DE1965576C3 - 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 ind zentraler Elektrode bestehenden Lichtbogen-Plas-Tiastrahlgeneratoren, deren aus den Düsen austretende 3asstrahlen aufeinander gerichtet sind, mit elektrischen Hilfsspeisegeneratoren, die jeweils an eine Düse und die zugehörige Elektrode angeschlossen sind, und mit einem elektrischen Hauptspeisegenerator, welcher in einen elektrischen Stromkreis eingeschaltet ist, der die Plasmastrahlgencratoren und die Gasstrahlen bzw. nur die Gasstrahlen einschließt.

Es sind bereits derartige Vorrichtungen bekannt (FR-PS 14 69 629). Dabei ist jeder Lichtbogen-Plasmastrahlgenerator mit einem elektrischen Hilfsspeisegenerator versehen, um zumindest zu Beginn der Plasmaerzeugung 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 Plasmastrahlgenerators 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 werden, 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 Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen schematisch

Fig. 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,

F i g. 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 t. welcher einen Hauptspeisegenerator G aufweist. Vom Plasmastrahlgenerator C geht ein Plasmastrahl P aus, vom Plasmastrahlgenerator mit Düse A ein Gasstrahl E, welcher in der Düse A die Elektrode Ic umflutet. In den Strahlen P und £ wird außerhalb der Plasmastrahlgeneratoren eine Verminderung des elektrischen Widerstands hervorgerufen, so daß der elektrische Stromkreis 2 durch die Strahlen P und E geschlossen werden kann.

Der Plasmastrahlgenerator Cweist 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 £ gebildet 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 £ umflutet 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 F i g. I bis 3, wobei der 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 £, 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 dergleichen eine zeitweilige elektrische Verbindung zwischen der Elektrode lcder Düse A und dem Plasmastrahl Pher. Weiterhin k?nn bei gegenseitig beweglichem Plasmastrahlgenerator C und Plasmastrahlgenerator mit Düse A die Zündung auch so erfolgen, daß diese Plasmastrahlgeneratoren bis auf einen solchen Abstand einander genähert werden, daß die an den Klemmen des Hauptspeisegenerators G zur Verfügung stehende Spannung selbst die Ionisierung des von der Düse A ausgehenden Gasstrahles hervorruft. Die Ionisierung wird Jurch 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

Leistung des Generators H (kW)

Bedingungen. Tabelle I

Das Schließen des elektrischen Stromkreises 2 über die Gasstrahlen fund £ 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 Plasmastrahlgenerators, unberücksichtigt bleiben.

Vor allem können mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen Plasmastrahlen im Inneren von Gasströmen erzeugt werden, welche von den Düsen herrühren Leistung des und sehr viel geringere Durchsätze oder im Gegenteil Generators H sehr viel höhere Durchsätze (Menge je Zeiteinheit) 35 (kW) verwirklichen, als die klassischen Plasmastrahlgenerator ren, je nachdem, ob man laminare Plasmaströme Eo bzw. Plasmaströmc E₀ von großem Volumen und von entsprechend den Erfordernissen der Praxis mehr oder weniger großer Leistung und Temperatur zu erhallen wünscht.

Außerdem können mit den erfindungsgemaßen Vorrichtungen Plasmaslrahlcn im Inneren von korrosiven oder oxidierenden Gasen, wie beispielsweise Sauerstoff, erzeugt werden, welche auf die Plasma-Mrahlgcneratorcn ohne Einfluß sind.

Beispielsweise sind bei der Ausführungsform gcmall Fig. 1 die in der nachstehenden Tabelle I aufgeführten Ergebnisse ermittelt worden, wobei durch den Plasmastrahlgenerator C ein Stickstoffstrom mit einem s° Durchsatz, von 7 l/min und von der Düse A ein Argonstrom mit einem Durchsatz von ebenfalls 7 l/min geliefert wird, der Winkel zwischen den Achsen des Plasmastrahlgenerator« C und der Düse A 90° "betrügt, die Entfernung zwischen der Mündung des Plasmastrahlgencrutors C und dem Vereinigungspunkt der Strahlen P und E 13 cm ausmacht, und der Abstund zwischen der Mündung der Düse A und dem Vereinigungspunkt der Stömc Pund E5 cm betrügt. In der Tabelle I ist in der linken Spalte die von dem unter (to Spannung gesetzten Hilfsspeisegenerator H gelieferte Leistung, in der mittleren Spalte die vom Hauptspcisegencrutor G abgegebene Leistung und In der rechten Spalte das gemessene Verhältnis der in den Strahlen P₁ E und in dem aus deren Vereinigung resultierenden ft.s Strahl £?» verteilten Energie zu der von den Generatoren Gund //gelieferten Energie (Ausbeute, Wirkungsgrad) angegeben,

Leistung des
Generators C
(kW)

Wirkungsgrad

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

Aus der Tabelle 1 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 1 angegebenen Wirkungsgrade, welche aus Ergebnissen von Versuchen herrühren, bei denen die Gesamtleistungen gleich groß waren.

In der nachstehenden Tabelle Il 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 E von 7 bzw. 5 cm erzielt wurden, wobei die restlichen Versuchsbedingungen den oben angegebenen entsprechen.

Tabelle II

Leistung des
Generators G
(kW)

Wirkungsgrad

15 (60 V; 250 A)	60 (200 V; 300 A)	80%
15 •1° (60 V; 250A)	44 (200 V; 220 A)	75%
0	48 (230 V; 210 A)	90%

Bei den vorstehend geschilderten Ausl'ührungsformen gemiiß F i g. 1 und 2 ist die Elektrode teder Düse A mit der positiven Klemme des Hauptspeiscgcncrators G verbunden. Sie kann jedoch auch an die negative Klemme des Hiuiptspcisegcnerators G angeschlossen sein, wie es bei der Austührungsform gcmuß F i g. 3 der Fall ist, Statt dessen ist es auch möglich, die Elektrode limit einer der Klemmen eines einphasigen oder mehrphasigen Wcehsclstromgcncrators zu verbinden, wobei die Elektrode Ic sieh dann wie eine periodische Katode verhalt.

Nach der Zündung des Bogcns in den Strahlen /'und E und gegebenenfalls nach dem Abstellen des Hilfsspciscgencrators H kann auch wie bei der Ausführungsform nach \· i g. 2 eine der Elektroden des Plasmastrahlgenerator C₁ beispielsweise die Anode 3, mittels eines Unterbrechers 5 abgeschaltet werden, der im Stromkreis 2 angeordnet ist, Dann nimmt lediglich die Katode 4 des Plasmastrahlgenerator C am Stromdurchfluß teil, welcher den Plasmasirahl in den Strahlen P und E hervorruft, Es kann auch die umgekehrte Anordnung getroffen sein, nämlich eine Absi'haltmöglichkeit für die einzige Katode des

Plasmastrahlgenerator C vorgesehen sein. Auch können die beiden Elektroden 3 und 4 des Plasmastrahlgenerator Ckurz geschlossen werden.

Die Elektrode lcder Düse A verhält sich um so mehr wie eine Gleichstromkatodc bei einem gleichstrom- ^s liefernden Hauptspciscgenerator G oder wie eine periodische Katode bei einem Wechselstrom oder Mehrphasenstrom liefernden Hauptspeisegenerator G, wenn sie aus einem Elektronen oder ionicrsicrtc Teilchen liefernden Material besteht, beispielsweise aus Wolfram. Vorleilhafterweise 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 ι S 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 ^o 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 Zuführleitung 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 Durchsalz zugeführt wird.

Der Plasmastrahlgenerator CmuH nicht nur mit einer 4« einzigen Düse zusammenwirken, wie es bei den Ausführungsformcn gemäß Fig. I bis 3 der Fall ist, sondern kann mit mehreren Düsen Ai, A₂, Ai... A₁, zusammenwirken, welche derart angeordnet sind, daß die von ihnen herrührenden Gasstrahlen den Plasma- 4s strahl /'des Plasmastrahlgenerator ("schneiden, wobei in den von den »-Düsen ausgehenden »-Strahlen gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Zündungen elektrischer Bögen stattfinden, wenn der Huuplspci.segcncralor G in Betrieb gesetzt wird und Spannung .v> liefert,

Bei der Ausfülmingsform gemllll Fig.6 sind die Elektroden leder »-Düsen mil der positiven Klemme des gemeinsamen I luuplspcisegencrulors G verbunden. Bei eier Ausführungsform gemllll Fig.7 sind die Elektroden Ie der Düsen Ai, Ai... A_n jeweils mit »■verschiedenen Phasen u, /)...» eines mehrphasigen Wechselstromgenerators verbunden, dessen Phase (»+!) mit einer der Elektroden des Phisnuistrahlgenc' ralors C verbunden ist, und zwar je nach der Stellung (10 des Unterbrechers 17 zwischen llauptspeisegcncralor G und llilfsspeisegencriitor //. Nach der Zündung der elektrischen Bögen in den von den Düsen Ai, A₂... A_n ausgehenden Gasstrahlen auf die geschilderte Art und Weise kann die Zufuhr elektrischer Energie /um <>s Plasmastrahlgenerator. C abgestellt werden. Der Betrieb wird dann allein durch den vom I lauptspeisegcne-¹ C!gelieferten Strom aufrechterhalten.

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

Bei der Ausführungsforni gemäß Fig.8 sind Hilfsspeisegenerator und Hauptspciscgenerator in ein und demselben Generator G vereinigt, von dem beispielsweise die negative Klemme mit der Katode 4 des Plasmastrahlgenerators C verbunden ist, während die positive Klemme mit den Düsen A|, A₂, Aj... A_n bzw. deren Elektroden ic verbunden ist, und wobei schließlich die Klemme b mit Zwischenpotential über einen Widerstand 23 der Anode 3 des Plasmastrahlgenerators C verbunden ist. Liefert der Generator G vor der Zündung der Bögen in den Gasstrahlen £1, 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 /| den Plasmastrahl P des Plasmastrahlgenerators C aufrechterhält, während ein Strom der Stärke /₂ die n-Plasmastrahlen Ei, E₂... E_n aufrechterhält, welche in den von den Düsen Ai, A₂... A_n abgegebenen Gasstrahlen ausgebildet sind.

Der Widerstand 23 ist vorteilhafterweise so groß, daß die Stromstärke /1 bezogen auf die Stromstärke /₂ klein ist. Wenn jedoch aus irgendeinem Grund der durch den Plasmastrahl Pund die »-Plasmastrahlen der Düsen Ai, A₂... A_n gebildete elektrische Kreis unterbrochen wird, dann nimmt der Strom I\ wieder die ursprüngliche Stärke Ai an, so daß die neuerliche Zündung des elektrischen Stromes in den η-Gasstrahlen ermöglicht ist. Diese neuerliche Zündung bewirkt wiederum, daß die Stärke des Speisestroms des Plasmastrahlgenerators Cauf den Wert h abfällt.

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

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Stromkreise 2 und 6 mit dem 1 lauptspeiscgencrator G bzw. dem Hilfsspciscgcncrator // für die Plasmastrahlgenerator mit den Düsen Ai, A.>... A_n bzw. für den Plasmastrahlgenerator C welcher die Atmosphäre ionisiert, in welche die von den Düsen Ai, Ai... A_n ausgehenden, konvergierenden Gasstrahlen Ei, E₂... /:'„ eintreten, um ein leichteres Schließen des Stromkreises 2 über diese Strahlen zu erreichen, voneinander getrennt sein. Entsprechende Ausführungsformen sind in F i g. 9 bis 11 dargestellt.

Bei der Ausführungsforni gcmllU Fig.9 liefert dci llauptspeisegenerator G Wechselstrom, und sind sie elektroden leder Düsen Ai und Ai im den Generator C angeschlossen. Bei der Ausführungsform gcmUd Fig. K sind die Elektroden leder Düsen Ai, A; und A] mil der Phasen eines mehrphasigen Wechselstrom lieferndci I lauplspeisegeneriitors G verbunden.

Nach Zündung der Bögen in den von den Düsei ausgehenden konvergierenden Siruhlen kann in jeden Fall die Zufuhr elektrischer Energie /um Plasnuistriihl generator ("abgestellt werden, so dull sich Plusmiisiriih len aus sehr einfachen Düsen ergeben, die keine eigcm Zufuhr elektrischer Energie hüben.

Dies haben Versuche mit zwei b/\v. drei Düsei bestätigt, welche Argonstriihlen mil einem Durchsai /wischen I und K)O l/min lieferten und mit einphasige bzw. dreiphasiger elektrischer Energie von JHO Volt im ^r)0 I Iz. voi'sorgl wurden, wobei die Düsen so iingeordni

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

Der Plasmastrahlgenerator C wurde mit Stickstoff und mit einem Durchsatz von 7 l/min sowie mil Gleichstrom von 60 Volt und 250 Ampere gespeist, wobei die Vorderseite des Plasmastrahlgenerator Cim Abstand von 10 cm vom Konvergenzpun<t der Gasstrahlen angeordnet war.

Bach dem Löschen (.!es Plaiimastrahlgonerators C wurde für den zwischen den Düsen fließenden Strom eine Spannung von 100 V_t.ffiind eine Stärke von 280 A_c.// gemessen. Dies entspricht einer Dreiphiisenwechselstromleistung von 48,5 kW mil. 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 genäheirt werden, bis sie beispielsweise sich gegenseinig berühren, ohne daß :o 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 Plasmastrahleis P divergierende Ge- 2s stalt 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 Bögen 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 .(η ermöglicht diese Ausgestaltung insbesondere dann ein leichteres Aufrechterhalten des elektrischen Stromes in den Gasstrahlen mit Hilfe des Huuptspeisegcnerators G allein, wenn der Hilfsspeisegcnerator /■/ 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 über eine Leitung 31 zugeführt wird, und welcher eine konische Flache 32 aufweist, die sich zinn Plasmastrahlgenerator Chin erweitert, wobd die Achse des Ringes 30 nebst konischer Fläche 12 mit derjenigen des Plasmastrahlgenerator C fluchtet, Eine solche Ausgestaltung ist in F i g. 11 dargestellt.. <,<

Der Ring 32 bewirkt ein Zentrieren und Formen des Plusmustrahls vom Plusmustriililgencratör C und kann

Tubelle III

Gegenseitiger Elektrodenabstand (/(mm) Gegenseitige Elektrodenspannung V(VoIt) Stromstärke / je Phase

außerdem a?s Hauptanode dieses Plasmastrahlgenerators C'diencn, wenn er mit diesem elektrisch verbunden ist. wobei die innere Anode des Plasmastrahlgenerator C lediglich zur Zündung dient. Es kann dann ein Plasmastrahl größerer Leistung vom Plasmastrahlgenerator C erzielt werden, und zwar wegen der größeren Betriebspotentialdil'ferenz des Generators C. Außerdem kann der Beirieb des Plasmastrahlgenerator C unier Druck beträchtlich verbessert werden, wenn der Ring 30 als Hauptanode verwendet wird, beispielsweise wenn die gesamte Vorrichtung in einer Außenatmosphäre mit einem Druck zwischen beispielsweise 1 und 20 Bar arbeitet.

Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. IL kann der Plasmastrahlgenerator C mit Ring 30 vorteilhafterweise mit gruppenweise angeordneten Plasmastrahlgencratoren zusammenwirken, wobei jede Gruppe beispielsweise drei Plasmastrahlgeneratoren mit Düse Ai bzw. A₂ bzw. Ai und mit wassergekühlter Kupferelektrocle Ic aufweist, der über eine Zuführleitung Stickstoff oder ein anderes zu erwärmendes Strömungsmittel zugeführt wird. Die Elektroden lcjcdcr Gruppe Gi bzw. G₂ bzw. ... von Plasmastrahlgeneratoren sind jeweils mit einer Phase eines Dreiphasensiromgenerators 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 Plasniastrahlgeneratoren jeder Gruppe gleichmäßig um die Vorrichtungslängsachsc herum angeordnet sind, also die Achsen zweier benachbarter Plasmastrahlgenerator einen Winkel von 120° miteinander einschließen. Die Längsachse eines jeden Plasmastrahlgenerators mit Düse A und Elektrode Ic schließt dabei mit der Vorrichtungslängsachse bzw. der Längsachse des Plasmastrahlgenerators Ceincn Winkel von 60" ein, wie in Fig. 11 dargestellt.

Beim Betrieb wird so vorgegangen, daß man den Plasmastrahlgenerator C zündet und den Durchsatz an plasmabildendem Gas bzw. Strömungsmittel sowie die elektrische Leistung so einstellt, daß sich die erforderliche Ionisierung des Raumes zwischen den Elektroden ergibt, und zwar nach dem Durchgang des Strahles durch den Zentrierring 30. Unter diesen Bedingungen läuft der Dreiphascnwechselstrom zwischen den Elektroden entlang den Gasstrahlen, die ihnen zugeordnet sind. Man kann daher den Abstand der Elektroden It' stark vergrößern, und zwar mittels der Getriebe Erforderlichenfalls kann der Plasmastrahlgenerator C abgestellt werden. Die Gasdurchsätze der Plusmustrahl· generatoren mit den Elektroden Ic können stark verändert werden.

Eine Vorrichtung mit einer solchen Gruppe von Plusmustruhlgenerutoren hut zu den in der nachstehen· den Tabelle III aufgeführten Ergebnissen geführt.

30	40	b0	too	120
90	100	140	200	220
160	160	IBO	200	200
24,5	27	43,6	69,7	76,1

Der Plasmastrahlgenerator C arbeitet beim Zünden mit 60 V, 400 A und einem Stickstoffdurchsatz von 20 l/min. Der Durchsatz an jeder der Elektroden Ic liegt in dor Größenordnung von JO l/min. Der gegenseitig Elektrodenabstand t/ ist zwischen den ElcktrodcnspH zcii genommen, jedoch ist der wirkliche Stromweg vo

Elektrode zu Elektrode länger, da er durch den Vereinigungspunkt der drei Plasmastrahlen läuft. Der energetische Wirkungsgrad liegt in der Größenordnung von 90¹Vn.

Mit diesen Vorrichtungen lassen sieh Plasmen von großem Volumen und großer Energie hervorbringen, wobei eine weitere Steigerung durch Auseinanderbewe gung der Plasmasirahlgeneraioren 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, Gi... von Plasmastrahlgeneratoren mit Elektroden Ic vorgesehen sein. Jede dieser Gruppen weist drei identische Elektroden Ic auf, welche jeweils von einem Gasstrahl umflutet sind. Wenn der Plasmastrahlgenerator C den Raum zwischen den Elektroden I eder ersten Gruppe Gi ionisiert, dann kann diese Gruppe G\ arbeilen und mit ihrem Plasmastrahl die Zündung der folgenden Gruppe Ch ermöglichen, usw.

Da die Plasmastrahlen immer stärker werden, kann der Abstanil 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 tier Anzahl der Gruppen, wobei man von einem Plasmastrahlgenerator ([^geringerer Stärke oder Leistung ausgehl.

Bei der erindungsgemaßen Vorrichtung ist lediglich ein sehr einfacher, elektrischer Stromkreis mit Hauptspeisegenerator G erforderlich, desgleichen nur ein Plasmastrahlgenerator, weicher zur Zündung einen Plasmastrahl liefert. Obwohl vorstehend lediglich ein mit Gleichstrom bzw. Wechselstrom bzw. llochfrcciuenzstrom betriebene!· 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 Zimdhögen.

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

Desgleichen ist der Betrieb der erfindungsgemiiUen Vorrichtungen vom Durchsat/, jeder der Düsen praktisch unubhüngig, so daß laminare Plasmastrahlen bei beliebig geringen Durchsützen hervorgebruchi werden können, wobei das voraussehbarc Minimum in allen Fällen beträchtlich geringer ist als der Mindestspeisegasdurehsatz eines klassischen Plasmastrahlgenerator, so daß die Sutrme der von diesen Düsen ■- ausgestoßenen Elementarstrahlen einen resultierenden Strahl von gleichfalls laminarem Charakter ergibt. Umgekehrt können auch Plasmastrahlen sehr großen Volumens erzeugt werden.

Es kann auch in weitem Ausmaß auf die Gestalt des

ίο aus der Vereinigung der Strahlen E\, Ej.../:',, resultierenden Strahls Eo eingewirkt werden, indem man die gegenseitige Anordnung der Düsen A beeinflußt und/oder Hilfsgasströme heranzieht, welche von elektrischem Strom nicht durchströmt werden und die

is Orientierung in eine gewünschte Richtung beeinflussen.

Nach der Zündung kann weiterhin das Gas

mindestens eines des zur Zündung verwendeten Strahles durch ein anderes Gas ersetzt werden, beispielsweise durch ein für eine direkte Zündung

^c weniger geeignetes Gas, wobei der Durchfluß elektrischen Stroms nicht unterbrochen wird.

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

-s geringen Verschleißes der Düsen, des Fehlens von Isolierungsschwierigkeiten der Bauteile jeder der Gassirahlquellcn gegeneinander wegen desselben Potentials derselben und der Ennktionsfähigkeit sowohl unter vermindertem als auch unter erhöhtem Druck

>> gegeben.

