EP3930889A1 - Plasmadüse und plasmavorrichtung - Google Patents

Plasmadüse und plasmavorrichtung

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Publication number
EP3930889A1
EP3930889A1 EP20706231.6A EP20706231A EP3930889A1 EP 3930889 A1 EP3930889 A1 EP 3930889A1 EP 20706231 A EP20706231 A EP 20706231A EP 3930889 A1 EP3930889 A1 EP 3930889A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channel
nozzle
transport
plasma
base body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20706231.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Karl Hable
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Noble Powder GmbH
Original Assignee
Noble Powder GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Noble Powder GmbH filed Critical Noble Powder GmbH
Publication of EP3930889A1 publication Critical patent/EP3930889A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • 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
    • 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
    • H05H1/28—Cooling arrangements
    • 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
    • H05H1/3484—Convergent-divergent nozzles
    • 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
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0869—Feeding or evacuating the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0879—Solid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J2219/0873—Materials to be treated
    • B01J2219/0881—Two or more materials
    • B01J2219/0886—Gas-solid

Definitions

  • the present invention relates to a nozzle device and a method for bringing together ionizable gases and substances or
  • the present invention also relates to a system for generating chemical and / or physical processes such as generating or recycling a powder from a substance.
  • Manufacturing process manufactured Using additive manufacturing processes, for example, a material is applied layer by layer, creating complex three-dimensional components.
  • the layer-wise build-up is computer-controlled from one or more liquid or solid, in particular powdery, materials.
  • physical and chemical processes for the remelting and hardening process take place.
  • Typical materials for 3D printing are plastics, synthetic resins,
  • the base material is melted and atomized by means of an ionized plasma jet.
  • Individual powder particles produced by the plasma atomization process are extremely homogeneous and spherulitic.
  • the spherulitic powder particles produced in this way can then be used, for example, for additive manufacturing or for further use as reactants with other materials.
  • US Pat. No. 5,707,419 A discloses a cooling chamber in which three plasma torches are coupled in order to cross corresponding plasma jets at a vertex in the interior of the cooling chamber. In this vertex a wire will be inserted from a wire turn so that it can be in the
  • Vertex is melted.
  • a chemical and / or physical process between substances can also generally be brought about by means of plasma jets.
  • This object is achieved with a nozzle device for bringing together ionizable gases and a base material (or a substance), a system for the chemical and / or physical treatment of a
  • Basic material of the product such as a powder from a basic material, as well as a method for combining an ionized gas and a basic material according to the independent claims.
  • a nozzle device for bringing together an ionizable gas and a base material in an interaction area or reaction area is provided.
  • Nozzle device initially has a base body which has a transport channel for guiding a substance or a
  • the main body also has a first plasma channel for guiding a first ionizable gas along the transport direction and a second plasma channel (which is spaced from the first plasma channel) for guiding a second ionizable gas along the
  • the first plasma channel has a first gas outlet and the second plasma channel has a second gas outlet.
  • the base body also has a coupling area for a
  • Electrode device such that the first ionizable gas in the first plasma channel and the second ionizable gas in the second
  • the nozzle device has a nozzle element which is coupled to the base body at the end region thereof.
  • the nozzle element has a further transport channel which is coupled to the transport channel in such a way that the base material can be transferred from the base body into an interaction area or reaction area outside the nozzle element along the transport direction.
  • the nozzle element has a first nozzle outlet, which is coupled to the first plasma channel, and a second nozzle outlet, which is coupled to the second plasma channel.
  • the first nozzle outlet for guiding the first ionizable gas and the second nozzle outlet for guiding the second ionizable gas are designed such that the first ionizable gas and the second ionizable gas can flow into the reaction region for reaction with the base material.
  • the method initially has the step of guiding the base material in the transport channel along a transport direction to an end region of the base body, guiding the first ionizable gas along the transport direction in the first plasma channel and guiding the second ionizable gas along the transport direction in the second plasma channel . Furthermore, the method has the step of ionizing the first ionizable gas in the first plasma channel and the second ionizable gas in the second plasma channel by means of an electrode device.
  • the base material is in the further transport channel of the nozzle element from the transport channel into the interaction area outside the nozzle element along the
  • the first ionized gas is through the first nozzle outlet and the second ionized gas is through the second Nozzle outlet flowed into the interaction area to react with the base material.
  • the substance or the base material is, for example, a solid such as a wire, for example a copper wire, aluminum wire, nickel wire, titanium wire or a tungsten wire. Alternatively this can
  • Base material can also be a liquid material or a gaseous material.
  • the base material is intended to react with the ionizable gas or to be melted or vaporized due to the high temperature of the ionizable gas.
  • An inert gas or argon (Ar), for example, can be used as the ionizable gas which, in a charged state, hits the base material in the interaction area as a plasma gas.
  • the main body consists of a solid material with a high
  • the base body can, for example, from
  • Alumina, Zirconia, SiAION are made.
  • the base body is in particular formed integrally and in one piece and has the transport channel, the first plasma channel and the second
  • Plasma channel on In other words, several plasma channels and the first one transport channel run in an integral one-piece
  • the main body can have one or a plurality of
  • the base body can furthermore have exclusively the first and the second plasma channel or a multiplicity of further first second plasma channels, it being possible for one and the same ionizable gas or a multiplicity of different ionizable gases to pass through the plasma channels.
  • the direction of transport defines in particular the advance or the
  • the base body has a coupling area for a
  • the electrode device can be attached to the base body directly or indirectly, for. B. to a nozzle housing and provide an energy input into the corresponding first and / or second plasma channel.
  • the electrode device has, for example, a radiation head which introduces high-frequency radiation into the corresponding plasma channels. Due to the high energy input, the gas is in the
  • the electrode device is centrally coupled to the nozzle element and the base body.
  • Electrode device the desired state of the plasma, such as for
  • Example temperature or flow condition when it hits the substance or the base material Example temperature or flow condition when it hits the substance or the base material.
  • the nozzle element consists of a solid material with a high
  • the nozzle element can, for example, from
  • the nozzle element has in particular a further transport channel, a first nozzle outlet and a second nozzle outlet.
  • the nozzle element is attached to an end region of the base body.
  • the nozzle element is such coupled to the base body that the transport channel and the other
  • Transport channel and the first nozzle outlet are coupled to the first plasma channel and the second nozzle outlet to the second plasma channel.
  • the nozzle element may, for example, be integral and one-piece with the
  • Base body be formed or detachable, for example by means of a
  • the first and / or the second nozzle outlet can furthermore have special tapering channels and accordingly at the outlet in the direction
  • the nozzle outlets can each form a Laval nozzle.
  • the nozzle outlets are designed such that the correspondingly ionized gas flows into the interaction area.
  • the further transport channel is designed so that the base material through the further transport channel of the
  • Nozzle element can be passed and protrudes into the interaction area.
  • the first nozzle outlet and the second nozzle outlet are designed in particular such that the first ionizable gas and the second ionizable gas meet at an apex in the interaction area.
  • the further transport channel is designed so that the base material also runs through the apex.
  • the interaction area or reaction area is correspondingly in
  • the physical and / or chemical process such as a reaction between the base material and the ionizable or ionizable material takes place in the interaction area.
  • the temperature at the apex can be adjusted.
  • the temperature at the apex can be due to the ionized gas and / or due to an exothermic reaction, for example of the ionized gas with the base material have a temperature of over 1000 ° C, in particular.
  • Gas composition a physical and / or a chemical process can be generated between the ionized gas and the base material.
  • the base material is automated due to the temperature of the ionized gas and melted into small, in particular spherical drops.
  • the molten droplets can be solidified into particles, so that a powder, which is necessary for additive manufacturing, for example, is provided.
  • ionizable gas with a base material can be provided a desired operation without complex equipment, since the
  • Electrode device off to bring about a desired action.
  • the ionizable gases and the base material are brought into the desired state due to their physical and / or chemical properties.
  • Nozzle device and its geometry is according to
  • the base body and the nozzle element are formed integrally.
  • the nozzle element can, for example, be attached to the base body
  • Base bodies are produced together in an additive manufacturing process.
  • the nozzle element and the base body can be produced using a casting process.
  • the transport channel is designed as a bore in the interior of the base body.
  • the hole can be made, for example, by means of drilling or milling or, when the base body is manufactured, using the casting process or using the additive method
  • the base body is designed to be rotationally symmetrical, with a central axis of the base body being designed parallel to the transport direction.
  • the base body has a cylindrical shape with a round, oval or polygonal base.
  • the normal of a base is, for example, formed parallel to the transport direction.
  • Transport channel along the central axis (axis of rotation) of the base body.
  • the transport channel is therefore in the center of the base body and extends in particular in a translatory manner.
  • the nozzle outlet and / or the second nozzle outlet are designed in such a way that the corresponding ionizable gas has a flow direction with a (directional) component that is radial to the central axis.
  • the direction parallel to the transport direction is defined as the axial direction.
  • the radial direction corresponds to a direction which is orthogonal to the axial direction and runs through the central axis or axis of rotation of the base body.
  • the circumferential direction is orthogonal to the axial direction and the radial direction.
  • the first or second nozzle outlet is specified in such a way that the ionizable gas flows into the interaction area at a certain angle relative to the transport direction.
  • the angle is defined, for example, between the direction of flow from the corresponding nozzle outlets on the one hand and the axial direction on the other.
  • an angle between the axial direction and the flow direction can be 20 ° to 80 °, in particular 30 °.
  • the nozzle outlets may be off-center, e.g. H. spaced from the central axis
  • Nozzle element are arranged. Due to the angled outflow of the ionizable or ionized gas through the corresponding
  • the ionizable or ionized gas flows in the direction of an apex on the central axis of the nozzle element or the base body outside the nozzle device in the process or interaction area in order to interact with the substance or the base material.
  • At least the first nozzle outlet or the second nozzle outlet is designed in such a way that the corresponding ionizable gas has a flow direction with a (directional) component rotating around the central axis.
  • the ionizable gas flowing out is thus given a rotating direction around the central axis. This can result in an improved reaction with the base material in the
  • the flow direction with a circumferential component can for example by means of a
  • fluid guide elements can be provided which are arranged after the corresponding ionizable gas has emerged and deflect it in a desired direction of rotation.
  • At least the first plasma channel or the second plasma channel is a bore in the interior of the
  • the hole can be made, for example, by means of drilling or milling, or it can be provided when the base body is manufactured using the casting process or additive manufacturing.
  • the first plasma channel and the second plasma channel can each
  • the first plasma channel and the second plasma channel can be at the same distance from the central axis of the main body.
  • the first plasma channel and the second plasma channel can be at the same distance from the central axis of the main body.
  • Plasma channel and the second plasma channel have different distances from the central axis.
  • At least the first plasma channel or the second plasma channel is an open groove along a
  • the open groove can be made in the base body by means of milling, for example.
  • the ionizable gas flows due to a directed inflow angle into the groove along the same groove.
  • the ionizable gas is easily accessible from the outside through the open groove, in particular for energy input into the electrode device.
  • the open groove is at least partially closed with a sleeve which can be plugged over the base body.
  • the sleeve can, so to speak, be pushed over the base body or pushed so that the sleeve rests on the surface of the base body.
  • the open grooves of the corresponding plasma channels can thus be closed.
  • the open groove can remain free of the sleeve and accordingly not be covered by it.
  • the sleeve can be plugged over the base body.
  • the base body has a further first plasma channel for guiding a further first
  • the further first plasma channel has a further first gas outlet and the further second plasma channel has a further second gas outlet, the further first plasma channel and the further second plasma channel in the base body between the first plasma channel and the second plasma channel on the one hand and the transport channel on the other hand are formed.
  • the first or second plasma channel is at a greater distance from the central axis of the main body compared to the further first and further second plasma channels.
  • the further first and further second plasma channels lie on the central axis and, correspondingly, the transport channel running along this and the first and second plasma channels further outward.
  • the nozzle element can be rotated relative to the base body.
  • the nozzle element can be rotatably mounted on the base body, for example by means of a slide bearing or a ball bearing.
  • the corresponding first nozzle outlet and the second nozzle outlet can be designed, for example, as an annular gap in the nozzle element.
  • the corresponding outlets of the plasma channels allow the ionizable gas flowing therein to flow into the annular gaps.
  • fluid guide elements can be provided in the annular gaps, so that the rotation of the gas element additionally generates a spin or a rotation of the ionizable gas flowing into the interaction area.
  • Nozzle device also has a, in particular disk-shaped, fluid guide element which is coupled to the nozzle element. Between the
  • annular control channel is formed which runs around the nozzle element.
  • the control channel is designed such that the control fluid can flow in or around the interaction area.
  • the control fluid is, for example, air, nitrogen or an inert gas.
  • the control fluid flows around or into the interaction area.
  • the control channel is designed in particular in such a way that the control fluid includes the ionizable gas flowing into the interaction area and the
  • the fluid pressure of the control fluid can be adjusted in a targeted manner.
  • the mass flow rate of the control fluids controls the local formation of the
  • Control fluids the further away the interaction area in which the apex of the ionized gas is present with the base material.
  • the fluid guiding element can control fluid with a radial
  • the control fluid can thus flow into the interaction area circumferentially with a radial flow. After a point of intersection of the control fluid on the central axis, it flows downstream with respect to the transport direction of the interaction area outwards from the central axis and forms an outwardly directed flow cone. This means that larger particles (coarse particles) are carried further outwards with respect to the central axis than smaller particles (small particles). Correspondingly, along the transport direction, there are smaller particles in the center around the central axis and correspondingly larger particles at a greater distance from the central axis.
  • corresponding sizes of the particles can be set.
  • the separation between the coarse particles and the small particles is achieved in particular due to different physical conditions with regard to the different sizes of the particles, such as in particular the inertia or gravity, the flow resistance and the conservation of momentum.
  • an open hollow cylinder Downstream outside of the interaction area, for example, an open hollow cylinder can be installed as a separation tube with a central axis which is coaxial to the central axis.
  • the smaller fine particles flow into the interior of the hollow cylinder and the coarse particles flow past outside the hollow cylinder.
  • a container for collecting the small particles can accordingly be arranged at the downstream end of the separation tube while the coarse particles surrounding the separation tube are collected in a further container.
  • the fluid guide element can be provided with a circulation, i. H. with a directional component in the circumferential direction in the
  • the fluid guide element can be attached to the nozzle element or the base body, for example, by means of a welded connection. Furthermore, the fluid guide element can be formed integrally with the base body or the nozzle element. The fluid guide extends perpendicular to the
  • the fluid guide element is correspondingly designed in the form of a disk.
  • Fluid guide element can be manufactured additively, for example.
  • the fluid guide element is fastened to the nozzle element by means of connecting webs.
  • a corresponding gap is formed between the connecting webs, through which the control fluid can flow into the interaction area.
  • the fluid guide element is designed in the form of a disk as described above, the center of the disk-shaped fluid guide element lying on the central axis of the nozzle element.
  • An extension of the fluid guide element perpendicular to the central axis is greater than the extension along the central axis.
  • the fluid guide element forms a rotationally symmetrical body with the central axis of the base body and / or of the nozzle element.
  • the fluid-guiding element has fluid-guiding webs for guiding the control fluid in the direction of the control channel.
  • the fluid guide webs form elevations along the surface of the fluid guide element.
  • the fluid webs can be parallel along the
  • the fluid guide webs can be a
  • Nozzle device on a nozzle housing with an outlet opening, wherein the base body and the nozzle element are arranged in the nozzle housing such that one end of the further transport channel, the first nozzle outlet and the second nozzle outlet are in the outlet opening and the
  • the outlet opening is passed through the ionizable gas and the base material along the direction of transport, so that the interaction area and, accordingly, the apex is outside the housing.
  • the nozzle housing has a coupling connection for the electrode device, the coupling connection providing access to the first plasma channel and / or the second plasma channel.
  • the electrode device can be connected to the coupling connection by means of a
  • the coupling connection provides an opening in the housing so that direct access to the corresponding first or second plasma channel is possible.
  • Nozzle housing a plasma gas inlet for coupling to a first Gas reservoir, wherein the plasma gas inlet is coupled to at least the first plasma channel.
  • Nozzle housing has a further plasma gas inlet for coupling to a second gas reservoir, the further plasma gas inlet being coupled to the second plasma channel.
  • Nozzle housing a further input for coupling to another
  • Fluid reservoir on, the further inlet allowing the control fluid to flow in, so that this along the transport direction in the direction
  • Fluid guiding element flows.
  • a system for chemically and / or physically treating a base material, e.g. B. to generate chemical and / or physical processes on the base material, such as. B. for generating or recycling a powder from a substance or a base material.
  • the system has the nozzle device described above and a housing for receiving the nozzle device.
  • the nozzle device is coupled to the housing in such a way that the interaction area is present in the housing.
  • the base material can be brought together with the ionized plasma gas in the interaction area, so that chemical reactions or physical interactions are generated there under high temperature and pressure. Furthermore, the ionized
  • Plasma gases are the base material, such as a solid body, e.g. B. wire, to generate fine-dust powder from the base material.
  • the housing has an inner volume in which the process or interaction area is present. The interaction area is thus protected from external influences. Furthermore, the housing can be filled with inert gas in order to influence contamination of the reaction components in the reaction space. When used as a powder generation system, the housing can also serve as a collecting basin and / or as a separator for the powder generated.
  • the housing can, for example, be designed to be rotationally symmetrical.
  • a central axis of the housing can be formed parallel to the transport direction.
  • the housing has a hollow cylindrical shape with a round, oval or polygonal base.
  • the normal of a base is, for example, formed parallel to the transport direction.
  • the housing is designed such that the center line of the housing is coaxial with the center line of the nozzle element or the
  • Base body is.
  • the housing can for example have a flange to which the nozzle device can be attached.
  • the nozzle housing or the fluid guide element can serve as a fastening element with the housing.
  • the housing and the nozzle device can be produced integrally and in one piece, for example by means of additive manufacturing.
  • the housing serves as a flow body and contains a
  • the nozzle element which accordingly contains the openings of the further transport channel and the nozzle outlets, is fastened to an end opposite the transport direction.
  • the nozzle device thus forms a nozzle base of the flow body.
