DE3522888A1 - Vorrichtung zum erzeugen eines plasmastrahls - Google Patents

Vorrichtung zum erzeugen eines plasmastrahls

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Yoshiaki Amagasaki Hyogo Arata
Akira Takatsuki Osaka Kobayashi
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Description

3 5 2 2 8 8
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls.
In einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls, wie einem Plasmabrenner oder einer Plasmapistole, wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer Elektrode und einer als Düse geformten Elektrode, wie einer Ringelektrode, ausgebildet. Der ausgebildete elektrische Lichtbogen wird dann innerhalb der Düse mittels eines Arbeitsgases durch einen thermischen Pincheffekt, wie einen Einschnürungs- oder ^ Quetscheffekt, räumlich begrenzt, um einen Hochtemperatur-Plasmastrahl aus der Düse auszustoßen.
Im Plasmastrahl können sehr große Energien bei Temperatu-
k.
ren von etwa 10 K und Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 10 m/s konzentriert werden. Plasmastrahlen finden deshalb breite Anwendung in der Industrie, im Ingenieurwesen und dergleichen. Gegenwärtig werden Plasmastrahlen in der Industrie zum Plasmastrahlschneiden oder -schweißen nichtrostender Stähle, Legierungen und dergleichen, zum Zerstäu-
ben von Metallen und Keramiken, zum Schmelzen und Vergüten reiner Metalle und Legierungen, für chemische Reaktionen von Polymeren bei hohen Temperaturen und dergleichen verwendet .
Plasmastrahlen sind sehr effektiv beim Liefern von Wärmeenergie. Dementsprechend ist zu erwarten, daß in naher Zukunft ein noch stärkeres Bedürfnis nach Plasraastrahlen mit höherer Energie besteht.
Bekannte Plasmastrahlgeneratoren weisen bisher Jedoch niedrige Leistung auf, beispielsweise weniger als 100 kW.
3522883
Beim Versuch, derartige Generatoren mit niedriger Leistung für hochenergetische Plasmastrahlen zu verwenden, tritt das Problem auf, daß die Elektroden rasch beschädigt oder verbraucht werden. Es ist anzunehmen, daß dies an der Betriebsweise der bekannten Plasmastrahlgeneratoren mit hohem Strom und niedriger Spannung liegt. In jedem Fall ist es sehr schwierig, mit den bekannten Vorrichtungen einen hochenergetischen Plasmastrahl zu erzeugen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls mit höherer Leistung als bekannte Vorrichtungen bereitzustellen. Mit dem erfindungsgemäßen Plasmastrahlgenerator soll ein Hochteraperatur-Plasmastrahl mit mehr als einigen MW Leistung erzeugt werden können.
Diese Aufgabe wird insbesondere mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
Der erfindungsgemäße Plasmastrahlgenerator weist zwei Grundmerkmale auf. Erstens werden Elektroden in Tandem- *"""""* anordnung verwendet. Zweitens wird eine Gasströmung in Form eines Hochgeschwindigkeitswirbels verwendet. Durch die wirbeiförmige Gasströmung kann der Plasmastrahl durch den thermischen Pincheffekt räumlich begrenzt werden, wodurch jede Elektrode vor dem Strahl geschützt werden kann. Erfindungsgemäß läßt sich somit eine große Menge des Hochtemperaturplasmastrahls erzeugen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls gemäß einer ersten Ausfüh-
rungsform der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie (2\ - (2) in Fig. 1,
ORIGINAL INSPECTED
-S-
Pig. 3 ein Diagramm der Geschwindigkeitscharakteristik:
der Hochgeschwindigkeitswirbelströmung der Arbeitsgase,
Fig. 4 ein Diagramm der Beziehung zwischen dem Innendurchmesser einer Umlenk- oder Steuerdüse für ein Gas und der zwischen zwei Düsen eines Teils der Vorrichtung angelegten Spannung,
Fig. 5 ein Diagramm der Beziehung zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des Gases in einer Gasumlenk- oder '^ Steuerdüse und der Spannung zwischen den beiden Düsen,
Fig. 6 ein Diagramm von zwei Charakteristika in Bezug auf die Spannung und den elektrischen Strom,
Fig. 7 einen Querschnitt einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 einen Querschnitt einer Modifikation der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform von Fig. J,
Fig. 9 ein Diagramm der V-I-Charakteristika des Plasma-
Strahls, und
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht der Düse zum Erzeugen der Wirbelströmung.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform weist grundsätzlich zwei Teile A und B auf. Teil A weist im wesentlichen die gleiche Konstruktion wie eine herkömmliche Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls auf. Teil B ist eine erfindungsgemäße Wirbelströmung/ Entladungs- oder Ausströmeinheit.
