EP0963140A2 - Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen von Plasma - Google Patents

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EP0963140A2
EP0963140A2 EP99890141A EP99890141A EP0963140A2 EP 0963140 A2 EP0963140 A2 EP 0963140A2 EP 99890141 A EP99890141 A EP 99890141A EP 99890141 A EP99890141 A EP 99890141A EP 0963140 A2 EP0963140 A2 EP 0963140A2
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EP
European Patent Office
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anode
arc
voltage
cathode
plasma
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EP99890141A
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English (en)
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EP0963140A3 (de
EP0963140B1 (de
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Gerhard Dipl.-Ing. Schwankhart
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Inocon Technologie GmbH
Original Assignee
Inocon Technologie GmbH
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Publication of EP0963140A3 publication Critical patent/EP0963140A3/de
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/36—Circuit arrangements

Definitions

  • the invention relates to a method according to the Preamble of claim 1.
  • the power supply is usually by a Transformer with downstream rectifier formed.
  • the known anode-cathode path with one corresponding to the arc arc voltage Voltage applied, whereby to ignite the arc separate ignition pulse is provided.
  • a plasma emits UV radiation to a considerable extent, which e.g. be used for the sterilization of objects could. However, the one that takes place at the same time Radiation of a significant amount of heat is a problem.
  • the aim of the invention is to avoid these disadvantages and a To propose procedures of the type mentioned at the beginning that it enables plasma to be generated so that it can be used for a wide variety of applications can be used.
  • the proposed measures have the advantage that plasma pulses of very short duration are generated can.
  • plasma pulses which are very high Temperature are also relatively sensitive Materials without damage due to their short duration tolerate to be done, because the over a long time in the material to be treated introduced energy under a harmful limit can be kept.
  • the Plasma generated according to the invention in a charged Keep the workpiece energy at a low level, see above that even sensitive workpieces with such a plasma, whose individual impulses have a high energy density can be.
  • Another object of the invention is a device according to propose the preamble of claim 5, which is for the implementation of the method according to the invention is suitable and is characterized by a simple structure.
  • the proposed measures result in a very simple structure, the pulse times by appropriate Dimensioning of the capacitors and the resistance of the Circle containing anode-cathode path, but also the Charging circuit to determine the corresponding time constant can be set very easily.
  • the features of claim 6 allow a very accurate Define the ignition of the arc, being sure is that the end of the voltage pulse or burning time of the arc due to the discharge of the capacitor bank to a voltage below the arc arc voltage Voltage is determined. This is also in the case of the ignition of the Arc by means of a separate ignition voltage source, that between the individual pulses of the arc goes out and no quiescent current over the anode-cathode path flows.
  • the measures according to claim 6 also allow the Ignition of the arc before reaching the Trigger overturning voltage of the anode-cathode section, whereby the burning time of the arc and thus the Burning time of the plasma pulses can be kept extremely short without a particularly high effort to a particularly low impedance Formation of the discharge circuit of the capacitor bank driven must become.
  • the capacitor bank also as a power supply for the plasma torch technical AC network or a high-frequency AC supplying voltage source in connection with a phase control to use. It must be different Materials manufactured electrodes ensured be that only partially equally polarized half-waves be switched through, so that the different Electrodes always have voltage pulses with the same polarity be created and essentially the same relationships like supplying the plasma torch with DC voltage pulses, e.g. from a capacitor bank.
  • each of the two electrodes has different pulses Polarity.
  • Electrodes are always applied with the same polarity, is generally described in the description and claims of anode and cathode spoken.
  • an is also manufactured plasma for sterilizing objects, especially the interior of hollow objects or pipes intended.
  • very short plasma pulses can also be read for surgical purposes and dental purposes, e.g. instead of laser scalpels, use.
  • Plasma torches come with a relatively smaller size Performance, e.g. Outputs from 0.5kW to 10kW exhibit.
  • the plasma generated according to the invention can also be used very well good for spot welding or making out Use seams produced by welding spots.
  • the plasma torches required to generate the plasma pulse must have an appropriate output, for example 20 kW to 150 kW or more, depending on the parts to be welded. Spot welding of thin sheets can be produced with only one plasma pulse of only a short duration, for example 10 -3 to 10 -5 sec.
  • FIGS. 1 and 2 is one of a electrically insulating material, e.g. Ceramics made provided essentially hollow cylindrical holder 1, in one end area also made of an insulating material manufactured insert 2 is pressed.
  • a electrically insulating material e.g. Ceramics made provided essentially hollow cylindrical holder 1, in one end area also made of an insulating material manufactured insert 2 is pressed.
  • This insert 2 is from a central, a gas supply line 3 forming tube that penetrates the front of the projecting insert 2 ends over the end face of the holder 1.
  • the insert 2 also has two in a diametrical plane lying holes 4 in which serve as abutments Press-fit parts 7 are held, which in turn are held by the souls 5 of leads 6 are interspersed with play.
  • connecting lines 6 are connected to one in FIG. 3 shown power supply connected in a predetermined Frequency delivers voltage pulses.
  • compression springs 8 are supported Contact pins 9, which are soldered to the souls 5, to the outside push.
  • the contact pins 9 are at their free end provided with an end face approach 10 with a Contact surface of a plasma generator 11 cooperates, which in a fastening device arranged on the end face of the holder 1 12 is held as one from an electrical Insulated material manufactured bracket in which the plasma generator 11 is inserted from above.
  • This plasma generator 11 has a connecting part 13 an electrically insulating material, e.g. Ceramics on the tapered in its lower region and an opening 14 on its lower end face having.
  • an electrically insulating material e.g. Ceramics on the tapered in its lower region and an opening 14 on its lower end face having.
  • This opening 14 is from an annular anode 15 enforced in the usual way from an electrically conductive and thermally highly resilient material is manufactured and has a nozzle opening 16 in its mouth region.
  • the anode 15 has a conically widening upwards Area that abuts the inside of the connecting part 13 and which merges into a cylindrical area.
  • An intermediate part 17 is located on the upper end face of the anode 15 at the ring-shaped and made of an electric insulating material, e.g. Ceramics.
  • an electrically good conductive material e.g. Copper
  • an electrically good conductive material e.g. Copper
  • an electrically conductive and thermally highly resilient Material such as Tungsten cerium oxide alloy manufactured is and in the nozzle opening 16 of the anode 15 near End region is conical.
  • the anode 15, as well as the holding part 18 are for fixing the mutual position of the cathode 10 and the nozzle opening 16 of the Anode suitably fitted into the connecting part 13.
  • the anode 15, the intermediate part 17 and the holding part 18 with the pressed cathode 19 form together with the connecting part 13 a module of the device that easily in the holder installed and removed from it.
  • This pressure part 20 acts together with a cover 22 on the a near in the upper end of the connecting part 13 Area arranged external thread 23 is screwed on.
  • the connecting part 13 is with three along a generatrix arranged radial bores 24, 25 provided, of which the Bores 24 the passage of the lugs 10 of the contact pins 9th enable and in the region of the holding part 18 or Anode 15 lie.
  • the bore 25 is in the range of Intermediate part 17 arranged and aligned with a radially extending Inlet 26 of the intermediate part to one through the Inner wall of the intermediate part 17 limited chamber 27 leads to is penetrated by the cathode 19.
  • the bore 25 is aligned when inserted in the holder 1 Plasma generator, which is constructed as a module, also with the in Holder 1 provided gas supply line 3.
  • the connecting lines 6, the insulating jackets 28 with play in the holes 4 of the insert 2 of the holder 1 are guided, withdraw and the plasma generator 11 from above into the Insert bracket 12.
  • the connecting lines 6 be released and the contact pins 9 snap into the holes 24 of the connecting part 13 and secure the position of the Plasma generator 11 in the holder 1.
  • their end faces by means of the springs 8 on the holding part 8, or pressed the anode 15 and so a good electrical contact manufactured.
  • a gas for example helium, CO 2 etc.
  • a gas for example helium, CO 2 etc.
  • FIG. 3 A power supply for a plasma generator according to the Fig. 1 and 2 is shown in FIG. 3.
  • a capacitor bank 30 has a charging resistor 31 with the connections X1 of a controllable DC voltage source 32 connected.
  • the capacitor bank 30 has one permanently connected capacitor 1C1 and one over one Switch 1S1 to this parallel connectable capacitor 1C2 on, both of which are also groups of capacitors can act.
  • This capacitor bank 30 is via connecting lines 33 34th with the plasma generator 11, or not in FIG. 3 shown cathode and anode connected.
  • An R / C element is connected in parallel with the capacitor bank 30, that through a capacitor 1C3 and a resistor 1R1 is formed.
  • This R / C link forms in connection with the choke 1L1 connected in the connecting line 34 an RF blocking circuit which is used to protect the capacitor bank 30 is provided before RF signals.