  • the nozzle base can have one, two or more nozzle devices.
  • the housing has a fluid channel which extends away from the nozzle device along the transport direction.
  • the fluid channel can, for example, as
  • the hollow cylindrical tube can be formed inside the housing.
  • the process or interaction area is formed in the fluid channel.
  • the fluid channel can be surrounded, for example, with a cooling medium such as cooling air in order to cool it.
  • the fluid channel can, for example, as
  • Cooling channel can be used.
  • the cooling channel has a jacket surface (of the hollow cylindrical tube) with cooling openings which are designed such that a cooling medium can flow into the cooling space or cooling channel from the vicinity of the jacket surface.
  • Cooling openings can be formed, for example, by means of bores.
  • the cooling openings also each form spaced-apart slots, which in
  • At least one of the cooling openings is designed such that the cooling medium with a
  • Component can flow in in the direction of transport.
  • the cooling medium does not flow purely radially in the direction of the center line but also with an axial component in the direction of the transport direction.
  • the reaction product for example the fine-grain powder
  • the cooling medium is transported away by means of the cooling medium along the transport direction.
  • At least one of the cooling openings is designed such that the cooling medium with a
  • Component can flow in in the circumferential direction.
  • the cooling medium does not flow purely radially towards the center line but also with a Circumferential component around the direction of transport.
  • reaction product for example the fine-grained powder
  • the cooling medium in rotation around the central axis or the transport direction. It works through this circulating flow
  • the cooling channel with the complex cooling channel geometry can in particular be produced by means of additive manufacturing processes.
  • the cooling channel has a fastening area with the nozzle element, in which
  • Attachment area is the interaction area.
  • the cooling channel has an increasing inner diameter in the fastening area along the transport direction.
  • the cooling channel from the interface with the nozzle device has a funnel shape in the transport direction.
  • the cooling channel merges into a hollow cylindrical shape, for example. Due to the funnel shape that will
  • Transport direction is conveyed, relaxed, so that desired
  • the cooling channel is arranged at a distance from an outer wall of the housing in such a way that a supply channel for the cooling medium can be provided.
  • the supply channel is formed in an intermediate area between the housing and the cooling channel.
  • the cooling medium thus cools the jacket surface of the cooling channel before it enters the cooling channel.
  • a flow straightener is arranged in the supply channel, which is designed to allow a cooling medium to flow into the supply channel in a laminar manner.
  • the flow straightener has a plurality of those, for example
  • the flow straightener consists, for example, of a hollow cylinder, the cooling channel being passed through an inner opening.
  • the cooling channel In its outer surface, the
  • the flow channels have a channel length that is at least 10 times longer than their diameter. This ensures that the cooling medium is directed in a laminar manner.
  • the housing and / or the nozzle element has a deflecting element for the cooling medium, the deflecting element being formed in the supply channel or protruding into it.
  • the deflecting element is designed such that the
  • Cooling medium in the supply channel can be deflected from a flow direction with a component counter to the transport direction in a flow direction with a component along the transport direction.
  • the deflecting element is, for example, a flat, disk-like element, the surface facing in the direction of transport being curved or bent in order to deflect a deflection of the cooling medium flowing counter to the direction of transport by approx. 100 ° to 180 °.
  • the cooling medium After the deflection, the cooling medium has a flow direction in
  • Transport direction in particular with a radial directional component. After the cooling medium has been deflected, it can flow into the cooling channel through the openings, for example.
  • the deflecting element can for example be attached to one end of the housing, to which end the nozzle device is attached.
  • Deflecting element has at least one cooling medium guide web (i.e. fluid guide web) which runs along a radial direction.
  • the cooling medium is thus guided and diverted in the radial direction.
  • the cooling medium guide web extends in particular from the disk-shaped deflecting element in the transport direction in order to thus form corresponding guide channels.
  • the cooling medium guide web can in particular be a directional component in
  • the fluid guide webs can initially run radially and then parallel to the transport direction. Furthermore, the fluid guide webs can have a directional component along the circumferential direction, so that a spin or a rotation of the cooling medium is generated about the center line. Furthermore, the surface of the fluid guide element of the nozzle device, which surface is directed in the transport direction and forms with the cooling channel, can function as a deflecting element.
  • the system has a separation tube which is arranged along the central axis within the cooling channel.
  • the separation tube has an inner channel through which first particles can be removed along the transport direction.
  • An outer channel is formed between the jacket surface and the separation tube, through which second particles can be removed along the transport direction.
  • the separation tube has an annular channel for a transport fluid which extends along the transport direction.
  • the annular channel has at least one inner opening through which the transport fluid can flow into the inner channel in the direction of flow.
  • the inner opening is designed in particular such that the transport fluid with a directional component in
  • the ring channel has a connection for the inflow of the transport fluid against the
  • a transport fluid can be introduced into the annular channel.
  • the ring channel forms an axial end opposite to the transport direction in such a way that the
  • Transport fluid can flow into the cooling channel counter to the transport direction.
  • the annular channel has at least one outer opening through which the transport fluid enters
  • the direction of flow can flow into the outer channel, the outer opening being designed in particular such that the transport fluid can flow in with a directional component in the circumferential direction.
  • the separation tube thus protrudes against the transport direction in the
  • the separation pipe or the immersion pipe can be used as a double jacket Hollow body, for example a cylindrical shape (double jacket tube), be designed to form the annular channel.
  • the transport fluid flows, for example, against the
  • Deflection element which due to its angled or curved surface deflects the transport fluid, can be designed with at least one component opening (control opening or control slot) running radially inwards or radially outwards.
  • the transport fluid does not flow purely in the transport direction through the jacket surface of the separation tube into the cooling channel or into the inner channel of the separation tube.
  • the immersion tube can be funnel-shaped at the end opposite to the transport direction and / or control slots opposite to the
  • Connecting elements in the hollow body or the annular channel, which connect the deflecting element to the hollow body, can be designed as separator medium guide webs.
  • Separator medium guide webs can be directed radially parallel to the transport direction. Alternatively, they can have a directional component along the circumferential direction so that a spin or rotation of the
  • Separator control fluid can be introduced around the center line.
  • a separation effect of the reaction material can be controlled via geometric relationships such as, for example, separation tube position, separation tube length, separation tube diameter, control slot size, control slot angle, number of control slots, and / or the choice of parameters for separator control fluid such as pressure, mass flow rate.
  • the powder in an application for powder production, for example, the powder can be separated into two or more fractions (particle sizes).
  • the separation tube is manufactured, for example, from individual elements by connecting, for example, screws, or integrally, in one piece, by a casting process or, in particular, by an additive one
  • the separation tube is coupled to the housing by a holding device, which consists for example of webs or a flange.
  • the housing and the separation tube can be manufactured integrally in one piece, for example by a casting process or in particular by additive manufacturing.
  • guide bars are used as a support structure.
  • Embodiments can be combined with one another in a suitable manner, so that for the person skilled in the art, with the embodiment variants explicitly shown here, a large number of different embodiments are to be seen as obviously disclosed. In particular, some embodiments of the invention are included
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a system for producing a powder from a base material according to an exemplary embodiment of the present invention, with the section in the transition between the nozzle device and the housing being shown in particular.
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the system from FIG. 1.
  • FIG 3 shows a schematic representation of a nozzle device with a nozzle housing according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 and 5 show a schematic illustration of a nozzle device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 and 7 show top views of a nozzle device according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • Fig. 8 shows a schematic representation of a nozzle device
  • Fig. 9 shows a schematic representation of a nozzle device
  • FIG. 10 shows a schematic illustration of a cooling medium guide web of a deflecting element according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a schematic illustration of a separation tube in a cooling channel according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 shows a schematic sectional illustration of the separation tube from FIG. 11.
  • FIG. 1 and 2 show a system for producing a powder from a base material 101 according to an exemplary embodiment of the present invention, in FIG. 1 in particular the section in
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the system from FIG. 1.
  • the system assigns the nozzle device 100 and the housing 130
  • the nozzle device 100 is coupled to the housing 130 in such a way that an interaction region 103 is present in the housing 130.
  • the nozzle device 100 serves to bring together an ionizable gas 102, 105 and a base material 101 in the interaction area 103.
  • the nozzle device 100 initially has a base body 110, which has a transport channel 111 for guiding the base material 101 along a transport direction 106 to an end region 114 of the
  • the base body 110 also has a first
  • Plasma channel 112 for guiding the first ionizable gas 102 along the transport direction 106 and a second plasma channel 113 (which is spaced from the first plasma channel 112) for guiding the second
  • the first plasma channel 112 has a first gas outlet and the second plasma channel 113 has a second gas outlet.
  • the base body 110 also has a coupling area 115 or a
  • Electron jacket 307 for an electrode device 150 such that the first ionizable gas 102 in the first plasma channel 112 and the second ionizable gas 105 in the second plasma channel 105 are ionizable.
  • the nozzle device 100 has a nozzle element 120 which is coupled to the base body 110 at the end region 114 of the latter.
  • the nozzle element 120 has a further transport channel 121 which is coupled to the transport channel 111 in such a way that the base material 101 moves from the base body 110 into the interaction area 103 outside the
  • Nozzle element 120 can be transferred along the transport direction 106. Furthermore, the nozzle element 120 has a first nozzle outlet 122 which is coupled to the first plasma channel 112 and a second nozzle outlet 123 which is coupled to the second plasma channel 113.
  • the first nozzle outlet 122 for guiding the first ionizable gas 102 and the second nozzle outlet 123 for guiding the second ionizable gas 105 are designed in such a way that the first ionizable gas 102 and the second ionizable gas 105 can flow into the interaction region 103 for reaction with the base material 101.
  • the base material 101 is for example a solid such as a wire, for example a copper wire, aluminum wire, nickel wire, titanium wire or a tungsten wire.
  • a ionizable gas 102, 105 which in a charged state as a plasma gas on the base material 101 in the
  • Interaction region 103 meets, for example, an inert gas or argon (Ar) can be used.
  • the base body 110 has a cylindrical pin shape.
  • the base body 110 is in particular formed integrally and in one piece and has the
  • Transport channel 111 the first plasma channel 112 and the second
  • Plasma channel 113 on.
  • several plasma channels 112, 113 and the at least one transport channel 111 run in an integral one-piece base body.
  • One and the same ionizable gas or a multiplicity of different ionizable gases can be carried through the plasma channels 112, 113.
  • the transport direction 106 defines in particular the propulsion or the
  • the base body 110 has the coupling area 115 for the
  • Electrode device 150 The electrode device 150 can be attached to the base body 110 directly or indirectly, e.g. on a
  • Nozzle housing 140 are attached and provide an energy input into the corresponding first and / or second plasma channel 112, 113.
  • the nozzle element 120 consists of a solid material with a high temperature resistance.
  • the nozzle element 120 is fastened to the end region 114 of the base body 110.
  • the transport channel 111 is with the further transport channel 121, the first nozzle outlet 122 is with the first
  • Plasma channel 113 are coupled.
  • the first and / or the second nozzle outlet 122, 123 have tapering channels and accordingly have the smallest cross section at the exit in the direction of the interaction area 103.
  • the nozzle outlets 122, 123 are designed in such a way that the correspondingly ionized gas 102, 103 flows into the interaction region 103.
  • the further transport channel 121 is designed accordingly that the
  • Base material 101 is passed through and protrudes into the interaction area 103.
  • the first nozzle outlet 122 and the second nozzle outlet 123 are designed in particular such that the first ionizable gas 102 and the second ionizable gas 105 are at an apex in the
  • the further transport channel 121 is
  • the interaction area 103 lies outside the nozzle element 120 in the transport direction 106.
  • the reaction between the base material and the ionizable or ionized gas takes place in the interaction area.
  • the base material 101 can be automated and melted into small, in particular spherical drops.
  • the drops show
  • the melted droplets can be solidified into small particles, so that an extremely fine-grained powder, which is necessary for additive manufacturing, for example, is provided.
  • the housing 130 has an internal volume in which the
  • Interaction area 103 is present.
  • the interaction area 103 is thus protected from external influences.
  • the housing 130 is designed to be rotationally symmetrical.
  • a central axis 104 of the housing 130 is formed parallel to the transport direction 106.
  • the housing 130 has a hollow cylindrical shape.
  • the center line 104 of the housing 130 is coaxial with the center line 104 of the nozzle element 120 or of the base body 110.
  • the housing 130 has a flange to which the nozzle device 100 is attached.
  • the transport channel 111 is designed as a bore in the interior of the base body 110.
  • the base body is designed to be rotationally symmetrical, with a central axis 104 of the base body 110 being parallel to the transport direction 106.
  • the transport channel 111 runs along the central axis (axis of rotation) 104 of the base body 110.
  • the transport channel 111 is therefore in the center of the base body 110 and extends in particular in a translatory manner.
  • the first nozzle outlet 122 and the second nozzle outlet 123 are designed such that the corresponding ionized gas has a flow direction with a (directional) component that is radial to the central axis 104.
  • the direction parallel to the transport direction 106 is defined as the axial direction.
  • the radial direction 107 corresponds to a direction which is formed orthogonal to the axial direction and runs through the center line 104 or axis of rotation of the base body 110.
  • the direction of rotation 108 is orthogonal to the axial direction and the radial direction 107.
  • the ionized gas (i.e. the plasma gas) is flowed into the interaction region 103 at a certain angle ⁇ (see FIG. 8) relative to the transport direction 106.
  • the angle ⁇ is defined between the direction of flow from the corresponding nozzle outlets 122, 123 on the one hand and the axial direction on the other. Due to the angled outflow of the ionized gas 102, 105 through the corresponding nozzle outlets 122, 123, the ionized gas 102, 105 flows in the direction of an apex 800 (see FIG. 8) on the central axis 104 in the interaction area 103 in order to react with the base material 101 .
  • the first nozzle outlet 122 or the second nozzle outlet 123 can furthermore be designed in such a way that the corresponding ionized gas 102, 105 has a flow direction with a (directional) component that encircles the central axis 104, i. H. in the circumferential direction 108 has.
  • the outflowing ionized gas 102, 105 is thus given a rotating direction in
  • Circumferential direction 108 about central axis 104 Circumferential direction 108 about central axis 104.
  • the first plasma channel 112 and the second plasma channel 113 are each formed at a distance from the central axis 104 of the base body 110.
  • the nozzle device 100 also has a, in particular disk-shaped, fluid guide element 124, which is coupled to the nozzle element 120.
  • An annular control channel 127 which runs around the nozzle element 120, is formed between the fluid guide element 124 and the nozzle element 120.
  • the control channel 127 is designed such that control fluid 125, for. B. cooling inert gas or cooling air, in or around the interaction area 103 can flow.
  • the control channel 124 is designed in particular in such a way that the control fluid 125 envelops the ionized gas 102, 105 flowing into the interaction region 103 and the base material 101.
  • the fluid pressure of the control fluid 125 is adjustable, e.g. B. by means of an appropriate pump device.
  • the level of pressure and / or the speed of the control fluid 125 controls the local formation of the interaction area 103 or the apex 800 along the transport direction 106.
  • Vertex 800 of the ionized gas with the base material 101 is formed.
  • the fluid guide element 124 can control fluid 125 with a radial
  • control fluid 125 can circumferentially with a radial flow in the
  • Interaction area 103 are flowed in. After a point of intersection of the control fluid 125 on the central axis 104, it flows downstream with respect to the transport direction 106 from the interaction area 103 outwards from the central axis 104 and forms an outwardly directed flow cone. As a result, larger particles (coarse particles 143) are carried further outwards with respect to the central axis 104 than smaller particles (fine particles 142). Accordingly, are located along the
  • Transport direction 106 in the center around the central axis 104 smaller particles 142 and at a greater distance from the central axis 104 correspondingly larger particles 143.
  • the fluid guide element 124 extends perpendicular to the transport direction 106 or to the center line 104, wherein it has a small thickness.
  • Fluid guide element 124 is correspondingly designed in the form of a disk.
  • the housing 130 has a cooling channel 131 which extends from the
  • the nozzle device 100 extends along the transport direction 106.
  • the cooling channel 131 is formed, for example, as a hollow cylindrical tube in the interior of the housing 130.
  • the interaction region 103 is formed in the cooling channel 131.
  • the cooling channel 131 is surrounded by a cooling air or cooling medium 134.
  • the cooling channel 131 has a jacket surface 132 (of the hollow cylindrical tube) with cooling openings 133 which are designed such that the
  • Cooling medium 134 can flow into the cooling space from the surroundings of the lateral surface 132.
  • the cooling openings 133 are spaced apart slots or
  • Openings which are formed in the circumferential direction 108 and spaced apart from one another in the axial direction 106 in the jacket surface 132.
  • the cooling openings 133 are designed in such a way that the cooling medium 134 with one component can flow in in the direction of the transport direction 106. Thus, after the interaction area 103 becomes the reaction product
  • the cooling openings 133 are designed in such a way that the cooling medium 134 with one component can flow in in the circumferential direction 108.
  • the cooling medium 134 does not flow purely radially in the direction of the center line 104 but also with a peripheral component 108.
  • the reaction product for example the fine-grained powder
  • the cooling medium 133 see spiral arrows
  • a centrifugal force acts on the particles in the reaction product, as a result of which larger particles 143 with a higher mass settle out more quickly than smaller particles 142 with a smaller mass.
  • a separation between coarse and finer particles 142, 143 of the reaction product can be carried out.
  • a separation tube 141 can be provided which is arranged along the central axis 104 within the cooling channel 131.
  • the fine particles 142 can be discharged inside the separation pipe 141, while the coarse particles 143 are discharged outside the separation pipe 141.
  • Hollow cylinder installed as a separation pipe 141 with a central axis which is coaxial with the central axis 104.
  • the smaller fine particles 142 flow into the interior of the hollow cylinder and the coarse particles 143 flow past outside the hollow cylinder.
  • a container for collecting the small particles 142 can correspondingly
  • Coarse particles 143 surrounding the separation pipe 141 are collected.
  • fluid guide element 124 can, as described below, with a
  • Circulation, d. H. flow with a directional component in the circumferential direction into the interaction area 103.
  • the cooling channel 131 has a fastening area 135 with the
  • Nozzle element 100 wherein in the fastening area 135
  • the cooling channel 131 has in the
  • the cooling channel 131 merges into a hollow cylindrical shape, for example. Due to the funnel shape that will
  • Reaction product which from the cooling medium 134 along the
  • Transport direction 106 is conveyed relaxed.
  • the cooling channel 131 is arranged at a distance from an outer wall 136 of the housing 130 such that a supply channel 137 can be provided for the cooling medium 134.
  • the housing 130 and / or the nozzle element 120 or the fluid guide element 124 has a deflection element 138 for the
  • Cooling medium 134 the deflecting element 138 being formed in the supply channel 137 or protruding into it.
  • the deflecting element 138 is designed in such a way that the cooling medium 134 in the supply channel 137 flows from a direction of flow with a component opposite to the
  • Transport direction 106 can be deflected in a flow direction with a component along the transport direction 106.
  • the deflecting element 138 is, for example, a flat, disk-like element, the surface directed in the transport direction 106 being curved in order to thereby deflect the cooling medium 134. After the deflection of the cooling medium 134, this can, for example, by the
  • Cooling openings 133 flow into the cooling channel 131.
  • the deflecting element 138 has, in particular, a cooling medium guide web 139 (i.e. fluid guide web), which deflects the cooling medium 134 more effectively.
  • the surface of the fluid guide element 124 of the nozzle device 100 which surface is directed in the transport direction 106 and forms with the cooling channel 131, functions as a deflecting element 138 in the exemplary embodiment.
  • a flow straightener 201 is arranged, which is set up, the cooling medium 134 in the laminar
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a nozzle device 100 with a nozzle housing 300 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the nozzle device 100 is arranged within the nozzle housing 300 and, for example, fastened to the latter via the deflecting element 138.
  • the nozzle housing 300 In the interior of the nozzle housing there is an electrode jacket 307 of the nozzle device 100 parallel to the central axis 104, in which the
  • Nozzle device 100 in particular with its pin-like base body 110, can be inserted.
  • the coupling area 115 for an electrode device is located in the electrode jacket 307.
  • the electrode device conducts high-frequency radiation in the direction via the coupling connection 302
  • Nozzle device 100 is a Nozzle device 100.
  • the nozzle housing 300 also has a plasma gas inlet 303 for the first ionizable gas 102 and optionally a plasma gas inlet 304 for a second ionizable gas 103. Furthermore, the base material 101 can be introduced into the transport channel 111 via a coupling area 306. The ionizable gas 102, 103 is thus passed between the electrode jacket 307 and the plasma channels 112, 113 and by means of the
  • Electrode device ionized.
  • a control fluid 125 can flow in via the fluid inlet 305, which control fluid is guided on the fluid guide element 124 in the direction of the interaction region 103.
  • FIGS. 4 and 5 show a schematic representation of a
  • FIG. 4 shows a view of the nozzle device 100 downstream of the transport direction 106 and
  • FIG. 5 shows a view of the
  • Nozzle device 100 upstream of the transport direction 106.
  • the first plasma channel 112 and the second plasma channel 113 are formed as an open groove 402 along a surface of the base body 110.
  • the open groove 402 can be made in the base body 110 by means of milling, for example.
  • the ionizable gas 102, 105 flows due to a directed inflow angle into the groove 402 along the same groove 402.
  • the ionizable gas 102, 105 is good from the outside through the open groove 402
  • the base body 110 has three plasma channels 112, 113, 112 ', which are distributed constantly along the surface in the circumferential direction. Accordingly, 3
  • Plasma jets are flowed into the interaction area 103.
  • the open groove 402 is at least partially closed with a sleeve 403 which can be plugged over the base body 110.
  • the sleeve 403 can, so to speak, be pushed over the base body, so that the sleeve 403 on the
  • Electrode device 150, the open groove 402 can remain free of the sleeve 403.
  • the fluid guide element 124 is disk-shaped, the center point of the disk-shaped fluid guide element 124 lying on the central axis 104 of the nozzle element 120.
  • the fluid guide element 124 is by means of
  • a corresponding gap is formed as a control channel 127 between the connecting webs 401, through which the control fluid 125 can flow into the interaction area 103.
  • the fluid guiding element 124 also has fluid guiding webs 126 for guiding the control fluid 125 in the direction of the control channel 127.
  • the fluid guiding webs 126 form Elevations along the surface of the fluid guide element 124.
  • the fluid webs 126 with directional components run parallel and radially to the transport direction 106.
  • the fluid guide element 124 has a funnel-shaped and convexly curved surface on the side facing away in the transport direction 106 with respect to the interaction region 103, the regions in the center of the fluid guide element 124 being further in the transport direction 106 than the edge regions of the
  • Fluid guide element 124
  • the fluid guide element 124 has a concave, curved surface. This curved surface can act, for example, as a deflection surface or deflection element 138 for the cooling medium 134.
  • FIGS. 6 and 7 show top views of a nozzle device 100 according to an exemplary embodiment.
  • nozzle outlets 122, 123 are shown, which one
  • the nozzle element 120 is coupled to the fluid guide element 124 by the connecting webs.
  • Fig. 7 also shows a rotatable element 701, which three in
  • the rotatable element 701 can
  • the nozzle element 120 can be rotatable relative to the base body 110.
  • the nozzle element 120 can, for example, be mounted in a rotating manner on the base body 110 by means of a slide bearing or a ball bearing.
  • the corresponding first nozzle outlet 122 and the second nozzle outlet 123 can for example be designed as an annular gap in the nozzle element 120 (see FIG. 6).
  • Fluid guide elements can also be provided in the annular gap so that the rotation of the ionizable gases 102, 105 additionally generates a spin or a rotation of the ionizable gas 102, 105 flowing into the interaction area.
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of a nozzle device 100 with flow paths of two ionizable gases 102, 105 and one
  • the nozzle device 100 has the base body 110 and the nozzle element 120.
  • the transport channel 111 and the further transport channel 121 are formed coaxially along the center line 104.
  • the main body 110 also has the first plasma channel 112 for guiding the first ionizable gas 102 along the transport direction 106 and a second plasma channel 113
  • the base body 110 also has a coupling area 115 and a
  • Electrode jacket 307 for an electrode device 150 such that the first ionizable gas 102 in the first plasma channel 112 and the second ionizable gas 105 in the second plasma channel 105 are ionizable.
  • the nozzle element 120 has a first nozzle outlet 122, which is coupled to the first plasma channel 112, and a second nozzle outlet 123, which is coupled to the second plasma channel 113.
  • the first nozzle outlet 122 for guiding the first ionizable gas 102 and the second nozzle outlet 123 for guiding the second ionizable gas 105 are designed such that the first ionizable gas 102 and the second ionizable gas 103 can flow into the interaction region 103 for reaction with the base material 101.
  • the ionized gas 102, 105 (i.e. the plasma gas) flows into the interaction region 103 at a certain angle ⁇ relative to the transport direction 106.
  • the angle ⁇ is defined between the direction of flow from the corresponding nozzle outlets 122, 123 on the one hand and the axial direction on the other. Due to the angled outflow of the ionized gas 102, 105 through the corresponding nozzle outlets 122, 123, the ionized gas 102, 105 flows in the direction of an apex 800 on the
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of a nozzle device 100 with the direction of flow of four ionizable gases 102, 102 ′, 105, 105 ′ and a base material 101.
  • the base body has a further first plasma channel 901 for guiding a further first
  • Plasma channel 112 is spaced apart, for guiding a further second ionizable gas 105 'along the transport direction 105.
  • nozzle outlets 122 ', 123' is the ionizable gas 102 '
  • the nozzle outlets 122 ', 123' have a smaller, flatter angle a 'than the nozzle outlets 122,
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a cooling medium guide web 139 of a deflecting element 138 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the deflecting element 138 has at least one cooling medium guide web 139 (ie fluid guide web), which along a radial direction 107 in the direction
  • the cooling medium 134 is thus guided and diverted in the radial direction 107.
  • the cooling medium guide web 139 extends
  • cooling medium guide web 139 can in particular be a
  • the deflecting element 138 can also be connected to the housing 130 by the
  • Cooling medium guide webs 139 be connected.
  • the cooling medium guide web 139 can run up to the end of the cooling openings 133, which is the beginning of the cooling channel 131.
  • cooling medium guide webs 139 run, for example, parallel and radially to the transport direction 106.
  • FIG. 11 shows a schematic illustration of a separation pipe 141 in a cooling channel 131 according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 shows a schematic sectional illustration of the separation tube from FIG. 11.
  • the separation tube 141 has an inner channel 1106 through which first particles 142 along the
  • Transport direction 106 can be removed.
  • An outer channel 1107 through which second particles 143 can be removed along the transport direction 106 is formed between the jacket surface 132 and the separation tube 141.
  • the separation tube 141 has an annular channel 1101 for a transport fluid 1104, which extends along the transport direction 106.
  • the annular channel 1101 has at least one inner opening 1103, through which the transport fluid 1104 can flow into the inner channel 1106 in the direction of flow.
  • the inner opening 1103 is designed in particular such that the transport fluid 1104 with a directional component in
  • Circumferential direction 108 can flow in.
  • a suction effect is thus generated into the interior of the separation tube 141, so that smaller particles 142 can be sucked into the separation tube 141 after the interaction region 103.
  • the transport fluid 1104 can flow in in the tangential direction inside the separation tube 141.
  • the annular channel 1101 has a connection for the inflow of the transport fluid
  • a transport fluid can be introduced into the annular channel at one end of the housing 130 opposite the nozzle device 100.
  • the annular channel 1101 has at least one outer opening 1102 through which the transport fluid 1104 can flow into the outer channel 1107 in the flow direction 106, the outer opening 1102 being designed in particular such that the transport fluid 1104 with a
  • Directional component can flow in in the circumferential direction 108.
  • the separation tube 141 thus protrudes against the transport direction 106 into the cooling channel 131.
  • the separation tube 14 or the immersion tube can be a double-walled hollow body, for example a cylindrical shape
  • At least one deflection element which deflects the transport fluid 1104 due to its angled or curved surface, can be designed with at least one component opening (control opening or control slot) running radially inward or radially outward.
  • component opening control opening or control slot

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung (100) zum Zusammenführen eines ionisierbaren Gases (102, 105) und eines Grundmaterials (101) in einem Interaktionsbereich (103). Die Düsenvorrichtung (100) weist einen Grundkörper (110), welcher einen Transportkanal (111) aufweist zum Führen eines Grundmaterials (101) entlang einer Transportrichtung (106) zu einem Endbereich (114) des Grundkörpers (110), auf. Der Grundkörper (110) weist auf einen ersten Plasmakanal (112) zum Führen eines ersten ionisierbaren Gases (102) entlang der Transportrichtung (106) und einen zweiten Plasmakanal (113) zum Führen eines zweiten ionisierbaren Gases (105) entlang der Transportrichtung (106). Der Grundkörper (110) weist einen Befestigungsbereich (135) für eine Elektrodenvorrichtung (150) derart auf, dass das erste ionisierbare Gas (102) in dem ersten Plasmakanal (112) und das zweite ionisierbaren Gas (105) in dem zweiten Plasmakanal (113) ionisierbar sind. Ein Düsenelement (120) ist an dem Endbereich (114) des Grundkörpers (110) mit diesem gekoppelt, wobei das Düsenelement (120) einen entsprechenden Transportkanal 111 und entsprechende Düsenauslässe (122, 123) aufweist zum Führen der entsprechenden ionisierbaren Gase (102, 105) derart, dass die ionisierbaren Gase (102, 105) in den Interaktionsbereich (103) zur Reaktion mit dem Grundmaterial (101) einströmbar sind.

Description

Plasmadüse und Plasmavorrichtung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düsenvorrichtung und ein Verfahren zur Zusammenführung von ionisierbaren Gasen und von Substanzen bzw.
Grundmaterial in einem Vorgangsbereich bzw. Interaktionsbereich. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Erzeugen von chemischen und/oder physikalischen Vorgängen wie zum Erzeugen oder Recyceln eines Pulvers aus einer Substanz.
Hintergrund der Erfindung
Komplexe Bauteile, insbesondere in der Kleinteilefertigung und in der
Prototypenfertigung, werden mehr und mehr mittels additiver
Fertigungsverfahren hergestellt. Mittels additiver Fertigungsverfahren wird beispielsweise ein Material Schicht für Schicht aufgetragen und so werden dreidimensionale komplexe Bauteile erzeugt. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen, insbesondere pulverförmigen, Werkstoffen. Beim Aufbau finden physikalische und chemische Vorgänge für den Umschmelz- und Aushärteprozess statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze,
Keramiken und Metalle. Inzwischen sind auch Carbon- und Graphitmaterialien für additive Herstellverfahren entwickelt worden.
Für additive Herstellverfahren ist es notwendig, Pulver als Grundmaterial bereitzustellen, wobei die Partikel des Pulvers homogen sein sollen.
Insbesondere ist es ein Anliegen, die Partikel des Pulvers klein zu gestalten, um filigrane Bauteile mit glatten Oberflächen mittels additiver Fertigung herzustellen.
Um feine Pulver aus einer Substanz bzw. Grundmaterial herzustellen, ist es bekannt plasmabasierende Prozesse einzusetzen. Bei einem
Plasmazerstäubungsprozess wird das Grundmaterial mittels eines ionisierten Plasmastrahls geschmolzen und zerstäubt. Die mit dem
Plasmazerstäubungsprozess hergestellten einzelnen Pulverpartikel sind äußerst homogen und sphärolithisch ausgebildet.
Die so hergestellten sphärolithischen Pulverpartikel können im Anschluss beispielsweise für die additive Fertigung genutzt werden oder zur weiteren Verwendung als Reaktionspartner mit anderen Materialien verwendet werden.
US 5,707,419 A offenbart eine Kühlkammer, in welcher drei Plasmabrenner angekoppelt sind, um entsprechende Plasmastrahlen in einem Scheitelpunkt im Inneren der Kühlkammer zu kreuzen. In diesem Scheitelpunkt wird ein Draht von einer Drahtwende eingebracht werden, damit dieser in dem
Scheitelpunkt geschmolzen wird.
Neben der Herstellung von entsprechenden Pulvermaterialien kann mittels Plasmastrahlen ebenfalls allgemein ein chemischer und/oder physikalischer Vorgang zwischen Substanzen herbeigeführt werden.
Um die Plasmastrahlen und die Substanz bzw. das Grundmaterial in einem Scheitelpunkt zusammen zu führen, werden derzeit komplexe und mehrteilige Vorrichtungen vorgesehen.
Darstellung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur
Interaktion einer oder mehreren Substanzen bzw. Grundmaterialien mit einem oder mehreren ionisierbaren Gasen bereitzustellen, welches eine geringe Komplexität und einen geringen Einbauraum aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einer Düsenvorrichtung zum Zusammenführen von ionisierbaren Gasen und eines Grundmaterials (bzw. einer Substanz), einem System zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln eines
Grundmaterials des Produktes, wie zum Beispiel eines Pulvers aus einem Grundmaterial, sowie einem Verfahren zum Zusammenführen eines ionisierten Gases und eines Grundmaterials gemäß den unabhängigen Ansprüchen, geschaffen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Düsenvorrichtung zum Zusammenführen eines ionisierbaren Gases und eines Grundmaterials in einem Interaktionsbereich bzw. Reaktionsbereich bereitgestellt. Die
Düsenvorrichtung weist zunächst einen Grundkörper auf, welcher einen Transportkanal aufweist zum Führen einer Substanz bzw. eines
Grundmaterials entlang einer Transportrichtung zu einem Endbereich des Grundkörpers. Der Grundkörper weist ferner einen ersten Plasmakanal zum Führen eines ersten ionisierbaren Gases entlang der Transportrichtung und einen zweiten Plasmakanal (welcher von dem ersten Plasmakanal beabstandet ist) zum Führen eines zweiten ionisierbaren Gases entlang der
Transportrichtung auf. In dem Endbereich des Grundkörpers weist der erste Plasmakanal einen ersten Gasauslass und der zweite Plasmakanal einen zweiten Gasauslass auf.
Der Grundkörper weist ferner einen Koppelbereich für eine
Elektrodenvorrichtung derart auf, dass das erste ionisierbare Gas in dem ersten Plasmakanal und das zweite ionisierbaren Gas in dem zweiten
Plasmakanal ionisierbar sind. Ferner weist die Düsenvorrichtung ein Düsenelement auf, welches an dem Endbereich des Grundkörpers mit diesem gekoppelt ist. Das Düsenelement weist einen weiteren Transportkanal auf, welcher mit dem Transportkanal derart gekoppelt ist, dass das Grundmaterial von dem Grundkörper in einen Interaktionsbereich bzw. Reaktionsbereich außerhalb des Düsenelements entlang der Transportrichtung überführbar ist. Ferner weist das Düsenelement einen ersten Düsenauslass, welcher mit dem ersten Plasmakanal gekoppelt ist und einen zweiten Düsenauslass auf, welcher mit dem zweiten Plasmakanal gekoppelt ist.
Der erste Düsenauslass zum Führen des ersten ionisierbaren Gases und der zweite Düsenauslass zum Führen des zweiten ionisierbaren Gases sind derart ausgebildet, dass das erste ionisierbare Gas und das zweite ionisierbare Gas in den Reaktionsbereich zur Reaktion mit dem Grundmaterial einströmbar sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Zusammenführen eines ionisierten Gases und einer Substanz bzw.
Grundmaterials in einem Vorgangs- bzw. Interaktionsbereich mit der oben beschriebenen Düsenvorrichtung aufgezeigt. Das Verfahren weist zunächst den Schritt des Führens des Grundmaterials in dem Transportkanal entlang einer Transportrichtung zu einem Endbereich des Grundkörpers, des Führens des ersten ionisierbaren Gases entlang der Transportrichtung in dem ersten Plasmakanal und des Führens des zweiten ionisierbaren Gases entlang der Transportrichtung in dem zweiten Plasmakanal auf. Ferner weist das Verfahren den Schritt des Ionisierens des ersten ionisierbaren Gases in dem ersten Plasmakanal und des zweiten ionisierbaren Gases in dem zweiten Plasmakanal mittels einer Elektrodenvorrichtung auf. Das Grundmaterial wird in dem weiteren Transportkanal des Düsenelements von dem Transportkanal in den Interaktionsbereich außerhalb des Düsenelements entlang der
Transportrichtung überführt. Das erste ionisierte Gas wird mittels des ersten Düsenauslasses und das zweite ionisierte Gas wird mittels des zweiten Düsenauslasses in den Interaktionsbereich zur Reaktion mit dem Grundmaterial eingeströmt.
