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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Plasma-Lichtbogenbrenner und spezieller
eine Elektrode zum Erhalten eines elektrischen Lichtbogens in einem
Plasma-Lichtbogenbrenner.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Plasma-Lichtbogenbrenner
werden weithin zum Bearbeiten von Metallen inklusive Schneiden, Schweißen, Oberflächenbehandlung,
Schmelzen und Glühen
eingesetzt. Solche Brenner weisen eine Elektrode auf, die einen
Lichtbogen erhält,
der im Plasmaschweißbetriebsmodus
von der Elektrode zum Werkstück
verläuft.
Es ist auch üblich,
dass der Lichtbogen von einem rotierenden Gaswirbelstrom umgeben
wird, und in einigen Brennerdesigns ist es üblich, dass auch das Gas und
der Lichtbogen von einem wirbelnden Wasserstrahl umgeben werden.
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Die
in herkömmlichen
Brennern des beschriebenen Typs verwendete Elektrode umfasst typischerweise
ein längliches
röhrenförmiges Element aus
einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
wie Kupfer oder einer Kupferlegierung. Das vordere oder Austrittsende
der röhrenförmigen Elektrode
hat eine untere Endwand mit einem darin eingebetteten emittierenden
Element, das den Lichtbogen erhält.
Das Element besteht aus einem Material mit einer relativ geringen
Austrittsarbeit, was in der Technik als Potentialschritt definiert
wird, gemessen in Elektronenvolt (eV), der eine thermoionische Emission
von der Oberfläche
eines Metalls bei einer bestimmten Temperatur zulässt. Angesichts
dieser geringen Austrittsarbeit kann das Element somit leicht Elektronen
emittieren, wenn ein elektrisches Potential daran angelegt wird,
und üblicherweise
eingesetzte Emissionsmaterialien sind z. B. Hafnium, Zirconium,
Wolfram und deren Legierungen.
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Ein
ernsthaftes Problem in Verbindung mit Brennern des beschriebenen
Typs ist die kurze Nutzungsdauer der Elektrode, besonders dann,
wenn der Brenner mit einem oxidierenden Gas wie Sauerstoff oder
Luft verwendet wird. Spezieller, das Gas neigt dazu, das Kupfer
der das emittierende Element umgebenden Elektrode rasch zu oxidieren,
und mit der Oxidation des Kupfers nimmt die Austrittsarbeit ab.
Folglich wird ein Punkt erreicht, bei dem das das emittierende Element
umgebende oxidierte Kupfer beginnt, den Lichtbogen anstatt das Element
zu erhalten. Dabei schmelzen das Kupferoxid und das erhaltende Kupfer,
was zu einer/m frühzeitigen
Zerstörung
und Ausfall der Elektrode führt.
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Die
Zessionarin der vorliegenden Erfindung hat zuvor eine Elektrode
mit einer erheblich verbesserten Nutzungsdauer, wie im
US-Patent Nr. 5023425 (
EP-A-437915 , die als der nächstliegende Stand
der Technik zur Erfindung angesehen wird) beschrieben, und ein Verfahren
zur Herstellung einer solchen Elektrode, wie im
US-Patent Nr. 5097111 beschrieben,
entwickelt. Das Patent '425
offenbart eine Elektrode, die einen metallischen röhrenförmigen Halter
umfasst, der ein emittierendes Element am vorderen Ende trägt und eine(n)
relativ nicht emittierende(n) Separator oder Hülse aufweist, der/die das emittierende
Element umgibt und sich zwischen dem emittierenden Element und dem
metallischen Halter befindet. Die Hülse trennt somit das emittierende
Element von dem Halter. Das Patent '425 beschreibt die Hülse als vorzugsweise aus Silber
gebildet, das eine hohe Oxidbildungsbeständigkeit hat. Das Silber und ein
sich eventuell bildendes Oxid davon sind schlechte Emitter und daher
wird der Lichtbogen weiterhin von dem emittierenden Element anstatt
von der Hülse
oder dem metallischen Halter emittiert. Dadurch wird die Nutzungsdauer
erheblich verlängert.
Die Hülse
hat eine Endfläche,
die mit den Enden des Halters und dem emittierenden Element bündig ist,
wobei die Endfläche
in einer Ausgestaltung durch einen radial nach außen verlaufenden
ringförmigen Flanschteil
der Hülse
definiert wird.
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Das
Patent '111 offenbart
ein Verfahren zur Herstellung einer Elektrode, das die Schritte
des Ausbildens eines ausgesenkten Hohlraums in der Frontfläche eines
zylindrischen Rohlings aus Kupfer oder Kupferlegierung beinhaltet,
wobei der Hohlraum einen ringförmigen äußeren Endabschnitt
zum Aufnehmen des ringförmigen
Flanschabschnitts eines nicht emittierenden Elementes aufweist.
Ein zweiter Metallrohling aus einem relativ nicht emittierenden
Material, vorzugsweise Silber, ist so ausgebildet, dass er im Wesentlichen
in den Hohlraum passt. Der nicht emittierende Rohling wird dann
metallurgisch in den Hohlraum geschweißt, indem zunächst eine
Scheibe aus Silberhartlötmaterial
in den Hohlraum und dann der nicht emittierende Rohling eingesetzt
werden. Die Baugruppe wird dann auf eine Temperatur erhitzt, die
lediglich ausreicht, um das Hartlötmaterial zu schmelzen, und
während
des Erhitzen wird der nicht emittierende Rohling in den Hohlraum
gepresst, was zur Folge hat, dass das Hartlötmaterial nach oben fließt und die
gesamte Grenzfläche
zwischen dem nicht emittierenden Rohling und dem Hohlraum bedeckt.
