DE1254266B - Plasma-Erzeuger - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

B23k

H05h;F23d
Deutsche KL: 21h-30/01

Nummer: 1254 266

Aktenzeichen: K 51166 VIII d/21h

Anmeldetag: 23. Oktober 1963

Auslegetag: 16. November 1967

Die Erfindung betrifft einen Plasma-Erzeuger mit zwei Entladungselektroden.

Plasma-Erzeuger, auch Plasma-Flammengeneratoren genannt, sind dazu bestimmt, eine elektrische Entladung hervorzurufen. Üblicherweise erfolgt diese Entladung in einem inerten oder in einem reduzierenden Gas, da eine Erosion der Elektroden möglichst verhindert werden soll. Wenn jedoch ein derartiger Plasma-Erzeuger für das Pulverspritzen, für chemische Hochtemperaturreaktionen, spektroskopische Analysen u. dgl. verwendet wird, so ist es unvermeidlich, daß in das Plasma auch Substanzen eingeführt werden müssen, welche bei Berührung der Elektroden diese erodieren. Solche Substanzen sollen im folgenden als »aktive Materialien« bezeichnet werden.

Ein bekannter derartiger Plasma-Erzeuger besteht aus zwei Entladungselektroden, wobei eine innere Elektrode als spitz zulaufender Stab ausgebildet ist und axial in eine sich trichterartig verengende Durchbohrung der anderen, äußeren Elektrode eingreift, aus einer Zuführung für einen ersten Fluidstrom koaxial mit der Stabelektrode in die Elektrodendurchbohrung und aus einer im wesentlichen zur Stabelektrode senkrechten Zuführung für einen zweiten, mit Pulver beladbaren Fluidstrom in die Nähe der Entladungsstrecke. Bei dieser Anordnung wird nun die innere Elektrode durch das mit dem zweiten Fluidstrom eingeführte Pulver, das nach obiger Definition ein aktives Material darstellt, beaufschlagt. Die Folge davon ist, daß die auf äußerst hohe Temperatur aufgeheizte innere Elektrode sehr schnell abbrennt. Dieser Nachteil der bekannten Anordnung kann nun nicht einfach dadurch vermieden werden, daß der mit aktivem Material beladene Fluidstrom möglichst weit von den Elektroden ferngehalten wird, denn der zweite Fluidstrom soll ja in ein Plasma möglichst hoher Temperatur eingebracht, also so nahe wie möglich an den Entladungsbogen herangeführt werden, da hier die höchsten Plasmatemperaturen auftreten. Weiterhin ist ein tiefes Eintauchen des zweiten Fluidstromes in das Plasma bis in Nähe des Entladungsbogens auch deshalb erwünscht, da in diesem Fall die Reaktionszeit zwischen dem Plasma und dem Reaktionsgas sehr lange ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Plasma-Erzeuger zu schaffen, bei dem zur Verminderung der Elektrodenerosion die Elektrodenansatzstellen von dem eingeführten aktiven Material nicht mehr berührt werden und bei dem trotzdem das in den Elektrodenraum eingeführte Plasma-Erzeuger

Anmelder:

Kabushiki Kaisha Hitachi Seisakusho, Tokio

Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:

Sachio Takei, Hachioji-Shi;

Manabu Yamamoto, Odawara-Shi (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 24. Oktober 1962 (46 348)

aktive Material möglichst tief in den Plasmastrahl eindringt. Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein auf den Entladungsbogen einwirkendes, transversales Magnetfeld angelegt ist und daß der zweite Fluidstrom im Abstand von der inneren Elektrode in die Elektrodenkammer mündet und direkt auf den Entladungsbogen gerichtet ist, und zwar entgegengesetzt der Ablenkrichtung des Magnetfeldes.

Da bei der Erfindung der Zuführungskanal für den zweiten Fluidstrom so angeordnet ist, daß der Fluidstrom direkt in Richtung auf den Entladungsbogen ausströmt, wird erreicht, daß der Fluidstrom tief in das Plasma eintaucht, und zwar bis zu der hei-Besten Plasmastelle. Durch das zweite Merkmal der Erfindung, nämlich das eine elektromagnetische Kraft auf den Entladungsbogen einwirkt, und zwar derart, daß dem Fluidstrom auf den Bogen ausgeübten Druck ein Gegendruck entgegengesetzt ist, wird verhindert, daß der Entladungsbogen durch den Gasstrom weggespült wird. Durch das erfindungsgemäße Zuführen des zweiten Fluidstromes wird somit eine äußerst intensive Aufheizung des Fluidstromes erreicht. Außerdem ergibt sich dabei der weitere Vorteil, daß die Anodenansatzsteile auf Grund des Gasdrucks stets von der Mündung des Fluidzuführungskanals ferngehalten und an der der Kanalmündung entgegengesetzten Seite der Anodenwandung festgehalten wird. Damit wird die Gefahr einer Verseuchung der Bogenansatzstelle wesentlich vermindert und die Bogenstabilität erhöht. Das angelegte Magnetfeld verbessert die Bogenstabilität

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noch weiter und hält außerdem den Bogen zwischen terial in das Plasma einzuführen, ohne daß dabei das seinen beiden Ansatzstellen in der bezüglich der aktive Material die Elektrodenansatzstellen berührt. Erhitzung des Fluidstromes günstigsten Stellung fest, Wenn während des oben beschriebenen Betriebs und zwar auch dann, wenn die Strömungsgeschwin- die Strömungsmenge des ein aktives Material enthaldigkeit des zugeführten Fluids sehr hoch ist. 5 tenden und durch die Gaszuführungsleitung 5 zuge-Grundsätzlich war es zwar bereits vorbekannt, führten Gasstromes 8 zu groß wird, so wird die elektrische Entladungsbogen mittels eines Magnet- Bogenentladung 9 zu stark nach einer Seite getriefeldes abzulenken. Die magnetische Ablenkung er- ben. Damit wird aber der Plasmastrahl 10 ebenfalls folgte jedoch bisher nur bei Bogen-Schneidvorrich- deformiert, d. h. auf eine Seite gedruckt, mit dem tungen, bei welchen der Bogen seitlich abgelenkt io Ergebnis, daß das Vermischen des Plasmas mit dem wird, damit das beim Schneiden verflüssigte Metall aktiven, in das Plasma eingeführten Material unnur an einer der beiden Schnittkanten abtropfen gleichmäßig bzw. unvollständig erfolgt. Ein derartikann. ger, nachteiliger Betrieb des Plasma-Flammengene-Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich rators wird nach der Erfindung jedoch mit Hilfe der aus der Beschreibung und der Zeichnung. In der 15 Magnetpole 6 korrigiert, die ein Magnetfeld// mit Zeichnung ist eine Ausführungsform der Erfindung einer Komponente senkrecht zur Papierebene der beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt die einzige Zeichnung erzeugen. Daraus ergibt sich, daß eine Figur im vertikalen Schnitt die wesentlichen Teile sogenannte »Lorentzkraft« auf die Bogenentladung eines Plasma-Flammengenerators nach der Er- ausgeübt wird, und zwar durch das die Bogenentladung, ao ladung 9 kreuzende Magnetfeld. Die Lorentzkraft Gemäß der Zeichnung weist die dargestellte Aus- wird steuerbar in einer Richtung erzeugt, die entführungsform der Erfindung einen Grundaufbau in gegengesetzt ist derjenigen, in welcher der Gas-Form einer zylindrischen Elektrode 1 auf, die aus strom 8 eingeführt wird. Durch diese Korrektionsnicht magnetischem, leitendem Material besteht. Die maßnahme wird die Kraft des ein aktives Material Elektrode 1 ist mit einer zentral in der Elektrode ver- 25 enthaltenden Gasstromes 8, der die Bogenentlalaufenden zylindrischen Düse 2, einem ebenfalls zen- dung 9 nach der Seite wegzuspülen neigt, austral in der Elektrode verlaufenden, konischen Durch- geglichen durch die elektromagnetische Lorentzkraft, laß 3, der koaxial an seinem engeren oberen Ende wodurch eine extreme Abbiegung bzw. Ablenkung mit dem unteren Ende der Düse 2 verbunden ist, und des Entladungsweges auf die eine Seite verhindert einer Gaszuführungsleitung 5 versehen, die von der 30 werden kann, und zwar selbst dann, wenn aktives Außenfläche der Elektrode 1 zu einer Stelle in der Material mit sehr großer Strömungsgeschwindigkeit Nähe der Verbindung zwischen dem konischen durch den Gaszuführungsweg 5 eingebracht wird. Durchlaß 3 und der Düse 2 führt. Eine stabförmige, Demgemäß ist es möglich, die aktiven Materialien zugespitzte Elektrode 4, die elektrisch abisoliert ist, äußerst gut in das Plasma einzumischen,
ist koaxial innerhalb des konischen Durchlasses 3 35 Da die elektromagnetische Kraft, d. h. die Lorentzangeordnet und gehaltert, und zwar in einer solchen kraft, und die Kraft des Gasstromes, d. h. die durch Stellung, daß sie der Elektrode 1 zugekehrt ist. das aktive Material enthaltende Gas 8 ausgeübte Magnetpole 6 sind in der Elektrode 1 eingebettet, Kraft einander entgegengerichtet sind, ist bei dem und zwar in einer derartigen Lage, daß ihre Pole Generator nach der Erfindung die Lage des Elektrodem unteren Teil der Düse 2 zugekehrt sind. 40 denfußpunktes 11 durch die Größen dieser zwei Während des Betriebs des Plasma-Flammen- Kräfte bestimmt. Wenn die Kraft des Gasstromes die generators obigen Aufbaus wird eine Entladung 9 elektromagnetsiche Kraft übertrifft, so wird der Elekerzeugt, deren Fußpunkte bzw. Ansatzstellen durch trodenfußpunkt 11 sich an der Stelle befinden, die die Spitze der stabförmigen Elektrode 4 und die in der Zeichnung dargestellt ist, wobei, wie bereits Innenwandung der zylindrischen Elektrode 1 dar- 45 oben erwähnt, das aktive Material die Bogenansatzgestellt werden. Ein Gasstrom 7 aus inertem Gas stellen nicht berühren kann. Wenn andererseits die wird durch den konischen Durchlaß 3 nach oben ge- elektromagnetische Kraft die Kraft des Gasstromes leitet. Das durch die Bogenentladung 9 erzeugte übersteigt, so wird sich die Elektrodenansatzsteile Hochtemperaturplasma wird durch den Strom 7 aus auf die der in der Zeichnung dargestelten Ansatzinertem Gas mitgerissen, durchströmt die Düse 2 und 50 stelle gegenüberliegenden Stelle bewegen, d. h. zu der wird als Plasmastrahl 10 nach außen ausgestoßen. Seite der Mündung der Gaszuführungsleitung 5. In Wenn bei dem oben beschriebenen Generator ein diesem Fall jedoch neigt der das aktive Material ent-Gasstrom 8, enthaltend ein aktives Material, durch haltende Gasstrom ebenfalls dazu, den Elektrodendie Gaszuführungsleitung 4 in das Plasma eingeleitet fußpunkt wegzuspülen. Demgemäß wird der Elekwird, so wird die Elektrodenansatzstelle 11 an der 55 trodenfußpunst an einer Stelle in der Umgebung Innenfläche der Zylinderelektrode 1 durch das Gas- rund um die öffnung der Gaszuführungsleitung 5 strom 8 »weggespült« und, wie in der Zeichnung an- herum fixieren. Demgemäß steht auch in diesem Fall gedeutet, an einer bestimmten Stelle an der Innen- der Elektrodenfußpunkt ohne Kontakt mit dem wand gegenüber der Gaszuführungsleitung 5 fixiert. aktiven Material.

