DE1539596A1 - Lichtbogenstrahlungsquelle - Google Patents

Description

HELMUT GöRTZ

.6 Frankfurt am Main 78
SchiMdc*nhofs<r. 27 - Tel. 61 70 79

2, Juni 1966 Grz/Dr.W./goe

CAEBIDE COHPOHATIOIi Iiichtbogeiistrahlungaiauelle . Die vorliegende Erfindung Ijetrifft ein Verfahren zur Herstellung

von Strahlungswärme und/oder Licht unter Verwendung τοη konzen-

triertem liichthogenplasma. ™

Bei früheren Verfahren zur Herstellung von hochintensiver Strahlung mit Hilfe des elektrischen Lichtbogens bildete eich der Lichtbogen zwischen den beiden Enden einer durchsichtigen Rühre, durch welche ein wirbelnder öaaetrom geführt wurde» der dazu diente, den Lichtbogen zu stabilisieren, die Wandungen der Rühre eu kühlen und das Absetzen von Verunreinigungen an der Innenfläche derselben zu verhindern· Bei'einem dieser Verfahren wurde da» Gas an einem Ende der Röhre eingeführt und am anderen Ende wieder herausgelassen· Bei Anwendungen, bei denen längere Lichtbogen, erforderlich sind» wurde es schwierig» die wirbelnde Bewegung des Öases aufrechtzuerhalten und es wurde daher vorge- f schlagen, das Gas an beiden Saden der Röhre einzuführen und an einem oder auch an beiden Enden desselben wieder abziehen zu lassen« Dies zeigte jedoch den !fachten, daß die Verunreinigungen in der Kitte der Röhre, wo die beiden OasstrSae zusammentraf en, oder in der Nähe dieser Stelle zur Ausscheidung kamen und hierbei der Strahlungeeffekt des Lichtbogens infolge der Verfärbung der Rohre sehr stark verminderten. Ein neueres Verfahren fi3hrt den wirbelnden Oaestrom von einer Seite der Rühre ein und läßt ihn an beiden Enden wieder austreten· Si« vor-

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liegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß es_v um mit derartigen Rethoden einen wirklich stabilen und hochkonzentrierten Lichtbogen zu erhalten, besondere wichtig ist, gewissen Betriebsparameter einzuhalten» .

Die vorliegende Erfindung besieht sich auf ein Verfahren aur Erzeugung von Strahlungsenergie, umfassend das Ziehen eines. Lichtbogens zwischen zwei Elektroden, die an den beiden Enden einer durchsichtigen Röhre sitzen, und zwar durch ein Gas, welches an dem einen Ende der Kammer eingeführt wird, welche durch beide Elektroden und durch die Röhre begrenzt Ast ., wobei das Gas durch mehrere ringförmig angeordnete Öffnungen zugeführt wird, die eo gestaltet sind, dafi eie das Gas in Wirbelbewegung bringen, wobei das Gas an beiden Enden der erwähnten Kammer austritt, und zwar durch koaxiale Auetritteöffnungen, die in der Längsachse der Elektroden liegen. Das Verfahren wird dadurch gekennzeichnet, daß die Einführung des Gasstromes in die Kammer unter Bedingungen erfolgt, die der nachfolgenden Gleichung entsprechen:

h*-ij- '* -if- >»·" °'²⁵

Hierbei bedeutet! M^ ™ lachsahl der linlaSströmung (Geschwindigkeit

Gase®_# das in cSie Kammer eintritt, dividiert die Schallgeschwindigkeit bei dor Betriebe«

in der Eintrittsstelle

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]>_α

'■*

= Innendurchmesser der Röhre, welche die Elektroden umgibt,

= Geschwindigkeit des gases, welches aus den Eintrittsbohrungen in die Kammer einströmt,

- Größe der auf die Achse der Kammer senkrecht stehenden Komponente der Gasgeschwindigkeit Y^,

und daß ferner der Auetritt des Gases aus der Kammer durch die erwähnten Ausladöffnungen in der Weise erfolgt, daß das Verhältnis der Querachnittsflache der Kammer zu der Su^me der Querschnitt sf lachen der AuBlaSQffnungen cwisehen 2:1 und 40:1, bevorzugt zwischen 5:1 und 25:1 liegt.

Weitere Merkmale, Torteile und AnwendungamÖglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Sarstellungen von AuaführungsbelBpielen sowie aus dor folgenden Beschreibung.

En eeigti

Fig. 1 einen senkrechten Querschnitt einer Lichtbogenkammer entsprechend der Erfindung;

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt senkrecht zur Achse entsprechend der Linie 2-2 der Fig· 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung ähnlich Fig. 1 von einem feil des Endstückes einer tatsächlich ausgeführten Lichtbogenkammer}

Fig. 3a eine ähnlich, jtfbch noch stärker vergrößerte Darstellung dieses Endstückes;

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BAD

■ - 4 -

Eig» 4 eine graphische Uöretellu»^_t welche die Intensitäten und die

i?ür Trerscliiedene ^Tellsjoläjägeii ceigt, wie »ie von einem lichtbogen mit Hilfe der Stiefelimgßiiiielle nach, Fig. 3 hergestellt

Die Verwendung τοη rohrförmigen, voneinander auf Abstand angeordnete Elektroden auf beiden Seiten eier Kammer bewirkt, daß alle Verunreinigungen (die in erster Linie von der Erosion des Elektrodenmaterial» herrühren) durch, die Austrittaöffnungen öer Elektroden herauegefegt werden. Dies iet vorteilhaft gegenüber der Methode* anstelle von einer der beiden rohrförmigen Elektroden eine stabförmige Elektrode zu verwenden» da eich bei der letzteren Methode die Verunreinigungen an de» Ende der Kammer ansetzen würden, an welchem eich die Stabelektrode befindet. Heben der Verwendung von auf Abetand angeordneten rohrförmigen Elektroden hat es eich noch ale vorteilhaft erwiesen, daa Gas nur von einem Ende in die Druckkammer einzuführen* Wenn daa Gas rom beiden Seiten eingeführt wird, dann tritt häufig eine Verunreinigung der durchsichtigen Röhre ein, und zwar ungefähr in der litte «wischen den beiden Elektroden.

Die Einführung des Gase· la das beschriebene Gerät gemäß der Erfindung ergibt eine Lichtbogens trahlungsq.uelle, wobei der

Lichtbogen eine Stromdichte von mehr als 1000 Amp./cm aufweist, der Lichtbogen sich zur Gänse im Gerät selbst befindet und wobei die durchsichtige VSaudung des den Lichtbogen umgebenden Gehäuses praktisch frei vor. Verunreinigung bleibt und durch einen kräftigen wirbelnden Gesa brom gekühlt wird.

Die Fig· 1 gibt eine schematische Darstellung des erfindungegemäßen Gerätes. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, wird, der

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Lichtbogen 10 zwischen einem Paar voneinander entfernt angeordneten Elektroden 12 und 14 gesundet und aufrechterhalten, und zwar mittels leitender Verbindung der beiden Elektroden eit einer 8troaquell© 16, Die beiden Elektroden werden durch eine Druckkamaer 18 ι oneinander getrennt. Die Druekkanmer bestellt aus einer R^hre 20 aus lichtdurchlässige» Haterial, «·Β. Quai«. Die Druckkammer kann auch aua zwei konzentrischen, lichtdurchlässigen Bohren hergestellt werden, so daß Ale Wandung eine» starkes Innendruck besser Widerstand leisten kann. Die Blektrodem «eisen die AiialaJuffnungen 22 wad 24 auf * die acheengleich angeordnet eind.

Ein geeignetea Gau wird in die Kassier durch die Elektrode 14 •lngeittfcrt _f and cwar eittel* einor litsahl Toa 26* Di« Zuleitung dee Saaes %n diesen Bohrunge» erfolgt durch den Ringraom 26 und ein« Zni^hina^pibolunEUie 50» die gleichXalle in der Elektrode angeordnet eiad. Die EißlaSbohrungen 26 sind so angeordnet, dad das (tee tangential ear Innenflache der Elektrode In die EaABcr eingeführt wird. Dies wird »ooh deutlicher dargestellt in Pig. 2 in der Schnittdaretelluag entlang ame Linie 2-2 der Pig. 1 * Wie hierau* sia ereehen, verläßt da· (hur den Eiiigt^ua 28 und tritt durch die Bohrungen 26 in die Kftiaei» 18 ein. Die Einlaßbohrung 26a s»B. führt das Gas in einer Hichtung parallel zur faagente« welche die Innenfltch« S «er Elektrode U ia Punkte ΐ berHhrt^ In die Käme« «in* Meae Art der OasttUafakrune vexanXalt da« 0a* entlang d»r In&eafllche 21 i*r iflJire 20„ «sich« dl« Druckkammer 18 »ild«t_t «ntlang *u

Di··« Wirbel >>ew«guag de· Oaees gegen die Innenfläche 21 der duroltsichtigea Röhre 20 kühlt dl··« so inten·!?, daS der eomst b«vt«hend«iL starken Heigung der Quareröhre entgegengewirkt wird, IhT* Bigameohaften lafolge dee Zueaamenwirkene von hohen Druck in tor tseowr und der Hit»©, die durch d«n sehr inten»ir«n Liohtbogea anageetrahlt wird» su Ttrschlechtem,

00U39/02U BADORIGINAL V-

Wen» das vilrbölnde Sas eich auf da« finde AeT Kammer zu bewegt, die den Elncrittsöffnungen gegenüberliegt, so wird ein Teil desselben· durch die Austritt«öffnung 22 austreten, währarider Best seine Bewegungsrichtung ändert und Avatch die Öffnung 24 austritt» Dieses einzigartige System der ttehrfach~te6führang liat den Torteil« eine sehr reine Strahlungsquelle zu ergeben. Praktisch warden alle Verunreinigungen (die vorwiegend von Elelttroaeneroaion herrühren) durch die AuetritteSffntmgen 22 und 24 hemusgefegt, Sin kleiner feil der Verunreinigungen wandert &-α.'ββη Böden der Kammer und verbleibt dort·

Kit dem Ga8führ;:ngi53yBteie, daß durch Betrlebsparaaeter Aufgrund dieser Erfindung hergestellt «erden kann» wird eine Verunreinigung der durchsichtigen Röhre im Gebiet zwischen den beiden Elektroden wirkungsvoll vermieden*

Der wirbelnde Sasetroa wirütin mindeBtena eweifacher einschiäürend auf den Lichtbogen: aun&chst bietet das Niederdruck gebiet ic der Achse der Kammer einen bevorzugten Weg für die Lichtbogenentladung» Weiter besteht eine andauernde Bewegung des Gases in der fliehtuna ^2ur Achse über die ganze Länge dee Idciifbogeua,, und disse Bewegung verhindert die Ausdehnung des PlaBöjao durch Wäreeübartragung» Da &&b öae, bevor ee in den Lichtbogen eintritt, ale elektrischer Isolator wirkt, so folgert daraus« daß der Lichtbogen den Wirbel in seiner Achse, also ie Zentrum der Xa**er_r durchdringen mad. Sie darauf entstehende Einschnürung des Lichtbogene hat zur Folge, dal eine Erhöhung der Stromstärke auch ein· höher© Intensität des Lichtbogens mit sich bringt in GogeneatE zu einer Vergrößerung den Liohtboßenquerflchnittea, die eintreten würde, wenn keine Einschnürung vorhanden

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IM eineä stark Hirbelndea, kalten mad dichten öaeetrom sra er-Kielen, au3 das Gas ladle Earner alt relativ hober geschwindigkeit end bei relativ hohes Kanterdrücken antreten» Bei der vorliegendes Erfiadtmg wird die» auf svei W_egen erreichtι 1 * Durch Einführt: »g des Gases in einer Weiee, welche der obensngefahrten Gleichung entspricht» und

«.2». dorch Aiifreehteraaltung einee kritischen Terh&ltnieaes Krischen den Querschnitt der Kammer oad d«r Suaoe der Querschnitte der Auatrittsöffiixiagen 22 uad 24. Dieses Yerh&ltnie der Querschnitte bewirkt nicht mir eine kräftige Wirbelung, aendern ermöglicht «»außerdem,, den Toreprung der Lichtbögen inaerhall) der AÄetritteÖffnongen 22 tmd 24 su hai tea. Dies verhindert ein Henavtaneen des Lichtfeogene, wate Buschaaigvmgen der A^para-tur ftüiren kannte.

Die Terfahrenaweiee der Blnfflhra&g de« Geeee enteprecheni den AmgÄtjeii der obenangeftlhrteÄ ftleiehtmg giht die Sicherheit, daB da» %«tee der aeefOhrrai« gcB^gemd Bwegongfrenergie h&bon «ird, einen kl«r erkenn»aren Wirbel Ia 4*r Iltt«lmohe· d«r txam»r bilden, dort wo der Lichtbogen brennt. Dieee Beweglingeenergie,

«it dem relativ hohen (Seedruck in der laour ist eine weitere Ursache deJfür^ daS das Θβ» relativ dicht und kalt an die Umhüllung der Xaaaer herangommen wird. Diese Methode dea Gaeeintritt« l»t Jedoch an sich Bad für eich allein noch nicht vm die Bewegaaseenergie la Gaeflufi aafreohtsaerhalten·

