DE1489703A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung und zur duesenlosen Fokussierung einer mittels eines Gleichstrom- oder Wechselstromlichtbogens erzeugten Plasmaflamme - Google Patents

Description

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Gebr. Böhler & Co.. Aktlangesellschaft in Wien

Verfahren und Vorrichtung zur. Herstellung und zur düsenlosen Pokuaierung einer mittels eines Gleichstrom- oder Wechselstroinlichtbogens erzeugten Plasmaflamme..

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung und zur düsenlosen Fokussierung einer mittels eines Gleichstrom- oder Tf/echselstromlichtbogens erzeugten Piasmafiamme unter Verwendung eines ionisierbaren gasförmigen Mediums.

Üblicherweise entsteht ein Plasma aus einem Ueutralgas durch ionisierende Reaktionen, insbesondere durch 13inwirkung des elektrischen Lichtbogens, welcher den Gasstrom in einen angeregten Zustand bringt, d.h· daß die hohe leiaperatur des Lichtbogens eine Dissoziation der Gasmoleküle bzw« eine Ionisierung der Gasatome bewirkt, so daß das Gas in seinem "Plasmazustand'¹ neben neutralen Atomen und Molekülen eine große Zahl von Elementarteilchen in angeregtem Zustand sowie positive und negative Ladungsträger, also Ionen und Elektronen enthält. '

Bei den meisten heute gebräuchlichen Brennern wird die Energie, welche notwendig ist, um ein Gas in den Plasmazustand überzuführen, einem Glei.chstromlichtbogen entnommen« Dieser bildet sich - nach vorangegangener Zünsung- zwischen zwei Elektroden, die mit dem negativen und positiren Pol einer ^ Gleichstromquelle verbunden sind.

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cd Da die Erzeugung eines Gleichstromlichtbogens um-

J^ fangreiche Zusatzgeräte, vor allem zum Gleichrichten des ° Wechselstromes erfordert, erschien es seit jeher wünschenso wort, für die Herstellung des Plasmas auch einen mit Wechsel-Q strom betriebenen Lichtbogen verwenden zu können. Dieses Vorhaben soheiterte jedoch an der Tatsache, daß der in der positiven Phase gezündete Lichtbogen in der negativen Phase wieder abriß, mit anderen Worten, daß die zeitliche Stabilisierung

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eines Wechselstromlichtbogens im Plasmabrenner nicht möglich war·

Bs konnte nun festgestellt werden, daß die negative Phase eines mit Wechselstrom gezündeten !Lichtbogens dann überbrückt werden kann, wenn sich im Plasmabrenner eine oder mehrere zusätzliche Ladungsträgerquellen befinden, welche den quasineutralen Zustand des Plasmas aufheben· So konnte beispielsweise in einem Brenner, in welchem sich/fein Stift aus thoriertem Wolfram als Ladungsträgerquelle befand, das Abreißen eines mit Viechseistrom gezündeten- liohtbogens in der negativen Phase verhindert werden. Genau wie in einem Brenner mit Grleichstromlichtbogen wurde das einströmende Gas in den Plasmazustand übergeführt und trat in ruhigem, gleichmäßigem Strahl aus -der Düse aus·

Eine derartige vorteilhafte Wirkung einer zusätzlichen Ladungsträgerquelle war aber auch dann zu beobachten, wenn die Erzeugung des Plasmas mittels eines Gleichstromlichtbogens erfolgte* Auch in diesem Fall wurde die nachteilige Wirkung von Spannungsschwankungen und dergleichen durch die zusätzliche Ladungsträgerquelle ausgeglichen·

Ein weiterer, durch die Anbringung der zusätzlichen Ladungsträgerquelle erzielter technischer Portschritt besteht darin, daß das mit Hilfe eines derartigen Brenners erzeugte Plasma düsenlos fokussiert werden kann· Ss ist hierzu lediglich nötig, eine der drei Einflußgrößen ! ' a) Stromstärke für den Lichtbogen

b) Menge des zugefügten Mediums

c) Art des zugefügten Mediums

zu verändern. Angesichts des hohen Düsenverschleißes bei herkömmlichen Plasmabrennern und der umständlichen und zeitraubenden Manipulationen beim Auswechseln von Brennerdüsen muß dieser erzielbare Fortschritt ganz besonders hervorgehoeben werden«

Als zusätzliche Ladungsträgerquelle kann beispielsweise ein Material verwendet werden, welches im erhitzten Zustand Elektronen emittiert. Thoriertes Wolfram wurde im Beöohreibungstext schon genannt.