Wie in Fig. 1 dargestellt, weist das Teil A eine Brennermittelelektrode 11, beispielsweise aus Wolfram, und eine Brennerdüse 12 auf, die ebenfalls als Elektrode arbeitet. Die Elektroden 11 und 12 sind mit den beiden Enden einer
-7-ersten Gleiohstromenergiequelle PSl verbunden.
Das Teil B weist andererseits eine zweite Gleichstromenergiequelle PS2 auf, deren eines Ende mit der Brennerdüse 12 und deren anderes Ende mit der als Elektrode arbeitenden Gasnebendüse, wie der Gasablenkdüse oder -umlenkdüse 14 verbunden ist, und eine Düse -13 zum Erzeugen einer Wirbelströmung mit Durchlässen I3-I. In der Düse I3 ist eine Wirbelstromkammer 15 ausgebildet. Die Gasnebendüse 14 weist eine ringröhrenförmige Seitenwand l4~l und eine Innenwand 14-2 auf. Der erzeugte Plasmastrahl ist mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnet. Ferner weist das Teil B einen Einlaß 17 einer Durchführung auf, der ein Arbeitsgas GS zugeführt wird, Einlasse I8-I und 18-2 von Durchführungen, in denen ein Kühlmedium CM untergebracht ist, und Isolatoren I9-I und I9-2.
Pig. 2 ist ein Querschnitt entlang der Linie (?) - qT) in Fig. 1 und dient zum Verständnis der innerhalb der Wirbelströmung/ Entladungseinheit B durchgeführten Operationen.
Das Arbeitsgas GS wird durch die Durchlässe 13-1 und 13-2 in die Wirbelstromkammer 15 eingespeist. Die Wirbelstromkammer 15 weist zylindrische Form auf. Die Durchlässe I3-I und 13-2 sind vorzugsweise tangential zum Kreis der zugeordneten zylindrischen Wand der Kammer I5 orientiert. Ferner sind die Durchlässe 13-1 und 13-2 symmetrisch zueinander bezüglich der Längsachse der zylindrischen Wand der
Kammer 15 angeordnet.
Die in den Fig. 1 und 2 schematisch als Pfeile dargestellten injizierten Arbeitsgase drehen sich schnell und bilden innerhalb der Wirbelstromkammer 15 die Hochtemperaturwir-
belströraung (Vortex) aus. Dann werden die injizierten Arbextsgase mittels der ringförmigen Seitenwand 14-1 der Gasnebendüse
ORIGINAL INSPECTED
14 und der Innenwand 14-2 dieser Düse nach außen ausgestoßen.
Fig. 3 ist ein Diagramm der Geschwindigkeitseigenschaften der Hochtemperaturwirbelströmung der Arbeitsgase. In der Darstellung von Pig. 3 stellt die Abszisse den Radius R und die Ordinate, die Geschwindigkeit V dar. Die Zeichen T1^ und Yy. entlang der Abszisse repräsentieren die Radien der Gasnebendüse 14 (14-2) und der Wirbelstromkammer I5. Das Zeichen v„ repräsentiert die Schallgeschwindigkeit.
Die charakteristische Kurve vQ repräsentiert die Geschwindigkeit in Tangentialrichtung und vr repräsentiert die Geschwindigkeit in Radialrichtung.
Wie aus dem Diagramm von Fig. 3 entnehmbar, steigen die Geschwindigkeiten sowohl in Tangential- als auch in Radialrichtung, d.h. Vr, und ν rasch an. Die Tangentialgeschwin-
digkeit vQ erreicht die Schallgeschwindigkeit ν aufgrund y a
eines sogenannten "Seitenwandeffekts", d.h. des Begrenzungs-
effekts, der durch die ringförmige Seitenwand der Gasnebendüse 14 auf die wirbeiförmige Gasströmung ausgeübt wird. Gleichzeitig wird die innerhalb der Kammer 15 gemessene Strömungsgeschwindigkeit aufgrund des sogenannten "Viskositätseffekts" des Gases konstant gehalten.
In diesem Fall weist die Innenseite der Kammer I5 einen relativ niedrigen Druck auf, der einen steilen Gradienten des Gasdrucks in Radialrichtung verursacht. Dieser niedrige Druck ergibt einen wirbeiförmigen Gastunnel. Obwohl die 30
Außenseite der wirbeiförmigen Gasströmung einen Druck oberhalb Atmosphärendruck annimmt, kann deren Innenseite einen Druck annehmen, der lediglich in der Größenordnung von einigen Torr liegt. Der vorstehend erläuterte wirbelförmige Gastunnel wurde von den Erfindern der vorliegenden Anmeldung bereits im. Journal of the Physical Society of Japan, Bd. 43, Nr. 3, S. 1107 - II08, September 1977, unter dem Titel "Concept of Vortex Gas Tunnel and Applicat-
—ΟΙ ion to High Temperature Plasma Production" beschrieben.
