DE1225311B - Plasmabrenner - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND H05h

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Deutsche Kl.: 21 g -

Nummer: 1225 311

Aktenzeichen: S 96489 VIII c/21 g

Anmeldetag: 12. April 1965

Auslegetag: 22. September 1966

Die Erfindung betrifft Plasmabrenner zum Aufheizten von Gasen in einer Lichtbogenkammer, in der ein zwischen Elektroden brennender Lichtbogen in einem Magnetfeld rotiert.

IiI solchen Plasmabrennern wird ein kontinuierlicher Gasstrom in einem Lichtbogen erhitzt, wobei di6 Enthalpie des Gases erhöht wird. Mit der vom Gas aufgenommenen Energie kann man mittels Düsen höhe Strömungsgeschwindigkeiten erreichen, wie sie für Windkanäle und Strahlantriebe erforderlich sind, oder bei höhen Gastemperaturen chemische Reaktionen durchführen.

Plasmabrenner mit rotierendem Lichtbogen sind besonders zum Umsetzen hoher Leistungen geeignet, da die Elektrodenbelastung durch den Lichtbogen über eine große Fläche verteilt wird. Die Elektroden können dann so weit gekühlt werden, daß die Lichtbogenfußpunkte nicht einbrennen und das Elektrodenmaterial vor Verdampfen weitgehend bewahrt wird. Rotierende Lichtbögen sind vor allem dann anzuwenden, wenn bei aggressiven Arbeitsgasen Elektroden aus Schwermetallen, wie Wolfram, nicht eingesetzt werden können, sondern niedriger schmelzende Metalle, wie Kupfer, zu verwenden sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil von Plasmabrennern mit rotierendem Lichtbogen besteht darin, daß der Lichtbogen eine große Gasmenge durchsetzt und bei Verwirbelung gewissermaßen gleichzeitig aufheizt.

Die Rotation des Lichtbogens erzielt man in einem angelegten Magnetfeld, dessen Feldlinien zum Lichtbogen senkrecht verlaufen. Bei einem bekannten Plasmabrenner brennt der Lichtbogen zwischen einer Stabelektrode und einer koaxial angeordneten Ringelektrode in radialer Richtung. Die Elektroden sind in einem zylindrischen Gefäß zentrisch angeordnet, auf dem eine Feldwicklung konzentrisch zur Elektrodenachse aufgewickelt ist. Dieser Plasmabrenner hat den Nachteil, daß nur ein kleiner Teil des Magnetfeldes zur Rotation des Lichtbogens beiträgt. Andererseits können Joche wegen schlechter Kühlungsmöglichkeit, wegen Platzmangels sowie ungünstiger Geometrie nicht eingesetzt werden.

Es ist an anderer Stelle auch schon vorgeschlagen worden, den Lichtbogen zwischen gleich großen Zylinderelektroden in axialer Richtung in einem magnetischen Spiegelfeld brennen zu lassen. Für die Elektrodenkühlung ergeben sich dadurch symmetrische Verhältnisse. Es ist dann aber der Nachteil in Kauf zu nehmen, daß nicht das starke Kernfeld der Spulen ausgenutzt werden kann, sondern lediglich die Anteile des schwächeren Randfeldes mit radialem Plasmabrenner

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Günther Hess, Erlangen

Feldlinienverlauf. Die Magnetfelderzeugung ist daher wesentlich aufwendiger.

Um die Heizwirkung von Plasmabrennern zu erhöhen, ist schließlich an anderer Stelle auch schon vorgeschlagen worden, eine Lichtbogenkammerwand aus Ringelektroden und zwischenliegenden Isolierringen, die Kühlmittel und Gaskanäle enthalten, in Stapelbauweise herzustellen. In der gestapelten zylindrischen Wand der Lichtbogenkammer entstehen Gasverteilerkanäle, um das Arbeitsgas zwischen den Elektroden zuzuführen. Mehrere Lichtbögen können dann in axialer Richtung zwischen Paaren von Ringelektroden brennen. Auch bei dieser Anordnung muß man aber die Nachteile des Spiegelfeldes in Kauf nehmen.