  • an igniter 35 is connected on the input side to an AC voltage source X2 and provided with a trigger switch 1S2, by its actuation an ignition pulse can be triggered.
  • the capacitor battery 30 is charged during operation according to the set voltage of the DC voltage source 32, e.g. adjustable between 50V and 300V is, and that by the line resistance and the charging resistance with a certain time constant.
  • the capacitor bank 30 discharges accordingly by their capacity and line resistance and the time constant given by the resistance of the arc.
  • the voltage of the capacitor bank drops 30 below the arc arc voltage, so goes out this and the capacitor bank 30 recharges, whereby the process described is repeated and one Frequency results, which is determined by charging and discharging time constants is.
  • the operation of the ignitor is not required.

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Abstract

Verfahren zur Erzeugung von Plasma mit schwankender Leistung, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer Anode und einer Kathode gezündet und mit diesem Dämpfe oder Gase ionisiert werden. Um Plasma für eine Vielzahl von Anwendungsfällen einsetzen zu können, ist vorgesehen, daß der Lichtbogen mit Spannungsimpulsen betrieben wird, wobei in den Pausen zwischen diesen Spannungsimpulsen die an der Strecke Anode-Kathode anliegende Spannung unter die Brennspannung des Lichtbogens abgesenkt wird, sodaß der Lichtbogen in diesen Pausen erlischt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bei einem bekannten Verfahren der eingangs erwähnten Art wird im wesentlichen kontinuierlich ein Plasmagas durch eine Kammer geblasen, in der sich die Strecke Anode-Kathode befindet. Dabei wird durch eine entsprechende Steuerung der Spannungsversorgung der Anode-Kathode-Strecke ein schwankender Stromfluß über die Lichtbogenstrecke sichergestellt. Üblicherweise schwankt der Strom dabei mit einer Frequenz von 1 bis 10Hz, wobei der Strom maximale Strom meist das 7 bis 15-fache des minimalen Stromes beträgt.
Die Spannungsversorgung ist dabei in der Regel durch einen Transformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter gebildet. Außerdem wird bei den bekannten Verfahren die Strecke Anode-Kathode mit einer der Brennspannung des Lichtbogens entsprechenden Spannung beaufschlagt, wobei zum Zünden des Lichtbogens ein separater Zündimpuls vorgesehen ist.
Wesentlich bei dem bekannten Verfahren ist es, daß der Lichtbogen ständig brennt, wenngleich seines Leistung schwankt.
Für verschiedene Anwendungen ist dieses Verfahren aufgrund der ständige Energieabgabe problematisch.
So gibt ein Plasma in erheblichem Ausmaß UV-Strahlung ab, die z.B. für die Sterilisation von Gegenständen verwendet werden könnte. Allerdings stellt dabei die gleichzeitig erfolgende Abstrahlung einer erheblichen Wärmemenge ein Problem dar.
Ziel der Erfindung ist es diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das es ermöglicht Plasma so zu erzeugen, daß es für verschiedenste Anwendungen verwendet werden kann.
Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich der Vorteil, daß Plasmaimpulse von nur sehr kurzer Dauer erzeugt werden können. Solche Plasmaimpulse, die zwar eine sehr hohe Temperatur aufweisen werden auch von relativ empfindlichen Materialien aufgrund ihrer kurzen Dauer ohne Schäden anzurichten vertragen, da eben die über eine längere Zeit in das zu behandelnde Material eingebrachte Energie unter einer schädlichen Grenze gehalten werden kann.
Grundsätzlich ist es nicht unbedingt erforderlich ein Gas in die Strecke Anode-Kathode einzubringen. So bildet sich aufgrund der Temperatur des Lichtbogens von der Oberfläche der Anode bzw. Kathode austretende Metalldämpfe, die durch den Lichtbogen ionisiert werden und ein Plasma bilden, das aus einer Ausströmöffnung einer die Anode und die Kathode aufnehmenden Kammer ausströmt.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 kann das erfindungsgemäße Verfahren mit sehr einfach gestalteten Einrichtungen durchgeführt werden.
Durch die Merkmale des Anspruches 3 und 4 läßt sich die vom erfindungsgemäß erzeugten Plasma in ein damit beaufschlagtes Werkstück eingebrachte Energie auf niedrigem Niveau halten, so daß auch empfindliche Werkstücke mit einem solchen Plasma, dessen einzelnen Impulse eine hohe Energiedichte aufweisen, bearbeitet werden kann.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 5 vorzuschlagen, das sich für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet und sich durch einen einfachen Aufbau auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird dies durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 5 erreicht.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ergibt sich ein sehr einfacher Aufbau, wobei die Impulszeiten durch entsprechende Dimensionierung der Kondensatoren und des Widerstandes des die Anoden-Kathoden-Strecke enthaltenden Kreises, aber auch des Ladekreises zur Festlegung der entsprechenden Zeitkonstanten sehr einfach festgelegt werden können.
Da es bei der Zündung des Lichtbogens zu einer sehr raschen Erwärmung des im Inneren der Kammer befindlichen Mediums kommt, dehnt sich dieses sehr rasch aus und strömt über die Ausströmöffnung mit hoher kinetischer Energie nach außen ab. In der nachfolgenden Impulspause kann aus der Umgebung Luft in die sich abkühlende Kammer einströmen, sodaß diese praktisch selbstansaugend betrieben werden kann und kein die Kammer ständig durchströmender Gasdurchfluß erzwungen werden muß.
Da die einzelnen Plasmaimpulse mit hoher Geschwindigkeit austreten, kommt es bei deren Austritt zu keiner Vermischung mit der umgebenden Atmosphäre und damit zu keiner Aufweitung des Plasmastrahles. In diesem Zusammenhang hat sich bei Versuchen, ein einem Kugelblitz ähnliches Verhalten der erzeugten Plasmaimpulse gezeigt. Dadurch ist auch eine sehr hohe Energiedichte auf dem zu behandelnden Werkstück sichergestellt.
Die Merkmale des Anspruches 6 ermöglichen eine sehr genaue Festlegung der Zündung des Lichtbogens, wobei jedoch sichergestellt ist, daß das Ende des Spannungsimpulses bzw. der Brenndauer des Lichtbogens durch die Entladung der Kondensatorbatterie auf ein unter der Brennspannung des Lichtbogens liegende Spannung bestimmt ist. Damit ist auch im Falle der Zündung des Lichtbogens mittels einer separaten Zündspannungsquelle sichergestellt, daß zwischen den einzelnen Impulsen der Lichtbogen erlischt und kein Ruhestrom über die Anoden-Kathoden-Strecke fließt.
Die Maßnahmen gemäß dem Anspruch 6 ermöglichen es auch, die Zündung des Lichtbogens noch vor Erreichen der Uberschlagsspannung der Anoden-Kathoden-Strecke auszulösen, wodurch sich die Brennzeit des Lichtbogens und damit die Brennzeit des Plasmaimpulse extrem kurz halten läßt, ohne daß ein besonders hoher Aufwand zu einer besonders niederohmigen Ausbildung des Entladekreises der Kondensatorbatterie getrieben werden muß.
Grundsätzlich ist es auch möglich statt der Kondensatorbatterie als Spannungsversorgung für den Plasmabrenner auch ein technisches Wechselstromnetz oder eine hochfrequenten Wechselstrom liefernde Spannungsquelle in Verbindung mit einer Phasenanschnittsteuerung zu verwenden. Dabei muß bei aus unterschiedlichen Materialien hergestellten Elektroden sichergestellt sein, daß lediglich gleich polarisierte Halbwellen teilweise durchgeschaltet werden, sodaß sich an den unterschiedlichen Elektroden stets Spannungsimpulse mit jeweils gleicher Polarität angelegt werden und sich im wesentlichen gleiche Verhältnisse wie bei einer Versorgung des Plasmabrenners mit Gleichspannungsimpulsen, z.B. aus einer Kondensatorbatterie, ergeben.
Bei aus gleichen Materialien hergestellten Elektroden können an jeder der beiden Elektroden Impulse mit unterschiedlicher Polarität angelegt werden.
Da bei Plasmabrennern aus Gründen einer längeren Lebensdauer in der Regel aus unterschiedlichen Materialien hergestellte Elektroden mit stets gleicher Polarität beaufschlagt werden, wird in der Beschreibung und den Ansprüchen allgemein von Anode und Kathode gesprochen.
Um die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen kurzen Impulse sicherzustellen, wird es in der Regel zweckmäßig sein, eine Durchschaltung mittels der Phasenanschnittsteuerung erst im abfallenden Zweig der entsprechenden Halbwelle vorzusehen, wobei dies auch von der Starrheit der versorgenden Spannungsquelle abhängt. Dabei kann auch vorgesehen sein, die Phasenanschnittsteuerung nach jedem Durchschalten für eine bestimmte Anzahl von Perioden zu sperren, um die Wiederholfrequenz der Plasmaimpulse auf ein gewünschtes Maß herabzusetzen.
