DE19963904A1 - Plasmabrenner und Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls - Google Patents

Abstract

Um einen Plasmabrenner mit einer Brennkammer, in welcher zwischen einer Kathode und einer Anode ein Lichtbogen erzeugbar ist und dem ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zuführbar ist, zu schaffen, welcher variabel einsetzbar ist, wird vorgeschlagen, daß die Brennkammer eine Mehrzahl von Anoden umfaßt, welche in axialer Richtung bezüglich einer Brennkammerachse aufeinanderfolgend angeordnet sind, wobei jede einzelne Anode individuell strombeaufschlagbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner mit einer Brenn­ kammer, in welcher zwischen einer Kathode und einer Anode ein Lichtbogen erzeugbar ist und dem ein Arbeitsgas zur Plasma­ bildung zuführbar ist.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls, bei welchem in einer Brennkammer ein Lichtbogen zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugt wird.

Solche Vorrichtungen und Verfahren sind beispielsweise aus der DE 41 05 407 C2, der DE 41 05 408 C1, der DE 195 40 587 A1, der EP 0 249 238 A2 oder der EP 0 529 850 A2 bekannt.

Plasmabrenner werden beispielsweise eingesetzt für Plasma­ sprayverfahren zur Beschichtung von Werkstoffen, wobei einem Plasmastrahl ein Pulver zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmabrenner der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welcher variabel und universell einsetzbar ist und insbesondere umfangreiche Steuerungs- und/oder Regelungsmöglichkeiten aufweist.

Diese Aufgabe wird beim Plasmabrenner der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Brennkammer eine Mehrzahl von Anoden umfaßt, welche in axialer Richtung bezüg­ lich einer Brennkammerachse aufeinanderfolgend angeordnet sind und daß jede einzelne Anode individuell elektrisch an­ steuerbar und insbesondere strombeaufschlagbar ist.

Durch das erfindungsgemäße Vorsehen einer Mehrzahl von axial angeordneten Anoden läßt sich die Stromverteilung in der Brennkammer variabel einstellen und dadurch die Ausbildung des Lichtbogens bei der Bogenentladung gezielt steuern und/oder regeln. Beispielsweise kann, wenn mehrere als Kathoden wirkende Elemente vorgesehen sind, eine Kathode dazu dienen, in Zusammenwirkung insbesondere mit der nächstliegen­ den Anode unter minimalem Energiebedarf den Lichtbogen auf­ rechtzuerhalten, während die restlichen Kathoden im wesent­ lichen dazu dienen, den Lichtbogen mittels der anderen Anoden durch die Brennkammer zu führen, um einen optimierten Plasma­ strahl zu erzeugen.

Zur Erzeugung eines Plasmastrahls ist es grundsätzlich not­ wendig, daß die Brennkammer mindestens an einer Stelle einen verengten Querschnitt aufweist. Im Bereich dieses verengten Querschnitts sind die Brennkammerwände stark thermisch be­ lastet. Erfindungsgemäß läßt sich durch entsprechende Ein­ stellung der Strombeaufschlagung der Anoden der Plasmastrom gezielt durch diese Engstelle unter Minimierung der Wandbe­ lastung führen.

Bei der Zuführung eines Zusatzwerkstoffes, beispielsweise eines Spraypulvers, in den Plasmastrahl wird in der Brenn­ kammer eine Zweiphasenströmung ausgebildet. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Plasmabrennern sind die Steuerbarkeit und/oder Regelbarkeit bezüglich der Zuführung des Zusatzwerk­ stoffes, beispielsweise dessen Massenanteils, enge Grenzen gesetzt. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird durch die Mehrzahl individuell strombeaufschlagbarer Anoden erhöhte Steuerungs- und/oder Regelungsmöglichkeiten gegeben, so daß der erfindungsgemäße Plasmabrenner universell einsetzbar ist und insbesondere sich Oberflächenbeschichtungen mit gesteuer­ ten Schichtstrukturen erzeugen lassen, die bisher mit aus dem Stand der Technik bekannten Plasmabrennern nicht herstellbar waren.

Insbesondere können mit dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner Beschichtungen hergestellt werden, bei denen der Zusatzwerk­ stoff als Beschichtungsmaterial, welches in die Brennkammer eingeführt wird, während des Betriebs selber variiert werden kann, da die individuell strombeaufschlagbaren Anoden eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung ermöglichen. Zudem läßt sich eine größere Variabilität bezüglich der Zuführung der einzelnen Zusatzwerkstoffanteile erreichen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen benachbarten Anoden jeweils ein Isolierelement angeordnet ist. Die Anoden werden dadurch elektrisch getrennt, so daß die individuelle Strombeaufschlagbarkeit jeder einzelnen Anode gewährleistet ist. Die Isolierelemente lassen sich dabei insbesondere auch als Zuführeinrichtungen für Zusatzwerkstoff in die Brenn­ kammer ausbilden, so daß auf konstruktiv einfache Weise Zusatzwerkstoff dem Plasmastrahl zuführbar ist.

Günstigerweise ist ein Isolierelement aus einem gut wärme­ leitenden metallischen Material hergestellt. Durch einen elektrisch nicht leitenden Überzug wird dann die elektrische Isolierungseigenschaft bereitgestellt, während das Isolier­ element weiterhin gut Wärme abführen kann.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, daß in einem Innenraum des Isolierelements ein Abstandsring angeordnet ist. Dieser ist insbesondere aus einem hochtemperaturbeständigen, elek­ trisch isolierenden Material gefertigt, und über seine axiale Höhe ist der Abstand benachbarter Anoden bestimmt und läßt sich durch entsprechende Auswahl des Abstandsrings ein­ stellen.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß ein Isolierelement mit einer benachbarten Anode verlötet ist, um eine Abdichtung zu erhalten. Die Anoden müssen üblicherweise mit einem Kühlmittel wie Wasser gekühlt werden, und die abdichtende Verlötung verhindert, daß Kühlmittel in die Brennkammer eindringen kann. Die Abdichtung ermöglicht damit auch eine bessere Kühlung der Anode und gewährleistet damit eine hohe Standzeit des erfindungsgemäßen Plasma­ brenners.

Vorteilhafterweise sind dabei das Material für eine Anode und das Material für ein damit zu verbindendes Isolierelement so gewählt, daß die Wärmedehnung von Isolierelement und Anode aneinander angepaßt ist. Aufgrund der hohen Temperaturen in der Brennkammer kann eine zu starke unterschiedliche Wärme­ dehnung von Isolierelement und Anode zu einem Bruch oder zumindest zu Undichtigkeiten in der Lötstelle führen ("thermal mismatch"). Werden die Materialien entsprechend gewählt, so läßt sich dies weitgehend vermeiden. Üblicher­ weise wird als Anodenmaterial Kupfer verwendet. Das Isolier­ material kann dann beispielsweise kristallines Aluminiumoxid, Saphir, Magnesit oder Siliziumkarbid sein oder auch eine Aluminium-Hartlegierung, wie AlMgSi1,5, die eloxiert ist.

Es kann zur Vermeidung eines solchen "thermal mismatch" ein Puffer zwischen einer Anode und einem zu verbindenden Iso­ lierelement aus einem Puffermaterial vorgesehen sein, welches einen Wärmedehnungskoeffizienten zwischen dem des Materials des Isolierelements und dem des Materials der Anode aufweist. Dieser Puffer stellt einen Ausgleich dar, der einen Bruch der Lötstelle aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung von Anode und Isolierelement verhindert.

Das Puffermaterial ist dabei insbesondere mittels Spreng­ plattierung auf die Anode und/oder das Isolierelement aufge­ bracht. Durch stoßartige Druckwellen hoher Energie können Verbundsysteme einer Vielzahl von Werkstoffen erzeugt werden, so daß für das Puffermaterial eine entsprechend große Auswahl besteht; es ist dann ein optimales Material wählbar, um den Ausgleich zwischen den unterschiedlichen Wärmedehnungs­ koeffizienten von Isolierelement und Anode über den Puffer zu erreichen.

Vorteilhafterweise ist die Brennkammer rotationssymmetrisch um eine Brennkammerachse ausgebildet, um Brennkammerwände nicht ungleichmäßig zu belasten.

Um den erfindungsgemäßen Plasmabrenner variabel einsetzen zu können, ist günstigerweise die Brennkammer als Plasmadüse für einen Plasmastrahl ausgebildet. Dieser Plasmastrahl kann dann gezielt auf ein Werkstück gerichtet werden, beispielsweise zum Schneiden oder Schweißen oder, wenn ein Zusatzwerkstoff eingeführt wird, zum Beschichten.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß ein Düsensegment der Plasmadüse, welches den engsten Querschnitt der Plasmadüse umfaßt, als Anode ausgebildet ist. Der engste Querschnitt dient zur Erhöhung der Strömungsge­ schwindigkeit des Arbeitsgases, um einen definierten Plasma­ strahl zu erzeugen. Beispielsweise kann eine Bogenentladung zwischen einer Kathode und dieser Anode erzeugt werden, welche im wesentlichen dazu dient, den Bogen aufrechtzu­ erhalten; über die restlichen Anoden kann dann der Bogen gezielt durch die Brennkammer geführt werden, um entsprechend den Plasmastrahl "elektrisch" zu führen.

Bei einer alternativen Ausführungsform eines erfindungsge­ mäßen Plasmabrenners ist es vorgesehen, daß ein Düsensegment der Plasmadüse, welches den engsten Querschnitt der Plasma­ düse umfaßt, nicht als Anode ausgebildet ist und/oder nicht als Anode wirkt. Dadurch wird der Lichtbogen durch den engsten Querschnitt hindurchgeführt und setzt erst nach diesem engsten Querschnitt an einer Anode an. Dadurch wird die thermische Belastung an diesem engsten Querschnitt als kritischen Bereich erheblich verringert, so daß der Plasma­ brenner insgesamt eine längere Standzeit aufweist bzw. gegen­ über aus dem Stand der Technik bekannten Plasmabrennern bei gleicher Standzeit mit erhöhter Leistung betrieben werden kann.

Günstigerweise ist dabei bezogen auf die Strömungsrichtung des Arbeitsgases nach dem Düsensegment, welches den engsten Querschnitt der Plasmadüse umfaßt, ein Düsensegment ange­ ordnet, welches als Anode ausgebildet ist. An dieser Anode kann dann der Lichtbogen ansetzen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Zusatzwerkstoff in die Brennkammer einführbar ist. Dadurch läßt sich eine hohe Variabilität insbesondere bezüglich der Anwendung des erfindungsgemäßen Plasmabrenners bei der Beschichtung von Werkstoffen erreichen.

Vorteilhafterweise erfolgt dabei die Zuführung des Zusatz­ werkstoffes in die Brennkammer bezogen auf die Strömungs­ richtung des Arbeitsgases nach dem engsten Querschnitt der Brennkammer. Der Zusatzwerkstoff, welcher in die Brennkammer eingeführt wird, hat grundsätzlich eine abrasive Wirkung be­ züglich Brennkammerwänden. Der kritischste Bereich in der Brennkammer bezüglich einer Wandbelastung ist der engste Querschnitt. Durch das Einführen des Zusatzwerkstoffes nach dem engsten Querschnitt wird diese zusätzliche Belastung an dem engsten Querschnitt vermieden, wobei die erfindungsgemäße Anordnung einer Mehrzahl von Anoden, die individuell strom­ beaufschlagbar sind, gerade die Zuführungsmöglichkeit nach dem engsten Querschnitt gewährleistet.

Vorteilhafterweise ist der Zusatzwerkstoff quer zu einer Brennkammerachse in die Brennkammer einführbar und insbe­ sondere im wesentlichen senkrecht zur Brennkammerachse ein­ führbar. Dadurch wird gewährleistet, daß der Zusatzwerkstoff von dem Plasmastrahl mitgenommen wird, da dieser durch den Zusatzwerkstoffstrom hindurchtritt. Insbesondere ist dadurch vermieden, daß "unverarbeiteter" Zusatzwerkstoff direkt auf das Werkstück fallen kann und so beispielsweise Fehlstruk­ turen der Beschichtung auftreten können. (Es ist zu bedenken, daß für Beschichtungsanwendungen der Zusatzwerkstoff üblicherweise ein Pulver ist.)

Günstigerweise ist der Zusatzwerkstoff in die Brennkammer quer zu einer radialen Richtung einführbar und insbesondere tangential zu einer Azimutalrichtung. Dadurch ist dem Zusatz­ werkstoff beim Eintritt in die Brennkammer ein Drall erteil­ bar, durch den die Aufnahme in dem Plasmastrahl und Mitnahme mit dem Plasmastrahl erhöhbar ist.

Günstigerweise ist zum Einblasen von Zusatzwerkstoff in die Brennkammer ein Transportmedium wie eine Transportflüssigkeit oder ein Transportgas in die Brennkammer einleitbar. Dieses Transportmedium kann dann den Zusatzwerkstoff, beispielsweise ein Pulver, in die Brennkammer einblasen. Bei dem Transport­ gas handelt es sich insbesondere um ein inertes Gas wie Argon, Helium oder Neon. Es werden auch Versuche mit reakti­ ven Gasen wie Methan durchgeführt.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl von Zuführungseinrichtungen vorgesehen ist, durch welche Zusatz­ werkstoff in die Brennkammer einführbar ist, wobei die Zu­ führeinrichtungen axial beabstandet sind und die Zuführung durch die jeweiligen Zuführeinrichtungen unabhängig vonein­ ander durchführbar ist. Dadurch läßt sich an verschiedenen Stellen der Brennkammer Zusatzwerkstoff einblasen und ins­ besondere lassen sich auch verschiedene Zusatzwerkstoff­ materialien einblasen. Durch entsprechende Auswahl der Zu­ satzwerkstoffe und der Einblasstellen läßt sich dann im Zusammenhang mit einer entsprechenden Steuerung und/oder Regelung der Strombeaufschlagung der Anoden ein "Mischstrahl" auf ein Werkstück richten, so daß beispielsweise bei einem. Beschichtungsvorgang eine definierte Schichtstruktur bildbar ist, die mehrere Beschichtungsmaterialien umfaßt.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl von Kathoden vorgesehen ist, um umfangreiche Steuerungs- und/oder Regelungsmöglichkeiten zu erhalten.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anzahl von Katho­ den der Anzahl der Anoden entspricht. Dadurch läßt sich jeder Kathode eine Anode bzw. umgekehrt zuordnen und eine ent­ sprechende Stromversorgung dieser beiden Elektroden aus­ bilden. Ein solches Elektrodenpaar ist dann bezüglich der anderen Elektrodenpaare unabhängig mit Spannung versorgt, so daß dadurch jede Anode individuell strombeaufschlagbar ist.

