DE2913464C3 - Gleichstrom-Plasmabrenner - Google Patents

Description

ι⁵ 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

Jn verschiedenen Bereichen der Verfahrenstechnik, bei Plasmawindkanal-Untersuchungen, in der Plasmachemie sowie zum Betrieb fiuiddynamischer 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 solpher Werte von Temperatur und Druck kann die Aufheizung von Gasen in einer Gleichoder Wechselstromlichtbogenentladung vorgenommen werden. Die wesentlichen technologischen Probleme liegen hierbei in άζτ 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

^o werden.

Um einen hohen thermischen Wirkungsgrad, d. h. ein großes Verhältnis von im heißen Gas enthaltener Energie zu aufgewandter elektrischer Energie, zu erzielen, wird weiterhin angestrebt, die Entladung bei 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 20 33 072). 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-

seits Spannungsfluktuationen und letztlich Temperatur-Schwankungen'nach sich zieht

Das im Plasmastrahl erwärmte Material kann dem Plasmastrahl auf verschiedene Weise zugeführt werden, beispielsweise ist die Zuführung durch einen eine Kathode umgebenden Ringkanal oder durch eine die Kathode durchsetzende !nnenbohrung bekannt (H. Drost, Plasmachemie; Akademie-Verlag Berlin 1978, Seite 106). Mit einer solchen Anordnung ist jedoch kein stabiler Plasmabngen erzielbar, da der Plasmabogen an der Kathode keinen definierten Ansatzpunkt findet, sondern springt Weiterhin muß bei einer solchen Anordnung mit starken lokalen Oberhitzungen gerechnet werden, da keine Zwangsbewegung des Bogens vorgesehen ist.

Bei dem bekannten Plasmabrenner der eingangs genannten Art befindet sich die ripgfönnige 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 Plasmabogen in Rotation versetzt wird. Bei dieser Konstruktion liegt 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 Unterdruck 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 Verwirbelung des Plasmabogens, denn aufgrund der Lorentzkräfte wird der Plasmabogen in seinem kathodenseitigen Ansatzbereich in entgegengesetzter Richtung abgelenkt wie in seinem anodnseitigen Ansatzbereich. Ein gleichmäßiger Plasmabogen wird bei einer solchen Anordnung unmöglich.

Ähnliche Probleme ergeben sich bei einer weiteren bekannten Anordnung eines Plasmabrenners, wie sie aus der DE-OS 15 14 440 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. Dczu 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 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 rasch bewegen, was zu einer extrem kurzen Verweilzeit an einem bestimmten Flächenelement führt Dadurch unterbleibt ein Abschmelzen des Elelr.rodenmaterials, und es können hohe -Standzeiten und saubere Plasmen erzielt werden.

ίο Günstig ist es, wenn die Kathode aus Thoriumwolfram besteht

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die ringförmige Kante Schneidenform hat

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen 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 veischobenen 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 isi vorgesehen, daß sich an den Brennraum eine Ausgleichskammer mit einem äußeren Gehäuse und einem darin angeordneten Mantel anschließt und daß zwischen Gehäuse und Mantel ein sich im wesentlichen über die gesamte Höhe der Ausgleichskammer erstreckender Ringraum angeordnet ist, der einerseits mit einer Gaszufuhrleitung und andererseits über Bohrungen im Mantel mit dem Innenraum der Ausjr'eichskammer in Verbindung steht. Der Mantel besteht vorzugsweise aus einem refraktären Material. Günstig ist es auch, wenn das Gehäuse auf der dem

•*5 Ringraum zugewandten Seite spiegelnd bearbeitet ist

Diese Ausgestaltung ermöglicht es, dtiß 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 reduzier», der in bekannten Einrichtungen auftritt, b denen der Energiefluß vom heißen Gas an die gekühlte Wand durch konvektiven Wärmeübergang vonstatten geht, da der Energiefluß vom Mantel zur geküh'ten Wand bei der bescnriebenen Ausgleichskavnmer nur durch Strahlungstransport erfolgen kann.

Es wird also durch die Kombination von Strahlungskühlung und konv.ktiver 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 des Brenners auch in solchen Gasgemischen zu erzielen, bei denen eine Komponente schädliche

Wirkungen auf die Kathode bei einer direkten Aufheizung in der Lichtbogenentladung hätte. Ausgleichskammern, die sich an den Brennraum eines Plasmabrenners anschließen, sind an sich bekannt (CH-PS4 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.

Ein zvlinderförmiges Gehäuse 1 weist eine zentrale Längsbohrung 2 auf, die in ihrem oberen Bareich 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 -5 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 Ringspalt 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 verschieblich. Ebenso kann die stabförmige Kathode 5 in Richtung der Gehäuselängsachse verschieblich sein.

An das Gehäuse 1 schließt sich stromabwärts 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 Innei e des Gehäuses 1 ein und fließt dabei im wesentjichen 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 Magnetspule 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 entlangwandert 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 ίο 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 η 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 Elektroder.erosion ein. Auch der anodenseitige Ansatzpunkt ist durch das divergierende Magnetfeld im Bereich der Anode in axialer Richtung definiert, während in Umfangsrichtung eine Wanderung des Ansatzpunktes gewährleistet ist.

>5 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 JO aus Thoriumwolfram.

Günstige Leistungsdaten ergeben sich insbesondere dann, wenn die Anode Kreiszylinderform hat und eine lichte Weite aufweist, die mindestens so groß ist wie der äußere Durchmesser der Kathode 5. Selbstverständlich kann die Magnetspule 7 durch einen entsprechend magnetisierten 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 dem 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 Ringraumes 18 werden Strahlungsverluste zusätzlich so herabgesetzt Insgesamt wirkt damit der Mantel 13 als Hitzeschild.

Über die Leitung 19, den Ringraum 18 und die 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 zugemischt werden können, die nicht selbst im Plasmabrenner auf die dort herrschenden hohen Temperaturen erhitzt werden können, sei es daß sie bei diesen Temperaturen zersetzt werden, sei es daß sie bei diesen Temperaturen schädliche Reaktionen mit den Bauteilen des Plasmabrenners eingehen.

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 erfolgt n, nämlich durch Verschiebung der Magnetspule 9 und/oder der Kathode 5 und durch Zumischung eines Gases ί:ι der Ausgleichskammer.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Gleichstrom-Plasmabrenner mit einer stabförmig«! Kathode und 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 Piasmabogenansatz 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 uie! 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 (U) und einem darin angeordneten Mantel (13) anschließt und daß zwischen Gehäuse (11) 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

(11) auf der dem Ringraum (18) zugewandten Seite spiegelnd bearbeitet ist

11. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 8,9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskammer (10) von zylindrischer, halbzylindrischer^prismatischer oder sphärischer Form ist

12. 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