DE2162024A1

DE2162024A1 - Vorrichtung zur Plasmaerzeugung

Info

Publication number: DE2162024A1
Application number: DE19712162024
Authority: DE
Inventors: C Bonet; R Delmas; M Foex
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1970-12-23
Filing date: 1971-12-14
Publication date: 1972-09-07
Also published as: GB1380719A; DE2162024B2; DE2162024C3; FR2119179A6

Description

Zusatz zu Patent ... " (Patentanmeldung P 19 65 576.6)

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung.zur Erzeugung eines Hauptplasmastromes, wobei ein Pilotplasmagenerator und Düsen mit jeweils einem elektrisch leitenden Teil vorgesehen sind, welche gegenseitig konvergierende, den Hauptplasmastrom bildende, das elektrisch leitende Teil der zugehörigen Düse umspülende Elementarstromungsmittelströme liefern, und welche Düsen in einen normalerweise offenen, durch die Düsenströme bei Verminderung von deren elektrischem Widerstand schließbaren elektrischen Kreis eingeschaltet sind, nach Patent ... (Patentanmeldung P 19 65 576.6).

Es werden Plasmaströme oder -strahlen im Inneren der konvergierenden Elementarströmungsmittelströme erzeugt, welche zu einem Hauptplasmastrom führen, wobei wenigstens einige der Jilementarströmungsmittelströme von Düsen herrühren, we?-

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ehe nicht mit eigener elektrischer Energie gespeist werden. Im Hauptpatent ... (Patentanmeldung P 19 65 576.6) sind Vorrichtungen zur Plasmaerzeugung geoffenbart, welche derartige Düsen aufweisen. Diese Vorrichtungen sind insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein leil jeder dieser Düsen, welcher mit dem zugehörigen Elementarströmungsmittelstrom in Berührung steht, elektrisch leitend und in einen elektrischen Kreis eingeschaltet ist, der normalerweise offen und mit einer elektrischen Stromquelle versehen ist, ferner durch den zugehörigen Elementarströmungsmittelstrom geschlossen werden kann, wenn dessen elektrischer Widerstand ausreichend vermindert wird.

Zu diesem Zweck weisen diese Vorrichtungen im allgemeinen einen Pilotplasmagenerator mit eigener Quelle für elektrische Energie auf, wobei dieser Generator so orientiert ist, daß sein Plasmastrom bzw. -strahl mit den von den Düsen gelieferten Strömen konvergiert. Die Beaufschlagung des Generators mit elektrischer Energie kann bei den meisten der im Hauptpatent geschilderten Ausführungsformen unterbrochen werden, sobald der geschilderte Kreis geschlossen ist.

Bei den meisten der Ausführungsformen gemäß dem Hauptpatent ist die Quelle elektrischer Energie für den Kreis, in welchen die Düsen eingeschaltet sind, von der Quelle elektrischer Energie des Pilotplasmagenerators verschieden. Demzufolge ist der Pilotplasmagenerator, welcher in der Regel aus einem mit Gleichstrom betriebenen Pilotplasmabrenner oder aus einer mit Hochfrequenz strom betriebenen Plasmafackel besteht, nicht nur von verwickelterem Aufbau, sondern auch verhältnismäßig teurer als die Vorrichtung zur Erzeugung des Hauptplasmas selbst, und zwar wegen der zur Erzeugung des Pilotplasmas erforderlichen elektrischen Stromquelle zur Lieferung von

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Gleichstrom oder hochfrequentem Strom.

