FI82350B - Plasmabraennare och foerfarande foer dess anvaendning. - Google Patents

Description

82350

Plasmapoltin ja menetelmä sen käyttämiseksi - Plasma-brännare och förfarande för dess användning

Keksintö kohdistuu plasmapolttimeen, joka on varustettu kahdella samankeskisesti järjestetyllä elektrodilla ja 5 yhdellä näitä ympäröivällä suuttimellä. Ensimmäisen elektrodin, niinkutsutun apuelektrodin, etuosa on kavennettu. Toinen elektrodi on varustettu keskuskanavalla, jonka keskelle apuelektrodi ulottuu, ja joka käsittää ensimmäisen sylinterimäisen osan, kartiomaisen kavennuksen 10 ja toisen, kapeamman sylinterimäisen osan, ja johon mahdollisesti liittyy vielä yksi levennys. Toinen elektrodi ja apuelektrodi muodostavat renkaanmuotoisen kanavan. Hakemuksen kohteena on myös menetelmä mainitun plasma-polttimen käyttämiseksi.

15 Tekniikan tason mukaisessa tunnetussa laitteessa synnytetään ja ylläpidetään ensimmäisen elektrodin ja suuttimen-muotoisen toisen elektrodin välillä tasavirtalähteen avulla valokaarta, niinkutsuttua apuvalokaarta. Sitten ··· tuodaan apuvalokaaren kanssa kosketukseen kaasuvirta, joka 20 johdetaan suutinelektrodin läpi apuvalokaaressa muodostuneen plasman johtamiseksi kolmanteen elektrodiin. Tasavirtalähteen tehtävänä on tällöin sekä apuvalokaaren ylläpito ensimmäisen ja toisen elektrodin välillä, että ennen kaikkea myös valokaaressa muodostuneen ja kolmanteen 25 elektrodiin johdetun plasman kuumennus. Toisen elektrodin ja kolmannen elektrodin välille sijoitettu virtalähde voi olla joko tasavirtalähde tai, kuten esim. DE-patentti-julkaisussa 14 40 594 on esitetty, vaihtovirtalähde. Jos käytetään vaihtovirtalähdettä, on apuelektrodin ja toisen 30 elektrodin välillä palavan tasavirta-apuvalokaaren tehtävänä synnyttää ionisoidun plasman jatkuva virtaus ja tuoda se vaihtovirralla syötetyn päävalokaaren alueelle. Tällöin tulee ensi sijassa mahdollistaa päävalokaaren uudelleen- 2 82350 sytytys vaihtovirran jokaisen nollakohdan jälkeen ja sen ohessa myös estää suutinelektrodin tässä elektrodissa olevan vaihtovirtapalokohdan aiheuttama terminen ylikuormitus.

5 Piasmapolttimen vaihtovirtakaaren ylläpidon ja vaihto- virtaelektrodin termisen ylikuormituksen estämisen lisäksi on apuvalokaaren tehtävänä usein myös plasmapolttimen käynnistys. Tämä tapahtuu, kun apuvalokaaren synnyttämä, poltinsuuttimesta tuleva plasmaliekki muodostaa ionisoidun 10 kaasun kanavan poltinelektrodin ja vastaelektrodin tai kuumennettavan tai sulatettavan materiaalin välille, jossa päävalokaarivirta, joko vaihto- tai tasavirta, voi alkaa kulkea heti kun päävalokaarijännite kytketään poltin- ja vastaelektrodin välille. Lisäksi voidaan apuvalokaari 15 synnyttää esim. poltinelektrodin ja tätä ympäröivän, poltinmateriaalin suuaukon muodostavan poltinsuuttimen välille tai kahden apuelektrodin välille tai myös edellä kuvatun laitteen apu- ja suutinelektrodien välille. Edellytyksenä päävalokaaren alkusytytykselle on, että plasma-20 sytytysliekki ulottuu vastaelektrodiin tai sulatettavaan materiaaliin ja muodostaa siten jatkuvan sähköä johtavan yhteyden poltin- ja vastaelektrodien välille. Tästä johtuen täytyy plasmapoltin viedä sitä lähemmäksi vasta-elektrodia, mitä lyhyempi sen sytytysliekki on.

