DE19930925A1 - Plasmagenerator - Google Patents
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- H05H1/26—Plasma torches
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Abstract
Es wird ein Plasmagenerator zur Erzeugung eines gerichteten, in azimutaler Richtung konstanten Plasmastrahls vorgeschlagen mit einer von einem Arbeitsgas umströmten Kathode (2) mit einer koaxial zur Kathode (2) angeordneten Anode (1), wobei die Kathode (2) ringförmig ausgebildet ist und eine Öffnung (6) in axialer Richtung aufweist. Ferner kann in der Anode ein Kanal (3) für die Zuführung eines Gases vorgesehen sein, welcher auf der der Kathode (2) zugewandten Seite eine Abrißkante (4) zur Erzeugung einer Überschallströmung aufweist.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Plasmagenerator nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 und nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 7.
Aus dem Stand der Technik sind Plasmageneratoren mit einer
stift- oder stabförmigen Kathode und einer die Kathode
ringförmig um gebenden Anode bekannt. Zwischen Kathode und
Anode bildet sich ein Lichtbogen aus, durch den ein zwischen
Anode und Kathode strömendes Gas ionisiert und aufgeheizt
wird. Dabei entsteht ein gerichteter Plasmastrahl, der auf ein zu
bearbeitendes Werkstück gerichtet wird. Hierzu ist die Anode
häufig als Austrittsdüse für den Plasmastrahl ausgebildet.
Als nachteilig erweist sich bei diesen bekannten
Plasmageneratoren, daß der gerichtete Plasmastrahl einen
geringen Durchmesser aufweist und die Bearbeitung des
Werkstücks auf diesen geringen Bereich begrenzt ist. Die
Bearbeitung von Werkstücken mit großer axialer Ausdehnung
ist mit derartigen bekannten Plasmageneratoren nahezu
unmöglich. Darüberhinaus muß im Bereich des Plasmas ein
Unterdruck erzeugt werden, um die für das Plasma geeigneten
Bedingungen zu schaffen. Hierzu sind spezielle Kammern
notwendig, welche Anode und Kathode umgeben und das zu
bearbeitende Werkstück in seiner Größe zusätzlich begrenzen.
Demgegenüber hat der erfindungsgemäße Plasmagenerator mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil,
daß die Kathode ring- oder rohrförmig ausgebildet ist und in
axialer Richtung nach beiden Seiten offen ist. Dadurch bildet
sich in dem Plasmagenerator eine ringförmige Plasmaströmung
aus,; durch die das Werkstück zur Bearbeitung hindurch geführt
werden kann. Die Öffnung der Kathode auf beiden Seiten
ermöglicht, daß die Werkstücke durch die Kathode
hindurch geführt und in die Plasmaströmung eingeführt werden
können. Auf diese Weise können Werkstücke mit großer axialer
Ausdehnung bearbeitet werden. Hierzu zählen z. B. Drähte,
Kabel oder Stangen. Die Werkstücke werden zur Bearbeitung
durch die in der Kathode vorgesehene Öffnung
hindurchgeschoben. Bei einer kontinuierlichen Bewegung des
Werkstücks findet eine Bearbeitung im Durchlaufverfahren
statt. Auf diese Weise können auf dem gesamten Umfang des
Werkstücks homogene Beschichtungen mittels Plasmaspritzen
oder Plasma-CVD aufgebracht werden. Darüberhinaus ist eine
Reinigung oder sonstige Oberflächenbehandlung der
Werkstücke möglich. Ferner können mit dem
erfindungsgemäßen Plasmagenerator Verunreinigungen oder
Gifte komplett verbrannt werden. Es besteht die Möglichkeit,
den Plasmagenerator direkt in Schadstoff führende Leitungen zu
integrieren. Der mit zwei ringförmigen Elektroden ausgestattete
Plasmagenerator findet damit sowohl in der Oberflächentechnik
als auch in der Müll- und Schadstoffbehandlung Anwendung.