Ein anderer bekannter Plasmabrenner (Zeitschrift »Raumfahrtforschung«, Bd. IX [1965], Heft 1, S. 2) zum Aufheizen von Gasen weist eine Lichtbogenkammer auf, in der eine Ringelektrode eine Zentralelektrode umgibt. Ein rotierender Lichtbogen brennt zwischen diesen Elektroden. Der Plasmabrenner weist dazu außerhalb des Brennraumes (Lichtbogenkammer) Erregerwicklungen mit Eisenkernen auf, die ein Magnetfeld erzeugen, das die Ebene der Ringelektrode senkrecht durchsetzt. Der ungefühfte Feldbereich ist dabei relativ groß.

Bei der Erfindung wird davon ausgegangen, die Nachteile bei der Magnetfeldausbildung der zuvor geschilderten Plasmabrenner zu vermeiden, ohne auf ihre sonstigen Vorteile verzichten zu müssen. Es wird weiter als Aufgabe angesehen, das Kernfeld von Ringspulen für die Lichtbogenrotation auszunutzen, dennoch dem Lichtbogen das Magnetfeld durch Polschuhe gebündelt zuzuführen und die zuletzt geschilderte Anordnung wesentlich zu verbessern. Insbesondere soll das Feld näher und konzentrierter an den Lichtbogen herangeführt werden.

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Die Lösung nach der Erfindung liegt darin, daß Feldstärke am höchsten ist, so daß sich ein Stabilisie-

die Lichtbogenkammer von zwei zylindrischen, gleich- rungseffekt für die Rotationsebene des Lichtbogens

achsig und mit axialem Abstand angeordneten Ma- ergibt.

gnetpolschuhen umgeben ist, deren aneinandergren- Die Ringelektrode 1 ist nach innen stufenförmig

zende Stirnseiten in Richtung auf die Kammerachse 5 verjüngt und zwischen den Schultern der Profilringe

konisch abgeschrägt sind, und daß die Ringelektrode 11 eingepaßt. Sie ist dadurch unverrückbar festgehal-

zwischen den beiden Magnetpolschuhen angeordnet ten. Die Ringelektrode 1 ist aus einem nichtmagneti-

ist und einen Teil der Kammerwand bildet. sehen Material, wie Kupfer, gefertigt, das die Wärme

Die Zentralelektrode kann an einer axial verstell- und den elektrischen Strom gut leitet. Sie besteht aus

baren Halterung angeordnet- sein. Das zu erhitzende io einem Mantel 14, der an der Lichtbogenkammer 7

Gas wird zwischen Halterung und zylindrischer eine Ringfläche 15 aufweist, auf der der Pfad eines

Kammerwand zugeführt. Diese Ausführungsform Lichtbogenfußpunktes verläuft. Ein Mittelstück 16,

weist neben dem Vorteil, daß Erregerwicklungen und beispielsweise eine Ringscheibe mit einer Schulter 17,

Joche gut kühlbar sind-,-die weiteren Vorteile auf, daß taucht in den Mantel der Ringelektrode so weit ein,

die Lichtbogenlänge und somit die umgesetzte Lei- 15 daß zwischen Ringfläche 15 und Schulter 17 ein ver-

stung dem Gasdurchsatz angepaßt werden kann. engter Querschnitt des Kühlkanals entsteht, in dem

Neben einem Ausweiten des Lichtbogens bei stärke- das'Kühlmittel an dem Ring 15 mit hoher Geschwin-

rem Gasdurphsatz läßt sich die Lichtbogenlänge cügkeitvorbeiströmt. Der Ring 15 wird dadurch wirk-

durch Verstellen der Zentralelektrode beeinflussen." säm gekühlt;. Die Anschlußrohre sind wieder mit 12

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeich- 20 und 13 bezeichnet. Werden diese Rohre aus einem

nung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels Material wie Kupfer gefertigt, können sie gleichzeitig

näher'erläutert. ■ "" ' · ' als" elektrische Anschlußleitung dienen. Die Bauteile