Die Baugruppe wird dann abgekühlt,
was dazu führt,
dass das Hartlötmaterial
das Element metallurgisch in den nicht emittierenden Rohling schweißt. Als
Nächstes
wird der nicht emittierende Rohling axial gebohrt und ein zylindrisches
Emissionselement wird in die resultierende Öffnung eingepresst. Um die Fertigung
der Elektrode zu vervollständigen,
wird die Frontfläche
der Baugruppe maschinell bearbeitet, um eine glatte Außenfläche zu erzielen,
die eine kreisförmige äußere Endfläche des
Emissionselementes, einen Umgebungsring des nicht emittierenden
Rohlings und einen Außenring
des Metalls des Halters beinhaltet.
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Die
veröffentlichte
japanische Patentanmeldung Nr. 4-147772 ,
die am 8. Oktober 1990 eingereicht und am 21. Mai 1992 veröffentlicht
wurde, beschreibt eine Plasma-Lichtbogenbrennerelektrode mit einem
Kupferhalter und einem zylindrischen Arbeitseinsatz zum Erhalten
eines Lichtbogens sowie einen Metallabstandschalter, der zwischen
dem Arbeitseinsatz und dem Halter angeordnet ist, um eine thermische
und elektrische Kopplung dazwischen zu erzielen. Wie bei Plasma-Lichtbogenbrennern üblich ist,
wird der Halter durch Umwälzen
eines Kühlmittels durch
das Innere des Halters gekühlt.
Die Patentanmeldung beschreibt als eine Aufgabe des Metallabstandschalters
die Erhöhung
des Wärmeübertragungsverhältnisses
zwischen dem Halter und dem Arbeitseinsatz, so dass eine verbesserte
Kühlung
des Arbeitseinsatzes erzielt werden kann, was angeblich die Lebensdauer
der Elektrode erhöht.
Der Metallabstandschalter besteht aus einem zylindrischen Hohlelement,
das an beiden Enden offen ist und den zylindrischen Arbeitseinsatz
umgibt. Der Metallabstandschalter besteht in einer Ausgestaltung
aus einer Silberlegierung, die 24–95 Prozent Silber und 5–74 Prozent
Kupfer enthält.
Es heißt,
diese Legierung löse
die Aufgabe, den Schmelzpunkt des Metallabstandschalters gegenüber dem
des Halters und des Arbeitseinsatzes zu senken, so dass die Metallschicht zwischen
dem Arbeitseinsatz und dem Halter vor einem dieser Elemente schmilzt
und dazwischen fließt, so
den Halter vor dem Plasmalichtbogen schützt und die Hitze vom Spitzenende
des Arbeitseinsatzes durch die latente Verdunstungswärme absorbiert.
Es heißt,
der Kupfergehalt der Legierung fördere
auch ein Diffusionsbonden sowohl mit dem Kupferhalter als auch mit
dem emittierenden Element, das aus Hafnium oder einer Legierung
davon oder aus Zirconium oder einer Legierung davon besteht. Die
Patentanmeldung gibt an, dass die radiale Dicke des Metallabstandschalters
0,01–0,8
mm betragen sollte und dass eine größere Dicke nicht wünschenswert ist,
weil die gesamte Metallschicht des Abstandshalters schmelzen und
der Arbeitseinsatz so aus dem Halter herausfallen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die im oben erwähnten Patent '425 offenbarte Elektrode
im Hinblick auf Länge
und Einheitlichkeit der Nutzungsdauer der Elektrode zu verbessern.
Es wurde entdeckt, dass mit der Elektrode des Patents '425 die Nutzungsdauer
für die
spezielle Zusammensetzung der für
das nicht emittierende Element verwendeten Silberlegierung recht
empfindlich sein kann und dass die Lebensdauer auf unerwartete Weise
mit Änderungen
der Zusammensetzung variiert. Die vorliegende Erfindung stellt eine
Elektrode mit einem relativ nicht emittierenden Separator aus einer
speziellen Silberlegierung bereit, die eine erheblich längere Lebensdauer
für die
Elektrode ermöglicht.
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Spezieller,
gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Elektrode zum Erhalten
eines elektrischen Lichtbogens in einem Plasma-Lichtbogenbrenner
einen metallischen Halter, der eine Frontfläche mit einer in der Frontfläche ausgebildeten
Aufnahme aufweist. Ein relativ nicht emittierender Separator ist
in der Aufnahme montiert und es ist ein Hohlraum darin definiert.
Der relativ nicht emittierende Separator ist aus Silber gefertigt, das
mit 0,5 bis 4 Prozent eines Materials legiert ist, das ausgewählt ist
aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Aluminium, Eisen, Blei, Zink
und Legierungen davon. Diese Materialien können in Elementarform oder
in Oxidform vorliegen. Ein aus einem Material mit einer relativ
niedrigen Austrittsarbeit gebildetes emittierendes Element ist im
Hohlraum des relativ nicht emittierenden Separators so montiert,
dass sich der Separator zwischen dem metallischen Halter und dem
emittierenden Element befindet und den metallischen Halter an der
Frontfläche
des Halters von dem emittierenden Element trennt.
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Es
wurde überraschenderweise
entdeckt, dass die Nutzungsdauer von erfindungsgemäß hergestellten
Elektroden durchschnittlich länger
ist als die von ansonsten identischen Elektroden, deren relativ
nicht emittierender Separator aus einer Silberlegierung gebildet
ist, die wesentlich mehr als etwa 4 Prozent Kupfer enthält. Ferner
wurde gefunden, dass die Nutzungsdauer verkürzt wird, wenn das Silber zu rein
ist. So haben beispielsweise Elektroden mit dem relativ nicht emittierenden
Separator aus einem im Wesentlichen reinen Silber (z. B. 0,9997
feines Silber) im Durchschnitt eine erheblich kürzere Lebensdauer als ansonsten
identische Elektroden, deren relativ nicht emittierender Separator
aus Silber mit 0,5 Prozent Kupfer hergestellt ist.
