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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von nanoskaligen partikulären Feststoffen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von nanoskaligen partikulären Feststoffen sowie einen Plasmabrenner.
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Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus
EP 0 991 590 A1 bekannt.
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Für die Herstellung nanoskaliger partikulärer Feststoffe aus festen Pulvern sind hohe Temperaturen und lange Verweilzeiten im Reaktor erforderlich, um das Rohpulver vollständig zu verdampfen. Herkömmliche Plasmageneratoren arbeiten mit hohen Gasflüssen mit der Folge, dass das Rohpulver nicht ausreichend lange in der Verdampfungszone verbleibt.
EP 0 991 590 B1 offenbart einen Plasmareaktor mit zwei Reaktionskammern, wobei die erste Reaktionskammer drei Elektroden und eine Zufuhreinrichtung für das Plasmagas sowie für kohlenstoffhaltige Gase aufweist. Die zweite Reaktionskammer weist eine Kühleinrichtung zur Kühlung des aus der ersten Reaktionskammer austretenden Reaktionsgemisches auf. Der Plasmareaktor ist mit einem Warmabscheider sowie mit einem Kaltabscheider zur Abscheidung der im Plasmareaktor erhältlichen Feststoffe, insbesondere Fullerenen, verbunden. Mit dem bekannten Plasmareaktor wird keine Verlängerung der Verweilzeit im Reaktor erreicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Herstellung nanoskaliger partikulärer Feststoffe anzugeben, mit der ein Precursor, insbesondere in der Form eines Rohpulvers, effizient verdampft werden kann. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von nanoskaligen partikulären Feststoffen sowie einen Plasmabrenner anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe im Hinblick auf die Vorrichtung durch den Gegenstand des Anspruchs 1 sowie durch den Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs 12, im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des Anspruchs 10 und im Hinblick auf den Plasmabrenner durch den Gegenstand des Anspruchs 11 gelöst.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, eine Vorrichtung zur Herstellung nanoskaliger partikulärer Feststoffe mit einer Einrichtung zur Plasmaerzeugung anzugeben, die wenigstens zwei unterschiedlich polarisierte Elektroden, wenigstens eine Gaszufuhr und einen Reaktionsraum aufweist. Zur Ausbildung einer Plasmazone im Reaktionsraum ist einerseits ein Lichtbogen zwischen einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode erzeugbar und andererseits ein Gas in den Bereich des Lichtbogens durch die Gaszufuhr zuführbar. Die Vorrichtung weist eine Zufuhreinrichtung zur Zufuhr eines Precursors in die Plasmazone des Reaktionsraumes, eine Kühleinrichtung zur Abkühlung des Precursors und eine Sammeleinrichtung für die durch die Abkühlung erhältlichen Feststoffe auf. Die Einrichtung zur Plasmaerzeugung weist wenigstens eine dritte Elektrode mit derselben Polarität wie die zweite Elektrode auf, die von der zweiten Elektrode derart beabstandet angeordnet ist, dass zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode ein Lichtbogen erzeugbar ist, der länger als der Lichtbogen zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist. Durch den verlängerten Lichtbogen kann mit Hilfe der Erfindung ein besonders großes Volumen an heißem Plasmagas erzeugt werden, in dem Feststoffe effizient verdampft und gegebenenfalls mit Zusatzstoffen zur Reaktion gebracht werden können. Durch das vergrößerte Volumen an heißem Plasmagas wird die Verweilzeit des Rohpulvers bzw. allgemein des Precursors in der Plasmazone erhöht.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der dritten Elektrode veränderbar. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Elektroden optimal an die Parameter des übertragenden Lichtbogens angepasst werden können.
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Der Reaktionsraum kann durch eine Wandung verlängert sein, die sich in Ausbreitungsrichtung des Plasmas hinter der Einrichtung zur Plasmaerzeugung zumindest zwischen der zweiten Elektrode und der dritten Elektrode erstreckt. In dem verlängerten Reaktionsraum befindet sich im Betrieb der verlängerte Lichtbogen zwischen der ersten und der dritten Elektrode und somit die im Vergleich zu herkömmlichen Plasmageneratoren vergrößerte Plasmazone.
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Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Einrichtung zur Plasmaerzeugung eine Plasmabrennerdüse mit einem Düseninnenraum und einer Düsenspitze, wobei die erste Elektrode im Düseninnenraum und die zweite Elektrode an der Düsenspitze angeordnet sind. Dadurch können die erste, die zweite und die dritte Elektrode, bzw. jeweils die Vielzahl der ersten, der zweiten und der dritten Elektroden axial fluchtend angeordnet sein.
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Bei einer kompakten Ausführungsform fluchtet der verlängerte Reaktionsraum mit der Plasmabrennerdüse. Dabei kann die Wandung zwischen der zweiten und dritten Elektrode zylindrisch ausgebildet sein.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Durchmesser der zylindrischen Wandung mindestens so groß wie der Durchmesser der Plasmabrennerdüse. Durch den Wandungsdurchmesser kann die Form bzw. auch die Länge der Plasmazone im Reaktionsraum beeinflusst werden. Die Wandung kann kühlbar ausgebildet sein. Alternativ kann die Wandung aus einem hochschmelzenden Material hergestellt sein, das den im Reaktionsraum bei Plasmaprozessen üblicherweise herrschenden Temperaturen standhält.
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Die Kühleinrichtung zur Abkühlung des Precursors kann eine Kühldüse aufweisen, die der dritten Elektrode direkt nachgeordnet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von schematischen Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. In diesen zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch einen Plasmabrenner nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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2 einen Längsschnitt durch einen Plasmabrenner nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel, und
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3 einen Längsschnitt durch einen Plasmabrenner nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ohne zusätzliche Elektroden.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Herstellung nanoskaliger partikulärer Feststoffe dargestellt. Unter nanoskaligen partikulären Feststoffen werden Feststoffe mit einer mittleren Korngröße von ca. 100 nm oder weniger verstanden. Es ist nicht ausgeschlossen, dass mit Hilfe der Vorrichtung größere Partikel hergestellt werden. Die Messung der Korngröße kann durch an sich bekannte Messverfahren auf der Basis von Laserlichtstreuung erfolgen.
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Die Vorrichtung gemäß 1 umfasst eine Einrichtung 10 zur Plasmaerzeugung. Konkret ist die Einrichtung zur Plasmaerzeugung 10 in der Form eines Plasmabrenners 24 mit einer Plasmabrennerdüse 19 ausgebildet. Die Düse 19 umfasst wenigstens zwei unterschiedlich polarisierte Elektroden 11, 12, d. h. wenigstens eine Kathode 11 und wenigstens eine Anode 12. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind konkret zwei Anoden 12 vorgesehen, die im Bereich der Spitze 21 der Düse 19 angeordnet sind. Die Kathode 11 ist im Innenraum 20 der Plasmabrennerdüse 19 angeordnet.
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Es ist auch möglich, die im Innenraum 20 angeordnete Elektrode als Anode und die im Bereich der Spitze 21 angeordneten Elektroden bzw. die im Bereich der Spitze 21 angeordnete wenigstens eine Elektrode als Kathode auszubilden. Ferner ist es möglich, mehr als zwei im Bereich der Spitze 21 angeordnete Elektroden 12 vorzusehen, beispielsweise 3, 4 oder mehr Elektroden, insbesondere Anoden.
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Die Elektroden 11, 12 sind koaxial, insbesondere koaxial bezogen auf die Mittelachse des Plasmabrenners 24 angeordnet. Dabei erstreckt sich die erste Elektrode 11 entlang der Mittelachse des Plasmabrenners 24. Die zweiten Elektroden 12 sind von der Mittelachse radial beabstandet, insbesondere radial gleich beabstandet angeordnet.
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Wie in 1 zu erkennen, bildet der Plasmabrenner 24, insbesondere die Düse 19 ein rotationssymmetrisches Bauteil.
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Der Plasmabrenner 24 umfasst ferner eine Gaszufuhr 13, durch die das zur Erzeugung des Plasmas erforderliche Gas zugeführt wird. Hierfür kommen beispielsweise Edelgase wie Argon oder Gasgemische wie Argon/Wasserstoff-Gemische in Frage. Andere Plasmagase sind möglich, die dem Fachmann bekannt sind.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Gaszufuhr 13 in der Plasmabrennerdüse 19 integriert. Dazu umgibt die Gaszufuhr 13 die Kathode 11 ringförmig und mündet in den Bereich der Düsenspitze 21. Es ist auch möglich, das Plasmagas durch eine separat vom Plasmabrenner 24 angeordnete Gaszufuhr zuzuführen.