Um Werkstücke an ihrer Oberfläche bearbeiten zu können, muß
der Plasmastrahl in azimutaler Richtung und damit senkrecht
zur Achse der Anode und der Kathode konstant sein. Nur auf
diese Weise kann eine homogene Oberflächenbehandlung
garantiert werden. Die Bogenentladung des Plasmagenerators
muß daher diffus sein und über den gesamten Umfang der
Kathode stattfinden. Dies führt zu einer koaxial zur Achse der
Elektroden homogenen ringförmigen Verteilung des
Plasmastrahls. Diese ändert sich lediglich in Richtung des Radius
und in Richtung der Achse. Da die Austrittsarbeit
temperaturabhängig ist, erfordert eine derartige Verteilung
entsprechend hohe Temperaturen der Kathode von mehr als
2000°C. Bekannte Plasmageneratoren, wie beispielsweise Huels-
Generatoren, bei welchen lediglich eine auf einen oder mehrere
Brennflecke konzentrierte Entladung stattfindet, eignen sich
daher nicht für die Bearbeitung von Oberflächen sondern nur
für die Erzeugung heißer Luftströmungen. Außerdem bewirkt
der brennfleckenartige Ansatz eine starke Kathodenerosion, die
einen Einsatz für Beschichtungen unmöglich macht.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Öffnung der Kathode einstellbar. Auf diese Weise lassen sich
Werkstücke mit unterschiedlichen Durchmessern mit Hilfe des
erfindungsgemäßen Plasmagenerators bearbeiten. Die in der
Kathode vorgesehene Öffnung kann jeweils an das zu
bearbeitende Werkstück angepaßt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
nimmt die Wandstärke der Kathode in axialer Richtung zur
Anode hin ab. Diese Form unterstützt die Ausbildung eines für
die Beschichtung geeigneten Lichtbogens zwischen Anode und
Kathode.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist für das zu bearbeitende Werkstück eine
Anordnungsvorrichtung vorgesehen, welche das Werkstück
durch die Öffnung der Kathode hindurchführt. Die
Geschwindigkeit, mit der das Werkstück dabei
weitertransportiert wird, hängt jeweils von der für die
Bearbeitung notwendige Zeit ab. Durch die
Anordnungsvorrichtung ist außerdem gewährleistet, daß das zu
bearbeitende Werkstück stets entlang der Symmetrieachse der
koaxial zueinander angeordneten Anode und Kathode
transportiert wird. Dies ist für die homogene Bearbeitung des
Werkstücks von großer Bedeutung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist eine Kammer vorgesehen, welche die Anode und die Kathode
umgibt, und die eine Schleuse zum Zuführen des Werkstücks
aufweist. Die Kammer kann auf einen bestimmten Druck
evakuiert werden, um im Bereich der Kathode und Anode die
für das Plasma geeigneten Bedingungen zu schaffen. Um zu
verhindern, daß zum Zuführen des zu bearbeitenden
Werkstücks die Kammer belüftet werden muß, ist für das
Werkstück eine Schleuse vorgesehen. Diese Schleuse erlaubt ein
Einführen des zu bearbeitenden Werkstückes entlang der
gemeinsamen Symmetrieachse von Anode und Kathode. Sobald
das Werkstück in die für die Bearbeitung notwendige Position
gebracht ist, wird das Plasma gezündet. Aufgrund der Geometrie
der Elektroden bildet sich über den Umfang des Werkstücks
eine homogene ringförmige Plasmaströmung aus. Durch Zugabe
von Spritzpulver oder anderen geeigneten Reaktionspartnern
kann beispielsweise auf dem Bauteil eine Plasma-CVD-
Beschichtung aufgebracht werden. Dabei kommt es an der
Oberfläche des Werkstücks durch chemische Reaktion der im
Plasma befindlichen angeregten Elemente zur Abscheidung von
Hartstoffschichten. Bei einer Reinigung kommt es zum Abtrag
von störenden Schichten an der Werkstückoberfläche,
beispielsweise durch Reduktion von Oxidschichten bei Zugabe
von Wasserstoff.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist eine weitere Schleuse zum Abtransportieren des Werkstücks
vorgesehen. Eine derartige Vorrichtung eignet sich insbesondere
zum Bearbeiten von Werkstücken, deren axiale Ausdehnung
größer ist als die Länge der Kammer. Dies gilt beispielsweise für
Drähte, Kabel oder Stangen. Zur Bearbeitung wird das
betreffende Werkstück kontinuierlich durch die Kammer
geführt.
Nach einer für sich geltend gemachten Ausgestaltung eines
Plasmagenerators mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 7 ist in der Anode ein ringförmiger Kanal für die
Zuführung eines Gases vorgesehen, welcher auf der der Kathode
zu gewandten Seite eine Abrißkante zur Erzeugung einer
Überschallströmung, insbesondere einer Prandtl-Meyer-
Eckenströmung, aufweist. Diese unterstützt einerseits die
ringförmige Verteilung des Plasmas und sorgt aufgrund der
schnellen Strömung im Bereich zwischen Anode und Kathode
für die Erzeugung eines Unterdrucks. Dieser ist ausreichend, um
die für die Bearbeitung durch das Plasma notwendigen
Bedingungen einer diffusen Entladung und eines ringförmigen
Plasmastrahls zu schaffen, so daß je nach Anwendung auf eine
die beiden Elektroden um gebende Kammer zur Evakuierung
verzichtet werden kann. Damit ist eine Plasmabearbeitung ohne
aufwendige Vakuumeinrichtung möglich. Damit ist eine
Bearbeitung von Werkstücken, beispielsweise das Aufbringen
homogener Beschichtungen mittels Plasmaspritzen oder Plasma-
CVD, im Durchlaufverfahren möglich. Über den Kanal können
sowohl ein zur Erzeugung des Plasmas notwendiges Arbeitsgas,
als auch weitere zusätzliche Gase zugeführt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
können über den Kanal auch Pulver oder Flüssigkeiten zugeführt
werden. Diese dienen zur Erzeugung beispielsweise einer
Plasma-CVD-Beschichtung auf dem zu bearbeitenden
Werkstück. Dabei kommt es durch die Reaktion im Plasma zu
einer Abscheidung von Hartstoffschichten auf dem Werkstück.
Zum Einbringen von Pulver oder Flüssigkeiten in das Plasma
können außerdem im weiteren Verlauf des Plasmastrahls
zusätzliche Kanäle in der Anode vorgesehen sein.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den
Ansprüchen entnehmbar.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Plasmagenerators dargestellt und im
folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 Plasmagenerator im Querschnitt.
Fig. 1 zeigt einen Plasmagenerator mit einer ringförmigen Anode
1 und einer koaxial dazu angeordneten ebenfalls ringförmigen
Kathode 2. Die Anode besteht dabei aus Kupfer, während die
Kathode aus mit Thorium dotiertem Wolfram gefertigt ist. In der
Anode ist ein ringförmiger Kanal 3 für die Zuführung von Gasen,
Pulver oder Flüssigkeiten vorgesehen. Dieser Kanal ist auf der
der Kathode zu gewandten Seite verengt und weist eine
Abrißkante 4 auf. Durch die Querschnittseinschnürung wird ein
lokaler Druckabfall und eine Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit verursacht. Die spezielle Formung
der Kante 4 trägt außerdem zu einer erhöhten
Strömungsgeschwindigkeit ohne Ausbildung von Wirbeln bei.
Die Kathode 2 weist in Richtung der Symmetrieachse 5 der
Anordnung eine im Querschnitt kreisrunde Öffnung 6 auf.
Durch diese Öffnung kann ein in der Zeichnung nicht
dargestelltes Werkstück in das zwischen Anode und Kathode
gebildete Plasma eingeführt werden. Eine Begrenzung
hinsichtlich der Ausdehnung des Werkstücks entlang der
Symmetrieachse 5 der Anordnung besteht nicht. Das Werkstück
muß lediglich einen kleineren Querschnitt als die Öffnung 6 der
Kathode 2 aufweisen. Die Kathode läuft in ihrem Querschnitt in
Richtung der Anode spitz zu. Diese Formung unterstützt die
Ausbildung eines Lichtbogens zwischen Anode und Kathode,
welcher das durch den Kanal 3 einströmende Gas zur Erzeugung
eines Plasmas ionisiert. Durch den Kanal 3 können neben Gasen
auch Pulver oder Flüssigkeiten in das Plasma eingeleitet werden.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und
der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination miteinander
erfindungswesentlich sein.