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Zusätzlich können noch, die verschiedensten Anordnungen» welche das Plasmaerzeugungsgerät vereinfachen oder zu einer besseren Ausnützung des Plasmas führen» Anwendung finden·

Z.B. ist es vorteilhaft, wenn der Lichtbogen um die etwa in Richtung der Plasmaflamme verlaufende Achse des Raumes eine im wesentlichen rotierende Bewegung-vollführt, da hierdurch seine Weglänge vergrößert wird, was eine größere Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen mit Gasmolekülen ergibt· Hies führt zu einer besseren Ausnützung des Plasmas im Hinblick auf die Energie·

Auch kann eine weitere fokussierung der Plasmaflamme durch zusätzliche elektrische und/oder magnetische Felder vorgenommen werden·

Als gasförmige Medien haben sich besonders Edelgase, insbesondere Ar.gon sowie Stickstoff, GO₂, gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan oder Wasserstoffe einzeln, im Gemisch miteinander oder im Gemisch mit Luft bewährt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn anfangs bis zum Zünden der Plasmaflamme Argon zugeführt und nach dem Zünden Argon in steigendem Maße durch Zufuhr von Stickstoff bzw· eines Gemisches aus Stickstoff und Kohlendioxyd ersetzt wird, wobei jedoch die Gesamtzufuhr an gasförmigem Medium mindestens gleich bleibt·

Der Druck, mit welchem das Plasmagas dem Brenner zugeführt wird, beträgt vorzugsweise 1,1 - 2>5:β&οί· ·

Als Vprrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist beispielsweise ein zylindrisches, an einem Ende durch einen Isolierkörper verschlossenes Brennerrohr 3 geeignet, in dem sich eine etwa axial verlaufende, stabförmige Elektrode aus thoriertem Wolfram befindet. Diese ceElektrode ist durch einen Isolierkörper 2 geführt, der das °Brennerrohr 3 an einem Ende verschließt. Am anderen Ende des °°Rohres 3 befindet sich eine um den ganzen Innenumfang des oRohres laufende zylindrische Ausnehmung, in die eine röhren-

Elektrode 5 eingesetzt ist. Die Innenfläche der E 5, die ebenfalls aus thoriertem Wolfram besteht,

«^fluchtet mit der Innenwand des Brennerrohres 3. Am Brennerrohr 3 ist seitlich ein Gaszuführungsrohr 4 angesetzt. Dieses

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Rohr kann tangential oder radial angesetzt sein·

Wenn daöBrennerrohr 3 aus einem leitenden Material, z.B. Stahl, besteht, befindet sidh eine, der Stromzuleitungen 6 am Rohr 3 und eine an· der Elektrode·

In einer anderen Ausführungsform kann z.B. das Brennerrohr 3 als Elektrode dienen« In diesem Fall ist natürlioh die Ausnehmung an der Rohrinnenseite nicht nötig· Das Brennerrohr kann aber auch aus einem nichtleitenden Material bestehen· Sann muß eine der Stromzuführungen 6 an der Elektrode vorgesehen werden, Der Isolierkörper 2 kann dann entfallen und durch einen beliebigen, gegebenenfalls stromleitendeη Rohrabschluß oder duroh eine entsprechende Erweiterung der Elektrode 1 ersetzt werden.

Eine besondere vorteilhafte Ausführungsform wird dann erreicht, wenn das Brennerrohr aus einem magnetischen Werkstoff besteht. Bei dieser Ausführungsform wird gleichfalls die Weglänge des Lichtbogens duroh die Ablenkung vergrößert, was eine größere Wahrscheinlichkeit von Zusammenstößen mit Grasmolekülen ergibt·

Vorzugsweise kann eine der beiden Elektroden als Ladungsträgerquelle dienen· Diese Elektrode, die vorzugsweise aus thoriertem Wolfram besteht, wird duroh den mittels Gleichstrom oder Wechselstrom erzeugten elektrischen Lichtbogen erhitzt und emittiert zusätzlich Elektronen, die nioht durch Raumladungen kompensiert werden, und die vom austretenden Plasma mitgeführt werden·

Ebenso können Brennerarten, bei welchen die Fokussierung des Plasmastrahles auf herkömmliche Weise durch Düsen erfolgt, mit einer zusätzlichen Ladungsträgerquelle ausgestattet und mit Gleichstrom oder Wechselstrom betrieben werden« Hierbei kann gleichfalls eine der oben beschriebenen Teohniken angewendet werden«

Bei Verwendung von Wechselstrom ergibt sich vor allem der große Vorteil des Fortfalls des für den Gleichstrombetrieb erforderliohen Gleichrichters, woduroh eine außerordentliche Vereinfachung im Betrieb und beim Transport des Gerätes sowie eine nioht unbedeutende Kostensenkung bei der Plasmaerzeugung ermöglicht wird. 909820/0502

Claims (1)

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   P at en Utisp rü ohe :

   1« Verfahren zur Hersteilung einer Plasmaflamme unter Verwendung eines ionisierbaren gasförmigen Mediums, dadurch, gekennzeichnet, daß dieses Medium durch einen Raum geführt wird, in dem mindestens ein mittels Gleichstrom oder Wechselstrom erzeugter Lichtbogen brennt, dessen zeitliche Stabilisierung mit Hilfe mindestens einer zusätzlichen ladungsträgerquelle erfolgt, duroh welolie der quasineutrale Zustand des Plasmas beseitigt wird·

   2· Verfahren zur Herstellung einer Plasmaflamme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Medium durch einen Raum geführt wird, in dem mindestens ein mittels Wechselstrom erzeugter Lichtbogen brennt, dessen zeiüiohe Stabilisierung mit Hilfe mindestens einer !zusätzlichen Ladungsträgerquelle erfolgt, durch welche der quasineutrale Zustand des Plasmas beseitigt wird·

   3· Verfahren zur Herstellung einer Plasmaflamme nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Ladungsträgerquelle ein im erhitzten Zustand Elektronen emittierendes Material verwendet wird·

   4· Verfahren zur Herstellung einer Plasmaflamme nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliche Ladungsträgerquelle thoriertes Wolfram verwendet wird·

   5· Verfahren zur Herstellung einer Plasmaflamme nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmaflamme in üblicher Weise mit Hilfe einer Düse geformt wird.

   6· Verfahren zur Herstellung einer Plasmaflamme nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierung der Plasmaflamme düsenlos durch Veränderung einer oder mehrerer Einflußgrößen

   a) Stromstärke für den Lichtbogen

   b) Menge des zugeführten Mediums o) Art des zugeführten Mediums

   erfolgt· ^?

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   7· Verfahren naoh den Ansprüclien 1 "bis 6, dadaroh gekennzeichnet, daß der Lichtbogen um die etwa in Richtung der Plasmaflamme verlaufende Achse des Baumes eine im wesentlichen rotierende Bewegung ausführt*

   8· Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Fokussierung der Plasmaflamme . dvjcoh die Einwirkung von zusätzl lohen elektrischen und/oder magnetischen Feldern erfolgt·

   9· Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß aks gasförmifes Medium Edelgase, insbesondere Argon sowie Stickstoff, COg, gasförmige Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan oder Wasserstoff einzeln, im Geraisch miteinander oder im Gemisch mit luft verwendet werden·

   10· Verfahren naoh den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zünden der Plasmaflamme als gasförmiges Medium Argon verwendet wird, worauf naoh Zünden der Plasmaflamme die Argonzufuhr gedrosselt und in steigendem Maße durch die Zufuhr von Stickstoff bzw· eines Gemisches aus H -1- COp ersetzt wird, wobei jedoch die Gesamtzufuhr an gasförmigem Medium mindestens gleich bleibt·

   11· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens naoh den Ansprüchen 1 bis 4 und 6 bis 9, gekennzeichnet durch ,ein zylindrisches, an einem Ende duroh einen Isolierkörper (2) verschlossenes Brennerrohr (3), das an seinem offenen Ende in einer sich über den ganzen Innenumfang des Brennerrohres erstreckenden Ausnehmung eine rohrartige Elektrode (5), Vorzugs* weise aus thoriertem Wolfram, trägt, deren Innenfläche mit der Innenfläche des Brennerrohres (3) fluohtet, eine durch den Isolierkörper (2) geführte, sioh im wesentlichen axial durch das Brennerrohr (3) bis etwa in den.Bereioh der rohrförmigen Elektrode (5) erstreckende weitere Elektrode (1), vorzugsweise aus thoriertem Wolfram, mindestens ein in das Brennerrohr (3) mündendes Zufuhrrohr (A) für daa gasförmige Medium,sowie duroh Stromzuführungen (6) für die beiden Elektroden.

   12· Vorrichtung nadh Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Brennerrohres Mittel zur Erzeugung von magnetischen und/oder elektrischen Feldern für eine

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   zusätzliche Fokussierung der Plasmaflamme angeordnet aLnd.

   13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerrohr als Elektrode dient·

   14· Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet) daß das Brenerrohr aus einem magnetischen Werkstoff besteht.

   Gebr. B Oh 1 er & Co Aktiengesellschaft Patentbüro j

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