DE19953928A1 - Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung von thermischen Lichtbogenplasmen - Google Patents

Abstract

Es wird eine Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Langlichtbogens, insbesondere eines Gleichstrom-Langlichtbogens, vorgeschlagen, die mindestens eine Kathode, mindestens eine Anode sowie einen Lichtbogenbrennraum aufweist. Die Plasmaerzeugungseinrichtung (1) zeichnet sich durch ein den Lichtbogenbrennraum in einen Anodenbrennraum (17) und einen Kathodenbrennraum (15) unterteilendes erstes Neutralsegment (13) aus, wobei der Kathodenbrennraum (15) und der Anodenbrennraum (17) über mindestens einen Verbindungskanal (19) miteinander verbunden sind, dergestalt, dass ein Zurückströmen des Hauptplasmagases aus dem Anodenbrennraum (17) in den Kathodenbrennraum (15) zumindest weitestgehend unterbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmaerzeugungsein­ richtung zur Erzeugung eines Lichtbogens, vorzugs­ weise eines Gleichstrom-Langlichtbogens, gemäß O­ berbegriff des Anspruchs 1.

Gleichstrom-Lichtbogen-Plasmaerzeugungseinrichtung, bestehend aus stabförmiger Kathode, Neutralsegmen­ ten und ringförmiger Anode sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zu nennen sind hier zum Beispiel die deutschen Offenlegungsschriften 16 39 325 und 29 13 464. Nachteilig bei diesen ist, dass sie bei einem längere Zeit andauernden Betrieb nur für die Verwendung von kohlenstoff- und sauerstofffreien Gasen, wie Edelgasen, Stickstoff, Wasserstoff, oder kohlenstoff- und sauerstoffarmen Gasen, wie Luft oder Methan, beziehungsweise Mischungen der genann­ ten Gase bei technisch vertretbarer Erosion der E­ lektroden geeignet sind.

Gleichstrom-Lichtbogen-Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung stark sauerstoffhaltiger Plasmen sind ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt. Nachteilig bei diesen Geräten ist, dass die Elekt­ roden als Verschleißteile ausgebildet sind, die nach einer kurzen Betriebszeit ausgewechselt werden müssen. Nachteilig ist ferner, dass das abgetragene Elektrodenmaterial das Plasma verunreinigt, was nicht erwünscht ist.

Aus der DE 41 05 407 A1 geht eine Gleichstrom- Lichtbogen-Plasmaerzeugungseinrichtung mit mehreren stabförmigen Kathoden und einer in einem Abstand dazu angeordneten ringförmigen Anode hervor. Zwi­ schen den Kathoden und der Anode befindet sich ein Lichtbogenbrennraum, der zur Beeinflussung des Lichtbogens, insbesondere zu dessen Verlängerung und damit der Erhöhung der Lichtbogenspannung, re­ lativ lang ist und eine Einschnürung aufweist. Ge­ räte dieser Art sind nur zur Verwendung mit sauer­ stofffreien oder sauerstoffarmen Gasen geeignet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Plasmaerzeugung­ seinrichtung zu schaffen, die die obengenannten Nachteile nicht aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Plasmaerzeu­ gungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Sie zeichnet sich durch ein erstes Neutralsegment aus, das den Lichtbogenbrennraum in einen Anodenbrennraum und in einen Kathodenbrenn­ raum unterteilt, wobei der Kathodenbrennraum und der Anodenbrennraum über mindestens einen Verbin­ dungskanal miteinander verbunden sind. Da die min­ destens eine Kathode durch das erste Neutralsegment vor dem Kontakt mit dem vorzugsweise sauerstoffhal­ tigen Plasmagas geschützt ist und von einem vor­ zugsweise sauerstoffreichen Schutzgas umspült wird, kann ein Verschleiß der Kathode durch Oxidation vermieden werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Plasmaerzeu­ gungseinrichtung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der einzigen Figur näher erläutert, die eine Prinzipskizze eines Ausschnitts eines Ausführungsbeispiels der erfin­ dungsgemäßen Plasmaerzeugungseinrichtung 1 im Längsschnitt zeigt.

Die auch als Plasmabrenner bezeichnete Plasmaerzeu­ gungseinrichtung 1 dient zur Erzeugung eines Gleichstrom-Langlichtbogens und weist ein erstes Gehäuseteil 3 und ein zweites Gehäuseteil 5 auf, die mit Hilfe nicht dargestellter Befestigungsmit­ tel lösbar miteinander verbunden sind. Des weiteren umfasst die rotationssymmetrisch zu einer Längsmit­ telachse 7 ausgebildete Plasmaerzeugungseinrichtung 1 eine stabförmige, mit der Längsmittelachse 7 fluchtend angeordnete Kathode 9 und eine in einem Abstand zur Kathode 9 angeordnete Anode 11.

