DE1296492B

DE1296492B - Elektrischer Lichtbogenbrenner, insbesondere Plasma-Lichtbogenbrenner

Info

Publication number: DE1296492B
Application number: DET20723A
Authority: DE
Inventors: Browning James Alexander
Original assignee: Thermal Dynamics Corp
Current assignee: Victor Equipment Co
Priority date: 1960-09-15
Filing date: 1961-09-07
Publication date: 1969-05-29
Also published as: US3027446A; GB914088A

Description

Es ist bekannt, daß nahe oder längs eines elektrischen Lichtbogens hohen Druckes eingeführte Gase auf außerordentlich hohe Temperaturen erhitzt werden können. Die sich aus einer solchen Erhitzung ergebenden dissoziierten und ionisierten Gasströme können für viele Zwecke in der Hochtemperaturtechnik verwendet werden.

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Lichtbogenbrenner, insbesondere Plasma-Lichtbogenbrenner, mit wenigstens einer Elektrode, die eine elektronenemittierende Fläche aufweist, wobei zum Erzeugen eines Gaswirbels zum Begrenzen und Stabilisieren des Lichtbogens wenigstens ein tangentialer Gaseinlaßkanal in dem Brenner vorgesehen ist, der im wesentlichen in der Ebene der elektronenemittierenden Fläche der Elektrode mündet.

Bei einem bekannten Brenner dieser Art ist zwischen der elektronenemittierenden Fläche der Elektrode und der einen Lichtbogendurchgang begrenzenden Düse eine Kammer gebildet, deren Durchmesser viel größer als der Durchmesser der elektronenemittierenden Fläche der Elektrode ist und an deren Umfang ein tangentialer Gaseinlaßkanal unmittelbar unter der Düse gebildet ist. Mittels von durch diesen Kanal in die Kammer eintretenden Gases soll in der ganzen Kammer, die sich wahlweise bis hinter die elektronenemittierende Fläche der Elektrode erstrecken kann, eine Wirbelströmung erzeugt werden mit dem Zweck, den Gasstrahl und den Lichtbogen, Lichtbogen sicher im Wirbelzentrum, d. h. in einer Zone niedrigen Drucks, gehalten ist, und zwar an der gewünschten Stelle der elektronenemittierenden Fläche der Elektrode.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die tangentialen Gaseinlaßkanäle in einem zwischen der Elektrode und der den Lichtbogendurchgang begrenzenden Düse vorgesehenen hitzebeständigen Teil gebildet.

Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen können die tangentialen Einlaßkanäle in der Düse oder in dem Elektrodenkörper'selbst gebildet sein, in welchem Fall sie sich durch den Elektrodenkörper hindurch in eine am Ende der Elektrode gebildete Ausnehmung erstrecken.

Es ist bei einem Lichtbogenbrenner derjenigen Art, auf die die Erfindung sich bezieht, oftmals erwünscht, ein Gas zu verwenden, welches für Erhitzung besonders geeignet ist, welches aber nachteilige Wirkungen auf die Brennerelektrode, insbesondere die emittierende Kathode, hat. Gemäß der Erfindung sind, um den Brenner auch mit solchen Gasen verwenden zu können, ein oder mehrere zusätzliche tangentiale Einlaßkanäle vorgesehen, die in einem Abstand vor der elektronenemittierenden Fläche in den Lichtbogendurchgang münden. Hierbei wird das Erhitzungsgas durch diese zusätzlichen Gaseinlaßkanäle hindurch eingeführt, während durch die Gaseinlaßkanäle, die an der elektronenemittierenden Fläche der

die durch die Düse hindurchgehen, zu stabilisieren. 30 Elektrode und in deren Ebene liegen, ein inertes Gas

Gemäß einer abgewandelten Ausführung des bekann- eingeführt wird.

