DE68907102T2

DE68907102T2 - Plasmabrenner.

Info

Publication number: DE68907102T2
Application number: DE89200721T
Authority: DE
Inventors: Meij Johannes Petrus De; Ronald Petrus Theodorus Kamp
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1988-03-28
Filing date: 1989-03-22
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2009-03-23
Also published as: NO891264D0; NL8800767A; EP0335448B1; JPH0210700A; US4992642A; EP0335448A1; DE68907102D1; NO891264L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmabrenner zur HF-kapazitiven Erzeugung eines Plasmastrahles, mit einem Gehäuse mit einer Halterung und einer elektrischen nicht-leitenden Düse, wobei das Gehäuse mit einer Eingangsöffnung und die Düse mit einer Ausgangsöffnung versehen ist, sowie mit einer gegenüber dem Gehäuse koaxial angeordneten stabförmigen Elektrode.
Plasmabrenner zur Erzeugung von Plasmastrahlen werden auf mehreren Gebieten im industriellen Bereich verwendet, wie zur örtlichen Erhitzung von Werkstoffen, zum Schweißen und Schneiden, zur Bearbeitung und Formgestaltung von Glas, worunter Quarzglas, und zum Flammspritzen von Werkstoffen. Plasmastrahlen lassen sich in einem Plasmabrenner induktiv oder kapazitiv oder aber durch Gleichstrom erzeugen.
In der Deutschen Offenlegungsschrift DE-A-1 765 104 wird eine Vorrichtung zur kapazitiven Erzeugung eines Plasmastrahles beschrieben. Dazu wird ein äußerer Schwingkreis eines HF-Generators mit einer Wolfram-Elektrode verbunden. An der Elektrode wird ein Gas entlang geführt. Durch elektrischen Resonanz entsteht eine hohe elektrische Spannung an der Elektrode, wodurch das entlang strömende Gas ionisiert wird. Die Elektrode befindet sich in einer elektrische nicht-leitenden Röhre. Ein Ende dieser Röhre ist mit einer nicht näher bezeichneten Düse versehen, aus der der Plasmastrahl heraustreten kann. Der Plasmastrahl wird mit einem zu bearbeitenden Werkstück in Kontakt gebracht, wobei der Stromkreis über das Werkstück kapazitiv geschlossen wird. In der genannten Offenlegungsschrift DE-A-1 765 104 wird ein Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück von 5-15 mm genannt.
Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, einen verbesserten Plasmabrenner zu schaffen, derart, daß der damit zu erzeugende Plasmastrahl einen größeren Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück überbrücken kann, wobei der erzeugte Plasmastrahlpunkt auf dem Werkstück zum Bearbeiten desselben effektiv ist.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung erfüllt durch einen Plasmabrenner der eingangs beschriebenen Art, der das Kennzeichen aufweist, daß sich zwischen der Düse und der Elektrode eine elektrisch nicht leitende koaxial angeordnete Büchse befindet, wobei eine Innenseite der Düse und eine Außenseite der Büchse einen in Richtung der Ausströmungsöffnung kegelförmigen Ringksnal, und eine Innenseite der Büchse und eine Oberfläche der Elektrode einen zylinderförmigen Kanal einschließen, wobei dieser letztere Kanal mit der Eingangsöffnung verbunden ist. Der zylinderförmige Kanal um die Elektrode herum ermöglicht es, daß hindurchströmendes Gas die Elektrode einigermaßen kühlt. Der kegelförmige Ringkanal ermöglicht es, daß hindurchströmendes Gas den zu erzeugenden Plasmastrom konvergiert, wodurch der Plasmastrahl einen großen Abstand zwischen der Düse und dem Werkstück überbrücken kann. Die Gasgeschwindigkeiten werden vorzugsweise derart gewählt, daß die Gasströme laminar sind. Ob die Gasströme laminar sind oder nicht, läßt sich an der Form des Plasmastrahles erkennen. Es lassen sich mehrere Gase verwenden, wie Argon, Helium, Stickstoff oder ein Gemisch aus Stickstoff und Wasserstoff. Die Elektrode besteht aus einem hochschmelzenden elektrisch leitenden Werkstoff, wie Wolfram, Molybdän oder Siliziumcarbid. Die Düse sowie die Büchse besteht aus elektrisch isolierendem keramischen Werkstoff. Der an die Elektrode anzuschließende HF-Generator liefert einen Wechselstrom mit einer Frequenz von 13,56 oder 27,12 MHz. Bei üblichen Abmessungen des Plasmabrenners hat der Generator eine Leistung von einigen Hundert Watt bis eine kW.
Der Plasmastrahl weist dissoziierte und ionisierte Gasmoleküle sowie Elektronen auf. Die in dem Gas gespeicherte Dissoziations- und Ionisationsenergie wird bei Rekombination an der Oberfläche des Werkstücks in dem Plasmastrahl frei. Durch die hohe verfügbare Energie und den relativ geringen Strählquerschnitt läßt sich örtlich eine sehr hohe Temperatur erzeugen. Das Werkstück kann ein Leiter oder ein Nicht- Leiter sein. Da der Plasmastrahl ein elektrisch guter Leiter ist, wird an der Stelle, an der der Strahl das Werkstück trifft (Strahlpunkt) ein starkes HF-Feld entstehen, was zu einer zusätzlichen Energieerzeugung in Form von Dielektrizitäts- oder Leitungsenergie in dem Werkstück führt. Die Größe dieser Energie ist abhängig von den elektrischen Eigenschaften des Materials bei der Temperatur, auf der es sich zu dem betreffenden Zeitpunkt befindet.
Wenn dem zugeführten Gas ein geeignetes Pulver hinzugefügt wird, kann der Plasmabrenner zugleich zum Plasmaspritzen von Werkstoffen, wie Metall oder Keramik, auf einem Werkstück verwendet werden.
Es sei bemerkt, daß in der US Patentschrift US-A-3 894 209 ebenfalls ein Plasmabrenner beschrieben wird. Der dort beschriebene Brenner weist eine Hohlelektrode auf, durch die Gas strömen kann. An der Außenseite der Elektrode entlang kann ebenfalls Gas strömen. Der Brenner hat aber keine kegelförmige Düse, so daß in dem Fall nicht ein Plasmastrahl großer Länge und geringen Querschnitts erzeugt werden kann.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasmabrenners weist das Kennzeichen auf, daß die Büchse gegenüber der Düse axial einstellbar ist. Dadurch kann der Gasstrom in dem kegelförmigen Ringkanal und dadurch die Konvergenz des erzeugten Plasmastrahles beeinflußt werden. Eine Gewindekupplung zwischen der Büchse und einem Teil des gehäuses eignet sich dazu durchaus.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasmabrenners weist das Kennzeichen auf, daß die Elektrode gegenüber der Ausströmungsöffnung der Düse axial einstellbar ist. Durch diese Einstellmöglichkeit ist auch die Form des Plasmastrahles beeinflußbar.
Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasmabrenners weist das Kennzeichen auf, daß der Plasmabrenner mit einer zweiten mit dem kegelförmigen Ringkanal verbundenen Eingangsöffnung versehen ist. Durch diese Vorkehrung lassen sich die beiden Gasströme, d.h. der Gasstrom an der Elektrode entlang und der durch den kegelförmigen Ringkanal unabhängig voneinander einstellen. Dadurch läßt sich die Form des Plasmastrahles beeinflussen. Die beiden Gase können von derselben Art oder verschiedenartig sein.
Eine geeignete Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasmabrenners weist das Kennzeichen auf, daß die Düse und/oder die Büchse aus Bornitrid besteht. Dieser keramische Werkstoff läßt sich relativ leicht mechanisch bearbeiten und ist gegen sehr hohe Temperaturen beständig, und zwar bis zu etwa 2775ºC.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasmabrenners weist das Kennzeichen auf, daß die Elektrode mit einer kegelförmigen Spitze versehen ist, die in Richtung der Ausströmungsöffnung der Düse zeigt. Durch das Vorhandensein einer derartigen Spitze entsteht eine stärkere Feldkonzentration, wodurch die einleitende Ionisation des an der Elektrode entlang strömenden Gases leichter erfolgt. Je nach der Phase des elektrischen Feldes werden entweder Elektronen oder positive Ionen die Spitze der Elektrode bombardieren und diese in kürzester Zeit stark erhitzen, was zu einer erhöhten Elektronenemission und dadurch zu einer vergrößerten Dissoziation und Ionisation des Gases führt.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Düse und eine Büchse mit all den Eigenschaften der in dem erfindungsgemäßen Plasmabrenner verwendeten Düse und Büchse.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zur kapazitiven Erzeugung eines Plasmastrahles, und
Fig. 2 einen Uingsschnitt durch einen erfindungsgemaßen Plasmabrenner.
In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 3 ein HF-Generator angegeben, der einen äußeren Resonanzkreis 5 aufweist. Eine übliche Frequenz ist 13,56 MHz oder 27,12 MHz. Der Kreis 5 ist mit einer Elektrode 7 eines Plasmabrenners 1 elektrisch verbunden. Der Plasmabrenner 1 ist mit einer Düse 9 und einer elektrisch isolierenden Hülse 11 versehen. Über eine Öffnung 13 wird Gas eingeführt. Das Gas kann den Plasmabrenner 1 über die Öffnung 15 in der Düse verlassen. Wenn der Resonanzkreis 5 auf die Frequenz des Generators 3 abgestimmt wird, entsteht durch Resonanz eine sehr hohe Spannung an derjenigen Stelle der Spule, an der die Elektrode 7 befestigt ist. Durch das starke elektrische Feld an der Elektrode 7 entsteht Ionisation des an dem Stift entlang strömenden Gases. Je nach der Phase werden entweder Elektroden oder positive Ionen die Elektrode bombardieren und diese in kürzester Zeit stark erhitzen, was zu einer erhöhten Elektronenemission führt. Die in dem Gasstrom vorhandenen Elektronen können Energie aus dem HF-Feld aufnehmen und durch Zusammenstoß mit den Gasatomen und den Molekülen Energie übertragen. Dies verursacht eine weitere Dissoziation und Ionisation des Gases. Die auf diese Weise in dem Gas gespeicherte Dissiziations- und Ionisationsenergie wird bei Rekombination beispielsweise an der Oberfläche eines Werkstücks 19, das sich in dem gebildeten Plasmastrahl 17 befindet, verfügbar. Da der Plasmastrahl ein elektrisch guter Leiter ist wird an der Stelle, an der der Strahl das Werkstück trifft, ein starkes HF-Feld entstehen, was zu einer zusätzlichen Energieerzeugung in Form von Dielektrizitäts- oder Leitungsenergie führt. Die Elektrische Energieerzeugung ist, in Richtung des Plasmastrahles gesehen, lagenabhängig. Die Größe ist abhängig von den elektrischen Eigenschaften des Werkstoffes bei der Temperatur desselben zu dem betreffenden Zeitpunkt.
In Fig. 2 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Plasmabrenner angegeben. Der Plasmabrenner weist eine zylinderförmige Halterung 3 und eine Düse 5 auf. Die Halterung 3 besteht aus Messing. Die Düse 5 besteht aus Bornitrid. Die Düse weist eine Öffnung 17 für den austretenden Plasmastrahl auf.
Der Brenner ist mit einer elektrisch leitenden Elektrode 7 aus Wolfram versehen. Die Elektrode ist mit einer kegelförmigen Spitze 15 versehen. Zwischen der Düse 5 und der Elektrode 7 befindet sich eine Büchse 9, wobei ein kegelförmiger Ringkanal 11 und ein zylinderförmiger Kanal 13 gebildet werden. Die Büchse 9 ist, ebenso wie die Düse 5 aus Bornitrid hergestellt. Die Elektrode 7 ist mit Hilfe einer Elektrodenfassung 19 und einer Hülse 21 an der Halterung 3 befestigt. Die Elektrodenfassung 19 sowie die Hülse 21 bestehen aus Messing. Die Elektrodenfassung ist mit Kanälen 23 versehen. Diese Kanäle 23 bilden die Verbindung zwischen einer Gaszuführungsleitung 25 und dem zylinderförmigen Kanal 13. Die Halterung 3 ist mit einer zweiten Gaszuführungsleitung 27 versehen, die mit dem kegelförmigen Ringkanal 11 verbunden ist. Die Elektrode 7 ist über die Elektrodenfassung 19, die Hülse 21 und die Gaszuführungsleitung 25 mit einem HF-Generator (27,12 MHz) verbunden. Die Büchse 9 ist gegenüber der Düse 5 axial einstellbar. Die Elektrode 7 ist ebenfalls axial einstellbar. Dazu ist die Kontaktfläche 29 zwischen der Büchse 9 und der Hülse 21 mit Gewinde versehen (M20 x 1,5). Auf gleiche Weise ist die Kontaktfläche 31 zwischen der Elektrodenfassung 19 und der Hülse 21 mit Gewinde (M12) versehen. Diese Einstellbarkeit ermöglicht es, daß ein laminarer Gasstrom die Düse durch die Öffnung 17 verläßt. Der Elektrodendurchmesser beträgt 3 mm und die Öffnung der Düse 5 mm. Die Durchflußrate beträgt 5-10 Liter/Minute und die Leistung des Generators etwa 10 kW. Die Länge des erzeugten Plasmastrahles kann etwa 1 m betragen. Die Lebensdauer der Düse sowie der Elektrode beträgt minimal 60 Stunden bei einer Plasmastrahllänge von 35 mm.

