DE1263201B - Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines im Inneren eines laenglichen Fluessigkeitswirbels brennenden elektrischen Lichtbogens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

B23k

Deutsche Kl.: 21h-30/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

K 42033 VIII d/21 h
2. November 1960
14. März 1968

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines im Innern eines länglichen Flüssigkeitswirbels brennenden elektrischen Lichtbogens, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse, welches eine Kammer zur Aufnahme eines Flüssigkeitswirbels begrenzt, welches nach vorn mit einem Deckel mit zentraler Düse und nach rückwärts mit einem zum Vorschub der inneren Stabkathode dienenden Elektrodenhalter verschlossen ist und in welches seitwärts tangentiale Kanäle zur Einleitung der zur Ausbildung des Wirbels in der Kammer nötigen Flüssigkeit münden, wobei als Außenelektrode entweder das zu bearbeitende Werkstück, wenn es elektrisch leitend ist, oder aber ein äußeres Elektrodensystem dient.

Derartige Vorrichtungen werden z. B. für die Erzeugung eines Schneidbrennstrahles benutzt und beim Zerschneiden von sehr starken Aluminiumplatten eingesetzt.

Bekanntgeworden sind derartige Vorrichtungen auch zur Messung der Oszillationsstärke von Wasserstofflinien. Hier wurde mit einem wasser- und luftstabilisiertem Lichtbogen gearbeitet. Hierbei strömen sowohl das Wasser als auch die Luft in einem Schraubenwirbel um die Längsachse nach den Rohrenden hin ab. Der Lichtbogen brennt zwischen durchbohrten Kohleelektroden, welche sich dicht außerhalb der Rohrenden befinden in dem Rohr. Diese Vorrichtung kann befriedigend bei größeren Leistungen, d. h. mit höheren Plasmadruckgradienten nur dann arbeiten, wenn Plasma und Flüssigkeit von der Rohrmitte nach beiden Seiten hin herausschießen. Bei dieser Vorrichtung tritt eine lästige Deformierung des Plasmastrahles im Inneren des Rohres auf, was leicht zu einer Zerstörung der Vorrichtung und ihrer Elektroden führt.

Bekannt ist auch eine Vorrichtung dieser Art, bei der die zwischen zwei Elektroden erhaltene Bogensäule ein Plasma erzeugt, welches in eine außerhalb der Elektroden befindliche Hilfskammer geführt wird und in dieser Hilfskammer mit weiterem sekundärem Plasma ergänzt und angereichert wird. Der Übergang zwischen den beiden Kammern wird durch eine ringförmige, düsenartig ausgebildete Elektrode gebildet, durch welche der im Plasmaerzeuger entstehende Plasmastrahl in die Hilfskammer hinüberströmt, während der die Bogensäule umhüllende Gas- und Wasserwirbel nach hinten entlang der Stabelektrode abgeführt wird. Diese Vorrichtung weist den Nachteil auf, daß die Stabilisierung des Plasmastrahles erhebliche Schwierigkeiten bereitet.

Bekannt ist auch ein Plasmaerzeuger, bei welchem Vorrichtung zur Erzeugung
und Aufrechterhaltung eines im Inneren eines
länglichen Flüssigkeitswirbels
brennenden elektrischen Lichtbogens

Anmelder:

Krälovopolskä strojirna Zävody chemickych
zafizeni närodni podnik,
Brunn (Tschechoslowakei)

Vertreter:

Dipl.-Phys. Dr. W. Junius, Patentanwalt,

3000 Hannover, Abbestr. 20

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Tibor Kugler,

Dipl.-Ing. Konstantin Miklossy, Prag

Beanspruchte Priorität:
Tschechoslowakei vom 14. November 1959
(6523)

die als Kathode dienende Stabelektrode gegen eine ringförmige düsenartig ausgebildete Anode vorgezogen wird. Zwischen diesen beiden Elektroden ist eine von einem Wasserwirbel umhüllte Bogensäule gezündet. Das für die Abkühlung der Kammer und der Elektroden dienende Druckwasser wird nach hinten abgeleitet. Diese Vorrichtung weist die Gefahr der Deformierung des Wirbelkanals entlang der Bogensäule und damit eine Senkung des Plasmadruckgradienten, eine Änderung der Stromspannungscharakteristik und eine Neigung zu Instabilitäten auf.

Die vorliegende Erfindung schafft nun eine einfache und sehr wirksame Möglichkeit der Stabilisierung.

Die Erfindung besteht darin, daß diese die Bogensäule umhüllende Wirbelkammer durch eine oder mehrere querstehende Blenden mit je einer zentralen, der Austrittsdüse im Deckel bzw. dem Durchmesser der Stabkathode entsprechenden Bohrung in mindestens zwei Räume unterteilt ist und daß in jedem Raum tangentiale Kanäle zur Einleitung der Flüssigkeit für die Ausbildung und Aufrechterhaltung eines die zentralen Bohrungen der Blenden stets überschwemmenden Flüssigkeitswirbels einmünden.

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Mit dieser Vorrichtung läßt sich eine Kanaldeformierung der Lichtbogensäule verläßlich vermeiden und daher eine gute Stabilisierung erreichen.

Zweckmäßig ist es, daß bei Anordnung mehrerer Blenden die der Irinenelektrode am nächsten gelegene Blende eine sich auf der der Innenelektrode zugekehrten Seite erweiternde Öffnung besitzt und daß an dem der Düse entgegengesetzt gelegenen Ende der Kammer ein seitlich von einer Ringnut ausgehender

genannten Fall ist es zweckmäßig, wenn eine in bekannter Weise vor der Austrittsdüse vorgesehene, mit zentraler Öffnung versehene Schale zum Auffangen und Ableiten der aus der Düse austretenden Flüssig-5 keit in einen durch Ventil kontrollierten Abfluß um die Düsenachse drehbar gelagert ist und wenn auf deren der Düse abgekehrten Seite exzentrisch zur Düsenachse ein oder mehrere als Außenelektrode dienende Räder angebracht sind, die planetar an

Hand einiger Ausführungsbeispiele in der Zeichnung im folgenden naher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführung mit einer Innenelektrode, die einen geringeren Durchmesser als der Wirbelkanal besitzt im axialen Schnitt,

F i g. 2 einen Querschnitt nach Linie A-A der Fig. 1,

F i g. 3 und 4 weitere Ausführungen mit einer unschmelzbaren koaxialen Elektrode von größerem Durchmesser, als ihn der den Bogen stabilisierende Wirbelkanal besitzt, im Schnitt,

F i g. 5 eine andere Ausführung mit einer

Stutzen mit Regulierventil zum Abfluß des Über- io einer feststehenden Ringbahn abrollen, die zugleich

Schusses an Flüssigkeit vorgesehen ist. der Stromzufuhr dient.

Zur Sicherung einer leichten und sicheren Bogen- Will man eine an sich bekannte Rotation des

zündung bei Anwendung einer in dem Kanal koaxial Lichtbogenansatzes an der Innenelektrode erreichen,

angeordneten Elektrode wird so vorgegangen, daß so sieht man hierfür an der Elektrodenkammer oder der Boden der die Innenelektrode enthaltenden 15 der Elektrode ein Solenoid oder ein Permanent-

Kammer von einem in einem am Elektrodenhalter magnetsystem vor.

angebrachten Futter axial verschiebbaren Einsatz- Das Wesen der vorliegenden Erfindung wird an stück gebildet wird, welches als direktes Regelorgan
für den Abfluß des Flüssigkeitsüberschusses in Verbindung mit einem gesteuerten Schlitz ausgebildet ist 20
und zwischen sich und der Innenelektrode außerdem
einen Ringspalt beläßt, als Nebenweg für den Flüssigkeitsüberschuß zum Abflußstutzen. Vor der Zündung
befindet sich diese Blende in einer zurückgezogenen
hinteren Lage, wobei der hydraulische Widerstand 35
der abfließenden Flüssigkeit verhältnismäßig gering
ist und die Oberfläche des Flüssigkeitskanals von der
Elektrode entfernt liegt. Beim brennenden Bogen
wird mit der Blende vorgeschoben, wobei mit der

Oberfläche der Flüssigkeitsmantel an die Elektroden- 30 schmelzbaren koaxialen Drahtelektrode und mit Voroberfläche herangerückt, deren Kühlung verbessert richtungen zur Gaszuleitung sowie zur Flüssigkeitsund das Entweichen des Plasmas um die Elektrode und Elektrodenproduktsableitung, herum verhindert wird. Fig. 6 eine Ausbildung der Außenelektrode mit Die Vorrichtung wird zweckmäßig so ausgebildet, rotierenden planetaren Elektroden und mit Flüssigdaß im Boden der Innenelektrodenkammer eine 35 keitsableitung,

kleine Kammer konzentrisch zur Innenelektrode aus- F i g. 7 eine andere Ausbildung der Innenelek-

gebildet ist, in die tangential Kanäle zum Zuführen trodenkammer mit einem rotierenden Elektroden-

von Flüssigkeit oder Gas münden, und bei der die kelch für eine Pulverelektrode,

zum Durchführen der Elektrode dienende zentrale F i g. 8 eine feststehende ringförmige Innenelek-

Bohrung in der Trennwand zur Innenelektroden- 40 trode mit einer durch ein Solenoid hervorgerufenen

kammer als sich allmählich nach der Elektroden- Rotation des Bogenansatzes,

kammer zu ballig erweiternde Düse ausgebildet ist. F i g. 9 eine feststehende Außenelektrode mit einer

Sollen dem Bogen weitere flüssige oder pulverför- durch ein Solenoid hervorgerufenen Rotation des

mige Stoffe zugeführt werden, so ist es zweckmäßig, Bogenansatzes und mit einer vorgeschalteten Druck-

daß die Innenelektrode als rotierender Kelch ausge- 45 kammer,

bildet ist und in dessen hohlem Stiel Mittel zum an F i g. 10 bis 13 verschiedene Ausführungen mit

sich bekannten Zuführen von flüssigen oder pulvrigen rotierenden, jedoch mit dem Wirbelkanal nicht

Stoffen zum Bekleiden der Innenwandung des koaxialen Elektroden.

Kelches vorgesehen sind. Bei dieser Ausführung der Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und 2 weist einen Vorrichtung läßt sich diese vorteilhaft weiter dadurch 50 Mantel 1 der Kammer sowie einen Mantel 2 auf, ausgestalten, daß Kelch und Stiel doppelwandig aus- welche durch die Blende 6 voneinander getrennt sind, gebildet sind und der Zwischenraum zwischen den Diese Blende 6 teilt die Vorrichtung in zwei beiden Wänden zur Zufuhr von Gas unter die die Kammern. In dieser Vorrichtung befindet sich hinten Kelchinnenseite abdeckende pulverige Schicht dient. der Elektrodenhalter 4, der der Stromzufuhr zur Wird dem Lichtbogen auch Gas zugeführt, ist es 55 Elektrode 5 gleichzeitig dient. Nach vorn ist die Vorzweckmäßig, wenn die Gaszuleitungen in die Elek- richtung durch einen Deckel 3 mit einer Austrittsdüse trodenkammer führen und wenn auch eine durch
Ventil beherrschte Abteilung des Gasüberschussesaus der Elektrodenkammer vorgesehen ist.

Bei der Halterung der Innenelektrode kann es in 60 den entsprechenden Arbeitsräumen

manchen Fällen zweckmäßig sein, wenn in der Elek- Kammern zugeführt wird, trodenkammer als Innenelektrode eine außerhalb der
Kanalachse gelagerte rotierende Metallelektrode oder
ein solches Elektrodensystem vorgesehen ist, dessen

Tragräder an einer feststehenden Ringbahn abrollen, 65 Wirbelkanalkammern, in denen der Bogen brennt,

die zugleich zur Stromzuführung dient. abgetrennt ist. Diese Elektrodenkammer ist von

Als Außenelektrode dient entweder das Werkstück einem Mantel 13 umgeben. In diese Kammer wird

oder ein besonderes Elektrodensystem. Im letzt- durch tangential gerichtete Öffnungen 15 eine Flüssig

begrenzt. Durch eine Ummantelung? wird ein Druckraum für die Flüssigkeit aufgebildet, die durch Rohrleitung 10 und durch tangentiale Öffnungen 8, 9

der beiden

Bei der Ausführung nach F i g. 3 ist die Einrichtung noch mit einer weiteren Blende 11 ausgestattet,
durch welche eine Innenelektrodenkammer von den

keit eingeleitet, durch welche diejenige Flüssigkeit in stetiger rotierender Bewegung gehalten wird, die durch die zentrale Öffnung der Blende 11, der Wandung dieser Blende sich dicht anschmiegend, von der Wirbelkammer in die Elektrodenkammer übergeführt wird. Auf einem Teller 14, an dem der Blende 11 abgekehrten Ende der Elektrodenkammer, sitzt deren hintere Wand 16, die als eine Blende ausgebildet und mit einer zentralen Öffnung versehen ist, die größer ist als der Durchmesser der Elektrode 12. Der Ring- ίο spalt 21 zwischen dem Teller 14 und der Blende 16 kann durch axialen Vorschub der Blende 16 mittels der Handhabe 17 oder aber durch ein Ventil 18 für die Flüssigkeitsableitung gesperrt werden.

Nach der Ausführung gemäß F i g. 4 ist die Elektrodenkammer 22 nach hinten anstatt mit der Blende 16 durch eine Wirbelkammer 19 mit der Flüssigkeitszuleitung 20 abgeschlossen.

Nach der Ausführung gemäß F i g. 5 ragt in die Elektrodenkammer 22 eine Drahtelektrode hinein. Eine Blende 24 trennt die Elektrodenkammer 22 am rückwärtigen Ende von einer Druckkammer 23 ab, in welche durch die Leitung 27 Gas eingeführt wird, um von hier aus in den Plasmastrahl zu gelangen.

Bei der Ausführung gemäß F i g. 6 ist eine Außenelektrode in Form von auf einer rotierenden Blende 52 drehbar gelagerten Rädern 50 ausgebildet. Die Räder 50 rollen planetar auf einer feststehenden Ringbahn 51, die zugleich zur Stromzufuhr dient. Zwischen der Blende 3 und der Blende 52 wird die Flüssigkeit durch den Kanal 49 abgeleitet.

Bei der Ausführung nach F i g. 7 ist die Innenelektrode in Form eines rotierenden Kelches 30 ausgebildet. Durch eine Förderschnecke 31 im zentralen Kanal 29 des Kelchträgers wird pulverförmiges Material auf die innere Kelchoberfläche aufgetragen und darin durch die zentrifugale Kraft vorübergehend festgehalten. Durch die achsparallelen Kanäle 34 wird Gas den Öffnungen oder Poren der Kelchinnenwandung zugeführt. Die Schnecke 32 hilft die durch die Blende 11 und durch die Öffnung 15 eintretende Flüssigkeit sowie den Pulverüberschuß durch die Öffnung 18 abzuführen.

Bei der Ausführung nach F i g. 8 tritt die Flüssigkeit durch die Öffnung der Blende 11 in die Elektrodenkammer ein, fließt entlang der Wandung der Blende durch den Ringspalt 21 dem Sammelraum 38 zu und verläßt die Elektrodenkammer durch die Öffnung 18. Die ringförmige, mit dem Wirbelkanal koaxiale Ringelektrode 33 ist von einem Solenoid 36 umgeben, um die Rotation des Bogenansatzes zu bewirken. Durch die Kanäle 34, 35 wird Gas zugeführt. Das überschüssige Gas verläßt die Elektrodenkammer durch das Regelventil 39. Koaxial mit dem Wirbelkanal ist die Zündelektrode 40 gelagert.

Bei der Ausführung nach F i g. 9 rotiert der Bogenansatz auf der feststehenden Außenelektrode 48 unter der Wirkung des Feldes eines Solenoids 36. Die Flüssigkeit verläßt die Anordnung durch den Ringspalt zwischen Elektrode 48 und Blende 3, ferner durch den Sammelraum 56 und durch die Öffnung 49. Vor der Elektrode 48 ist der Druckraum 46 vorgesehen mit einer Zuleitung 47 für die Stoffzufuhr zum Plasmastrahl.

Schließlich zeigen F i g. 10 bis 13 verschiedene Ausführungsbeispiele von rotierenden Elektroden 42, die nicht koaxial mit dem Wirbelkanal angeordnet sind. Zwischen der eigentlichen Elektrodenkammer und der Blende 11 ist die Blende 41 angebracht, um die Einspritzung der Flüssigkeit in den Elektrodenkanal zu verhüten. Die zentrale Öffnung der Blende ist größer als diejenige der Blende 11, dadurch wird deren Beschädigung durch Plasmaeinwirkung vermieden. Den Elektrodenkammern wird das Gas zu- und abgeführt, die Zündelektrode 40 ist darin angebracht, ganz ähnlich wie bei der Anordnung nachFig. 8.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines im Innern eines länglichen Flüssigkeitswirbels brennenden elektrischen Lichtbogens, bestehend aus einem zylindrischen Gehäuse, welches eine Kammer zur Aufnahme eines Flüssigkeitswirbels begrenzt, welches nach vorn mit einem Deckel mit zentraler Düse und nach rückwärts mit einem zum Vorschub der inneren Stabkathode dienenden Elektrodenhalter verschlossen ist und in welches seitwärts tangentiale Kanäle zur Einleitung der zur Ausbildung des Wirbels in der Kammer nötigen Flüssigkeit münden, wobei als Außenelektrode entweder das zu bearbeitende Werkstück, wenn es elektrisch leitend ist, oder aber ein äußeres Elektrodensystem dient, dadurch gekennzeichnet, daß diese die Bogensäule umhüllende Wirbelkammer durch eine oder mehrere querstehende Blenden (6) mit je einer zentralen, der Austrittsdüse im Deckel (3) bzw. dem Durchmesser der Stabkathode (5) entsprechenden Bohrung in mindestens zwei Räume unterteilt ist und daß in jedem Raum tangentiale Kanäle (8, 9) zur Einleitung der Flüssigkeit für die Ausbildung und Aufrechterhaltung eines die zentralen Bohrungen der Blenden (6) stets überschwemmenden Flüssigkeitswirbels einmünden.

2. Vorrichtung "nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung mehrerer Blenden (6) die der Innenelektrode (5 bzw. 12) am nächsten gelegene Blende (11) eine sich auf der der Innenelektrode zugekehrten Seite erweiternde Öffnung besitzt und daß an dem der Düse (3) entgegengesetzt gelegenen Ende der Kammer ein seitlich von einer Ringnut ausgehender Stutzen mit Regulierventil (18) zum Abfluß des Überschusses an Flüssigkeit vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der die Innenelektrode (5,12) enthaltenden Kammer von einem in einem am Elektrodenhalter (4) angebrachten Futter (14) axial verschiebbaren Einsatzstück (16) gebildet wird, welches als direktes Regelorgan für den Abfluß des Flüssigkeitsüberschusses in Verbindung mit einem gesteuerten Schlitz (21) ausgebildet ist und zwischen sich und der Innenelektrode außerdem einen Ringspalt beläßt, als Nebenweg für den Flüssigkeitsüberschuß zum Abflußstutzen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Boden der Innenelektrodenkammer eine kleine Kammer (19) konzentrisch zur Innenelektrode (12) ausgebildet ist, in die tangential Kanäle (20) zum Zuführen von Flüssigkeit oder Gas münden und bei der die

zum Durchführen der Elektrode dienende zentrale Bohrung in der Trennwand zur Innenelektrodenkammer als sich allmählich nach der Elektrodenkammer zu ballig erweiternde Düse ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode als rotierender Kelch (30) ausgebildet ist und in dessen hohlem Stiel Mittel zum an sich bekannten Zuführen von flüssigen oder pulvrigen Stoffen zum Bekleiden der Innenwandung des Kelches (30) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Kelch (30) und Stiel (28) doppelwandig ausgebildet sind und der Zwischenraum zwischen den beiden Wänden zur Zufuhr von Gas unter die die Kelchinnenseite abdeckende pulvrige Schicht dient.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2_y bei welcher dem Lichtbogen auch Gas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitungen (34,35) in die Elektrodenkammer (22) führen und daß auch eine durch Ventil (39) beherrschte Ableitung des Gasüberschusses aus der Elektrodenkammer vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Elektrodenkammer (22) als Innenelektrode eine außerhalb der Kanalachse gelagerte rotierende Metallelektrode oder ein solches- Elektrodensystem vorgesehen ist (Fig. 11 bis 13), dessen Tragräder(52) an einer feststehenden Ringbahn (53) abrollen (F i g. 12), die zugleich zur Stromzuführung dient.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine in bekannter Weise vor der Austrittsdüse (3) vorgesehene, mit zentraler Öffnung versehene Schale (55) zum Auffangen und Ableiten der aus der Düse (3) austretenden Flüssigkeit in einen durch Ventil kontrollierten Abfluß (29) um die Düsenachse drehbar gelagert ist und daß auf deren der Düse (3) abgekehrten Seite exzentrisch zur Düsenachse ein oder mehrere als Außenelektrode dienende Räder (50) angebracht sind, die planetar an einer feststehenden Ringbahn (51) abrollen, die zugleich der Stromzufuhr dient (F i g, 6).

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an der Elektrodenkammer (22) oder der Elektrode (5 bzw, 12 bzw. 33) ein Solenoid (36) oder ein Permanentmagnetsystem zur Herbeiführung einer an sich bekannten Rotation des Lichtbogenansatzes an der Innenelektrode vorgesehen ist (Fig. & und 9).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 572 704, 954 816;
as USA.-Patentschriften Nr. 2 768 279i 2 819 423,
9Q0 485;

»Zeitschrift für Physik«, Bd. 143,1955, S- 81;

»Zeitschrift für techn. Physik«, Bd. 15, 1934, S. 187 bis, 191;

3d »Journal of sei. Instr..«, Bd- 36, Juli 1959, S. 317 und 318;

»Exp. Technik der Physik«, VII, 1959, H, 2, S, 77 und 78.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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