DE2162290A1

DE2162290A1 - Anlage mit einem im Dauerbetrieb arbeitenden Lichtbogen

Info

Publication number: DE2162290A1
Application number: DE19712162290
Authority: DE
Inventors: Habibollah Massy; Delcroix Jean-Loup Boulogne; Minoo (Frankreich); Popovici, Constantin, Bukarest
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1970-12-18
Filing date: 1971-12-15
Publication date: 1972-06-29
Also published as: GB1354806A; FR2118358A5

Description

AGEHCE NATIONALE DE VALORISATION DE LA RECHEROHE (ANVAR)

Anlage mit einem im Dauerbetrieb arbeitenden Lichtbogen.

Die Erfindung betrifft Anlagen mit einem

elektrischen Bogen in Dauerzustand, welcher mit Gleichstrom gesp.eist wird und zwischen wenigstens einer mit dem negativen Pol einer Stromquelle verbundenen Kathode und wenigstens einer mit dem positiven Pol derselben verbundenen Anode übergeht.

Unter Dauerzustand ist das Arbeiten einer Anemer

lage wahrend Zeitdauer verstanden, welche zwischen einigen Minuten und mehreren Stunden liegen kann, im Gegensatz zu dem Arbeiten von Anlagen während einer Zeitdauer von Bruchteilen einer Sekunde.

In diesen Anlagen mit einem elektrischen Lichtbogen im Dauerzustand bildet sich an der Kathode eine aktive Zone aus, in welcher der bevorzugte Übergang des Stroms aus dem festen Medium der Kathode zu dem gasförmigen Medium in welchem der Bogen übergeht, erfolgt.

Wenn der Druck dieses gasförmigen Mediums

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zunimmt, (um Werte von mehreren Torr oder mehreren Bar zu erreichen), nimmt der Wärmeaustausch durch Konvektion zwischen dieser aktiven Zone und dem gasförmigen Mittel zu, was eine Verengung dieser aktiven Zone bewirkt.

Diese Verengung steigert die Stromdichte und

verringert die Lebensdauer der Kathode· Ausserdem wird das gasförmige Mittel, in welchem der Bogen übergeht, durch Dämpfe des die Kathode bildenden Materials verunreinigt.

Die bei der Zunahme de3 Drucks des gasförmigen Mittels, in welchem der Bogen übergeht, festgestellte Verengung der aktiven Zone ist somit ein Hindernis für die Herstellung von Anlagen, welche mit hohem Druck und einer hohen Entladungsstrwn
starke arbeiten.

t Zur Erhöhung der lebensdauer der Kathoden,

insbesondere in mit hohem Druck und einer hohen Entladungs_strom-

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arbeitenden Anlagen, sind bereits Heizmittel vorgeschlagen worden, um die Kathode zusätzlich zu der von dem eigentlichen Bogen herrührenden Heizung zu erwärmen.

So ist bereits vorgeschlagen worden, diese

Heizmittel durch einen elektrischen Widerstand oder einen in der Nahe der Kathode angeordneten elektrischen Hochfrequenzkreis zu bilden.

Diese Heizmittel benutzen jedoch unabhängige Teile, welche die Anlage sowohl hinsichtlich ihres Zusammenbaus als auch hinsichtlich ihrer Wartung verwickelter machen.

Die Erfindung bezweckt die Herstellung von

P in die Kathode eingebauten Heizmitteln, welche praktisch weder den Zusammenbau der Anlage noch ihre Wartung verändern und keine Komplikation erzeugen.

Die erfindungsgemasse Anlage mit einem elektrischen Bogen im Dauerzustand, welcher mit Gleichstrom gespeist wird, und zwischen wenigstens einer Kathode und wenigstens einer Anode übergeht, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode in der Nahe ihrer aktiven Zone eine Zone aufweist, deren elektrischer Widerstand grosser als in den anderen Zonen der Kathode ist.

Bei einer besonderen erfindungsgemäsaen Ausbildung einer Anlage mit einer hohlen Kathode, welche sine Lei-

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tung zur Zufuhr eines plasmabildendes Gases bildet, ist die aktive Zone der Kathode von einer Stauanordnung umgeben, welche um die aktive Zone herum angeordnete Metallwände aufweist.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Pig. 1 ist ein schematischer Schnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemassen Lichtbogenanlage.

Pig. 2 ist ein schematischer Schnitt einer

zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemassen Lichtbogenanlage.