Ub eine genCgende Beweguageenergie in der wirbelnden Strömung attfrcchtsuerhalten, eo daB ein klar erkennbarer Wirbel in der Ache« der Kammer entsteht, &uB das Verhältnis der Querschnitte" fläche der Kasaer Bur Stuee der Qaerechnltteflfiohen der Aue tritt e- »fiaungen 22 and 24ewiechen 2 und 40 betragen, wobei aae Optimum icwieohem 5 and 25 liegt. Wenn die Yerhaltnieaabl sn niedrig ist,

BAD

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darm wird nicht genügend Raum für die aue den einseinen EinlaB-Ttohra»gen «Betretenden OaeotrStte vorhanden «rein* vm ein* glatt wirbelnde Bewegung kareuetellen. AnflerereeltB* wenn die Terfeältniasabl zn griiö ist* wird genau das Gegenteil eintreten und damit eine etrke Heigung su Vorgängen vorhanden Bein, die tu Eaergleverlasten führen «Ad βατ Tereindertang der Bevegungeener* gie der Wirbelung» wenn eich der ffaeetroa eplralfÖrmig der Achse

Durcb die Verwendung der geschilderten Methode der Gasoinführung»

wobei dß* Gas aatar an el&ea* Bnde eingeführt wird» and unter BeacAtnasg dee vorgeerthrieirüiien Verhältniesee der Querschnitte nird ftan ein» beasrkexuivert klare Lient1>ogenetrahlang»^aelle erhalten _r wobei 4er Lichtbogen «in· Stromdichte rim eindeetenii 1000 A^./ca² aufweißt.

Hie figptmi $ und 5a «»igen feevonmgt· AueftllinaigoÄ iron Apparaten, welche diese SrfjUtdsiig in die Wirklichkeit HBge«*tst haben« In der 2eiohmittg Fig» 3 wird nur ein lad· dee Gerat·· geteigt» da das andere Bude» «dt Atisnahae der

diesen tollkommeai gleich ist· Xn beiden Figuren wel»t dl« Slektrol« 32 einen Wolframeinöat» 54 auf» der eine bessere Fuflpttnkt fl&che ffir den Lichtbogen darbieten soll. Die Kühlung der Elektrode erfolgt durch Zuführung von Wasser Toa Einlaß 34 durch den RiBgraua 3S» dann durch den HingraUK 40 und weiter durch den Aiifllal 42* Die rückwärtige Sragkottatrtiktion de» Oerätea wird gleichfalls atittele riurchlaufend·» Waeaer gekehlt« und ewar voa Einlaß 44 durch ien Hohlrau» 46₁ worauf da« Wasser durch den Bingraua 46 wieder austritt* Sin MeBansohluA 50 ist vorgesehen eur Beetiemung des Gasdruckes,, wenn das Oa* durch die Öffnung 52 austritt.

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Die Druciktamer 18 wird gebildet durch eine Uaäiüllung 20 seam durchsichtige« Baterial, *uB» Qear** De· Oae vlr& dieser Xavaer «ugeftlhrt «oa KWLaB 54 ©>·* ten Biagxavm 56 «ad wahrere Ma tritt ebotoiinge* 58· Die Ausfüteruag der Elatrittatioiuroti^en 58 wurde bereite toe! Hg* 2» betreffend die Sislafibofereng 26a, beschrieben- Hiordorch wirÄ 4er Gasstrom in wirbeln*« Bewegung gefcrecfct tiad er eetat di©a· Bewegung veiter f ort entlan« der Innenflficke 21 de? E3hre 20* Sin feil des 0«βο» wird daan durck die Austrj ttßöffaung der ELetfcrede an antgegen£eeetatea Snde der Earner »e»treten. Se» gröfere teil de* reetlichen e_aee» seizie axiale Bewe^noesrichtnae «a einer Stelle in der d«a £ogea9Jberliege3iie& KaMterendee» umdrehen und durch die mittlere Austrittsfcohrung 52 austreten· Sin kleinerer Teil des Gases wird eich über die ganze Länge des Lichtbogens in der Richtung auf die Achse der Kaaaier bewegen und so zur Einschnürung des Lichtbogens beitragen·

• .