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Die Einrichtung zur Plasmaerzeugung 10 umfasst ferner einen Reaktionsraum 14, der der Brennerdüse 19 nachgeordnet ist. Generell ist der Reaktionsraum 14 derjenige Bereich der Einrichtung zur Plasmaerzeugung 10, in dem sich im Betrieb des Plasmabrenners 24 eine Plasmazone ausbildet.
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Die Einrichtung zur Plasmaerzeugung 10 umfasst ferner wenigstens eine Zufuhreinrichtung 15 für die Zufuhr eines oder mehrerer Precursor in die Plasmazone des Reaktionsraums 14. Der Begriff „Precursor” umfasst jegliches Rohmaterial, das in der Plasmazone verdampft oder generell überhitzt wird. Das Rohmaterial kann beispielsweise ein Rohpulver mit mikroskaligen Partikeln sein, die in der Plasmazone verdampft werden. Es ist auch möglich, dass ein flüssiger oder ein gasförmiger Precursor als Rohmaterial verwendet wird. Die Vorrichtung ist zur Verarbeitung von Rohpulvern besonders gut geeignet.
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Die Zufuhreinrichtung 15 entspricht bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 der Gaszufuhr 13, die im Gehäuse des Plasmabrenners 24 ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das zur Erzeugung des Plasmas zugeführte Plasmagas zusätzlich als Trägergas für den Precursor fungiert. Die in 1 dargestellte axiale Anordnung der Zufuhreinrichtung für den Precursor ist nur ein Beispiel. Alternativ kann das Rohmaterial auch vertikal zum Gasfluss über einen seitlich angeordneten Stutzen oder als Stab seitlich dem Plasmabrenner 24 oder der Düsenverlängerung bzw. dem Reaktionsraum 14 zugeführt werden. Der Plasmabrenner 24 befindet sich in einem an sich bekannten wassergekühlten Gehäuse 28.
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Es ist somit generell möglich, eine gesonderte Zufuhreinrichtung für die Zufuhr des Precursors vorzusehen, die beispielsweise als wenigstens eine Rohrleitung in den Reaktionsraum 14 mündet. Es ist auch möglich, mehrere Zufuhreinrichtungen zur Zufuhr verschiedener Precursor bzw. Reaktanden vorzusehen.
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Zur Kondensation bzw. allgemein zur Abkühlung des in der Plasmazone verdampften Precursors ist eine Kühleinrichtung 16 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die Kühleinrichtung 16 als Kühldüse 23 ausgebildet, durch die ein Kühlgas zum Abschrecken des Precursors zugeführt wird. Andere Ausbildungen der Kühleinrichtung 16 sind möglich. Nicht dargestellt ist eine der Kühleinrichtung 16 nachgeordnete Sammeleinrichtung für die durch die Abkühlung erhältlichen nanoskaligen partikulären Feststoffe. Die Sammeleinrichtung kann in an sich bekannter Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Zyklonabscheider und/oder durch Filter.
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Die Vorrichtung gemäß 1 weist wenigstens eine dritte Elektrode 17 mit derselben Polarität wie die zweite Elektrode 12 auf. Die dritte Elektrode 17 und die erste Elektrode 11 sind entgegengesetzt polarisiert. Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist die dritte Elektrode 17 als Anode ausgebildet. Bei umgekehrter Konfiguration der ersten und zweiten Elektrode 11, 12 kann die dritte Elektrode als Kathode ausgebildet sein. Die dritte Elektrode 17 ist von der zweiten Elektrode 12 beabstandet, insbesondere in Längsrichtung der Einrichtung 10 bzw. des Plasmabrenners 24 von der zweiten Elektrode 12 beabstandet angeordnet. Die erste, zweite und dritte Elektrode 11, 12 17 sind somit in Längsrichtung der Einrichtung 10 bzw. des Plasmabrenners 24 axial hintereinander angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass zwischen der ersten Elektrode 11 und der dritten Elektrode 17 ein Lichtbogen B erzeugbar ist, der Fänger ist, als der Lichtbogen A zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 11, 12.
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Der Lichtbogen B zwischen der ersten Elektrode 11 und der dritten Elektrode 17 kann um einen Faktor im Bereich von 1,5 bis 10 länger als der Lichtbogen A zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 12 sein, wobei alle Zwischenwerte des Bereichs in 0,1-Schritten, also 1,6, 1,7 bis 9,8, 9,9 offenbart sind. Für das Verhältnis des Abstands zwischen der ersten Elektrode 11 und der dritten Elektrode 17 und des Abstands zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode 12 wird derselbe Bereich offenbart.
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Die erste, die zweiten und die dritten Elektroden 11, 12 17, insbesondere alle Elektroden sind koaxial bezogen auf die Mittelachse des Plasmabrenners 24 angeordnet. Die dritten Elektroden 17 sind radial beabstandet von der Mittelachse, insbesondere radial gleich beabstandet von der Mittelachse, bzw. achssymmetrisch angeordnet. Der radiale Abstand der dritten Elektroden 17 von der Mittelachse ist größer als der radiale Abstand der zweiten Elektroden 12 von der Mittelachse. Dadurch wird eine radiale Vergrößerung der Plasmazone erreicht zusätzlich zur axialen Vergrößerung der Plasmazone, die generell durch die zusätzlichen dritten, in Längsrichtung der Einrichtung 10 bzw. des Plasmabrenners 24 von den zweiten Elektroden 12 beabstandet angeordneten dritten Elektroden 17 erreicht wird.
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In einem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind zwei dritte Elektroden 17 vorgesehen. Es ist auch möglich, mehr als zwei, beispielsweise 3 oder 4 oder mehr als 4 dritte Elektroden 17 vorzusehen. Die verschiedenen Anordnungen der Elektroden 11, 12 17 werden sowohl im Zusammenhang mit jeweils einer einzigen ersten, zweiten und dritten Elektrode 11, 12, 17 als auch im Zusammenhang mit jeweils mehreren ersten, zweiten und dritten Elektroden 11, 12, 17 sowie im Zusammenhang mit der Kombination einzelner und mehrerer erster, zweiter und dritter Elektroden 11, 12, 17, wie bspw. gemäß 1, offenbart.
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Die dritten Elektroden 17 sind in Umfangsrichtung der Brennerdüse 19 angeordnet.
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Vorzugsweise ist der Abstand zwischen der ersten Elektrode 11 und der dritten Elektrode 17 veränderbar, so dass die geometrischen Bedingungen an den zu übertragenden verlängerten Lichtbogen B angepasst werden können. Die Einstellung der Leistung des Plasmabrenners 24, sowie die Gasflüsse und die Größe der Brennerdüse 19 werden vom Fachmann beispielsweise experimentell ermittelt und entsprechend eingestellt.
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Der Reaktionsraum 14 ist durch eine Wandung 18 begrenzt, die mit der Düsenspitze 21 gasdicht verbunden ist. Die Wandung 18 kann beispielsweise als Rohr ausgebildet sein. Andere Geometrien der Wandung 18 zur Begrenzung des Reaktionsraums 14 bzw. des verlängerten Reaktionsraums 22 sind möglich. Die Wandung 18 erstreckt sich mindestens zwischen der zweiten und der dritten Elektrode 12, 17. Die dritte Elektrode 17 bzw. die dritten Elektroden 17 sind am distalen Axialende der Wandung 18 angeordnet und ragen in den Reaktionsraum 14 hinein bzw. sind allgemein zur Übertragung des Lichtbogens B zugänglich. Im Bereich der zweiten Elektroden 12 ist eine Düsenplatte 26 mit einer mittigen Düsenöffnung 27 vorgesehen, durch die sowohl der verlängerte Lichtbogen B, als auch das Plasmagas in den Reaktionsraum 14 innerhalb der Wandung 18 gelangt.
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Durch die rotationssymmetrische Konfiguration des Plasmabrenners ergibt sich, dass der verlängerte Reaktionsraum 22 mit der Plasmabrennerdüse 19 fluchtet.
