DE1965576B2 - Vorrichtung zur plasmaerzeugung und verfahren zum betrieb der vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma mit mindestens zwei, aus Düse und zentraler Elektrode bestehenden Lichtbogen-Plasmastrahlgeneratoren, deren aus den Düsea austretende Gasstrahlen aufeinander gerichtet sind, mit elektrischen Hüfsspeisegeneratoren, die jeweils an eine Düse und die zugehörige Elektrode angeschlossen sind, und mit einem elektrischen Hauptspeisegeneratoi. welcher in einen elektrischen Stromkreis eingeschaltet ist, der die PlasmastraHgeneratoren und die Gasstrahlen bzw. nur die Gasstrahlen einschließt

Es sind bereits derartige Vorrichtungen bekannt (FR-PS 14 69 629V Dabei ist jeder Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator mit einem elektrischen Hilfsspeisegenerator versehen, um zumindest zu Beginn der Plasmaer- zeugung zwischen Düse und Elektrode einen inneren elektrischen Bogen zur Ionisierung des jeweiligen Gasstrahles hervorzubringen. Die Plasmaerzeugung wird daher wesentlich vom Gasdurchsatz der Plasmastrahlgeneratoren bestimmt, d. h. der pro Zeiteinheit durch den jeweiligen Düsenquerschnitt hindurchströmenden Gasmenge, welche ihrerseits von den Betriebsparametern des elektrischen Generators und des Plasmastrahlgenerator abhängig ist. Dies hat zur Folge, daß nachteiligerweise die Einsatzmöglichkeiten dieser Vorrichtung beschränkt sind, insbesondere im Hinblick auf die Erzeugung größerer Plasmamengen weitgehend beliebiger Gasarten. Darüber hinaus ist der Aufbau der gesamten Vorrichtung mit einem eigenen elektrischen Generator für jeden einzelnen Plasmastrahlgenerator aufwendig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Plasmaerzeugung zu schaffen, welche beliebige Gasmengen aufzuheizen erlaubt, ferner von der Art der verwendeten Gase weitgehend unabhängig ist, und einen einfachen, unaufwendigen Aufbau aufweist, sowie beispielsweise bei Öfen oder bei der Durchführung chemischer Reaktionen eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. 2 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den restlichen Ansprüchen zu entnehmen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Plasmastrahlen innerhalb von Strömungsmitteln jeder Art gebildet worden, beispielsweise in reinen Gasen, Gasgemischen, Dämpfen, Flüssigkeiten oder flüssigen Lösungen, Ärosolen, Brühen, Schäumen, Emulsionen und Suspensionen, ferner kann das Strömungsmittel mit beliebigem Durchsatz strömen.

Nachstehend sind einige bevorzugte Ausiührungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen schematisch

F i g. 1 bis 3 eine erste bzw. zweite bzw. dritte Ausführungsform,

F i g. 4 und 5 jeweils einen Längsschnitt durch eine Düse mit Elektrode für die Plasmastrahlgeneratoren ohne elektrischen Hilfsspeisegenerator bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 6 bis 11 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Bei den Ausführungsformen gemäß F i g. 1 bis 3 sind ein Plasmastrahlgenerator Cmit elektrischem Hilfsspeisegenerator H sowie ein Plasmastrahlgenerator mit Düse A und einer Elektrode Ic vorgesehen. Die Elektrode Ic ist in einen elektrischen Stromkreis 2 eineeschaltet, welcher einen Hauptspeisegenerator G aufweist. Vom Plasmastrahlgenerator C geht ein Plasmastrahl P aus, vom Plasmastrahlgenerator mit Düse A ein Gasstrahl £ welcher in der Döse A die Elektrode Ic umflutet In den Strahlen P und E wird außerhalb der Plasmastrahigeneratoren eine Verminderung des elektrischen Widerstands hervorgerufen, so daß der elektrische Stromkreis 2 durch die Strahlen P und f geschlossen werden kann.

Der Plasmastrahlgenerator C weist eine Anode 3 und eine Kathode 4 auf. Mindestens eine dieser Elektroden ist in den elektrischen Stromkreis 2 eingeschaltet Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 ist auch der selbständige Hilfsspeisegenerator H des Plasmastrahlgenerators C in den Stromkreis 2 eingeschaltet doch muß dies nicht unbedingt der Fall sein. Beispielsweise ist es nicht der Fall, wenn der Unterbrecher 5 im elektrischen Stromkreis 6 des Plasmastrahlgenerators C bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 geöffnet ist.

Es kann eine bevorzugte Bahn für den Durchlauf des Bogens im Gasstrahl Egebildet werden, selbst wenn die elektrische Leitfähigkeit dieses Gasstrahls E vor der Zündung geringer ist als diejenige der Umgebungsluft, wobei jedoch dieser Bogen in einem Bereich des Plasmastrahlgenerators mit der Düse A entspringen muß. der von dem Gas des Strahles Eumflutet wird. Die Zündung des Bogens. welche eine Erwärmung des besagten Bereichs zur Folge hat, bewirkt auch eine Erwärmung und damit eine Verminderung des elektrischen Widerstandes des strömenden Gases, welches auf diese Weise dem Durchfluß des elektrischen Stromes einen geringeren Widerstand als die Luft bietet. Diese Wirkung steigert sich noch, wenn das strömende Gas in Ruhe bereits weniger dielektrisch ist als die Umgebungsatmosphäre.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. I bis 3, wobei Jer vom Plasmastrahlgenerator C herrührende Gasstrahl P selbst ionisiert ist, genügt also die Zündung eines Bogens zwischen diesem Gas- oder Plasmastrahl P und der Elektrode Ic entlang des Gasstrahls E, um den elektrischen Kreis 2 zu schließen.

Diese Zündung kann auf verschiedene Art und Weise durchgeführt werden, insbesondere auch so, wie die Zündung eines Plasmastrahlgenerators üblicherweise vorgenommen wird. Bei der Anwendung dieser Verfahren auf die in Rede stehende Vorrichtung wird beispielsweise so vorgegangen, daß entlang des aus der jeweiligen Düse A austretenden Gasstrahles Entladungen hoher Frequenzen hervorgerufen werden, oder man stellt mittels eines Leiters aus Graphit oder dergleichrn eine zeitweilige elektrische Verbindung zwischen der Elektrode lcder Düse A und dem Plasmastrahl Pher. Weiterhin kann bei gegenseitig beweglichem Plasmastrahlgenerator C und Plasmastrahlgenerator mit Düse A die Zündung auch so erfolgen, daß diese Plasmastrahigeneratoren bis auf einen solchen Abstand einander genähert werden, daß d'e an den Klemmen des Hauptspeisegenerators C zur Verfügung stehende Spannung selbst die Ionisierung des von der Düse A ausgehenden Gasstrahles hervorruft. Die Ionisierung ,vird durch den Spitzen- oder Korona-Effekt begünstigt, der dann eintritt, wenn die Elektroden Ic die in Fig. 4 und 5 wiedergegebene Gestalt aufweisen. Die Zündung kann auch durch Einführung von ionisierbaren Substanzen, beispielsweise Alkalihalogeniden oder Metalloxiden, in den von der Düse A ausgehenden Gasstrahl vorgenommen werden, oder auch durch ionisierung der umgebenden Atmosphäre, beispielsweise unter den in Verbindung mit Fig.9 und 10 noch zu beschreibenden

Bedingungen.

Das Schließen des elektrischen Stromkreises 2 über die Gasstrahlen P und E ermöglicht die Verminderung, ja sogar ein völliges Verschwinden des vom Hilfsspeisegenerator H gelieferten Stromes. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 kann der elektrische Strom im Kreis 2 entweder durch die Katode 4 oder durch die Anode 3 laufen, wobei sich der Hilfsspeisegenerator H allenfalls wie ein einfacher Widerstand verhält, wenn er in den Stromkreis eingeschaltet ist. Vorzugsweise läuft der elektrische Strom bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 durch die Katode 4 des Plasmastrahlgenerators C

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 ist dies auch der Fall, und die negative Klemme des Hauptspeisegenerators G ist ebenfalls unmittelbar an die Katode 4 des Plasmastrahlgenerators C angeschlossen. Der Hilfsspeisegenerator H kann aus dem Stromkreis 2 ausgeschaltet werden, indem man den Unterbrecher 5 in einem Zweig des Stromkreises 6 vom Plasmastrahlgenerator Cöffnet.

Auf diese Weise ist es möglich, ein Plasma in den Gasstrahlen entstehen zu lassen, welche aus einfachen Düsen A herrühren. Dies ermöglicht es, den Gasdurchsatz der Düsen A in Abhängigkeit von anderen als denjenigenVeränderlichen zu regeln, welche bei bekannten Vorrichtungen maßgebend sind. Insbesondere können die Betriebscharakteristiken jeder Gasstrahlquelle, d. h. jedes Plasnastrahlgenerators, unberücksichtigt bleiben.

Vor allem können mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen Plasmastrahlen im Inneren von Gasströmen erzeugt werden, welche von den Düsen herrühren und sehr viel geringere Durchsätze oder im Gegenteil sehr viel höhere Durchsätze (Menge je Zeiteinheit) verwirklichen, als die klassischen Plasmastrahlgeneratoren, je nachdem, ob man laminare Plasmaströme Eo bzw. Plasmaströme En von großem Volumen und von entsprechend den Erfordernissen der Praxis mehr oder weniger großer Leistung und Temperatur zu erhalten wünscht

Außerdem können mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen Plasmastrahlen im Inneren von korrosiven oder oxidierenden Gasen, wie beispielsweise Sauerstoff, erzeugt werden, welche auf die Plasmastrahlgeneratoren ohne Einfluß sind.

Beispielsweise sind bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 die in der nachstehenden Tabelle I aufgeführten Ergeonisse ermittelt worden, wobei durch den Plasmastrahlgenerator C ein Stickstoffstrom mit einem Durchsatz von 71/πώι and vco der Düse A ein Argonstrom mit einem Durchsatz von ebenfalls 7 l/min geliefert wird, der Winkel zwischen des Achsen des Piasmastrahhjenerators C and der Düse A 90° beträgt die Entfernung zwischen der Mündung des PlasmastraMgeneratDrs C und dem VereHiigungspnnkt der Strahlen P and E 13 an , and der Abstand zwischen der Mündnng der Döse A and dem Veremgongspunkt der Stöme Fand f 5 cm beträgt In der Tabefie I ist in der Ernten Spalte die von dem anter Spannung gese HBfsspeisegeerator H gefleferte Leistung, si der mittleren Spalte die vom Hanptspeiseur G abgegebene Leistung and ra der reh

Tabelle I

Leistung des
Generators H
(kW)

Leistung des
Generators C
(kW)

Wirkungsgrad

15 (60 V; 250 A)	30 (130 V; 250A)	78%
15 (60 V; 250 A)	38 (160 V; 240 A)	81%
0	45 (185 V; 240 A)	>90%

E and in dem aas deren Verenrigang resultierenden Strahl üt Energie zn der von den Generatoren G and H gelieferten Energie (Ausbeute, Wirkungsgrad) angegeben.

Aus der Tabelle I geht hervor, daß die Unterbrechung der Energiezufuhr zum Plasmastrahlgenerator C eine beträchtliche Steigerung des energetischen Wirkungsgrades der Vorrichtung zur Folge hat Dies zeigt insbesondere ein Vergleich der in der ersten und dritten Zeile der Tabelle I angegebenen Wirkungsgrade, welche aus Ergebnissen von Versuchen herrühren, bei denen die Gesamtleistungen gleich groß waren.

In der nachstehenden Tabelle II sind die Ergebnisse aufgeführt, welche bei der Speisung derselben Düse A mit Sauerstoff und mit Abständen des Plasmastrahlgenerators C und der Düse A vom Vereinigungspunkt der Strahlen P und fvon 7 bzw. 5 cm erzielt wurden, wobei die restlichen Versuchsbedingungen den oben angegebenen entsprechen.

Tabelle II

Leistung des
Generators H
(kW)

Leistung des
Generators C
(kW)

Wirkungsgrad

(60 V; 250 A)

(60 V; 250 A)

(200 V: 300 A)

(200 V; 220 A)

(230 V; 210 A)

80%
75%
90%

Bei den vorstehend geschilderten Ausführungsformen gemäß F i g. 1 und 2 ist die Elektrode lcder Düse A mit der positiven Klemme des Hauptspeisegenerators G verbunden. Sie kann jedoch auch an die negative Klemme des Hauptspeisegenerators G angeschlossen

sein, wie es bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 dei Faö ist Statt dessen ist es auch mögfich. die Elektrode It mit einer der Klemmen eines einphasigen odei mehrphasigen Wechselstromgenerators zu verbinden wobei die Elektrode Ic sich dann wie eine periodische

Katode verhält

Nach der Zündung des Bogens in den Strahlen Pund E and gegebenenfalls nach dem Abstellen de! HflfssfKäsegenerators H kann auch wie bei dei AusfüliiuugsTuiin each Fig.2 eine der Elektroden de; Plasmastrahlgenerator* C beispielsweise die Anocfe 3 anttels eines Uaterbrechers 5 abgeschaltet werden, dei an Stromkreis 1 angeordnet ist. Dann πήηβΜ lediglich die Katode 4 des Plahlgen C am troiudurchaB tefl, welcher den Plasmastrahl in des Strahlen P and E vr. Es kann auch die umgekehrte Anordnung getrauen sein, nämficfa eine Abschalänögfichkeit for die einzige Katode des

Plasmastrahlgenerators C vorgesehen sein. Auch <önnen die beiden Elektroden 3 und 4 des Plasmastrahlgenerators Ckurz geschlossen werden.

Die Elektrode leder Düse A verhält sich um so mehr wie eine Gleichstromkatode bei einem gleichstromliefemden Hauptspeisegenerator G oder wie eine periodische Katode bei einem Wechselstrom oder Mehrphasenstrom liefernden Hauptspeisegenerator G, wenn sie aus einem Elektronen oder ioniersierte Teilchen liefernden Material besteht, beispielsweise aus Wolfram. Vorteilhafterweise werden die in F i g. 4 und 5 wiedergegebenen Düsen A mit Elektrode Ic verwendet, welche sich dadurch auszeichnen, daß die Elektrode Ic die Rolle einer Katode spielt und im Inneren des Ejektionskanals 7 angeordnet ist. wobei das der Düse A über eine Zuführleitung 18 zuströmende Gas in dem Kanal 7 die Elektrode 1 cumflutet.

Die Elektrode bzw. Katode Ic fluchtet mit der Vorderfläche der Düse A (F i g. 4) oder ragt aus ihr nach vorne vor (F i g. 5), so daß eine gute Erwärmung und ein guter Kontakt der Elektrode bzw. Katode Ic mit dem ionisierten Teil des von der Düse A abgegebenen Gasstrahles gegeben ist.