25 Useissa käyttötapauksissa on kuitenkin toivottavaa tai teknillisesti jopa välttämätöntä sytyttää plasmapoltin tai polttimet mahdollisimman suurella etäisyydellä vastaelek-trodeista tai kuumennettavasta tai sulatettavasta materiaalista, varsinkin jos on kyse tilaa vievästä aineesta, 30 kuten romusta, jonka täyttö ei muodosta mitään olennaisen tasaista pintaa, vaan se on varsin rikkonainen. Koska plasmapoltin ei saa tulla kosketukseen sähköä johtavan materiaalin kanssa, koska se silloin rikkoutuisi, on käy 3 82350 tännössä erittäin tärkeää voida käynnistää plasmapoltin turvallisella etäisyydellä sulatettavan materiaalin yläpinnasta, ts. vastaavan suurella sytytysliekillä.

Jos käytetään DE-patenttijulkaisussa 14 40 594 kuvattua 5 valokaarijärjestelyä, päästään myös päävalokaaren virran- voimakkuuden ja plasmakaasusyötön optimoinnin jälkeen vain 6-8 cm:n sytytysliekkipituuksiin. Myöskään DE-hakemusjulkaisusta 29 00 330 tunnetulla laitteella ei päästä riittävän pitkiin sytytysliekkeihin.

10 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada lajimääritel-mältään alussa mainitun mukainen plasmapoltin, joka muodostaa pituudeltaan riittävän suuren plasmasytytysliekin, joka mahdollistaa plasmapolttimen sytytyksen varmasti ja ilman mekaanista kosketusta kevyeeseen tilaa vievään 15 romuun.

Tämä tehtävä ratkaistaan lajimääritelmältään alussa mainitun mukaisella plasmapolttimella, jolla on seuraavat tunnusmerkit. Ensimmäisen sylinterimäisen osan läpimitta on 1,2 - 2,5 kertaa niin suuri, edullisesti 1,5-2 kertaa 20 niin suuri kuin apuelektrodin läpimitta. Keskuskanavan kartiomaisen kavennuksen kartiokulma on 20 ja 80°:een välillä, edullisesti 30 ja 60°:een välillä. Apuelektrodin kavennuksen kartiokulma on 20 ja 80°:een välillä, jolloin apuelektrodin kavennuksen voi elektrodin kärkipäässä 25 liittyä vielä mahdollisesti toinen kartio, jonka kartio-kulma on suurempi, 40 ja 180°:een välillä. Vaihtoehtoisesti voidaan apuelektrodin kärkialue muodostaa myös pal-losegmentiksi. Keskuskanavan levennyksen läpimitta (D) on aina 3:een kertaa asti suurempi kuin toisen sylinterimäisen 30 osan, jonka läpimitta on (d) , suositeltavasti suhde D/d on välillä 1 - 1,5. Apuelektrodi järjestetään siten, että sen elektrodikärki on järjestetty suunnilleen korkeudelle, 4 82350 jossa keskuskanavan kartiomainen osa vaihtuu toiseksi kapeammaksi sylinteriosaksi. Jos merkitään elektrodikärjen etäisyyttä tästä siirtymäkohdasta (a):11a, jolloin (a) saa negatiivisen etumerkin, kun apuelektrodin kärki 5 ulottuu keskuskanavan toiseen, kapeampaan sylinteriosaan, valitaan tällöin (a):n suhde toisen, kapeamman sylinteri-osan läpimittaan -1 ja +2:n väliltä, edullisesti 0 ja 1:n väliltä.

Siten keksinnön mukaisesti on aikaansaatu ratkaisu, jolla 10 apuelektrodin geometria sekä suutinelektrodin sisärakenne ovat siten toisiinsa sovitettuja, että keskeltä suutin-elektrodia tuleva, magnetohydrodynaamisesti vapaana säteilynä pidettävän ionisoidun kaasun virtaus muodostaa tosin kapean mutta lisäksi myös mahdollisimman pitkän kanavan, 15 jonka sähkönjohtokyky on hyvin suuri, ja joka siten voi varmistaa päävalokaaren sytyttämiseen riittävän virran-kulun mahdollisimman pitkällä matkalla.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa on otettu huomioon se tunnettu seikka, että suutinaukko tulee muotoilla sylin-20 terimäiseksi ja suuttimen otsapintareuna mahdollisimman terävärajaiseksi. Näin muodostetulla leikkausreunalla päästään hyvin pieneen säteilydivergenssiin. Tästä syystä on levennys tai poraus siten mitoitettu halkaisijan kanssa, että otsapintaan tuleva päävalokaari ei muuta sytytys-25 valokaaren muodostuksen määräävää suutinaukkoa.

Mahdollisimman pitkän sytytysliekin muodostamiseen liittyy myös suutinelektrodin ja apuelektrodin välisen rengastilan mitoitus. Sekä apuelektrodin että keskuskanavan kartio-muodosta johtuen tulee kylmä, plasman muodostukseen käy-30 tetty kaasu näin muodostetun sylinterimäisen tilan kautta optimaalisesti johdetuksi sytytysvalokaaren palotilana toimivalle kartioalueelle.

n 5 82350

Keksinnön erään jatkokehitysmuodon mukaisesti valitaan toisen, kapeamman sylinteriosan pituus ja tämän osan läpimitta siten, että niiden suhde on 0,2:n ja 3:n, edullisesti 1:n ja 1,5:n välillä. Pienempi suhde johtaa riit-5 tämättömästi stabiloituun, ei täsmälleen aksiaalisesti palavaan sytytysliekkiin, suurempi suhde aiheuttaa ionisoidun kaasun liian suuren jäähdytyksen, mikä johtaisi sytytysliekin lyhenemiseen.

Sytytysvalokaariplasmakaasun rengastilan vapaa poikki-10 pinta suutinelektrodin keskuskanavassa lähtien rengasti-lasta kartioalueen yläpuolelta apuelektrodin kärjen korkeudelle toiseen, kapeampaan keskuskanavan sylinteriosaan asti mitoitetaan edullisesti siten, että se pienenee tasaisesti kaasun virtaussuunnassa.

15 Lopuksi suutinelektrodin ja tätä ympäröivän suuttimen välisen rengaskanavan suuttimen puoleinen sisäpinta varustetaan sähköä eristävällä vuorauksella parasiittisten kaarien muodostumisen estämiseksi tehokkaammin, kuin tämä ·· tähän mennessä tavallisella tekniikan tason mukaisella 20 puhtaalla kylmäkaasueristyksellä on ollut mahdollista.

Edellä kuvatun järjestelyn vaikutuksesta tulee ionisoitu kaasu esitetyllä keksinnön mukaisella geometrialla mahdolliseksi johtaa laminaarisesti kaartioalueelle, ja kaasuvirtaus pysyy laminaarisena purkaantumiseensa suutin-25 elektrodista asti.

Optimaalisen pituisen sytytysvalokaariliekin synnyttämiseksi on keksinnön mukaisen laitteen ohessa edullista käyttää menetelmää, jossa plasmakaasun syöttö keskuskanavan kautta apuvalokaaren (sytytysvalokaaren) paloalueella 30 säädetään siten, että Reynoldsin luku on 10:n ja 2300:n, edullisesti 10:n ja 100:n välillä.

6 82350 Käytännön kokemukset keksinnön mukaisella laitteella ja menetelmällä osoittavat, että olennaisesti keksinnön mukaisen geometrian määräämä sytytysvalokaaren jänniteotto on niin korkea, että jo 200 - 300 A virranvoimakkuudet 5 riittävät toivotun pituisen sytytysvalokaariliekin synnyt tämiseen.

Tästä alhaisesti virranvoimakkuudesta johtuen ei suutin-eikä apuelektrodeissa esiinny mainittavaa kulumista. Muuten takaa apuelektrodin, joka kartiollaan muodostaa sisemmän 10 rajapinnan, ja suutinelektrodin, joka muodostaa ulomman rajapinnan keskuskanavalle, muotoilu sen, että sytytys-valokaari aina asettuu toistettavan varmasti geometrisesti määrätylle paikalle. Tämä johtaa pysyvään tarkasti aksiaalisesta suunnattuun sytytysvalokaariliekkiin.

15 Lisäksi käytäntö osoittaa, että sytytys- tai apuvalokaari ja päävalokaari ovat huomattavassa määrin sähköisesti erotettuja, ja siten päävalokaaren sytytys voidaan suorittaa optimoidusti.

Keksinnön erään lisämuodon mukaisesti käytetään apuvalo-20 kaaren ylläpitoon vaihtovirtalähdettä, millä on se etu, että apu- ja päävalokaarta voidaan syöttää yhdestä virtalähteestä .

Piirustuksessa on esitetty keksinnön eräs suoritusesimerk-ki, ja sitä kuvataan seuraavaksi lähemmin. Piirustuksessa: 25 Kuva 1 esittää plasmapoltinta pääpiirteittäin kaavio-maisena pituusleikkauksena ja

Kuva 2 esittää apuelektrodia, jonka kärjessä on kaksi kartiomaista kavennusta.

Kuvassa 1 esitetty plasmapoltin 15 muodostuu olennaisesti

II

1 82350 apuelektrodista 1, elektrodista 2 ja sitä ympäröivästä suuttimesta 3. Apuelektrodi 1 on massiivinen, poikittais-leikkaukseltaan ympyränmuotoinen sauvaelektrodi, jonka läpimitta on b. Apuelektrodissa 1 on elektrodin kärjen 1' 5 muodostava kartiomainen kavennus 16. Tämän kavennuksen 16 kartiokulma a on 40°.

Suutinelektrodissa 2 on keskeinen poraus tai keskuskanava 4, johon mainittu apuelektrodi 1 työntyy sisään. Keskus-kanavassa 4 on - sisältä ulospäin - ensimmäinen sylinteri-10 mäinen osa 17, kartiomaisesti kapeneva osa 12 ja toinen, kapeampi sylinterimäinen osa 5, johon liittyy vielä sy-linterimäinen levennys 18, jonka läpimitta on D.

Ensimmäisen sylinterimäisen osan 17 läpimitta on B, jolloin suutinelektrodin 2 ja apuelektrodin 1 välille muodostuu 15 rengastila 19, jonka rengasleveys on (B - b) /2. Kartiomaisesti kapeneva osa 12 yhdistää sylinteriosan 17, jonka läpimitta on B, sylinteriosan 5, jolla on pienempi läpimitta d, ja sillä on kartiokulma 3, joka on - kuten kulma a - 40°, joten kartiomaisen kavennuksen 16 ja kartiomai-20 sesti kapenevan osan 12 vaippapinnat kulkevat yhdensuuntaisina. Keskuskanavan 4 ja apuelektrodin 1 pienenevistä poikkileikkauspinnoista johtuen aikaansaadaan tällä muotoilulla yksinkertaisella tavalla se, että rengastila 19 kartiomaisesti kapenevan osan 12 alueella pienenee tasai-25 sesti plamapolttimen 15 otsapinnan 11 suuntaan.

Suutinelektrodiin 2 liittyy sen ulkopuolella rengaskanava tai rengastila 9, jota puolestaan taas rajoittaa polttimen suutin 3. Suuttimessa 3 on ulomman plasmakanavarajapinnan alueella, ts. plasmapolttimen 15 otsapinnan 11 suunnassa, 30 sen sisäpuolella sähköä eristävä kerros 10, joka estää tehokkaasti parasiittisten valokaarien synnyn.

Kuvassa 1 esitetty plasmapoltin 15 on siten mitoitettu, 8 82350 että etäisyys a elektrodikärjestä 11 kartiomaisesti kape-nevan osan 12 siirtymäalueelle toiseksi sylinterimäiseksi osaksi 5 on valittu nollaksi. Toisen, kapeamman sylinteri-osan 5 pituus 1 on valittu siten, että suhde 1/d = 1.

5 Suhde B/b on 1,7 ja suhde D/d on 1,25. Keksinnön mukaisella laitteella päästään pitkään sytytysvalokaareen 6, joka riittää sytyttämään päävalokaaren ainakin vähintään 15 cm:n matkalta. Kuvassa 1 on sulatettavaa materiaalia merkitty viitenumerolla 7.

10 Kuvatun suoritusesimerkin muunnoksena on kuvan 2 apuelek-trodin kartiomainen kavennus 16 muodoltaan katkaistu kartio, jonka kartiokulma a = 40°, ja johon liittyy elektrodi-kärjen 1' suunnassa kavennus 21, jonka kartiokulma γ = 90°.

15 Kuvassa 1 on lisäksi kaaviomaisesti esitetty elektrodien 1 ja 2 virransyöttö. Siten voi sytytys- tai apuvalokaaren 6 virransyöttö 14', joka on kytketty apuelektrodiin 1 ja suutinelektrodiin 2 tai niiden liitäntöihin, tapahtua tasa- tai vaihtovirtalähteestä. Päävalokaaren 8 virran-20 syöttö 14" on puolestaan kytketty suutinelektrodiin 2 ja vastaelektrodiin 13. Jos sekä virransyöttö 14' että myös virransyöttö 14" tapahtuu vaihtovirralla, voidaan käyttämällä vastaavia ammattimiehelle tunnettuja sähköisiä rakenneosia käyttää yhteistä vain yhden virtalajin virran-25 syöttölähdettä 14. Kummankin valokaaren 6 ja 8 käytössä on periaatteessa kuitenkin myös mahdollista kytkeä mainitut elektrodit yhteen, yhteiseen tasavirtasyöttöön.

Kuvattua plasmapoltinta 15 käytettäessä säädetään plasma-kaasun syöttö keskuskanavassa 4 apu- tai sytytysvalokaaren 30 alueelle siten, että Reynoldsin luku Re on 10:n ja 2300:n, suositeltavasti 10:n ja 100:n välillä. Tällöin tulee Reynoldsin luvuksi esim. toisessa, kapeammassa sylinteriosassa

Claims (16)

1. 9 82350
2. 5 Re = (v ·ά)/\>, jolloin v tarkoittaa plasmakaasun virtausnopeutta ja υ sen kinemaattista viskositeettia. l. Plasmapoltin mahdollisimman pitkän alkusytytyskaaren aikaansaamiseksi, siinä ollessa kaksi samankeskisesti järjestettyä elektrodia (1, 2) ja näitä ympäröivä suutin (3), jolloin ensimmäinen elektrodi (1) on järjestetty keskelle apuelektrodiksi, ja sen etupää (1') on kavennettu, ja sitä ympäröivässä toisessa, suutinelektrodina toimivassa elektrodissa (2) on keskuskanava (4), joka muodostuu ensimmäisestä sylinterimäisestä osasta (17), kartiomaisesta kavennuksesta (12) ja toisesta, kapeammasta sylinterimäisestä osasta (5), johon mahdollisesti liittyy vielä levennys (18), ja joka yhdessä apuelektrodin 1 kanssa muodostaa renkaanmuotoisen kanavan (19), tunnettu siitä, - että keskuskanavan (4) ensimmäisen sylinterimäisen osan (17) läpimitta (B) on 1,2 - 2,5 kertaa niin suuri kuin apuelektrodin 1 läpimitta (b), - että keskuskanavan (4) kartiomaisen kavennuksen (12) kartiokulma (β) on 20 ja 80e:een välillä, ja apuelektrodin (1) kavennus on muodostettu kartiomaiseksi 20 ja 80°teen välillä olevalla kartiokulmalla (a), - että keskuskanavan (4) levennyksen (18) läpimitta (D) on aina 3teen kertaa asti suurempi kuin toisen sylinterimäisen osan (5) läpimitta (d), - ja että apuelektrodi (1) on siten järjestetty, että etäisyyden (a) elektrodin kärjestä (l1) kartiomaisen kavennuksen (12) siirtymäkohtaan toiseksi, kapeammaksi sylinterimäiseksi osaksi (5), ja toisen, kapeamman sylinterimäisen osan (5) läpimitta ovat suhteessa (a/d) -1 - +2. ίο 82350
3. 2. Vaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että toisen, kapeamman sylinterimäisen osan (5) pituuden (1) suhde sen halkaisijaan (d) on 0,2:n ja 3:n välillä (1/d).
4. 3. Vaatimuksen 2 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että suhde (1/d) on l:n ja l,5:n välillä.
5. 4. Vaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että ensimmäinen sylinterimäisen osan (17) läpimitan (B) suhde apuelektrodin (1) läpimittaan (b) on l,5:n ja 2:n välillä (B/b).
6. 5. Vaatimuksen 4 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että suhde (B/b) on 1,7.
7. 6. Vaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että kartiokulmaksi muodostettu apuelektrodin (l) kavennus (16) elektrodin kärjen (1') suunnassa muuttuu toiseksi kavennukseksi (21), jolla on suurempi, 40 ja 180°:een välillä oleva kartiokulma (γ).
8. 7. Vaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että keskuskanavan (4) kartiomaisesti kapenevan osan (12) kartiokulma (β) on 30 ja 60e:een välillä.
9. 8. Vaatimuksen 7 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että kartiokulma (β) on 40°. 9. vaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että levennyksen (18) halkaisija (D) suhde toisen ja toisen kapeamman sylinterimäisen osan (5) halkaisija (d) ovat suhteessa (D/d) 1 - 1,5.
10. 10. Vaatimuksen 9 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että suhde (D/d) on 1,25. il 11 82350
11. 11. Vaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että suhde a/d on 0 - 1.
12. 12. Vaatimuksen 1 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että suutinelektrodin (2) ja apuelektrodin (1) välisen rengastilan (19) vapaa poikkipinta pienenee tasaisesti plasmapolttimen (15) otsapinnan (11) suuntaan.
13. 13. Jonkin vaatimuksen 1-12 mukainen plasmapoltin, tunnettu siitä, että suutinelektrodin (2) ja sitä ympäröivän suuttimen (3) välinen suutinrengaskanava (9) on suuttimen (3) sisäpuolelta ainakin suuttimen päässä varustettu sähköä eristävällä vuorauksella (10).
14. 14. Menetelmä patenttivaatimuksien 1-13 mukaisen plasmapolttimen käyttämiseksi, tunnettu siitä, että plasmakaasun syöttö keskuskanavan (4) läpi apuvalokaaren (6) paloalueella säädetään siten, että Reynoldsin luku on 10:n ja 2300:n välillä.
15. 15. Vaatimuksen 14 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että plasmakaasun syöttö säädetään siten, että Reynoldsin luku on 10:n ja 100:n välillä.
16. 16. Menetelmä patenttivaatimuksien 1-13 mukaisen plasmapolttimen käyttämiseksi, tunnettu siitä, että apuvalokaarta ylläpidetään vaihtovirtalähteestä, jolloin pää- ja apuvalokaarta (8 ja 6) syötetään samasta virtalähteestä (14).