Da der wirbeiförmige Gastunnel entlang der Mittelachse der Gasnebendüse 14 ausgebildet wird, wird aufgrund der Konvektion in Radialrichtung ein starker thermischer Pinchef fekt auf den Plasmastrahl 16 ausgeübt. Zusätzlich kann die Stabilität des Plasmastrahls wesentlich durch eine Gaswand erhöht werden, die darin einen steilen Druckgradienten ausbildet, der von der wirbeiförmigen Hochtemperaturgasströmung stammt bzw. abgeleitet wird. Wenn deshalb in Fig. 1 durch einen elektrischen Entladungsbogen zwischen der Brennermittelelektrode 11 und der Brennerdüse 12 ein Pilot-, wie ein Zünd- oder Auslöselichtbogenplasma erzeugt wird und das erzeugte Pilotlichtbogenplasma durch den wirbelförmigen Gastunnel strömt, wird das Pilotbogenplasma durch eine elektrische Entladung zwischen der Brennerdüse 12 und der Gasnebendüse 14 einer großen elektrischen Energie unterworfen. Gleichzeitig erleidet das Pilotbogenplasma einen starken thermischen Pincheffekt, da die Oberfläche des Lichtbogens durch die starke wirbeiförmige Gasströmung
abgekühlt wird. Deshalb wird ein Plasmastrahl mit hoher *-*""*' Energie und hoher Dichte erzeugt und aus der Gasnebendüse oder Umlenkdüse 14 ausgestoßen. Die Entladung an der Mittelseite der Wirbelstromkammer 15 kann als "Gastunnelentladung" bezeichnet werden.
Experimente mit einem Prototyp gemäß der ersten Ausführungsform von Fig. 1 ergeben die folgenden Daten. Zunächst wird
ein Plasmastrahl mit positiver Polarität durch die Gasum-30
lenkdüse V\ mit Energie gespeist, der durch die Energiequelle PS2, wie in Fig. 1 dargestellt, negative Polarität zugeführt wird. In diesem Fall wird nach dem Triggern des Pilotbogenplasmas der Gasumlenkdüse I^ ein elektrisches
Potential von -l6o V zugeführt. Es hat sich gezeigt, daß 35
ein elektrischer Strom leicht dem Plasmastrahl überlagert werden kann. Beispielsweise kann ein elektrischer Strom
von 1300 A bei I60 V dem gewöhnlichen Pilotbogenplasma, das beispielsweise 800 A bei 35 V aufweist, überlagert werden. Wie aus dem vorstehenden Experiment ersichtlich, kann über die Gasumlenkdüse 14 leicht eine hohe elektrisehe Leistung von mehr als 200 kW auf das Pilotlichtbogenplasma mit einer herkömmlichen, niedrigen elektrischen Leistung von weniger als 30 kW emittiert werden. Auf diese Weise nimmt die Länge und Helligkeit des erzeugten
Plasmastrahls stark zu.
10
Beim Plasmastrahlgenerator gemäß der ersten Ausführungsform von Fig. 1 kann die zweite DC-Energiequelle PS2 die Gasumlenkdüse 14 auch mit positiver Spannung (+) anstelle mit negativer Spannung ^\ speisen, wie in der Figur dargestellt. Ferner kann der Spannungspegel der Speisespannung der zweiten DC- Energiequelle PS2 in Übereinstimmung mit verschiedenen Parametern frei bestimmt werden, beispielsweise der Länge der Wirbelstromkammer I5, dem Innendurchmesser der Gasumlenkdüse 14, den Arten der Ar-
beitsgase für die Wirbelströmung und der Strömungsmenge und dem Druck des Arbeitsgases für die Wirbelströmung. Dadurch besteht ein großer Freiheitsgrad für die Vergrößerung der Leistung des Plasmastrahls. Die spezifischen Bedingungen werden nachstehend erläutert.
(a) Das Arbeitsgas für die Wirbelströmung kann beispielsweise Ar, He, Hp, Np, CO2* Luft und chemisch reaktives Gas sein. Es muß nicht notwendigerweise dasselbe Material für das Arbeitsgas GS als Wirbelstromungsgas und für das Arbeitsgas GS' als Gas zum Erzeugen des Pilotlichtbogenplasmas gewählt werden.