Die den Kanal 7 umgebenden Teile der Düse können aus einem leitenden Material bestehen, das auf das Potential der Elektrode bzw. Katode Ic gebracht ist, oder sie können aus einem isolierenden, feuerfesten Material bestehen, wobei die Elektrode Ic allein mit dem Hauptspeisegenerator G verbunden ist. Diese Düsen A können auch mit Kühleinrichtungen versehen sein, welche eine Zufuhrleitung 20 für ein Kühlmittel aufweisen, welches gemäß der in Fig.4 und 5 eingezeichneten Pfeilen zur Kühlung des Katodenträgers 21 fließt und gegebenenfalls die den Kanal 7 umgebenden Teile 19 der Düse abkühlt, bevor es über eine Ablaufleitung 22 die Düse verläßt. Es kann auch eine Kühlung durch das plasmabildende Strömungsmittel vorgesehen sein, wenn dieses der Düse mit einem dafür ausreichenden Durchsatz zugeführt wird.

Der Plasmastrahlgenerator Cmuß nicht nur mit einer einzigen Düse zusammenwirken, wie es bei den Ausführungsformen gemäß F i g. 1 bis 3 der Fall ist sondern kann mit mehreren Düsen Ai A₂, Ai... A_n zusammenwirken, welche derart angeordnet sind, daß die von ihnen herrührenden Gasstrahlen den Plasmastrahl P des Plasmastrahlgenerators C schneiden, wobei in den von den n- Düsen ausgehenden n-Strahlen gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Zündungen elektrischer Bögen stattfinden, wenn der Hauptspeisegenerator G in Betrieb gesetzt wird und Spannung liefert

Bei der Aasfühnrngsform gemäß Fig.6 sind die Elektroden Ic der n-Düsen mit der positiven Klemme des gemeinsamen Hauptspeisegenerators G verbunden. Bei der Ausführungsform gemäß Fig.7 sind die Elektroden Ic der Düsen Ai, A₂... A_a jeweils nut n-verschJedenen Phasen a. b...n eines mehrphasigen Wechselstromgenerators verbunden, dessen Phase Cn+1) mit einer der Elektroden des Plasmastrahlgenerators C verbunden ist und zwar je nach der Stellung des Unterbrechers 17 zwischen Hauptspeäsegenerator G und Hflfsspeisegenerator H. Nach der Zündung der elektrischen Bögen in den von den Düsen Ai, Ai... A_n ausgehenden Gasstrahlen auf die geschilderte Art und Weise kann die Zufuhr elektrischer Energie zum Plasmastrahlgenerator C abgestellt werden. Der Betrieb wird dann allein durch den vom Hauptspeisegenerator *7 gelieferten Strom aufrechterhalten.

Wie bezüglich der Phase b in Fig. 7 dargestellt, können mit jeder Phase des mehrphasigen Wechselstromgenerators G mehrere Düsen A bzw. deren Elektroden Ic verbunden werden, wenn die von diesen Düsen ausgehenden Gasstrahlen konvergieren.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.8 sind Hilfsspeisegenerator und Hauptspeisegenerator in ein und demselben Generator G vereinigt, von dem beispielsweise die negative Klemme mit der Katode 4 des

ίο Plasmastrahlgenerators C verbunden ist. während die positive Klemme mit den Düsen Ai, Ai. Az... A_n bzw. deren Elektroden Ic verbunden ist, und wobei schließlich die Klemme b mit Zwischenpotential über einen Widerstand 23 der Anode 3 des Plasmastrahl-

is generators C verbunden ist. Liefert der Generator C vor der Zündung der Bögen in den Gasstrahlen E\, E₂ ... E_n im Stromkreis 6 des Plasmastrahlgenerators C einen Strom der Stärke /0. dann ergibt sich nach der Zündung eine Teilung dergestalt, daß ein Strom der Stärke /1 den Plasmastrahl P des Plasmastrahlgenerators C aufrechterhält, während ein Strom der Stärke /2 die n-Plasmastrahlen Eu E₂... E_n aufrechterhält, welche in den von den Düsen Ai, Ai...A_n abgegebenen Gasstrahlen ausgebildet sind.

Der Widerstand 23 ist vorteilhafterweise so groß, daß die Stromstärke /1 bezogen auf die Stromstärke I₂ klein ist. Wenn jedoch aus irgendeinem Grund der durch den Plasmastrahl P und die n-Plasmastrahlen der Düsen Ai, A₂... A_n gebildete elektrische Kreis unterbrochen wird, dann nimmt der Strom /1 wieder die ursprüngliche Stärke /₀ an, so daß die neuerliche Zündung des elektrischen Stromes in den n-Gasstrahlen ermöglicht ist Diese neuerliche Zündung bewirkt wiederum, daß die Stärke des Speisestroms des Plasmastrahlgenerators Cauf den Wert /1 abfällt.

Der Generator G kann auch mit umgekehrter Polarität der Klemmen angeschlossen sein, wobei die Elektroden te vorzugsweise die aus Fig.4 und 5 ersichtliche Ausgestaltung aufweisen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Stromkreise 2 und 6 mit dem Hauptspeisegenerator G bzw. dem Hilfsspeisegenerator H für die Plasmastrahlgeneratoren mit den Düsen Ai, A₂... A_n bzw. für den Plasmastrahlgenerator C. welcher die Atmosphäre ionisiert, in welche die von den Düsen Ai, A₂... A_n ausgehenden, konvergierenden Gasstrahlen Ei. E₂... E_n eintreten, um ein leichteres Schließen des Stromkreises 2 über diese Strahlen zu erreichen, voneinander getrennt sein. Entsprechende Ausführungsformen sind

S» in F ig. 9 bis ti dargestellt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig.9 liefert der Hauptspeisegenerator G Wechselstrom, und sind sie Elektroden leder Düsen Ax and A₂ an den Generator G angeschlossen. Bei der Ausführungsform gemäß Fi g. 10

SS and die Elektroden lcder Düsen Ai. A₂ und A3 mit den Phasen eines mehrphasigen Wechselstrom liefernden Haoptspeisegenerators G verbunden.