Es ist günstig, wenn die Kathoden symmetrisch bezüglich einer Brennkammerachse angeordnet sind. Dadurch ist zum einen die Steuerung und/oder Regelung nicht eingeschränkt und zum anderen werden ungleichmäßige Kammerwandbelastungen der Brennkammer vermieden. Insbesondere können drei Kathoden vorgesehen sein.

Um der Brennkammer gleichmäßig Arbeitsgas zuführen zu können, ist günstigerweise ein zentraler Zuführungskanal vorgesehen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Pufferspeicher für das Arbeitsgas vorgesehen ist. Dieser Pufferspeicher, welcher zwischen der Brennkammer und einer Arbeitsgasquelle angeordnet ist, dient dazu, Druckschwankungen bei der Arbeitsgaszuführung von der Quelle her auszugleichen, so daß der Brennkammer ständig gleichmäßig Arbeitsgas mit einem im wesentlichen konstanten Druck zugeführt wird und somit der erfindungsgemäße Plasmabrenner eine hohe Betriebsstabilität aufweist.

Bei einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß das Arbeitsgas zur Kathodenkühlung einsetzbar ist. Dadurch wird die Standzeit des erfindungsgemäßen Plasma­ brenners erhöht, da über die zusätzliche Kathodenkühlung durch das Arbeitsgas der Abbau der Kathode verlangsamt wird.

Günstigerweise ist dazu ein Kathodenhalter vorgesehen, der einen oder mehrere Kanäle umfaßt, durch die Arbeitsgas der Brennkammer zuführbar ist. Über den Kathodenhalter läßt sich dann auch Arbeitsgas zur Kühlung der Kathode zuführen und insbesondere läßt sich diese mit Arbeitsgas umströmen. Dazu ist günstigerweise in dem Kathodenhalter um eine Kathode ein im Querschnitt ringartiger Spalt gebildet, so daß Arbeitsgas, welches aus dem Kathodenhalter austritt, in einer Ring­ strömung fließt und damit die Kathode umströmen kann. Es wird dann eine optimale Kühlwirkung erzielt.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß ein im Querschnitt ringartiger Spalt kegelförmig ausge­ bildet ist mit einer Neigung in Richtung der Kathode: Es wird dadurch erreicht, daß das Arbeitsgas die Kathode umströmt und an ihr entlangströmt, um Wärme abzuführen.

Günstigerweise sind der oder die Kanäle des Kathodenhalters in Richtung der Brennkammerachse geneigt. Dadurch erhält das Arbeitsgas beim Austritt in die Brennkammer einen Drall, der zur Verbesserung der Vermischung des Zusatzwerkstoffes in einen Plasmastrahl dient. Es ist also günstig, wenn beim Ein­ tritt des Arbeitsgases in die Brennkammer ein Drall erzeugbar ist.

Dieser Drall kann gleichsinnig oder gegensinnig zur Strö­ mungsrichtung eines Zusatzwerkstoffes in die Brennkammer sein. Dies richtet sich nach der speziellen Anwendung, je nachdem was günstiger ist.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß eine Kathode bezüglich des Brennraums in ihrer axialen Stellung verschieblich ist. Dadurch läßt sich die Gestalt des Lichtbogens optimieren, indem entsprechend insbesondere der Abstand der Kathode zu dem engsten Querschnitt verändert wird. Es läßt sich dadurch auch ein Kathodenabbrand aufgrund des Betriebs des erfindungsgemäßen Plasmabrenners berücksich­ tigen.

Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn eine Kathode wäh­ rend des Betriebs der Plasmabrennvorrichtung verstellbar ist, um so eine weitere Steuerungs- und/oder Regelungsmöglichkeit zu erhalten.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strombeauf­ schlagung jeder Anode unabhängig von der der anderen Anoden und insbesondere der Stromfluß zu jeder Anode von demjenigen zu den anderen Anoden einstellbar und steuerbar und/oder regelbar ist. Dadurch läßt sich der erfindungsgemäße Plasma­ brenner universell einsetzen und man erhält eine hohe Varia­ bilität bezüglich möglicher Anwendungen.

Günstigerweise ist dabei eine Gleichstromversorgung und ins­ besondere steuerbare und/oder regelbare Gleichstromversorgung für jeweils ein Elektrodenpaar Kathode und zugeordneter Anode vorgesehen, so daß dadurch die Einstellbarkeit der Strombe­ aufschlagung einer individuellen Anode einstellbar ist und umfangreiche Steuerungs- und/oder Regelungsmöglichkeiten er­ halten werden.

Es können ein oder mehrere Netzgeräte für die Stromversorgung der Anoden vorgesehen sein.

Besonders günstig ist es, wenn der Stromversorgung der Elek­ troden Hochfrequenzpulse überlagerbar sind. Durch solche Hochfrequenzimpulse läßt sich der Lichtbogen, welcher in der Brennkammer ausgebildet ist, stabilisieren. Über die Hoch­ frequenzimpulse ergibt sich dabei eine zusätzliche Steue­ rungs- und/oder Regelungsmöglichkeit.

Bei einer besonders vorteilhaften Variante einer Ausführungs­ form ist eines Zusatzheizung für die Brennkammer vorgesehen. Dadurch ergibt sich eine weitere Steuerungs- und/oder Rege­ lungsmöglichkeit, indem das Plasma in der Brennkammer nach­ geheizt wird.

Eine Zusatzheizung ist vorteilhafterweise dadurch gebildet, daß der elektrischen Energieversorgung der Kathoden ein Dreh­ strom überlagert wird, insbesondere wenn drei Kathoden vorge­ sehen sind. Man erhält dann einen zwischen den Kathoden um­ laufenden Lichtbogen, wobei die Gleichstrom-Hauptentladungen von diesen Elektroden ausgehend auf die Anoden erfolgt.

Konstruktiv günstig ist es, wenn die Zusatzheizung ein oder mehrere Elektroden und insbesondere Kathoden umfaßt, welche quer zur Brennkammerachse in die Brennkammer weisen. Dadurch läßt sich das Plasma auf einfache Weise zusätzlich heizen.

Um eine effektive Heizung zu bewirken, ist eine Elektrode für eine Zusatzheizung günstigerweise im wesentlichen in einer radialen Richtung der Brennkammer ausgerichtet.

Die Zusatzheizung ist vorteilhafterweise mittels Gleichstrom und/oder Wechselstrom und/oder Drehstrom betätigbar.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner läßt sich auch in einem Plasmatriebwerk insbesondere für ein Raumfahrzeug einsetzen. Die umfangreichen Variationsmöglichkeiten bezüglich der Strahlausbildung und Strahlzusammensetzung ermöglichen diesen Einsatz. Es kann dabei auch vorgesehen sein, daß der Zusatz­ werkstoff ein flüssiges Medium wie beispielsweise Wasser ist. Dieses flüssige Medium, wenn es in den Lichtbogen des Arbeitsgases eingebracht wird, wird aufgeheizt und expandiert thermisch, wodurch ein Rückstoßimpuls für das Raumfahrzeug erzeugbar ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist dabei eine Belastung der Kathoden und des engsten Brenn­ kammerquerschnitts durch das expandierende Medium vermieden.

Bei dem flüssigen Medium kann es sich auch um ein chemisch aggressives Medium handeln; die erfindungsgemäße Ausge­ staltung erlaubt den Einsatz eines solchen Mediums, da ins­ besondere die Belastung der Kathode und des engsten Düsen­ querschnitts durch den Zusatzwerkstoff vermieden ist.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem eingangs beschriebenen Verfahren dadurch gelöst, daß die Brennkammer eine Mehrzahl von in axialer Richtung bezüglich einer Brenn­ kammerachse aufeinanderfolgenden Anoden umfaßt und daß die Anoden individuell gesteuert und/oder geregelt mit Strom be­ aufschlagt werden, um den Lichtbogen in der Brennkammer zu steuern und/oder zu regeln.

Dieses Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner beschriebenen Vorteile auf. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie deren Vorteile des Verfahrens sind entsprechend bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner erläutert.

Günstigerweise wird dabei der Zusatzwerkstoff über eine oder mehrere Zuführeinrichtungen, welche jeweils zwischen benach­ barten Anoden angeordnet sind, in die Brennkammer einge­ blasen. Dadurch wird eine große Variabilität bezüglich des Einsatzes erreicht. Insbesondere lassen sich Schichtstruk­ turen auf einem Werkstück anfertigen, die mittels verschie­ denen Zusatzwerkstoffen gebildet sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Dar­ stellung der Ausführungsbeispiele.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht einer ersten Aus­ führungsform eines erfindungsgemäßen Plasma­ brenners;

Fig. 2 einen Schnitt durch den Plasmabrenner gemäß Fig. 1 entlang der Linie A-A;

Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht einer zweiten Aus­ führungsform eines erfindungsgemäßen Plasma­ brenners;

Fig. 4 einen Schnitt durch den Plasmabrenner gemäß Fig. 3 entlang der Linie B-B;

Fig. 5 eine seitliche Teilansicht in Schnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels eines er­ findungsgemäßen Plasmabrenners;

Fig. 6 eine Schnittansicht des Plasmabrenners gemäß Fig. 5 entlang der Linie C-C und

Fig. 7 eine Schnittansicht des Plasmabrenners gemäß Fig. 5 entlang der Linie D-D.

Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plasma­ brenners, welcher in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 12 mit einer Gehäuse­ wand 14. Die Gehäusewand 14 weist eine Achse 16 auf.

An einem unteren Ende der Gehäusewand 14 ist ein Gehäuseboden 18 angeordnet, welcher um die Achse 16 eine zylindrische durchgehende Öffnung 20 aufweist. Weiterhin ist ein Gehäuse­ deckel 22 vorgesehen, der an dem anderen Ende des Gehäuses 12 mit der Gehäusewand 14 verbunden ist. Die Fixierung von Ge­ häuseboden 18 und Gehäusedeckel 22 an der Gehäusewand 14 ist in Fig. 1 nicht gezeigt und wird im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 noch erläutert.

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 Brenn­ kammerachse mit der Achse 16 zusammenfällt. Ein Brennraum 28 der Brennkammer ist rotationssymmetrisch zu der Brennkammer­ achse 16 ausgebildet.

Die Brennkammer 26 ist aus einer Mehrzahl von Segmenten gebildet. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt die Brennkammer 26 fünf Segmente.

Ein erstes Segment 30 der Brennkammer 26, welches das dem Ge­ häusedeckel 22 nächstliegende Segment ist, weist einen ersten Segmentabschnitt 32 auf, dessen Kammerwand 34 zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Kammerwand 34 koaxial zu der Ge­ häusewand 14 ausgerichtet ist. Auf den ersten Segment­ abschnitt 32 folgt ein zweiter Segmentabschnitt 36, der ein­ stückig mit dem ersten Segmentabschnitt 32 verbunden ist und der die Form eines Kegelstumpfes mit einer Achse koaxial zur Brennkammerachse 16 aufweist. Der Kegelwinkel ist dabei so, daß eine gedachte Kegelspitze des zweiten Segmentabschnitts 36 zu dem Gehäuseboden 18 weist.

An dem Übergang zwischen dem ersten Segmentabschnitt 32 und dem zweiten Segmentabschnitt 36 ist im Brennraum 28 eine ringförmige Auflagenstufe 38 für einen als Ganzes mit 40 bezeichneten Kathodenhalter gebildet.

Auf den zweiten Segmentabschnitt 36 des ersten Segments 30 folgt ein dritter Segmentabschnitt 42, welcher einen kegel­ stumpfförmigen 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 Seg­ mentabschnitt 36 und dem dritten Segmentabschnitt 42 ist abgerundet, so daß keine scharfe Kante an diesem Übergang vorliegt.

Die Gehäusewand 14 ist mit einer zylindrischen Ausnehmung 46 versehen, durch die eine Ringfläche 48 dem Gehäusedeckel 22 zugewandt gebildet ist, auf die das erste Segment 30 zu dessen Positionierung in dem Hohlraum 24 auflegbar ist.

Auf das erste Segment 30, welches bei einer Variante einer Ausführungsform als Anode ausgebildet ist unter Verwendung eines metallischen leitfähigen Materials wie insbesondere Kupfer oder bei einer alternativen Variante aus einem nicht leitenden 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 Isolier­ element 50 aus einer eloxierten Aluminium-Hartlegierung wie AlMgSi1,5 gefertigt ist. Bei einer Variante einer Ausfüh­ rungsform ist das Isolierelement aus einem gut wärmeleitenden metallischen Material gefertigt und mit einem elektrisch iso­ lierenden Überzug versehen.

Das Isolierelement 50 hat eine scheibenförmige Gestalt mit einer zentralen zylindrischen Ausnehmung jeweils an gegen­ überliegenden Stirnflächen, so daß das Isolierelement 50 im Querschnitt knochenförmig ist. Ein dadurch dem Gehäusedeckel 22 zugewandt gebildeter Stufenrand 52 ist von einer Außen­ ringfläche 54 des dritten Segmentabschnitts 42 des ersten Segments 30 umgeben.

Das Isolierelement 50 weist zur Bildung des Brennraums 28 eine zylindrische zentrale Öffnung 56 auf, deren Durchmesser dem Durchmesser des Innenraums 44 des dritten Segmentab­ schnitts 42 an dem Übergang zum zweiten Segment 50 ent­ spricht.

In dieser Öffnung kann ein Abstandsring (in der Figur nicht gezeigt) angeordnet sein, um den Abstand zwischen benach­ barten Anoden, zwischen denen das Isolierelement (50) ange­ ordnet ist, festzulegen.

Das Isolierelement 50 ist mit einem Kanal 58 (Fig. 2) ver­ sehen, welcher quer und insbesondere senkrecht zur Brenn­ kammerachse 16 orientiert ist mit einer Mündungsöffnung 60, welche so ausgerichtet ist, daß ein Fluid quer zu einer radialen Richtung 62 und insbesondere tangential zu einer Azimutalrichtung des Brennraums 28 in diesen 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. Bevor­ zugterweise ist die Mündungsöffnung 60 so angeordnet, daß das Fluid an oder in der Nähe einer Seitenfläche 64 des Bren­ raums 28 einblasbar ist, um eine tangentiale Zuführung des Fluids über das als Zuführeinrichtung ausgebildete Isolier­ element 50 zu ermöglichen.

Auf das Isolierelement 50 folgt eine Anode 66 als drittes Segment mit einem zylindrischen Innenraum 68, dessen Durch­ messer dem der Öffnung 56 im zweiten Segment 50 entspricht. Dem zweiten Segment 50 zugewandt weist das dritte Segment 66 ein in Richtung des Gehäusedeckels 22 weisendes Ringelement 70 auf, welches um einen entsprechenden Stufenrand 72 des zweiten Segments 50, welcher dem Gehäuseboden 18 zugewandt ist, umläuft.

Auf das dritte Segment 66, welches als Anode 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 Ring­ element 70 abgewandtes Ringelement des dritten Segments 66 umläuft dabei einen entsprechenden Stufenrand des vierten Segments 74.

Auf das vierte Segment 74 folgt ein weiteres, als Anode aus­ gebildetes 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 Innen­ raums 68 des dritten Segments entspricht und einen zweiten Abschnitt 84, dessen Innenraum 86 kegelstumpfförmig ausge­ bildet ist, wobei die gedachte Kegelspitze in Richtung des Gehäusedeckels 22 weist und die Mündungsöffnung 78 eine Basis des Kegelstumpfes bildet.

Die Anoden 30, 66, 76 können dabei, um eine bessere Abdich­ tung und eine bessere Kühlung zu erreichen, mit den ent­ sprechend dazwischenliegenden Isolierelementen 50 bzw. 74 verlötet sein. Diese Verlötung muß auch die hohen Tempera­ turen, 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 Löt­ verbindung auftritt. Es kann dabei erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß zwischen den zu verlötenden Teilen ein Puffer­ material aufgebracht wird, insbesondere mittels Spreng­ plattierung, das einen Wärmedehnungskoeffizienten aufweist, welcher zwischen dem des Materials für die entsprechende Anode und dem des Materials für das entsprechende Isolier­ element liegt, um so einen Ausgleich bezüglich der Wärmeaus­ dehnung bei Temperaturerhöhung zu schaffen.

Zur Kühlung der Brennkammer 26 ist eine als Ganzes mit 88 bezeichnete Kühlvorrichtung vorgesehen. Diese umfaßt parallel zur Brennkammerachse 16 in der Gehäusewand 14 angeordnete Kühlkanäle 90, die insbesondere symmetrisch bezüglich der Brennkammerachse 16 verteilt angeordnet sind und über die ein Kühlmittel, insbesondere Wasser, der Brennkammer 26 zuführbar ist. Dazu weist der Gehäusedeckel 22 entsprechende Kanäle 92 auf, über die das Kühlmittel zu- und/oder abführbar ist.

Des weiteren ist zwischen dem Gehäusedeckel 22 und dem ersten Segment 30 der Brennkammer 26 ein Schlußelement 94 ange­ ordnet, zwischen welchem und dem Gehäusedeckel 22 ein zylin­ drischer Hohlraum 96 gebildet ist, der als Verteilerraum für das Kühlmittel dient. Dieser Hohlraum 96 ist fluiddicht gegenüber den Kanälen 90, 92 abgeschlossen. Zur Zufüh­ rung/Abführung von Kühlmittel in diesen Verteilerraum 96 weist der Gehäusedeckel 22 einen oder mehrere entsprechende Kanäle auf. Bevorzugterweise ist es vorgesehen, das Kühl­ mittel über den Hohlraum 96 zugeführt wird und über die Kanäle 90, 92 abgeführt wird. Die entsprechenden Zuführungs­ vorrichtungen und Abführungsvorrichtungen sind in der Fig. 1 nicht gezeigt.

Durch das Schlußelement 94 verlaufen, wie in Fig. 1 gezeigt, parallel zur Brennkammerachse 16 Kanäle 98, die ebenfalls be­ vorzugterweise symmetrisch verteilt um die Brennkammerachse 16 angeordnet sind. Diese Kanäle setzen sich in dem ersten Segment 30 als Kanäle 100 fort, wobei entsprechende Dich­ tungen 102 zur fluiddichten Abdichtung zwischen dem Schluß­ element 94 und dem ersten Segment 30 angeordnet sind.

Die Kanäle 100 münden in dem ersten Segment 30 im Bereich des zweiten Segmentabschnitts 36 in einen Hohlraum 104, durch den die mit Kühlmittel beaufschlagbare (äußere) Brennkammerfläche vergrößert ist. Von dem Hohlraum 104 gehen weitere Kanäle 106 aus, die sich in dem Isolierelement 50 und dem dritten Seg­ ment 66 fortsetzen, wobei jeweils zwischen dem ersten Segment 30 und dem zweiten Segment 50, und dem zweiten Segment 50 und dem dritten Segment 66 entsprechende Dichtungen angeordnet sind.

Ebenfalls sind zwischen dem ersten Segment 30 und der Ge­ häusewand 14 Dichtungen 108 angeordnet, die insbesondere ver­ hindern, daß Kühlmittel aus dem Hohlraum 96 in den Bereich zwischen dem ersten Segment 30 und der Gehäusewand 14 ein­ dringt.

Zwischen dem Isolierelement 50 wie auch zwischen dem Isolier­ element 74 und der Gehäusewand 14 ist dabei jeweils ein ring­ förmiger Hohlraum 110 gebildet, wobei entsprechende Dich­ tungen so angeordnet sind, daß Kühlmittel auch nicht in diesen Hohlraum 110 eindringen kann.

