DE1197999B - Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

B 23 k

Deutschem.: 21h-30/01

Nummer: 1197 999

Aktenzeichen: U 6102 VIII d/21 h

Anmeldetag: 2. April 1959

Auslegetag: 5. August 1965

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Einrichtung zum Betreiben eines Lichtbogens zur Erzeugung von Gasströmen hoher Geschwindigkeit für die Energieversorgung eines als Expansionsteil dienenden Windtunnels, bei dem zwischen einer Stabkathode und einer als Anode geschalteten Düse ein Lichtbogen gezündet und ein Gasstrom längs der Kathode und durch den Hals der Düse hindurchgetrieben wird.

Bei Verfahren und Einrichtungen dieser Art, bei denen eine gegebenenfalls gekühlte feste Düse verwendet wird, um den Lichtbogen sowie den Gasstrom zu wandungsstabilisieren und einzuschnüren, um eine Bogenstabilisierung, Leistungskonzentration und gesteigerte Geschwindigkeit zu bewirken, und bei denen die einschnürende Düse als Elektrode dient, stellt Erosion der Düse bei sehr hohen Stromdichten an der Anodenoberfläche ein ernsthaftes Problem dar. Selbst Werkstoffe wie Kupfer, Silber, Wolfram, obwohl besser als andere, werden angegriffen. Auch Gase wie Argon, die weniger scharf als andere, z. B. Wasserstoff, sind, vermögen die Erosion nicht sicher zu verhüten. Wird Sauerstoff oder ein anderes reagierendes Gas verwendet, so können chemische Reaktionen zwischen dem Lichtbogenstrom und der Düse auftreten.

Es wurde nun gefunden, daß diese Erosionen in überraschend einfacher Weise vermieden und insbesondere sehr hohe Leistungen ermöglicht werden, wenn der Lichtbogen ebenfalls durch den Düsenhals hindurchgetrieben und im Expansionsteil durch Ausdehnung bis in diffuse, achsensymmetrische Form gebracht wird und in dieser Form in den als Anode dienenden Abschnitt der Innenwandung des Expansionsteils eintritt. Vorzugsweise wird die Gasdichte der Anodenzone auf einen Druck von weniger als Vao Atmosphäre gehalten. Für die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens wird von einer bekannten Anordnung mit einer Stabkathode, einer Düsenanode und einem einschnürenden Düsenhals ausgegangen, durch den der Gasstrom hindurchgeführt wird. Erfindungsgemäß sind Düsenhals und Düsenanode elektrisch gegeneinander isoliert, die Düse als Expansionsdüse ausgebildet, und ihr Expansionsteil wird unter vermindertem Druck gehalten. Die Alternativausführung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß Düsenhals und Düsenanode elektrisch leitend miteinander verbunden sind, wobei wiederum die Düse als Expansionsdüse ausgebildet ist und ihr Expansionsteil unter vermindertem Druck gehalten wird.

Beim nachgeordneten Windkanal wird gemäß der Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogens

Anmelder:

Union Carbide Corporation, New York, N. Y.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:

Robert MacComack Gage, Summit, N. J.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 17. April 1958 (729 213)

weiteren Erfindung der Kanal mit der Expansionsdüse elektrisch leitend verbunden.

Der Lichtbogen entwickelt sich gemäß dem vorliegenden Verfahren sonach im konischen Expansionsteil der Düse, der als Anode dient, in diffuser und achsensymmetrischer Form. Die Leistungskonzentration an der Anodenoberfiäche nimmt so- nach im umgekehrten Verhältnis ab. Der Bogen endet an der Anodenoberfläche diffus und ist nicht mehr als geschlossener Lichtfleck erkennbar. Der Strom ist achssymmetrisch und gleichmäßig verteilt und tritt ebenso in die ihn umgebende Anodenoberfläche ein. Die Gasdichte in der Anodenzone wird so niedrig gehalten, daß der Bogen in einer Glimmentladung endet, wie sie bei Crookschen Entladungsröhren auftritt.
Da dieser Übergang zu einer Art Glimmentladung von der Gasdichte abhängt, ist er daher eine Funktion sowohl vom Gasdruck als auch von der Temperatur. Die Konzentration der Eingangsleistung zur Anode kann durch Druckminderung derart gesteuert werden, daß die Anodenoberfläche unter jener Temperatur gehalten wird, welche durch chemische oder physikalische Einflüsse gefährliche Erosionen hervorruft. Die erfindungsgemäß verwirklichte achssymmetrische Form des in dem Expansionsteil befindlichen Lichtbogens kann von wesentlicher Bedeutung sein.

Bei den bisherigen Hochdrucklichtbögen haben mehrere durch Teilung entstandene Anodenflecke

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das Bestreben, sich an der Düse in asymmetrischer Bekannt ist ferner zwar auch eine Einrichtung mit

Anordnung mit Bezug auf die Achse der stabilisier- einer einschnürenden gasdurchströmten Düse, deren

ten Bogensäule und des Gasflusses auszubilden. sich erweiternder Ansatz unter niedrigem Druck ge-

Für viele Anwendungsfälle ist dies ohne beson- halten wird. Der Lichtbogen endet aber in einer deren Nachteil. Bei Windkanälen indessen ist ein 5 flachen Platte aus Kohlenstoff oder einem anderen Stromlinienfluß sehr wesentlich. Bei Asymmetrie stromleitenden Material, deren Mitte durchbohrt ist, kann es, wenn als Einschnürungsabschnitt eines um dem Plasmastrahl eine Durchtrittsöffnung zu Windkanals ein Brenner verwendet wird, zu Turbu- bieten. Der Lichtbogen muß mithin wie bei der zulenz kommen. Werden die Windkanäle mit sehr vor behandelten bekannten Einrichtung auf einer hohen Geschwindigkeiten betrieben, könnte die io sehr begrenzten Fläche, nämlich der erwähnten Asymmetrie höchst unerwünschte Stoßfronten her- Kohlenplatte, enden, und ebenso müßten etwaige vorrufen. durch die Öffnung hindurchgetretene Fäden des

Zu den großen Vorteilen, der Verteilung der Lichtbogens unter Bildung einer scharfen Rückkehrdurch den Anodenfall hervorgerufenen großen schleife sofort wieder an der Platte enden. Von Wärme auf eine große Fläche und damit Verhütung 15 irgendwelcher diffusen und achssymmetrischen Aufvon Erosionen, mithin die Möglichkeit der Aus- teilung und Verteilung des Lichtbogens und einem nutzung erheblich hoher Lichtbogenenergien, so daß diffusen Eintritt in eine große Anodenfläche sowie auch sehr große Anlagen betrieben werden können, von dem Zwecke der Verhütung von Erosionsferner der Achsensymmetrie und damit Vermeidung schaden auch bei höchsten Energiekonzentrationen von Unregelmäßigkeiten, besonders auch bei hohen 20 wird auch andeutungsweise nichts offenbart.
Machzahlen, gesellt sich, daß durch die diffuse Ver Die Zeichnung veranschaulicht Ausführungsteilung des Lichtbogens im Expansionsteil der Gas- beispiele.

strom nicht abrupt, sondern allmählich aus dem F i g. 1 zeigt eine für das Verfahren gemäß der

stromführenden Teil des Düsenraumes austritt, wo- Erfindung geeignete Einrichtung mit einem im

durch plötzliche Temperaturänderungen und ent- 25 Längsschnitt veranschaulichten Lichtbogenbrenner

sprechende Turbulenzen, die unter sehr ungünstigen mit Einschnürdüse, wobei der einschnürende Düsen-

Umständen sogar zu Stoßfronten führen können, teil gegen einen Expansionsteil der Düse elektrisch

ebenfalls vermieden werden. isoliert ist;

Das vorliegende Verfahren und die entsprechen- F i g. 2 zeigt eine für das Verfahren gemäß der

den Einrichtungen sind daher besonders auch für 30 Erfindung geeignete Einrichtung mit einem im

Untersuchungen und Prüfungen in der Luftfahrt- Längsschnitt veranschaulichten Lichtbogenbrenner

Industrie geeignet, wo in Windkanälen Gasströme mit Einschnürdüse, der ein Windkanal angefügt ist,

extrem hoher Geschwindigkeit (Mach 10 bis 15) be- wobei Windkanal und ein Expansionsteil der Düse

nötigt werden. Mit Hilfe des Lichtbogens nach der zu einem Körper vereinigt sind und der einschnü-

vorliegenden Erfindung wird der Gasstrom auf hohe 35 rende Teil der Düse mit dem Expansionsteil elek-

Machzahl gebracht, wobei der elektrische Wirkungs- trisch leitend verbunden ist.

grad hoch ist, die Düse eine lange Lebensdauer hat Bei der Ausführungsform nach der F i g. 1 weist

und, was am wichtigsten sein kann, Stoßfronten und der Brenner eine Stabkathode 10, einen Düsenhals

durch Lichtbogenaufprall entstehende Verunreini- 11, einen gegen diesen elektrisch isolierten Expan-

gungen des Prüfkörpers vermieden werden. 40 sionsteil 16, eine Vakuumpumpe 14 sowie eine

Das neue Verfahren und seine Einrichtungen Stromquelle 15 und einen Hilfswiderstand 17, der eignen sich ferner auch zur Förderung chemischer den Expansionsteil 16 mit dem Düsenhals 11 verSynthesen. Die Gase, welche durch den Bogen im bindet, auf.

Düsenabschnitt hindurchgelangen, werden auf die Das Gas wird dem Brenner konzentrisch zur Stabgewünschte Reaktionstemperatur erwärmt und dann 45 kathode 10 mit höherem Druck zugeführt. Der durch Expansion in die Zone verminderten Drucks Widerstand 17, der den Expansionsteil 16 mit dem rasch abgeschreckt. Die Übergangszeit von extremer Düsenhals 11 verbindet, dient der Primärzündung Wärme zu kalter Abschreckung kann ein Bruchteil eines Hilfslichtbogens von der Kathode 10 zum einer Millisekunde sein. Diese Verhältnisse schaffen Düsenhals 11.

optimale Steuerungen für thermische Crack-Reak- 50 Der Lichtbogen wird in der Kammer 13 des Ex-

tionen, wo Sekundärreaktionen die Produktausbauten pansionsteils 16 infolge des dort herrschenden sehr

ernsthaft beschränken. Das thermische Cracken von niedrigen Druckes und der verminderten Tempe-

Methan zur Bildung von Acetylen ist ein Beispiel. ratur in diffuse Form aufgeteilt und verteilt und tritt

Irgendwelche in der Bogenzone gebildeten freien in dieser Form in die als Anode dienende Wandung

Radikale bleiben durch das gemäß dem vorliegenden 55 des Expansionsteils ein.

Verfahren erzielte rasche Abschrecken für eine be- Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 dient der

stimmte Zeit beständig und können dann strom- Expansionsteil 16 zugleich als Windkanal, in dem

abseitig mit anderen Stoffen wieder umgesetzt ein Probekörper 18 angeordnet ist. Die Stabkathode

werden. 10 ist von einem konzentrischen Rohr 19 umgeben;

Bekannt ist bereits eine als Anode geschaltete, 60 durch den so gebildeten Ringraum wird ein gegeneinengende, von einem Gasstrom durchsetzte Düse über der Kathode inertes Gas eingeführt. Zwischen mit erweitertem Ansatz, bei der aber der Lichtbogen dem Rohr 19 und dem Düsenhals 11 wird ein nicht in der Strömungsrichtung vor der Düse liegt. Eine inertes Gas, bevorzugt Luft, eingeführt,
diffuse Aufteilung und Verteilung des Lichtbogens Die elektrisch leitende Verbindung von Windsowie ein diffuser Eintritt desselben in die Anode 65 kanal und Expansionsdüse bewirkt und gewähr- und dementsprechende Vermeidung von Überhitzun- leistet, daß die volle Wärme des Lichtbogens an der gen und Erosionen werden nicht offenbart. Die Düse Stelle aufrechterhalten wird, wo sie gebraucht wird, würde sich hierfür auch nicht eignen. Würden nur die divergierenden Düsenwandungen

im Lichtbogenkreis liegen, könnten die erwärmten Gase innerhalb des Windkanals elektrischen Strom nur zu einer Entfernung hintragen, wo die Ionen noch fähig sind, eine Schleife zurück zu den Düsenwandungen zu bilden.

Wenn gemäß Fig. 2 der Windkanal in den Lichtbogenstromkreis eingeschaltet ist, ist der Lichtbogen nicht mehr gezwungen, eine solche Schleife zu bilden. Vielmehr wird er langer, so daß im Bereich des Prüfkörpers sich keine plötzlichen Wärmeübergänge ergeben.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben eines Lichtbogens zur Erzeugung von Gasströmen hoher Geschwindigkeit für die Energieversorgung eines als Expansionsteil dienenden Windtunnels, bei dem zwischen einer Stabkathode und einer als Anode geschalteten Düse ein Lichtbogen gezündet und ein Gasstrom längs der Kathode und durch den Hals der Düse hindurchgetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdichte in dem sich an den Düsenhals anschließenden Expansionsteil der Düse so niedrig gehalten wird, daß auch der Lichtbogen durch den Düsenhals hindurchgetrieben wird und diffuse Form nach Art einer Glimmentladung annimmt, und daß der Lichtbogen in dieser achsensymmetrischen Form in die Innenwandung des als Anode geschalteten Expansionsteils eintritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdichte im Expansionsteil auf weniger als V20 Atmosphäre Druck gehalten wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Düsenhals und Düsenanode elektrisch gegeneinander isoliert sind.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Düsenhals und Düsenanode elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Windkanal (16) und die Düse (13) elektrisch leitend miteinander

ao verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 806 124;
Zeitschrift »Neues aus der Technik«, 1955,
Nr. 5/6, S. 7;

»Scientific American«, August 1957, Nr. 2, S. 80 bis 88, insbesondere S. 82.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen