DE10210914A1

DE10210914A1 - Plasmabrenner und Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls

Info

Publication number: DE10210914A1
Application number: DE10210914A
Authority: DE
Inventors: Walter Peschka
Original assignee: GTV GES fur THERMISCHEN VERSC
Current assignee: GTV GES fur THERMISCHEN VERSC
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: DE10210914B4; DE10210914C5

Abstract

Um einen Plasmabrenner, umfassend mindestens eine Anode und eine Kathodenanordnung mit einer Mehrzahl von Kathoden, wobei in einer Brennkammer zwischen mindestens einer Anode und der Kathodenanordnung ein Lichtbogen erzeugbar ist und der Brennkammer ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zuführbar ist, derart zu verbessern, daß ein optimierter Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode erzeugbar ist, wird vorgeschlagen, daß eine Pilotlichtbogenvorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein zwischen den Kathoden der Kathodenanordnung umlaufendes elektrisches Feld erzeugbar ist, so daß zusätzlich zu den Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode ein an der Kathodenanordnung umlaufender Pilotlichtbogen erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmabrenner, umfassend mindestens eine Anode und eine Kathodenanordnung mit einer Mehrzahl von Kathoden, wobei in einer Brennkammer zwischen mindestens einer Anode und der Kathodenanordnung ein Lichtbogen erzeugbar ist und der Brennkammer ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zuführbar ist.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls in einen Plasmabrenner, welcher eine Kathodenanordnung mit einer Mehrzahl von Kathoden und mindestens eine Anode umfaßt, bei dem sich zwischen der Kathodenanordnung und mindestens einer Anode in einer Brennkammer ein Lichtbogen erzeugt wird und der Brennkammer ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zugeführt wird.
Mehrkathoden-Plasmabrenner sind beispielsweise aus der EP 1 113 711 A2 oder EP 0 436 576 B1 bekannt. Sie haben gegenüber Plasmabrennern mit nur einer Kathode den Vorteil, daß umfangreiche Möglichkeiten der Steuerung und Regelung bezüglich des Ansatzes des Lichtbogens bestehen und auch mehr Steuerungsmöglichkeiten für den Bogenstrom bestehen. Sie weisen in der Regel eine größere Standzeit auf und sind auch zuverlässiger als Ein-Kathoden-Plasmasbrenner.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Plasmabrenner der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß ein optimierter Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode erzeugbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Plasmabrenner erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Pilotlichtbogenvorrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein zwischen den Kathoden der Kathodenanordnung umlaufendes elektrisches Feld erzeugbar ist, so daß zusätzlich zu dem Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode ein an der Kathodenanordnung umlaufender Pilotlichtbogen erzeugbar ist.
Durch eine umlaufende Spannung zwischen den Kathoden der Kathodenanordnung läßt sich ein rotierendes Pilotlichtbogensystem erzeugen, welches zusätzlich zu dem Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode in der Brennkammer vorliegt. Bei Zuführung des Arbeitsgases zu diesem Pilotlichtbogensystem läßt sich dann ein zusätzliches Bogenplasma erzeugen, welches vom Arbeitsgas mitgenommen wird und dem (Gleichtstrom-)Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode zugeführt wird. Dadurch läßt sich der letztgenannte Lichtbogen stabilisieren und dadurch wiederum der erzeugte Plasmastrahl optimieren. Insbesondere läßt sich ein geometrisch langer Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode mit geringem Bogenstrom aufrechterhalten. Dadurch läßt sich der entsprechende Plasmabrenner im Teillastbereich betreiben, auch wenn das Bogenplasma selber eine relativ niedrige Temperatur aufweist.
Auf vorteilhafte Weise läßt sich das Pilotlichtbogensystem erzeugen, wenn durch die Pilotlichtbogenvorrichtung an der Kathodenanordnung eine drehfeldartig umlaufende Spannung zwischen den Kathoden anlegbar ist. Diese bewirkt dann das umlaufende elektrische Feld, welches zu dem Pilotlichtbogensystem führt.
Günstigerweise ist eine elektrische Trennung bezüglich der Erzeugung des Pilotlichtbogens und der Erzeugung des Lichtbogens zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode vorgesehen. Dadurch läßt es sich erreichen, daß die elektrische Ansteuerung der Kathoden über die Pilotlichtbogenvorrichtung die elektrische Ansteuerung der Kathoden zur Erzeugung des Lichtbogens zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode im wesentlichen nicht stört. Dadurch wiederum lassen sich diese beiden unterschiedlichen Lichtbogensysteme (Pilotlichtbogensystem und Gleichstromlichtbogensystem) getrennt voneinander steuern beziehungsweise regeln und sich somit wiederum die Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten des Plasmabrenners erhöhen. Insbesondere läßt sich je nach Anwendung das Pilotlichtbogensystem zuschalten bzw. wegschalten.
Insbesondere ist es vorgesehen, daß der Pilotlichtbogen mit oder nach der Zündung des Lichtbogens zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode erzeugbar ist. Über entsprechende Einstellungen der Zündbedingungen läßt sich dadurch auch eine Steuerung des Pilotlichtbogens erreichen.
Die elektrische Ansteuerung der Kathodenanordnung läßt sich auf einfache Weise dann bewerkstelligen, wenn der Pilotlichtbogen mit der Frequenz einer Versorgungsspannung der Kathodenanordnung umläuft. Beispielsweise über einen Dreiphasentransformator, wenn die Kathodenanordnung drei Kathoden umfaßt, läßt sich dadurch ein Pilotlichtbogensystem ausbilden.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Pilotlichtbogenvorrichtung als Zündvorrichtung für ein Brennkammer-Plasma ausgebildet ist. Es läßt sich dann beispielsweise ein Dreiphasentransformator, welcher das elektrische Feld zur Erzeugung des umlaufenden Pilotlichtbogensystems erzeugt, zur Herstellung von Zündimpulsen, beispielsweise durch Vorsehen einer Stoßfunkenstrecke, zur Zündung des Plasmas nutzen.
Weiterhin ist es dann günstig, wenn die Pilotlichtbogenvorrichtung nach dem Zünden des Plasmas von einem Zündbetrieb in einen Pilotlichtbogenbetrieb umschaltbar ist, in welchem dann das Pilotlichtbogensystem an der Kathodenanordnung umläuft.
Um eine Zündung zu bewirken, ist mindestens im Zündbetrieb ein hochfrequentes Feld zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode anlegbar. Beispielsweise ist dazu ein entsprechend schaltbares Stromtor vorgesehen. Nach der Zündung läßt sich dann dieses Stromtor schließen (das heißt eine entsprechende Verbindung elektrisch unterbrechen), so daß das entsprechende elektrische Feld zwischen den Kathoden wirkt und so wiederum das umlaufende elektrische Feld an der Kathodenanordnung erzeugt wird.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Pilotlichtbogenvorrichtung einen jeder Kathode der Kathodenanordnung zugeordneten Hochfrequenz-Generator umfaßt. Ein solcher Hochfrequenz-Generator dient dann zur Erzeugung von Hochfrequenzimpulsen zur Zündung des Plasmas. Durch die Ankopplung der Hochfrequenz-Generatoren an die Pilotlichtbogenvorrichtung läßt sich beispielsweise ein Dreiphasen-Transformator nutzen, um die entsprechenden Zündimpulse zu erzeugen. Während des Zündbetriebs werden mittels der Hochfrequenz-Generatoren entsprechende Spannungsspitzen erzeugt, die in der Größenordnung der Durchbruchsspannung des Arbeitsgases liegen, um eben das Plasma zu zünden. Ist dann aber das Plasma gezündet, dann läßt sich eben das umlaufende Lichtbogensystem ausbilden, wobei die entsprechende Spannung nicht wesentlich über der normalen Bogenspannung liegt, so daß auch die Durchschlagsfestigkeit der elektrischen Isolierung der Kathoden der Kathodenanordnung keinen extrem hohen Anforderungen genügen muß. Dieser Effekt ist auch auf eine fallende Strom-/Spannungs- Charakteristik des Lichtbogens zurückzuführen.
Die Frequenz zur Erzeugung einer Hochfrequenzentladung zur Zündung des Plasmas ist dabei mindestens 100fach größer als die Frequenz der Versorgungsspannung und liegt beispielsweise im Größenordnungsbereich zwischen 100 kHz und 300 kHz.
Vorteilhafterweise ist ein Schalter vorgesehen, mittels welchem mit oder nach Zündung des Plasmas die mindestens eine Anode von der Kathodenanordnung bezüglich des umlaufenden Pilotlichtbogenfeldes abkoppelbar ist. Dadurch läßt sich von einem Zündbetrieb in einen eigentlichen Plasmastrahl-Betriebsmodus mit rotierendem Pilotlichtbogen umschalten.
Vorteilhafterweise ist eine Mehrzahl von Anodensegmenten vorgesehen, welche elektrisch getrennt sind oder trennbar sind. Es ergeben sich dadurch zahlreiche Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten für den Betrieb des Plasmabrenners. Insbesondere kann dadurch die Lichtbogenausbildung zwischen der Kathodenanordnung und den Anoden zeitlich und/oder räumlich gesteuert bzw. geregelt werden. Es kann dabei vorgesehen sein, daß die Anoden, das heißt Anodensegmente, der Anzahl der Kathoden entsprechen. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß beispielsweise mehr Anodensegmente als Kathoden vorgesehen sind.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung zur räumlichen und/oder zeitlichen Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Beaufschlagung der mindestens einen Anode und der Kathodenanordnung vorgesehen ist, mittels welcher die Ausbildung des Lichtbogens zwischen der mindestens einen Anode und der Kathodenanordnung steuerbar und/oder regelbar ist.
Günstigerweise ist dabei der Ansatz des Lichtbogens an der mindestens einen Anode zeitlich und/oder räumlich steuerbar und/oder regelbar. Ferner ist es günstig, wenn der Ansatz des Lichtbogens an der Kathodenanordnung zeitlich und/oder räumlich steuerbar und/oder regelbar ist. Insbesondere erfolgt die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit weiterer Betriebsparameter des Plasmabrenners. Solche Betriebsparameter sind beispielsweise Zuführungsparameter für Zusatzwerkstoffe, Druck und Volumenstrom des Arbeitsgases, Druckdifferenz zwischen einzelnen Anodensegmenten, Lichtbogenstrom, Segmentströme, von dem Lichtbogen erzeugte Magnetfelder und dessen Fourierkomponenten, Kühlmitteltemperatur usw..
Günstigerweise sind die Kathoden der Kathodenanordnung symmetrisch um eine Brennkammerachse angeordnet, um Belastungen von Brennkammerwänden zu minimieren.
Um mittels des Plasmabrenners Beschichtungsvorgänge durchführen zu können, ist vorteilhafterweise eine Zuführungsvorrichtung vorgesehen, mittels welcher Zusatzwerkstoff dem Plasmastrahl zuführbar ist. Insbesondere ist die Zuführungsvorrichtung so ausgebildet, daß Zusatzwerkstoff in die Brennkammer und/oder außerhalb der Brennkammer zuführbar ist. Hochschmelzende Materialien können dadurch beispielsweise direkt in die Brennkammer (in den Lichtbogen) injiziert werden, während niederschmelzende Materialien außerhalb der Brennkammer dem Plasmastrahl zuführbar sind.
Die Zuführungsvorrichtung weist dabei günstigerweise Injektionskanäle in die Brennkammer auf, welche mindestens in einer Projektion auf eine Querebene bezogen auf eine Brennkammerachse in ihrer Anordnung die Symmetrie der Kathodenanordnung übernehmen. Dadurch läßt sich auch bei der Injektion von Zusatzwerkstoff die Stabilität des Lichtbogens optimieren und darüber hinaus auch noch die Geräuschentwicklung minimieren. Liegen beispielsweise drei Kathoden vor, welche auf den Ecken eines gleichseitigen Dreieckes liegen, das heißt jeweils in Winkeln von 120° gegeneinander versetzt sind, dann sind vorteilhafterweise die Injektionskanäle ebenfalls um den gleichen Winkel relativ zu einander versetzt. Es können aber auch sechs oder neun Injektionskanäle vorgesehen sein, deren Anordnung dann eine Symmetrie aufweist, welche mit der Anordnung der Kathoden kompatibel ist.
Insbesondere ist die Brennkammer als Plasmadüse zur Ausbildung eines Plasmastrahls ausgebildet. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Brennkammer im wesentlichen so ausgebildet ist, daß der Plasmastrahl in Unterschallströmung geführt ist. Bei entsprechend konsequenter Strömungsführung lassen sich dadurch sich periodisch bildende starke Verdichtungsstöße (Machsche Knoten) am Brenneraustritt vermeiden. Dadurch wiederum sind solche Verdichtungsstöße innerhalb der Brennkammer vermieden. Es ist dann auch die Geräuschemission des Plasmabrenners minimiert. Insbesondere ist dabei die Brennkammer so ausgebildet, daß der Plasmastrahl bei Austritt aus dieser in Unterschallströmung geführt ist.
Das Plasma ist vorteilhafterweise im schallnahen Unterschallbereich geführt.
Um eine konsequente Strömungsführung im Unterschallbereich zu erreichen, weisen Querschnittserweiterungen der Brennkammer einen solchen maximalen Erweiterungswinkel auf, daß das Plasma im schallnahen Bereich strömt. Ein Druckwiedergewinn läßt sich dann mittels schwacher Verdichtungsstöße durchführen. Eine entsprechende gasdynamische Stabilisierung der Strömung läßt sich durch Steuerung und/oder Regelung des Lichtbogens erreichen, wobei wiederum der Pilotlichtbogen eine entsprechende Steuerungs- beziehungsweise Regelungskomponente darstellt.
Die eingangs genannten Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen gattungsgemäßen Plasmabrenner dadurch gelöst, daß die Kathoden der Kathodenanordnung so ausgebildet sind, daß durch Kathodenspitzen verlaufende Längsrichtungen eine Brennkammerachse schneiden.
Auf diese Weise läßt sich die Krümmung eines Plasmalichtbogens minimieren. Dadurch wiederum kann sichergestellt werden, daß ein Lichtbogen an der Kathodenspitze ansetzt und nicht daneben. Dies bewirkt zum einen eine Stabilisierung des Lichtbogens und zum anderen eine gezielte Vorgabe des Ansatzpunktes des Lichtbogens, wodurch die Abnutzung der Kathoden minimiert ist.
Insbesondere sind dabei die Kathodenspitzen der Kathode der Brennkammerachse zugewandt orientiert, um so den Lichtbogen auch durch den engsten Düsenquerschnitt im Bereich der Kathodenanordnung führen zu können.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, daß die Längsrichtungen sich im wesentlichen in einem Punkt auf der Brennkammerachse schneiden, um so eine optimale Führung des Lichtbogens durch die Brennkammer zu erreichen.
Vorteilhafterweise liegen die Kathodenspitzen in einem Querabstand zur Brennkammerachse näher an dieser als eine engste Stelle der Brennkammer im Bereich der Kathodenanordnung. Dadurch läßt sich der Lichtbogen optimal durch diese engste Stelle hindurch in der Brennkammer führen.
Die entsprechende Ausbildung der Kathoden läßt sich auf einfache Weise erreichen, wenn diese so mindestens im Bereich der Kathodenspitze abgewinkelt sind, daß der Lichtbogen mit minimaler Krümmung führbar ist.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner durch einen gattungsgemäßen Plasmabrenner erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mindestens eine Anode eine oder mehrere vorgeprägte Ansatzstellen für den Lichtbogen aufweist.
Durch solche Ansatzstellen, die insbesondere an einem Hartmetallwerkstück gebildet sind, welches die Anode selber oder einen Anodeneinsatz bildet, läßt sich die Ansatzstelle für den Lichtbogen gezielt vorgeben. Dadurch wiederum wird verhindert, daß der Lichtbogen sich selber an einer undefinierten Ansatzstelle "eingräbt", wobei diese Ansatzstelle beim erneuten Hochfahren springen kann. Erfindungsgemäß werden also die Ansatzstellen vorgegeben, so daß sich eine bessere Steuerung des Lichtbogens erreichen läßt.
Insbesondere entspricht dabei die Anzahl der Ansatzstellen der Anzahl der Kathoden und die Anordnung der Ansatzstellen bezüglich einer Brennkammerachse entspricht der Anordnung der Kathoden bezüglich dieser Brennkammerachse. Insbesondere übernimmt dabei die Anordnung der Ansatzstellen die Symmetrie der Anordnung der Kathoden in der Kathodenanordnung. Dies fördert ebenfalls die definierte Ausbildung des Lichtbogens zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode.
Auf vorteilhafte Weise läßt sich eine Ansatzstelle durch eine Vertiefung in einer oder eine Erhebung über eine innere Brennkammerfläche bilden. Die Vertiefung oder Erhebung ist dabei vorteilhafterweise in einem Hartmetallwerkstoff gebildet beziehungsweise die Erhebung aus einem solchen Werkstoff gebildet.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren derart zu verbessern, daß ein Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode erzeugt wird, welcher eine hohe Stabilität aufweist.
Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den Kathoden der Kathodenanordnung eine umlaufende Spannung angelegt wird, um einen Pilotlichtbogen zwischen den Kathoden zu erzeugen.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert.
Insbesondere ist es günstig, wenn die umlaufende Spannung zur Erzeugung des rotierenden Pilotlichtbogens mit oder nach Zündung des Plasmas wirksam angelegt wird, da sich dann eine entsprechend Pilotlichtbogenvorrichtung als Zündvorrichtung für das Plasma nutzen läßt.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Ausbildung des Plasmas dadurch gesteuert und/oder geregelt wird, daß in Abhängigkeit von weiteren Bertriebsparametern die elektrische Ansteuerung der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode gesteuert und/oder geregelt wird. Dadurch läßt sich gezielt die Ausbildung des Lichtbogens steuern bzw. regeln.
Es ist auch günstig, wenn die Kathodenanordnung und die mindestens eine Anode so elektrisch beaufschlagt werden, daß beim Start des Plasmabrenners der Lichtbogen an der der Kathodenanordnung nächstliegenden Anode ansetzt. Dadurch lassen sich optimierte Anfahrbedingungen erreichen. Dieser Ansatzpunkt oder Nullpunkt des Lichtbogens kann dann während des weiteren Betriebs des Plasmabrenners so verschoben werden, daß sich ein für die jeweilige Anwendung optimierter Plasmastrahl ergibt.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners;
Fig. 2 ein Schnitt durch den Plasmabrenner gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-A;
Fig. 3 eine schematische Blockbilddarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners, wobei insbesondere die elektrische Beschaltung gezeigt ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Hochfrequenzgenerators zur Ansteuerung einer Kathode;
Fig. 5 den Verlauf der Ansteuerungsspannung für eine Kathode über der Zeit;
Fig. 6 eine Variante eines Ausführungsbeispiels mit abgewinkelten Kathoden;
Fig. 7 eine Variante eines Anodensegments in seitlicher Schnittdarstellung und
Fig. 8 eine Draufsicht auf das Anodensegment gemäß Fig. 7.
Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners, welcher in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 12 mit einer Gehäusewand 14. Die Gehäusewand 14 weist eine Achse 16 auf.
An einem unteren Ende der Gehäusewand 14 ist ein Gehäuseboden 18 angeordnet, welcher um die Achse 16 eine zylindrische durchgehende Öffnung 20 aufweist. Weiterhin ist ein Gehäusedeckel 22 vorgesehen, der an dem anderen Ende des Gehäuses 12 mit der Gehäusewand 14 verbunden ist.
Durch die Gehäusewand 14 umschlossen ist im Gehäuse 12 ein zylindrischer Hohlraum 24 gebildet, in dem eine als Ganzes mit 26 bezeichnete Brennkammer angeordnet ist, deren Brennkammerachse mit der Achse 16 zusammenfällt. Ein Brennraum 28 der Brennkammer ist rotationssymmetrisch zu der Brennkammerachse 16 ausgebildet.
Die Brennkammer 26 ist aus einer Mehrzahl von Segmenten gebildet. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt die Brennkammer 26 fünf Segmente.
Ein erstes Segment 30 der Brennkammer 26, welches das dem Gehäusedeckel 22 nächstliegende Segment ist, weist einen ersten Segmentabschnitt 32 auf, dessen Kammerwand 34 zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Kammerwand 34 koaxial zu der Gehäusewand 14 ausgerichtet ist. Auf den ersten Segmentabschnitt 32 folgt ein zweiter Segmentabschnitt 36, der einstückig mit dem ersten Segmentabschnitt 32 verbunden ist und der die Form eines Kegelstumpfes mit einer Achse koaxial zur Brennkammerachse 16 aufweist. Der Kegelwinkel ist dabei so, daß eine gedachte Kegelspitze des zweiten Segmentabschnitts 36 zu dem Gehäuseboden 18 weist.
An dem Übergang zwischen dem ersten Segmentabschnitt 32 und dem zweiten Segmentabschnitt 36 ist im Brennraum 28 eine ringförmige Auflagenstufe 38 für einen als Ganzes mit 40 bezeichneten Gegenelektrodenhalter und insbesondere Kathodenhalter gebildet.
Auf den zweiten Segmentabschnitt 36 des ersten Segments 30 folgt ein dritter Segmentabschnitt 42, welcher einen kegelstumpfförmigen Innenraum 44 aufweist, wobei eine gedachte Kegelspitze dieses Innenraums 44 auf der Brennkammerachse 16 liegend in Richtung des Gehäusedeckels 22 weist. Der dem Brennraum 28 zugewandte Übergang zwischen dem zweiten Segmentabschnitt 36 und dem dritten Segmentabschnitt 42 ist abgerundet, so daß keine scharfe Kante an diesem Übergang vorliegt.
Das erste Segment 30 ist dabei so ausgebildet, daß bei den Normalbetriebsparametern einer Heizung eines Arbeitsgases, durch welche ein Plasma erzeugt wird, daß durch die Verengung zwischen dem zweiten Segmentabschnitt 36 und dem dritten Segmentabschnitt 42 das Arbeitsgas im wesentlichen in Unterschallströmung strömt oder höchstens mit schallnaher Geschwindigkeit. Insbesondere liegt dazu der Kegelwinkel des Innenraums 44 bei einem kleinen Wert.
Die Gehäusewand 14 ist mit einer zylindrischen Ausnehmung 46 versehen, durch die eine Ringfläche 48 dem Gehäusedeckel 22 zugewandt gebildet ist, auf die das erste Segment 30 zu dessen Positionierung in dem Hohlraum 24 auflegbar ist.
Auf das erste Segment 30, welches bei einer Variante einer Ausführungsform als Brennkammer-Elektrode und insbesondere als Anode ausgebildet ist unter Verwendung eines metallischen leitfähigen Materials wie insbesondere Kupfer oder bei einer alternativen Variante aus einem nichtleitenden Material gefertigt ist, folgt zum Gehäuseboden 18 hin ein zweites Segment 50, welches als Isolierelement aus einem elektrisch isolierenden Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, Saphir, Magnesit oder Siliziumkarbid gefertigt ist. Es kann auch vorgesehen sein, daß ein solches Isolierelement 50 aus einer eloxierten Aluminium-Hartlegierung wie AlMgSi 1,5 gefertigt ist. Bei einer Variante einer Ausführungsform ist das Isolierelement aus einem gut wärmeleitenden metallischen Material gefertigt und mit einem elektrisch isolierenden Überzug versehen.
Das Isolierelement 50 hat eine scheibenförmige Gestalt mit einer zentralen zylindrischen Ausnehmung jeweils an gegenüberliegenden Stirnflächen, so daß das Isolierelement 50 im Querschnitt knochenförmig ist. Ein dadurch dem Gehäusedeckel 22 zugewandt gebildeter Stufenrand 52 ist von einer Außenringfläche 54 des dritten Segmentabschnitts 42 des ersten Segments 30 umgeben.
Das Isolierelement 50 weist zur Bildung des Brennraums 28 eine zylindrische zentrale Öffnung 56 auf, deren Durchmesser dem Durchmesser des Innenraums 44 des dritten Segmentabschnitts 42 an dem Übergang zum zweiten Segment 50 entspricht.
In dieser Öffnung kann ein Abstandsring (in der Figur nicht gezeigt) angeordnet sein, um den Abstand zwischen benachbarten Anoden, zwischen denen das Isolierelement 50 angeordnet ist, festzulegen.
Das Isolierelement 50 ist mit mindestens einem Kanal 58 (Fig. 2) versehen, welcher quer und beispielsweise senkrecht zur Brennkammerachse 16 orientiert ist mit einer Mündungsöffnung 60, welche so ausgerichtet ist, daß ein Fluid quer zu einer radialen Richtung 62 in den Brennraum 28 einblasbar ist. Der Kanal 58 geht durch die Gehäusewand 14, um von außen das Fluid, bei dem es sich insbesondere um einen Zusatzwerkstoff handeln kann, in den Brennraum 28 einblasen zu können. Bevorzugterweise ist die Mündungsöffnung 60 so angeordnet, daß das Fluid an oder in der Nähe einer Seitenfläche 64 des Brennraums 28 einblasbar ist, um eine tangentiale Zuführung des Fluids über das als Zuführeinrichtung ausgebildete Isolierelement 50 zu ermöglichen. Es können auch mehrere Kanäle 58, beispielsweise drei Kanäle vorgesehen sein.
Auf das Isolierelement 50 folgt eine Anode 66 als drittes Segment und als weitere Brennkammer-Elektrode mit einem zylindrischen Innenraum 68, dessen Durchmesser dem der Öffnung 56 im zweiten Segment 50 entspricht. Dem zweiten Segment 50 zugewandt weist das dritte Segment 66 ein in Richtung des Gehäusedeckels 22 weisendes Ringelement 70 auf, welches um einen entsprechenden Stufenrand 72 des zweiten Segments 50, welcher dem Gehäuseboden 18 zugewandt ist, umläuft.
Auf das dritte Segment 66, welches als anodische Brennkammer-Elektrode ausgebildet ist, folgt ein viertes Segment 74 der Brennkammer 26, welches ein Isolierelement ist und grundsätzlich gleich aufgebaut ist wie das zweite Segment 50. Ein entsprechendes unteres, dem Ringelement 70 abgewandtes Ringelement des dritten Segments 66 umläuft dabei einen entsprechenden Stufenrand des vierten Segments 74.
Auf das vierte Segment 74 folgt ein weiteres, als Anode (Brennkammer-Elektrode) ausgebildetes fünftes Segment, welches aus dem Gehäuseboden 18 ragt mit einer Mündungsöffnung 78, aus der ein Plasmastrahl bei Betrieb des erfindungsgemäßen Plasmabrenners austritt. Das fünfte Segment umfaßt einen ersten Abschnitt 80 mit einem zylindrischen Innenraum 82, dessen Durchmesser dem des Innenraums 68 des dritten Segments entspricht und einen zweiten Abschnitt 84, dessen Innenraum 86 kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei die gedachte Kegelspitze in Richtung des Gehäusedeckels 22 weist und die Mündungsöffnung 78 eine Basis des Kegelstumpfes bildet.
Die Anoden 30, 66, 76 können dabei, um eine bessere Abdichtung und eine bessere Kühlung zu erreichen, mit den entsprechend dazwischenliegenden Isolierelementen 50 bzw. 74 verlötet sein. Diese Verlötung muß auch die hohen Temperaturen, die beim Betrieb des Plasmabrenners auftreten können, aushalten. Es ist deshalb wichtig, daß die entsprechenden Materialien der Anoden und der Isolierelemente bezüglich ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten so angepaßt sind, daß durch die hohen Temperaturen keine Beschädigung der Lötverbindung auftritt. Es kann dabei erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß zwischen den zu verlötenden Teilen ein Puffermaterial aufgebracht wird, insbesondere mittels Sprengplattierung, das einen Wärmedehnungskoeffizienten aufweist, welcher zwischen dem des Materials für die entsprechende Anode und dem des Materials für das entsprechende Isolierelement liegt, um so einen Ausgleich bezüglich der Wärmeausdehnung bei Temperaturerhöhung zu schaffen.
Zur Kühlung der Brennkammer 26 ist eine als Ganzes mit 88 bezeichnete Kühlvorrichtung vorgesehen. Diese umfaßt parallel zur Brennkammerachse 16 in der Gehäusewand 14 angeordnete Kühlkanäle 90, die insbesondere symmetrisch bezüglich der Brennkammerachse 16 verteilt angeordnet sind und über die ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, der Brennkammer 26 zuführbar ist. Dazu weist der Gehäusedeckel 22 entsprechende Kanäle 92 auf, über die das Kühlmittel zu- und/oder abführbar ist.
Des weiteren ist zwischen dem Gehäusedeckel 22 und dem ersten Segment 30 der Brennkammer 26 ein Schlußelement 94 angeordnet, wobei zwischen diesem und dem Gehäusedeckel 22 ein zylindrischer Hohlraum 96 gebildet ist, der als Verteilerraum für das Kühlmittel dient. Dieser Hohlraum 96 ist fluiddicht gegenüber den Kanälen 90, 92 abgeschlossen. Zur Zuführung/Abführung von Kühlmittel in diesen Verteilerraum 96 weist der Gehäusedeckel 22 einen oder mehrere entsprechende Kanäle auf. Bevorzugterweise ist es vorgesehen, das Kühlmittel über den Hohlraum 96 zugeführt wird und über die Kanäle 90, 92 abgeführt wird. Die entsprechenden Zuführungsvorrichtungen und Abführungsvorrichtungen sind in der Fig. 1 nicht gezeigt.
Durch das Schlußelement 94 verlaufen, wie in Fig. 1 gezeigt, parallel zur Brennkammerachse 16 Kanäle 98, die ebenfalls bevorzugterweise symmetrisch verteilt um die Brennkammerachse 16 angeordnet sind. Diese Kanäle setzen sich in dem ersten Segment 30 als Kanäle 100 fort, wobei entsprechende Dichtungen 102 zur fluiddichten Abdichtung zwischen dem Schlußelement 94 und dem ersten Segment 30 angeordnet sind.
Die Kanäle 100 münden in dem ersten Segment 30 im Bereich des zweiten Segmentabschnitts 36 in einen Hohlraum 104, durch den die mit Kühlmittel beaufschlagbare (äußere) Brennkammerfläche vergrößert ist. Von dem Hohlraum 104 gehen weitere Kanäle 106 aus, die sich in dem Isolierelement 50 und dem dritten Segment 66 fortsetzen, wobei jeweils zwischen dem ersten Segment 30 und dem zweiten Segment 50, und dem zweiten Segment 50 und dem dritten Segment 66 entsprechende Dichtungen angeordnet sind.
Ebenfalls sind zwischen dem ersten Segment 30 und der Gehäusewand 14 Dichtungen 108 angeordnet, die insbesondere verhindern, daß Kühlmittel aus dem Hohlraum 96 in den Bereich zwischen dem ersten Segment 30 und der Gehäusewand 14 eindringt.
Zwischen dem Isolierelement 50 wie auch zwischen dem Isolierelement 74 und der Gehäusewand 14 ist dabei jeweils ein ringförmiger Hohlraum 110 gebildet, wobei entsprechende Dichtungen so angeordnet sind, daß Kühlmittel auch nicht in diesen Hohlraum 110 eindringen kann.
Das als Anode ausgebildete dritte Segment 66 weist ebenfalls einen ringförmigen Hohlraum 112 auf, der die mit Kühlmittel beaufschlagbare Fläche der Anode 66 vergrößert. Von diesem Hohlraum ausgehend führen Kanäle durch das zweite Isolierelement (viertes Segment) 74 und das als Anode ausgebildete fünfte Segment 76 in einen weiteren ringförmigen Hohlraum 114 des fünften Segments 76, in welchen die Kanäle 90 in der Gehäusewand 14 münden, so daß die Brennkammer durchströmendes Kühlmittel ausgehend von dem Hohlraum 114 über die Kanäle 90, 92 aus dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner abführbar ist.
In dem Kathodenhalter 40, welcher auf der Auflagestufe 38 angeordnet ist, sitzen parallel ausgerichtet zur Brennkammerachse 16 Halter, die durch den Gehäusedeckel 22, den Verteilerraum 96, das Schlußelement 94 und durch entsprechende Öffnungen 116 in den Brennraum 28 ragen. Bei einer Variante eines Ausführungsbeispiels sind drei Kathoden als Gegenelektroden zu den Brennkammer-Anoden vorgesehen und entsprechend drei Halter 116, welche symmetrisch um die Brennkammerachse 16 verteilt sind, d. h. die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks bilden.
An dem in den Brennraum 28 weisenden Ende sitzt an jedem Halter 116 jeweils eine stabförmige Kathode 118 als Gegenelektrode zu den Brennkammer- Elektroden, welche beispielsweise aus Wolfram gefertigt ist. Die Halter 116 sind dabei mit Innenkanälen versehen, durch die ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, zur Kühlung der Kathode 120 an dem Halter 116 zuführbar ist. Die drei Kathoden 118 bilden die Kathodenanordnung 119.
Der Kathodenhalter 40 selber ist mit einem Abstand zu dem Schlußelement 94 angeordnet, so daß ein Hohlraum 122 zwischen dem Schlußelement und dem Kathodenhalter 40 gebildet ist. In diesen Hohlraum 122 mündet ein Kanal 124 für ein Arbeitsgas zur Plasmaerzeugung, wie beispielsweise Argon oder Helium. Der Hohlraum 122 dient insbesondere als Pufferspeicher für das Arbeitsgas, um Druckschwankungen bei der Zuführung über eine Zuführvorrichtung (in der Figur nicht gezeigt) auszugleichen.
Der Kathodenhalter 40 umfaßt dabei ein Einblaselement 126, welches insbesondere aus einem Keramikmaterial gefertigt ist, und mit welchem dieser auf der Auflagestufe 38 aufliegt. Dieses Einblaselement weist Zuführkanäle 128 auf, welche ausgehend von dem Hohlraum 122 in den Brennraum 28 münden, wobei diese eine Neigung gegen die Brennkammerachse 16 aufweisen, so daß dem Arbeitsgas beim Eintritt in den Brennraum 28 ein Drall erteilbar ist. Die Zuführkanäle 128 sind dabei insbesondere so angeordnet, daß in den Brennraum 28 eingeführtes Arbeitsgas um die Kathoden 120 strömt, d. h. durch den Bereich zwischen den Kathoden und dem ersten Segment 30 strömt.
Ferner weist der Kathodenhalter den Haltern 116 zugeordnete Ringelemente 130 auf, wobei zwischen einem Halter 116 und dem Einblaselement 126 quer zur Brennkammerachse 16 ein zylindrischer Ringspalt 132 gebildet ist. In dem Ringelement 130 selber ist jeweils ebenfalls ein im Querschnitt ringförmiger Spalt 134 den Halter 116 umgebend gebildet, wobei dieser Spalt kegelförmig in Richtung der Kathode 120 ausgebildet ist, so daß Arbeitsgas durch diesen Spalt 134 in den Ringspalt 132 strömen und die Kathode 120 umströmen kann, um diese mittels Arbeitsgas zu kühlen.
Das Einblaselement 126 weist ferner koaxial zur Brennkammerachse 116 ein in den Brennraum 28 weisendes Trennelement 136 auf, welches bezogen auf die axiale Richtung über die Kathoden 120 hinaussteht und ebenfalls aus einem isolierenden Keramikmaterial gefertigt ist. Dieses Trennelement 136 dient dazu, die elektrische Beeinflussung der Kathoden gegenseitig zu verhindern.