Die Substanz bzw. das Grundmaterial ist beispielsweise ein Feststoff, wie beispielsweise ein Draht, beispielsweise ein Kupferdraht, Aluminiumdraht, Nickeldraht, Titandraht oder ein Wolframdraht. Alternativ kann das
Grundmaterial ebenfalls ein flüssiges Material oder ein gasförmiges Material sein. Das Grundmaterial ist dafür vorgesehen, mit dem ionisierbaren Gas zu reagieren oder aufgrund der hohen Temperatur des ionisierbaren Gases aufgeschmolzen oder verdampft zu werden.
Als ionisierbares Gas, welches in einem geladenen Zustand als Plasmagas auf das Grundmaterial im Interaktionsbereich trifft, kann beispielsweise ein Inertgas bzw. Argon (Ar) verwendet werden.
Der Grundkörper besteht aus einem Vollmaterial mit einer hohen
Temperaturbeständigkeit. Der Grundkörper kann beispielsweise aus
Aluminiumoxid, Zirkonoxid, SiAION bestehen.
Der Grundkörper ist insbesondere integral und einstückig ausgebildet und weist den Transportkanal, den ersten Plasmakanal und den zweiten
Plasmakanal auf. Mit anderen Worten verlaufen mehrere Plasmakanäle und der zunächst eine Transportkanal in einem integralen einstückigen
Grundkörper. Der Grundkörper kann einen oder eine Vielzahl von
Transportkanälen für ein und dasselbe Grundmaterial oder unterschiedliche Grundmaterialien aufweisen. Der Grundkörper kann ferner ausschließlich den ersten und den zweiten Plasmakanal oder eine Vielzahl weiterer erste zweiter Plasmakanäle aufweisen, wobei in den Plasmakanälen ein und dasselbe ionisierbare Gas oder eine Vielzahl unterschiedlicher ionisierbare Gase durchgeführt werden können. Die Transportrichtung definiert insbesondere den Vortrieb bzw. die
Strömungsrichtung des Grundmaterials durch den Grundkörper und durch das Düsenelement in den Interaktionsbereich bzw. Reaktionsbereich.
Insbesondere weist der Grundköper einen Koppelbereich für eine
Elektrodenvorrichtung auf. Die Elektrodenvorrichtung kann dabei derart an dem Grundkörper direkt oder indirekt, z. B. an ein Düsengehäuse, befestigt werden und einen Energieeintrag in den entsprechenden ersten und/oder zweiten Plasmakanal bereitstellen.
Die Elektrodenvorrichtung weist beispielsweise einen Strahlungskopf auf, welcher hochfrequente Strahlung in die entsprechenden Plasmakanäle einbringt. Aufgrund des hohen Energieeintrags wird das Gas in den
Plasmakanälen ionisiert und weiter entlang der Transportrichtung befördert oder unmittelbar nach dem Ionisationsvorgang in Richtung Grundmaterial gelenkt.
Die Elektrodenvorrichtung wird zentrisch mit dem Düsenelement und dem Grundkörper gekoppelt. Beim beispielhaften Einsatz von hochfrequenter Strahlung und bestimmten Energieeintrag bestimmt die Geometrie und Ausrichtung der Plasmakanäle und die Position vom Düsenelement zur
Elektrodenvorrichtung den gewünschten Zustand vom Plasma, wie zum
Beispiel Temperatur oder Strömungszustand, beim Auftreffen auf die Substanz bzw. auf das Grundmaterial.
Das Düsenelement besteht aus einem Vollmaterial mit einer hohen
Temperaturbeständigkeit. Das Düsenelement kann beispielsweise aus
Aluminiumoxid, Zirkonoxid, SiAION bestehen. Das Düsenelement weist insbesondere einen weiteren Transportkanal, einen ersten Düsenauslass und einen zweiten Düsenauslass auf. Das Düsenelement wird an einem Endbereich des Grundkörpers befestigt. Insbesondere ist das Düsenelement derart mit dem Grundkörper gekoppelt, dass der Transportkanal und der weitere
Transportkanal sowie der erste Düsenauslass mit dem ersten Plasmakanal und der zweite Düsenauslass mit dem zweiten Plasmakanal gekoppelt sind. Das Düsenelement kann beispielsweise integral und einstückig mit dem
Grundkörper ausgebildet sein oder lösbar, beispielsweise mittels einer
Schraubenverbindung, an den Grundkörper angeschraubt werden. Der erste und/oder der zweite Düsenauslass können ferner besondere verjüngende Kanäle aufweisen und entsprechend an dem Austritt in Richtung
Interaktionsbereich den kleinsten Querschnitt aufweisen. Alternativ können die Düsenauslässe jeweils eine Lavaldüse bilden. Die Düsenauslässe sind derart ausgebildet, dass das entsprechend ionisierte Gas in den Interaktionsbereich eingeströmt wird. Der weitere Transportkanal ist entsprechend ausgebildet, dass das Grundmaterial durch den weiteren Transportkanal des
Düsenelements hindurchgeführt werden kann und in den Interaktionsbereich hineinragt. Der erste Düsenauslass und der zweite Düsenauslass sind dabei insbesondere derart ausgebildet, dass das erste ionisierbare Gas und das zweite ionisierbare Gas sich in einem Scheitelpunkt im Interaktionsbereich treffen. Der weitere Transportkanal ist ausgebildet, dass das Grundmaterial ebenfalls durch den Scheitelpunkt verläuft.
Der Interaktionsbereich bzw. Reaktionsbereich ist entsprechend in
Transportrichtung außerhalb des Düsenelements ausgebildet. In dem
Interaktionsbereich findet der physikalische und/oder chemische Vorgang wie eine Reaktion zwischen dem Grundmaterial und dem ionisierbaren bzw.
ionisierten Gas statt. Aufgrund des Energieeintrags in das ionisierbare Gas, des Ausströmwinkels des ionisierbaren Gases aus dem entsprechenden
Düsenauslass sowie aufgrund der Strömungsgeschwindigkeit des
ausströmenden ionisierbaren Gases kann die Temperatur im Scheitelpunkt eingestellt werden. Die Temperatur im Scheitelpunkt kann beispielsweise aufgrund des ionisierten Gases und/oder aufgrund einer exothermen Reaktion des ionisierten Gases mit dem Grundmaterial eine Temperatur von über 1000 °C, insbesondere aufweisen.
Aufgrund von Temperatur und anderer Parameter wie beispielsweise
Gaszusammensetzung kann ein physikalischer und/oder ein chemischer Vorgang zwischen dem ionisierten Gas und dem Grundmaterial erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich wird das Grundmaterial aufgrund der Temperatur des ionisierten Gases automatisiert und in kleine, insbesondere kugelförmige Tropfen aufgeschmolzen. In einem nachfolgenden Abkühlprozess können die geschmolzenen Tröpfchen zu Partikeln verfestigt werden, sodass ein Pulver, welches beispielsweise für die additive Fertigung notwendig ist, bereitgestellt wird.
Mit der vorliegenden Düsenvorrichtung zum Zusammenführen eines
ionisierbaren Gases mit einem Grundmaterial kann ohne eine komplexe Ausrüstung ein gewünschter Vorgang bereitgestellt werden, da die
notwendigen Versorgungsleitungen bzw. Kanäle integral im Grundkörper und dem Düsenelement vorliegen . Mit der Düsenvorrichtung wird sozusagen eine kombinierte Düse-Hohlleiter-Elektrode geschaffen. Es reichen somit der Anschluss vom Versorg ungreservoir sowie die Kopplung einer
Elektrodenvorrichtung aus, um einen gewünschten Vorgang herbeizuführen.
Mit der erfindungsgemäßen Düsenvorrichtung werden die ionisierbaren Gase und das Grundmaterial aufgrund ihrer physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften in den gewünschten Zustand gebracht. Mittels der
Düsenvorrichtung und dessen Geometrie wird entsprechend der
Massendurchsatz, die Strömung der ionisierbaren Gase und des
Grundmaterials beschleunigt und/oder verzögert, und/oder expandiert und/oder rotiert und/oder gleichgerichtet, und/oder gekühlt und/oder erhitzt. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind, wie oben beschrieben, der Grundkörper und das Düsenelement integral ausgebildet. Dabei kann das Düsenelement beispielsweise an den Grundkörper
angeschweißt sein. Insbesondere kann das Düsenelement sowie der
Grundkörper zusammen in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden. Alternativ kann das Düsenelement und der Grundkörper mit einem Gussverfahren hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Transportkanal als Bohrung im Inneren des Grundkörpers ausgebildet. Die Bohrung kann beispielsweise mittels Bohrens oder Fräsen eingebracht werden oder bei Herstellung des Grundkörpers im Gussverfahren oder in der additiven
Fertigung vorgesehen werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Grundkörper rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei eine Mittelachse des Grundkörpers parallel zu der Transportrichtung ausgebildet ist. Beispielsweise weist der Grundkörper eine zylindrische Form mit einer runden, ovalen oder vieleckigen Grundfläche auf. Die Normale einer Grundfläche ist beispielsweise parallel zu der Transportrichtung ausgebildet.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform verläuft der
Transportkanal entlang der Mittelachse (Rotationsachse) des Grundkörpers. Somit liegt der Transportkanal im Zentrum des Grundkörpers und erstreckt sich insbesondere translatorisch.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der erste
Düsenauslass und/oder der zweite Düsenauslass derart ausgebildet, dass das entsprechende ionisierbare Gas eine Strömungsrichtung mit einer zu der Mittelachse radialen (Richtungs-) Komponente aufweist. Als axiale Richtung wird die Richtung parallel der Transportrichtung definiert. Die radiale Richtung entspricht einer Richtung, welche orthogonal zu der axialen Richtung ausgebildet ist und durch die Mittelachse bzw. Rotationsachse des Grundkörpers verläuft. Die Umlaufrichtung ist orthogonal zu der axialen Richtung und der Radialrichtung.
Mit der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform wird der erste oder zweite Düsenauslass dahingehend konkretisiert, dass das ionisierbare Gas mit einem bestimmten Winkel relativ zu der Transportrichtung in den Interaktionsbereich eingeströmt wird . Der Winkel ist beispielsweise zwischen der Strömungsrichtung aus den entsprechenden Düsenauslässen einerseits und der axialen Richtung andererseits definiert. Beispielsweise kann ein Winkel zwischen der axialen Richtung und der Strömungsrichtung 20° bis 80°, insbesondere 30°, aufweisen. Beispielsweise können die Düsenauslässe außerhalb des Zentrums, d. h. beabstandet von der Mittelachse
Düsenelement, angeordnet werden. Aufgrund des gewinkelten Ausströmens des ionisierbaren bzw. ionisierten Gases durch die entsprechenden
Düsenauslässe strömt das ionisierbare bzw. ionisierte Gas in Richtung eines Scheitelpunkts auf der Mittelachse des Düsenelements bzw. des Grundkörpers außerhalb der Düsenvorrichtung im Vorgangs- bzw. Interaktionsbereich, um mit der Substanz bzw. dem Grundmaterial zu interagieren bzw. zu reagieren.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist zumindest der erste Düsenauslass oder der zweite Düsenauslass derart ausgebildet, dass das entsprechende ionisierbare Gas eine Strömungsrichtung mit einer zu der Mittelachse umlaufenden (Richtungs-) Komponente aufweist. Somit erhält das ausströmende ionisierbare Gas eine rotierende Richtung um die Mittelachse. Dies kann eine verbesserte Reaktion mit dem Grundmaterial im
Interaktionsbereich oder eine verbesserte Automatisierung des Grundmaterials im Interaktionsbereich erzeugen. Die Strömungsrichtung mit einer umlaufenden Komponente (d. h. einer Komponente in Umfangsrichtung) kann beispielsweise mittels einer
entsprechenden Ausgestaltung der Düsenauslässe erzeugt werden. Zudem können Fluidleitelemente vorgesehen werden, welche nach dem Austreten des entsprechenden ionisierbaren Gases angeordnet sind und dieses in eine gewünschte Rotationsrichtung ablenken.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist zumindest der erste Plasmakanal oder der zweite Plasmakanal als Bohrung im Inneren des
Grundkörpers ausgebildet. Die Bohrung kann beispielsweise mittels Bohrens oder Fräsen eingebracht werden oder bei Herstellung des Grundkörpers im Gussverfahren oder in der additiven Fertigung vorgesehen werden.
Der erste Plasmakanal und der zweite Plasmakanal können jeweils
beabstandet von der Mittelachse des Grundkörpers ausgebildet sein. Der erste Plasmakanal und der zweite Plasmakanal können denselben Abstand zu der Mittelachse des Grundkörpers aufweisen. Alternativ können der erste
Plasmakanal und der zweite Plasmakanal unterschiedliche Abstände zu der Mittelachse aufweisen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist zumindest der erste Plasmakanal oder der zweite Plasmakanal als offene Nut entlang einer
Oberfläche des Grundkörpers ausgebildet. Die offene Nut kann beispielsweise mittels Fräsens in den Grundkörper eingebracht werden. Das ionisierbare Gas strömt aufgrund eines gerichteten Einströmwinkels in die Nut entlang derselben Nut. Durch die offene Nut ist das ionisierbare Gas von außen gut zugänglich, insbesondere für einen Energieeintrag der Elektrodenvorrichtung.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die offene Nut zumindest teilweise mit einer Hülse, welche über den Grundkörper steckbar ist, geschlossen. Die Hülse kann sozusagen über den Grundkörper gesteckt beziehungsweise geschoben werden, sodass die Hülse auf der Oberfläche des Grundkörpers aufliegt. Damit können die offenen Nuten der entsprechenden Plasmakanäle geschlossen werden. Im Koppelbereich bzw. am Elektrodenende der Elektrodenvorrichtung kann die offene Nut frei von der Hülse bleiben und von dieser entsprechend nicht bedeckt werden. Alternativ kann die Hülse
entsprechende Öffnungen im Koppelbereich bzw. am Elektrodenende aufweisen, sodass das in der Nut entlangströmende ionisierbare Gas durch die Öffnung von der Elektrodenvorrichtung bzw. für den Energieeintrag gut erreichbar ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Grundkörper einen weiteren ersten Plasmakanal zum Führen eines weiteren ersten
ionisierbaren Gases entlang der Transportrichtung und/oder einen weiteren zweiten Plasmakanal, welcher von dem weiteren ersten Plasmakanal beabstandet ist, zum Führen eines weiteren zweiten ionisierbaren Gases entlang der
Transportrichtung auf. In dem Endbereich des Grundkörpers weist der weitere erste Plasmakanal einen weiteren ersten Gasauslass und der weitere zweite Plasmakanal einen weiteren zweiten Gasauslass auf, wobei der weitere erste Plasmakanal und der weitere zweite Plasmakanal in dem Grundkörper zwischen dem ersten Plasmakanal und dem zweiten Plasmakanal einerseits und dem Transportkanal andererseits ausgebildet sind.
Entsprechend können eine Vielzahl von weiteren ersten und zweiten Plasmakanal in dem Grundkörper und entsprechende weitere Düsenauslässe des
Düsenelements vorliegen. Insbesondere weist der erste oder zweite Plasmakanal im Vergleich zu dem weiteren ersten und weiteren zweiten Plasmakanal einen größeren Abstand zu der Mittelachse des Grundkörpers auf. Mit anderen Worten liegen der weitere erste und weitere zweite Plasmakanal der Mittelachse und entsprechend dem entlang dieser verlaufenden Transportkanal und den weiter außen liegenden ersten und zweiten Plasmakanälen. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Düsenelement relativ zu dem Grundkörper rotierbar. Das Düsenelement kann beispielsweise mittels eines Gleitlagers oder eines Kugellagers an den Grundkörper rotierend gelagert werden. Der entsprechende erste Düsenauslass und der zweite Düsenauslass können beispielsweise als Ringspalt in dem Düsenelement ausgebildet werden. Die entsprechenden Auslässe der Plasmakanäle lassen das darin fließende ionisierbare Gas in die Ringspalte einströmen. In den Ringspalten können ferner Fluidleitelemente vorgesehen werden, sodass die Rotation des Gaselements zusätzlich einen Spin bzw. eine Rotation des in den Interaktionsbereich einströmenden ionisierbaren Gases erzeugt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die
Düsenvorrichtung ferner ein, insbesondere scheibenförmiges, Fluidleitelement auf, welches mit dem Düsenelement gekoppelt ist. Zwischen dem
Fluidleitelement und dem Düsenelement ist ein ringförmiger Steuerkanal ausgebildet, welcher um das Düsenelement verläuft. Der Steuerkanal ist derart ausgebildet, dass das Steuerfluid in oder um den Interaktionsbereich strömbar ist.
Das Steuerfluid ist beispielsweise Luft, Stickstoff oder ein Inertgas. Das Steuerfluid strömt um den Interaktionsbereich oder in diesen hinein. Der Steuerkanal ist insbesondere derart ausgebildet, dass das Steuerfluid das in den Interaktionsbereich einströmende ionisierbaren Gas und das
Grundmaterial umhüllt. Der Fluiddruck des Steuerfluids kann gezielt eingestellt werden. Die Höhe des Drucks und/oder die Geschwindigkeit bzw. der
Massendurchsatz der Steuerfluide steuert die örtliche Ausbildung des
Interaktionsbereichs bzw. den Abstand des Interaktionsbereichs von einem Ende der Düsenvorrichtung entlang der Transportrichtung. Je höher die
Fluidgeschwindigkeit des Steuerfluids bzw. je höher der Fluiddruck des
Steuerfluids, desto weiter entfernt wird der Interaktionsbereich, in welchen sich der Scheitelpunkt des ionisierten Gases mit dem Grundmaterial vorliegt, ausgebildet.
