DE2913464B2 - Gleichstrom-Plasmabrenner - Google Patents
Gleichstrom-PlasmabrennerInfo
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Description
'5 Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Plasmabrenner,
wie er im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben ist
Ein derartiger Plasmabrenner ist aus der DE-AS 12 76 243 bekannt
μ In verschiedenen Bereichen der Verfahrenstechnik,
bei Plasmawindkanal-Untersuchungen, in der Plasmachemie
sowie zum Betrieb fluiddynamischer Laser benötigt man hocherhitzte Gasströme, deren Temperatur
und Druck je nach Zweck des Einsatzes bestimmte Werte im Bereich zwischen einigen 100 und ca. 20 000 K
und Drücken bis zu 20 bar betragen müssen.
Zur Erzielung solcher Werte von Temperatur und Druck kann die Aufhetzung von Gasen in einer Gleichoder
Wechselstromlichtbogenentladung vorgenommen werden. Die wesentlichen technologischen Probleme
liegen hierbei in der Beherrschung bzw. Reduzierung der Elektrodenerosion durch die Bogenansätze, damit
direkt zusammenhängend in der Gewähr einer hinreichenden Standzeit der Elektroden und der Sauberkeit
des Lichtbogenplasmas sowie in der Realisierung der entsprechend des Einsatzes geforderten Eigenschaften
des hocherhitzten Mediums. So kann beispielsweise bei bestimmten Anwendungen eine räumliche Homogenität
und zeitliche Konstanz der Temperatur gefordert werden.
Um einen hohen thermischen Wirkungsgrad, & h. ein großes Verhältnis von im heißen Gas enthaltener
Energie zu aufgewandter elektrischer Energie, zu erzielen, wird weiterhin angestrebt, die Entladung bei
4S möglichst hoher Spannung zu betreiben. Da die
elektrophysikalisch begründeten Elektrodenverluste proportional zur Stromstärke sind, ist bei konstanter
Stromstärke die Verlustleistung an den Elektroden prozentual um so geringer, je höher die Bogenspannung
so ist
Während die meisten Hochdruckplasmaerzeuger Elektroden aus Kupfer verwenden, läßt sich bei mit
Gleichstrom betriebenen Apparaturen die Kathode auch aus Wolfram oder thoriertem Wolfram herstellen
(DE-OS 20 27 626, DE-PS 2033 072). Jedoch erweist sich in der Praxis, daß bei Drücken höher als etwa 2 bar
und Stromstärken über etwa 250 bis 300A die thermische Belastung an der Spitze einer kegelförmigen
Kathode, wie sie entsprechend der DE-PS 20 33 072 ausgeführt wird, so hoch wird, daß das Material im
Bogenansatz schmilzt und als Verunreinigung in das Plasma gelangt Dieser Effekt wird zwar in der
technischen Ausführung nach der DE-OS 20 27 626 vermieden, indem eine bestimmte Menge des Bogengases
in eine hohlförmige Kathode hineinströmt und dort zum Bogenansatz führt Da der Bogen jedoch keinen
bevorzugten Ansatzpunkt findet, vollführt er erfahrungsgemäß eine erratische Bewegung, welche ihrer-
sejts Spannungsfluktuatipnen und letztlich Temperaturschwankungen
nach sich zieht.
