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Die Erfindung betrifft eine Plasmaerzeugungseinrichtung
zur Erzeugung eines Lichtbogens, vorzugsweise eines Gleichstrom-Langlichtbogens, gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Plasmaerzeugungseinrichtungen, bestehend
aus einer stabförmigen
Kathode, Neutralsegmenten und einer ringförmigen Anode sind aus dem Stand
der Technik bekannt. Zu nennen sind hier zum Beispiel die deutschen
Offenlegungsschriften 16 39 325 und 29 13 464. Nachteilig bei diesen
ist, dass sie bei einem längere
Zeit andauernden Betrieb nur für die
Verwendung von kohlenstoff- und sauerstofffreien Gasen, wie Edelgasen,
Stickstoff, Wasserstoff, oder kohlenstoff- und sauerstoffarmen Gasen,
wie Luft oder Methan, beziehungsweise Mischungen der genannten Gase
bei technisch vertretbarer Erosion der Elektroden geeignet sind.
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Plasmaerzeugungseinrichtungen zur
Erzeugung stark sauerstoffhaltiger Plasmen sind ebenfalls aus dem
Stand der Technik bekannt. Nachteilig bei diesen Geräten ist,
dass die Elektroden als Verschleißteile ausgebildet sind, die
nach einer kurzen Betriebszeit ausgewechselt werden müssen. Nachteilig ist
ferner, dass das abgetragene Elektrodenmaterial das Plasma verunreinigt,
was nicht erwünscht ist.
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Aus der
DE 41 05 407 A1 geht eine
Gleichstrom-Lichtbogen-Plasmaerzeugungseinrichtung
mit mehreren stabförmigen
Kathoden und einer in einem Abstand dazu angeordneten ringförmigen Anode hervor.
Zwischen den Kathoden und der Anode befindet sich ein Lichtbogenbrennraum,
der zur Beeinflussung des Lichtbogens, insbesondere zu dessen Verlängerung
und damit der Erhöhung
der Lichtbogenspannung, relativ lang ist und eine Einschnürung aufweist.
Geräte
dieser Art sind nur zur Verwendung mit sauerstofffreien oder sauerstoffarmen
Gasen geeignet.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine
Plasmaerzeugungseinrichtung zu schaffen, die die obengenannten Nachteile
nicht aufweist und bei der unterschiedliche, unter anderem auch
Sauerstoff- und kohlenstoffhaltige Gase als Hauptplasmagas verwendet
werden können,
wobei der Verschleiß der Elektroden
nur gering und deren Standzeit daher entsprechend hoch ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine
Plasmaerzeugungseinrichtung mit den. Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
Sie zeichnet sich dadurch aus, dass über mindestens einen ersten
Zuführungskanal
ein Hilfsgas in einen Kathodenbrennraum der Plasmaerzeugungseinrichtung
einbringbar ist. Über
mindestens einen zweiten Zuführungskanal kann
ein Hauptplasmagas in einen Anodenbrennraum eingeleitet werden.
Ein Verbindungskanal zwischen dem Kathoden- und Anodenbrennraum ist so gestaltet,
dass ein Zu rückströmen des
Hauptplasmagases aus dem Anodenbrennraum weitgehend unterbunden
wird. Auf diese Weise wird die mindestens eine Kathode vor dem beispielsweise
sauerstoff- und/oder kohlenstoffhaltigen reaktiven Hauptplasmagas
geschützt.
Damit sind auch bei oxidativ wirkenden Plasmagasen hohe Standzeiten
erreichbar, weil die Kathode vor einem Verschleiß durch Oxidation geschützt wird.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Plasmaerzeugungseinrichtung
ergeben sich aus den Unteransprü chen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand
der einzigen Figur näher
erläutert,
die eine Prinzipskizze eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Plasmaerzeugungseinrichtung 1 im
Längsschnitt
zeigt.
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Die auch als Plasmabrenner bezeichnete Plasmaerzeugungseinrichtung 1 dient
zur Erzeugung eines Gleichstrom-Langlichtbogens und weist ein erstes
Gehäuseteil 3 und
ein zweites Gehäuseteil 5 auf,
die mit Hilfe nicht dargestellter Befestigungsmittel lösbar miteinander
verbunden sind. Des weiteren umfasst die rotationssymmetrisch zu
einer Längsmittelachse 7 ausgebildete
Plasmaerzeugungseinrichtung 1 eine stabförmige, mit
der Längsmittelachse 7 fluchtend
angeordnete Kathode 9 und eine in einem Abstand zur Kathode 9 angeordnete
Anode 11.
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Die Plasmaerzeugungseinrichtung 1 weist einen
Lichtbogenbrennraum auf, der so gestaltet ist, dass dieser durch
ein erstes Neutralsegment 13 in einen Kathodenbrennraum 15 und
in einen Anodenbrennraum 17 unterteilt beziehungsweise
getrennt ist. Der Kathodenbrennraum 15 und der Anodenbrennraum 17 sind über einen
Verbindungskanal 19 miteinander verbunden, der bei diesem
Ausführungsbeispiel
von einer in der Mitte des ersten Neutralsegments 13 angeordneten
Durchgangsöffnung,
wie zum Beispiel einer Bohrung, gebildet ist. Der Durchmesser der
Durchgangsöffnung
ist im Verhältnis
zum Durchmesser der, Kathodenspitze 21, die sich in, einem
nur geringem Abstand zum Verbindungskanal 19 befindet,
nur rela tiv klein.
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In den Kathodenbrennraum 15 mündet mindestens
ein in der Figur nicht dargestellter erster Zuführungskanal, über den
ein Hilfsgas, vorzugsweise ein Sauerstoff- und kohlenstofffreies
Schutzgas, wie zum Beispiel Argon, in den Kathodenbrennraum 15 eingeleitet
werden kann. Der beziehungsweise die ersten Zuführungskanäle sind so angeordnet, dass das
Schutzgas die stabförmige
Kathode 9 umströmt. Das
Schutzgas und ein zwischen der Anode 11 und der Kathode 9 brennender
Lichtbogen gelangen vom Kathodenbrennraum 15 über den
Verbindungskanal 19 in den Anodenbrennraum 17.
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Dem Anodenbrennraum 17 wird über mindestens
einen in der Figur nicht dargestellten zweiten Zuführungskanal
ein vorzugsweise überwiegend sauerstoffund/oder
kohlenstoffhaltiges reaktives Hauptplasmagas, wie zum Beispiel Wasserdampf, zugeführt, das
im Anodenbrennraum 17 in den Lichtbogen eingebracht wird.
Aufgrund des nur sehr kleinen freien Strömungsquerschnitts des Verbindungskanals 19 wird
ein Rückströmen des
Hauptplasmagases vom Anodenbrennraum 17 in den Kathodenbrennraum 15 sicher
vermieden.
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Das erste Neutralsegment 13 besteht
aus einem sehr gut wärmeleitenden
Material, vorzugsweise Kupfer, ist vorzugsweise wassergekühlt und
weist kathodenseitig den mindestens einen ersten Zuführungskanal
für das
Schutzgas auf. Bei einer vorteilhaften Aus führungsform ist der erste Zuführungskanal
von einer tangential zur stabförmigen
Kathode 9 ausgerichteten Gasbohrung gebildet, durch die
das Schutzgas in den Kathodenbrennraum 15 einströmt. Sofern
mehrere erste Zuführungskanäle vorgesehen sind,
die von Gasbohrungen gebildet werden, sind diese vorzugsweise ebenfalls
tangential zur Kathode 9 ausgerichtet. Der nur einen sehr
kleinen freien Strömungsquerschnitt
aufweisende Verbindungskanal 19 ist bei dem in der Figur
dargestellten Ausführungsbeispiel
in der Hauptachse des Plasmabrenners, also konzentrisch zur Längsmittelachse 7 angeordnet.
Die Größe des freien
Strömungsquerschnitts
des Verbindungskanals 19 beziehungsweise der Durchgangsöffnung ist
so gewählt,
dass der Lichtbogen und das Schutzgas von der Seite des Kathodenbrennraums 15 aus
hindurchtreten können,
ohne dass dabei das erste Neutralsegment 13 beschädigt oder
gar zerstört
wird und kein Hauptplasmagas vom Anodenbrennraum 17 in
den Kathodenbrennraum 15 zurückströmen kann.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Form des
ersten Neutralsegments 13 in seiner der Kathode 9 zugewandten
Seite so gewählt,
dass sich der Kathodenbrennraum 15 in Richtung auf den
Verbindungskanal 19 verjüngt, so dass das Schutzgas
im Kathodenbrennraum 15 in Richtung der Anode 11 beschleunigt
wird.
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Ein oder mehrere Zuführungskanäle, über den
beziehungsweise über
die das Hauptplasmagas in den Anodenbrennraum 17 und in
den Lichtbogen eingebracht wird, ist/sind bei einem vorteilhaften Ausführungs beispiel
zumindest teilweise in einem zweiten Neutralsegment 23 angeordnet,
das der Trennung der elektrischen Pole voneinander dient. Der bzw.
diese Zuführungskanäle, die
beispielsweise durch Bohrungen gebildet werden, münden bei
dem in der Figur darstellten Ausführungsbeispiel in eine auf
der dem Anodenbrennraum 17 zugewandten Seite des ersten
Neutralsegments 13 angeordneten Ringnut 25. Der
bzw. diese Zuführungskanäle sind vorzugsweise
tangential zu einer gegenüber
der Längsmittelachse 7 geneigten
Begrenzungsfläche 27 des
ersten Neutralsegments 13 ausgerichtet.
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Im folgenden wird rein beispielhaft
davon ausgegangen, dass bei dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel
mehrere zweite Zuführungskanäle für das Hauptplasmagas
vorgesehen sind. Die Strömung
des Hauptplasmagases von den zweiten Zuführungskanälen über die Ringnut 25 in
den Anodenbrennraum 17 ist mit Pfeilen 29 angedeutet. Die
Form des ersten Neutralsegments 13 und die Ausrichtung
der zweiten Zuführungskanäle sind
hier so gewählt,
dass das in den Anodenbrennraum 17 eintretende Hauptplasmagas
an der Begrenzungsfläche 27 des
ersten Neutralsegments 13 in Richtung auf die Mündung des
Verbindungskanals 19, aus dem der Hilfslichtbogen und das
Schutzgas in den Anodenbrennraum 17 austritt, entlangströmt. Dadurch
wird das Neutralsegment 13 zusätzlich konvektiv gekühlt. Der
Schutzgasstrom beziehungsweise die Schutzgasströme und die Hauptgasströme vereinigen
sich, werden im Langlichtbogen weiter erhitzt und werden aufgrund
des sich in Richtung auf eine Anodenaustrittsöffnung 31, aus der
der Plasmastrahl aus dem Plasmaerzeuger austritt, im Querschnitt
verjüngenden
Anodenbrennraums 17 beschleunigt.
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Das zweite Neutralsegment 23 ist
vorzugsweise aus einer Zementkeramik gefertigt, welche kein Wasser
aufnimmt, hitze- und thermoschockbeständig ist und gute elektrische
Isolationseigenschaften aufweist.
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Der Schutz der Anode 11 vor
Erosion und der damit einhergehender Verunreinigung des Plasmas wird
hier durch eine Wasserkühlung
realisiert, bei der die Kühlwassertemperatur
auf eine Temperatur größer der
Siedetemperatur des Hauptplasmagases geregelt wird. Dadurch, dass
die Kühlwassertemperatur oberhalb
des Kondensationspunkts des Hauptplasmagases liegt, kann eine Kondensation
des Hauptplasmagases an der Anode 11 verhindert werden.
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Um einen optimalen Wärmeübergang
vom Kühlwasser
auf die Anode 11 zu erreichen, ist diese mit spiralförmigen Kühlwendeln
versehen. Eine Erhöhung
der Lichtbogenspannung wird durch den sich in Richtung der Anodenaustrittsöffnung 31 hin
konisch verjüngenden
Anodenbrennraum 17 erreicht, was verglichen mit konventionellen
Plasmaerzeugern bei gleicher Leistung des Plasmaerzeugers 1 einen
Betrieb mit nur geringerer Strömstärke ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Plasmaerzeugungseinrichtung 1 unterscheidet
sich weiterhin von den bekannten Plasmaerzeugungseinrichtungen durch die
Verwendung eines temperaturbeständigen,
glasfaserverstärkten,
kein Wasser aufnehmenden Kunststoffs mit guten elektrischen Isolationseigenschaften für das erste Gehäuseteil 3,
das – wie
das zweite Gehäuseteil
5 – mehrere
Kühlmediumkanäle 33 aufweist.
Durch die Kühlmediumkanäle 33 kann
ein Kühlmedium,
wie zum Beispiel Kühlwasser,
geleitet werden. Die Kühlmediumkanäle 33 sind
in den ersten und zweiten Gehäuseteilen 3, 5 derart
verzweigt, dass die beiden Neutralsegmente 13 und 23,
die Kathode 9 und die Anode 11 gekühlt werden
können. Das
Kühlsystem
für die
Plasmaerzeugungseinrichtung 1 zeichnet sich insbesondere
dadurch aus, dass die Kühlmediumkanäle 33 Teil
eines einzigen Kühlmediumkreislaufes
sind, in dem sich ein unter Druck stehendes, flüssiges Kühlmedium, beispielsweise Wasser,
befindet. An den Kühlmediumkreislauf
ist mindestens eine Pumpe angeschlossen. Das erfindungsgemäße Kühlsystem
zeichnet sich dadurch aus, dass eine kompakte Bauform der Plasmaerzeugungseinrichtung 1 sowie
hohe Kühlwassermassenströme bei gleichzeitig
niedrigem benötigten
Pumpendruck realisiert werden können.
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Der erfindungsgemäße Plasmaerzeuger unterscheidet
sich weiterhin von den aus dem Stand der Technik bekannten Geräten durch
die Verwendung der mindestens einen stabförmig ausgebildeten Kathode 9,
die nicht wie bei den bekannten Geräten in einen Kühlkörper eingegossen
ist, sondern durch eine Spannzange 35 gehalten wird, so
dass besonders preisgünstige
Ersatzteile gefertigt werden können.
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Die Plasmaerzeugungseinrichtung 1 mit
ihrer stabförmigen
Kathode 9, den zwei Neutralsegmenten 13, 23 und
der in einem Abstand zu diesen Teilen angeordneten ringförmigen Anode 11 ist
besonders vorteilhaft für
die Verwendung von überwiegend
sauer stoff- und/oder kohlenstoffhaltigen Gasen (Hauptplasmagas)
bei geringster Elektrodenerosion geeignet und kann zur Erzeugung
chemisch reaktiver Plasmen genutzt werden.