ELECTRODO ANODICO PARA ESTRUCTURA DE PLASMATRON.

Un electrodo anódico (24) para un plasmatrón (3) que tiene un electrodo catódico (2) situado aguas arriba del ánodo,

siendo el electrodo anódico usado para controlar la unión de raíz de un arco eléctrico generado por el plasmatrón, caracterizado porque el ánodo comprende una pluralidad de superficies (13) de unión de raíz de arco definidos en una superficie interior del ánodo por una pluralidad de piezas anulares (11, 14), extendiéndose cada pieza anular radialmente alrededor de la superficie interior del ánodo, definiendo cada par de piezas anulares adyacentes una acanaladura (15) entre ellas, estando la acanaladura formada radialmente dentro de la superficie interior el ánodo, estando cada acanaladura situada entre dos superficies adyacentes de unión de raíz de arco

Electrodo anódico para estructura de plasmatrón.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a una estructura de plasmatrón que comprende un electrodo anódico estabilizador de raíz de arco capaz de funcionar en característica ascendente superior de voltio-amperios y relación reducida de flujo de gas a potencia en la que el arco es transferido desde una punta de cátodo a un taladro anódico aguas abajo remoto y la unión de raíz de arco es estabilizada en el taladro anódico. La estabilización y el control de la unión de raíz de arco al taladro anódico permite conseguir un funcionamiento de tensión de arco estable para arcos extendidos, caudales de gas variables, presión de gas y aplicaciones de potencia produciendo por tanto una corriente de plasma con parámetros superiores.

Antecedentes de la invención

Los plasmatrones usan un arco eléctrico para generar una corriente de gas a temperatura elevada y son usados actualmente en muchas aplicaciones, incluyendo la unión a diversas configuraciones de soplete de plasma y boquilla de plasma usadas para pulverización por plasma. En un plasmatrón, un gas formador de plasma fluye a través de una cámara de arco y una corriente de plasma es generada por un arco eléctrico formado entre un cátodo y un ánodo situados generalmente en los lados opuestos de la cámara de arco. En diseños de técnica anterior, la unión de raíz de arco y la estabilidad operativa de plasmatrón dependen del caudal de gas de plasma, la presión de gas o la operación de potencia eléctrica. En el uso práctico de plasmatrones, las condiciones de caudal de gas, presión de gas o potencia eléctrica varían accidentalmente. Tales variaciones accidentales producen cambios incontrolados en las propiedades de la corriente de plasma.

Generalmente, un caudal constante de gas a través del plasmatrón tiene que ser controlado como medio para mantener una longitud estable de arco y evitar fluctuaciones excesivas de raíz de arco. Sin embargo, en la práctica, aunque el flujo de gas de plasma sea controlado estrictamente, la raíz de arco exhibe desviaciones longitudinales ocasionales e imprevisibles con efectos nocivos para la aplicación del soplete de plasma.

Es conocido que el uso de arcos de tensión alta-amperaje reducido para hacer funcionar un soplete de plasma tiene ciertas ventajas en términos de desgaste reducido de electrodos y rendimiento térmico mejorado del soplete. Como la ley de Ohm es aplicable a una corriente de plasma, para aumentar la tensión del arco, el experimentador puede usar diversos medios tales como: (a) aumentar la resistividad eléctrica del gas de plasma aumentando la presión, aumentando el flujo de gas, usando gases de plasma con resistividad eléctrica mayor o constriñendo el flujo de gas de plasma, (b) extender la longitud del arco.

La influencia del diámetro de canal de arco sobre el campo eléctrico es descrita por el criterio de K_E como se deriva de la ley de Ohm:

K_E = (s x E x d²)x I^-1

donde:

"E" es la intensidad de campo eléctrico, "d" es el diámetro del canal de arco, "I" es la corriente eléctrica de arco y "s" es la conductancia eléctrica específica del gas de plasma.

El campo eléctrico depende exponencialmente del diámetro "d" puesto que varía con su potencia al cuadrado. Teóricamente, un canal de arco largo y estrecho debería producir tensiones de arco más altas. El impedimento práctico es impedir que el arco se una aleatoriamente a la pared interna del canal o las desviaciones axiales aleatorias de la raíz de arco. Las desviaciones axiales pueden ser reducidas parcialmente aumentando el flujo de gas o la presión de gas y acortando la longitud de arco. Esto no sería económico y sería perjudicial para el rendimiento del soplete de plasma. Otro impedimento práctico se refiere a mantener una unión estable de raíz de arco y por tanto una longitud estable de arco cuando la refrigeración por agua, el flujo de gas de plasma, la presión de gas de plasma o la aplicación de potencia varía accidentalmente o es variada intencionadamente por el operador del soplete.

Un procedimiento para controlar la unión de raíz de arco dentro de un conducto recto de plasma es hallado en las Patentes de EE.UU. nº 4.841.114 y nº 4.916.273 de Browning. Browning describe una discontinuidad superficial singular formada en una posición aguas abajo a lo largo de un taladro de boquilla anódica de sección transversal constante, siendo la discontinuidad en forma de una acanaladura, un resalte anular, un avellanado cilíndrico o un resalte de salida. La discontinuidad pretende impedir el desplazamiento de la raíz de arco hacia el final de la salida de boquilla anódica y producir desgaste de la salida de boquilla anódica. Es evidente que este diseño funciona con caudales de gas significativamente más grandes. El gran flujo de gas empuja el arco hacia delante extendiendo por tanto el arco linealmente mientras la discontinuidad es exigida para impedir que la unión de raíz de arco se desplace más aguas abajo de la discontinuidad. Como se muestra en Browning, la unión de la raíz de arco en una acanaladura superficial, incluso si eso es posible, puede producir por sí misma inestabilidades imprevisibles asociadas con la turbulencia de gas desarrollada dentro del canal de acanaladura. Variaciones en la velocidad de refrigeración del taladro de boquilla anódica o variaciones en el caudal de gas pueden determinar fácilmente que la raíz de arco escape al efecto de la discontinuidad y por tanto se desplace sustancialmente a lo largo del eje, aunque solo durante un tiempo breve. Tales inestabilidades afectan a los parámetros de la corriente de plasma, que entonces afectarán negativamente a la calidad y la repetibilidad de los revestimientos pulverizados por plasma. Los caudales de gas elevados necesarios para hacer funcionar los diseños de Browing producirán costes operativos elevados del soplete de pulverización por plasma.

Un procedimiento diferente para controlar la unión de raíz de arco a un ánodo remoto anular y liso es hallado en la Patente de EE.UU. nº 5.332.885, de Landes, que describe una pluralidad de cátodos que generan una pluralidad de arcos dentro de una cámara común de arcos, uniéndose los arcos a un taladro anódico común. Una sección intermedia comprende una pluralidad de anillos circulares eléctricamente neutros a los que Landes se refiere como "neutrodos". El aparato expuesto por Landes es muy complicado y la pluralidad de arcos interferirán entre sí produciendo un funcionamiento inestable del soplete. Aunque Landes usara un solo cátodo, cuando un plasma ionizado es generado, los anillos de neutrodos actúan como condensadores eléctricos, obteniendo por tanto una carga eléctrica en su superficie interior. Esto produce formación de arco eléctrico a los anillos debida al efecto de electrodo secundario, afectando por tanto nocivamente al funcionamiento del plasmatrón. Un procedimiento similar para el uso de ánodos segmentados eléctricamente flotantes es descrito en la Patente de EE.UU nº 5.900.272 de Goodman.

La Patente de EE.UU. nº 5.296.668, de Foreman y otros, muestra un cátodo refrigerado por gas, aislado eléctricamente por medio de un collar aislante y que funciona en conjunción con un tubo anódico alargado y liso que tiene una pequeña porción cónica de entrada. Este diseño también se basa en el caudal de gas y refrigeración suficiente del talador de boquilla anódica para empujar el arco y forzar un desplazamiento aguas abajo y una unión aleatoria de la raíz de arco. No hay disposiciones para estabilizar la posición de raíz de arco y la raíz de arco se desplazará longitudinalmente sin ningún medio para controlarla eficazmente.

Otra técnica anterior describe el uso de elementos constrictores de flujo de gas para incrementar la resistividad al gas y elevar la tensión de arco así como el uso de manguitos eléctricamente aislantes dentro de la cámara de arco para extender el arco y evitar la formación de arco a la pared de la cámara. Tal técnica anterior es hallada en las Patentes de EE.UU. nº 4.882.465 de Smith y otros, nº 5.008.511 de Ross, nº 5.420.391 de Delcea y nº 5.514.848 de Ross y otros. El elemento constrictor de arco idéntico que el descrito por Ross y otros también es descrito en la Patente de Unión Soviética SU nº 1623846, de Granovski, en la que el arco es empujado por el gas a través del elemento constrictor y es transferido a la pieza a trabajar que es polarizada positivamente. La Patente de EE.UU. nº 4.317.984,...

1. Un electrodo anódico (24) para un plasmatrón (3) que tiene un electrodo catódico (2) situado aguas arriba del ánodo, siendo el electrodo anódico usado para controlar la unión de raíz de un arco eléctrico generado por el plasmatrón, caracterizado porque el ánodo comprende una pluralidad de superficies (13) de unión de raíz de arco definidos en una superficie interior del ánodo por una pluralidad de piezas anulares (11, 14), extendiéndose cada pieza anular radialmente alrededor de la superficie interior del ánodo, definiendo cada par de piezas anulares adyacentes una acanaladura (15) entre ellas, estando la acanaladura formada radialmente dentro de la superficie interior el ánodo, estando cada acanaladura situada entre dos superficies adyacentes de unión de raíz de arco.

2. Un electrodo anódico según la reivindicación 1, en el que las piezas anulares tienden diámetros sustancialmente iguales.

3. Un electrodo anódico según la reivindicación 1, en el que al menos una pieza anular tiene un diámetro menor que una pieza anular adyacente y preferiblemente en el que la relación entre los diámetros de dos piezas anulares adyacentes es 1,25 a 1 como máximo.

4. Un electrodo anódico según cualquier reivindicación precedente, en el que la relación entre la anchura de una superficie de unión de raíz de arco y la anchura de una acanaladura adyacente está entre 1-5 a 1.

5. Un plasmatrón (3) usado para generar una corriente de gas de plasma que fluye entre un cátodo (2) y un ánodo (24) y que comprende: