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Die Erfindung betrifft eine Elektrodeneinrichtung, die für eine Plasmaentladung mit gleitendem Lichtbogen konfiguriert ist und zwei voneinander beabstandete Elektroden aufweist, zwischen denen eine Laufstrecke des gleitenden Lichtbogens gebildet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Behandlung eines Gasstroms mit einem Plasma mit gleitendem Lichtbogen und einen Plasmagenerator, der mit der genannten Elektrodeneinrichtung ausgestattet ist. Anwendungen der Erfindung sind insbesondere bei der Erzeugung eines reaktiven Lichtbogen-Plasmas, z. B. in einem chemischen Reaktor, einer Plasma-basierten Reinigungsvorrichtung oder in einer Vorrichtung zur Plasmabehandlung eines Gasstroms, gegeben.
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Es ist allgemein bekannt, dass durch eine Lichtbogenentladung zwischen zwei voneinander beabstandet angeordneten Elektroden ein Plasma mit gleitendem Lichtbogen (”Gliding Arc Discharge”, GAD) erzeugt werden kann. Mit dem gleitenden Lichtbogen können gasförmige Substanzen in der Umgebung der Elektroden stark erhitzt werden, beispielsweise um chemische Reaktionen auszulösen. Ein herkömmlicher Plasmagenerator zur Erzeugung des Plasmas mit gleitenden Lichtbogen enthält typischerweise zwei ebene Elektrodenplatten oder zwei Elektrodendrähte.
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Eine herkömmliche Elektrodeneinrichtung
100' mit ebenen, plattenförmigen Elektroden
10',
20', z. B. gemäß
US 2009/0236215 A1 , ist in
7 (Stand der Technik) gezeigt. Die Elektroden
10',
20' sind in einer gemeinsamen Ebene mit einem gegenseitigen Abstand angeordnet. In einem Abschnitt minimalen Abstandes zwischen den Elektroden
10',
20' wird ein Lichtbogen
1' gezündet, der unter der Wirkung eines Gasstroms
4' entlang einer Laufstrecke
3' gleitet, bis er bei einem größeren Abstand zwischen den Elektroden
10',
20' verlischt. Während der Bewegung fließt der elektrische Strom des Lichtbogens
1' mit einer Hauptstromrichtung, die sich zwischen den Elektroden
10',
20' erstreckt. Der Lichtbogen
1' gleitet in einer ebenen Bezugsfläche, die von den zueinander weisenden Seiten der Elektroden
10',
20' aufgespannt wird. Dabei wird der Gasstrom
4' erhitzt, z. B. um eine chemische Reaktion zu bewirken. Typischerweise ist die Länge der Laufstrecke
3' auf wenige Zentimeter beschränkt, während der Abstand zwischen den Elektroden
10',
20' im Bereich von weniger als 1 cm variiert. Herkömmliche Plasmageneratoren, z. B. gemäß
7, haben sich als nachteilig erwiesen, da die Kontaktzeit zwischen dem Lichtbogen
1' und dem Gasstrom
2' beschränkt ist und die Elektroden
10',
20' eine Kühlung erfordern.
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Bei einem aus der Praxis bekannten, herkömmlichen Plasmagenerator mit Elektrodendrähten umfassen die Elektroden z. B. einen geraden zentralen Elektrodendraht, der von einem spiralförmigen Elektrodendraht umgeben ist. Ein gleitender Lichtbogen, dessen Hauptstromrichtung sich zwischen dem spiralförmigen Elektrodendraht und dem zentralen Elektrodendraht erstreckt, bewegt sich auf einer Laufstrecke entlang einer Schraubenfläche. Obwohl mit diesem Aufbau die Länge der Laufstrecke vergrößert werden kann, ist dennoch die Wechselwirkung mit dem Gasstrom beschränkt. Des Weiteren können Nachteile aufgrund der komplexen Anordnung der Elektrodendrähte auftreten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Elektrodeneinrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mit gleitendem Lichtbogen bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Die Elektrodeneinrichtung soll sich insbesondere durch eine erhöhte Wirksamkeit der Wechselwirkung zwischen dem Lichtbogen und einem umgebenden Gas, einen verminderten Kühlaufwand und/oder einen stabilen und unempfindlichen Aufbau auszeichnen. Des Weiteren ist es die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Behandlung eines Gasstroms mit einem Plasma mit gleitendem Lichtbogen bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Plasmagenerators, der sich insbesondere durch eine erhöhte Wirksamkeit eines Plasmas mit gleitendem Lichtbogen, einen verringerten Kühlbedarf und/oder eine erhöhte Stabilität und Zuverlässigkeit, insbesondere bei einem Dauerbetrieb, auszeichnet.
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Weitere Plasmageneratoren zur Erzeugung eines Plasmas mit Lichtbogen sind aus
US 2012/0296265 A1 ,
US 2013/0015159 A1 ,
JP 2006-216468 A und
WO 00/13786 A1 bekannt.
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Diese Aufgaben werden durch eine Elektrodeneinrichtung, ein Verfahren zur Plasmabehandlung und einen Plasmagenerator mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem ersten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch eine Elektrodeneinrichtung gelöst, die für eine Plasmaentladung mit gleitendem Lichtbogen konfiguriert ist und insbesondere eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode mit einem gegenseitigen Abstand aufweist. Die Elektroden haben jeweils eine Längsausdehnung und sind so angeordnet, dass der gleitende Lichtbogen mit einer vorbestimmten Hauptstromrichtung erzeugt werden kann und entlang einer Laufstrecke zwischen den Elektroden beweglich ist. Die Laufstrecke folgt im wesentlichen der Richtung der Längsausdeh-nung der Elektroden. Die Elektrodeneinrichtung ist so betreibbar, dass zwischen den Elektroden ein elektrischer Strom fließt, der den Abstand zwischen den Elektroden überbrückt. Der elektrische Strom hat eine Hauptstromrichtung, die durch die Feldverteilung zwischen den Elektroden und die Gestalt der zueinander weisenden Elektrodenseiten der Elektroden bestimmt wird. Obwohl der Lichtbogen in der Praxis durch Fluktuationen eine zeitlich und lokal wechselnde Form haben kann, wird hier mit dem Begriff ”Hauptstromrichtung” die Richtung bezeichnet, entlang derer der größte Teil des elektrischen Stroms im Lichtbogen fließt. Typischerweise ist die Hauptstromrichtung gleich der Richtung der kürzesten Verbindungslinie zwischen einer aktuellen Position des Austritts des elektrischen Stroms aus einer der Elektroden und der anderen Elektrode.
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Gemäß der Erfindung ist mindestens eine der beiden Elektroden mit einem Profil versehen, das sich quer zu der Hauptstromrichtung und quer zu der Laufstrecke des Lichtbogens erstreckt. Die mindestens eine profilierte Elektrode hat eine dreidimensionale Form, wobei eine zu der jeweils anderen Elektrode weisende Elektrodenseite mit einer quer zu der Hauptstromrichtung mehrfach gekrümmten, mehrere Umkehrpunkte aufweisenden Gestalt gebildet ist. Mit anderen Worten, von der Hauptstromrichtung und der Laufstrecke wird zwischen den Elektroden eine vorbestimmte Bezugsfläche aufgespannt. Im Falle von ebenen Elektroden, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, ist diese Bezugsfläche ebenfalls eine Ebene. Im Falle von gekrümmten Elektroden kann die Bezugsfläche gekrümmt sein. Gemäß der Erfindung weist die mindestens eine profilierte Elektrode ein Profil quer (insbesondere senkrecht) zu der Bezugsfläche auf.
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Gemäß einem zweiten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Behandlung eines Gasstroms mit einem Plasma mit gleitendem Lichtbogen erfüllt, bei dem das Plasma mit gleitendem Lichtbogen insbesondere zwischen zwei Elektroden mit gegenseitigem Abstand ererzeugt wird. Der Lichtbogen bewegt sich zwischen zueinander weisenden Elektrodenseiten der beiden Elektroden entlang einer Laufstrecke, die in einer zwischen den Elektroden aufgespannten Bezugsfläche gebildet ist. Der Gasstrom wird in den Abstand zwischen den Elektroden eingeführt, so dass sich der Gasstrom entlang der Laufstrecke des gleitenden Lichtbogens bewegt. Gemäß der Erfindung wird der Lichtbogen zusätzlich zu seiner Bewegung entlang der Laufstrecke senkrecht zur Laufstrecke verschoben. Der gleitende Lichtbogen wird quer zu seiner Hauptstromrichtung, d. h. quer zu seiner Ausdehnung, verschoben. Es erfolgt eine wiederholte Variation der Position des Lichtbogens quer zu der zwischen den Elektroden aufgespannten Bezugsfläche. Das erfindungsgemäße Verfahren wird unter Verwendung der Elektrodeneinrichtung gemäß dem oben genannten ersten Gesichtspunkt der Erfindung ausgeführt.
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Gemäß einem dritten allgemeinen Gesichtspunkt der Erfindung wird die obige Aufgabe durch einen Plasmagenerator gelöst, der die erfindungsgemäße Elektrodeneinrichtung gemäß dem obigen ersten Aspekt der Erfindung und eine Spannungsquelle umfasst, die zur Beaufschlagung der Elektroden der Elektrodeneinrichtung mit einer Betriebsspannung zur Erzeugung der Plasmaentladung eingerichtet ist.
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Vorteilhafterweise wird durch die Bereitstellung von mindestens einer der beiden Elektroden mit einem Profil die Position des Lichtbogens in einer von der Laufrichtung des Lichtbogens und von der Hauptstromrichtung abweichenden Richtung moduliert. Der Lichtbogen folgt dem Profil, das der jeweiligen Elektrode bis zu der Elektrodenseite aufgeprägt ist, die zu der jeweils anderen Elektrode weist. Im Unterschied zum Lichtbogen, der bei herkömmlichen planaren Elektroden in einer ebenen Bezugsfläche gleitet, wird erfindungsgemäß mit dem Lichtbogen, der dem Profil der mindestens einen profilierten Elektrode folgt, die Kontaktzeit und die Kontaktfläche zwischen dem Lichtbogen und einem durch die Elektrodeneinrichtung fließenden Gasstrom erhöht. Vorteilhafterweise kann somit die Wirksamkeit des Lichtbogens, z. B. bei der Produktion von aktiven Reaktanden, erhöht werden. Des Weiteren kann der Kühleffekt an der Elektrode erhöht werden, ohne die Elektrode verlängern zu müssen oder eine zusätzlich Kühleinrichtung bereitstellen zu müssen. Die Stabilität der Elektrodeneinrichtung wird erhöht, da im Vergleich zu einer herkömmlichen Technik bei gleicher Wirksamkeit des Lichtbogens ein kompakterer Aufbau ermöglicht wird.
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Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, den quer zu seiner Laufrichtung und quer zur Hauptstromrichtung sich bewegenden Lichtbogen zu erzeugen. Gemäß einer ersten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl die erste als auch die zweite Elektrode mit dem Profil quer zu der Hauptstromrichtung zwischen den Elektroden versehen. Diese Ausführungsform wird im Folgenden unabhängig von den Einzelheiten der Profile der ersten und zweiten Elektroden auch als symmetrische Ausführungsform bezeichnet. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Elektroden bei der symmetrischen Ausführungsform zueinander spiegelsymmetrisch relativ zu einer Mittelebene zwischen den Elektroden gebildet. In diesem Fall haben die Elektroden die gleiche Form und den gleichen Verlauf des Profils. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass bei der symmetrischen Ausführungsform die Elektroden die gleiche, relativ zu der Mittelebene spiegelsymmetrische Grundform haben, jedoch verschiedene Profile aufweisen. Beispielsweise können die Profile der ersten und zweiten Elektroden, insbesondere der zueinander weisenden Elektrodenseiten der ersten und zweiten Elektroden, zueinander entgegengesetzte Formen haben, so dass der Lichtbogen entlang der Laufstrecke relativ zu der Bezugsfläche zwischen den Elektroden mit wechselnden Richtungen verkippt wird.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist nur eine der Elektroden (im Folgenden: erste Elektrode) mit dem Profil versehen, während die andere Elektrode (zweite Elektrode) relativ zu der Hauptstromrichtung zwischen den ersten und zweiten Elektroden unprofiliert (unstrukturiert) ist. Diese Ausführungsform wird auch als asymmetrische Ausführungsform bezeichnet. Bei der asymmetrischen Ausführungsform hat typischerweise die erste Elektrode ein Profil mit einer Vielzahl von Umkehrpunkten, und die zweite Elektrode ist z. B. ein gerader Stab oder eine ebene Platte. Vorzugsweise ist die zweite Elektrode eine ebene Platte, deren Oberfläche zu der ersten Elektrode weist. Die zweite Elektrode hat in diesem Fall vorzugsweise eine Längsausdehnung, die gleich der Längsausdehnung der ersten Elektrode mit dem Profil in Laufrichtung des Lichtbogens ist und eine Querausdehnung senkrecht zu der Bezugsfläche zwischen den ersten und zweiten Elektroden, die gleich der Höhe des Profils der ersten Elektrode ist quer zu der Hauptstromrichtung ist. Diese Variante der asymmetrischen Ausführungsform hat den Vorteil, dass der Lichtbogen wie bei der symmetrischen Ausführungsform über den gesamten Abstand zwischen den Elektroden gemäß der Höhe des Profils der ersten Elektrode bewegt werden kann, ohne dass die zweite Elektrode profiliert ist.