Es ist beispielsweise vorgesehen, daß die Anzahl der Anoden der Anzahl der Kathoden entspricht. Es ist dann jeder Brennkammer-Elektrode und insbesondere Anode eine Gegenelektrode und insbesondere Kathode elektrisch zugeordnet, d. h. es ist eine Mehrzahl von Anoden-Kathoden-Elektrodenpaaren gebildet.
Es kann aber auch vorgesehen sein, daß die Anzahl der Anoden von der Anzahl der Kathoden der Kathodenanordnung 119 abweicht (siehe Fig. 3).
Es ist vorteilhaft, wenn die Anordnung der Kanäle 58 zur Injektion von Zusatzwerkstoff die Symmetrie der Kathodenanordnung 119 mindestens bezogen auf eine Projektion auf eine Querfläche zur Brennkammerachse 16 übernimmt. Sind beispielsweise die Kathoden 118 der Kathodenanordnung 119 in dreizähliger Symmetrie (auf den Enden eines gleichseitigen Dreiecks) bezüglich der Brennkammerachse 16 angeordnet, dann weist auch die Anordnung der Kanäle 58 eine solche dreizählige Symmetrie auf (in Fig. 2 ist nur ein Kanal 58 gezeigt). Die Anordnung der Kanäle 58 kann auch eine mit der dreizähligen Symmetrie kompatible höhere Symmetrie wie sechszählige Symmetrie aufweisen.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, daß in einer Richtung parallel zur Brennkammerachse 16' Enden der Kanäle 58 fluchtend oder näherungsweise fluchtend mit zugeordneten Kathoden 118 ausgerichtet sind.
Bei einer Variante einer Ausführungsform sind, wie in Fig. 6 gezeigt, Kathoden 150a, b, c einer entsprechenden Kathodenanordnung 152 im Bereich ihrer jeweiligen Kathodenspitze 154 abgewinkelt und zwar in Richtung der Brennkammerachse 16 hin. Dadurch schneidet eine durch die jeweilige Kathodenspitze 154 gehende Längsrichtung 156 der jeweiligen Kathode 150a, 150b, 150c die Brennkammerachse 16. Insbesondere schneiden sich alle Längsrichtungen 156 der jeweiligen Kathoden 150a, b, c im wesentlichen in einem Punkt auf der Brennkammerachse 16.
Durch diese Abwinklung der Kathoden 150a, b, c zu der Brennkammerachse 16 hin wird der Abstand der Kathodenspitze 154 zu der Brennkammerachse 16 hin verringert und zwar insbesondere derart, daß ein engster Querschnitt 158 des Brennkammersegments, welcher der Kathodenanordnug 152 am nächsten liegt (Segmentabschnitt 30 in Fig. 1) einen größeren Querabstand zu der Brennkammerachse 16 aufweist als die jeweiligen Kathodenspitzen 154. Dadurch ist erreichbar, daß der Lichtbogen mit minimaler Krümmung durch die Brennkammer 26 führbar ist. Dadurch wiederum läßt sich gewährleisten, daß der Lichtbogen an der jeweiligen Kathoden 150a, b, c an der Kathodenspitze 154 ansetzt und nicht daneben. Damit läßt sich zum einen eine bessere Führung des Lichtbogens in der Brennkammer 26 erreichen und damit die Plasmaerzeugung besser steuern. Zum anderen wird der Verschleiß der Kathode verringert, da der Lichtbogen dann stets an einem definierten Punkt ansetzt, welcher entsprechend gehärtet werden kann.
Bei einer alternativen oder zusätzlichen Variante einer Ausführungsform sind, wie Fig. 7 und 8 gezeigt, ein oder mehrere Anodensegmente 160 an ihrer die Brennkammer 26 bildenden Innenfläche 162 mit Mulden 164 beziehungsweise Erhebungen 166 (Fig. 7 und 8 in durchbrochenen Linien gezeigt) versehen. Ein solches Anodensegment 160 ist beispielsweise die Anode 30, die Anode 66 oder die Anode 76 oder auch alle diese Anoden.
Die Anordnung der Mulden 164 beziehungsweise Erhebungen 166 bezogen auf die Brennkammerachse 16 entspricht im wesentlichen der Anordnung der Kathoden 118 beziehungsweise 150 bezogen auf die Brennkammerachse 16, das heißt es wird die entsprechende beispielsweise dreizählige Symmetrie übernommen.
Die Mulden 164 beziehungsweise Erhebungen 166 dienen zur Stabilisierung des Lichtbogens, da sie als Ansatzstellen für den Lichtbogen dienen. Beispielsweise sind dabei diese Ansatzstellen in einem Hartmetalleinsatz 168 gebildet. Es läßt sich dadurch gewährleisten, daß der Lichtbogen beispielsweise bei einer Drei-Kathoden-Anordnung mit dreizähliger Symmetrie bezogen auf die Brennkammerachse 16 in einer Versetzung von 120° ansetzt. Dadurch läßt sich vor allem das Einbrennen in undefinierten (nicht vorgegebenen) Stellen in dem Anodensegment 160 verhindern, das heißt ein Versatz des Lichtbogens bei einem erneuten Zünden des Plasmas wird verhindert.
Die Ansatzstellen 164 beziehungsweise 160 tragen damit zur definierten Lichtbogenausbildung in der Brennkammer 26 bei und dadurch wiederum fördern sie die definierte und insbesondere steuerbare und/oder regelbare Ausbildung eines Plasmastrahls.
Es kann vorgesehen sein, daß die Plasmabrennervorrichtung eine kleinere oder größere Anzahl von Anodensegmenten umfaßt als es der Anzahl der Kathoden der Kathoden der Kathodenanordnung entspricht. Dies ist beispielhaft in Fig. 3 gezeigt, wobei dort die Brennkammer 26' mit der Brennkammerachse 16' sechs Anodensegmente 170a, 170b, 170c, 170d, 170e und 170f umfaßt. Das Anodensegment 170a liegt einer Kathodenanordnung 172 mit drei Kathoden 174 nächst. Das Anodensegment 170f bildet eine Austrittsöffnung 176 für den Plasmastrahl, über den sich dann ein Werkstück bearbeiten läßt.
Das Anodensegment 170a weist dabei eine Verengung und das nachfolgende Anodensegment 170b eine Erweiterung auf, wobei diese dergestalt ist, daß eine Unterschallströmung des Plasmas nur soweit beschleunigt wird, daß diese nicht in den Überschallbereich übertritt ("schallnahe Unterschallströmung").
Die einzelnen Anodensegmente 170a, b, c, d, e, f sind insbesondere elektrisch voneinander getrennt oder elektrisch voneinander trennbar, so daß diese individuell elektrisch beaufschlagbar sind, um eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Plasmabildung in der Brennkammer 26' durchführen zu können.
Über eine Zuführungsvorrichtung für Zusatzwerkstoff, welche in Fig. 3 als Ganzes mit 178 bezeichnet ist, läßt sich Zusatzwerkstoff dem Plasmastrahl zuführen und zwar insbesondere über entsprechende Kanäle 58 in Isolierelementen zwischen benachbarten Anodensegmenten (in Fig. 3 nicht gezeigt). Insbesondere kann dabei Zusatzwerkstoff selber in die Brennkammer 26' injiziert werden, wie durch das Einblaselement 180 angedeutet, oder alternativ oder zusätzlich über ein Einblaselement 182 in den aus dem Plasmabrenner austretenden Plasmastrahl.
Es hat sich gezeigt, daß es günstig ist, hochschmelzende Zusatzwerkstoffmaterialien direkt in den Lichtbogen zu injizieren, das heißt in die Brennkammer 26' zu injizieren, während niedrigschmelzende Materialien insbesondere mit hohem Dampfdruck vorteilhafterweise außerhalb des Lichtbogens nach Verlassen des Plasmabrenners in den Plasmastrahl injiziert werden sollten.
Im übrigen ist die Plasmakammer 26' so ausgebildet, daß der Plasmastrahl nach dem Austritt aus der Austrittsöffnung 176 höchstens im schallnahen Unterschallbereich strömt, das heißt nicht in den Überschallbereich wechselt.
Zur Steuerung und/oder Regelung der Plasmabildung ist eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung 182 vorgesehen. Diese ist beispielsweise über steuerbare Stromtore 184a, 184b, 184c, 184d, 184e und 184f mit den entsprechend zugeordneten Anodensegmenten 170a bis 170f verbunden. Es läßt sich dann individuell über eben das zugeordnete gesteuerte Stromtor ein Anodensegment individuell elektrisch beaufschlagen.
Darüber läßt sich dann der Lichtbogen in der Brennkammer 26', bei dem es sich insbesondere um einen Gleichstrom-Lichtbogen handelt, in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern so steuern und/oder regeln, daß sich die Ausbildung des Plasmastrahls optimieren läßt. Beispielsweise erfolgt diese Steuerung über die Gesamtstrombeaufschlagung zwischen der Kathodenanordnung und den Anodensegmenten und durch einzelne Segmentströme in Abhängigkeit von dem Druck des Arbeitsgases, welches zur Plasmabildung durch die Brennkammer 26' geführt ist, der Druckdifferenz zwischen den einzelnen Anodensegmenten, einer Kühlmitteltemperatur, dem Arbeitsgasdurchsatz und der Steuerung der Zuführung des Zusatzwerkstoffes. Diese Steuerung und/oder Regelung kann dabei wiederum zu stationären oder quasistationären Bedingungen erfolgen oder über eine Frequenzanalyse.
Insbesondere läßt sich durch diese Steuerungs- und Regelungseinrichtung 182 der Ansatzpunkt des Gleichstrom-Lichtbogens zeitlich und/oder räumlich steuern und/oder regeln. Bezüglich der Stromversorgung lassen sich einzelne Anodensegmente walhlweise abschalten oder zuschalten, in zeitlich variabler Reihenfolge schalten oder zusammen mit den Stromversorgungen der einzelnen Kathoden 174 der Kathodenanordnung 172 schalten. Es können auch einzelne Anodensegmente parallel geschaltet werden. Die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 182 ist dazu ebenfalls mit den einzelnen Kathoden 174 der Kathodenanordnung 172 verbunden.
Sie ist auch mit der Zuführungsvorrichtung 178 verbunden, um die Zuführung entsprechend steuern und/oder regeln zu können und um die Zuführungsparameter erfassen zu können.
Sie ist auch mit einer entsprechenden Zuführungsvorrichtung 186 für das Arbeitsgas verbunden, um eben entsprechend die Zuführung von Arbeitsgas zu steuern und/oder regeln zu können beziehungsweise die entsprechenden Zuführungsparameter für das Arbeitsgas erfassen zu können, um die elektrische Beaufschlagung zu steuern bzw. zu regeln.
Zur elektrischen Versorgung ist eine Strom-/Spannungsquelle 188 vorgesehen, bei welcher es sich insbesondere um eine Gleichspannungsquelle handelt. Diese kann aber auch alternativ oder zusätzlich Wechselspannung bereitstellen.
Diese elektrische Quelle 188 wird beispielsweise mit Dreiphasen-Wechselspannung versorgt.
Erfindungsgemäß ist eine Pilotlichtbogenvorrichtung 190 vorgesehen, mittels welcher sich zusätzlich zu dem Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung 172 und der mindestens einen Anode ein umlaufender Pilotlichtbogen zwischen den Kathoden 174 der Kathodenanordnung 172 ausbilden läßt. Durch einen während des Brennerbetriebs ständig drehfeldmäßig umlaufenden Pilotlichtbogen kann das sich in dem Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung 172 und der mindestens einen Anode gebildete Bogenplasma zusätzlich durch das gebildete Pilotlichtbogenplasma versorgt werden. Das entsprechende Pilotlichtbogenplasma, das vom Arbeitsgas in Richtung der Austrittsöffnung 176 mitgenommen wird, bewirkt eine Stabilisierung des Lichtbogens zwischen der Kathodenanordnung 172 und der mindestens einen Anode, bei dem es sich insbesondere um einen Gleichstromlichtbogen handelt. Dadurch läßt sich insbesondere im Teillastbereich ein geometrisch langer Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung und einem davon beabstandeten Anodensegment, beispielsweise 170e, 170f bei geringem Bogenstrom aufrechterhalten, das heißt bei relativ niedriger Temperatur in dem Bogenplasma aufrechterhalten.
Die Pilotlichtbogenvorrichtung 190 umfaßt Stromtore 192a, 192b, 192c, welche den jeweiligen Kathoden 174 der Kathodenanordnung 172 zugeordnet sind. Über diese Stromtore läßt sich eine Hochfrequenzbeaufschlagung und/oder Beaufschlagung mit einem umlaufenden Drehfeld der Kathodenanordnung 172 aus- bzw. einschalten.
Vor den jeweiligen Stromtoren 192a, b, c ist jeweils ein Hochfrequenz-Generator 194a, 194b, 194c angeordnet. Die Hochfrequenz-Generatoren 194a, b, c sind dabei beispielsweise in einer Sternschaltung geschaltet, wobei die einzelnen Stränge der Sternschaltung den Stromtoren 192a, b, c zugeordnet sind. Die Strangströme aus einem Drehfeld-Versorgungsnetz 196 fließen damit bei geschalteten Stromtoren 192a, b, c zu den jeweiligen zugeordneten Kathoden 174.
Der Mittelleiter 198 ist über ein Stromtor 200 mit dem Anodensegment 170a verbunden. Über das Stromtor 200 läßt sich damit der Mitteleiter 198 an das Anodensegment 170a koppeln beziehungsweise von diesem entkoppeln.
Die Strom-/Spannungsquelle 188 ist ebenfalls an das Versorgungsnetz 196 gekoppelt. Über sie läßt sich auch die Gleichstrombeaufschlagung der Kathodenanordnung 172 einstellen beziehungsweise steuern und ist dazu mit den einzeln Kathoden 174 der Kathodenanordnung 172 verbunden. Damit die Drehfeldbeaufschlagung der Kathodenanordnung 172 und die Gleichstrombeaufschlagung entkoppelbar ist, ist eine Filtereinrichtung 202 vorgesehen, welche insbesondere Tiefpassfilter umfaßt, so daß der Nicht-Gleichtstrom- /Gleichspannungsanteil der Kathodenbeaufschlagung sich nicht auf die Strom- /Spanungsquelle auswirkt.
Die Pilotlichtbogenvorrichtung 190 ist gleichzeitig als Zündvorrichtung ausgebildet, mit welcher sich beim Starten des Plasmabrenners das Plasma zünden läßt.
Die Kathodenanordnung 172 ist durch die geschilderte Anordnung an das Versorgungsnetz 196 über einen Dreiphasentransformator 204 gekoppelt.
Ein Beispiel für die Ankopplung über einen Hochfrequenzgenerator 194a an eine Elektrode 174 ist in Fig. 4 gezeigt. An eine Sekundärwicklung 206 des Dreiphasentransformators 204 (in dessen jeweiligem der entsprechenden Kathode 174 zugeordnetem Strang) ist eine Stoßfunkenstrecke 208 gekoppelt, welche zur Hochfrequenzerzeugung dient. Über die Stromtore (bei dem Beispiel in Fig. 4 das Stromtor 192a) läßt sich eine Aufladung eines Kondensators 210 steuern. Beim Erreichen einer gewünschten Ladespannung dieses Stoßkondensators 210 setzt dann eine Hochfrequenzentladung ein, die zu einer Zündung des Plasmas führt.
Die typische Frequenz für die Impulse liegt dabei in einem Bereich zwischen etwa 100 kHz und 300 kHz. Es werden in jedem Strang taktmäßig mit der über den entsprechenden Sekundärwicklungen 206 anliegenden Wechselspannung elektrische Halbwellen der Versorgungsspannung erzeugt. (Es ist ein Gleichrichtungselement 212 vorgesehen.) Die entsprechenden Wellenzüge wiederum setzen sich, wie in Fig. 5 schematisch gezeigt, aus einer Vielzahl gedämpfter hochfrequenter Schwingungen (angedeutet durch das Bezugszeichen 214) zusammen.
Die an den drei Kathoden 174 anliegenden Spannungen sind dabei jeweils phasenverschoben.
Die Halbwellen (Bezugszeichen 216 in Fig. 5) weisen die Frequenz der Wechselspannung des Versorgungsnetzes 196 auf, während die hochfrequenten Schwingungen 214 durch die Charakteristika der Stoßfunkenstrecke 208, insbesondere durch deren Induktivitäten und Kapazitäten, bestimmt sind.
Die Wechselspannung aus dem Versorgungsnetz 196 kann direkt anliegen; sie kann aber auch über Einweggleichrichter oder Brückengleichrichter in eine oder mehrere Halbwellen mit gleichem Vorzeichen je Periode umgewandelt werden. Es kann dabei eine Strombegrenzung vorgesehen sein.
Die Versorgungsspannung kann auch direkt von dem Versorgungsnetz 196 bezogen sein oder es können Stromrichter- und Phasenvervielfachungsschaltungen vorgesehen sein, welche die zugeführte Spannung und Frequenz und Phase der Anzahl der (Gleichstrom-)Kathoden 174 anpassen.
Ist am Kondensator 210 die Durchbruchspannung erreicht, so erfolgt bei geeigneter Anpassung durch die Hochfrequenzentladung eine Zündung des Plasmas. Dabei ist zwischen der Kathodenanordnung 172 und der mindestens einen Anode bereits eine Gleichstrombeaufschlagung vorgesehen. Durch die Zündung kann sich dann der entsprechende Lichtbogen ausbilden. Die Stromtore 192a, b, c sind in diesem Betriebsmodus (Anfahrmodus) auf Durchlaß geschaltet. Weiterhin ist in diesem Anfahrmodus das Stromtor 200 auf Durchlaß geschaltet, das heißt der Mittelleiter mit dem Anodensegment 170a verbunden.
Mit der Zündung des Lichtbogens zwischen der Kathodenanordnung 172 und der mindestens einen Anode wird, beispielsweise gesteuert durch die Pilotlichtbogenvorrichtung 190, das Stromtor 200 auf Sperrung geschaltet, das heißt die Verbindung zu dem Anodensegment 170a unterbrochen. Dadurch liegt dann drehfeldartig eine Spannung an den Kathoden 174 der Kathodenanordnung 172 an, so daß sich ein mit der Frequenz der Versorgungsspannung umlaufendes Lichtbogensystem an der Kathodenanordnung 172 ausbilden kann. Dieses Lichtbogensystem entsteht unabhängig von dem Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung 172 und der mindestens einen Anode.
Insbesondere ist die Zuführungsvorrichtung 186 für Arbeitsgas so angeordnet, daß Arbeitsgas durch dieses Pilotlichtbogensystem geführt ist. Dieses zusätzliche Bogenplasma wird dann bei entsprechender Strömungsführung des Arbeitsgases in das (Gleichstrom-)Lichtbogenplasma zwischen der Kathodenanordnung 172 und der mindestens einen Anode eingespeist und gewährleistet so die Stabilität des entsprechenden Lichtbogens und sorgt damit wiederum für eine optimale Ausbildung des Plasmastrahls.
Es kann vorgesehen sein, daß die Stromtore 192a, b, c ständig geöffnet sind, so daß ein mit der Frequenz der Versorgungsspannung aus dem Versorgungsnetz 196 umlaufende Spannung an der Kathodenanordnung 172 anliegt.
