DE4205420A1 - Plasmabrenner und verfahren zu seiner kuehlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ein­ richtung zur Kühlung der Elektrode in einem Plasmabrenner. Die Erfindung ist anwendbar für die Kühlung der Komponenten eines Plasmabrenners und speziell für die im Plasmabrenner gelegene Elektrode, durch die Umwandlung einer durch einen axialen, ein geschlossenes Ende aufweisenden Kühldurchlaß zugeführten Kühlflüssigkeit zu Dampf und wird in bezug darauf beschrieben. Die Erfindung hat jedoch ein wesentlich breiteres Anwendungsspektrum und kann auch dafür eingesetzt werden, um andere Komponenten eines Plasmabrenners zu küh­ len.

Hintergrund der Erfindung

Plasmabrenner werden gemeinhin zum Schneiden, Schweißen und Punktverbinden von Werkstücken benutzt und werden dadurch betrieben, daß ein aus ionisierten Gasteil­ chen bestehendes Plasma auf das Werkstück gerichtet wird. Beim Betrieb eines typischen Plasmabrenners wird ein zu ionisierendes Gas dem Eingangsbereich des Plasmabrenners zu­ geführt und zwischen einem Paar von Elektroden kanalisiert, bevor es durch eine Mündung in der Brennerdüse austritt. Ei­ ne Elektrode, welche am relativ negativen Potential anliegt, wird üblicherweise als "Kathode" oder einfach als "Elektro­ de" benannt. Die Brennerdüse, die dem Ende der "Elektrode" am Ende des Brenners oder des Werkstückes benachbart liegt, stellt die Elektrode mit relativ positivem Potential oder die "Anode" dar.

Wenn eine genügend hohe Spannung angelegt ist, wird ein Lichtbogen dazu gebracht, den Zwischenraum zwischen der Elektrode und der Brennerdüse zu überbrücken. Dabei wird das Gas um die Elektrode herum und zwischen der Elektrode und der Düse aufgeheizt und ionisiert. Eine Hochfrequenzspannung zwischen der Elektrode und der Düse initialisiert den Plas­ mabogen (Lichtbogen). Das ionisierte Gas strömt aus dem Brenner heraus und erscheint als Lichtbogen, der sich extern vom Auslaß in der Brennerdüse erstreckt. Dieses ist der Pi­ lotlichtbogen. Wenn dieser Pilotlichtbogen in die Nähe des Werkstücks gebracht wird, überträgt sich der Lichtbogen zum Werkstück, das dann als Anode dient. Dieser Betrieb wird da­ durch eingeleitet, daß der Brennerkopf in die Nähe des Werk­ stückes angebracht wird und so der Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück überbrückt oder überspringt.

Während des Betriebs eines herkömmlichen Plasmabren­ ners wird dieser sehr heiß, insbesondere in der Nähe des Plasmaauslasses. Deswegen wird während des normalen Betrie­ bes für eine ausreichende Kühlung des Brenners gesorgt, um die strukturellen Elemente des Brenners, wie die Elektrode und/oder die Düse davor zu bewahren, daß sie entweder schmilzt oder sich zu schnell verschlechtert.

Beispiele für die Kühlung von Plasmabogen(Lichtbo­ gen)brennern durch die Benutzung von Gas sind aus der US-PS 40 24 373 und US-PS 45 58 201 bekannt. Die Kühlung nur mit Gas kann ausreichend sein, um ein Schmelzen oder eine extrem schnelle Verschlechterung der strukturellen Komponenten des Brenners zu vermeiden. Weiterhin kann bei einer Kühlung der Brennerkomponenten mit Gas der Brenner tragbar sein, da er keine voluminösen Flüssigkühlmittelreservoirs, Radiatoren oder Wärmeaustauscher und/oder komplizierte Leitungen in Verbindung mit der Benutzung von umlaufenden Flüssigkühlmit­ teln benötigt. Dennoch sind aus Gründen der Sicherheit und der Ökonomie Verbesserungen der Kühlung, die über die Küh­ lung durch Gas alleine hinausgehen, zur Reduzierung der Ver­ schlechterungsgeschwindigkeit der Brennerelemente und zur Absenkung der Betriebstemperatur des Brenners immer ein sehr wichtiger Faktor bei der Auslegung von Plasmabogenbrennern. Konsequenterweise wurden Plasmabogenbrenner auch mit Flüs­ sigkühlmitteln durch herkömmliche umlaufende Systeme kühlt, wie aus den US-PSen 29 06 857, 34 50 926 und 35 97 649 bekannt. Die Kühlung mit Flüssigkühlmittel sorgt für eine angemessene Kühlung, um den Brenner vor Überhitzung und allzu schneller Verschlechterung zu bewahren. Jedoch er­ fordert eine Wasserkühlung üblicherweise ein relativ kompli­ ziertes Strömungssystem und ein Leitungssystem für den Um­ lauf, welches in der Herstellung teurer ist als ein Gasküh­ lungssystem und wegen der hohen Betriebstemperaturen des Brenners und der rohen Behandlung während der normalen Be­ nutzung häufige Reparatur erfordert. Neben diesen durch den Geräteausfall und der dadurch hervorgerufenen Ausfallzeit und der verlorenen Produktionskosten verursachten zusätz­ lichen Kosten, die häufig mit wassergekühlten Brennern ein­ hergehen, verhindern die Anforderungen an einen relativ großen, voluminösen Tank zur Kühlmittelversorgung und einen relativ anfälligen Wärmeaustauscher, daß der Brenner eines solchen Typs der Kühlung leicht transportiert werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist speziell ausgerichtet auf ein System zur Kühlung einer in einer Gasdurchflußkammer gelegenen Elektrode, die einen Einlaß und einen Auslaß an entgegengesetzten Enden eines Plasmabrenners aufweist, wobei eine geregelte Menge von Flüssigkühlmittel mit einer genü­ gend kleinen Rate, die eine Umwandlung in Dampf in der Kam­ mer zur Kühlung des aufgeheizten Spitzenabschnittes der Elektrode erlaubt, in eine axiale Kammer der Elektrode ge­ führt wird. Die Flüssigkeit wird vorzugsweise in das eine hohe Temperatur aufweisende Spitzenende der Elektrode zu Kühlzwecken zugeführt.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung reicht die axiale Kühlkammer in die Elektrode, von dessen einem Ende hinein und ist an dessen anderem Ende geschlos­ sen. Der durch die Verdampfung erzeugte Dampf aus dem Flüs­ sigkühlmittel wird mit einem Gas, wie z. B. komprimierter Luft, gemischt und einem Einlaßende des Brenners zugeführt, um einen Gesamtstrom an Gas und Dampf zu bilden, der ver­ schiedene Komponenten des Brenners kühlt, einschließlich dem äußeren Gehäuse des Brenners, der innerhalb eines Aus­ laßendes einer durch das Brennergehäuse gebildeten Kammer gelegenen Düse und der Elektrode in der Düse.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein in der Axialkammer der Elektrode gelegenes Kühlrohr mit kleinem Durchmesser mit einem Einlaß und einem Auslaß an entgegengesetzten Enden auf. Das Einlaßende ist mit einer Versorgung für Flüssigkühlmittel verbunden, während das Aus­ laßende dem geschlossenen Ende der axialen Kühlkammer be­ nachbart gelegen ist. Eine Pumpe versorgt den Einlaß des Kühlrohres mit einer geregelten Menge von Flüssigkühlmittel aus einer Versorgung, so daß das flüssige Wasser im ge­ schlossenen Ende der Elektrode während des Betriebs des Brennvorzugsweise vollständig verkocht und in Dampf umge­ wandelt wird. Jedoch muß das Wasser nicht vollständig ver­ kocht werden, vorausgesetzt das Wasser in flüssiger Form ist zerstäubt, wenn es den Brenner verläßt. Auf diese Weise blockieren große Wassertropfen nicht die kleine Gasmündung des Brenners. Die im Boden der Elektrode angesammelte Flüs­ sigkeitsmenge ist erfindungsgemäß zu jeder Zeit klein gehal­ ten, um ein Fluten des Brenners und eine Vermischung des Kühlmittels in der flüssigen Phase mit dem primären Plasma­ strom zu vermeiden. Dementsprechend liefert die Versorgungs­ pumpe vorzugsweise das Flüssigkühlmittel so, daß das Kühl­ rohr zu jeder Zeit einzelne Tropfen des flüssigen Kühlmit­ tels in das erhitzte untere Spitzenende der Elektrodenkammer abgibt. Die Umwandlung des Wassers oder anderer Kühlmittel vom flüssigen Zustand in den Dampfzustand verbraucht deut­ lich mehr Wärmeenergie als die Wärmeenergie, die nur zum Aufheizen des Wassers unterhalb des Siedepunktes in einem Umlaufsystem mit Kühlflüssigkeit notwendig wäre. Dies ist deswegen der Fall, weil die Verdampfungswärme wesentlich hö­ her ist als die Wärme, die gebraucht wird, um die Temperatur des Wassers oder des Kühlmittels zum Sieden zu bringen. Dem­ entsprechend bewirkt die komplette Umwandlung einer kleinen Menge von flüssigem Wasser zu Dampf wesentlich mehr Wärme­ übertragung von der Elektrode zum Zwecke deren effektiven Kühlung. Nach der bekannten Art floß Wasser in die Kühlkam­ mer und wurde mit einer von dem Verhältnis zwischen den ab­ soluten Temperaturen des Wassers und des Spitzenendes der Elektrode aufgeheizt. Bei einem alternativen Kühlkonzept kann ein verlängerter Kühldurchlaß, bei dem eine geregelte Flüssigkeit gegen eine heiße Oberfläche gespritzt wird, in der Düse nahe dem Spitzenabschnitt der Elektrode gelegen sein. Der Dampf kann mit Kühlgas kombiniert werden und zir­ kuliert um die Elektrode herum in derselben Art, als wenn der Kühldurchlaß in der Elektrode selbst gelegen wäre. Die­ se Anordnungen sind Verbesserungen gegenüber den bekannten flüssigen Kühlkonzepten. Das durch die Kühlkammer fließende Wasser wurde nach der bekannten Art im allgemeinen durch ge­ trennte Wasserkammern geleitet, was die Komplexität des Systems vergrößert, verglichen damit, daß Wasser oder Dampf direkt in die Gaskammer des Brenners entsprechend der vor­ liegenden Erfindung eingeführt wird. Darüber hinaus war die Durchflußrate und das Volumen der bekannten Kühlsysteme groß genug, um die Kammer mit Wasser gefüllt zu halten. Dadurch wurde eine begrenzte Wärmemenge herausgezogen. Um eine größere Wärmemenge wegzubewegen, wurde die Wasserdurch­ flußrate erhöht. Eine größere Wärmemenge pro Wasservolumen kann dadurch wegbewegt werden, daß kleine Mengen des Wassers in den Durchlaß gebracht werden, so daß die erhitzte Ober­ fläche des Kühldurchlasses eine schlagartige Verdampfung des Kühlmittels bewirkt.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung ist das Flüssigkühlmittel Wasser oder eine wäßrige Lösung.

