DE1515218C - Elektrischer Lichtbogenbrenner - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Lichtbogenbrenner mit zwei im Abstand voneinander befindlichen Elektroden, einer Einrichtung zum Bilden eines Lichtbogens zwischen den Elektroden, und mit einer Einrichtung, um Gas so einzuführen, daß es entlang des Lichtbogens strömt, wobei diese Einrichtung eine Öffnung an einer Stelle zwischen den Enden des Lichtbogens aufweist. Mit derartigen Brennern, bei denen plasmabildende Gase in Verbindung mit einem elektrischen Lichtbogen verwendet werden, läßt sich eine Quelle von außerordentlich hohen Temperaturen schaffen.

Plasmabrenner weisen üblicherweise zwei Elektroden auf, zwischen denen ein Lichtbogen erzeugt wird, längs welchem ein Gas strömt, das dadurch erhitzt wird, und zwar oft bis in den Plasmazustand. Derartige Brenner können zum Schneiden, zum Plattieren von geschmolzenen Stoffen, zu chemischen Synthesen, zur Windkanal-Wiedereintrittssimulation und zu zahlreichen anderen technischen und experimentellen Zwecken angewendet werden.

Bei den bekannten Lichtbogenbrennern der hier betrachteten Art (deutsche Patentschrift 1 066 676 und britische Patentschrift 639 510) wird ein Strömungssystem verwendet, bei dem das gesamte Gas von der Kathode oder einer Elektronen aussendenden Elektrode aus in einer einzigen Richtung durch einen Düsendurchgang hindurchströmt.

Ein solches in einer Richtung verlaufendes Strömungsmuster läßt Probleme entstehen. Insbesondere führt eine Elektrodenerosion (die fast immer vorhanden ist) zu einer Verunreinigung des austretenden Plasmas. Ferner kann ein Gas, das in einer einzigen axialen Richtung strömt, oft nicht wirksam genug ausgenutzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist daher, einen verbesserten elektrischen Lichtbogenbrenner zu schaffen, der eine möglichst reine, elektrisch neutrale Plasmaflamme erzeugt und bei dem das Gas optimal ausgenutzt wird. Diese Aufgabe wird bei einem Lichtbogenbrenner eingangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß eine der Elektroden als eine Düse mit einem Lichtbogendurchgang gebildet ist, und daß eine einzige Gaseinführungseinrichtung an einer Stelle zwischen den Enden des Lichtbogens angeordnet und so ausgebildet ist, daß das Gas in entgegengesetzten Richtungen entlang des Lichtbogens _f strömt. ;

Da hierbei auch ein Gasstrom auf die Kathode gerichtet ist, werden von dieser abgesonderte Erosionsteilchen aus dem Brenner herausgeblasen, so daß sie die Plasmaflamme nicht verunreinigen können.

Vorzugsweise ist die andere Elektrode durch das Werkstück gebildet, um einen Brenner mit übertragenem Lichtbogen zu schaffen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Lichtbogenbrenners nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die andere Elektrode ebenfalls als Düse mit einem Lichtbogendurchgang gebildet ist, die Achsen beider Düsen miteinander ausgerichtet sind, und daß die Einrichtung zum Einführen von Gas an einer Stelle zwischen den Enden des Lichtbogens zwischen beiden Düsen angeordnet und derart ausgebildet ist, daß das Gas in entgegengesetzten Richtungen entlang des Lichtbogens strömt. Zur Erzielung einer einzigen gemeinsamen Flamme können hierbei die Lichtbogendurchgänge derart gekrümmt , sein, daß die beiden Ausflüsse von entgegengesetzten V Enden des Lichtbogens weniger als 180° auseinander gerichtet sind.

Die Erfindung wird nunmehr an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert ..■■■·..

F i g. 1 ist eine teilweise geschnittene schematische ■ Ansicht eines Lichtbogenbrenners, bei dem das Prinzip der Erfindung angewendet ist.

F i g. 2 ist eine schematische Schnittansicht eines mit übertragenem Lichtbogen arbeitenden Brenners, bei dem die Erfindung angewendet ist.

F i g. 3 a und 3 b sind vereinfachte schematische Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise der Gasstabilisierung.

Fig.4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines Brenners gemäß der Erfindung, bei dem zwei hohle Elektroden vorgesehen sind.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines Brenners, bei dem die Erfindung zur Bildung eines einen Überschallstrahl erzeugenden Stromes angewendet ist.

