AT528041B1 - Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (1) zur thermischen Behandlung eines Stoffes mit einem Heißgasstrom, umfassend eine Behandlungskammer (2), zumindest eine Vorrichtung (5) zur Bereitstellung eines Plasmas, und einen Heißgaskanal (6), wobei der Heißgaskanal (6) zwischen der Vorrichtung (5) zur Bereitstellung eines Plasmas und der Behandlungskammer (2) angeordnet oder ausgebildet ist, und einen Einlass (7) für einen mit der Vorrichtung (5) zur Bereitstellung eines Plasmas erzeugten Heißgasstrom und einen Auslass (8) in die Behandlungskammer (2) aufweist. Der Heißgaskanal (6) weist zumindest einen weiteren Auslass (8) für den Heißgasstrom in die Behandlungskammer (2) auf. Der Heißgaskanal (6) und gegebenenfalls die Vorrichtung (5) zur Bereitstellung eines Plasmas kann/können zumindest einen weiteren Einlass (7) für einen weiteren Heißgasstrom aufweisen.

Description

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes, insbesondere eines Feststoffes, mit einem Heißgasstrom, umfassend eine Behandlungskammer, eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas, und einen Heißgaskanal, wobei der Heißgaskanal zwischen der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas und der Behandlungskammer angeordnet ist, und einen Einlass für einen mit der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas erzeugten HeiRßgasstrom und einen Auslass für den Heißgasstrom in die Behandlungskammer aufweist.

[0002] Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Behandlung eines Stoffes, insbesondere eines Feststoffes, in einer Behandlungskammer mit einem HeiRßgasstrom, der in oder mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas erzeugt und über einen Heißgaskanal in die Behandlungskammer eingeleitet wird.

[0003] Der Einsatz von sogenannten Plasmabrennern unterschiedlichster Ausführungen für die thermische Behandlung von Substanzen, insbesondere von Metallen, ist bereits im Stand der Technik dokumentiert.

[0004] So beschreibt zum Beispiel die DE10 2020 202 484 A1 eine Vorrichtung zum Schmelzen von Metallen, deren Schmelztemperatur kleiner 1000 °C ist, bei der an einem Schmelzofen eine Einrichtung zur Ausbildung eines Plasma angeordnet ist, wobei die Einrichtung an eine elektrische Spannungsversorgung und an die Einrichtung mindestens eine erste Zuführung für ein Plasmagas, mit dem das Plasma ausbildbar ist, angeschlossen ist und die Einrichtung so ausgebildet, dimensioniert, angeordnet und/oder ausgerichtet ist, dass das ausgebildete Plasma in einem Abstand zum Metall als Schmelzgut angeordnet ist, und dabei mit dem Plasma ein HeiRßgasstrom ausbildbar ist, der in Richtung des Schmelzguts ausgerichtet ist und zur Aufnahme des geschmolzenen Metalls eine Schmelzwanne oder ein Tiegel im Schmelzofen angeordnet ist.

[0005] Die US 2004/107796 A1 beschreibt ein plasmaunterstütztes Schmelzverfahren, umfassend: Bilden eines Plasmas in einem Hohlraum, indem ein erstes Gas elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz von weniger als etwa 333 GHz in Gegenwart eines Plasmakatalysators ausgesetzt wird; Erhitzen eines zweiten Gases mit dem Plasma; Hinzufügen eines Feststoffs zu einem Schmelzgefäß; und Richten des erhitzten zweiten Gases auf den Feststoff, ausreichend, um den Feststoff zumindest zu schmelzen.

[0006] Induktionsplasmabrenner sind aus der EP 1 433 366 A1, der DE 69216970 T2, der EP 3 314 989 B1 und der EP 2 671 430 B1 bekannt.

[0007] Die WO 2024/031117 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas umfassend zumindest ein Plasmaerzeugungselement, in dem oder an dem zumindest eine elektrische Induktionsspule und/oder ein Magnetron angeordnet ist, und in dem weiter ein erster Strömungskanal und ein dazu konzentrisch angeordneter zweiter Strömungskanal angeordnet sind, wobei der zweite Strömungskanal den ersten Strömungskanal zumindest abschnittsweise umgibt, und der erste Strömungskanal mit einem ersten Anschluss für ein gasförmiges Fluid zur Ausbildung eines erhitzten Gasstroms oder Plasmastroms strömungsverbunden ist, und der zweite Strömungskanal mit einem zweiten Anschluss für ein gasförmiges Fluid zur Ausbildung eines Schutzvolumenstroms zwischen einer Oberfläche des Plasmaerzeugungselements und dem erhitzten Gasstrom oder Plasmastroms strömungsverbunden ist.

[0008] Aus der WO 2024/031118 A2 ist eine Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas bekannt umfassend zumindest ein Plasmaerzeugungselement mit einem Eingang und einem Ausgang für ein gasförmiges Fluid, wobei in dem Plasmaerzeugungselement ein erster Strömungskanal angeordnet ist, gegebenenfalls ein dazu konzentrisch angeordneter zweiter Strömungskanal, der den ersten Strömungskanal zumindest abschnittsweise umgibt, angeordnet ist, wobei der erste Strömungskanal mit einem ersten Anschluss für ein gasförmiges Fluid zur Ausbildung eines erhitzten Gasstroms und/oder eine Plasmastroms strömungsverbunden ist, und wobei der Eingang des Plasmaerzeugungselements mit einem Förderelement strömungsverbunden ist, mit

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dem das gasförmige Fluid beschleunigbar ist.

[0009] Die EP 3 719 833 A1 offenbart eine Oberflächenbearbeitungseinrichtung zur Verwendung in der Oberflächenbearbeitung eines Substrats, wobei die Oberflächenbearbeitungseinrichtung umfasst: eine Plasmaquelle, die eine Wand, welche eine Plasmakammer definiert, und eine an die Wand angrenzende Anregungsquelle beinhaltet; eine Bearbeitungskammer, in der ein Substrat, das eine vorbestimmte maximale seitliche Abmessung aufweist, im Gebrauch angebracht wird, wobei die Bearbeitungskammer betriebsmäßig mit der Plasmaquelle verbunden ist; und eine Übertragungsplatte zur Übertragung von Plasma im Gebrauch zwischen der Plasmaquelle und der Bearbeitungskammer, wobei die Übertragungsplatte eine Vielzahl von kreisförmigen Öffnungen umfasst, die in einer regelmäßigen Anordnung angeordnet sind.

[0010] Die US 2020/243307 A1 beschreibt ein Plasmaverarbeitungssystem, umfassend eine Plasmakammer mit einen Substratträger und eine gegenüber dem Substratträger angeordnete obere Mehrzonen-Gasinjektionselektrode, zwischen denen ein innerer Plasmabereich definiert ist.

[0011] Die US 2017/309452 A1 beschreibt eine Plasmabearbeitungsvorrichtung, umfassend: eine Kammer; einen Montagetisch, der so konfiguriert ist, dass darauf ein Zielobjekt in der Kammer montiert werden kann; eine Plasmaquelle, die so konfiguriert ist, dass sie Mikrowellen durch eine Deckenwand der Kammer in die Kammer einführt und in der Kammer ein Oberflächenwellenplasma erzeugt; eine erste Gaseinleitungseinheit, die dazu konfiguriert ist, ein erstes Gas von der Deckenwand in die Kammer einzuführen; und eine zweite Gaseinleitungseinheit, die dazu konfiguriert ist, ein zweites Gas von einer Stelle zwischen der Deckenwand und dem Montagetisch in die Kammer einzuleiten.

[0012] In der US 2013/334171 A1 wird ein Verfahren zur Ermöglichung von Lenkbarkeit in einer Plasmaverarbeitungsumgebung während der Verarbeitung eines Substrats beschrieben, umfassend: Verwalten der Leistungsverteilung während der Bearbeitung des Substrats durch Steuern der Leistungszufuhr in die Plasmabearbeitungsumgebung über eine Anordnung elektrischer Elemente; Lenken des Gasstroms während der Bearbeitung des Substrats, wobei das Lenken die Steuerung der Gasmenge umfasst, die durch eine Anordnung von Gasinjektoren in die Plasmabearbeitungsumgebung strömt, wobei einzelne der Anordnung von Gasinjektoren zwischen der Anordnung von elektrischen Elementen angeordnet sind; und Steuern des Gasausstoßes während der Bearbeitung des Substrats durch Verwalten der Menge des durch eine Anordnung von Pumpen entfernten Gasausstoßes, wobei die Anordnung von elektrischen Elementen, die Anordnung von Gasinjektoren und die Anordnung von Pumpen so angeordnet sind, dass sie eine Vielzahl von Plasmabereichen erzeugen, wobei jeder Plasmabereich der Vielzahl von Plasmabereichen im Wesentlichen gleich ist, wodurch ein gleichmäßiger Plasmabereich über das Substrat hinweg erzeugt wird.

