DE2162024B2 - Vorrichtung zur Plasmaerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur

ίο Plasmaerzeugung der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Gattung gemäß Patent 19 65 576. Bei einer Ausführungsform des Gegenstands des Patentes 19 65 576 sind der elektrische Hilfsspeisegenerator eines Plasmastrahlgenerators und der elektrische

ι⁵ Hauptspeisegenerator, dessen Stromkreis von dem Hilfsspeisegenerator-Stromkreis getrennt ist, zu einem einzigen elektrischen Generator zusammengefaßt Dabei sind der dem Hilfsspeisegenerator zugeordneten Plasmastrahlgenerator und die Plasmastrahlgeneratoren ohne elektrischen Hilfsspeisegenerator in Reihe geschaltet Der von dem einzigen elektrischen Generator gelieferte Strom teilt sich nach der Zündung der elektrischen Bögen in den von den Plasmastrahlgeneratoren ohne elektrischen Hilfsspeisegenerator abgegebenen Gasstrahlen in einen Strom mit einer solchen Stärke, wie zur Aufrechterhaltung des Stromdurchflusses in den besagten Gasstrahlen erforderlich, und in einen Strom mit einer solchen Stärke, daß der von dem als Pilot wirkenden Plasmastrahlgeneratoren mit elektrischem Hilfsspeisegenerator abgegebene Plasmastrahl aufrechterhalten bleibt. Es ist somit eine sehr starke elektrische Stromquelle erforderlich. Darüber hinaus kann bei dieser Ausführungsform zu Pilotzwekken kein klassischer Plasmastrahlgenerator mit beispielsweise einer gekühlten Kupferanode und einer Emissionskathode aus Wolfram verwendet werden, wenn nicht ein Betrieb mit Gleichstrom erfolgt, weil ein solcher Plasmastrahlgenerator nicht mit Wechselstrom funktionieren kann, da die Elektrode aus Wolfram nicht ohne Zerstörung periodisch und über längere Zeitintervalle hinweg die hohen thermischen Beanspruchungen aufnehmen kann, welchen sie jedesmal dann unterworfen wird, wenn sie als Anode wirkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

¹⁽⁵ Vorrichtung nach Patent 19 65 576 dahin weiter zu verbessern, daß lediglich eine einzige Stromquelle zum Betrieb des Pilot-Plasmastrahlgenerators als auch der übrigen Plasmastrahlgeneratoren erforderlich ist, welche nur eine verhältnismäßig geringe Leistung zu liefern braucht, wobei auch ein Pilot-Plasmastrahlgenerator zum Einsatz kommen kann, der mit Wechselstrom betrieben und aus einfachen Materialien wie beispielsweise Kupfer, hergestellt werden kann.
Dieser Aufgabe ist durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den restlichen Ansprüchen gekennzeichnet

Durqh die Erfindung wird der Gegenstand des Patentes P 19 65 576 weiter vereinfacht und eine automatische Abschaltung des Pilot-Plasmastrahlgenerators nach Zündung der elektrischen Bögen in den Gasstrahlen der anderen Plasmastrahlgeneratoren ohne elektrischen Hilfsspeisegenerator erzielt Bei Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Vorrichtung fließt der gesamte, vom einzigen elektrischen Generator abgegebene Strom durch den Pilot-Plasmastrahlgenerator, um einen entsprechenden Plasmastrahl zu erzeugen. Nach Zündung der elektrischen Bögen in den Gasstrahlen der

übrigen Plasmastrahlgeneratoren weist der durch die Gasstrahlen gehende, zum Stromkreis des Pilot-Plasmastrahlgenerators parallele Stromkreis einen geringeren elektrischen Widerstand auf, so daß der von? einzigen elektrischen Generator abgegebene Strom im wesentlichen durch diesen als Hauptspeisegenerator-Stromkreis bezeichneten Stromkreis fließt, während der dem Pilot-Plasmastrahlgenerator zugeordnete, als Hilfsspeisegenerator-Stromkreis bezeichnete Stromkreis im wesentlichen unterbrochen ist.