Durch die Merkmale des Anspruches 7 ergibt sich der Vorteil, daß die einzelnen Plasmaimpulse mit sehr hoher Geschwindigkeit aus der Ausströmöffnung der Kammer austreten und mit sehr hoher kinetischer Energie auf das zu behandelnde Werkstück auftreffen. Bei Versuchsanordnungen konnten dabei Austrittsgeschwindigkeiten von 1000 bis 2000m/sec ermittelt werden. Dadurch wird es auch möglich sehr kleine Bohrungen in dünnen Blechen oder auch Schweißpunkte herzustellen.
Erfindungsgemäß ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäß hergestellten Plasmas zum Sterilisieren von Gegenständen, insbesondere von Innenräumen von hohlen Gegenständen oder Leitungen vorgesehen.
Dabei werden allfällige Bakterien oder Viren durch die hohe Temperatur der einzelnen Plasmaimpulse, welche ca. 20 000 bis 50 000°C beträgt trotz der nur sehr kurzen Einwirkdauer sicher und rasch abgetötet und durch die kinetische Energie der Plasmaimpulse auch gleichzeitig von der Oberfläche des zu sterilisierenden Gegenstandes entfernt, sodaß keine "Bakterienleichen" zurückbleiben.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehenen fortlaufende Erzeugung sehr kurzer Plasmaimpulse lasen sich diese auch für chirurgische und zahnärztliche Zwecke, z.B. statt Laserskalpelle, verwenden.
In beiden Fällen kommen Plasmabrenner mit relativ kleiner Leistung zum Einsatz, die z.B. Leistungen von 0,5kW bis 10kW aufweisen.
Weiters läßt sich das erfindungsgemäß erzeugte Plasma auch sehr gut für Punktschweißungen oder der Herstellung von aus Schweißpunkten hergestellten Nähten verwenden.
Dabei ergibt sich bei einer Erzeugung der Plasmaimpulse mit einer Frequenz von ca. 7Hz ein einem Fließplasma ähnliches Verhalten, jedoch ohne, daß es aufgrund der Vermischung der Randzonen des Plasmastrahles mit der umgebenden Atmosphäre zu einem nennenswerten Abzug von Energie aus dem Plasmastrahl kommt. Was zu einer unerwünschten Aufheizung der Umgebung und einer unerwünschten Erwärmung des Werkstückes außerhalb des eigentlichen Bearbeitungsbereiches kommt.
Dadurch wird für eine Schweißung mit einem erfindungsgemäß hergestellten Plasma auch erheblich weniger Energie benötigt als mit dem bisher üblichen Fließplasma. Außerdem ergibt sich insgesamt eine geringere Erwärmung des Werkstückes und damit auch geringere thermische Spannungen und Deformationen des Werkstückes. Außerdem erfolgt auch die Erstarrung der einzelnen Schweißpunkte aufgrund der sehr kleinen Schmelzbadvolumina rascher als bei einer Schweißung mit Fließplasma. Dies ermöglicht es auch in jeder Schweißlage, d.h. auch in Überkopflage, eine gute Schweißqualität zu erzielen.
Selbstverständlich müssen die zur Erzeugung des Plasmaimpulses erforderlichen Plasmabrenner eine entsprechende Leistung aufweisen, z.B. 20kW bis 150kW oder mehr, je nach den zu verschweißenden Teilen. Dabei kann eine Punktschweißung von Feinblechen mit lediglich einem Plasmaimpuls von nur kurzer Dauer von z.B. 10-3 bis 10-5sec hergestellt werden.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
  • Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch einen Halter mit einem eingesetzten Plasmaerzeuger,
  • Fig. 2 schematisch einen Schnitt im vergrößertem Maßstab durch den Plasmaerzeuger nach der Fig. 1,
  • Fig. 3 schematisch die elektrische Schaltung einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
    • Bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 ist ein aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B. Keramik hergestellter im wesentlichen hohlzylindrischer Halter 1 vorgesehen, in dessen einem Endbereich ein ebenfalls aus einem Isoliermaterial hergestellter Einsatz 2 eingepreßt ist.
    Dieser Einsatz 2 ist von einem zentralen, eine Gaszuführleitung 3 bildenden Rohr durchsetzt, das an der Stirnseite des über die Stirnseite des Halters 1 vorragenden Einsatzes 2 endet. Weiters weist der Einsatz 2 noch zwei in einer Diametralebene liegende Bohrungen 4, in denen als Widerlager dienende Einpreßteile 7 gehalten sind, die ihrerseits von den Seelen 5 von Anschlußleitungen 6 mit Spiel durchsetzt sind.
    Diese Anschlußleitungen 6 sind mit einer in der Fig. 3 dargestellte Spannungsversorgung verbunden, die in einer vorgegebenen Frequenz Spannungsimpulse liefert.
    An diesen Einpreßteilen 7 stützen sich Druckfedern 8 ab, die Kontaktstifte 9, die mit den Seelen 5 verlötet sind, nach außen drängen. Dabei sind die Kontaktstifte 9 an ihrem freien Ende mit einem stirnseitigen Ansatz 10 versehen, der mit einer Kontaktfläche eines Plasmaerzeugers 11 zusammenwirkt, der in einer an der Stirnseite des Halters 1 angeordneten Befestigungseinrichtung 12 gehalten ist, die als ein aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellter Bügel ausgebildet ist, in den der Plasmaerzeuger 11 von oben her eingesetzt ist.
    Dieser Plasmaerzeuger 11 weist einen Verbindungsteil 13 aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Keramik auf, der in seinem unteren Bereich sich kegelförmig verjüngend ausgebildet ist und an seiner unteren Stirnseite eine Öffnung 14 aufweist.
    Diese Öffnung 14 ist von einer ringförmigen Anode 15 durchsetzt, die in üblicher Weise aus einem elektrisch leitenden und thermisch hoch belastbaren Material hergestellt ist und in ihrem Mündungsbereich eine Düsenöffnung 16 aufweist.
    Die Anode 15 weist einen sich nach oben zu konisch erweiternden Bereich auf, der innen an dem Verbindungsteil 13 anliegt und der in einen zylindrischen Bereich übergeht.
    An der oberen Stirnseite der Anode 15 liegt ein Zwischenteil 17 an, der ringförmig ausgebildet und aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Keramik, hergestellt ist.
    An der oberen Stirnseite des Zwischenteiles 17 liegt ein aus einem elektrisch gut leitenden Material, z.B. Kupfer, hergestellter Halteteil 18 an, in dem eine Kathode 19 eingepreßt ist, die aus einem elektrisch leitenden und thermisch hoch belastbaren Material, wie z.B. Wolfram-Ceroxid-Legierung hergestellt ist und in ihrem der Düsenöffnung 16 der Anode 15 nahen Endbereich konisch ausgebildet ist.
    Die Anode 15, wie auch der Halteteil 18 sind zur Festlegung der gegenseitigen Lage der Kathode 10 und der Düsenöffnung 16 der Anode zweckmäßigerweise in den Verbindungsteil 13 eingepaßt.
    Die Anode 15, der Zwischenteil 17 und der Halteteil 18 mit der eingepreßten Kathode 19 bilden dabei gemeinsam mit dem Verbindungsteil 13 einen Modul des Gerätes, der leicht in den Halter eingebaut und aus diesem wieder entfernt werden kann.
    Auf der oberen Stirnseite es Halteteiles 18 liegt ein aus einem Isoliermaterial hergestellter Druckteil 20 an, der eine die Kathode 19 mit Spiel aufnehmende Bohrung 21 aufweist und über die Stirnseite des Verbindungsteiles 13 vorragt.
    Dieser Druckteil 20 wirkt mit einem Deckel 22 zusammen der auf ein im der oberen Stirnseite des Verbindungsteiles 13 nahen Bereich angeordneten Außengewindes 23 aufgeschraubt ist.
    Der Verbindungsteil 13 ist mit drei entlang einer Mantellinie angeordneten radialen Bohrungen 24, 25 versehen, von denen die Bohrungen 24 den Durchtritt der Ansätze 10 der Kontaktstifte 9 ermöglichen und im Bereich des Halteteiles 18, bzw. der Anode 15 liegen. Die Bohrung 25 ist im Bereich des Zwischenteiles 17 angeordnet und fluchtet mit einem radial verlaufenden Einlaß 26 des Zwischenteiles der zu einer durch die Innenwand des Zwischenteiles 17 begrenzten Kammer 27 führt, die von der Kathode 19 durchsetzt ist.
    Dabei fluchtet die Bohrung 25 bei in den Halter 1 eingesetztem Plasmaerzeuger, der als Modul aufgebaut ist, auch mit der im Halter 1 vorgesehenen Gaszuführleitung 3.
    Zum Einbau des als Modul aufgebauten Plasmaerzeugers 11 genügt es die Anschlußleitungen 6, deren Isoliermäntel 28 mit Spiel in den Bohrungen 4 des Einsatzes 2 des Halters 1 geführt sind, zurückzuziehen und den Plasmaerzeuger 11 von oben in den Bügel 12 einzusetzen. Danach können die Anschlußleitungen 6 losgelassen werden und die Kontaktstifte 9 rasten in die Bohrungen 24 des Verbindungsteiles 13 ein und sichern die Lage des Plasmaerzeugers 11 im Halter 1. Gleichzeitig werden sich mit ihren Stirnflächen mittels der Federn 8 an den Halteteil 8, bzw. die Anode 15 angepreßt und so ein guter elektrischer Kontakt hergestellt.
    Beim Betrieb des Plasmaerzeugers 11 kann über die Gaszuführleitung 3 ein Gas, z.B. Helium, CO2 u.a., in die Kammer 27, die u.a. auch von der eine Düsenöffnung 16 bestimmenden Anode 15 begrenzt ist, eingeleitet, das die Kathode 19 umspült und diese im Betrieb gleichzeitig kühlt.
    Wird nun ein Spannungsimpuls, dessen Spannung über der Überschlagsspannung der Strecke Anode 15 - Kathode 19 liegt, so bildet sich ein Lichtbogen aus, der ein Plasma erzeugt, das aus der Düsenöffnung 16 austritt und z.B. zum Herstellen einer Schweißnaht oder zum Schneiden von Materialien verwendet werden kann. Sinkt die an der Kathode 19 und der Anode 15 anliegende Spannung unter die Brennspannung des Lichtbogens ab, so erlischt dieser und der Stromfluß über die Anoden-Kathoden-Strecke wird unterbrochen.
    Grundsätzlich ist jedoch zu bemerken, daß eine Einleitung von Gas in die Kammer 27 nicht unbedingt erforderlich ist und diese auch keine Bohrung 25 aufweisen muß. In einem solchen Fall saugt die Kammer 27 nach dem Ausstoßen eines Plasmaimpulses nach dem Verlöschen des Lichtbogens aus der Umgebung Luft an. Beim nachfolgenden Zünden eines neuen Lichtbogens aufgrund des Anlegens eines weiteren Spannungsimpulses wird die Luft durch den Lichtbogen ionisiert und rasch erwärmt. Wodurch sie sich entsprechend rasch ausdehnt und mit hoher Geschwindigkeit aus der Düsenöffnung 16 ausströmt.
    Eine Spannungsversorgung für einen Plasmaerzeuger nach den Fig. 1 und 2 ist in der Fig. 3 dargestellt.
    Dabei ist eine Kondensatorbatterie 30 über einen Ladewiderstand 31 mit den Anschlüssen X1 einer regelbaren Gleichspannungsquelle 32 verbunden. Die Kondensatorbatterie 30 weist einen fest angeschlossenen Kondensator 1C1 und einen über einen Schalter 1S1 zu diesem parallel zuschaltbaren Kondensator 1C2 auf, wobei es sich in beiden Fällen auch um Gruppen von Kondensatoren handeln kann.
    Diese Kondensatorbatterie 30 ist über Anschlußleitungen 33 34 mit dem Plasmaerzeuger 11, bzw. dessen in der Fig. 3 nicht dargestellten Kathode und Anode verbunden.
    Parallel zur Kondensatorbatterie 30 ist ein R/C-Glied geschaltet, das durch einen Kondensator 1C3 und einen Widerstand 1R1 gebildet ist. Dieses R/C-Glied bildet in Verbindung mit der in der Anschlußleitung 34 geschalteten Drossel 1L1 einen HF-Sperrkreis, der zum Schutz der Kondensatorbatterie 30 vor HF-Signalen vorgesehen ist.
    Weiters sind noch die Ausgänge eines Zündgerätes 35 an die Anschlußeitungen 33, 34 angeschlossen. Dieses Zündgerät 35 ist eingangsseitig mit einer Wechselspannungsquelle X2 verbunden und mit einem Triggerschalter 1S2 versehen, durch dessen Betätigung ein Zündimpuls auslösbar ist.
    Beim Betrieb kommt es zur Aufladung der Kondensatorbatterie 30 entsprechend der eingestellten Spannung der Gleichspannungsquelle 32, die z.B. zwischen 50V und 300V einstellbbar ist, und der durch die Leitungswiderstände und den Ladewiderstand mitbestimmten Zeitkonstante.