Pig. 3 ist ein schematischer Schnitt einer

dritten Ausführungsform einer erfindungsgemassen Lichtbogenanlage.

Pig. 4 ist ein die Vorteile der Erfindung darstellendes Schaubild.

Pig. 1 zeigt eine einen Plasmagenerator bildende Lichtbogenanlage, wobei der durch eine Stromquelle 10 gespeiste Lichtbogen zwischen einer Kathode 11 und einer ringförmigen Anode 12 in einer Kammer 13 übergeht, welcher ein plasmabildendes Gas zugeführt wird.

Dieses plasmabildendes Gas wird von einem

Behälter 14 geliefert, in die Kammer 13 eingeführt, strömt durch den Lichtbogen und tritt aus der Kammer 13 in Porm einer Plasmaströmung E durch die von der ringförmigen Anode 12 begrenzte öffnung 12a aus.

Bei der in Pig. 1 dargestellten Anlage ist die

Kathode 11 massiv, und die aktive Zone Z liegt an dem Stirnende der Kathode 11.

Die Kathode 11 weist eine Zone 21 auf, deren elektrischer Yiiderstand grosser als in den anderen Zonen der Kathode ist, wobei diese Zone 21 in der Nahe des Stirnendes der Kathode angeordnet ist, d.h. in der liähe ihrer aktiven Zone Z.

Die Zone mit hohem elektrischem Widerstand 21

kann von der den Lichtbogen speisenden Stromquelle 10 gespeist werden, wie vollausgezogen in Fig. 1 dargestellt.

Die Zone mit hohem elektrischem Widerstand 21

kann jedoch auch von einer Hilfsstromquelle 10a gespeist werden, wie gestrichelt ebenfalls in Pig. 1 dargestellt.

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Palls die 2one mit hohem elektrischem Widerstand 21 von der den lichtbogen speisenden Stromquelle 10 gespeist wird, kann sie die Gesamtheit oder einen Teil eines Pufferwiderstands zur Stabilisierung der Bogenstromstarke bilden. Diese Anordnung ermöglicht die Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Anlage, da wenigstens ein Teil der in dem Pufferwiderstand verbrauchten Energie zur Heizung der Kathode 11 bei^ ■ trägt.

Fig. 2, in welcher die gleichen Bezugszeichen

die gleichen Teile wie in Pig. 1 bezeichnen, zeigt eine als Plasmagenerator ausgebildete Lichtbogenanlage.

Die Kathode 11 ist hohl und wird durch ein inneres Rohr 11a gebildet, in welchem sich die aktive Zone Z bildet· Dieses Innenrohr ist von einem Aussenrohr 11b umgeben,welches mit dem Innenrohr 11a durch eine ringförmige Platte 11c an dem Stirnende der Kathode 11 verbunden ist, während das Innen- und das Aussenrohr 11a bzw. 11b auf der dem Stirneiide derselben abgewandten Seite voneinander durch ein Isolierstück 11d isoliert sind.

Die Zone mit hohem elektrischem Widerstand 21

wird von dem Innen- und dem Aussenrohr 11a bzw. 11b gebildet und umgibt somit die aktive Zone.

Der in dem Innen- und Aussenrohr 11a bzw. 11b

fliessende Heizstrom kann von einer Hilfsstromquelle 29 geliefert werden.

Es kann zweckmässig sein, Regelmittel vorzu-

sehen, z.B. ein Potentiometer 28, um die Heizstromstärke zu regeln.

In Fig. 3 ist eine Anlage dargestellt, bei

welcher ein lichtbogen zwischen einer hohlen Kathode 1 und einer Anode 2 in einer Kammer 3 übergeht, in welche ein plasmabildendes Gas eingeführt wird.

Dieses plasmabildende ^as wird von einem

Vorratsbehälter 4 geliefert, der Kammer 3 durch die hohle Kathode 1 hindurch zugeführt und aus der ^ammer 3 durch in dieser einen geeigneten Druck aufrechterhaltenden Pumpmittel 5 abgeführt

Eine Stromquelle 6 speist den lichtbogen über

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einen Pufferwiderstand 7 zur Stabilisierung der Lichtbogenstromstärke.

Der lichtbogen geht von der hohlen Kathode an der Stelle der aktiven Zone Z aus.

Die Temperatur dieser aktiven Zone Z ist hoch, und die abgestrahlte Energie erheblich.

Die aktive Zone Z wird von einer Stauvorrichtung 8 mit Metallwänden umgeben, welche um die aktive Zone Z herum angeordnet sind und die abgestrahlte Energie auffangen.

Das plasmabildende Gas ist gezwungen, diese Stauvorrichtung 8 zu durchströmen, wobei es eine zur Erwärmung der Kathode 1 beitragende Erwärmung erfährt.

In das Schaubild der Pig. 4 sind als Abszissen der an der Kathode von ihrem Stirnende aus gerechnete Abstand in mm und als Ordinaten die in ⁰C ausgedrückte Kathodentemperatur eingetragen.

Die verschiedenen Kurven C,. , Cg, C.,, C., entsprechen einer wachsenden Erhitzung der Kathode. Man stellt dann fest, dass die Ausdehnung der aktiven Zone umso grosser ist, je stärker die Heizung der Kathode ist. Diese Ausdehnung ist durch die den Kurven C. , Cp, C-,, C^, entsprechenden Abschnitte Z^ bzw. Z2 bzw. Z, bzw. Z. dargestellt.

Die erfindungsgemässe Lichtbogenanlage mit beheizter Kathode bietet folgende Möglichkeiten :

- ein Arbeiten in einem sehr ausgedehnten

Druckbereich und eine beträchtlich längere Lebensdauer als die dßr üblichen Kathoden, und zwar infolge der Verbreiterung der aktiven Zone ;

- eine leichtere Zündung des Bogens, und zwar infolge der Möglichkeit einer Vorwärmung der Kathode vor der Auslösung des Zündprozesses, wobei diese Vorwärmung die Ausbildung des Lichtbogens begünstigt und das Entstehen von Störbögen verhindert ;

- eine Auswahl des plasmabildenden Gases

aus einer grösseren Anzahl von Gasen, da die Verbreiterung der aktiven Zone den Stromübergang aus dem festen Medium der Kathode zu dem hauptsachlich durch das plasmaerzeugende Gas gebildeten gasförmigen Medium begünstigt.

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Durch die den Gegenstand der Erfindung bildenden Verbesserungen wird das mögliche Anwendungsgebiet der Lichtbogenanlagen erweitert, so dass Anwendungen auf dem Gebiet der chemischen Reaktionen, auf dem Gebiet der Magnetohydrodynamik (MHD), auf den Gebiet der Plasmageneratoren und auf dem Gebiet der Behandlung der reinen Metalle ins Auge gefasst werden können.

Ferner ist die Erfindung auf die Techniken

zum Schneiden, Schmelzen und Schweissen von feuerfesten Metallen, wie Wolfram, Tantal, Molybdän, Titan, Niobium oder sogar rostfreier Stahl, oder auch bei der Technik der Kristalle und der keramischen Materialien anwendbar.

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Patentansprüche

M.J/Anlage mit einem Lichtbogen im Dauerzustand, welcher mit Gleichstrom gespeist wird und zwischen wenigstens einer Kathode und wenigstens einer Anode übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode in der Nähe ihrer aktiven Zone (Z) eine Zone (z.B.21) aufweist, deren elektrischer Widerstand höher als in den anderen Zonen der Kathode ist.

2e) Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode hohl ist und auf wenigstens einem Teil ihrer Länge so ausgebildet ist, dass sie die Zone mit höherem elektrischem Widerstand bildet (Pig· 2).

3.) Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone mit höherem elektrischem Widerstand von der den Lichtbogen speisenden Stromquelle (10) gespeist wird.

4.) Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone mit höherem elektrischem Widerstand von einer Hilfsstromquelle (10a, 29) gespeist wird.

5.) Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zone mit höherem elektrischen Widerstand die Gesamtheit oder einen Teil eines Pufferwiderstands für den Lichtbogen bildet.

6.) Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der die Hilfsstromquelle (29) und die Zone mit höherem elektrischem Widerstand enthaltende Stromkreis mit Mitteln (28) zur Regelung der durch diese Zone mit höherem elektrischem Widerstand fliessenden Stromstärke versehen ist.

7.) Anlage mit einem Lichtbogen im Dauerzustand, v/elcher mit Gleichstrom gespeist wird und zwischen wenigstens einer eine Zufuhrleitung für ein plasmaerzeugendes Gas bildenden hohlen Kathode und wenigstens einer Anode übergeht, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Zone der Kathode von einer Stauvorrichtung (8) mit um die aktive Zone herum angeordneten Metallwänden umgeben wird.

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