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Die
Erfindung betrifft einen Plasmabrenner gemäß Oberbegriff von Anspruch
1.
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Stand der Technik
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Mehrkathoden-Plasmabrenner
sind beispielsweise aus der
DE 199 63 904 A1 bzw.
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-Plasmabrenner.
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Aus
der nicht vorveröffentlichten
DE 100 51 508 A1 ist
ein Verfahren zur Reduzierung der Zündspannung von Leistungspulsen
in gepulst betriebenen Plasmen mit langen Puls-Aus-Zeiten bekannt.
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Die
DE 692 20 805 T2 offenbart
eine Plasmabrennereinheit mit einer Brennerelektrode, einer Pilotelektrode
und einer Einrichtung zum Schaffen eines ionisierten Gases zwischen
denselben.
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Aus
der
DE 37 87 804 T2 ist
eine Elektrodenanordnung für
eine Plasmafackel bekannt, bei der eine Plasma-Jet-Düse und eine
verzweigte Öffnung in
ihrer Öffnungsfläche für individuelle
Anwendungen variierbar sind.
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Aufgabenstellung
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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.
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Diese
Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Plasmabrenner erfindungsgemäß mit den Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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Insbesondere
ist es vorgesehen, daß der
Pilotlichtbogen mit oder nach der Zündung des Lichtbo gens zwischen
der Kathodenanordnung und der mindestens einen Anode erzeugbar ist. Über entsprechende
Einstellungen der Zündbedingungen
läßt sich
dadurch auch eine Steuerung des Pilotlichtbogens erreichen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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, Lichtbogen strom, Segmentströme, von
dem Lichtbogen erzeugte Magnetfelder und dessen Fourierkomponenten, Kühlmitteltemperatur
usw..
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Günstigerweise
sind die Kathoden der Kathodenanordnung symmetrisch um eine Brennkammerachse
angeordnet, um Belastungen von Brennkammerwänden zu minimieren.
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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.
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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.
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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.
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Das
Plasma ist vorteilhafterweise im schallnahen Unterschallbereich
geführt.
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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.
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Die
Kathoden der Kathodenanordnung sind im Bereich von Kathodenspitzen
abgewinkelt ausgebildet, und durch die Kathodenspitzen verlaufende Längsrichtungen
eine Brennkammerachse schneiden.
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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.
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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.
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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.
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Die
Kathodenspitzen liegen 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.
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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.
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Die
mindestens eine Anode kann eine oder mehrere vorgeprägte Ansatzstellen
für den
Lichtbogen aufweisen.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiel
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Die
nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, dient im Zusammenhang
mit der Zeichnung der näheren
Erläuterung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1:
Eine seitliche Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines Plasmabrenners;
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2:
ein Schnitt durch den Plasmabrenner gemäß 1 entlang
der Linie A-A;
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3:
eine schematische Blockbilddarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines Plasmabrenners, wobei insbesondere die elektrische Beschaltung
gezeigt ist;
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4:
eine schematische Darstellung eines Hochfrequenzgenerators zur Ansteuerung
einer Kathode;
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5:
den Verlauf der Ansteuerungsspannung für eine Kathode über der
Zeit;
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6:
eine Variante eines Ausführungsbeispiels
mit abgewinkelten Kathoden;
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7:
eine Variante eines Anodensegments in seitlicher Schnittdarstellung
und
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8:
eine Draufsicht auf das Anodensegment gemäß 7.
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Eine
erste Ausführungsform
eines Plasmabrenners, welcher in 1 als Ganzes
mit 10 bezeichnet ist, umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 12 mit einer
Gehäusewand 14.
Die Gehäusewand 14 weist eine
Achse 16 auf.
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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.
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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.
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Die
Brennkammer 26 ist aus einer Mehrzahl von Segmenten gebildet.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel
umfaßt
die Brennkammer 26 fünf
Segmente.
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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.
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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.
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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.
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Das
erste Segment 30 ist dabei so ausgebil det, 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
Isolierelement 50 ist mit mindestens einem Kanal 58 (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 radia len 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 1 nicht gezeigt.