Der Plasmabrenner ist im-axialen Schnitt dar- mit den Polschühen 2 und 3 können gegen die Ringgestellt. Eine Ringelektrode 1 ist zwischen zwei ring- elektrode 1 durch Isoherringe, beispielsweise aus zylindrischen Polschühen 2 und 3 angeordnet. Ihre 25 Keramik, isoliert werden. Statt winkelige Profilringe Achse ist mit 4 bezeichnet. Die einander benachbarten 11 zu verwenden, kann die konische Stirnseite der Stirnseiten der Polsphuhe laufen zur Achse konisch Polschuhe auch mit einer Ummantelung versehen vor, so daß sich in der Schnittdarstellung ein schieß- sein, die sich dem konischen Verlauf anpaßt. Entschartenförmiges Profil ergibt. Zentrisch zu den Pol- sprechend kann, die Ringelektrode zur Ringmitte verschuhen 2 und 3 und zur Ringelektrode 1 ist eine 30 jungt' ausgebildet sein. Auch diese Ausführung hat Zentralelektrode 5 angeordnet. Zwischen den Ring- den Vorteil, daß die Elektrode zwischen den PoI-ränderri der Elektroden 1 und 5 brennt der Licht- schuhbaueinh'eiten .zentrisch und unverrutschbar festbogen 6 in der zylindrischen Lichtbogenkammer 7 in liegt". Gleichzeitig wirken die am Außenrand der Ringradialer Richtung. elektrode größeren Querschnitte des Kühlkanals als

Der Polschuh 2 ist auf-der Innenseite zur Licht- 35 Kühlmittelverteiler oder.Kühhnittelsammelkanal.

bogenkammer 7 mit einem Mantel 8 aus gut wärme- Die Baueinheiten mit den Polschuhen 2 oder 3 und

leitendem Material, wie Kupfer, versehen. Dieser Zy- die Ringelektrode 1 sind Teile .der zylindrischen

Endermantel schließt mit dem Polschuh 2 einen Ring- Kämmerwand der Lichtbogenkammer 7. Es läßt sich

spalt 9 für Kühlmittel ein. Ein angesetzter Ringteller bei fluchtender Anordnung eine strömungstechnisch

10 und ein dünnwandiger und winkeliger Profilring 40 günstige glatte Kanalwand erzielen. Eine glatte Kanal-

11 ergänzen den Kühlkanal 9. Sie schließen den Ver- wand kann schon deshalb geboten sein, .weil teiler- und den Sammelkanal für das KübJmittel ein. vorspringende Kanten" schwer zu kühlen skid und Das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, kann über ein andererseits dem Plasma relativ große Wärmeenergie Rohr 12 zugeleitet und über ein Rohr 13 abgeführt entziehen. Der Plasmabrenner hat bei .einer Zentral· werden. .-■■'■ 45 elektrode den Vorteil, daß das Magnetfeld in -dem

Der Polschuh 3 ist im wesentlichen spiegelbildlich Lich'tbogenfußpunktmit dem weitesten Weg amstärk-

zum Polschuh 2 ausgebildet. Der Kühlmittelkanal sten ist. Zur Erzeugung. des axialen Magnetfeldes

wird hier ebenfalls durch einen Ringspalt 9 zwischen sind konzentrisch zu den Polschuhen 2 bzw. 3 ring-

einem Zylindermantel 8 und Mem Polschuh 3 sowie förmige Erregerwicklungen 18 und 19 sowie 20 und

durch einen Profilringll und einen Ringformkörper 50 21 angeordnet. Bei gleichem Wicklungssinn sind zur

14 α gebildet. Alle Verbindungen können durch Erzielung eines" axialen Magnetfeldes alle Ringwick-

Weich- oder Hartlöten erzielt werden. Das Kühhnittel hingen gleichartig anzuschließen. Die Erregerwickf-

kann über ein Rohr 12 zugeleitet und über ein Rohr hingen können aus Kupferrohren gewickelt sein,