In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfin­ dung wird die Menge an Flüssigkühlmittel zur schlagartigen Verdampfung in Übereinstimmung mit der Temperatur der Elek­ trode geregelt. Der Durchflußregler ist sowohl mit der elek­ trischen Spannungsversorgung als auch mit der Wasserpumpe verbunden. Dabei wird die Pumpe dahingehend geregelt, daß sie das Flüssigkühlmittel in das Kühlrohr proportional zu dem an den Brenner abgegebenen elektrischen Strom abgibt. Die Rate ist ungefähr 100 ml/h Wasser für je 8 bis 15 Ampere der Elektrode zugeführtem Strom. Jedoch wird die Wasser­ durchflußrate und der Strom in Abhängigkeit von der speziel­ len Brennerauslegung entsprechend angepaßt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, daß der Brenner bei einem Ausfall des Flüssigkeitskühlsystems keine Fehlfunktion zeigt. Wenn die Flüssigkühlmittelzufuhr unter­ brochen ist, sorgt das dem Brenner zugeführte Kühlgas selbst für eine angemessene Kühlung, um eine exzessive, schnelle Erosion der verbrauchbaren Elektrode oder sogar ein Schmel­ zen des Brenners und/oder verschiedener darin enthaltener Komponenten zu verhindern. Wenn zuviel Flüssigkeit in die Elektrodenkühlkammer geleitet wird, wird die Kammer geflutet und der Brenner wird durch die strömende Flüssigkeit ge­ kühlt.

In Übereinstimmung mit einer Ausführung der Erfindung ist die Versorgung von zur Plasmaerzeugung und zur Kühlung geeignetem Gas, typischerweise komprimierter Luft geeignet, mit dem Brenner verbunden. Das Gas wird einer ersten, durch die innere Oberfläche der axialen Kammer der Elektrode und durch die äußere Oberfläche des Kühlrohres gebildeten Durch­ flußkammer, zugeführt. Das Gas wird ebenfalls einer zweiten, durch die innere Oberläche der Düse am Ende des Brenners und durch die äußere Oberfläche der Elektrode gebildeten Durch­ flußkammer, zugeführt. Das in die erste Kammer strömende Gas mischt mit dem Dampf und fließt durch eine Mündung in den Brenner, um dort neben seiner Bedeutung als Kühlung der Elektrode mit dem der zweiten Durchflußkammer um die Elek­ trode herum zu vermischen und damit das aus dem Brenner emittierte Plasma zu bilden. Vorzugsweise erhält eine drit­ te, durch die innere Oberfläche der Kammer im Plasmabrenner­ gehäuse und durch die äußere Oberfläche der Düse gebildete Kammer Gas von der Gasversorgung, um die Düse und das äußere Brennergehäuse zu kühlen.

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Gasver­ sorgung in einem primären, der Kammer zwischen der Elektrode und der Düse zugeführten Strom und einem Sekundär- oder Schutzgasstrom zwischen der äußeren peripheren Oberfläche der Düse und der inneren peripheren Oberfläche des äußeren Brennergehäuses aufgeteilt. Vor der Trennung wird das Gas und das Flüssigkühlmittel der axialen Kammer der Elektrode zugeführt. Das Flüssigkühlmittel wird umgewandelt in Dampf, mit dem Gasstrom kombiniert und in die Kammer zwischen dem Einlaßende des Brenners und dem oberen Ende der Elektrode geleitet.

Das resultierende Gemisch aus Gas und verdampftem Kühlmittel wird dann in einen primären und einen sekundären Schutzgas­ strom geteilt. Die Mischung aus Dampf und Gas wird als vor­ teilhaft angenommen, weil sie die Betriebstemperatur der Elektrode der Düse wie auch anderer Komponenten des Brenners reduziert und damit deren Lebensdauer verlängert.

In einem anderen, speziellen Ausführungsbeispiel wird das Gas anfangs in einen, in die axiale Kammer innerhalb der Elektrode geleiteten Kühlgasstrom, einen zwischen die Elek­ trode und die Düse geleiteten primären Strom und einen Schutzstrom, zwischen die äußere periphere Oberfläche der Düse und das äußere Brennergehäuse, aufgeteilt. Das inner­ halb der Elektrode in den Dampfzustand umgewandelte Flüssig­ kühlmittel wird mit dem Sekundär- oder Schutzgasstrom zwi­ schen der äußeren peripheren Oberfläche der Düse und der in­ neren peripheren Oberfläche des äußeren Brennergehäuses kom­ biniert. Dies ist vorteilhaft, weil die durch die unvoll­ ständige Verdampfung des Flüssigkühlmittels verbleibende Flüssigkeit nicht in den primären Gasstrom hineingemischt wird und eine mögliche Verstopfung der Durchlässe und/oder andere Wechselwirkung bei der Erzeugung von Plasmagas nicht stattfindet. Ebenso bauen sich keine Verunreinigungen wie z. B. im Kühlmittel enthaltenes Salz in den Durchlässen, durch die das primäre Gas fließt, auf.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Flüssigkühlmittel in eine axiale Kammer der Elek­ trode mit einer Rate zur Umwandlung in Dampf geleitet. Der Dampf wird dann mit dem zuvor in einen primären und sekundä­ ren Gasstrom geteilten Gas gemischt. Diese Ausführung ist vorteilhaft, weil der Bau des Brenners verglichen mit den zuvor beschriebenen Ausführungen vereinfacht wird, da keine Luft der axialen Kammer der Elektrode zugeführt wird. Wei­ terhin können alle Verunreinigungen, z. B. Salze im Dampf leicht in der axialen Kammer der Elektrode gesammelt werden, da kein Gas mit hohem Druck den Dampf aus der Kammer zwingt. Die Elektrode wird periodisch ersetzt und Verunreinigungen werden so aus dem Brenner entfernt. In einer anderen, spe­ ziellen Ausführung wird das Flüssigkühlmittel in die axiale Kammer der Elektrode mit einer Rate zugeführt, die eine Um­ wandlung in Dampf zuläßt. Der Dampf wird dann nur mit dem sekundären Gasfluß nahe dem Auslaß des Brenners vermischt.

Gemäß der Erfindung kann das der Kühlkammer zugeführte Flüssigkühlmittel im Brenner zerstäubt werden. Sodann siedet ein Teil des zerstäubten Wassers durch Kontakt mit der inne­ ren peripheren Oberfläche der Kühlkammer in der Elektrode, während der verbleibende Teil des zerstäubten Wassers, nun­ mehr aufgewärmt, durch den Brenner strömt. Es sollte bemerkt werden, daß die Benutzung des zerstäubten Wassers eine sehr effektive Kühlung darstellt, aber das auch im Wasser enthal­ tene Salz mit dem zerstäubten Wasser durch den Brenner ge­ führt wird und sich möglicherweise auf der peripheren Ober­ fläche der Durchlässe absetzt oder letztendlich die Kühlwir­ kung des Systems herabsetzt und sogar eine Fehlfunktion be­ wirkt. Während die Flüssigkeit in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführung der Erfindung vollständig verdampft, wird das Salz in der Elektrode, die letztendlich entfernt wird, angesammelt.

Die Vorrichtung zur zusätzlichen, durch das Verkochen einer geregelten Menge Wasser in Dampf innerhalb der Elek­ trode bewirkten Kühlung ist extrem nützlich für die Lei­ stungsfähigkeit eines Plasmabrenners und hat wesentliche Vorteile über die bekannte Gaskühlung und/oder gegenüber Kühlsystemen mit umlaufender Flüssigkeit. Ganz allgemein ha­ ben nach dem Prinzip der Erfindung gebaute Plasmabrenner ei­ ne wesentlich höhere Lebensdauer; dies bewirkt eine Minimie­ rung der Ausfallzeiten und der Kosten durch Produktionsaus­ fall, die mit den existierenden Plasmabrennern verbunden sind. Ganz speziell führt die vorliegende Erfindung zu einer weniger komplizierten Bauart, z. B. dem Einsatz von weniger Teilen, verglichen mit Systemen mit zirkulierendem Wasser, und ist daher zuverlässiger. Weiterhin wird nur eine kleine Menge Wasser benutzt, weil mehr Wärme benötigt wird, um Was­ ser in Dampf zu verdampfen, verglichen damit, Wasser zu er­ hitzen wie in den bekannten Umlaufsystemen. Deswegen kann das Wasserversorgungsreservoir klein und leicht an ein trag­ bares Plasmabrennersystem anpaßbar sein. Es besteht keine Notwendigkeit, den Brenner mit einer Wasserversorgung zu verbinden, obwohl die Vorteile von Kühlwasser ausgenutzt werden. Bei einem kleinen Versorgungsreservoir kann das Was­ ser zur Vermeidung von im Brenner angesammelten Verunreini­ gungen vorbehandelt werden. Mehr noch können die dennoch existierenden und vom Dampf ausgeschiedenen Verunreinigungen in erster Linie in der in der Elektrode gebildeten Kühlkam­ mer angesammelt werden und verursachen keine Wechselwirkung mit oder Verstopfung in den Gasdurchlässen.

