DE1955147C - Anordnung zum Schutz einer Ein richtung zur Erzeugung eines Gasstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schutz einer Einrichtung, die mittels eines Licht bogens, dessen wenigstens einer Fußpunkt an einem metallischen Teil einer Elektrode liegt, einen aus einer Lichtbogenkammer austretenden Gasstrahl erzeugt.

Es ist bereits bekannt, die Strahlung eines Lichtbogens als Signal zur Abschaltung seiner Stromversorgung heranzuziehen. Bei einem Plasmabrenner nach der USA.-Patentschrift 3 474 289 fällt das Licht eines zwischen Elektroden rotierenden Lichtbogens bei jeder Umdrehung auf eine Photozellf und erzeugt dort einen Spannungsimpuls. In einer nachgeordneten

ίο Elektronik wird ein Auslösesignal für die Stromversorgung gebildet, sobald die Rotationsgeschwindigkeit und damit die Frequenz der erzeugten Spannungsimpulse einen einstellbaren Grenzwert unterschreitet.

L5 Aus der deutschen Auslegeschrift 1 271 852 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 Hohl-

ao zylinderelektrode hinein. In der Lichtbogenkammer bildet sich ein Strömungszylinder und in der Becherelektrode eine Doppeiströmung mit Axialkomponente aus. Durch diese Strömungsverhältnisse wird der Lichtbogen gasstabilisiert. In einer solchen Elinrichtung 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 georacht werden. Das Kühlmittel durchströmt dann den Zwischenraum zv/ischen dem Elektrodenmantel und der Magnetspule und schützt somit auch die elektrische Isolation der Spule vor den hohen Temperataren des Lichtbogens.

Durch den Lichtbogen wird während des Betriebes am Lichtbogen-Fußpunkt das Kupfer des Elektrodenmantels allmählich abgetragen. Sobald der Elektrodenmantel durchbrennt, kann das Kühlwasser aus der öffnung des durchgebrannten Elektrodenmantels austreten. Der Wasserdampf wird dann mit 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 Magnetspule, können beschädigt werden. Die Energiezuführung der Anlage muß somit möglichst vor dem Durchbrennen einer Elektrode unterbrochen werden.

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

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

löst, daß die Elektrode wenigstens in der Nähe des Lichtbogen-Fußpunktes mit Mitteln versehen ist, die beim Verdampfen das Spektrum des vom Gasstrahl erzeugten Lichtes ändern, und daß aus dieser Änderung des Spektrums ein Signal zur Unterbrechung der Stromversorgung des Lichtbogens abgeleitet ist. Diese Aufgabe erfüllen beispielsweise Aluminium und Chrom. Tm allgemeinen wird es zweckmäßig sein, die Kupferelektrode kühlwasserseitig mit eine..i Metall-

mantel mit guter Wärmeleitfähigkeit zu versehen, der sich über den Bereich erstreckt, in dem erfahrungsgemäß ein. Durchbrennen der Elektrodenvvand zu erwarten ist. Beim Durchbtennen der Kupferelektrode werden Teile des Mantels, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere Dural, durch den Lichtbogen verdampft und vom Gasstrahl mitgerissen. Unter Umständen können auch nichtmetallische Werkstoffe verwendet werden, neispieisweise Natriumsalze oder Natrium enthaltendes Material, das zwischen den Teilen einei doppelwandigen Elektrode aufgetragen wird.

Da- im Liehtbogen-Fußpunkl verdampfende Muleiiai bewirkt eine charakteristische Verfärbung des austretenden Gasstrahls. Durch entsprechende optische Interferenzfilter mit einem Durchlaßbereich, ei j r auf die Wellenlänge der zu messenden Emissionsiiniu optimiert ist. wird dieser Wellenbereich herausgefilteri und einem photoeiektronischen Bauelement als optisches Signal zugeführt. Das von dem Bauelement gelieferte oder beeinflußte elektrische Signal wird über einen Verstarker der elektrischen Energieeinspeisung der Anlage zugeführt, ts kann beispielsweise die Gittersperre für die Thyristoren eines zur Leistungssteuerung verwendeten elektronischen Wechsel- oder Drehstromstellers betätigen oder auch /ur Auslosung des Hauptschalters der Anlage verwendet werden.

