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Die Erfindung betrifft die in Material und Geometrie geänderte Elektrodenabdeckung für einen Plasmabrenner, welche die Stirnseite der Isolierplatte vor Verschmutzung schützt.
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Im Bereich der Motorenentwicklung werden zur Gewichtseinsparung die Zylinderkurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und die Zylinder standardgemäß mit einer eingesetzten Graugussbuchse versehen. Die aktuellsten Motorengenerationen erfordern neben der Gewichtseinsparung eine verbesserte Tribologie und höhere Wärmeleitfähigkeit.
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Das atmosphärische Plasmaspritzen (APS) bietet mit den erreichbaren Temperaturen und Partikelgeschwindigkeiten weitreichende Möglichkeiten eine laufbahngeeignete Schicht direkt auf das Aluminiumsubstrat aufzubringen. Somit kann der Einsatz von Graugussbuchse entfallen, und es sind neben Metallverbindungen auch Keramiken einsetzbar. Die Schichtdicken der entsprechenden Beschichtungen liegen im zehntel Millimeterbereich und ermöglichen durch die Materialwahl das bewusste Steuern der intermetallischen Phasen, der Poren- und Oxidanteile der benötigten Verschleiß- und Reibeigenschaften.
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Aufgrund des zugeführten Beschichtungswerkstoffs und der hohen Temperaturen des Plasmas kann sich in der Umgebung des Plasmabrenners eine hohe Teilchendichte ausbilden, durch welche auch der Plasmabrenner zunehmend beschichtet und beschädigt werden kann. Je nach Ausgestaltung des Plasmabrenners sind die Elektroden und ein, zwischen den Elektroden, angeordneter Isolator stirnseitig offen. Problematisch hierbei ist die abnehmende elektrische Isolierfähigkeit des Isolators, da durch Ablagerungen ungewollte Kriechströme entstehen, welche den Isolator schädigen und zum Totalausfall des Plasmabrenners führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Isolator eines Plasmabrenners nachhaltig vor Ablagerungen zu schützen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Elektrodenanordnung für einen Plasmabrenner bereitgestellt. Die Anordnung weist eine erste, sich in einer Längsrichtung erstreckende, Elektrode, eine zweite Elektrode, einen Isolator zum Beabstanden der ersten Elektrode gegenüber der zweiten Elektrode und eine Elektrodenabdeckung auf. Die Elektrodenabdeckung weist einen Mantelabschnitt mit einem Aufnahmeraum auf, welcher quer zu der Längsrichtung geöffnet ist und dazu ausgebildet ist, die erste Elektrode aufzunehmen. Des Weiteren ist der Aufnahmeraum dazu ausgebildet, die erste Elektrode zumindest bereichsweise abzudecken. Erfindungsgemäß ist an dem Mantelabschnitt endseitig ein Kappenabschnitt angeordnet, welcher den Aufnahmeraum stirnseitig abschließt und sich in Öffnungsrichtung des Aufnahmeraums bzw. quer zur Längsrichtung über den Mantelabschnitt hinaus erstreckt, wobei der Kappenabschnitt den Isolator vorzugsweise übergreift.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Plasmabrenner, insbesondere zum Innenbeschichten von Zylinderlaufbahnen, mit einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung bereitgestellt.
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Die Elektrodenabdeckung besteht gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorzugsweise aus dem Mantelabschnitt, welcher sich in Längsrichtung erstreckt und endseitig in den Kappenabschnitt übergeht. Der Kappenabschnitt erstreckt sich vorzugsweise quer, insbesondere in einem 90° Winkel, gegenüber dem Mantelabschnitt und bildet einen seitlichen Steg aus, welcher von dem Mantelabschnitt absteht. Der Mantelabschnitt weist einen Aufnahmeraum zum Aufnehmen der ersten Elektrode auf. Insbesondere kann die Elektrodenabdeckung Befestigungsbohrungen zum ortsfesten Positionieren der Elektrodenabdeckung an der ersten Elektrode aufweisen.
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Durch das Übergreifen des Kappenabschnitts der Elektrodenabdeckung quer zur Längsrichtung kann eine Abdeckung bzw. Bedachung ausgebildet werden, welche den Isolator und die erste Elektrode stirnseitig bedeckt. Der Kappenabschnitt kann hierbei auf der Stirnseite des Isolators anliegen oder von der Stirnseite des Isolators in Längsrichtung beabstandet sein.
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Die Elektrodenabdeckung kann im Wesentlichen eine L-Form aufweisen, welche aus dem Mantelabschnitt und dem Kappenabschnitt ausgebildet ist. Der Mantelabschnitt kann sich in Längsrichtung parallel zu den Elektroden und dem Isolator erstrecken, wobei der Kappenabschnitt als eine stirnseitige Begrenzung der Elektrodenanordnung fungiert und somit ein stirnseitiges Ende der Elektrodenanordnung ausbildet.
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Im Betrieb des Plasmabrenners entstehen im Bereich der Stirnseite sowohl an den beiden Elektroden, als auch an dem dazwischenliegenden beispielsweise keramischen Isolator Beschädigungen, so dass der Plasmabrenner oder die jeweiligen Komponenten repariert bzw. ausgetauscht werden müssen. Um diesem Verschleiß entgegenzuwirken, dient der Kappenabschnitt als Abdeckung und verdeckt stirnseitig die erste Elektrode und zumindest den Isolator, wodurch das Verschleißverhalten des Plasmabrenners verbessert und die Lebensdauer des Isolators verlängert wird. Der Kappenabschnitt dient somit als mechanischer Schutz einer Stirnseite des Isolators sowie der ersten und/oder der zweiten Elektrode.
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Die Elektrodenabdeckung kann vorzugweise als Nachrüstlösung für bereits bestehende Plasmabrenner, wie beispielsweise Oerlikon Multiline Brenner, eingesetzt werden. Hierzu kann die Elektrodenabdeckung der Elektrodenanordnung Befestigungspunkte und Abmessungen aufweisen, welche eine Befestigung der Elektrodenabdeckung an einem oder mehreren unterschiedlichen Plasmabrennern ermöglichen.
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Ein Plasmabrenner mit einer derartigen Elektrodenanordnung kann für die Umsetzung von nahezu allen Innenbeschichtungen verwendet werden. Insbesondere kann der Plasmabrenner im Bereich der Medizintechnik, von Motoren, Getrieben, bei der Fahrwerkherstellung, in der Luft- und Raumfahrt und dergleichen Anwendungsbereichen verwendet werden. Darüber hinaus kann ein derartiger Plasmabrenner neben einer Großserienfertigung auch für Anwendungen in der Einzelteilfertigung kostenoptimiert eingesetzt werden.
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Die Schutzfunktion der Elektrodenabdeckung kann zusätzlich dadurch optimiert werden, dass der Kappenabschnitt den Isolator und die zweite Elektrode stirnseitig übergreift. Durch eine derartige Verlängerung des Kappenabschnitts können alle Elektroden und der zumindest eine zwischen den Elektroden angeordnete Isolator stirnseitig verdeckt und somit geschützt werden.
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Nach einer Ausführungsform ist zwischen dem Isolator und/oder der zweiten Elektrode und dem Kappenabschnitt zumindest bereichsweise eine Spülfuge ausgebildet, wobei der Kappenabschnitt eine Spülfläche aufweist, welche die Spülfuge in Längsrichtung begrenzt. Die Spülfläche ist hierbei der Stirnseite der ersten Elektrode und des Isolators zugewandt.
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Hierdurch entsteht zwischen der Spülfläche und der Stirnseite der ersten Elektrode, des Isolators und optional der Stirnseite der zweiten Elektrode ein Spalt in Form der Spülfuge. Bevorzugterweise sind die erste Elektrode, der Isolator und die zweite Elektrode stirnseitig fluchtend angeordnet, sodass eine gemeinsame, der Spülfläche beabstandet gegenüberliegende, Stirnseite ausgebildet wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Spülfuge dazu ausgebildet, ein aus dem Mantelabschnitt strömendes Spülgas quer zur Längsrichtung entlang der Spülfläche des Kappenabschnitts zu leiten. Das Spülgas kann beispielsweise ein Edelgas, wie Argon, oder ein bereits für die Plasmaerzeugung eingesetztes nicht ionisiertes Plasmagas sein. Durch diese Maßnahmen kann der Isolator und die Elektroden vor Verschleiß und Beschädigungen geschützt werden, so dass eine wesentlich längere Lebensdauer erzielt wird. Durch das aus der Spülfuge strömende Spülgas wird das Eindringen und Ablagern von Partikeln aus dem Isolator unterbunden. Bevorzugterweise kann das Spülgas permanent oder während des Beschichtungsbetriebs des Plasmabrenners durch den Mantelabschnitt und somit durch die Spülfuge aus der Elektrodenabdeckung hinaus geleitet werden.
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Das Spülgas kann besonders effizient zu der Spülfuge strömen, wenn der Mantelabschnitt und/oder die erste Elektrode mindestens einen Fluidkanal zum Leiten von Spülgas aufweist, welcher in der Spülfuge mündet. Der Fluidkanal kann beispielsweise als mindestens eine in Längsrichtung verlaufende Aussparung ausgeprägt sein. Die mindestens eine Aussparung kann hierbei in die erste Elektrode, den Isolator und/oder in den Mantelabschnitt der Elektrodenabdeckung eingebracht sein. Hierdurch kann das Spülgas flexibel und in unterschiedlicher Weise zur Spülfuge geleitet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist in einem Übergangsbereich zwischen dem Mantelabschnitt und dem Kappenabschnitt mindestens eine Ausnehmung zum fluidleitenden Verbinden des Fluidkanals mit der Spülfuge eingebracht. Die Ausnehmung kann beispielsweise abgerundet oder zylinderförmig ausgeformt sein und quer zur Längsrichtung verlaufen. Insbesondere kann die mindestens eine Ausnehmung in Richtung der Spülfuge verlaufen und in der Spülfuge münden. Durch den Einsatz einer derartigen Ausnehmung kann das durch den Fluidkanal geleitete Spülgas effizient in seiner Strömungsrichtung hin zur Spülfuge umgelenkt werden, sodass die Strömungsverluste minimiert werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Spülfläche gegenüber dem Übergangsbereich abgestuft. Hierdurch kann ein optimierter Strömungskorridor realisiert werden, durch welchen das druckbeaufschlagte Spülgas flächig verteilt aus der Spülfuge strömen kann. Hierzu kann die Spülfläche eben oder konturiert ausgeformt sein, um auf die Spülgasströmung einzuwirken. Insbesondere kann der Übergangsbereich auf der ersten Elektrode stirnseitig aufliegen. Durch die Abstufung in Längsrichtung kann die Spalthöhe der Spülfuge präzise eingestellt werden.
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Der Plasmabrenner kann technisch besonders einfach ausgeführt sein, wenn der Aufnahmeraum einen rechteckigen Querschnitt aufweist, Insbesondere kann der Aufnahmeraum eine Form aufweisen, welche mit einer Form der ersten Elektrode korrespondiert. Hierdurch kann die erste Elektrode formschlüssig in dem Aufnahmeraum angeordnet werden, sodass die Elektrodenabdeckung formschlüssig an der ersten Elektrode und damit passgenau an dem Plasmabrenner anordenbar ist.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Elektrodenabdeckung einteilig oder mehrteilig ausgestaltet. Bevorzugterweise bestehen der Mantelabschnitt und/oder der Kappenabschnitt aus einer Keramik oder einem hochtemperaturfesten Kunststoff. Insbesondere bei dem Einsatz eines Hochleistungskunststoffs bzw. hochtemperaturfesten Kunststoffs kann eine Elektrodenabdeckung mit einer verringerten Sprödigkeit hergestellt werden. Durch diese Materialeigenschaften kann eine höhere Designfreiheit und beispielsweise eine filigranere Ausformung der Elektrodenabdeckung realisiert werden. Ein derartiger hochtemperaturfester Kunststoff kann beispielsweise Polyetheretherketon bzw. PEEK sein.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Darstellung eines Plasmabrenners gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform,
- 2 eine perspektivische Darstellung des Plasmabrenners aus 1 mit demontierter Elektrodenabdeckung,
- 3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Elektrodenabdeckung,
- 4 eine weitere perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Elektrodenabdeckung,
- 5 eine Frontansicht der Elektrodenabdeckung aus 3,
- 6 eine Seitenansicht der Elektrodenabdeckung aus 3, und
- 7 eine Schnittdarstellung der Elektrodenabdeckung entlang der Linie A-A aus 3.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
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Die 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Plasmabrenners 100 gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. Der Plasmabrenner 100 ist stabförmig ausgestaltet und ist entlang einer Rotationsachse R drehbar gelagert. Der Plasmabrenner 100 weist eine Elektrodenanordnung 10 auf. Die Elektrodenanordnung 10 ist in Längsrichtung L endseitig auf einer Brenneraufnahme 110 befestigt. Die Brenneraufnahme 110 und die Elektrodenanordnung 10 können beispielsweise mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 600-700 U/min rotieren. Zum Erzeugen eines Plasmas weist die Elektrodenanordnung 10 eine erste Elektrode 20 (2) und eine zweite Elektrode 30 auf, welche mit hohen elektrischen Strömen beaufschlagbar sind. Die erste Elektrode 20 ist durch einen Isolator 40 von der zweiten Elektrode 30 quer zur Längsrichtung L beabstandet.
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Die zweite Elektrode 30 weist Befestigungsbohrungen 31 und eine Austrittsöffnung 32 für ein erzeugtes Plasma auf. Das Plasma kann in Austrittsrichtung A emittiert werden. Zum Einbringen eines Beschichtungswerkstoffs ist eine Zufuhrdüse 33 vorgesehen, welche an der Austrittsöffnung 32 angeordnet ist und den Beschichtungswerkstoff einem erzeugten Plasma zuführen kann.
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Die zweite Elektrode 30 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Parallel zu der zweiten Elektrode 30 ist der Isolator 40 angeordnet. Der Isolator 40 besteht aus einem keramischen Werkstoff und weist ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt auf.
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Des Weiteren weist die Elektrodenanordnung 10 eine Elektrodenabdeckung 50 auf. Die Elektrodenabdeckung 50 besteht aus einem Mantelabschnitt 51, welcher sich in Längsrichtung L parallel zu dem Isolator 40 erstreckt und formschlüssig an dem Isolator 40 anliegt. Der Mantelabschnitt 51 mündet endseitig bzw. stirnseitig in einen Kappenabschnitt 52 der Elektrodenabdeckung 50. Darüber hinaus sind Befestigungsbohrungen 53 vorgesehen, über welche die Elektrodenabdeckung 50 mit der ersten Elektrode 20 verbindbar ist.
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Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Isolator 40 sowie der zweiten Elektrode 30 und dem Kappenabschnitt 52 eine Spülfuge 60 ausgebildet. Durch die Spülfuge 60 kann ein Spülgas mit einem Überdruck in Austrittsrichtung A hinausgeleitet werden. Hierdurch kann insbesondere der Isolator 40 gekühlt und ein Ablagern von Verschmutzungen und Partikeln verhindert werden. Die Austrittsrichtung A verläuft hierbei quer zur Längsrichtung L.
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In der 2 ist die Elektrodenabdeckung 50 entfernt, sodass die erste Elektrode 20 der Elektrodenanordnung 10 veranschaulicht ist. Die erste Elektrode 20 verläuft parallel zu dem Isolator 40. Insbesondere sind die erste Elektrode 20 und die zweite Elektrode 30 mit dem Isolator 40 verschraubt und bilden somit eine zusammenhängende Einheit aus.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist in die erste Elektrode 20 ein in Längsrichtung L verlaufender Fluidkanal 21 zum Leiten von Spülgas eingebracht, welcher in die Spülfuge 60 mündet. Alternativ kann der Fluidkanal in Form einer Bohrung 41 auch durch den Isolator 40 verlaufen.
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Der Mantelabschnitt 51 der Elektrodenabdeckung 50 kann die erste Elektrode 20 umgreifen. Der Mantelabschnitt 51 bildet in Austrittsrichtung A einen Stumpfstoß mit dem Isolator 40 aus und umschließt die erste Elektrode 20 vollständig.
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Die 3 und 4 zeigen perspektivische Darstellungen der erfindungsgemäßen Elektrodenabdeckung 50. Die Elektrodenabdeckung 50 ist L-förmig ausgestaltet und besteht aus einem hochtemperaturfesten Kunststoff, wie beispielsweise PEEK. Insbesondere kann die Elektrodenabdeckung 50 durch ein Spritzgussverfahren oder einen 3D-Druck herstellbar sein.
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Die Elektrodenabdeckung 50 weist einen Mantelabschnitt 51 auf, welcher einen Aufnahmeraum 54 ausbildet. Der Aufnahmeraum 54 ist in eine Öffnungsrichtung O geöffnet. Die Öffnungsrichtung O entspricht gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Austrittsrichtung A. Der Aufnahmeraum 54 weist eine Form auf, welche einer Form der ersten Elektrode 20 entspricht, sodass die erste Elektrode 20 formschlüssig in den Aufnahmeraum 54 passen kann.
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Der Mantelabschnitt 51 erstreckt sich in Längsrichtung L und geht endseitig in den Kappenabschnitt 52 über. Der Kappenabschnitt 52 erstreckt sich vorzugsweise quer, insbesondere in einem 90° Winkel, gegenüber dem Mantelabschnitt 51 und bildet einen seitlichen Steg 55 aus, welcher von dem Mantelabschnitt 51 absteht. Der Steg 55 weist eine Spülfläche 58 auf, welche die Spülfuge 60 einseitig begrenzt.
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In einem Übergangsbereich 56 zwischen dem Mantelabschnitt 51 und dem Kappenabschnitt 52 sind zwei Ausnehmungen 57 in das Material der Elektrodenabdeckung 50 eingebracht. Die Ausnehmungen 57 sind zylindrisch geformt und verbinden den Übergangsbereich 56 mit der Spülfuge 60. Bevorzugterweise kann die Ausnehmung 21 in zumindest eine Ausnehmung 57 münden.
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Die Spülfläche 58 ist gegenüber dem Übergangsbereich 56 abgestuft ausgeführt. Hierdurch kann der Übergangsbereich 56 flächendeckend stirnseitig auf der ersten Elektrode 20 aufliegen, ohne die Spülfuge 60 zu verschließen. Je nach Größe der Abstufung 70 kann eine Höhe H der Spülfuge 60 eingestellt werden.
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Die 5 zeigt eine Frontansicht der Elektrodenabdeckung 50 aus 3.
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In der 6 ist eine Seitenansicht der Elektrodenabdeckung 50 aus 3 dargestellt. Es wird hierbei die L-Form der Elektrodenabdeckung 50 mit der Abstufung 70 zum Ausbilden einer Spülfuge 60 mit einer Höhe H veranschaulicht.
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Die 7 stellt eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A der Elektrodenabdeckung 50 aus 3 dar.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Plasmabrenner
- 110
- Brenneraufnahme
- 10
- Elektrodenanordnung
- 20
- erste Elektrode
- 21
- Ausnehmung / Fluidkanal der ersten Elektrode
- 30
- zweite Elektrode
- 31
- Befestigungsbohrungen der zweiten Elektrode
- 32
- Austrittsöffnung des Plasmas
- 33
- Zufuhrdüse des Beschichtungswerkstoffs
- 40
- Isolator
- 41
- Bohrung / Fluidkanal im Isolator
- 50
- Elektrodenabdeckung
- 51
- Mantelabschnitt
- 52
- Kappenabschnitt
- 53
- Befestigungsbohrungen der Elektrodenabdeckung
- 54
- Aufnahmeraum
- 55
- Steg des Kappenabschnitts
- 56
- Übergangsbereich
- 57
- Ausnehmung im Übergangsbereich
- 58
- Spülfläche
- 60
- Spülfuge
- 70
- Abstufung
- A
- Austrittsrichtung des Plasmas
- H
- Höhe der Spülfuge in Längsrichtung
- O
- Öffnungsrichtung des Aufnahmeraums
- L
- Längsrichtung