[0013] Die DE 10 2012 107 282 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen von mindestens einem Werkstück, umfassend mindestens eine Plasmaquelle, die mit einer Energiequelle zur Erzeugung eines Plasmas verbunden ist; einen abgeschlossenen Raum, der mit der mindestens einer Plasmaquelle in fluider Verbindung steht; mindestens eine Absaugung zur Einstellung einer Druckdifferenz zwischen der mindestens einen Plasmaquelle und dem abgeschlossenen Raum. Mindestens ein Plasmaverteilungselement ist je einer Plasmaquelle in Strömungsrichtung nachgeordnet, wobei das mindestens eine Plasmaverteilungselement eine Vielzahl von Plasmaaustrittsöffnungen aufweist.

[0014] Die JP 2007-115618 A beschreibt eine Plasmaverarbeitungsvorrichtung mit einem Plasmaverarbeitungskopf, der gegenüber einem Werkstück angeordnet ist, wobei der Plasmaverarbeitungskopf mindestens ein Paar einander zugewandter Elektroden und einen Entladungsraum zwischen den Elektroden umfasst.

[0015] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas eine thermische Behandlung von einem Soff durchzuführen, ohne diesen zu schmelzen, und mit möglichst definierter, insbesondere gleichmäßiger, Temperaturverteilung in der Behandlungskammer.

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[0016] Die Aufgabe wird mit der eingangs genannten Einrichtung dadurch gelöst, dass der Heißgaskanal zumindest einen weiteren Auslass für den Heißgasstrom in die Behandlungskammer aufweist und/oder dass der Heißgaskanal und gegebenenfalls die Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas zumindest einen weiteren Einlass für einen weiteren Heißgasstrom aufweist/aufweisen.

[0017] Weiter wird die Aufgabe der Erfindung mit dem eingangs genannten Verfahren gelöst, nach dem der HeiRgasstrom über mehrere Auslässe in die Behandlungskammer eingeleitet wird.

[0018] Von Vorteil ist dabei, dass durch den zumindest einen weiteren Auslass eine Aufteilung des Heißgasstromes auf mehrere Abschnitte der Behandlungskammer erreicht werden kann. Es ist damit möglich, die Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas mit einer niedrigeren Frequenz zu betreiben, obwohl damit eine höhere Leistung verbunden ist. Die Verwendung einer niedrigeren Frequenz hat wiederum den Vorteil, dass die in der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas eingesetzte Leistungselektronik günstiger und effizienter ist, womit wiederum die Effizienz der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes verbessert werden kann. Zudem kann durch die Aufteilung der Leistung der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas auf mehrere Abschnitte der Behandlungskammer mit nur einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas oder mit einer geringeren Anzahl an Vorrichtungen zur Bereitstellung eines Plasmas pro Behandlungskammer der Installations- und Wartungsaufwand der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes reduziert werden.

[0019] Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Heißgaskanal und gegebenenfalls die Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas zumindest einen weiteren Einlass für einen weiteren Heißgasstrom aufweist/aufweisen. Die entsprechende Ausführungsvariante des Verfahrens sieht dazu vor, dass der HeiRßgasstrom vor dem Einleiten in die Behandlungskammer mit einem weiteren Heißgasstrom vermischt wird. Es ist damit eine weitere Reduktion des Temperaturniveaus der an die einzelnen Auslässe des Heißgaskanals verteilten Teilströme an Heißgas erreichbar, wenn der weitere Heißgasstrom eine Temperatur aufweist, die kleiner ist jene des Heißgasstroms aus der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas. Über die Regelung der Volumenströme an Heißgas und weiterem Heißgas kann in weiterer Folge die Temperatur des eingeleiteten HeiRgases verringert werden, indem z.B. ein entsprechend höherer Volumenstrom an „kühlerem“ weitem Heißgas zugeführt wird. Gleichzeitig kann aber eine zu starke Abkühlung des HeiRßgasstroms aus der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas, wie dies beispielsweise im Falle der Einleitung von einem Kaltgasstrom der Fall wäre, vermieden werden. Durch die Einmischung des weiteren Heißgasstroms in den HeiRgasstrom aus der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas kann also dessen hohe thermische Leistung einfacher auf mehrere kleinere thermische Gasströme aufgeteilt werden.

[0020] Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der weitere Einlass für den weiteren Heißgasstrom mit einem weiteren Heißgaskanal strömungsverbunden ist, wobei der weitere Heißgaskanal mit einem Abgasauslass aus der Behandlungskammer strömungsverbunden ist. Es kann also mit dieser Ausführungsvariante ein Kreislaufstrom erzeugt werden, sodass die Abwärme aus der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes wieder in dieser eingesetzt werden kann. Damit kann die Energiebilanz der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes verbessert werden.

[0021] Für eine homogenere Wärmeverteilung in der Behandlungskammer bzw. für eine bessere Durchmischung der Heißgasströme durch Schaffung einer größeren Mischkammer kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass der Heißgaskanal mit einer Querschnittserweiterung ausgebildet ist.

[0022] Zur weiteren Verbesserung dieser Effekte kann nach einer Ausführungsvariante dazu vorgesehen sein, dass die Querschnittserweiterung fächerförmig ausgebildet ist.

[0023] Entsprechend einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Auslass und der zumindest eine weitere Auslass unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Es ist damit möglich, Druckverluste im Heißgaskanal zu berücksichtigen bzw. darauf Einfluss

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zu nehmen, sodass durch die Auslässe zumindest annähernd gleiche Volumenteilströme an Heißgas in die Behandlungskammer gelangen. Dies wiederum ermöglicht eine homogenere Temperaturverteilung in der Behandlungskammer (bezogen auf das eingebrachte Heißgas).

[0024] Eine bessere Durchmischung bzw. eine bessere Leitung von Teilvolumina zu den Auslässen kann erreicht werden, wenn gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung im Heißgaskanal zumindest eine Strömungsleitelement angeordnet ist.

[0025] Es kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung auch vorgesehen sein, dass in der Behandlungskammer zumindest ein weiteres, den Auslass und/oder den zumindest einen weiteren Auslass überdeckendes Strömungsleitelement angeordnet ist. Der in der Behandlungskammer vorliegende Stoff wird damit nicht direkt mit den Heißgasteilströmen angeströmt, sodass eine bessere Durchmischung des eintretenden Heißgases mit der Atmosphäre in der Behandlungskammer und damit auch eine homogenere Temperaturverteilung erreichbar sind.

[0026] Entsprechend einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der HeiRgaskanal in einer Feuerfestauskleidung der Behandlungskammer ausgebildet ist. Es ist damit im Dauerbetrieb eine homogenere Temperaturverteilung erreichbar, da die Wandung der Behandlungskammer großvolumiger auf einer höheren Temperatur gehalten werden kann.

[0027] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung kann aber auch vorgesehen sein, dass der Heißgaskanal teilweise an einer Außenseite der Behandlungskammer angeordnet ist, womit der konstruktive Aufwand der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes reduziert werden kann.

[0028] Entsprechend einer Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an den Heißgaskanal zumindest eine weitere Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas angeschlossen ist. Es ist damit bei großen Gesamtleistungen möglich die Auslässe, die einer Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas zugeordnet sind, mit der weiteren Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas zu verschachteln, um den Teillastbereich zu minimieren. Die beiden Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas können wechselseitig an und ausgestellt werden. Hierdurch kann eine Leistungsreduktion erreicht werden, ohne die Leistung der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas zu reduzieren.