Das Fluidleitelement kann das Steuerfluid mit einer radialen
Richtungskomponente in den Interaktionsbereich einströmen. Somit kann das Steuerfluid umfänglich mit einer radialen Strömung in den Interaktionsbereich eingeströmt werden. Nach einem Kreuzungspunkt des Steuerfluids auf der Mittelachse strömt dieses stromabwärts bezüglich der Transportrichtung von dem Interaktionsbereich entsprechend von der Mittelachse nach außen und bildet einen nach außen gerichteten Strömungskegel. Dies führt dazu, dass größere Partikel (Grobpartikel) weiter nach außen bezüglich der Mittelachse getragen werden als kleinere Partikel (Kleinpartikel). Entsprechend befinden sich entlang der Transportrichtung im Zentrum um die Mittelachse kleinere Partikel und in einem größeren Abstand von der Mittelachse entsprechend größere Partikel.
Durch die Steuerung des Drucks und/oder der Geschwindigkeit bzw. dem Massendurchsatz des Steuerfluids kann die Segmentierung der
entsprechenden Größen der Partikel eingestellt werden. Die Trennung zwischen den Grobpartikeln und den kleinen Partikeln wird insbesondere aufgrund verschiedener physikalischer Gegebenheiten bezüglich der verschiedenen Größen der Partikeln, wie insbesondere der Massenträgheit bzw. Schwerkraft, dem Strömungswiderstand sowie der Impulserhaltung, erzielt.
Stromabwärts außerhalb des Interaktionsbereich kann beispielsweise ein offener Hohlzylinder als Separationsrohr mit einer Mittelachse, welche koaxial zu der Mittelachse ist, installiert werden. Die kleineren Feinpartikel strömen in das Innere des Hohlzylinders und die Grobpartikel strömen außerhalb des Hohlzylinders vorbei. An dem stromabwärtigen Ende des Separationsrohrs kann entsprechend ein Behälter zum Sammeln der Kleinpartikel angeordnet werden, während in einem weiteren Behälter die das Separationsrohr umgebende Grobpartikel gesammelt werden.
Ferner kann das Fluidleitelement wie unten beschrieben mit einer Zirkulation, d. h. mit einer Richtungskomponente in Umfangsrichtung in den
Interaktionsbereich einströmen. Somit kann zusätzlich der Zentrifugaleffekt zu Nutze gemacht werden, sodass die schwereren und größeren Grobpartikel weiter nach außen getragen werden als die kleineren Feinpartikel.
Das Fluidleitelement kann beispielsweise mittels einer Schweißverbindung an dem Düsenelement oder den Grundkörper befestigt werden. Ferner kann das Fluidleitelement integral mit dem Grundkörper oder dem Düsenelement ausgebildet werden. Das Fluidleitelement erstreckt sich senkrecht zur
Transportrichtung bzw. zur Mittellinie, wobei es eine geringe Dicke aufweist. Das Fluidleitelement ist entsprechend scheibenförmig ausgebildet. Das
Fluidleitelement kann beispielsweise additiv gefertigt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Fluidleitelement mittels Verbindungsstegen an dem Düsenelement befestigt. Zwischen den Verbindungstegen bildet sich ein entsprechender Spalt aus, durch welchen das Steuerfluid in den Interaktionsbereich einströmen kann.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist das Fluidleitelement wie oben beschrieben scheibenförmig ausgebildet, wobei der Mittelpunkt des scheibenförmigen Fluidleitelements auf der Mittelachse des Düsenelements liegt. Eine Ausdehnung des Fluidleitelements senkrecht zur Mittelachse größer ist als die Ausdehnung entlang der Mittelachse. Insbesondere bildet das Fluidleitelement einen rotationssymmetrischen Körper mit der Mittelachse des Grundkörpers und/oder des Düsenelement. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Fluidleitelement Fluidleitstege auf zum Leiten des Steuerfluids in Richtung Steuerkanal. Die Fluidleitstege bilden Erhebungen entlang der Oberfläche des Fluidleitelement auf. Dabei können die Fluidstege parallel entlang der
Transportrichtung verlaufen. Ferner können die Fluidleitstege eine
Richtungskomponente entlang der Umfangsrichtung aufweisen, sodass ein Spin bzw. eine Rotation des Steuerfluids um die Mittellinie erzeugt wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die
Düsenvorrichtung ein Düsengehäuse mit einer Auslassöffnung auf, wobei der Grundkörper und das Düsenelement in dem Düsengehäuse derart angeordnet sind, dass ein Ende des weiteren Transportkanals, der erste Düsenauslass und der zweite Düsenauslass in der Auslassöffnung vorliegen und der
Interaktionsbereich außerhalb des Düsengehäuses vorliegt. Durch die
Auslassöffnung wird mit anderen Worten das ionisierbare Gas sowie das Grundmaterial entlang der Transportrichtung hindurchgeführt sodass der Interaktionsbereich und entsprechend der Scheitelpunkt außerhalb des Gehäuses vorliegt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das
Düsengehäuse einen Kopplungsanschluss für die Elektrodenvorrichtung auf, wobei der Kopplungsanschluss einen Zugang zu dem ersten Plasmakanal und/oder dem zweiten Plasmakanal bereitstellt. Beispielsweise kann die Elektrodenvorrichtung an dem Kopplungsanschluss mittels einer
Schraubenverbindung oder einer Klemmverbindung befestigt werden. Ferner stellt der Kopplungsanschluss eine Öffnung im Gehäuse bereit, sodass ein direkter Zugang zu dem entsprechenden ersten oder zweiten Plasmakanal möglich ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das
Düsengehäuse einen Plasmagaseingang zur Kopplung an ein erstes Gasreservoir auf, wobei der Plasmagaseingang mit zumindest dem ersten Plasmakanal gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das
Düsengehäuse einen weiteren Plasmagaseingang zur Kopplung an ein zweites Gasreservoir auf, wobei der weitere Plasmagaseingang mit dem zweiten Plasmakanal gekoppelt ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das
Düsengehäuse einen weiteren Eingang zur Kopplung an ein weiteres
Fluidreservoir auf, wobei der weitere Eingang ein Einströmen des Steuerfluids ermöglicht, sodass dieses entlang der Transportrichtung in Richtung
Fluidleitelement strömt.
Gemäß eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein System bereitgestellt zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln eines Grundmaterials, z. B. zum Erzeugen von chemischen und/oder physikalischen Vorgängen an dem Grundmaterial, wie z. B. zum Erzeugen oder Recyceln eines Pulvers aus einer Substanz bzw. eines Grundmaterials. Das System weist die oben beschriebene Düsenvorrichtung und ein Gehäuse zur Aufnahme der Düsenvorrichtung auf. Die Düsenvorrichtung ist an das Gehäuse derart gekoppelt, dass der Interaktionsbereich in dem Gehäuse vorliegt.
Mit dem System kann beispielsweise das Grundmaterial mit dem ionisierten Plasmagas in dem Interaktionsbereich zusammengebracht werden, sodass dort chemische Reaktionen oder physikalische Wechselwirkungen unter hoher Temperatur und Druck erzeugt werden. Ferner können die ionisierten
Plasmagase das Grundmaterial, wie beispielsweise einem festen Körper, z. B. Draht, abtragen, um feinstaubiges Pulver aus Grundmaterial zu generieren. Das Gehäuse weist ein inneres Volumen auf, in welchem der Vorgangs- bzw. Interaktionsbereich vorliegt. Der Interaktionsbereich ist somit geschützt vor äußeren Einflüssen. Ferner kann das Gehäuse mit Inertgas gefüllt sein, um eine Verschmutzung der Reaktionskomponenten im Reaktionsraum zu beeinflussen. Im Falle des Einsatzes als Pulvererzeugungssystem kann das Gehäuse ebenfalls als Auffangbecken und/oder als Separator für das erzeugte Pulver dienen.
Das Gehäuse kann beispielsweise rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Eine Mittelachse des Gehäuses kann dabei parallel zu der Transportrichtung ausgebildet sein. Beispielsweise weist das Gehäuse eine hohlzylindrische Form mit einer runden, ovalen oder vieleckigen Grundfläche auf. Die Normale einer Grundfläche ist beispielsweise parallel zu der Transportrichtung ausgebildet. Insbesondere ist das Gehäuse derart ausgebildet, dass die Mittellinie des Gehäuses koaxial mit der Mittellinie des Düsenelements bzw. des
Grundkörpers ist.
Das Gehäuse kann beispielsweise einen Flansch aufweisen, an welchen die Düsenvorrichtung befestigt werden kann. Dabei kann beispielsweise das Düsengehäuse oder das Fluidleitelement als Befestigungselement mit dem Gehäuse dienen. Alternativ kann das Gehäuse und die Düsenvorrichtung integral und einstückig, beispielsweise mittels additiver Fertigung, hergestellt werden.
Das Gehäuse dient als Strömungskörper und beinhaltet eine
Strömungskammer. An einem der Transportrichtung entgegengesetzten Ende wird das Düsenelement befestigt, welches entsprechend die Öffnungen des weiteren Transportkanals und der Düsenauslässe beinhaltet. Die
Düsenvorrichtung bildet somit einen Düsenboden des Strömungskörpers. Der Düsenboden kann ein, zwei, oder mehrere Düsenvorrichtungen aufweisen. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Gehäuse einen Fluidkanal auf, welcher sich von der Düsenvorrichtung fort entlang der Transportrichtung erstreckt. Der Fluidkanal kann beispielsweise als
hohlzylindrisches Rohr im Inneren des Gehäuses gebildet werden. In dem Fluidkanal wird der Vorgangs- bzw. Interaktionsbereich ausgebildet. Der Fluidkanal kann beispielsweise mit einem Kühlmedium wie Kühlluft umgeben werden, um diesen zu kühlen. Der Fluidkanal kann beispielsweise als
Kühlkanal genutzt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Kühlkanal eine Mantelfläche (des hohlzylindrischen Rohres) mit Kühlöffnungen auf, welche derart ausgebildet sind, dass ein Kühlmedium von der Umgebung der Mantelfläche in den Kühlraum bzw. Kühlkanal einströmbar ist. Die
Kühlöffnungen können beispielsweise mittels Bohrungen gebildet werden. Die Kühlöffnungen bilden ferner jeweils beabstandete Schlitze, welche in
Umfangsrichtung beabstandet voneinander in der Mantelfläche ausgebildet sind.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist zumindest eine der Kühlöffnungen derart ausgebildet, dass das Kühlmedium mit einer
Komponente in Richtung der Transportrichtung einströmbar ist. Mit anderen Worten strömt das Kühlmedium nicht rein radial Richtung Mittellinie sondern auch mit einer axialen Komponente in Richtung der Transportrichtung. Somit wird nach dem Interaktionsbereich das Reaktionsprodukt (beispielsweise das feinkörnige Pulver) mittels des Kühlmediums entlang der Transportrichtung abtransportiert.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist zumindest eine der Kühlöffnungen derart ausgebildet, dass das Kühlmedium mit einer
Komponente in Umfangsrichtung einströmbar ist. Mit anderen Worten strömt das Kühlmedium nicht rein radial Richtung Mittellinie sondern auch mit einer Umfangskomponente um die Transportrichtung. Somit wird nach dem
Interaktionsbereich das Reaktionsprodukt (beispielsweise das feinkörnige Pulver) mittels des Kühlmediums in Rotation um die Mittelachse bzw. der Transportrichtung gelenkt. Durch diese umwälzende Strömung wirkt
beispielsweise eine Zentrifugalkraft auf die Partikel in dem Reaktionsprodukt, wodurch größere Partikel mit einer höheren Masse sich schneller radial nach außen absetzen als kleinere Partikel mit einer kleineren Masse. Somit kann beispielsweise eine Trennung zwischen groben und feineren Partikeln des Reaktionsprodukts durchgeführt werden. Der Kühlkanal mit der komplexen Kühlkanalgeometrie kann insbesondere mittels additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Kühlkanal einen Befestigungsbereich mit dem Düsenelement auf, wobei in dem
Befestigungsbereich der Interaktionsbereich vorliegt. Der Kühlkanal weist in dem Befestigungsbereich entlang der Transportrichtung einen anwachsenden Innendurchmesser auf. Mit anderen Worten weist der Kühlkanal von der Schnittstelle mit der Düsenvorrichtung in Transportrichtung eine Trichterform auf. Am Ende des Befestigungsbereichs geht der Kühlkanal beispielsweise in eine hohlzylindrische Form über. Aufgrund der Trichterform wird das
Reaktionsprodukt, welches von dem Kühlmedium entlang der
Transportrichtung befördert wird, entspannt, sodass gewünschte
fluidmechanische Aspekte erzielt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist der Kühlkanal beabstandet zu einer Außenwand des Gehäuses derart angeordnet, dass ein Versorgungskanal für das Kühlmedium bereitstellbar ist. Mit anderen Worten wird in einem Zwischenbereich zwischen dem Gehäuse und dem Kühlkanal der Versorgungskanal gebildet. Das Kühlmedium kühlt somit vor Eintritt in den Kühlkanal die Mantelfläche des Kühlkanals. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist in dem Versorgungskanal ein Strömungsgleichrichter angeordnet, weicher eingerichtet ist, ein Kühlmedium laminar in den Versorgungskanal einzuströmen. Der Strömungsgleichrichter weist beispielsweise eine Vielzahl von denen
Strömungskanälen auf, welche eine Erstreckungsrichtung parallel zu der Transportrichtung bzw. Mittelachse aufweisen. Der Strömungsgleichrichter besteht beispielsweise aus einem Hohlzylinder, wobei in einer inneren Öffnung der Kühlkanal hindurchgeführt wird . In seiner Mantelfläche weist der
Hohlzylinder die Vielzahl von Strömungskanälen auf. Das Kühlmediums strömt somit durch die Strömungskanäle wird somit laminar parallel zu der
Mittelachse ausgerichtet. Entsprechend können Turbulenzen des Kühlmediums in der Umgebung um den inneren Kühlkanal reduziert werden. Insbesondere weisen die Strömungskanäle eine mindestens 10 fache längere Kanallänge auf als deren Durchmesser. Dadurch wird sichergestellt, dass das Kühlmedium laminar gerichtet wird.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Gehäuse und/oder das Düsenelement ein Umlenkelement für das Kühlmedium auf, wobei das Umlenkelement in dem Versorgungskanal ausgebildet ist bzw. in diesen hineinragt. Das Umlenkelement ist derart ausgebildet, dass das
Kühlmedium im Versorgungskanal von einer Strömungsrichtung mit einer Komponente entgegen der Transportrichtung in eine Strömungsrichtung mit einer Komponente entlang der Transportrichtung umlenkbar ist.
Das Umlenkelement ist beispielsweise ein flächiges, scheibenartiges Element, wobei die in Transportrichtung gerichtete Oberfläche gekrümmt bzw. gebogen ausgebildet ist, um somit eine Umlenkung des Kühlmediums, welches entgegen der Transportrichtung strömt um ca. 100° bis 180° umzulenken.
Nach der Umlenkung weist das Kühlmedium eine Strömungsrichtung in
Transportrichtung, insbesondere mit einer radialen Richtungskomponente, auf. Nach der Umlenkung des Kühlmediums kann dieses beispielsweise durch die Öffnungen in den Kühlkanal einströmen.
Das Umlenkelement kann beispielsweise an einem Ende des Gehäuses befestigt werden, an welchem Ende die Düsenvorrichtung befestigt ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das
Umlenkelement zumindest einen Kühlmediumleitsteg (d. h. Fluidleitsteg) auf, welcher entlang einer Radialrichtung verläuft. Somit wird das Kühlmedium in Radialrichtung geführt und umgeleitet. Der Kühlmediumleitsteg erstreckt sich insbesondere von dem scheibenförmigen Umlenkelement in Transportrichtung hervor, um somit entsprechende Führungskanäle zu bilden. Ferner kann der Kühlmediumleitsteg insbesondere eine Richtungskomponente in
Umfangsrichtung aufweisen.
Dabei können die Fluidleitstege zunächst radial und im weiteren Verlauf parallel zur Transportrichtung verlaufen. Ferner können die Fluidleitstege eine Richtungskomponente entlang der Umfangsrichtung aufweisen, sodass ein Spin bzw. eine Rotation des Kühlmediums um die Mittellinie erzeugt wird. Ferner kann die Oberfläche des Fluidleitelements der Düsenvorrichtung, welche Oberfläche in Transportrichtung gerichtet ist und mit den Kühlkanal bildet, als Umlenkelement fungieren.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das System ein Separationsrohr auf, welches entlang der Mittelachse innerhalb des Kühlkanals angeordnet ist. Das Separationsrohr weist einen inneren Kanal auf, durch welchen erste Partikel entlang der Transportrichtung abführbar sind. Zwischen der Mantelfläche und dem Separationsrohr ist ein äußerer Kanal ausgebildet, durch welchen zweite Partikel entlang der Transportrichtung abführbar sind. Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist das Separationsrohr einen Ringkanal für ein Transportfluid auf, welcher sich entlang der Transportrichtung erstreckt. Der Ringkanal weist zumindest eine innere Öffnung auf, durch welche das Transportfluid in Strömungsrichtung in den inneren Kanal einströmbar ist. Die innere Öffnung ist insbesondere derart ausgebildet, dass das Transportfluid mit einer Richtungskomponente in
Umfangsrichtung einströmbar ist.
Somit wird insbesondere eine Sogwirkung in das Innere des Separationsrohres erzeugt, sodass Partikel nach dem Interaktionsbereich in das Separationsrohr eingesaugt werden können. Die inneren Öffnungen können dabei
beispielsweise eine Krümmung in Umfangsrichtung aufweisen oder
insbesondere das Transportfluid in Tangentialrichtung im Inneren des
Separationsrohres einströmen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Ringkanal einen Anschluss zum Einströmen des Transportfluids entgegen der
Transportrichtung auf. Somit kann beispielsweise an einem Ende des
Gehäuses gegenüberliegend zu der Düsenvorrichtung ein Transportfluid in den Ringkanal eingebracht werden. Mit anderen Worten bildet der Ringkanal entgegen der Transportrichtung ein axiales Ende derart aus, dass das
Transportfluid entgegen der Transportrichtung den Kühlkanal einströmbar ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist der Ringkanal zumindest eine äußere Öffnung auf, durch welche das Transportfluid in
Strömungsrichtung in den äußeren Kanal einströmbar ist, wobei die äußere Öffnung insbesondere derart ausgebildet ist, dass das Transportfluid mit einer Richtungskomponente in Umfangsrichtung einströmbar ist.