13 abgeführt werden.' Der Profilring 11 schließt mit durch die Kühhnittel geleitet wird. Die Anschlußrohre

der Polschuhstromseite einen Kühlmittelverteiler- 55 sind jeweils mit 12 bzw.'13 bezeichnet. Die Spani

kanal ein. Falls'die Kühlung des Polschuhes 3 aus , nungsqueUen für die Erregung sind schematisch durch

magnetisch leitendem Material in der Nähe der Ring- die Batterien 22 wiedergegeben. Im AusführungSr

elektrode 1 ausreicht, kann das Kühhnittel auch über beispiel sind die Erregerwicklungen 18 und 19 sowie

ein Rohr 13 zugeleitet und über ein Rohr 12 abgeführt 20 und 21 jeweils zueinander spiegelbildlich gewickelt werden. " - .60 dargestellt, weshalb sie in der angegebenen Weise

Durch die konisch- "ausgebildeten Polschuhstirn- anzuschließen sind. Die Erregerwicklungen der Polseiten wird bis zu Neigungswinkeln von etwa 60° schuhe sind so aufgeteilt, daß Spuleneinheiten entzwischen Stirnseite und Zylinderachse das Magnet- stehen, die gut gekühlt werden können,
feld im Ringspalt zwischen den Elektroden konzen- Das Magnetfeld wird den magnetisch in Reihe lietriert. Für Polschuhanordnung und Ausbildung kann 65 genden Polschuhen 2-und 3 über Joche aus magneim übrigen auf die Erfahrungen mit Elektronenlinsen tisch gut leitendem Material" zugeführt. Dazu können zurückgegriffen werden. Bemerkenswert ist, daß in die Erregerwicklungen 18 bis 21 in emem Ringmantel unmittelbarer Umgebung der Polschuhspitzen die 23, der an seinem Rücken einen Schlitz für die An_r

schlußrohre aufweist, sowie durch Ringscheiben 24 und 25 eingebaut werden.

Den besonderen Vorteil, auf den Lichtbogen ein in Polschuhen gebündeltes Spulenkernfeld einwirken zu lassen, erkennt man gut an folgender Gegenüberstel- S lung: Nimmt man an, daß der innere Durchmesser der Lichtbogenkammer 80 mm beträgt und der Luftspalt zwischen den Polschuhen 20 mm breit ist, so muß man für ein in der Achse gemessenes Magnetfeld von 15 000 G bei den Magnetspulen eine Verlustleistung von lediglich etwa 6 kW hinnehmen. Sollte das gleiche Feld allein von Luftspulen, also ohne jede Eisenführung erzeugt werden, so wäre mit etwa 170 kW Verlustleistung der Spulen zu rechnen. Demgegenüber müßte man für einen Plasmabrenner, bei dem ein Lichtbogen in einem Spiegelfeld zwischen Zylinderelektroden axial brennt — man kann sich dazu die Polschuhe 2 und 3 als Elektroden denken —, bei fehlender Eisenführung für eine radiale Feldstärke von 15 000 G eine Spulenverlustleistung von 300OkW aufbringen. Dieser Nachteil des Spiegelfeldes erklärt sich dadurch, daß auf den Lichtbogen nur der schwächere radiale Feldlinienanteil einwirkt. Bei Spiegelfeldern ist es auch viel schwieriger, Joche für die Feldführung vorzusehen.

Auf den Profilring 14 α auf der einen Seite der Lichtbogenkammer 7 ist ein Halsstück 26 aufgesetzt, das zur Führung der axial verstellbaren Zentralelektrode 5 dient. Zwischen dem Ring 14 α und dem Halsstück 26 liegt ein elektrisch isolierender Ring, der gasdicht abschließt. Er kann beispielsweise aus einem Kunststoff, wie Polytetrafluorethylen, gefertigt sein. Ringformkörper 14 α und Halsstück 26 schließen einen Ringraum ein, in dem das Arbeitsgas über Bohrungen 35 tangential zugeleitet wird. Das zu erhitzende Gas strömt dann zwischen Kammerwand und Halterung der Zentralelektrode mit einer axialen und radialen Komponente. Dabei kann man das Arbeitsgas tangential so einleiten, daß die Strömung der Rotation des Lichtbogens 6 entgegenwirkt. Dadurch wird das Gas auf einem längeren Weg durch den Lichtbogen geleitet und besonders stark aufgeheizt.