Die Plasmaerzeugungseinrichtung 1 weist einen Lichtbogenbrennraum auf, der so gestaltet ist, dass dieser durch ein erstes Neutralsegment 13 in einen Kathodenbrennraum 15 und in einen Anodenbrennraum 17 unterteilt beziehungsweise getrennt ist. Der Ka­ thodenbrennraum 15 und der Anodenbrennraum 17 sind über einen Verbindungskanal 19 miteinander verbun­ den, der bei diesem Ausführungsbeispiel von einer in der Mitte des ersten Neutralsegments 13 angeord­ neten Durchgangsöffnung, wie zum Beispiel einer Bohrung, gebildet ist. Der Durchmesser der Durch­ gangsöffnung ist im Verhältnis zum Durchmesser der Kathodenspitze 21, die sich in einem nur geringem Abstand zum Verbindungskanal 19 befindet, nur rela­ tiv klein.

In den Kathodenbrennraum 15 mündet mindestens ein in der Figur nicht dargestellter erster Zuführungs­ kanal, über den ein Hilfsgas, vorzugsweise ein sauerstoff- und kohlenstofffreies Schutzgas, wie zum Beispiel Argon, in den Kathodenbrennraum 15 eingeleitet werden kann. Der beziehungsweise die ersten Zuführungskanäle sind so angeordnet, dass das Schutzgas die stabförmige Kathode 9 umströmt. Das Schutzgas und ein zwischen der Anode 11 und der Kathode 9 brennender Lichtbogen gelangen vom Katho­ denbrennraum 15 über den Verbindungskanal 19 in den Anodenbrennraum 17.

Dem Anodenbrennraum 17 wird über mindestens einen in der Figur nicht dargestellten zweiten Zufüh­ rungskanal ein vorzugsweise überwiegend sauerstoff- und/oder kohlenstoffhaltiges reaktives Hauptplasma­ gas, wie zum Beispiel Wasserdampf, zugeführt, das im Anodenbrennraum 17 in den Lichtbogen eingebracht wird. Aufgrund des nur sehr kleinen freien Strö­ mungsquerschnitts des Verbindungskanals 19 wird ein Rückströmen des Hauptplasmagases vom Anodenbrenn­ raum 17 in den Kathodenbrennraum 15 sicher vermie­ den.

Das erste Neutralsegment 13 besteht aus einem sehr gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise Kupfer, ist vorzugsweise wassergekühlt und weist kathoden­ seitig den mindestens einen ersten Zuführungskanal für das Schutzgas auf. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist der erste Zuführungskanal von ei­ ner tangential zur stabförmigen Kathode 9 ausge­ richteten Gasbohrung gebildet, durch die das Schutzgas in den Kathodenbrennraum 15 einströmt. Sofern mehrere erste Zuführungskanäle vorgesehen sind, die von Gasbohrungen gebildet werden, sind diese vorzugsweise ebenfalls tangential zur Kathode 9 ausgerichtet. Der nur einen sehr kleinen freien Strömungsquerschnitt aufweisende Verbindungskanal 19 ist bei dem in der Figur dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel in der Hauptachse des Plasmabrenners, also konzentrisch zur Längsmittelachse 7 angeord­ net. Die Größe des freien Strömungsquerschnitts des Verbindungskanals 19 beziehungsweise der Durch­ gangsöffnung ist so gewählt, dass der Lichtbogen und das Schutzgas von der Seite des Kathodenbrenn­ raums 15 aus hindurchtreten können, ohne dass dabei das erste Neutralsegment 13 beschädigt oder gar zerstört wird und kein Hauptplasmagas vom Anoden­ brennraum 17 in den Kathodenbrennraum 15 zurück­ strömen kann.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Form des ersten Neutralsegments 13 in seiner der Kathode 9 zugewandten Seite so gewählt, dass sich der Katho­ denbrennraum 15 in Richtung auf den Verbindungska­ nal 19 verjüngt, so dass das Schutzgas im Kathoden­ brennraum 15 in Richtung der Anode 11 beschleunigt wird.

Ein oder mehrere Zuführungskanäle, über den bezie­ hungsweise über die das Hauptplasmagas in den Ano­ denbrennraum 17 und in den Lichtbogen eingebracht wird, ist/sind bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel zumindest teilweise in einem zweiten Neut­ ralsegment 23 angeordnet, das der Trennung der e­ lektrischen Pole voneinander dient. Der bzw. diese Zuführungskanäle, die beispielsweise durch Bohrun­ gen gebildet werden, münden bei dem in der Figur darstellten Ausführungsbeispiel in eine auf der dem Anodenbrennraum 17 zugewandten Seite des ersten Neutralsegments 13 angeordneten Ringnut 25. Der bzw. diese Zuführungskanäle sind vorzugsweise tan­ gential zu einer gegenüber der Längsmittelachse 7 geneigten Begrenzungsfläche 27 des ersten Neutral­ segments 13 ausgerichtet.

