DE1955147A1 - Anordnung zum Schutz einer Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahls - Google Patents

Description

Anordnung zum Schutz einer Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahls.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schutz einer Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahls, der aus einer Lichtbogenkammer austritt, mittels eines Lichtbogens. Wenigstens ein Fußpunkt des Lichtbogens liegt an einem metallischen Teil einer Elektrode.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1271 852 ist ein Plasmabrenner mit einer Lichtbogenkammer bekannt, in die eine Becherelektrode hineinreicht. Aus dieser Becherelektrode brennt der Lichtbogen während des Betriebes unter tangentialer Gaszufuhr in eine Hohlzylinderelektrode hinein. In der Lichtbpgenkammer bildet sich ein Strömungszylinder und in der Becherelektrode eine Doppelströmung mit Axialkomponente aus. Durch diese Strömungsverhältnisse wird der Lichtbogen gasstabilisiert. In einer solchen Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahls kann zweckmäßig eine der beiden Elektroden, insbesondere die Becherelektrode, in axialer Richtung verstellbar ausgebildet sein.

Die Elektroden bestehen im allgemeinen aus Kupfer und sind mit einer Flüssigkeitskühlung, insbesondere Wasserkühlung, versehen. Durch eine jeweils koaxial außen an den Elektroden angeordnete Magnetspule kann der Lichtbogen zur Rotation gebracht werden. Das Kühlmittel durchströmt dann den Zwischenraum zwischen dem Elektrodenmantel und der Hagnetspule und schützt somit auch die elektrische Isolation der Spule vor den hohen Temperaturen des Lichtbogens.

Durch den Lichtbogen wird während dee Betriebes am Lichtbogen- -Fußpunkt das Kupfer des Elektrodenmantels allmählich abgetragen. Sobald der Elektrodenmantel durchbrennt, kann das Kühlwasser aus

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der öffnung des durchgebrannten Elektrodenmantels austreten. Der Wasserdampf wird dann »it dem Gasstrahl aus der Austrittsdüse der Brennkammer abgeführt und verunreinigt somit den austretenden Gasstrahl. Ferner verdampft das Wasser durch die Hitze des Lichtbogens bereits im Kühlkanal. Durch den Gasdruck wird das Kühlwasser von der durchgeschmolzenen Stelle verdrängt und weitere Teile, insbesondere die Hagnetspule, können beschädigt werden. Die Energiezuführung der Anlage muß somit möglichst vor dem Durchbrennen einer Elektrode unterbrochen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Durchbrennen einer Elektrode zu verhindern und wertvolle Teile der Anlage vor einer Beschädigung durch den Lichtbogen zu schützen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrode wenigstens in der Nähe des Lichtbogen-Fußpunktes mit Mitteln versehen ist, die bein Verbrennen die spektrale Verteilung des Gasstrahls ändern, und daß aus dieser abweichenden spektralen Verteilung ein Signal zur Unterbrechung der Stromversorgung des Lichtbogens abgeleitet wird. Diese Aufgabe erfüllen beispielsweise Aluminium und Chrom. Im allgemeinen wird es zweckmäßig sein, die Kupferelektrode kühlwassersei tig mit einem Metallmantel mit guter Wärmeleitfähigkeit zu versehen, der sich über den Bereich erstreckt, in dem erfahrungsgemäß ein Durchbrennen der Elektrodenwand zu erwarten ist. Beim Durchbrennen der Kupferelektrode werden Teile des Man*ujls, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere Dural, durch den Lichtbogen verdampft und vom Gasstrahl mitgerissen. Unter Umständen können auch nichtmetallische Werkstoffe verwendet werden, beispielsweise Natriumsalze oder Natrium enthaltendes Material, das zwischen den Teilen einer doppelwandigen Elektrode aufgetragen wird.

Das im Lichtbogen-Fußpunkt verdampfende Material bewirkt eine charakteristische Verfärbung des austretenden Gasstrahls. Durch entsprechende optische Interferenzfilter mit einem Durchlaßbereich, der auf die Wellenlänge der zu messenden Emissions linie optimiert ist, wird dieser Wellenbereich herausgefiltert und einem photoelektronischen Bauelement als optisches Signal

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zugeführt. Das von dem Bauelement gelieferte oder beeinflußte elektrische Signal wird über einen Verstärker der elektrischen Energieeinspeisung der Anlage zugeführt. Es kann beispielsweise die Gittersperre für die Thyristoren eines zur Leistungssteuerung verwendeten elektronischen Wechsel- oder Drehstromstellers betätigen oder auch zur Auslösung des Hauptschalters der Anlage verwendet werden.

Als photoempfindliche Bauelemente sind Photowiderstände geeignet, die als Wheatstonesehe Brücke geschaltet sein können. Die Änderung des Brückenstromes, dient als Signal zur Auslösung der Anlage.

Ferner kann die ausgefilterte Strahlung aktiven Photoelementen zugeführt werden, dessen Empfindlichkeit für die Wellenlänge der zugeführten Strahlung ausreicht zur Erzeugung eines Photostromes, der zur Abschaltung der Stromversorgung verwendet wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Nach der Figur sind eine Zylinderelektrode 2 und eine Becherelektrode 4 jeweils an einen Ausgang einer Gleichrichteranlage 6 mit ungesteuerten Ventilen 8 angeschlossen, die einen Strom von etwa 850 A bei einer Gleichspannung von 700 V liefern soll. Zur Steuerung der Eingangswechselspannung der Gleichrichteranlage 6 ist ein elektronischer Drehstromsteller 10 mit Thyristoren 12 vorgesehen, der über einen Hauptschalter 14 an ein Drehstromnetz mit einer Wechselspannung von beispielsweise 380 V angeschlossen ist. Den Thyristoren 12 des Wechselstrometellers 10 ist eine Steuereinrichtung 15 zugeordnet, die mit einer elektronischen Gittersperre 16 versehen sein soll. Die Steuereinrichtung 15 dient zur Zündeinsatzsteuerung der Thyristoren 12. Sie kann ihr Signal zur Verschiebung der Zündimpulse beispielsweise von einer Regeleinrichtung mit einem Stromregler 17 erhalten, dessen einem Eingang ein Stromistwert von einem Stromwandler 18 und dessen zweitem Eingang 19 ein Stromsollwert vorgegeben wird.

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Die Elektroden 2 und 4 sind in bekannter Weise in einer Lichtbogenkammer 20 angeordnet. Eine der Elektroden, beispielsweise die Becherelektrode 4, kann vorzugsweise in axialer Richtung, das ist die Richtung des in der Kammer gebildeten und aus einer als laval-Düse angedeuteten Austrittsdüse 22 austretenden Gasstrahls 24» verschiebbar sein. Koaxial zu den beiden Elektroden 2 und 4 ist jeweils eine Feldspule 28 bzw. 29 angeordnet. Die Spulen enthalten von einer Kühlflüssigkeit durchströmte Hohlleiter 30, die von einer Isolierschicht 31 umgeben, beispielsweise in Gießharz eingegossen sind. Die Elektroden sind mit einer Flüssigkeitskühlung versehen. Das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, durchströmt den Raum zwischen der Elektrode, die beispielsweise aus Kupfer bestehen soll, und den Feldspulen, wie durch Pfeile in der Figur angedeutet ist.

Die Elektroden 2 und 4 sind auf der dem lichtbogen-Fußpunkt abgewandten Oberfläche mit einem Belag 33 bzw. 34 aus Aluminium oder einem Aluminium enthaltenden Material, vorzugsweise Dural, versehen. Sobald die Elektrode durchbrennt, verdampft an der beschädigten Stelle das Aluminium und ändert die Färbung des austretenden Gasstrahls 24« Das Aluminium hat bei einer Wellenlänge von 0,394 u und 0,3961 u jeweils eine ausgeprägte Emis- . sionslinie, während das Kupfer in einem ausreichenden Bereich oberhalb und unterhalb dieser Wellenlänge keine ausgeprägte Emissionslinie aufweist. Diese Emissionslinien werden über ein Filter 38 sowie eine Sammellinse 40, deren Durchmesser die Lichtstärke bestimmt, und eine Blende 42 einem photoempfindlichen elektronischen Bauelement zugeführt. Der Durchlaßbereich des Interferenzfilters 38 ist auf die Wellenlänge der zu messenden Emissionslinien des Aluminiums abgestimmt. Somit erhält das Photoelement 44 eine Strahlung, sobald der austretende Gasstrahl 24 verdampftes Aluminium des Belages 33 bzw. 34 aus der Austrittsdüse 22 herausträgt. Das Photoelement 44 kann einseitig auf Nullpotential liegen. Es bildet ein entsprechendes Signal, das über einen Verstärker 46 der Gittersperre 18 zugeführt wird. Die Leistungszufuhr zur Brennkammer 20 wird somit unterbrochen, bevor der Aluminiummantel 33 bzw. 34 durchschmilzt und Wasserdampf aus der Öffnung, austreten oder die Feldspule 28 bzw. 29

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beschädigt werden kann.

Als Photoelement 44 kann eine Silizium-Photozelle verwendet werden, deren Empfindlichkeitsbereich die Wellenlänge von 0,394 μ überdeckt. Ferner ist für die genannte Wellenlänge eine Solarzelle geeignet. Die Empfindlichkeit solcher Zellen ist derart optimiert, daß bei Bestrahlung mit einem Licht, dessen spektrale Verteilung derjenigen des Sonnenlichtes außerhalb der Atmosphäre entspricht, der Photostrom maximal wird. Diese Zellen haben bei Wellenlängen von 0,39 ρ noch eine gute Empfindlichkeit. In einer Anordnung nach der Erfindung wird man vorzugsweise eine Solarzelle verwenden, die auf hohe Blauempfindlichkeit optimiert ist.

Unter Umständen kann man als Photozelle 44 auch eine als Strahlungsdetektor geschaltete Galliumarsenid-Lumineszenzdiode verwenden.

Im Ausführungsbeispiel ist für die Schutzanordnung ein Aluminiumbelag der Elektroden im Bereich der Fußpunkte des Lichtbogens vorgesehen. Falls wandernde Lichtbogen-Fußpunkte zu erwarten sind, kann es zweckmäßig sein, die gesamte vom Lichtbogen abgewandte Oberfläche des Elektrodenmaterials mit einem Belag nach der Erfindung zu versehen. Der Belag einer solchen Doppelmantelelektrode kann mit dem Elektrodenmaterial, beispielsweise dem Kupfer, verlötet oder verschweißt oder auch auf das Elektrodenmaterial aufgeschrumpft oder aufgegossen sein.

Neben einem solchen metallischen Belag aus Aluminium, Chrom oder anderem geeigneten Material kann unter Umständen bereits die Zugabe von Elementen ausreichen, die den Gasstrahl entsprechend verfärben. Diese Eigenschaft hat beispielsweise Natrium. Es kann somit die dem Lichtbogen abgewandte Oberfläche der Elektrode mit einem natriumhaltigen Belag versehen werden. Ferner kann das Elektrodenmaterial aus zwei gleichen Materialschichten mit einer Natrium enthaltenden Zwischenlage hergestellt werden. Dann erhält man eine Verfärbung des Gasstrahls, sobald die erste Elektrodenschicht durchgebrannt ist. Falls ein

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Natrium enthaltendes Material auf die dem lichtbogen abgewandte Oberfläche der Elektrode aufgetragen wird, muß dafür gesorgt sein, daß das Natrium jiicht mit dem Kühlwasser in Verbindung kommt.

8 Patentansprüche
1 Figur

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Claims (8)

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   Patentansprüche

   Anordnung zum Schutz einer Einrichtung zur Erzeugung eines Gasstrahls, der aus einer Lichtbogenkammer austritt, mittels eines Lichtbogens, dessen wenigstens ein Fußpunkt an einem metallischen Teil einer Elektrode liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2,4) wenigstens in der Nähe des Lichtbogen-Fußpunktes mit Mitteln versehen ist, die beim Verbrennen die spektrale Verteilung des Gasstrahls (24) ändern und daß aus dieser abweichenden spektralen Verteilung ein Signal zur Unterbrechung der Stromversorgung des Lichtbogens (26) abgeleitet ist.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2,4) auf der dem Lichtbogen (26) abgewandten Oberfläche einen Belag (33 bzw. 34) enthält, dessen Farbspektrum ausgeprägte Emissionslinien bei Wellenlängen aufweist, die von denjenigen des Elektrodenmaterials abweichen.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (33,34) wenigstens teilweise aus Aluminium besteht.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2,4) wenigstens teilweise doppelwandig ausgeführt ist und daß das dem Lichtbogen-FuSpunkt abgewandte Material einen Stoff enthält, dessen Farbspektrum ausgeprägte'Emissionslinien bei Wellenlängen aufweist, die von denjenigen des Elektrodenmaterials abweichen.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2,4) wenigstens teilweise doppelwandig ausgeführt ist und eine Zwischenlage enthält, die aus einem Stoff besteht oder einen Stoff enthält, dessen Farbspektrum ausgeprägte Emissionslinien bei Wellenlängen aufweist, die von denjenigen des Elektrodenmaterials abweichen.
6. 6. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff Natrium enthält oder aus Natrium besteht.

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7. 7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorbestimmter Bereich der Wellenlänge des Spektrums des Gasstrahls über ein Interferenzfilter (38) einem photoempfindlichen elektronischen Bauelement (44) vorgegeben ist, dessen Spannungs- oder Widerstandsänderung als Signal zur Unterbrechung der elektrischen Leistungszuführung zum Lichtbogen (26) vorgesehen ist.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7 mit einem elektronischen Wechselstromsteller zur Steuerung der zugeführten elektrischen Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal zur Betätigung einer elektronischen Gittersperre (16) der gesteuerten Ventile (12) des Wechselstromstellers (10) vorgesehen ist.

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