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Plasmaofen Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmaofen mit zwei
Elektroden zum Erzeugen eines Lichtbogens und mit einem zylindrischen Mantel.
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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.
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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.
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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.
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Der Erfindungsgegenstand vermeidet die Nachteile des bekannten Verfahrens.
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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.
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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.
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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.
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Das Plasma kann auch senkrecht oder in Richtung seiner Längsachse
in Schwingungen bzw. Drehungen versetzt werden.
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Es ist auch günstig, den elektrisch nicht wirksamen Teil der Innenseite
der Anode mit einem Isolierschirm zu versehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 6 zeigt die Temperaturverteilung des in Fig. 5 dargestellten
Ofens.
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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.