Eine noch andere Eigenart der Erfindung ist es, daß der Dampf wegen der hohen Betriebstemperatur des Brenners im ganzen Durchfluß durch den Brenner in dampfförmigem Zustand verbleibt und so weder das Plasmagas noch das Kühlgas im Brenner negativ beeinflußt. Der Flüssigkeitsdampf bei Be­ nutzung von Wasser als Flüssigkühlmittel erhöht die Effi­ zienz des Plasmas. Ein weiterer möglicher Vorteil des Damp­ fes ist die Vorheizung des primären Gasstromes durch die Mischung mit dem Dampf und eine daraus resultierende Steige­ rung der Effektivität der Bildung von Plasma aus dem Gas. Gegeben durch einen drastischen Temperaturabfall der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung betriebenen Elektrode und die Tatsache, daß gesättigter Dampf eine höhe­ re spezifische Wärme als Luft hat, sinkt die Gesamttempera­ tur des Plasmabrenners ab. Der Betrieb des Brenners bei nie­ drigen Temperaturen erlaubt die Benutzung von vielen Pla­ stikmaterialien beim Bau, die andererweise bald ohne Wasser­ einspritzung schmelzen würden.

Der Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist es, ei­ nen Plasmabrenner zur Verfügung zu stellen, bei dem ein der beheizten Oberfläche der Elektrode eines Plasmabrenners zu­ geführtes Flüssigkühlmittel in Dampf umgewandelt wird. Die­ ser Dampf kann mit dem primären, das Plasma bildenden Gas­ strom und/oder den um die Düse des Plasmabrenners strömenden Kühlgas vermischt werden.

Ein anderer Zweck der Erfindung ist es, einen Plasma­ brenner zur Verfügung zu stellen, der nur eine kleine Flüs­ sigkühlmittelversorgung erfordert und der deswegen tragbar sein kann und dennoch die notwendige Kühlrate für ein dampf­ gekühltes Plasmabrennersystem aufweist.

Ein Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen Plasmabrenner zur Verfügung zu stellen, bei dem zerstäubtes Flüssigkühlmittel in den Plasmabrenner zur Kühlung des Brenners durch Mischung mit dem das Plasma bildende Gas und anschließender Umwandlung des Kühlmittels in Dampf bei Be­ rührung der heißen Oberflächen der Elektrode des Brenners eingeführt wird.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Plasmabrennersystem zur Verfügung zu stellen, bei dem der Kühldampf hinter der äußeren peripheren Oberfläche der Düse zur erhöhten Brennerkühlung und Effizienz des Plas­ mas in das Sekundär- oder Schutzgas hineingemischt wird.

Ein noch anderer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen Plasmabrenner zur Verfügung zu stellen, bei dem die Zirkulation des Kühlmittels im Dampfzustand die Ansamm­ lung von Verunreinigungen in Durchlässen durch den Brenner wesentlich reduziert.

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, einen Plasma­ brenner zur Verfügung zu stellen, bei dem die Verunreini­ gungen in der Elektrode gesammelt werden.

Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen Plasmabrenner zur Verfügung zu stellen, der durch seine effektive Kühlung die Lebensdauer des Plasmabrenner­ systems erhöht und damit die Betriebskosten reduziert.

Weiterhin Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, ei­ nen Plasmabrenner zur Verfügung zu stellen, der dadurch vor­ teilhaft ist, daß das Kühlgas für den Brenner, das das Plasmagas bildet, vorgeheizt zugeführt wird.

Ein anderer Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, einen Plasmabrenner zur Verfügung zu stellen, der auch dann noch betrieben werden kann, wenn das Flüssigkühlmittelsystem dadurch versagt, daß entweder keine oder zuviel Flüssigkeit zugeführt wird.

Diese und andere Zwecke und Vorteile werden, in Verbindung mit den Zeichnungen, durch die folgende Beschrei­ bung durchsichtig.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines in Übereinstimmung mit der Erfindung gebauten Plasmabrenner­ systems, bei dem der Plasmabogenbrenner im Schnitt darge­ stellt ist;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht durch das Ende einer Elektrode, bei dem die geregelte Zuführung von Flüssigkühlmittel zum Bodenende einer Höhle oder eines Kühldurchflusses in einer Elektrode, wie in Fig. 1, darge­ stellt ist;

Fig. 3 ist eine Schnittzeichnung durch eine bevorzugte Ausführung des Plasmabrenners in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;,

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung des Plasma­ brennersystems, wobei ein Kühlmittel in gasförmigem Zustand in einer axialen Kammer in der Elektrode mit einem Gas ge­ mischt und daraufhin weiter mit einem sekundären Gas in der Nachbarschaft des Auslaßendes des Brenners vermischt wird;

Fig. 4a ist eine vergrößerte Schnittzeichnung, die das Konzept des Brenners, wie in Fig. 4 dargestellt, zeigt;

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Plasma­ brennersystems, wobei Flüssigkühlmittel, das später Gegen­ stand der Umwandlung in den gasförmigen Zustand ist, mit ei­ nem Gas gemischt wird und die Mischung dann in einen primä­ ren Gasstrom für das Plasma und einen sekundären, einen Schutz bildenden Gasstrom geteilt wird;

Fig. 6 ist eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt des Endabschnittes von einem Brenner, in der eine alter­ native Anordnung des Flüssigkühlmitteldurchlasses gezeigt wird;

Fig. 7 ist eine schematische Darstellung eines Plasma­ brennersystems, wobei ein Flüssigkühlmittel, später Gegen­ stand der Umwandlung in einen gasförmigen Zustand, mit einem sekundären Gasstrom in der Nachbarschaft des Auslasses des Brenners zur Reduzierung der Wärme des Brenners vermischt wird; und

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung des Plasma­ brennersystems, wobei ein Flüssigkühlmittel im zerstäubten Zustand mit dem Plasmagas im Plasmabrenner vermischt wird.

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel

Bezugnehmend auf die Zeichnungen, wobei die Darstel­ lungen nur zum Zweck der Illustrierung des bevorzugten Aus­ führungsbeispieles dienen und nicht den Zweck einer Limitie­ rung der Erfindung haben, zeigen Fig. 1 und 2 eine schema­ tische Darstellung eines Plasmabrennersystems 10. Das Aus­ laßende des Plasmabrenners 12, im Schnitt dargestellt, schließt das Brennergehäuse 14 ein. Eine Düse 16 ist inner­ halb einer Kammer 18 nahe dem Auslaßende 20 des Gehäuses 14 gelegen. Die Düse hat einen Hohlkern oder -kammer 22 mit ei­ ner Einlaßöffnung 24 an einem Ende und eine Ausgangsmündung 26 am anderen Ende. Eine verlängerte Elektrode 28 weist ein erstes und ein zweites, sich jeweils gegenüberliegendes Ende 30 und 32 auf, ist innerhalb des Hohlkerns oder -kammer 22 nahe der Auslaßmündung gelegen und schließt eine axiale Kam­ mer oder einen Kühldurchlaß 34 ein, der sich in die Elektro­ de von einem offenen Ende 36 bis zum geschlossenen Boden oder Spitzenende 38 erstreckt. Eine Mündung 40, schematisch dargestellt als Leitung, sorgt für die Durchflußverbindung zwischen der Kammer oder dem Durchlaß 34 in der Elektrode und dem Kern oder Kammer 22 der Düse. Ein Gasver­ sorgungsreservoir oder eine Gasversorgung 42, wie zum Bei­ spiel eine Versorgung mit komprimierter Luft, stellt das Gas zur Verfügung, welches grundsätzlich geeignet ist als Plas­ magas und als Kühlgas. Für bestimmte Anwendungen, wie sie später diskutiert werden, können zwei oder mehr Gassorten für unterschiedliche Funktionen verwendet werden, zum Bei­ spiel Plasma und Kühlung. Das Gas wird mit konventionellen Durchflußleitungen, schematisch dargestellt als Leitungs­ netzwerk 44 mit den Leitungen 44A und 44B, die mit der Kam­ mer 34 innerhalb der Elektrode und der Kammer 19 zwischen den äußeren peripheren Oberfläche 52 der Düse und der inne­ ren peripheren Oberfläche 54 des Brennergehäuses 14 verbun­ den sind. In Fig. 1 stellt eine einzige Gasversorgung 42 das Kühl- und Plasmagas für den Brenner 12 zur Verfügung. Das Gas in Versorgung 42 könnte auch durch eine Leitung zum Durchlaß oder Kammer 46 geführt werden.

Die vorliegende Erfindung ist speziell ausgerichtet auf ein System 55 zur Führung einer geregelten Menge einer Kühl­ flüssigkeit zur axialen Kammer oder zum Kühldurchlaß 34 der Elektrode 28 zur Umwandlung in Dampf, wie zum Beispiel Was­ serdampf, innerhalb des Kühldurchlasses oder der Kammer 34, um die Brennerkomponenten vorteilhaft zu kühlen, speziell die erhitzte Spitze der Elektrode. Das Kühlsystem 55 schließt ein Flüssigkeitseinspritzrohr 56 mit einem Einlaß 58 und einem Auslaß 60 an entgegengesetzten Enden ein und ist innerhalb der axialen Kühlkammer 34 der Elektrode gele­ gen. Der Auslaß 60 des Kühlrohres ist zum geschlossenen Bo­ denende 38 der axialen Kühlkammer in der Elektrode benachbart gelegen. Dieses Ende 38 ist dem zweiten unteren Elektrodenende (Elektrodenspitze 32) benachtbart. Das Einlaßende 58 des Kühlrohres ist mit dem Flüssigkühlmittel­ reservoir 64 mit einem Durchflußrohr 62 verbunden. Typische Weise ist das Flüssigkühlmittel Wasser oder eine wässerige Mischung. Wegen der Notwendigkeit, daß das Reservoir 64 ein relativ kleines Ausmaß besitzen muß, können Zusätze für den Zustand des Wassers und zur Vermeidung unerwünschter Ablage­ rungen oder Verunreinigungen, wie zum Beispiel Salzen, in­ nerhalb des Brenners, dem Wasser auf ökonomischer Art zuge­ geben werden. Das kleine Reservoir ermöglicht einen tragba­ ren Betrieb; daher ist eine direkte Verbindung mit einer Leitungswasserquelle nicht notwendig, was wiederum die Po­ sitionierung des Systems 10 beim Betrieb in der Nähe einer Wasserquelle erfordern würde.

In das Kühlrohr 56 wird mit Hilfe einer im Durchfluß­ rohr 62 zwischen dem Flüssigkühlreservoir 64 und dem Kühl­ rohr 56 gelegenen Pumpe eine geregelte Menge von Flüssig­ keitskühlmittel zugeführt. Um aus Gründen, die später dis­ kutiert werden, wahlweise eine sorgfältig geregelte Menge oder Durchflußrate des Kühlmittels einspritzen zu können, ist die Pumpe 66 vorzugsweise vom Typ einer positiven Ver­ drängungspumpe, wie zum Beispiel einer peristaltischen Pum­ pe, bei der die Durchflußrate über einen definierten Bereich des Rückstaudruckes geregelt werden kann, um eine im wesent­ lichen konstante Durchflußrate durch das Einspritzrohr 56 bei einer gegebenen Einstellung der Steuerleitung 67 zu er­ möglichen. Eine solche Pumpe ist besonders geeignet, da sie relativ einfach in ihrem Betrieb und leicht zu bedienen ist.

Eine herkömmliche Gleichspannungsversorgung 68 ist über die Leitungen 68A, 68B, 68C mit der Elektrode, der Düse und dem Werkstück 70 verbunden. Die Spannungsversorgung wird in herkömmlicher Weise betrieben. In der Praxis kann eine Hoch­ frequenzspannung zwischen der Düse 16 der Elektrode 28 an­ gelegt werden, um den Plasmabogen (Lichtbogen) zu initiali­ sieren. Damit wird eine ausgewählte Leistung in Abhängigkeit von der Betriebscharakteristik des speziellen Brenners und von der benutzten Betriebsart zur Verfügung gestellt. Um ei­ ne Plasmasäule A zwischen dem Werkstück und dem Auslaß 26 zu erzeugen und aufrechtzuerhalten, ist die Pumpenregelung 72 mit der Spannungsversorgung 68 über einen Stromsensor 74 in herkömmlicher Weise verbunden. Die Pumpenregelung liefert ein Signal in Abhängigkeit vom Stromfluß zwischen der Span­ nungsversorgung und dem Brenner. Das Signal reguliert den Ausgang der Pumpe proportional zum Strom, wobei die Menge des Kühlmittels, welches der Elektrode zur Umwandlung in Dampf zugeführt wird, direkt proportional zum elektrischen Stromfluß von den Spannungsversorgung ist. Eine manuelle Einstellung der Zuführungsrate an Wasser ist möglich; jedoch wird im dargestellten Ausführungsbeispiel des Systems 10 ei­ ne automatische Regelung basierend auf dem Plasmabetrieb verbrauchten Strom verwendet.

Im weiteren wird der Betrieb des Plasmabrennerssystems 10 anhand der Fig. 1 und Fig. 2, die eine Vergrößerung des Kühldurchlasses und des Einspritzrohres darstellt, erklärt. Während des Normalbetriebs des Brenners 12 ist die Spannungsversorgung 68 zuerst mit einem Leitungssystem verbunden, das die Elektrode und die Düse einschließt und dann, wenn der Brenner das Werkstück 70 eher bearbeitet, ist die Verbindung durch ein Leitungssystem mit der Elektrode und dem Werkstück hergestellt. Gleichzeitig wird Druckluft von der Versorgung 42 mit einem Druck von ungefähr 4 Atmo­ sphären (4000 Hektopascal) zugeführt und fließt durch den Kühldurchlaß 34 in die Kammer 46 innerhalb der Düse und durch eine Mündung 40 und wird durch das Plasma am Ende oder der Spitze 32 ionisiert. Dies erzeugt ein Plasma in Form ei­ nes Lichtbogens zwischen der Elektrode und/oder dem Werk­ stück. Das Plasma A ist ein Lichtbogen aus ionisiertem Gas und wird durch den Auslaß oder die Mündung 26 emitiert und zum Werkstück 70 geführt, um dort das Schneiden, Schweißen oder Punktverbinden zu betreiben.

Das Plasma A hat typischerweise eine sehr hohe Tempe­ ratur, wie zum Beispiel zwischen 4000°C und 25 000°C und die strukturellen Komponenten des Brenners 12 sind somit einer hohen Betriebstemperatur ausgesetzt, speziell nahe der Mün­ dung 26. Dieses trifft speziell in der Nachbarschaft der Elektrodenspitze 32 und des Auslasses 26 zu. Wenn die Bren­ nerelemente derartig hohen Betriebstemperaturen durch das Plasma A ausgesetzt sind, bewirkt dieses deren rapide Ver­ schlechterung, Fehlfunktion und/oder Schmelzen. Weiterhin verhindert die hohe Betriebstemperatur den Einsatz von vie­ len Plastikarten beim Bau des Brenners. Die Elektrode 28 ist aus relativ reinem Kupfer hergestellt, da dieses Material hinsichtlich der Wärmeübertragung überlegen ist. Das Gas um die Elektrode herum wird herumgewirbelt, um eine Grenz­ schicht zu erzeugen, die die Elektrode zu deren Schutz von der Lichtbogentemperatur isoliert; jedoch erodiert die Elek­ trode sehr schnell dadurch, daß sie hohen Temperaturen aus­ gesetzt ist. Die Elektrode würde schmelzen, wenn sie unge­ schützt der hohen Temperatur des Lichtbogens ausgesetzt wä­ re. Konsequenterweise wird die Elektrode und die der Spitze oder dem Ende der Elektrode benachtbarten Komponenten exten­ siv aufgeheizt; und eine effektive Kühlung des Plasmabren­ ners ist ein wesentlicher Aspekt des Brennerdesigns.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Versorgung mit kom­ promiertem Gas durch einen zweiten Kühldurchlaß 44B mit der äußeren Kammer 18 verbunden, welche das Brennergehäuse 14 und die Düse 16 kühlt. Die Gasversorgung ist weiterhin durch eine Leitung 44A über die Kammer 34 mit der Kammer 46 ver­ bunden, um einen Strom an plasmaerzeugendem Gas durch die Kammer 46 zwischen der Düse und der aufgeheizten, äußeren peripheren Oberfläche der Elektrode 28 zu führen, um das Gas zu ionisieren und ein Plasmagas zu erzeugen, das eine Küh­ lung sowohl an der Elektrode 28 als auch an der Düse be­ wirkt. Darüber hinaus dient der Durchfluß des Gases inner­ halb des inneren Kühldurchlasses oder der Kammer 34 der Elektrode der Kühlung der Elektrode von der Innenseite her, da die Mischung aus Gas und Dampf durch die Mündung 40 zum Durchlaß 46 in der Düse fließt.

Die vorliegende Erfindung richtet sich speziell auf die Vesorgung des Bodenendes 38 der geschlossenen Kammer 34 in der Elektrode mit Wasser. Dieses Ende ist dem zweiten unte­ ren Elektrodenende (Elektrodenspitze) 32 benachtbart, der der heißeste Teil der Elektrode ist. Die Temperatur der in­ neren peripheren Wand des Durchlasses 34 übersteigt den Sie­ depunkt der Flüssigkeit W, typischerweise Wasser, gemessen am stromabwärts gelegenen Ende des Flüssigkeitseinspritzroh­ res mit kleinem Durchmesser 56. Das Wasser wird durch die Verschiebungspumpe 66 dem Rohr 56 zugeführt, so daß es vom Auslaßende 60 des Kühlrohres 56 mit einer geregelten Rate ausgestoßen wird, die ein Fluten der Kammer 34 verhindert und die sofortige Umwandlung in Dampf erlaubt. Vorzugsweise wird das Wasser in einzelnen Tropfen ausgestoßen, jedoch we­ gen des Flusses von Druckgas in Kammer 34 herrschen Turbu­ lenzbedingungen und das Wasser kann in der Praxis nicht in einzelnen Tropfen austreten.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, kann das ausgetretene Wasser am zweiten unteren Elektrodenende 38 der Kammer 34 in einem Pool P gesammelt werden. Weil das Ende der Elektrode beim Betrieb des Brenners typischerweise eine Temperatur T_E zwischen ungefähr 400°C und 800°C aufweist, siedet das Was­ ser normalerweise sofort beim Kontakt mit der Elektrode. Durch die Anwendung der Erfindung ist die Oberfläche vom En­ de 38 normalerweise in einem Bereich von 100 bis 300° C, Wasser W wird dabei in Dampf umgewandelt. Wenn die Rate an­ gemessen ist, kann im Pool P das Wasser in dem Moment in Dampf S umgewandelt werden, wenn das Wasser kocht. Die Um­ wandlung des Wassers vom flüssigen Zustand in den Dampfzu­ stand verbraucht wesentlich mehr Wärmeenergie als benötigt würde, um das Wasser in einem herkömmlichen Umlaufkühlsystem zu erhitzen. Der Grund liegt darin, daß die Verdunstungswär­ me wesentlich größer ist als die Wärme, die benötigt wird, um die Wassertemperatur zu erhöhen. In einem normalen, was­ sergekühlten Brenner fließt das Wasser durch die Elektrode bei einer Durchlußtemperatur T₁. Die Elektrode weist eine wesentlich höhere Temperatur T₂ auf. Das Kühlmittel fließt mit so hoher Rate, daß die Temperatur T₁ nur um wenig Grade erhöht wird. Diese Wärmeübertragung geschieht primär durch Wärmeleitung in Verbindung mit Konvektion und erfor­ dert hohe Durchflußraten des Kühlmittels, um die Temperatur an der Elektrodenspitze zu regeln. Durch die Erfindung, näm­ lich die Umwandlung einer kleinen Menge von flüssigem Wasser zu Dampf in Kammer 34, wird ein hoher Wärmeaustausch durch Übertragung von Elektrode und Ableitung der Wärme durch Ver­ dampfen bewirkt und dadurch ein effektive Kühlung der Elek­ trode mit dem gleichen Kühleffekt wie beim Wasserdurchfluß bei einem drastisch geringeren Wasserverbrauch zur Verfügung gestellt.

Der Dampf S vermischt sich mit der der Kammer 34 zuge­ führten Druckluft und fließt durch die Mündung 40, wo sie mit dem das Plasma erzeugenden Luftstrom in Kammer 46 um die Elektrode herum vermischt, wenn die Luft in diesem Bereich geführt wird, ohne durch den Durchlaß 34 zu passieren. Da das Plasmagas sehr heiß ist, verbleibt der Dampf im dampf­ förmigen Zustand und hat keinen Effekt auf die Betriebs­ bedingung des Brenners gegenüber dem Werkstück.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt, wobei der Plasmabrenner 12a ein Brennergehäuse 14a mit einer einen Hohlkern oder -kammer 22a aufweisenden Kammer 18a der Düse und einer Elektrode 28a aufweist. Die Elektrode enthält eine Elektrodenhalterung 80, die an einem Ende 82 eingeschraubt ist. Das Elektrodenele­ ment 84 ist durch Verschraubung mit dem Elektrodenhalteele­ ment verbunden. Eine Mündung 40 ist in der Wand der Elektro­ denhalterung vorgesehen. Ein Kühlrohr 56a ist in der Elek­ trode 28a gelegen.

Beim Betrieb des Ausführungsbeispiels nach Fig. 3 wird komprimierte Luft dem Einlaß 36a der Kammer 34a der Elek­ trode zugeführt. Die Luft strömt zum Bodenende 38a hin und vermischt sich mit dem Dampf S, der aus dem durch das dem Kühlrohr 56a zugeführten Wasser entsteht. Der Gesamtfluß M von der Mischung aus komprimierter Luft und Dampf S gelangt dann durch eine oder mehrere Mündungen 40 in die Kammer 86, die durch die äußere Oberfläche der Elektrodenhalterung 80 und einen zylinderischen Durchflußteil 88 gebildet wird. Das strömende Gasgemisch gelangt daraufhin durch eine Vielzahl von rundherum verteilten Mündungen 90 in die Kammer 92, die aus der äußeren zylindrischen Oberfläche des Durchflußteiles 88 und dem Brennergehäuse 14a gebildet ist. Der Durchfluß­ teiler trennt die Mischung von Gas und Dampf in einen primä­ ren Fluß durch die rundum verteilten Mündungen 94 und einen Fluß in die Kammer 46a zur Erzeugung des Plasma A, das durch den Mündungsausgang 26a zum Werkstück 70a hin emitiert wird. Die Mündungen 94 sind vorzugsweise so gelegen, daß das Gas um die Elektrode herum in bekannter Art verwirbelt wird. Das Plasmagas kühlt weiterhin die Elektrode und die Düse, beim Kontakt mit der inneren peripheren Wand dieser Brennerkompo­ nenten, beim Durchfluß durch Kammer 46 A. Die verbleibende Mischung aus Gas und Dampf in Kammer 92 strömt durch die Mündungen 96 in Kammer 18a und kühlt dort den Brennerkörper und die Düse. Ganz allgemein stellt die Mischung aus Gas und Dampf, verglichen mit Luft alleine, eine effektivere Kühlung des ganzen Brenners und speziell der Brennerkomponenten, mit dem sie in Kontakt kommt, zur Verfügung, da der Dampf eine höhere Wärmekapazität als Luft hat.

Bezugnehmend wiederum auf Fig. 2 wird Wasser in einer kleinen, geregelten Menge durch das Maßrohr mit kleinem Durchmesser 56 zum Kühldurchlaß 34 zugeführt. Die Rate der Wasserzuführung muß so sein, daß ein Fluten der Kammer 34 vermieden wird, damit eine Verdampfung oder ein Kochen so­ fort an der geheizten inneren Oberfläche der Elektrode 28, die eine Temperatur von 400°C bis 800°C hat, geschehen kann, bevor diese auf eine Temperatur von 100°C bis 300°C durch die Kühlung der vorliegenden Erfindung gekühlt wird. Wenn ein Wassertropfen die Oberfläche berüht, wird er verdampft. Die Wärmerate, die durch die Elektrode zugeführt wird, lie­ fert die Hitze zum Verdampfen des Wassers. Die Übertragungs­ wärme durch die Wärmeableitung an der Elektrode ist gerade so groß, daß sie durch die Verdampfung des Wassers abgelei­ tet werden kann. Die Kammer oder der Kühldurchlaß 34 hat ein geeignetes Volumen, um eine Dampferzeugung zu erlauben. Die Wärmeübertragung durch Ableitung und Konvektion in normalen wassergekühlten Plasmabrennern macht von der Wärmeableitung durch die Elektrode Gebrauch, die eine langsame Übertragung und Konvektion der Wärme darstellt und die abhängig ist von dem Verhältnis der absoluten Temperaturen des die Elektro­ denoberfläche berührenden Wassers und der berührten Ober­ fläche. Die Effizienz der Konvektion wird gesteigert durch eine Verringerung der Temperatur des Kühlwassers und/oder durch eine Erhöhung der Durchflußrate. Dieses erfordert eine große Menge an Wasser. Der Nachteil der normalen, wasserge­ kühlten Systeme wird durch diese Erfindung aufgehoben. In einem normalen, wassergekühlten System kommt es bei einer Unterbrechung der Wasserversorgung zu einer Überhitzung des Plasmabrenners und dieser muß außer Betrieb genommen werden. Die vorliegende Erfindung ist weiter einsetzbar. Wenn zuviel Wasser zugeführt wird, beginnt dieses durch eine Erhöhung des Pools P die Elektrode zu füllen und daraufhin wird die Elektrode geflutet. Dies führt nicht zu einer Gefährdung des Brenners. Wenn die Wasserzuführung unterbrochen wird, wird die Kühlung ohne sofortige Überhitzung des Brenners durch das Gas fortgesetzt.

In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung hat das Rohr 56 einen internen Durchmesser von weniger als unge­ fähr 0,100 Zoll (2,54 mm) in einem Plasmabrenner mit 60 Am­ pere. In einem Beispiel ist der Durchmesser ungefähr 1/16 und das Bodenende ist weniger als ungefähr 12,7 mm vom Bo­ den der Kühlkammer 34 gelegen. Die Wasserrate ist weniger als 2000 ml/h. In einem Brenner mit 60 Ampere ist die Was­ serrate 500 ml/h durch den internen 1,59 mm Durchlaß im Rohr 56. Wenn das System 55 eingesetzt wird, kann die Wasserrate automatisch dem gemessenen Betriebsstrom angepaßt werden. Die geregelte Wasserrate ist ungefähr 100 ml/h pro 8-10 Am­ pere. Im Beispiel eines Brenners mit 16 Ampere würde die Ra­ te 60 geteilt durch 8 bis 15 mal 100 ml/h sein. Dies gibt eine Durchflußrate von 750 ml/h bis 400 ml/h. Diese Raten wurden im Betrieb nachgewiesen; jedoch können auch andere Raten verwendet werden, um das eingespritzte Wasser zu ver­ dampfen, anstatt die Elektrodenkühlkammer zu fluten.

Bezugnehmend auf die Fig. 4 und 4a ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, das sich in erster Linie dahingehend vom ersten Ausführungs­ beispiel unterscheidet, daß der in Kammer 34b durch Ein­ spritzung einer Flüssigkeit aus dem Rohr 56b erzeugte Dampf mit Luft aus der Leitung 44A gemischt wird und durch einen ringförmigen, durch eine Tülle 102 konzentrisch mit dem Rohr 56b gebildeten Durchlaß 100 strömt. Die Luft und der flüssi­ ge Dampf wird gemischt mit dem durch die Kammer 18b am Ein­ laß 104 fließenden Schutzgas. Diese Version der Erfindung hat den Vorteil, daß überschüssige Kühlluft über die innere Oberfläche der Elektrode geführt wird und dann mit dem Dampf S vermischt wird und danach sofort ausgestoßen wird. Sogar wenn die Flüssigkeit gestoppt wird, wird der Brennerkühler betrieben, weil mehr Kühlluft durch den Brenner strömt. Der Durchflußbegrenzer 110 wird benutzt, um einen geeigneten Ausgleich von Plasmagas und Schutzgas sicherzustellen. Der Druck am Punkt X ist größer als der Druck am Punkt Y, um einen Durchfluß in die geeignete Richtung zu bewirken. Wei­ terhin ist der Druck am Einlaß 104 (Z) kleiner als der Druck am Punkt Y. Diese Ausführung reduziert die Berührung von er­ hitztem Dampf mit der inneren peripheren Oberfläche der Düse und der äußeren peripheren Oberfläche der Elektrode, was ei­ ne Wärmeübertragung vom Dampf-/Gasgemisch auf die Brenner­ komponenten verhindert und somit die Betriebstemperatur re­ duziert. Da weiterhin Verunreinigungen des Kühlmittels im wesentlichen vor einem Durchfluß durch den Brenner bewahrt werden, ist eine Korrosion und Blockierung der Durchlässe weitgehend ausgeschlossen. Ein anderer Vorteil dieser Aus­ führung ist, daß der Dampf nicht mit dem Plasmagas vermischt wird. Für den Fall, daß der Dampf auch etwas Flüssigkeit enthält, stört er nicht bei der Bildung des Plasmas und des­ sen Wechselwirkung mit der Elektrode zur Erzeugung eines Lichtbogens.