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Die Wandung 18 zwischen der zweiten und dritten Elektrode 12, 17 bildet eine Düsenverlängerung. Die Wandung 18 kann beispielsweise aus einem keramischen Zylinderstück bestehen, wie in 1 dargestellt. Das Material ist dabei so zu wählen, dass dieses den im Reaktionsraum 14 bzw. 21 herrschenden Temperaturen von mehreren tausend Grad Kelvin widersteht. Alternativ ist es möglich, die Wandung 18 kühlbar auszugestalten. Dazu ist die Düsenverlängerung doppelwandig konstruiert, wie in 2 dargestellt, und umfasst eine Kühlmittelzufuhr 29 sowie eine Kühlmittelabfuhr 30. Die Wandung kann beispielsweise durch den Zustrom geeigneter Kühlgase gekühlt sein und ermöglicht die Temperaturkontrolle der Reaktorwand bzw. verhindert eine Beschädigung der Wandung durch die im Reaktionsraum 14, 21 herrschenden hohen Temperaturen. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 2 dem Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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Der Innendurchmesser der Wandung 18 kann beispielsweise dem Durchmesser der Plasmadüse 19 entsprechen, so dass die Wandung 18 eine gerade Rohrverlängerung der Düse 19 bildet. Bei einem Düsendurchmesser von beispielsweise 10 mm beträgt der Innendurchmesser der Wandung 18 ebenfalls 10 mm. Alternativ ist es möglich, den Innendurchmesser der Wandung 18 größer als den Düsendurchmesser einzustellen. Beispielsweise kann der Innendurchmesser der Wandung 18 50 mm betragen bei einem Düsendurchmesser von 10 mm. Andere Durchmesser sind möglich.
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Die Vorrichtungen gemäß 1, 2 funktionieren wie folgt:
Der Lichtbogen A wird zunächst zwischen der ersten Elektrode 11, d. h. der Kathode und der zweiten Elektrode 12 im Bereich der Brennerspitze 21, d. h. der Anode, gezündet. Die zweite Elektrode 12 bildet somit eine Pilotanode. Anschließend wird der Lichtbogen auf die dritte Elektrode 17 bzw. auf die dritten Elektroden 17, die sekundäre Elektroden bilden, übertragen und somit verlängert. Der Rohstoff, i. d. R. ein mikrokristallines Pulver, wird durch einen Trägergasstrom durch die Zufuhr 15 in den Bereich des verlängerten Lichtbogens B transportiert und dort verdampft. Das entstehende Gasgemisch wird aus dem Reaktionsraum 14 bzw. aus dem verlängerten Reaktionsraum 22 ausgetragen und durch die Kühleinrichtung 16, insbesondere die Kühldüse 23 schlagartig abgekühlt und zwar auf Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur. Dadurch wird eine heterogene Kondensation in der Gasphase vermieden und nanoskalige partikuläre Feststoffe abgeschieden. Die dadurch erhaltenen pulverförmigen Partikel werden weiter abgekühlt und gesammelt.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der eine Erhöhung der Verweilzeit im Reaktionsraum 14 allein durch die Düsenverlängerung erreicht wird. Insofern entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß 3 den Ausführungsbeispielen gemäß 1 bzw. 2, wobei die dritten Elektroden am axialen Ende der Wandung 18 nicht vorgesehen sind. Insbesondere bei einer Ausführungsform, bei der der Innendurchmesser der Wandung 18 dem Düsendurchmesser entspricht, wird eine erhöhte Längenausdehnung der Plasmazone erreicht und somit die Verweilzeit der Partikel des Rohmaterials in der Plasmazone bzw. in der heißen Zone aufgrund der heißen Trägergase erreicht. Eine zusätzliche Heizquelle im Bereich der Düsenverlängerung ist nicht vorgesehen, allerdings auch nicht ausgeschlossen.
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Beispielsweise kann im Bereich der Düsenspitze 21 ein Gas mit einer Temperatur von ca. 5000 Kelvin mit einer Gasgeschwindigkeit von ca. 200 slm eintreten. Im Abstand von ca. 0,2 m von der Düsenöffnung 27 beträgt die Temperatur noch ca. 3000 Kelvin.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0991590 A1 [0002]
- EP 0991590 B1 [0003]