Im folgenden wird rein beispielhaft davon ausgegan­ gen, dass bei dem in der Figur dargestellten Aus­ führungsbeispiel mehrere zweite Zuführungskanäle für das Hauptplasmagas vorgesehen sind. Die Strö­ mung des Hauptplasmagases von den zweiten Zufüh­ rungskanälen über die Ringnut 25 in den Anoden­ brennraum 17 ist mit Pfeilen 29 angedeutet. Die Form des ersten Neutralsegments 13 und die Ausrich­ tung der zweiten Zuführungskanäle sind hier so ge­ wählt, dass das in den Anodenbrennraum 17 eintre­ tende Hauptplasmagas an der Begrenzungsfläche 27 des ersten Neutralsegments 13 in Richtung auf die Mündung des Verbindungskanals 19, aus dem der Hilfslichtbogen und das Schutzgas in den Anoden­ brennraum 17 austritt, entlangströmt. Dadurch wird das Neutralsegment 13 zusätzlich konvektiv gekühlt. Der Schutzgasstrom beziehungsweise die Schutzgas­ ströme und die Hauptgasströme vereinigen sich, wer­ den im Langlichtbogen weiter erhitzt und werden aufgrund des sich in Richtung auf eine Anodenaus­ trittsöffnung 31, aus der der Plasmastrahl aus dem Plasmaerzeuger austritt, im Querschnitt verjüngen­ den Anodenbrennraums 17 beschleunigt.

Das zweite Neutralsegment 23 ist vorzugsweise aus einer Zementkeramik gefertigt, welche kein Wasser aufnimmt, hitze- und thermoschockbeständig ist und gute elektrische Isolationseigenschaften aufweist.

Der Schutz der Anode 11 vor Erosion und der damit einhergehender Verunreinigung des Plasmas wird hier durch eine Wasserkühlung realisiert, bei der die Kühlwassertemperatur auf eine Temperatur größer der Siedetemperatur des Hauptplasmagases geregelt wird. Dadurch, dass die Kühlwassertemperatur oberhalb des Kondensationspunkts des Hauptplasmagases liegt, kann eine Kondensation des Hauptplasmagases an der Anode 11 verhindert werden.

Um einen optimalen Wärmeübergang vom Kühlwasser auf die Anode 11 zu erreichen, ist diese mit spiralför­ migen Kühlwendeln versehen. Eine Erhöhung der Lichtbogenspannung wird durch den sich in Richtung der Anodenaustrittsöffnung 31 hin konisch verjün­ genden Anodenbrennraum 17 erreicht, was verglichen mit konventionellen Plasmaerzeugern bei gleicher Leistung des Plasmaerzeugers 1 einen Betrieb mit nur geringerer Strömstärke ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Plasmaerzeugungseinrichtung 1 unterscheidet sich weiterhin von den bekannten Plasmaerzeugungseinrichtungen durch die Verwendung eines temperaturbeständigen, glasfaserverstärkten, kein Wasser aufnehmenden Kunststoffs mit guten elektrischen Isolationseigenschaften für das erste Gehäuseteil 3, das - wie das zweite Gehäuseteil 5 - mehrere Kühlmediumkanäle 33 aufweist. Durch die Kühlmediumkanäle 33 kann ein Kühlmedium, wie zum Beispiel Kühlwasser, geleitet werden. Die Kühlmedi­ umkanäle 32 sind in den ersten und zweiten Gehäuse­ teilen 3, 5 derart verzweigt, dass die beiden Neut­ ralsegmente 13 und 23, die Kathode 9 und die Anode 11 gekühlt werden können. Das Kühlsystem für die Plasmaerzeugungseinrichtung 1 zeichnet sich insbe­ sondere dadurch aus, dass die Kühlmediumkanäle 33 Teil eines einzigen Kühlmediumkreislaufes sind, in dem sich ein unter Druck stehendes, flüssiges Kühl­ medium, beispielsweise Wasser, befindet. An den Kühlmediumkreislauf ist mindestens eine Pumpe ange­ schlossen. Das erfindungsgemäße Kühlsystem zeichnet sich dadurch aus, dass eine kompakte Bauform der Plasmaerzeugungseinrichtung 1 sowie hohe Kühlwas­ sermassenströme bei gleichzeitig niedrigem benötig­ ten Pumpendruck realisiert werden können.