ten Brenners kann ein weiterer tangentialer Gasein- Die Erfindung umfaßt auch einen Lichtbogenbren-

laßkanal in eine Kammer münden, die auf der von ner, der für Wechselstrombetrieb geeignet ist, wobei

der Elektrode abgewandten Seite der Düse liegt. zwei sich im Abstand gegenüberliegende Elektroden

Bei dem bekannten Lichtbogenbrenner kann keine 35 vorgesehen sind. Gemäß der Erfindung ist ein solcher

einwandfreie Wirbelbildung zur gewünschten Begren- Lichtbogenbrenner dadurch gekennzeichnet, udaß

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zung und Stabilisierung des Lichtbogens erhalten werden. Der Lichtbogen kann somit entlang der elektronenemittierenden Fläche der Elektrode wandern. Dadurch wiederum ist die Möglichkeit gegeben, daß der Lichtbogen erlischt, weil die elektronenemittierende Fläche an der Stelle, zu welcher der Lichtbogen wandert, nicht heiß genug ist, um das Verlöschen des Lichtbogens zu verhindern. Ein weiterer Nachteil des bekannten Brenners besteht darin, daß der Lichtbogen auf die Düsenwand überspringen und aus ihr wieder heraustreten kann, so daß sich ein Doppellichtbogen bildet und die Düse zerstört wird.

Es ist auch ein

insbesondere zum Aufsprühen feuerfesten Materials auf eine Unterlage zum Bilden eines Überzugs bekannt, bei dem im Abstand vor der Elektrode Einlaßkanäle für das Überzugspulver und Gas vorgesehen sind, die in einem spitzen Winkel zur Achse des Lichtbogendurchgangs und annähernd tangential in diesen münden. Das Pulver und das Gas, die durch diese Einlaßkanäle hindurch eingeführt werden, bewegen sich auf einer spiralförmigen Bahn und

60 jeder der Elektroden tangentiale Gaseinlaßkanäle zugeordnet sind und zwischen den Elektroden eine Gasauslaßöffnung vorgesehen ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

F i g. 1 ist ein Gesamtlängssehnitt durch einen nach den Grundsätzen der Erfindung ausgebildeten Plasma-Brenner;

F i g. 2 zeigt im Längsschnitt einen abgewandelten Teil des Brenners gemäß Fi g. 1;

F i g. 3 a veranschaulicht eine weitere Abwandlung eines Teils des Brenners gemäß F i g. 1;

F i g. 3 b ist ein Querschnitt nach der Linie 3 b-3 b elektrischer Lichtbogenbrenner, 50 von F i g. 3 a;

F i g. 3 c zeigt eine Einzelheit der Ausführungsform gemäß F i g. 3 a und 3 b.

Fig.4 stellt eine weitere abgewandelte Ausführungsform dar;

F i g. 5 ist ein Längsschnitt durch einen Doppelbrenner für Wechselstrombetrieb, an dem die Grundsätze der Erfindung verkörpert sind;

F i g. 5 a ist ein Querschnitt nach der Linie 5 a-5 a von F i g. 5.

Der in Fig. 1 wiedergegebene Brenner weist zwei Elektroden auf, nämlich eine Kathode 11 und eine Anode 16, zwischen denen während des Betriebs der Vorrichtung ein Lichtbogen erzeugt wird. Die Kathode 11 ist in einem Teil 12 gehalten, der in einen aus elektrisch nichtleitendem Material bestehenden Körper 13 eingeschraubt ist. Ein aus Keramik bestehender Teil 15 trennt die Stirnfläche der Kathode von einer Innendüse 14. Diese Düse 14 ist wäh-

in der Bewegungsrichtung des Lichtbogens.

Demgegenüber ist ein Lichtbogenbrenner der einleitend genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei tangentiale Gaseinlaßkanäle unmittelbar an der Elektrode an dem gewünschten Ansatzpunkt des Lichtbogens münden.