Speziell bezugnehmend auf die Darstellung von System 10b in Fig. 4 ist die Tülle 102 konzentrisch um ein Zufüh­ rungsrohr 56b angeordnet, um eine komprimierte Gasmischung mit hohem Druck von der Versorgung 42b durch die Leitung 44A zur Mischung mit dem Dampf in Kammer 34b zu erhalten. Die Mischung M aus Dampf und komprimiertem Gas wird dann durch die Leitung 112 und den Durchflußbegrenzer 110 zum Einlaß 104 geführt, wo sie mit dem Sekundär- oder Schutzgas nahe des Auslaßendes 20b des Brenners 108 gemischt und durch die Kammer 18b zur Kühlung des Brenners geführt wird.

Bezugnehmend auf Fig. 5 ist eine dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt, welche sich von der er­ sten und zweiten Ausführung, dargestellt in den Fig. 1 3 und 4 in erster Linie darin unterscheidet, daß der in Kammer 34c der Elektrode 28c erzeugte Dampf in eine Gaskammer 120 geführt wird und dort gemischt wird, bevor das Gas in einen primären und sekundären Gasfluß durch die Kammern 46c bzw. lBc über die Leitungen 122 und 124 getrennt wird. Der Dampf wird vom Durchlaß 34c über die Leitung 126 zur Kammer 120 geführt.

Im einzelnen wird ein Flüssigkühlmittel, wie z. B. Wasser, über das Rohr 56c mit einer ausgewählten Rate in die Kammer 34c geführt, wobei die Rate so gewählt ist, daß eine Flutung der Kammer vermieden wird und somit die Verdampfung oder das Kochen beinahe sofort durch die erhitzte innere Oberfläche der Kammer 34c in der Elektrode 28c herbeigeführt werden kann. Die Umwandlung des Kühlmittels vom flüssigen Zustand zum Dampfzustand sorgt für einen schnellen Wärmeaus­ tausch durch Wärmeübertragung von der Elektrode und die Wär­ me wird dann abgezogen, indem das Kühlmittel verdampft. Das unter Druck stehende Gas wird nicht in die Kammer 34c gelei­ tet, wie in der in Fig. 4 gezeigten Ausführung. Somit findet die Kühlung ausschließlich durch das Flüssigkühlmittel statt. Wenn die Flüssigkeit gestoppt wird, funktioniert der Brenner als standardluftgekühlter Brenner. Eine effiziente Einspritzung einer kleinen, regulierten Menge von Kühlmittel in das System 10c wird zur Kühlung benutzt. Da der Dampf in Kammer 34c nicht mit unter Druck stehendem Gas in Kammer 34c gemischt wird, verbleiben die im Kühlmittel enthaltenen Ver­ unreinigungen in erster Linie in Kammer 34c und zirkulieren nicht durch den Brenner. Dadurch können bei einem Austausch der Elektrode, der relativ häufig vorgenommen wird, z. B. alle vier Betriebsstunden des Lichtbogens, die gesammelten Verunreinigungen entfernt werden und die Möglichkeit für ei­ ne Korrosion und/oder eine Verstopfung ist reduziert. Der in Kammer 34c gebildete Dampf strömt durch eine schematisch an­ gedeutete Leitung 126 in die Gaskammer 120. Die Gaskammer erhält das Gas durch eine schematisch angedeutete Leitung 128 von der Gasversorgung 42c. Das Gas wird dann getrennt in einen primären Strom durch die schematisch angedeutete Lei­ tung 122 in Kammer 46c hinein und ein sekundärer Strom durch die schematisch angezeigte Leitung 124 in die Kammer 18c hinein, um einen Schutz- oder Kühlgasstrom zu liefern, der speziell die Düse 16c und das Brennergehäuse 14c kühlt. Ein Vorteil dieser Anordnung ist es daß die Mischung aus Dampf und komprimierter Luft durch den Brenner gezwungen wird, be­ vor der Dampf in den flüssigen Zustand zurückkondensiert. Weiterhin bewirkt die Mischung aus Gas und Dampf eine Küh­ lung der strukturellen Komponenten des Brenners dadurch, daß sie in erster Linie mit der Düse und dem Brennergehäuse in Verbindung tritt.

Bezugnehmend auf Fig. 6 hat der Brenner 150 eine feste Elektrode 152 mit einer Düse 154 und formt einen primären Durchlaß 160 zur Führung des Plasmas zum Auslaß 162. Das Kühlsystem für den Brenner 150 umfaßt eine Anzahl von rundum­ verteilten Kühlungsdurchlässen, von denen zwei gezeigt sind. Flüssigkeitseinspritzrohre 56 werden benutzt, um eine klei­ ne, geregelte Menge einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, in den Kühldurchlaß an der unteren Position nahe dem Auslaß 162 einzuspritzen. Das verdampfte Wasser kühlt die Düse 154. Der Dampf gelangt durch die Leitung 180 zum Durchlaß 160. Der Durchlaß ist auch mit Kühlgas versorgt. Dieses Ausführungs­ beispiel wird gezeigt, um die Benutzung der Erfindung zur Kühlung verschiedener Komponenten eines Plasmabrenners dar­ zustellen.

Bezugnehmend auf Fig. 7 ist dort ein anderes Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schematisch darge­ stellt, welches ähnlich der Ausführung in den Fig. 4 und 5 ist, mit der Ausnahme, daß der in der Kammer 34d erzeugte Dampf direkt durch die Leitung 200 zum Einlaß 104d strömt, um dort mit dem Sekundären- oder Schutzgas in der Nähe des Auslaßendes 20d des Brenners 12d vermischt zu werden. Dies ist vorteilhaft, weil der in Kammer 34d erzeugte Dampf nicht stark bewegt ist und deswegen bevorzugt nur Kühlmittel im Dampfzustand aus der Elektrode herausgeführt wird.

Die Verunreinigungen im Flüssigkühlmittel werden durch die Leitung 200 gezwungen. Ein anderer Vorteil dieses Ausfüh­ rungsbeispiels ist es, daß unterschiedliche Gase als Plasma­ erzeugungsgas und als Sekundär- oder Schutzgas benutzt wer­ den können. Letztlich, wie zuvor diskutiert, reduziert das Mischen des geheizten Dampfes mit dem Schutzgas nahe dem Auslaß des Brenners in erster Linie die Betriebstemperatur des Brennergehäuses und der Düse, was deren Betriebslebens­ dauer erhöht und die Benutzung von bestimmten günstigen Ma­ terialien mit einem niedrigen Schmelzpunkt für deren Bau ermöglicht.

Wiederum bezugnehmend auf Fig. 7 ist ein Abgasrohr 110d konzentrisch um das Kühlungsrohr 56d gelagert. Der aus dem Flüssigkühlmittel erzeugte, durch das Rohr 56d zur Kam­ mer 34d gelieferte Dampf strömt durch die zwischen den Roh­ ren 110d und 56d gebildete ringförmige Kammer 114d. Der durch die Berührung des Flüssigkühlmittels mit der inneren Oberfläche der Elektrode erzeugte Dampf strömt durch die Leitung 200 und den Einlaß 104d und vermischt sich mit dem Strom aus Sekundärgas vom Auslaßende 20d des Brenners 12d. Obwohl die Gaskammer 120 dargestellt ist, als würde dasselbe Gas von der Gasquelle 42d in die Leitungen 122 und 124 ge­ führt werden, ist es im Rahmen der Erfindung, verschiedene Gase und Gasgemische als primäres, Plasma erzeugendes Gas und als sekundäres oder Schutzgas auch in diesem Ausfüh­ rungsbeispiel, wie auch in den anderen in dieser Spezifika­ tion beschriebenen zu verwenden.

Fig. 8 führt zu einer zugeordneten Erfindung, bei der das Flüssigkühlmittel zerstäubt und in den primären, hinein­ fließenden Gasstrom geleitet wird. Ein Plasmabrenner 130 vom zuvor ganz allgemein beschriebenen Typ ist hier schematisch dargestellt. Durchflüsse für dies primäre und sekundäre Gas sind mit gestrichelten Linien dargestellt. Obwohl eine spe­ zifische Anordnung dargestellt ist, ist jede Durchlaßkonfi­ guration innerhalb des Rahmens des Gegenstandes der Erfin­ dung, die zerstäubtes Flüssigkeitskühlmittel einschließt. Geeignetes, Plasma erzeugendes Gas, wie komprimierte Luft, wird zum Einlaß von Leitung 132 geführt. Das Flüssigkühlmit­ tel wird auch durch die Leitung 134 in die Einlaßleitung 132 geführt. Vorzugsweise ist der Kühlmittelfluß durch die Pumpe 136 geregelt, die ähnlich der zuvor diskutierten Pumpe 66 ist, und die die Zulieferung von Flüssigkühlmittel in Abhän­ gigkeit von Faktoren wie dem Stromfluß zur Elektrode regeln kann, wie zuvor beschrieben.

