DE1155546B - Plasmaofen - Google Patents

Plasmaofen

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Publication number
DE1155546B
DE1155546B DEN18277A DEN0018277A DE1155546B DE 1155546 B DE1155546 B DE 1155546B DE N18277 A DEN18277 A DE N18277A DE N0018277 A DEN0018277 A DE N0018277A DE 1155546 B DE1155546 B DE 1155546B
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DE
Germany
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plasma
furnace
electrodes
plasma furnace
furnace according
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Pending
Application number
DEN18277A
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English (en)
Inventor
Haruo Tateno
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Publication of DE1155546B publication Critical patent/DE1155546B/de
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/48Generating plasma using an arc
    • H05H1/50Generating plasma using an arc and using applied magnetic fields, e.g. for focusing or rotating the arc

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Furnace Details (AREA)

Description

  • Plasmaofen Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmaofen mit zwei Elektroden zum Erzeugen eines Lichtbogens und mit einem zylindrischen Mantel.
  • Bekanntlich kann man ein Plasma von Temperaturen in der Größe von einigen 1000° C erzeugen, indem man die Querschnittsfläche des Plasmas in einem elektrischen Lichtbogen mittels des Kühlmediums im Zusammenwirken mit dem thermischen und elektromagnetischen Pineheffekt verkleinert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmaofen zu schaffen, bei dem das Plasma nicht durch Stoffe verunreinigt wird, welche die Elektroden für den elektrischen Lichtbogen darstellen, und in welchem das Plasma keine nachteilige Beeinflussung der zu behandelnden Stoffe bewirkt.
  • Es ist bereits ein Verfahren zum Erhitzen, Schmelzen, Schweißen oder Schneiden eines leitenden Stoffes unter einer Lichtbogenentladung bekannt, durch das ein Lichtbogen sehr hoher Wärmeintensität erzeugt wird. Dies geschieht dadurch, daß die Plasmasäule eingeschnürt wird, und zwar durch Verwendung einer an sich bekannten einengenden Düsenbohrung und durch das Hindurchblasen eines hierbei in den Lichtbogen eintretenden und ihn stützenden Gasstromes. Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß durch die Anwendung eines stärkeren Gasstromes die zu behandelnden Stoffe regelrecht weggespült werden. Ferner ist es mit diesem Verfahren nicht möglich, die Plasmasäule frei von Verunreinigungen zu halten, denn dadurch, daß man das den Lichtbogen umspülende Gas sauber hält, ist nicht gewährleistet, daß keine Ionen des Elektrodenmaterials in den Erhitzungsraum gelangen.
  • Der Erfindungsgegenstand vermeidet die Nachteile des bekannten Verfahrens.
  • Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im wesentlichen dadurch gegeben, daß bei einem Plasmaofen mit zwei Elektroden und mit einem zylindrischen Mantel die Elektroden und der Mantel einen Hohlraum begrenzen, der durch zwei Zwischenwände in drei hintereinander angeordnete Kammern eingeteilt ist, daß die Zwischenwände Bohrungen für den Durchtritt des Lichtbogens aufweisen, daß die mittlere Ofenkammer mit Öffnungen zum Zuführen und Abführen des zu behandelnden Stoffes versehen ist, daß die den Elektroden benachbarten Kammern mit Zuführungen und Auslaßöffnungen für ein Kühlmedium versehen sind und daß die Bohrungen in den Zwischenwänden und die Auslaßöffnungen in den Elektroden in Fluchtung miteinander sind.
  • Durch eine solche Ausbildung eines Plasmaofens ist es möglich, die Ofenkammer von Verunreinigungen freizuhalten, indem man die Durchflußgeschwindigkeit des Gases von der Ofenkammer durch die Düsen in die seitlichen Kammern auf etwa 10 bis 20 m/Sek. einstellt. Die Temperatur des Plasmas in der Ofenkammer erreicht Werte zwischen 4000 und 7000° C, ohne daß es erforderlich ist, einen Hochgeschwindigkeitsgasstrahl anzuwenden. Die Querschnittsfläche des Plasmabündels in der Ofenkammer 7 ist etwa 100mal größer als diejenige in den Öffnungen, so daß die Strömungsgeschwindigkeit der Lichtbogensäule in der Kammer bis auf wenige Meter pro Sekunde verringert ist. Die Lichtbogensäule wird dabei durch die Wirbelbewegung des Kühlströmungsmittels in einem stabilen Zustand gehalten. Die Temperatur in der Ofenkammer läßt sich leicht dadurch regulieren, daß man die Strömungsstärken der in den Ofen eintretenden Gase reguliert. Natürlich kann die Ofentemperatur noch durch die Einstellung der Stromstärke des Lichtbogens in gewissen Grenzen geregelt werden.
  • Der Plasmaofen ist vorzugsweise von einem Ma-. gnetfeld durchsetzt, das beispielsweise parallel zur Längsachse des Planes gerichtet ist. Hierdurch wird eine bessere Bündelung des Plasmabündels erreicht.
  • Das Plasma kann auch senkrecht oder in Richtung seiner Längsachse in Schwingungen bzw. Drehungen versetzt werden.
  • Es ist auch günstig, den elektrisch nicht wirksamen Teil der Innenseite der Anode mit einem Isolierschirm zu versehen.
  • Vorzugsweise ist der Isolierschirm gegenüber der Anode negativ geladen, und zwar mit einer solchen Spannung, daß kein elektrischer Durchbruch auftritt. Die Erfindung ist an Ausführungsbeispielen an Hand schematischer Zeichnungen ergänzend beschrieben, ohne daß die Erfindung auf Konstruktionseinzelheiten dieser Beispiele beschränkt ist.
  • Fig. 1 ist ein axialer Längsschnitt durch den Hauptteil eines Plasmaofens nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung; Fig.2 zeigt ein Diagramm der Temperaturverteilung entlang der Längsachse des Plasmas in dem Ofen der Fig.1; Fig.3 zeigt ein Diagramm der Temperaturverteilung in bezug auf zur Längsachse des Plasmas radiale Richtungen in dem Ofen der Fig. 1; Fig. 4 zeigt schaubildlich einen senkrechten Schnitt durch eine gegenüber Fig. 1 abgeänderte Ausführungsform der Scheidewand des Plasmaofens der Erfindung; Fig.5 ist eine schaubildliche Außenansicht einer weiteren abgeänderten Ausführungsform des Plasmaofens der Erfindung; Fig.6 zeigt ein Diagramm der Temperaturverteilung des in Fig. 5 dargestellten Plasmaofens.
  • In den Zeichnungen und insbesondere in Fig.l wird ein Plasmaofen gezeigt, der aus einem - zylindrischen Körper 1 besteht, dessen beide Enden durch El'etrodenscheiben 2 und 2' bedeckt oder abgedichtet sind, welche kleine zentrisch gelegene Düsen 3 bzw. 3' aufweisen. Diese Elektrodenscheiben 2, 2' sind aus geeignetem Leitermaterial, z. B. Kupfer, gefertigt. Der zylindrische Ofenkörper 1 ist vermittels zweier Trennwände 4 und 4' aus hitzebeständigem Material, z. B. Keramik, oder Kupferwände in drei Kammern unterteilt, welche durch ein Kühlmedium, z. B. Wasser, gekühlt werden. Beide Trennwände weisen Durchbrüche 5 und 5' auf, welche zu den Düsen 3 und 3' in den Elektroden-Endscheiben 2 und 2' ausgerichtet liegen. Das Plasma tritt durch die beiden Durchbrüche 5 und 5' hindurch. Dennoch bilden die beiden Seitenkammern 6 und 6' die Pinchkammern, während die Mittelkammer 7 die eigentliche Ofenkammer darstellt. Die zu behandelnden Stoffe werden der Ofenkammer 7 durch einen Einlaß 8 zugeführt und verlassen dieselbe durch einen Auslaß 9. Das Kühlmedium, z. B. Luft, für das Plasma wird den Pinchkammern 6, 6' jeweils durch Leitungen 10 und 10' derart zugeführt, daß es an der inneren Wandung des Zylinders entlangstreicht, um einen Wirbelfluß des Kühlmediums in den beiden Pinchkammern 6, 6' zu bewirken. Die Menge des in den Pinchkammern einzuführenden Kühlmediums kann durch Ventile 11 und 11' der Zuleitungen 10 und 10' geregelt werden. Vorher wird eine nicht dargestellte Metallstange, z. B. Wolframdraht, zwischen die Elektroden 2 und 2' und durch die Düsen 3 und 3' sowie die Durchbrüche 5 und 5' hindurch eingeführt.
