DE19958016A1 - Plasmagenerator - Google Patents
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- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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- H05H1/24—Generating plasma
- H05H1/26—Plasma torches
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
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- H05H1/3484—Convergent-divergent nozzles
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Abstract
Es wird ein Plasmagenerator zur Beschichtung großflächiger Bauteile vorgeschlagen, bei dem mehrere von einem Arbeitsgas umströmte Kathoden (1) vorgesehen sind. Zu jeder Kathode (1) ist eine als Düse (3) ausgebildete Anode (2) vorgesehen. Alle Kathoden (1) sind über eine zentrale Stromzuleitung (4) an eine Spannungsquelle angeschlossen.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Plasmagenerator nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind Plasmageneratoren mit einer
stift- oder stabförmigen Kathode und einer die Kathode
ringförmig umgebenden Anode bekannt. Zwischen Kathode und
Anode bildet sich ein Lichtbogen aus, durch den ein zwischen
Anode und Kathode strömendes Gas ionisiert und aufgeheizt
wird. Dabei entsteht ein gerichteter Plasmastrahl, der auf ein zu
bearbeitendes Werkstück oder Bauteil gerichtet wird. Hierzu ist
die Anode häufig als Austrittsdüse für den Plasmastrahl
ausgebildet.
Als nachteilig erweist sich bei diesen bekannten
Plasmageneratoren, dass der gerichtete Plasmastrahl einen
geringen Durchmesser aufweist und die Bearbeitung des
Werkstücks oder Bauteils auf diesem geringen Bereich begrenzt
ist. Eine Bearbeitung von Werkstücken mit großer, flächiger
Ausdehnung ist mit derartigen bekannten Plasmageneratoren
nahezu unmöglich, da mit der Vergrößerung der Austrittsfläche
eine Erhöhung der elektrischen Leistung und/oder des
Brennkammerdrucks im Plasmagenerator verbunden sein muß.
Beides führt zum Anstieg der Stromdichte an der
Kathodenoberfläche.
Demgegenüber hat der erfindungsgemäße Plasmagenerator mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil,
dass mehrere von einem Arbeitsgas umströmte Kathoden
vorgesehen sind, welche jeweils von einer als Düse
ausgebildeten Anode umgeben sind. Alle Kathoden sind über
eine zentrale Stromzuleitung an eine Spannungsquelle
angeschlossen. Die Kathoden werden typischerweise mit
Gleichstrom versorgt. Durch die Erfindung wird damit ein
Plasmagenerator zur Verfügung gestellt, der bei sehr großen
Gesamtströmen betrieben werden kann, ohne daß hierbei
Stromdichtespitzen an der Kathodenoberfläche auftreten. Der
Gesamtstrom verteilt sich dabei auf mehrere Kathoden.
Dadurch wird der Betriebsbereich hinsichtlich der Stromstärke
erweitert. Der Plasmagenerator kann damit zur Simulation von
Wiedereintrittsmanövern in der Raumfahrt eingesetzt werden.
Darüber hinaus kann der Plasmagenerator zur Beschichtung und
Bearbeitung der Oberflächen großflächiger Bauteile eingesetzt
werden.
Je nach Anzahl der Kathoden im Plasmagenerator wird ein
Plasmastrahl mit entsprechend großen geometrischen
Abmessungen zur Verfügung gestellt. Die Kathoden können
beispielsweise eindimensional in einer Reihe oder in einem
zweidimensionalen Raster angeordnet sein. Auf diese Weise
können auf einem großen Bereich der Oberfläche des
Werkstücks homogene Beschichtungen mittels Plasmaspritzen
oder Plasma-CVD aufgebracht werden. Darüber hinaus ist eine
Reinigung oder sonstige Oberflächenbehandlung der
Werkstücke möglich. Um mit der eindimensionalen Anordnung
von Kathoden eine zweidimensionale Bearbeitung der
Oberfläche zu erreichen, muss das Werkstück relativ zum
Plasmagenerator in einer Richtung bewegt werden. Im Vergleich
dazu muß das Werkstück bei bekannten Plasmageneratoren in
zwei Richtungen bewegt werden. Damit eignet sich der
erfindungsgemäße Plasmagenerator zur Beschichtung oder
Bearbeitung großflächiger Bauteile, wie beispielsweise Bleche,
Platten oder Walzen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die
Kathoden bezüglich der Spannungsquelle parallel geschaltet.
Aufgrund der Temperaturabhängigkeit des elektrischen
Widerstandes ergibt sich dadurch eine selbstregulierende
Stromverteilung auf die einzelnen Kathoden. Fließt durch eine
Kathode ein sehr hoher Stromanteil, so steigt die Temperatur in
der Kathode und damit ihr Widerstand. Dies führt dazu, dass bei
gleichbleibender Spannung die Stromstärke sinkt. In diesem Fall
sinkt die Temperatur und damit der Widerstand. Die
Dimensionierung der einzelnen Kathoden hinsichtlich ihrer
Länge, ihres Durchmessers und ihrer Anzahl erfolgt
entsprechend der elektrischen Leistung und der Breite des
Plasmafreistrahls, der erzeugt werden soll.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind die Kathoden durch Kupferleitungen miteinander
verbunden. Aufgrund seines Widerstandes eignet sich Kupfer
besonders gut zur Leitung der für diese Anwendung
notwendigen großen Ströme. Vorteilhafterweise haben die
Leitungen eine entsprechend großen Durchmesser. Daneben
sind andere Materialien für die Leitungen möglich.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
weisen die Kathoden die Form eines Stabes auf. Für jede Kathode
ist eine Kathodenlagerung mit Öffnungen zum Einströmen des
Arbeitsgases vorgesehen. Die Kathodenlagerungen bestehen aus
einem Isolator, beispielsweise aus einem keramischen Material.