Das als Anode ausgebildete dritte Segment 66 weist ebenfalls einen ringförmigen Hohlraum 112 auf, der die mit Kühlmittel beaufschlagbare Fläche der Anode 66 vergrößert. Von diesem Hohlraum ausgehend führen Kanäle durch das zweite Isolier­ element (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 Ge­ häusewand 14 münden, so daß die Brennkammer durchströmendes Kühlmittel ausgehend von dem Hohlraum 114 über die Kanäle 90, 92 aus dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner abführbar ist.

In dem Kathodenhalter 40, welcher auf der Auflagestufe 38 an­ geordnet ist, sitzen parallel ausgerichtet zur Brennkammer­ achse 16 Halter, die durch den Gehäusedeckel 22, den Ver­ teilerraum 96, das Schlußelement 94 und durch entsprechende Öffnungen 116 in den Brennraum 28 ragen. Bei einer Variante eines Ausführungsbeispiels sind drei Kathoden vorgesehen und entsprechend drei Halter 116, welche symmetrisch um die Brennkammerachse 16 verteilt sind, d. h. die Eckpunkte eines gleichseitigen Dreiecks bilden (vgl. Fig. 6).

An dem in den Brennraum 28 weisenden Ende sitzt jeweils eine stabförmige Kathode 118, 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.

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, wie beispielsweise Argon oder Helium, zur Plasmaerzeugung. Der Hohlraum 122 dient insbesondere als Pufferspeicher für das Arbeitsgas, um Druckschwankungen bei der Zuführung über eine Zuführvorrichtung (in der Figur nicht gezeigt) auszu­ gleichen.

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 aus­ gehend 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 insbe­ sondere so angeordnet, daß in den Brennraum 28 eingeführtes Arbeitsgas um die Kathoden 120 strömt, d. h. durch den Be­ reich zwischen den Kathoden und dem ersten Segment 30 strömt.

Ferner weist der Kathodenhalter den Haltern 116 zugeordnete Ringelemente 130 auf, wobei zwischen einem Halter 116 und dem Einblaselement 126 quer zur Brennkammerachse 16 ein zylin­ drischer 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 Ring­ spalt 132 strömen und die Kathode 120 umströmen kann, um diese mittels Arbeitsgas zu kühlen.

Das Einblaselement 126 weist ferner koaxial zur Brennkammer­ achse 116 ein in den Brennraum 28 weisendes Trennelement 136 auf, welches bezogen auf die axiale Richtung über die Katho­ den 120 hinaussteht und ebenfalls aus einem isolierenden Keramikmaterial gefertigt ist. Dieses Trennelement 136 dient dazu, die elektrische Beeinflussung der Kathoden gegenseitig zu verhindern.

Es ist grundsätzlich auch vorgesehen, daß die Anzahl der Anoden der Anzahl der Kathoden entspricht. Es ist dann jeder Anode eine Kathode elektrisch zugeordnet, d. h. es ist eine Mehrzahl von Anoden-Kathoden-Elektrodenpaaren gebildet.

Zur Versorgung des Plasmabrenners mit elektrischer Energie ist eine Energieversorgungseinrichtung vorgesehen (in der Zeichnung nicht gezeigt), die eine oder mehrere Netzgerte umfaßt. Es ist dabei erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Strombeaufschlagung jeder Anode 30 (sofern das erste Segment als Anode ausgebildet ist und als Anode wirkt), 66, 76 indi­ viduell steuerbar und/oder regelbar ist, d. h. die Strombe­ aufschlagung jeder Anode unabhängig von den anderen Anoden steuerbar und/oder regelbar ist, um eine optimale Lichtbogen­ form und optimale Strömungsverhältnisse in dem Brennraum 28 zu erhalten. Insbesondere kann es vorgesehen sein, daß die Anoden elektrisch außerhalb verschaltet werden, um auf diese Weise eine unabhängige Stromversorgung zu ermöglichen.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner funktioniert wie folgt:
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 zuge­ führt, wobei der über den Spalt 134 in den Brennraum 28 ge­ langende Teil des Arbeitsgases auch die als Kathoden wirken­ den Elektroden im Gasstrom kühlt und über die Zuführkanäle 128 eingeblasenes Arbeitsgas einen Drall beim Eintritt in den Brennraum 28 erhält.

Bei Anlegen einer Spannung zwischen den Kathoden und den zu­ geordneten Anoden und Zuführung des Arbeitsgases wie Argon, Neon, Stickstoff oder Helium wird dabei eine Bogenladung auf­ rechterhalten, so daß ein Plasmastrahl gebildet ist, der aus der Mündungsöffnung 78, beispielsweise gerichtet auf ein Werkstück, auftritt.

Durch die Mehrzahl von bezüglich der axialen Richtung 16 an­ geordneten Anoden, deren Strombeaufschlagung insbesondere durch Gleichstrom individuell steuerbar ist; läßt sich ent­ sprechend die Stromverteilung in der Brennkammer 26 ein­ stellen und sich so eine optimale Gestalt des Lichtbogens und entsprechend der Strömung ausbilden. Insbesondere läßt es sich vermeiden, daß die Plasmaströmung sich einschnürt, wo­ durch sonst hohe Wandbelastungen auftreten könnten, die sogar zu einer Zerstörung eines Plasmabrenners führen könnten. Auch ein Abbruch ("Quenching") des Lichtbogens läßt sich ver­ meiden.

Über die Kanäle 58 der Zuführeinrichtungen läßt sich ein Zusatzwerkstoff, wie beispielsweise ein Spraymaterial, ein­ blasen. Die dadurch entstehende Zweiphasenströmung (Plasmastrahl und Zusatzwerkstoff) läßt sich aufgrund der Mehrzahl von Anoden, deren Strombeaufschlagung individuell steuerbar und/oder regelbar ist, gut steuern. Dadurch läßt sich eine hohe Variabilität des Plasmastroms sowohl bezüglich des Massestroms als auch des Energiestroms erreichen.

Es lassen sich insbesondere mehrere Zusatzwerkstoffe über unterschiedliche Isolierelemente (beispielsweise Isolier­ element 50 und Isolierelement 74) in den Brennraum 28 ein­ blasen, so daß beispielsweise bei einem Beschichtungsvorgang eine entsprechende Schichtstruktur erhalten werden kann.

Da der Zusatzwerkstoff in den Brennraum nach der engsten Stelle im Brennraum, welche am Übergang zwischen dem zweiten Segmentabschnitt 36 und dem dritten Segmentabschnitt 42 des ersten Segments 30 liegt, eingeführt wird, entfällt eine abrasive Wirkung des Zusatzwerkstoffes im engsten Düsenquer­ schnitt.

Es kann vorgesehen sein, daß der Zusatzwerkstoff mit Hilfe eines Transportgases, bei dem es sich insbesondere um ein inertes Gas wie Argon, Helium, Stickstoff oder Neon handelt, in den Brennraum 28 über Kanäle 58 eingeblasen wird.

Bei einer Anordnung mit drei Kathoden ist es möglich; daß nur eine der drei Kathoden zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens in Verbindung mit dem als Anode ausgebildeten ersten Segment 30 eingesetzt wird, während die beiden anderen Kathoden in Zusammenwirkung mit den anderen Anoden Anteile liefern, die durch den engsten Querschnitt des Brennraums hindurch den Lichtbogen führen. Durch die individuelle Ansteuerbarkeit der Anoden läßt sich so entsprechend der Lichtbogen bei optimaler Energieausnutzung zur Erzielung eines für die entsprechende Anwendung optimalen Plasmastrahls einsetzen.

Zur Stabilisierung des Lichtbogens kann es insbesondere vor­ gesehen sein, daß der Stromversorgung der Elektroden Hoch­ frequenzpulse überlagert werden.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, welches in Fig. 3 gezeigt und als Ganzes mit 140 bezeichnet ist, ist gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ein zusätz­ liches, als Anode ausgebildetes Segment 142 vorgesehen, welches gleich ausgebildet ist wie das dritte Segment 66 gemäß Fig. 1, wobei dann auch ein weiteres Isolierelement. 144 vorgesehen ist. Ein erstes Segment 148, welches dem Ge­ häusedeckel 22 am nächsten ist, ist dagegen nicht als Anode ausgebildet, hat aber im wesentlichen die gleiche Form wie das erste Segment 30 gemäß Fig. 1.

Bei einer Variante einer Ausführungsform weist das Isolier­ element 144, wie in Fig. 4 gezeigt, neben dem Kanal 58 für den Zusatzwerkstoff noch ein Kathodenelement 144 auf, welches in den Brennraum 28 ragt und das mit Gleichstrom, Wechsel­ strom oder Drehstrom versorgbar ist. Das Kathodenelement 144 ist dabei insbesondere in einer radialen Richtung 146 quer und insbesondere senkrecht zur Brennkammerachse 16 ausge­ richtet.

Über ein solches Kathodenelement 144 ist eine Zusatzheizung für das Plasma indem Brennraum 28 gebildet, so daß eine zu­ sätzliche Temperatursteuerung und/oder Temperaturregelung des Plasmas erfolgen kann. Dadurch wird die Variabilität des er­ findungsgemäßen Plasmabrenners weiter erhöht.

Solche Kathodenelemente 144 können auch an anderen Isolier­ elementen vorgesehen sein.

Ansonsten ist der Plasmabrenner gemäß der zweiten Ausfüh­ rungsform im wesentlichen gleich ausgebildet wie der gemäß der ersten Ausführungsform und funktioniert auch im wesent­ lichen gleich. Gleiche Bauteile bei der zweiten Ausführungs­ form tragen daher in den Fig. 3 und 4 dasselbe Bezugs­ zeichen wie in den Fig. 1 und 2.

Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform ist jedoch die erste Anode erst nach dem engsten Querschnitt im Segment 148 angeordnet.

Bei einer dritten Ausführungsform, welche in der Fig. 5 als Ganzes mit 150 bezeichnet ist, ist der Gehäusedeckel 22 und der Gehäuseboden 18 über einen ersten Bolzen 152 und einen zweiten Bolzen 154 verspannt, die durch einen Sechskant 156 mit jeweils gegendrehenden Innengewinden gegeneinander ge­ halten und miteinander verspannbar sind, um dadurch eben Gehäuseboden 18 und Gehäusedeckel 22 mit der Gehäusewand 14 zu verspannen.

Die Bolzen 152 und 154 sind im wesentlichen gleich ausge­ bildet mit einem Bolzenkopf 158. Sie gehen durch eine Öffnung 160 jeweils im Gehäusedeckel 22 und Gehäuseboden 18, wobei in dieser Öffnung ein Isolierelement 162 zur elektrischen Iso­ lierung der Bolzen von dem Gehäuse 12 sitzt. Zwischen dem Bolzenkopf und dem Gehäuseboden 18 bzw. der Gehäusewand 14 ist eine Beilagscheibe 162 und eine Scheibenfeder 164 ange­ ordnet. Durch Drehung des Sechskants 156 werden Gehäusedeckel 22 und Gehäuseboden 18 miteinander verspannt.

Insbesondere sind mehrere derartige Bolzenverbindungen um das Gehäuse 12 vorgesehen.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist vom Gehäusedeckel 22 ausgehend eine erste Anode 166, ein erstes Isolierelement 168, eine zweite Anode 170, ein zweites Iso­ lierelement 172, eine dritte Anode 174, ein drittes Isolier­ element 176 und schließlich dem Gehäuseboden 18 zugewandt eine vierte Anode 178 vorgesehen. Diese vierte Anode 178 weist auch die Mündungsöffnung 78 auf.

Das zweite Isolierelement 172 ist mit einer Mehrzahl von Elektroden 180 (Fig. 7) versehen, welche in radialer Richtung in die Brennkammer 28 ragen. Bei diesen Elektroden handelt es sich insbesondere um Kathoden.

Bei der in Fig. 7 gezeigten Variante sind symmetrisch ver­ teilt zur Brennkammerachse 16 drei Kathodenelemente 180 zur Zusatzheizung des Plasmas vorgesehen.

Ein Halter 182 für ein Kathodenelement 180 ist dabei bezogen auf den Brennraum 28 zurückgesetzt angeordnet, so daß zwischen einer Brennraumbegrenzungsfläche 184 und einem dem Brennraum 28 zuweisenden Ende des Halters 182 ein Abstand gebildet ist.

In Fig. 5 und 6 ist der Kathodenhalter 40 gezeigt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß die Kathoden 40 relativ zur Brennkammer 28 verschieblich sind, wobei die Position der Kathoden in der Brennkammer 28 eingestellt werden kann.

Die Verschieblichkeit kann erreicht werden, indem der Katho­ denhalter 40 als Ganzes verschieblich ausgebildet ist oder jeder der Halter 116 verschieblich ausgebildet ist.

Dadurch läßt sich die optimale Position der Kathoden 40 in der Brennkammer 28 während des Betriebes des erfindungsge­ mäßen Plasmabrenners einstellen, um so insbesondere die Wand­ belastung der Brennkammer möglichst gering zu halten.

Claims (49)

1. Plasmabrenner mit einer Brennkammer (26), in welcher zwischen einer Kathode (120) und einer Anode ein Licht­ bogen erzeugbar ist und dem ein Arbeitsgas zur Plasma­ bildung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (26) eine Mehrzahl von Anoden (30, 66, 76) umfaßt, welche in axialer Richtung bezüglich einer Brennkammerachse (16) aufeinanderfolgend angeordnet sind und daß jede einzelne Anode (30; 66; 76) individuell elektrisch ansteuerbar ist.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Anoden (30, 66) jeweils ein Isolierelement (50) angeordnet ist.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolierelement (50) mit einem elektrisch nicht leitenden Überzug versehen ist.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einem Innenraum eines Isolierelements (50) ein Abstandsring angeordnet ist.

5. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolierelement (50) mit einer benachbarten Anode (30; 66) verlötet ist.

6. Plasmabrenner nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für eine Anode und das Material für ein damit zu verbindendes Isolierelement so gewählt sind, daß die Wärmedehnung von Isolierelement und Anode anein­ ander angepaßt ist.

7. Plasmabrenner nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Puffer zwischen einer Anode und einem zu verbindenden Isolierelement aus einem Puffermaterial vorgesehen ist, welches einen Wärmedehnungskoeffizienten zwischen dem des Materials des Isolierelements und dem des Materials der Anode aufweist.

8. Plasmabrenner nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Puffermaterial mittels Sprengplattierung auf die Anode und/oder das Isolierelement aufgebracht ist.

9. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (26) rota­ tionssymmetrisch um die Brennkammerachse (16) ausge­ bildet ist.

10. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (26) als Plasmadüse für einen Plasmastrahl ausgebildet ist.

11. Plasmabrenner nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Düsensegment (30) der Plasmadüse, welches den engsten Querschnitt der Plasmadüse umfaßt, als Anode ausgebildet ist.

12. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Düsensegment (148) der Plasma­ düse, welches den engsten Querschnitt der Plasmadüse um­ faßt, nicht als Anode ausgebildet ist und/oder nicht als Anode wirkt.

13. Plasmabrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bezogen auf die Strömungsrichtung des Arbeitsgases nach dem Düsensegment (30), welches den engsten Quer­ schnitt der Plasmadüse umfaßt, ein Düsensegment ange­ ordnet ist, welches als Anode ausgebildet ist.

14. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zusatzwerkstoff in die Brennkammer (26) einführbar ist.

15. Plasmabrenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Zusatzwerkstoffes in die Brenn­ kammer (26) bezogen auf die Strömungsrichtung des Arbeitsgases nach dem engsten Querschnitt der Brenn­ kammer (26) erfolgt.

16. Plasmabrenner nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Zusatzwerkstoff quer zu einer Brennkammer­ achse (16) in die Brennkammer (26) einführbar ist.

17. Plasmabrenner nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzwerkstoff im wesentlichen senkrecht zur Brenn­ kammerachse (16) in die Brennkammer (26) einführbar ist.

18. Plasmabrenner nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Zusatzwerkstoff quer zu einer radialen Richtung (62) in die Brennkammer (26) einführbar ist.

19. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Isolierelement (50), welches zwischen benachbarten Anoden (30, 66) angeordnet ist, als Zuführungseinrichtung ausgebildet ist, welche eine oder mehrere Zuführkanäle (58) zur Einführung von Zusatzwerkstoff in die Brennkammer (26) umfaßt.

20. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einblasen von Zusatz­ werkstoff in die Brennkammer (26) ein Transportmedium in die Brennkammer (26) einleitbar ist.

21. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Zu­ führungseinrichtungen (50) vorgesehen sind, durch welche Zusatzwerkstoff in die Brennkammer (26) einführbar ist, wobei die Zuführungseinrichtungen (50) axial beabstandet sind und die Zuführung durch die jeweiligen Zuführungs­ einrichtungen (50) unabhängig voneinander durchführbar ist.

22. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Kathoden (40) vorgesehen ist.

23. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Kathoden der Anzahl der Anoden entspricht.

24. Plasmabrenner nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kathoden (40) symmetrisch bezüglich einer Brennkammerachse (16) angeordnet sind.

25. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß drei Elektroden als Kathoden (120) vorgesehen sind.

26. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß zur Zuführung von Arbeitsgas ein zentraler Zuführungskanal vorgesehen ist.

27. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pufferspeicher (122) für das Arbeitsgas vorgesehen ist.

28. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsgas zur Kathoden­ kühlung einsetzbar ist.

29. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kathodenhalter (40) vor­ gesehen ist, der einen oder mehrere Kanäle (128) umfaßt, durch die Arbeitsgas der Brennkammer (26) zuführbar ist.

30. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kathodenhalter (40) um eine Kathode (40) ein im Querschnitt ringartiger Spalt (134) gebildet ist.

31. Plasmabrenner nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Querschnitt ringartiger Spalt (134) kegel­ förmig ausgebildet ist mit einer Neigung in Richtung der Kathode (40).

32. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Kanäle (128) in Richtung der. Brennkammerachse (16) geneigt sind.

33. Plasmabrenner nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß beim Eintritt des Arbeitsgases in die Brennkammer (26) ein Drall erzeugbar ist.

34. Plasmabrenner nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Drall gleichsinnig oder gegensinnig zur Strömung eines Zusatzwerkstoffes in die Brennkammer (26) ist.

35. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kathode (120) bezüglich des Brennraums (28) verschieblich ist.

36. Plasmabrenner nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kathode (120) während des Betriebs des Plasma­ brenners in ihrer axialen Stellung verstellbar ist.

37. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strombeaufschlagung jeder Anode unabhängig von der der anderen Anoden ein­ stellbar und steuerbar und/oder regelbar ist.

38. Plasmabrenner nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromversorgung für jeweils ein Elektrodenpaar Kathode und zugeordneter Anode vorgesehen ist.

39. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Netzgeräte für die Stromversorgung der Anoden vorgesehen sind.

40. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromversorgung der Elektroden Hochfrequenzpulse überlagerbar sind.

41. Plasmabrenner nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzheizung für die Brennkammer (26) vorgesehen ist.

42. Plasmabrenner nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzheizung dadurch gebildet ist, daß der elektrischen Energieversorgung der Kathoden (120) ein Drehstrom überlagert wird.

43. Plasmabrenner nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzheizung eine oder mehrere Elek­ troden (180) umfaßt, welche quer zur Brennkammerachse (16) in die Brennkammer (26) weisen.

44. Plasmabrenner nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (180) einer Zusatzheizung im wesent­ lichen in einer radialen Richtung der Brennkammer (26) ausgerichtet ist.

45. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 41 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzheizung mittels Gleichstrom und/oder Wechselstrom und/oder Drehstrom betätigbar ist.

46. Plasmatriebwerk gekennzeichnet durch einen Plasmabrenner gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.

47. Plasmatriebwerk nach Anspruch 46, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zusatzwerkstoff ein flüssiges Medium ist.

48. Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls, bei welchem in einer Brennkammer ein Lichtbogen zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Brennkammer eine Mehrzahl von in axialer Richtung bezüglich einer Brennkammerachse auf­ einanderfolgende Anoden umfaßt und daß die Anoden indi­ viduell gesteuert und/oder geregelt mit Strom beauf­ schlagt werden, um den Lichtbogen in der Brennkammer zu steuern und/oder zu regeln.

49. Verfahren nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzwerkstoff über eine oder mehrere Zuführeinrich­ tungen, welche zwischen benachbarten Anoden angeordnet sind, in die Brennkammer eingeblasen wird.