DE69122890T2

DE69122890T2 - Plasmafackel

Info

Publication number: DE69122890T2
Application number: DE69122890T
Authority: DE
Inventors: Douglas Albert Richmond British Columbia V7E 1S5 Ross
Original assignee: University of British Columbia
Current assignee: University of British Columbia
Priority date: 1990-06-26
Filing date: 1991-06-13
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2011-06-14
Also published as: WO1992000658A1; KR100194272B1; EP0610177B1; CA2083132A1; KR930701907A; DE69122890D1; US5008511A; JPH05508513A; CA2083132C; EP0610177A1; JP2950988B2; ATE144674T1; US5008511C1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bilden eines Plasmastrahls. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bilden eines Plasmastrahls, bei der der Reaktionspartner axial in die den Plasmastrahl bildende Düse eingespeist wird.

Hintergrund der Erfindung

Beim herkömmlichen Plasmaspritzen wird eine Plasmaflamme unter Verwendung einer im allgemeinen wassergekühlten Fackel mit einer Wolframkathode und einer konischen Kupferanode erzeugt. Der Reaktionspartner, der flüssig, gasförmig, fest oder ein Gemisch daraus sein kann, wird der heißen Plasmaflamme durch radiales Einspritzen in den Plasmastrahl zugeführt. Wenn der Reaktionspartner ein Pulver ist, wird es im allgemeinen durch ein Trägergas getragen und dadurch in den Plasmastrahl getrieben.
Der Reaktionspartner wird entweder innerhalb des Anodenkanals (Düse) oder mit geringem Abstand von der Düse radial in die Plasmaflamme eingespritzt.
Bei radialer Einspritzung von Pulvern hängt die Erwärmung und Dispersion des eingespritzten Reaktionspartners stark vom Bahnverlauf des Reaktionspartners in den Plasmaflammenstrahl ab. Bei Pulvern wird dieser Bahnverlauf von der Partikelgröße, Dichte, Einspritzgeschwindigkeit und Morphologie bestimmt und die möglichen Bahnverläufe hängen, unter anderen Variablen, von der Größenverteilung der eingespritzten Pulver ab.
Axiales Einspritzen von Reaktionspartnern wurde bei thermischen Spritzfackeln angewendet, siehe beispielsweise die Ultraschallgeschwindigkeits-Flammenspritzfackel von Metco Diamond Jet, diese Spritzfackeln sind jedoch auf Reaktionspartner mit niedrigen Schmelzpunkten (im allgemeinen unterhalb von ungefähr 1.600ºC) begrenzt, und sind daher nicht in der Lage, Stoffe mit höheren Schmelzpunkten zu spritzen.
Aus der WO-A-9 015 516 und der EP-A-0 368 547 ist darüber hinaus bekannt, daß die Bögen von verschiedenen Kathoden zusammen in Form eines gemeinsamen Bogens einen bedeutenden Abschnitt ihres Weges gemeinsam zurücklegen, bevor sie sich zur Anode entladen. Weiterhin wird bei diesen Fackeln das Speisematerial direkt in den kombinierten Bogen eingespeist.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Plasmastrahlfackel bereitzustellen, die eine gleichmäßigere Warmeeinwirkung, insbesondere auf Feststoff-Reaktionspartner, ermöglicht. Mit diesem Ziel im Sinn, geht die Erfindung von den oben erwähnten WO-A-9 015 516 und EP-A-0 368 547 aus - auf denen der Oberbegriff von Anspruch 1 basiert - und erreicht die gewünschte Verbesserung durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 dargelegten Merkmale.
Bevorzugte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Wie noch gezeigt wird, gewährleistet die Erfindung, daß die Plasmabögen jeweils vollständig in einer separaten bogenbildende Kammer untergebracht sind, und daß die Gase, die diese Kammern mit einer hohen Temperatur verlassen, symmetrisch und gleichmäßig auf einen zentralen Strom des Speisematerials auftreffen, wodurch eine im wesentlichen gleichmäßige Erwärmung des Speisematerials ermöglicht wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile werden aus der folgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, wobei:
Figur 1 ein Teilschnitt durch eine Fackel ist, der schematisch eine der bogenbildenden Kammern darstellt;
Figur 2 ein Schnitt entlang der Linie 2-2 aus Figur 1 ist;
Figur 3 ein Schnitt entlang der Linie 3-3 aus Figur 1 ist;
Figur 4 eine schematische Darstellung der Einstellungseinrichtung der ersten Elektrode (Kathoden) am Körper der Fackel ist; und
Figur 5 eine schematische Darstellung eines Steuerungssystems ist, das bei der Erfindung verwendet werden kann.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Wie schematisch in Figur 1 gezeigt, weist die Plasmafackel 10 einen Hauptkörperabschnitt 12 auf, der zumindest teilweise durch thermisch und elektrisch isolierende Materialien geformt ist, und der eine Mehrzahl von unterschiedlichen getrennten Elementen umfaßt, die durch mit Gewinden versehene Eingriffseinrichtungen miteinander verbunden sind und eine Mehrzahl von Kühlgängen zum Zirkulieren des Kühlmittels aufweisen (die genaue Anordnung der Kühlgänge, etc. ist nicht Bestandteil dieser Erfindung und kann stark abweichen, daher werden die genauen Einzelheiten der Kühlgänge, obwohl einige angedeutet wurden, nicht detailliert beschrieben.)
Die Hauptelemente der vorliegenden Erfindung sind die bogenbildenden Kammern 14, die symmetrisch um die Längsachse 16 der Fackel 10 angeordnet sind. Jede Fackel weist eine Mehrzahl von Kammern 14 auf, bevorzugt drei (3), es können jedoch, sofern erwünscht, mehr Kammern bereitgestellt werden.
Die Kammern 14 sind alle im wesentlichen gleich, daher wird nur eine beschreiben.
Jede der Kammern 14 weist eine zentrale Elektrode 18 auf, die eine Anregung entlang der Längsachse der Kammer erzeugt und bevorzugt zusammen mit den Wänden der Kammer einen ringförmigen Abschnitt des Plasmagasdurchgangs 20, der mit dem Plasmaspeiseeinlaß 21 verbunden ist, bildet. Der ringförmige Abschnitt des Durchgangs 20, der die Elektrode 18 umgibt, kann als wendelförmiger Durchgang ausgeformt sein, so daß das Plasmagas stromabwärts von der Elektrode 18 eine Tangetialkomponente der Geschwindigkeit aufweist und dazu neigt, einen wendelförmig an der Wand der Kammer 14 entlang strömenden Wirbel zu bilden.
Die innere Begrenzung der Kammer 14 wird durch eine keramische Isolierhülle 22 geformt, um die Wärme in der Kammer 14 zu halten und zu verhindern, daß sich zwischen der Wand der Kammer 14 und der Elektrode 18 Bögen bilden. Die Isolierhülle 22 wird bevorzugt durch Dehnpassen innerhalb einer zylindrischen Hülle 24, die die Außenfläche der Kammer 14 bildet, aufgebracht. Die äußere Hülle 24 ist bevorzugt aus einem Material hergestellt, das eine magnetische Abschirmung bereitstellt, da eine derartige Abschirmung die gleichmäßige Zündung des in jeder Kammer 14 entzündeten Bogens unterstützt.
Jede der bogenbildenden Kammern 14 ist innerhalb ihres entsprechenden im wesentlichen zylindrischen Hohlraums 26 im Körper 12 enthalten und relativ zu den Wänden des Hohlraums 26 beabstandet, um einen sich um den Umfang erstreckenden ringförmigen Kanal 28 zum Zirkulieren des Kühlmittels (Kühlwasser) bereitzustellen, um jede der Kammern 14 zu kühlen.
Die die Kammern 14 umgebende Außenfläche der Fackel 10 wird durch ein Rohr 30 gebildet, was die Verbindung der verschiedenen Elemente des Körpers 12 der Fackel miteinander unterstützt.
Das Auslaßende jeder der Kammern 14 wird durch eine gemeinsame Elektrode 32 geformt, die bevorzugt eine Kupferanode ist. Die Elektrode 32 weist einen separaten Hohlraum 34 auf, der das axiale Ende jeder Kammer 14 bildet. Jeder der Hohlräume 34 ist axial mit der Achse seiner entsprechenden Kammer 14 ausgerichtet und weist einen Querschnitt auf, der dem Querschnitt der Kammer 14 entspricht, d.h. der Querschnitt des Durchgangs 20 wird durch die Innenfläche des Rohres 22 definiert. Ein Plasmadurchgang 36 führt von jedem der Hohlräume 34, bevorzugt entlang der Längsachse des Hohlraums 34, weg und konvergiert zur Achse 16 der Fackel hin, und überschneidet den Durchgang von den andern Kammern 14 der Mehrzahl von Kammern in einem Konvergenzbereich, der im allgemeinen mit 38 bezeichnet ist, in einen einzigen sich entlang der Achse 16 erstreckenden Plasmadüsendurchgang 40 hinein.
Die jede der Kammern 14 umgebenden Kühlwasserdurchgänge 28 öffnen sich in einen ringförmigen Bereich 42, der die Düse 40 und die Anode 32 umgibt.
Ein axialer Reaktionspartnerdurchgang 44 wird durch die Fackel 10 bereitgestellt, der zum Einspritzen des Reaktionspartnerspeisematenais, das flüssig, gasförmig oder fest (z.B. ein Draht) sein kann, in die Düse 40 und den darin gebildeten Plasmastrahl dient. Dieser Durchgang 44 öffnet sich im wesentlichen axial in den im Konvergenzbereich (Überschneidungspunkt) 38 zwischen den Plasmadurchgängen 36 liegenden Plasmadüsendurchgang 40, wodurch das Reaktionspartnermaterial in den Plasmastrahl im wesentlichen entlang der Achse des Plasmastrahis und in Richtung der Plasmastrahlströmung durch die Düse 40 eingespeist wird.
Das Kühlwasser oder eine andere Kühlflüssigkeit, das/die durch die jede der Kammern 14 umgebenden Durchgänge 28 strömt, wird in die Bereiche 42 und 46 eingespeist, um die Elektrode 32 und die Außenseite der Düse 40 zu kühlen, und beständig durch die Fackel auf bekannte Weise zirkuliert.
Wie in Figur 4 gezeigt, ist es bevorzugt, alle Elektroden 18 gleichzeitig mit ihren entsprechenden Kammern 14 axial ausrichten zu können. Dies kann, wie schematisch in Figur 4 gezeigt, durch einen geeigneten Antriebsmechanismus 48 durchgeführt werden, der auf dem Ständer 50 arbeitet, der mit dem Joch 52 verbunden ist, in das alle Elektroden 18 verklemmt sind. Der Antrieb 48 kann automatisch durch über die Leitung 54 erhaltene Signale gesteuert werden, um die drei Elektroden 18, wie durch den Pfeil 56 angedeutet, zu bewegen.
Jede der Elektroden 18 ist so befestigt, daß sie relativ zum Joch 52 bewegt werden kann. Jede von ihnen ist mit ihrer entsprechende Hülse 58 verklemmt, deren Stellung relativ zum Joch 52 durch einen geeigneten Antrieb, schematisch unter 60 dargestellt, axial ausgerichtet werden kann. Diese Antriebseinrichtungen 60 (eine für jede Elektrode 18) werden durch Signale, die an die Antriebseinrichtung über die Leitung 62 übertragen werden, gesteuert, um die entsprechende Elektrode 18, wie durch den Pfeil 64 angedeutet, zu bewegen.
Wie in Figur 5 dargestellt, kann eine Steuereinrichtung 66 dazu verwendet werden, den Betrieb des Systems zu steuern.
Die Steuereinrichtung 66 hat eine Stromzufuhrleitung 68, eine Hauptsteuereinrichtung 70 zur Steuerung der Gesamtstromzufuhr an die Elektroden 18 und 32 und einzelne Steuereinrichtungen 72A, 72B und 72C, die jeweils die Stromzufuhr zu einer der Elektroden 18 steuern. Sofern erwünscht, kann ein geringer Unterschied im Stromverbrauch jeder einzelnen Elektroden bereitgestellt werden, oder die Stromzufuhr kann so ausgeglichen werden, daß sie gleich ist und zur Anpassung der geringen Betriebsunterschiede der einzelnen Kammern 14 verwendet werden.
Im Betrieb werden die Elektroden 18 in der Anfangsphase relativ nahe zur Elektrode 32 bewegt und Spannung wird angelegt, während das Plasmagas durch einen Durchgang 21 eingespeist wird, damit es durch die Plasmagasdurchgänge 20 strömt, wobei ein Bogen zwischen jeder Kathode 18, die bevorzugt eine Wolframkathode ist, und der gemeinsamen Anode 32, die bevorzugt eine Kupferanode ist, in jeder der Kammern 14 entzündet wird. Die Kathoden 18 werden dann axial von der Anode 32 wegbewegt, um die gewünschte Länge des elektrischen Bogens zu erreichen, der in Figur 1 mit 74 bezeichnet ist, und um das gewünschte Plasma zu bilden, das durch die Durchgänge 36 in den Hauptdurchgang oder die Strahldüse 40 austritt, um einen Plasmastrahl zu formen. Der Reaktionspartner wird durch den Durchgang 44 in den Strahl 40 eingespeist, um es dem Strahl zu ermöglichen, mit dem eingespeisten Reaktionspartner zu reagieren. Im allgemeinen kann die erfindungsgemäße Plasmafackel beispielsweise beim Plasmaspritzen, der Pulversynthese, der Pulververkörnung, der Schnellverfestigung, etc. verwendet werden.
Es ist offensichtlich, daß die optimalen Betriebsparameter zum Erreichen von Qualitätsbeschichtungen oder -pulvern für die verwendete, spezifische Reaktionspartnerzusammensetzung auf herkömmliche Weise empirisch bestimmt werden.
Obgleich nur drei Kammern 14 dargestellt wurden, ist es offensichtlich, daß, wenn erwünscht, mehr Kammern verwendet werden können. Sie sollten jedoch konzentrisch mit der Achse 16 sein und gleichmäßig in einen einzelnen Düsendurchgang 40, der koaxial mit dem Einlaß des Reaktionspartnerspeisedurchgangs 44 angeordnet ist, konvergieren. Wenn nur zwei Kammern 14 verwendet werden, um eine Fackel zu bilden, kann es erwünscht sein, die Querschnitte der Plasmadurchgänge 36 spezifisch auszuformen, um die Konvergenz zu erleichtern. Der Querschnitt der Durchgänge 36 kann beispielsweise im wesentlichen D-förmig sein, wobei die geraden Abschnitte der D-Formen im wesentlichen parallel und einander zugewandt angeordnet sind, oder C-förmig sein, wobei die Enden der C-Formen einander gegenüberliegend angeordnet sind.
In der vorstehenden Beschreibung sind alle Kammern 14 der Fakkel symmetrisch um die Achse 16 angeordnet und ihre Längsachsen sind im wesentlichen parallel zur Achse 16 ausgerichtet. Es ist offensichtlich, daß, sofern erwünscht, die Längsachsen der Kammern 14 spitzwinklig mit der Achse 16 ausgerichtet sein können, wobei sie sich nahe der Elektrode 34 einander näher kommen, z.B. können ihre Achsen um einen imaginären Konus angeordnet sein, der um die Achse 16 ausgebildet ist, und sich mit der Achse 16 stromabwärts von dem Bereich 38 überschneidet
Nach Beschreibung der Erfindung sind Abwandlungen, die den Rahmen der anhängenden Ansprüche nicht übersteigen, für Fachleute offensichtlich.

Claims

1. Plasmafackel (10) mit einer Längsachse (12) mit einer Vielzahl von Elektroden (18), die um die Längsachse (16) angeordnet sind, um erhitzte Gase zu erzeugen, die auf die Längsachse (16) hin zusammengeführt werden und mit einem Durchgang (44) zum Einspeisen der Reaktionspartner entlang der Achse (16), die sich in einen Bereich des Zusammenlaufens (38) der Gase öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) eine Vielzahl von unabhängigen bogenbildenden Kammern (14) symmetrisch um die Achse (16) angeordnet ist, wobei jede Kammer (14) eine Kathode (18) besitzt und eine gemeinsame Anode (32), die mit der Kathode (18) in jeder der Kammern (14) zusammenwirkt unter Bildung eines Bogens in jeder der Kammern (14);

(b) ein Plasmadurchgang (36) durch die gemeinsame Elektrode (32) sich in jede der Kammern (14) öffnet, wobei jeder der Plasmadurchgänge (36) von der jeweiligen Kammer (14) ausgeht und diese in dem Bereich des Zusammenfließens (38) aufeinander zulaufen in einen einzigen Plasmadüsendurchgang (40), der sich entlang der Achse (16) erstreckt; und

(c) der Durchgang (44) zum Einspeisen der Reaktionspartner sich im wesentlichen axial in ein Ende des Plasmadüsendurchgangs (40) in dem Bereich des Zusammenfließens (38) so öffnet, daß der Reaktionsteilnehmer im wesentlichen axial in den Plasmadüsenbereich (40) injiziert wird und in der Bewegungsrichtung eines Plasmastrahls, der in dem Plasmadüsendurchgang (40) gebildet wird, durch Zusammenführen des aus den Kammern (14) kommenden Plasmas durch den Plasmadurchgang (36) in den Plasmadüsendurchgang (40).

2. Fackel nach Anspruch 1, mit magnetischen Abschirmungen (24), die jede bogenbildende Kammer (14) umgeben.

3. Fackel nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit elektrischen Isolierungen (22) für jede Kammer (44), die dazu neigen, eine Bogenbildung von der ersten bogenbildenden Elektrode (18) zu einer benachbarten Wand der jeweiligen Kammer zu verhindern.

4. Fackel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Längsachse jeder Kammer (14) im wesentlichen parallel läuft zu der Längsachse (16).

5. Fackel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Kühldurchgängen (28), um die Kammern (14) und die Durchgänge (36) zu kühlen.

6. Fackel nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Vorrichtungen (56) zum gleichzeitigen Bewegen aller ersten bogenbildenden Elektroden (18) in Bezug auf die gemeinsame Elektrode (32).

7. Fackel nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit Vorrichtungen (64) zum individuellen Einstellen jeder ersten bogenbildenden Elektrode (18) in Bezug auf die gemeinsame Elektrode (32).

8. Fackel nach Anspruch 7, mit Vorrichtungen (72A, 72B, 72C) zum einzelnen Einstellen der elektrischen Kraft jeder ersten bogenbildenden Elektrode (18).

9. Fackel nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit drei Elektroden (18).