Bei dem bekannten Plasmabrenner der eingangs genannten Art befindet sich die ringförmige Kante einer
Kathode in einem achsparallelen, zeitlich konstanten Magnetfeld, während im stromabwärts des freien Endes
der Kathode gelegenen Bereich ein in Strömungsrichtung divergierendes, zeitlich konstantes Magnetfeld
existiert, so daß der zwischen Kathode und Anode sich ausbildende Plav.nabogen in Rotation versetzt wird Bei
dieser Konstruktion hegt der kathodenseitige Ansatzpunkt des Plasmabogens auf der Innenseite der konisch
geformten Kathode weit oberhalb der ringförmigen Kante. Der Grund dafür, liegt darin, daß durch das
zuströmende Gas im Innern der Kathode ein Unter- '5
druck ausgebildet wird und daß der Plasmabogen die Tendenz hat, in das Gebiet niedrigeren Druckes
auszuweichen. Die Verlagerung des. Plasmabogenansatzpunktes
in das Innere der Kathode hinein hat zur Folge, daß der Plasmabogen im Ansatzbereich nicht %>
mehr parallel zu dem dort herrschenden Magnetfeld verläuft, sondern eine quer zu diesem Magnetfeld
gerichtete Komponente aufweist Dies führt nun zwangsläufig zu einer Verzwirbelung des Plasmabogens,
denn aufgrund der Lorentzkräfte wird der Plasmabogen in seinem kathodenseitigen Ansatzbereich
in entgegengesetzter Richtung abgelenkt wie in seinem anodenseitigen Ansatzbereich. Ein gleichmäßiger
Plasmabogen wird bei einer solchen Anordnung unmöglich. Μ
Ähnliche Probleme ergeben sich bei einer weiteren bekannten Anordnung eines Plasmabrenners, wie sie
aus der DE-OS1514 440 bekannt ist
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Gleichstrom-Plasmabrenner derart
zu verbessern, daß bei hohen Standzeiten der Elektroden und Sauberkeit des Plasmas ein hoher
Wirkungsgrad und insbesondere Stationarität und räumlich gleichförmige Verteilung der Gaseigenschaft
erreicht werden können. Dazu ist unabdingbar, daß der Plasmabogen selbst gleichmäßig brennt, eine wohldefinierte
Länge hat und nicht abreißt
Diese Aufgabe wird bei einem Gleichstrom-Plasmabrenner der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß
durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 4S
angegebenen Merkmale gelöst
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß durch die Ausgestaltung der Kathode mit
einer ringförmigen Kante sowie durch die Zufuhr eines Teils des zu erwärmenden Gases durch die Innenbohrung
der Kathode der Kathodenansatz und infolge der axialen Gasströmung auch der Anodenansatz des
Lichtbogens jeweils in einer bestimmten axialen Position fixiert sind, wodurch sich eine zeitlich
gleichbleibende Bogenlänge und Bogenspannung und schließlich Temperatur ergibt Andererseits wird der
Lichtbogen aber als solcher durch elektromagnetische Kräfte in Rotation versetzt, wodurch sich seine
Elektrodenansätze in Umfangsrichtung lasch bewegen, was zu einer extrem kurzen Verweilzeit an einem Μ
bestimmten Flächenelement führt Dadurch unterbleibt ein Abschmelzen des Elektrodenmaterials, und es
können hohe Standzeiten und saubere Plasmen erzielt werden.
Günstig ist es, wenn die Kathode aus Thoriumwolfram besteht
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, oaß die ringförmige Kante
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgeseheii sein, daß zur Erzeugung des
Magnetfeldes konzentrisch zur Kathodenachse eine Magnetspule oder ein Permanentmagnet, derart angeordnet
sind, daß deren Symmetrieebene in einem Bereich zwischen der ringförmigen Kante der Kathode
und einer um maximal fünf Durchmesser der ringförmigen Kante in Gegenstromrichtung verschobenen Ebene
liegt
Vorzugsweise sind die Kathode und/oder das Magnetfeld erzeugende Element in axialer Richtung
verstellbar. Durch diese Anordnung befindet sich der Lichtbogenansatz in einem im wesentlichen achsparallelen
Magnetfeld. Durch die axiale Verstellung der Kathode und/oder des magnetfelderzeugenden Elementes
lassen sich die effektive Länge des Lichtbogens und damit seine Spannung einstellen, wodurch wiederum die
Temperatur veränderbar ist
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich ?': den Rrennraum
eine Ausgleichskammer mit einem äußeren Gehäuse
und einem darin angeordneten Mantel anschließt und daß zwischen Gehäuse und Mantel ein sich im
wesentlichen ober die gesamte Höhe der Ausgleichskammer erstreckender Ringraum angeordnet ist, der
einerseits mit einer Gaszufuhrleitung und andererseits über Bohrungen im Mantel mit dem Innenraum der
Ausgleichskammer in Verbindung steht Der Mantel besteht vorzugsweise aus einem refraHtären Material.
Günstig ist es auch, wenn das Gehäuse auf der dem Ringraum zugewandten Seite spiegelnd bearbeitet ist
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, daß durch eine Gaszuführung in den Raum zwischen dem Mantel und
dem Gehäuse ein Gas eingeleitet werden kann, welches dem Mantel Wärme entzieht, ehe es durch Einlaßöffnungen
im Mantel in die Ausgleichskammer eintritt Gleichzeitig wird der Energiefluß vom Mantel zur
gekühlten Wand des Gehäuses auf 30% des Wertes reduziert, der in bekannten Einrichtungen auftritt, in
denen der Energiefluß vom heißen Gas an die gekühlte War.J durch konvektiven Wärmeübergang vonstatten
geht da der Energiefluß vom Mantel zur gekühlten Wand bei der beschriebenen Ausgleichskammer nur
durch Strahlungstransport erfolgen kann.
Es wird also durch die Kombination von Strahlungskühlung und konvektiver Kühlung in der an den
Entladungsraum anschließenden Ausgleichskammer der Wärmeverlust auf ein Mindestmaß reduziert Dies führt
zu hohen Werten des Gesamtwirkungsgrades der Einrichtung. Schließlich gestattet die Einblasung von
Gasen durch die öffnungen im Mantel zusätzlich, beliebige Temperaturen bei optimalen Betriebszuständen
ορλ Brenners auch in solchen Gasgemischen zu
erzielen, bei denen eine Komponente schädliche Wirkungen auf d:e Kathode bei einer direkten
Aufheizung in der Lichtbogenentladung hätte. Ausgleichskammern, die sich an den Brennraum eines
Plasmabrenners anschließen, sind an sich bekannt (CH-PS 4 55 963).
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
eines Plasmabrenners im Längsschnitt
Längsbohrung 2 auf, die in ihrem oberen Bereich mittels einer Isolierhülse 3 und in ihrem unteren Bereich mittels
einer kreiszylinderförmigen Anode 4 ausgekleidet ist. In
die Längsbohrung 2 ragt von der offenen Oberseite her
eine stabförmige Kathode 5 mit einer zentralen Längsbohrung 6. Die Kathode S ist im Bereich ihres
freien Endes konisch zugespitzt, so daß sich am Auslaß der Längsbohrung 6 eine schneidenförmige Ringkante 7
ergibt Der Außendurchmesser der stabförmigen Kathode 5 ist kleiner als die lichte Weite der Isolierhülse 3
und der Anode 4, so daß zwischen diesen und der Kathode 5 ein Ringspatt 8 ausgebildet wird.
Das zylinderförmige Gehäuse 1 ist von einer Magnetspule 9 umgeben, die durch eine in der
Zeichnung nicht dargestellte Stromquelle erregt werden kann. Die Magnetspule 9 ist in Richtung der
Gehäuselängsachse vcrschieblich. Ebenso kann die stabförmige Kathode 5 in Richtung der Gehäuselängsachse
verschieblich sein.
An uas Gehäuse ί scniieSi sieh siruiiiauwäris eine
Ausgleichskammer 10 mit einem ebenfalls zylinderförmigen Gehäuse 11 und einem mit der Längsbohrung 2 in
Verbindung stehenden Hohlraum 12 an. In den Hohlraum 12 ist ein kreiszylinderischer Mantel 13
derart eingesetzt, daß er in seinen Endbereichen 14 und 15 an Ringstegen 16 und 17 am oberen und am unteren
Ende des Gehäuses 11 dicht anliegt, während im übrigen
Bereich zwischen Mantel 13 und Gehäuse 11 ein Ringraum 18 gebildet wird. Dieser Ringraum 18 steht
über eine kanalförmige Leitung 19 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Gasquelle und über
Öffnungen 20 im Mantel 13 mit dem Innenraum 21 der Ausgleichskammer 10 in Verbindung.
Die gehäuseseitigen Seitenwände 22 des Ringraumes 18 sind spiegelnd bearbeitet Der Mantel 13 besteht
vorzugsweise aus einem refraktären Material.
Im Betrieb des beschriebenen Plasmabrenners strömt das Arbeitsgas einerseits durch den Ringspalt 8 und
andererseits durch die Längsbohrung 6 in das Innere des Gehäuses 1 ein und fließt dabei im wesentlichen
achsparallel durch diesen. Zwischen der Anode 4 und der Kathode 5 brennt ein Lichtbogen, wobei der
kathodenseitige Lichtbogenansatz an der schneidenförmigen Ringkante 7 lokalisiert ist Die Mangetspule 9
wird erregt und erzeugt dabei ein Magnetfeld, das im
Bereich der Ringkante 7 im wesentlichen achsparallel verläuft während es in einem stromabwärts gelegenen
Bereich divergiert Durch dieses Magnetfeld wird der Lichtbogen um die Gehäuselängsachse herum in
Drehung versetzt so daß der kathodenseitige Ansatzpunkt des Lichtbogens an der schneidenförmigen
Ringkante 7 enr.langwandert Dabei verläuft der
Ansatzpunkt in einer radialen Ebene, so daß sich die Länge des Lichtbogens nicht verändert, es bleiben also
auch Spannung und Temperatur des Lichtbogens bei dieser Wanderung konstant Wesentlich ist dabei, daß
das Magnetfeld im Bereich der Ringkante im wesentlichen achsparallel verläuft Zu diesem Zweck wird die
Magnetspule 9 in eine entsprechende Axialposition verschoben und vorzugsweise derart angeordnet daß
ihre Symmetrieebene in einem Bereich zwischen der ringförmigen Kante 7 der Kathode 5 und einer um
maximal fünf Durchmesser der ringförmigen Kante 7 in Gegenstromrichtung verschobenen Ebene liegt Durch
Veränderung der Axialposition der Magnetspule 9 und/oder der stabförmigen Kathode läßt sich die Länge
des Lichtbogens und damit seine Temperatur beeinflussen. Es ist also in einfacher Weise möglich, eine
gewünschte Temperatur einzustellen, die wegen der konstanten Länge des Lichtbogens auch zeitlich
konstant bleibt Dadurch, daß der kathodenseitige Lichtbogenansatz längs der Ringkante 7 wandert, ist die
Verweilzeit des Ansatzes in einem bestimmten Flächenelement extrem kurz und es tritt praktisch keine
Elektrodenerosion ein. Auch der anodenseitige Ansatzpunkt ist durch das divergierende Magnetfeld im
Bereich der Anode in axialer Richtung definiert,
ίο während in Umfangsrichtung eine Wanderung des
Ansatzpunktes gewährleistet ist
Aufgrund der Wanderung des kathodenseitigen Ansatzpunktes können auch bei hohen Leistungen
Kathoden aus üblichen Materialien verwendet werden; günstig ist es jedoch, die Kathode zusätzlich aus
hochwärmefestem Material herzustellen, beispielsweise aus Thoriumwolfram.
Günstige Leistungsdaten ergeben sich insbesondere dann, wenn die Anode Kreiszylinderform hat und eine
/d liCiitc Tr cite äüiWciSt, uic nüinjCSiCnS 3G gTGv ϊ3ι WiC viCT
äußere Durchmesser der Kathode 5.
Selbstverständlich kann die Magnetspule 7 durch einen entsprechend magnetisieren Permanentmagneten
ersetzt werden.
Die durch den Lichtbogen erhitzten Gase treten nach dem Durchlaufen des Lichtbogens in die Ausgleichskammer 10 ein. Hier sorgt der vorzugsweise aus einem
refraktären Material bestehende Mantel 13 zusammen mit de;λ Ringraum 18 für eine gute thermische
Isolierung der Gase. Da der Mantel 13 nur in einem kleinen Bereich in direktem Wärmeleitungskontakt mit
dem gekühlten Gehäuse 11 steht, kann Wärme vom Mantel 13 auf das Gehäuse 11 im wesentlichen nur
durch Strahlung übertragen werden. Durch die spiegelnde Bearbeitung der gehäuseseitigen Seitenwände 22 des
herabgesetzt Insgesamt wirkt damit der Mantel 13 als
Öffnungen 20 kann dem erhitzten Gas im Innenraum 21 der Ausgleichskammer ein weiteres Gas oder eine
Gasmischung zugemischt werden. Dieses durch den Ringraum 18 eintretende Gas wird in diesem vorgewärmt
so daß ein Teil der Wärmeverluste auf diese Weise wieder ausgeglichen werden kann. Durch die
Zumischung weiterer Gase kann die gewünschte Endtemperatur des aus der Ausgleichskammer austretenden
Gasgemisches eingestellt werden. Günstig ist es auch, daß dem hocherhitzten Gas Gasbestandteile
so zugemischt werden können, die nicht selbst im Plasmabrenner auf die dort herrschenden hohen
Temperaturen erhitzt werden können, sei es daß sk. bei
diesen Temperaturen zersetzt werden, sei es daß sie bei diesen Temperaturen schädliche Reaktionen mit den
Mit der Weiterbildung des beschriebenen Plasmabrenners durch die Ausgleichskammer wird es also
erleichtert Gase auch bei hohen Drücken (bis 20 bar) auf extrem hohe Temperaturen (bis 20 000 K) zu
erhitzen und gleichzeitig die Endtemperatur des Gases exakt, reproduzierbar und konstant einzustellen, wobei
die Abnützung des Plasmabrenners im Betrieb auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird Die Temperaturregelung
kann in zweifacher Weise erfolgen, nämlich durch Verschiebung der Magnetspule 9 und/oder der Kathode
5 und durch Zumischung eines Gases in der Ausgleichskammer.
Claims (10)
1. Gleichstrom-Plasmabrenner mit einer stabförmigen Kathode qnd einer konzentrisch dazu
angeordneten, rotationssymmetrischen Anode und einem Ringspalt zwischen Kathode und Anode zur
Zuführung des zu erwärmenden Gases, wobei die
Kathode an ihrem freien Ende eine ringförmige Kante aufweist und wobei sich das freie Ende der
Kathode in einem achsparallelen, zeitlich konstanten Magnetfeld befindet, während im stromabwärts des
freien Endes der Kathode gelegenen Bereich ein in Strömungsrichtung divergierendes, zeitlich konstantes
Magnetfeld existiert, derart, daß der zwischen Kathode und Anode sich ausbildende Plasmabogen
in Rotation versetzt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathode (5) eine durchgehende innenbohrung (6) aufweist, durch die ein Teil des zu
erwärmenden Gases in den Plasmabrenner mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit einführbar ist,
daß der kathodenseitige PTasmäbogenansatz an der
ringförmigen Kante (7) der Kathode (5) lokalisiert ist
2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (5) aus Thoriumwolfram
besteht.
3. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige
Kante (7) Schneidenform hat
4. Plasmabrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode
(4) Kreiszylinderform bat ure* eine lichte Weite
aufweist, die mindestens so groß ist wie der Außendurchmesser der Kathode/^).
5. Plasmabrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung
des Magnetfeldes konzentrisch zur Kathodenachse eine Magnetspule (9) oder ein Permanentmagnet
derart angeordnet sind, daß deren Symmetrieebene in einem Bereich zwischen der ringförmigen
Kante (7) der Kathode (5) und einer um maximal fünf Durchmesser der ringförmigen Kante (7) in
Gegenstromrichtung verschobenen Ebene liegt
6. Plasmabrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode
und/oder das Magnetfeld erzeugende Element (9) in axialer Richtung verstellbar sind.
7. Plasmabrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas
achsparallel zugeführt wird.
8. Plasmabrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den
Brennraum eine Ausgleichskammer (10) mit einem äußeren Gehäuse (11) und einem darin angeordneten
Mantel (13) anschließt und daß zwischen Gehäuse (It) und Mantel (13) ein sich im
wesentlichen über die gesamte Höhe der Ausgleichskammer (10) erstreckender Ringraum (18) angeordnet
ist, der einerseits mit einer Gaszufuhrleitung (19) und andererseits über Bohrungen (20) im Mantel (13)
mit dem Innenraum (21) der Ausgleichskammer (10) in Verbindung steht.
9. Plasmabrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (13) aus einem
refraktären Material besteht.
10. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse
(II) RHf der dem Ringraum (18) zugewandten Seite
spiegelnd bearbeitet ist,
11, Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 8,9
oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleicbskammer
(10) von zylindrischer, halbzylindrischer, prismatischer oder sphärischer Form ist
IZ Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 8
bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse der Ausgleichskammer (10) parallel oder senkrecht
zu der des Plasmabrenners angeordnet ist
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1980
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- 1980-03-29 DE DE8080101692T patent/DE3060990D1/de not_active Expired
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