Es ist eine Vorrichtung zur regelbaren Erzeugung eines elektrischen Lichtbogens bekannt, welche eine zentrale Anode und drei in einem Kranz angeordnete Katoden aufweist, wobei die drei Katoden/Anoden-Stromkreise parallel geschaltet und an eine Stromquelle angeschlossen sind. Die Widerstände in diesen parallelen Stromkreisen haben die Funktion, die elektrischen Lichtbogen bezüglich Veränderungen der gegenseitigen Abstände der einzelnen Katoden von der gemeinsamen Anode zu stabilisieren (US-PS 31 22 672).

Ein normalerweise offener Stromkreis mit einem Hauptspeisegenerator sowie Plasmastrahlgeneratoren ohne Hilfsspeisegeneratoren, also ohne eigene Zufuhr elektrischer Energie, fehlen ebenso wie Ionisierung derjenigen Atmosphäre durch einen von einem Pilot-Plasmastrahlgenerator erzeugten Plasmastrahl, in welche die Gasstrahlen der Plasmastrahlgeneratoren ohne eigene Zufuhr elektrischer Energie eintreten, welche Ionisierung zur Zündung elektrischer Lichtbögen zwischen den Elektroden dieser anderen Plasmastrahlgeneratoren in den Gasstrahlen dient Die bekannte Vorrichtung ist daher nicht derjenigen Gattung zuzurechnen, zu welcher die erfindungsgemäße Vorrichtung gehört

Nachstehend sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigt schematisch

F i g. 1 und 2 jeweils eine erste bzw. zweite Ausführungsform;

Fig.3 einen Längsschnitt durch einen Pilot-Plasmastrahlgenerator in bevorzugter Ausgestaltung.

Mit den Vorrichtungen gemäß F i g. 1 und 2 wird jeweils ein Plasmastrahl 32 erzeugt. Sie weisen zwei Plasmastrahlgeneratoren 34a und 346 bzw. drei Plasmastrahlgeneratoren 34c, 34c/ und 34e auf, welche Gasstrahlen 36 liefern, die konvergieren und den Plasmastrahl 32 bilden.

Diese Plasmastrahlgeneratoren 34a und 346 bzw. 34c, 34c/ und 34e sind in einen normalerweise offenen Stromkreis 38 eingeschaltet, dem ein elektrischer Generator 40a bzw. 40b zugeordnet ist. Der Stromkreis 38 kann durch die Gasstrahlen 36 geschlossen werden, wenn deren elektrischer Widerstand ausreichend vermindert ist Dazu dient ein Plasmastrahl 42 vorzugsweise großen Querschnittes, welcher die Atmosphäre zwischen den Plasmastrahlgeneratoren 34a und 34b bzw. 34c, 34c/ und 34e ausreichend ionisiert, so daß elektrische Bögen 44 in den konvergierenden Gasstrahlen 36 gezündet werden können, und zwar zwischen den Elektroden 46 der Plasmastrahlgeneratoren 34a und 34b bzw. 34c, 34c/ und 34e, weiche mit diesen Gasstrahlen 36 in Berührung stehen und in den Stromkreis 38 eingeschaltet sind.

Die elektrischen Bögen 44 zwischen den Elektroden 46 der Plasmastrahlgeneratoren 34a und 34b bzw. 34c, 34c/und 34eder Vorrichtung nach F i g. 1 bzw. 2 können gezündet werden, wenn die spitzen Enden der Elektroden 46 einander genügend genähert sind, wenn ferner die diese spitzen Elektrodenenden umspülenden Gasstrahlen 36 durch den Plasmastrahl 42 ausreichend ionisiert sind, und wenn schließlich die Leerlaufspannung des Generators 40a bzw. 40b ausreichend hoch ist.

Die von jedem dieser Plasmastrahlgeneratoren 34a und 34b bzw. 34c, 34c/ und 34e abgegebenen Gasstrahlen 36 werden dann in Plasmastrahlen umgewandelt welche von einem elektrischen Strom durchflossen sind.

Man kann dann auf nicht dargestellte Art und Weise

ίο die Plasmastrahlgeneratoren 34a und 34b bzw. 34c, 34c/ und 34e entlang der jeweiligen Längsachse verschieben und von der Vereinigungszone der Plasmastrahlen weg bewegen, so daß die in diesen Strahlen verteilte elektrische Energie, welche im Plasmastrahl 32 in Wärmeenergie umgewandelt ist vergrößert wird.

Der Plasmastrahl 42 wird von einem Pilot-Plasmastrahlgenerator 62 erzeugt, welcher in F i g. 1 und 2 nur schematisch dargestellt ist Der Pilot-Plasmastrahlgenerator 62 ist in einen elektrischen Stromkreis 64 eingeschaltet welcher ebenfalls an die beiden Klemmen des Generators 40a bzw. 406 angeschlossen ist, und zwar parallelliegend zum Stromkreis 38 der anderen Plasmastrahlgeneratoren 34a und 34b bzw. 34c; 34c/ und 34e. Der Stromkreis 64 weist wenigstens einen elektrischen Widerstand 66 auf, der ausreichend groß ist um zu gewährleisten, daß der elektrische Strom nach Zündung der Bögen 44 in den Gasstrahlen dieser anderen Plasmastrahlgeneratoren im wesentlichen im Stromkreis 38 derselben fließt.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 liefert der elektrische Generator 40a Gleichstrom. Der Plasmastrahlgenerator 62 kann dann auf bekannte Art und Weise ausgebildet sein und ein gekühlte Anode 68 sowie eine von einem Wolframstab gebildete Emissionskatode 70 aufweisen. Die Anode 68 ist an die positive Klemme, die Katode 70 an die negative Klemme des Generators 40a angeschlossen.

Vorteilhafterweise ist die Anode 68 divergierend ausgebildet so daß der Plasmastrahlgenerator 62 einen Pilot-Plasmastrahl 42 großen Querschnitts erzeugt der eine bessere Ionisierung der Atmosphäre im Raum zwischen den anderen Plasmastrahlgeneratoren gewährleistet Um eine bessere Stabilität und Zentrierung des Pilot-Plasmastrahles 42 sicherzustellen, ist ein gekühlter Zentrierring 71 zwischen dem Plasmastrahlgenerator 62 und den anderen Plasmastrahlgeneratoren angeordnet.

Ist der bzw. sind die elektrischen Widerstände 66 ausreichend groß, dann ist eine vollständige Auslöschung des Pilot-Plasmastrahlgenerators 62 gegeben, wenn die Bögen 44 in den von den anderen Plasmastrahlgeneratoren 34a und 346 ausgestoßenen Gasstrahlen 36 gezündet sind. Eine zufällige, unbeabsichtigte Unterbrechung der elektrischen Bögen 44 kann die augenblickliche neuerliche Zündung des Pilot-Plasmastrahlgenerators 62 hervorrufen, damit auch die neuerliche Ionisierung des Raumes zwischen den anderen Plasmastrahlgeneratoren 34a und 34b und das neuerliche Zustandekommen der Bögen 44 in den Gasstrahlen 36, wenn der Plasmastrahlgenerator 62 mit nicht dargestellten, klassischen Vorkehrungen zur Zündung durch Hochfrequenzfunken oder Kurzschlußfunken, gesteuert vom Erlöschen der Bögen 44, versehen ist.

Dabei kann ein Generator 40a von geringerer Leistung bzw. Stärke verwendet werden, welche lediglich ausreichen muß, die Bögen 44 in den Gasstrahlen 36 aufrechtzuerhalten.

Die Parallelschaltung der elektrischen Stromkreise 38 und 64 ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Generator 40a Wechelsstrom liefert. Dann ist der Pilot-Plasmastrahlgenerator 62 so ausgebildet, wie in F ig. 3 dargestellt

Dieser Plasmastrahlgenerator unterscheidet sich im wesentlichen dadurch von einem solchen klassischer Bauart, daß die Elektrode 72 nicht aus Wolfram, sondern aus Kupfer besteht, wie die andere Elektrode 68. Auch die Elektrode 72 ist stark gekühlt.

Bei einem solchen Betrieb, wo der Pilot-Plasmastrahlgenerator normalerweise ausgeschaltet ist, und nur während sehr kurzen Intervallen eingeschaltet wird, insbesondere dann, welche zur Zündung oder neuerlichen Zündung der Bögen 44 in den Gasstrahlen 36 der anderen Plasmastrahlgeneratoren erforderlich sind, sind die Elektroden 68 und 72 nicht lange denjenigen periodischen, großen thermischen Belastungen unterworfen, welche für ihre Funktion als Anode charakteristisch sind, und zwar bei dem Wechsel aufgrund des Betriebes des Pilot-Plasmastrahlgenerators 62 mit Wechselstrom.

Wie erwähnt, müssen die beiden Elektroden 68 und 72 dieses Pilot-Plasmastrahlgenerators 62 stark gekühlt werden. Dazu ist die Elektrode 72 mit einer Aussparung 74 versehen und an einer konzentrischen Hülse 76 angebracht, welche mit einem Rohr 78 versehen ist, über welches die Aussparung 74 mit einem Kühlmittel beaufschlagt wird, welches dann abfließt. Desgleichen weist die Elektrode 68 eine Kammer 80 auf, in welcher Kühlmittel zirkuliert. Vorteilhafterweise sind die beiden Elektroden 68 und 72 auf demselben mittleren Isolierblock 82 angebracht. Die Elektrode 68 ist auf den Isolierblock 82 aufgeschraubt, während die Hülse 76 mit der Elektrode 72 in den Isolierblock 82 eingeschraubt ist, wobei die Elektrode 72 mit Spiel in einer Aussparung 84 des Isolierblocks 82 liegt. Der Raum zwischen der Innenwandung der Aussparung 84 und der Mantelfläche der Elektrode 72 ist über eine Leitung 86 plasmagenem Strömungsmittel beaufschlagt und bildet einen Ringspalt 92 zum Ausstoß des plasmagencn Strömungsmittels.

Gegebenenfalls kann ein hülsenförmiges Mündungsstück 88 vorgesehen sein, welches die Elektrode 72 bis in die Nähe ihres spitzen Endes 90 umgibt und einhüllend sowie isolierend wirkt. Es trägt zur Regelung der Ausstoßgeschwindigkeit des plasmagenen Strömungsmittels aus dem Pilot-Plasmastrahlgenerator62 bei.

Dieser Pilot-Plasmastrahlgenerator 62 kann auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 verwendet werden. Dabei ist ein Drehstromgenerator 40b vorgesehen, dessen drei Phasen an die Elektroden der Plasmastrahlgeneratoren 34c; 34d und 34e angeschlossen sind, zwei Phasen ferner an den Pilot-Plasmastrahlgenerator 62.

Es können auch mehr Plasmastrahlgeneratoren 34 neben dem Pilot-Plasmastrahlgenerator 62 vorgesehen sein, wobei der Generator 40b dann einen entsprechend vielphasigen Wechselstrom liefert, und die verschiedenen Phasen jeweils mit einem Plasmastrahlgenerator 34 verbunden sind.

Der Pilot-Plasmastrahlgenerator 62 gemäß Fig.3 kann ohne Schwierigkeiten in Stromkreise eingeschaltet werden, die mit einphasigem oder mehrphasigem Wechselsstrom betrieben werden. Die Kosten sind vermindert.

Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 1 und 2, ist die Selbstzündung gewährleistet, und zwar mit Hilfe eines sehr einfachen Pilot-Plasmastrahlgenerators, welcher keinen zusätzlichen elektrischen Generator erfordert,

to und dessen Selbstlöschung bei der Erzeugung des Plasmastrahls 32 gewährleistet ist

Die Ausführungsform gemäß Fig.2 mit Selbstlöschung des Pilot-Plasmastrahlgenerators 62 bei Bildung des Plasmastrahls 32 ist beispielsweise auf die beschriebene Art und Weise mit einer effektiven Betriebsspannung von 100 V, einer effektiven Betriebsstromstärke von 300A mit einem Stickstoffdurchsatz von 20 l/min des Pilot-Plasmastrahlgenerators 62 und mit einem Widerstand 66 von 1 Ohm sowie mit einem gegenseitigen Abstand der anderen Plasmastrahlgeneratoren 34c; 34c/und 34e von 6 cm bei der Zündung und von 21,5 cm nach der Zündung im Betrieb und mit einer Betriebsspannung der neutralen Elektrode 180 V, einer Betriebsstromstärke von 200 A, einem Stickstoffdurchsatz je Plasmastrahlgenerator von 2 g/6 betrieben worden, wobei eine effektive Leistung von 95 kw im Plasmastrahl 32 verteilt ist und der Wirkungsgrad bei 93% liegt.