(b) Die zwischen der Brennerdüse 12 und der Gasumlenkdüse 14 anzulegende Spannung, d.h. V12-H* wachst mit einer Verlängerung der Wirbelstromkammer I5.
(c) Die Spannung V12.. 14 ändert sich indirekt umgekehrt proportional zur Änderung des Innendurchmessers r,h der Gasumlenkdüse 14. Das Diagramm gemäß Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Innendurchmesser v«h. der lenkdüse 14 und der zwischen den beiden Düsen des Teils B angelegten Spannung V12 , j,. Wie aus dem Diagramm von Fig. 4 ersichtlich ist, ist die Spannung V12-1I1. indirekt (umgekehrt) proportional zum Innendurchmesser v,u (in mm) der Gasumlenkdüse 14. Die dargestellte Beziehung wird bei einem Betriebszustand erhalten, bei dem die Gasströmungsrate Q etwa 400 l/min und der elektrische Strom I der Quelle PS2 etwa 1000 A beträgt.
(d) Die Spannung V12-1Ii ändert sich direkt proportional zur Änderung der Gasströmungsgeschwindigkeit in der Gasumlenkdüse 14.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der Gasströmungsrate GFR in der Gasumlenkdüse und der Spannung
V12-1h zwischen den beiden Düsen des Teils B. Wie aus dem
Diagramm von Fig. 5 ersichtlich ist, wächst die Spannung ■**. mit dem Anwacnsen der Gasströmungsrate GFR (in 1/ min). Die dargestellte Beziehung wird bei einem Betriebszustand erhalten, bei dem der elektrische Strom I der Quelle PS2 etwa 400 A und der Innendurchmesser d der Gasumlenkdüse 14 8 mm beträgt.
(e) Die Spannung V12-1Ij. variiert auch in Abhängigkeit von
der Art des Arbeitsgases GS. Wenn beispielsweise Np als *- ..
Arbeitsgas verwendet wird, ist die Spannung V12-1^ hoher als wenn Ar als Arbeitsgas verwendet wird.
(f) Die Änderung des Drucks des Arbeitsgases induziert
ebenfalls eine Änderung der Spannung V12-1^. Die Änderung ist identisch wie bei dem Fall, in dem die Spannung V12-1^
durch Änderung der Gasdurchflußrate geändert wird, wie in Fig. 5 dargestellt.
Wie vorstehend erläutert kann mit dem erfindungsgemäßen Plasmastrahlgenerator auf einfache Weise ein Plasmastrahl mit sehr hoher Leistung erzeugt und ausgesandt werden. Der Grund hierfür wird nachstehend mit Bezug auf Fig. β erläutert .
In dem in Fig. 6 gezeigten Diagramm sind zwei Charakterist ika bezüglich Spannung und elektrischem Strom dargestellt. Die Ordinate und Abszisse des Diagramms entsprechen der über den Plasmastrahl auftretenden Spannung V und dem elektrischen Strom I. Die gestrichelte Kurve A zeigt ein typisches und herkömmliches V-I-Diagramm von einem bekannten Plasmastrahlgenerator mit einer Konstruktion ähnlich Teil A von Fig. 1. Die durchgezogene Kurve B zeigt ein V-I-Diagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Gastunnelentladungsbereich, während die
gestrichelte Kurve A die in einem herkömmlichen Plasmastrahlbereich, wie dem Bereich (T) des Diagramms von Fig.6, *ue~ erhaltenen Eigenschaften definiert. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, zeigt der Bereich (i) eine sogenannte negative Charakteristik zwischen den variablen V und I. Diese
Charakteristik wird in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 nur in einer anfänglichen Stufe erreicht, in der das Pilotlichtbogenplasma zunächst erzeugt wird, während im bekannten Plasmastrahlgenerator die gleiche Charakteristik während der gesamten üblichen Arbeitszeit erhalten wird. Um
die Energie des Plasmastrahls beim bekannten Generator zu erhöhen, muß eine positive Charakteristik zwischen den Variablen V und I verwendet werden. Diese positive Charakteristik kann im Diagramm im Bereich fä) erhalten werden. Deshalb wird hierfür ein sehr großer Strom benötigt. Die Elektroden neigen aufgrund des großen Stroms zu einem un-
.ι π / / η ο -13-
erwünschten Schmelzen.
Demgegenüber kann erfindungsgemäß die beabsichtigte Steigerung der Plasmastrahlenergie einfach durchgeführt werden durch Verwendung der dem Gastunnelentladungsbereich inhärenten positiven Charakteristik, d.h. der durchgezogenen Kurve B im Diagramm. Im Gastunnelentladungsbereich oder -ausströmbereich ist die V-I-Charakteristik aufgrund des vorstehenden starken thermischen Pincheffekts positiv. Infolgedessen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zu einem hohen elektrischen Strom geeignet und außerdem für Spannungen in der Größenordnung von mehr als 100 V, also höher als die Arbeitsspannung herkömmlicher Plasmastrahlen, die beispielsweise in der Größenordnung von et-
wa 50 V liegt.
Pig. 7 ist ein Querschnitt eines Plasmastrahlgenerator gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. In Fig. 7 und den nachstehenden Figuren sind die gleichen
Bauteile wie in Fig. 6 mit dem gleichen Bezugszeichen
versehen. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 7 ist die Wir-"^ belströmung/Entladungs- oder Ausströmeinheit B ferner in einer Tandemanordnung entlang der Strömung des Plasmastrahls 16 mit mindestens einer weiteren Wirbelströmung/ 25
Entladungs- oder Ausströmeinheit B', B" ... verbunden, die jeweils nahezu identisch aufgebaut sind. Die hinzugefügten Wirbelströmung/Entladungs- oder Ausströmeinheiten B', B"... vervielfachen die Energie des Plasmastrahls 16, wodurch
on ein Plasmastrahlgenerator mit ultrahoher Leistung geschaffen wird. Ein Plasmastrahlgenerator mit drei Wirbelströmung/Entladungs- oder Ausströmeinheiten B, B' und B", die in Tandemanordnung miteinander verbunden'sind, kann mit einer Leistung von 3 MW bei 2 kA und 1,5 kV arbeiten. Eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 7 unvollständig dargestellt.
ORIGINAI
_u_ 352288?
Fig. 8 ist ein Querschnitt eines auf der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 7 basierenden weiteren erfindungsgemäßen Plasmastrahlgenerators. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 7 sind die zweiten Gleichspannungsenergiequellen PS2, PS21 und PS2" der (nicht vollständig dargestellten) Wirbelströmung/Entladungsoder Ausströmeinheiten B, B' und B" mit der gleichen Polarität miteinander verbunden. Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 8 sind dagegen die zweiten Gleichspannungsenergiequellen PS2, PS21 und PS2" der Einheiten B, B1 bzw. B"" abwechselnd mit entgegengesetzten Polaritäten angeordnet.
Der Plasmastrahlgenerator gemäß Fig. 7 ist in seiner thermischen Wirksamkeit um einige Prozent besser als derjenige gemäß Fig. 8. Der Grund hierfür ist jedoch theoretisch nicht vollständig erklärbar.
Fig. 9 ist ein Diagramm der V-I-Charakteristik des Plasmastrahls. Die Abszisse bzw. Ordinate zeigen den elektrischen Strom I in A bzw. die Spannung V. Im Diagramm entspricht die Kurve A einem herkömmlichen Plasmastrahlgenerator, der *"* nur das Teil A gemäß Fig. 1 aufweist, die Kurve "A+B" einem einstufigen erfindungsgemäßen Plasmastrahlgenerator, d.h.
der Vorrichtung gem. Fig. 1, wobei nur die Spannung im Teil
B eingezeichnet ist, und die Kurve "A+2B" einem zweistufigen erfindungsgemäßen Plasmastrahlgenerator, d.h. der Vorrichtung gemäß den Fig. 7 oder 8, wobei nur die Spannung in den Teilen B+B' (oder B+B1) eingezeichnet ist, wenn die Vorrichtung in der Form A+B+B1 (oder A+B+B') ausgebildet ist. Hierbei weist beispielsweise die erste Gleichstromenergiequelle eine Versorgungsspannung von 100 V und jede zweite Gleichstromenergiequelle eine Spannung von 500 V auf.
Wie vorstehend erläutert, ist die Wirbelstromkammer 15 ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung. Die
352288C
Kammer 15 wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß die Wirbelströmungsdüse 15,13' sandwichartig zwischen zwei Elektrodendüsen angeordnet wird.
Fig. 10 ist eine perspektivische Ansicht der Düse zum Erzeugen einer Wirbelströmung. In Fig. 10 ist die betreffende Wirbelströmungskammer innerhalb der Düse 13*13* ausgebildet. Die innere zylindrische Wand weist Durchlässe, beispielsweise 13-1* 13-1'* 13-2, 13-2' auf, durch die das vom Einlaß 17,17' durch die in der Düse 13,13' ausgebildete Durchführung ·"zugeführte Arbeitsgas injiziert wird.
Wie vorstehend im Detail erläutert, erzeugt der erfindungsgemäße Plasmastrahlgenerator in stabiler Weise eine große Menge bzw. eine große Masse eines Hochtemperaturplasmastrahls ohne teuere, komplizierte Hardware- Dies wird insbesondere durch den thermischen Pincheffekt und die hohe Isolierfähigkeit ermöglicht, die beide aus der speziellen wirbeiförmigen Gasströmung resultieren. Mit dem
erfindungsgemäßen Plasmastrahlgenerator sind deshalb
auch neue Anwendungen möglich, wie Schmelzen und Vergüten "*"""" von Metallen mit außerordentlich hohem Schmelzpunkt und Umwandeln von toxischen Industrieabfällen aus Herstellungsbetrieben in nichttoxische Materialien. 25

Claims (9)

  1. vossius-vossius -tauchner - he u Bemann-rauh
    PATENTANWÄLTE
    ο π ο ο ρ ρ ο
    SIEBERTSTRASSE 4- · 8QOO MÜNCHEN 86 ■ PHONE: (OB9) 47M75 Z-CCO
    CABLE: B E N Z O L P AT E N-T MÖNCHEN · TELEX 5-29 453 VOPAT D
    u.Z.: T 865 (GH/ko)
    Case: NSC-^lO-DE 26. Juni 1985
    NIPPON STEEL CORPORATION
    Japan
    " Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls "
    Patentansprüche
    Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls, mit ( einer Brennermittelelektrode (11) und einer Brennerdüse ^ (12), die an den beiden Enden einer ersten Gleichstrom-Energiequelle (PSl) angeschlossen sind und im Zusammenwirken mit einem Arbeitsgas aus der Brennerdüse (12) einen Plasmastrahl (16) erzeugen, ferner gekenn'zeichnet durch
    a) eine Wirbelströmungs- und .Entladungseinheit (BiB) mit
    b) einer zweiten Gleichstrom-Energiequelle (PS2), deren eines Ende mit der Brennerdüse (12) verbunden ist,
    c) einer Gasablenkdüse (1^)* die mi^ dem anderen Ende der zweiten Gleichstrom-Energiequelle (PS2) verbunden ist, und
    d) einer Wirbelströmungskammer (15)* die zwischen der Gasablenkdüse (14) und der Brennerdüse (12) angeordnet ist und eine Wirbelströmung des Arbeitsgäses ausbildet, in der der Plasmastrahl (16) eingeschlossen ist, e^ wodurch der Plasmastrahl (16) durch einen vom Arbeits-
    gas ausgebildeten wirbelförmigen Gastunnel einem thermischen Pincheffekt unterworfen wird und aufgrund des wirbeiförmigen Gastunnels von der Innenwand der Gasablenkdüse (14) thermisch isoliert ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelströmungskammer (15) zylindrisch ausgebildet ist und ihre zylindrische Wand mehrere Durchlässe (13-i) aufweist, durch die das Arbeitsgas nach innen injiziert wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Wirbelströmungskammer (15) die zylindrische Wand und eine ringförmige Seitenwand (14-1) aufweist, die senkrecht zur zylindrischen Wand angeordnet ist und eine Seite der Gasablenkdüse (14) ausbildet.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Durchlässe (13—1) zum Injizieren
    ζυ des Arbeitsgases in Tangentialrichtung relativ zum Kreis der zugeordneten zylindrischen Wand orientiert ist.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
    gekennzeichnet, daß die Durchlässe (13-1) symmetrisch zu-
    einander bezüglich der Längsachse der zylindrischen Wand angeordnet sind.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch
    gekennzeichnet, daß die Gasablenkdüse (14) innen eine 30
    Durchführung für ein Kühlmedium aufweist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelströmungs- und Entladungseinheit (B;B) in Tandemanordnung entlang der Strömung des Plasmastrahls (16) mit mindestens einer weiteren Wirbelströmungs- und Entladungseinheit (B1 ,B";B', B") verbunden
    ORIGINAL INSPECTED
    352288S
    -3-ist, die jeweils identisch ausgebildet sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß zweite Gleichstrom-Energiequellen (PS2,ps2T,PS2") in jeder der Wirbelströmungs- und Entaadungseinheiten (B,B',B") die gleiche Polarität aufweisen.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß zweite Gleichstrom-Energiequellen (PS2,PS2f, PS2") benachbarter Wirbelströmungs- und Entladungseinheiten (Β,Β1, B") entgegengesetzte Polarität aufweisen.
DE19853522888 1984-06-27 1985-06-26 Vorrichtung zum erzeugen eines plasmastrahls Ceased DE3522888A1 (de)

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Families Citing this family (42)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0277233B1 (de) * 1986-08-11 1990-04-04 2-i MOSKOVSKY GOSUDARSTVENNY MEDITSINSKY INSTITUT IMENI N.I. PIROGOVA Vorrichtung zum schneiden von biologischen geweben mit plasmabögen
US4764656A (en) * 1987-05-15 1988-08-16 Browning James A Transferred-arc plasma apparatus and process with gas heating in excess of anode heating at the workpiece
US4882465A (en) * 1987-10-01 1989-11-21 Olin Corporation Arcjet thruster with improved arc attachment for enhancement of efficiency
US4866929A (en) * 1988-03-09 1989-09-19 Olin Corporation Hybrid electrothermal/electromagnetic arcjet thruster and thrust-producing method
US4995805A (en) * 1989-02-24 1991-02-26 Gas Research Institute Method and apparatus for increasing radiant heat production of hydrocarbon fuel combustion systems
US5214264A (en) * 1991-01-30 1993-05-25 Plasma Energy Corporation Plasma torch front electrode
US5449968A (en) * 1992-06-24 1995-09-12 Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha Thermal field emission cathode
US5374802A (en) * 1992-12-31 1994-12-20 Osram Sylvania Inc. Vortex arc generator and method of controlling the length of the arc
US5296670A (en) * 1992-12-31 1994-03-22 Osram Sylvania Inc. DC plasma arc generator with erosion control and method of operation
DE19963904C2 (de) * 1999-12-31 2001-12-06 Gtv Ges Fuer Thermischen Versc Plasmabrenner und Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls
US6617538B1 (en) 2000-03-31 2003-09-09 Imad Mahawili Rotating arc plasma jet and method of use for chemical synthesis and chemical by-products abatements
JP2006002242A (ja) * 2004-06-21 2006-01-05 Ofic Co プラズマ溶射装置
EP1768776A2 (de) * 2004-07-13 2007-04-04 L'Air Liquide, Société Anonyme à Directoire et Conseil de Surveillance pour l'Etude et L'Exploitation des Procédés Georges Claude Atmosphärendruckplasmabehandlung von gasförmigen austragsströmen
SE529053C2 (sv) 2005-07-08 2007-04-17 Plasma Surgical Invest Ltd Plasmaalstrande anordning, plasmakirurgisk anordning och användning av en plasmakirurgisk anordning
SE529056C2 (sv) 2005-07-08 2007-04-17 Plasma Surgical Invest Ltd Plasmaalstrande anordning, plasmakirurgisk anordning och användning av en plasmakirurgisk anordning
SE529058C2 (sv) 2005-07-08 2007-04-17 Plasma Surgical Invest Ltd Plasmaalstrande anordning, plasmakirurgisk anordning, användning av en plasmakirurgisk anordning och förfarande för att bilda ett plasma
KR100807806B1 (ko) * 2006-04-04 2008-02-27 제주대학교 산학협력단 직류 아크 플라즈마트론 장치 및 사용 방법
JP5161241B2 (ja) * 2007-02-02 2013-03-13 プラズマ スルギカル インベストメントス リミテッド プラズマスプレー装置および方法
US8735766B2 (en) 2007-08-06 2014-05-27 Plasma Surgical Investments Limited Cathode assembly and method for pulsed plasma generation
BE1019026A3 (nl) * 2009-09-08 2012-01-10 Ecoplasma Bvba Werkwijze en inrichting voor het genereren van energie met behulp van een plasmajet generator.
US8613742B2 (en) 2010-01-29 2013-12-24 Plasma Surgical Investments Limited Methods of sealing vessels using plasma
WO2011123338A1 (en) * 2010-03-29 2011-10-06 Ahern Brian S Amplification of energetic reactions
US9089319B2 (en) 2010-07-22 2015-07-28 Plasma Surgical Investments Limited Volumetrically oscillating plasma flows
BE1019426A3 (nl) * 2010-07-26 2012-07-03 Ecoplasma Bvba Werkwijze en inrichting voor het genereren van energie met behulp van een plasma-jet generator.
WO2012031338A1 (en) * 2010-09-08 2012-03-15 Ecoplasma B.V.B.A. Method and apparatus for generating a fuel
DE102011002183B4 (de) * 2010-10-15 2014-04-30 Industrieanlagen- Betriebsgesellschaft mit beschränkter Haftung Vorrichtung und Verfahren zur plasmagestützten Herstellung nanoskaliger Partikel und/oder zur Beschichtung von Oberflächen
WO2012143024A1 (de) * 2011-04-20 2012-10-26 Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft Mbh Vorrichtung und verfahren zur plasmagestützten herstellung nanoskaliger partikel und/oder zur beschichtung von oberflächen
JP2014514454A (ja) * 2011-04-27 2014-06-19 ダウ コーニング フランス 基板のプラズマ処理
US11684995B2 (en) 2013-11-13 2023-06-27 Hypertherm, Inc. Cost effective cartridge for a plasma arc torch
US9981335B2 (en) 2013-11-13 2018-05-29 Hypertherm, Inc. Consumable cartridge for a plasma arc cutting system
US10456855B2 (en) 2013-11-13 2019-10-29 Hypertherm, Inc. Consumable cartridge for a plasma arc cutting system
US11278983B2 (en) 2013-11-13 2022-03-22 Hypertherm, Inc. Consumable cartridge for a plasma arc cutting system
US11432393B2 (en) 2013-11-13 2022-08-30 Hypertherm, Inc. Cost effective cartridge for a plasma arc torch
JP6887251B2 (ja) * 2014-05-16 2021-06-16 パイロジェネシス・カナダ・インコーポレーテッド 高エネルギー効率、高出力のプラズマトーチ
AU2015301727B2 (en) 2014-08-12 2020-05-14 Hypertherm, Inc. Cost effective cartridge for a plasma arc torch
KR102586885B1 (ko) 2015-08-04 2023-10-06 하이퍼썸, 인크. 액체-냉각식 플라즈마 아크 토치용 카트리지
JP6035438B1 (ja) * 2016-01-05 2016-11-30 株式会社Ｈｅｌｉｘ 渦水流発生器、水プラズマ発生装置、分解処理装置、分解処理装置搭載車両及び分解処理方法
WO2017119326A1 (ja) * 2016-01-05 2017-07-13 株式会社Ｈｅｌｉｘ 渦水流発生器、水プラズマ発生装置、分解処理装置、分解処理装置搭載車両及び分解処理方法
JP6668219B2 (ja) * 2016-10-31 2020-03-18 株式会社Ｈｅｌｉｘ 渦水流発生器、水プラズマ発生装置、分解処理装置、分解処理装置搭載車両及び分解処理方法
CN108811289A (zh) * 2018-06-12 2018-11-13 厦门大学 一种动压式等离子体合成射流发生器
IL300972A (en) 2020-08-28 2023-04-01 Plasma Surgical Invest Ltd Systems, methods and devices for producing radially expanded plasma flow
KR102424988B1 (ko) * 2021-01-15 2022-07-25 주식회사 그린리소스 플라즈마 용사 장치의 제어 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3149222A (en) * 1962-08-21 1964-09-15 Giannini Scient Corp Electrical plasma-jet apparatus and method incorporating multiple electrodes
GB1020894A (en) * 1961-10-06 1966-02-23 Soudure Autogene Elect Improvements in and relating to apparatus for creating high temperature plasmas
DE2033072B2 (de) * 1969-07-04 1972-09-21 British Railways Board, London Lichtbogen-plasmabrenner mit einer gekuehlten kathode und gekuehlten anode
US4426597A (en) * 1980-01-07 1984-01-17 Commissariat A L'energie Atomique Ionized gas generator at very high temperature and very high pressure

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB830557A (en) * 1957-04-08 1960-03-16 Gen Electric Improvements in or relating to apparatus for producing arc plasma at high speeds
US2941063A (en) * 1958-09-15 1960-06-14 Plasmadyne Corp Plasma-jet torch apparatus and method relating to increasing the life of the back electrode
GB1160882A (en) * 1965-10-25 1969-08-06 Ass Elect Ind Improvements relating to Plasma Torches
JPS4859793A (de) * 1971-11-26 1973-08-22
US4338509A (en) * 1980-04-25 1982-07-06 Vysoka Skola Chemicko-Technologicka Process of and apparatus for producing a homogeneous radially confined plasma stream

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1020894A (en) * 1961-10-06 1966-02-23 Soudure Autogene Elect Improvements in and relating to apparatus for creating high temperature plasmas
US3149222A (en) * 1962-08-21 1964-09-15 Giannini Scient Corp Electrical plasma-jet apparatus and method incorporating multiple electrodes
DE2033072B2 (de) * 1969-07-04 1972-09-21 British Railways Board, London Lichtbogen-plasmabrenner mit einer gekuehlten kathode und gekuehlten anode
US4426597A (en) * 1980-01-07 1984-01-17 Commissariat A L'energie Atomique Ionized gas generator at very high temperature and very high pressure

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Rutscher/Deutsch: "Plasmatechnik" Carl Hauser Verla. München (1984) S. 240-245 *

Also Published As

Publication number Publication date
GB2163629A (en) 1986-02-26
GB8516018D0 (en) 1985-07-31
US4620080A (en) 1986-10-28
JPS6113600A (ja) 1986-01-21
JPH0763033B2 (ja) 1995-07-05
GB2163629B (en) 1988-03-30

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