NO891264L - Plasmabrenner. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en plasmabrenner for høyfrek-vent kapasitiv generering av en plasmastråle, innbefattende en hus med en holder og en elektrisk ikke-ledende dyse, idet huset har en innløpsåpning og dysen har en utløsåpning og hvor også en stangformet elektrode er anordnet koaksialt i forhold til huset.

Plasmabrennere for å generere plasmastråler er anvendt innenfor forskjellige industrielle områder slik som lokal oppvarming av materialer, sveising og kutting, bearbeidelse og forming av glass innbefattende kvartsglass, og flamme-spraying av materialer. I en plasmabrenner kan plasmastrålene bli generert induktivt eller kapasitivt eller ved hjelp av en likestrøm.

Tysk Offenlegungsschrift nr. 1 765 104 beskriver en anordning for kapasitiv generering av en plasmastråle. For dette formål blir en ytre oscillatorkrets til en høyfrekvent generator forbundet med en wolfram-elektrode. En gass blir ført langs elektroden. Som reaksjon på elektrisk resonans blir en høy elektrisk spenning frembrakt ved elektroden som bevirker at gassen som passerer blir ionisert. Elektroden er omhyllet av et elektrisk ikke-ledende rør. Ene siden av røret er forsynt med en dyse, ikke nærmere beskrevet, fra hvilken plasmastrålen kan unnslippe. Plasmastrålen blir brakt i kontakt med et arbeidsstykke som skal bli bearbeidet, idet kretsen blir kapasitivt lukket via arbeidsstykket. Nevnte Offenlegungsschrift beskriver en dyse-arbeidsstykkeavstand på 5-15 mm.

Oppfinnelsen har til formål å tilveiebringe en forbedret plasmabrenner, slik at plasmastrålen som skal bli generert derved kan brooverbygge en større dyse-til-arbeidsstykkeavstand enn 15 mm, idet det resulterende plasmastrålepunktet på arbeidsstykket er tilstrekkelig effektivt for bearbeidelse av dette arbeidsstykket.

Ifølge foreliggende oppfinnelse blir dette tilveiebrakt ved hjelp av en plasmabrenner av den typen beskrevet i innlednin-gen, og som erkarakterisert vedat en elektrisk ikke-ledende koaksialt anordnet kappe er anordnet mellom dysen og elektroden, idet en indre side av dysen og en ytre side av kappen omhyller en ringformet kanal som avtar mot utløps-åpningen og en indre side av kappen og en flate av elektroden omhyller en sylindrisk kanal, idet sistnevnte er forbundet med innløpsåpningen. Den sylindriske kanalen rundt elektroden muliggjør kjøling av elektroden ved gass som strømmer derigjennom. Den avtagende ringformede kanalen gjør det mulig for gasstrømmen gjennom den å konvergere plasmastrålen som skal bli generert slik at plasmastrålen kan brooverbygge et større gap mellom dysen og arbeidsstykket. Gasstrømnings-hastigheten er f.eks. fortrinnsvis valgt slik at gasstrømmene er laminaere. Om gasstrømmen er laminær eller ikke fremgår av plasmastrålens form. Forskjellige gasser kan bli anvendt, f.eks. argon, helium, nitrogen eller blanding av nitrogen og hydrogen. Elektrodene er fremstilt av et høytsmeltende elektrisk ledende materiale, slik som wolfram, molybden eller silisiumkarbid. Både dysen og kappen er fremstilt av et elektrisk isolerende keramisk materiale. Høyfrekvensgene-ratoren, som skal bli forbundet med elektroden, tilfører en vekselstrøm med en frekvens på 13,56 til 27,12 MHz. Avhengig av kundens krav til plasmabrenneren har generatoren en effekt fra noen hundre watt til noen kW.

Plasmastrålen inneholder dissosierte og ioniserte gassmole-kyler, og også elektroner. Dissosiasjons- og ionisasjonsener-gien lagret i gassen frigjøres ved rekombinering ved overflaten til arbeidsstykket anbrakt i plasmastrålen. På grunn av størrelsen på den tilgjengelige energien og den relativt ubetydelige diameteren på strålen kan det lokalt bli frembrakt en svært høy temperatur. Arbeidsstykket kan være både ledende og ikke-ledende. Siden plasmastrålen er en god leder vil et sterkt høyfrekvent felt bli generert I punktet ved hvilket strålen er innfallende på arbeidsstykket

(punktet) som resulterer 1 en ytterligere energigenerering i form av dielektrisk- eller ledeenergi 1 arbeidsstykket. Størrelsen på dette er avhengig av de elektriske egenskapene til materialet ved den øyeblikkelige temperaturen.

Dersom et egnet pulver er tillagt den tilførte gassen kan plasmabrenneren også bli anvendt for plasmaspraying og materialer, både metall eller keramikk, og et arbeidsstykke.

Det skal bemerkes at US-patent nr. 3 894 209 også beskriver en plasmabrenner. Brenneren beskrevet deri innbefatter en hul elektrode gjennom hvilken gass kan strømme. Gassen kan også strømme langs elektrodens ytre side. Brenneren har imidlertid ikke noen avtagende dyse slik at en plasmastråle av stor lengde og liten diameter frembringes.

En utførelsesform av plasmabrenneren i samsvar med oppfinnelsen er kjennetegnet ved at kappen er aksialt justerbar i forhold til dysen. Gasstrømmen i den avtagende ringformede kanalen kan bli påvirket derved og følgelig kan det frembringes konvergens i plasmastrålen. En skruegjenget forbindelse mellom kappen og en del av røret er svært egnet for dette formålet.

En ytterligere utførelsesform av plasmabrenneren ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at elektroden kan være justert aksialt i forhold til utstrømningsåpningen til dysen. Denne justerbarheten muliggjør også påvirkning av plasmastrålens form.

En spesiell utførelsesform av plasmabrenneren ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at brenneren har en andre innløpsåpning som er forbundet med den avtagende ringformede kanalen. Ved å bruke denne anordningen kan de to gasstrøm-mene, dvs. gasstrømmen som strømmer langs elektroden og som strømmer gjennom den avtagende ringformede kanalen bli justert uavhengig av hverandre. Dette gjør det mulig å påvirke formen på plasmastrålen. De to gassene kan være av samme type eller være forskjellige.

En egnet utførelsesform av plasmabrenneren ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at dysen og/eller kappen er fremstilt av boronnitrid. Dette keramiske materialet kan forholdsvis enkelt bli bearbeidet mekanisk og kan motstå svært høye temperaturer, nemlig opptil tilnærmet 2775°C.

En foretrukket utførelsesform av plasmabrenneren ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at elektroden er forsynt med en kjegleformet spiss som peker i retning av utstrømnings-åpningen til dysen. Anbringelsen av en slik spiss gir en høyere feltkonsentrasjon, som et resultat av hvilket starten av ioniseringen av gassen som strømmer langs elektroden blir enklere. Avhengig av fasen på det elektriske feltet vil enten elektroner eller positive ioner bombardere spissen til elektroden og vil varme den opp i en kort tidsperiode til en høy temperatur som resulterer i en øket elektronemisjon og følgelig øket spredning og ionisering av gassen.

Oppfinnelsen angår også en dyse og en kappe egnet for bruk ved en plasmabrenner Ifølge oppfinnelsen.

Oppfinnelsen skal nå bli beskrevet nærmere med henvisning til medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et hovedkretsdiagram av en plasmabrenner Ifølge

oppfinnelsen.

Fig. 2 viser et lengdesnitt av en plasmabrenner ifølge

oppf innelsen.

På fig. 1 betegner henvisningstallet 3 en høyfrekvent generator med en ytre resonanskrets 5. En vanlig frekvens er 13,56 MHz eller 27,12 MHz. Kretsen 5 er elektrisk forbundet med en elektrode 7 til en plasmabrenner 1. Plasmabrenneren 1 har en dyse 9 og en elektrisk isolerende hylse 11. Gassen innføres via en åpning 13. Gassen kan forlate plasmabrenneren 1 via åpningen 15 i dysen. Dersom resonanskretsen 5 blir avstemt til generatorens 3 frekvens frembringer resonansene svært høy spenning ved det punktet til spolen hvor elektroden 7 er forbundet. Det høye elektriske feltet over elektroden 7 bevirker en begynnelsesionisering av gassen som strømmer langs stiften. Avhengig av fasen vil enten elektroner eller positive ioner bombardere elektroden og varme den betydelig opp i en kort tidsperiode som resulterer i en øket elektronemisjon. Elektronene i gasstrømmen kan absorbere energi fra det høyfrekvente feltet og kan overføre energien til gassatomer og molekyler ved kollisjon. Dette bevirker ytterligere dissosiasjon og ionisering av gassen. Dissosiasjons- og ioniseringseffekten lagret i gassen vil bli tilgjengelig ved rekombinasjon ved f.eks. overflaten til et arbeidsstykke 19 anbrakt i den dannede plasmastrålen 17. Arbeidsstykket 19 kan være en leder eller ikke-leder. Siden plasmastrålen er en god elektrisk leder vil et intenst høyfrekvent felt bli frembrakt ved punktet ved hvilket strålen er Innfallende på arbeidsstykket, som bevirker generering av ekstra energi i form av dielektrisk ledende energi på arbeidsstykket. Sett i en retning langs plasmastrålen er energigenereringen posisjonsavhengig. Størrelsen er avhengig av de elektriske egenskapene til materialet ved den umiddelbare temperaturen.

På fig. 2 er med henvisningstallet 1 vist et langsgående snitt av en plasmabrenner ifølge oppfinnelsen. Plasmabrenneren har en sylindrisk holder 3 og en dyse 5. Holderen 3 er fremstilt av messing. Dysen 5 er fremstilt av boronnitrid. Dysen har en åpning 17 for utstrømning av plasmastrålen.

Brenneren har en elektrisk ledende wolfram-elektrode 7. Elektroden har et kjegleformet punkt 15. Mellom dysen 5 og elektroden 7 er en kappe 9, idet det er dannet en avtagende ringformet kanal 11 og en sylindrisk kanal 13. Kappen 9 og også dysen 5 er fremstilt av boronnitrid. Elektroden 7 er festet til holderen 3 ved hjelp av en elektrodeholder 19 og en hylse 21. Både elektrodeholderen 19 og hylsen 21 er fremstilt av messing. Elektrodeholderen er forsynt med kanaler 23. Disse kanalene utgjør forbindelsen mellom en gassinnløpsrørledning 25 og den sylindriske kanalen 13. Holderen 3 er forsynt med et andre gassinnløp 27, som er i forbindelse med en avtagende ringformet kanal 11. Elektroden 7 er forbundet med en høyfrekvent generator (27,12 MHz) via elektrodeholderen 19, hylsen 21 og gassinnløpsrørledningen 25. Kappen 9 er justerbar i aksial retning i forhold til dysen 5. Elektroden 7 er også justerbar i aksial retning. For dette formål kan kontaktplanet 28 mellom kannen 9 og hylsen 21 være forsynt med gjenger (M20 x 1,5). Kontaktplanet 31 mellom elektrodeholderen 31 og hylsen 21 er også forsynt med gjenger (M12). Dette innstillingstrekket muliggjør en laminert gasstrøm og går ut av dysen gjennom åpningen 17. Elektrodediameteren er 3 mm og åpningen til dysen er 5 mm. Gasstrømmen utgjør 5-10 liter or. minutt og generatoreffekten er tilnærmet 10 kW. Lengden på den genererte plasmabrenneren kan være tilnærmet 1 meter. Dysen og elektroden har begge en driftslevetid på ikke mindre enn 60 timer for en plasmastråle på 35 mm.

Claims (7)

1. Plasmabrenner for høyfrekvent kapasitiv generering av en plasmastråle innbefattende et hus med en holder og en elektrisk ikke-ledende dyse, idet huset har en innløpsåpning og dysen har en utløpsåpning og hvor også en stangf ormet elektrode er anordnet koaksialt i forhold til huset, karakterisert ved at en elektrisk ikke-ledende koaksialt anordnet kappe er anbrakt mellom dysen og elektroden, idet en indre side til dysen og en ytre side til kappen omhyller en ringformet kanal som avtar mot utløps-åpningen og idet en indre side av kappen og en flate av elektroden omhyller en sylindrisk kanal, idet sistnevnte er forbundet med innløpsåpningen.

2. Plasmabrenner ifølge krav 1, karakterisert ved at kappen er justerbar I aksial retning i forhold til dysen.

3. Plasmabrenner ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at elektroden er aksialt justerbar I forhold til utstrømningsåpningen til dysen.

4. Plasmabrenner ifølge krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at brenneren er forsynt med en andre innløpsåpning som er forbundet med den avtagende ringformede kanalen.

5. Plasmabrenner ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at dysen er fremstilt av boronnitrid.

6. Plasmabrenner Ifølge krav 1, 2, 3 eller 4, karakterisert ved at kappen er fremstilt av boronnitrid.

7. Plasmabrenner ifølge krav 1, 2, 3, 4, 5 eller 6, karakterisert ved at elektroden er forsynt med en kjegleformet spiss som peker i retning av utstrømnings-åpningen til dysen.