DE1256336B - Plasma flame generator - Google Patents

Plasma flame generator

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DE1256336B
DE1256336B DEK49962A DEK0049962A DE1256336B DE 1256336 B DE1256336 B DE 1256336B DE K49962 A DEK49962 A DE K49962A DE K0049962 A DEK0049962 A DE K0049962A DE 1256336 B DE1256336 B DE 1256336B
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plasma flame
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emitted light
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Withdrawn
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DEK49962A
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Inventor
Sachio Takei
Manabu Yamamoto
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. CL:Int. CL:

B23kB23k

Deutsche Kl,: 21h-30/01 German class: 21h-30/01

Nummer: 1256 336Number: 1256 336

Aktenzeichen: K 49962 VIII d/21 hFile number: K 49962 VIII d / 21 h

Anmeldetag: 12. Juni 1963 Filing date: June 12, 1963

Auslegetag: 14. Dezember 1967Opened on: December 14, 1967

Die Erfindung betrifft einen Plasmaflammen-Generator mit zwei Elektroden zur Erzeugung einer Lichtbogenentladung, von denen eine einen von einem Gasstrom durchsetzten Kanal enthält, in den auch die Lichtbogenentladung eintritt, sowie mit Vorrichtungen zur Erzeugung eines die Lichtbogenentladung beeinflussenden magnetischen Feldes.The invention relates to a plasma flame generator with two electrodes for generating an arc discharge, one of which contains a channel through which a gas flow passes and into which the arc discharge also enters, as well as with devices to generate a magnetic field that influences the arc discharge.

Es ist ein Plasmaflammen-Generator der genannten Art bekannt, dessen Plasmaflamme mittels eines magnetischen Feldes beeinflußt wird. Durch diese magnetische Beeinflussung werden bei dem bekannten Generator ionisierte Teilchen von der inneren Elektrode ferngehalten, um eine Erosion dieser Elektrode weitgehend zu verhindern. Wie Untersuchungen der Plasmaflamme eines Generators der genannten Art an Hand von mit hoher Geschwindigkeit aufgenommener Fotografie gezeigt haben, ändern sich Länge und Dicke der ausgestoßenen Flamme mit der Zeit. Es ist ferner leicht festzustellen, daß sich die Lichtintensität in gleicher Weise ändert. Diese Änderungen haben eine Größenordnung von 10% oder weniger. Sie stellen normalerweise kein wesentliches Problem dar. Es gibt jedoch Fälle, in denen die Temperatur und die Lichtintensität der Plasmaflamme wenigstens während einiger Zeit konstant bleiben müssen, beispielsweise bei Verwendung der Plasmaflamme als Lichtquelle für wissenschaftliche Instrumente oder bei Verwendung als Arbeitsfluidum in einem Überschall-Windkanal. In diesen Fällen stellen die obengenannten Änderungen ein Problem dar, da die Stabilität der Plasmaflamme zu einem Bestimmungsfaktor wird, welcher die wissenschaftlichen Untersuchungen unmittelbar beeinflußt.There is a plasma flame generator of the type mentioned known, the plasma flame by means of a magnetic field is influenced. This magnetic influence in the known Generator kept ionized particles away from the inner electrode to avoid erosion of this electrode largely to prevent. Such as examinations of the plasma flame of a generator mentioned above Art have shown on the basis of high-speed photography are changing Length and thickness of the emitted flame over time. It is also easy to see that the Light intensity changes in the same way. These changes are on the order of 10% or fewer. They are usually not a major problem. However, there are cases where the temperature and the light intensity of the plasma flame remain constant for at least some time must, for example, when using the plasma flame as a light source for scientific instruments or when used as a working fluid in a supersonic wind tunnel. In these cases ask the above changes pose a problem as the stability of the plasma flame becomes a determining factor which directly influences the scientific investigations.

Unter den die Stabiliät einer Plasmaflamme beeinflussenden Faktoren sind folgende am wichtigsten:Among the factors influencing the stability of a plasma flame, the following are the most important:

