DE1539691B1

DE1539691B1 - Verfahren zur inbetriebnahme des lichtbogens eines plasmastrahlerzeugers und vorrichtung zu seiner durchfuehrung

Info

Publication number: DE1539691B1
Application number: DE19661539691
Authority: DE
Inventors: Kenneth Faglescliffe Hare Alan Lawrence Stockton on Tees Durham Arkless (Großbritannien)
Original assignee: British Titan Ltd , Billingham, Dur ham (Großbritannien)
Priority date: 1965-06-15
Filing date: 1966-06-15
Publication date: 1973-11-29
Also published as: FR1538972A; NL6608277A; DE1539691C2; US3448333A; BE682580A; GB1112444A; JPS4826264B1

Description

Es ist bekannt, Gase auf hohe Temperaturen zu erhitzen, indem man das Gas durch eine zwischen Elektroden bewirkte elektrische Entladung schickt.

Eine dieses Prinzip ausnützende Vorrichtung ist der Plasmastrahlerzeuger, der in einer Form aus mindestens zwei Elektroden besteht, welche mit einer geeigneten elektrischen Energiequelle, die Gleichstrom oder Wechselstrom liefern kann, vorzugsweise aber Gleichstrom liefert, verbunden sind.

Bei einer Bauart von Plasmastrahlerzeugern ragt eine zentrale, feste Elektrode in Richtung auf das Zentrum einer Scheibenelektrode vor. Die Scheibenelektrode in derartigen Vorrichtungen weist gewöhnlieh eine öffnung im Zentrum als Auslaß für das Gas auf, welches beim Durchtritt durch die Entladung zwischen den Elektroden erhitzt wird, und der Lichtbogen wird zwischen der Spitze der Zentralelektrode und der Innenkante und/oder der Innenwand der Öffnung durch die Außenelektrode gebildet.

Vorzugsweise stellt die Zentralelektrode die Kathode dar, zumindest dann, wenn die Elektroden mit einer Gleichstromquelle verbunden sind.

Das zu erhitzende Gas wird im allgemeinen in einen derartigen Plasmastrahlerzeuger rund um die Zentralelektrode zugeführt, und zwar entweder in schraubenförmigem Fluß (beispielsweise indem man das Gas tangential zur Wand der Kammer, die die Zentralelektrode enthält, einführt) oder in laminarem bzw. schichtweisem Fluß (beispielsweise, indem man das Gas durch eine Reihe von öffnungen, die die Zentralelektrode umgeben, zuführt). Wahlweise können diese Strömungsarten auch gemischt vorgesehen werden.

Plasmastrahlerzeuger der obenerwähnten Art sind schon vorgeschlagen worden (deutsche Auslegeschrift 1226 082). Die dort angegebenen Plasmastrahlerzeuger und die in der vorliegenden Anmeldung an späterer Stelle beschriebenen und nach den in der vorliegenden Anmeldung gegebenen Vorschriften betriebenen Plasmastrahlerzeuger sind besonders geeignet zur Durchführung des in der deutschen Auslegeschrift 1 226 082 vorgeschlagenen Verfahrens.
Bei einer anderen Ausführungsform können die Elektroden in dem Plasmastrahlerzeuger aus Rohren bestehen, vorzugsweise aus koaxialen Rohren, die mit den Enden zueinander angeordnet sind und wobei der Lichtbogen zwischen den Innenseiten der Elektroden gebildet wird. In derartigen Plasmastrahlerzeugern kann das zu erhitzende Gas in die Kammer eingeleitet werden, welche die benachbarten Enden der Elektroden umgibt, vorzugsweise durch eine Anzahl von Einlaßöffnungen, die tangential zu

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den Wänden der Kammer gerichtet sind, um das Gas und die kurzzeitig vorwärts bewegt wird, beispielsin schraubenförmige Strömung zu versetzen, bevor weise pneumatisch, bis sie die andere Elektrode bees die Entladung passiert. rührt und dadurch den Kreis schließt. Dieser Kurz-Nach dem Erhitzen kann das Gas bequem durch Schluß zündet den Lichtbogen durch eine zeitweilige das Innere eines der eine Elektrode darstellenden 5 Verminderung des Spalts zwischen den Elektroden Rohre an die Atmosphäre geleitet werden. und erhöht damit den Potentialgradienten zwischen Wahlweise kann das zu erhitzende Gas durch eine den Elektroden, bis dieser das Durchschlagspotential rohrförmige Elektrode zu und durch die andere ab- des Gases übersteigt.

geführt werden. Diese Verfahren sind schwerfällig und besitzen Je nach Wunsch kann auch jede Kombination die- ¹⁰ viele Nachteile. Beispielsweise verursacht die Verser Anordnungen verwendet werden. Wendung eines erhitzten Drahts eine Verunreinigung In jedem Fall ist es infolge der innerhalb des des durch den Plasmastrahlerzeuger strömenden Plasmastrahlerzeugers entwickelten sehr hohen Tem^ Gases und kann eine Verschweißung mit der Elekperaturen im allgemeinen erwünscht, eine entspre- trode zur Folge haben, was wiederum eine Lichtbochende Kühlung für den Plasmastrahlerzeuger und 15 geninstabilität verursacht.

insbesondere für die Elektroden vorzusehen. Dies Die Verwendung einer Kohleelektrode zur Herkann auf jede übliche Weise erfolgen, vorzugsweise stellung eines kurzzeitigen Kurzschlusses zwischen den wird jedoch ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, Elektroden kann Starkströme im Stromkreis hervordurch Durchlässe innerhalb der Elektroden und/oder rufen, welche die Energiequelle beschädigen können, im Körper des Plasmastrahlerzeugers unter Druck 20 Die Kohleelektroden erwiesen sich auch als unzuverzirkulieren gelassen. Gegebenenfalls kann das erhal- lässig. Damit die Abmessungen des Plasmastrahl-O₁ tene erhitzte Kühlmittel dann mit dem zu erhitzen- erzeugers klein gehalten werden und eine sehr rasche %)) den zuströmenden Gas in Wärmeaustausch zirkulie- Erosion vermieden wird, müssen sie häufig ausgeren gelassen werden, so daß die Wärme ausgenützt tauscht werden, wodurch der Betrieb des Plasmawird. 25 Strahlerzeugers unterbrochen wird.

Unter der Bezeichnung »Plasmastrahlerzeuger«, Unzuverlässigkeit eines Plasmastrahlerzeugers im wie sie hier verwendet wird, soll daher ein Gerät ver- Betrieb ist ein besonders schwerer Nachteil, wenn standen werden, worin ein Gas auf hohe Temperatur der Plasmastrahlerzeuger Teil einer chemischen Anerhitzt wird, indem es durch einen elektrischen Licht- lage ist, welche auf den Plasmastrahlerzeuger als bogen zwischen Elektroden durchgeschickt wird. 3° Wärmequelle angewiesen ist.

Plasmastrahlerzeuger werden im allgemeinen so Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung

ausgelegt, daß sie in stabilem Zustand betrieben wer- eines einfacheren und zuverlässigeren Verfahrens zur

den- können, sobald der Lichtbogen einmal ausgebil- Einrichtung des Lichtbogens eines Plasmastrahler-

det und eingestellt ist. Die Zündung des Lichtbogens zeugers und einer hierfür geeigneten Vorrichtung,

bereitet jedoch beträchtliche praktische Schwierig- 35 Insbesondere sollen die obigen Nachteile beseitigt

keiten, da die zur Zündung des Lichtbogens erforder- werden.

liehe Spannung viel größer ist als die zur Aufrecht- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Inbetrieberhaltung des Lichtbogens, wenn er einmal errichtet nähme des Lichtbogens eines Plasmastrahlerzeugers, ist, erforderliche Spannung. Die zur Zündung des bei dem ein Strom des zu erhitzenden und zu ionisie-Lichtbogens erforderliche Spannung muß daher grö- 40 renden Gases zwischen den Elektroden hindurchgeßer sein als die Durchschlagsspannung des Gases führt wird, an denen eine Spannung liegt, die niedrizwischen den Elektroden. Man kann zwar die Energie ger ist als die Durchschlagsspannung dieses Gases, ist liefernden Anlagen so auslegen, . daß sie die zur dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung des Licht- |n) Zündung des Lichtbogens (sowie zur Aufrechterhai- bogens ein Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch dessen tung des Lichtbogens) erforderlichen hohen Span- 45 Atome oder Moleküle einen angeregten metastabilen nungen liefern, hierdurch werden aber die Anlage- Zustand aufweisen, der energetisch höher liegt als kosten der Energieanlage sehr erhöht. das Ionisationspotential des zu ionisierenden Gases .. .-Daher wurden verschiedene andere Methoden zur mit Überdruck in den vom zu erhitzenden Gas durchZündung des Lichtbogens verwendet, beispielsweise strömten Raum zwischen den Elektroden in solcher wurden Hilfskreise vorgesehen, um hochfrequente 5° Menge und derart durch eine getrennte Leitung einEntladungen kurzer Dauer zwischen den Elektroden geführt wird, daß in dem Raum zwischen den Elekzu erzeugen. Derartige Hilfskreise erfordern eine troden eine Gasmischung vorliegt, die zu mindestens sorgfältige Konstruktion und erhöhen wiederum die 75 % aus dem Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch bestehen Anlagekosten beträchtlich. Außerdem besteht dabei und sich Konzentrationsgradienten bilden, und bei der die Gefahr, daß die Hochfrequenzentladung die mit 55 die Gasmischung eine Durchschlagsspannung hat, die den Elektroden verbundene Hauptenergiequelle be- kleiner ist als die Durchschlagsspannung jeder ihrer schädigt. Komponenten allein und auch kleiner als die an der Ein anderes Verfahren zur Zündung des Licht- Elektrode liegende Spannung, und daß, wenn der ; bogens in Plasmastrahlerzeugern, welches bereits an- Lichtbogen gezündet und sich ausgebildet hat, die gewendet wurde, besteht darin, daß zwischen den 60 Zufuhr des Hilfsgases oder -gasgemisches eingestellt j Elektroden ein Metalldraht od. dgl. eingesetzt wird, wird.

so daß das Metall rasch erhitzt wird und auf diese In der französischen Patentschrift 1 301152 wird

! Weise Ionen erzeugt, die bei der Herstellung eines bereits die Verwendung eines Schutzgases in einem

! Weges für den Lichtbogen helfen, der dann einge- Plasmastrahlerzeuger beschrieben, welches die Ka-

richtet werden kann. Eine Abänderung dieses Ver- 65 thodenoberfläche gegen die schädlichen Einwirkün-

fahrens besteht darin, daß eine dritte Elektrode vor- gen des zu erhitzenden Gases stützen soll. Dabei soll

gesehen wird, beispielsweise eine Kohleelektrode, die der Lichtbogen durch das Zentrum des Schutzgas-

mit einer Elektrode in elektrischem Kontakt steht schirms fließen. Im Gegensatz zur Erfindung dient

dieses Schutzgas jedoch nicht zur Inbetriebnahme des Lichtbogens, eine Vermischung mit dem zu erhitzenden Gas wird soweit möglich vermieden, und die Zufuhr des Schutzgases wird nach Inbetriebnahme des Lichtbogens auch nicht eingestellt. Auch werden dort keine Angaben über die Natur der Gase gemacht. Die Zündung selbst erfolgt durch Anwendung eines Hochfrequenzstroms. Auch die ähnliche französische Patentschrift 1 225 906 setzt sich die Verringerung der Ionisierung und eine Führung des Lichtbogens innerhalb des Schutzgases zur Aufgabe.

Ferner ist es bekannt, bei Gasentladungslampen, deren Entladung im Betriebszustand nicht durch ein Edelgas unterhalten wird, z. B. bei Natriumlampen, zur Erleichterung der Zündung eine kleine Menge eines oder mehrerer Edelgase vorzusehen. Die Verhältnisse in einer Gasentladungslampe sind jedoch grundsätzlich verschieden von denen eines Plasmastrahlerzeugers, da bei ersterer niedrige Drücke, ruhende Gase und konstante Gasmischungen vorliegen, die zu wenigstens 98% aus dem Grundgas bestehen, während beim Plasmastrahlerzeuger hohe Drücke, äußerst hohe Gasgeschwindigkeiten und kurzzeitig stark wechselnde Gaszusammensetzungen vorliegen.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eignet sich ein Plasmastrahlerzeuger, der mindestens zwei Elektroden, welche zur Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle eingerichtet sind, mindestens einen Einlaß für das beim Durchströmen zwischen den Elektroden durch die Entladung zu erhitzende Gas, einen Auslaß für das erhitzte Gas und eine Leitung aufweist, deren Wand in elektrischem Kontakt mit einer Elektrode steht und die so gerichtet ist, daß sie ein durch die Leitung eingeführtes Hilfsgas zwischen die Oberflächen der Elektroden dirigiert.

Die Gasmischung, die ein niedrigeres Durchschlagspotential aufweist als ihre Komponenten, kann hergestellt werden, indem entweder ein einziges Hilfsgas in den Raum zwischen den Elektroden derart eingeführt wird, daß es sich mit dem zu erhitzenden Gas, welches zwischen den Elektroden durchströmt, mischt und mit diesem eine Mischung in den richtigen Anteilen, um das gewünschte niedrige Durchschlagspotential zu ergeben, bildet, oder indem ein Hilfsgasgemisch, beispielsweise eine vorgebildete Mischung, zwischen die Elektroden gebracht wird.

Man erkennt, daß, wenn das Hilfsgas oder das Hilfsgasgemisch in einen Raum zwischen den Elektroden eingeführt wird, durch den das zu erhitzende Gas bereits strömt, sich die Gase mischen, unter Bildung von Konzentrationsgradienten, die als eine große Zahl von Gasmischungen zwischen den Elektroden betrachtet werden können, die verschiedene Konzentrationen an den Gasen, die sie enthalten, aufweisen, und beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Hilfsgas oder das Hilfsgasgemisch in den Plasmastrahlerzeuger derart eingeführt, daß dabei mindestens eine Gasmischung zwischen den Elektroden entsteht, die die Gase im richtigen Anteil enthält, um das gewünschte Durchschlagspotential zu ergeben.

Das Hilfsgas oder das Hilfsgasgemisch, das zwischen die Elektroden eingeführt wird, wird vorzugsweise durch eine Leitung zugeführt, deren Wand in elektrischem Kontakt mit einer der Elektroden steht und die das Gas oder die Gasmischung auf die Vorderfront der anderen Elektrode richtet. Ein spezielles Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung besteht im Anbringen einer Bohrung durch die Wand des Plasmastrahlerzeugers, durch einen Teil einer Elektrode und in einem solchen Winkel, daß das Gas, welches aus dem inneren Leitungsende austritt, auf die Vorderfront einer anderen Elektrode, zu der der Lichtbogen gebildet werden soll, gerichtet ist. Gegebenenfalls kann ein Rohr od. dgl. in die Bohrung

ίο eingesetzt werden, um eine Veränderung der Geschwindigkeit und/oder der Richtung des Gasstromes zu erleichtern. Das periphere Ende der Leitung weist gewöhnlich eine Einrichtung auf, um das Hilfsgas oder das Hilfsgasgemisch in die Leitung einzuführen, beispielsweise kann sie eine Verbindung zu einem Gaszufuhrrohr aufweisen.

Wahlweise kann die Wand der Leitung für das Hilfsgas oder das Hilfsgasgemisch nicht in elektrischem Kontakt mit einer Elektrode stehen und so angebracht sein, daß das Hilfsgas oder das Hilfsgasgemisch zwischen die Frontflächen der Elektroden gericaiet ist.

Die Leitung kann jeden geeigneten Querschnitt aufweisen und beispielsweise im Plasmastrahlerzeuger mit einem Schlitz, einem Ring oder einem porösen Stopfen enden. Wahlweise kann eine Anzahl derartiger Leitungen oder auch nur eine einzige Leitung vorhanden sein, die in einer Anzahl von Öffnungen der oben geschilderten Art endet.

Das Ende der Leitung sollte vorzugsweise nicht in den Lichtbogen vorragen (wenn dieser gezündet ist), um eine übermäßige Erosion der Leitung zu vermeiden. Unter bestimmten Umständen kann es jedoch von Vorteil sein, die Leitung kurzzeitig nach

vorwärts in den Raum zwischen den Elektroden zu bewegen (vorzugsweise ohne sie kurzzuschließen) und sie sofort zurückzuziehen, wenn der Bogen gezündet ist. Auf diese Weise kann eine Leitung mit geringerem Innendurchmesser verwendet werden, insbesondere wenn der Raum zwischen den Elektroden groß ist, und dadurch die Menge an Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch, die zur Zündung des Bogens erforderlich ist, verringert werden.

Der optimale Durchmesser der Leitung hängt u. a.

von der Zahl der Leitungen, dem. Abstand zwischen den Elektroden, der Zusammensetzung der Gasmischung, die zur Erzielung ,eines niedrigen Durchschlagspotential erforderlich ist, der Menge an Gas, die zwischen die Elektroden eingeführt werden muß, und dem für die Zufuhr zur Verfügung stehenden Druck ab. Im allgemeinen jedoch erwies sich eine Leitung oder Leitungen mit einem Innendurchmesser im Bereich von etwa 12,7 mm bis etwa 0,8 mm, insbesondere zwischen 4,75 und 1,6 mm, als geeignet,

obwohl Leitungen größeren Durchmessers erwünscht sein können, insbesondere wenn der Elektrodenspalt groß ist.

Das Hilfsgas oder das Hilfsgasgemisch, das in den Raum zwischen den Elektroden, zwischen denen der Lichtbogen gezündet werden soll, eingeführt wird, um das Durchschlagspotential herabzusetzen, muß so beschaffen sein, daß es, wenn es ein einziges Gas darstellt, mit dem zu erhitzenden Gas eine Gäsmischung mit einem niedrigeren Durchschlags-

potential bildet als jeder der Komponenten der Mischung aufweist, und, wenn es ein Gasgemisch ist,, daß dieses so beschaffen ist, daß es zwischen den ■Elektroden, ein niedrigeres Durchschlagspotential

schafft als jeder der Bestandteile des Gasgemisches und als das zu erhitzende Gas allein.

Es wird angenommen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auf die Bildung einer oder mehrerer Zonen einer Gasmischung zwischen den Elektroden zurückzuführen ist, die durch das Vorhandensein eines Hauptgasbestandteils, dessen Atome oder Moleküle einen angeregten metastabilen Zustand mit hohem, metastabilem Potential (beispielsweise das Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch) und eines oder mehrerer, in kleinerer Menge vorliegender Bestandteile, dessen oder deren Atome oder Moleküle ein niedrigeres lonisationspotential aufweisen (beispielsweise das zu erhitzende Gas oder ein Bestandteil des Hilfsgasgemisches), als das metastabile Potential des Hauptbestandteils, charakterisiert ist.

Es wird angenommen, daß die an die Elektroden angelegte Spannung die Bildung metastabiler Moleküle des Hauptbestandteils, die, verglichen mit ionisierten Molekülen, eine verhältnismäßig lange Lebensdauer aufweisen, veranlaßt, und daß diese mit den Molekülen des in geringerer Menge vorliegenden Bestandteiles in Wechselwirkung treten und dadurch ihre Ionisation verursachen. Des weiteren wird angenommen, daß die Ionisation der Moleküle des geringeren Bestandteils durch ihre hohe Verdünnung und/oder durch weitere Ionisation infolge ihrer Wechselwirkung mit den metastabilen Molekülen des Hauptbestandteils aufrechterhalten wird, so daß ein Weg für den Stromfluß zwischen den Elektroden geschaffen wird, der sich äußerst rasch vergrößert, unter Bildung eines sich selbst erhaltenden Lichtbogens. Dieser Lichtbogen wird dann auf das zu erhitzende Gas übertragen, und der Zustrom des Hilf gases oder Hilfsgasgemisches wird unterbrochen.

Gase, deren Atome oder Moleküle ein hohes metastabiles Potential aufweisen und die daher besonders als Hilfsgas geeignet sind, sind Helium (19,8 eV) und Neon (16,6 eV). Argon, welches weniger geeignet ist, weist ein metastabiles Potential von 11,5 eV auf.

Zu erhitzende Gase, die sich unter Beachtung der Lehre der Erfindung zur Verwendung als zu ionisierende Gase sehr eignen (insbesondere zusammen mit Helium oder Neon als Hilfsgas), sind Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Argon (falls dieses nicht als Hilfsgas verwendet wird), Chlor, Kohlenmonoxyd, Kohlendioxyd, Ammoniak, Chlorwasserstoff, Stickoxyde, Schwefeldioxyd und Methan, die ein Ionisationspotential im Bereich von etwa 10 bis 15 eV aufweisen.

Die örtliche Konzentration des Hilfsgases zwischen den Elektroden, beispielsweise von Neon oder Helium, muß größer als 75% und vorzugsweise größer als 90 Volumprozent sein, um ein minimales Durchschlagspotential zu erhalten, wobei der Rest der Mischung aus dem zu ionisierenden Gas oder Gasen besteht.

Als Beispiel dafür, wie das Verfahren nach der Erfindung ausgeführt werden kann, soll als zu erhitzendes Gas Stickstoff zwischen den Elektroden durchgeleitet werden, denen elektrische Energie zugeführt wird, und Helium soll als Hilfsgas durch die Leitung in den Raum zwischen den Elektroden zugeführt werden, um sich mit dem Stickstoff in solchen Anteilen zu mischen, daß bei der an den Elektroden liegenden Spannung ein ionisierter Weg gebildet wird. Der Lichtbogen wird so gezündet und die Strömung des Hilfsgases unterbrochen.

Wahlweise kann ein geeignetes Gemisch von Helium oder Neon mit einem zu ionisierenden Gas (beispielsweise einem der oben angeführten) durch die Leitung derart zugegeben werden, daß der Spalt zwischen den Elektroden überbrückt wird und mit oder ohne Unterstützung des zu erhitzenden Gases ein Durchschlagspotential geschaffen wird. Sobald der Bogen einmal gezündet ist, wird er auf das zu erhitzende Gas übertragen, und die Strömung des Hilfsgasgemisches wird unterbrochen.

Es wurde gefunden, daß die Zeitdauer, während derer das Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch eingeführt werden muß, um das Durchschlagspotential zwischen den Elektroden herabzusetzen, im allgemeinen sehr kurz ist, beispielsweise gewöhnlich weniger als etwa 1 Sekunde.

Das Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch muß natürlich zwischen den Elektroden bei einem Druck eingeführt werden, der größer ist als er in dem Plasmastrahlerzeuger besteht, und insbesondere werden sie bei einem Überdruck von mindestens 0,07 atü, vorzugsweise bei einem Druck im Bereich von etwa 0,35 bis 35,2 atü, über dem zwischen den Elektroden bestehenden Druck eingeführt.

Sobald der Bogen gezündet und zwischen den Elektroden eingebrannt ist, wird sofort die Zufuhr des Hilfsgases oder Hilfsgasgemisches unterbrochen.

Die Fig. 1,2 und 3 der Zeichnung zeigen schematische Schnitte von drei Typen erfindungsgemäßer Plasmastrahlerzeuger. F i g. 1 zeigt einen Typ, der eine massive Zentralelektrode und eine Elektrode mit einer Öffnung im Zentrum aufweist, und F i g. 2 zeigt einen Plasmastrahlerzeuger, in dem die Elektroden Rohre darstellen, die koaxial Ende an Ende angeordnet sind und wo die Leitung für das Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch durch das Ende einer der Elektroden verläuft und die Wand der Leitung daher in elektrischem Kontakt mit der Elektrode steht.

F i g. 3 zeigt einen Plasmastrahlerzeuger, in dem die Zuleitung zur Einführung des Hilfsgases oder Hilfsgasgemisches nicht durch eine der Elektroden verläuft.

Zur Bezeichnung entsprechender Teile in jeder Figur werden gleiche Zahlen verwendet.

In F i g. 1 ist die massive Elektrode 1 (gewöhnlich die Kathode in einem Gleichstromsystem) mit einer Zuleitung von der Energiequelle verbunden, und die perforierte Elektrode 2 ist mit der anderen Zuleitung verbunden, wobei die Elektroden durch die den Isolator bildende Kammer 4 getrennt sind. Das Gas, welches erhitzt werden soll, indem es durch den Lichtbogen strömt, der zwischen den Elektroden 1 und 2 gebildet wird, wird durch das Rohr 3 eingeführt, welches in die Kammer 4 tangential zu ihrer Innenwand eintritt.

Das so eingeführte Gas beschreibt einen schraubenförmigen Weg durch die Kammer 4 und durch die Auslaßöffnung 5 in die Atmosphäre.

In das Rohr 6 wird eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, eingeführt, die durch den Mantel 7 rund um die Rückseite der Massivelektrode und vom Mantel 7 über das elektrisch isolierende Verbindungsrohr 8 zum zweiten Mantel 9 in der perforierten Elektrode strömt und schließlich über den Auslaß 10 abfließt.

Wenn der Lichtbogen in dem Plasmastrahlerzeuger

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gezündet werden soll, wird das zu erhitzende Gas, beispielsweise Sauerstoff oder Stickstoff, durch das Rohr 3 eingeführt, und die Elektroden werden mit Strom versorgt. Das Hilfsgas, beispielsweise Helium oder Neon, wird dann durch die Leitung 11 zugeführt und durch diese auf die Oberfläche der massiven Zentralelektrode gerichtet, bis der Lichtbogen gezündet und ausgebildet ist, worauf der Durchfluß des Hilfsgases durch die Leitung eingestellt wird.

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Plasmastrahlerzeuger ist eine Elektrode 12 mit einer Zuleitung von einer geeigneten Stromquelle verbunden, und die andere Elektrode 13 ist mit der anderen Zuleitung verbunden, und die Elektroden sind gegeneinander durch den Isolator 26 isoliert. Eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, wird in die Einlasse 14 und 15 geleitet und nach Zirkulation rund um die Elektroden über die Durchlässe 16 und 17 aus den Auslassen 18 und 19 abgelassen. In ähnlicher Weise kann eine Kühlflüssigkeit durch den Einlaß 20 in die Kammer 21 eingeführt und durch einen nicht gezeigten Auslaß abgezogen werden.

Das zu erhitzende Gas wird in die Kammer 22 zwischen den Elektroden durch acht Einlasse 23, die in gleichen Abständen voneinander rund um die Peripherie der Kammer gerichtet sind, eingeführt, und das erhitzte Gas wird durch die Öffnung 24 am Ende der Elektrode 12 ausströmen gelassen.

Wenn der Lichtbogen gezündet werden soll, wird ein Hilfsgas, wie Helium oder Neon, durch die Leitung 25 eingeführt, und ein Teil davon wird durch die Vorderfront der Elektrode 12 reflektiert und auf die Vorderfront der Elektrode 13 gerichtet.

Sobald der Lichtbogen gezündet und sich ausgebildet hat, wird der Zustrom des Hilfsgases abgebrochen.

Bei dem in F i g. 3 gezeigten Plasmastrahlerzeuger ist die Folge der Vorgänge, wie in F i g. 2 beschrieben, mit der Ausnahme, daß kein Durchströmen von Kühlflüssigkeit hinter dem erweiterten Kopf der Elektrode 12 (d. h. durch den Einlaß 20 und die Kammer 21 von F i g. 2) vorgesehen ist.

Außerdem geht die Leitung 25 nicht durch die Elektrode 12.

Beispiel 1

Ein Plasmastrahlerzeuger, ähnlich dem in Fig. 1 beschriebenen, wurde zusammengesetzt. Die massive Zentralkathode hatte einen Durchmesser von 9,5 mm, und die zentrale öffnung in der Anode hatte einen Durchmesser von 19 mm. Der Abstand zwischen dem Ende der Kathode und der gegenüberliegenden Front der Anode betrug 4,75 mm. Die Leitung 11 wies eine Innenöffnung von 3,2 mm auf.

Die Elektroden des Plasmastrahlerzeugers wurden mit einer Stromquelle verbunden, die eine offene Kreisspannung von 700 V Gleichstrom aufwies.

Als zu erhitzendes Gas wurde Argon durch den Einlaß 3 tangential zu den Wänden der Kammer mit einer Geschwindigkeit von 0,142 m³/min zugeführt, und der Strom wurde eingeschaltet. Unter diesen Bedingungen konnte der Lichtbogen nicht gezündet werden, auch dann nicht, wenn an Stelle von Argon als zu erhitzendes Gas Neon verwendet wurde.
Der Strom wurde abgeschaltet, und Argon als zu erhitzendes Gas wurde durch den Plasmastrahlerzeuger eingeführt, und Neon als metastabiles Hilfsgas wurde der Leitung mit 4,92 atü zugeführt. Seine Strömung wurde durch ein elektromagnetisches

ίο Ventil geregelt.

Der Strom wurde dann erneut angeschaltet, und das elektromagnetische Ventil wurde momentan geöffnet, um Neon in den Argonstrom zwischen den Elektroden einzuführen. Der Lichtbogen wurde sofort gezündet und blieb stabil, nachdem der Neonstrom eingestellt wurde.

Beispiel 2

Ein Plasmastrahlerzeuger ähnlich dem in F i g. 2 gezeigten wurde zusammengesetzt mit einem Elektrodenabstand von 6,35 mm. Die Gleichstromquelle wies eine offene Kreisspannung von 1500 oder 3000 V je nach Bedarf auf.

Stickstoff als zu erhitzendes Gas wurde durch die tangentialen Einlasse 23 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,283 m²/min zugesetzt, und die Stromquelle wurde auf 1500 V eingestellt und angeschaltet. Das gleiche wurde bei 3000V wiederholt. In keinem Fall wurde ein Lichtbogen gezündet.

Dann wurde ein Gasgemisch aus 99 % Helium und 1 °/o Argon der Leitung 25, die in einer Öffnung von 4,75 mm Durchmesser endete, mit 3,52 atü zugeführt, und der Zufluß dieses Gasgemisches wurde durch ein elektromagnetisches Ventil geregelt.

Sobald die Stromquelle auf 1500 V gesetzt wurde, ergab der momentan einsetzende Betrieb des elektromagnetischen Ventils eine sofortige Zündung des Lichtbogens, und dieser dauerte an, nachdem der Zufluß des Gasgemisches aus Helium und Argon

unterbrochen war.

Beispiel 3

Das in Beispiel 2 beschriebene Verfahren wurde

wiederholt, jedoch wurde an Stelle von Stickstoff Sauerstoff zugeführt. Wieder wurde gefunden, daß bei 1500 oder 3000 V kein Lichtbogen gezündet werden konnte.

Der Lichtbogen wurde jedoch sofort gezündet,

wenn Helium als Hilfsgas bei 1500 V offener Kreisspannung zwischen den Elektroden eingeführt wurde und aufrechterhalten, nachdem die Heliumzufuhr eingestellt war.

Beispiel 4

Das Verfahren von Beispiel 2 wurde wiederholt, unter getrennter Verwendung von Helium, Neon und Argon als zu erhitzende Gase ohne Zufuhr eines Hilfsgases. In keinem Fall konnte der Lichtbogen gezündet werden, weder bei 1500 noch bei 3000V Offenkreisspannung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Inbetriebnahme des Lichtbogens eines Plasmastrahlerzeugers, bei dem ein Strom des zu erhitzenden und zu ionisierenden Gases zwischen den Elektroden hindurchgeführt wird, an denen eine Spannung liegt, die niedriger ist als die Durchschlagsspannung dieses Gases, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zündung des Lichtbogens ein Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch, dessen Atome oder Moleküle einen angeregten metastabilen Zustand aufweisen, der energetisch höher liegt als das Ionisationspotential des zu ionisierenden Gases, mit Überdruck in den vom zu erhitzenden Gas durchströmten Raum zwischen den Elektroden in solcher Menge und derart durch eine getrennte Leitung eingeführt wird, daß in dem Raum zwischen den Elektroden eine Gasmischung vorliegt, die zu mindestens 75 % aus dem Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch besteht und sich Konzentrationsgradienten bilden, und bei der die Gasmischung eine Durchschlagsspannung hat, die kleiner ist als die Durchschlagsspannung jeder ihrer Komponenten allein und auch kleiner als die an den Elektroden liegende Spannung, und daß, wenn der Lichtbogen gezündet und sich ausgebildet hat, die Zufuhr des Hilfsgases oder Hilfsgasgemisches eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch mindestens 90 % der mit dem zu erhitzenden Gas entstehenden Gasmischung ausmacht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch durch eine oder mehrere Leitungen zugeführt wird, deren Wand oder Wände in elektrischem Kontakt mit einer der Elektroden steht bzw. stehen und die das Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch auf die Oberfläche der anderen Elektrode richtet bzw. richten.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zu erhitzendes Gas Sauerstoff oder Stickstoff verwendet wird und das Hilfsgas oder Hilfsgasgemisch aus Helium besteht oder dieses enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zu erhitzendes Gas Wasserstoff, Chlor, Kohlendioxyd, Kohlenmonoxyd, Ammoniak, Chlorwasserstoff, Stickoxyde, Schwefeldioxyd und/oder Methan und als Hilfsgas Helium und/oder Neon verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zu erhitzendes Gas Argon und als Hilfsgas Helium und/oder Neon verwendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als zu erhitzendes Gas Stickoxyde und als Hilfsgas Argon verwendet werden.

8. Plasmastrahlerzeuger zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche, bestehend aus einer Kathode und einer koaxial zu dieser angeordneten hohlzylindrischen Anode, aus deren der Kathode abgewandten Stirnseite der Plasmastrahl austritt, einer Einlaßleitung für das zu erhitzende Gas und einer weiteren Gaseinlaßleitung durch die ein weiteres Gas in den Raum zwischen den beiden Elektroden eingeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß diese zweite Gaseinlaßleitung (11) für die Zufuhr des Hilfsgases oder -gasgemisches durch eine der beiden Elektroden hindurchgeführt ist und in den Raum zwischen die beiden Elektroden (1, 2) hineinschiebbar und aus diesem wieder herausziehbar ist.