Claims

1. Plasmabrenner zur HF-kapazitiven Erzeugung eines Plasmastrahles, mit einem Gehäuse mit einer Halterung und einer elektrischen nicht-leitenden Düse, wobei das Gehäuse mit einer Eingangsöffnung und die Düse mit einer Ausgangsöffnung versehen ist, sowie mit einer gegenüber dem Gehäuse koaxial angeordneten stabförmigen Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Düse und der Elektrode eine elektrisch nicht leitende koaxial angeordnete Büchse befindet, wobei eine Innenseite der Düse und eine Außenseite der Büchse einen in Richtung der Ausströmungsöffnung kegelförmigen Ringkanal, und eine Innenseite der Büchse und eine Oberfläche der Elektrode einen zylinderförmigen Kanal einschließen, wobei dieser letztere Kanal mit der Eingangsöffnung verbunden ist.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse gegenüber der Düse axial einstellbar ist.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode gegenüber der Ausströmungsöffnung der Düse axial einstellbar ist.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner mit einer zweiten mit dem kegelförmigen Ringkanal verbundenen Eingangsöffnung versehen ist.

5. Plasmabrenner nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse aus Bornitrid besteht.

6. Plasmabrenner nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Büchse aus Bornitrid besteht.

7. Plasmabrenner nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode mit einer kegelförmigen Spitze versehen ist, die in Richtung der Ausströmungsöffnung der Düse zeigt.

8. Düse mit all den Eigenschaften der Düse, wie diese in dem Plasmabrenner nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 verwendet wird.

9. Büchse mit all den Eigenschaften der Büchse, wie diese in dem Plasmabrenner nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 verwendet wird.