1. Wanderung des Lichtbogens,1. migration of the arc,

2. Änderungen des Lichtbogenstromes,2. changes in the arc current,

3. Änderungen der Strömungsverhältnisse.3. Changes in flow conditions.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmaflammen-Generator der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Plasmaflamme stabil gehalten wird, d. h. bei dem sich die Länge und die Dicke der Plasmaflamme nicht verändern. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Vorrichtung zum Messen der ausgestrahlten Lichtintensität der Plasmaflamme und ein Verstärker für die Ausgangssignale der Meßvorrichtung zur Steuerung des Magnetfeldes vorgesehen sind. Es läßt sich auf diese Weise eine weitgehend stabile Plasmaflamme erzeugen, deren ausgestrahlte Lichtintensität konstant bleibt, so daß dieser Generator beispielsweise als Lichtquelle für wissenschaftliche Zwecke oder in Plasmaflammen-GeneratorThe invention is based on the object of providing a plasma flame generator of the type mentioned at the beginning To create a kind whose plasma flame is kept stable, d. H. where the length and thickness of the Do not change the plasma flame. This is achieved according to the invention in that a device for Measure the emitted light intensity of the plasma flame and an amplifier for the output signals the measuring device for controlling the magnetic field are provided. It draws on this Way to generate a largely stable plasma flame, the emitted light intensity of which is constant remains, so that this generator can be used, for example, as a light source for scientific purposes or in Plasma flame generator

Anmelder:Applicant:

Kabushiki Kaisha Hitacht Seisakusho, TokioKabushiki Kaisha Hitacht Seisakusho, Tokyo

Vertreter:Representative:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,Dr.-Ing. E. Maier, patent attorney,

München 22, Widenmayerstr. 5Munich 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:
Sachio Takei, Kodaira-Shi;
Manabu Yamamoto, Odawara-Shi (Japan)Named as inventor:
Sachio Takei, Kodaira-Shi;
Manabu Yamamoto, Odawara-Shi (Japan)

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Japan vom 15. Juni 1962 (24 369)Japan June 15, 1962 (24 369)

einem Überschall-Windkanal verwendet werden kann, in welchem die Stabilität der Geschwindigkeit des Gasstromes gefördert wird.a supersonic wind tunnel can be used in which the stability of the speed of the Gas stream is promoted.

Falls eine Bündelung der ausgestoßenen Plasmaflamme eine wesentliche Rolle spielt, kann in an sich bekannter Weise ein magnetisches Wechselfeld oder ein magnetisches Drehfeld angewendet werden, so wie es die USA.-Patentschrift 2 941 063 vorschreibt.If the concentration of the ejected plasma flame plays an essential role, it can in itself As is known, an alternating magnetic field or a rotating magnetic field can be applied, so as prescribed in U.S. Patent 2,941,063.

Die Art und die Grundlagen sowie die Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, welche eine perspektivische Darstellung eines vorzugsweisen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Plasmaflammen-Generators zeigt. Dieser ist in der Zeichnung teilweise in Längsrichtung geschnitten und teilweise schematisch dargestellt.The nature and the principles as well as the details of the invention emerge from the following description in connection with the drawing, which is a perspective view of a preferred Exemplary embodiment of the plasma flame generator according to the invention shows. This is in the drawing partially cut in the longitudinal direction and partially shown schematically.

Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel enthält im wesentlichen eine thoriumhaltige Wolframkathode 2, eine wassergekühlte Kupferanode, welche eine Plasmaflammenausstoßdüse 2 aufweist, welche zentrisch in der Anode angeordnet ist, sowie Mittel, welche im einzelnen im folgenden beschrieben werden und dazu dienen, ein magnetisches Feld 4 quer durch diese Düse zu erzeugen.The embodiment shown in the drawing essentially contains a thorium-containing one Tungsten cathode 2, a water-cooled copper anode which has a plasma flame ejection nozzle 2, which is arranged centrally in the anode, as well as means which are described in detail below and serve to generate a magnetic field 4 across this nozzle.

Durch Anlegen einer Entladungsspannung an die Anode 1 und die Kathode 2 wird das Fließen eines Entladungsstromes 5 zwischen der Spitze der Kathode 2 und einem Lichtbogenanodenfußpunkt 6 an der Anode 1 bewirkt. Ein Gasstrom 7 wird in Aufwärtsrichtung an der Mantelfläche der Kathode 2 und an dem Lichtbogen vorbei durch die Düse 3 zu-By applying a discharge voltage to the anode 1 and the cathode 2, the flow becomes one Discharge current 5 between the tip of the cathode 2 and an arc anode base 6 on the anode 1 causes. A gas flow 7 is in the upward direction on the lateral surface of the cathode 2 and past the arc through nozzle 3