Im Hauptpatent ist auch eine Ausführungsform angegeben, bei welcher diese Speisequellen in einer zusammengefaßt sind. Dabei sind der Pilotplasmagenerator und die Düsen in Reihe geschaltet. Die Stärke des von der Quelle gelieferten elektrischen Stromes teilt sich nach der Zündung in die Stärke zur Aufrechterhaltung des elektrischen Stromes in den Plasmaströmen bzw. —strahlen, welche in den von den Düsen ausgehenden Strömen gebildet sind, und in die Stärke zur Aufrechterhaltung des vom Pilotplasmagenerator abgegebenen Plasmastromes, so daß eine sehr starke elektrische Stromquelle erforderlich ist. Darüber hinaus kann diese Ausführungsform nicht mit einem Pilotplasmagenerator verwendet werden, der als klassischer Plasmabrenner ausgebildet ist und beispielsweise eine gekühlte Kupferanode und eine Emissionskathode bestehend aus einem Wolframstab aufweist, wenn nicht eine Beaufschlagung mit Gleichstrom vorgesehen ist. KLn solcher Brenner kann nicht mit Wechselstrom funktionieren, da der Wolfram— stab nicht ohne Zerstörung periodisch und über längere Zeitintervalle hinweg den hohen thermischen STuß aufnehmen kann, welchem er normalerweise jedesmal dann unterworfen wäre, wenn er als Anode wirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden, insbesondere eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art zu schaffen, welche lediglich mit einer einzigen Quelle für elektrische Energie verhältnismäßig geringer Leistung bzw. Stärke versehen ist, und im Bedarfsfall einen Pilotplasmagenerator aufweisen kann, der mit Wechselstrom beaufschlagbar ist.

Dies ist erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Erzeugung elektrischer Bögen in den Elementarströmungsmittelströ-

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men der elektrische Speisekreis des Pilotplasmagenerators und der elektrische Speisekreis der Düsen parallel zueinander an eine einzige elektrische Stromquelle angeschlossen sind, wobei der Kreis des .Generators einen für den Stromfluß vorzugsweise im Kreis der Düsen ausreichend hohen Widerstand aufweist. Vorzugsweise ist der Widerstand so hoch, daß die Zündung der elektrischen Bögen in den Elementarströmungsmittelströmen der Düsen die Selbstlöschung des Generators bewirkt.

»k Die Stromquelle kann als Gleichstromquelle ausgebil-

"~ det sein, wobei zwei Düsen vorgesehen sind, welche an die entgegengesetzten Klemmen der Gleichstromquelle angeschlossen sind _e

Stattdessen kann die Stromquelle auch einen periodischen Strom mit Wechseln unterschiedlichen Vorzeichens liefern, wobei die Elektroden des Pilotplasmagenerators energisch gekühlt sind. Dabei bestehen die beiden Elektroden des Plasmar· generators mit Vorteil aus demselben Material, insbesondere aus Kupfer.

Die Stromquelle kann als Wechselstromquelle ausgebil-

ψ det sein, wobei zwei Düsen vorgesehen sind, welche an die entgegengesetzten Klemmen der Wechselstromquelle angeschlossen sind. Insbesondere kann die Stromquelle als Polyphasenstromquelle ausgebildet sein, wobei jede Phase an eine Düse angeschlossen ist, ferner zwei Phasen mit dem Speisekreis des Pilotplasmagenerators verbunden sind.

nachstehend ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

KLg. 1 und 2 schematisch zwei bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

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!"ig. 3 einen Längsschnitt durch eine Düse der Ausführungsformen gemäß K-g. 1 und 2j

J¹Ig. 4 schematisch einen Längsschnitt durch einen Pilotplasmagenerator in erfindungsgemäß bevorzugter Ausgestaltung.

Bei den bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtungen gemäß Fig. 1 und 2 sind zur Erzeugung eines Hauptplasmastromes J2 Düsen 34-a "und 34-"b bzw. 34c, 34-d und 34-e vorgesehen, welche mit Druckgas beaufschlagt sind und Elementargasströme 36 liefern, welche konvergieren und den Hauptplasmastrom 32 bilden. Die Düsen sind in einen normalerweise offenen Kreis 38 eingeschaltet, welcher eine elektrische Stromquelle 40a bzw. 40b aufweist. Der elektrische Kreis 38 kann durch die Elementarströme 36 hindurch geschlossen werden, wenn deren Widerstand ausreichend vermindert ist, insbesondere mittels eines Pilotplasmastromes 42, welcher vorzugsweise einen großen Querschnitt aufweist und die Atmosphäre zwischen den Ausgängen der Düsen ausreichend zu ionisieren vermag, so daß elektrische Bögen 44 in den konvergierenden Elementarströmen 36 gezündet werden können, und zwar zwischen den leitenden Teilen 46 der Düsen, welche mit diesen Strömen in Berührung stehen. Jede Düse wirkt also wie eine Elektrode bezüglich des Kreises 38.'