1
Anode
2
Kathode
3
Kanal
4
Abrißkante
5
Symmetrieachse
6
Öffnung
Claims (8)
1. Plasmagenerator zur Erzeugung eines gerichteten, in
azimutaler Richtung konstanten Plasmastrahls mit diffusem
Kathodenansatz
mit einer von einem Arbeitsgas umströmten Kathode (2), die eine Betriebstemperatur von mehr als 2000°C erreicht und
mit einer koaxial zur Kathode (2) angeordneten ringförmigen Anode (1), dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathode (2) ring- oder rohrförmig ausgebildet und koaxial zur Anode (1) angeordnet ist und
daß die Kathode (2) an beiden Seiten ihres ring- oder rohrförmigen Körpers offen ist.
mit einer von einem Arbeitsgas umströmten Kathode (2), die eine Betriebstemperatur von mehr als 2000°C erreicht und
mit einer koaxial zur Kathode (2) angeordneten ringförmigen Anode (1), dadurch gekennzeichnet,
daß die Kathode (2) ring- oder rohrförmig ausgebildet und koaxial zur Anode (1) angeordnet ist und
daß die Kathode (2) an beiden Seiten ihres ring- oder rohrförmigen Körpers offen ist.
2. Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die in axialer Richtung verlaufende Öffnung (6) der
Kathode (2) einstellbar ist.
3. Plasmagenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wandstärke der Kathode (2) in
axialer Richtung zur Anode (1) hin abnimmt.
4. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das zu
bearbeitende Werkstück eine Anordnungsvorrichtung
vorgesehen ist, welche das Werkstück durch die Öffnung (6)
der Kathode (2) hindurchführt.
5. Plasmagenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kammer vorgesehen ist, welche die Anode (1) und
die Kathode (2) umgibt, und daß in der Kammer eine
Schleuse zum Zuführen des Werkstücks vorgesehen ist.
6. Plasmagenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß eine weitere Schleuse zum Abtransportieren des
Werkstücks vorgesehen ist.
7. Plasmagenerator zur Erzeugung eines gerichteten
Plasmastrahls insbesondere nach einem der vorhergehenden
Ansprüche
mit einer von einem Arbeitsgas umströmten Kathode (2) und einer koaxial zur Kathode (2) angeordneten ring- oder rohrförmigen Anode (1), dadurch gekennzeichnet,
daß in der Anode (1) ein ringförmiger Kanal (3) für die Zuführung eines Gases, vorgesehen ist, und
daß auf der der Kathode zugewandten Seite des Kanals eine Abrißkante (4) zur Erzeugung einer Überschallströmung vorgesehen ist.
mit einer von einem Arbeitsgas umströmten Kathode (2) und einer koaxial zur Kathode (2) angeordneten ring- oder rohrförmigen Anode (1), dadurch gekennzeichnet,
daß in der Anode (1) ein ringförmiger Kanal (3) für die Zuführung eines Gases, vorgesehen ist, und
daß auf der der Kathode zugewandten Seite des Kanals eine Abrißkante (4) zur Erzeugung einer Überschallströmung vorgesehen ist.
8. Plasmagenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß über den Kanal (3) auch Pulver oder Flüssigkeiten
zuführbar sind.
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DE19830197.9 | 1998-07-06 | ||
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Family
ID=7873153
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country | Link |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115734449A (zh) * | 2022-11-29 | 2023-03-03 | 哈尔滨工程大学 | 一种固定电弧发生位置的等离子电弧发生器 |
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1999
- 1999-07-06 DE DE19930925A patent/DE19930925B4/de not_active Expired - Fee Related
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CN115734449A (zh) * | 2022-11-29 | 2023-03-03 | 哈尔滨工程大学 | 一种固定电弧发生位置的等离子电弧发生器 |
CN115734449B (zh) * | 2022-11-29 | 2023-11-14 | 哈尔滨工程大学 | 一种固定电弧发生位置的等离子电弧发生器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19930925B4 (de) | 2011-05-05 |
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Legal Events
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