    Erreicht die Kondensatorbatterie eine Spannung, die der Überschlagsspannung der Anoden-Kathoden-Strecke 15, 19 des Plasmaerzeugers 11 entspricht, so kommt es zum Zünden eines Lichtbogens zwischen Anode 15 und Kathode 19 (Fig. 2) und damit zur Bildung von Plasma in der Kammer 27 des Plasmaerzeuger 11.
    Gleichzeitig entlädt sich die Kondensatorbatterie 30 entsprechend der durch deren Kapazität und den Leitungswiderständen und dem Widerstand des Lichtbogens gegebenen Zeitkonstante. Sinkt durch diese Entladung die Spannung der Kondensatorbatterie 30 unter die Brennspannung des Lichtbogens ab, so erlischt dieser und die Kondensatorbatterie 30 lädt sich wieder auf, wodurch sich der beschriebene Vorgang wiederholt und sich eine Frequenz ergibt, die durch Lade- und Entlade-Zeitkonstanten bestimmt ist. Dabei ist der Betrieb des Zündgerätes nicht erforderlich.
    Für bestimmte Anwendungen kann es erwünscht sein. Den Zündzeitpunkt des Lichtbogens genau zu bestimmen oder einen solchen vor Erreichung der Überschlagsspannung der Anoden-Kathoden-Strecke auszulösen.
    In diesem Fall wird durch Betätigung des Triggerschalters 1S2 ein Zündimpuls ausgelöst, der zur Zündung eines Lichtbogens zwischen der Anode 15 und der Kathode 19 des Plasmaerzeugers 11 führt, ohne daß die Kondensatorbatterie eine der Überschlagsspannung dieser Strecke entsprechende Spannung erreicht hat. Auf diese Weise kann auch das Tastverhältnis, das z.B. zwischen 1:10 und 1:100 und darüber hinaus gewählt werden kann, entsprechend verändert werden und das Verhältnis zwischen der Brenndauer des Lichtbogens und dessen Brennpause während eines Zyklusses im Sinne einer Verlängerung der Brennpause verändert werden, da die Energie der hochfrequenten Zündimpulse des Zündgerätes zwar zum Zünden des Lichtbogens, nicht aber zu dessen Aufrechterhaltung ausreicht, wenn die Spannung der Kondensatorbatterie unter der Brennspannung des Lichtbogens abgesunken ist.

    Claims (10)

    1. Verfahren zur Erzeugung von Plasma mit schwankender Leistung, bei dem ein Lichtbogen zwischen einer Anode und einer Kathode gezündet und mit diesem Dämpfe oder Gase ionisiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen mit Spannungsimpulsen betrieben wird, wobei in den Pausen zwischen diesen Spannungsimpulsen die an der Strecke Anode-Kathode anliegende Spannung unter die Brennspannung des Lichtbogens abgesenkt wird, sodaß der Lichtbogen in diesen Pausen erlischt.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse die Überschlagsspannung der Strecke Anode-Kathode übersteigen.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Spannungsimpulse 10-5 bis 10-3sec, vorzugsweise 10-5 bis 10-4sec, beträgt.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Pausen zwischen den Spannungsimpulsen die 10- bis 100-fache Dauer der Spannungsimpulse beträgt.
    5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein Plasmaerzeuger (11) vorgesehen ist, der eine mit einer Ausströmöffnung (16) versehene Kammer (27) aufweist, in der eine Anode (15) und eine Kathode (19) angeordnet sind, die mit einer Spannungsversorgung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsversorgung durch eine Kondensatorbatterie (30) gebildet ist, die mit einer Ladeschaltung (31, 32) verbunden ist und ausgangsseitig mit der Anode (15) und Kathode (19) des Plasmaerzeugers (11) verbunden ist.
    6. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Anode (15) und Kathode (19) zusätzlich ein separates, vorzugsweise HF-Signale lieferndes, Zündgerät (35) angeschlossen ist, wobei die von der Kondensatorbatterie (30) gelieferte maximale Spannung kleiner als die Überschlagsspannung der Anoden-Kathoden-Strecke (15, 19) ist.
    7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Ausströmöffnung (16) des Plasmaerzeugers (11) 10µm bis 100µm beträgt.
    8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Sterilisieren von Gegenständen, insbesondere von Innenräumen von hohlen Gegenständen oder Leitungen.
    9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für chirurgische oder zahnärztliche Zwecke.
    10. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Punktschweißen.
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