In Fig. 3 ist eine Düse der geschilderten Art dargestellt, welche vorteilhafterweise in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen ist. Der leitende Teil dieser Düse besteht aus einem länglich ausgebildeten Bauteil, welches ein strömungsmitteldurchflossenes Kühlrohr 47 aufweist, und dessen freies Ende ^/(r8 als Spitze ausgebildet ist, wobei das andere Ende in einem Basisstück ^O sitzt, das selbst in einer Metallhülse angeordnet ist, welche das leitende Teil 46 über einen Teil

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seiner Länge umschließt. Das Basisstück 50 weist einen Anschluß 54 für eine der Klemmen der Stromquelle 40a bzw. 40b auf.

Der Ringraum 55 zwischen dem leitenden Teil 46 und der Hülse 52 wird über einen Anschluß 56 mit plasmagenem Strömungsmittel beaufschlagt. Dieses Strömungsmittel wird von der Düse durch den Ringspalt 58 zwischen dem Knde der Hülse 52 und dem als Spitze ausgebildeten Ende 48 des leitenden Teils 46 ausgestoßen, so daß das Ende 48 allseitig vom plasmagenen Strömungsmittel umflutet ist.

Im Ringraum 55 ist gegebenenfalls eine Verengung 59 vorgesehen, welche zur Beschleunigung des plasmagenen Strömungsmittels vor dein. Ausstoßen im Bereich des spitzen Endes 48 beiträgt. Vorteilhafterweise ist ein durchsichtiges oder durchscheinendes Rohr 60 aus Siliziumdioxyd um das spitze Ende 48 des leitenden Teils 46 herum angeordnet, welches das plasmagene Strömungsmittel bis in die Nähe des spitzen Kn48 umhüllt.

1} Unter diesen Bedingungen können die elektrischen Bögen 44 zwischen den leitenden Teilen 46 der verschiedenen Düsen der Vorrichtung nach Fig. 1 bzw. 2 gezündet werden, wenn deren spitze Enden 48 genügend nahe aneinandergebracht sind, wenn ferner die diese spitzen Enden 48 umspülende 'Atmosphäre ausreichend ionisiert ist, insbesondere mittels des Pilotplasmastromes 42, und wenn schließlich die Le erlauf spannung der Stromquelle 40a bzw. 40b ausreichend hoch ist. Die von jeder dieser Düsen abgegebenen peripheren Gasströme werden dann in jflasmaströme oder -strahlen umgewandelt, welche von einem elektrischen Strom durchflossen sind. Man kann dann mittels nicht dargestellter <vLeiteinrichtungen zur Verschiebung der Düsen

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entlang der Düsenlängsachsen diese Düsen von der Vereinigungszone ihrer Elementarströme weg bewegen, so daß die in diesen Strömen verteilte -und schließlich als Wärmeenergie im Hauptstrom 32 gewonnene elektrische Energie vergrößert wird.

Der Pilotplasmastrom 42 wird von einem Pilotgenerator 62 erzeugt, welcher in Fig. 1 und 2 nur schematisch dargestellt ist. Der Generator 62 ist in einen Kreis 64- eingeschaltet, welcher ebenfalls an die beiden Klemmen der Stromquelle 40a bzw. 40b angeschlossen ist, und zwar parallelliegend zum Kreis 38 der Düsen. Der Kreis 64 weist wenigstens einen Widerstand 66 auf, der ausreichend groß ist, so daß der Strom vorzugsweise im Kreis 38 der Düsen strömt.

Liefert die Quelle 40a gemäß Fig. Λ Gleichstrom, dann kann der Generator 62 als klassischer Plasmabrenner ausgebildet sein und eine gekühlte Anode 68 sowie eine Emissionskathode aus einem Wolframstab 70 aufweisen.' Die Anode 68 ist an die positive Klemme, der Stab 70 aa cüe negative Klemme der Stromquelle 40a angeschlossen.

Vorteilhafterweise weist die Anode 68 eine divergierende Gestalt auf. Der Pilotbrenner erzeugt dann einen Pilotplasmastrom 42 großen Querschnitts, welcher eine bessere Ionisierung der Atmosphäre im Raum zwischen den Düsen gewährleistet. Um eine bessere Stabilität und Zentrierung des Pilotplasmastromes 42 sicherzustellen, ist ein gekühlter Zentrierring 71 zwischen dem Ausgang des Brenners und den Düsen angeordnet.

Ist der bzw. sind die Widerstände 66 ausreichend groß, dann ist eine vollständige Auslöschung des Brenners 62 gege—

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ben, wenn die Bögen 44 in den von den Düsen 34a und 34b aus— gestoßenen Elementargasströmen gezündet sind. Eine zufällige, unbeabsichtigte Unterbrechung der Bögen 44 kann die augenblickliche neuerliche Zündung des Pilotgenerators bzw. -brenners 62 hervorrufen, damit auch die neuerliche Ionisierung des Raumes zwischen den Düsen und das Viederentstehen der Bögen 44 in den Elementargasströmen 36, wenn der Generator bzw. Brenner 62 mit nicht dargestellten, klassischen Vorkehrungen zur Zündung durch Hochfrequenzfunken oder Kurzschlußfunken, gesteuert vom Erlöschen der Bögen 44, versehen ist.

Dabei ist eine Stromquelle 40a von geringerer Leistung bzw. Stärke zu verwenden, welche lediglich ausreichen muß, die Bögen in den El ement argas st römen aufrechtzuerhalten.

Die Parallelschaltung des Düsen- und Generatorkreises ist auch dann insbesondere vorteilhaft, wenn die Quelle 40a Wechselstrom liefert, in welchem EaIl der Pilotplasmabrenner gemäß Fig. 4 ausgebildet ist.

Dieser Brenner unterscheidet sich im wesentlichen da-

P durch von einem klassischen Brenner, daß der Wolframstab durch ein leitendes Teil 72, vorteilhafterweise aus Kupfer, wie auch die andere Elektrode, ersetzt ist. Das leitende 'l'eil 72 ist ebenfalls energisch gekühlt. Bei einem solchen Betrieb, wo der Pilotplasmabrenner normalerweise ausgeschaltet ist und nur während sehr kurzen Intervallen eingeschaltet wird, insbesondere denen, welche zur Zündung oder neuerlichen Zündung der Bögen in den El ement argas strömen der Düsen erforderlich sind, sind die Elektroden 68 und 72 nicht lange den periodischen großen thermischen Flüssen unterworfen, welche für ihre Punktion als Anode charakteristisch sind, und zwar bei -dem Wechsel

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der beiden aufgrund des Wechselstroms, mit dem der Brenner gespeist wird.

- Wie erwähnt, müssen die beiden Elektroden dieses Brenners energisch gekühlt werden. Dazu ist das leitende l'eil 72 mit einer Aussparung 74 versehen und an einer konzentrischen Hülse 76 angebracht, welche mit einem Kühlkanal 78 versehen ist, über welchen die Aussparung 74· mit einem Kühlmittel beaufschlagt wird, welches dann abfließt. Desgleichen weist die Elektrode 68 eine Kühlkammer 80 auf, in welcher Strömungsmittel zirkuliert. Vorteilhafterweise sind die beiden Elektroden 68 und 72 auf demselben mittleren Isolierblock 82 angebracht. Die Elektrode 68 ist auf dem Isolierblock 82 aufgeschraubt, während die Hülse 76 mit der Elektrode 72 in den Isolierblock 82 eingeschraubt ist, wobei die Elektrode 72 mit Spiel in einer Aussparung 84-' des Isolierblocks 82 liegt. Der Kaum zwischen der Innenwandung der Aussparung 84- und der Mantelfläche- der Elektrode 72 ist über eine Leitung 86 mit plasmagenem Gas beaufschlagt und bildet einen Hingspalt 92 zum Ausstoß des plasmagenen Gases.