Nach Zündung der Bögen in den von den Düsen ausgehenden konvergierenden Strahlen kann in jedem Fall die Zufuhr elektrischer Energie zum Plasmastrahlgenerator Cabgestellt werden, so daß sich Piasmastrahlen aus sehr einfachen Düsen ergeben, die keine eigene Zufuhr elektrischer Energie haben. Dies haben Versuche mit zwei bzw. drei Düsen bestätigt weiche Argonstrahlen mit einem Durchsah zwischen 1 and 100 l/min lieferten und mit einphasige! bzw. dreiphasiger elektrischer Energie von 380 Volt und 50 H/ versorgt wurden, wobei die Düsen so angeordnci

waren, daß der Schnittpunkt ihrer Achsen 5 cm von liren Mündungen entfernt war.

Der Plasmastrahlgenerator C wurde mit Stickstoff und mit einem Durchsatz von 7 l/min sowie mit Gleichstrom von 60 Volt und 250 Ampere gespeist, wobei die Vorderseite des Plasmastrahlgenerators Cim Abstand von 10 cm vom Konvergenzpunkt der Gas- »trahlen angeordnet war.

Bach dem Löschen des Plasmastrahlgenerator C wurde für den zwischen den Düsen fließenden Strom eine Spannung von 100 V₁^ und eine Stärke von 280 A_Cff gemessen. Dies entspricht einer Dreiphasenwechselstromleistung von 48,5 kW mit einem energetischen Wirkungsgrad > 95% in den besagten Gasstrahlen.

Bei allen Vorrichtungen reicht es zur Zündung des Bogens in den Strahlen aus, daß die aus den verschiedenen Düsen austretenden Strahlen einschließlich gegebenenfalls des Strahls des Plasmastrahlgenerators C ausreichend gegeneinander genähert werden, bis sie beispielsweise sich gegenseitig berühren, ohne daß sie jedoch stark konvergent verlaufen müßten.

Die Funktionsweise der geschilderten Vorrichtungen kann dadurch verbessert werden, daß die Anode 3 des Plasmastrahlgenerators Ceine in Richtung der Emission des zugehörigen Plasmastrahles P divergierende Gestalt gegeben wird, wie aus Fig. 9 und 10 ersichtlich. Eine derartige Ausgestaltung der Anode 3 des Plasmastrahlgenerators C gewährleistet einen Plasmastrahl P mit größerem Querschnitt und geringerem Widerstand, daher eine besser elektrisch leitende Strömung.

Darüberhinaus ist es einfacher, das Aufeinandertreffen des Strahles vom Plasmastrahlgenerator C und der Düsenstrahlen stattfinden zu lassen, und damit auch die Zündung der elektrischen Bogen in diesen Strahlen.

Die besagte Ausgestaltung ist dann besonders vorteilhaft wenn ein verhältnismäßig großes Volumen der Atmosphäre ionisiert werden soll, um vor allem die Zündung der Bögen in den Strahlen der Vorrichtungen gemäß Fig.9 und 10 zu erleichtern. Außerdem ermöglicht diese Ausgestaltung insbesondere dann ein leichteres Aufrechterhalten des elektrischen Stromes in den Gasstrahlen mit Hilfe des Hauptspeisegenerators G •Hein, wenn der Hilfsspeisegenerator H stillgesetzt worden ist.

Weiterhin wird der Betrieb einer Vorrichtung mit einem Plasmastrahlgenerator C mit divergierender Anode verbessert, wenn außerdem ein Ring 30 vorgesehen wird, der durch Wasser gekühlt ist welches ■ber eine Leitung 31 zugeführt wird, und welcher eine konische Fläche 32 aufweist die sich zum Plasmastrahlgenerator Chin erweitert, wobei die Achse des Ringes 30 nebst konischer Fläche 32 mit derjenigen des Plasmastrahlgenerators C fluchtet Ene solche Ausgestaltungist in Fig. 11 dargestellt.

Der Ring 32 bewirkt ein Zentrieren und Formen des Plasmastrahls vom Plasmastrahlgenerator C und kann

außerdem als Hauptanode dieses Plasmastrahlgenera tors Cdienen, wenn er mit diesem elektrisch verbunder ist, wobei die innere Anode des Plasmastrahlgenerator; C lediglich zur Zündung dient. Es kann dann eir Plasmastrahl größerer Leistung vom Plasmastrahlgene rator C erzielt werden, und zwar wegen der größerer Betriebspotentialdifferenz des Generators C. Außer dem kann der Betrieb des Plasmastrahlgenerators C unter Druck beträchtlich verbessert werden, wenn der Ring 30 als Hauptanode verwendet u ird, beispielsweise wenn die gesamte Vorrichtung in einer Außenatmosphäre mit einem Druck zwischen beispielsweise 1 und 20 Bar arbeitet.

Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11, kann der Plasmastrahlgenerator C mit Ring 30 vorteilhafterweise mit gruppenweise angeordneten Plasmastrahlgeneratoren zusammenwirken, wobei jede Gruppe beispielsweise drei Plasmastrahlgeneratoren mit Düse A\ bzw. A₂ bzw. A₃ und mit wassergekühlter Kupferelek trade Ir aufweist, der über eine Zufuhrleitung Stickstoff oder ein anderes zu erwärmendes Strömungsmittel zugeführt wird. Die Elektroden Ic jeder Gruppe G, bzw. C₂ bzw. .. von Plasmastrahlgeneratoren sind jeweils mit einer Phase eines Dreiphpsenstromgenerators mit veränderlicher Spannung und veränderlichem Strom verbunden. Jeder Plasmastrahlgenerator mit Düse A und Elektrode Ic kann entlang der Längsachse, beispielsweise mittels eines Zahnstangengetriebes 33, verstellt werden, wobei die Achsen der drei Plasmastrahlgeneratoren jeder Gruppe gleichmäßig um die Vorrichtungslängsachse herum angeordnet sind, also die Achsen zweier benachbarter Plasmastrahlgeneratoren einen Winkel von 120° miteinander einschließen. Die Langsachse eines jeden Plasmastrahlgenerators mit Uuse A und Elektrode Ic schließt dabei mit der Vorrichtungslängsachse bzw. der Längsachse des Plasmastrahlgenerators Ceinen Winkel von 60° ein. wie in F i g. l j dargestellt.

Beim Betrieb wird so vorgegangen, daß man den Plasmastrahlgenerator C zündet und den Durchsatz an P asmabildendem Gas bzw. Strömungsmittel sowie die elektrische Leistung so einstellt, daß sich die erforderlicne ionisierung des Raumes zwischen den Elektroden ergibt und zwar nach dem Durchgang des Strahles durch den Zentrierring 30. Unter diesen Bedingungen iautt der Dreiphasenwechselstrom zwischen den Elektroden entlang den Gasstrahlen, die ihnen zugeordnet sind. Man kann daher den Abstand der Elektroden Ic stark vergrößern, und zwar mittels der Getriebe 33. Erfordedicfeenfaüs kann der Plasmastrahlgenerator C angestellt werden. Die Gasdurchsätze der Plasmastrahlgeaeratoren mit den Elektroden Ic können stark verändert werden.

S Vorrichtung mit einer solchen Gruppe von Tabelle IH

Gegenseitiger Elektrodenabstand </{mm) Gegenseitige öektrodenspannnng V(VoIt) Stromstärke /je Phase
P(kW)

Der Plasmastrahlgenerator C arbeitet beim Zünden mit 60 V, 400A and einem Stickstoffdarchsatz von l/min. Der Durchsatz an jeder der Elektroden lchegt

30 90 160 243 40 100 160 27

140

180

100 200 200 69,7

120 220 200 76,1

g von 30l/min. Der gegenseitige and «Tist zwischen den Hektrodenspitgenommen, jedoch ist der wirkfiche Stromweg von

Elektrode zu Elektrode langer, da er durch den Vereinigungspunkt der drei Plasmastrahlen läuft. Der energetische Wirkungsgrad liegt in der Größenordnung von 90%.

Mit diesen Vorrichtungen lassen sich Plasmen von großem Volumen und großer Energie hervorbringen, wobei eine weitere Steigerung durch Auseinanderbewegung der Plasmastrahlgeneratoren mit den Elektroden Ic jeder Gruppe und die damit verbundene Vergrößerung der Potentialdifferenz erzielt werden kann, was nach Zündung der elektrischen Bögen möglich ist.

Wie weiterhin aus F i g. 11 hervorgeht, können mehrere Gruppen Gi, G2... von Plasmastrahlgeneratoren mit Elektroden Ic vorgesehen sein. Jede dieser Gruppen weist drei identische Elektroden 1 cauf, welche jeweils von einem Gasstrahl umflutet sind. Wenn der Plasmastrahlgenerator C den Raum /wischen den Elektroden lcder ersten Gruppe Gi ionisiert, dann kann diese Gruppe Gi arbeiten und mit ihrem Plasmastrahl die Zündung der folgenden Gruppe G? ermöglichen, usw.

Da die Plasmastrahlen immer stärker werden, kann der Abstand zwischen den Elektroden von Gruppe zu Gruppe gesteigert werden, was die Eigenleistung jeder Gruppe steigert, ebenso wie den Querschnitt und den Durchsatz des resultierenden Plasmastrahles. Dessen Geometrie kann durch Veränderung der Orientierung, der Anordnung und des Gasdurchsatzes der Elektroden variiert werden. Die dem Plasma vermittelte Stärke oder Leistung wächst schnell mit der Anzahl der Gruppen, wobei man von einem Plasmastrahlgenerator Cgeringerer Stärke oder Leistung ausgeht.