-Das Yorliegende Gerät sorgt ferner auch iür den Auegleich des in der Röhre 20 herrschenden Druckes, so daß auoh höhere Kammerdrücke ohne weiteres angewendet werden können. Dies erfolgt durch Zufuhr von Gas vom Einlaß 60 zum Ringraum 62, von wo es über die ringförmige Zuleitung 66 in eine zweite zylindrische Kammer 64 eintritt, welche die Kammer 18 umschließt. Ebenso wie die Keaaer 18 besteht auoh die Kammer 64 aus einem Rohr 67 aus durchsichtigem Material, z.B. Quarz. Ss besteht hier keine Notwendigkeit, dem Gas eine wirbelnde Bewegung zu erteilen. Ea ist daher die Zuleitung 66 nicht für diesen Zweck eingerichtet.

Gas, welches in die Kammer 64 eintritt, fließt zum anderen Ende der Kammer und verläßt diese dann duroh passend angeordnete Aaslafluffnungen (nicht gezeigt). In der gleichen Weise kann Gas zu einer dritten Kammer 68 im Wege der Sinlaßuffmangen 70 des Hingraumee 72 und der Ringraum-Einlaßöffnung 74 zugeführt werden· Verntändliol.-erweise sind diese zusätzlichen Kammern nicht in

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- ίο -

jedem Falle erforderlich, so daß sie manchmal weggelassen «erden können. Ee kann ferner ein flüssiges Kühlmittel, «„B; destilliertes Wasser, anstelle von Sas für die Kühlung dieser Kammern verwendet werden.

Um die Beschreibung des Gerätes zu vervollständigen, sei erwähnt, dafi die Plansche 76 und 78 vorgesehen sind, so daS das ganze Gerät an einer . Trag konstruktion festgeschraubt oder in anderer V.'eise befestigt «erden kann.

Bei der praktischen Ausführung dieser Erfindung erwiesen sich gewisse. Edelgase (Argon, Xenon und Krypton) als besondere geeignet zur Verwendung «ls Kammergas· Di·ββ Edelgase haben ein hohes Atomgewioht, und dies bietet gute Voraussetzungen tür den Elektronenübergang, wie es für eine wirkungsvolle Strahlung erforderlich ist. Bei der praktischen Anwendung des Verfahren· kann sowohl Oleichstrom als auch Wechselstrom Verwendung finden.

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Claims (1)

1. Patentansprache

   Verfahren zur Herstellung von . Strahlungsenergie, bei dem das Ziehen eines Lichtbogens »wischen zwei Elektroden, die an den beiden Enden einer durchsichtigen Röhre sitzen,erfolgt wobei der lichtbogen durch ein Gas geführt wird, welches an einem Ende der Saarner eingeleitet wird, wobei die Kammer durch die beiden Elektroden und durch die Bohre begrenzt und das Gas durch mehrere ringförmig angeordnete öffnungen angeführt wird, wobei diese öffnungen so gestaltet sind* daß eie das Gas zu einer Wirbelbewegung bringen, wobei das . Gas an beiden Enden der erwihnten Kammer austritt, und zwar durch koaxiale Austrittsöffnungen, die in der Längsachse der Elektrode liegen* das Vorfahren wird dadurch gekennzeichnet, daß die Einführung des Gasstromes im die Saäaer unter Bedingungen erfolgt, die der Gleichung . . ^. '

   0,25

   entsprechen,ιwobei

   M. = Äaohsahl der Einlaßstraaung (Geschwindigkeit

   des Gases, das in die Kammer eintritt, dividiert durch die Schallgeschwindigkeit bei der Betriebstemperatur und bei dem in der Eintrittsstelle herrschenden Druck),

   B₀ « BweiWÄl die kürfiseete Entfernung «wischen der

   Hittellini· der Zinlaßbohrung«n und d»r XLttellini· der Kmas«r, .

   S - Inn«ndurchM*»s»r der Röhre, weloh· dl· Elektroden

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   BAD ORIGINAL.

   at Geschwindigkeit dee Gaee*_t welches aus den Eintrittßbohrungen ta die Kaa»er einetrCet„ « Sröfie der auf die Achae der Kaeaer senkrecht

   stehenden Komponente der Gasgeschwindigkeit ?_T, HBd daß ferner ύβτ Austritt dee Sas«« aus der Kanmer durch die erwähnten Auelaßöffnungen in der Veiee erfolgt, daft das Verh&ltnie der Querschnitt «fläche der Kaemer *u der Sueae der Querschnitt sfläachen der AualaßSffnungen «wischen 2r1 und 40:1, ewiechen 5:1 und 25:1, ließt.

   bad

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