DD152457A1

DD152457A1 - ANODENBLOCK WITH HIGH-TEMPERATURE-RESISTANT USE FOR FLUKTUATION ARMS PLASMATRONS

Info

Publication number: DD152457A1
Application number: DD22315480A
Authority: DD
Inventors: Erhard Hayess
Original assignee: Erhard Hayess
Priority date: 1980-08-06
Filing date: 1980-08-06
Publication date: 1981-11-25

Abstract

Ziel der Erfindung ist die Vermeidung von Bogenfluktuationen in der Hohlanode von Plasmatrons, die Aufgabe besteht in der Entwicklung einer fluktuationsarmen Anodenblockanordnung mit hochtemperaturbestaendigem Einsatz. Die Aufgabe wird durch die besondere Gestaltung des Kuehlkanals im Anodenblock geloest, wodurch in einem schmalen Bereich der Hohlanode sich eine hoehere Temperatur einstellt als auf der uebrigen Flaeche. Der heissere Bereich ist bevorzugte Ansatzflaeche fuer den Bogen.The aim of the invention is the avoidance of Bogenfluctuationen in the hollow anode of Plasmatrons, the object is the development of a low-fluctuation anode block assembly with high-temperature-resistant use. The problem is solved by the special design of the cooling channel in the anode block, which sets in a narrow range of the hollow anode to a higher temperature than on the rest of the area. The hotter area is the preferred area for the bow.

Description

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Anodenblock mit hochtemperaturf estern Einsatz für fluktuationsarme PlasmatronsAnode block with high-temperature fibers Use for low-fluctuation plasmatrons

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft die Gestaltung des Anodenblocks von Gleichstromplasmatrons mit dem Ziel der Vermeidung von Bogenspannungsfluktuatiohen als Voraussetzung für einen zeitlich stationären Plasmastrahl, wie er für diagnostische Zwecke oder eine genaue Steuerung von Parametern der plasmachemischen Umsetzung benötigt wird. Plasmatrons mit fluktuationsarmem Anodenblock werden in der Spektroskopie, der Plasmachemie und der Plasmaforschung angewendet· Der Gegenstand der Erfindung führt zu einer höheren Leistungsfähigkeit der Plasmatrons sowie zu einer höheren Haltbarkeit bei Überlastung und einer erhöhten Lebensdauer·The invention relates to the design of the anode block of Gleichstromplasmatrons with the aim of avoiding Bogenspannungsfluktuatiohen as a prerequisite for a temporally stationary plasma jet, as it is needed for diagnostic purposes or precise control of parameters of plasmachemic implementation. Plasmatrons with a low-fluctuation anode block are used in spectroscopy, plasma chemistry and plasma research. The subject of the invention leads to a higher performance of the plasmatrons as well as to a higher durability under overload and an increased lifetime.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Bei Plasmatrons höherer Leistung wird die Anode besonders stark beansprucht, weil der Brennfleck des Bogens an einer kleinen Fläche der Anode ansetzt und durch Überhitzung das Metall an dieser Stelle verdampft· Dadurch wird die Anode in kurzer Zeit zerstört. Nach dem Stand der Technik ist bekannt, daß diese Anodenerosion weitgehend dadurch verhindert wird, daß der Anodenblock einen Einsatz aus hoch-In Plasmatrons higher power, the anode is particularly stressed because the focal spot of the arc attaches to a small area of the anode and by overheating the metal evaporates at this point · This destroys the anode in a short time. It is known in the prior art that this erosion of the anode is largely prevented by the anode block having an insert of high

temperaturbeständigem Metall erhält, der Block selbst intensiv gekühlt und der Brennfleck auf dem Anodeneinsatz durch äußere Mittel, wie Magnetfelder, Gaswirbel o.a. in schnelle Bewegung versetzt wird. Nachteilig sind die dabei auftreteneden Bogenspannungsfluktuationen, die zu zeitlich schwankenden Werten der Bogenleistung wie auch der Plasmastrahlleistung führen.temperature-resistant metal receives, the block itself intensively cooled and the focal spot on the anode insert by external means, such as magnetic fields, gas vortex o.a. is set in rapid motion. Disadvantages are the sheet-tension fluctuations that occur in the process, which lead to time-varying values of the sheet power as well as the plasma jet power.

Die axiale Bewegung des Anodenbrennflecks kann praktisch unterbunden wie auch die Anodenerosion stark vermindert werden, wenn bei Verwendung von Wolfram oder einem anderen geeigneten temperaturbeständigen Anodenmaterial bei hohen Temperaturen (etwa 2000 к) der Bogenansatz von der Brennfleckform in die brennflecklose Form übergeht, Damit ist der Stromübergang großflächig verteilt und die Ursachen der Spannungsfluktuationen sind beseitigt. Um die geforderten Temperaturen nicht nur im Brennfleck zu erreichen, muß der Anodeneinsatz thermisch isoliert werden (US-PS 2951143; W. Neumann, Beitr. Plasmaphys. 16 (1976) 97). Bei bekannten thermisch isolierten Wolframanodeneinsätzen treten die Nachteile schwieriger und aufwendiger Herstellung der Einsätze, hohe mechanische Empfindlichkeit, schwierige elektrische Kontaktierung und hohe Empfindlichkeit gegen leistungsmäßige Überlastung auf.The axial movement of the anode focal spot can be virtually eliminated as well as the anode erosion can be greatly reduced when using tungsten or other suitable temperature-resistant anode material at high temperatures (about 2000 к), the arc approach of the focal spot shape goes into the brennflecklose form, Thus, the current transition distributed over a large area and the causes of voltage fluctuations are eliminated. In order to achieve the required temperatures not only in the focal spot, the anode insert must be thermally isolated (US-PS 2951143, W. Neumann, Contributed Plasmaphys 16 (1976) 97). In known thermally insulated Wolframanodeneinsätzen the disadvantages of difficult and expensive manufacture of the inserts, high mechanical sensitivity, difficult electrical contacting and high sensitivity to power overload on.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Vermeidung von Bogenfluktuationen in den Hohlanoden von Plasmatrons als Voraussetzung für einen zeitlich stationären Plasmastrahl.The aim of the invention is to avoid Bogenfluctuationen in the hollow anodes of Plasmatrons as a prerequisite for a temporally stationary plasma jet.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung einer fluktuationsarmen Anodenblockanordnung mit hochtemperaturfestern Einsatz, die bei geringem Herstellungs- und Montageaufwand keine Probleme der Kontaktierung und der mechanischen Stabilität aufweist und bei Erhöhung der elektrischen Leistung in gewissen Grenzen nicht thermisch zerstört wird.The object of the invention is the development of a low-fluctuation anode block assembly with high-temperature resistant use, which has no problems of contact and mechanical stability with low manufacturing and assembly costs and is not thermally destroyed within certain limits when increasing the electrical power.

Der Erfindung gemäß ist ein axial durchbohrter Anodeneinsatz aus Wolfram oder aus einem, sich bezüglich des Brennfleckansatzes gleichartig verhaltenden Metall in einen Anodenblock aus Kupfer eingepreßt, der mit einem Kühlkanal versehen ist· Längs der Außenfläche des Anodeneinsatzes muß die Wärmeabfuhr über die den Anodenblock durchströmende Kühlflüssigkeit unterschiedlich groß sein. Der Kühlkanal weist deshalb starke aber nicht sprunghafte Unterschiede im Querschnitt, in der Strömungsrichtung oder im Abstand zum Anodeneinsatz auf oder auch die Kombination von zwei oder allen drei genannten Merkmalen· Dadurch ensteht in einem schmalen Bereich· des Anodeneinsatzes z.B. durch isolierende Dampfblasen eine höhere Temperatur als auf der übrigen Fläche. Der schmale heiße Bereich stellt eine bevorzugte Ansatzfläche für den Bogen dar, so daß dadurch auch die Fluktuation gering gehalten wird·According to the invention, an axially bored anode insert made of tungsten or of a metal behaving similarly with respect to the focal spot projection is pressed into an anode block of copper provided with a cooling channel. The heat dissipation across the cooling liquid passing through the anode block must be different along the outer surface of the anode insert be great. The cooling channel therefore has strong but not abrupt differences in cross-section, in the direction of flow or at a distance from the anode insert, or else the combination of two or all three of the features mentioned. This results in a narrow area of the anode insert, e.g. by insulating vapor bubbles a higher temperature than on the remaining surface. The narrow hot area represents a preferred approach surface for the bow, thereby also the fluctuation is kept low ·

Bei geeigneter Formgebung des Anodenblockes und damit des Kühlkanals bewirkt eine Überlastung im wesentlichen eine Verbreiterung des heißen Bereiches mit brennflecklosem Bogenansatz und damit der Stromübertragung lache.With a suitable shaping of the anode block and thus of the cooling channel, an overload essentially causes a broadening of the hot area with a burnless bow approach and thus the power transmission laugh.

Ausführungsbeispielembodiment

Bei der Anode eines Kaskadenplasmatrons besteht der Anodenblock aus zwei gegeneinander abgedichteten Drehteilen, der Aufnahme des Anodeneinsatzes 1 und der Ringkammer 2· Die Aufnahme des Anodeneinsatzes 1 enthält den eingepreßten Anodeneinsatz 3 aus Wolfram· Die Teile 1 und 2 bilden zusammen den Kühlkanal 4· Das durch die Zuleitung der Kühlflüssigkeit 5 zugeführte Kühlmittel beströmt durch einen schmalen Ringspalt die Wurzel der Aufnahme des Anodeneinsatzes 6, die nur geringe Wandstärke besitzt.In the anode of a cascade plasma cartridge, the anode block consists of two mutually sealed rotating parts, the receptacle of the anode insert 1 and the annular chamber 2 · The receptacle of the anode insert 1 contains the pressed-in anode insert 3 made of tungsten · The parts 1 and 2 together form the cooling channel 4 · Das The supply of the cooling liquid 5 supplied coolant flows through a narrow annular gap, the root of the receptacle of the anode insert 6, which has only a small wall thickness.

Die Strömung erleidet hier eine Richtungsänderung und wird koaxial längs des Anodeneinsatzes 3 geführt. Im folgenden erweitert sich der Querschnitt des Kühlkanals 4 allmählich·The flow here undergoes a change in direction and is guided coaxially along the anode insert 3. In the following, the cross section of the cooling channel 4 widens gradually ·

Durch einen auf die Aufnahme des Anodeneinsatzes 1 aufgesetzten Profilring 7 wird gleichzeitig bei Änderung des Querschnitts des Kuhlkanals 4 eine Richtungsänderung der Strömung und eine Abstandsänderung des Kühlkanals 4 vom Anodeneinsatz 3 bewirkt.By an attached to the receptacle of the anode insert 1 profile ring 7 a change in direction of the flow and a change in distance of the cooling channel 4 is caused by the anode insert 3 at the same time when changing the cross section of the Kuhlkanals.

Diese Maßnahmen führen zu einer Verringerung der Kühlung des obersten Bereiches des Anodeneinsatzes 3» was den bevorzugten Ansatz des Bogens in diesem Bereich bewirkt· Durch die Ableitung der Kühlflüssigkeit 8 erfolgt der Bückfluß des Kühlmittels.These measures lead to a reduction in the cooling of the uppermost region of the anode insert 3 "which causes the preferred approach of the arc in this area · By the discharge of the cooling liquid 8, the Bückfluß of the coolant.

Claims

Invention claim

1. Anode block with high-temperature resistant use for low-fluctuation Plasmatrons, consisting of at least two rotationally symmetric parts of a material with good electrical and thermal conductivity with a coaxial with the anode insert extending cooling channel, characterized characterized «that the cooling channel strong, but not abrupt differences in cross-section or in the Strö 'mung direction or at a distance to the anode insert,

2 anode block according to point 1, characterized in that the cooling channel has two or all three of the mentioned features

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