DE2057125A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Stabih sieren eines Lichtbogens - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-INQ. QERHARD SCHWAN

8 MÖNCHEN 80 · QOERZER STRASSE 15 Ort AUy JQ-Jft

L-791Q-C '

UNION CARBIDE CORPORATION 270 Park Avenue, New York, N.Y. 10017, l/.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zum Stabilisieren eines Lichtbogens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Stabilisieren eines Lichtbogens» Insbesondere befaßt- sich die Erfindung mit einem Verfahren und einer Vorrichtung, bei denen ein Lichtbogen zwischen zwei axial in Abstand voneinander angeordneten Elektroden gezündet wird, von denen mindestens eine eine gekühlte Hohlelektrode ist, wobei der Raum zwischen den Elektroden von einer Kammer umschlossen ist.

Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Lichtbogens mit zwei axial in Abstand voneinander angeordneten Elektroden, bei der eine oder beide Elektroden hohl ausgebildet sind und eine Lichtbogenkammer vorgesehen ist, ist beispielsweise aus der US-PS 3 364 387 bekannt. Vorrichtungen dieser Art werden u.a. als Gaserhitzer und als Strahlungsquelle benutzt.

Die Verwendung solcher Vorrichtungen als Strahlungsquelle erlangt auf dem Gebiet der Bestrahlung von Chemikalien zunehmende Bedeutung. Dabei wird das Licht, das von dem in diesen Vorrichtungen erzeugten Lichtbogen ausgeht, ausgenutzt, um

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FERNSPRECHER 0811/40 101» · KABEL: ELECTRICPATENT MÖNCHEN

Chemikalien mit Geschwindigkeiten auszuhärten, die bisher unerreicht waren oder als unerreichbar galten. Bei solchen Anwendungsfallen kommt es entscheidend darauf an, da3 der Lichtbogen extrem stabil ist, d.h., daß die Lichtbogenlange nicht schwankt und damit die Lichtbagenleistung beeinflußt wird, was seinerseits als ein Flackern des Lichtbogens in Erscheinung treten würde, das Einfluß auf den Bestrahlungsprozeß hat. Bei den bis jetzt verwendeten Geräten muOte eine Instabilität des Lichtbogens in Kauf genommen werden, die darauf zurückzuführen ist, daß der Ansatzpunkt des Lichtbogens entlang der Innenfläche der Hohlelektrode wandert. Bei derartigen Geräten wird im allgemeinen ein Gaswirbel in dem Raum zwischen den Elektroden ausgebildet. Das wirbelnde Gas, für gewöhnlich Argon oder ein anderes inertes Gas-, wie Krypton und Xenon, sucht den Bogenansatzpunkt tief in die Hohlkathode hineinzutreiben. Der Bogen hat seinerseits das Bestreben, zurück aus der Hohlkathode herauszuwandern und wird durch das wirbelnde Gas zurückgetrieben. Dadurch kommt es zu einer oszillierenden Bewegung des Lichtbogens und zu Lichtbogeninstabilitäten.

lYlit der Erfindung sollen Mangel der geschilderten Art ausgeräumt werden. Es sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, dta für Bxtrem stabile Lichtbogen sorgen.

Dieae Aufgabe uiird bat einem Verfahren zum Stabilisieren eines Lichtbogens in einem mit Lichtbogen arbeitenden Gerät, das

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zwei axial in Abstand voneinander angeordnete Elektroden aufweist, von denen mindestens eine eine flüssigkeitsgekühlte Hohlkathode ist, die in einer Kammer sitzt, die einen größeren Durchmesser als die Elektroden hat und den Raum zwischen den Elektroden umschließt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Kühlflüssigkeit an der Außenfläche der Hohlkathode mit derart unterschiedlicher Geschwindigkeit entlanggeleitet wird, daß an der Innenfläche der Hohlkathode eine als Bogenansatzzone wirkende Zone gebildet wird, deren Temperatur höher als die Temperatur an anderen Stellen der Kathodeninnenfläche ist.

Die Erfindung geht von der bekannten Tatsache aus, daß ein Lichtbogen an der heißesten Stelle anzusetzen sucht, die er auf der Kathode finden kann. Die Erfindung erlaubt es, auf der Innenfläche der Hohlkathode eine sehr heiße Zone von sehr kleiner axialer Länge aufrechtzuerhalten. Dies hat zur Folge,* daß der Bogenansatzpunkt wesentlich weniger als bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen wandert, wodurch ein stabilerer Lichtbogen und stabilere Lichtbogenspannung und -leistung erhalten werden.