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Die Erzeugung und Bewegung des Lichtbogens werden insbesondere durch die Geometrie der zueinander weisenden Elektrodenseiten der ersten und zweiten Elektroden beeinflusst. Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Möglichkeiten, die übrigen geometrischen Eigenschaften der Elektroden zu gestalten. Gemäß einer ersten Variante der Erfindung kann die mindestens eine profilierte Elektrode einen mehrfach gebogenen Elektrodendraht umfassen. Der Elektrodendraht kann zwischen zwei isolierenden Halterungen an den Enden der Laufstrecke des Lichtbogens freitragend oder entlang der gesamten Laufstrecke von einem isolierenden Substrat unterstützt angeordnet sein. Bei der symmetrischen Ausführungsform sind zwei Elektrodendrähte vorgesehen, die quer zu der zwischen ihnen aufgespannten Bezugsfläche mit mehreren Umkehrpunkten, z. B. wellenförmig, gekrümmt sind. Bei der asymmetrischen Ausführungsform umfasst die erste Elektrode den mehrfach gebogenen Elektrodendraht, während die zweite Elektrode einen geraden Elektrodendraht oder eine ebene Platte mit einer zur ersten Elektrode weisenden Oberfläche umfasst.
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Gemäß einer zweiten, alternativen Variante der Erfindung ist die mindestens eine, mit dem Profil versehene Elektrode eine profilierte Elektrodenplatte. Die Elektrodenplatte ist mit einer Flächenform hergestellt, wobei sich das Profil der Elektrodenplatte senkrecht zu der Flächenform erstreckt. Eine Seitenkante der Elektrodenplatte, die das Profil der Elektrodenplatte aufweist, bildet eine Elektrodenseite, die in der Elektrodeneinrichtung zu der jeweils anderen Elektrode weist. Bei der symmetrischen Ausführungsform umfassen beide Elektroden profilierte Elektrodenplatten. Bei der asymmetrischen Ausführungsform umfasst die erste Elektrode eine profilierte Elektrodenplatte, während die zweite Elektrode einen Stab oder eine ebene Platte mit einer zur ersten Elektrode weisenden Oberfläche umfasst.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden mit dem Profil der Elektrodenplatte Leitelemente zur Führung eines Gasstroms bereitgestellt. Das Profil der Elektrodenplatte der ersten Elektrode (bei der asymmetrischen Ausführungsform) und die Profile der Elektrodenplatten beider Elektroden (bei der symmetrischen Ausführungsform) sind so gestaltet, dass ein Gasstrom, der parallel zur Längsausdehnung der Elektroden die Elektrodenplatten anströmt, in den Bereich zwischen den Elektroden geleitet wird. Mit den Leitelementen wird der Gasstrom auf mindestens einer Seite der Elektrodenoberfläche hin zu dem Abstand zwischen den ersten und zweiten Elektroden gelenkt, wo der geleitende Lichtbogen erzeugt wird. Vorteilhafterweise wird damit die Wirksamkeit des Lichtbogens erhöht. Gleichzeitig kann durch ein Fließen des Gasstroms über die Elektrodenplatten eine Vorerwärmung des Gasstroms und eine zusätzliche Kühlung der Elektroden erreicht werden.
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Gemäß der Erfindung folgt die Elektrodenseite der mindestens einen profilierten Elektrode dem Elektrodenprofil. Die profilierte Elektrodenseite ist die zu der anderen Elektrode weisende Seite des Elektrodendrahtes oder eine Seitenkante der Elektrodenplatte. Im Fall der profilierten Elektrodenplatte bildet die Elektrodenseite vorzugsweise einen scharfen Seitenrand. Die Elektrodenplatte ist an der Elektrodenseite in Dickenrichtung verjüngt. Vorteilhafterweise wird damit eine Konzentration elektrischer Feldlinien erzielt und die Erzeugung und Aufrechterhaltung des Lichtbogens unterstützt.