F i g. 6 ist eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen dem elektrischen Strom und dem Druck in einem Brenner von der in F i g. 5 wiedergegebenen Art zeigt.

Pfeile angedeutete Gasstrom das Bestreben, den Lichtbogen in dem Durchgang weiter stromab gegen den Punkt C zu drängen, d. h. ihn zu verlängern, wodurch die Lichtbogenspannung erhöht wird. Auf 5 diese Weise wird ein im wesentlichen stabiler Zustand erzeugt und ein Gleichgewicht zwischen der Gaswirkung und der Lichtbogenspannung aufrechterhalten.

Wie aus F i g. 3 b ersichtlich ist, hat hier der

Der in Fig. 1 dargestellte Brenner weist zwei Düsen 10 und 11 auf, die voneinander durch einen aus keramischem Material bestehenden Wirbelerzeugungsring 12 getrennt sind. Der Ring 12 dient dazu, einem in den Brenner durch eine Öffnung 13 eingeführten Gas eine Wirbelbewegung zu erteilen. Das wirbelnde Gas wird an dem Ring 12 in einen in die Düse 10 eintretenden Strom und einen in die Düse 11 eintretenden Strom unterteilt.

Zwischen der Düse 10 und einer Kathode 14 wird io wieder durch Pfeile angedeutete Gasstrom das Bemittels einer Stromquelle 15 ein Lichtbogen erzeugt, streben, den Lichtbogen gegen den Punkt B zu der von den in der vorstehend beschriebenen Weise drängen, d. h. die Länge der Lichtbogensäule zu verströmenden Gasen stabilisiert und zusammengehalten kleinern, was zu einem unstabilen Zustand führt, wird. Die den Lichtbogen bildenden Elektronen Es ist daher einleuchtend, das Gas, welches durch

werden von dem Lichtbogenfleck 16 auf der Kathode 15 eine Lichtbogenzone hindurchgeht, in derjenigen 14 ausgesandt, die vorzugsweise aus einem hitze- Richtung strömen muß, in welcher es das Bestreben beständigen Material hergestellt ist. Das durch die hat, die Lichtbogenspannung zu erhöhen. Düse 10 strömende Gas wird von dem Lichtbogen Bei den Brennern gemäß den Fig. 1 und 2 ist die

erhitzt und tritt aus der Düse 10 in Form einer Anordnung so getroffen, daß in demjenigen Düsen-Plasmaflamme 17 aus. Es ist jedoch ersichtlich, daß 20 durchgang, in dem der Lichtbogen auf die Wandung das durch die Düse 11 hindurch gegen die Kathode des Durchgangs auftrifft, das Gas in der Richtung 14 strömende Gas ebenfalls erhitzt wird. Die Wärme strömt, in welcher es eine Stabilisierung des Lichtdieses im Gegenstrom fließenden Gases muß als ver- bogens hervorruft. Dies gestattet, bei dem Brenner loren angesehen werden, und daher ist es ratsam, gemäß F i g. 2 das Werkstück 23 als Kathode zu verden prozentualen Anteil der verfügbaren Gesamt- 25 wenden, und es kann zufolge der Richtung des Gaswärme, der in dem letztgenannten Strom vorhanden stromes im wesentlichen keine durch Kathodenist, auf ein Minimum herabzusetzen. Zu diesem material verursachte Verunreinigung in den Brenner-Zweck wird die Länge der Düse 11 auf einem körper eintreten. Außerdem können reaktionsfähige kleinsten Wert gehalten. Der größere Spannungsab- Gase, wie Luft oder sauerstoffhaltige Gemische, fall tritt somit längs des Lichtbogens in Richtung 30 verwendet werden, wobei eine Verschlechterung des des Gasflusses in der Düse 10 auf. Brenners auf einem Minimum gehalten wird. Falls

In jedem Brenner erfolgt eine Erosion der Kathode die Kathode ein zu schneidendes Werkstück ist, kann mit einer Geschwindigkeit, die von der Ausbildung eine Kathodenverschlechterung tatsächlich erwünscht des Brenners, der Höhe der Betriebsenergie und sein, und der gemäß der Erfindung vorgesehene in anderen Faktoren abhängt. Bei bekannten Lichtbo- 35 zwei Richtungen fließende Gasstrom gestattet, auch genbrennern bildet das erodierte Kathodenmaterial diesen Vorteil zu verwirklichen, unabänderlich eine Verunreinigung in der austretenden Plasmaflamme. Für viele Anwendungen ist
jedoch eine reine, elektrisch neutrale Plasmaflamme
erwünscht. Bei dem Brenner gemäß Fig. 1 führt 40 Wechselstrom- oder eine Gleichstromquelle sein gegen die Kathode 14 fließende Gasstrom verunrei- kann. Ein Wirbelring 36 unterteilt das eintretende nigende Bestandteil zur Außenseite, so daß sie nicht
zu dem Arbeitsende der von der Düse 10 gebildeten
Vorrichtung gelangen. Überdies befindet ,sich der
.Kathodenfleck 16 in einer Zone relativ geringen 45 der in zwei entgegengesetzten Richtungen fließende Druckes, woraus sich die weiter unten in Verbindung Gasstrom einen sich von dem Punkt χ zu dem mit F i g. 6 erläuterten Vorteile ergeben. Punkt y erstreckenden stabilen Lichtbogen entstehen

Der in F i g. 2 wiedergegebene Brenner weist zwei läßt. Aus dem Brenner gemäß F i g. 4 treten zwar Düsen 20 und 22 auf, und ein Wirbelring 12 teilt zwei Nutzströme in Form von Flammen 38 bzw. 40 wieder den Gasstrom in zwei entgegengesetzt flie- 50 aus, jedoch ist dies bei manchen Anwendungen, wie ßende Teile auf, wobei der »arbeitende« Stromteil z.B. bei der Erzeugung von Wärme für chemische durch die Düse 22 hindurch zu einem Werkstück 23 Synthesen, ohne Bedeutung. Gewünschtenfalls könfließt, dem Wärme zugeführt werden soll und das nen gekrümmte Düsendurchgänge verwendet weiden, als Kathode wirkt. Der Brenner gemäß Fig. 2 ist um die beiden Flammen des Brenners gemäß Fig.4 von der mit übertragenem Lichtbogen arbeitenden 55 zu einer einzigen zu vereinigen. Art, bei welcher der Lichtbogen sich nicht vollstän- Ein zusätzliches Merkmal eines Brenners mit

dig innerhalb des Brenners befindet.

Die Bedeutung der Erzeugung des Doppelgasstromes wird verständlich, wenn der Mechanismus

der Gasstabilisierung eines Lichtbogens in einem 60 Lichtbogenbrenner ist die Elektrodenerosion geDurchgang betrachtet wird. Es wird auf die F i g. 3 a wesen. Durch Anwendung der Prinzipien der vor- und 3 b Bezug genommen, die mit Ausnahme der
Richtung des Gasflusses identisch sind. Es sei angenommen, daß ein von einer Kathode 25 ausgehender
Lichtbogen eine solche Länge hat, daß er an einem 65 licht ist.
Punkt A auf die Wandung des Durchgangs auftrifft, Fig. 5 zeigt einen Brenner, weicher einen Übcr-

und daß diese Länge des Lichtbogens erwünscht ist. schallstrahl liefert, der in eine evakuierte Kammer Wie aus Fig. 3 a ersichtlich ist, hat der durch geleitet wird. Es sind zwei Hohlzylinder50 und

Der in F i g. 4 wiedergegebene Brenner weist zwei Düsen 30 und 32 gleicher Länge auf. Ein Lichtbogen wird mittels einer Energiequelle 34 erzeugt, die eine

plasmabildende Gas in zwei divergierende Wirbelströme. Aus den in Verbindung mit den F i g. 3 a und 3 b erläuterten Prinzipien ist ersichtlich, daß

Mehrfachströmung ist seine Fähigkeit, bei außerordentlich hohen Gasdrücken zu arbeiten. Die Hauptbeschränkung für den Betrieb bekannter Hochdruckliegenden Erfindung können die Elektroden außerhalb der Zone hohen Druckes angeordnet werden, wie dies bei dem Brenner gemäß F i g. 5 veranschau-

vorgesehen, die elektrisch und körperlich voneinander getrennt sind und von einem keramischen Ring 52 in ihrer Lage gehalten werden. Der keramische Ring 52 dient außerdem als Gasinjektor und weist zu diesem Zweck einen tangential gerichteten Kanal 5 55 auf. Durch ein Loch 54 in einem Verteilerteil 55 hindurch wird Gas in den Brenner eingeführt. Das Gas wird innerhalb des Brenners in zwei Ströme aufgeteilt. Der eine Gasstrom geht durch eine Überschalldüse 58 hindurch in eine Vakuumkammer 60, um einen Uberschallstrahl 61 zu bilden. Der andere Gasstrom fließt in entgegengesetzter Richtung durch ein Düsenloch 57 in dem Glied 50 hindurch. Wenn angenommen wird, daß das Glied 50 als negative Elektrode bzw. Kathode dient, dann ist ersichtlich, daß der aus der Kathode austretende Lichtbogen 63 fontänenartige Gestalt hat. Die Kathodenfleck 64 befindet sich daher in einer Zone, in der ein wesentlich geringerer Druck herrscht, als er innerhalb des Brennerkörpers auftreten würde, und dies gestattet die Anwendung viel höherer elektrischer Stromstärken.

' Bei dem Brenner gemäß F i g. 5 trifft die Lichtbogensäule auf die von dem Glied 51 gebildete Anode innerhalb der Hochdruckzone auf. Jedoch führt die Anodenwirkung weniger zu Hochdruckschwierigkeiten. In schweren Fällen kann die Ausbildung der Düse 58 so abgeändert werden, daß der Lichtbogen durch die Düse hindurchgeht, und mit fontänenartiger Gestalt in der Niederdruckzone jenseits der Düsenöffnung auftrifft und endigt. Im Falle der Ausführungsform gemäß Fig. 5 liefert die Erfindung den doppelten Vorteil, daß der austretende Nutzgasstrom keine durch Kathodenmaterial verursachte Verunreinigungen enthält und daß die Elektroden in Zonen geringen Druckes arbeiten.

Die Bedeutung des letztgenannten Vorteils geht aus der graphischen Darstellung gemäß F i g. 6 hervor, in welcher tatsächliche experimentelle Daten bezüglich des Effektes wiedergegeben sind, den der Druck (in der Kathodenzone) .auf den zulässigen maximalen elektrischen Strom hat. Das Arbeiten bei einem Druck von 100 at ist auf weniger als 300 A begrenzt. Eine unter solchen Bedingungen arbeitende Vorrichtung würde einen Lichtbogen-Spannungsabfall von über 3000 V erfordern, um eine Energie von 1 Megawatt zu liefern. Wenn die Elektroden bei einem Druck von etwa 1 at arbeiten lassen würden, könnte der Ausgang des Brenners bei 3000V auf 10 Megawatt erhöht werden. Es ist jede Herabsetzung des Druckes in der Elektrodenzone erwünscht, und durch den gemäß der Erfindung vorgesehenen Doppelgasstrom kann dieses Ergebnis erzielt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Lichtbogenbrenner mit zwei im Abstand voneinander befindlichen Elektroden, einer Einrichtung zum Bilden eines Lichtbogens zwischen den Elektroden, und mit einer Einrichtung, um Gas so einzuführen, daß es entlang des Lichtbogens strömt, wobei diese Einrichtung eine Öffnung an einer Stelle zwischen den Enden des Lichtbogens aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden, z. B. (10) als eine Düse mit einem Lichtbogendurchgang gebildet ist, und daß eine einzige Gaseinführungseinrichtung an einer Stelle zwischen den Enden des Lichtbogens angeordnet und so ausgebildet ist, daß das Gas in entgegengesetzten Richtungen entlang des Lichtbogens strömt.

2. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Elektrode durch das Werkstück gebildet ist, um. einen Brenner mit übertragenem Lichtbogen zu schaffen (F ig. 2).

3. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Elektrode ebenfalls als Düse mit einem Lichtbogendurchgang gebildet ist, die Achsen beider Düsen miteinander ausgerichtet sind, und daß die Einrichtung zum Einführen von Gas an einer Stelle zwischen den Enden des Lichtbogens zwischen beiden Düsen angeordnet und derart ausgebildet ist, daß das Gas in entgegengesetzten Richtungen entlang des Lichtbogens strömt (F i g. 4).

4. Lichtbogenbrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogendurchgänge derart gekrümmt sind, daß die beiden Ausflüsse von entgegengesetzten Enden des Lichtbogens weniger als 180° auseinander gerichtet sind.