Es kann alternativ auch vorgesehen sein, daß die Stromtore 192a, b, c erst dann öffnen, wenn die jeweiligen Stoßkondensatoren 210 auf eine vorgegebene und insbesondere einstellbare Spannung aufgeladen sind. Dadurch läßt sich auch noch eine zusätzliche Steuerung und/oder Regelung des umlaufenden Pilotlichtbogens an der Kathodenanordnung 172 erreichen.
Insbesondere kann es dazu vorgesehen sein, daß die Pilotlichtbogenvorrichtung 190 mit der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 182 gekoppelt ist, so daß die Pilotlichtbogenvorrichtung 190 entsprechend durch diese steuerbar bzw. regelbar ist.
Der erfindungsgemäße Plasmabrenner funktioniert nun wie folgt, wobei diese Funktionsweise anhand des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 erläutert wird, wenn eine Pilotlichtbogenvorrichtung 190 vorgesehen ist:
Über den Verteilerraum 96 und die Kanäle 102 wird zur Kühlung der Brennkammer 26 Kühlmittel zu- bzw. abgeführt und über die Kanäle 90 abgeführt bzw. zugeführt. Arbeitsgas wird über den Kanal 124 und den Pufferspeicher 122 dem Brennraum 28 zugeführt, wobei der über den Spalt 134 in den Brennraum 28 gelangende Teil des Arbeitsgases auch die als Kathoden wirkenden Elektroden im Gasstrom kühlt und über die Zuführkanäle 128 eingeblasenes Arbeitsgas einen Drall beim Eintritt in den Brennraum 28 erhält.
Bei Anlegen einer Spannung zwischen den Kathoden und den zugeordneten Anoden und Zuführung des Arbeitsgases wie Argon, Neon, Stickstoff oder Helium wird dabei eine Bogenentladung mit einem Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung 119 und einer oder mehreren Anoden aufrechterhalten, so daß sich ein Plasmastrahl bildet, der aus der Mündungsöffnung 78, beispielsweise gerichtet auf ein Werkstück, austritt.
Die Zündung des Plasmas erfolgt dabei in der oben beschriebenen Weise durch die als Zündvorrichtung ausgebildete Pilotlichtbogenvorrichtung 190, nämlich beispielsweise über Hochfrequenzstoßimpulse einer Stoßfunkenstrecke 208.
Mit oder nach der Zündung wird dabei ein umlaufendes Drehfeld an die Kathoden 174 der Kathodenanordnung 172 angelegt. Dadurch wiederum bildet sich ein umlaufendes Pilotlichtbogensystem an der Kathodenanordnung 172 aus; dieses läuft mit der Frequenz der Versorgungsspannung um. Bei der Durchführung von Arbeitsgas durch dieses Pilotlichtbogensystem bildet sich eben ein Pilotplasma aus, welches dem Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung 172 und der mindestens einen Anode zugeführt wird. Der Pilotlichtbogen trägt damit zur Stabilisierung des Lichtbogens an der Kathodenanordnung 172 und der mindestens einen Anode bei und damit wiederum läßt sich der Plasmastrahl zur Bearbeitung eines Werkzeuges optimiert bilden.
Durch die Mehrzahl von bezüglich der axialen Richtung 16 angeordneten Anoden, deren Strombeaufschlagung insbesondere durch Gleichstrom individuell steuerbar ist, läßt sich entsprechend die Stromverteilung in der Brennkammer 26 einstellen und sich so eine optimale Gestalt des Lichtbogens und entsprechend der Strömung ausbilden. Insbesondere läßt es sich vermeiden, daß die Plasmaströmung sich einschnürt, wodurch sonst hohe Wandbelastungen auftreten könnten, die sogar zu einer Zerstörung eines Plasmabrenners führen könnten. Auch ein Abbruch ("Quenching") des Lichtbogens läßt sich vermeiden.
Über die Kanäle 58 der Zuführeinrichtungen läßt sich ein Zusatzwerkstoff, wie beispielsweise ein Spraymaterial, einblasen. Die dadurch entstehende Zweiphasenströmung (Plasmastrahl und Zusatzwerkstoff) läßt sich aufgrund der Mehrzahl von Anoden, deren Strombeaufschlagung individuell steuerbar und/oder regelbar ist, gut steuern. Dadurch läßt sich eine hohe Variabilität des Plasmastroms sowohl bezüglich des Massestroms als auch des Energiestroms erreichen.
Es lassen sich insbesondere mehrere Zusatzwerkstoffe über unterschiedliche Isolierelemente (beispielsweise Isolierelement 50 und Isolierelement 74) in den Brennraum 28 einblasen, so daß beispielsweise bei einem Beschichtungsvorgang eine entsprechende Schichtstruktur erhalten werden kann.
Da der Zusatzwerkstoff in den Brennraum nach der engsten Stelle im Brennraum, welche am Übergang zwischen dem zweiten Segmentabschnitt 36 und dem dritten Segmentabschnitt 42 des ersten Segments 30 liegt, eingeführt wird, entfällt eine abrasive Wirkung des Zusatzwerkstoffes im engsten Düsenquerschnitt.
Es kann vorgesehen sein, daß der Zusatzwerkstoff mit Hilfe eines Transportgases, bei dem es sich insbesondere um ein inertes Gas wie Argon, Helium, Stickstoff oder Neon handelt, in den Brennraum 28 über Kanäle 58 eingeblasen wird.
Bei einer Anordnung mit drei Kathoden ist es möglich, daß nur eine der drei Kathoden zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens in Verbindung mit dem als Anode ausgebildeten ersten Segment 30 eingesetzt wird, während die beiden anderen Kathoden in Zusammenwirkung mit den anderen Anoden Anteile liefern, die durch den engsten Querschnitt des Brennraums hindurch den Lichtbogen führen. Durch die individuelle Ansteuerbarkeit der Anoden läßt sich so entsprechend der Lichtbogen bei optimaler Energieausnutzung zur Erzielung eines für die entsprechende Anwendung optimalen Plasmastrahls einsetzen.
Zur Stabilisierung des Lichtbogens kann es insbesondere vorgesehen sein, daß der Stromversorgung der Elektroden (zwischen der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode) Hochfrequenzpulse überlagert werden.
Das erste Segment 30 der Brennkammer 26, in welchem der engste Querschitt der Plasmadüse gebildet ist, weist bezüglich der Strömungsrichtung des Arbeitsgases einen konvergenten Segmentabschnitt 36 auf und einen geringfügig divergenten Teil 42. Die Düsengeometrie ist dabei so ausgelegt, daß in Verbindung mit dissipativen Wandverlusten und dissipativen Strömungsverlusten eine schallnahe Strömung erreichbar ist, welche insbesondere in Wandnähe eine Unterschallströmung ist und in der Brennkammerachse schallnah ist mit einer Machzahl im Bereich von höchsten etwa 1 bis 1,05. Im nachfolgenden zylindrischen Segment 50 ist dann die Strömung schallnah mit einer mittleren Machzahl von im wesentlichen 1.
Die Strömung verläuft daher praktisch ausschließlich im Unterschallbereich, wobei sie höchstens im schallnahen Überschallbereich liegt. Dadurch ist das Auftreten starker Verdichtungsstöße und den damit einhergehenden großen Ruhedruckverlusten weitgehend vermieden.
Durch die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 182 läßt sich der Ansatzpunkt des Lichtbogens in der Brennkammer 26 bzw. 26' zeitlich und/oder räumlich steuern. Beispielsweise wird beim Hochfahren des Plasmabrenners, das heißt während des Zündprozesses, die elektrische Ansteuerung so durchgeführt, daß der Lichtbogen an dem ersten Anodensegment 170a beziehungsweise 30 ansetzt, welches den kürzesten Abstand zu der Kathodenanordnung 172 beziehungsweise 119 hat.
Eine Pilotlichtbogenvorrichtung kann auch mit Hilfe einer Stromversorgungseinrichtung gebildet werden, wie sie in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung der gleichen Anmelderin vom 1. März 2002 mit dem Titel "Stromversorgungseinrichtung für eine Plasmabrennervorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangsstroms" beschrieben ist. Auf diese Patentanmeldung wird ausdrücklich Bezug genommen.
Die dort offenbarte Stromversorgungseinrichtung umfaßt einen Transformator, eine Gleichrichterstufe und eine Glättungsstufe mit einem Leistungskreis, bei dem eine Glättungseinrichtung durch einen getakteten Leistungsschalter angesteuert ist, wobei die Glättungsstufe mindestens einen weiteren Leistungskreis mit einem getakteten Leistungsschalter und zugeordneter Glättungseinrichtung aufweist. Bei einer Kathodenanordnung, welche drei Kathoden umfaßt, sind vorzugsweise mindestens drei Leistungskreise vorgesehen. Mittels einer solchen Stromversorgungseinrichtung läßt sich ein gepulster Ausgangsstrom erzeugen. Wird durch eine entsprechende Steuerungs- und Regelungseinrichtung dafür gesorgt, daß derartige Pulse erzeugt werden, welche eine umlaufende Spannung an der Kathodenanordnung bewirken, dann läßt sich eben ein umlaufender Pilotlichtbogen an der Kathodenanordnung erzeugen.
Durch entsprechende Ansteuerung der Leitungsschalter über ein pulsweitenmoduliertes Signal läßt sich somit eine umlaufende Spannung an der Kathodenanordnung erzeugen.

Claims

1. Plasmabrenner, umfassend mindestens eine Anode (30, 66, 76; 170a, b, c, d, e, f) und eine Kathodenanordnung (119; 172) mit einer Mehrzahl von Kathoden (118; 174), wobei in einer Brennkammer (26; 26') zwischen mindestens einer Anode und der Kathodenanordnung (119; 172) ein Lichtbogen erzeugbar ist und der Brennkammer (26; 26') ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pilotlichtbogenvorrichtung (190) vorgesehen ist, mittels welcher ein zwischen den Kathoden (118; 174) der Kathodenanordnung (119; 172) umlaufendes elektrisches Feld erzeugbar ist, so daß zusätzlich zu dem Lichtbogen zwischen der Kathodenanordnung (119; 172) und der mindestens einen Anode ein an der Kathodenanordnung (119; 172) umlaufender Pilotlichtbogen erzeugbar ist.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Pilotlichtbogenvorrichtung (190) an der Kathodenanordnung (119; 172) eine drehfeldartig umlaufende Spannung zwischen den Kathoden (118; 174) anlegbar ist.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Trennung bezüglich der Erzeugung des Pilotlichtbogens und der Erzeugung des Lichtbogens zwischen der Kathodenanordnung (119; 172) und der mindestens einen Anode vorgesehen ist.

4. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilotlichtbogen mit oder nach Zündung des Lichtbogens zwischen der Kathodenanordnung (119; 172) und der mindestens einen Anode erzeugbar ist.

5. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilotlichbogen mit der Frequenz einer Versorgungsspannung der Kathodenanordnung (119; 172) umläuft.

6. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotlichtbogenvorrichtung (190) als Zündvorrichtung für ein Brennkammer-Plasma ausgebildet ist.

7. Plasmabrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotlichtbogenvorrichtung (190) nach Zündung des Plasmas von einem Zündbetrieb in einen Pilotlichtbogenerzeugungsbetrieb umschaltbar ist.

8. Plasmabrenner nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens im Zündbetrieb ein hochfrequentes Feld zwischen der Kathodenanordnung (119; 172) und der mindestens einen Anode (170a) anlegbar ist.

9. Plasmabrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pilotlichtbogenvorrichtung (190) einen jeder Kathode (118; 174) der Kathodenanordnung (119; 172) zugeordneten Hochfrequenz-Generator (194a, b, c) umfaßt.

10. Plasmabrenner nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz zur Erzeugung einer Hochfrequenzentladung zur Zündung des Plasmas mindestens 100-fach größer ist als die Frequenz der Versorgungsspannung.

11. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (200) vorgesehen ist, mittels welchem mit oder nach Zündung des Plasmas die mindestens einen Anode (170a) von der Kathodenanordnung (119; 172) bezüglich des umlaufenden Pilotlichtbogenfeldes abkoppelbar ist.

12. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Anodensegmenten (30, 66, 76) vorgesehen ist, die elektrisch getrennt oder trennbar sind.

13. Plasmabrenner nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung (182) zur räumlichen und/oder zeitlichen Steuerung und/oder Regelung der elektrischen Beaufschlagung der mindestens einen Anode und der Kathodenanordnung (119; 172) vorgesehen ist, mittels welcher die Ausbildung des Lichtbogens zwischen der mindestens einen Anode und der Kathodenanordnung (119; 172) steuerbar und/oder regelbar ist.

14. Plasmabrenner nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz des Lichtbogens an der mindestens einen Anode zeitlich und/oder räumlich steuerbar und/oder regelbar ist.

15. Plasmabrenner nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansatz des Lichtbogens an der Kathodenanordnung (119; 172) zeitlich und/oder räumlich steuerbar und/oder regelbar ist.

16. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung und/oder Regelung in Abhängigkeit weiterer Betriebsparameter des Plasmabrenners durchführbar ist.

17. Plasmabrenner nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (118; 174) der Kathodenanordnung (119; 172) symmetrisch um eine Brennkammerachse (16; 16') angeordnet sind.

18. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zuführungsvorrichtung (186) vorgesehen ist, mittels welcher Zusatzwerkstoff der Plasmaströmung zuführbar ist.

19. Plasmabrenner nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung (186) so ausgebildet ist, daß Zusatzwerkstoff in die Brennkammer (26; 26') und/oder außerhalb der Brennkammer (26; 26') zuführbar ist.

20. Plasmabrenner nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung (186) Injektionskanäle (58) in die Brennkammer (26; 26') aufweist, welche mindestens in einer Projektion auf eine Querebene, bezogen auf eine Brennkammerachse (16, 16') in ihrer Anordnung die Symmetrie der Kathodenanordnung (119; 172) übernehmen.

21. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (26; 26') als Plasmadüse zur Ausbildung eines Plasmastrahls ausgebildet ist.

22. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (26; 26') so ausgebildet ist, daß das Plasma im wesentlichen in Unterschallströmung geführt ist.

23. Plasmabrenner nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma im schallnahen Unterschallbereich geführt ist.

24. Plasmabrenner nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß Querschnittserweiterungen einen solchen maximalen Erweiterungswinkel aufweisen, daß das Plasma im schallnahen Bereich strömt.

25. Plasmabrenner nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (150a, b, c) der Kathodenanordnung (152) so ausgebildet sind, daß durch Kathodenspitzen (154) verlaufende Längsrichtungen (126) eine Brennkammerachse (16) schneiden.

26. Plasmabrenner nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß Kathodenspitzen (154) der Kathoden (174) der Brennkammerachse (16) zugewandt orientiert sind.

27. Plasmabrenner nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsrichtungen (156) sich im wesentlichen in einem Punkt auf der Brennkammerachse (16) schneiden.

28. Plasmabrenner nach einem Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenspitzen (174) in einem Querabstand zur Brennkammerachse (16) näher zu dieser liegen als eine engste Stelle der Brennkammer (26) im Bereich der Kathodenanordnung (172).

29. Plasmabrenner nach einem Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (174) so abgewinkelt sind, daß der Lichtbogen mit minimaler Krümmung führbar ist.

30. Plasmabrenner nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Anode (30, 66, 76) eine oder mehrere vorgeprägte Ansatzstellen (164; 166) für einen Lichtbogen aufweist.

31. Plasmabrenner nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Ansatzstellen (164; 166) der Anzahl der Kathoden (118) entspricht.

32. Plasmabrenner nach Anspruch 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Ansatzstellen (164; 166) bezüglich einer Brennkammerachse (16) der Anordnung der Kathoden (118) bezüglich der Brennkammerachse (16) entspricht.

33. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 30 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansatzstelle durch eine Vertiefung (164) in einer oder eine Erhebung (166) über eine innere Brennkammerfläche gebildet ist.

34. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls in einem Plasmabrenner, welcher eine Kathodenanordnung mit einer Mehrzahl von Kathoden und mindestens eine Anode umfaßt, bei dem zwischen der Kathodenanordnung und mindestens einer Anode in einer Brennkammer ein Lichtbogen erzeugt wird und der Brennkammer ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kathoden der Kathodenanordnung eine umlaufende Spannung angelegt wird, um einen Pilotlichtbogen zwischen den Kathoden zu erzeugen.

35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Spannung zur Erzeugung des Pilotlichtbogens mit oder nach Zündung des Plasmas wirksam angelegt wird.

36. Verfahren nach Anspruch 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung des Plasmas dadurch gesteuert und/oder geregelt wird, daß in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern die elektrische Ansteuerung der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode gesteuert und/oder geregelt wird.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 34 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathodenanordnung und die mindestens eine Anode so elektrisch beaufschlagt werden, daß bei Start des Plasmabrenners der Lichtbogen an der der Kathodenanordnung nächstliegenden Anode ansetzt.