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Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Profil der Elektrodenplatte der mindestens einen profilierten Elektrode ein wellenförmiges Profil. Das Material der Elektrodenplatte ist in Gestalt einer ebenen Welle gebildet. Der Begriff ”Welle” ist dabei nicht auf eine bestimmte mathematisch definierte Form beschränkt. Der Verlauf der Wellenform und insbesondere der zur anderen Elektrode weisende Elektrodenseite kann z. B. die Gestalt einer Sinusfunktion oder einen Verlauf mit abwechselnd entgegensetzt orientierten Halbkreisen oder einen Verlauf mit ebenen Flanken, die an den Umkehrpunkten in abgerundeten Bereichen verbunden sind, aufweisen.
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Die Wellennormale der Wellenform kann parallel zur Längsausdehnung der profilierten Elektrode und parallel zur Elektrodenseite verlaufen, die zu der anderen Elektrode weist. Bevorzugt ist die Wellennormale jedoch gegenüber der Längsausdehnung der profilierten Elektrode geneigt, so dass ein über die Elektrodenplatte fließender Gasstrom mit einer Geschwindigkeitskomponente parallel zur Laufrichtung des Lichtbogens in den Abstand zwischen den Elektroden gelenkt wird.
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Vorteilhafterweise bestehen weitere Gestaltungsmöglichkeiten bei der Form und dem Verlauf der zueinander weisenden Elektrodenseiten in der Bezugsfläche zwischen den Elektroden, z. B. in der von zwei profilierten Elektrodenplatten aufgespannten Bezugsebene. Vorzugsweise ist an einem stromaufwärts gelegenen Ende der Elektroden ein Zündabschnitt vorgesehen, in dem der Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode minimal ist. Im Zündabschnitt erfolgt bei Beaufschlagung der Elektroden mit einer Betriebsspannung die Zündung des Lichtbogens. Unter der Einwirkung des Lichtbogens auf das umgebende Gas und/oder unter der Einwirkung des fließenden Gasstroms bewegt sich der Lichtbogen dann entlang den zueinander weisenden Elektrodenseiten. Entlang der sich an den Zündabschnitt anschließenden Laufstrecke des gleitenden Lichtbogens kann sich der Abstand zwischen den Elektroden bis zum Ende der Laufstrecke laufend vergrößern (divergente Elektroden). Alternativ können die Elektroden so geformt sein, dass der Abstand zwischen den Elektroden entlang der Laufstrecke in mindestens einem stromabwärts vom Zündabschnitt gelegenen Elektrodenabschnitt konstant ist.
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Des Weiteren sind vorteilhafterweise verschiedene Materialien verfügbar, aus denen die Elektroden herstellbar sind. Vorzugsweise sind die Elektroden aus einem metallischen Material hergestellt ist, insbesondere aus Edelstahl, Messing oder Wolfram. Wenn die Elektroden aus einem Sintermetall, einem metallischen Komposit oder einer metallischen Legierung hergestellt sind, können Vorteile für die Erzeugung des Lichtbogens und die Beeinflussung von chemischen Reaktionen erzielt werden. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine der Elektroden eine Beschichtung tragen, die z. B. aus Silber, Gold, Kupfer oder TiO2 hergestellt ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, es zeigen:
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1: eine schematische Draufsicht auf eine symmetrische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung;
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2: eine schematische Illustration einer Variante der symmetrischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung;
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3: eine Draufsicht auf eine profilierte Elektrodenplatte;
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4: eine Perspektivansicht einer profilierten Elektrodenplatte;
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5: eine schematische Draufsicht auf eine asymmetrische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung;
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6: eine schematische Perspektivansicht der asymmetrischen Ausführungsform der Erfindung; und
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7: eine schematische Draufsicht auf eine herkömmliche Elektrodeneinrichtung (Stand der Technik).
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf eine Elektrodeneinrichtung und einen Plasmagenerator zur Plasmabehandlung eines Gasstroms für Reinigungszwecke beschrieben. Der Gasstrom setzt sich z. B. aus einem Trägergas, wie z. B. Luft, und einem Nebel einer Behandlungsflüssigkeit, z. B. Wasser, zusammen. Durch die Plasmabehandlung des Gasstroms wird die Behandlungsflüssigkeit aktiviert (Erzeugung reaktiver Spezies), so dass sich bei Beaufschlagung der Oberfläche eines zu reinigenden Gegenstands mit dem aktivierten Nebel der Behandlungsflüssigkeit der gewünschte Reinigungseffekt ergibt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern entsprechend bei anderen Verfahren zur Behandlung eines Gasstroms mit einem Plasma mit gleitendem Lichtbogen anwendbar. Die Elektrodeneinrichtung und der Plasmagenerator können z. B. in einem chemischen Reaktor angeordnet sein.
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Einzelheiten der bevorzugten Ausführungsformen werden insbesondere in Bezug auf die Profilform der Elektroden beschrieben. Weitere Merkmale der Erzeugung des Plasmas mit gleitendem Lichtbogen, wie z. B. das Zünden des Lichtbogens und seine Wechselwirkung mit dem Gasstrom, werden nicht erläutert, soweit diese an sich von herkömmlichen Techniken bekannt sind. Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen gezeigte Geometrie der Elektroden beschränkt, sondern auch mit abweichenden Elektrodenformen, insbesondere hinsichtlich der Gestalt der zueinander weisenden Elektrodenseiten, der Grundform der Elektroden und des Profils der mindestens einen profilierten Elektrode, realisierbar.
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1 zeigt schematisch einen Plasmagenerator 200, der mit einer Elektrodeneinrichtung 100 gemäß der symmetrischen Ausführungsform ausgestattet ist. Der Plasmagenerator 200 ist beispielhaft schematisch mit einem Gehäuse 210, einer schaltbaren Spannungsquelle 220 und einer Steuereinrichtung 230 gezeigt. Einzelheiten dieser Komponenten sind in Abhängigkeit von der Anwendung der Erfindung gewählt. In einer Reinigungsvorrichtung oder einem chemischen Reaktor umfasst das Gehäuse 210 beispielsweise Eintritts- und Auslassöffnungen (nicht dargestellt) für einen Gasstrom und Gehäusewände (nicht dargestellt) zur Leitung des Gasstroms durch die Elektrodeneinrichtung 100 und/oder über die Oberflächen der Elektroden der Elektrodeneinrichtung 100. Es ist z. B. mindestens eine Eintrittsöffnung vorgesehen, durch die ein Gasstrom auf und zwischen die Elektroden der Elektrodeneinrichtung 100 geleitet wird.
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Die Spannungsquelle 210 umfasst z. B. eine Gleichspannungs-Quelle, eine Wechselspannungs-Quelle, eine Spannungsquelle zur Erzeugung negativer oder positiver gepulster Spannungen oder einer Kombination aus diesen Quellenarten, wie z. B. eine Spannungsquelle zur Erzeugung einer Spannung, die sich aus einem Gleich- oder Wechselspannungsanteil und einem gepulsten Anteil zusammensetzt. Die Steuereinrichtung 230 umfasst allgemein eine Steuerung von Betriebsparametern der Spannungsquelle 210, wie z. B. der Spannungen, Leistungen oder Frequenzen der an die Elektroden 10, 20 angelegten Spannungen.
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Die Elektrodeneinrichtung 100 umfasst eine erste Elektrode 10 und eine zweite Elektrode 20, die in Draufsicht gezeigt sind. Die erste Elektrode 10 umfasst eine ebene Elektrodenplatte 11 mit einem Profil mit einer Wellenform (siehe 4). Durch die Wellenform werden auf den Oberflächen der Elektrodenplatte 11 Leitelemente 12 in Gestalt von abwechselnden Rinnen und Erhebungen zur Führung eines Gasstroms 4 bereitgestellt. Die zweite Elektrode 20 umfasst ebenfalls eine ebene Elektrodenplatte 21, die ein Profil mit einer Wellenform aufweist, so dass Leitelemente 22 gebildet werden.
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Die Elektrodenplatten 11, 21 haben ebene Flächenformen, die sich in einer gemeinsamen Ebene (x-z-Ebene) erstrecken. Die zueinander weisenden Elektrodenseiten 13, 23 der Elektrodenplatten 11, 21 bilden divergierende Ränder, die in der x-z-Ebene einen geraden Verlauf haben. Beginnend an einem Zündabschnitt 30 vergrößert sich der Abstand zwischen den Elektroden 10, 20, insbesondere zwischen den Elektrodenseiten 13, 23, in z-Richtung. Zwischen den Elektrodenplatten 11, 21 ist eine ebene Bezugsfläche aufgespannt. Die übrigen Ränder der Elektrodenplatten 11, 21 können in Abhängigkeit von der gewünschten Funktion der Leitelemente 12, 22 und dem verfügbaren Platz im Plasmagenerator 200 gewählt werden, wobei vorzugsweise die in der Draufsicht von 1 gezeigte spiegelsymmetrische Anordnung der Elektroden 10, 20 vorgesehen ist.
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Bei Beaufschlagung der Elektroden 10, 20 mit einer Betriebsspannung der Spannungsquelle 210 wird im Zündabschnitt 30 ein Lichtbogen 1 gezündet. Die Hauptstromrichtung 2 des Lichtbogens 1 verläuft parallel zur Bezugsfläche zwischen den Elektrodenplatten 11, 21, insbesondere in der x-z-Ebene. Unter der Wirkung des Gasstroms 4 und/oder durch die Erwärmung benachbarter Gasbereiche (insbesondere bei vertikaler Ausrichtung der Elektroden 10, 20) gleitet der Lichtbogen entlang der Laufstrecke 3 in einer Laufrichtung (z-Richtung) von dem Zündabschnitt 30 weg. Dabei bleibt die Hauptstromrichtung 2 des Lichtbogens 1 weiter in der x-z-Ebene. Die Laufstrecke 3 verläuft ebenfalls parallel zur Bezugsfläche zwischen den Elektrodenplatten 11, 21, insbesondere in der x-z-Ebene. Zusätzlich zu der Bewegung entlang der Laufstrecke 3 folgt der Lichtbogen 1 dem Profil der Elektrodenplatten 11, 21, das sich senkrecht zur Hauptstromrichtung 2 und senkrecht zur Laufstrecke 3 erstreckt. Im Ergebnis wird der Bewegung des Lichtbogens 1 in z-Richtung eine weitere Bewegung mit wechselnder Richtung quer zur Bezugsfläche zwischen den Elektroden 10, 20, d. h. in y-Richtung aufgeprägt. Die Kontaktzeit und die Einwirkung des Lichtbogens 1 auf den Gasstrom 2 werden dadurch vergrößert.
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In 1 ist illustriert, dass sich der Abstand zwischen den Elektroden (senkrechter Abstand in Bezug auf die z-Achse) stromabwärts vom Zündabschnitt 30 vergrößert. Die divergente Anordnung der zueinander weisenden Elektrodenseiten 13, 23 ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Alternativ kann, wie schematisch in 2 gezeigt ist, der Abstand zwischen den Elektroden 10, 20 (schematisch, ohne Profile gezeigt), insbesondere zwischen den zueinander weisenden Elektrodenseiten 13, 23, entlang der Laufstrecke 3 stromabwärts vom gestrichelt markierten Zündabschnitt 30 zunächst vergrößert werden und dann in einem folgenden Elektrodenabschnitt konstant sein. Weitere Modifizierungen der Form der zueinander weisenden Elektrodenseiten 13, 23 in der gemeinsamen Bezugsfläche zwischen den Elektroden 10, 20 (x-z-Ebene) können abweichend von den Beispielen in den 1 und 2 realisiert werden. Beispielsweise können gekrümmte, divergente und/oder konvergente Formen vorgesehen sein.
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Die 3 und 4 zeigen weitere Einzelheiten von einer der Elektroden 10 mit einer profilierten Elektrodenplatte 11. Die Elektrodenplatte 11 hat eine L-Form mit einem Anschlussabschnitt 14 und einem Profilabschnitt 15. Der Anschlussabschnitt 14 dient der elektrischen Verbindung der Elektrode 10 mit der Spannungsquelle 210 (1). Abweichend von der Illustration kann der elektrische Anschluss jedoch auch im Profilabschnitt 15 vorgesehen sein. Im Profilabschnitt 15 hat die Elektrodenplatte 11 die Wellenform, die in der Perspektivansicht der 4 verdeutlicht ist. Die Wellenform erstreckt sich senkrecht zu der Hauptstromrichtung des Lichtbogens und senkrecht zu der Bezugsfläche (x-z-Ebene) zwischen den Elektroden 10, 20 (siehe 1) in y-Richtung. Die Wellenform hat die Gestalt einer ebenen Welle mit einer Wellennormalen 16 (siehe 3), die gegenüber dem geraden Verlauf der Elektrodenseite 13 geneigt ist. Entsprechend kann der Gasstrom 4 (siehe 1) von den Leitelementen 12, welche durch die Wellenform gebildet werden, hin zur Laufstrecke 3 des Lichtbogens geführt werden.