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Es
wurde ebenso überraschenderweise
gefunden, dass die Wahl der Zusammensetzung des Separators die Geometrie
des Separators und das Konstruktionsverfahren der Elektroden berücksichtigen
muss, um zu gewährleisten,
dass Elektroden mit einer akzeptablen Nutzungsdauer erzeugt werden. Wenn
beispielsweise der Separator aus Sterlingsilber ist (92,5 Prozent
Silber und der Rest Kupfer oder ein anderes Material) und zu einer
nietähnlichen
Gestalt mit einem zylindrischen Körper und einem ringförmigen Flansch
ausgebildet ist, der die Außenfläche des
Separators definiert, dann wurde gefunden, dass Elektroden eine
relativ kurze Nutzungsdauer haben, wenn sie mit einem Verfahren
des Kaltverformens des emittierenden Einsatzes und des Separators
in dem Kupferhalter gefertigt werden, um zu bewirken, dass sich
diese Elemente radial ausdehnen und in dem Halter erfasst und gehalten
werden. Wenn jedoch dieselbe Separatorkonfiguration aus Silber mit
einem geringeren Kupferanteil gefertigt wird, z. B. etwa 2–3 Prozent,
dann kann das Kaltverformungsverfahren Elektroden mit erheblich
längerer Nutzungsdauer
ergeben. Im Gegensatz dazu funktioniert, wo der Separator keinen
ringförmigen
Flansch aufweist, das Kaltverformungsverfahren mit Silberlegierungen
von etwa 0,25 bis 10 Prozent Kupfer gut.
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Ein
entsprechendes Verfahren (nicht Teil der Erfindung) zur Herstellung
einer Elektrode für
einen Plasma-Lichtbogenbrenner, der relativ einfach und wirtschaftlich
ist, umfasst das Ausbilden eines metallischen Halters durch Formen
einer Aufnahme in einer allgemein planaren Frontfläche eines
metallischen Rohlings, wobei die Aufnahme entlang einer Achse allgemein
normal zur Frontfläche
verläuft
und eine Endwand in dem Rohling aufweist. Ein relativ nicht emittierender
Separator wird aus einem plastisch verformbaren, relativ nicht emittierenden
Material gebildet, so dass der relativ nicht emittierende Separator
eine Außenfläche hat,
die zwischen der ersten und der zweiten Endfläche verläuft. Die Außenfläche des relativ nicht emittierenden
Separators ist so konfiguriert, dass sie eng in die Aufnahme in
dem metallischen Halter passt, und die Länge des relativ nicht emittierenden
Separators ist derart, dass die erste Endfläche allgemein planar ist und
neben dem vorderen Ende des metallischen Halters liegt, wenn die
zweite Endfläche
an der Endwand der Aufnahme anliegt. Ein Hohlraum ist in der ersten
Endfläche
des relativ nicht emittierenden Separators ausgebildet. Das Verfahren
beinhaltet ferner das Ausbilden eines emittierenden Elementes aus
einem plastisch verformbaren Material mit einer Austrittsarbeit,
die geringer ist als die des relativ nicht emittierenden Separators,
so dass das emittierende Element in den Hohlraum im Separator eingeschoben
werden kann. Wenn es ganz darin sitzt, füllt es den Hohlraum im Wesentlichen
völlig
aus und seine Endfläche
liegt allgemein bündig
mit der ersten Endfläche
des Separators.
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Zum
Zusammenfügen
der Elektrode wird der Separator in die Aufnahme des metallischen
Halters eingeführt,
so dass die zweite Endfläche
des Separators an der Endfläche
der Aufnahme anliegt und die erste Endfläche des Separators neben der
Frontfläche
des metallischen Halters liegt. Das emittierende Element wird in
den Hohlraum des Separators eingeführt, bis die Endfläche des
emittierenden Elementes allgemein bündig mit der ersten Endfläche des
Separators ist. Dann werden die Endfläche des emittierenden Elementes
und die erste Endfläche
des Separators in einer Richtung allgemein parallel zur Achse des
metallischen Halters mit Kraft beaufschlagt, um das emittierende
Element und den Separator radial nach außen plastisch zu verformen,
bis das emittierende Element fest erfasst und von dem relativ nicht emittierenden
Separator gehalten wird und der Separator von dem metallischen Halter
fest erfasst und gehalten wird.
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In
einem Beispiel, das nicht Bestandteil der Erfindung ist, wird der
Separator so ausgebildet, dass er einen hohlzylindrischen Körper und
eine Bodenwand aufweist, die ein Ende des Körpers verschließt, und
der Separator ist aus Silber konstruiert, das mit etwa 0,25 bis
10 Prozent Kupfer legiert ist.
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In
einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Separator
so ausgebildet, dass er einen hohlzylindrischen Körper, eine
ein Ende des Körpers
verschließende
Bodenwand und einen mit dem anderen Ende des Körpers verbundenen ringförmigen Flansch
aufweist. Der Separator ist aus Silber konstruiert, das mit etwa
0,5 bis 4 Prozent und vorzugsweise 2–3 Prozent Kupfer legiert ist.
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Das
emittierende Element und der relativ nicht emittierende Separator
werden vorteilhafterweise durch Schlagen auf die Endfläche des
emittierenden Elementes und die erste Endfläche des Separators mit der
allgemein planaren, kreisförmigen
Arbeitsfläche
eines Werkzeugs plastisch verformt, wobei der Außendurchmesser der Arbeitsfläche geringfügig kleiner
ist als die Aufnahme des metallischen Halters.
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Vorzugsweise
wird dann auf der Elektrode eine allgemein flache Endfläche durch
maschinelles Bearbeiten des vorderen Endes des metallischen Halters,
der ersten Endfläche
des relativ nicht emittierenden Separators und der Endfläche des
emittierenden Elementes gebildet, so dass sie allgemein flach und
bündig
miteinander sind.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
oben erwähnten
sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus
der nachfolgenden Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausgestaltungen
davon in Verbindung mit den Begleitzeichnungen offensichtlich. Dabei
zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines Plasma-Lichtbogenbrenners im Schnitt, der die
Merkmale der vorliegenden Erfindung ausgestaltet;
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2 eine
vergrößerte Perspektivansicht
einer Elektrode gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
vergrößerte Seitenansicht
einer Elektrode gemäß der vorliegenden
Erfindung im Schnitt;
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4–7 schematische
Ansichten, die die Schritte eines Verfahrens, das nicht Teil der
Erfindung ist, zur Herstellung der Elektrode illustrieren;
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8 eine
Endansicht der fertigen Elektrode;
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9 eine
Ansicht ähnlich 6,
die das Ausbildungsverfahren der Erfindung zeigt, angewendet auf
eine Elektrode mit einem nietartigen Separator;
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10 eine
Ansicht ähnlich 3,
die die fertige Elektrode mit dem nietartigen Separator zeigt; und
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11 eine
Kurve, die Ergebnisse von Tests an den erfindungsgemäß hergestellten
Elektroden und die Gesamtlebensdauer der Elektrode in Abhängigkeit
vom Kupferanteil für
den Silberlegierungsseparator zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
einen Plasma-Lichtbogenbrenner 10, der die Merkmale der
vorliegenden Erfindung ausgestaltet. Der Brenner 10 umfasst
eine Düsenbaugruppe 12 und
eine röhrenförmige Elektrode 14. Die
Elektrode 14 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder einer
Kupferlegierung und setzt sich aus einem oberen röhrenförmigen Element 15 und
einem unteren becherförmigen
Element oder Halter 16 zusammen. Das obere röhrenförmige Element 15 hat
eine längliche,
offene, röhrenförmige Konstruktion
und definiert die Längsachse
des Brenners 10. Das obere röhrenförmige Element 15 hat
einen unteren Endabschnitt 17 mit Innengewinde. Der Halter 16 ist ebenfalls
röhrenförmig und
hat ein unteres vorderes Ende und ein oberes hinteres Ende. Eine
transversale Endwand 18 verschließt das vordere Ende des Halters 16 und
die transversale Endwand 18 definiert eine äußere Frontfläche 20 (2).
Das hintere Ende des Halters 16 hat ein Außengewinde
und wird auf den unteren Endabschnitt 17 des oberen röhrenförmigen Elementes 15 geschraubt.
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Mit
hauptsächlicher
Bezugnahme auf die 2 und 3, der Halter 16 ist
am hinteren Ende 19 offen, so dass der Halter becherförmig ist
und einen internen Hohlraum 22 definiert. Die vordere Endwand 18 des
Halters weist einen zylindrischen Pfosten 23 auf, der nach
hinten in den internen Hohlraum 22 und entlang der Längsachse
verläuft.
Eine Aufnahme 24 ist in der Vorderseite 20 der
Endwand 18 ausgebildet und verläuft nach hinten entlang der Längsachse
in einen Abschnitt der Länge
des Pfostens 23. Die Aufnahme 24 ist allgemein
zylindrisch und hat vorzugsweise eine konische innere Endwand 25.
Der Halbwinkel der konischen inneren Endwand 25 beträgt vorzugsweise
etwa 65° bis
75°.
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Eine
emittierende Elementebaugruppe 26 ist in der Aufnahme 24 montiert
und umfasst ein allgemein zylindrisches emittierendes Element 28,
das koaxial entlang der Längsachse
angeordnet ist und eine kreisförmige äußere Endfläche 29 hat,
die in der Ebene der Frontfläche 20 des
Halters 16 liegt. Das emittierende Element 28 hat
auch eine allgemein kreisförmige
innere Endfläche 30,
die in der Aufnahme 24 angeordnet ist und gegenüber der äußeren Endfläche 29 liegt.
Das emittierende Element 28 besteht aus einem metallischen
Material mit einer relativ geringen Austrittsarbeit in einem Bereich
von etwa 2,7 bis 4,2 eV und kann so ausgelegt werden, dass es nach
dem Anlegen eines elektrischen Potentials daran leicht Elektronen
emittieren kann. Geeignete Beispiele für solche Materialien sind Hafnium,
Zirconium, Wolfram und Legierungen davon.
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Die
emittierende Elementebaugruppe 26 beinhaltet auch einen
relativ nicht emittierenden Separator 32, der in der Aufnahme 24 koaxial
um das emittierende Element 28 herum positioniert ist.
Der Separator 32 kann eine periphere Wand 33 (4–5),
die über
die Länge
des emittierenden Elementes 28 verläuft, und eine geschlossene
Bodenwand 34 haben. Die periphere Wand 33 ist
mit einem im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser über die
Länge des
Separators illustriert, aber man wird verstehen, dass auch andere
geometrische Konfigurationen in den Umfang der Erfindung fallen würden. Wenn
die Aufnahme 24 die konische Endwand 25 aufweist,
dann definiert die geschlossene Bodenwand 34 vorzugsweise
eine äußere Endfläche, die
konisch ist, so dass sie zur Gestalt der konischen Endwand 25 passt.
In dem Separator 32 ist eine Öffnung wie z. B. ein zylindrischer
Hohlraum 35 in Form eines zylindrischen Blindlochs koaxial
zur Längsachse
ausgebildet, und das emittierende Element 28 füllt den
Hohlraum 35 im Wesentlichen völlig aus. Wie am besten in 4 zu
sehen ist, definiert die Bodenwand 34 des Separators eine
Innenfläche 37,
an der das emittierende Element 28 anliegt. Die Innenfläche 37 ist
vorzugsweise so gestaltet, dass sie einen planaren, kreisförmigen mittleren
Abschnitt 37a lotrecht zur Längsachse und einen kegelstumpfförmigen äußeren Abschnitt 37b koaxial
zur Längsachse
hat. Der Halbwinkel des kegelstumpfförmigen Abschnitts 37b beträgt vorzugsweise
etwa 30°.