[0029] Nach einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Heißgaskanal zumindest einen zweiten weiteren Einlass für einen zweiten weiteren Heißgasstrom aufweist und dass in dem weiteren und dem zweiten weiteren Heißgasstrom jeweils ein Stellelement zur Unterbrechung der Zufuhr des weiteren Heißgases in den Heißgaskanal oder in die Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas angeordnet ist. Es ist damit möglich, die Zufuhr der beiden weiteren HeiRßgasströme zeitweise zu unterbrechen, sodass der mit der Vorrichtung zur Bereitstellung eines Plasmas gebildete HeiRgasstrom je nach Zufuhr eines der beiden weiteren HeiRgasströme in eine Richtung gelenkt werden kann. Es ist damit ebenfalls eine Aufteilung des Heißgasstromes auf mehrere Abschnitte der Behandlungskammer möglich.

[0030] Es kann nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas in einem Winkel von ungleich 90 ° zur Wand der Behandlungskammer angeordnet ist. Mit dieser Ausführungsvariante kann also der Heißgasstrom schräg verlaufend ausgebildet sein, bezogen auf die Behandlungskammer, womit die Größe der Mischzone zur Vermischung mit dem weiteren Heißgasstrom verändert werden kann.

[0031] Der Auslass des Heißgasstroms in die Behandlungskammer kann nach einer Ausführungsvariante der Erfindung schlitzförmig ausgebildet sein, um damit einen breiteren Abschnitt der Behandlungskammer zu erreichen. Zudem ist damit auch eine Reduktion von Wärmeverlusten erreichbar.

[0032] Zur Reduktion von Wärmeverlusten kann entsprechend einer Ausführungsvariante der Erfindung auch vorgesehen sein, dass eine Wand der Behandlungskammer, die den Auslass für den Heißgasstrom aufweist, an einer Außenseite ein Material mit einer kleineren Wärmeleitfähigkeit aufweist, als ein Material an einer Innenseite hat.

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[0033] Zur weiteren Beeinflussung der Temperatur des in die Behandlungskammer austretenden Heißgases kann gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung vorgesehen sein, dass in der Zuführung für den weiteren Heißgasstrom zum Heißgaskanal und/oder zur Vorrichtung zumindest ein Wärmetauscher angeordnet ist. Mit dem Wärmetauscher kann zudem auch die dem weiteren Heißgasstrom entzogene Wärme für einen anderen Prozess eingesetzt werden.

[0034] Zur Verbesserung der Strömungsbedingungen für das Heißgas im Heißgaskanal kann nach einer Ausführungsvariante vorgesehen sein, dass der Heißgaskanal zumindest abschnittsweise mit einem Feuerfestmaterial ausgekleidet ist.

[0035] Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.

[0036] Es zeigen jeweils in vereinfachter, schematischer Darstellung:

[0037] Fig. 1 eine Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes in Draufsicht;

[0038] Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes;

[0039] Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer weiteren Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes;

[0040] Fig. 4 ein Schema für die Verschachtelung von zwei Vorrichtungen zur Bereitstellung eines Plasmas;

[0041] Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer anderen Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes;

[0042] Fig. 6 ein Detail einer Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes;

[0043] Fig. 7 ein anderes Detail der Ausführungsvariante der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes nach Fig. 6;

[0044] Fig. 8 ein Detail einer Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes;

[0045] Fig. 9 ein anderes Detail der Ausführungsvariante der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes nach Fig. 8;

[0046] Fig. 10 ein Detail einer Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes;

[0047] Fig. 11 ein anderes Detail der Ausführungsvariante der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes nach Fig. 10;

[0048] Fig. 12 ein Detail einer Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes;

[0049] Fig. 13 ein anderes Detail der Ausführungsvariante der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes nach Fig. 12;

[0050] Fig. 14 ein anderes Detail der Ausführungsvariante der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes nach Fig. 12;

[0051] Fig. 15 ein Detail einer Ausführungsvariante einer Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes;

[0052] Fig. 16 ein anderes Detail der Ausführungsvariante der Einrichtung zur thermischen Behandlung eines Stoffes nach Fig. 15.

[0053] Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen

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werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind diese Lageangaben bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.

[0054] In Fig. 1 ist eine Einrichtung 1 zur thermischen Behandlung eines Stoffes (im Folgenden nur mehr als Einrichtung 1 bezeichnet) vereinfacht in Draufsicht dargestellt.

[0055] Der Stoff ist insbesondere ein Feststoff, beispielsweise ein Metall oder eine metallische Legierung, z.B. Stahl oder Aluminium, oder ein keramischer Feststoff. Es können aber auch andere Stoffe, beispielsweise flüssige Stoffe mit der Einrichtung 1 thermisch behandelt werden.

[0056] Die thermische Behandlung ist eine Behandlung bei einer Temperatur über der Raumtemperatur. Vorzugsweise erfolgt im Zuge der thermischen Behandlung keine Änderung des Aggregatzustandes des behandelten Stoffes. Beispielsweise kann die thermische Behandlung eine Glühung von einem Metall, z.B. von einem Metallband oder einer Metallstange oder einem Metallrohr, etc., sein, um den Stoff z.B. auf einen weiteren Bearbeitungsschritt, z.B. einen Umformschritt, vorzubereiten, oder um eine Rekristallisation nach einem Behandlungsschritt zu ermöglichen. Diese Aufzählung hat nur beispielhaften Charakter und soll nicht zwingenderweise die Erfindung beschränkend verstanden werden.

[0057] Die Einrichtung 1 kann beispielsweise eine Rollenherdofen sein. Die Einrichtung 1 kann aber auch anders ausgeführt sein, solange sie wie nachstehend beschrieben ausgebildet ist.

[0058] Die Einrichtung 1 umfasst eine Behandlungskammer 2, in der sich der Stoff während der thermischen Behandlung befindet. Die Behandlungskammer 2 weist ein Gehäuse 3 auf, das zumindest teilweise von einer Wand 4 gebildet ist. Das Gehäuse 3 kann auch mehrere dieser Wände 4 aufweisen. Die Wand 4 bildet bzw. die Wände 4 bilden insbesondere eine oder mehrere Seitenwände und/oder eine Deckenwand und/oder eine Bodenwand des Gehäuses 3.

[0059] Weiter umfasst die Einrichtung 1 zumindest eine Vorrichtung 5 zur Bereitstellung eines Plasmas (im Folgenden nur mehr als Vorrichtung 5 bezeichnet), mit der thermische Energie für die thermische Behandlung des Stoffes bereitgestellt wird. Die Vorrichtung 5 kann beispielsweise wie in der WO 2021/170652 A1 beschrieben als Mikrowellenplasmabrenner ausgeführt sein. Vorrichtung 5 kann generell dem Stand der Technik entsprechend ausgebildet sein. Insbesondere ist die Vorrichtung 5 ein Induktionsplasmabrenner (induktiv gekoppeltes Plasma).

[0060] Mit der Vorrichtung 5 wird ein Plasma bzw. eine Plasmastrom erzeugt, das in der Folge einen Heißgasstrom erzeugt, der in die Behandlungskammer 2 eingeleitet wird. Dazu umfasst die Vorrichtung 5 zumindest ein Plasmaerzeugungselement (auch als Plasmabrenner bezeichenbar). Das Plasmaerzeugungselements weist einen Elementkörper (auch als Brennerkörper bezeichenbar) auf. Im bzw. am Elementkörper ist zumindest eine elektrische Induktionsspule für die Plasmaerzeugung angeordnet. Es können auch mehrere Induktionsspulen eingesetzt werden, die gegebenenfalls unabhängig voneinander regel- und/oder steuerbar ausgeführt sein können. Die mehreren Induktionsspulen können in Strömungsrichtung des/der gasförmigen Fluids/Fluide hintereinander angeordnet sein. Vorzugsweise ist die bzw. umfasst die Vorrichtung 5 ein/einen sogenannter ICP Brenner (inductively coupled plasma ). Die Vorrichtung 5 kann jedoch auch anders ausgeführt sein, beispielsweise als DC Plasma Brenner (Direct Current Plasma). Die mehreren Induktionsspulen können mit gleicher Frequenz oder mit verschiedenen Frequenzen angeregt werden.

[0061] Die Plasmaerzeugung kann auch anders erfolgen, beispielsweise mittels eines Magnetrons oder generell mit Mikrowellen (beispielsweise mittels eines Solid State Mikrowellengenerators erzeugt) oder mittels zweier Elektroden, etc.