Gegebenenfalls kann ein hülsenförmiges Mündungsstück 88 vorgesehen sein, welches die Elektrode 72 bis in die .Nähe ihres spitzen Endes 90 umgibt und einhüllend sowie isolierend wirkt. Es trägt zur Regelung der Ausstoßgeschwindigkeit der plasmagenen Gase aus dem Pilotbrenner bei.

Dieselbe Art von Jr'ilotplasmagenerator kann bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 verwendet werden, bei welcher die Quelle 40b Drehstrom liefert, wobei die drei Phasen an die leitenden Teile der Düsen 34-c, 34-d und 34-e angeschlossen sind, zwei Phasen ferner an den Pilotplasmagenerator. Statt der Drehstromquelle 40b kann auch jede andere Quelle für Polyphasen-

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- ίο -

strom vorgesehen sein, wobei die verschiedenen Phasen mit einer entsprechenden Anzahl von Düsen verbunden sind.

Es ergibt sich also ein besonders vorteilhafter Pilotplasmagenerator, welcher ohne Schwierigkeiten in Kreise eingeschaltet werden kann, die mit Wechselstrom oder Polyphasenstrom beaufschlagt werden. Die Kosten sind vermindert.

Jedenfalls ist eine Vorrichtung vermittelt, welche die Selbstzündung des Hauptplasmastromes gewährleistet, und zwar durch Verwendung eines sehr einfachen Pilotplasmabrenners, welcher zur Speisung keine zusätzliche elektrische Stromquelle erfordert, und dessen Selbstlöschung bei Produktion des Hauptplasmastromes gewährleistet ist.

Die Ausführungsform gemäß i"ig. 2 mit Selbstlöschung des Pilotplasmabrenners bei Bildung des Hauptbogens ist beispielsweise mit den folgenden Parametern auf die beschriebene Art und Weise betrieben worden:

1. Betriebsparameter des Pilotplasmabrenners.

Effektive Betriebsspannung; 100 V

Effektive Betriebsstromstärke; . 300 A Stickstoffdurchsatz: 20 l/min

Widerstand 66 im Speisekreis: 1 Ohm

2. Betriebsparameter zur Erzeugung des Hauptplasmastromes.

Gegenseitiger Düsenabstand bei

Zündung: _6 cm

Gegenseitiger Düsenabstand nach

Zündung im Betrieb: 21,^ cu

Betriebsspannung (neutrale Elektrode) 180 V

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Betriebsstromstärke: 200 A

Stickstoffstrom jeder Düse: 2 g/sec .Effektive Leistung, -verteilt im

Hauptplasmastroms 95 kW

Wirkungsgrad: 93 %

Bezüglich der Pol-yphasenweohselstromquelle sind zwei Arten von elektrischer Ausrüstung vorteilhafterweise anwendbar-'

i&nmal kann eine Ausrüstung mit veränderlicher Ausgangsspannung benutzt werden· Wegen der weichen Funktionsweise kann eine solche Ausrüstung leicht den Charakteristiken der gebildeten Plasmaströme oder -strahlen angepaßt werden. Zweckmäßigerweise wird dabei eine Ausrüstung mit erhöhter innerer Impedanz verwendet, so daß eine Leerlaufspannung zur Verfügung steht, die etwa das Zweifache der Betriebsspannung ausmacht. Die Eegelung der Stromstärke erfolgt kontinuierlich mittels eines Organs, welches die Leerlaufspannung oder die Belastungsleistung variiert. Die interne Impedanz der gesamten Ausrüstung ist vorzugsweise selbstinduktiv, einerseits im Hinblick auf den besseren Wirkungsgrad, andererseits im Hinblick auf die Bedeutung für die Stabilisierung der Produktion der Plasmaströme bzw. —strahlen.