Das Einsatzgebiet tier erfindungsgemäßen Vorrichtung isi groß. Beispielsweise können die Düsen an Ofen, insbesondere in deren Deckel, angeordnet werden, wobei die Düsen in den Innenraum des Ofens gerichtet

is sind und von einem einzigen Plasmastrahlgenerator gezündet werden, insbesondere von einem Generator aus, der am Ofendeckel angeordnet ist. Weiterhin ist die Vorrichtung zur Behandlung von Stoffen geeignet, beispielsweise zum Schweißen, Schneiden, Schmelzen,

•|i> ferner zur Behandlung von Pulvern, insbesondere feuerfesten Pulvern, durch Einspritzen derselben in das Innere eines oder mehrerer Plasmastrahlen, wobei die Verweilzeiten dieser Pulver zu berücksichtigen sind, welche sehr viel länger sein können, als bei den

•is bekannten Vorrichtungen. Sie können auch zur Erhitzung von Gasen, Dämpfen oder Gemischen jeder Art und unter jedem Druck verwendet werden, wobei die Erhitzung direkt erfolgen kann, wenn das zu erwärmende Gas einer Batterie der erwähnten Düsen

ν zugeführt wird. Weiterhin können die Vorrichtungen zur Durchführung verschiedener chemischer Reaktionen verwendet werden. Sie sind auch geeignet zum Plasmaantrieb mittels Urzeugung eines sehr heißer Gasstrahles mit großem Durchsatz und einem Druck

ss von einigen Dckubnroder mehr.

Hierzu (ι lilall /eichmmucii

Claims (14)

Patentansprüche:

1. 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 Hauptspeisegenerator, welcher in einen elektrischen Stromkreis eingeschaltet ist, der die Plasmastrahlgeneratoren und die Gasstrahlen einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß nur einem Teil der Plasmastrahlgeneratoren jeweils ein Hilfsspeisegenerator zugeordnet ist, und daß beim anderen Teil der Plasmastrahlgeneratoren die Elektroden (tcjsich mindestens bis 2ur Mündung der Düsen erstrecken und an den Hauptspeisegenerator angeschlossen sind.

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 Hauptspeisegenerator, welcher in einen elektrischen Stromkreis eingeschaltet ist, der die Gasstrahlen einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß nur einem Teii der Plasmastrahlgeneratoren jeweils ein Hilfsspeisegenerator zugeordnet ist, und daß beim anderen Teil der Plasmastrahlgeneratoren die Elektroden (Icy sich mindestens bis zur Mündung der Düsen erstrecken und an den Hauptspeisegenerator angeschlossen sind, dessen Stromkreis von jedem Hilfsspeisegenerator-Stromkreis getrennt ist.

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 (E\ bzw. £2... E_n) zwischen Düse (A\ 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 (E\, E₂... E_n) eintreten, zur Zündung elektrischer Bögen in den Gasstrahlen ionisiert.

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 (H) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (Ic^ der Plasmastrahlgeneratoren ohne Hilfsspeisegenerator an 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 (Omit Hilfsspeisegenerator (4) verbunden ist,

6 Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (Ic; der Plasmastrahlgeneratoren ohne Hilfsspeisegenerator 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 (C) mit Hilfsspeisegenerator (^verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (3) des Plasmastrahlgenerators (C)mit Hilfsspeisegenerator (H)\n Richtung des davon ausgehenden Plasmastrahls (P) divergierend ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zum Plasmastrahlgenerator (C) fluchtend angeordneter Ring (30) vorgesehen ist, welcher eine sich zum Plasmastrahlgenerator (C) hin erweiternde konische Fläche (32) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (30) mit einer der Elektroden des Plasmastrahlgenerator (C) elektrisch leitend verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (30) in den Stromkreis mit dem Hauptspeisegenerator (G) eingeschaltet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einige Plasmastrahlgeneratoren gegenseitig verschiebbar angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Plasmastrahlgenerator entlang der Längsachse verschiebbar ist.

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; Ei, E₂... E_n) des bzw. der anderen Plasmastrahlgeneratoren nach dieser Zündung unterbrochen wird.

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. Gi... G_x) nach denjenigen der vorhergehenden Gruppe gezündet werden, beginnend mit der dem Ursprung des Plasmastrahls nächstliegenden Gruppe (Gy), 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.