DE2033072B2

DE2033072B2 - Lichtbogen-plasmabrenner mit einer gekuehlten kathode und gekuehlten anode

Info

Publication number: DE2033072B2
Application number: DE19702033072
Authority: DE
Inventors: David John Miller; Wheeler Jeremy Charles Gardener; Hill Joseph Kenneth; London Dobbs
Original assignee: British Railways Board, London
Priority date: 1969-07-04
Filing date: 1970-07-03
Publication date: 1972-09-21
Also published as: NL7009783A; AT308260B; ZA704199B; DE2033072A1; FR2054127A5; CH517550A; GB1268843A; AU1668170A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Lichtbogen-Plasmabrenner mit einer gekühlten Kathode und einer gekühlten Anode, die gleichachsig und mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind und an der Brennerspannung liegen, mit einer Schutzgaszuführung im Kathodenhalter, die das Schutzgas in axialer Richtung entlang der Kathode strömen, läßt, sowie einer tangential gerichteten Betriebsgaszuführung in einem die Elektroden beabstandendem Isolierkörper.

Lichtbogen-Plasmabrenner dieser Art sind bereits bekannt (französische Patentschrift 1 225 906), wobei um die Kathode und gegebenenfalls zusätzlich in der Anode eine Hülse unter Ausbildung eines Ringspaltes angeordnet ist, durch den ein Schutzgas zum Schütze der Elektroden strömt; zum Zünden des Lichtbogens muß der Abstand zwischen Anode und Kathode durch ein Verdrehen des Kathodenhalters verringert werden, so daß die konstruktive Lösung aufwendig ist.

Es ist auch bekannt (französische Patentschrift 1301152), durch eine turbulente Strömung des zugeführten Gases an der Oberfläche der Kathode einen Unterdruck zu erzeugen, wodurch ein direkter Kontakt der Kathode mit den heißen Gasen vermieden und folglich eine Erhöhung der Lebensdauer der Kathode erzielt werden kann.

Es ist auch bekannt (Zeitschrift für angewandte Physik, Band 23, 1967, Seite 316), bei einem Plasmabrenner zur Erzeugung eines schnellen Argon-Atomstrahles zwischen Kathode und Anode eine stromlose Zwischenelektrode isoliert anzubringen, die zum Zentrieren des Gasstromes und des Lichtbogens dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Lichtbogen-Plasmabrennern der eingangs erwähnten Gattung den Schutz der Kathode noch wirkungsvoller zu gestalten und gleichzeitig ihren konstruktiven Aufbau zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Anode und dem Kathodenhalter eine mittels eines isolierenden Ringkörpers von der Anode beabstandete, zu den übrigen Elektroden koaxiale Zündanode angeordnet ist, der Ringkörper Bohrungen aufweist, durch die das Betriebsgas einströmt und in dem von der Kathode, dem Kathodenhalter und der Zündanode umschlossenen Raum ein Gasdruck herrscht, der über dem Gasdruck liegt, welcher in dem Raum vorhanden ist, der von der Zündanode, dem Ringkörper und der Anode umgeben ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzgaszuführung im Kathodenhalter ein Ringspalt oder ein koaxialer Kranz von Bohrungen.

In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Zündanode einen zylindrischen Mantelwasserkühler auf. In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Anode einen zylinderförmigen Raum für Kühlwasser auf.

Bei diesem Lichtbogen-Plasmabrenner, bei dem das Inertgas die Zündung eines Pilotbogens zwischen Kathode und erster Anode, d. h. Zündanode und anschließenden Übergang des Bogens auf die zweite Anode, d. h. eigentliche Anode erlaubt, und an der eine höhere Spannung anliegt als an der Zündanode, ist es möglich, Druckluft als den überwiegenden Bestandteil des Plasmas zu verwenden, ohne daß die Gefahr der Beschädigung der Kathode infolge der Reaktion des Luftsauerstoffes bei den hohen Temperaturen besteht. Das um die Kathode zugeführte Inertgas wirkt als Schutzschild, so daß der Sauerstoff daran gehindert ist, die Oxydation der Kathode zu fördern. Sie kann deshalb aus einem Material hergestellt werden, das weitere spezielle Eigenschaften für diesen Verwendungszweck aufweist.

Der Überdruck des Inertgases, das der Bohrung der ersten Anode mittels eines ringförmigen Spaltes und/oder eines Kranzes von Bohrungen um die Kathode zugeführt wird, verhindert daß Luft in Aufwärtsrichtung der Bohrung zurückdiffundiert und eine Korrosion der Kathode verursacht. Ein Ionenbeschuß der Kathode wird auf die Inertgasionen beschränkt, insbesondere die Argonionen allein. Jedoch ist auf diese Weise lediglich die Kathode abgeschirmt.

Das zuerst genannte Gas, das im wesentlichen tangential und vorzugsweise in Abwärtsrichtung in

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die Plasmakammer eingeleitet wird, unterstützt eine der Kathode 1 durch einen Ringspalt 12 getrennt

Einschnürung des Bogens und verstärkt den Schutz ist, durch welchen Argon an einer Stelle IJ unter

des Brenners vor Zerstörung durch Wärme. Überdruck zugeführt wird, beispielsweise bei einem

Ein weiterer Vorteil des Brenners liegt darin, daß Druck von weniger als 0,703 kg/cm- und einem

der Fußpunkt des Bogens an der von der Kathode 5 Durchsatz von etwa 0,22 bis 0,28 m^s pro Stunde,

entfernten Stelle in der Bohrung der Anode gehalten In Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels oaer

wird und zusätzlich um diese Bohrung rotiert Diese zusätzlich zu dem Spalt 12 kann em koaxialer Kranz

Maßnahme gewährleistet eine gleichmäßige Vertei- von Bohrungen 15 vorgesehen sein und zwar lur nie

lung der Wärme in der Anodenöffnung und erlaubt Zuleitung von Argon. Die Bodenflache der z.una-

eine wirksame Anordnung von Kanälen für das io anode 7 ist von der Oberseite einer zweiten Anode,

Kühlwasser innerhalb der Anode infolge der Tat- d. h. der eigentlichen Anode 16 mittels eines King-

sache, daß der Fußpunkt des Bogens in longitudi- körpers 17 aus hitzebeständigem Isoliermaterial ge-

naler Richtung fixiert ist. trennt. Durch ihn sind quer verlaufende Bohrungen

Bei einem Brenner, bei dem die Luft der überwie- 18 geführt, über welche Druckluft zugeführt wird,

gende Bestandteil ist, bis zu 95 o/o, mit Argon als 15 die in die Plasmakammer 10 im wesentlichentangen-

Restgas oder einem anderen Inertgas, ist die Bogen- tial und in Abwärtsrichtung eintritt; beispielsweise

spannung höher und — bei gegebener Leistung, — bei einem Druck von ungefähr 056 kg/cm- und

der von dem Brenner gezogene Strom niedriger als bei einem Durchsatz von ungefähr 4,8 m pro

mit anderen Gasen, so daß die Erosion der Elek- Stunde. ,

trode vermindert ist. Typische Arbeitsbedingungen 20 Der Ringkörper 17 kann in geeigneter weise aus

sind etwa 120 Volt und etwa 160 Ampere; jedoch ist einer Asbestmischung bestehen. Die Anode Ib weist

ein größerer Spannungsbereich beispielsweise zwi- einen zylinderförmigen Raum 19 tür Wasser am,

sehen 100 und 300 Volt und ein Strombereich bei- der ihren zentralen Kanal 20 umgibt, welcher den

spielsweise oberhalb 130 Ampere anwendbar. Auslaß des Brenners bildet. Die Anoden 7, 10

Der Brenner gestattet eine größere Länge des 25 können z.B. aus Kupfer oder einer Kupterlegie-

Bogens zu erhalten, so daß dadurch die Erosion der rung hergestellt sein.

Elektroden bei gegebener Leistung zusätzlich ver- In konstruktiver Hinsicht können die leiieii, mindert wird, und zwar auf Grund der Tatsache, daß 7,17 und 16 mittels Bolzen miteinander verbunden der Spannungsabfall am Bogen vergrößert und der sein, die sich in Längsrichtung der Anoden erstrek-Strom vermindert ist. 3° ken; sie können auch durch Einbetten in ein hi ze-Ein Ausführungsbeispiel einer Brennerkonstruk- beständiges Isoliermaterial fest zusammengehalten tion wird an Hand der Zeichnung erläutert, welche werden. . .
einen schematischen axialen Schnitt durch einen Der negative Pol einer Energiequelle 21 ist mit Brenner zeigt. der Kathode 1 und ihr positiver Ausgang mit der Bei dem dargestellten Brenner ist eine wasser- 35 zweiten Anode 16 und weiterhin — getrennt —über gekühlte Kathode 1 vorgesehen, wobei das Wasser einen Schalter 22 und einen Widerstand 22 mit der bis zu einer Stelle oberhalb einer aus Wolfram gebil- ersten Anode 7 verbunden. Beim *^c™™^en ^des deten Spitze 2 mittels einer zentralen Leitung 3 züge- Schalters wird eine Spannung an die Kathode 1 und führt und in Aufwärtsrichtung durch einen Ring- die erste Anode 7 angelegt so daß der Pilot- oder spalt 4 zwischen dieser Leitung und der Außenseite 40 Zündbogen, wie oben erwähnt, gezündet wird. Zum der Kathode weggeführt wird. Ein äußerer Teil 5 der Zünden des Brenners geht der Bogen teilweise von Kathodenspitze 2 ist von umgekehrter konischer selbst von der ersten Anode 7 auf die zweite Anode Gestalt und ist in einem umgekehrten konischen 16 über; durch Öffnen des Schalters 22 ist der soge-Raum 6 der Zündanode 7 angeordnet. Die Zünd- nannte Bogenübertragungs-Prozeß beendet. Der anode 7 ist mit einem zylindrischen Mantelwasser- 45 Brenner arbeitet dann mit nicht übertragenem Lichtkühler 8 versehen, der diesen Raum und einen bogen. .
koaxialen Kanal 9 der Zündanode umgibt, welcher Ein derartiger Brenner kann in geeigneter Weise zu einer Plasmakammer 10 des Brenners fHhrt. Ober- bei einer Brennerspannung von ungefähr 170 Volt halb der Zündanode 7 erstreckt sich in Aufwärts- und mit einem Brennerstrom von ungefähr 180 Amrichtung ein Isolierkörper 11, der von der Außenseite 50 pere betrieben werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtbogenplasmabrenner mit einer gekühlten Kathode und einer gekühlten Anode, die gleichachsig und mit axialem Abstand zueinander angeordnet sind und an der Brennerspannung liegen, mit einer Schutzgaszuführung im Kathodenhalter, die das Schutzgas in axialer Richtung entlang der Kathode strömen läßt, sowie einer tangential gerichteten Betriebsgaszuführung in einem die Elektroden beabstandenden Isolierkörper, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Anode (16) und dem Kathodenhalter (11) eine mittels eines isolierenden Ringkörpers (17) von der Anode beabstandete zu den übrigen Elektroden koaxiale Zündanode (7) angeordnet ist, der Ringkörper (17) Bohrungen (18) aufweist, durch die das Betriebsgas einströmt und in dem von der Kathode (1), dem Kathodenhalter (11) und der Zündanode (7) umschlossenen Raum (6) ein Gasdruck herrscht, der über dem Gasdruck liegt, welcher in dem Raum (10) vorhanden, der von der Zündanode (7), dem Ringkörper (17) und der Anode (16) umgeben ist.

2. Lichtbogenplasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgaszuführung im Kathodenhalter ein Ringspalt ist.

3. Lichtbogenplasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzgaszuführung im Kathodenhalter ein koaxialer Kranz von Bohrungen (15) ist.

4. Lichtbogenplasmabrenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündanode (7) einen zylindrischen Mantelwasserkühler (8) aufweist.

5. Lichtbogenplasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (16) einen zylinderförmigen Raum (19) für Kühlwasser aufweist.