DE19958016B4

DE19958016B4 - Plasmagenerator

Info

Publication number: DE19958016B4
Application number: DE19958016A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2019-12-03
Also published as: DE19958016A1

Abstract

Plasmagenerator zur Beschichtung großflächiger Bauteile, wobei mehrere von einem Arbeitsgas umströmte Kathoden (1) vorgesehen sind, wobei zu jeder Kathode (1) eine als Düse (3) ausgebildete Anode (2) vorgesehen ist, wobei alle Kathoden (1) über eine zentrale Stromzuleitung (4) an eine Spannungsquelle angeschlossen sind, wobei die Kathoden (1) bezüglich der Spannungsquelle parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Kathode (1) eine Kathodenlagerung (7) mit Öffnungen zum Einströmen von Arbeitsgas in die als Düse (3) ausgebildete Anode (2) vorgesehen ist, dass die Kathoden (1) die Form eines Rohrs aufweisen, und dass das Rohr als Zuleitung für Arbeitsgas vorgesehen ist, wobei das durch die Kathoden (1) einströmende Arbeitsgas die Kathoden (1) kühlt und die Kathoden (1) strahlungsgekühlt sind, wodurch sich durch das einströmende Arbeitsgas und durch die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes eine selbstregulierende Stromverteilung ergibt.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Plasmagenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Plasmageneratoren mit einer stift- oder stabförmigen Kathode und einer die Kathode ringförmig umgebenden 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 oder Bauteil 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 oder Bauteils auf diesem geringen Bereich begrenzt ist. Eine Bearbeitung von Werkstücken mit großer, flächiger Ausdehnung ist mit derartigen bekannten Plasmageneratoren nahezu unmöglich, da mit der Vergrößerung der Austrittsfläche eine Erhöhung der elektrischen Leistung und/oder des Brennkammerdrucks im Plasmagenerator verbunden sein muß. Beides führt zum Anstieg der Stromdichte an der Kathodenoberfläche.
Aus der DE 2 014 592 A ist eine Vorrichtung zur Erwärmung von großen Oberflächen auf eine hohe Temperatur unter Anwendung der Plasmaerhitzung bekannt. Dabei werden mit in mindestens einer Reihe angeordneten Anoden-Kathoden-Paaren Plasmaflammen erzeugt. Die Anoden sind als Düsen ausgebildet. In jeder Düse ist eine als Einzelelektrode ausgebildete Kathode angeordnet. Die Kathoden sind an eine Gleichstromquelle angeschlossen. Die Anoden sind ebenfalls an eine oder mehrere Stromquellen angeschlossen. An jeder Düse kann der Strom und die Gasmenge geregelt werden, um die übertragene Leistung, die Gastemperatur und die Gaszusammensetzung zu ändern. Als nachteilig erweist sich jedoch, dass die Kathoden über ein durch die Düsen strömendes Gas nicht ausreichend gekühlt sind.
Aus der FR 2 062 768 A5 ist ein Plasmabrenner mit mehreren Anoden und Kathoden bekannt, wobei die Kathoden rohrförmig ausgebildet sind und durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt werden. Als nachteilig erweist sich hierbei, dass die Kühlung der Kathoden durch eine zusätzliche Kühlflüssigkeit erfolgen muss.
Die Erfindung und ihre Vorteile
Demgegenüber hat der erfindungsgemäße Plasmagenerator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, dass mehrere von einem Arbeitsgas umströmte Kathoden vorgesehen sind, welche jeweils von einer als Düse ausgebildeten Anode umgeben sind. Alle Kathoden sind über eine zentrale Stromzuleitung an eine Spannungsquelle angeschlossen. Die Kathoden werden typischerweise mit Gleichstrom versorgt. Durch die Erfindung wird damit ein Plasmagenerator zur Verfügung gestellt, der bei sehr großen Gesamtströmen betrieben werden kann, ohne daß hierbei Stromdichtespitzen an der Kathodenoberfläche auftreten. Der Gesamtstrom verteilt sich dabei auf mehrere Kathoden. Dadurch wird der Betriebsbereich hinsichtlich der Stromstärke erweitert.
Der Plasmagenerator kann damit zur Simulation von Wiedereintrittsmanövern in der Raumfahrt eingesetzt werden. Darüber hinaus kann der Plasmagenerator zur Beschichtung und Bearbeitung der Oberflächen großflächiger Bauteile eingesetzt werden.
Je nach Anzahl der Kathoden im Plasmagenerator wird ein Plasmastrahl mit entsprechend großen geometrischen Abmessungen zur Verfügung gestellt. Die Kathoden können beispielsweise eindimensional in einer Reihe oder in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sein. Auf diese Weise können auf einem großen Bereich der Oberfläche des Werkstücks homogene Beschichtungen mittels Plasmaspritzen oder Plasma-CVD aufgebracht werden. Darüber hinaus ist eine Reinigung oder sonstige Oberflächenbehandlung der Werkstücke möglich. Um mit der eindimensionalen Anordnung von Kathoden eine zweidimensionale Bearbeitung der Oberfläche zu erreichen, muss das Werkstück relativ zum Plasmagenerator in einer Richtung bewegt werden. Im Vergleich dazu muß das Werkstück bei bekannten Plasmageneratoren in zwei Richtungen bewegt werden. Damit eignet sich der erfindungsgemäße Plasmagenerator zur Beschichtung oder Bearbeitung großflächiger Bauteile, wie beispielsweise Bleche, Platten oder Walzen.
Die Kathoden sind bezüglich der Spannungsquelle parallel geschaltet. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes ergibt sich dadurch eine selbstregulierende Stromverteilung auf die einzelnen Kathoden. Fließt durch eine Kathode ein sehr hoher Stromanteil, so steigt die Temperatur in der Kathode und damit ihr Widerstand. Dies führt dazu, dass bei gleichbleibender Spannung die Stromstärke sinkt. In diesem Fall sinkt die Temperatur und damit der Widerstand. Die Dimensionierung der einzelnen Kathoden hinsichtlich ihrer Länge, ihres Durchmessers und ihrer Anzahl erfolgt entsprechend der elektrischen Leistung und der Breite des Plasmafreistrahls, der erzeugt werden soll.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Kathoden durch Kupferleitungen miteinander verbunden. Aufgrund seines Widerstandes eignet sich Kupfer besonders gut zur Leitung der für diese Anwendung notwendigen großen Ströme. Vorteilhafterweise haben die Leitungen eine entsprechend großen Durchmesser. Daneben sind andere Materialien für die Leitungen möglich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Kathoden die Form eines Stabes auf. Für jede Kathode ist eine Kathodenlagerung mit Öffnungen zum Einströmen des Arbeitsgases vorgesehen. Die Kathodenlagerungen bestehen aus einem Isolator, beispielsweise aus einem keramischen Material. Dieses Material ist überdies geeignet die zwischen der Anode und Kathode auftretenden Temperaturen auszuhalten.
Die Kathoden weisen die Form eines Rohres auf. Durch das Rohr kann das Arbeitsgas in dem Raum zwischen Anode und Kathode einströmen. Dies hat den Vorteil, dass das einströmende Arbeitsgas die Kathode auf effiziente Weise kühlt.
Es ist eine Kühlung für die Kathoden vorgesehen. Die Kathoden sind strahlungsgekühlt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.
Zeichnung
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
1 Plasmagenerator in perspektivischer Ansicht.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In 1 ist ein Plasmagenerator mit fünf in einer Reihe nebeneinander angeordneten stabförmigen Kathoden 1 und der Anode 2 dargestellt. Um den Aufbau deutlich erkennen zu können, ist von der Anode und der sich an die Anode anschließende Düse 3 jeweils nur ein Schnitt dargestellt. Über eine zentrale Stromzuleitung 4, welche aus Kupferelementen 5 mit rechteckigem Querschnitt besteht, sind die Kathoden untereinander und mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden. Dadurch ergibt sich eine Parallelschaltung der Kathoden 1. Die Kathoden bestehen typischerweise aus Wolfram, während die Anode aus Kupfer oder Wolfram gefertigt ist. Zwischen der Anode und der zentralen Stromzuleitung ist ein Isolator 6 vorgesehen. Da in diesem Bereich des Plasmagenerators Temperaturen von maximal 200°C auftreten, kann der Isolator aus Kunststoff bestehen. Darüber hinaus kann als Material auch Keramik verwendet werden. Die Kathoden 1 sind von einem Kathodenlager 7 umgeben, welches typischerweise aus Keramik besteht. In dem Kathodenlager sind in der Zeichnung nicht erkennbare Öffnungen vorgesehen, durch die das Arbeitsgas einströmen kann. Die durch die Anode und die Kathoden gebildeten Plasmastrahlen treten durch eine von den einzelnen Düsen 3 gebildete Expansionsdüse 8 des Plasmagenerators aus.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

