Düse ein Gas durch schraubenförmige oder gerade Kanäle, die auf der Seitenfläche der Düse und eines Spannringes vorgesehen sind, eingeführt wird, wobei diese
Drehung zum Zwecke der Erzeugung eines Unterdruckes in der die Düse umgebenden Zone, eingesetzt ist,
und dass zum Schutz der nicht der Abnutzung unterworfenen Elektrode und für die Erzeugung eines Unterdruckes in einer diese Elektrode umgebenden Zone eine zweite Spule und ein zweiter magnetischer Kern vorgesehen sind. Infolge der Einwirkung eines von zwei Wicklungen und einigen magnetischen Kernen erzeugten magnetischen Feldes und infolge der in eine ausserhalb der Düse befindliche Zone erfolgenden Einspritzung eines Wirbelluftstrahles wird die Verwendung der Luft als
Ionisierungsgas ermöglicht, wobei eine hohe Konzentration des Plasmabogens erzielt wird, welcher
Plasmabogen gleichzeitig auch in eine sowohl im Inneren, als auch im Äusseren der Düse stattfindende
Drehung versetzt wird.
Gleichzeitig mit der Einspritzung eines Luftstrahles, in eine ausserhalb der Düse befindliche Zone, können auch andere Gase in beliebigem Verhältnis zwecks Erhöhung des Wärmeinhaltes (der Enthalpie) in die Zone des Plasmabogens eingeführt werden, wodurch die Leistungsfähigkeit des Verfahrens in wesentlicher Weise erhöht, der Energieverbrauch herabgesetzt wird und die Verwendung von Luft an
Stelle anderer Gase die wirtschaftliche Wirksamkeit des Verfahrens erhöht.
Gemäss einer abgewandelten Ausführungsform kann der erfindungsgemässe Generator auch mit
Wechselstrom oder Drehstrom gespeist werden, wobei eine einzige Elektrode und eine oder zwei von einander isolierte Düsen, die in der geometrischen Achse des Generators angeordnet sind und an je eine
Phase des Drehstromsystems angeschlossen sind, vorgesehen sind. Dabei können Sauerstoff enthaltende
Gasgemische verwendet werden, ohne einen Elektrodenverschleiss zu bewirken.
Der erfindungsgemässe Plasmagenerator weist zahlreiche Vorteile auf. Vor allem wird infolge der Konzentrierung des Lichtbogens und dessen innerhalb und ausserhalb der Düse stattfindenden Drehung in einem der Gasströmung entgegengesetztem Sinne ein sehr hoher Wirkungsgrad und eine sehr grosse Leistungsfähigkeit des Generators erzielt.
Infolge der Drehung des Lichtbogens und des Gasstrahles und infolge des dadurch in der Kathodenzone erzeugten Vakuums, sowie durch die teilweise Entfernung einer Gasmenge in der Höhe der Elektrode ohne dass diese Gasmenge durch den Düsenkanal strömt, kann der Generator als Arbeitsgas Luft oder Gasgemische mit hohem Sauerstoffgehalt verwenden, ohne träge Gase für den Kathodenschutz zu erfordern, wobei die Wiedergewinnung des Arbeitsgases durch dessen Wiedereinführung in die ausserhalb der Düse befindliche Entladungszone zur Wirtschaftlichkeit des Schneid-, Schweiss-oder Metallisierungs-Vorganges beiträgt. Durch die Verwendung einer Gasmenge für die Kühlung der Elektrode und durch das zur gleichen Zeit erzeugte hohe Vakuum in der Kathodenzone, sowie durch die Wiederverwendung der gleichen Gasmenge ausserhalb der Düse,
wo die gleiche Kühlung und der gleiche Unterdruck bewirkt wird, kann der Kühlwasserbedarf teilweise herabgesetzt oder es kann gänzlich darauf verzichtet werden.
