DE1589562A1

DE1589562A1 - Verfahren und Anordnung zur Erzeugung eines staendigen Plasmastromes

Info

Publication number: DE1589562A1
Application number: DE1967C0041143
Authority: DE
Inventors: Robert Delmas; Marc Foex
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1966-01-07
Filing date: 1967-01-05
Publication date: 1970-04-02
Also published as: US3476907A; FR1469629A; DE1589562B2; DE1589562C3; GB1178771A; FR93352E

Description

Verfahren und Anordnung zur Erzeugung

eines ständigen Piasinastromes . ■ *

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Anordnungen zur Erzeugung eines ständigen Plasmastromes hoher Energie, wobei von den Strömen wenigstens zweier Brenner (Blasröhren) ausgegangen wird, von denen vorzugsweise mindestens einer ein Plasmastrahlbrenner (Plasmablasrohr) ist, und wobei weiterhin diese Brenner (Blasröhren) so zueinander angeordnet sind, daß ihre einzelnen Ströme, nachstehend "Einzelplasmaströme" genannt, zueinander konvergieren und einen ständigen Plasmastrom bilden, nachstehend "Hauptplasmastrom" genannt, der von der Vereinigungsstelie der Einzelplasmastrahlen in einer Richtung verläuft, die von derjenigen der Einzelplasmaströme verschieden ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Ausbeute an dem Hauptplasmastrom zu entnehmender Energie zu erhöhen, ferner eine Steuerung sowohl der dem Hauptplasmastrom eingegebenen Energie als auch der Porm dieses Stromes zu ermöglichen und weiterhin die Bildung von Plasmen solo~he.3? Gase möglich au machen, die mit herkömmlichen rlasmastrahibrennern (Plasmablasröhren) nicht xn den .flasmaaustand übergeführt werden können, beispielsweise wegen Ihrer starken Reaktionsfähigkeit

009^14/100 0

— OCr

mit den in derartigen Brennern (Blasrohren) verwendeten Elektroden.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, einen elektrischen Heizstrom zwischen Punkten - nachstehend "Injektionspunkte" genannt - der Desagten Einzelplasmaströme, von denen jeder Einzelplasmastrom einen aufweist, in solcher Weise entstehen zu lassen, daß der Heizstrom einen Weg nimmt, der den Treffpunkt der Einzelplasmaströme und wenigstens Abschnitte jedes der Einzelplasmaströme einschließt, und weiterhin darin, die diesen Einzelströmen mitgeteilte Energie sowie - vorzugsweise - die Länge der zwischen den verschiedenen Injektionspunkten erzielbaren Wege zu steuern..

Es ist damit möglich, den größten Teil der den Einzelplasmaströmen mitgeteilten elektrischen Energie (die beträchtlich sein kann) im Hauptplasmastrom mit einer Ausbeute wiederzugewinnen, die 80 bis. 90 ^σβ> und mehr erreicht.

Nachstehend werden einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In diesem zeigt

Figur 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung zur Erzielung eines ständigen Plasmastromes hoher Energie in schematischer Darstellung.

Figur 2 und 3 zeigen die Ausführungsform nach Figur 1 sowie Vorrichtungen zur Steuerung der Energieabgabe an den Hauptplasmastrom gleichfalls in schematischer Wiedergabe.

Figur 4 gibt die schematische Teilansicht der Geometrie eines ständigen Plasmastromes wieder, wie er mit einer Anordnung der in Figur 1 dargestellten Art erzielbar ist.

0098H/1009

Figur 5 verdeutlicht weitere Vorrichtungen zur Steuerung der Energie des ständigen Plasmastromes.

Figur 6 und 7 geben andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung für die Erzeugung eines permanenten Plasmastromes wieder, die mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Steuerung der Energie dieses Stromes versehen sind.

Figur 8 zeigt eine Anordnung der in Figur 1 wiedergegebenen Art, die mit einer ^erhitzungsvorrichtung für den permanenten Plasmastrom versehen ist.

Figur 9 zeigt eine Anordnung der in den Figuren 1, 2 oder 3 wiedergegebenen Art, die mit einem Ofen zur Erhitzung von Materialien auf hohe Temperaturen verbunden ist.

Figur 10 zeigt wiederum eine Anordnung der in Figur 1 wiedergegebenen Art, wobei eine Vorrichtung zum Ablöschen der Gase des permanenten Plasmastromes vorgesehen ist.

Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind die besagten Brenner (Blasröhren) Plasmastrahlbrenner (Plasmablasröhren) mit innerem Bogen, die entweder mit Wechselstrom oder vorzugsweise mit Gleichstrom arbeiten*

" Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung nach Figur 1 sind 2 Plasmastrahlbrenner (Plasmablasröhren) C. und 0„ mit innerem Bogen vorgesehen, die durch 2 elektrische Generatoren G. und Gp mit Gleichstrom gespeist werden und so zueinander angeordnet sind, daß die beiden Einzelplasmaströme E. und E„, welche von dem Brenner P.. bzw. P₂ herrühren, in einem Punkt C zusammentreffen und sich zu einem Hauptplasmastrom E vereinigen, der den permanenten Plasmastrom darstellt, dessen Energie gesteuert werden soll.

