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Einrichtung zum Erzeugen eines heißen Plasmastrahles Die Erfindung
betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen eines heißen Plasmastrahles mittels eines
elektrischen Lichtbogens.
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Ls ist bereits eine Einrichtung zum Erzeugen eines heißen Plasmastrahles
mittels eines elektrischen Lichtbogens' bekannt, der zwischen einer eine Öffnung
aufweisenden Stirnwand einer hohlen ersten Elektrode und einer etwa stabförmigen,
von dem der Stirnwand abgewandten Ende der ersten Elektrode in deren Inneres vorspringenden
zweiten Elektrode in einem ionisierbaren Gas brennt, das mit tangentialer Strömungskomponente
in den Zwischenraum zwischen. der zweiten Elektrode und der Innenwand der ersten
Elektrode eingeführt wird und durch die Öffnung oder Öffnungen in der Stirnwand
der ersten Elektrode abströmt (französische Patentschrift 1 241 814). Im bekannten
Palle sind die erste Elektrode als Kathode und die stabförmige zweite Elektrode
als Anode geschaltet. Die stabförmige Elektrode kann an einem Rohr befestigt sein,
das sowohl zur Einleitung von Gas als auch zur Stromzuführung dient. Die hohlzylinderförmige
Kathode der bekannten Einrichtung ist mit einem tangential
mündenden
Gaseinlaßrohr versehen.
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.s iuu- fe=rner ein Plasmabrenner ähnlicher Bauart bekannt, bei deu:
die Stirnwand der hohlen Elektrode rascher gekühlt ist (USA-Patentschrift 3 004.
13G). Bei dieseüi Plasmabrenner steen sich jedoch die Elektroden relativ nahe gef"er.-über,
so daß die Brernspannuni, verhältnismäßig klein ist.
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Bei Plasmabrennern größerer Leistung ist es aus wirtschaftlic.:en
Gründen erwünscht, mit einer verhältnismäßig -hohen Brennspannung, in der 2raxis
einfiten lüG Volt, zu arbeiten. Dies bedingt jedoch einen verhältnismäßig großen
Abstand z,iischen den Elektroden. Die hohle Außenelektrode wird dann aber durch
den verhältnismäßig langen Lichtbogen sehr stark erwärmt, so daß bisher bei höheren
Leistungen eine Wasserkühlung der Außenelektrode unumgänglich war. Durch diese Wasserkühlung
wird jedoch der Wirkungsgrad herabgesetzt, da die abgeführte Wärme zumindest für
die Erzeugung des Plasmastrahles verloren ist.
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Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum
Erzeugen eines heißen Plasmastrahles anzugeben, die auch bei hohen Eingangsleistungen
weitestgehend, wenn nicht ganz durch das bei der Bildung des Plasmastrahles ionisierte
Gas gekühlt wird.
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Dies wird bei einer Einrichtung zum Erzeugen eines heißen Plasmastrahles
mittels eines elektrischen Lichtbogens, der zwischen einer eine Öffnung aufweisenden
Stirnwand einer
hohn ersten i-;lektrode und einer etwa stabförmigen,
von dem der Stirnwand abgewandten Ende der ersten Elektrode koaxial in deren Inneres
vorspringenden zweiten Elektrode in einem ionisierbaren Gas brennt, das mit tangentialer
Strömungskomponente in den Zwischenraum zwischen der zweiten Elektrode und aer Innenwand
der ersten Elektrode eingeführt wird und durch mindestens eine Öffnung in der t:.rnwand
der ersten Llektrode abströmt, gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die die
zweite Elektrode frei umgebende Innenwand der ersten Llektrode durch ein von einer
.Anzahl von Einlaßöffnungen durchsetztes, rohrförmiges Bauteil.gebildet wird, das
mit einem es umgebenden Mantelteil einen im Querschnitt etwa ringförmigen Gaszuführungskanal
bildete vorzugsweise verjüngt sich das rohrförmige Bauteil etwa ziegelstumpfförmig
in Richtung auf eine einzige koaxiale Öffnung in der Stirnwand der ersten Elektrode,
mit deren Rand es bündig abschließt.
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Die Einlaßöffnungen verlaufen vorzugsweise in einem solchen Winkel
zur Oberfläche des rohrförmigen Bauteiles, daß die durch sie eintretenden Gasströme
sowohl eine tangentiale als auch eine zur Öffnung in der Stirnwand gerichtete axiale
Komponente haben.
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Außer durch die Einlaßöffnungen in dem rohrförmigen . Bauteil wird
vorzugsweise auch Gas durch ein die stabförmige Elektrode koaxial umgebendes Einlaßrohr
und gegebenenfalls
auch durch Öffnungen in einer Rückwand zugeführt,
die das Innere der ersten Elektrode an dem der Stirnwand abgewandten Ende abschließt.
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In den Zwischenraum zwischen dem Mantelteil und dem rohrförmigen Bauteil
der ersten Elektrode wird das Gas vorzugsweise an dem der Stirnwand zugewandten
Ende eingeleitet.
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Die Erfindung wird am Beispiel eines in der Zeichnung im Axialschnitt
dargestellten Plasmabrenners für einen MHD-Generator näher erläutert. Die Erfindung
ist jedoch nicht auf dieses Anwendungsgebiet beschränkt, sondern kann überall dort
Verwendung finden, wo ein Plasmastrahl oder Heißgas mittels eines elektrischen Lichtbogens
erzeugt werden sollen, z.B. bei Heißgaserzeugern für Windkanäle, Plasmatriebwerke
u.a.m.
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Der als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Plasmabrenner
enthält eine näherungsweise rohrförmige erste Elektrode 1, in deren Inneres koaxial
eine stabförmige, vorne zugespitzte zweite Elektrode 2 hineinreicht. Die Elektrode
1 kann als Anode und die Elektrode 2 als Kathode geschaltet werden.
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Die hohle Elektrode 1 hat eine Stirnwand 3, die aus . Kupfer bestehen
kann und eine Mittelöffnung 4 aufweist. An die der zweiten Elektrode 2 zugewandte
Seite der Stirnwand 3 der ersten Elektrode 1 schließt sich ein Idantelteil 5 an,
in dessen Innerem ein rohrförmiges Bauteil 6 angeordnet ist.
Die
Innenwand des Mantelteiles bildet mit dem rohrförmigen Bauteil 6 einen im Querschnitt
etwa- ringförmigen Gaszuführungs-und Kühlkanal 7. In den Gaszuführungskanal 7 kann
über Zuführungsleitungen 8, die im Mantelteil 5 gebildet sind, ein .zu ionisierendes
Gas, z.B. Argon, zugeführt werden, wie durch einen Pfeil angedeutet ist. Die Zuführungsleitungen
8 münden vorzugsweise an dem der Stirnwand 3 benachbarten Ende in den Gaszuführungskanal
7.
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Das rohrförmige Bauteil ö ist mit einer Anzahl von Durchbrechungen
9 versehen, die als Einlaßöffnungen dienen und das in den Kanal 7 eingespeiste Gas
in deii Innenraum 10 der ersten Elektrode 1 liefern, in den die stabförrmige zweite
Elektrode 2 koaxial vorspringt. Die Einlaßöffnungen 9 sind vorzugsweise so geformt
angeordnet, daß sie Gasstrahlen mit einer zur Innenwand des rohrförmigen Bauteils
6 tangentialen und vorzugsweise auch einer zur Stirnwand 3 gerichteten axialen Komponente
so liefern, daß eine in einem bestimmten Sinne kreisende Strömung im Innenraum 10
entsteht.
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Das rohrförmige Bauteil 6 und die Innenwand des Manteilteiles 5, die
mit ihm den Gaszuführungskanal 7 bildet, sind vorzugsweise, wie dargestellt, kegelstumpfförmig
und ihr Querschnitt verjüngt sich in Richtung auf die Stirnwand 3. Der Innenraum
10 wird an der der Stirnwand 3 abgewandten Seite durch eine Rückwand abgeschlossen,
die zum Teil durch das Mantelteil 5 und zum Teil durch einen Isolator 11 gebildet
wird, der die Elektrode 2 bzw. einen diesen umgebenden
Kühlkanal
12 haltert. In den Kühlkanal 12 wird im Betrieb ebenfalls Gas eingespeist, das die
stabförnite Elektrode 2 kühlt. Die Außenseite der stabförmigen Elektrode 2 und/oder
die Innenwand des Kanales 12 und/oder die Zuführungsleitung 13 können so angeordnet
sein, daß im Kanal 12 eine wendelförmig kreisende Strömung entsteht, die vorzugsweise
den gleichen Umlaufsinn wie die Strömung im Raum 10 hat. In den Raum 10 kann schließlich
auch noch Gas durch Üffnungen 14 in der Rückwand eingespeist werden.
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Bewährt hat sich, etwa 50;i des zu ionisierenden Gases über die Einlaßanordnung
?, 8, 9, etwa 35/j durch den Kühlkanal 12 und etwa. 15p durch die Öffnungen 14 zuzuführen.
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Das rohrförmige Bauteil ö kann aus Stahl hergestellt werden und dient
dann gleichzeitig als Magnetfeldabschirmung. Die im vorliegenden Falle als Kathode
geschaltete Elektrode 2 besteht vorteilhafterweise aus thorierten Wolfram, so daß
sich ein kleiner Kathodenfall ergibt.
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Bei höheren Leistungen wird die Stirnwand 3 der als Anode geschalteten
ersten Elektrode 1 mit Wasser gekühlt. Bei einer praktischen Ausführungsform des
in der Zeichnung dargestellten Typs hatte die Kathode einen Durch-, messer von 10
mm, der Durchmesser des rohrförmigen Bauteils 6 betrug bei der Kathode etwa 35 -
40 mm und der Abstand zwischen der Kathodenspitze und der wassergekühlten Stirnwand
3 der als Anode geschalteten ersten Elektrode 1 betrug etwa
35-40
mm. Mit diesem Plasmabrenner konnte mit Argon bei einer Eingangsleistung von 200
kW ein Wirkungsgrad von 75 % erreicht werden, d.h. daß nur 25 % der zugeführten
elektrischen Energie durch Abstrahlung oder Abführung mit dem Kühlwasser u. dgl.
verloren gehen. Der Lichtbogen setzt stabil an der Stirnwand 3 der Anode an, obgleich
der Abstand von der Spitze der Kathode 2 zu dem auf Anodenpotential liegenden rohrförmigen
Bauteil 6 im Inneren der Kammer 10 wesentlich geringer ist als zur Stirnwand 3.
Diese für einen einwandfreien Betrieb sehr wichtige Eigenschaft ist vor allem auf
die beschriebene Gaseinspeisung durch die vielen Uffnungen des Bauteils 6 zurückzuführen.
Die Stabilität ist nicht annähernd so gut, wenn man das Gas nur durch die Öffnungen
14 in der Rückwand und längs der Kathode 2 einspeist, selbst wenn man dabei für
eine starke in Umfangsrichtung verlaufende Strömungskomponente sorgt, und es läßt
sich kaum vermeiden, daß der Lichtbogen an dem der Kathode benachbarten Teil der
Innenwand des Raumes 10 ansetzt.
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Bei gleichen Strömungsverhältnissen ist die Stabilität der Entladung
etwas besser, wenn man die stabförmige Elektrode 2 wie beschrieben als Kathode schaltet
als bei Verwendung dieser Elektrode als Anode.