Der Mehrphasen-Wechselstromgenerator kann so ausgestaltet sein, daß sich eine veränderliche oder eine gleichbleibende Ausgangsspannung ergibt

Im ersten Fall ist wegen der weichen Funktionsweise eine leichte Anpassung an die Charakteristiken der gebildeten Plasmastrahlen möglich. Zweckmäßigerweise wird dabei eine derart erhöhte innere Impedanz vorgesehen, daß eine Leerlaufspannung zur Verfügung steht, die etwa das Zweifache der Betriebsspannung ausmacht. Die Regelung der Stromstärke erfolgt kontinuierlich mittels eines Organs, welches die Leerlaufspannung oder die Belastungsleistung variiert. Die innere Impedanz der gesamten Anordnung ist vorzugsweise selbstinduktiv, einerseits im Hinblick auf den besseren Wirkungsgrad, andererseits im Hinblick auf die Bedeutung für die Stabilisierung der Plasmastrahlerzeugung.

Im zweiten Fall kann die Ausgangsspannung beispielsweise das Doppelte der Betriebsspannung ausmachen. Weist der verwendete Transformator beispielsweise eine vernachlässigbare innere Impedanz auf, dann

so kann bei jeder Phase eine Impedanz zwischen jeder Elektrode und dem Generator vorgesehen werden. Die den Spannungsabfall im Betrieb gewährleistende Impedanz ist vorzugsweise selbstinduktiv, und zwar im Hinblick auf den besseren Wirkungsgrad und die Stabilisierung, welche mit allen Induktivitäten gewährleistet ist Die Änderung der Stromstärke geschieht durch kontinuierliche Änderung des Wertes der Induktivitäten. In diesem Fall kann der Wert der Induktivitäten auf das Optimum des Wirkungsgrades

eo und der Stabilisierung eingestellt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

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 Gasstrahlen einschließt, wobei nur einem Plasmastrahlgenerator ein Hilfsspeisegenerator zugeordnet ist, und bei den anderen Plasmastrahlgeneratoiren die Elektroden sich mindestens bis zur Mündung der Düsen erstrecken und an den Hauptspeisegenerator angeschlossen sind, dessen Stromkreis von dem Hilfsspeisegenerator-Stromkreis getrennt ist, nach Patent 19 65 576, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsspeisegenerator-Stromkreis (64) und der Hauptspeisegenerator-Stromkreis (38) parallel zueinander an einen einzigen elektrischen Generator (40a; 40b) angeschlossen sind, welcher als Hilfsspeisegenerator und als Hauptspeisegenerator wirkt, wobei der Hilfsspeisegenerator-Stromkreis (64) einen elektrischen Widerstand (66) aufweist, der im Verhältnis zum elektrischen Widerstand des nach Zündung der elektrischen Bögen (44) in den Gasstrahlen (36) der anderen Plasmastrahlgeneratoren (34) geschlossenen Hauptspeisegenerator-Stromkreises (38) groß ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen derart hohen elektrischen Widerstand (66) des Hilfsspeisegenerator-Stromkreises (64), daß die Zündung der elektrischen Bögen (44) in den Gasstrahlen (36) der anderen Plasmastrahlgeneratoren (34) die Selbstlöschung des an den Hilfsspeisegenerator-Stromkreis (64) angeschlossenen Plasmastrahlgenerators (62) bewirkt

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige elektrische Generator (4OaJ Gleichstrom liefert, wobei zwei andere Plasmastrahlgeneratoren (34a und 34b) vorgesehen sind, deren Elektroden (46) an die positive bzw. negative Klemme des Generators (4OaJ angeschlossen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige elektrische Generator (40a bzw. 40b) ein- oder mehrphasigen Wechselstrom liefert, wobei die Elektroden (68; 70, 72) des dem Hilfsspeisegenerator-Stromkreis (64) zugeordneten Plasmastrahlgenerators (62) stark gekühlt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden stark gekühlten Elektroden (68; 70, 72) aus demselben Material, insbesondere aus Kupfer, bestehen.

6. Vorrichtung nach Andpruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige elektrische Generator (4OaJ einphasigen Wechselstrom liefert, wobei zwei andere Plasmastrahlgeneratoren (34a und 34b) vorgesehen sind, deren Elektroden (46) an die beiden Klemmen des Generators (4OaJ angeschlossen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige elektrische Generator (40b) mehrphasigen Wechselstrom liefert, wobei jede Phase an die Elektrode (46) eines anderen Plasmastrahlgenerators (34c bzw. 34c/ bzw. 34eJ angeschlossen ist, ferner zwei Phasen mit dem Hilfsspeisegenerator-Stromkreis (64) verbunden sind.