Das Separationsrohr ragt somit entgegen der Transportrichtung in den
Kühlkanal. Der Separationsrohr bzw. das Tauchrohr kann als Doppelmantel- Hohlkörper, beispielsweise zylindrischer Form (Doppelmantelrohr), ausgeführt sein, um den Ringkanal zu bilden. Im Raum zwischen den Mantelflächen vom Separationsrohr strömt das Transportfluid beispielweise entgegen der
Transportrichtung ein. In den Mantelflächen kann zumindest ein
Umlenkelement, welches aufgrund seiner winkeligen oder gekrümmten Fläche das Transportfluid umlenkt, mit zumindest einer Komponente Richtung radial nach innen oder radial nach außen verlaufender Öffnung (Steueröffnung bzw. Steuerschlitz) ausgeführt sein. Mit anderen Worten strömt das Transportfluid nicht rein in Transportrichtung durch die Mantelfläche des Separationsrohrs in den Kühlkanal oder in den inneren Kanal des Separationsrohrs ein. Zusätzlich kann das Tauchrohr am entgegen der Transportrichtung liegenden Ende Trichterförmig zulaufend sein und/oder Steuerschlitze entgegen der
Transportrichtung aufweisen. Verbindungselemente im Hohlkörper bzw. des Ringkanals, welche das Umlenkelement mit dem Hohlkörper verbinden, können als Separatormediumleitstege ausgebildet sein.
Separatormediumleitstege können radial parallel zur Transportrichtung gerichtet sein. Alternativ können diese eine Richtungskomponente entlang der Umfangsrichtung aufweisen, sodass ein Spin bzw. eine Rotation des
Separatorsteuerfluid um die Mittellinie eingeleitet werden kann. Über geometrische Verhältnisse wie beispielsweise, Separationsrohrposition, Separationsrohrlänge, Separationsrohrdurchmesser, Steuerschlitzgröße, Steuerschlitzwinkel, Steuerschlitzanzahl, und/oder der Parameterwahl von Separatorsteuerfluid wie beispielsweise Druck, Massendurchsatz, kann ein Separationseffekt des Reaktionsmaterials gesteuert werden. Mit anderen Worten kann bei einer beispielsweisen Anwendung zur Pulverherstellung das Pulver in zwei oder mehreren Fraktionen (Partikelgrößen) separiert werden. Das Separationsrohr wird beispielsweise aus einzelnen Elementen durch Verbinden mit beispielsweise Schrauben gefertigt, oder integral, in einem Stück, durch ein Gussverfahren oder insbesondere durch eine additive
Fertigung hergestellt. Durch eine Haltevorrichtung, welche beispielsweise aus Stegen oder einem Flansch besteht, wird das Separationsrohr mit dem Gehäuse gekoppelt. Das Gehäuse und das Separationsrohr können integral in einem Stück wie beispielsweise durch ein Gussverfahren oder insbesondere durch eine additive Fertigung hergestellt werden.
Bei integraler additiver Fertigung von Gehäuse und/oder Düsenvorrichtung und/oder Tauchrohr werden Leitstege als Stützstruktur genutzt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner
Ausführungsformen in geeigneter weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit
Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige
Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zum Erzeugen eines Pulvers aus einem Grundmaterial gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei insbesondere der Ausschnitt im Übergang zwischen der Düsenvorrichtung und dem Gehäuse dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Systems aus Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung mit einem Düsengehäuse gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 und Fig. 5 zeigen eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen Draufsichten auf eine Düsenvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung mit
Strömungswegen von zwei ionisierbaren Gasen und einem Grundmaterial gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung mit
Strömungsrichtung von vier ionisierbaren Gasen und einem Grundmaterial gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung. Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlmediumsleitstegs eines Umlenkelements gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Separationsrohres in einem Kühlkanal gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung.
Fig. 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Separationsrohres aus Fig. 11.
Detaillierte Beschreibung von exemplarischen Ausführunasformen
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen ein System zum Erzeugen eines Pulvers aus einem Grundmaterial 101 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei in Fig. 1 insbesondere der Ausschnitt im
Übergang zwischen der Düsenvorrichtung 100 und dem Gehäuse 130 dargestellt ist. Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Systems aus Fig. 1.
Das System weist die Düsenvorrichtung 100 und das Gehäuse 130 zur
Aufnahme der Düsenvorrichtung 100 auf. Die Düsenvorrichtung 100 ist an das Gehäuse 130 derart gekoppelt, dass ein Interaktionsbereich 103 in dem Gehäuse 130 vorliegt. Die Düsenvorrichtung 100 dient zum Zusammenführen eines ionisierbaren Gases 102, 105 und eines Grundmaterials 101 in dem Interaktionsbereich 103. Die Düsenvorrichtung 100 weist zunächst einen Grundkörper 110 auf, welcher einen Transportkanal 111 aufweist zum Führen des Grundmaterials 101 entlang einer Transportrichtung 106 zu einem Endbereich 114 des
Grundkörpers 110. Der Grundkörper 110 weist ferner einen ersten
Plasmakanal 112 zum Führen des ersten ionisierbaren Gases 102 entlang der Transportrichtung 106 und einen zweiten Plasmakanal 113 (welcher von dem ersten Plasmakanal 112 beabstandet ist) zum Führen des zweiten
ionisierbaren Gases 105 entlang der Transportrichtung 106. In dem
Endbereich 114 des Grundkörpers weist der erste Plasmakanal 112 einen ersten Gasauslass und der zweite Plasmakanal 113 einen zweiten Gasauslass auf.
Der Grundkörper 110 weist ferner einen Koppelbereich 115 bzw. einen
Elektronenmantel 307 für eine Elektrodenvorrichtung 150 derart auf, dass das erste ionisierbare Gas 102 in dem ersten Plasmakanal 112 und das zweite ionisierbaren Gas 105 in dem zweiten Plasmakanal 105 ionisierbar sind.
Ferner weist die Düsenvorrichtung 100 ein Düsenelement 120 auf, welches an dem Endbereich 114 des Grundkörpers 110 mit diesem gekoppelt ist. Das Düsenelement 120 weist einen weiteren Transportkanal 121 auf, welcher mit dem Transportkanal 111 derart gekoppelt ist, dass das Grundmaterial 101 von dem Grundkörper 110 in den Interaktionsbereich 103 außerhalb des
Düsenelements 120 entlang der Transportrichtung 106 überführbar ist. Ferner weist das Düsenelement 120 einen ersten Düsenauslass 122, welcher mit dem ersten Plasmakanal 112 gekoppelt ist und einen zweiten Düsenauslass 123 auf, welcher mit dem zweiten Plasmakanal 113 gekoppelt ist.
Der erste Düsenauslass 122 zum Führen des ersten ionisierbaren Gases 102 und der zweite Düsenauslass 123 zum Führen des zweiten ionisierbaren Gases 105 sind derart ausgebildet, dass das erste ionisierbare Gas 102 und das zweite ionisierbare Gas 105 in den Interaktionsbereich 103 zur Reaktion mit dem Grundmaterial 101 einströmbar sind.
Das Grundmaterial 101 ist beispielsweise ein Feststoff, wie beispielsweise ein Draht, beispielsweise ein Kupferdraht, Aluminiumdraht, Nickeldraht, Titandraht oder ein Wolframdraht. Als ionisierbares Gas 102, 105, welches in einem geladenen Zustand als Plasmagas auf das Grundmaterial 101 im
Interaktionsbereich 103 trifft, kann beispielsweise ein Inertgas bzw. Argon (Ar) verwendet werden.
Der Grundkörper 110 weist eine zylindrische Stiftform auf. Der Grundkörper 110 ist insbesondere integral und einstückig ausgebildet und weist den
Transportkanal 111, den ersten Plasmakanal 112 und den zweiten
Plasmakanal 113 auf. Mit anderen Worten verlaufen mehrere Plasmakanäle 112, 113 und der zumindest eine Transportkanal 111 in einem integralen einstückigen Grundkörper. In den Plasmakanälen 112, 113 kann ein und dasselbe ionisierbare Gas oder eine Vielzahl unterschiedlicher ionisierbarer Gase durchgeführt werden können.
Die Transportrichtung 106 definiert insbesondere den Vortrieb bzw. die
Strömungsrichtung des Grundmaterials 101 durch den Grundkörper 110 und durch das Düsenelement 120 in den Interaktionsbereich 103.
Insbesondere weist der Grundköper 110 den Koppelbereich 115 für die
Elektrodenvorrichtung 150 auf. Die Elektrodenvorrichtung 150 kann dabei derart an dem Grundkörper 110 direkt oder indirekt, z.B. an ein
Düsengehäuse 140, befestigt werden und einen Energieeintrag in den entsprechenden ersten und/oder zweiten Plasmakanal 112, 113 bereitstellen. Das Düsenelement 120 besteht aus einem Vollmaterial mit einer hohen Temperaturbeständigkeit. Das Düsenelement 120 ist an dem Endbereich 114 des Grundkörpers 110 befestigt. Der Transportkanal 111 ist mit dem weiteren Transportkanal 121, der erste Düsenauslass 122 ist mit dem ersten
Plasmakanal 112 und der zweite Düsenauslass 123 mit dem zweiten
Plasmakanal 113 gekoppelt sind. Der erste und/oder der zweite Düsenauslass 122, 123 weisen verjüngende Kanäle auf und entsprechend an dem Austritt in Richtung Interaktionsbereich 103 den kleinsten Querschnitt aufweisen. Die Düsenauslässe 122, 123 sind derart ausgebildet, dass das entsprechend ionisierte Gas 102, 103 in den Interaktionsbereich 103 eingeströmt wird. Der weitere Transportkanal 121 ist entsprechend ausgebildet, dass das
Grundmaterial 101 hindurchgeführt wird und in den Interaktionsbereich 103 hineinragt. Der erste Düsenauslass 122 und der zweite Düsenauslass 123 sind dabei insbesondere derart ausgebildet, dass das erste ionisierbare Gas 102 und das zweite ionisierbare Gas 105 sich in einem Scheitelpunkt im
Interaktionsbereich 103 treffen. Der weitere Transportkanal 121 ist
ausgebildet, dass das Grundmaterial 101 ebenfalls durch den Scheitelpunkt verläuft.
Der Interaktionsbereich 103 liegt in Transportrichtung 106 außerhalb des Düsenelements 120. In dem Interaktionsbereich findet die Reaktion zwischen dem Grundmaterial und dem ionisierbaren bzw. ionisierten Gas statt.
Aufgrund der hohen Temperaturen in dem Scheitelpunkt aufgrund des ionisierten Gases 102, 105 kann insbesondere eine Reaktion zwischen dem ionisierten Gas 102, 105 und dem Grundmaterial 101 erzeugt werden.
Erzeugten. Das Grundmaterial 101 kann aufgrund der hohen Temperatur des ionisierten Gases 102, 105 automatisiert und in kleine, insbesondere kugelförmige Tropfen, aufgeschmolzen werden. Die Tropfen weisen
insbesondere eine Partikelgröße von weniger als 500 mm, insbesondere von weniger als 200 mm auf. In einem nachfolgenden Abkühlprozess im Kühlkanal 131 können die geschmolzenen Tröpfchen zu kleinen Partikeln verfestigt werden, sodass ein äußerst feinkörniges Pulver, welches beispielsweise für die additive Fertigung notwendig ist, bereitgestellt werden.
Das Gehäuse 130 weist ein inneres Volumen auf, in welchem der
Interaktionsbereich 103 vorliegt. Der Interaktionsbereich 103 ist somit geschützt vor äußeren Einflüssen.
Das Gehäuse 130 ist rotationssymmetrisch ausgebildet. Eine Mittelachse 104 des Gehäuses 130 ist dabei parallel zu der Transportrichtung 106 ausgebildet. Das Gehäuse 130 weist eine hohlzylindrische Form auf. Die Mittellinie 104 des Gehäuses 130 ist koaxial mit der Mittellinie 104 des Düsenelements 120 bzw. des Grundkörpers 110.
Das Gehäuse 130 weist einen Flansch auf, an welchen die Düsenvorrichtung 100 befestigt ist.
Der Transportkanal 111 ist als Bohrung im Inneren des Grundkörpers 110 ausgebildet. Der Grundkörper ist rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei eine Mittelachse 104 des Grundkörpers 110 parallel zu der Transportrichtung 106 ausgebildet ist. Der Transportkanal 111 verläuft entlang der Mittelachse (Rotationsachse) 104 des Grundkörpers 110. Somit liegt der Transportkanal 111 im Zentrum des Grundkörpers 110 und erstreckt sich insbesondere translatorisch.
Der erste Düsenauslass 122 und der zweite Düsenauslass 123 sind derart ausgebildet, dass das entsprechende ionisierte Gas eine Strömungsrichtung mit einer zu der Mittelachse 104 radialen (Richtungs-) Komponente aufweist.
Als axiale Richtung wird die Richtung parallel der Transportrichtung 106 definiert. Die radiale Richtung 107 entspricht einer Richtung, welche orthogonal zu der axialen Richtung ausgebildet ist und durch die Mittellinie 104 bzw. Rotationsachse des Grundkörpers 110 verläuft. Die Umlaufrichtung 108 ist orthogonal zu der axialen Richtung und der Radialrichtung 107.
Das ionisierte Gas (d. h. das Plasmagas) wird mit einem bestimmten Winkel a (siehe Fig. 8) relativ zu der Transportrichtung 106 in den Interaktionsbereich 103 eingeströmt. Der Winkel a ist zwischen der Strömungsrichtung aus den entsprechenden Düsenauslässen 122, 123 einerseits und der axialen Richtung andererseits definiert. Aufgrund des gewinkelten Ausströmens des ionisierten Gases 102, 105 durch die entsprechenden Düsenauslässe 122, 123 strömt das ionisierte Gas 102, 105 in Richtung eines Scheitelpunkts 800 (siehe Fig. 8) auf der Mittelachse 104 im Interaktionsbereich 103, um mit dem Grundmaterial 101 zu reagieren.
Der erste Düsenauslass 122 oder der zweite Düsenauslass 123 können ferner derart ausgebildet sein, dass das entsprechende ionisierte Gas 102, 105 eine Strömungsrichtung mit einer zu der Mittelachse 104 umlaufenden (Richtungs-) Komponente, d. h. in Umfangsrichtung 108, aufweist. Somit erhält das ausströmende ionisierte Gas 102, 105 eine rotierende Richtung in
Umfangsrichtung 108 um die Mittelachse 104.
Der erste Plasmakanal 112 und der zweite Plasmakanal 113 sind jeweils beabstandet von der Mittelachse 104 des Grundkörpers 110 ausgebildet.
Die Düsenvorrichtung 100 weist ferner ein, insbesondere scheibenförmiges, Fluidleitelement 124 auf, welches mit dem Düsenelement 120 gekoppelt ist. Zwischen dem Fluidleitelement 124 und dem Düsenelement 120 ist ein ringförmiger Steuerkanal 127 ausgebildet, welcher um das Düsenelement 120 verläuft. Der Steuerkanal 127 ist derart ausgebildet, dass Steuerfluid 125, z. B. kühlendes Inertgas oder Kühlluft, in oder um den Interaktionsbereich 103 strömbar ist. Der Steuerkanal 124 ist insbesondere derart ausgebildet, dass das Steuerfluid 125 das in den Interaktionsbereich 103 einströmende ionisierte Gas 102, 105 und das Grundmaterial 101 umhüllt. Der Fluiddruck des Steuerfluids 125 ist einstellbar, z. B. mittels einer entsprechenden Pumpenvorrichtung. Die Höhe des Drucks und/oder der Geschwindigkeit der Steuerfluids 125 steuert die örtliche Ausbildung des Interaktionsbereichs 103 bzw. des Scheitelpunkts 800 entlang der Transportrichtung 106. Je höher die Fluidgeschwindigkeit des Steuerfluids 125 bzw. je höher der Fluiddruck des Steuerfluids 125, desto weiter entfernt wird der Interaktionsbereich 103, in welchen sich der
Scheitelpunkt 800 des ionisierten Gases mit dem Grundmaterial 101 vorliegt, ausgebildet.
Das Fluidleitelement 124 kann das Steuerfluid 125 mit einer radialen
Richtungskomponente in den Interaktionsbereich 103 einströmen. Somit kann das Steuerfluid 125 umfänglich mit einer radialen Strömung in den
Interaktionsbereich 103 eingeströmt werden. Nach einem Kreuzungspunkt des Steuerfluids 125 auf der Mittelachse 104 strömt dieses stromabwärts bezüglich der Transportrichtung 106 von dem Interaktionsbereich 103 entsprechend von der Mittelachse 104 nach außen und bildet einen nach außen gerichteten Strömungskegel. Dies führt dazu, dass größere Partikel (Grobpartikel 143) weiter nach außen bezüglich der Mittelachse 104 getragen werden als kleinere Partikel (Feinpartikel 142). Entsprechend befinden sich entlang der
Transportrichtung 106 im Zentrum um die Mittelachse 104 kleinere Partikel 142 und in einem größeren Abstand von der Mittelachse 104 entsprechend größere Partikel 143.
Das Fluidleitelement 124 erstreckt sich senkrecht zur Transportrichtung 106 bzw. zur Mittellinie 104, wobei es eine geringe Dicke aufweist. Das
Fluidleitelement 124 ist entsprechend scheibenförmig ausgebildet. Das Gehäuse 130 weist einen Kühlkanal 131 auf, welcher sich von der
Düsenvorrichtung 100 fort entlang der Transportrichtung 106 erstreckt. Der Kühlkanal 131 ist beispielsweise als hohlzylindrisches Rohr im Inneren des Gehäuses 130 gebildet. In dem Kühlkanal 131 wird der Interaktionsbereich 103 ausgebildet. Der Kühlkanal 131 ist mit einer Kühlluft bzw. Kühlmedium 134 umgeben.
Der Kühlkanal 131 weist eine Mantelfläche 132 (des hohlzylindrischen Rohres) mit Kühlöffnungen 133 auf, welche derart ausgebildet sind, dass das
Kühlmedium 134 von der Umgebung der Mantelfläche 132 in den Kühlraum einströmbar ist. Die Kühlöffnungen 133 sind beabstandete Schlitze bzw.
Öffnungen, welche in Umfangsrichtung 108 und in Axialrichtung 106 beabstandet voneinander in der Mantelfläche 132 ausgebildet sind.
Die Kühlöffnungen 133 sind derart ausgebildet, dass das Kühlmedium 134 mit einer Komponente in Richtung der Transportrichtung 106 einströmbar ist. Somit wird nach dem Interaktionsbereich 103 das Reaktionsprodukt
(beispielsweise das feinkörnige Pulver) mittels des Kühlmediums 134 entlang der Transportrichtung 106 abtransportiert.
Die Kühlöffnungen 133 sind derart ausgebildet, dass das Kühlmedium 134 mit einer Komponente in Umfangsrichtung 108 einströmbar ist. Mit anderen Worten strömt das Kühlmedium 134 nicht rein radial Richtung Mittellinie 104 sondern auch mit einer Umfangskomponente 108. Somit wird nach dem Interaktionsbereich 103 das Reaktionsprodukt (beispielsweise das feinkörnige Pulver) mittels des Kühlmediums 133 in Rotation um die Mittelachse 104 gelenkt (siehe spiralförmige Pfeile). Durch diese umwälzende Strömung wirkt beispielsweise eine Zentrifugalkraft auf die Partikel in dem Reaktionsprodukt, wodurch größere Partikel 143 mit einer höheren Masse sich schneller radial nach außen absetzen als kleinere Partikel 142 mit einer kleineren Masse. Somit kann beispielsweise eine Trennung zwischen groben und feineren Partikeln 142, 143 des Reaktionsprodukts durchgeführt werden.
Um den Separationseffekt zu verstärken kann ein Separationsrohr 141 vorgesehen werden, welches entlang der Mittelachse 104 innerhalb des Kühlkanals 131 angeordnet ist. Die Feinpartikel 142 können im Inneren des Separationsrohrs 141 abgeführt werden, während die Grobpartikel 143 außerhalb des Separationsrohrs 141 abgeführt werden.
Stromabwärts außerhalb des Interaktionsbereich 103 ist ein offener
Hohlzylinder als Separationsrohr 141 mit einer Mittelachse, welche koaxial zu der Mittelachse 104 ist, installiert. Die kleineren Feinpartikel 142 strömen in das Innere des Hohlzylinders und die Grobpartikel 143 strömen außerhalb des Hohlzylinders vorbei. An dem stromabwärtigen Ende des Separationsrohrs 141 kann entsprechend ein Behälter zum Sammeln der Kleinpartikel 142
angeordnet werden, während in einem weiteren Behälter die das
Separationsrohr 141 umgebende Grobpartikel 143 gesammelt werden.
Ferner kann das Fluidleitelement 124 wie unten beschrieben mit einer
Zirkulation, d. h. mit einer Richtungskomponente in Umfangsrichtung in den Interaktionsbereich 103 einströmen.
Der Kühlkanal 131 weist einen Befestigungsbereich 135 mit dem
Düsenelement 100 auf, wobei in dem Befestigungsbereich 135 der
Interaktionsbereich 103 vorliegt. Der Kühlkanal 131 weist in dem
Befestigungsbereich 135 entlang der Transportrichtung 106 einen
anwachsenden Innendurchmesser entsprechend eine Trichterform auf. Am Ende des Befestigungsbereichs 135 geht der Kühlkanal 131 beispielsweise in eine hohlzylindrische Form über. Aufgrund der Trichterform wird das
Reaktionsprodukt, welches von dem Kühlmedium 134 entlang der
Transportrichtung 106 befördert wird, entspannt. Der Kühlkanal 131 ist beabstandet zu einer Außenwand 136 des Gehäuses 130 derart angeordnet, dass ein Versorgungskanal 137 für das Kühlmedium 134 bereitstellbar ist. Ferner weist das Gehäuse 130 und/oder das Düsenelement 120 bzw. das Fluidleitelement 124 ein Umlenkelement 138 für das
Kühlmedium 134 auf, wobei das Umlenkelement 138 in dem Versorgungskanal 137 ausgebildet ist bzw. in diesen hineinragt. Das Umlenkelement 138 ist derart ausgebildet, dass das Kühlmedium 134 im Versorgungskanal 137 von einer Strömungsrichtung mit einer Komponente entgegen der
Transportrichtung 106 in eine Strömungsrichtung mit einer Komponente entlang der Transportrichtung 106 umlenkbar ist.
Das Umlenkelement 138 ist beispielsweise ein flächiges, scheibenartiges Element, wobei die in Transportrichtung 106 gerichtete Oberfläche gewölbt ist, um somit eine Umlenkung des Kühlmediums 134 durchzuführen . Nach der Umlenkung des Kühlmediums 134 kann dieses beispielsweise durch die
Kühlöffnungen 133 in den Kühlkanal 131 einströmen. Das Umlenkelement 138 weist insbesondere ein Kühlmediumleitsteg 139 (d.h. Fluidleitsteg) auf, welcher das Kühlmedium 134 effektiver umlenkt.
Die Oberfläche des Fluidleitelements 124 der Düsenvorrichtung 100, welche Oberfläche in Transportrichtung 106 gerichtet ist und mit den Kühlkanal 131 bildet, fungiert in der beispielhaften Ausführungsform als Umlenkelement 138.
In dem Versorgungskanal 137 ein Strömungsgleichrichter 201 angeordnet, welcher eingerichtet ist, das Kühlmedium 134 laminar in den
Versorgungskanal 137 einzuströmen. Der Strömungsgleichrichter 201weist beispielsweise eine Vielzahl von denen Strömungskanälen auf, welche eine Erstreckungsrichtung parallel zu der Mittelachse 104 aufweisen. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung 100 mit einem Düsengehäuse 300 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Düsenvorrichtung 100 ist innerhalb dem Düsengehäuse 300 angeordnet und beispielsweise über das Umlenkelement 138 mit diesem befestigt. Im Inneren des Düsengehäuses befindet sich parallel zur Mittelachse 104 ein Elektrodenmantel 307 der Düsenvorrichtung 100, in welchen die
Düsenvorrichtung 100, insbesondere mit ihrem stiftartigen Grundkörper 110 einsteckbar ist. In dem Elektrodenmantel 307 befindet sich der Koppelbereich 115 für eine Elektrodenvorrichtung. Die Elektrodenvorrichtung leitet über den Kopplungsanschluss 302 hochfrequente Strahlung in Richtung
Düsenvorrichtung 100.
Das Düsengehäuse 300 weist ferner einen Plasmagaseingang 303 für das erste ionisierbare Gas 102 und optional einen Plasmagaseingang 304 für ein zweites ionisierbare Gas 103 auf. Ferner kann über einen Kopplungsbereich 306 für das Grundmaterial 101 dieses in den Transportkanal 111 eingeführt werden. Das ionisierbare Gas 102, 103 wird somit zwischen den Elektrodenmantel 307 und den Plasmakanälen 112, 113 geführt und mittels der
Elektrodenvorrichtung ionisiert.
Zudem kann über den Fluideingang 305 ein Steuerfluid 125 eingeströmt werden, welches an dem Fluidleitelement 124 in Richtung Interaktionsbereich 103 geleitet wird.
Fig. 4 und Fig. 5 zeigen eine schematische Darstellung einer
Düsenvorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Düsenvorrichtung 100 stromabwärts der Transportrichtung 106 und Fig. 5 eine Ansicht der
Düsenvorrichtung 100 stromaufwärts der Transportrichtung 106. In Fig. 4 wird der erste Plasmakanal 112 und der zweite Plasmakanal 113 als offene Nut 402 entlang einer Oberfläche des Grundkörpers 110 ausgebildet.
Die offene Nut 402 kann beispielsweise mittels Fräsens in den Grundkörper 110 eingebracht werden. Das ionisierbare Gas 102, 105 strömt aufgrund eines gerichteten Einströmwinkels in die Nut 402 entlang derselben Nut 402. Durch die offene Nut 402 ist das ionisierbare Gas 102, 105 von außen gut
zugänglich, insbesondere für einen Energieeintrag der Elektrodenvorrichtung 150. in der beispielhaften Ausführungsform in Fig. 4 weist der Grundkörper 110 drei Plasmakanäle 112, 113, 112' auf, welche in Umfangsrichtung konstant entlang der Oberfläche verteilt sind. Entsprechend können 3
Plasmastrahlen in den Interaktionsbereich 103 eingeströmt werden.
Die offene Nut 402 zumindest teilweise mit einer Hülse 403, welche über den Grundkörper 110 steckbar ist, geschlossen. Die Hülse 403 kann sozusagen über den Grundkörper gesteckt werden, sodass die Hülse 403 auf der
Oberfläche des Grundkörpers 110 aufliegt. Damit können die offenen Nuten 402 der entsprechenden Plasmakanäle 112, 113, 112' geschlossen werden. Im Koppelbereich 115 bzw. am Ende Elektrodenmatel 307 mit der
Elektrodenvorrichtung 150 kann die offene Nut 402 frei von der Hülse 403 bleiben.
Das Fluidleitelement 124 ist scheibenförmig ausgebildet, wobei der Mittelpunkt des scheibenförmigen Fluidleitelements 124 auf der Mittelachse 104 des Düsenelements 120 liegt. Das Fluidleitelement 124 ist mittels
Verbindungsstegen 401 an dem Düsenelement 120 befestigt. Zwischen den Verbindungstegen 401 bildet sich ein entsprechender Spalt als Steuerkanal 127 aus, durch welchen das Steuerfluid 125 in den Interaktionsbereich 103 einströmen kann.
Das Fluidleitelement 124 weist ferner Fluidleitstege 126 auf zum Leiten des Steuerfluids 125 in Richtung Steuerkanal 127. Die Fluidleitstege 126 bilden Erhebungen entlang der Oberfläche des Fluidleitelements 124 aus. Dabei verlaufen die Fluidstege 126 mit Richtungskomponenten parallel und radial zur Transportrichtung 106.
Das Fluidleitelement 124 weist auf der in Transportrichtung 106 abgewandten Seite bezüglich des Interaktionsbereichs 103 eine trichterförmige und konvex gewölbte Oberfläche auf, wobei die Bereiche im Zentrum des Fluidleitelements 124 weiter in Transportrichtung 106 liegen als Randbereiche des
Fluidleitelements 124.
Auf der in Transportrichtung 106 zugewandten Seite bezüglich des
Interaktionsbereichs 103 weist das Fluidleitelement 124 eine konkave gewölbte Oberfläche auf. Diese gewölbte Oberfläche kann beispielsweise als Umlenkfläche bzw. Umlenkelement 138 für das Kühlmedium 134 wirken.
Fig. 6 und Fig. 7 zeigen Draufsichten auf eine Düsenvorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführung.
In Fig. 6 sind die Düsenauslässe 122, 123 dargestellt, welche einen
gemeinsamen Ringspalt ausbilden. Im Zentrum ist der weitere Transportkanal 101 dargestellt, durch welchen das Grundmaterial 101 hindurchführbar ist.
Das Düsenelement 120 ist mit den Verbindungsstegen an das Fluidleitelement 124 gekoppelt.
Fig. 7 zeigt ferner ein rotierbare Element 701, welches drei in
Umfangsrichtung verteilte Öffnungen aufweist, durch welche das ionisierbare Gas 102, 105 strömen kann. Das rotierbare Element 701 kann das
Düsenelement 120 ausbilden. Das Düsenelement 120 kann relativ zu dem Grundkörper 110 rotierbar sein. Das Düsenelement 120 kann beispielsweise mittels eines Gleitlagers oder eines Kugellagers an den Grundkörper 110 rotierender gelagert werden. Der entsprechende erste Düsenauslass 122 und der zweite Düsenauslass 123 können beispielsweise als Ringspalt in dem Düsenelement 120 ausgebildet werden (siehe Fig. 6). In dem Ringspalt können ferner Fluidleitelemente vorgesehen werden, sodass die Rotation der ionisierbaren Gase 102, 105 zusätzlich einen Spin bzw. eine Rotation des in den Interaktionsbereich einströmenden ionisierbaren Gases 102, 105 erzeugt.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung 100 mit Strömungswegen von zwei ionisierbaren Gasen 102, 105 und einem
Grundmaterial 101.
Die Düsenvorrichtung 100 weist den Grundkörper 110 und das Düsenelement 120. Der Transportkanal 111 und der weitere Transportkanal 121 sind koaxial entlang der Mittellinie 104 ausgebildet. Der Grundkörper 110 weist ferner den ersten Plasmakanal 112 zum Führen des ersten ionisierbaren Gases 102 entlang der Transportrichtung 106 und einen zweiten Plasmakanal 113
(welcher von dem ersten Plasmakanal 112 beabstandet ist) zum Führen des zweiten ionisierbaren Gases 105 entlang der Transportrichtung 106 auf.
Der Grundkörper 110 weist ferner einen Koppelbereich 115 und einen
Elektrodenmantel 307 für eine Elektrodenvorrichtung 150 derart auf, dass das erste ionisierbare Gas 102 in dem ersten Plasmakanal 112 und das zweite ionisierbaren Gas 105 in dem zweiten Plasmakanal 105 ionisierbar sind.
Das Düsenelement 120 weist einen ersten Düsenauslass 122, welcher mit dem ersten Plasmakanal 112 gekoppelt ist, und einen zweiten Düsenauslass 123 auf, welcher mit dem zweiten Plasmakanal 113 gekoppelt ist, auf.
Der erste Düsenauslass 122 zum Führen des ersten ionisierbaren Gases 102 und der zweite Düsenauslass 123 zum Führen des zweiten ionisierbaren Gases 105 sind derart ausgebildet, dass das erste ionisierbare Gas 102 und das zweite ionisierbare Gas 103 in den Interaktionsbereich 103 zur Reaktion mit dem Grundmaterial 101 einströmbar sind.
Das ionisierte Gas 102,105 (d.h. das Plasmagas) wird mit einem bestimmten Winkel a relativ zu der Transportrichtung 106 in den Interaktionsbereich 103 eingeströmt. Der Winkel a ist zwischen der Strömungsrichtung aus den entsprechenden Düsenauslässen 122, 123 einerseits und der axialen Richtung andererseits definiert. Aufgrund des gewinkelten Ausströmens des ionisierten Gases 102, 105 durch die entsprechenden Düsenauslässe 122, 123 strömt das ionisierte Gas 102, 105 in Richtung eines Scheitelpunkts 800 auf der
Mittelachse 104 im Interaktionsbereich 103, um mit dem Grundmaterial 101 zu reagieren.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer Düsenvorrichtung 100 mit Strömungsrichtung von vier ionisierbaren Gasen 102, 102', 105, 105' und einem Grundmaterial 101.
Der Grundkörper weist im Vergleich zu der Ausführungsform aus Fig. 8 einen weiteren ersten Plasmakanal 901 zum Führen eines weiteren ersten
ionisierbaren Gases 102' entlang der Transportrichtung 106 und einen weiteren zweiten Plasmakanal 902, welcher von dem weiteren ersten
Plasmakanal 112 beabstandet ist, zum Führen eines weiteren zweiten ionisierbaren Gases 105' entlang der Transportrichtung 105 auf. In
entsprechenden Düsenauslässen 122', 123' wird das ionisierbare Gas 102',
105' in Richtung Scheitelpunkt 800 ausgeströmt. Die Düsenauslässe 122', 123' weisen einen kleineren, flacheren Winkel a' auf als die Düsenauslässe 122,
123.
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlmediumleitstegs 139 eines Umlenkelements 138 gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung. Das Umlenkelement 138 weist zumindest einen Kühlmediumleitsteg 139 (d.h. Fluidleitsteg) auf, welcher entlang einer Radialrichtung 107 in Richtung
Zentrum verläuft. Somit wird das Kühlmedium 134 in Radialrichtung 107 geführt und umgeleitet. Der Kühlmediumleitsteg 139 erstreckt sich
insbesondere von dem scheibenförmigen Umlenkelement 138 in
Transportrichtung 106 hervor, um somit entsprechende Führungskanäle zu bilden. Ferner kann der Kühlmediumleitsteg 139 insbesondere eine
Richtungskomponente in Umfangsrichtung 108 aufweisen.
Das Umlenkelement 138 kann ferner mit dem Gehäuse 130 durch die
Kühlmediumleitstege 139 verbunden sein. Der Kühlmediumleitsteg 139 kann bis zum Ende der Kühlöffnungen 133, welcher der Beginn vom Kühlkanal 131 ist, verlaufen. Dabei verlaufen Kühlmediumleitstege 139 beispielhaft parallel und radial zur Transportrichtung 106.
Fig. 11 zeigt eine schematische Darstellung eines Separationsrohres 141 in einem Kühlkanal 131 gemäß einer beispielhaften Ausführung von der vorliegenden Erfindung. Fig. 12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Separationsrohres aus Fig. 11. Das Separationsrohr 141 weist einen inneren Kanal 1106 auf, durch welchen erste Partikel 142 entlang der
Transportrichtung 106 abführbar sind. Zwischen der Mantelfläche 132 und dem Separationsrohr 141 ist ein äußerer Kanal 1107 ausgebildet, durch welchen zweite Partikel 143 entlang der Transportrichtung 106 abführbar sind.
Das Separationsrohr 141 weist einen Ringkanal 1101 für ein Transportfluid 1104 auf, welcher sich entlang der Transportrichtung 106 erstreckt. Der Ringkanal 1101 weist zumindest eine innere Öffnung 1103 auf, durch welche das Transportfluid 1104 in Strömungsrichtung in den inneren Kanal 1106 einströmbar ist. Die innere Öffnung 1103 ist insbesondere derart ausgebildet, dass das Transportfluid 1104 mit einer Richtungskomponente in
Umfangsrichtung 108 einströmbar ist. Somit wird insbesondere eine Sogwirkung in das Innere des Separationsrohres 141 erzeugt, sodass kleinere Partikel 142 nach dem Interaktionsbereich 103 in das Separationsrohr 141 eingesaugt werden können. Die inneren Öffnungen
1103 können dabei beispielsweise eine Krümmung in Umfangsrichtung 108 aufweisen oder insbesondere das Transportfluid 1104 in Tangentialrichtung im Inneren des Separationsrohres 141 einströmen.
Der Ringkanal 1101 weist einen Anschluss zum Einströmen des Transportfluids
1104 entgegen der Transportrichtung 106 auf. Somit kann beispielsweise an einem Ende des Gehäuses 130 gegenüberliegend zu der Düsenvorrichtung 100 ein Transportfluid in den Ringkanal eingebracht werden.
Der Ringkanal 1101 weist zumindest eine äußere Öffnung 1102 auf, durch welche das Transportfluid 1104 in Strömungsrichtung 106 in den äußeren Kanal 1107 einströmbar ist, wobei die äußere Öffnung 1102 insbesondere derart ausgebildet ist, dass das Transportfluid 1104 mit einer
Richtungskomponente in Umfangsrichtung 108 einströmbar ist.
Das Separationsrohr 141 ragt somit entgegen der Transportrichtung 106 in den Kühlkanal 131. Das Separationsrohr 14 bzw. das Tauchrohr kann als Doppelmantel-Hohlkörper, beispielsweise eine zylindrische Form
(Doppelmantelrohr), ausgeführt sein, um den Ringkanal 1101 zu bilden. Im Raum zwischen den Mantelflächen vom Separationsrohr 141 strömt das Transportfluid 1104 beispielweise entgegen der Transportrichtung 106 ein. In dem Ringkanal 1101 kann zumindest ein Umlenkelement, welches aufgrund seiner winkeligen oder gekrümmten Fläche das Transportfluid 1104 umlenkt, mit zumindest einer Komponente Richtung radial nach innen oder radial nach außen verlaufender Öffnung (Steueröffnung bzw. Steuerschlitz) ausgeführt sein. Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass "umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und "eine" oder "ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben
beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste:
100 Düsenvorrichtung 135 Befestigungsbereich
101 Grundmaterial 136 Außenwand
102 erstes ionisierbares Gas 137 Versorgungskanal
103 Interaktionsbereich 138 Umlenkelement
104 Mittelachse 139 Kühlmediumleitsteg
105 zweites ionisierbares Gas 140 Düsengehäuse
106 Transportrichtung 141 Separationsrohr
107 Radialrichtung 142 Feinpartikel
108 Umfangsrichtung 143 Grobpartikel
110 Grundkörper 150 Elektrodenvorrichtung
111 Transportkanal
112 erster Plasmakanal 201 Strömungsgleichrichter
113 zweiter Plasmakanal
114 Endbereich 302 Kopplungsanschluss für
115 Koppelbereich Elektrodenvorrichtung
120 Düsenelement 303 Plasmagaseingang für erstes
121 weiterer Transportkanal ionisierbare Gas
122 erster Düsenauslass 304 Plasmagaseingang für zweites
123 zweiter Düsenauslass ionisierbare Gas
124 Fluidleitelement 305 weiteren Eingang zur Kopplung
125 Steuerfluid an ein weiteres Fluidreservoir
126 Fluidleitsteg 306 Kopplungsbereich für
127 Steuerkanal Grundmaterial
130 Gehäuse 307 Elektrodenmantel
131 Kühlkanal
132 Mantelfläche
133 Kühlöffnung
134 Kühlmedium 401 Verbindungssteg
402 Nut
403 Hülse 701 rotierbares Element
800 Scheitelpunkt
901 weiterer erster Plasmakanal
902 weiterer zweiter Plasmakanal 1101 Ringkanal
1102 äußere Öffnung
1103 innere Öffnung
1104 Transportfluid
1105 axiales Ende
1106 innerer Kanal
1107 äußerer Kanal

Claims

Patentansprüche
1. Düsenvorrichtung (100) zum Zusammenführen eines ionisierbaren Gases (102, 105) und eines Grundmaterials (101) in einem
Interaktionsbereich (103), die Düsenvorrichtung (100) aufweisend
einen Grundkörper (110), welcher einen Transportkanal (111) aufweist zum Führen eines Grundmaterials (101) entlang einer Transportrichtung (106) zu einem Endbereich (114) des Grundkörpers (110),
wobei der Grundkörper (110) aufweist einen ersten Plasmakanal (112) zum Führen eines ersten ionisierbaren Gases (102) entlang der Transportrichtung (106) und einen zweiten Plasmakanal (113) zum Führen eines zweiten ionisierbaren Gases (105) entlang der Transportrichtung (106),
wobei in dem Endbereich (114) des Grundkörpers (110) der erste Plasmakanal (112) einen ersten Gasauslass und der zweite Plasmakanal (113) einen zweiten Gasauslass aufweist,
wobei der Grundkörper (110) einen Koppelbereich (115) für eine
Elektrodenvorrichtung (150) derart aufweist, dass das erste ionisierbare Gas (102) in dem ersten Plasmakanal (112) und das zweite ionisierbaren Gas (105) in dem zweiten Plasmakanal (113) ionisierbar sind,
ein Düsenelement (120), welches an dem Endbereich (114) des
Grundkörpers (110) mit diesem gekoppelt ist,
wobei das Düsenelement (120)
einen weiteren Transportkanal (111), welcher mit dem Transportkanal (111) derart gekoppelt ist, dass das Grundmaterial (101) von dem Grundkörper (110) in einen Interaktionsbereich (103) außerhalb des Düsenelements (120) entlang der Transportrichtung (106) überführbar ist,
einen ersten Düsenauslass (122), welcher mit dem ersten
Plasmakanal (112) gekoppelt ist und
einen zweiten Düsenauslass (123), welcher mit dem zweiten Plasmakanal (113) gekoppelt ist, wobei der erste Düsenauslass (122) zum Führen des ersten ionisierbaren Gases (102) und der zweite Düsenauslass (123) zum Führen des zweiten ionisierbaren Gases (105) derart ausgebildet sind, dass das erste ionisierbare Gas (102) und das zweite ionisierbare Gas (105) in den Interaktionsbereich (103) zur Reaktion mit dem Grundmaterial (101) einströmbar sind.
2. Düsenvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1,
wobei der Grundkörper (110) und das Düsenelement (120) integral ausgebildet sind.
3. Düsenvorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2,
wobei der Transportkanal (111) als Bohrung im Inneren des Grundkörpers (110) ausgebildet ist.
4. Düsenvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Grundkörper (110) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, wobei eine Mittelachse (104) des Grundkörpers (110) parallel zu der
Transportrichtung (106) ausgebildet ist,
wobei der Transportkanal (111) insbesondere entlang der Mittelachse (104) verläuft.
5. Düsenvorrichtung (100) gemäß Anspruch 4,
wobei zumindest der erste Düsenauslass (122) oder der zweite Düsenauslass (123) derart ausgebildet ist, dass das entsprechende ionisierbare Gas (102, 105) eine Strömungsrichtung mit einer zu der Mittelachse (104) radialen Komponente aufweist, und/oder
wobei zumindest der erste Düsenauslass (122) oder der zweite Düsenauslass (123) derart ausgebildet ist, dass das entsprechende ionisierbare Gas (102, 105) eine Strömungsrichtung mit einer zu der Mittelachse (104) umlaufenden Komponente aufweist. 6. Düsenvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei zumindest der erste Plasmakanal (112) oder der zweite Plasmakanal (113) als Bohrung im Inneren des Grundkörpers (110) ausgebildet ist.
7. Düsenvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei zumindest der erste Plasmakanal (112) oder der zweite Plasmakanal (113) als offene Nut (402) entlang einer Oberfläche des Grundkörpers (110) ausgebildet ist.
8. Düsenvorrichtung (100) gemäß Anspruch 7,
wobei die offene Nut (402) zumindest teilweise mit einer Hülse (403), welche über den Grundkörper (110) steckbar ist, geschlossen ist.
9. Düsenvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8,
wobei der Grundkörper (110) zumindest einen weiteren ersten Plasmakanal (901) zum Führen eines weiteren ersten ionisierbaren Gases (102) entlang der Transportrichtung (106) und/oder einen weiteren zweiten Plasmakanal (902) zum Führen eines weiteren zweiten ionisierbaren Gases (105) entlang der Transportrichtung (106),
wobei in dem Endbereich (114) des Grundkörpers (110) der weitere erste Plasmakanal (901) einen weiteren ersten Gasauslass und der weitere zweite Plasmakanal (902) einen weiteren zweiten Gasauslass aufweist,
wobei der weitere erste Plasmakanal (901) und der weitere zweite
Plasmakanal (902) in dem Grundkörper (110) zwischen dem ersten
Plasmakanal (112) und dem zweiten Plasmakanal (113) einerseits und dem Transportkanal (111) andererseits ausgebildet ist.
10. Düsenvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei das Düsenelement (120) relativ zu dem Grundkörper (110) rotierbar ist. 11. Düsenvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend
ein, insbesondere scheibenförmiges, Fluidleitelement (124), welches mit dem Düsenelement (120) gekoppelt ist,
wobei zwischen dem Fluidleitelement (124) und dem Düsenelement (120) ein ringförmiger Steuerkanal (127) ausgebildet ist, welcher um das Düsenelement (120) verläuft,
wobei der Steuerkanal (127) derart ausgebildet ist, dass Steuerfluid (125) in oder um den Interaktionsbereich (103) strömbar ist,
wobei das Fluidleitelement (124) insbesondere mittels Verbindungsstegen (401) an dem Düsenelement (120) befestigt ist.
12. Düsenvorrichtung (100) gemäß Anspruch 11,
wobei der Mittelpunkt des scheibenförmigen Fluidleitelements (124) auf der Mittelachse (104) des Düsenelements (120) liegt,
wobei eine Ausdehnung des Fluidleitelements (124) senkrecht zur Mittelachse (104) größer ist als die Ausdehnung entlang der Mittelachse (104).
13. Düsenvorrichtung (100) gemäß Anspruch 11 oder 12,
wobei das Fluidleitelement (124) Fluidleitstege (126) aufweist zum Leiten des Steuerfluids in Richtung Steuerkanal (127).
14. Düsenvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, ferner aufweisend
ein Düsengehäuse (140) mit einer Auslassöffnung,
wobei der Grundkörper (110) und das Düsenelement (120) in dem
Düsengehäuse (140) derart angeordnet sind, dass ein Ende des weiteren Transportkanals (111), der erste Düsenauslass (122) und der zweite
Düsenauslass (123) insbesondere in der Auslassöffnung vorliegen und der Interaktionsbereich (103) außerhalb des Düsengehäuses (140) vorliegt. 15. Düsenvorrichtung (100) gemäß Anspruch 14,
wobei das Düsengehäuse (140) einen Kopplungsanschluss (302) für die Elektrodenvorrichtung (150) aufweist,
wobei der Kopplungsanschluss (302) einen Zugang zu dem ersten
Plasmakanal (112) und dem zweiten Plasmakanal (113) bereitstellt, und/oder wobei das Düsengehäuse (140) einen Plasmagaseingang (303) zur Kopplung an ein erstes Gasreservoir aufweist,
wobei der Plasmagaseingang (303) mit zumindest dem ersten Plasmakanal
(112) gekoppelt ist, und/oder
wobei das Düsengehäuse (140) einen weiteren Plasmagaseingang (304) zur Kopplung an ein zweites Gasreservoir aufweist,
wobei der weitere Plasmagaseingang (304) mit dem zweiten Plasmakanal
(113) gekoppelt ist.
16. System zum chemischen und/oder physikalischen Behandeln eines Grundmaterials (101), insbesondere zum Erzeugen eines Pulvers aus einem Grundmaterial (101), das System aufweisend
die Düsenvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, ein Gehäuse (130) zur Aufnahme der Düsenvorrichtung (100), wobei die Düsenvorrichtung (100) an das Gehäuse (130) derart gekoppelt ist, dass der Interaktionsbereich (103) in dem Gehäuse (130) vorliegt.
17. System gemäß Anspruch 16,
wobei das Gehäuse (130) einen Kühlkanal (131) aufweist, welcher sich von der Düsenvorrichtung (100) fort entlang der Transportrichtung (106) erstreckt.
18. System gemäß Anspruch 16 oder 17,
wobei der Kühlkanal (131) eine Mantelfläche (132) mit Kühlöffnungen (133) aufweist, welche derart ausgebildet sind, dass ein Kühlmedium (134) von der Umgebung der Mantelfläche (132) in den Kühlkanal (131) einströmbar ist. 19. System gemäß Anspruch 18,
wobei zumindest eine der Kühlöffnungen (133) derart ausgebildet ist, dass das Kühlmedium (134) mit einer Komponente in Richtung der Transportrichtung (106) einströmbar ist, und/oder
wobei zumindest eine der Kühlöffnungen (133) derart ausgebildet ist, dass das Kühlmedium (134) mit einer Komponente in Umfangsrichtung (108)
einströmbar ist.
20. System gemäß Anspruch 17 bis 19,
wobei der Kühlkanal (131) einen Befestigungsbereich (135) mit dem
Düsenelement (120) aufweist,
wobei der Kühlkanal (131) in dem Befestigungsbereich (135) entlang der Transportrichtung (106) einen anwachsenden Innendurchmesser aufweist, wobei der Interaktionsbereich (103) im Befestigungsbereich (135) ausgebildet ist.
21. System gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19,
wobei der Kühlkanal (131) beabstandet zu einer Außenwand (136) des
Gehäuses (130) derart angeordnet ist, dass ein Versorgungskanal (137) für das Kühlmedium (134) bereitstellbar ist,
wobei in dem Versorgungskanal (137) insbesondere ein
Strömungsgleichrichter (201) angeordnet ist, welcher eingerichtet ist, ein Kühlmedium (134) laminar in den Versorgungskanal (137) einzuströmen.
22. System gemäß Anspruch 21,
wobei das Gehäuse (130) und/oder das Düsenelement (120) ein
Umlenkelement (138) für das Kühlmedium (134) aufweist,
wobei das Umlenkelement (138) in dem Versorgungskanal (137) ausgebildet ist,
wobei das Umlenkelement (138) derart ausgebildet ist, dass das Kühlmedium (134) im Versorgungskanal (137) von einer Strömungsrichtung mit einer Komponente entgegen der Transportrichtung (106) in eine Strömungsrichtung mit einer Komponente entlang der Transportrichtung (106) umlenkbar ist, wobei insbesondere das Umlenkelement (138) zumindest einen
Kühlmediumleitsteg (139) aufweist, welcher entlang einer Radialrichtung
(107) verläuft,
wobei insbesondere der Kühlmediumleitsteg (139) insbesondere eine
Richtungskomponente in Umfangsrichtung (108) aufweist.
23. System gemäß einem der Ansprüche 17 bis 22, ferner aufweisend
ein Separationsrohr (141), welches entlang der Mittelachse (104) innerhalb des Kühlkanals (131) angeordnet ist,
wobei das Separationsrohr (141) einen inneren Kanal (1106) aufweist, durch welchen erste Partikel (142) entlang der Transportrichtung (104) abführbar sind,
wobei zwischen der Mantelfläche (132) und dem Separationsrohr (141) ein äußerer Kanal (1107) ausgebildet ist, durch welchen zweite Partikel (143) entlang der Transportrichtung (104) abführbar sind.
24. System gemäß Anspruch 23,
wobei das Separationsrohr (141) einen Ringkanal (1101) für ein Transportfluid (1104) aufweist, welcher sich entlang der Transportrichtung (104) erstreckt, wobei der Ringkanal (1101) zumindest eine innere Öffnung (1103) aufweist, durch welche das Transportfluid (1104) in Strömungsrichtung in den inneren Kanal (1106) einströmbar ist,
wobei die innere Öffnung (1103) insbesondere derart ausgebildet ist, dass das Transportfluid (1104) mit einer Richtungskomponente in Umfangsrichtung
(108) einströmbar ist,
wobei der Ringkanal (1101) insbesondere einen Anschluss zum Einströmen des Transportfluids (1104) entgegen der Transportrichtung (104) aufweist.
25. System gemäß Anspruch 23,
wobei der Ringkanal (1101) zumindest eine äußere Öffnung (1102) aufweist, durch welche das Transportfluid (1104) in Strömungsrichtung in den äußeren Kanal (1107) einströmbar ist,
wobei die äußere Öffnung (1102) insbesondere derart ausgebildet ist, dass das Transportfluid (1104) mit einer Richtungskomponente in Umfangsrichtung (108) einströmbar ist.
26. Verfahren zum Zusammenführen eines ionisierten Gases (102, 105) und eines Grundmaterials (101) in einem Interaktionsbereich (103) mit einer Düsenvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Verfahren aufweist
Führen des Grundmaterials (101) in dem Transportkanal (111) entlang einer Transportrichtung (106) zu einem Endbereich (114) des Grundkörpers ( 110),
Führen des ersten ionisierbaren Gases (102) entlang der
Transportrichtung (106) in dem ersten Plasmakanal (112),
Führen des zweiten ionisierbaren Gases (105) entlang der
Transportrichtung (106) in dem zweiten Plasmakanal (113),
Ionisieren des ersten ionisierbaren Gases (102) in dem ersten
Plasmakanal (112) und des zweiten ionisierbaren Gases (105) in dem zweiten Plasmakanal (113) mittels einer Elektrodenvorrichtung (150),
Überführen des Grundmaterials (101) in dem weiteren Transportkanal (111) des Düsenelements (120) von dem Transportkanal (111) in den
Interaktionsbereich (103) außerhalb des Düsenelements (120) entlang der Transportrichtung (106),
Einströmen des ersten ionisierten Gases (102) mittels des ersten
Düsenauslasses und Einströmen des zweiten ionisierten Gases (105) mittels des zweiten Düsenauslasses in den Interaktionsbereich (103) zur Reaktion mit dem Grundmaterial (101).
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