Durch die Erfindung wird ein Lichtbogenbrenner erhalten, bei dem ein vergleichsweise stabiler Wirbel um den Lichtbogen herum gebildet ist, so daß der

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rend des Arbeitens des Brenners elektrisch »schwim- zentraler Kern niedrigen Drucks unmittelbar von mend« und begrenzt einen länglichen Durchgang 23, der Kathodenfläche selbst ausgeht.

durch welchen der Lichtbogenstrom hindurchgeht. Die Grundsätze der Erfindung eignen sich weiter-

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine gleich- hin ideal für Fälle, in denen zwei Gase verschiedener bleibende Polarität verwendet, d. h. eine Gleichstrom- 5 Art verwendet werden sollen. Es ist oft gewünscht energiequelle 10 führt Strom über eine Leitung 9 an worden, ein Gas zu verwenden, welches für Heizdie Kathode 11. Die von der Stirnfläche der Kathode zwecke, für die der Brenner benutzt werden soll, bell emittierten Elektronen gehen durch den Durch- sonders geeignet ist, welches aber nachteilige Wirgang 23 in der Düse 14 hindurch und treffen auf die kungen auf die Brennerelektroden, insbesondere die Innenwand eines in der Anode 16 ausgebildeten io emittierende Kathode hat. Diese Wirkungen können Durchganges 24 auf. Der elektrische Stromkreis wird im Fall reaktionsfähiger Gase chemischer Art sein, durch eine Leitung 8 geschlossen, die zu der Energie- oder es können sich unerwünschte elektrische quelle 10 zurückführt. Charakteristiken ergeben. Andererseits kann das zu

Gas, das durch den Lichtbogen erhitzt werden verwendende Gas verhältnismäßig billig, aber aus

soll, wird durch eine Öffnung 17 in eine Kammer 18 15 den angegebenen Gründen unbrauchbar sein,

eingeführt. Dieses Gas, das unter zweckentsprechen- I_n solchen Fällen wird gemäß der Erfindung ein

dem Druck steht, geht durch tangential angeordnete kräftiger Wirbel eines inerten Gases unmittelbar an

Kanäle 20 hindurch und fließt über die Stirnfläche der Kathodenfläche in der oben beschriebenen Weise

der Kathode 11. Dieser Gasfluß ist in seiner Gestal- erzeugt. Dieses inerte Gas kann in verhältnismäßig

tung vorzugsweise senkrecht, und es werden solche 30 kleinen Mengen verwendet werden; dennoch wird,

Drücke und Öffnungsgrößen verwendet, daß Gas- wenn es in der beschriebenen Weise eingeführt wird,

geschwindigkeiten bis zur Schallgeschwindigkeit oder die Kathodenfläche gegen den Hauptgasstrom, der an

sogar darüber hervorgerufen werden, um an der einer von der Kathodenfläche weiter entfernt liegen-

Kathodenfläche einen kräftigen Wirbel zu erzeugen. den Stelle eingeführt wird, wirksam abgeschirmt.

Der aus Keramik bestehende Teil 15 kann wahl- »5 In F i g. 2 ist eine Anordnung zur Erzielung dieses

weise eine Form haben, wie sie in den Fig. 3 a und Ergebnisses wiedergegeben. Das inerte Schutzgas

3 b wiedergegeben ist. In diesem Fall sind vier strömt aus einer Kammer 35 durch tangentiale Kanäle

tangentiale Kanäle 39 vorgesehen, die in der Stirn- 31 und Öffnungen 32 hindurch, um einen Wirbel an

fläche der Düse 38 eingearbeitet sind. Eine Abschrä- der Elektrodenfläche zu erzeugen. Das reaktions-

gung 40 am Ende der Düse 38 schafft den engen Ab- 30 fähigere Gas, das gewöhnlich in größerem Volumen

stand, der für Zündung durch Hochfrequenzentla- verwendet wird, strömt aus einer Kammer 36 durch

dung zweckmäßig ist. einen oder mehrere tangentiale Kanäle 33 und öff-

Eine weitere Ausführungsform zur Erzielung des nungen 34 hindurch.

