DE2245540C3 - Vorrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer von Elektroden für elektrische Bogenentladungen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer von Elektroden mit mehreren um die Elektrode herum angeordneten Spulen, die zur axialen Verschiebung der Ansatzstelle einer elektrisehen Bogenentladung an der Elektrode mit unterschiedlichen Strömen gespeist sind.

In Vorrichtungen, in denen zwischen Elektroden Lichtbogenentladungen erzeugt werden, tritt eine Erosion einer oder beider Elektroden auf, so daß sie nach relativ kurzer Zeit unbrauchbar werden. Soll die Bogenentladung weiter aufrechterhalten werden, so muß der Betrieb zunächst unterbrochen und eine oder beide Elektroden erneuert werden.

Bogenentladungen werden in sogenannten Plasmakanonen erzeugt, die Wärme für chemische Reaktionen liefern. Dies ist beispielsweise zur Erhitzung eines inerten Gases oder von Reaktionskomponenten erforderlich, um z. B. die Wärme für die Oxydation eines Metallhalogenids zum entsprechenden Oxyd zu liefern. Durch die deutsche Patentschrift i 226 082 ist beispielsweise ein Verfahren zur Oxydation von Titantetrachlorid zu Titandioxyd-Pigment bekannt, bei dem eine Plasmakanone verwendet wird. Wenn die Lebensdauer ihrer Elektrode bzw. Elektroden verlängert werden könnte, so würden dadurch die Kosten zur Herstellung des Endprodukts wesentlich verringert

Durch das deutsche Gebrauchsmuster 6 605 524 ist eine Vorrichtung bekannt durch die in einem Plasmabrenner mit Rohrelektroden eine Hin- und Herbewegung des Entladungslichtbogens in axialer Richtung erzeugt wird. Dies erfolgt durch ein bezüglich der Längsachse der Plasmakanone radiales magnetisches Wechselfeld. Die Vorrichtung ist derart aufgebaut, daß praktisch die gesamte Plasmakanone durch eine einzige Spule umgeben ist, in der ein Gleichstrom fließt Ferner ist an den beiden Enden dieser Spule je eine Wechselstromspule vorgesehen, die mit Wechselstrom gespeist wird. Mit diesen Spulen wird ein in axialer Richtung verlaufendes Gleichfeld gemeinsam mit jeweils einem radialen Wechselmagnetfeld erzeugt Durch die Wirkung beider Felder in Verbindung mit der Wirkung einer Komponente des Entladungsstroms auf den Rohrelektroden ergibt sich eine Hin- und Herbewegung des Eiuladungslichtbogens.

Diese bekannte Vorrichtung ist auf die speziellen Belange von Rohrelektroden ausgerichtet und erfordert zu ihrem Betrieb einen Gleichstrom und einen Wechselstrom. DH zu ihrer Speisung erforderliche elektrische Energie ist im wesentlichen gleichbleibend hoch und erzeugt im Bereich des gesamten Plasmabrenners immer dieselbe Wirkung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der bekannten Art so zu verbessern, daß nicht zwei unterschiedliche Stromarten erforderlich sind und daß darüber hinaus eine Einsparung an Speiseleistung gewährleistet ist

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß derart ausgebildet da3 die Spulen in Reihe geschaltet sind, daß Schalteinrichtungen vorgesehen sind, mit denen wahlweise einige dieser Spulen durch Kurzschließen abzuschalten sind, und daß ein von diesen Schalteinrichtungen gesteuerter Stromregler vorgesehen ist, der unabhängig von den abgeschalteten Spulen den magnetischen Fluß durch die nicht abgeschalteten Spulen konstant hält

Durch eine derart aufgebaute Vorrichtung wird sichergestellt, daß mit nur einer Stromart für die Speisung der Spulen ein Wandern der Bogenentladung auf den Elektroden erfolgt. Als Elektroden können nicht nur Rohrelektroden, sondern auch andersartig aufgebaute Elektroden verwendet sein, da die Bewegung der Bogenentladung auf den Elektroden allein durch Schaltvorgänge an den Spulen erzeugt wird. Außerdem wird dabei erreicht, daß jeweils eine Stelle eines Maximums an Magnetfluß erzeugt wird, die sich in axialer Richtung längs der Elektrodenanordnung bewegt, so daß nicht an der gesamten Einrichtung immer dieselbe Magnetfeldstärke erzeugt werden muß. Damit ist aber eine Verringerung der Speiseleistung verbunden.

Die Spulen können in mehrere Primärspulen und mehrere Sekundärspulen übereinstimmender Formgebung aufgeteilt sein, die aufeinander folgend angeordnet sind und die Elektroden bzw. einen Elektrodenkanal umgeben. Dabei werden vorzugsweise die Sekundärspulen jeweils kurzgeschlossen.

Es können beispielsweise 6 bis 20 Einzelspulen vorgesehen sein, wobei jede Einzelspule aus zwei Teilspulen besteht, die nebeneinander angeordnet und derart miteinander verbunden sind, daß der Speisestrom

durch sie gleichsinnig hindurchfließt. Dabei sind die beiden Außenseiten der so gebildeten Einzelspule an Verbindungsblöcken befestigt, durch die ein Kühlmittel in den Bereich einer jeden Einzelspule eingeführt und von ihr abgeführt werden kann. Es kann natürlich auch ein s einziger Block vorgesehen sein, um ein Kühlmittel benachbarten Spulen zuzuführen und aus ihrem Bereich abzuführen, das Kühlmittel kann dabei durch Kanäle in diesem Block jeweils einer Sammelleitung zugeführt werden.

Als sehr günstig hat sich eine Anordnung von 14 Einzelspulen erwiesen, von denen einige als Primärspulen geschaltet sind. Sie haben übereinstimmende Größe und sind seitlich nebeneinander angeordnet Es sind Abschlußplatten aus einem isolierenden Material vorgesehen, durch die sie in einer vorgegebenen Stellung gehalten werden. Die Spulen bilden mit den Abschlußplatten einen zentralen Kanal, durch dei. hindurch die Elektrodenanordnung geführt ist, auf die das mit den Spulen erzeugte Feld einwirken soll.

Die gesamte Anordnung aus Primär- und Sekundärspulen, Abschlußplatten und Verbindungsblöcken zur Führung von Speiseleitungen und Kühlmittel kann zweckmäßig in einen Block aus Epoxyharz eingegossen sein. Selbstverständlich sind die Spulen aus isoliertem Leiterdraht gefertigt

Als Schalteinrichtungen zum wahlweisen Kurzschließen einiger Spulen sind vorzugsweise Thyristoren vorgesehen. Diese sind so an die Sekundärspulen angeschaltet, daß bei Ansteuerung eines Thyristors die der jeweils zugeordneten Sekundärspule zuzuführende Leistung praktisch augenblicklich auf die übrigen Spulen umgeschaltet wird. Normaiei wei^c erfolgt dieser Vorgang sequentiell, d. h„ eine oder mehrere Sekundärspulen werden je nach Wunsch nacheinander kurzgeschlossen bzw. ausgeschaltet so daß auch der Speisestrom den übrigen Spulen in diesen Schritten insgesamt zugeführt wird. Ein derart sequentieller Betrieb ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und es kann vielmehr jede beliebige Sekundärspule der Spulenanordnung ausgeschaltet und der Strom auf die übrigen Spulen umgeschaltet werden, und zwar unabhängig von der Position dieser jeweiligen Spule.

Die Schaltvorgänge an den Sekundärspulen werden zweckmäßig automatisch durchgeführt, wozu beispielsweise ein Zeitschaltgerät und zugeordnete Steuerschaltungen vorgesehen sein können. Eine Stromquelle ist dann mit den Thyristoren verbunden und bewirkt deren Ansteuerung in der jeweils gewünschten Folge.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine Kühlung der Thyristoren und auch der Spulen durchzuführen, wobei zweckmäßig die Thyristoren auf einem oder mehreren Kühlmetallblöcken montiert sind. Jeder Thyristor ist natürlich elektrisch von den ihm benachbarten Thyristoren isoliert angeordnet.

Um den magnetischen Fluß der jeweils eingeschalteten Spulen praktisch konstant zu halten und damit die Lichtbogenentladung unter Kontrolle zu halten, muß der Speisestrom für die jeweils noch eingeschalteten Spulen verstärkt werden. Dieser Stromanstieg wird vorzugsweise mit derselben Vorrichtung durchgeführt, die auch zur Ansteuerung der Thyristoren zwecks Kurzschluß einer Sekundärspule verwendet werden. Vorteilhaft erfolgt dies derart, daß das Zeitschaltgerät für die Thyristoren auch auf eine Stromsteuerschaltung einwirkt, die die erforderliche Stromsteuerung durchführt.

Die Spulenanordnung ist normalerweise der Kathode zugeordnet da an dieser Elektrode der Wirkungsgrad einer Vorrichtung nach der Erfindung am größten ist Die Spulenanordnung kann jedoch auch an der Anode oder an beiden Elektroden vorgesehen sein, falls dies erwünscht ist

Die Frequenz und die Zahl der Ansteuerungen der Thyristoren zum Kurzschließen der Einzelspulen hängen von der Gesamtzahl der Sekundärspulen, der Elektrodenlänge und dem Grad der erzeugten Erosion an den Elektroden ab. Da auch andere Einflußfaktoren vorhanden sind, ist es schwierig, diese Betriebsgrößen exakt festzulegen.

In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt bei dem die Spulenanordnung aus Primärspulen 1 und schaltbaren Sekundärspulen 2 besteht. Die Einzelspulen sind jeweils aus Teilspulen 3 zusammengesetzt An Hand dieses Ausfuhrungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden beschrieben.

Die gesamte Spulenanordnung bildet einen Kanal 4, der die Elektrode aufnimmt an der die Erosion durch Lichtbogenentladung zu verringern bzw. zu vermeiden ist Diese normalerweise als Kathode arbeitende Elektrode ist in der Figur nicht gezeigt

Die Verbindungsblöcke 5, die zur Zuführung von Kühlmittel und Speisestrom dienen, werden mit Kühlmittel über eine Leitung 6 versorgt und das Kühlmittel wird über eine Leitung 7 wieder abgeführt

In ähnlicher Weise erfolgt die Speisung mit Gleichstrom über eine Stromsteuerschaltung 8, die durch ein Zeitschaltgerät 9 gesteuert wird. Das Zeitschaltgerät 9 steuert ferner die Schalter 10,11,12,13,14 und 15. Die Stromsteuerschaltung 8 liefert einen gesteuerten Strom, der über Leitungen 16 und 17 geführt wird.

Thyristoren 18, 19, 20, 21, 22 und 23 sind derart zwischen einander benachbarte Blöcke 5 geschaltet, daß bei jeweiliger Ansteuerung eines Thyristors der Speisestrom an dieser Stelle den übrigen Spulen zugeführt wird und die zugeordnete Sekundärspule kurzgeschlossen wird. Erfolgt die Ansteuerung mehrerer Thyristoren, so werden natürlich mehrere Sekundärspulen kurzgeschlossen bzw. ausgeschaltet Der jeweilige Thyristor wird durch das Zeitschaltgerät 9 betätigt welches den jeweils zugeordneten Schalter schließt über den ein Steuersignal von einer nicht dargestellten Quelle aus dem Thyristor zugeführt wird.

Beim Betrieb der Vorrichtung betätigt das Zeitschaltrelais 9 beispielsweise den Schalter 10 und steuert somit den Thyristor 18 an, wodurch die rechte Sekundärspule kurzgeschlossen wird, die der anderen Elektrode am nächsten zugeordnet ist und den größten Abstand zu dem anderen Ende der Kathode hat Gleichzeitig wird über das Zeitschaltgerät 9 die Stromsteuerschaltung 8 angesteuert, wodurch der Strom für die übrigen Spulen erhöht wird und somit der Magnetfluß beibehalten wird, der durch die Spulenanordnung erzeugt wird. Die Stelle des stärksten Magnetflusses und damit die Position der Lichtbogenentladung wird auf diese Weise in axialer Richtung nach links versetzt.

Durch Betätigung der Schalter 11,13,14 und 15 wird der beschriebene Vorgang in jeweils gewünschten Zeitabständen wiederholt bis alle 6 Schalter geschlossen wurden und die jeweils zugeordneten Thyristoren betätigt sind. Zu diesem Zeitpunkt wird der Magnetfluß nur durch die Primärspulen erzeugt, und die Stelle maximalem Magnetflusses und damit der Lichtbogenentladung hat sich über einen beachtlichen Abstand nach links bewegt.

Die durch die Bogenentladung erzeugte Erosion wird

auf diese Weise über einen viel größeren Bereich der Elektrodenoberfläche verteilt, als dies ohne eine Versetzung der beschriebenen Art möglich wäre. Damit wird die Lebensdauer der Elektrode wesentlich verlängert.

Das folgende Beispiel dient zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Es wird eine Spulenanordnung mit 45 cm Außendurchmesser,, 12,7 cm Innendurchmesser und 30 cm Länge verwendet, die aus 14 Einzelspulen besteht, von denen 6 als Sekundärspulen, die übrigen 8 als Primärspulen geschaltet sind. Jede Spule hat zwei Teilspulen, die jeweils 16 Windungen aus Kupferrohr mit 1 cm Querschnitt und einem Kanal von 0,5 cm Durchmesser für Kühlmittel haben. Die inneren Enden der Teilspulen sind so miteinander verbunden, daß der durch sie geführte Strom übereinstimmende Richtung hat. Die Außenenden der Spulen sind an die Verbindungsblöcke angeschaltet, die zur Zuführung von Kühlmittel und Speisestrom dienen und die Reihenschaltung der Spulen bewirken.

Zwischen jeweils zwei Verbindungsblöcken der sechs Sekundärspulen sind Thyristoren so angeordnet, daß bei Betätigung eines Thyristors durch eine Steuersignalquelle die zugeordnete Sekundärspule kurzgeschlossen und deren Speisestrom den übrigen Spulen zugeführt wird.

Die Thyristoren werden durch ein Zeitschaltgerät betätigt, welches auch eine Stromsteuerschaltung ansteuert, um den Speisestrom für die übrigen Spulen zu erhöhen und damit den Magnetfluß, der durch diese Spulen erzeugt wird, in seiner vorgegebenen Stärke zu halten.

Ein Thyristor wird in Intervallen von 10 Tagen betätigt, bis die sechs Sekundiirspulen ausgeschaltet sind und der Strom schrittweise von 460 auf 600 A erhöht ist.

ίο Während des Betriebs wird die Spulenanordnung, die eine Länge von 30 cm und einen Innendurchmesser von 12,7 cm hat, auf eine hohle Rohrkathode mit 11cm Außendurchmesser und 45 cm Länge aufgebracht. Die Kathode ist an einem Ende verschlossen, und es wird eine Lichtbogenerzeugung zwischen ihrem Innenraum und dem Innenraum einer ihr gegenüber angeordneten hohlen Rohranode gleicher Abmessungen erzeugt. Ein Gas wird tangential zwischen die einander gegenüberliegenden Flächen der Anode und der Kathode der Plasmakanone mit sehr hoher Geschwindigkeit geführt, bevor eine Entladung als Leuchtplasma vom offenen Ende der Anode her erfolgt.

Während der Betriebsdauer der Thyristoren zum Ausschalten der sechs Sekundärspulen bewegt sich die Bogenentladung über eine Gesamtlänge von etwa 14,5 cm längs der Kathode bis zu deren anderem Ende und die Lebensdauer der Plasmakanone, die hauptsächlich durch den Erosionsgrad der Kathodenfläche be stimmt ist, wird um den Faktor 2 erhöht, verglichen mi' solchen Anordnungen, die lediglich mit einer Feldspul« üblicher Art versehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erhöhung der Lebensdauer von Elektroden mit mehreren um die Elektrode s herum angeordneten Spulen, die zur axialen Verschiebung der Ansatzstelle einer elektrischen Bogenentladung an der Elektrode mit unterschiedlichen Strömen gespeist sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (1,2) in Reihe geschaltet sind, daß Schalteinrichtungen (10 bis 15, 18 bis 23) vorgesehen sind, mit denen wahlweise einige (2) dieser Spulen (1,2) durch Kurzschließen abzuschalten sind, und daß ein von diesen Schalteinrichtungen (10 bis 15,18 bis 23) gesteuerter Stromregler (8) vorgesehen ist, der unabhängig von den abgeschalteten Spulen den magnetischen Fluß durch die nicht abgeschalteten Spulen konstant hält

2. Vorrichtung nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (1,2) durch zwei Teilspulen (3) gebildet ist, die ihrerseits so in Reihe geschaltet sind, daß sie von Speisestrom gleichsinnig durchflossen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei einander benachbarten Spulen (1,2) Verbindungsblöcke (5) vorgesehen sind, die zur elektrischen Reihenschaltung der Spulen (1,2) und zur Zuführung von Kühlmittel an die Spulen (1,2) dienen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (10 bis 15, 18 bis 23) Thyristoren (18 bis 23) sind, denen Steuersignale über jeweils einen Schalter (10 bis 15) zuführbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur sequentieller Betätigung der Schalter (10, 15) ein Zeitschaltgerät (9) vorgesehen ist, das ferner den Stromregler (8) steuert

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregler (8) an die Reihenschaltung der Verbindungsblöcke (5) angeschaltet ist.