Die Zerstäubung des Flüssigkühlmittels verteilt die ankommende Flüssigkeit und setzt eine große Oberfläche der Flüssigkeit der geheizten Oberfläche des Brenners aus, um eine erhöhte Wärmeübertragung zu erreichen. Die Zerstäubung des ankommenden Flüssigkühlmittels kann in einer herkömm­ lichen Einrichtung, wie z. B. einen Durchflußbegrenzer 138 innerhalb der Leitung 132 durchgeführt werden. Der Durch­ flußbegrenzer verursacht ein Ansteigen der Gasgeschwindig­ keit und einen Abfall des Druckes innerhalb des Begrenzers. Das Flüssigkühlmittel wird in dem Bereich niedrigen Druckes des Begrenzers 138 eingespritzt und zerstäubt in sehr feine Tropfen. Die Mischung aus zerstäubtem Flüssigkühlmittel und Gas strömt dann in den Körper 140 des Brenners. In einem ähnlich zu der Darstellung zu Fig. 3 konfigurierten Brenner kann die Mischung aus Gas und zerstäubtem Kühlmittel in die innere Kammer 142 einer Elektrode strömen. Die große, durch den Betrieb des Brenners erzeugte Hitze verursacht, daß das zerstäubte Flüssigkühlmittel siedet und dann bei der Berüh­ rung der erhitzten inneren peripheren Wand der Elektrode verdampft. Die erhöhte Oberfläche des zerstäubten Flüssig­ kühlmittels erhöht den physischen Kontakt zwischen der Flüs­ sigkeit und der Wand der Elektrode. Dieses verursacht ein höheres Maß an Kühlung basierend auf den Prinzipien der Wärmeübertragung durch Leitung durch die Elektrode und die Herausführung von Hitze beim Verdampfen des Flüssigkühlmit­ tels. Die Mischung aus Gas und Kühlmittel, bei der das Kühl­ mittel teilweise verdampft und teilweise zerstäubt ist, strömt dann aus der Elektrode in den Durchlaß 143 und teilt sich dann in einen primären Plasmastrom und einen sekundären Schutzstrom. Der primäre Strom quer zur äußeren peripheren Oberfläche 144 der Elektrode liefert eine zusätzliche Küh­ lung der Elektrode wie auf der Düse, bevor er durch den Auslaß 146 emittiert wird. Der sekundäre Strom quer zur ex­ ternen peripheren Oberfläche 148 der Düse kühlt die Düse wie auch das externe Gehäuse des Brenners.

Durch Regelung der Zerstäubung des Flüssigkühlmittels ist es vorteilhaft, sehr feine Tropfen, z. B. kleiner als 10 Mikrometer im Durchmesser, zu erzeugen. Um den Kühlungspro­ zeß zu regeln, ist der Durchflußbegrenzer so ausgewählt, daß er eine gewünschte Geschwindigkeit und einen gewünschten Druck des Gases beim Durchströmen liefert; und der Ein­ spritzdruck des Kühlmittel ist geregelt, um Tropfen einer gewünschten Größe zu erzeugen. Weiterhin ist es wünschens­ wert, daß der Prozeß so gesteuert wird, daß das Kühlmittel vollständig verdampft, bevor es quer zur externen peripheren Oberfläche der Elektrode strömt, damit die Erzeugung des Plasmabogens (Lichtbogen) nicht nachteilig beeinflußt wird. Die erhitzten Oberflächen und Geschwindigkeiten der Gase, die durch den Brenner gezwungen werden, haben die Tendenz, sich fein zu verteilen; und dann wird das in das hereinkom­ mende Gas eingespritzte Wasser verdampft; deswegen kann die­ ses alternative Konzept der Benutzung von Flüssigkühlmittel, das letztendlich verdampft, dadurch benutzt werden, daß das Flüssigkühlmittel in den hochverdichteten Gasstrom einge­ spritzt wird.

Die Erfindung wurde im Hinblick auf die bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben und es ist offensichtlich, daß viele Änderungen des Designs und der Konfigurationen des hier beschriebenen Plasmabogenbrenners eingebracht wer­ den können, ohne den Rahmen oder das Wesentliche dieser Er­ findung zu verlassen. Es wurde beabsichtigt, alle solche Mo­ difikationen und Änderungen insoweit einzuschließen, als sie sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung bewegen. Weitere Eigenschaften der verschiedenen Ausführungsbeispiele können nach Wunsch kombiniert werden.

Bezugszeichenliste

 10 Plasma-Brennersystem
 10c Plasma-Brennersystem
 12 Plasmabrenner
 12d Plasmabrenner
 14 Brennergehäuse
 14a Brennergehäuse
 14e Brennergehäuse
 16 Düse
 16c Düse
 18 Kammer
 18a Kammer
 18b Kammer
 18c Kammer
 20 Auslaßende
 20b Auslaßende
 20d Auslaßende
 22 Hohlkern oder -kammer
 24 Einlaßöffnung
 26 Ausgangsmündung
 26a Ausgangsmündung
 28 Elektrode
 28a Elektrode
 30 Erstes oberes Elektrodenende
 32 Zweites unteres Elektrodenende (Elektrodenspitze)
 34 Kühlungsdurchlaß
 34a Kühlungsdurchlaß
 34b Kühlungsdurchlaß
 34c Kühlungsdurchlaß
 34d Kühlungsdurchlaß
 36 Offenes Ende
 36a Offenes Ende
 38 Bodenende
 38a Bodenende
 40 Mündungseinrichtung
 42 Gasversorgungsreservoir
 42b Gasversorgungsreservoir
 42c Gasversorgungsreservoir
 42d Gasversorgungsreservoir
 44 Leitungsnetz
 44c Leitungsnetz
 44A Leitungen
 44B Leitungen
 46 Durchlaß oder Kammer
 46c Durchlaß oder Kammer
 52 Äußere Oberfläche
 54 Innere Oberfläche
 55 Kühlungssystem
 56 Kühlrohr (Flüssigkeitseinspritzrohr)
 56a Kühlrohr (Flüssigkeitseinspritzrohr)
 56b Kühlrohr (Flüssigkeitseinspritzrohr)
 56c Kühlrohr (Flüssigkeitseinspritzrohr)
 58 Kühlrohreinlaß
 60 Kühlrohr
 62 Durchflußrohr
 64 Kühlmittel
 66 Pumpe
 67 Steuerleitung
 68 Stromversorgung
 68a Leitungen
 68b Leitungen
 68c Leitungen
 70 Werkstück
 70a Werkstück
 72 Pumpenregelung
 74 Stromsensor
 80 Elektrodenhalterung
 82 Unteres Ende der Elektrodenhalterung
 84 Elektrodenelement
 86 Kammer
 88 Zylindrischer Durchflußteiler
 90 Mündungen
 92 Kammer
 94 Mündungen
 96 Mündungen
100 Ringförmiger Durchlaß
102 Tülle
104 Einlaß
104d Einlaß
106 Brenner
110 Durchflußbegrenzer
110d Abgasrohr
112 Leitung
114 Ringförmige Kammer
114d Ringförmige Kammer
120 Gaskammer
122 Leitung
124 Leitung
126 Leitung
128 Führungseinrichtung
130 Plasmabrenner
132 Leitung
134 Leitung
136 Pumpe
138 Durchflußbegrenzer
140 Körper des Brenners
142 Innere Kammer
143 Durchlaß
144 Externe Oberfläche
146 Auslaß
148 Externe Oberfläche
150 Brenner
152 Festelektrode
154 Düse
160 Durchlaß
162 Auslaß
170 Kühlungsdurchlaß
180 Leitung
200 Leitung

Claims (41)

1. Plasmabrenner (12) mit einer von einem Brennerge­ häuse (14) gebildeten oder definierten Gasdurchflußkam­ mer, die einen Einlaß und einen Auslaß auf entgegenge­ setzten Seiten des Gehäuses zur Führung von Gas durch das Gehäuse aufweist;
mit Mitteln zur Versorgung von Gas in die Kammer, welches zu dem Auslaß hin strömt, wobei das Gas geeignet ist, ein Plasma zu erzeugen;
mit einer verlängerten Elektrode, deren beiden ge­ genüberliegenden Enden in der Kammer gelegen sind, wobei das zweite Ende in der Nähe des Auslasses gelegen ist, und wobei eine Gleichspannung mit vorgegebener Stromstär­ ke an der Elektrode anliegt und ein Plasma in der Nähe des Auslasses erzeugt und damit eine Erhitzung des unte­ ren Endes der Elektrode bewirkt;
mit Mitteln zur Führung einer geregelten Menge von Flüssigkühlmittel auf das untere Ende der Elektrode hin mit einer Durchflußrate, die eine Umwandlung eines wesent­ lichen Anteils des Kühlmittels in Dampf zuläßt, um das untere Ende der Elektrode durch die Verdunstungswärme des Flüssigkühlmittels zu kühlen.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrode eine axiale Kühlkammer auf­ weist, die sich in die Elektrode hinein vom ersten Ende bis zu einem geschlossenen unteren Ende erstreckt, die dem Auslaß der Gasdurchflußkammer und den Mitteln zur Führung einer geregelten Menge von flüssigem Kühlmittel benachbart ist,
und daß der Plasmabrenner eine Rohreinrichtung auf­ weist, die sich in die axiale Kühlkammer hinein erstreckt.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rühreneinrichtung ein Kühlrohr aufweist, das seinerseits einen zentralen Flüssigkeitsdurchlaß mit ei­ nem Auslaß an einem Ende und Mittel zur Befestigung der Röhreneinrichtung in der axialen Kühlkammer der Elektro­ de aufweist, wobei der Röhrenauslaß dem geschlossenen unteren Ende der Kühlkammer benachbart ist.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der zentrale Flüssigkeitsdurchlaß rund ist und einen Innendurchmesser von weniger als ungefähr 2,54 mm aufweist.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zentrale Flüssigkeitsdurchlaß einen Innendurchmesser von ungefähr 1,59 mm aufweist.

6. Plasmabrenner nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zentrale Flüssigkeitsdurchlaß einen Innendurchmesser von ungefähr 1,59 mm aufweist.

7. Plasmabrenner nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß dieser eine Versorgungseinrichtung für flüs­ siges Kühlmittel
und eine Einrichtung Zuführung einer geregelten Men­ ge von Flüssigkühlmittel aus der Versorgungseinrichtung in den Durchlaß des Kühlrohres enthält.

8. Plasmabrenner nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser eine Versorgungseinrichtung für flüs­ siges Kühlmittel und eine Einrichtung zur Zuführung einer geregelten Menge von Flüssigkühlmittel aus der Versorgungs­ einrichtung in den Durchlaß des Kühlrohres enthält.

9. Plasmabrenner nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zur Versorgung einer gere­ gelten Menge von Flüssigkühlmittel ein Pumpengehäuse zur Regelung der Menge von Flüssigkühlmittel aufweist, die zum Durchlaß des Kühlrohres geschickt wird.

10. Plasmabrenner nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung zur Versorgung einer gere­ gelten Menge von Flüssigkühlmittel ein Pumpengehäuse zur Regelung der Menge von Flüssigkühlmittel aufweist, die zum Durchlaß des Kühlrohres geschickt wird.

11. Plasmabrenner nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge an Flüssigkühlmittel kleiner als 2000 ml pro Stunde ist.

12. Plasmabrenner nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge an Flüssigkühlmittel von der Strom­ stärke abhängt, mit der die Elektrode versorgt wird.

13. Plasmabrenner nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge an Flüssigkühlmittel einer Rate von 100 ml pro Stunde für jeweils 8-15 Ampere ent­ spricht, mit denen die Elektrode versorgt wird.

14. Plasmabrenner nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge an Flüssigkühlmittel einer Rate von 100 ml pro Stunde für jeweils 8-15 Ampere entspricht, mit denen die Elektrode versorgt wird.

15. Plasmabrenner nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge an Flüssigkühlmittel einer Rate von 100 ml pro Stunde für jeweils 8-15 Ampere entspricht, mit denen die Elektrode versorgt wird.

16. Plasmabrenner nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge an Flüssigkühlmittel einer Rate von 100 ml pro Stunde für jeweils 8-15 Ampere entspricht, mit denen die Elektrode versorgt wird.

17. Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge an Flüssigkühlmittel einer Rate von 100 ml pro Stunde für jeweils 8-15 Ampere entspricht, mit denen die Elektrode versorgt wird.

18. Plasmabrenner nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge an Flüssigkühlmittel einer Rate von 100 ml pro Stunde für jeweils 8-15 Ampere entspricht, mit denen die Elektrode versorgt wird.

19. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge an Flüssigkühlmittel einer Rate von 100 ml pro Stunde für jeweils 8-15 Ampere entspricht, mit denen die Elektrode versorgt wird.

20. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge an Flüssigkühlmittel einer Rate von 100 ml pro Stunde für jeweils 8-15 Ampere entspricht, mit denen die Elektrode versorgt wird.

21. Plasmabrenner nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser eine elektrische Spannungsversorgung, Mittel zur Versorgung der Elektrode mit der Gleichspan­ nung der Spannungsversorgung und daß die Einrichtung zur Re­ gelung der Menge an Flüssigkühlmittel, die zum Kühlrohr geschickt wird, eine Einrichtung zur Einstellung der Menge des Kühlmittels proportional zur Stromstärke, mit der die Elektrode durch die Stromversorgung versorgt wird, aufweist.

22. Plasmabrenner nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Pumpe eine Pumpe mit positiv gerichteter Verdrängung ist.

23. Plasmabrenner nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Pumpe eine Pumpe mit positiv gerichte­ ter Verdrängung ist.

24. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Durchflußrate des Flüssigkühlmittels ausreichend klein ist, so daß einzelne Tropfen des Flüs­ sigkühlmittels am geschlossenen unteren Ende der Elek­ trode ankommen.

25. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Flüssigkühlmittel Wasser ist.

26. Plasmabrenner nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Flüssigkühlmittel Wasser ist.

27. Plasmabrenner mit einer Elektrode, die eine dem Plasmabogen (Lichtbogen) benachbarte und von diesem auf­ geheizte Spitze am Austritt des Bogens aufweist,
mit einem internen, der Spitze benachbarten Durch­ laß zum Leiten von Kühlflüssigkeit in die Elektrode, dadurch gekennzeichnet,
daß der Plasmabrenner eine Einrichtung zur Regelung der Durchflußrate der Flüssigkeit in einem Maße aufweist, daß das Kühlmittel an der Spitze nicht in flüssigem Zu­ stand verbleibt.

28. Plasmabrenner mit einer Kammer, die einen Ein­ laß und einen Auslaß aufweist, an dem der Plasmabogen er­ zeugt wird,
mit einer verlängerten, eine Spitze aufweisende Elek­ trode, die soweit in die Kammer hineinreicht, daß die Spitze dem Auslaß benachbart ist,
mit einer Einrichtung zum Durchlaß von Kühlgas durch die Kammer, um die Elektrode herum und aus dem Auslaß her­ aus,
mit einem Kühldurchlaß, der der Spitze der Elektrode benachbart ist,
und mit einer Einrichtung zur Einführung von Flüssig­ kühlmittel in den Kühldurchlaß mit einer Rate, die ein Versieden des Kühlmittels in Dampf in dem Kühldurchlaß erlaubt.

29. Plasmabrenner nach Anspruch 28, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kühldurchlaß sich in der Elektrode be­ findet.

30. Plasmabrenner nach Anspruch 28, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser eine Einrichtung zur Einleitung des Dampfes in die Kammer deutlich oberhalb des Auslasses der Kammer aufweist, wobei sich der Dampf und das Kühlgas vermischen und entlang der Elektrode und dem Auslaß ent­ langfließen.

31. Plasmabrenner nach Anspruch 29, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser eine Einrichtung zur Einleitung des Dampfes in die Kammer deutlich oberhalb des Auslasses der Kammer aufweist, wobei sich der Dampf und das Kühlgas vermischen und entlang der Elektrode und dem Auslaß ent­ langfließen.

32. Plasmabrenner nach Anspruch 28, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser eine Einrichtung zur Zerstäubung des Kühlmittels in einer solchen Kammer aufweist.

33. Plasmabrenner mit einem eine Gasdurchflußkammer darstellenden Gehäuse, das einen Einlaß und einen Auslaß in entgegengesetzten Enden aufweist,
mit einer Einrichtung zur Versorgung der Kammer mit Gas, das zum Auslaß hin strömt, wobei das Gas geeignet ist, ein Plasma zu erzeugen,
mit einer Elektrode, die eine äußere periphere Ober­ fläche aufweist, und deren beiden Enden entgegengesetzt zueinander und in der Kammer gelegen sind, wobei das zwei­ te Ende nahe dem Auslaß gelegen ist,
mit einer Einrichtung zum Anlegen einer Gleichspan­ nung mit einer solchen Stromstärke an die Elektrode, daß ein Plasma in der Nähe des Auslasses erzeugt wird, das die Elektrode aufheizt
und mit einer Einrichtung zur Einspritzung einer solchen geregelten Menge einer Kühlflüssigkeit im zer­ stäubten Zustand in das zum Auslaß strömende Gas, daß die Rate eine Umwandlung des Kühlmittels in den Dampfzustand erlaubt, das Kühlmittel im zerstäubten Zustand siedet und an der äußeren Oberfläche der Elektrode verdampft und die Elektrode durch die Verdampfungswärme des Kühlmittels im zerstäubten Zustand kühlt.

34. Verfahren zur Kühlung der aufgeheizten Oberflä­ chen des alleräußersten Spitzenabschnitts einer Elektrode in einem Plasmabrenner, gekennzeichnet durch die Schritte

• a) daß eine kleine Menge einer Kühlflüssigkeit gegen die aufgeheizten Oberflächen geleitet wird und
• b) daß die Menge geregelt wird, um der Kühlflüssig­ keit zu ermöglichen, beim Kontakt mit den geheizten Ober­ flächen der Elektrode zu verdampfen.

35. Verfahren zur Kühlung eines Plasmabrenners
mit einer Gasdurchflußkammer,
mit einer Elektrode, die einen in der Gasdurchfluß­ kammer gelegenen, geheizten Spitzenabschnitt aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte

• a) daß eine Menge einer Kühlflüssigkeit in die Gas­ durchflußkammer geleitet wird und
• b) daß die Menge des Kühlmittels geregelt ist, um der Kühlflüssigkeit zu ermöglichen, beim Kontakt mit dem geheizten Spitzenabschnitt der Elektrode zu verdampfen.

36. Plasmabrenner mit einem eine Gasdurchflußkammer darstellenden Gehäuse, das einen Einlaß und einen Auslaß in entgegengesetzten Enden zur Führung des Gases durch das Gehäuse aufweist,
mit einer Einrichtung zur Versorgung der Kammer mit Gas, das zum Auslaß hin strömt,
mit einer verlängerten Elektrode, deren beiden En­ den an entgegengesetzten Seiten in der Kammer gelegen sind, wobei das zweite Ende, das den Spitzenabschnitt darstellt, nahe dem Auslaß gelegen ist,
mit einer Einrichtung zur Kühlung des Spitzenab­ schnitts der Elektrode, wobei die Einrichtung zur Küh­ lung einen verlängerten, dem inneren Ende des Spitzen­ abschnitts der Elektrode benachbarten und dadurch erhitz­ ten Kühldurchlaß und Mittel zur Führung einer solchen ge­ regelten Menge von Kühlflüssigkeit in den dem inneren Ende benachbarten Kühldurchlaß hinein aufweisen, daß die Durchflußrate eine Umwandlung eines erheblichen Anteils des Kühlmittels in Dampf zur Kühlung des Spitzenabschnitts der Elektrode zuläßt.

37. Plasmabrenner nach Anspruch 36 mit einer Ein­ richtung, die den Kühldurchlaß in der Elektrode darstellt, wobei das innere Ende dem Spitzenabschnitt benachbart ist.

38. Plasmabrenner nach Anspruch 37, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser ein Leitungssystem zur Verbindung Dampfes mit dem Gas in der Gasdurchflußkammer aufweist.

39. Plasmabrenner nach Anspruch 36, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dieser ein Leitungssystem zur Verbindung des Dampfes mit dem Gas in der Gasdurchflußkammer aufweist.

40. Plasmabrenner nach Anspruch 35, mit einem Führungselement für das Kühlgas in den Kühldurchlaß, wobei das Kühlgas mit dem Dampf kombiniert wird, sowie mit einem Führungselement für das Gas und den Dampf durch den Auslaß.

41. Plasmabrenner nach Anspruch 36 mit einem Füh­ rungselement für das Kühlgas in den Kühldurchlaß, wobei das Kühlgas mit dem Dampf kombiniert wird, sowie mit ei­ nem Führungselement für das Gas und den Dampf durch den Auslaß.