ES2332302T3 - Electrodo anodico para estructura de plasmatron. - Google Patents
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Abstract
Un electrodo anódico (24) para un plasmatrón (3) que tiene un electrodo catódico (2) situado aguas arriba del ánodo, siendo el electrodo anódico usado para controlar la unión de raíz de un arco eléctrico generado por el plasmatrón, caracterizado porque el ánodo comprende una pluralidad de superficies (13) de unión de raíz de arco definidos en una superficie interior del ánodo por una pluralidad de piezas anulares (11, 14), extendiéndose cada pieza anular radialmente alrededor de la superficie interior del ánodo, definiendo cada par de piezas anulares adyacentes una acanaladura (15) entre ellas, estando la acanaladura formada radialmente dentro de la superficie interior el ánodo, estando cada acanaladura situada entre dos superficies adyacentes de unión de raíz de arco.
Description
Electrodo anódico para estructura de
plasmatrón.
Esta invención se refiere a una estructura de
plasmatrón que comprende un electrodo anódico estabilizador de raíz
de arco capaz de funcionar en característica ascendente superior de
voltio-amperios y relación reducida de flujo de gas
a potencia en la que el arco es transferido desde una punta de
cátodo a un taladro anódico aguas abajo remoto y la unión de raíz
de arco es estabilizada en el taladro anódico. La estabilización y
el control de la unión de raíz de arco al taladro anódico permite
conseguir un funcionamiento de tensión de arco estable para arcos
extendidos, caudales de gas variables, presión de gas y aplicaciones
de potencia produciendo por tanto una corriente de plasma con
parámetros superiores.
Los plasmatrones usan un arco eléctrico para
generar una corriente de gas a temperatura elevada y son usados
actualmente en muchas aplicaciones, incluyendo la unión a diversas
configuraciones de soplete de plasma y boquilla de plasma usadas
para pulverización por plasma. En un plasmatrón, un gas formador de
plasma fluye a través de una cámara de arco y una corriente de
plasma es generada por un arco eléctrico formado entre un cátodo y
un ánodo situados generalmente en los lados opuestos de la cámara de
arco. En diseños de técnica anterior, la unión de raíz de arco y la
estabilidad operativa de plasmatrón dependen del caudal de gas de
plasma, la presión de gas o la operación de potencia eléctrica. En
el uso práctico de plasmatrones, las condiciones de caudal de gas,
presión de gas o potencia eléctrica varían accidentalmente. Tales
variaciones accidentales producen cambios incontrolados en las
propiedades de la corriente de plasma.
Generalmente, un caudal constante de gas a
través del plasmatrón tiene que ser controlado como medio para
mantener una longitud estable de arco y evitar fluctuaciones
excesivas de raíz de arco. Sin embargo, en la práctica, aunque el
flujo de gas de plasma sea controlado estrictamente, la raíz de arco
exhibe desviaciones longitudinales ocasionales e imprevisibles con
efectos nocivos para la aplicación del soplete de plasma.
Es conocido que el uso de arcos de tensión
alta-amperaje reducido para hacer funcionar un
soplete de plasma tiene ciertas ventajas en términos de desgaste
reducido de electrodos y rendimiento térmico mejorado del soplete.
Como la ley de Ohm es aplicable a una corriente de plasma, para
aumentar la tensión del arco, el experimentador puede usar diversos
medios tales como: (a) aumentar la resistividad eléctrica del gas de
plasma aumentando la presión, aumentando el flujo de gas, usando
gases de plasma con resistividad eléctrica mayor o constriñendo el
flujo de gas de plasma, (b) extender la longitud del arco.
La influencia del diámetro de canal de arco
sobre el campo eléctrico es descrita por el criterio de K_{E}
como se deriva de la ley de Ohm:
K_{E} =
(\sigma\ x \ E \ x \ d^{2})x \
I^{-1}
donde:
"E" es la intensidad de campo eléctrico,
"d" es el diámetro del canal de arco, "I" es la corriente
eléctrica de arco y "\sigma" es la conductancia eléctrica
específica del gas de plasma.
El campo eléctrico depende exponencialmente del
diámetro "d" puesto que varía con su potencia al cuadrado.
Teóricamente, un canal de arco largo y estrecho debería producir
tensiones de arco más altas. El impedimento práctico es impedir que
el arco se una aleatoriamente a la pared interna del canal o las
desviaciones axiales aleatorias de la raíz de arco. Las
desviaciones axiales pueden ser reducidas parcialmente aumentando el
flujo de gas o la presión de gas y acortando la longitud de arco.
Esto no sería económico y sería perjudicial para el rendimiento del
soplete de plasma. Otro impedimento práctico se refiere a mantener
una unión estable de raíz de arco y por tanto una longitud estable
de arco cuando la refrigeración por agua, el flujo de gas de
plasma, la presión de gas de plasma o la aplicación de potencia
varía accidentalmente o es variada intencionadamente por el
operador del soplete.
Un procedimiento para controlar la unión de raíz
de arco dentro de un conducto recto de plasma es hallado en las
Patentes de EE.UU. nº 4.841.114 y nº 4.916.273 de Browning. Browning
describe una discontinuidad superficial singular formada en una
posición aguas abajo a lo largo de un taladro de boquilla anódica de
sección transversal constante, siendo la discontinuidad en forma de
una acanaladura, un resalte anular, un avellanado cilíndrico o un
resalte de salida. La discontinuidad pretende impedir el
desplazamiento de la raíz de arco hacia el final de la salida de
boquilla anódica y producir desgaste de la salida de boquilla
anódica. Es evidente que este diseño funciona con caudales de gas
significativamente más grandes. El gran flujo de gas empuja el arco
hacia delante extendiendo por tanto el arco linealmente mientras la
discontinuidad es exigida para impedir que la unión de raíz de arco
se desplace más aguas abajo de la discontinuidad. Como se muestra en
Browning, la unión de la raíz de arco en una acanaladura
superficial, incluso si eso es posible, puede producir por sí misma
inestabilidades imprevisibles asociadas con la turbulencia de gas
desarrollada dentro del canal de acanaladura. Variaciones en la
velocidad de refrigeración del taladro de boquilla anódica o
variaciones en el caudal de gas pueden determinar fácilmente que la
raíz de arco escape al efecto de la discontinuidad y por tanto se
desplace sustancialmente a lo largo del eje, aunque solo durante un
tiempo breve. Tales inestabilidades afectan a los parámetros de la
corriente de plasma, que entonces afectarán negativamente a la
calidad y la repetibilidad de los revestimientos pulverizados por
plasma. Los caudales de gas elevados necesarios para hacer funcionar
los diseños de Browing producirán costes operativos elevados del
soplete de pulverización por plasma.
Un procedimiento diferente para controlar la
unión de raíz de arco a un ánodo remoto anular y liso es hallado en
la Patente de EE.UU. nº 5.332.885, de Landes, que describe una
pluralidad de cátodos que generan una pluralidad de arcos dentro de
una cámara común de arcos, uniéndose los arcos a un taladro anódico
común. Una sección intermedia comprende una pluralidad de anillos
circulares eléctricamente neutros a los que Landes se refiere como
"neutrodos". El aparato expuesto por Landes es muy complicado y
la pluralidad de arcos interferirán entre sí produciendo un
funcionamiento inestable del soplete. Aunque Landes usara un solo
cátodo, cuando un plasma ionizado es generado, los anillos de
neutrodos actúan como condensadores eléctricos, obteniendo por tanto
una carga eléctrica en su superficie interior. Esto produce
formación de arco eléctrico a los anillos debida al efecto de
electrodo secundario, afectando por tanto nocivamente al
funcionamiento del plasmatrón. Un procedimiento similar para el uso
de ánodos segmentados eléctricamente flotantes es descrito en la
Patente de EE.UU nº 5.900.272 de Goodman.
La Patente de EE.UU. nº 5.296.668, de Foreman y
otros, muestra un cátodo refrigerado por gas, aislado eléctricamente
por medio de un collar aislante y que funciona en conjunción con un
tubo anódico alargado y liso que tiene una pequeña porción cónica
de entrada. Este diseño también se basa en el caudal de gas y
refrigeración suficiente del talador de boquilla anódica para
empujar el arco y forzar un desplazamiento aguas abajo y una unión
aleatoria de la raíz de arco. No hay disposiciones para estabilizar
la posición de raíz de arco y la raíz de arco se desplazará
longitudinalmente sin ningún medio para controlarla eficazmente.
Otra técnica anterior describe el uso de
elementos constrictores de flujo de gas para incrementar la
resistividad al gas y elevar la tensión de arco así como el uso de
manguitos eléctricamente aislantes dentro de la cámara de arco para
extender el arco y evitar la formación de arco a la pared de la
cámara. Tal técnica anterior es hallada en las Patentes de EE.UU.
nº 4.882.465 de Smith y otros, nº 5.008.511 de Ross, nº 5.420.391 de
Delcea y nº 5.514.848 de Ross y otros. El elemento constrictor de
arco idéntico que el descrito por Ross y otros también es descrito
en la Patente de Unión Soviética SU nº 1623846, de Granovski, en la
que el arco es empujado por el gas a través del elemento
constrictor y es transferido a la pieza a trabajar que es polarizada
positivamente. La Patente de EE.UU. nº 4.317.984, de Fridlyand,
describe un aparato de soplete de plasma que comprende un método de
plasmatrón mediante el que un arco generado en la punta de cátodo es
empujado a través de un primer elemento constrictor situado próximo
a la punta de cátodo y es transferido adicionalmente a un
avellanado cilíndrico de ánodo situado aguas abajo de un segundo
elemento constrictor. Esta disposición funciona solo con gases
adicionales de soporte o ajuste de plasma que son introducidos en el
espacio anular entre los elementos constrictores primero y segundo,
por tanto es demasiado complicada y sin ningún beneficio aparente
para estabilizar la unión de raíz de arco. Ambos elementos
constrictores descritos por Fridlyand tienen sección transversal
relativamente grande y funcionan como medios para transferir el arco
al interior del avellanado cilíndrico actuando principalmente como
guías de columna de arco.
Smith, Ross y otros, Delcea y Granovski
describen el uso general de elementos constrictores en el paso de
flujo de gas, con el flujo de gas actuando para empujar eficazmente
el arco eléctrico a través de la garganta del elemento constrictor.
Esto produce una reducción en la relación de amperaje a tensión
(A/V) menor que la que sería deseable y además los diseños son
sensibles a variaciones en el flujo de gas. En Ross y otros y en
Delcea, el arco es empujado a través de la garganta del elemento
constrictor por la velocidad del gas suficientemente para pasar a
través de la garganta y unirse a una superficie cilíndrica lisa de
un electrodo anódico, situando relativamente pronto aguas abajo de
la salida del elemento constrictor. Para conseguir este efecto, una
gran relación de flujo de gas a aplicación de potencia sería
necesaria para impedir la unión de arco al elemento constrictor y
fluctuaciones en el funcionamiento eléctrico del soplete. Se deja
que la raíz de arco fluctúe axialmente de una manera incontrolada e
imprevisible. En la patente de Ross y otros, el funcionamiento
estable es descrito como siendo dependiente de la aplicación de
potencia dada a los electrodos y, por tanto, los parámetros de
trabajo de la estructura de electrodos variará con cualesquier
variaciones en la aplicación de potencia mientras que,
teóricamente, se espera que la tensión de arco obtenible por tal
diseño sea significativamente menor que 200 V.
El inventor halló que la relación de flujo de
gas a potencia es un parámetro importante de un plasmatrón,
particularmente cuando es usado para pulverización por plasma. Este
parámetro es indicativo de la entalpía o, en otras palabras, el
contenido de calor por unidad de gas de plasma, por ejemplo medido
en kJ/mol de gas. Cuanto mayor es la entalpía, más calor está
disponible en el gas de plasma para fundir el polvo. Cuando flujos
reducidos de gas de plasma son usados en conjunción con un arco de
tensión alta-potencia alta, son generadas
corrientes de plasma de mayor entalpía y revestimientos superiores
pueden ser pulverizados por plasma. La dificultad en generar un
gran arco estable no está con respecto a estirar y constreñir el
arco que son fácilmente obtenibles por la forma y la longitud
apropiadas de la pared de cámara de arco, en cambio, la dificultad
está en mantener una longitud estable de arco y controlar el
movimiento axial de la unión de raíz de arco.
La técnica anterior ofrece solo un grado
limitado de control sobre la estabilidad de la longitud de arco y
por tanto está sujeta a desviaciones longitudinales imprevisibles de
la raíz de arco. En los diseños de técnica anterior, el caudal de
gas y la aplicación de potencia al plasmatrón desempeñan una parte
significativa en controlar tanto la longitud de arco como la
relación de amperaje a tensión así como impedir el movimiento axial
excesivo de la raíz de arco sobre la superficie de ánodo. Además,
las relaciones elevadas de flujo de gas a potencia necesarias para
hacer funcionar los plasmatrones de técnica anterior producen menor
entalpía y menor rendimiento de pulverización por plasma.
Hay sopletes de pulverización por plasma
exigidos para aplicar un revestimiento de pulverización por plasma
dentro de tubos de diámetros pequeño en los que un arco muy corto de
plasma es generado entre una punta de cátodo y el taladro de
boquilla. Tales sopletes de plasma de técnica anterior generan una
tensión baja, potencia baja y una corriente de plasma ionizado
débilmente al interior de la cual el polvo es inyectado y, por
tanto, se sabe que son muy ineficientes. Ejemplos son hallados y
por tanto se sabe que son muy ineficientes. Ejemplos son hallados
en las Patentes de EE.UU. nº4.970.364 de Muller, nº 4.661.682 de
Gruner y otros y nº 5.837.959 de Muelberger y otros. Sería deseable
emplear una corriente de plasma más ionizado para mejorar la calidad
de revestimiento. Siempre que tales sopletes de pulverización por
plasma necesitan un plasma de magnitud mayor que el plasma generado
por un plasmatrón, una pluralidad deseada de plasmatrones pueden ser
dispuestos dentro de un solo aparato de soplete de plasma que
combina las pluralidades de plasmas en una sola corriente de plasma
aplicable. Ejemplos son hallados en las Patentes de EE.UU. nº
5.008.511 de Ross, nº 3.140.380 de Jensen, nº 3.312.566 de Winzeler
y otros y nº 5.556.558 de Ross y otros. Un ejemplo esquemático de
tal uso múltiple de plasmatrones en relación convergente también es
hallado en la página 31 de un Libro Ruso de Donskoi y otros,
Leningrado, 1979. La Patente nº 5.008.511 enseña el uso de secciones
transversales en forma de "C" y forma de "D" aplicables a
una pluralidad de canales de plasma convergentes dentro de una
boquilla común de salida de pulverización por plasma.
La mayoría de los aparatos de pulverización por
plasma inyectan material de pulverización por plasma que exhibe
poca o ninguna ionización. El único aparato que podría generar
aparentemente una corriente de plasma más ionizado de algún modo es
descrito en la técnica anterior citada de Browning. Sin embargo,
Browning reivindica que su método y aparato pretende inyectar polvo
dentro del gas caliente que no exhibe ionización. La Patente de
EE.UU. nº 4.788.402, de Browning, enseña los beneficios de inyectar
material de pulverización dentro de una llama ionizada expandida
pero el aparato descrito en ella usa cantidades tremendamente
grandes de gas de plasma costoso a una presión muy alta de unos
1.200 kPa, mientras alcanza una tensión óptima de arco de trabajo de
180 a 190 V solamente. Estas condiciones de trabajo no son
adecuadas para producir ionización suficiente del gas del segundo
grado y una entalpía intensificada del plasma. En la patente nº
4.788.402, la unión de raíz de arco es empujada aguas abajo por el
flujo de gas muy alto y se sitúa en el borde de salida de la
boquilla de plasma. Es bien conocido que esta unión de arco produce
un deterioro rápido de la salida de boquilla y la experiencia
práctica ha demostrado que, en esta situación, el arco es muy
inestable, saliendo frecuentemente del taladro de boquilla para
unirse en la cara frontal del soplete de plasma. Otra desventaja del
método en la patente nº 4.788.402 es el margen muy estrecho de
error con respecto al flujo de gas operativo óptimo como se expone
en ella, indicando por tanto que este diseño funciona solo con un
flujo de gas muy grande, que también debe ser controlado
estrictamente dentro de límites restrictivos. Un ejemplo de cómo el
uso de flujos de gas y presiones de gas grandes pueden producir un
plasma poco ionizado de baja temperatura a pesar de tensiones de
arco más altas es hallado en la Patente de EE.UU. nº 5.637.242, de
Muehlberger, donde una temperatura de corriente de plasma
comunicada que está en el intervalo de 3.000ºK es prácticamente
insuficiente para ionizar suficientemente el gas de plasma y
transferir calor adecuado a las partículas de polvo. Esto es una
desventaja importante para pulverizar materiales de punto alto de
fusión tales como cerámica. Por ejemplo, la conductividad térmica
de un plasma de nitrógeno, en otras palabras la capacidad de plasma
para transmitir calor y fundir las partículas de polvo, es de unos
0,45 W/mºK a 3.000ºK, unos 2,8 W/mºK a 6.000ºK y unos 5,3 W/mºK a
7.000ºK.
El solicitante ha descubierto, sin tener una
explicación completa, que revestimientos superiores de pulverización
por plasma pueden ser producidos cuando el material de alimentación
es inyectado dentro de una región ionizada suficientemente de una
corriente de plasma y después es confinado para desplazarse
suficientemente a través de tal región ionizada. La ionización
intensificada es visible como una llama de mayor intensidad y una
corriente de material de pulverización en polvo más brillante que
la normal es proyectada a través de la corriente de plasma, siendo
esto indicativo de calentamiento superior y fusión del polvo. Se
cree que la tensión de arco más alta (mayor que 120 V y típicamente
en el intervalo de 200 a 500 V) aplicada a flujos menores de gas
cruza el umbral necesario para producir una ionización
intensificada de gas de plasma del segundo grado, suficiente para
expandir considerablemente la región ionizada de segundo grado de la
corriente de plasma. Así, una corriente de plasma más caliente es
generada con una temperatura media estimada significativamente mayor
que 3.000ºK y típicamente más alta que 5.000ºK. Por consiguiente,
cuando tal corriente de plasma es usada con un soplete de
pulverización por plasma, la fusión del material en polvo inyectado
dentro de una corriente de plasma ionizado suficientemente que
tiene una entalpía intensificada es superior que los métodos y
aparatos de soplete de pulverización por plasma, debido
principalmente a la transmisión calorífica incrementada al polvo,
debido particularmente a recombinaciones iónicas exotérmicas
intensificadas de segundo grado.
Por tanto, sería deseable proporcionar un
plasmatrón capaz de funcionar con un arco estable a tensiones más
altas mientras se usan flujos de gas o presiones de gas inferiores
y, por tanto, producir entalpía de plasma y temperatura de
corriente de plasma más altas. También sería deseable proporcionar
un plasmatrón que genere un arco estable controlando la ubicación
de raíz de arco en el electrodo anódico, con influencia reducida
por el flujo de gas, la presión de gas o las fluctuaciones
eléctricas. Sería deseable además proporcionar un plasmatrón que
funciones óptimamente con un arco eléctrico estable dentro de un
intervalo más amplio de flujos de gas, presiones de gas y
aplicaciones de potencia. Todas las exigencias anteriores para un
plasmatrón superior serían satisfechas si la unión de raíz de arco
anódica es estabilizada en el ánodo y las fluctuaciones de tensión
ocurren dentro de límites controlados. Este objetivo ha sido
conseguido con un electrodo anódico según la reivindicación 1 y un
plasmatrón según la reivindicación 5.
El objeto de esta invención es proporcionar una
estructura anódica superior que estabilice la unión de raíz de arco
en el taladro anódico y controle las fluctuaciones de tensión.
El objeto adicional de la presente invención es
proporcionar un plasmatrón superior para unión a sopletes de
plasma, incluyendo sopletes de pulverización por plasma capaces de
funcionar de modo estable con relaciones reducidas de flujo de gas
a potencia y con característica ascendente más alta de
voltio-amperios, generado de tal modo un arco
transferido extendido y estable para producir una corriente de
plasma más ionizado.
La presente invención se refiere a una
estructura de electrodo anódico superior para uso en un plasmatrón,
comprendiendo el ánodo una pluralidad de anillos superficiales
separados por acanaladuras anulares formadas dentro del taladro
anódico, siendo las acanaladuras de profundidad y anchura
suficientes para perturbar la capa límite y crear turbulencia
suficiente para causar que el arco se una al talador anódico,
sustancialmente en la superficie interior del taladro extendida
entre dos acanaladuras consecutivas, e impedir que la raíz de arco
se desplace más allá de cualquiera de los anillos aguas arriba o
aguas abajo, estabilizando así la longitud de arco y confinando su
unión de raíz dentro del taladro de electrodo anódico.
La presente invención se refiere además a un
plasmatrón que tiene un eje longitudinal y comprende un cátodo y el
electrodo anódico, estando el cátodo y el ánodo dispuestos
axialmente en los extremos opuestos de una cámara de arco que tiene
una pared interior, estando el cátodo y el ánodo separados
longitudinalmente y aislados eléctricamente entre sí y siendo
usados para formar un arco eléctrico para generar una corriente de
plasma que se mueve dentro de la cámara en la dirección del
electrodo anódico. La corriente de plasma generada por el
plasmatrón es descargada en el extremo aguas abajo del electrodo
anódico. Un pasaje de gas se extiende axialmente desde alrededor
del electrodo catódico hasta la salida aguas abajo del plasmatrón,
con la pared interna de dicho pasaje de gas definiendo
sustancialmente la pared interior de la cámara de arco. El gas
formador de plasma fluye a través de la cámara de arco en la
dirección del ánodo. Un potencial eléctrico es aplicado entre el
cátodo y el ánodo, suficiente para encender y mantener un arco
eléctrico generado en la punta del cátodo. El arco eléctrico se
extiende a lo largo de la cámara de arco y es transferido al taladro
anódico. Una pluralidad de anillos superficiales separados por
acanaladuras anulares están formados dentro del taladro anódico,
siendo las acanaladuras de profundidad y anchura suficientes para
perturbar la capa límite y crear turbulencia suficiente para causar
que el arco se una al taladro anódico, sustancialmente en la
superficie interior del taladro extendida entre dos acanaladuras
consecutivas, e impedir que la raíz de arco se desplace más allá de
los anillos aguas arriba o aguas abajo, estabilizando así la
longitud de arco y confinando el movimiento de su unión de raíz al
taladro de electrodo anódico.
Las superficies guiadoras de flujo de gas y arco
pueden ser formadas en la pared interior de la cámara de arco para
determinar y controlar la longitud y la forma del arco eléctrico,
estableciendo de tal modo una columna de arco continuo transferido
desde la punta de cátodo al taladro de electrodo anódico. El arco
eléctrico, que tiene su raíz estabilizada en el ánodo, es capaz de
generar una corriente de plasma con propiedades termodinámicas
superiores tales como ondulación reducida de tensión, mayor entalpía
y mayor conductividad térmica.
Un campo de aplicación para el plasmatrón de la
presente invención es la pulverización por plasma. Por tanto,
boquillas de plasma de salida pueden ser provistas para recibir la
corriente de plasma descargada en la salida del plasmatrón, y
conductos de suministro de material de alimentación también pueden
ser provistos para descargar material de alimentación al interior
de la corriente de plasma que fluye a través de la boquilla de
plasma de salida. Calor y cantidad de movimiento aumentados son
transferidos al material de alimentación y este se hace impactar
además sobre una superficie para producir revestimientos mejorados
pulverizados por plasma.
Características y ventajas adicionales serán
evidentes a partir de la descripción detallada siguiente de las
realizaciones preferidas de la presente invención y en conjunción
con los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es una vista en alzado frontal
esquemática del plasmatrón y el ánodo de la presente invención,
mostrada en corte transversal;
la Figura 2 es una vista a escala ampliada del
área de corte transversal dentro del círculo "B" en la Figura
1;
la Figura 3 es una vista a escala ampliada del
área de corte transversal dentro del círculo "B" en la Figura
1, mostrando una realización alternativa del ánodo en el que los
anillos adyacentes a una superficie de unión de raíz de arco tienen
diámetros diferentes;
la Figura 4 es una vista en alzado frontal de
una realización alternativa de la estructura de electrodo anódico
de la presente invención, mostrada en corte transversal, en la que
los anillos adyacentes a una acanaladura tienen diámetros
diferentes;
la Figura 5 es una vista a escala ampliada de un
área de corte transversal dentro del círculo "B" en la Figura
1, mostrando otra realización del ánodo, en el que la acanaladura
está definida por dos anillos en ángulo;
las Figuras 6A, 6B, 6C y 6D son vistas en alzado
frontal esquemáticas, en corte transversal, de la porción extrema
aguas abajo de un soplete de pulverización por plasma que emplea el
plasmatrón de la presente invención, y mostrando una selección de
posiciones y ángulos alternativos para conductos de alimentación de
polvo, o sea, en la Figura 6A el polvo es alimentado internamente
al interior de una boquilla recta de plasma; en la Figura 6B el
polvo es alimentado externamente al interior del mismo tipo de
boquilla, mientras que la Figura 6C y la Figura 6D muestran modos
alternativos de alimentar polvo al interior de una boquilla
desviadora de plasma.
Con fines de sencillez, los medios de
refrigeración por agua y otros medios tecnológicos convencionales de
soplete de plasma han sido eliminados intencionadamente en todas
las figuras en esto.
Refiriéndose inicialmente a la Figura 1 de los
dibujos, se muestra un plasmatrón indicado generalmente en el
cuerpo 3 que tiene un eje longitudinal 1. El plasmatrón 3 tiene una
cavidad longitudinal extendida desde el extremo aguas arriba al
extremo aguas abajo de la envoltura de plasmatrón, con la cavidad y
los elementos superficiales en ella definiendo la pared interior de
una cámara de arco. El cátodo 2 está situado axialmente en el
extremo aguas arriba del plasmatrón y se muestra rodeado por un
material eléctricamente aislante, tal como un collar o un manguito,
para impedir la formación de arco eléctrico a la pared adyacente de
cámara. La punta de cátodo está fabricada de un material con una
función de trabajo superficial suficiente para mantener un arco
estable a través de la emisión termoiónica intensificada de
electrones. Materiales convencionales para el cátodo incluyen
wolframio, circonio, hafnio o grafito con impurezas. Un flujo de gas
de plasma es suministrado desde una fuente externa y es forzado a
fluir en un vórtice 5 a través del espacio anular 35 definido por
el cátodo 2 y el collar aislante 4 y a fluir además a través de toda
la longitud de la cámara de arco en la dirección del ánodo 24.
Medios convencionales para producir el vórtice de gas son descritos
por la técnica anterior citada en Smith, Delcea y Ross y otros.
Otros medios convencionales para producir el vórtice de gas son
descritos en la lista de componentes para el soplete de plasma
Modelo SG-100 publicada por Miller Thermal Inc. y
tienen la forma de un collar eléctricamente aislante que comprende
una pluralidad de canales de gas dispuestos en ángulo en una
relación de torbellino para crear un vórtice de gas de plasma
alrededor de la punta de
cátodo.
cátodo.
Cuando un arco constreñido es necesario, la
superficie interna de collar 4 se une con un difusor convergente 6.
El difusor 6 está formado para comprimir el gas y conservar el
vórtice, impidiendo así que el arco se una a la superficie del
difusor 6. Para reducir las pérdidas de energía del flujo producidas
corrientemente por la contracción gradual del flujo asociada con
difusores convergentes, se recomienda que la relación de áreas en
corte transversal (AR = A_{2}/A_{1}) del difusor 6 esté entre
0,25 y 0,80 aproximadamente.
El difusor 6 se une suavemente con el elemento
superficial 7 formado como una garganta cilíndrica 9.
Preferiblemente, la superficie 7 es mantenida suficientemente
fresca para generar y mantener una capa límite 10 de gas,
suficientemente fría y con espesor, resistencia eléctrica y
uniformidad suficientes para impedir que el arco se una a la
superficie 7 excepto en la puesta en marcha. La garganta 9 está
dimensionada para causar un flujo laminar de gas dentro de la
garganta, sustancialmente sin torbellino de gas, por tanto la capa
límite 10 es determinada preferible y sustancialmente por el
gradiente en la viscosidad de gas debido al flujo de laminar gas sin
vórtice. Una región del gas alrededor del eje es calentada por el
arco, creando un núcleo de alta temperatura y alta presión que
aumenta la tensión de arco y ayuda a la extensión aguas abajo de la
columna de arco. La ventaja de este diseño es que cuando se usa con
un arco transferido alargado, la ionización del gas de plasma
empieza antes en el núcleo de alta presión, alta temperatura más
bien que en la proximidad del ánodo, produciendo por tanto una
ionización global intensificada de gas. Para condiciones laminares,
la relación de la longitud de garganta al diámetro de garganta 9
está en el intervalo de 0,5-3,5 a 1.
Un difusor divergente 8 puede estar conectado al
extremo aguas abajo de la garganta 9 que se abre al interior de una
cámara 12 de expansión de flujo. La cámara 12 se extiende axialmente
hasta el electrodo anódico 24. El diámetro "D" de taladro del
electrodo anódico 24 es igual o mayor que el diámetro de la garganta
9. La relación del diámetro anódico "D" al diámetro de la
garganta 9 estará preferiblemente en el intervalo de
1-4 a 1. Preferiblemente, el difusor divergente 8
está dimensionado para evitar o minimizar la perturbación de choque
asociada con la transición desde flujo supersónico a subsónico o
alternativamente, en el caso de flujos de gas subsónicos
inferiores, para intensificar la recuperación de pérdida de presión
y reducir el estancamiento de flujo asociado con una reducción
rápida en la velocidad de flujo subsónico de gas a través de tales
difusores divergentes. Cuando se usa con diversos flujos de gas, el
difusor divergente 8 produce una transición suave del flujo de gas
desde la garganta 9 al interior de la cámara 12 de expansión del
flujo de gas que produce una transferencia eficiente del arco
eléctrico desde la punta de cátodo directamente al interior del
taladro anódico 24. La relación de áreas en corte transversal (AR =
A_{4}/A_{3}) del difusor 8 está usualmente entre 1,1 y 3.0
aproximadamente. La combinación de difusores
convergente-divergente asociados con la presencia
de una capa límite de gas eléctricamente aislante y una polarización
eléctrica positiva aplicada a dicha combinación, funciona como un
electrodo intermedio de boquilla que acelera los electrones en el
arco eléctrico, proyectando por tanto los electrones con gran
energía en la dirección aguas abajo. Sin embargo, cuando el
procedimiento de constricción y estiramiento de arco descrito
anteriormente es usado en conjunción con electrodos anódicos de
técnica anterior, el arco es muy inestable y se desplaza
frecuentemente para unirse inmediatamente a la superficie de la
garganta 9 o del difusor 8, produciendo un funcionamiento anómalo
rápido del plasmatrón y la emisión de una corriente inconstante de
plasma.
Con referencia a la Figura 1 y la Figura 2, se
muestra un electrodo anódico superior 24 que tiene una superficie
interior del diámetro "D". Una pluralidad de superficies 13 de
unión de raíz de arco son definidas en la superficie interior del
electrodo anódico por un par de piezas anulares adyacentes 11 y 14.
Las superficies 13 están separadas por acanaladuras 15 formadas
radialmente dentro del electrodo anódico. Cada acanaladura 15 es
definida por un par de pinzas anulares adyacentes 11 y 14,
extendidas radialmente alrededor de la superficie interior del
ánodo, y por una pieza 16 de fondo de acanaladura. Durante el
funcionamiento del plasmatrón, la raíz 36 de arco se une a una
superficie 13 de unión de raíz de arco y puede saltar sobre una
acanaladura, moviéndose por tanto axialmente entre dos superficies
adyacentes 13 pero sin desplazarse más allá de los anillos aguas
arriba o aguas abajo. Preferiblemente, las acanaladuras 15 y las
superficies 13 deben ser provistas de funciones de profundidad y
anchura suficientes de modo que para una relación elegida de
potencia eléctrica a flujo de gas, un movimiento axial de la raíz
36 de arco entre dos superficies adyacentes 13 produce una variación
de tensión significativamente menor que 10 V. Dependiendo de la
magnitud del flujo de gas y de la longitud deseada de arco, la
relación de las anchuras de la superficie 13 y la acanaladura 15
están entre 1-5 a 1. El extremo aguas abajo del
taladro 24 de electrodo anódico puede ser en realidad la salida de
la cámara de arco. Para facilitar la unión o la incorporación del
presente plasmatrón a un aparato de uso final, tal como un aparato
de soplete de pulverización por plasma, puede proporcionarse una
extensión 18 del taladro sin cambiar en realidad el principio de
funcionamiento del plasmatrón. Se comprende que aunque la Figura 1
indica un taladro 18 de una forma generalmente cilíndrica, otros
tipos de taladro 18 de una orientación, sección transversal y
longitud deseadas pueden ser provistos para dirigir y formar
adicionalmente la corriente 17 de plasma expulsada desde el taladro
de electrodo anódico.
La Figura 3 muestra esquemáticamente una
realización alternativa del electrodo anódico 24 como se describió
con referencia a la Figura 2, y las referencias numéricas incluyen
la designación añadida "0.3", y debería comprenderse que esas
referencias corresponden a referencias numéricas designadas
contenidas en la Figura 2 como se describió antes, excepto como
pueden ser modificadas en este párrafo. En la Figura 3, son
mostrados al menos un par de anillos 14.3 y 11.3 que tienen
diámetros diferentes, definiendo por tanto una superficie 13.3 de
unión de raíz de arco de una forma troncocónica.
La Figura 4 muestra esquemáticamente una
realización alternativa del electrodo anódico 24 como se describió
con referencia a la Figura 1 y la Figura 2, y las referencias
numéricas incluyen la designación añadida "0.4", y debería
comprenderse que esas referencias corresponden a referencias
numéricas designadas contenidas en la Figura 1 y la Figura 2 como
se describió antes, excepto como pueden ser modificadas en este
párrafo.
Refiriéndose nuevamente a la Figura 1 y la
Figura 2, el electrodo anódico 24 es mostrado comprendiendo una
pluralidad de superficies 13 definidas por las piezas anulares 11 y
14 que tienen diámetros "D" sustancialmente iguales. La Figura
4 muestra un caso de una realización preferida alternativa del
electrodo anódico en la que al menos una superficie 13.4 es
definida por un par de dos anillos adyacentes que tienen un diámetro
"D4" mayor que el diámetro "d4" de al menos otro par de
tales anillos adyacentes. Esto tiende a aumentar la unión
prolongada de la raíz de arco en la superficie 13.4 de diámetro
menor, produciendo un funcionamiento mejorado de ánodo,
particularmente cuando la velocidad del gas es reducida o el arco es
estirado más. Preferiblemente, la relación de los diámetros D4/d4
está en el intervalo de 1,25-1 a 1
aproximadamente.
La Figura 5 muestra un diseño alternativo del
electrodo anódico como se describió con referencia a la Figura 2, y
las referencias numéricas incluyen la designación añadida
"0.5", y debería comprenderse que esas referencias
corresponden a las referencias numéricas designadas contenidas en la
Figura 2 como se describió antes, excepto como pueden ser
modificadas en este párrafo. Las piezas anulares adyacentes 11.5 y
14.5 son mostradas extendidas radialmente alrededor del taladro
interior del ánodo en un ángulo oblicuo.
Refiriéndose nuevamente a la Figura 1, debería
comprenderse que el uso de una garganta 9 no es esencial para
estabilizar la unión de raíz de arco al taladro anódico. Por tanto,
si la cámara de arco fuera una cámara de expansión de flujo de
sección transversal constante extendida desde la punta de cátodo al
electrodo anódico 24, el plasmatrón sería superior que los
plasmatrones de técnica anterior, proporcionando un arco eléctrico
con la raíz 36 de arco confinada sustancialmente a las superficies
13 de unión de raíz de arco, funcionando por tanto el plasmatrón
mejor y más estable que un plasmatrón sin una pluralidad de
superficies 13. El estiramiento y la transferencia del arco desde
la punta del cátodo al taladro anódico, después de pasar a través de
un elemento constrictor de flujo y una cámara de expansión de flujo
de gas, crea un arco alargado lo que, según el criterio de K_{E},
produce tensiones de arco más altas. Sin embargo, es conocido que en
el caso de arcos largos y constreñidos la unión de raíz de arco es
muy inestable, produciendo ondulaciones de tensión de arco. Usando
la estructura de electrodo anódico de la presente invención, la
estabilidad de la unión de raíz de arco es muy mejorada y la
ondulación de tensión es controlada. Materiales convencionales para
el electrodo anódico 24 y en particular para sus superficies de
unión de raíz de arco incluyen: cobre, grafito, wolframio, circonio
o hafnio.
Se halló que el presente diseño de plasmatrón
funciona establemente para un intervalo muy amplio de flujos de gas
desde tan pequeño como 40 l/min hasta tanto como 300 l/min. Como un
ejemplo, los plasmatrones de técnica anterior que funcionan con
flujos reducidos de gas de unos 40 l/min producen tensiones de unos
800-100 V como máximo y la unión de raíz de arco es
inestable produciendo puntas frecuentes de tensión, a veces
significativamente más altas que 10 V. Para los mismos flujos
reducidos de gas, el presente plasmatrón consigue
100-150 V con la unión de raíz de arco estabilizada
completamente en el taladro anódico mientras la tensión de arco
puede ser controlada para que sea menor que 10 V. Para flujos
superiores de gas, en el intervalo de 150-250 l/min,
los plasmatrones de técnica anterior consiguen tensiones
generalmente entre 100 y 200 V con variaciones de tensión mayores
que 5 V. En contraste, para condiciones similares de flujos de gas,
el presente plasmatrón es capaz de conseguir tensiones de 200 a 300
V con variaciones de tensión menores que 5 V. Aunque en los
plasmatrones de técnica anterior las variaciones de tensión son
imprevisibles e incontrolables, con el presente plasmatrón, la
variación de tensión es controlada por la anchura de las
acanaladuras 15 y las superficies 13 formadas dentro del taladro
del ánodo 24. Esto es porque la raíz de arco tenderá a saltar sobre
una acanaladura 15 en cualquier momento y, por tanto, moverse solo
entre dos superficies 13 adyacentes.
Las Figuras 6A, 6B, 6C y 6D muestran
esquemáticamente una selección de configuraciones de sopletes de
pulverización por plasma que incorporan el plasmatrón de la
presente invención. La ionización incrementada y la corriente
estabilizada de plasma generadas por el plasmatrón de la presente
invención proveen lo necesario para la aplicación de revestimientos
mejorados de pulverización por plasma.
La Figura 6A muestra la porción extrema aguas
abajo de un soplete de plasma mostrado esquemáticamente con el
extremo aguas abajo del plasmatrón 3 de la presente invención unido
a una boquilla 25 de plasma de salida en línea formada para recibir
la corriente 17 de plasma descargada desde el taladro de electrodo
anódico y que comprende además uno o más conductos 26 de
alimentación provistos en el cuerpo de la boquilla 25, estando los
conductos orientados en una dirección generalmente hacia el eje del
plasmatrón y siendo usados para alimentar material en polvo al
interior de la corriente 17 de plasma. Además, el material en polvo
es atrapado por la corriente de plasma e impacta sobre una
superficie para producir un revestimiento 27 de pulverización por
plasma. La Figura 6B muestra una disposición similar de algún modo
que en la Figura 6A, con un conducto 29 de alimentación de polvo
situado ahora externamente enfrente de la salida de la boquilla 25A.
Una pluralidad de conductos 26 o 29 pueden ser organizados
alrededor de la circunferencia de la boquilla 25 o 25A de salida de
plasma para alimentar material de pulverización simultáneamente. La
Figura 6C muestra la porción extrema aguas abajo de un soplete de
plasma mostrado esquemáticamente con el extremo aguas abajo del
plasmatrón 3 de la presente invención unido a la boquilla 25B de
plasma conformada para desviar la corriente 17 de plasma en un
ángulo \Phi respecto al eje del plasmatrón. Uno o más conductos de
material de alimentación, mostrados esquemáticamente en 30A, 30B o
32C, están dispuestos para introducir material en polvo dentro de la
corriente de plasma desviada en una dirección generalmente hacia el
eje de la corriente de plasma desviada, para atrapar el material en
polvo dentro de dicha corriente de plasma desviada y para que el
polvo atrapado impacte sobre una superficie para producir un
revestimiento 27 de pulverización por plasma. Convencionalmente, el
ángulo \Phi es igual o menor que 90º. Se comprenderá fácilmente
que, si se desea, el conducto de alimentación de polvo puede estar
situado externamente a la salida de la boquilla 25B de plasma, de
una forma similar de algún modo que la mostrada en la Figura 6B. Un
modo alternativo de introducir material en polvo es mostrado
esquemáticamente en la Figura 6D, mediante el cual el conducto 31
de polvo se extiende internamente a través del cuerpo de
plasmatrón, generalmente paralelo al eje del plasmatrón. Un conducto
32 dispuesto a través del cuerpo se abre en la pared interna de la
boquilla 25C. El conducto 32 está formado y situado para recibir
material en polvo desde el conducto 31 y para inyectar el material
en polvo dentro del taladro de la boquilla 25C. Las configuraciones
mostradas en las Figuras 6C y 6D son de uso particular para aplicar
revestimientos de pulverización por plasma a superficies internas
y, más particularmente, a superficies internas tales que tienen una
sección transversal reducida o acceso limitado.
Se comprende que el ánodo y el plasmatrón de la
presente invención pueden ser aplicados satisfactoriamente a otras
configuraciones de sopletes de pulverización por plasma no descritas
en esto así como a sopletes de plasma destinados a usos distintos
que la pulverización por plasma.
Habiendo descrito las realizaciones de la
invención, modificaciones serán evidentes para los expertos en la
técnica sin apartarse del alcance de la invención como es definido
en las reivindicaciones siguientes.
Claims (8)
1. Un electrodo anódico (24) para un plasmatrón
(3) que tiene un electrodo catódico (2) situado aguas arriba del
ánodo, siendo el electrodo anódico usado para controlar la unión de
raíz de un arco eléctrico generado por el plasmatrón,
caracterizado porque el ánodo comprende una pluralidad de
superficies (13) de unión de raíz de arco definidos en una
superficie interior del ánodo por una pluralidad de piezas anulares
(11, 14), extendiéndose cada pieza anular radialmente alrededor de
la superficie interior del ánodo, definiendo cada par de piezas
anulares adyacentes una acanaladura (15) entre ellas, estando la
acanaladura formada radialmente dentro de la superficie interior el
ánodo, estando cada acanaladura situada entre dos superficies
adyacentes de unión de raíz de arco.
2. Un electrodo anódico según la reivindicación
1, en el que las piezas anulares tienden diámetros sustancialmente
iguales.
3. Un electrodo anódico según la reivindicación
1, en el que al menos una pieza anular tiene un diámetro menor que
una pieza anular adyacente y preferiblemente en el que la relación
entre los diámetros de dos piezas anulares adyacentes es 1,25 a 1
como máximo.
4. Un electrodo anódico según cualquier
reivindicación precedente, en el que la relación entre la anchura
de una superficie de unión de raíz de arco y la anchura de una
acanaladura adyacente está entre 1-5 a 1.
5. Un plasmatrón (3) usado para generar una
corriente de gas de plasma que fluye entre un cátodo (2) y un ánodo
(24) y que comprende:
- (a)
- una cámara de arco que tiene un eje (1) y una pared interior que define una cámara de flujo de gas;
- (b)
- un electrodo anódico (24) situado axialmente en el extremo aguas abajo de la cámara de flujo de gas, siendo el electrodo anódico usado para controlar la unión de raíz de un arco eléctrico generado por el plasmatrón; y
- (c)
- un electrodo catódico situado axialmente en el extremo aguas arriba de la cámara de arco, separado y aislado eléctricamente de la pared interior de cámara de arco y del electrodo anódico, caracterizado porque el ánodo del plasmatrón comprende una pluralidad de superficies (13) de unión de raíz de arco definidas en una superficie interior del ánodo por una pluralidad de piezas anulares (11, 14), extendiéndose cada pieza anular radialmente alrededor de la superficie interior del ánodo, definiendo cada par de piezas anulares adyacentes una acanaladura (15) entre ellas, estando la acanaladura formada radialmente dentro de la superficie interior del ánodo, estando cada acanaladura situada entre dos superficies adyacentes de unión de raíz de arco.
6. Un plasmatrón según la reivindicación 5, en
el que las piezas anulares tienen diámetros sustancialmente
iguales.
7. Un plasmatrón según la reivindicación 5, en
el que una pieza anular tiene un diámetro menor que una pieza
anular adyacente y preferiblemente en el que la relación entre los
diámetros de dos piezas anulares adyacentes es 1,25 a 1 como
máximo.
8. Un plasmatrón según cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 7, en el que la relación entre la anchura de
una superficie de unión de raíz de arco y la anchura de una
acanaladura adyacente está entre 1-5 a 1.
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