  • Im Betrieb wird das Kühlmedium, wie erwähnt, in die Pinchkammer 6 und 6' so eingeführt, daß darin eine Wirbelströmung des Kühlmediums entsteht, die Metallstange, z. B. der Wolframdraht aus der Einrichtung herausgezogen und ein elektrischer Lichtbogen zwischen den Elektroden 2 und 2' durch die Durchbrüche 5 und 5' hindurch erzeugt. Das Plasma im Lichtbogen wird durch den Wirbel des Kühlmediums in den Pinchkammern gekühlt und auf Grund des Pincheffekts im inneren Bereich des Wirbels des Kühlmediums konzentriert und auf sehr hohe Temperaturen gebracht. Bei diesem Betriebszustand wird das Kühlmedium von seinem Durchtritt durch die Durchbrüche 5 und 5' in die Ofenkammer 7 hinein durch Regelung der Zuflußmenge des Kühlmediums in beiden Pinchkammern vermittels der Ventile 11 und 11' zurückgehalten.
  • Da das in die Pinchkammern des beschriebenen Plasmaofens eingebrachte Kühlmedium durch die Düsen 3 und 3' nach außen abfließt, werden Unreinheiten, welche in der Umgebung dieser Düsen an den Elektroden 2, 2' entstehen, mit dem Kühlmedium durch die Düsen hindurch aus dem Ofen hinaus verbracht, so daß der Eintritt von Stoffen, welche an den Elektroden 2, 2' entstehen, in den Plasmaofen hinein weitgehend verhindert ist.
  • Es ist weiterhin möglich, ein Verbringen von Unreinheiten in den Plasmaofen hinein infolge Verschiebung des Anodenpunkts durch die Anordnung einer isolierten Abschirmung über der nicht benötigten Fläche der Innenfläche der Anode zu verhindern. Wird an der Abschirmung eine Spannung negativ zur Anode angelegt, die niedrig genug ist, eine elektrische Betriebsstörung zu vermindern, dann wird eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Einrichtung erreicht. Ist die Ofenkammer 7 mit hitzebeständigen Stoffen, z. B. Kohlenstoff, ausgelegt, dann kann die Temperatur in der Ofenkammer 7 bis auf etwa 5000° C erhöht werden. Ersichtlich führt eine jeweils verbesserte Wärmeisolation der Auskleidung zu einer entsprechend erhöhten Temperatur innerhalb der Ofenkammer 7.
  • Fig.2 zeigt die Temperaturverteilung entlang der Längsachse des in Fig. 1 gezeigten Ofens, während Fig.3 die Temperaturverteilung in bezug auf die radialen Richtungen senkrecht zur Längsachse des Ofens in Fig. 1 zeigt. In beiden Figuren ist auf den Ordinaten die Temperaturverteilung in demselben aufgetragen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist der Innenraum der Ofenkammer in eine »A-Region« unterteilt, welche sich durch das Plasma erstreckt, und in eine »B-Region«, welche die Umgebung der »A-Region« bildet. Die »A-Region« hat eine zur Behandlung von Stoffen zu hohe Temperatur, während die Temperaturen in der »B-Region« je nach den Stromstärken Il, 1, und 1s bei den Elektroden 2, 2' veränderlich sind. Daher wird im allgemeinen die »B-Region« für die vorgesehene Behandlung von Stoffen benutzt.
  • Das in die Pinehkammer 6 und 6' eingeführte Kühlmedium kann von dem Gas innerhalb der Ofenkammer 7 abweichen. In diesem Fall wird das Gas in die Pinchkammern 6 und 6' durch die Durchbrüche 5 und 5' hindurch von der Ofenkammer 7 in geeignetem Verhältnis eingeführt. Wird Wasser als Kühlmedium und Argon als Gas verwendet, dann ist anfangs der gesamte Innenraum des Ofens mit Argon angefüllt, worauf dann das Argon aus den Pinchkammern 6 und 6' nach Erzeugung des elektrischen Lichtbogens abgeführt und das Argon aus der Ofenkammer 7 abgelassen wird.
  • Fig.4 zeigt schaubildlich einen Querschnitt durch eine abgeänderte Ausführungsform einer Trennwandung des Ofens der Fig. 1, wobei das Argon in die Ofenkammer durch die dargestellten radialen Durchbrüche oder Nuten hindurch eingeführt wird. Dadurch werden die Durchbrüche 5 in den Trennwandungen gegen zu hohe Erwärmung geschützt.