genannten Zweckes ist in F i g. 4 wiedergegeben, wo Eine wichtige Anwendung eines solchen Doppeltangentiale Kanäle 45 in dem Kathodenkörper selbst 35 flusses von Gasen ist diejenige für die Erzielung eines rusgebildet sind und die Kathode 11 in einen Halte- Hochleistungsbetriebes, bei dem ein Gas, wie Stickteil 43 eingesetzt ist. stoff, verwendet wird. Stickstoff ist in bezug auf das

Mit einem gemäß der vorstehenden Beschreibung Kathodenmaterial verhältnismäßig inert. Da es jeausgebildeten und betriebenen Brenner können zahl- doch zweiatomig ist, führt es zu hohen Erhitzungsreiche Vorteile erhalten werden. So werden sehr 40 werten der emittierenden Kathode. Argon ergibt eine kräftige Wirbel unmittelbar an der Kathodenfläche wesentlich bessere Kathodenwirkung, da es den doperzeugt. Der Lichtbogen, der dem Weg des kleinsten pelten Stromzufluß zuläßt. Jedoch hat Argon eine Widerstandes folgt, geht durch den Wirbelkern hin- niedrige Lichtbogenspannungscharakteristik und erdurch, der eine geringe Dichte aufweist. Dieser fordert hohe Ströme (wenn es allein verwendet wird), Wirbelkern liegt in der Mitte der Kathodenfläche, 45 um eine hohe Leistung zu erzielen. Dagegen hat deren emittierende Zone auf diese Weise mittig und Stickstoff höhere Lichtbogenspannungscharakteristiin ausreichendem Abstand von den nächstliegenden ken. Die Vereinigung der erwünschten Charakteristi-Metallabschnitten angeordnet ist, die sonst dem ken jedes Gases bei dem Verfahren gemäß der Er-Stromfluß einen wahlweisen Weg darbieten könnten. findung führt zu wesentlich erhöhten Werten der

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, daß der einen 5° Arbeitsenergie und zu höheren Gasdruckwerten,

niedrigen Druck aufweisende Kern des Gaswirbels Ferner sind nur kleine Mengen des teureren Argons

sich unmittelbar bis an die Fläche der Kathode er- erforderlich, um die gewünschten Kathodenarbeits-

streckt. Dadurch werden ideale Bedingungen für die bedingungen zu erhalten.

Elektronenemission aus dieser Fläche erhalten. Ferner · Eine zweite Anwendungsart der Ausführungsform ist der schmelzende oder nahezu schmelzende 55 gemäß F i g. 2 betrifft die Benutzung von chemisch Emissionsbereich von verhältnismäßig kühlem Gas reaktionsfähigen Gasen. Beispielsweise führen Sauerumgeben, so daß eine ringförmige Zone geschaffen stoff und Luft zu einer raschen Erosion der schmelwird, in welche die Wärme aus der Mitte über einen zenden Kathodenfläche.DieAbschirmung dieserFläche hohen Gradienten strömen kann. Dadurch wird eine durch einen kleinen Strom eines inerten Gases (N₂, A, höhere Kathodenlebensdauer gewährleistet, als sie 60 He usw.) gewährleistet ein zuverlässiges Arbeiten des bisher erzielbar war. Brenners bei Verwendung reaktionsfähiger Gase.

Ein weiterer Vorteil eines Gaswirbels an der Die übrigen Figuren veranschaulichen weitere An-Kathodenfläche besteht darin, daß die maximale Ordnungen der Elektrode, des Keramikteiles und der Stärke des Wirbels auch in denjenigen Fällen aus- Düse, die sich als geeignet erwiesen haben,
genutzt werden kann, in denen ein kleiner Elektro- 65 Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist die denabstand erforderlich ist. In dem Raum zwischen Kathode 11 mit einer Ausnehmung 47 versehen, in den Elektroden entsteht kein Verlust, wenn äugen- die im Kathodenkörper selbst ausgebildete Wirbelblicklich ein kräftiger Wirbel erzeugt wird, dessen kanäle 45 münden.

