EP2168409B1 - Vorrichtung zur erzeugung eines plasma-jets - Google Patents

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EP2168409B1 EP08759132A EP08759132A EP2168409B1 EP 2168409 B1 EP2168409 B1 EP 2168409B1 EP 08759132 A EP08759132 A EP 08759132A EP 08759132 A EP08759132 A EP 08759132A EP 2168409 B1 EP2168409 B1 EP 2168409B1
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Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
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Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
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    • H05H1/32Plasma torches using an arc
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets.
  • Eine derartige Vorrichtung ist aus der noch nicht vorveröffentlichten deutschen Prioritätsanmeldung DE 10 2006 012 100.7-54 bekannt. Sie weist ein Entladungsrohr aus dielektrischem Material auf, in dessen Innerem eine innere, stabförmige, massive Elektrode in Längsrichtung sich erstreckend angeordnet ist. Eine zweite Elektrode umfasst das Entladungsrohr. Dies kann direkt oder mit radialem Abstand geschehen. Zur Erzeugung des Plasma-Jets wird die innere, stabförmige Elektrode auf Hochspannung gelegt, während die äußere Elektrode geerdet ist. Damit kommt es auf Grund der Verhältnisse des elektrischen Feldes zu einer dielektrisch behinderten Entladung und bevorzugt zu einer Zündung des Plasmas an der Spitze der inneren, stabförmigen Elektrode. Um einen Überschlag zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode, also eine direkte Ausbildung eines Lichtbogens, zu verhindern, ist am Ende des Entladungsrohres eine Abschlusskappe aus dielektrischem Material vorgesehen. Bei dem dabei erzeugten Plasma handelt es sich um "kaltes Plasma" unter Atmosphärendruck, das eine gennge Gastemperatur, bis maximal einige 100 Grad Celsius, aufweist.
  • Erhöht man jedoch nach Zündung der bekannten Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets für einen längeren Zeitraum die anliegende Spannung, um mehr Leistung einzukoppeln, so hat sich bei thermischen Messungen gezeigt, dass die Temperaturentwicklung im Zündungsbereich des Plasmas so stark ist, dass dies zu einer plastischen Verformung der Bauteile führen kann. Die anlegbare Spannung ist also in ihrer Höhe begrenzt.
  • Des Weiteren ist aus der Offenlegung DE 10 2005 042 955 A1 bereits ein Kühlsystem für Plasmaschweißbrenner zur Reduzierung der Temperatur bekannt, wobei hier als Kühlmittel Wasser dient und wobei mehrere, voneinander räumlich und elektrisch getrennte Einheiten als Kühlkreisläufe vorgesehen sind.
  • Nachteilig bei diesem bekannten Kühlsystem ist der enorme bauliche Aufwand, der betrieben werden muss, um eine Potentialverschleppung zwischen den unterschiedlichen Potentialen der Wolframelektrode und der Plasmadüse des Plasmabrenners zu verhindern. Auch ist es nicht wünschenswert im Zuge der Betriebssicherheit, in einem elektrischen System, bei dem sehr hohe elektrische Ströme und Spannungen auftreten, ein elektrisch leitendes Fluid, hier Wasser, als Kühlmittel zu verwenden.
  • J. Toshifuji at al.; Surface end Coatings Technology 171 (2003) 302-306, offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit einem dielektrischen Entladungsrohr, einer Mittelelektrode und einer zweiten konzentrischen Gegenelektrode. DE 2654485 offenbart eine Kühleinrichtung bei einem Plasmabrenner. Aufgabe der Erfindung ist es demnach, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets der eingangs genannten Art mit einer zusätzlichen Kühlungsanordnung bereit zu stellen, bei der es trotz hoher eingekoppelter Leistung zu keiner thermischen Überbelastung kommt. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine baulich einfache und betriebsmäßig sichere Lösung dafür zu finden.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders vorteilhaft Weiterbildungen der Erfindung.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Kühlungsanordnung weist eine Gegenelektrode auf, die derart ausgebildet ist, dass sie im Zündbereich des Plasmas eine Oberflächensegmentierung bzw. -vergrößerung, z. B. in Form von Kühlrippen aufweist, die zu einem besseren Abtransport der bei der Plasmazündung entstehenden thermischen Energie führt.
  • Erfindungsgemäß ist ein Kühlkörper an der Gegenelektrode angeordnet.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an der Kühlungsanordnung ein elektrischer Temperatursensor vorgesehen, der Teil eines Regelkreises ist und sicherstellt, dass die thermische Belastung des Systems eine vorher definierte Grenztemperatur nicht überschreitet.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kühlkörper ausgebildet, dass er sowohl als Halterung der Vorrichtung in automatisierten Fertigungsanlagen dient, als auch zugleich die Aufnahme des Temperatursensors ermöglicht.
  • Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Zeichnungen noch beispielhaft näher erläutert werden:
  • Die Figuren zeigen:
  • Fig.1
    eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit einer Kühlungsanordnung in einer seitlichen Schnittdarstellung
    Fig. 2
    eine erfindungsgemäße Kühlungsanordnung für eine solche Vorrichtung in einer Schnittdarstellung.
    Zunächst soll die in Figur 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets näher erläutert werden.
  • Sie zeigt ein Entladungsrohr 1 aus dielektrischem Material, in dessen Innerem eine zentrale, stabförmige Mittelelektrode 2 angeordnet ist, die gleichzeitig eine vertikale Mittelachse verkörpert. Eine zweite Elektrode 3, die die Gegenelektrode zur zentralen Mittelelektrode 2 bildet, ist dabei rotationssymmetrisch ausgebildet, so dass das dielektrische Entladungsrohr 1, die zentrale Mittelelektrode 2 und die Gegenelektrode 3 einen koaxialen Aufbau mit einer offenen Stirnseite bilden, an der der Plasma-Jet, d. h. der eigentliche Plasma-Strahl erzeugt wird. Hierzu wird die zentrale Mittelelektrode 2 auf Hochspannung gelegt, während die äußere Gegenelektrode 3 geerdet ist. Die Gegenelektrode 3 weist dabei auf der der zentralen Mittelelektrode 2 abgewandten Seite eine umlaufende, radiale Segmentierung 5 in Form von Kühlrippen im Bereich der Plasmaeinkopplung auf. Alternativ, aber in der Figur nicht dargestellt, ist es auch möglich, die Kühlrippen axial an der Gegenelektrode 3 zu segmentieren. Die durch die Segmentierung 5 bewirkte Vergrößerung der Oberfläche im Bereich der Plasmaeinkopplung sorgt bei entsprechender Zwangsbelüftung für einen ausreichenden Abtransport der entstehenden thermischen Energie. Für eine erzwungene Luftzu- und Luftabfuhr sorgt ein erfindungsgemäß an der Gegenelektrode 3 form- und kontaktschlüssig angebrachter Kühlkörper 6 aus Kunststoff, der einen Lufteintritt 7 und einen, vorzugsweise auf der dem Lufteintritt 7 gegenüberliegenden Seite, mit mehreren Öffnungen versehenen Luftaustritt 8 aufweist. Dabei wird ein über den Lufteintritt 7 ankommender Luftvolumenstrom 11 mit Hilfe einer gelenkten Konvektion durch die umlaufende Segmentierung 5 der Gegenelektrode 3 bis hin zum Luftaustritt 8 des Kühlkörpers 6 zwangsgeführt; genauer dargestellt und erklärt in Figur 2.
  • Außerdem ist im Bereich der Segmentierung 5 in dem Kühlkörper 6 ein elektrischer Temperatursensor 9 integriert, der Teil eines elektrischen Regelkreises ist und sicherstellt, dass die thermische Belastung des Systems eine vorher definierte Grenztemperatur nicht überschreitet und bei Bedarf eine Zwangsabschaltung des Systems als Sicherheitsmaßnahme erfolgen kann.
  • An der lufteintrittseitigen Öffnung 7 des Kühlkörpers 6 ist eine Umlenkeinheit 10 angeordnet, die einen ankommenden Luftvolumenstrom 11 an die Öffnung des Kühlkörpers 6 führt. Der Luftvolumenstrom 11 ist dabei variabel einstellbar und für den jeweiligen Kühlungsbedarfsfall frei definierbar. Wird beispielsweise eine höhere Leistung in die Vorrichtung eingekoppelt, um einen intensiveren Plasmastrahl zu bekommen, bedingt dies zwangsläufig eine höhere thermische Belastung der Bauteile besonders im Bereich der Plasmaeinkopplung. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, muss der Luftvolumenstrom 11 erhöht werden, um eine ausreichende Kühlung der Bauteile mit Hilfe des erfindungsgemäßen Kühlkörpers 6 und der umlaufenden Segmentierung 5 der Gegenelektrode 3 zu gewährleisten. Somit ist es möglich, für den jeweiligen Kühlungsbedarfsfall eine im Zusammenwirken mit dem Temperatursensor 9 geregelte und definierte Temperaturkurve zu fahren.