Plasmagenerator zur Beschichtung großflächiger Bauteile, wobei mehrere von einem Arbeitsgas umströmte Kathoden (1) vorgesehen sind, wobei zu jeder Kathode (1) eine als Düse (3) ausgebildete Anode (2) vorgesehen ist, wobei alle Kathoden (1) über eine zentrale Stromzuleitung (4) an eine Spannungsquelle angeschlossen sind, wobei die Kathoden (1) bezüglich der Spannungsquelle parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Kathode (1) eine Kathodenlagerung (7) mit Öffnungen zum Einströmen von Arbeitsgas in die als Düse (3) ausgebildete Anode (2) vorgesehen ist, dass die Kathoden (1) die Form eines Rohrs aufweisen, und dass das Rohr als Zuleitung für Arbeitsgas vorgesehen ist, wobei das durch die Kathoden (1) einströmende Arbeitsgas die Kathoden (1) kühlt und die Kathoden (1) strahlungsgekühlt sind, wodurch sich durch das einströmende Arbeitsgas und durch die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes eine selbstregulierende Stromverteilung ergibt.
Plasmagenerator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß alle Kathoden (1) räumlich gesehen in einer Reihe angeordnet sind.
Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden räumlich gesehen in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Stromzuleitung (4) aus Kupferelementen (5) besteht.
Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (3) eine Expansionsdüse (8) des Plasmagenerators bilden.