Dieses Material ist überdies geeignet die zwischen der Anode
und Kathode auftretenden Temperaturen auszuhalten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
weisen die Kathoden die Form eines Rohres auf. Durch das Rohr
kann das Arbeitsgas in dem Raum zwischen Anode und Kathode
einströmen. Dies hat den Vorteil, dass das einströmende
Arbeitsgas die Kathode auf effiziente Weise kühlt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist eine Kühlung für die Kathoden vorgesehen.
Vorteilhafterweise sind die Kathoden strahlungsgekühlt.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den
Ansprüchen entnehmbar.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 Plasmagenerator in perspektivischer Ansicht.
In Fig. 1 ist ein Plasmagenerator mit fünf in einer Reihe
nebeneinander angeordneten stabförmigen Kathoden 1 und der
Anode 2 dargestellt. Um den Aufbau deutlich erkennen zu
können, ist von der Anode und der sich an die Anode
anschließende Düse 3 jeweils nur ein Schnitt dargestellt. Über
eine zentrale Stromzuleitung 4, welche aus Kupferelementen 5
mit rechteckigem Querschnitt besteht, sind die Kathoden
untereinander und mit einer in der Zeichnung nicht
dargestellten Spannungsquelle verbunden. Dadurch ergibt sich
eine Parallelschaltung der Kathoden 1. Die Kathoden bestehen
typischerweise aus Wolfram, während die Anode aus Kupfer
oder Wolfram gefertigt ist. Zwischen der Anode und der
zentralen Stromzuleitung ist ein Isolator 6 vorgesehen. Da in
diesem Bereich des Plasmagenerators Temperaturen von
maximal 200°C auftreten, kann der Isolator aus Kunststoff
bestehen. Darüber hinaus kann als Material auch Keramik
verwendet werden. Die Kathoden 1 sind von einem
Kathodenlager 7 umgeben, welches typischerweise aus Keramik
besteht. In dem Kathodenlager sind in der Zeichnung nicht
erkennbare Öffnungen vorgesehen, durch die das Arbeitsgas
einströmen kann. Die durch die Anode und die Kathoden
gebildeten Plasmastrahlen treten durch eine von den einzelnen
Düsen 3 gebildete Expansionsdüse 8 des Plasmagenerators aus.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und
der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination miteinander
erfindungswesentlich sein.
1
Kathode
2
Anode
3
Düse
4
zentrale Stromzuleitung
5
Kupferelement
6
Isolator
7
Kathodenlagerung
8
Expansionsdüse
Claims (8)
1. Plasmagenerator zur Beschichtung großflächiger Bauteile,
dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere von einem Arbeitsgas umströmte Kathoden (1) vorgesehen sind,
daß zu jeder Kathode (1) eine als Düse (3) ausgebildete Anode (2) vorgesehen ist, und
daß alle Kathoden (1) über eine zentrale Stromzuleitung (4) an eine Spannungsquelle angeschlossen sind.
daß mehrere von einem Arbeitsgas umströmte Kathoden (1) vorgesehen sind,
daß zu jeder Kathode (1) eine als Düse (3) ausgebildete Anode (2) vorgesehen ist, und
daß alle Kathoden (1) über eine zentrale Stromzuleitung (4) an eine Spannungsquelle angeschlossen sind.
2. Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß, die Kathoden (1) bezüglich der Spannungsquelle
parallel geschaltet sind.
3. Plasmagenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß alle Kathoden (1) räumlich gesehen in
einer Reihe angeordnet sind.
4. Plasmagenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kathoden räumlich gesehen in
einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind.
5. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale
Stromzuleitung (4) aus Kupferelementen (5) besteht.
6. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden (1)
die Form eines Stabs aufweisen, und daß für jede Kathode
eine Kathodenlagerung (7) mit Öffnungen zum Einströmen
des Arbeitsgases vorgesehen ist.
7. Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathoden die Form eines
Rohrs aufweisen, und daß das Rohr als Zuleitung für das
Arbeitsgas vorgesehen ist.
8. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlung für
die Kathoden vorgesehen ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19958016A DE19958016B4 (de) | 1998-12-02 | 1999-12-02 | Plasmagenerator |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19855626.8 | 1998-12-02 | ||
DE19855626 | 1998-12-02 | ||
DE19958016A DE19958016B4 (de) | 1998-12-02 | 1999-12-02 | Plasmagenerator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19958016A1 true DE19958016A1 (de) | 2000-12-14 |
DE19958016B4 DE19958016B4 (de) | 2013-07-18 |
Family
ID=7889755
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19958016A Expired - Fee Related DE19958016B4 (de) | 1998-12-02 | 1999-12-02 | Plasmagenerator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19958016B4 (de) |
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DE102021111097A1 (de) | 2021-04-29 | 2022-11-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Hohlkathodensystem zum Erzeugen eines Plasmas und Verfahren zum Betreiben eines solchen Hohlkathodensystems |
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- 1999-12-02 DE DE19958016A patent/DE19958016B4/de not_active Expired - Fee Related
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DE102021111097B4 (de) | 2021-04-29 | 2023-04-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein | Hohlkathodensystem zum Erzeugen eines Plasmas und Verfahren zum Betreiben eines solchen Hohlkathodensystems |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE19958016B4 (de) | 2013-07-18 |
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