709 708/315709 708/315

Claims (2)

geführt, wodurch eine Plasmaflamme 8 in Aufwärtsrichtung aus dem Ausgang der Düse 3 ausgestoßen wird. Die durch die Wechselrichtung des Magnetfeldes 4 und des Entladungsstromes 5 erzeugte elektromagnetische Kraft bewirkt, daß der Lichtbogenanodenfußpunkt 6, welcher sonst leicht wandern würde, konstant an einem definierten festen Punkt gehalten wird. Das heißt, eine Neigung des Anodenfußpunktes 6, von diesem Punkt nach außen, d. h. in Richtung auf den Ausgang der Düse 3 zu wandern, wird durch das sich ergebende Anwachsen der auf den Entladungslichtbogen wirkenden elektromagnetischen Kraft verhindert. Eine Neigung des Anodenfußpunktes 6, sich nach einwärts von dem genannten Punkt zurückzuziehen, wird ebenfalls verhindert, und zwar durch die Blaswirkung des Gasstromes 7. Auf diese Weise ist es möglich, die Lage des Elektrodenfußpunktes festzuhalten. Es ist hierbei ebenfalls durch experimentelle Versuche festgestellt worden, daß die Länge und die ausgestrahlte Lichtintensität der ausgestoßenen Plasmaflamme 8 sich in Übereinstimmung mit der Intensität des Magnetfeldes 4 verändern. Der Grund hierfür ist, daß ein Teil des Streuflusses den Entladungsstrom 5 durchschneidet und die Neigung hat, diesen Entladungsstrom gegen eine Seite der inneren Wandfläche der Düse 3 zu drücken, wobei die Größe dieser Neigung sich in Übereinstimmung mit der Intensität des Magnetfeldes verändert. Die vorliegende Erfindung macht es möglich, die ausgestoßene Plasmaflamme durch Anwendung der oben beschriebenen Charakteristik zu steuern. Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel ist ein Plasmaflammen-Generator, bei welchem die Plasmaflamme so gesteuert wird, daß die ausgestrahlte Lichtintensität konstant bleibt. Das vorher beschriebene magnetische Feld 4 wird durch die magnetischen Feldspulen U und 12 erzeugt, welche mit geeignet angeordneten Kernen N und S versehen sind. Diese magnetischen Feldspulen 11 und 12 werden durch den Strom gesteuert, welcher durch eine Steuerschaltung zugeführt wird, die aus einem fotoelektrischen Umformer 9 zur Messung der ausgestrahlten Lichtintensität der Plasmaflamme 8 und einem Verstärker 10 für die Umformung des Ausgangssignals des genannten fotoelektrischen Umformers 9 auf den gewünschten Stromwert besteht. Durch eine negative Rückkopplung der Änderung der ausgestrahlten Lichtintensität der Plasmaflamme auf das steuernde Magnetfeld 4 mittels der oben beschriebenen Anordnung ist es möglich, die Änderungen der ausgestrahlten Lichtintensität zu vermindern. Eine solche Verminderung der Schwankung ist nicht nur auf die ausgestrahlte Lichtintensität beschränkt, sie ist auch möglich durch negative Rückkopplung anderer Schwankungen, wie z. B. ein Pulsieren der Stromquelle oder des Gasstromes, um so Änderungen auszuschalten. Da ein Magnetfeld mit extrem niedriger Intensität für die Steuerung ausreicht, wird nicht bewirkt, daß die ausgestoßene Plasmaflamme eine extrem unsymmetrische Form annimmt. Wenn die Symmetrie dieser Form besonders wesentlich ist, kann die Symmetrie der Form der ausgestoßenen Flamme dadurch aufrechterhalten werden, daß die Lage des Elektrodenfußpunktes mittels eines magnetischen Wechselfeldes oder eines magnetischen Drehfeldes gesteuert wird. Für diese Probleme und das Problem der Magnetfeldintensität muß die optimale Lage des Fußpunktes in Abhängigkeit von den Arbeitsbedingungen und der Verwendung des Plasmastrahles geeignet bestimmt werden. Obgleich die vorhergehende Beschreibung in bezug auf eine selbsttätige Steuerung durch Rückführung bzw. Rückkopplung der ausgestrahlten Lichtintensität erfolgt ist, ist es auch möglich, den Zustand der Erzeugung der Plasmaflamme durch Handsteuerung in Abhängigkeit von einem vorherbestimmten Steuerprogramm vorzunehmen. Es ist ein einzigartiger Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß in allen Fällen eine sehr feine Steuerung mit äußerst niedriger Leistung möglich ist. Infolgedessen ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung besonders wirksam als Mittel für die Steuerung der Erzeugung der Plasmaflamme oder für die Stabilisierung dieser Plasmaflamme. Patentansprüche:guided, whereby a plasma flame 8 is ejected in the upward direction from the outlet of the nozzle 3. The electromagnetic force generated by the alternation of the magnetic field 4 and the discharge current 5 has the effect that the arc anode base 6, which would otherwise easily migrate, is kept constant at a defined fixed point. That is, an inclination of the anode base 6 outwardly from this point, i.e. H. migrating towards the exit of the nozzle 3 is prevented by the resulting increase in the electromagnetic force acting on the discharge arc. A tendency of the anode base 6 to retreat inwards from the point mentioned is also prevented by the blowing action of the gas flow 7. In this way it is possible to fix the position of the electrode base. It has also been established through experimental tests that the length and the emitted light intensity of the ejected plasma flame 8 change in accordance with the intensity of the magnetic field 4. This is because part of the leakage flux cuts through the discharge current 5 and tends to push this discharge current against one side of the inner wall surface of the nozzle 3, the magnitude of this inclination changing in accordance with the intensity of the magnetic field. The present invention makes it possible to control the ejected plasma flame by employing the above-described characteristic. The embodiment shown in the drawing is a plasma flame generator in which the plasma flame is controlled so that the emitted light intensity remains constant. The magnetic field 4 described above is generated by the magnetic field coils U and 12, which are provided with cores N and S arranged appropriately. These magnetic field coils 11 and 12 are controlled by the current which is supplied by a control circuit, which consists of a photoelectric converter 9 for measuring the emitted light intensity of the plasma flame 8 and an amplifier 10 for converting the output signal of the said photoelectric converter 9 to the desired Current value exists. By negative feedback of the change in the emitted light intensity of the plasma flame to the controlling magnetic field 4 by means of the arrangement described above, it is possible to reduce the changes in the emitted light intensity. Such a reduction in the fluctuation is not only limited to the emitted light intensity, it is also possible through negative feedback of other fluctuations, such as e.g. B. a pulsation of the power source or the gas flow in order to switch off changes. Since an extremely low intensity magnetic field is sufficient for control, the ejected plasma flame is not caused to assume an extremely asymmetrical shape. If the symmetry of this shape is particularly important, the symmetry of the shape of the ejected flame can be maintained by controlling the position of the electrode base by means of an alternating magnetic field or a rotating magnetic field. For these problems and the problem of the magnetic field intensity, the optimal position of the base point must be suitably determined as a function of the working conditions and the use of the plasma jet. Although the above description has been made in relation to an automatic control by feedback or feedback of the emitted light intensity, it is also possible to make the state of generation of the plasma flame by manual control depending on a predetermined control program. It is a unique advantage of the present invention that very fine control with extremely low power is possible in all cases. As a result, the object of the present invention is particularly effective as a means for controlling the generation of the plasma flame or for stabilizing this plasma flame. Patent claims: 1. Plasmaflammen-Generator mit zwei Elektroden zur Erzeugung einer Lichtbogenentladung, von denen eine einen von einem Gasstrom durchsetzten Kanal enthält, in den auch die Lichtbogenentladung eintritt, sowie mit Vorrichtungen zur Erzeugung eines die Lichtbogenentladung beeinflussenden magnetischen Feldes, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung(9) zum Messen der ausgestrahlten Lichtintensität der Plasmaflamme (8) und ein Verstärker (10) für die Ausgangssignale der Meßvorrichtung zur Steuerung des Magnetfeldes vorgesehen sind.1. Plasma flame generator with two electrodes to generate an arc discharge, one of which contains a channel through which a gas flow passes, into which the arc discharge is also inserted occurs, as well as with devices for generating an influencing the arc discharge magnetic field, characterized in that a device (9) for measuring the emitted light intensity of the plasma flame (8) and an amplifier (10) for the output signals of the measuring device are provided for controlling the magnetic field. 2. Plasmaflammen-Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Erzeugung eines die Lichtbogenentladung beeinflussenden, sich periodisch ändernden Magnetfeldes, insbesondere eines magnetischen Drehfeldes, vorgesehen ist.2. Plasma flame generator according to claim 1, characterized in that a device to generate a periodically changing magnetic field that influences the arc discharge, in particular a rotating magnetic field is provided. In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 825 677;
USA.-Patentschrift Nr. 2941063.Considered publications:
British Patent No. 825,677;
U.S. Patent No. 2941063. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 709 708/315 12.67 © Bimdesdnickerei Berlin709 708/315 12.67 © Bimdesdnickerei Berlin
DEK49962A 1962-06-15 1963-06-12 Plasma flame generator Withdrawn DE1256336B (en)

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