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Die Form und Größe der Elektrode 10, insbesondere die Länge L des Profilabschnitts 15, die Breite B des Profilabschnitts 15, die Breite b des Anschlussabschnitts 14, die Höhe H des Profils in y-Richtung, die Dicke d des Anschlussabschnitts 14, die Dicke D des Elektrodenmaterials im Profilabschnitt 15, der Winkel α zwischen dem Profilabschnitt 15 und dem Anschlussabschnitt 14, der Winkel β zwischen den geraden Leitelementen 12 und dem Anschlussabschnitt 14 und ein Öffnungswinkel γ der Wellenform des Profils können in Abhängigkeit von den konkreten Anwendungsbedingungen der Elektrodeneinrichtung 100 und des Plasmagenerators 200 gewählt werden. Die Breite B der Elektrodenplatte 11, insbesondere des Profilabschnitts 15, kann bis in den Millimeter- oder Sub-Millimeter-Bereich reduziert werden, so dass abweichend von der Illustration einer Flächenform der Elektrode 10 diese die Form eines gebogenen Elektrodendrahts (nicht dargestellt) aufweisen kann. Der Elektrodendraht hat z. B. eine Sinusform in y-Richtung und eine gerade Gestalt in der x-y-Ebene.
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Typischerweise sind die Größen L, B und b im Bereich < 10 cm, insbesondere < 5 cm gewählt, während die Größen d und D vorzugsweise < 10 mm, insbesondere < 5 mm, z. B. 2 mm oder weniger betragen. Der Winkel α ist vorzugsweise im Bereich von 20° bis 160° gewählt und beträgt typischerweise 90°. Ein Divergenzwinkel zwischen den zueinander weisenden Elektrodenseiten 13, 23 kann zusätzlich durch die Ausrichtung der Elektroden 10, 20 relativ zueinander festgelegt werden. Der Winkel β ist z. B. im Bereich von 60° bis 160° gewählt. Der Öffnungswinkel γ ist z. B. im Bereich von 5° bis 160° gewählt.
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Für die stabile Bewegung des gleitenden Lichtbogens 1 hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dicke D insbesondere an der Elektrodenseite 13 (Seitenkante der Elektrodenplatte 11) minimal ist, um eine scharfen Seitenrand bereitzustellen und wenn das Profil in y-Richtung an den Umkehrpunkten eine abgerundete Form hat.
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Die 5 und 6 zeigen beispielhaft die asymmetrische Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung 100 in schematischer Draufsicht und in Perspektivansicht. Bei dieser Ausführungsform umfasst die erste Elektrode 10 eine Elektrodenplatte 11 mit einem Profil, wie sie oben unter Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben wurde. Die zweite Elektrode 20 umfasst eine plattenförmige Elektrode mit einer ebenen Oberfläche 24 (siehe 6), die zur ersten Elektrode 10 weist. Auch bei der asymmetrischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodeneinrichtung 100 folgt der Lichtbogen 1 vom Zündabschnitt 30 beginnend der Gestalt der Elektrodenseite 13 der ersten Elektrode 10, welche zur Oberfläche 24 der zweiten Elektrode 20 weist. Entsprechend führt der Lichtbogen 1 zusätzlich zu seiner Bewegung in z-Richtung eine Bewegung in y-Richtung aus, d. h. senkrecht zu der Hauptstromrichtung und senkrecht zu der Bezugsfläche, die von der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 20 aufgespannt wird. Aufgrund der Ausdehnung der Oberfläche 24, die mindestens die Höhe des Profils der Elektrodenplatte in y-Richtung abdeckt, folgt der Lichtbogen 1 der Bewegung in y-Richtung entlang seiner gesamten Länge über den Abstand zwischen den Elektroden 10, 20.
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Abweichend von den Illustrationen in den 1 bis 6 kann die mindestens eine Elektrode 10 der Elektrodeneinrichtung 100 mit einer gekrümmten Flächenform ausgestattet sein. In diesem Fall ergibt sich zwischen den zueinander weisenden Elektrodenseiten eine gekrümmte Bezugsfläche, die von der Hauptstromrichtung und der Laufstrecke des Lichtbogens gebildet wird. Auch bei einer gekrümmten Flächenform ist das Profil der mindestens einen Elektrode quer zur lokalen Ausrichtung der Bezugsfläche zwischen den Elektroden geformt.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