Die Zentralelektrode 5 besteht aus einem tellerförmigen Kopfteil 28 mit einem Ringrand und aus einer stabförmigen Halterung 27, die mit mehreren Rohren ummantelt ist. Eine zur Gasströmung konkave Tellerform hält den Lichtbogenfußpunkt auf einem Ringpfad. Der äußere Mantel 28 kann aus Messing gefertigt sein und dient als Gleitrohr in dem Halsstück 26, das auch aus Messing bestehen kann. Ein Mantel 29, der auf Glimmerbasis hergestellt sein kann, dient der elektrischen Isolation. Die Halterung 27 kann aus koaxialen Rohren bestehen, die der Kühhnittelführung dienen. Das Kühlmittel wird in der tellerförmigen Elektrode um einen Ringkern 30 geleitet. Durch einen schmalen Kühlspalt unter dem Elektrodenringrand läßt sich wieder eine gute Kühlwirkung erzielen. Das Kühlmittel kann der Zentralelektrode 5 über ein Kopfteil 31 mit einem Verteilerkanal über eine tangentiale Bohrung 32 zugeleitet werden. Die Speisespannung für den Lichtbogen 6 wird durch die schematisch wiedergegebene Quelle 33 .erzeugt. Danach ist die Zentralelektrode 5 als Kathode angeschlossen und die Ringelektrode 1 als Anode. Um die Zentralelektrode 5 nach Verstellen in axialer Richtung, was durch den Doppelpfeil angedeutet ist, festzuhalten, kann man eine Feststellschraube verwenden, die der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt ist.

Der ganze Plasmabrenner der dargestellten Ausführungsform kann mit einigen wenigen Schrauben 34, die durch strichpunktierte Linien wiedergegeben sind, zusammengehalten werden. Löst man andererseits die Schrauben 34 an den Ringscheiben 25 und 24, so können die die Polschuhe enthaltenden Baueinheiten auseinandergezogen und die Ringelektrode 1 sehr leicht inspiziert und ausgewechselt werden.

Soweit die elektrische Isolation der Lichtbogenstrahlung oder der Hitzestrahlung des umgebenden Gases ausgesetzt ist, kann man sie durch Labyrinthbauweise schützen. Dazu können die Spalte, in denen die Isolierringe eingelegt sind, durch mäanderförmige Ausbildung optische Deckung geben.

Wünscht man hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Arbeitsgases, das im einfachsten Fall Luft sein kann, so kann man an dem offenen Ende der Lichtbogenkammer eine Lavaldüse nachschalten. Für besondere Anwendungsfälle kann man die Erregerwicklungen 18 bis 21 auch weglassen und die Polschuhe 2 und 3 als Permanentmagnete ausbilden. Durch eine tangentiale Gaszuführung in Richtung der Lichtbogenrotation kann man dabei das Magnetfeld unterstützen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Plasmabrenner zum Aufheizen von Gasen in einer Lichtbogenkammer, bestehend aus einer Ringelektrode und einer von dieser umgebenen Zentralelektrode, zwischen denen ein rotierender Lichtbogen brennt, welche außerhalb des Brennraumes Erregerwicklungen mit Eisenkernen aufweist, die ein Magnetfeld erzeugen, das die Ebene der Ringelektrode senkrecht durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenkammer (7) von zwei zylindrischen, gleichachsig und mit axialem Abstand angeordneten Magnetpolschuhen umgeben ist, deren aneinandergrenzende Stirnseiten in Richtung auf die Kammerachse konisch abgeschrägt sind, und daß die Ringelektrode (1) zwischen den beiden Magnetschuhen angeordnet ist und einen Teil der Kammerwand bildet.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralelektrode axial verstellbar ist und das zu erhitzende Gas zwischen dieser und der zylindrischen Kammerwand zugeführt wird.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralelektrode tellerförmig ausgebildet ist.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklungen aus Rohren aus elektrisch leitendem Material bestehen, die von einem Kühlmittel durchströmt werden.

5. Plasmabrenner nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseinlaß tangential zur Zylinderwand der Lichtbogenkammer angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Raumfahrtforschung, Bd. IX, 1965, Heft 1, S. 2.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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