[0062] Weiter können im Elementkörper ein erster Strömungskanal für ein erstes gasförmiges Fluid und ein konzentrisch angeordneter zweiter Strömungskanal für ein zweites gasförmiges Fluid angeordnet sein. Der erste und der zweite Strömungskanal können rohrförmig ausgebildet sein. Der erste Strömungskanal kann in einem radialen Abstand zum zweiten Strömungskanal

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angeordnet sein. Über den Abstand kann u.a. auch die Geschwindigkeit des Schutzgasstroms eingestellt werden.

[0063] Der erste Strömungskanal weist eine Zuführung für ein gasförmiges Fluid und der zweite Strömungskanal weist eine Zuführung für ein, gegebenenfalls unterschiedliches, gasförmiges Fluid auf.

[0064] Zu weiteren Einzelheiten zur Plasmaerzeugung, insbesondere zu einem ICP Brenner, sei auf den hierfür einschlägigen Stand der Technik verwiesen.

[0065] Die Einrichtung 1 kann auch mehr als eine Vorrichtung 5 aufweisen. Beispielsweise weist die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung 1 zwei derartige Vorrichtungen 5 auf, und zwar jeweils eine Vorrichtung 5 auf einer von zwei Wänden 4, die insbesondere die Längsseitenwände der Einrichtung 1 bilden, wenn die Einrichtung 1 als Durchlaufeinrichtung, wie beispielsweise als Rollenherdofen, ausgebildet ist. Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsvariante der Einrichtung 1 weist die Vorrichtungen 5 an einem Ende der Einrichtung 1 auf. Die Vorrichtungen 5 können aber auch mittig angeordnet sein, wie dies strichliert angedeutet ist. Weiter besteht die Möglichkeit, dass mehr als eine Vorrichtung 5 pro Wand 4 angeordnet ist, beispielsweise zwischen zwei und 10 Vorrichtungen pro Wand 4. Die genaue Anzahl an Vorrichtungen 5 richtet sich dabei nach der Länge/Größe der Einrichtung 1 bzw. der Behandlungskammer 2 und/oder nach dem Bedarf an thermischer Energie für die Behandlung des Stoffes in der Einrichtung 1.

[0066] Wie aus Fig 1 ersichtlich, müssen nicht alle Wände 4 mit zumindest einer Vorrichtung 5 versehen sein. Die Anordnung an parallel zur Durchlaufrichtung des Stoffes durch die Einrichtung 1 verlaufenden Wänden ist die bevorzugte, wenn eine möglichst homogene Temperaturverteilung in der Behandlungskammer 2 gewünscht ist.

[0067] Sofern mehr als eine Vorrichtung 5 angeordnet ist, sind vorzugsweise alle Vorrichtungen 5 gleich ausgebildet. Die Vorrichtungen 5 können alternativ oder zusätzlich dazu auch an der Deckenwand und/oder der Bodenwand des Gehäuses 3 der Behandlungskammer 2 angeordnet sein.

[0068] Die Einrichtung 1 umfasst weiter zumindest einen Heißgaskanal 6. Der HeiRgaskanal 6 ist zwischen der Vorrichtung 5 und der Behandlungskammer 2 angeordnet. Der HeiRgaskanal 6 weist zumindest einen Einlass 7 (d.h. eine Einlassöffnung) auf, über die das mit der Vorrichtung 5 erzeugte Heißgas in den Heißgaskanal 6 eingespeist wird bzw. in die bzw. durch die die Plasmafackel reicht.

[0069] Weiter weist der HeiRgaskanal 6 zumindest zwei Auslässe 8 (Auslassöffnungen) auf. Die Auslässe 8 sind beabstandet zueinander angeordnet. Dementsprechend können durch die Auslässe 8 Teilströme 9 des HeiRgasstromes aus dem Heißgaskanal 6 in die Behandlungskammer 2 eingeleitet werden. Die Anzahl an Teilströmen 9, auf die sich der HeiRgasstrom aufteilt ergibt sich aus der Anzahl an Auslässen 8.

[0070] Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsvariante der Einrichtung 1 ist pro Vorrichtung 5 ein HeiRgaskanal 6 angeordnet bzw. ausgebildet. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass mehr als eine Vorrichtung 5 an einen HeiRgaskanal 6 angeschlossen bzw. damit strömungsverbunden ist.

[0071] Weiter ist in Fig. 1 in durchgezogenen Linien gezeigt, dass pro HeiRgaskanal 6 zwei Auslässe 8 für das HeiRgas vorgesehen sind. We anhand der strichlierten Darstellung in Fig. 1 erkannt werden kann, können auch mehr als zwei Auslässe 8 zur Zufuhr von mehr als zwei Teilströmen 9 pro Vorrichtung 5 und/oder pro Wand 4, der die zumindest eine Vorrichtung 5 zugeordnet ist, angeordnet bzw. ausgebildet sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass die mehreren Auslässe 8 über die Gesamtlänge der jeweiligen Wand 4 verteilt und zueinander beabstandet angeordnet sind.

[0072] Wie bereits voranstehend ausgeführt, können einer Wand 4 oder mehreren Wänden 4 des Gehäuses 3 der Behandlungskammer 2 auch mehr als eine Vorrichtung 5 zugeordnet sein, wobei jeder dieser Vorrichtungen 5 ein eigener HeiRgaskanal 6 mit zumindest zwei Auslässen 8

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zugeordnet sein kann. Die jeweilige Auslegung bzgl. Anzahl an Vorrichtungen 5, Anzahl an Heißgaskanälen 6 und Anzahl an Auslässen 8 kann sich dabei nach der Art der thermischen Behandlung des Stoffes, nach dem Stoff selbst und/oder nach dem Bedarf an thermischer Energie in der Behandlungskammer 2 richten.

[0073] Die Einrichtung 1 kann auch noch weitere Bestandteile aufweisen. Diese weiteren Bestandteile können dem einschlägigen Stand der Technik für derartige Einrichtungen 1 entsprechend ausgebildet bzw. ausgeführt sein, sodass zu Einzelheiten dazu auf diesen Stand der Technik verwiesen sei.

[0074] In den Fig. 2 bis 16 sind weitere und gegebenenfalls für sich eigenständige Ausführungsvarianten der Einrichtung 1 ausschnittsweise gezeigt, wobei wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen bzw. Bauteilbezeichnungen wie in Fig. 1 verwendet werden. Um unnötige WMederholungen zu vermeiden, wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 hingewiesen bzw. Bezug genommen.

[0075] Fig. 2 zeigt ein Detail einer Ausführungsvariante der Einrichtung 1. Konkret ist die Vorrichtung 5 mit einem Plasmaerzeugungselement 10 zu sehen, die an einer der Wände 4 des Gehäuses 3 der Behandlungskammer 2 angeordnet ist. Der Heißgaskanal 6 weist den Einlass 7 für das Heißgas auf. Weiter verzweigt sich der Heißgaskanal 6 zu vier Auslässen 8, über die jeweils ein Teilstrom 9 des HeiRgases in die Behandlungskammer 2 einströmt. Bzgl. der Anzahl an Auslässen 8 sei auf voranstehende Ausführungen verwiesen.

[0076] Bei dieser Ausführungsvariante wird dem mit der Vorrichtung 5 erzeugten Heißgasstrom zumindest ein weiterer HeiRgasstrom zugefügt. Dazu weist die Vorrichtung 5 zumindest einen weiteren Einlass 7 für den weiteren HeiRgasstrom auf. Konkret sind in Fig. 2 zwei weitere Einlässe 7 für den weiteren Heißgasstrom in der Vorrichtung 5 angeordnet bzw. ausgebildet. Es können auch mehr als zwei weitere Einlässe 7 vorhanden sein, beispielsweise drei oder vier oder fünf oder sechs. Der weitere Einlass 7 oder die weiteren Einlässe 7 sind in einem Seitenbereich der Vorrichtung 5 angeordnet bzw. ausgebildet. Bei mehr als einem weiteren Einlass 7 sind diese vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Plasmaerzeugungselements 10 verteilt angeordnet, also beispielsweise im 180 ° (siehe Fig. 2) oder 120 ° oder 90 °, etc., zueinander versetzt angeordnet. Es besteht auch die Möglichkeit, dass der weitere Einlass 7 als Ringkanal ausgebildet ist, der das Plasmaerzeugungselement 10 vollumfänglich umgibt.

[0077] Alternativ oder zusätzlich dazu kann der weitere Einlass 7 auch in der Wand 4 im Gehäuse 2 angeordnet sein, wie dies strichliert in Fig. 2 dargestellt ist.

