Plazmatron se stabilizací oblouku kapalinou

Oblast techniky

Vynález se týká plazmatronu se stabilizací oblouku kapalinou, ve kterém je stabilizační systém tvořen několika za sebou řazenými vírovými komorami, přičemž ve stěnách vírových komor jsou tangenciální otvory pro vstup kapaliny.

Dosavadní stav techniky

Vedle běžných využívaných plazmových hořáků se stabilizací oblouku proudícím plynem jsou pro některé plazmové technologie, zejména pro plazmové stříkání, používány hořáky se stabilizací oblouku kapalinou (v dosud užívaných provedeních vodou). Tyto hořáky vykazují v některých aplikacích unikátní vlastnosti, které souvisejí s vysokými teplotami a rychlostmi plazmatu, generovaného ve vodou stabilizovaném oblouku. Většímu rozšíření hořáků brání některé dále popsané nevýhody, které se v dosavadních provedeních plazmatronu nepodařilo vyřešit. U dosud známých plazmových hořáků, stabilizovaných kapalinou, je oblouk, hořící mezi elektrodami, stabilizován kontaktem s vnitřní stěnou víru kapaliny, který je vytvořen ve stabilizační komoře s tangenciálním vstřikem kapaliny. Pro dosažení vyšších výkonů plazmatronu je nutné, aby část sloupce oblouku, která je v kontaktu s kapalinou, byla dostatečně dlouhá. Při zvětšování délky víru však roste jeho nestabilita vlivem ztráty rychlosti rotace kapaliny třením o stěny a vlivem působení zvýšeného tlaku v obloukovém prostoru. U dosud známých řešení je proto vír kapaliny rozdělen na několik sekcí, oddělených od sebe přepážkami s centrálními otvory, které vymezují vnitřní poloměr víru. Kapalina je přiváděna odděleně do každé sekce. Stabilizační kapalina je odsávána v jednom nebo několika místech podél stabilizačního kanálu, většinou na jeho počátku u vnitřní elektrody (katody) a na jeho konci u výstupní trysky. Je popsáno několik řešení systému přepážek, které mají zajistit stabilní vír kapaliny a tím stabilní hoření oblouku a požadované parametry generovaného proudu plazmatu (CS patent 232421, CS PV 539-90).

Základním problémem všech dosavadních řešení je fakt, že jednotlivými sekcemi protéká i kapalina ze sousedních sekcí, poloměr stabilizačního kanálu nelze potom přesně řídit, navíc je rozdělení proudu kapaliny do jednotlivých odsávacích míst ovlivněno i interakcí s obloukem a vír je proto nestabilní. Tento problém není odstraněn ani u těch řešení, kdy rozvod kapaliny do sekcí je kontrolován řízenými ventily (USA patent č. 3,712,996). I u těchto řešení může vlivem interakce víru kapaliny s obloukem docházet ke změnám rozdělení směru proudění kapaliny, které zpětnou vazbou vyvolává další nestability oblouku. Snaha o dosažení stabilního poloměru víru vedla k zavádění vnitřních válcových trysek, jejichž vnitřní sténaje pokryta slabou vrstvou rotující kapaliny. Vlivem ztráty rychlosti rotace kapaliny na stěnách těchto trysek jsou však i tyto systémy nestabilní. Nevýhodou dosavadních řešení je i umístění odsávacích míst na počátek a konec kanálu u katody a u výstupní trysky. To vede k nestabilitám intenzity chlazení katody a zejména k nestabilitám tlaku ve výstupní trysce, vedoucím k fluktuacím generovaného proudu plazmatu.

Dalším zdrojem fluktuací a nestabilit je posun vnitřní elektrody (katody), kterým je u stávajících řešení kompenzován úbytek elektrody vlivem její silné eroze v plazmatu, obsahujícím kyslík. Nevýhodou je rovněž poměrně rychlá spotřeba katody během provozu plazmatronu. Doba kontinuálního provozuje omezena životností této elektrody.

- 1 CZ 283616 B6

Dalším problémem vodou stabilizovaných plazmatronů je eroze anody v plazmatu, obsahujícím kyslík. Eroze je redukována zajištěním dostatečně rychlého pohybu paty oblouku po povrchu anody. Dosavadní řešení využívají vnější anodu ve formě rotujícího disku. Nevýhodou těchto řešení je zejména nutnost vybavit plazmatron pohonem anody a systémem pro vnitřní chlazení rotujícího disku anody. Manipulace s plazmatronem je potom stižena navíc je znesnadněno připojení plazmatronů na uzavřenou reakční komoru, které je nutné pro některé aplikace.

Podstata vynálezu

Nevýhody a nedostatky dosud používaných konstrukčních řešení kapalinou stabilizovaných plazmových hořáků odstraňuje řešení podle vynálezu. Předmětem vynálezu je plazmatron se stabilizací oblouku kapalinou, ve kterém je stabilizační systém tvořen několika za sebou řazenými vírovými komorami s otvory pro tangenciální vstřik kapaliny, u něhož jsou podle vynálezu mezi vírovými komorami umístěny odsávací štěrbiny. Odsávací štěrbiny mohou být též umístěny na začátku a na konci stabilizačního kanálu. Obloukový sloupec je podle vynálezu stabilizován sérií za sebou řazených vírů kapaliny, u kterých je zajištěn vstup i odsávání kapaliny nezávisle na ostatních vírech. Kapalina z každého víru odtéká odsávacími štěrbinami, sousedícími s daným vírem, nezávisle na proudění v ostatních vírových komorách, vlivem odstředivé síly, působící na rotující kapalinu. Každá vírová komora je oddělena od sousední odsávací štěrbiny přepážkou se středovým otvorem, vymezujícím vnitřní poloměr víru. Při tomto uspořádání je možno volit přepážky dostatečně tenké, aby nedocházelo ke ztrátám rychlosti rotace kapaliny třením. Ve stěnách vírových komor jsou tangenciální otvory pro vstup kapaliny. Ve vírových komorách je při dostatečném vstupním tlaku kapaliny zajištěn konstantní a stabilní poloměr víru, navíc může být poloměr víru v jednotlivých komorách podle potřeby odstupňován.

Na rozdíl od dosavadních řešení se podél stabilizační komory pravidelně střídají vírové komory s odsávacími štěrbinami, kterými odtéká kapalina, tvořící sousední víry. Tím je zaručeno, že ve všech místech protéká přesně určené množství kapaliny, které není ovlivněno tlakem v plazmatu v daném místě. Výhoda navrženého řešení spočívá rovněž v tom, že vytvoření stabilních vírů podél oblouku je zabezpečeno pouze dostatečně velkým tlakem na vstupu do vírových komor a dostatečným výkonem odsávání z odsávacího potrubí, není nutná regulace ani vstupního ani výstupního tlaku, ani jejich vzájemná vazba. Na základě tohoto řešení je možno vytvořit dlouhé stabilizační kanály a dosáhnout tak při dané hodnotě proudu obloukem vyšších výkonů plazmatronů. Vynález rovněž řeší problém stability vodního víru u katody a u výstupní trysky, kde jsou podle vynálezu umístěny vírové komory.

Pro ochranu katody před atmosférou s obsahem kyslíku, která je vytvořena ve stabilizačním kanálu a která vede k silné erozi a ubývání katody, může být s výhodou u katody vytvořen prostor s ochrannou atmosférou plynu, ve kterém je eroze katody minimalizována. Tento prostor je od stabilizačního systému oddělen pomocnou tryskou. Typickým příkladem je použití argonové atmosféry pro katodu W-Th. Další možností je použití známého řešení s grafitovou katodou s posunem, kompenzujícím její úbytek erozí. Konec katody je potom podle vynálezu umístěn ve vírové komoře. Rozměr přepážky mezi touto vírovou komorou a sousední odsávací štěrbinou je volen tak, aby v odsávací štěrbině byl změněn průměr víru z rozměru u katody na rozměr, odpovídající stabilizačnímu kanálu.

Plazmatron může být vybaven buď známou rotační anodou ve formě disku, nebo anodou podle tohoto vynálezu ve formě výstupní trysky s vnitřním chlazením. Anoda podle vynálezu, tvořená výstupní tryskou, je umístěna od osy solenoidu, který vytváří v dutině anody axiální magnetické pole, uvádějící patu oblouku do rotačního pohybu po vnitřní stěně anody.

-2 CZ 283616 B6

Přehled obrázků na výkresu

Vynález je blíže znázorněn na výkresu, kde obr. 1, představuje příklad konstrukce plazmatronu s vodní stabilizací s anodou ve formě výstupní trysky a s katodou, umístěnou v komoře 5 s ochrannou atmosférou, obr. 2 znázorňuje anodovou část plazmatronu při použití známé rotující diskové anody, a na obr. 3 je konstrukční řešení katodového uzlu při použití spotřebovávané tyčové katody.

io Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 jsou tri vírové komory 1 odděleny přepážkami 3 od dvou odsávacích štěrbin 2 umístěných po obou stranách střední vírové komory. Tyto tři vírové komory 1 a dvě odsávací štěrbiny 2 tvoří stabilizační kanál plazmatu. Do vírových komor 1 je vstřikována tangenciálně 15 voda otvory ve stěně na jejich vnějším obvodu. V důsledku rotace kapaliny se ve vírových komorách vytvoří vír s vnitřním poloměrem, vymezeným přepážkami 3. Působením odstředivé síly přetéká voda otvory v přepážkách 3 do odsávacích štěrbin 2, odkud je odčerpávána. Prostor u katody 6 je oddělen pomocnou tryskou 5 od zadní vírové komory. Do prostoru u katody je přiváděn ochranný plyn otvory, umístěnými u zadního konce trysky 5. Ochranný plyn proudí 20 kolem katody do stabilizačního kanálu, ke je částečně odčerpán odsávacími štěrbinami a částečně vstupuje do plazmatu oblouku, hořícího mezi hrotem katody a vnitřním povrchem anody. Výstupní tryska 7 je od přední vírové komory oddělena přepážkou 4, která zamezuje výtoku vody ze stabilizačního kanálu. Vodou chlazená výstupní tryska 7 tvoří zároveň anodu plazmatronu. Tryska 7 je umístěna vose solenoidu, který generuje axiální magnetické pole pro 25 zajištění rotace paty oblouku a redukci eroze anody.

Plazmatron může být alternativně vybaven i vnější rotující diskovou anodou podle dosud známých řešení. Příklad konstrukčního řešení výstupní trysky a anody podle vynálezu je uveden na obr. 2, kde 8 je disková anoda a 7 výstupní tryska.

Příklad řešení katodového uzlu při použití grafitové spotřebovávané katody je na obr. 3, kde 11 je katoda, 12 vírová komora, 9 přepážka, uzavírající vodou chlazenou část plazmatronu 10 přepážka, vymezující rozměr víru u katody, 3 přepážky, vymezující rozměr víru ve stabilizačním kanálu.

Průmyslová využitelnost

Plazmatron podle vynálezu je využitelný pro generování proudu termického plazmatu s vysokou 40 teplotou a rychlostí. Takto generované plazma je užíváno pro různé plazmové technologie, především pro vytváření ochranných vrstev plazmovým stříkáním, dále pro plazmové řezání a pro rozklad a likvidaci chemicky stálých škodlivých látek.