Vorzugsweise wird die heiße Zone nahe dem Einlaß der Hohlkathode ausgebildet, weil dadurch der Wirkungsgrad verbessert wird. Uienn nämlich der Lichtbogen in die Kathode hineingetrieben wird, trifft ein Teil der vom Lichtbogen emittierten Strahlung auf die Kathodenwände und nicht auf das Werkstück.

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Eine erfindungsgemäß aufgebaute Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daG in einem die Hohlkathode umfassenden Kühlmantel eine KühlmantBltrennwand benachbart der Außenfläche der Hohlkathode angeordnet ist und zusammen mit dieser einen Kanal mit sich änderndem Querschnitt bildet, der dem durchströmenden Kühlmittel eine sich entsprechend ändernde Geschwindigkeit aufzwingt.

Weitere merkmale, Vorteile und Aniuendungsmög 1 ichke iten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In den beiliegenden Zeichnungen zeigt:

Figur 1 einen Querschnitt einer erfindungsgemäß aufgebauten Vorrichtung, und

Figur 2 in größerem Maßstab einen Schnitt durch die Hohlkathode nach Figur 1, die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren gekühlt ist.

Es wurde gefunden, daß durch Anordnen eines Ziuischenelements oder einer Kühlmitteltrennwand in dem die Hohlkathode umgebenden Kühlmittelkanal die Geschwindigkeit der an der Außenfläche der Hohlkathode entlangströmenden Kühlflüssigkeit derart unterschiedlich gehalten werden kann, daß an der Innenfläche der Kathode für eine heiße Zone gesorgt wird, an der der Lichtbogenansatzpunkt bei einem beliebigen vorgegebenen Strom zu bleiben sucht, wodurch für eine bessere Spannungs-

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Stabilität gesorgt wird.

Figur 1 zeigt Bin typisches Lichtbogenbestrahlungsgarät, das insgesamt mit T bezeichnet ist. Geräte dieser Art haben im allgemeinen zuiei Elektroden 1 und 3, von denen eine eine Hohlkathode ist. Bsi der veranschaulichten Ausführungsform ist die Elektrode 3 so angeschlossen, daß sie die Kathode bildet, Dbt Raum zwischen den Elektroden 1 und 3 ist von einem Quarzmantel E umschlossen, der aus einem inneren Quarzrohr 11 und einem äußeren Quarzrohr 1D besteht. Bei dem gezeigten Gerät wird ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, das am Einlaß 8 eintritt, zwischen die Quarzrohre 10 und 11 geleitet; es tritt über den Auslaß 14 aus. Es versteht sich, daß anstelle von Uiasser auch ein anderes Kühlmittel verwendet werden kann. Ein Lichtbogengas wird in den Raum zwischen den Elektroden 1 und 3 über den Einlaß 7 eingeleitet, durchströmt den Kanal 9 (Figur 2) und tritt über den Kanal 13 in den Ringraum 12 zwischen der Elektrode 3 und dem inneren Quarzrohr 11 ein, um dort einen GasuiirbBl auszubilden. Das Gas tritt dann über die Hohlkanäle in den Elektroden 1 und 3 aus. Das austretende Gas kann, falls erwünscht, wieder zum Gaseinlaß zurückgeführt werden.

Wie insbesondere aus Figur 2 hervorgeht, weist die Elektrode 3 einen Körper 17 auf, der im allgemeinen aus Kupfer gefertigt ist und der an seiner Innenfläche nahe der Mündung das Körpers 17 mit einem Einsatz 19 versehen ist, der für gewöhnlich aus Wolfram oder thoriertem Wolfram besteht. Ein Kühlmantel 21

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umgibt den Körper 17. In dam Kühlmantel 2Ί ist eine Kühlmitteltrennujand 23 angeordnet, die einen abgeschrägten oder konischen Abschnitt 22 besitzt. Der konische Abschnitt 22 reicht von dem der Mündung des Körpers 17 am nächsten liegenden Ende der Trennwand 23 nach hinten in den rückuiärtigen Teil des Elektrodenkörpers 17. Der konische Abschnitt 22 bildet zusammen mit der Außenfläche 24 des Elektrodenkörpers 17 einen Kanal 25 mit sich änderndem Querschnitt. Der Bereich mit dem größten Querschnitt liegt am Mündungsende der Elektrode; die Querschnittsfläche nimmt gegen den hinteren Teil des Elektrodenkörpers 17 allmählich ab. Ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, tritt in das Gerät über den Einlaß 26 ein, gelangt in den Kühlmantel 21 und strömt um die Trennwand 23 hBrum. Da der größte Querschnitt des Kühlmittelkanals 25 am fflündungsende des Elektrodenkörpers 17 liegt, hat das Wasser dort eine niedrigere Strömungsgsschwind igke it als in den Bereichen des Kühlmittelkanals 25 mit kleinerem Querschnitt. Die Kühluiirkung ist infolgedessen am lYlündungsende des Elektrodenkörpers 17 kleiner, ujas zur Folge hat, daß dieser Abschnitt eine höhere Temperatur annimmt als jede andere Zone der Innenfläche der Elektrode 3. Dadurch wird eine Lichtbogenansatzzone ausgebildet, von der der Lichtbogen nicht wegtuandert.

Die für eine sich ändernde Kühlmittelgeschwindigkeit sorgende Trennwand bewirkt, daß ein wohldefinierter Bereich von kurzer axialer Länge an der Innenseite der Hohlelektrode ständig

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auf einer Temperatur liegt, die eine Elektronenemission begünstigt. Eine derartige Stabilisierung das Ortas das Kathodanansatzpunktas hat zur Folge, daß Strom, Spannung, L&istung und Helligkeit des Lichtbogens stabil sind. Die minimale Energie kommt dam mittleren Energiewert des Lichtbogens wesentlich näher. Insbesondere in Anwendungsfallen, bei denen das Gut dar 5trahlungsen8rgi8quelle nur kurzzeitig ausgesetzt uierden muß, uiird der Gebrauchswert des Gerätes entscheidend verbessert. Schwankt die Lichtbogenanergie, wie dies bei einer herkömmlichen, für eine konstante Geschwindigkeit sorgenden Kühlmitteltrennwand der Fall ist, läßt sich nur dia minimale Energie und nicht die mittlere Energie ausnutzen, weil andernfalls die Gefahr besteht, daß bestimmte Teile des Gutes nicht ausreichend bestrahlt werden.

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Claims (5)

1. Anspruchs

   ( 1.!Verfahren zum Stabilisieren eines Lichtbogens in einem mit Lichtbogen arbeitenden Gerät, das zuiei axial in Abstand voneinander angeordnete Elektroden aufweist, won denen mindestens eine eine flüssigkeitsgekühlte Hohlkathode ist, die in einer Kammer sitzt, die einen größeren Durchmesser als die Elektroden hat und den Raum zwischen den Elektroden umschließt, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlflüssigkeit an der Außenfläche der Hohlkathode mit derart unterschiedlicher Geschwindigkeit entlanggeleitet wird, daß an der Innenfläche der Hohlkathode eine als Bogenansatzzone wirkende Zone gebildet wird, deren Temperatur höher als die Temperatur an anderen Stellen der Kathodeninnenfläche ist.
2. 2. Verfahren zum Stabilisieren eines Lichtbogens in einem mit Lichtbogen arbeitenden Gerät, das zuiei axial in Abstand voneinander angeordnete Elektroden aufweist, von denen mindestens eine eine flüssigkeitsgekühlte Hohlkathode ist, die in einer Kammer sitzt, die einen größeren Durchmesser als die Elektroden hat, die den Raum zwischen den Elektroden umschließt und in der ein Gaswirbel ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlflüssigkeit an der Außenfläche der Hohlkathode von einem zum anderen Ende entlanggeleitet und dabei die Geschwindigkeit der Kühlflüssigkeit derart erhöht

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   wird, daß am einen Ende dar Innenfläche der Hohlkathode eine als Boganansatzzone wirkende Zone gebildet wird, deren Temperatur höher als die Temperatur an anderen Stellen der Kathodeninnenfläche ist,
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Bagenansatzzone höchstens gleich dem zweifachen U/ert des Innendurchmessers der Hohlkathode ist.
4. 4. Vorrichtung zum Erzeugen eines stabilen Lichtbogens mit zwei axial in Abstand voneinander angeordneten Elektroden, won denen mindestens eine eine Hohlkathode ist, an deren Innenfläche der Lichtbogen ansetzt, und einer Kammer, die einen größeren Durchmesser als die Elektroden hat, die den Raum zwischen den Elektroden umschließt und in die ein Gas einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einem die Hohlkathode (3) umfassenden Kühlmantel (21) eine Kühlmitteltrennuiand (23) benachbart der Außenfläche (24) der Hohlkathode angeordnet ist und zusammen mit dieser einen Kanal (25) mit sich änderndem Querschnitt bildet, der dem durchströmenden Kühlmittel eine sich entsprechend ändernde Geschwindigkeit aufzwangt.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des von der Außenfläche (24) der Hohlkathode (3) und der Kühlmitteltrennwand (23) begrenzten Kühlmittelkanals (25) am einen Ende der Hohlkathode am größten ist

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   und von dort zu einem Kleinstwert allmählich abnimmt, so daß die Hohlkathode unterschiedlich stark gekühlt wird.

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