[0078] Der weitere Heißgasstrom wird über den zumindest einen weiteren Einlass 7 so zugeführt, dass eine Vermischung des durch das Plasmaerzeugungselement 10 erzeugten Heißgasstroms mit dem weiteren Heißgasstrom erfolgt. Dazu kann, wie in Fig. 2 gezeigt, der Einlass 7 einen Einlasskanal 11 aufweisen, der in den Heißgaskanal 6 mündet. Der Einlasskanal 11 steht insbesondere schräg zu einer durch das Plasmaerzeugungselement 10 verlaufenden Längsmittelachse 12, wobei zwischen dieser und dem Einlasskanal 11 ein spitzer Winkel 13 ausgebildet ist. Der weitere Heißgasstrom wird also vorzugsweise in Richtung auf den aus dem Plasmaerzeugungselement 10 austretenden Heißgasstrom gerichtet zugeführt.

[0079] Zur besseren Durchmischung des Heißgasstromes mit dem weiteren HeiRgasstrom kann im Bereich des Einbringens des weiteren HeiRgasstromes in den Heißgaskanal 6 dieser mit einer Mischzone 14 ausgebildet sein, in der der Heißgaskanal 6 einen größeren Querschnitt aufweist.

[0080] Als weiteres HeiRgas wird vorzugsweise ein Gas zugeführt, das auch dem Plasmaerzeugungselement 10 für die Herstellung des Heißgasstromes zugeführt wird. Das Gas kann beispielsweise ein Inertgas, wie z.B. Argon oder Stickstoff oder eine Mischung daraus sein. Es ist aber auch möglich, sofern oxidierende Eigenschaften des Heißgases im Prozess mit dem zu behandelnden Stoff nicht störend sind, z.B. Luft, etc., zu verwenden.

[0081] Das weitere HeiRgas weist vorzugsweise eine Temperatur auf, die geringer ist als die Temperatur des mit dem Plasmaerzeugungselement 10 erzeugten Heißgases. Insbesondere beträgt die Temperatur des weiteren Heißgases maximal 80 %, vorzugsweise maximal 50 %, bei-

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spielsweise zwischen 5 % und 20 %, der Temperatur des mit dem Plasmaerzeugungselement 10 erzeugten Heißgases. Beispielsweise kann das Heißgas eine Temperatur zwischen 7000 °C und 10000 °C aufweisen.

[0082] Das weitere Heißgas kann beispielsweise eine Temperatur zwischen 500 °C und 2000 °C aufweisen.

[0083] Mit dem weiteren Heißgasstrom kann der mit dem Plasmaerzeugungselement 10 erzeugte Heißgasstrom „abgekühlt“ werden, sodass das der Behandlungskammer 2 zugeführt Heißgas besser an verschiedenste thermische Behandlungen von Stoffen anpassbar ist. Es ist damit einfacher, eine „Verteilung an thermischer Leistung“ im gewünschten Temperaturniveau auf die mehreren Auslässe 8 zu erreichen. Zudem kann damit einfacher eine leistungsstärkere Vorrichtung 5 mit einen niedrigeren Frequenz betrieben werden, wie dies voranstehend bereits ausgeführt wurde.

[0084] Die Abkühlung des HeiRgases aus der Vorrichtung 5 mit dem weiteren HeiRgasstrom kann über die Regelung der Volumenströme an Heißgas und weiterem Heißgas erfolgen. Dabei weist vorzugsweise der weitere HeiRgasstrom einen größeren Volumenstrom auf, als der Heißgasstrom, um eine entsprechend Reduktion des Temperaturniveaus zu erreichen, falls dies in Bezug auf die thermische Behandlung des Stoffes in der Behandlungskammer 2 gewünscht ist. Die konkret verwendeten Volumenströme richten sich somit primär nach dem gewünschten Temperaturniveau der thermischen Behandlung. Beispielsweise kann die Temperatur im HeiRgas 7000 °C betragen. Die Temperatur im weiteren HeiRßgas kann 1000 °C betragen. Durch Regelung des Volumenstromverhältnisses von Heißgas zu weiterem Heißgas kann die gewünschte Mischtemperatur (z.B. 1400 °C) eingestellt werden.

[0085] Das weitere HeiRgas kann in einer gesonderten Vorrichtung zur Erzeugung eines Heißgases erzeugt werden. Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsvariante stammt der weitere Heißgasstrom aber aus dem Prozess selbst. Dazu kann nach einer Ausführungsvariante die Behandlungskammer 2 zumindest einen Abgasauslass 15 (Auslassöffnung) aufweisen, über den ein Abgas aus der Behandlungskammer 2 als weiteres HeiRgas der Vorrichtung 5 wieder zugeführt wird, wie dies in Fig. 1 schematisch gezeigt ist. Der zumindest eine weitere Einlass 7 für das weitere Heißgas ist dazu mit dem zumindest einen Abgasauslass 15 aus der Behandlungskammer 2 über einen weiteren HeiRgaskanal 16 strömungsverbunden.

[0086] Die Fig. 1 zeigt dazu auch noch eine weitere Ausführungsvariante der Einrichtung 1. Zu weiteren Reduktion der Temperatur des weiteren HeiRgasstromes kann im weiteren HeiRßgaskanal 16 auch zumindest ein Wärmetauscher 17 angeordnet sein, mit dem dem aus der Behandlungskammer 2 stammenden weiteren Heißgas thermische Energie entzogen werden kann. Diese thermische Energie kann gegebenenfalls in einem weiteren Prozess eingesetzt werden. Der Wärmetauscher 17 kann dem Stand der Technik entsprechend ausgebildet sein.

[0087] Nach einer Ausführungsvariante dazu kann noch zumindest ein weiterer Wärmetauscher 17 im weiteren Heißgaskanal 16 angeordnet sein, wie dies ebenfalls aus Fig. 1 ersichtlich ist.

[0088] Bei dieser Ausführungsvariante können die beiden Wärmetauscher 17 Wärmespeicherelemente aufweisen, die z.B. durch einen Werkstoff auf Basis von oder mit Aluminiumoxid (Al2O3), Siliziumdioxid (SiO2), Eisen(Ill)oxid (Fe2O3), Titandioxid (TiO2), Kaliumoxid (K2O), Calziumoxid (CaO), Natriumoxid (Na20), etc., gebildet sind.

[0089] Die Wärmespeicherelemente dienen dazu, von dem Abgas aus der Behandlungskammer 2, das durch die Wärmetauscher 17 geleitet wird, Wärme aufzunehmen und für eine spätere Verwendung zu speichern.

[0090] Die beiden Wärmetauscher 17 können auch abwechselnd mit dem Abgas aus der Behandlungskammer 2 beaufschlagt werden, wodurch die Wärmespeicherelemente eines Wärmetauschers 17 aufgeladen werden können, während die Wärmespeicherelemente des anderen Wärmetauschers 17 zur Erzeugung des weiteren HeiRgasstroms eingesetzt werden können.

[0091] Es sei darauf hingewiesen, dass in Fig. 1 Gasförderelemente, wie z.B. ein Ventilator, etc.,

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nicht dargestellt sind.

[0092] Falls das weitere Heißgas für die Zumischung zum mit dem Plasmaerzeugungselement 10 erzeugten Heißgas noch zu heiß ist, besteht nach einer Ausführungsvariante der Einrichtung 1 die Möglichkeit, das weitere Heißgas vor der Einleitung in die Vorrichtung 5 oder den Heißgaskanal 6 mit einem kühleren Frischgas zu vermischen.

[0093] Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsvariante der Einrichtung 1 entspricht im Wesentlichen jener nach Fig. 2. Der wesentliche Unterschied ist, dass bei der Ausführungsvariante nach Fig. 3 der HeiRgaskanal 6 unmittelbar vor den Auslässen 8 mit Querschnittserweiterungen 18 ausgebildet ist. Damit wird auch der Querschnitt der Auslässe 8 vergrößert, sodass der (mit dem weiteren Heißgasstrom vermischte) HeiRgasstrom bzw. die Teilströme 9 großflächiger in die Behandlungskammer 2 eingebracht wird bzw. werden. Dies wiederum erlaubt eine gleichmäßigere Verteilung der zugeführten thermischen Energie in der Behandlungskammer 2.

[0094] In der bevorzugten und in Fig. 3 gezeigten Ausführungsvariante sind die Querschnittserweiterungen 18 im Querschnitt fächerförmig bzw. trapezförmig ausgebildet. Die Querschnittserweiterungen 18 können aber auch eine andere Form aufweisen.

[0095] Die Querschnittserweiterungen 18 können nur unmittelbar vor den Auslässen 8 ausgebildet sein, oder bereits in tieferen Regionen des Heißgaskanals 6 beginnend ausgebildet bzw. angeordnet sein. Beispielsweise können die Querschnittserweiterungen 18 jeweils an den Bereichen beginnend ausgebildet sein, an denen sich der HeiRgaskanal 6 zu den Auslässen 8 verzweigt, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

[0096] Prinzipiell kann die Einrichtung 1 eine oder mehrere Vorrichtung(en) 5 aufweisen, wie dies bereits voranstehend ausgeführt wurde. Mit der Darstellung in Fig. 4 soll verdeutlicht werden, dass es zur Leistungserhöhung möglich ist, zwei Vorrichtungen 5 vorzusehen. Zur besseren Unterscheidbarkeit ist die rechte Vorrichtung 5 mit einer Kreuzschraffur versehen, während die linke Vorrichtung 5 nur eine einfache Schraffur aufweist.

[0097] Die beiden Vorrichtungen 5 sind jeweils mit mehreren weiteren Einlässen 7 für das weitere Heißgas versehen. Diese weiteren Einlässe 7 sind verschachtelt angeordnet, wie dies anhand der kleineren Kreise in Fig. 4 verdeutlicht wird. Es ist damit möglich den Teillastbereich zu minimieren. Die beiden Vorrichtungen 5 werden wechselseitig an- und abgestellt, wodurch eine globale Leistungsreduktion erreicht werden kann, ohne die Leistung der einzelnen Vorrichtungen 5 zu reduzieren. Durch die Verschachtelung der weiteren Einlässe 7 werden auch Bereiche von beiden Vorrichtungen 5 abgedeckt, sodass also auch bei abgeschalteter Vorrichtung 5 noch das weitere Heißgas dem der abgeschalteten Vorrichtung 5 zugeordneten Abschnitt der Behandlungskammer 2 zugeführt wird.

[0098] Bei der Ausführungsvariante der Einrichtung 1 nach Fig. 5 sind wieder zwei oder mehrere weitere Einlässe 7 für das weitere HeiRgas vorgesehen. In der Zuführung des weiteren Heißgases, d.h. im weiteren Heißgaskanal 16, sind Stellelemente 19 vorgesehen. In der konkret dargestellten Ausführungsvariante ist pro Einlass 7 ein Stellelement 19 vorgesehen, wobei sich der weitere HeiRgaskanal 16 vor den Stellelementen 19 verzweigt. Alternativ dazu kann nur ein Stellelement 19 eingesetzt werden, das an der Verzweigungsstelle angeordnet wird. Die Anordnung nach der Verzweigung hat jedoch den Vorteil, dass bedarfsweise auch beide bzw. mehrere Abschnitte des weiteren Heißgaskanals 16 nach den Stellelementen 19 gleichzeitig mit dem weiteren HeiRßgas beströmbar sind.

[0099] Das Stellelement 19 bzw. die Stellelemente 19 sind so ausgebildet, dass sie den im Strömungsverlauf nachfolgenden Abschnitt des weiteren HeiRgaskanals 16 auf „offen“ oder auf „geschlossen“ stellen, sodass je nach Stellung das weitere Heißgas in diesen Abschnitt einströmen kann oder nicht. Ein Stellelement 19 kann beispielsweise eine einfache Klappe sein, die zwischen einer Geschlossenstellung und einer Offenstellung verstellt werden kann. Bei nur einem Stellelement 19 kann dieses z.B. als Dreiwegeventil ausgeführt sein. Es sind auch Ausführungen möglich, bei denen das jeweilige Stellelement 19 in einer Zwischenstellung zwischen der Geschlossen- und der Offenstellung nur einen Teilstrom an weiterem Heißgas durchlässt.

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[00100] Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, ist der HeiRgaskanal 6 bereits vom Beginn an bis zu dem Auslass 8 mit der Querschnittserweiterungen 18 ausgebildet. Dies ermöglicht, den aus dem Plasmaerzeugungselement 10 austretenden Heißgasstrom mit den weiteren HeiRgasströmen abzulenken, sodass der HeiRgasstrom beispielsweise nach links oder rechts (in Fig. 5 mit Pfeilen angedeutet) gelenkt wird. Dadurch ist eine Verteilung der thermischen Energie auf einen größeren Abschnitt der Einbringung in die Behandlungskammer 2 erreichbar.

[00101] In Fig. 5 ist für die Einbringung des Heißgases in die Behandlungskammer 2 nur ein Auslass 8 vorgesehen. Diese Ausführungsvariante der Erfindung kann eine eigenständige Erfindung sein, da sie auch ohne zumindest einen weiteren Auslass 8 eine Verteilung der thermischen Leistung des Plasmaerzeugungselements 10 auf einen größeren Abschnitt der Einrichtung 1 ermöglicht. Es kann jedoch auch bei dieser Ausführungsvariante der Einrichtung 1 vorgesehen werden, dass der Heißgaskanal 6 mehrere Auslässe 8 aufweist, und dass der HeiRgasstrom mittels der weiteren HeiRgasströme entsprechend voranstehenden Ausführungen auf die mehreren Auslässe 8 alternierend verteilt wird.

[00102] Die Fig. 6 und 7 zeigen Ausschnitte aus einer Ausführung der Einrichtung 1, die zwei weitere Ausführungsvarianten aufweist. Zum einen ist in Fig. 6, die einen Schnitt durch die Wand 4 des Gehäuses 3 der Behandlungskammer 2 zeigt, an der außen die Vorrichtung 5 angeordnet ist, die Vorrichtung 5 in einem Winkel 20 von ungleich 90 ° zur Wand 4 der Behandlungskammer 2 angeordnet. Auf diese Weise kann der Weg des HeiRgases im Heißgaskanal 6 verlängert werden, womit eine Vergrößerung der Mischzone 14 zur Vermischung des Heißgases aus der Vorrichtung 5 bzw. dem Plasmaerzeugungselement 10 und dem weiteren Heißgas und damit eine bessere Durchmischung der Heißgase erreicht werden kann.

[00103] Der Winkel 20 wird zwischen der Längsmittelachse 12 durch das Plasmaerzeugungselement 10 und der Wand 4 gemessen. In der vorliegenden bevorzugten Ausführung ist die Vorrichtung 5 mit dem Austritt des Plasmas schräg nach unten verlaufend angeordnet, da ein heißes Gas bekannterweise aufsteigt. Somit kann mit dem Eintritt des Heißgasstromes in die Behandlungskammer eine bessere Wärmeverteilung erreicht werden. Der Austritt schräg nach unten hat zudem den Vorteil, dass das direkte Auftreffen des HeiRgasstromes auf eine Wand 4 verzögert werden kann.

[00104] Alternativ dazu kann jedoch die Vorrichtung 5 mit dem Austritt des Plasmas schräg nach oben verlaufend an der Wand 4 angeordnet sein.

[00105] Der Winkel 20 kann beispielsweise zwischen 10 ° und 80 °, insbesondere zwischen 20 ° und 60 ©, betragen.

[00106] In Fig. 7, die eine Ansicht auf die innere Oberfläche der Wand 4 zeigt, ist dargestellt, dass der Auslass 8 und der zumindest eine weitere Auslass 8 (in Fig. 7 sind vier weitere Auslässe 8 gezeigt, wobei diese Anzahl nicht beschränkend verstanden werden soll) unterschiedliche Querschnitte aufweisen können. Beispielsweise kann der mittige Auslass 8 den kleinsten Querschnitt aufweisen, während die beiden äußeren Auslässe 8 jeweils den größten Querschnitt aufweisen können. Ebenso kann die Form der Auslässe 8 unterschiedliche sein. Z.B. kann der mittige Auslass 8 kreisrund ausgebildet sein, während die beiden äußeren Auslässe 8 jeweils eine ovale bzw. längliche Form aufweisen können.

[00107] Mit diesen Ausführungsvarianten der unterschiedlichen Größe und/oder Form der Auslässe 8 kann dem unterschiedlichen Druckverlusten im Heißgaskanal 6 Rechnung getragen werden, sodass aus den Auslässen 8 im Wesentlichen die gleichen Volumenströme an Heißgas (und damit die im Wesentlichen gleiche thermische Energie) austreten und in die Behandlungskammer 2 eingebracht werden kann. Je nach Verlauf des Heißgaskanals 6 können also die Form und/oder Größe der zumindest zwei Auslässe 8 der Einrichtung 1 auch unterschiedlich zu den in Fig. 7 gezeigten sein.

[00108] Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsvariante der Einrichtung 1 ist die zumindest eine Vorrichtung 5 an einer Rückseite der Wand 4 angeordnet. Wie die Fig. 8 und 9 zeigen, kann die Vorrichtung 5 aber auch an einer oberen oder unteren oder seitlichen Stirnfläche 21 der Wand 4

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angeordnet sein. In der konkreten Darstellung ist es die obere Stirnfläche 21.

[00109] Weiter zeigt die Fig. 8 einen Längsschnitt durch die Wand 4. Wie anhand der Darstellung erkannt werden kann, ist der Heißgaskanal 6 wieder mit der Querschnittserweiterung 18 ausgebildet. In dieser Querschnittserweiterung 18 sind ein oder mehrere Strömungsleitelemente 22 angeordnet. Generell kann im HeiRgaskanal 6 zumindest ein Strömungsleitelement 22 angeordnet sein. Die Anordnung des Strömungsleitelements 22 ist also nicht auf die konkret in Fig. 8 gezeigte Ausführungsvariante beschränkt.

[00110] Die Strömungsleitelemente 22 können beispielsweise Leitbleche sein oder stegförmig ausgebildet sein. Sie können einstückig mit der Wand 4 ausgebildet sein oder als gesonderte Bauteile in den Heißgaskanal 6 eingesetzt sein.

[00111] In der konkret dargestellten Ausführungsvariante sind die Strömungsleitelemente 22 in etwa fächerförmig aufgeteilt bzw. angeordnet. Zudem sind die Strömungsleitelemente 22 unterschiedlich lang. Die konkrete Ausbildung der Strömungsleitelemente 22 richtet sich auch bei dieser Ausführung nach der konkreten Ausführung des HeiRgaskanals 6 bzw. der Auslässe 8. In der dargestellten Ausführungsvariante sind die mehreren Auslässe 8 zu einem einzigen schlitzförmigen Auslass 8 „verschmolzen“, wie dies die Ansicht auf die Innenseite der Wand 4 in Fig. 9 zeigt. Zur Vermeidung, dass bei dieser Ausführung des Auslasses 8 kein ausschließlicher Zentralstrom entsteht, sind die Strömungsleitelemente 22 im Heißgaskanal 6 angeordnet.

[00112] Generell kann mit den Strömungsleitelementen 22 eine Lenkung des Heißgasstromes und/oder Aufteilung des Heißgasstromes auf die mehreren Teilströme 9 (siehe z.B. Fig. 1) erreicht werden. Es ist damit die Ausbildung des Heißgaskanals 6 einfacher, da gegebenenfalls auf eine physische Aufteilung des Heißgaskanals 6 auf mehrere Kanalabschnitte, wie dies z.B. bei den Ausführungsvarianten nach den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, nicht erforderlich ist.

[00113] Strichliert zeigt Fig. 9 eine weitere Ausführungsvariante der Einrichtung 1. Bei dieser ist vorgesehen, dass in der Behandlungskammer 2 zumindest ein weiteres, den Auslass 8 und/oder den zumindest einen weiteren Auslass 8 überdeckendes Strömungsleitelement 23 beabstandet zum Auslass 8 und/oder den zumindest einen weiteren Auslass 8 angeordnet ist. Dieses Strömungsleitelement 23 kann beispielsweise ein Leitblech sein, das verhindert, dass der Heißgasstrom unmittelbar bzw. direkt auf den in der Behandlungskammer 2 sich befindenden und thermisch zu behandelnden Stoff trifft. Im Wesentlichen kann das weitere Strömungsleitelement 23 beispielsweise eine Art „Prallblech“ sein, das den aus dem Auslass 8 bzw. den Auslässen 8 austretenden Heißgasstrom zwingt, die Strömungsrichtung zu ändern.

[00114] Eine zu der Ausführungsvariante der Einrichtung 1 nach den Fig. 8 und 9 ähnliche Ausführungsvariante ist in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Bei dieser ist jedoch wiederum eine weitere Vorrichtung 5 angeordnet, sodass also zwei Vorrichtungen 5 das von diesen erzeugte Heißgas in den HeiRgaskanal 6 einspeisen. In der Betrachtung auf die Papierebene haben die Begrenzungslinien der Querschnittserweiterung 18 des Heißgaskanals 6 Ähnlichkeit mit dem Buchtstaben M. Der Auslass 8 ist wieder schlitzförmig ausgebildet (kann aber, wie bei allen Ausführungsvarianten, auch eine andere Form haben). Um auch bei dieser Ausführungsvariante eine möglichst gleichmäßige Beströmung des HeiRgaskanals 6 mit dem Heißgas zu erreichen, sind mehrere Strömungsleitelemente 22 in der Querschnittserweiterung 18 angeordnet. Die Beströmung des HeiRgaskanals 6 mit dem Heißgas kann einerseits mit beiden Vorrichtungen 5 gleichzeitig oder andererseits alternierend mit den Vorrichtungen 5 erfolgen. Gegebenenfalls kann auch hier die zu Fig. 4 beschriebene Ausführungsvariante zum Einsatz gelangen.

[00115] Bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsvarianten der Einrichtung 1 ist der Heißgaskanal 6 oder sind die Heißgaskanäle 6 (es können auch mehrere der oder einzelne der voranstehend beschriebenen Ausführungsvarianten pro Behandlungskammer 2 angeordnet sein) in der Wand 4 ausgebildet. Die Wand 4 besteht vorzugsweise aus einem Feuerfestmaterial bzw. weist zumindest eine Feuerfestauskleidung auf.

[00116] Wie anhand der Ausführungsvariante nach den Fig. 12 bis 14 zu ersehen ist, besteht aber auch die Möglichkeit, dass der Heißgaskanal 6 bzw. dass die HeiRgaskanäle 6 teilweise an

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einer Außenseite der Wand 4 des Gehäuses 3 der Behandlungskammer 2 angeordnet ist/sind. Es ist damit möglich, die Aufteilung auf die Teilströme 9 (siehe z.B. Fig. 1) konstruktiv einfacher auszugestalten, indem die entsprechenden Kanalabschnitte als einfache Bohrungen bzw. Durchbrüche durch die Wand 4 ausgeführt sein können. Der außenliegende Teil des HeiRgaskanals 6 kann diese Bohrungen oder Durchbrüche zu den Auslässen 8 an der Innenseite der Wand 4 (Fig. 13) überdeckend angeordnet sein (Fig. 14). Die Vorrichtung 5 bzw. die Vorrichtungen 5 ist/sind bei dieser Ausführungsvariante nicht direkt mit der Wand 4, sondern über den außenliegenden Teil des Heißgaskanals 6 verbunden.

[00117] Es sind auch hier wiederum andere geometrische Ausführungen des außenliegenden Teils des HeiRßgaskanals 6 möglich, sodass also die in Fig. 14 dargestellte Form nicht zwingenderweise beschränkend verstanden werden soll.

[00118] Fig 14 zeig auch, dass die mehreren Auslässe 8 auch alle gleich ausgebildet sein können.

[00119] Eine im Vergleich dazu unterschiedliche, zu den Ausführungsvarianten nach den Fig. 8 bis 11 ähnliche Ausführungsvariante ist in den Fig. 15 und 16 gezeigt. Wiederum weist der Heißgaskanal 6 die beiden oben an der Wand 4 angeordneten Vorrichtungen 5 auf, wobei dies nur beispielhaft ist. Es kann auch nur eine Vorrichtung 5 oder können mehr als zwei Vorrichtungen 5 vorhanden sein.