Ausserdem ermöglicht die Einführung von Gasgemengen ausserhalb der Düse in beliebigem Verhältnis eine Erhöhung der Enthalpie des Plasmabogens bzw. die Abgabe der gespeicherten Energie in die Schneid-, Schweiss-oder Metallisierungszone und somit ausser einer Erhöhung des Wirkungsgrades auch ein viel besseres Eindringen in das Grundmetall bzw. beim Schneiden von Metallen die Verwendung des Generators für das Schneiden von Blechen grösserer Dicke. Durch die Einführung von Gasgemischen in eine ausserhalb der Düse befindlichen Zone und durch die vermittels einer in Reihe geschalteten Spule bewirkte elektromagnetische Drehung des ausserhalb der Düse befindlichen Lichtbogens wird ein Unterdruck erzeugt und eine intensive örtliche Kühlung der Düse erzielt und es wird ferner eine ausgeprägte Konzentration des Lichtbogens herbeigeführt.
Durch die Verwendung der in Reihe geschalteten Spule wird weiters bei der Verwendung der Anordnung mit übertragenem Bogen die Möglichkeit der Bildung eines sekundären Bogens zwischen Düse und Platte vollkommen ausgeschlossen.
Der erfindungsgemässe Generator kann auch für Speisung mit Ein-oder Zweiphasen-oder mit Drehstrom und ohne jede Konstruktionsänderung, sowohl für Schweissung, als auch für Metallisierungen oder für Auftragsschweissungen unter Verwendung des entsprechenden Gasgemisches verwendet werden.
In den Zeichnungen ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen schematisch erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den erfmdungsgemässen Plasmagenerator und Fig. 2 eine Seitenansicht in Richtung des Pfeiles-C-. Fig. 3 stellt einen Schnitt nach der Linie A-A, Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie B-B und Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie D-D der Fig. l dar. Fig. 6 zeigt das Betriebsschema für Drehstromanspeisung.
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Baumwollblättern hergestellt ist, elektrisch isoliert sind, ein elektrischer Lichtbogen erzeugt. Die Luft oder ein anderes Gasgemisch-Qp--wird durch einen Stutzen--5--in eine Ausgleichskammer - -6-- eingeführt.
Unter Verwendung schraubenförmiger, im oberen Teil eines Elektrodenhalters --7a-- vorgesehener Kanäle wird das Gas in eine Dreh-Wirbelbewegung versetzt, deren Geschwindigkeit um so grösser ist, je kleiner der Durchmesser des unteren Kegels des Elektrodenhalters ist.
Nachdem die Geschwindigkeit am unteren Ende im Raum zwischen dem keramischen Isolator - und dem Kegel des Elektrodenhalters--7b--einen Höchstwert erreicht, folgt eine
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von Windungen --10-- und einem Kern --11-- erzeugtes Feld überlagert ist, wird in der Zone der Elektrode ein hohes Vakuum erzeugt, welches einen Oxydationsschutz der Elektrode bewirkt.
Infolge der Drehung des Plasmabogens und des Plasmastrahles, sowie unter der Einwirkung des kräftigen magnetischen Feldes, das in der äusseren Zone von den Windungen-10--, durch welche der Gesamtstrom der Düse fliesst, erzeugt wird, entsteht auch ausserhalb der Düse ein Unterdruck. In diesen Unterdruckkegel wird durch einen Stutzen --12-- ein Luftstrahl oder ein Strahl eines beliebigen andern Gasgemisches (Metangas, Wasserstoff usw. ) eingeführt, wobei infolge der Einwirkung der in der Düse--2--im Raum zwischen der Düse und einem Kupferring --13-- vorgesehenen
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wird, und anderseits des Wirbelluftstrahles bzw. Wirbelgasstrahles wird der elektrische Lichtbogen in besonderer Weise zwischen der Elektrode--l--und dem zu bearbeitenden Werkstück--P-- konzentriert.