Al-. photoempfindliche Bauelemente sind P'notowiderstände geeignet, die als Wheatstuneschc Brücke geschaltet sein können. Die Änderung des Brücken-M mines dient als Signal zur Auslösung der Anlage.

Ferner kann die ausgelilterte Strahlung aktiven I'hotoelementen zugeführt werden, dessen Empfindlichkeii für die Wellenlänge der zugeführten Strahlung ausreicht zur Erzeugung eines Photostromes, der zur Abschaltung der Stromversorgung verwendet ais 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 en\- halten von einer Kühlflüssigkeit durchströmte Hohlleiter 30, die von einer Isolierschicht 31 umgeben. beispielsweise in Gießharz eingegossen sind. Die Elektroden sind mti einer Flüssigkeitskühlung versehen. Das Kühlmittel, beispielsweise Wasser, dareh-K' strömt 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 Lich¹.-bogen-Fußpunkt ahgewand'en 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 ao und ändert die Färbun» des austretenden Gasstrahls 24. Das Aluminium \\λ· bei einer Wellenlänge von 0,394 μ und 0.3961 μ jeweils eine ausgeprägte F.missionslinie, während das Kupfer in einem ausreichenden Bereich oberhalb und unterhalb dieser Welleniänge keine ausgeprägte Emissionslinie aufwei-. Diese Emissionslinien werden über ein Filte; 38 s>· wie eine Sammellinse 40, deren Durchmesset <l\s Lichtstärke bestimmt, und eine Blende 42 ein-;m phutoempfindlichen elektronischen Bauelement /ugegeführt. Der Durchiaßbereich des InterfeienzhTtcrs 38 ist auf die Wellenlänge der /.u 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 Ausirittsdüse 22 herausträgt Das Photoelement 44 kann einseitig auf Nulipotentia! liegen. Es bildet ein entsprechendes Signal, das über einen Verstärker 46 der Gittersperre 18 zugeführt wird Die Leistungszuiuhr zur Brennkammer 20 wird somit unterbrochen, bevor der Aluminiummantel 33 bzw. 34 durchscnmiizt und Wasserdampf aus der öffnung austreten oder die Feldspule 28 bzw. 29 beschädigt werden kann

Als Photoelement 44 kann eine Süizium-Photozelle

Zur weiteren F.rläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der ein Ausführungsbetspiel einer Anordnung nach der Fahndung schemaüsch veranschaulicht ist.

Nach der Figur sind eine Zylindetelektrode 2 und
eine Becherelektrode 4 jeweils an einen Ausgang
einer Gleichnchteranlage 6 mit ungesteuerten Ven- 45 verwendet werden, deren Empfindlichkeitsbereich die tilen 8 angeschlossen, die einen Strom von etwa Wellenlänge von 0,3'*4 u überdeckt. Ferner ist für die 850 A bei einer Gleichspannung von 700 V liefern genannte Wellenlänge eine Solarzelle geeignet. Die soll. Zur Steuerung der Eingangswechselspannung der Empfindlichkeit solcher Zellen ist derart optimiert, Cleichrichteran'age 6 ist ein elektronischer Dreh- daß bei Bestrahlung mit einem Licht, dessen spekstromsteller 10 mit Thyristoren 12 vorgesehen, der 50 trale Verteilung derjenigen des Sonnenlichtes außerüber einen Hauptschalter 14 an ein Drehstromnnz halb der Atmosphäre entspricht, der Photostrom

maximal wird. Diese Zellen haben bei Wellenlängen von (\39 μ noch eine gute Empfindlichkeit. In einer Anordnung nach der Erfindung wird man vorzugsnet. die mit mit einer elektronischen Gittersperre 16 55 wei;e eine Solarzelle verwenden, die auf hohe Blauversehen sein soll. Die Steuereinrichtung 15 dient zur empfindlichkeit optimiert ist.
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 60
Stromistwert von einem Stromwandler 18 und dessen
zweitem Eingang 19 ein Stromsolkvert vorgegeben
wird.

Die Elektroden 2 und 4 sind in bekannter Weise

in einer Lichtbogenkammer 20 angeordnet. Eine der 65 bogen abgewandte Oberfläche des Elektrodenmate-Elektroden, beispielsweise die Becherelektrode 4, rials mit einem Belag nach der Erfindung zu versehen, kann vorzugsweise in axialer Richtung, das ist die Der Belag einer solchen Doppelmantelelektrode kann Richtung des in der Kammer gebildeten und aus einer mit dem Elektrodenmaterial, beispielsweise dem

mit einer Wechselspannung von beispielsweise 380 V angeschlossen ist. Den Thyristoren 12 des Wechselstromsteller« 10 ist eine Steuereinrichtung 15 zugeord-Unter Umständen kann man als Photo/eile 44 auch eine als Strahlungsdetektor geschaltete Galliumarsenid-Lumineszenzdiode verwenden.

Im Ausführungsbeispitl ist für die Schutzanordnung ein Aluminiumbelag der Elektroden im Bereich der Fnßpunkte des Lichtbogens vorgesehen. Falls wandernde Lichtbogen-Fußpunkte zu erwarten sind, kann es zweckmäßig sein, die gesamte vom Licht-

Kupfer, verlötet oder verschweißt oder auch auf das Hlektrodenmaterial aufgeschrumpft oder aufgegossen sein.

Neben einem solchen metallischen Belag aus Aluminium, Chrom oder anderem geeignetem Material kann unter Umständen bereits die Zugabe von HIementen 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 Materialscliichten mit einer Natrium enthaltenden Zwischenlage hergestellt werden. Dann erhält man eine Verfärbung des Gasstrahls, sobald die erste Elektrodenschicht durchgebrannt ir.t. Falls ein Natrium enthaltendes Material auf die dem Lichtbogen abgewandtc Oberfläche der Elektrode aufgetragen wird, muß da für gesorgt sein, daß das Natrium nicht mit den ίο Kühlwasser in Verbindung kommt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Schutz einer Einrichtung, die mittels eines Lichtbogens, dessen wenigstens einer Fußpunkt an einem metallischen Teil einer Elektrode liegt, einen aus einer Lichtbogenkammer austretenden Gasstrahl erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2, 4) wenigstens in der Näh^A des Lichtbogen-Fußpunktes mit Mitteln versehen ist, nie beim Verdampfen des vom Gasstrahl (24) erzeugten Lichtes ändern, und daß aus dieser Änderung des Spektrums ein Signal zur Unterbrechung der Stromversorgung des Lichtbogens (26) abgeleitet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2, 4) auf der dem Lichtbogen (26) abgewandten Oberfläche einen Beiaj (33 bzw. 34) enthält, dessen Farbspektrum ausgeprägte Emissionslinien bei Wellenlängen aufweist, die von denjenigen des Elektrüdenmaterials abweichen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag (33, 34) wenigstens teilweise aus Aluminium besteht.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2, 4) wenigstens teilweise doppelwandig ausgeführt ist und daß das dem LichtMgen-Fußpunkt ahgewandte Material einen Stoff enthält, dessen Farbspektrum ausgeprägte Emissionslinien b.'i Wellenlängen aufweist, die on denjenigen des Elektrodenmaterial abweichen.

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 Eniissionslimen bsi Wellenlängen aufweist, die von denjenigen des Elektrodenmaterials abweichen.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, d, ß der Stoff Natrium enthält oder aus Natrium besieht.

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. 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.