In allen Fällen ist es wichtig, daß der den Wirbel erzeugende anfängliche Gasfluß über die Stirnfläche der Elektrode gerichtet wird, d. h. über die Fläche, die den Kathodenfleck enthält, wie dies oben erläutert ist.

Obgleich vorstehend die Erfindung in Anwendung s auf Anordnungen mit gleichbleibender Polarität beschrieben worden ist, ist sie auch auf Anordnungen mit sich umkehrender Polarität und die Benutzung von Wechselströmen anwendbar.

F i g. 5 und 5 a zeigen eine mögliche Anordnung eines Lichtbogenbrenners, der mit Wechselstrom arbeitet und nach den Grundsätzen der Erfindung ausgebildet ist. In diesem Fall hat jede Elektrode die gleiche Ausbildung und arbeitet in der oben beschriebenen Weise, wobei sie abwechselnd als Kathode und Anode wirkt. Der Wechselstromlichtbogen 69 geht zwischen den Elektroden 61 durch einen Durchgang 67 hindurch, der in einem aus elektrisch nichtleitendem Material bestehenden Teil 63 ausgebildet ist. Gas wird an jedem Ende des Brenners durch öffnungen 64, Kammern 65 und tangential angeordnete Kanäle 66 eingeführt, um zwei (in gleicher Richtung umlaufende) Wirbel zu erzeugen, die sich einwärts gegen die Mitte des Durchganges 67 bewegen, wo sie zusammentreffen und durch einen tangential angeordneten Auslaßdurchgang 70 (F i g. 5 a) austreten.

Obgleich die vorstehenden Ausführungen sich auf Lichtbogenbrenner beziehen, bei denen der Lichtbogen sich innerhalb des Brenners befindet, sind die Grandsätze der Erfindung in gleicher Weise auch auf Brenner anwendbar, bei welchen die zweite Elektrode außerhalb des Brenners liegt.

Die Erfindung ist nur in der Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 zu sehen. Elementenschutz und selbständiger Schutz für die Gegenstände der Unteransprüche wird nicht begehrt.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Lichtbogenbrenner, insbesondere Plasma-Lichtbogenbrenner, mit wenigstens einer Elektrode, die eine elektronenemittierende Fläche aufweist, wobei zum Erzeugen eines Gaswirbels zum Begrenzen und Stabilisieren des Lichtbogens wenigstens ein tangentialer Gaseinlaßkanal in dem Brenner vorgesehen ist, der im wesentlichen in der Ebene der elektronenemittierenden Fläche der Elektrode mündet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei tangentiale Gaseinlaßkanäle unmittelbar an der Elektrode an dem gewünschten Ansatzpunkt des Lichtbogens münden.

2. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinlaßkanäle in einem zwischen der Elektrode und der den Lichtbogendurchgang begrenzenden Düse vorgesehenen feuerfesten Teil (Keramikteil) gebildet sind (F i g. 1 und 2).

3. Lichtbogenbrenner nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Gaseinlaßkanäle in der Düse gebildet sind (Fig. 3a).

4. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Gaseinlaßkanäle durch den Elektrodenkörper hindurch in eine am Ende der Elektrode gebildete Ausnehmung münden (F i g. 4).

5. Lichtbogenbruiner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere zusätzliche tangentiale Gaseinlaßkanäle für ein zusätzliches Reaktionsgas vorgesehen sind, die in einem Abstand vor der elektronenemittierenden Fläche in den Lichtbogendurchgang münden (F i g. 2).

6. Lichtbogenbrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei zwei sich im Abstand gegenüberliegende Elektroden vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Elektrode tangentiale Gaseinlaßkanäle zugeordnet sind und zwischen den Elektroden eine Gasauslaßöffnung vorgesehen ist (F i g. 5).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen