DE69014561T2

DE69014561T2 - Plasmabrenner mit nicht gekühlter Plasmagasinjektion.

Info

Publication number: DE69014561T2
Application number: DE69014561T
Authority: DE
Inventors: Jean Feuillerat; Maxime Labrot; Didier Pineau
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1989-11-08
Filing date: 1990-10-29
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2010-10-30
Also published as: CA2029505C; DK0427591T3; EP0427591A1; KR0146044B1; DE69014561D1; KR910011093A; JPH03173099A; FR2654293A1; ES2067000T3; CA2029505A1; EP0427591B1; JP3006771B2; FR2654293B1; ATE114928T1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Lichtbogenplasmabrenner, bei denen ein plasmabildendes Gas in eine Innenkammer innerhalb des Brenners eingespritzt wird, in der zwischen zwei Elektroden ein Lichtbogen erzeugt wird. Die vom Plasma am Brenneraustritt erreichten Temperaturen können 10 000 ºC übersteigen.
Bei den üblichen Ausführungen der Plasmabrenner (siehe EP-A-289 423) sind zwei röhrenförmige koaxiale Elektroden hintereinander jeweils in einer Halterung angeordnet. Zwischen jeder Elektrode und der sie umgebenden Halterung ist wegen der erreichten Temperaturen ein Kühlkreislauf erforderlich. Zur Erzeugung des Lichtbogens zwischen den Elektroden werden andererseits Mittel zum Zünden des Lichtbogens in der Art vorgesehen, daß zwischen den beiden Elektroden eine elektrische Entladung oder beispielsweise mittels einer Start-Hilfselektrode ein Kurzschluß erzeugt wird. Die Brenner haben außerdem meistens mindestens eine elektromagnetische Spule um eine der Elektrodenhalterungen herum, um die Haftpunkte des Lichtbogens verschieben und einen vorzeitigen Verschleiß der Innenflächen der röhrenförmigen Elektroden vermeiden zu können.
Die Mittel zur Injektion des plasmabildenden Gases, beispielsweise Luft, in die Innenkammer des Brenners bestehen im allgemeinen aus einem Rotationsteil koaxial zu den Elektroden, das mit diesen und ihren Halterungen die Injektionskammer bildet.
Zur Injektion des plasmabildenden Gases aus einer Zuführung in die Kammer sind in diesem Teil Queröffnungen vorgesehen. Da das Teil direkt der Hitzestrahlung des Lichtbogens und der sich anschließenden chemischen Reaktion mit dem plasmabildenden Gas ausgesetzt ist, wird es aus einem metallischen Werkstoff hergestellt und hat überdies einen Kühlkreislauf. Dazu sind in dem Rotationsteil längliche Strömungsdurchgänge für das Kühlmittel vorgesehen. Diese Durchgänge stehen zum Beispiel auf der einen Seite mit einer äußeren Ringnut im Rotationsteil, in das das Kühlmittel gelangt, und andererseits mit dem Kühlkreislauf der hinteren Elektrode (bezogen auf die Strömung des plasmabildenden Gases) in Verbindung. Dadurch strömt das gleiche Kühlmittel durch den Kühlkreislauf des Injektionsteils und den der hinteren Elektrode.
Da das Injektionsteil aus Metall besteht und demzufolge elektrisch leitend ist, ist es jedoch erforderlich, um eine maximale Isolierung zwischen den beiden Elektroden zu gewährleisten, eine elektrisch isolierende Vorrichtung vorzusehen. Zu diesem Zweck werden Isolierelemente zwischen dem Injektionsteil und der vorderen Elektrode vorgesehen, die außerdem als Hitzeschirm für den vorderen oder hinteren Teil des Brenners dienen können.
Die mit diesen Plasmabrennern verbundenen Nachteile, die wegen der erreichten Temperaturen hauptsächlich in der komplexen Verwirklichung des Injektionsteils des plasmabildenden Gases, das mit einem internen Kühlkreislauf versehen sein muß, und in der Notwendigkeit bestehen, aus den oben angeführten Gründen zusätzlich Isolierelemente anzubringen, durch die sich die Abmessungen der Plasmabrenner ebenso wie ihre Kosten weiter erhöhen, liegen also deutlich auf der Hand.
Die Anmelderin hat folglich versucht, diese Nachteile zu beseitigen, und dazu an einem Plasmabrenner des obigen Typs verschiedene Versuche mit dem Injektionsteil durchgeführt, um dessen Verhalten in Abhängigkeit von den angetroffenen Temperaturen zu untersuchen.
Die Ergebnisse dieser Versuche haben gezeigt, daß die Temperaturen, denen das Injektionsteil ausgesetzt ist, nicht so hoch wie erwartet waren. Diese Ergebnisse haben bewiesen, daß sich die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang der Längsdurchgänge wenig von der am Eintritt in die Durchgänge unterscheidet. Die Anmelderin hat daraus geschlußfolgert, daß frisches, kontinuierlich durch die Öffnungen in Richtung Kammer eingeführtes plasmabildendes Gas eine wirksame Wärmeschutzschicht für die Innenwand des Injektionsteils gegenüber der Temperatur in der Mitte der Kammer, d.h. im Bereich des Lichtbogens, darstellt.
Folglich bezieht sich diese Erfindung auf einen Plasmabrenner, der unter Berücksichtigung der unerwarteten Ergebnisse der verschiedenen durchgeführten Versuche eine eheblich vereinfachte Ausführung bei Gewährleistung der Leistungen der Plasmabrenner des alten Standes der Technik aufweist.
Dazu ist der Plasmabrenner mit:
- zwei röhrenförmigen koaxialen, hintereinander liegenden Elektroden, die jeweils in einer Halterung angeordnet sind, in der sich ein Kühlkreislauf der entsprechenden Elektrode befindet;
- Mitteln zum Zünden eines Lichtbogens zwischen den beiden Elektroden und
- Mitteln zur Injektion eines plasmabildenden Gases zwischen die Elektroden mit einem Rotationsteil koaxial zu den Elektroden, das mit diesen und deren Halterungen eine Kammer bildet, in die durch Queröffnungen im Rotationsteil das plasmabildende Gas eingeführt wird,
erfindungsgemäß dadurch bemerkenswert, daß das Rotationsteil keinen Kühlkreislauf hat und aus einem nichtmetallischen, elektrisch nichtleitenden Werkstoff hergestellt ist.
Infolge der unerwarteten Ergebnisse der Versuche hat das üblicherweise komplexe Rotationsteil damit eine sehr einfache Ausführung, da die Injektionsöffnungen lediglich gebohrt sind.
Da das Injektionsteil keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist, braucht es somit auch nicht aus Metall zu bestehen. Da das Injektionsteil nun auch nichtleitend ist, brauchen auch keine Isolierungs- und Wärmeschutzvorrichtungen mehr vorgesehen zu werden, die zuvor zwischen den Elektroden angebracht waren und zu einer zusätzlichen beträchtlichen Vergrößerung des Brenners geführt haben.
Aus Obigem wird also verständlich, daß sich die Ausführung des Brenners wesentlich vereinfacht.
Das Rotationsteil kann dann aus einem Kunststoff, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen, hergestellt werden.
Vom Aufbau her kann das Rotationsteil einen kranzförmigen Querschnitt haben. Die Injektionsöffnungen des plasmabildenden Gases sind vorzugsweise gleichmäßig um das Teil herum verteilt.
Um einen Wirbeleffekt des in die Kammer injizierten plasmabildenden Gases zu gewährleisten, konvergieren die geometrischen Achsen der in Ebenen senkrecht zur Längsachse des Brenners enthaltenen querliegenden Injektionsöffnungen nicht mehr in Richtung auf die Längsachse, sondern sind bezogen auf diese zur Längsachse konvergierende Stellung leicht versetzt.
Die Figuren der beigefügten Zeichnung erleichtern das Verständnis dafür, wie die Erfindung verwirklicht werden kann. In diesen Figuren werden ähnliche Elemente mit identischen Bezugsnummern bezeichnet.
Figur 1 ist ein Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Plasmabrenners.
Figur 2 zeigt perspektivisch das demontierte Teil für die Injektion des plasmabildenden Gases.
Unter Bezugnahme auf Figur 1 hat der Plasmabrenner 1 ein Gehäuse 2 insbesondere mit zwei zylindrischen Halterungen 3 und 4. In der Halterung 3 befindet sich eine vordere Elektrode oder Kathode 5, während sich in der Halterung 4 eine hintere Elektrode oder Anode 6 befindet Diese Elektroden 5 und 6 sind röhrenförmig und koaxial zu einer Längsachse 7 mit einem Abstand zueinander in dieser Achse angeordnet. Diese Elektroden sind an nicht dargestellte Stromversorgungen angeschlossen.
Andererseits ist zwischen jeder Halterung und ihrer entsprechenden Elektrode ein Kühlkreislauf 8 bzw. 9 angebracht, in dem ein Kühlmittel strömt. Nur der Eingang 8A bzw. 9A dieser Kühlkreisläufe wurde dargestellt. Die Struktur dieser Kühlkreisläufe der Elektroden, deren Art bekannt ist und die an eine Kühlmittelzufuhr angeschlossen sind, wird nicht weiter beschrieben.
Zum Zünden des Lichtbogens 11 zwischen den beiden Elektroden 5 und 6 wird bei dieser Ausführungsart eine Start-Hilfselektrode 12 vorgesehen. Außerdem ist eine elektromagnetische Spule 14 um die Halterung 3 der vorderen Elektrode 5 angeordnet, so daß sich durch das von ihr erzeugte axiale Magnetfeld die Haftpunkte des Lichtbogens 11 um Innenflächen 5A und 6A der Elektroden 5 bzw. 6 herum verschieben können und auf diese Weise deren vorzeitiger Verschleiß vermieden wird.
Der Plasmabrenner 1 hat andererseits Mittel 16 zur Injektion eines plasmabildenden Gases, beispielsweise Luft, zwischen die Elektroden 5 und 6, sobald der Lichtbogen 11 entstanden ist. Diese Mittel 16 umfassen ein Rotationsteil 17 mit einem kranzförmigen Querschnitt, das die einander gegenüberliegenden Enden 5B und 6B der Elektroden 5 bzw. 6 umgibt. Damit bilden bei dieser Ausführungsart die Innenwand 17A von Teil 17, die Enden 5B und 6B der Elektroden und die Vorderseite 3A von Halterung 3 eine Innenkammer 18, in die durch die Queröffnungen 17B von Injektionsteil 17 das plasmabildende Gaz injiziert wird.
Das plasmabildende Gas kommt aus einer nicht dargestellten Zuführung und gelangt in 19 in einen ringförmigen Raum 20, der durch einen Außenmantel 21 von Gehäuse 2 des Brenners und die Außenwand 17C des Injektionsteils 17 begrenzt wird.
Aus den oben angeführten Gründen hat das erfindungsgemäße Injektionsteil 17 keine inneren Kühlelemente. Das kalt in die Kammer 18 injizierte plasmabildende Gas stellt im Bereich der Innenwand 17A des Injektionsteils eine schützende Wärmebarriere gegenüber den durch den Lichtbogen 11 im Mittelpunkt der Kammer 18 erzeugten hohen Temperaturen dar. Daraus ergibt sich also, wie ganz besonders Figur 2 zeigt, eine beträchtlich vereinfachte Ausführung von Injektionsteil 17. Die Bohrung der gleichmäßig um Teil 17 herum angeordneten Injektionsöffnungen 17B bringt keine Schwierigkeiten mit sich.
In Figur 2 ist zu bemerken, daß die geometrischen Achsen 17D der Injektionsöffnungen 17B, die in Ebenen senkrecht zur Längsachse von Teil 17 liegen, die der Längsachse 7 des Brenners entspricht, gegenüber der Stellung, in der sie zu dieser konvergieren würden, leicht versetzt sind. Durch diese versetzte Ausrichtung der Injektionsöffnungen 17B kann ein Wirbeleffekt des in Kammer 18 injizierten plasmabildenden Gases gewährleistet werden.
Da das Injektionsteil keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist, kann es aus einem vorzugsweise nichtleitenden Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluorethylen, hergestellt werden. Dieses Kunststoffteil kann außerdem als elektrisches Isoliermittel zwischen den beiden Elektroden 5 und 6 dienen, so daß es nicht mehr erforderlich ist, Isoliervorrichtungen und Wärmeschirme vorzusehen. mit denen die Plasmabrenner des alten Standes der Technik gewöhnlich ausgerüstet sind.
Figur 1 bringt die geringe Abmessung des sich nach der Erfindung ergebenden Plasmabrenners zur Geltung.

Claims

1 - Plasmabrenner derart, daß er umfaßt:

- zwei röhrenförmige, koaxiale und hintereinanderliegende Elektroden (5 und 6), die jeweils in einer Halterung (3 und 4) mit einem Kühlkreislauf (8 und 9) der entsprechenden Elektrode angeordnet sind;

- Mittel (12) zum Zünden eines Lichtbogens zwischen den beiden Elektroden und

- Mittel (16) zur Injektion eines plasmabildenden Gases zwischen die Elektroden, mit einem Rotationsteil (17) koaxial zu den Elektroden, das mit diesen und deren Halterungen eine Kammer (18) bildet, in die durch Queröffnungen (17B) des Teils das plasmabildende Gas injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationsteil (17) keinen Kühlkreislauf hat und aus einem nichtmetallischen, elektrisch nichtleitenden Werkstoff besteht.

2 - Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationsteil (17) aus einem Kunststoff besteht.

3 - Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff ein Polytetrafluorethylen ist.

4 - Plasmabrenner nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rotationsteil (17) einen kranzförmigen Querschnitt hat.

5 - Plasmabrenner nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsöffnungen (17B) des plasmabildenden Gases gleichmäßig um Teil (17) herum verteilt sind.

6 - Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Achsen (17D) der Queröffnungen (17B) für die Injektion des plasmabildenden Gases, die in Ebenen senkrecht zur Längsachse (7) des Brenners liegen, nicht mehr zu dieser konvergieren, sondern gegenüber ihrer Stellung, in der sie zur Längsachse (7) konvergieren würden, leicht versetzt sind.