Ferner bewirkt die äusserst hohe Drehgeschwindigkeit des elektrischen Lichtbogens und des Plasmastrahles, welche auch die neutralen Gasteilchen in den gesamten Raum der elektrischen Entladung mitreisst, eine Erhöhung des Vakuums in der Elektrodenzone, wodurch ein Oxydationsschutz der Elektrode erzielt wird.
Die wechselseitige Einwirkung einerseits der von den Windungen des unteren Generatorteiles erzeugten elektromagnetischen Kräfte und anderseits der von der Wirbelbewegung der äusseren Luft hervorgerufenen mechanischen Kräfte bewirkt, dass der elektrische Lichtbogen auch ausserhalb der Düse seine Drehbewegung beibehält und in der geometrischen Achse des Generators verbleibt.
Diese Drehbewegung des Lichtbogens bewirkt nun, dass die Teilchen der äusseren Zonen des Lichtbogens über eine hohe kinetische Energie verfügen, was eine wesentliche Beseitigung des erschmolzenen Metalls aus der Trennzone bewirkt, ohne zu diesem Zweck einen axialen Gasstrahl einzusetzen, wie dies bei den bekannten Plasmageneratoren üblich ist, die aus diesem Grund eine grössere Gasdurchflussmenge benötigen.
Die Wechselwirkung zwischen den beiden magnetischen Feldern und den elektrischen Teilchen der Lichtbogenzone bewirkt nicht nur die oben erwähnte Konzentrierung des elektrischen Lichtbogens, sondern sie verursacht ferner, dass der elektrische Lichtbogen seine Lage in der geometrischen Achse des Generators beibehält u. zw. sowohl innerhalb als auch ausserhalb der Düse, nach dem Austreten des Strahles aus der Düse, was in wesentlicher Weise zum Eindringen des Strahles in das zu bearbeitende Metall beiträgt, ohne dass zu diesem Zweck noch mechanische Massnahmen für die Zentrierung der Elektrode oder für die Zentrierung der Düse in bezug auf die Generatorachse erforderlich wären.
Die Elektrode-l-wird in ausreichender Weise sowohl von dem eine Wirbelbewegung ausführenden Gas als auch vom Kühlwasser gekühlt, wobei das Kühlwasser in den Elektrodenhalter --7-- durch einen Stutzen --14-- eingeführt und durch einen andern Stutzen --15-- wieder abgeführt wird (Fig. 3). Durch den gleichen Stutzen --15-- wird auch der Generator, über ein in ein Wasserrohr-17--eingeführtes Kabel-16-mit elektrischer Energie gespeist (Fig. 5). Infolge der
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kegeligen Ausbildung des unteren Teiles des Elektrodenhalters --7-- (Fig. 1) wird die Wolframelektrode bis zum Stand des Kathodenfleckes gekühlt und ist auf diese Weise auch gegen die Oxydierung geschützt.
Da demgemäss die Oxydationswirkung nur geringfügig ist und da einerseits im Arbeitsgas, als welches auch Luft verwendet werden kann, ein Unterdruck besteht und anderseits eine gründliche Kühlung des Elektrodenhalters stattfindet, ist der erfindungsgemässe Generator mit schraubenförmigen, zwischen den Isolatoren-3 und 4-und einem Teil-18-der Düse vorgesehenen Kanälen-b-für die Entfernung eines Teiles der Gasmenge-Qp-versehen.
Das aus dem Entladungsraum von einem Ejektor--19--abgesaugte Gas-QE--wird, bevor es für die Ionisierung eingesetzt wird, zusammen mit der aus dem Aussenraum eingeführten Luft --Qs-- oder dem entsprechenden Gasgemisch, wieder durch den Stutzen--12--in den unteren Teil eingeführt und trägt auf diese Weise sowohl zu einer zusätzlichen Kühlung der Düse-2-als auch zur Konzentration des Lichtbogens ausserhalb der Düse, ferner zur Drehbewegung des Lichtbogens und schliesslich zur Erhöhung der Enthalpie des Plasmas, nach dessen Austritt aus der Düse bei.
Durch den Stutzen--19a--des Ejektors--19--wird die Luft oder das Gasgemisch - unter Druck eingeführt, welches in der Kammer des Ejektors --19-- einen Unterdruck bewirkt. Dadurch wird ein Teil der durch den Stutzen --5-- eingeführten Gasmenge --Qs-- über die Kanäle--b--in die Kammer des Ejektors--19--gesaugt. Das angesaugte Gas-QE--dringt aus der Kammer des Ejektors--19--in den Stutzen --12- ein, wo es sich mit Luft oder dem Gasgemisch--Qs--vermischt.
Infolge der kegelförmigen Ausbildung des Innenraumes des Stutzens -19a-- wird die Geschwindigkeit der Luft oder des Gasgemisches--Qs--vergrössert, so dass sich in der Kammer des Ejektors -19-- ein Unterdruck bildet. Das Gasgemisch, welches aus dem Gas --QE-- und der Luft oder dem Gasgemisch-Qs-besteht, wird durch den Stutzen --12-- in die zwischen der Düse--2--und dem Kupferring --13-- befindlichen Kanälen --a-- eingeführt.
Die Düse wird in unmittelbarer Weise von dem durch die Stutzen--20 und 21-- fliessenden Wasser gekühlt (Fig. 4).
Die Versorgung mit elektrischer Energie erfolgt über das Kabel--22-- (Fig. l), das Zwischenstück--23a--und die nichtisolierten Kupferband-Windungen der in Reihe geschalteten Spulenwicklung--10--. Die Windungen der Spule --10-- werden durch eine Schraube--23b- mit dem Teil--18--der Düse verbunden.
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Für die Abdichtung zwischen den zwei Teilen des Elektrodenhalters--7a, 7b--sind Gummidichtungen--26 und 27--vorgesehen, welche mit einer Schraubenmutter--28angezogen werden. Da die Abnutzung der Elektrode äusserst geringfügig ist, sind keinerlei Vorschubvorrichtungen erforderlich. Zweckmässig wird eine kalibrierte Elektrode verwendet, die in der gewünschten Lage lediglich durch Druckklemmung in dem zu diesem Zweck im unteren Teil des Elektrodenhalters vorgesehenen Sitz befestigt werden kann.
Falls der Plasmagenerator für Schweissverbindungen oder für Auftragsschweissungen bestimmt ist, wird an Stelle der Elektrode ein Schweissdraht verwendet, der von aussen in eine Vorschubbewegung versetzt wird.
Dies wird durch die von den zwei magnetischen Feldern bewirkte elektromagnetische Zentrierung des Lichtbogens und des Plasmastrahles ermöglicht.
Der Wirkungsgrad der Schweissarbeiten oder der Auftragsschweissungen wird auch durch die Drehung des oberen Teiles des Lichtbogens in der Kathodenzone wesentlich erhöht, wobei die oben erwähnte Drehung infolge des von der in Reihe geschalteten Spule erzeugten Feldes jener innerhalb der Düse stattfindenden Drehung entgegengesetzt ist.
Diese zwei im entgegengesetzten Sinne stattfindenden Drehungen, einerseits des Lichtbogens innerhalb der Düse und des Plasmastrahles ausserhalb der Düse, und auch jene des Gases innerhalb und ausserhalb der Düse, bewirken einen Wärmeaustausch mit sehr hohem Wirkungsgrad, was dazu beiträgt, dass die gesamte eingeführte Gasmenge ionisiert wird.
Bei der Verwendung des Generators für Metallisierungen, wird das Metall-oder das keramische Pulver gleichzeitig mit dem Arbeitsgas durch den Stutzen --12-- eingeführt. In diesem Fall werden die auf der Aussenwand der Düse --2-- angeordneten Kanäle nach den Erzeugenden des Kegels ausgerichtet. In allen Fällen kann der Generator mit oder ohne übertragenen Bogen arbeiten.
Infolge der äusserst grossen Drehgeschwindigkeit des Gases und der durch die ausserhalb der Düse stattfindenden Drehung des Plasmastrahles und des elektrischen Lichtbogens bewirkten Kühlung der Düse --2-- kann der erfindungsgemässe Generator auch in Wechselstrom-Ein-und
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Mehrphasensystemen verwendet werden.
Eine solche Speisung des erfindungsgemässen Plasmagenerators wird nun im folgenden an Hand der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform beschrieben.
Der erfindungsgemässe Generator ermöglicht das Zünden und den stabilen Bestand eines elektrischen Lichtbogens--c--zwischen einer Elektrode --29-- und einer Douse--30--, ferner eines elektrischen Lichtbogens--d--zwischen der Elektrode --29-- und einer Düse --31-- und schliesslich eines Lichtbogens--e--zwischen den Düsen--30 und 31--, wobei die erwähnten Lichtbögen in der Reihenfolge der Phasen auftreten, und eine gleiche Richtung der Lichtbogenströme durch die Potentiale der Elektroden bzw. der zwei Düsen bestimmt wird.
Infolge der Drehung der Lichtbögen und der grossen Geschwindigkeit der Gasströmung findet eine ständige Änderung des Düsenanodenfleckes statt, während die Lage des Kathodenfleckes auf der Elektrode--29-unverändert beibehalten wird und die Elektronenemission bewirkt, wobei, so lange das Potential der Elektrode negativer als jenes der zwei Düsen ist, auch eine Beschleunigung der Elektronen in der ionisierten Zone der beiden Lichtbögen--c und d--stattfindet und folglich auch der Bestand der entsprechenden Ströme ermöglicht wird.
Die ausgiebige Kühlung der zwei Düsen, die auch durch die Drehung der zwei Lichtbögen bewirkt wird, verhindert eine Beschädigung der Düsen.
Die Einwirkungen der elektromagnetischen Drehung sowie jener des in der Elektrodenzone und der Zone der ersten Düse erzeugten Vakuums sind ähnlich den bereits bei der ersten Ausführungsform beschriebenen.
Auf Grund dieser Überlegungen ist ersichtlich, dass bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform die Düsen--30 und 31--nacheinander als Kathoden arbeiten können, ohne dabei Beschädigungen zu erleiden und derart einen ständigen stabilen Bestand der Lichtbögen ermöglichen. Da durch die in Reihe geschaltete Spule-32 bzw. 33-der Strom der entsprechenden Düse fliesst, ändert sich gleichzeitig mit der Richtung des Stromes auch die Richtung des magnetischen Feldes, so dass die Wechselwirkung zwischen magnetischem Feld und elektrischem Lichtbogen die Beibehaltung des gleichen Drehsinnes des Lichtbogens bewirkt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Plasmagenerator mit magnetischer Fokussierung und mit Einlass von zusätzlichem Gas in eine
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(10), durch welche der gesamte elektrische Düsenstrom fliesst, als auch ein in der Zone des Plasmabogens angeordneter magnetischer Kern (11) angeordnet sind, welche die Drehung des ausserhalb der Düse befindlichen Lichtbogens und des Gasstrahles bewirken, in einem zu dieser Drehung entgegengesetzten Sinne ausserhalb der Düse ein Gas durch schraubenförmige oder gerade Kanäle, die auf der Seitenfläche der Düse (2) und eines Kupferringes (13) vorgesehen sind, eingeführt wird, wobei diese Drehung zum Zwecke der Erzeugung eines Unterdruckes in der die Düse umgebenden Zone, eingesetzt ist, und dass zum Schutz der Elektrode (1)
und für die Erzeugung eines Unterdruckes in einer diese Elektrode umgebenden Zone eine zweite Spule (8) und ein zweiter magnetischer Kern (9) vorgesehen sind.
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