  • Weist das in der Ofenkammer verwendete Gas korrodierende Eigenschaften in bezug auf den Elektrodenwerkstoff auf, z. B. Sauerstoff oder Luft, dann kann Argon als Kühlmedium verwendet werden, um eine Zerstörung der Elektroden zu verringern. Auch im Falle des Durchflusses des Kühlmediums durch die Pinchkammern parallel zum Lichtbogen wird der Pincheffekt erzielt. Wird die Erzeugung einer geringen Umfangsströmung innerhalb der Ofenkammer gewünscht, dann führt der Pincheffekt entsprechend dieses Parallelflusses des Kühlmediums zu besten Ergebnissen.
  • Fig.5 zeigt eine weitere geänderte Ausführungsform des Ofens der Erfindung, in welcher eine Vielzahl von Pinchkammern an den beiden Seiten einer Ofenkammer 7 vorgesehen sind. Bei diesem Beispiel sind vier Pinchkammern 6 und 6' an jedem Ende der Ofenkammer 7 angeordnet.
  • Fig. 6 zeigt die Temperaturverteilung des in Fig. 5 dargestellten Ofens.
  • Entsprechend der Erfindung kann die Lage des Plasmas durch das äußere Magnetfeld gesteuert werden. Wird z. B. das äußere Magnetfeld parallel zur Längsachse des Plasmas gelegt, dann kann die in Fig.3 gezeigte »A-Region« des Ofens durch Verringerung des Durchmessers des Plasmas in der Ofenkammer verkleinert werden. Wird weiterhin das Magnetfeld von der Mittelachse der Ofenkammer in die in Fig.3 gezeigte »B-Region« verschoben, dann können die in der Ofenkammer zu behandelnden Stoffe mit der hohen Temperatur in der »B-Region« in Berührung gebracht werden. Auch kann das Plasma gedreht oder in Schwingung versetzt werden, wenn das äußere Magnetfeld senkrecht zur Achse des Plasmas gelegt wird. In diesem Fall wird das Plasma in die »B-Region« der Ofenkammer bewegt. Auf diese Weise wird eine besondere Gleichmäßigkeit der Temperatur in der Ofenkammer erzielt.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Plasmaofen mit zwei Elektroden zum Erzeugen eines Lichtbogens und mit einem zylindrischen Mantel, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden und der Mantel einen Hohlraum begrenzen, der durch zwei Zwischenwände in drei hintereinander angeordnete Kammern eingeteilt ist, daß die Zwischenwände Bohrungen (5, 5') für den Durchtritt des Lichtbogens aufweisen, daß die mittlere Ofenkammer (7) mit Öffnungen zum Zuführen und Abführen des zu behandelnden Stoffes versehen ist, daß die den Elektroden (2, 2') benachbarten Kammern (6, 6') mit Zuführungen (10, 10') und Auslaßöffnungen (3, 3') für ein Kühlmedium versehen sind und daß die Bohrungen (5, 5') in den Zwischenwänden und die Auslaßöffnungen (3, 3') in den Elektroden in Fluchtung miteinander sind.
  2. 2. Plasmaofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er von einem Magnetfeld durchsetzt ist.
  3. 3. Plasmaofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld parallel zur Längsachse des Plasmas gerichtet ist.
  4. 4. Plasmaofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld senkrecht zur Längsachse des Plasmas gerichtet ist.
  5. 5. Plasmaofen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma senkrecht bzw. in Richtung seiner Längsachse in Schwingungen oder in Drehungen versetzt ist.
  6. 6. Plasmaofen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch, nicht wirksame Teil der Innenseite der Anode mit einem Isolierschirm versehen ist.
  7. 7. Plasmaofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm gegenüber der Anode negativ geladen ist, und zwar mit einer solchen Spannung, daß kein elektrischer Durchbruch auftritt. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 1066 676; österreichische Patentschrift Nr. 159 296.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT159296B (de) * 1937-12-03 1940-08-10 Siemens Ag Elektrische Heizeinrichtung.

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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AT159296B (de) * 1937-12-03 1940-08-10 Siemens Ag Elektrische Heizeinrichtung.

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