  • Der Kühlkörper 6 und die Umlenkeinheit 10 sind dabei derart ausgebildet, dass sie sowohl als maschinelle Halterung der Vorrichtung in automatisierten Fertigungsanlagen dienen, als auch zugleich die Aufnahme des Temperatursensors 9 ermöglichen.
  • Weiterhin ist an der offenen Stirnseite eine dielektrische Abschlusskappe 4 an dem Entladungsrohr 1 angebracht, die durch Verschrauben mit der Gegenelektrode 3 befestigt ist. Die Abschlusskappe 4 besteht z. B. aus Teflon oder einem anderen Kunststoff mit entsprechender thermischer und mechanischer Stabilität, alternativ aber auch aus Keramik. Durch das Anbringen der Abschlusskappe 4 wird ein Überschlag, d. h. ein direkter Lichtbogen zwischen der zentralen Mittelelektrode 2 und der geerdeten Gegenelektrode 3 verhindert, da der Abstand zwischen diesen beiden Elektroden nun elektrisch wesentlich größer ist. Gleichzeit dient die Abschlusskappe 4 bei dieser Ausführungsform als thermischer Wärmespeicher, der durch die Kontaktschlüssigkeit mit dem Kühlkörper 6 zwangsgekühlt wird.
  • Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Kühlungsanordnung für eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets in einer Schnittdarstellung. Zentral in dem Kühlkörper 6 ist die Mittelelektrode 2 sichtbar, die mit dem Entladungsrohr 1 und der Gegenelektrode 3 konzentrisch aufgebaut ist und in Wirkverbindung steht.
  • Der über den Luftzufuhrkanal 12 einströmende und in diesem Bereich noch gebündelte Luftvolumenstrom 11 wird dabei über die Umlenkeinheit 10 hin zum Lufteintritt 7 des Kühlkörpers 6 geleitet und auf die vorhandenen Segmente der Kühlrippen 5 der Gegenelektrode 3 aufgespaltet.
  • In Figur 2 ist exemplarisch der Verlauf der Luftkonvektion 13 für ein Segment der Kühlrippen 5 sichtbar. Dabei strömt die am Lufteintritt 7 ankommende Luft über das Segment der Kühlrippe 5 und der Gegenelektrode 3, erwärmt sich, indem sie die bei der Plasmaeinkopplung entstehende thermische Energie aufnimmt und strömt anschließend durch einen möglichen Ausgang der Öffnungen des Luftaustritts 8. Im Rahmen der Erfindung ist auch eine entgegengesetzte Richtung der Luftströmung möglich.
  • Insgesamt ist durch die Erfindung eine effektive Kühlung mit einfachen technischen Mitteln realisiert.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets mit mindestens einem Entladungsrohr (1),
    wobei die Wandung des Entladungsrohres (1) aus dielektrischem Material besteht, wobei eine erste Mittelelektrode (2), massiv ausgebildet und zentrisch im Inneren des Entladungsrohres (1) in dessen Längsrichtung sich ersteckend angeordnet ist, wobei eine zweite Gegenelektrode (3) in axialer Richtung die Wandung des Entladungsrohres (1) konzentrisch umschließend angeordnet ist, derart, dass erste Mittelelektrode (2), Entladungsrohr (1) und zweite Gegenelektrode (3) einen koaxialen und im Querschnitt konzentrischen Aufbau mit einer mit einer offenen Stirnseite bilden, an der der Plasma-Jet erzeugbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Gegenelektrode (3) auf der der Mittelelektrode (2) abgewandten Seite eine umlaufende, radiale Segmentierung (5) aufweist
    und dass an der Gegenelektrode (3) auf der die Segmentierung (5) aufweisenden Seite form- und kontaktschlüssig ein Kühlkörper (6) angebracht ist, der mindestens einen Lufteintritt (7) und mindestens einen Luftaustritt (8) aufweist, derart, dass er von Luft durchströmbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass im Bereich der Segmentierung (5) ein elektrischer Temperatursensor (9) angeordnet ist, der Teil eines elektrischen Regelkreises ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die umlaufende, radiale Segmentierung der Gegenelektrode (3) im Bereich der Plasmaeinkopplung vorgesehen ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an der Stirnseite der Vorrichtung, an der der Plasma-Jet erzeugbar ist, eine dielektrische, konzentrische Abschlusskappe (4) angeordnet ist, die die zweite Gegenelektrode (3) umgreift und als Wärmespeicher dient.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kühlkörper (6) sowohl Haltemittel für die Vorrichtung aufweist als auch den Temperatursensor aufnimmt.
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