Das emittierende Element 28 hat vorzugsweise eine innere
Endfläche 30,
deren Gestalt der Innenfläche 37 entspricht,
und so weist die innere Endfläche 30 einen
planaren, kreisförmigen
mittleren Abschnitt 30a und einen kegelstumpfförmigen äußeren Abschnitt 30b (6)
mit einem Halbwinkel von etwa 30° auf.
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Der
Separator 32 hat auch eine äußere Endfläche 36, die allgemein
bündig
mit der kreisförmigen äußeren Endfläche 29 des
emittierenden Elementes 28 und auch allgemein bündig mit
der Frontfläche 20 des
Halters 16 ist. Der Separator 32 hat vorzugsweise
eine radiale Dicke von wenigstens etwa 0,25 mm (0,01 Zoll) an der äußeren Endfläche 36 und
entlang ihrer gesamten Länge,
und der Durchmesser des emittierenden Elementes 28 beträgt vorzugsweise etwa
30–80
Prozent des Außendurchmessers
der Endfläche 36 des
Separators. Als spezielles Beispiel, das emittierende Element 28 hat
typischerweise einen Durchmesser von etwa 2 mm (0,08 Zoll) und eine Länge von
etwa 6 mm (0,24 Zoll), und der Außendurchmesser des Separators 32 beträgt etwa
4 mm (0,16 Zoll).
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Der
Separator 32 besteht aus einem metallischen Material mit
einer Austrittsarbeit, die größer als die
des Materials des Halters 16 und auch größer als die
des Materials des emittierenden Elementes 28 ist.
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Spezieller,
es wird bevorzugt, dass der Separator aus einem metallischen Material
mit einer Austrittsarbeit von wenigstens etwa 4,3 eV besteht.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Separator 32 aus einem Silberlegierungsmetall
ausgebildet, das Silber umfasst, das mit etwa 0,5 bis 4 Prozent
eines zusätzlichen
Materials legiert ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend
aus Kupfer, Aluminium, Eisen, Blei, Zink und Legierungen davon.
Wie zuvor erwähnt,
kann das zusätzliche
Material in Elementarform oder in Oxidform vorliegen und somit soll
der hierin verwendete Begriff „Kupfer" sowohl die Elementarform
als auch die Oxidform umfassen, dasselbe gilt für die Begriffe „Aluminium" und dergleichen.
Es wurde unerwarteterweise entdeckt, dass die Nutzungsdauer der
Elektrode herabgesetzt wird, wenn der Separator aus Silber gebildet
ist, das zu rein ist, wie z. B. 0,9997 feines Silber. Es wurde ebenso
entdeckt, dass, wenn der Separator aus einem Silber gebildet ist,
das im Wesentlichen mehr als 3 Prozent Kupfer enthält, die
Nutzungsdauer der Elektrode zurückzugehen
beginnt. Es gibt somit eine Tendenz für einen optimalen Bereich von
etwa 0,5 bis 4 Prozent für
das zusätzliche
Material der Silberlegierung, das eine optimale Nutzungsdauer für die Elektrode
ergibt.
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Stärker bevorzugt
wird, wenn der Separator aus Silber konstruiert ist, das mit 1,5
bis 3,5 Prozent des zusätzlichen
Materials legiert ist. Kupfer wird als zusätzliches Material bevorzugt,
ein besonders bevorzugter Legierungsanteil ist etwa 2–3 Prozent
Kupfer. Ohne sich durch die Theorie binden zu wollen, sind die Erfinder
der Ansicht, dass eine mögliche
Erklärung
für die
unerwarteten Vorteile der vorliegenden Erfindung ist, dass die Verunreinigungen
(d. h. das Kupfer) die Austrittsarbeit des Silbers erhöhen oder
auf irgendeine andere Weise die Wahrscheinlichkeit reduzieren, dass
das Silber den Lichtbogen erhält.
Eine weitere mögliche
Erklärung
ist, dass reines Silber eine relativ niedrige Streckgrenze hat,
und demgemäß kann es
ein Separator bestehend aus einem äußerst reinen Silber eventuell
zulassen, dass sich eine Lücke
zwischen dem Separator und dem Kupferhalter öffnet, wenn der Brenner abgeschaltet wird
und die Elektrode abkühlt
(da Silber einen höheren
Wärmeausdehnungskoeffizient
hat als Kupfer). Die Lücke
neigt dazu, bei der nachfolgenden Arbeit eine Überhitzung des Separators zu
verursachen. Aufgrund des Zusatzes von Kupfer zum Silber gibt der
Separator möglicherweise
unter der Wärmeausdehnungsspannung
weniger nach und dies kann erklären,
warum Elektroden mit den Silber-Kupfer-Separatoren eine geringere
Neigung zur Entstehung von Lücken
an der Grenzfläche
zwischen dem Kupferhalter und dem Separator haben.
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Wieder
mit Bezug auf 1, in der illustrierten Ausgestaltung
wird die Elektrode 14 in einem Plasma-Lichtbogenbrennerkörper 38 montiert,
der jeweils Gas- und Flüssigkeitskanäle 40 und 42 hat.
Der Brennerkörper 38 wird
von einem äußeren isolierten Gehäuseelement 44 umgeben.
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Eine
Röhre 46 ist
in der mittleren Bohrung 48 der Elektrode 14 aufgehängt, um
ein flüssiges
Kühlmedium
wie Wasser durch die Elektrodenkonstruktion 14 umzuwälzen. Die
Röhre 46 hat
einen Außendurchmesser,
der geringer ist als der Durchmesser der Bohrung 48, so
dass sich ein Raum 49 zwischen der Röhre 46 und der Bohrung 48 befindet,
damit Wasser nach dem Austreten aus dem offenen unteren Ende der
Röhre 46 darin
fließen
kann. Das Wasser fließt
von einer Quelle (nicht dargestellt) durch die Röhre 46 an dem Pfosten 23 im
Halter 16 entlang und zurück durch den Raum 49 zur Öffnung 52 im Brennerkörper 38 und
zu einem Abflussschlauch (nicht dargestellt). Der Kanal 42 leitet
Injektionswasser in die Düsenbaugruppe 12,
wo es in einen rotierenden Wirbel umgewandelt wird, der den Plasmalichtbogen
umgibt, wie nachfolgend näher
erläutert wird.
Der Gaskanal 40 leitet Gas von einer geeigneten Quelle
(nicht dargestellt) durch eine Gasablenkplatte 54 aus einem
geeigneten Hochtemperaturmaterial durch Einlasslöcher 58 in eine Gasplenumkammer 56.
Die Einlasslöcher 58 sind
so angeordnet, dass sie bewirken, dass das Gas wirbelnd in die Plenumkammer 56 eintritt.
Das Gas fließt
von der Plenumkammer 56 durch koaxiale Bohrungen 60 und 62 der
Düsenbaugruppe 12 aus
der Plenumkammer 56 hinaus. Die Elektrode 14 hält die Gasablenkplatte 54. Der
Hochtemperatur-Plastikisolatorkörper 55 isoliert die
Düsenbaugruppe 12 elektrisch
von der Elektrode 14.
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Die
Düsenbaugruppe 12 umfasst
ein oberes Düsenelement 63,
das die erste Bohrung 60 definiert, und ein unteres Düsenelement 64,
das die zweite Bohrung 62 definiert. Das obere Düsenelement 63 besteht
vorzugsweise aus einem metallischen Material und das untere Düsenelement 64 vorzugsweise aus
einem metallischen oder keramischen Material. Die Bohrung 60 des
oberen Düsenelementes 63 fluchtet
axial mit der Längsachse
der Brennerelektrode 14.
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Das
untere Düsenelement 64 ist
durch ein Plastikabstandselement 65 und einen Wasserverwirbelungsring 66 vom
oberen Düsenelement 63 getrennt.
Der zwischen dem oberen Düsenelement 63 und
dem unteren Düsenelement 64 vorhandene Raum
bildet eine Wasserkammer 67.
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Das
untere Düsenelement 64 umfasst
einen zylindrischen Körperabschnitt 70,
der einen vorderen oder unteren Endabschnitt und einen hinteren
oder oberen Endabschnitt definiert, wobei die Bohrung 62 koaxial
durch den Körperabschnitt 70 verläuft. Ein ringförmiger Montageflansch 71 befindet
sich am hinteren Endabschnitt und eine kegelstumpfförmige Fläche 72 ist
auf der Außenseite
des vorderen Endabschnitts koaxial mit der zweiten Bohrung 62 ausgebildet.
Der ringförmige
Flansch 71 wird von unten durch einen nach innen gerichteten
Flansch 73 am unteren Ende des Bechers 74 getragen,
wobei der Becher 74 lösbar
durch Schraubgewinde am äußeren Gehäuseelement 44 montiert
ist. Eine Dichtung 75 ist zwischen den beiden Flanschen 71 und 73 angeordnet.
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Die
Bohrung 62 im unteren Düsenelement 64 ist
zylindrisch und wird mit der Bohrung 60 im oberen Düsenelement 63 durch
eine Zentrierhülse 78 aus
einem beliebigen geeigneten Plastikmaterial in axialer Ausrichtung
gehalten. Wasser strömt
von dem Kanal 42 durch Öffnungen 85 in
der Hülse 78 zu
den Injektionsöffnungen 87 des
Verwirbelungsrings 66, der das Wasser in die Wasserkammer 67 injiziert.
Die Injektionsöffnungen 87 sind
tangential um den Verwirbelungsring 66 herum angeordnet,
um dem Wasserstrom in der Wasserkammer 67 eine Wirbelgeschwindigkeitskomponente
zu verleihen. Das Wasser tritt durch die Bohrung 62 aus
der Wasserkammer 67 aus.
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Eine
Stromversorgung (nicht dargestellt) ist mit der Brennerelektrode 14 in
einer Serienschaltungsbeziehung mit einem Metallwerkstück verbunden,
das gewöhnlich
geerdet ist. Beim Betrieb wird ein Plasmalichtbogen zwischen dem
emittierenden Element 28 der Elektrode, das als Kathodenanschluss
für den
Lichtbogen dient, und dem Werkstück hergestellt,
das mit der Anode der Stromversorgung verbunden ist und sich unterhalb
des unteren Düsenelementes 64 befindet.
Der Plasmalichtbogen wird auf herkömmliche Weise durch momentanes
Herstellen eines Pilotlichtbogens zwischen der Elektrode 14 und
der Düsenbaugruppe 12 gestartet
und der Lichtbogen wird dann durch die Bohrungen 60 und 62 auf das
Werkstück übertragen.
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FERTIGUNGSVERFAHREN
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Die 4–7 illustrieren
ein Verfahren (das nicht Teil der Erfindung ist) zur Herstellung
der Elektrode gemäß der vorliegenden
Erfindung. Wie in 4 gezeigt, ist ein zylindrischer
Rohling 94 aus Kupfer oder Kupferlegierung mit einer Frontfläche 95 und
einer gegenüberliegenden
Rückfläche 96 vorgesehen.
Eine allgemein zylindrische Bohrung wird dann beispielsweise durch
Bohren in der Frontfläche 95 ausgebildet,
um die oben beschriebene Aufnahme 24 zu bilden.
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Ein
Separator 32 wird aus einem Silberlegierungsmaterial gebildet.
Wie zuvor beschrieben, umfasst das Silberlegierungsmaterial für den hohlzylindrischen
Separator 32 Silber, das mit etwa 0,25 bis 10 Prozent Kupfer
legiert ist. Der Separator ist so konfiguriert und bemessen, dass
er eng sitzend in die Aufnahme 24 passt. Der Separator 32 kann
ausgebildet werden, indem zunächst
ein allgemein zylindrischer massiver Rohling hergestellt und dann
ein zylindrischer Hohlraum 35 koaxial darin ausgebildet
wird, z. B. durch Bohren.
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Als
Nächstes
wird, wie in 5 gezeigt, ein allgemein zylindrisches
emittierendes Element 28 aus einem metallischen Material
mit einer relativ geringen Austrittsarbeit wie oben beschrieben
gebildet. Das emittierende Element 28 wird so bemessen, dass
es eng sitzend in den Hohlraum 35 im Separator 32 passt
und diesen im Wesentlichen völlig
ausfüllt. Das
emittierende Element 28 wird in den Hohlraum 35 eingeführt, bis
das innere Ende 30 des Elementes 28 an der geschlossenen
Endwand 34 des Separators 32 anliegt, und die äußere kreisförmige Endfläche 29 des
Elementes ist allgemein bündig
mit der äußeren Endfläche 36 des
Separators 32.
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Mit
Bezug auf 6, ein Werkzeug 98 mit
einer allgemein planaren kreisförmigen
Arbeitsfläche 100 wird
mit der Arbeitsfläche 100 jeweils
in Kontakt mit der Endfläche 29 und
der Endfläche 36 des
emittierenden Elementes bzw. des Separators gesetzt. Der Außendurchmesser
der Arbeitsfläche 100 ist
geringfügig
kleiner als der Durchmesser der Aufnahme 24 im Halterrohling 94.
Das Werkzeug 98 wird mit der Arbeitsfläche 100 allgemein
koaxial mit der Längsachse
des emittierenden Elementes 28 gehalten, und Kraft wird
auf das Werkzeug aufgebracht, um das emittierende Element 28 und
den Separator 32 entlang der Längsachse mit axialen Kompressionskräften zu
beaufschlagen. So kann beispielsweise das Werkzeug 98 in
Kontakt mit dem Element und dem Separator gebracht werden, dann
kann mit einem geeigneten Gerät
wie z. B. dem Stoßkolben
einer Maschine darauf geschlagen werden. Unabhängig von dem speziellen angewendeten
Verfahren wird eine ausreichende Kraft aufgebracht, um zu bewirken, dass
das emittierende Element 28 und der Separator 32 radial
nach außen
verformt werden, so dass das emittierende Element 28 vom
Separator 32 fest erfasst und gehalten wird und der Separator 32 vom metallischen
Halterrohling 94 wie in 7 gezeigt fest
erfasst und gehalten wird.
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Zum
Vervollständigen
der Fertigung des Halters 16 wird die Rückfläche 96 des Rohlings 94 maschinell
bearbeitet, um die offene becherförmige Konfiguration mit dem
Hohlraum 22 darin und mit einer ringförmigen Innenaussparung darin
auszubilden, die die Aufnahme 24 koaxial umgibt, um den
zylindrischen Pfosten 23 wie in 3 gezeigt
zu bilden. Die Außenperipherie
des Rohlings 94 wird ebenfalls nach Bedarf gestaltet, einschließlich der
Bildung eines Außengewindes 102 am
hinteren Ende. Schließlich
werden die Frontfläche 95 des
Rohlings 94 und die Endflächen 29 und 36 des
emittierenden Elementes bzw. des Separators so maschinell bearbeitet, dass
sie im Wesentlichen flach und bündig
miteinander sind.
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8 zeigt
eine Endansicht der fertigen Elektrode 16. Man sieht, dass
die Endfläche 36 des Separators 32 die
kreisförmige
Endfläche 29 des emittierenden
Elementes von der Frontfläche 20 des Halters 16 trennt.
Die Endfläche 36 ist
ringförmig
und hat einen Innenumfang 104 und einen Außenumfang 106.
Da der Separator 32 aus Silberlegierungsmetall mit einer
Austrittsarbeit gebildet ist, die höher ist als die des emittierenden
Elementes 28, dient der Separator dazu zu verhüten, dass
sich der Lichtbogen vom emittierenden Element 28 löst und sich
an den Halter 16 bindet. Die radiale Dicke der Endfläche 36 zwischen
dem Innenumfang 104 und dem Außenumfang 106 beträgt vorzugsweise
wenigstens etwa 1 mm.
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Wie
zuvor erwähnt,
umfasst die Erfindung auch Separatoren mit anderen Konfigurationen
als rein zylindrischen. So umfasst die Erfindung z. B. auch nietartige
Separatoren mit einem hohlzylindrischen Körper und einem ringförmigen Flansch,
der an das offene Ende des Körpers
gefügt
ist. Wie oben erwähnt,
wurde jedoch gefunden, dass der Kaltverformungsprozess zur Herstellung
der oben beschriebenen Elektrode zu unakzeptablen Elektroden im Hinblick
auf die Nutzungsdauer führt,
wenn nietartige Elektroden aus Silber verwendet werden, das mit
einem hohen Kupferprozentanteil legiert ist, wie z. B. Sterlingsilber,
das 7,5 Prozent Kupfer enthält.
Wenn Elektroden durch den Kaltverformungsprozess mit nietartigen
Separatoren hergestellt wurden, dann wurde unerwarteterweise gefunden,
dass im Durchschnitt eine erheblich längere Nutzungsdauer erzielt wird,
wenn der Kupferanteil auf unter etwa 5 Prozent, speziell auf etwa
0,5 bis 4 Prozent reduziert wird. Starker bevorzugt wird, wenn der
nietartige Separator etwa 2–3
Prozent Kupfer enthält.
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Ein
Beispiel, das nicht Teil der Erfindung ist, wird in den 9 und 10 illustriert. 9 zeigt ein
Verfahren, mit dem ein Rohling 94' mit einer gestuften oder ausgesenkten
Aufnahme 24' zum
Aufnehmen eines nietähnlichen
Separators 32' erzeugt wird.
Der Separator 32' hat
einen hohlzylindrischen Körper 33' und einen ringförmigen Flansch 110,
der an das offene Ende des Körpers
gefügt
ist. Die Aufnahme 24' ist ähnlich wie
der Separator gestaltet und beinhaltet somit einen ausgesenkten
Abschnitt 112 mit einem größeren Durchmesser als der Rest
der Aufnahme. Mit einem Werkzeug 98' werden die Endfläche des
emittierenden Elementes 28 und die Außenfläche des ringförmigen Flansches 110 mit
einer Kraft beaufschlagt, um eine radiale Ausdehnung des emittierenden
Elementes und Separators wie zuvor beschrieben zu bewirken. Die
Elektrode ist dann wie oben beschrieben fertig, so dass eine fertige
Elektrode 16' wie
in 10 gezeigt erhalten wird. Die Elektrode 16' beinhaltet
einen Halter 18',
einen Separator 32' und
ein emittierendes Element 28.
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In
einem speziellen Beispiel hat das emittierende Element 28 einen
Durchmesser von etwa 2 mm (0,08 Zoll) an seiner Endfläche 29,
und der Außendurchmesser
des ringförmigen
Flansches 110 des Separators beträgt etwa 6,3 mm (0,25 Zoll).
Der Separator 32' ist
vorteilhafterweise am Silber gebildet, das mit etwa 0,5 bis 4 Prozent
Kupfer, bevorzugter mit etwa 2–3
Prozent Kupfer legiert ist.
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Es
wurden Tests durchgeführt,
um die Auswirkung der speziellen Silberlegierungszusammensetzung
auf die Nutzungsdauer der Elektrode zu untersuchen. Es wurden mehrere
identisch konfigurierte Elektroden mit nietähnlichen Separatoren wie in 10 gezeigt
mit dem oben beschriebenen Kaltverformungsprozess hergestellt. Der
Kupfergehalt des Separators wurde von etwa null Prozent (d. h. im
Wesentlichen reines Silber) auf etwa 7,5 Prozent variiert, indem
aus der Silber-Kupfer-Legierung
speziell formulierte Schmelzen formuliert und aus den speziellen
Schmelzen Separatoren hergestellt wurden. Jede der Elektroden wurde
in einem Plasma-Lichtbogenbrenner installiert und der Brenner wurde
zyklisch 30 Sekunden lang mit eingeschaltetem Lichtbogen (bei 400
A) und 4 Sekunden lang mit abgeschaltetem Lichtbogen betrieben,
wobei der Ein-Ausschalt-Zyklus wiederholt wurde, bis ein „Versagen” beobachtet wurde.
Ein „Versagen" war durch eine vollständige Zerstörung der
Elektrode gekennzeichnet, wie z. B. dann, wenn die Elektrode explodierte
(relativ selten), oder durch eine physikalische Änderung in der Düse des Brenners,
wie z. B. ein Knick, eine Rille oder dergleichen, was darauf hin
wies, dass der Lichtbogen nicht ordnungsgemäß auf dem emittierenden Element
der Elektrode zentriert war und/oder dass ein doppelter Lichtbogen
entstanden war.
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11 zeigt
die Ergebnisse der Elektrodentestserie. Es ist ersichtlich, dass
bei einem Kupfergehalt von etwa null Prozent eine Elektrodenlebensdauer
von etwa 22 Minuten bis etwa 127 Minuten reicht. Bei einem Kupfergehalt
von 7,5 Prozent (Sterlingsilver) reicht die Lebensdauer von etwa
65 Minuten bis etwa 135 Minuten. Es wurden zwar nur zwei Datenpunkte
bei einem Kupfergehalt von 3 Prozent gewonnen, aber beide Tests überstiegen
eine Elektrodenlebensdauer von 200 Minuten. Eine erhebliche Zahl von
Datenpunkten wurden bei 2 Prozent Kupfergehalt genommen, wobei die
Lebensdauer von etwa 126 Minuten bis etwa 195 Minuten reichte, bei
einem Durchschnitt von etwa 157 Minuten. Drei Datenpunkte wurden
bei 0,5 Prozent Kupfer erhalten, wobei die Lebensdauer von etwa
174 Minuten bis etwa 189 Minuten reichte.
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So
zeigen die Daten einen bemerkenswerten und unerwarteten Trend, der
den Schluss nahe legt, dass ein optimaler Kupfergehaltsbereich von
etwa 0,5 bis etwa 4 Prozent reicht (obwohl keine Datenpunkte bei
4 Prozent erhalten wurden, legen die Daten den Schluss nahe, dass
4 Prozent eine erhebliche Verbesserung der Elektrodenlebensdauer
im Vergleich zu den bei 5 Prozent Kupfer erhaltenen Daten ergeben
würde).
Ferner legen die Daten, obwohl sie erheblich gestreut sind, trotzdem
den Schluss nahe, dass eine Spitze im Kupferbereich von 2–3 Prozent
auftritt.
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Die
Erfindung wurde zwar mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausgestaltungen
davon erläutert und
diese Ausgestaltungen wurden in erheblichem Detail beschrieben,
aber man wird verstehen, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen
Ausgestaltungen begrenzt ist. Modifikationen und Substitutionen
von Äquivalenten
sind möglich,
ohne vom Umfang der Erfindung gemäß den beiliegenden Ansprüchen Frontfläche abzuweichen.