Bei der erindungsgemäßen Vorrichtung ist lediglich ein sehr einfacher, elektrischer Stromkreis mit Hauptspeisegenerator G erforderlich, desgleichen nur ein Plasmastrahlgenerator, welcher zur Zündung einen Plasmastrahl liefert. Obwohl vorstehend lediglich ein mit Gleichstrom bzw. Wechselstrom bzw. Hochfrequenzstrom betriebener Plasmastrahlgenerator C für diesen Zweck erwähnt worden ist, kann auch ein Plasmastrahlgenerator anderer Art als Pilotbrenner eingesetzt werden, beispielsweise ein Generator mit chemischer Verbrennung, dessen Flamme gegebenenfalls mit einem ionisierden Stoff geimpft sein kann, ein Dampferzeuger, ein Generator ionisierter gasförmiger Gemische, eine Vorrichtung für einen Kurzschluß zwischen den Düsen und zur Erzeugung der Zündbögen.

Es können Plasmastrahlen im Inneren von Gasströmen jeglicher Art erzeugt werden, einschließlich Strömen plasmagener Gase, die gegenüber Metallen bei hoher Temperatur korrosiv sind, beispielsweise im Inneren von Sauerstoffströmen.

Desgleichen ist der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtungen vom Durchsatz jeder der Düsen praktisch unabhängig, so daß laminare Plasmastrahlen bei beliebig geringen Durchsätzen hervorgebracht werden können, wobei das voraussehbare Minimum ir allen Fällen beträchtlich geringer ist als der Mindest-Speisegasdurchsatz eines klassischen Plasmastrahlgenerators, so daß die Summe der von diesen Düser ausgestoßenen Elementarstrahlen einen resultierender Strahl von gleichfalls laminarem Charakter ergibt Umgekehrt können auch Plasmastrahlen sehr großer Volumens erzeugt werden.

Es kann auch in weitem Ausmaß auf die Gestalt de; aus der Vereinigung der Strahlen £Ί, £i...£", resultierenden Strahls Eq eingewirkt werden, indem mar die gegenseitige Anordnung der Düsen A beeinfluß! und/oder Hilfsgasströme heranzieht, welche von elektrischem Strom nicht durchströmt werden und die Orientierung in eine gewünschte Richtung beeinflussen.

Nach der Zündung kann weiterhin das Ga;

mindestens eines des zur Zündung verwendeter Strahles durch ein anderes Gas ersetzt werden beispielsweise durch ein für eine direkte Zündung weniger geeignetes Gas. wobei der Durchfluß elektrischen Stroms nicht unterbrochen wird.

Zu den bereits angegebenen Vorteilen ist bei dei erfindungsgemäßen Vorrichtung auch noch der Vorzug geringer Gestehungskosten, keines oder nur eine?

geringen Verschleißes der Düsen, des Fehlens vor Isolierungsschwierigkeiten der Bauteile jeder dei Gasstrahlquellen gegeneinander wegen desselben Potentials derselben und der Funktionsiähigkeil sowoh unter vermindertem als auch unter erhöhtem Druck gegeben.

Das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist groß. Beispielsweise können die Düsen an Öfen insbesondere in deren Deckel, angeordnet werden wobei die Düsen in den Innenraum des Ofens gerichtei sind und von einem einziger Plasmastrahlgeneratoi gezündet werden, insbesondere von einem Generatoi aus, der am Ofendeckel angeordnet ist. Weiterhin ist die Vorrichtung zur Behandlung von Stoffen geeignet beispielsweise zum Schweißen, Schneiden, Schmelzen ferner zur Behandlung von Pulvern, insbesondere feuerfesten Pulvern, durch Einspritzen derselben in da? Innere eines oder mehrerer Plasmastrahlen, wobei die Verweilzeiten dieser Pulver zu berücksichtigen sind welche sehr viel langer sein können, als bei der bekannten Vorrichtungen. Sie können auch zui Erhitzung von Gasen. Dämpfen oder Gemischen jedei Art und unter jedem Druck verwendet werden, wöbe die Erhitzung direkt erfolgen kann, wenn das zi erwärmende Gas einer Batterie der erwähnten Düser zugeführt wird. Weiterhin können die Vorrichtunger zur Durchführung verschiedener chemischer Reaktionen verwendet werden. Sie sind auch geeignet zurr Plasmaantrieb mittels Erzeugung eines sehr heißer Gasstrahles mit großem Durchsatz und einem Drud von einigen Dekabar oder mehr.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

1. Patentansprüche:

   * |l»Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma mit mindestens ,zwei, aus Düse und zentraler Elektrode bestehenden Lichtbogen- Plasmastrahlgeneratoren, deren aus den Düsen austretende Gasstrahlen aufeinander gerichtet sind, mit elektrischen Hilfsspeisegeneratoren, die jeweils an eine Düse und die zugehörige Elektrode angeschlossen sind, und mit ι ο einem elektrischen Hauptspeisegenerator, welcher in einen elektrischen Stromkreis eingeschaltet ist der die Plasmastrahlgeneratoren und die Gasstrahlen einschließt dadurch gekennzeichnet, daß nur einem Teil der Plasmastraiilgeneratoren jeweils ein Hilfsspeisegenerator zugeordne; ist, und daß beim anderen Teil der Plasmastrahlgeneratoren die Elektroden (Ic^ sich mindestens bis zur Mündung der Düsen erstrecken und an den Hauptspeisegeneirator angeschlossen sind.
2. 2. Vorrichtung zum Erzeugen von Plasma mit mindestens zwei, aus Düse und zentraler Elektrode bestehenden Lichtbogen-Plasmastrahlgeneratoren, deren aus den Düsen austretende Gasstrahlen aufeinander gerichtet sind, mit elektrischen Hilfsspeisegeneratoren, die jeweils an eine Düse und die zugehörige Elektrode angeschlossen sind, und mit einem elektrischen Hauptspeisegeneralor. welcher in einen elektrischen Stromkreis eingeschaltet ist, der die Gasstrahlen einschließt, dadurch gekenn· zeichnet, daß nur einem Teil der Plasmastrahlgeneratoren jeweils ein Hilfsspeisegenerator zugeordnet ist, und daß beim anderen Teil der Plasmastrahlgeneratoren die Elektroden (ic) sich mindestens bis zur Mündung der Düsen erstrecken und an den Hauptspeisegenerator angeschlossen sind, dessen Stromkreis von jedem Hilfsspeisegenerator-Stromkreis getrennt ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Plasmastrahlgenerator (C) mit Hilfsspeisegenerator (H) vorgesehen ist, während bei allen übrigen Plasmastrahlgeneratoren zum jeweiligen Gasstrahl (Et bzw. £2... £_Λ) zwischen Düse (At bzw, A₂... A_n) und Elektrode (Ic) keine eigene Zufuhr elektrischer Energie erfolgt, und daß der Plasmastrahlgenerator (C) mit einem Plasmastrahl (P) großen Querschnitts die Atmosphäre, in welche die Gasstrahlen (Et, E₂... E_n) eintreten, zur Zündung elektrischer Bögen in den Gasstrahlen ionisiert.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (Ic^ der Plasmastrahlgeneratoren ohne Hilfsspeisegenerator an die eine Klemme des Gleichstrom liefernden Hauptspeisegenerators (G) angeschlossen sind, welcher mit der anderen Klemme mit mindestens einer Elektrode (3 bzw. 4) des bzw. jedes Plasmastrahlgeneratot (C) mit Hilfsspeisegenerator (//^verbunden ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch tekennzeichnet, daß die Elektroden (ic) der Plasmastrahlgeneratoren ohne Hilfsspeisegenerator tn die eine Klemme des Wechselstrom liefernden Hauptspeisegenerators (G) angeschlossen sind, welcher mit der anderen Klemme mit mindestens einer Elektrode (3 bzw. 4) des bzw. jedes Plasmastrahlgenerators (C) mit Hilfsspeisegenerator (4) verbunden ist
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (ic) der Plasmastrahlgeneratoren ohne Hflfsspeisegenerator an die Phasen des als Mehrphasenstromgenerator ausgebildeten Hauptspeisegenerators (G) angeschlossen sind, welcher mit einer Phase mit mindestens einer Elektrode (3 bzw. 4) des bzw. jedes Plasmastrahlgenerators (QmA Hilfsspeisegenerator ^verbunden ist
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß die Anode (3) des Plasmastrahlgenera tors (C)rtäX Hilfsspeisegenerator (H) in Richtung des davon ausgehenden Plasmastrahls (P) divergierend ausgebildet ist.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein /um Plasmastrahlgenerator (C) fluchtend angeordneter Ring (30) vorgesehen ist. welcher eine sich zum Plasmastrahlgenerator (C) hin erweiternde konische Fläche (32) aufweist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (30) mit einer der Elektroden des Plasmastrahlgenerators (C) elektrisch leitend verbunden ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (30) in den Stromkreis mit dem Hauptspeisegenerator (G)eingeschaltet ist.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige Plasmastrahlgeneratoren gegenseitig verschiebbar angeordnet sind.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Plasmastrahlgenerator entlang der Längsachse verschiebbar ist.
13. 13. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12. dadurch gekennzeichnet, daß die Energiezufuhr zu dem bzw. den Plasmastrahlgeneratoren (C) mit Hilfsspeisegenerator (H) für die Zündung der elektrischen Bögen in dem bzw. den Gasstrahlen (E; £1, E₂... E_n)des bzw. der anderen Plasmastrahlgeneratoren nach dieser Zündung unterbrochen wird.
14. 14. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 7 bis 10, wobei die Plasmastrahlgeneratoren ohne Hilfsspeisegenerator in mehreren Gruppen so angeordnet sind, daß die Gasstrahlen jeder Gruppe an einem bestimmten Punkt auf der Achse des Plasmastrahls großen Querschnitts zusammenlaufen, und wobei die Elektroden jeder Gruppe in einem selbständigen, normalerweise offenen Stromkreis eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Bögen in jeder Gruppe (G\ bzw. G₂... G_x) nach denjenigen der vorhergehenden Gruppe gezündet werden, beginnend mit der dem Ursprung des Plasmastrahls nächstliegenden Gruppe Cd), und daß schließlich die selbständige Energiezufuhr zu jeder Gruppe (Gu G₂...G_x) beginnend mit der ersten Gruppe (G\) frühestens nach Zündung der elektrischen Bögen in den Strahlen der folgenden Gruppe unterbrochen wird.