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Wenn man annimmt, daß die beiden Plasmastrahlbrenner P₁ und P„ im wesentlichen identisch sind und unter den selben Bedingungen (Art und Strömung des plasmabildenden Grases, elektrische Leistung, Durchmesser der Anoden, usw.) betrieben werden, dann verläuft der aus der Vereinigung der beiden Einzelplasmaströme E₁ und E„ herrührende Hauptplasmastrom E im wesentlichen entlang der Winkelhalbierenden des von den beiden Einzelplasmaströmen E₁ und E„ eingeschlossenen Winkels.

Sind dagegen die Charakteristiken der beiden Plasmastrählbrenner voneinander verschieden, dann wird die Richtung des Hauptplasmastromes E sich der Richtung desjenigen Einzelplasmastromes annähern, der von dem stärkeren Plasmastrahlbrenner ausgeht,, d.h. in welchem beispielsweise die größere elektrische Energie abgegeben wird oder der mit dem größten Zufluß an plasmabildendem Gas beaufschlagt ist.

Was die Brenner selbst anbetrifft, so können sie von jeder bekannten Bauart sein und beispielsweise eine Katode 1 und eine Anode 2 aufweisen, die mit dem negativen bzw. positiven Anschluß des entsprechenden Generators G₁ bzw. Gp verbunden sind. Dabei soll die Anode 2 vorzugsweise eine äußere Gestalt aufweisen, welche das enge Zusammenführen mehrerer Plasmastrahlbrenner desselben Typs nicht hindert.

Die Plasmastrahlbrenner P₁ und P₂ sind bei der Anordnung nach iigur 1 beispielsweise so angebracht, daß die von diesen Brennern erzeugten Einzelplasmaströme E₁ und E~ einen spitzen Winkel von beispielsweise etwa 30 Grad einschließen.

Erfindungsgemäß wirken diese Brenner P₁ und P₂ mit einer elektrischen Stromquelle G zusammen, die von den Generatoren G. und Gp unabhängig 1st. Dieses Zusammenwirken ist

00981471009

dabei derart, daß jeder Einzelplasmastrom E₁. und Ep von einem elektrischen Strom durehflossen wird,- der zwischen einem Punkt eines jeden Einzelplasmastroms und ihrem Treffpunkt 0 zirkuliert.

Diese Maßnahme hat sich als sehr -vorteilhaft erwiesen, da festgestellt werden konnte, daß der größte Teil der von der Stromquelle G an die Einzelplasmaströme abgegebenen elektrischen Energie im Hauptplasmastrom wiedergewonnen werden kann, so daß die im Hauptplasmastrom in Form von Wärme vorhandene und diesem zu entnehmende Energie bei weitem größer als die Energie sein kann, welche je in den Einzelplasmaströmen der Plasmastrahlbrenner P₁ und P₂ erhalten werden könnte, insbesondere wegen des Potentialgefälles entlang des Plasmas, welches sehr viel größer als innerhalb der Brenner ist.

Dies wird durch die nachstehende Beschreibung eines Versuches erhellt, der mit einer Anordnung durchgeführt wurde, wie sie in Figur 4 wiedergegeben ist. Darin ist der Hauptplasmastrom E wiedergegeben, der aus der Vereinigung der beiden Binzelplasmaströme E₁ und E₂ aus Argon hervorgeht, die vor ihrem Zusammentreffen einen Winkel von 90 Grad einschließen.

Die beiden Plasmastrahlbrenner P₁ und P₂ waren so zueinander angeordnet, daß der Einzelplasmastrom E₁ eine Länge von 45 mm und der Einzelplasmastrom E„ eine Länge von 65 mm hatte.

Die beiden Plasmastrahlbrenner B₁ undE₂ wurden jeweils mit Argon beaufschlagt, und zwar mit einer Durchflußmenge von. 6 l/min. Die in jedem dieser Brenner E₁ und E₂ abgegebene Energie betrug 6 kW (20 V, 300 A).

UQ96U/10-Q9

Me Stromquelle G- zur Injizierung eines elektrischen Stromes in den Einzelplasmaströmen lieferte bei geschlossenem Schalter 4 einen Strom von 110 A bei einer Spannung von 130 V.

Unter diesen Bedingungen verlief der Hauptplasmastrom E im wesentlichen entlang der Winkelhalbierenden des von den beiden Einzelplasmaströmen E. und E₂ eingeschlossenen Winkels und hatte eine Länge von etwa 60 mm.

Nachstehend ist die Verteilung der elektrischen Potentiale (gemessen mit Hilfe von Wolfram-Elektroden und eines Voltmeters, großer Impedanz) entlang dieser Einzelplasmaströme angegeben, und zwar für die mit ihrem positiven Anschluß an die Anode des Plasmastrahlbrenners P₁ angeschlossene. Stromquelle G: · ■

Punkt	^Xb	150	V
Punkt	X₀	120	V
Punkt	^Xd	110	V
Punkt	^xe	100	V
Punkt	^Xf	90	V
Punkt	^Xg	80	V
Punkt	^Xh	75	V
Punkt	^Xi	70	V
Punkt		60	V
Punkt	^xk	50	V
Punkt	^Xl	40	V
Punkt	^Xm	30	V
Punkt	0	V

Die Punkte X und X_m liegen an den Mündungen der Brenner P« bzw. P-., während der Punkt X dem obenerwähnten Treffpunkt C der Einzelplasmaströme E₁ und E« entspricht.

D098U/10Q9

Ss ist zu betonen, daß der Hauptplasmastrom E vollkommen neutral in· elektrischer Hinsicht ist.

Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß je kleiner die den Brennern P- und P- zugeführten Gasströme bei sonst unveränderten Parametern sind, desto größer die längen der erzeugten Plasmaströme und der mögliche elektrische Plasmakreis werden, der eine größere Menge elektrischer Energie von der Stromquelle G bei derselben Intensität aufnehmen kann, so daß schließlich auch desto größer die Energie wird, welche den Einzelplasmaströmen mitgeteilt werden kann. ,

Zu diesem Zweck mögen die Injektionspunkte in den Einzelplasmaströmen veränderlich sein, wobei die Plasmastrahlbrenner in einer festen Stellung zueinander verbleiben. ■-"'-■

Entsprechend einer anderen Ausführungsform der Erfindung wirkt eine der Elektroden jedes Plasmastrahlbrenners als Strominjizierungspunkt innerhalb der besagten Einzelplasmaströme, wobei dann diese Plasmastrahlbrenner aus ihren ersten Stellungen heraus beweglich sind, und zwar immer unter Beibehaltung des Konvergierens der Einzelplasmaströme. _% .

»Bei der Anordnung nach Figur 1 stellen die Anoden 2 der beiden Plasmastrahlbrenner P₁ und P„ die Injektionspunkte des elektrischen Stromes in die Einzelplasmaströme E₁ und Ep dar, der von der Stromquelle G (die aus einem Generator für einen einfasigen Gleichstrom oder Wechselstrom besteht) über elektrische Leitungen 5 geliefert wird, die zwischen den Anschlüssen der Stromquelle G und den beiden Anoden 2 vorgesehen sind und einen Schalter "4 aufweisen»

00 981Ul100 9

T589562

Selbstverständlich kann die Stromquelle Gr auch, so angeordnet werden, daß die Einzelplasmaströme E.. und E~ von einem elektrischen Heizstrom durchflossen werden, der durch den Treffpunkt C und zwischen den beiden Katoden der beiden Brenner oder zwischen der Katode des einen Brenners und der Anode des anderen Brenners zirkuliert.

Die vorstehend geschriebene erste Anordnung ist vorzuziehen, da die Anode stets größer und besser gekühlt als die Katode bei den meisten Plasmastrahlbrennern ist. Weiterhin besteht die Anode im allgemeinen als Materialien (Kupfer beispielsweise), die die Elektrizität besser leiten, als die Stoffe (Wolfram, Molybdän, Graphit), aus denen die Katode gebildet ist.

- I

In solchen Fällen können die Weglängen, die für den durch die Einzelplasmaströme fließenden elektrischen Heizstrom vorhanden sind, entweder durch Veränderung des von den aus den Brennern P₁ und P₂ herrührenden Einzelplasmaströmen gebildeten Winkels vermittels einer Drehung der Brenner um entsprechende Achsen 0- und O₂, welche senkrecht zu der Ebene verlaufen, in welcher die Einzelplasmaströme E₁ und E₂ liegen, wie in den Figuren 2 und 3 (in welchen die elektrischen Leitungen im wesentlichen die gleichen sind wie in Figur 1) dargestellt, oder durch Verschiebung der Träger S₁ und S₂ der Plasmastrahlbrenner entlang der Elchtungen der Ströme E₁ und E₂, wie schematiseh in Figur 3 wiedergegeben, gesteuert werden.

Die .beiden Plasmastrahlbrenner P₁ und P₂ sind in Figur 5 in einer Stellung gezeigt, welche einer geringen Länge der beiden Einzelplasmaatröme E₁ und E₂ entspricht, wobei der Hauptplasmastrom S dann nur einen verhältnismäßig geringen Energiebetrag erhält.

0098U/1009-

■ .·-■. : - 9 - . .■■■■■■

In Figur 6 dagegen sind die beiden Plasmastrahlbrenner P.. und P₂ in einer Stellung wiedergegeben, in der die Längen der beiden Einzelplasmaströme E₁ und Ep beträchtlich größer sind, wobei dann der Hauptplasmastrom E einen beträchtlich höheren Energiebetrag erhält.

Je größer die Wege für den von der Stromquelle G gelieferten Heizstrom in den Einzelplasmaströmen sind, desto größer ist auch die Energie, welche im Hauptplasmastrom erhalten werden kann.

Wie bereits aus Vorstehendem hervorgeht, muß eine große Anzahl an Parametern bei der Steuerung der Energieabgabe an den Hauptplasmastrom berücksichtigt werden.

Zu diesen Parametern können die Art des das Plasma bildenden, in den Plasmastrahlbrennern P- und P₂ verwendeten Gases, die Strömung bzw. der Durehsatz dieser Gase durch die besagten Brenner, die von der Stromquelle G gelieferte Energie, usw. gezählt werden.

Insbesondere ist der bei dem oben anhand der Pigur 4 beschriebenen Versuch festgestellte Potentialabfall je Weglänge am geringsten, wenn Argon als plasmabildendes Gas verwendet wird, und diese Werte steigen in Gegenwart eines zweiatomigen Gases, wie beispielsweise Wasserstoff·

Werden Plasmastrahlbrenner mit innerem Bogen eingesetzt, welche die Bildung laminarer Strömungen bei niedrigen Gasdurchsätzen ermöglichen, dann ist der Hauptplasmastrom, der sich aus der Vereinigung dieser laminaren Einzelströme ergibt, lang und verhältnismäßig eng.

Bad Binwirkuag auf andere Parameter, beispielsweise fe©± einer Yergrößeru&g des von den linselströmeii eingtsaJalosfiajcsls oder bei ®&mtSt»$geTiing äer voa der Strom-

■O"ft«u/ti*0-r\"- :■■ ν

-' 10 -

quelle G- in die Einzelströme abgegebenen Leistung, neigt der Hauptpalsmastrom E jedoch dazu, beträchtlich hinsichtlich seines Volumens anzuwachsen und zeigt dann die umrisse einer Feder. Ein derartiger Hauptplasmastrom ist für solche Anwendungen besonders interessant, wo ein elektrisch neutraler Plasmastrom mit einer extrem niedrigen Strömungsgeschwindigkeit benötigt wird, beispielsweise bei der Behandlung von pulvrigen Materialien.

Wenn der von den Einzelströmen eingeschlossene Winkel verhältnismäßig klein'und die in diese Ströme von der Stromquelle G- abgegebene Energie sehr beträchtlich wird, dann erhält man mehrereHauptplasmaströme, die alle die Konturen von Federn aufweisen, jedoch im Bereich des Treffpunkts (Konvergenz) durch dunkle Zonen getrennt sind.

Die Steuerung der Weglängen für den von der Stromquelle G- gelieferten Heizstrom kann auch auf andere Weise erfolgen, und zwar so, wie in Figur 5 dargestellt, in welcher für gleiche Teile dieselben Bezugsziffern eingesetzt sind, wie in den Figuren 1 bis 4. Bei der Ausführungsform der Erfindung, welche in Figur 5 wiedergegeben ist, liegen die Injektionspunkte des von der Stromquelle G- gelieferten Stromes innerhalb der Einzelplasmaströme E₁ und E„ in Strö'mungsrichtung gesehen hinter den Mündungen der Plasmastrahlbrenner P- und Pp· Dies ist vorteilhafterweise mittels der Hilfselektroden D₁ und D₂ erzielt, die mit der Stromquelle G- durch Leitungen 5 verbunden sind, in denen ein Schalter 6 vorgesehen ist. Diese Hilfselektroden D₁ und D₂ sind vorzugsweise von ringförmigen Bauteilen gebildet, welche jeweils den zugehörigen Einzelplasmastrom umgreifen, wobei nicht dargestellte Vorrichtungen zur Kühlung dieser llektroden IL und B₂ äann vorgesehen werden können·

Fall kfiimaii-äle VegXäageiä fur des'HeIs-

fachste Weise gesteuert werden, indem die Elektroden D₁ und Dpentlang den beiden zugehörigen Einzelplasmaströmen verschoben werden, wie durch die Doppelpfeile in Figur 5 verdeutlicht wird. -

' Die Erfindung vermittelt den großen Vorteil, daß der größte Teil der von der Stromquelle ff gelieferten Energie im Hauptplasmastrom E in Form von Wärme wiedergewonnen werden kann. Die im Hauptplasmastrom E enthaltene Energie kann beträchtlich sein, wie aus den Messungen hervorgeht, deren Ergebnisse in der nachstehenden Tabelle I aufgeführt sind. Diese verdeutlichen insbesondere die hohen erfindungsgemäß zu erzielenden Ausbeuten.

Die in der Tabelle.Γ aufgeführten Ergebnisse wurden mit einer Anordnung erzielt, wie sie in den Figuren 1 und 4 wiedergegeben ist, wobei die beiden Plasmastrahlbrenner mit Gleichstrom betrieben wurden und die beiden Einzelplasmaströme einen Winkel von 40 Grad einschlossen.

Die vom Hauptplasmastrom entwickelte Wärme wurde in.einem Kalorimeter wiedergewonnen und gemessen.

Tabelle I

Von der :Von den Strom- Stromquelle :quellen GL und G gelieferte:&2 und G an das Energie sPlasma abgege-

sbene Gesamtener-

Im Hauptpias-: mastrom E enthaltene Energie

Ausbeute

16 kW 14 20 30 45

18,2 kW

16,5

22,3

52,2

48,2

15,4 kW

14,1

18,6

25,5
38,8

84,5

85,5

83,5

79

80,5

009*U/1009

Dieselben Messungen wurden an wechselstrombetriebenen Plasmastrahlbrennern P₁ und P₂ vorgenommen, wobei auch die Stromquelle G einen Wechselstrom lieferte. Die Ergebnisse dieser Messungen sind in der nachstehenden Tabelle II aufgeführt. ·

Tabelle II

■1 1
iVon der
:Stromquelle
:G gelieferte
»Energie
■
•
•
i

J 14,4 kW

ί 22,4

|31 !

! H

\ 20,2

: 21,8

; ΐ9,6 ;

ί 18 \

\ 16»2 I

ι 22,4 "i

! 13,8 ;

:' 24,3 ί

j 32,5 j

1— '
ι Ton den Genera
toren Gr-j und Gr₂
!sowie von der
{Stromquelle G
:an das Plasma
!abgegebene Ge-
ί samtenergie

ί 15,7 kW

' 23,1

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! 16,9 !

• 22,5

25,6

I 20,6 ;

! 19,1

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I _: ■ ■■ '
ilm Hauptplas
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jhaltene Ener-
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I 13,3 kW

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! 84,5 $ \

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Vorstehend ist die Erfindung anhand von Anordnungen beschrieben worden, welche 2 Plasmastrählbrenner aufweisen und wobei die Stromquelle G einen Gleich- oder Wechselstrom liefert. Selbstverständlich können verschiedene andere Anordnungsarten mit denselben Ergebnissen verwendet werden· Eine dieser weiteren Ausführungsformen ist in figur 6 dargestellt. Bei dieser ist eine äußere Stromquelle GM vorgesehen, die von einem Generator für Dreiphasenwechselatroa

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gebildet ist, der einen elektrischen Heizstrom in den Einzelplasmaströmen ü«., Ep. und E- injizieren kann, welche Ströme von 3 Plasmastrahlbrennern P^, P₂ und P- erzeugt werden, deren Katode 1 und Anode 2 jeweils an einen Generator GL bzw. Gfp bzw. G-, angeschlossen sind. Diese Plasmastrahlbrenner sind so angeordnet, daß ihre Einzelplasmaströme E₁, Ep und.E^ in einem gemeinsamen Punkt C zusammenlaufen und sich in einem besonderen Hauptplasmastrom E vereinigen.

Bei der Anordnung nach Figur 6 ist die Stromquelle Gr' mit. den 3 Anoden 2 über Leitungen 7 verbunden, welche jeweils einen Schalter 8 aufweisen.

Nach einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Anordnung aus 6 Plasmastrahlbrennern bestehen, die so angeordnet sind, daß ihre 6 Einzelplasmaströme in einem gemeinsamen Punkt zusammenlaufen und den gewünschten Hauptplasmastrom bilden, wobei diese 6 Plasmastrahlbrenner dann mit einer Stromquelle zusammenwirken, welche in einem Generator für einen trihexafasigen Wechselstrom besteht.

Bei anderen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung kann einer der Einzelplasmaströme selbst bereits ein Strom sein, der aus der Vereinigung mehrerer Einzelströme unter den obenangegebenen Bedingungen herrührt.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Figur 7 dargestellt, wobei einer der Brenner aus einem konventionellen Brenner Q mit chemischer Verbrennung besteht. Dieser Brenner Q weist eine Austrittsdüse 15 auf und wird mit einem Brennstoff sowie dem die' Verbrennung ermöglichenden Gfas, beispielsweise Sauerstoff, in herkömmlicher Weise beaufschlagt.

Diese beiden Brenner P₁ und Q sind so angeordnet, daß ihre "beiden Einzelströme E₁ und 3? sich miteinander zu einem Hauptplasmastrom E vereinigen. Die äußere Stromquelle H für die Hervorbringung eines elektrischen Stromes in den Einzelströmen ist dann mit der Anode 2 des Brenners P.j und der Düse 15 des Brenners Q verbunden. Letztere kann vorteilhafterweise gekühlt sein, beispielsweise durch einen nicht dargestellten Wasserkreislauf.

In gleichem Sinne können unter Verwendung einer Anordnung der in Figur 1 wiedergegebenen Art in einer ersten Stufe 2 konvergierende Einzelplasmaströme von Gasen erzeugt werden, welche eine geringe Reaktivität bezüglich der Elektroden der Brenner aufweisen, und ein Heizstrom in den Einzelplasmaströmen erzeugt werden, worauf in einer zweiten Stufe der Generator G- des Brenners P₁ stillgesetzt und das ursprünglich diesem Brenner zugeführte Gas durch ein anderes Gas ersetzt wird, das in dem. Brenner nicht als plasmabildendes Gas verwendet werden kann, und zwar wegen seiner starken Aktivität bezüglich der Elektroden oder wegen seiner Korrosionsfähigkeit. (Ein derartiges Gas könnte beispielsweise Sauerstoff sein, der mit der Wolfram-Katode reagieren würde, wenn ein Bogen zwischen dieser Katode und der Anode des Brenners gezündet werden würde.) Das substituierte Gas nimmt dann am Transport des Heizstromes innerhalb des besagten Weges in den Einzelplasmaströmen teil. Tatsächlich ist es möglich, alle Bögen in den Plasmastrahlbrennern abzustellen und allein mit der Stromquelle G einen Heizstrom innerhalb des obigen Weges aufrechtzuerhalten.

Diese Bildung von Plasmen solcher Gase ist besonders vorteilhaft, beispielsweise im Hinblick auf besondere chemische Reaktionen. ; ■■ . . . . _,,....

Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß ein solches

O090U/

Verfahren (ebenso wie die zuvor beschriebenen) die Bildung eines aus vermischten Gasen bestehenden Plasmas mit jeder gewünschten Zusammensetzung ermöglicht.

Der Hauptplasmastrom kann ebenfalls überhitzt werden, beispielsweise vermittels einer Induktionsspule 13» die von einem Generator 14 (Pigur 8) mit elektrischem Strom hoher Frequenzen gespeist wird, wobei die von diesem Generator gelieferte Leistung vorzugsweise veränderlich sein soll.

Gesteuerte Plasmaströme der obigen Art sind beson- ■ ders geeignet für das Schmelzen von pulvrigem, feuerfestem Material, wo Erosionsphänomene vermieden werden müssen.

In Figur 9 ist eine Anordnung zur Behandlung derartiger Materialien dargestellt, wobei der Hauptplasmastrom E, der„mit einer Anordnung der in Figur 1 wiedergegebenen Art erzeugt ist, mit einem Zentrifugalofen 10 zur Behandlung pulvriger Materialien zusammenwirkt. Die Plasmastrahlbrenner P₁ und Pp sind vorteilhafterweise so angeordnet, daß der Treffpunkt der beiden Einzelplasmaströme E₁ und E₂ etwa im Eintritt des Ofens 10 liegt. Diese Anordnung umfaßt weiterhin vorteilhafterweise ein Aufgabe- oder Zufuhrsystem für das pulvrige Material, welches sich aus einer leitung 11, die zwischen den beiden Strömen E₁ und E_? angeordnet ist und deren«freies Ende zur Ermöglichung einer Materialzufuhr zu dem Bereich des Treffpunktes 0 gerade gegenüber von diesem Punkt liegt, und aus einer Aufgabevorrichtung 12 zusammensetzt, welche der leitung ITveränderliche Mengen an pulvrigem Material zuführt.

Die an üen Hauptplasmastrom E abgegebene Energie kann auf irgendeine der vorstehend erörterten Weisen verändert werden, insbesondere durch eine translatorische oder drehende Bewegung der Plasmastrahlbrenner P₁ und Pp und/oder

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durch Translationsbewegungen des Ofens 10 in Abhängigkeit von der Stellung der Plasmastrahlbrenner (diese Abhängigkeit ist in Figur 9 mit der strichpunktierten Linie angedeutet)", um den Treffpunkt O stets etwa im Eintritt des Ofens zu halten.

Ein weiteres sehr interessantes Anwendungsgebiet der Erfindung ist mit der Möglichkeit gegeben, Reaktionen zwischen verschiedenen Gasen bei hohen Temperaturen hervorzurufen. Ein derartiger Hauptplasmastrahl kann mit einem Abschrecksystem 16 (Figur 10) zusammenwirken, wobei dieses System vorteilhafterweise von einer metallischen Hülse gebildet wird, die den Hauptplasmastrahl umgibt und von einem Wasserkreislauf oder einem Wasserspritzsystem bzw. einem Spritzsystem mit irgendeiner anderen Flüssigkeit oder irgendeinem anderen Gas gekühlt wird, um die Stärke des Abschreckprozesses zu steuern. Die Abschreckung der (rase des besagten Hauptplasmastromes kann wegen dessen elektrischer Neutralität sehr stark sein.

Dieser letzterwähnte Prozess kann gegebenenfalls von einer chemischen Reaktion begleitet sein· Ein derartiger Prozess könnte beispielsweise für die Erzeugung von NpO verwendet werden, indem ein Einzelstrom von Sauerstoff und ein Einzelstrom von Stickstoff - welche Ströme selbstverständlich in ihren Durchsätzen aufeinander abgestimmt sein sollen - zu einem heissen Hauptplasmastrom vereinigt werden, wobei das gebildete N₂O dann abgeschreckt und bei wesentlich niedrigerer Temperatur gesammelt wird·

Diese Plasmen sind besonders geeignet für viele andere Anwendungen, beispielsweise für

a) das Sohneiden τοπ Materialien, insbesondere von M·-

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b) die Bildung von Quellen für die Erzeugung von ultravioletten Strahlen oder von Yergleichsstrahlen, die in der stellaren Spektographie verwendet werden, da die Einzel- und Hauptplasmaströme starke Strahlungsemitter darstellen;'

e) die Spektralanalyse von Materialien, welche entweder in den Hauptplasmastrom - der nicht von einem elektrischen Strom durchströmt wird - oder in einem der Einzelströme (die von einem elektrischen Strom durchströmt werden) je nach Wunsch injiziert werden, wobei alle diese Ströme mit einer großen Homogenität bezüglich ihrer Form und Temperatur gebildet sind;

d) das Aufheizen von Gasen, beispielsweise für Überschall- und Eyperschall-Strömungsanordnungen;

e) die Schaffung von gemischten. Strömungssystemen, von denen ein Teil von einem elektrischen Strom und ein anderer Teil nicht von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Es ist an dieser Stelle noch hervorzuheben, daß eine zweite unabhängige Stromquelle vorgesehen sein kann," um mit dem Hauptplasmastrom zur Injizierung" eines elektrischen Stromes in einigen seiner Abschnitte zusammenzuwirken;

f) das Studium von Reaktionen zwischen Gas und Dämpfen entweder im Hauptplasmastrom oder in den Einzelplasmaströmen, usw.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung eines ständigen Plasmastromes, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelplasmaströme (E₁, Ep,... von mindestens 2 Generatoren ionisierten Gases miteinander zu einem besonderen, ständigen Hauptplasmastrom (E) vereinigt werden, und daß ein elektrischer Heizstrom zwischen Injektionspunkten hervorgerufen wird, von denen jeder Einzelplasmastrom (E^bzw. E₂ bzw. ·..) einen aufweist, welcher Heizstrom durch den Treff- oder Konvergenzpunkt (G) der Einzelplasmaströme (E₁, E₂, ...) und zumindest einen Abschnitt eines jeden Einzelplasma-stroms (E..bzw. Ep bzw. ...) fließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Generatoren ionisierten Gases Plasmastrahlbrenner (P₁, Pp, ··.) mit innerem Bogen verwendet werden, wobei der Injektionspunkt in jedem Einzelplasmaström (E₁ bzw. E₂ bzw. ...) von einer der Elektroden des zugeordneten Brenners (P₁ bzw. P₂ bzw. ...) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmastrahlbrenner (P₁, P₂* ···) mit Gleichstrom betrieben und die besagten Injektionspunkte durch die Anoden dieser Brenner gebildet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 y dadurch gekennzeichnet, daß _ ^_si> zur Steuerung der an den Hauptplasmastrom (E) abgegebenen gy Energie und der Dimensionen desselben die Weglängen des be-' sagten Heizstromes in den Einzelplasmaströmen (E₁, E₂, .···). veränderlich sind.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der an dem Hauptplasmastroa (E) abgegebenen Energie und der Abmessungen desselben die Stellung der

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-Plasmastrahlbrenner (P₁, P₂, ·««) zueinander unter Beibehaltung der Konvergenz der Einzelplasmaströme (E,, E₂, «-..) veränderlich, ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der Plasmastrahlbrenner (P₁, P₂, ...) zueinander durch ihre Verschwenkung um jeweils eine zu der Ebene senkrechte Achse verändert wird, in welcher die Einzelplasmaströme (S₁, E^, ...) liegen.

7· Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung der .rlasmastrahlbrenner (P₁, P₂, ...) zueinander durch ihre translatorische Bewegung innerhalb der Ebene verändert wird, welche die Einzelplasmaströme (E₁-, E„, ...) enthält.

ö. Verfahren nach Anspruch2, dadurch gekennzeichnet, daß <ier elektrische Heizstrom, zwischen Hilfselektroden (D₁, B₂, ...) erzeugt wird, die in den Einzelplasmaströmen (E", E₂,."...-.) jeweils zwischen den Brennern (P₁ bzw. P₂ bzw. '..'..) und den Treff-, oder Konvergenzpunkt (C) der Einzelplasmaströme'.'liegen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der an den Hauptplasmastrom (E) abgegebenen Energie und der Abmessungen desselben über die Veränderung 4«ϊ Weglängen des Heizstromes in den Einzelplasmaströmen (Ipjp,:*..) die Hilfselektroden (D₁, D₂, ...) Jeweils entlang des zugeordneten Einzelplasmastroms (E₁ bzw. E„ bzw. ··>.) bewegt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines permanenten Stromes von gemischtem Gras wenigstens 2 Generatoren unterschiedliche G-ase abgeben, wobei aie Durchsätze dieser Generatoren unter Beriicksichti-

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--20 -

gung der gewünschten Anteile an diesen Gasen im Misehgas eingestellt sind.

11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der den Plasmastrahlbrennern (P₁, P₂, ...) zur Zündung eines Bogens zwischen deren Elektroden zugeführte elektrische Strom in wenigstens einem Brenner abgeschaltet wird, nachdem in den Einzelplasmaatrömen (E₁, E₂, ...) der Heizstrom eingeschaltet worden ist, und daß dann diesem einen Brenner an Stelle des ursprünglichen, plasmabildenden Ga^ ses ein anderes Gas zugeführt wird, wobei wenigstens ein Teil dieses neuen Gasstromes dann von dem Heizstrom durchflossen wird·

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptplasmastrom (E) durch Induktion überhitzt wird.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptplasmastrom (E) abgesehreckt

H. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Generatoren ionisierten Gases, die jeweils einen Einzelplasmastrom (E₁ bzw. Ep ...) liefern und in einer Stellung zueinander angeordnet sind, in der die Einzelplasmaströme (E₁, Ε«, .*·) sieh zu einem Hauptplasmastrom (E) vereinigen, ferner durch Strominjizierungsorgane zur Erzeugung eines elektrischen Heizstromes zwischen Injektionspunkten, von denen jeder Einzelplasmastrom (E₁ bzw. E₂ bzw. ·.·.) einen aufweist, welcher Heizstrom durch den Treff- oder Konvergenzpunkt (C) der Einzelplawutströme (E₁, E₂, ..·) und zumindest einen Abschnitt eines jeden Einzelplasmastroms (E₁ bzw. E₂ bzw. ...) flieSt,. und schließlich durch Organe zur Veränderung der Weglängen des Heizstromes in den Einzelplaeaaetrömen (E₁, Egf " ·-. .)·

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15. Anordnung nach Anspruch. 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren ionisierten Gases aus Plasmastrahlbrennern

' (P.., Pp, ···) mit innerem Bogen bestehen.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Generatoren ionisierten Gases ein Brenner (Q) mit chemischer Verbrennung ist.

17· Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Strominjizierungsorgane jeweils von einer Elektrode (1 bzw. 2) eines jeden Brenners (P₁, P„, .«.) gebildet sind."

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmastrahlbrenner (P., Pp, ...) an eine Gleichstromquelle angeschlossen sind, und daß die Strominjizierungsorgane von der Anode (2) eines jeden Brenners (P-., Pp, ...) gebildet werden.

19· Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strominjizierungsorgane aus Hilfselektroden (D₁, Dp, ···) in den Einzelplasmaströmen (E-, Ep, ...) bestehen, wobei Organe zur Verschiebung der Hilfselektroden (D₁, D , ...) in den Einzelplasmaströmen (E₁, Ep, ...) vorgesehen sind.

20. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren ionisierten Gases jeweils um eine Achse verschwenfcbar sind,- die auf der Ebene senkrecht steht, welche die Eihzelpläsmaströme (S₁ ,.E₂, '..>) enthält.

21. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch' gekennzeichnet, daß die Generatoren ionisierten Gases in einer Ebene translator riäch bewöglich sind, die * zu "der d'i'i·Einzelplasmaströme (E₁, Β«» *»■·)' enthalt enden-Ebene' parallel* ist.' ' ^: '

22. Änoranung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeiciinet, daß

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ein Ofen (10) dazu vorgesehen ist, der mit seiner Eintrittsöffnung etwa am Treff- oder Konvergenzpunkt (C) der Einzelplasmaströme (E₁, E₂, ...) liegt.

23· Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Ofen (10) um einen Zentrifugalofen zur Behandlung pulvrigen Materials handelt.

24. Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß Organe zur Verschiebung des Ofens (10) bezüglich der Generatoren ionisierten Gases bei einer Bewegung derselben vorgesehen sind, wobei die Ofenverschiebungsorgane in ihrer Beweglichkeit von der Bewegung der Generatoren derart abhängen, daß der Treff- oder Konvergenzρunkt (C) der Einzelströme (E₁, E₂, ...) stets etwa in der Eintrittsöffnung des Ofens.(10) liegt.

25- Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Uberhitzungssystem bestehend aus einer den Hauptstrom (E) umgebenden, beweglichen Induktionsspule (13) vorgesehen ist.

26. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein bewegliches Abschrecksystem bestehend aus einer den Hauptstrom (E) umgebenden, gekühlten Hülse vorgesehen ist.

27. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine unabhängige Stromquelle zur Erzeugung eines Stromes innerhalb eines Abschnittes des Hauptstromes (E) vorgesehen i&t.'

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L e e τ s e i t e