Auch kann eine Ausrüstung mit fester Ausgangsspannung verwendet werden. Die Ausgangsspannung kann beispielsweise etwa das Doppelte der Betriebsspannung ausmachen· Weist der verwendete Transformator beispielsweise eine vernachlässigbare . innere Impedanz auf, dann kann bei jeder Phase eine Impedanz zwischen jeder Elektrode und der Stromquelle vorgesehen werden. Die den Spannungsabfall im Betrieb gewährleistende Impedanz ist vorzugsweise selbstinduktiv, und zwar im Hinblick auf

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den besseren Wirkungsgrad und die Stabilisierung, welche mit einer Gesamtheit von Induktivitäten gewährleistet ist. Die Änderung der Stromstärke geschieht durch kontinuierliche .änderung des Wertes der Induktivitäten. In diesem Fall kann der Wert der Induktivitäten auf das Optimum des Wirkungsgrades und der Stabilisierung eingestellt werden.

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Claims

- 13 Ansprüche

Vorrichtung zur Erzeugung eines Hauptplasmastromes, wo-

ein Pilotplasmagenerator und Düsen mit jeweils einem elektrisch, leitenden Teil vorgesehen sind, welche gegenseitig konvergierende, den Hauptplasmastrom bildende, das elektrisch leitende Teil der zugehörigen Düse umspülende Elementarströmungsmittelströme liefern, und welche Düsen in einen normalerweise offenen, durch die Düsenströme bei Verminderung von deren elektrischem Widerstand schließbaren elektrischen Kreis eingeschaltet sind, nach Patent ... (Patentanmeldung P 19 65 576.6), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung elektrischer Bögen (44) in den El ement arströmungsmitt el strömen (36; 42) der elektrische Speisekreis (64) des Pilotplasmagenerators (62). und der elektrische Speisekreis (38) der Düsen (34a und 34b bzw. 34c,. 34d und 34e) parallel zueinander an eine einzige elektrische Stromquelle (40a bzw. 40b) angeschlossen sind, wobei der Kreis (64) des Generators (62) einen für den Stromfluß vorzugsweise im Kreis (38) der Düsen (34a und 34b bzw. 34c, 34d und 34e) ausreichend hohen Widerstand (66) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen derart hohen Widerstand (66), daß die Zündung der elektrischen Bögen (44) in den Elementarströmungsmittelströmen (36) der Düsen (34a und 34b bzw. 34c, 34d und 34e) die Selbstlöschung des Generators (62) bewirkt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (40a) als Gleichstromquelle ausgebildet ist, wobei zwei Düsen (34a und 34b) vorgesehen sind, welche an die entgegengesetzten Klemmen der Gleichstromquelle

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angeschlossen sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (40a bzw. 40b) einen periodischen Strom mit Wechseln unterschiedlichen Vorzeichens liefert, wobei die Elektroden (68j 70, 72) des Pilotplasmagenerators (62) energisch gekühlt sind.
5. Vorrichtung, nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden (68; 70, 72) des Pilotplasmagenerators (62) aus demselben Material bestehen, insbesondere aus Kupfer.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder i?, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (40a) als Wechselstromquelle ausgebildet ist, wobei zwei Düsen (34-a und 34-b) vorgesehen sind, welche an die entgegengesetzten Klemmen der Wechselstromquelle angeschlossen sind.

7- Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (40b) als Polyphasenstromquelle ausgebildet ist, wobei jede Phase an eine Düse (34-c bzw. 34-d bzw. 34-e) angeschlossen ist, ferner zwei Phasen mit dem Speisekreis (64) des Pilotplasmagenerators (62) verbunden sind.

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L e e r s e i t e