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Durch
das Schlußelement 94 verlaufen,
wie in 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.
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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.
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Ebenfalls
sind zwischen dem ersten Seg ment 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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) auszuglei chen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
kann aber auch vorgesehen sein, daß die Anzahl der Anoden von
der Anzahl der Kathoden der Kathodenanordnung 119 abweicht
(siehe 3).
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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 An ordnung
der Kanäle 58 eine
solche dreizählige
Symmetrie auf (in 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.
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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.
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Erfindungsgemäß sind,
wie in 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.
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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 derart, daß ein engster
Querschnitt 158 des Brennkammersegments, welcher der Kathodenanordnug 152 am nächsten liegt
(Segmentabschnitt 30 in 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.
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Bei
einer alternativen oder zusätzlichen
Variante einer Ausführungsform
sind, wie 7 und 8 gezeigt,
ein oder mehrere Anodensegmente 160 an ihrer die Brennkammer 26 bildenden
Innenfläche 162 mit
Mulden 164 beziehungsweise Erhebungen 166 (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.
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Die
Anordnung der Mulden 164 beziehungsweise Erhebungen 166 bezogen
auf die Brennkammerachse 16 entspricht im wesentlichen
der Anord nung der Kathoden 118 beziehungsweise 150 bezogen
auf die Brennkammerachse 16, das heißt es wird die entsprechende
beispielsweise dreizählige
Symmetrie übernommen.
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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.
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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.
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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 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.
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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").
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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.
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Über eine
Zuführungsvorrichtung
für Zusatzwerkstoff,
welche in 3 als Ganzes mit 178 bezeichnet
ist, läßt sich
Zusatzwerkstoff dem Plasmastrahl zuführen und zwar insbesondere über entsprechende
Kanäle 58 in
Isolierelementen zwischen be nachbarten Anodensegmenten (in 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Ka thoden 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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
elektrische Quelle 188 wird beispielsweise mit Dreiphasen-Wechselspannung
versorgt.
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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.
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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 Kathodenan ordnung 172 aus- bzw.
einschalten.
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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.
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Der
Mittelleiter 198 ist über
ein Stromtor 200 mit dem Anodensegment 170a verbunden. Über das Stromtor 200 läßt sich
damit der Mittelleiter 198 an das Anodensegment 170a koppeln
beziehungsweise von diesem entkoppeln.
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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 einzelnen 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.
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Die
Pilotlichtbogenvorrichtung 190 ist gleichzeitig als Zündvorrichtung
ausgebildet, mit welcher sich beim Starten des Plasmabrenners das
Plasma zünden
läßt.
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Die
Kathodenanordnung 172 ist durch die geschilderte Anordnung
an das Versorgungsnetz 196 über einen Dreiphasentransformator 204 gekoppelt.
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Ein
Beispiel für
die Ankopplung über
einen Hochfrequenzgenerator 194a an eine Elektrode 174 ist
in 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 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.
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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 5 schematisch
gezeigt, aus einer Vielzahl gedämpfter
hochfrequenter Schwingungen (angedeutet durch das Bezugszeichen 214)
zusammen.
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Die
an den drei Kathoden 174 anliegenden Spannungen sind dabei
jeweils phasenverschoben.
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Die
Halbwellen (Bezugszeichen 216 in 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.
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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.
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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.
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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.
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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 ei nen Anode.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
erfindungsgemäße Plasmabrenner
funktioniert nun wie folgt, wobei diese Funktionsweise anhand des
Ausführungsbeispieles
gemäß 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
An odensegment 170a beziehungsweise 30 ansetzt, welches
den kürzesten
Abstand zu der Kathodenanordnung 172 beziehungsweise 119 hat.
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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.
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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.
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Durch
entsprechende Ansteuerung der Leitungsschalter über ein pulsweitenmoduliertes
Signal läßt sich
somit eine umlaufende Spannung an der Kathodenanordnung erzeugen.