[00120] Der Heißgaskanal 6 weist bei dieser Ausführungsvariante ebenfalls die Querschnittserweiterung 18 auf. In dieser befinden sich aber keine Strömungsleitelemente 22. Stattdessen ist die der Behandlungskammer 2 zugewandte Innenseite der Wand 4 in Art einer Lochplatte mit mehreren versetzt zueinander angeordneten Auslässen 8 ausgeführt. Diese können zur Berücksichtigung des Druckverlustes im Heißgaskanal 6 wieder mit unterschiedlicher Größe und/oder Form ausgeführt sein. Auch das Muster der Anordnung der Auslässe 8 ist nicht auf die Darstellung der Fig. 16 beschränkt. Dieses kann sich u.a. nach der konkreten Anordnung bzw. Ausbildung der zumindest einen Vorrichtung 5 richten.

[00121] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass die Wand 4 der Behandlungskammer 2, die den Auslass 8 oder die Auslässe 8 für den Heißgasstrom aufweist, an einer Außenseite ein Material mit einer kleineren Wärmeleitfähigkeit aufweist, als ein Material an einer Innenseite hat. Beispielsweise kann die Wand 4 außen aus z.B. Feuerleichtsteinen, Isoliersteinen, Fasern, Feuerleichtbetonen, Matten, Platten und Vakuumformteile aus Mineralwolle, erdalkalischen Silikatfasern, Aluminiumsilikatfasern, zirkonverstärkten Silikatfasern, Aluminiumoxidfasern, und innen aus z.B. Schamott, SiC Keramik, Graphit, Aluminiumoxid, Hochtemperaturstahl, bestehen oder diese Materialien umfassen.

[00122] Der oder die die Strömung führende(n) HeiRgaskanal/HeiRgaskanäle 6 kann/können aus dem Werkstoff der Wände 4 bestehen. Nach einer weiteren Ausführungsvariante kann vorgesehen sein, dass der oder die die Strömung führenden Heißgaskanal/HeiRgaskanäle 6 aus einem zum Wandmaterial unterschiedlichem Material besteht/bestehen. So kann vorgesehen sein, dass die Wand/Wände 4 der Behandlungskammer beispielsweise Fasermaterialien aufweisen oder daraus bestehen, welche eine sehr gute Dämmwirkung haben. Aufgrund der Faserstruktur kann es allerdings in der Funktion Leitung von Medien zu Problemen kommen. Um diesem Problem abzuhelfen, kann vorgesehen sein, dass in die jeweilige Wand 4 ein (kanalförmiges, z.B. rohrförmiges) Strömungsleitelement eingesetzt wird, das bei möglichst dünnwandiger Ausführung den hohen Temperaturen des in die Behandlungskammer 2 einzuleitenden Heißgasstromes standhält. Beispielsweise kann dieses als Auskleidung des Heißgaskanals 6 ausgebildeten Strömungsleitelement ein (faserverstärktes) Aluminiumoxid, SiC etc., sein.

[00123] Generell kann der HeiRgaskanal 6 auch zumindest teilweise bzw. abschnittsweise einen spiralförmigen Verlauf aufweisen, um damit eine bessere Durchmischung des HeiRßgases mit dem weiteren Heißgas zu erreichen.

[00124] Weiter kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung 1 mehr als eine Behandlungskammer 2 aufweist und dass die Vorrichtung(en) 5 mehr als einer Behandlungskammer 2 zugeordnet

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ist/sind.

[00125] Allen (beschriebenen) Ausführungsvarianten der Einrichtung 1 gemein ist, dass eine aus der Vorrichtung 5 austretende Plasmafackel nicht in die Behandlungskammer 2 reicht, sondern nur bis in den Heißgaskanal 6.

[00126] Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus der Einrichtung 1 diese nicht zwingenderweise maßstäblich dargestellt ist.

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BEZUGSZEICHENLISTE

1 Einrichtung

2 Behandlungskammer 3 Gehäuse

4 Wand

5 Vorrichtung

6 Heißgaskanal

7 Einlass

8 Auslass

9 Teilstrom

10 Plasmaerzeugungselement 11 Einlasskanal

12 Längsmittelachse

13 Winkel

14 Mischzone

15 Abgasauslass

16 Heißgaskanal

17 Wärmetauscher

18 Querschnittserweiterung 19 Stellelement

20 Winkel

21 Stirnfläche

22 Strömungsleitelement

23 Strömungsleitelement

Claims (18)

x bes AT 528 041 B1 2025-12-15 Ss N Patentansprüche

1. Einrichtung (1) zur thermischen Behandlung eines Stoffes, insbesondere eines Feststoffes, mit einem Heißgasstrom, umfassend eine Behandlungskammer (2), zumindest eine Vorrichtung (5) zur Bereitstellung eines Plasmas, und einen HeiRgaskanal (6), wobei der Heißgaskanal (6) zwischen der Vorrichtung (5) zur Bereitstellung eines Plasmas und der Behandlungskammer (2) angeordnet oder ausgebildet ist, und einen Einlass (7) für einen mit der Vorrichtung (5) zur Bereitstellung eines Plasmas erzeugten Heißgasstrom und einen Auslass (8) in die Behandlungskammer (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgaskanal (6) zumindest einen weiteren Auslass (8) für den Heißgasstrom in die Behandlungskammer (2) aufweist und/oder dass der HeiRßgaskanal (6) und gegebenenfalls die Vorrichtung (5) zur Bereitstellung eines Plasmas zumindest einen weiteren Einlass (7) für einen weiteren Heißgasstrom aufweist/aufweisen.

2. Einrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Einlass (7) für den weiteren HeiRßgasstrom mit einem weiteren Heißgaskanal (16) strömungsverbunden ist, wobei der weitere Heißgaskanal (16) mit einem Abgasauslass (15) aus der Behandlungskammer (2) strömungsverbunden ist.

3. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgaskanal (6) mit einer Querschnittserweiterung (18) ausgebildet ist.

4. Einrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittserweiterung (18) fächerförmig ausgebildet ist.

5. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (8) und der zumindest eine weitere Auslass (8) unterschiedliche Querschnitte aufweisen.

6. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Heißgaskanal (6) zumindest eine Strömungsleitelement (22) angeordnet ist.

7. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Behandlungskammer (2) zumindest ein weiteres, den Auslass (8) und/oder den zumindest einen weiteren Auslass (8) überdeckendes Strömungsleitelement (23) angeordnet ist.

8. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgaskanal (6) der Wand (4) oder in einer Feuerfestauskleidung der Wand (4) der Behandlungskammer (2) ausgebildet oder angeordnet ist.

9. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgaskanal (6) teilweise an einer Außenseite der Behandlungskammer (2) angeordnet ist.

10. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Heißgaskanal (6) zumindest eine weitere Vorrichtung (5) zur Erzeugung eines Plasmas angeschlossen ist.

11. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgaskanal (6) zumindest einen zweiten weiteren Einlass (7) für einen zweiten weiteren Heißgasstrom aufweist und dass in dem weiteren und dem zweiten weiteren Heißgasstrom jeweils ein Stellelement (19) zur Unterbrechung der Zufuhr des weiteren HeiRßgases in den Heißgaskanal (6) oder in die Vorrichtung (5) zur Erzeugung eines Plasmas angeordnet ist.

12. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (5) zur Erzeugung eines Plasmas in einem Winkel (20) von ungleich 90 ° zur Wand (4) der Behandlungskammer (2) angeordnet ist.

13. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (8) des Heißgasstroms in die Behandlungskammer (2) schlitzförmig ausgebildet ist.

14. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand (4) der Behandlungskammer (2), die den Auslass (8) für den Heißgasstrom aufweist,

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an einer Außenseite ein Material mit einer kleineren Wärmeleitfähigkeit aufweist, als ein Material an einer Innenseite hat.

15. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuführung für den weiteren Heißgasstrom zum Heißgaskanal (6) und/oder zur Vorrichtung (5) zumindest ein Wärmetauscher (17) angeordnet ist.

16. Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgaskanal (6) zumindest abschnittsweise mit einem Feuerfestmaterial ausgekleidet ist.

17. Verfahren zur thermischen Behandlung eines Stoffes, insbesondere eines Feststoffes, in einer Behandlungskammer (2) mit einem Heißgasstrom, der in oder mit einer Vorrichtung (5) zur Bereitstellung eines Plasmas erzeugt und über einen Heißgaskanal (6) in die Behandlungskammer (2) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgasstrom über mehrere Auslässe (8) in die Behandlungskammer (2) eingeleitet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Heißgasstrom vor dem Einleiten in die Behandlungskammer (2) mit einem weiteren HeiRßgasstrom vermischt wird.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen