Gleichstrom-Plasmabrenner

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Gleichstrom-Plasmabrenner mit einer stabförmigen Kathode und einer konzentrisch dazu angeordneten, rotationssymmetrischen Anode und einem Ringspalt zwischen Kathode und Anode zur Zuführung des zu erwärmenden Gases, wobei die Kathode an ihrem freien Ende eine ringförmige Kante aufweist und wobei sich das freie Ende der Kathode in einem achsparallelen, zeitlich konstanten Magnetfeld befindet, während im stromabwärts des freien Endes der Kathode gelegenen Bereich ein in Strömungsrichtung divergierendes, zeitlich konstantes Magnetfeld existiert, derart, daß der zwischen Kathode und Anode sich ausbildende Plasmabogen in Rotation versetzt wird.

[0002] In verschiedenen Bereichen der Verfahrenstechnik, bei Plasmawindkanal-Untersuchungen, in der Plasmachemie sowie zum Betrieb fluiddynamischer Laser benötigt man hocherhitzte Gasströme, deren Temperatur und Druck je nach Zweck des Einsatzes bestimmte Werte im Bereich zwischen einigen 100 und ca. 20 000 K und Drücken bis zu 20 bar betragen müssen.

[0003] Zur Erzielung solcher Werte von Temperatur und Druck kann die Aufheizung von Gasen in einer Gleich- oder Wechselstromlichtbogenentladung vorgenommen werden. Die wesentlichen technologischen Probleme liegen hierbei in der Beherrschung bzw. Reduzierung der Elektrodenerosion durch die Bogenansätze, damit direkt zusammenhängend in der Gewähr einer hinreichenden Standzeit der Elektroden und der Sauberkeit des Lichtbogenplasmas sowie in der Realisierung der entsprechend des Einsatzes geforderten Eigenschaften des hocherhitzten Mediums. So kann beispielsweise bei bestimmten Anwendungen eine räumliche Homogenität und zeitliche Konstanz der Temperatur gefordert werden.

[0004] Um einen hohen thermischen Wirkungsgrad, d. h., ein großes Verhältnis von im heißen Gas enthaltener Energie zu aufgewandter elektrischer Energie, zu erzielen, wird weiterhin angestrebt, die Entladung bei möglichst hoher Spannung zu betreiben. Da die elektrophysikalisch begründeten Elektrodenverluste proportional zur Stromstärke sind, ist bei konstanter Stromstärke die Verlustleistung an den Elektroden prozentual um so geringer, je höher die Bogenspannung ist.

[0005] Eine Herabsetzung der Elektrodenerosion läßt sich durch eine Verkürzung der Verweilzeit des Bogenansatzes auf einem bestimmten Flächenelement der Elektrode erzielen. Es sind Einrichtungen bekannt, die zum Zwecke einer Bewegung der Bogenansätze das zu erhitzende Medium in seiner Gesamtheit oder auch nur teilweise tangential in den Raum zwischen den Elektroden einbringen (deutsche Patentschriften 1 564 333 und 2236487). Bei einem auf diese Weise wirbelstabilisierten Lichtbogen wird der Bogenansatz zwar in Umfangsrichtung angetrieben, doch wird ihm infolge der axialen Geschwindigkeitskomponente des Gases, die durch die Durchströmung der hohlzylindrischen Elektroden hervorgerufen wird, auch eine Längsbewegung aufgezwungen. Der Lichtbogen oszilliert zwischen verschiedenen Fußpurkten, wodurch seine Säulenlänge und damit Spannung zeitlich veränderliche Werte annimmt. Naturgemäß läßt sich auf diese Weise ein zeitlich konstantes und räumlich homogenes Heißgas oder Plasma nicht erzielen.

[0006] Andere Einrichtungen machen sich die physikalische Tatsache zunutze, daß ein Lichtbogen durch elektromagnetische Kräfte bewegt werden kann. Es sind technische Ausgestaltungen bekannt, bei denen das hierzu erforderliche Magnetfeld mittels in der Nähe einer oder beider Elektroden angeordneter Spulen erzeugt wird (deutsche Patentschriften 1 564 333 und 1 933 306). Diese Ausführungen sind indessen vom Prinzip her so beschaffen, daß ein wesentlicher Teil der Bogensäule und zumindest ein Bogenansatz sich in einen Bereich mit anwachsendem Magnetfeld erstrecken muß. Aus der Impulsgleichung läßt sich theoretisch ableiten und die praktische Erfahrung zeigt, daß dieser Effekt nicht nur zu einer Verkürzung der Bogensäule und damit Reduzierung der Spannung führt, sondern auch Anlaß zur Instabilität gibt, was sich nachteilig auf die Erzielung stationärer Plasmazustände auswirkt.

[0007] Während die meisten Hochdruckplasmaerzeuger Elektroden aus Kupfer verwenden, läßt sich bei mit Gleichstrom betriebenen Apparaturen die Kathode auch aus Wolfram oder thoriertem Wolfram herstellen (DE-OS 2027626, DE-PS 2 033 072). Jedoch erweist sich in der Praxis, daß bei Drücken höher als etwa 2 bar und Stromstärken über etwa 250 bis 300 A die thermische Belastung an der Spitze einer kegelförmigen Kathode, wie sie entsprechend der DE-OS 2 027 626 ausgeführt wird, so hoch wird, daß das Material im Bogenansatz schmilzt und als Verunreinigung in das Plasma gelangt. Dieser Effekt wird zwar in der technischen Ausführung nach der DE-PS 2 033 072 vermieden, indem eine bestimmte Menge des Bogengases in eine hohlförmige Kathode strömt und dort zum Bogenansatz führt. Da der Bogen jedoch keinen bevorzugten Ansatzpunkt findet, vollführt er erfahrungsgemäß eine erratische Bewegung, welche ihrerseits Spannungsfluktuationen und letztlich Temperaturschwankungen nach sich zieht.

[0008] Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2609178 ist weiterhin ein Plasmabrenner bekannt, bei welchem eine stabförmige Kathode mit einer kegelförmigen Spitze vorgesehen ist. An dieser Spitze ergibt sich zwangsläufig eine Lokalisierung des Plasmabogens, so daß hier zwangsläufig eine ganz erhebliche Elektrodenerosion auftreten muß.

[0009] Bei einem weiteren bekannten Plasmabrenner ist ein Auslaßkanal für die Plasmagase kegelmantelförmig von einer Anzahl von Einzelelektroden umgeben (britische Patentschrift 1 112 935). Die ganze Anordnung soll gedreht werden, damit der Plasmabogen nacheinander an verschiedenen Einzelelektroden beginnt. Wenn jedoch der Plasmabogen an einer der vielen die Gasaustrittsöffnungen umgebenden stabförmigen Elektroden beginnt, wird er diesen Ausgangspunkt auch bei der Drehung beibehalten, da an der Spitze dieser Elektrode die Feldverteilung besonders günstig ist. Die mechanische Drehung verzwirbelt also den Plasmabogen, der erst nach einer erheblichen Verzwirbelung abreißen und auf eine andere Elektrode überspringen wird. Es ergibt somit ein außerordentlich instabiler Plasmabogen. Darüber hinaus tritt eine starke Erosion an den Spitzen der einzelnen Elektroden auf, da der Plasmabogen lange Zeit ununterbrochen von derselben Elektrodenspitze ausgeht.

[0010] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom-Plasmabrenner derart zu verbessern, daß mit ihm Gase und Gasgemische bei Drücken bis zu 20 bar auf Temperaturen im Bereich von einigen 100 Grad bis ca. 20 000 K aufgeheizt werden können, wobei hohe Standzeiten der Elektroden, Sauberkeit des Plasmas, hoher Wirkungsgrad sowie Stationarität und räumlich gleichförmige Verteilung der Gaseigenschaften erreicht werden sollen.

[0011] Diese Aufgabe wird bei einem Plasmabrenner der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kathode eine durchgehende Innenbohrung aufweist, durch die ein Teil des zu erwärmenden Gases in den Plasmabrenner mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit einführbar ist, daß der kathodenseitige Plasmabogenansatz an der ringförmigen Kante der Kathode lokalisiert ist.

[0012] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß durch die Ausgestaltung der Kathode mit einer ringförmigen Kante der Kathodenansatz und infolge der axialen Gasströmung auch der Anodenansatz des Lichtbogens jeweils in einer bestimmten axialen Position fixiert sind, wodurch sich eine zeitlich gleichbleibende Bogenlänge und Bogenspannung und schließlich Temperatur ergibt. Andererseits wird der Lichtbogen aber als solcher durch elektromagnetische Kräfte in Rotation versetzt, wodurch sich seine Elektrodenansätze in Umfangsrichtung rasch bewegen, was zu einer extrem kurzen Verweilzeit an einem bestimmten Flächenelement führt. Dadurch unterbleibt ein Abschmelzen des Elektrodenmaterials, und es können hohe Standzeiten und saubere Plasmen erzielt werden.

[0013] Es ist dabei wichtig, daß ein Teil des zugeführten, zu erwärmenden Gases durch die Innenbohrung der Kathode zugeführt wird, da diese Strömung auf der Innenseite der Kathode den Ansatzpunkt des Plasmabogens von der Innenfläche der Kathode weg auf die ringförmige Kante verlagert. Nur beim Ansatz des Plasmabogens an der ringförmigen Kante verläuft der Bogenansatz parallel zum Magnetfeld, und nur dann ist gewährleistet, daß die Bogenlänge und damit die Bogenspannung im Betrieb des Plasmabrenners gleich bleibt.

[0014] Günstig ist es, wenn die Kathode aus Thoriumwolfram besteht.

[0015] Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die ringförmige Kante Schneidenform hat.

[0016] Die Anode kann Kreiszylinderform haben und eine lichte Weite aufweisen, die größer ist als der Außendurchmesser der Kathode. Vorzugsweise ist der Außendurchmesser der Kathode erheblich kleiner als die lichte Weite der Anode, so daß sich ein relativ breiter Ringspalt zwischen beiden ergibt. Dadurch strömt das zugeführte Gas mit relativ geringer Geschwindigkeit in den Plasmabrenner ein, so daß sich im Bereich der Unterkante der Kathode an deren Innenseite kein starker Unterdruck ausbildet. Die Ausbildung eines Unterdrucks wäre ungünstig, da der Plasmabogen die Tendenz hat, in das Gebiet niedrigeren Druckes zu wandern, so daß bei sehr rascher Strömung des'zufließenden Gases und starker Unterdruckbildung auf der Innenseite der Kathode der Ansatzpunkt des Plasmabogens an die Innenfläche der Kathode wandern würde. Eine solche Wanderung wäre nachteilig, da dann der Plasmabogenansatz nicht mehr parallel zu den Magnetfeldlinien verläuft. Dieser nichtparallele Verlauf führt zu einer Rotationsbewegung des Plasmabogenansatzes, und zwar in entgegengesetzter Richtung wie bei der Anode, so daß insgesamt eine Verzwirbelung des Plasmabogens eintritt, der dadurch nicht mehr die geforderte Gleichmäßigkeit aufweisen kann. Durch die Erweiterung des Einlaßspaltes für das zuströmende Gas wird die Ausbildung eines Unterdrucks an der Innenseite der Kathode vermieden, so daß auch der Plasmabogen keine Tendenz hat, von der Kante weg in das Innere der Kathode zu wandern. Zusätzlich wird im übrigen der Ausbildung eines Unterdrucks auf der Innenseite der Kathode noch durch das durch die Innenbohrung zuströmende Gas entgegengewirkt.

[0017] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß zur Erzeugung des Magnetfeldes konzentrisch zur Kathodenachse eine Magnetspule oder ein Permanentmagnet derart angeordnet sind, daß deren Symmetrieebene in einem Bereich zwischen der ringförmigen Kante der Kathode und einer um maximal fünf Durchmesser der ringförmigen Kante in Gegenstromrichtung verschobenen Ebene liegt.

[0018] Vorzugsweise sind die Kathode und/oder das Magnetfeld erzeugende Element in axialer Richtung verstellbar. Durch diese Anordnung befindet sich der Lichtbogenansatz in einem im wesentlichen achsparallelen Magnetfeld. Durch die axiale Verstellung der Kathode und/oder des magnetfelderzeugenden Elements lassen sich die effektive Länge des Lichtbogens und damit seine Spannung einstellen, wodurch wiederum die Temperatur veränderbar ist.

[0019] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß sich an den Brennraum eine Ausgleichskammer mit einem äußeren Gehäuse und einem darin angeordneten Mantel anschließt und daß zwischen Gehäuse und Mantel ein sich im wesentlichen über die gesamte Höhe der Ausgleichskammer erstrekkender Ringraum angeordnet ist, der einerseits mit einer Gaszufuhrleitung und andererseits über Bohrungen im Mantel mit dem Innenraum der Ausgleichskammer in Verbindung steht. Der Mantel besteht vorzugsweise aus einem refraktären Material. Günstig ist es auch, wenn das Gehäuse auf der dem Ringraum zugewandten Seite spiegelnd bearbeitet ist.

[0020] Diese Ausgestaltung ermöglicht es, daß durch eine Gaszuführung in den Raum zwischen dem Mantel und dem Gehäuse ein Gas eingeleitet werden kann, welches dem Mantel Wärme entzieht, ehe es durch Einlaßöffnungen im Mantel in die Ausgleichskammer eintritt. Gleichzeitig wird der Energiefluß vom Mantel zur gekühlten Wand des Gehäuses auf 30% des Wertes reduziert, der in bekannten Einrichtungen auftritt, in denen der Energiefluß vom heißen Gas an die gekühlte Wand durch konvektiven Wärmeübergang vonstatten geht, da der Energiefluß vom Mantel zur gekühlten Wand bei der erfindungsgemäßen Ausgleichskammer nur durch Strahlungstransport erfolgen kann.

[0021] Es wird also durch die Kombination von Strahlungskühlung und konvektiver Kühlung in der an den Entladungsraum anschließenden Ausgleichskammer der Wärmeverlust auf ein Mindestmaß reduziert. Dies führt zu hohen Werten des Gesamtwirkungsgrades der Einrichtung. Schließlich gestattet die Einblasung von Gasen durch die Öffnungen im Mantel zusätzlich, beliebige Temperaturen bei optimalen Betriebszuständen des Brenners auch in solchen Gasgemischen zu erzielen, bei denen eine Komponente schädliche Wirkungen auf die Kathode bei einer direkten Aufheizung in der Lichtbogenentladung hätte.

[0022] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0023] Nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Die Zeichnung zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Plasmabrenners im Längsschnitt.

[0024] Ein zylinderförmiges Gehäuse 1 weist eine zentrale Längsbohrung 2 auf, die in ihrem oberen Bereich mittels einer Isolierhülse 3 und in ihrem unteren Bereich mittels einer kreiszylinderförmigen Anode 4 ausgekleidet ist. In die Längsbohrung 2 ragt von der offenen Oberseite her eine stabförmige Kathode 5 mit einer zentralen Längsbohrung 6. Die Kathode 5 ist im Bereich ihres freien Endes konisch zugespitzt, so daß sich am Auslaß der Längsbohrung 6 eine schneidenförmige Ringkante 7 ergibt. Der Außendurchmesser der stabförmigen Kathode 5 ist kleiner als die lichte Weite der Isolierhülse 3 und der Anode 4, so daß zwischen diesen und der Kathode 5 ein Ringspalt 8 ausgebildet wird.

[0025] Das zylinderförmige Gehäuse 1 ist von einer Magnetspule 9 umgeben, die durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Stromquelle erregt werden kann. Die Magnetspule 9 ist in Richtung der Gehäuselängsachse verschieblich. Ebenso kann die stabförmige Kathode 5 in Richtung der Gehäuselängsachse verschieblich sein.

[0026] An das Gehäuse 1 schließt sich stromabwärts eine Ausgleichskammer 10 mit einem ebenfalls zylinderförmigen Gehäuse 11 und einem mit der Längsbohrung 2 in Verbindung stehenden Hohlraum 12 an. In den Hohlraum 12 ist ein kreiszylindrischer Mantel 13 derart eingesetzt, daß er in seinen Endbereichen 14 und 15 an Ringstegen 16 und 17 am oberen und am unteren Ende des Gehäuses 11 dicht anliegt, während im übrigen Bereich zwischen Mantel 13 und Gehäuse 11 ein Ringraum 18 gebildet wird. Dieser Ringraum 18 steht über eine kanalförmige Leitung 19 mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Gasquelle und über Öffnungen 20 im Mantel 13 mit dem Innenraum 21 der Ausgleichskammer 10 in Verbindung. Die gehäuseseitigen Seitenwände 22 des Ringraumes 18 sind spiegelnd bearbeitet. Der Mantel 13 besteht vorzugsweise aus einem refraktären Material.

[0027] Im Betrieb des beschriebenen Plasmabrenners strömt das Arbeitsgas einerseits durch den Ringspalt 8 und andererseits durch die Längsbohrung 6 in das Innere des Gehäuses 1 ein und fließt dabei im wesentlichen achsparallel durch diesen. Zwischen der Anode 4 und der Kathode 5 brennt ein Lichtbogen, wobei der kathodenseitige Lichtbogenansatz an der schneidenförmigen Ringkante 7 lokalisiert ist. Die Magnetspule 9 wird erregt und erzeugt dabei ein Magnetfeld, das im Bereich der Ringkante 7 im wesentlichen achsparallel verläuft, während es in einem stromabwärts gelegenen Bereich divergiert. Durch dieses Magnetfeld wird der Lichtbogen um die Gehäuselängsachse herum in Drehung versetzt, so daß der kathodenseitige Ansatzpunkt des Lichtbogens an der schneidenförmigen Ringkante 7 entlangwandert. Dabei verläuft der Ansatzpunkt in einer radialen Ebene, so daß sich die Länge des Lichtbogens nicht verändert, es bleiben also auch Spannung und Temperatur des Lichtbogens bei dieser Wanderung konstant. Wesentlich ist dabei, daß das Magnetfeld im Bereich der Ringkante im wesentlichen achsparallel verläuft. Zu diesem Zweck wird die Magnetspule 9 in eine entsprechende Axialposition verschoben, erfindungsgemäß wird sie derart angeordnet, daß ihre Symmetrieebene in einem Bereich zwischen der ringförmigen Kante 7 der Kathode 5 und einer um maximal fünf Durchmesser der ringförmigen Kante 7 in Gegenstromrichtung verschobenen Ebene liegt. Durch Veränderung der Axialposition der Magnetspule 9 und/oder der stabförmigen Kathode läßt sich die Länge des Lichtbogens und damit seine Temperatur beeinflussen. Es ist also in einfacher Weise möglich, eine gewünschte Temperatur einzustellen, die wegen der konstanten Länge des Lichtbogens auch zeitlich konstant bleibt. Dadurch, daß der kathodenseitige Lichtbogenansatz längs der Ringkante 7 wandert, ist die Verweilzeit des Ansatzes in einem bestimmten Flächenelement extrem kurz, und es tritt praktisch keine Elektrodenerosion ein. Auch der anodenseitige Ansatzpunkt ist durch das divergierende Magnetfeld im Bereich der Anode in axialer Richtung definiert, während in Umfangsrichtung eine Wanderung des Ansatzpunktes gewährleistet ist.

[0028] Aufgrund der Wanderung des kathodenseitigen Ansatzpunktes können auch bei hohen Leistungen Kathoden aus üblichen Materialien verwendet werden, günstig ist es jedoch, die Kathode zusätzlich aus hochwärmefestem Material herzustellen, beispielsweise aus Thoriumwolfram.

[0029] Günstige Leistungsdaten ergeben sich insbesondere dann, wenn die Anode Kreiszylinderform hat und eine lichte Weite aufweist, die größer ist als der äußere Durchmesser der Kathode 5.

[0030] Selbstverständlich kann die Magnetspule 7 durch einen entsprechend magnetisierten Permanentmagneten ersetzt werden.

[0031] Die durch den Lichtbogen erhitzten Gase treten nach dem Durchlaufen des Lichtbogens in die Ausgleichskammer 10 ein. Hier sorgt der vorzugsweise aus einem refraktären Material bestehende Mantel 14 zusammen mit dem Ringraum 18 für eine gute thermische Isolierung der Gase. Da der Mantel 14 nur in einem kleinen Bereich in direktem Wärmeleitungskontakt mit dem gekühlten Gehäuse 11 steht, kann Wärme vom Mantel 14 auf das Gehäuse 11 im wesentlichen nur durch Strahlung übertragen werden. Durch die spiegelnde Bearbeitung der gehäuseseitigen Seitenwände 22 des Ringraumes 18 werden Strahlungsverluste zusätzlich herabgesetzt. Insgesamt wirkt damit der Mantel 14 als Hitzeschild.

[0032] Über die Leitung 19, den Ringraum 18 und die Öffnungen 20 kann dem erhitzten Gas im Innenraum 21 der Ausgleichskammer ein weiteres Gas oder eine Gasmischung zugemischt werden. Dieses durch den Ringraum 18 eintretende Gas wird in diesem vorgewärmt, so daß ein Teil der Wärmeverluste auf diese Weise wieder ausgeglichen werden kann. Durch die Zumischung weiterer Gase kann die gewünschte Endtemperatur des aus der Ausgleichskammer austretenden Gasgemisches eingestellt werden. Günstig ist es auch, daß dem hocherhitzten Gas Gasbestandteile zugemischt werden können, die nicht selbst im Plasmabrenner auf die dort herrschenden hohen Temperaturen erhitzt werden können, sei es, daß sie bei diesen Temperaturen zersetzt werden, sei es, daß sie bei diesen Temperaturen schädliche Reaktionen mit den Bauteilen des Plasmabrenners eingehen.

[0033] Mit der Kombination des beschriebenen Plasmabrenners und der Ausgleichskammer gelingt es also, Gase auch bei hohen Drücken (bis 20 bar) auf extrem hohe Temperaturen (bis 20 000 K) zu erhitzen und gleichzeitig die Endtemperatur des Gases exakt, reproduzierbar und konstant einzustellen, wobei die Abnützung des Plasmabrenners im Betrieb auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Die Temperaturregelung kann in zweifacher Weise erfolgen, nämlich durch Verschiebung der Magnetspule 9 und/ oder der Kathode 5 und durch Zumischung eines Gases in der Ausgleichskammer. Man erhält damit eine äußerst variable und im Aufbau einfache Kombination.

Ansprüche

1. Gleichstrom-Plasmabrenner mit einer stabförmigen Kathode und einer konzentrisch dazu angeordneten, rotationssymmetrischen Anode und einem Ringspalt zwischen Kathode und Anode zur Zuführung des zu erwärmenden Gases, wobei die Kathode an ihrem freien Ende eine ringförmige Kante aufweist und wobei sich das freie Ende der Kathode in einem achsparallelen, zeitlich konstanten Magnetfeld befindet, während im stromabwärts des freien Endes der Kathode gelegenen Bereich ein in Strömungsrichtung divergierendes, zeitlich konstantes Magnetfeld existiert, derart, daß der zwischen Kathode und Anode sich ausbildende Plasmabogen in Rotation versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (5) eine durchgehende Innenbohrung (6) aufweist, durch die ein Teil des zu erwärmenden Gases in den Plasmabrenner mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit einführbar ist, daß der kathodenseitige Plasmabogenansatz an der ringförmigen Kante (7) der Kathode (5) lokalisiert ist.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (5) aus Thoriumwolfram besteht.

3. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Kante (7) Schneidenform hat.

4. Plasmabrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (4) Kreiszylinderform hat und eine lichte Weite aufweist, die größer ist als der Außendurchmesser der Kathode (5).

5. Plasmabrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Magnetfeldes konzentrisch zur Kathodenachse eine Magnetspule (9) oder ein Permanentmagnet derart angeordnet sind, daß deren Symmetrieebene in einem Bereich zwischen der ringförmigen Kante (7) der Kathode (5) und einer um maximal fünf Durchmesser der ringförmigen Kante (7) in Gegenstromrichtung verschobenen Ebene liegt.

6. Plasmabrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode und/oder das Magnetfeld erzeugende Element (9) in axialer Richtung verstellbar sind.

7. Plasmabrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas achsparallel zugeführt wird.

8. Plasmabrenner nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Brennraum eine Ausgleichskammer (10) mit einem äußeren Gehäuse (11) und einem darin angeordneten Mantel (14) anschließt und daß zwischen Gehäuse (11) und Mantel (14) ein sich im wesentlichen über die gesamte Höhe der Ausgleichskammer (10) erstreckender Ringraum (18) angeordnet ist, der einerseits mit einer Gaszufuhrleitung (19) und andererseits über Bohrungen (20) im Mantel (14) mit dem Innenraum (21) der Ausgleichskammer (10) in Verbindung steht.

9. Plasmabrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (14) aus einem refraktären Material besteht.

10. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) auf der dem Ringraum (18) zugewandten Seite spiegelnd bearbeitet ist.

11. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichskammer (10) von zylindrischer, halbzylindrischer, prismatischer oder sphärischer Form ist.

12. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachse der Ausgleichskammer (10) parallel oder senkrecht zu der des Plasmabrenners angeordnet ist.

Claims

1. Direct current plasma torch comprising a bar-shaped cathode and an anode symmetrical with respect to rotation and disposed concentrically to said cathode and an annular clearance between cathode and anode for introducing the gas to be heated, the cathode having at its free end an annular edge and the free end of the cathode being located in an axially parallel magnetic field constant in time, while a magnetic field constant in time but diverging in the direction of flow exists in the area located downstream of the free end of the cathode such that the plasma arc forming between cathode and anode is caused to rotate, characterized in that the cathode (5) has a continuous inner bore (6), through which part of the gas to be heated is introduced into the plasma torch at such a velocity of flow that the point at which the plasma arc connects to the cathode is localized at the annular edge (7) of the cathode (5).

2. Plasma torch according to claim 1, characterized in that the cathode (5) consists of thoriated tungsten.

3. Plasma torch according to either of claims 1 or 2, characterized in that the annular edge (7) is wedge-shaped.

4. Plasma torch according to any of the preceding claims, characterized in that the anode (4) is circular-cylindrical in shape and has an inside diameter which is larger than the outside diameter of the cathode (5).

5. Plasma torch according to any of the preceding claims, characterized in that for generating the magnetic field a magnetic coil (9) or a permanent magnet are disposed concentrically to the cathode axis such that their plane of symmetry lies in the area between the annular edge (7) of the cathode (5) and a plane displaced in the direction of counterflow by a distance of maximum five times the diameter of the annular edge (7).

6. Plasma torch according to any of the preceding claims, characterized in that the cathode and/or the element (9) generating the magnetic field are displaceable in the axial direction.

7. Plasma torch according to any of the preceding claims, characterized in that the gas is introduced axially parallel.

8. Plasma torch according to any of the preceding claims, characterized in that an equalizing chamber (10) having an outer casing (11) and a jacket (14) disposed therein is connected to the combustion chamber and that an annular space (18) extending substantially through the entire length of the equalizing chamber (10) is disposed between casing (11) and jacket (14), said annular space (18) being connected to the inside space (21) of the equalizing chamber (10) on the one hand by a gas supply line (19) and on the other hand via holes (20) in the jacket (14).

9. Plasma torch according to claim 8, characterized in that the jacket (14) consists of a refractory material.

10. Plasma torch according to either of claims 8 or 9, characterized in that the casing (11) has a specular finish on the side facing the annular space (18).

11. Plasma torch according to any of claims 8, 9 or 10, characterized in that the equalizing chamber (10) has a cylindrical, semicylindrical, prismatic or spherical shape.

12. Plasma torch according to any of claims 8 to 11, characterized in that the main axis of the equalizing chamber (10) is disposed parallel or perpendicular to that of the plasma torch.

Revendications

1. Chalumeau à plasma à courant continu, comprenant une cathode en forme de barre, une anode à symétrie de révolution disposée concentriquement à la cathode et un passage annulaire entre la cathode et l'anode pour l'amenée du gaz à chauffer, la cathode présentant à son extrémité libre un bord annulaire et l'extrémité libre de la cathode se trouvant dans un champ magnétique constant dans le temps et parallèle à l'axe, tandis qu'un champ magnétique constant dans le temps mais divergent dans la direction d'écoulement existe dans la zone située en aval de l'extrémité libre de la cathode, de sorte que l'arc-plasma qui se forme entre la cathode et l'anode est mis en rotation, caractérisé en ce que la cathode (5) présente un alésage intérieur traversant (6), par lequel une partie du gaz à chauffer peut être introduite dans le chalumeau à plasma à une telle vitesse d'écoulement que l'extrémité cathodique de l'arc-plasma est localisée sur le bord annulaire (7) de la cathode (5).

2. Chalumeau à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cathode (5) est en tungstène-thorium.

3. Chalumeau à plasma selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le bord annulaire (7) est en forme de tranchant.

4. Chalumeau à plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'anode (4) possède une forme cylindrique circulaire et possède une largeur interne qui est plus grande que le diamètre extérieur de la cathode (5).

5. Chalumeau à plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour produire le champ magnétique, on dispose un bobine d'électro-aimant (9) ou un aimant permanent concentriquement à l'axe de la cathode, de telle manière que le plan de symétrie de la bobine ou de l'aimant est situé dans une région comprise entre le bord annulaire (7) de la cathode (5) et un plan déporté, à partir de ce bord, dans le sens contraire à la direction d'écoulement du gaz, d'une distance correspondant tout au plus à cinq fois le diamètre du bord annulaire (7).

6. Chalumeau à plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la cathode et/ou l'élément (9) engendrant le champ magnétique est ou sont réglable(s) en direction axiale.

7. Chalumeau à plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gaz est amené parallèlement à l'axe.

8. Chalumeau à plasma selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'espace de combustion est suivi par une chambre d'égalisation (10) définie par un corps extérieur (11) dans lequel est disposée une chemise (14) et en ce qu'un espace annulaire (18) s'étendant sensiblement sur toute la hauteur de la chambre d'égalisation (10) est formé entre le corps (11) et la chemise (14), cet espace annulaire (18) communicant d'une part avec un conduit d'amenée de gaz (19) et d'autre part, à travers des orifices (20) de la chemise (14), avec l'espace intérieur (21) de la chambre d'égalisation (10).

9. Chalumeau à plasma selon la revendication 8, caractérisé en ce que la chemise (14) est faite d'un matériau réfractaire.

10. Chalumeau à plasma selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le corps (11) possède un fini spéculaire du côté tourné vers l'espace annulaire (18).

11. Chalumeau à plasma selon l'une des revendications 8, 9 et 10, caractérisé en ce que la chambre de compensation (10) possède une forme cylindrique, semi-cylindrique, prismatique ou sphérique.

12. Chalumeau à plasma selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que l'axe principal de la chambre de compensation (10) est parallèle ou perpendiculaire à celui du chalumeau à plasma.

Zeichnung