Der Gasstrom 8 mit dem aktiven Material, der durch 60 Die beschriebenen Grundlagen und Vorteile des

die Gaszuführungsleitung 5 eingeführt worden ist, Generators nach der Erfindung haben sich durch

wird dann durch den inerten Gasstrom 7 nach oben Experimente bestätigt. Beispielsweise wurde Wasser

mitgerissen und zusammen mit dem Plasmastrahl 10 mit Hilfe eines Zerstäubers in einen Nebel zerstäubt

ausgestoßen, ohne daß er die Spitze der stabförmigen und in einer Strömungsmenge von ungefähr 5 g/Min. Elektrode 4 oder den Elektrodenansatzpunkt 11 auf 65 durch den Gaszuführungskanal 5 eines Generators

der Innenwandung der Zylinderelektrode 1 berühren der beschriebenen Bauweise mit wassergekühlter

könnte. Demgemäß ist es möglich, die oben ange- Kupferanode als Zylinderelektrode 1 und Wolframführte Aufgabe zu lösen, nämlich ein aktives Ma- kathode als Stabelektrode 4 eingeführt. Als inerter

Claims (1)

1. Gasstrom 7 wurde Argongas in einer Strömungsmenge von 20 l/Min, eingeführt; der Entladungsstrom betrug 180 Ampere.

   Unter diesen Bedingungen wurde das Spektrum des sich ergebenden Plasmastrahles 10 gemessen, wobei die Spektrallinien und -banden von H, O und OH des dissoziierten Wassers deutlich festgestellt werden konnten. Es hat sich gezeigt, daß die Intensitäten dieser Spektren bei Anlegen eines Magnetfeldes H ungefähr doppelt so stark waren, wie ohne angelegtes Magnetfeld, wobei die Differenzen zwischen den Intensitäten eine Anzeige dafür geben, daß durch die Anwendung des Magnetfeldes das Plasma und der Wassernebel besser miteinander vermischt werden. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß für den obigen Zweck eine Magnetfeldstärke von 300 bis 500 Gauß geeignet ist. Wenn ein Magnetfeld mit höherer Feldstärke als der angegebene Bereich angelegt wurde, so bildete sich der Elektrodenfußpunkt 11 an der Seite der Mündung der Gaszuführungsleitung 4 aus, und wenn die angelegte Feldstärke geringer war als dieser Bereich, so entstand der Elektrodenfußpunkt an der gegenüberliegenden Seite. Es hat sich jedoch durch spektroskopische Untersuchungen erwiesen, daß in beiden Fällen keine as Erosion der Elektroden auftritt.

   Patentanspruch:

   Plasma-Erzeuger mit zwei Entladungselektroden, wobei eine innere Elektrode als spitz zulaufender Stab ausgebildet ist und axial in eine sich trichterartig verengende Durchbohrung der anderen, äußeren Elektrode eingreift, einer Zuführung für einen ersten Fluidstrom koaxial mit der Stabelektrode in die Elektrodendurchbohrung und einer im wesentlichen zur Stabelektrode senkrechten Zuführung für einen zweiten, mit Pulver beladbaren Fluidstrom in die Nähe der Entladungsstrecke, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise ein auf den Entladungsbogen einwirkendes, transversales Magnetfeld (H) angelegt ist und daß der zweite Fluidstrom (8) im Abstand von der inneren Elektrode (4) in die Elektrodenkammer mündet und direkt auf den Entladungsbogen gerichtet ist, und zwar entgegengesetzt der Ablenkrichtung des Magnetfeldes.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   USA.-Patentschrift Nr. 3 016 447;
   britische Patentschrift Nr. 825 677.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   709 688/333 11.67 ® Bundesdruckerei Berlin