Der erfindungsgemäße Plasmaerzeuger unterscheidet sich weiterhin von den aus dem Stand der Technik bekannten Geräten durch die Verwendung der mindes­ tens einen stabförmig ausgebildeten Kathode 9, die nicht wie bei den bekannten Geräten in einen Kühl­ körper eingegossen ist, sondern durch eine Spann­ zange 35 gehalten wird, so dass besonders preis­ günstige Ersatzteile gefertigt werden können.

Die Plasmaerzeugungseinrichtung 1 mit ihrer stab­ förmigen Kathode 9, den zwei Neutralsegmenten 13, 23 und der in einem Abstand zu diesen Teilen ange­ ordneten ringförmigen Anode 11 ist besonders vor­ teilhaft für die Verwendung von überwiegend sauerstoff- und/oder kohlenstoffhaltigen Gasen (Hauptplasmagas) bei geringster Elektrodenerosion geeignet und kann zur Erzeugung chemisch reaktiver Plasmen genutzt werden.

Claims (18)

1. Plasmaerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Lichtbogens, insbesondere eines Gleichstrom- Langlichtbogens, mit mindestens einer Kathode, min­ destens einer Anode sowie einem Lichtbogenbrenn­ raum, gekennzeichnet durch ein den Lichtbogenbrenn­ raum in einen Anodenbrennraum (17) und einen Katho­ denbrennraum (15) unterteilendes erstes Neutralseg­ ment (13), wobei der Kathodenbrennraum (15) und der Anodenbrennraum (17) über mindestens einen Verbin­ dungskanal (19) miteinander verbunden sind, derge­ stalt, dass ein Zurückströmen des Hauptplasmagases aus dem Anodenbrennraum (17) in den Kathodenbrenn­ raum (15) zumindest weitestgehend unterbunden wird.

2. Plasmaerzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (19) im ersten Neutralsegment (13) angeordnet ist.

3. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Strömungsquerschnitt des Verbindungska­ nals (19) kleiner, vorzugsweise deutlich kleiner, ist als der Durchmesser der Kathode (9) im Bereich ihrer Spitze (21).

4. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Neutralsegment (13) aus einem wärmelei­ tenden Material, vorzugsweise aus Kupfer, besteht.

5. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens einen ersten Zuführungskanal ein sauerstoff- und kohlenstofffreies, die vorzugsweise stabförmig ausgebildete Kathode (9) umströmendes Hilfsgas in den Kathodenbrennraum (15) einbringbar ist.

6. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens einen zweiten Zuführungskanal ein - vorzugsweise überwiegend - sauerstoff- und/oder kohlenstoffhaltiges Hauptplasmagas in den Anoden­ brennraum (17) einbringbar ist.

7. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptplasmagas Wasserdampf ist.

8. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein das erste Neutralsegment (13) und die Anode (11) elekt­ risch voneinander trennendes zweites Neutralsegment (23).

9. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Neutralsegment (23) aus einem tempera­ turbeständigen, elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise aus einer hydrophilen Zementkeramik, besteht.

10. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführungskanal beziehungsweise die zweiten Zu­ führungskanäle für das Hauptplasmagas im zweiten Neutralsegment (23) angeordnet ist/sind.

11. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein die Kathode (9) aufnehmendes erstes Gehäuseteil (3), das aus einem - vorzugsweise faserverstärkten - Kunststoff, insbesondere aus Polyaryletherketon (PEEK) besteht.

12. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zur Kühlung der Anode (11), der Kathode (9) und des ersten Neutralsegments dienenden Kühlsystem.

13. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem lediglich einen einzigen Kühlmedium­ kreislauf aufweist.

14. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf geschlossen ist und das Kühlmedi­ um, vorzugsweise Wasser, unter Druck steht.

15. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Kühlleistung für die Kathode (9), die Anode (11) und/oder die für die ersten und zweiten Neutralsegmente (13, 23) unterschiedlich sind.

16. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem derart steuerbar und/oder regelbar ist, dass zumindest die Kühlleistung für die Anode (11) so groß ist, dass die Anodentemperatur ober­ halb des Kondensationspunktes des Hauptplasmagases liegt.

17. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Gehäuseteil (3) und in einem die Anode bildenden, lösbar mit dem ersten Gehäuseteil (3) verbindbaren zweiten Gehäuseteil (5) Kühlmediumka­ näle (33) mit unterschiedlich großen freien Quer­ schnitten vorgesehen sind.

18. Plasmaerzeugungseinrichtung nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (11) mit wendelförmigen Kühlrippen verse­ hen ist.