DE69502836T2

DE69502836T2 - Elektrodenstruktur für einen plasmabrenner

Info

Publication number: DE69502836T2
Application number: DE69502836T
Authority: DE
Inventors: Alan Burgess; Douglas Ross
Original assignee: University of British Columbia
Current assignee: University of British Columbia
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1995-10-11
Publication date: 1998-11-05
Anticipated expiration: 2015-10-12
Also published as: EP0786194A1; US5514848A; WO1996012390A1; CA2202287A1; JPH10507307A; AU3602195A; JP3574660B2; CA2202287C; EP0786194B1; DE69502836D1

Description

Gegenstand der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Plasmabrenner- Elektrodenstruktur und insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Plasmabrenner-Elektrodenstruktur, die dafür ausgelegt ist, das Ampere/Volt-Verhältnis zu verringern, welches für eine gegebene Leistungsabgabe an die Elektrode notwendig ist.

Hintergrund der vorliegenden Erfindung

Eine Vielzahl unterschiedlicher Elektrodenstrukturen wird bei der Konstruktion von Plasmabrennern verwendet, wobei das Plasmagas um die Kathode fließt und dann zusammen mit dem Lichtbogen zu der Anode strömt. In den meisten Fällen wandert das Plasmagas in einem spiralförmigen Pfad zu der Anode. Einige vorgeschlagene Strukturen sind in den US- Patenten 3,578,943, ausgegeben am 19. März 1969 an Schournaker; 3,770,935, ausgegeben am 6. November 1973 an Tateno et al; 4,670,290, ausgegeben am 2. Juni 1987 an Itoh et al; oder 4,855,563, ausgegeben am 8. August 1989 an Beresnev et al. gezeigt.
Tateno offenbart ein Mehrfach-Lichtbogensystem, welches eine Drosselöffnung in dem Gasstrompfad beinhaltet und beansprucht, daß die Lichtbogenspannung auf das Doppelte herkömmlicher Plasmastrahigeneratoren erhöht werden kann, welche zu dieser Zeit in Gebrauch waren. Itoh et al beschreibt eine spezielle Anordnung eines Haupt- und eines Hilfsbrenners, die in Kombination verwendet werden, um einen Haarnadellichtbogen zu bilden, der, wenn ausgebildet, sich von der Kathode des Haupt- zur Kathode des Hilfsbrenners erstreckt, um eine vergrößerte Lichtbogenlänge bereitzustellen. Ein Lichtbogen-Übertragungssystem kann verwendet werden, um die Länge wenigstens eines der Lichtbögen aufzubauen.
Das US-Patent 3,140,380, ausgegeben am 7. Juli 1964 an Jensen und die US-Patente 4,982,067 und 5,144,110, ausgegeben am 1. Januar 1991 und 1. September 1992 an Marantz et al zeigen die Verwendung von konzentrischen Brennern, um eine gemeinsame Plasmaströmung zu erzeugen.
Eine bevorzugte Brennerstruktur ist in dem US-Patent 5,008,511, ausgegeben am 16. April 1991 an Ross, gezeigt. Bei diesem Brenner ist eine Mehrzahl von einzelnen Brennern um einen axialen Durchlaß angeordnet, durch welchen das Pulver oder andere Materialien, welche in dem Plasma verwendet werden, eingebracht wird und hierbei den Plasmaströmen unterworfen wird, welche von jedem der Brenner ausgehen. In diesem System ist eine Kathode innerhalb einer Kammer angeordnet und weist eine Kathodenspitze auf, welche in Richtung einer Anode weist. Die Plasmagase werden eingebracht und um die Kathode geführt, von dem Lichtbogen zwischen der Anode und der Kathode erhitzt und laufen durch einen Durchlaß aus, um mit dem pulverförmigen Material oder dergleichen zu kontaktieren.
Es ist allgemein bekannt, daß es vorteilhaft ist, einen Brenner zu betreiben, wobei eine möglichst hohe Spannung verwendet wird, um hierdurch die Amperezahl (A) zu minimieren, welche für eine gegebene Leistungslast notwendig ist, das heißt, der Bereich von Ampere zu Spannung (V), das heißt (A/V), sollte minimiert werden und die Arbeiten hieran werden fortgesetzt, wie beispielsweise in "New Plasma Spray Apparatus", Pashchenko and Saakov, Proceedings of the 7th National Thermal Spray Conference, 20. - 24. Juni 1994, Boston, Massachusetts, zu sehen ist.
Es ist auch bekannt, daß einige der Hauptfaktoren, welche das Verhältnis A/V bei einem gegebenen Brenner beeinflussen, die folgenden sind:
a) die Gasströmung durch den Brenner von der Kathode zu der Anode, das heißt, je höher die Gasströmung, umso niedriger das Verhältnis A/V,
b) die Zusammensetzung des Gases,
c) der Durchmesser des Lichtbogens, das heißt, je kleiner der Lichtbogendurchmesser, umso geringer das Verhältnis A/V, und
d) die Länge des Lichtbogens, das heißt je länger der Lichtbogen, umso kleiner das Verhältnis A/V.
Bei den meisten Brennern ist der Durchlaß, der sich von der Kathodespitze zur Anode erstreckt, bei der Anode auf den kleinsten Durchmesser verjüngt, das heißt, er hat allgemein oder im wesentlichen den gleichen Querschnitt für einen erheblichen Abschnitt des Abstandes zwischen der Kathode und der Anode und verjüngt sich dann in Richtung des Gasauslasses, welcher im allgemeinen durch die Anode erfolgt. Somit wird das durch den Durchlaß, der zu dem Anodenauslaß führt, laufende Gas nicht durch die Form (Querschnittsfläche) des Durchlasses beschleunigt und seine Geschwindigkeit verbleibt im wesentlichen konstant (mit Ausnahme der Geschwindigkeitsänderung aufgrund des Temperaturanstieges des Gases), bis es durch die Verjüngung des Durchlasses in Richtung des Anodenauslasses beschleunigt wird. Somit ist in der Länge des Durchlasses, durch welche der Lichtbogen verläuft, die Geschwindigkeit nicht gesteuert, um den Lichtbogen einzuschränken und seine Länge zu vergrößern, bevor Lichtbogenüberschlag oder Entladung zu der Anode hin erfolgt.
Das US-Patent 3,297,899, ausgegeben am 10. Januar 1967 an Pratt et al offenbart einen großen hohlen Kathodenbrenner, bei dem Gas tangential in einen Durchlaß zwischen der hohlen Kathode und Anode eingebracht wird und in Richtung der Kathode als erste Spirale benachbart der Wand des Durchlasses fließt und dann an der Kathode seine Richtung umkehrt und als zweite Spirale innerhalb der ersten Spirale über den Einbringpunkt hinaus durch eine Verengung und zu der Anode fließt. Ein Lichtbogen wird durch den Gasdruck in dem Durchlaß eingeschränkt, der zum Teil durch die Verengung erzeugt wird und wird von der Kathode durch die Verengung getragen, um sich an der Anode zu entladen. Die hohle Kathodenstruktur und die Konstruktion der Einschränkung bei Pratt et al sind so ausgelegt, daß sie mit sehr hohen Leistungsanforderungen betrieben werden.

Kurze Beschreibung der vorliegenden Erfindung

Es ist Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Brennerstruktur zu schaffen, bei der eine Einschränkung in dem Gas- und Lichtbogenströmungsdurchlaß vorhanden ist, welche die Geschwindigkeit der Gasströmung und den Durchmesser des Lichtbogens ändert, um das Verhältnis von Ampere zu Spannung (A/V) für eine gegebene Leistungsabgabe erheblich zu verringern.
Allgemein gesagt, die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrodenstruktur mit: einer Kathode; einer ringförmigen Anodenstruktur mit einer Anodenelektrode an einem Ende der Anode entfernt von der Kathode; einem Gasdurchlaß, der sich um einen Abschnitt der Kathode herum und von der Kathode durch die Anodenstruktur zu der Anodenelektrode hin an einem strornabwärtigen Ende des Durchlasses entfernt von der Kathode erstreckt, wobei die Kathode eine Kathodenspitze hat, welche konzentrisch zu dem Durchlaß ist; Mittel zum Einführen von Gas in den Durchlaß für eine Strömung um den Abschnitt der Kathode herum, an der Kathodenspitze vorbei und durch die Anodenstruktur hindurch zu der Anodenelektrode, wobei: eine elektrisch leitfähige Einschränkvorrichtung die Querschnittsgröße eines Abschnittes des Durchlasses durch die Anodenstruktur definiert, die Einschränkvorrichtung einen stromaufwärtigen Abschnitt benachbart der Kathodenspitze, einen stromabwärtigen Abschnitt entfernt von der Kathodenspitze und einen dazwischenliegenden Drosselabschnitt aufweist, wobei der stromaufwärtige Abschnitt stromabwärts von der Kathode in Richtung des Gasströmung um eine Distanz beabstandet ist, um einen ersten Abschnitt des Durchlasses zu bilden, der stromabwärtige Abschnitt der Einschränkvorrichtung an der Anodenelektrode endet; Mitteln, welche die Einschränkvorrichtung elektrisch mit der Anodenstruktur verbinden, wobei die Distanz dafür ausreichend ist, daß ein Lichtbogen während des Zündens des Plasmabrenners zwischen der Kathode und dem stromaufwärtigen Abschnitt der Einschränkvorrichtung ausgebildet werden kann, wobei der stromaufwärtige Abschnitt der Einschränkvorrichtung eine Formgebung hat, welche allmählich und weich die Querschnittsfläche des Durchlasses von der ersten Querschnittsfläche zu der minimalen Querschnittsfläche in dem Drosselabschnitt einschränkt und so geformt ist, daß die Geschwindigkeit des Gases beschleunigt wird, das durch den Durchlaß strömt, wobei diese Strömung weiterhin durch Erhitzung und Ausdehnung in dem Durchlaß beschleunigt wird, so daß die Gasströmungsgeschwindigkeit durch die Einschränkvorrichtung ausreichend ist, um einen Lichtbogen, der anfangs zwischen der Kathode und der Einschränkvorrichtung gebildet wird, durch die Einschränkvorrichtung zu führen und um den Lichtbogen für eine Durchführung durch den Droselabschnitt einzuschränken, um einen verlängerten Lichtbogen zwischen der Kathode und der Anodenelektrode zu bilden, wobei der stromabwärtige Abschnitt so geformt ist, daß die Querschnittsfläche des Durchlasses von einem stromabwärtigen Ende der Drossel zu der Anodenelektrode hin allmählich erweitert wird, so daß der Lichtbogen sich zu der Anodenelektrode hin entladen kann, wodurch der verlängerte Lichtbogen zwischen der Kathode und der Anodenelektrode gebildet werden kann und durch die Einschränkvorrichtung laufen kann, während er durch die Gasströmung eingeschränkt und von den Wänden des Durchlasses beabstandet wird und das Ampere/Volt-Verhältnis gegenüber einer ähnlichen Elektrodenstruktur ohne die Einschränkvorrichtung verringert wird.
Bevorzugt umgibt eine isolierende Hülse die Kathodenspitze und definiert einen inneren Umfang des ersten Abschnittes des Durchlasses zwischen der Kathodenspitze und der Einschränkvorrich, wobei der erste Abschnitt sich entlang der Länge des Durchlasses erstreckt, um eine minimale Lichtbogenlänge zwischen der Anode und der Kathode zumindest gleich dem Abstand zwischen der Kathodenspitze und der Einschränkvorrichtung sicherzustellen.
Bevorzugt liegt das Verhältnis der Querschnittsfläche des ersten Abschnittes zu der minimalen Querschnittsfläche des Durchlasses im Bereich von 2 - 7:1.
Bevorzugt sind Führungsmittel die Kathode umgebend und zwischen der Kathode und der isolierenden Hülse vorgesehen, um die Kathode in der isolierenden Hülse zu zentrieren, wobei die Führungsmittel eine Flossenstruktur haben, die zum Richten der Gasströmung um die Kathodenspitze in Spiralform in Richtung der Einschränkvorrichtung ausgeformt ist.
Bevorzugt ist eine elektrisch leitfähige Hülse elektrisch mit der Anode verbunden und umgibt die isolierende Hülse und verlängert die Anode über die volle Länge des Lichtbogens, der zwischen der Kathodenspitze und der Anodene ausgebildet wird, und ist mit einer elektrischen Verbindung alleine auf Seiten der Kathodenspitze entfernt von dem anderen Ende versehen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche in Zusammenschau mit der beigefügten Zeichnung zu sehen ist, in der:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Plasmabrenner-Elektrodenstruktur ist, welche gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; und
Fig. 2 ein Schnitt ähnlich dem von Fig. 1 ist und ein typisches Lichtbogenmuster zwischen der Kathode und der Anode und auch einen Einlaß für Pulver oder dergleichen zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, beinhaltet die mit bezeichnete Elektrodenstruktur der vorliegenden Erfindung einen Kathodenhalter 12, der benachbart einem Ende einer Elektrode 14 (Kathode 14) angeschlossen ist, deren anderes Ende eine Kathodenspitze 16 bildet. Ein geeignetes Führungselement 18 ist die Kathode 14 (benachbart der Spitze 16) umgebend angeordnet und zentriert die Kathode 14 in einem Gasdurchlaß 24. Das Führungselement 18 ist mit schrägen Leitflächen 20 versehen, welche zwischen sich Durchlässe 22 definieren, welche das von einer Gaseinlaß leitung 26 stromaufwärts der Kathodenspitze 16 eingebrachte Gas lenken( so daß es axial entlang eines Abschnittes des Durchlasses 24 strömt und die Kathode 14 umgibt (das heißt zwischen der Kathode 14 und dem Innendurchmesser einer keramischen Isolierhülse 28), um in einem schraubenförmigen Pfad um die Kathodenspitze 16 zu strömen.
Wie oben erwähnt, hat der Abschnitt des Durchlasses 24, der die Kathode 14 umgibt, eine äußere Oberfläche, welche durch den Innendurchmesser einer zylindrischen isolierenden Hülse 28, bevorzugt einer Keramikröhre 28 definiert ist, welche sich um die Kathode 14 erstreckt und auch den Umfang eines ersten Abschnittes 24A des Durchlasses 24 definiert, der von der Kathodenspitze 16 zu einer eine Einschränkung bildenden Hülse 30 verläuft. Die Röhre 28 erstreckt sich vom stromaufwärtigen Ende des Durchlasses 24, das heißt einer Stelle, wo die Einlaßleitung 26 Plasmagase in die Hülse 28 einbringt und schlägt an der die Einschränkung bildenden Hülse 30 an. Der erste Abschnitt 24A des Durchlasses 24 hat eine Querschnittsfläche, welche durch den Durchmesser D&sub1; dargestellt ist.
Die die Einschränkung bildende Hülse 30 ist so gebildet, daß sie einen sich allmählich verjüngenden Durchlaß bildet, der so geformt ist, daß die Querschnittsfläche des Durchlasses 24 von der Querschnittsfläche des ersten Abschnittes 24A (Durchmesser D&sub1;) zu einem Drossel- oder minimalen Querschnittsflächenabschnitt 248 des Durchlasses 24 stetig verringert wird, der durch den Durchmesser D&sub2; darge stellt ist und dann die Querschnittsfläche des Durchlasses 24 auf einen Querschnitt aufgeweitet wird, der durch den Durchmesser D&sub3; dargestellt ist und der bevorzugt im wesentlichen gleich demjenigen des ersten Abschnittes 24A ist, das heißt der Durchmesser D&sub3; ist bevorzugt gleich D&sub1;. Die Einschränkungshülse 30 ist wie oben aufgeführt geformt mit einem sich verjüngenden stromaufwärtigen Abschnitt 32, der allmählich die Querschnittsfläche des Durchlasses 24 in der Drossel 34 auf ein Minimum verringert, welche den kleinsten Abschnitt oder Abschnitt 248 mit minimalem Querschnitt (Durchmesser D&sub2;) (in der Drossel 34) des Durchlasses 24 definiert. Die Hülse 30 weist einen stromabwärtigen Abschnitt 33 auf, der, wie oben erwähnt, die Querschnittsfläche des Durchlasses 24 von dem durch den minimalen Durchmesser D&sub2; des Abschnittes 248 (Drossel 34) definierten Querschnitt erhöht, so daß die Querschnittsfläche des Durchlasses 24 sich zu dem stromabwärtigen erweiterten Abschnitt 24C des Durchlasses 24 aufweitet. Der stromabwärtige aufgeweitete Abschnitt 24C wird bevorzugt durch eine Anodenelektrode 36 gebildet. Bevorzugt endet die Hülse 30 an ihrem von der Kathode 14 entfernten Ende, das heißt an dem Ende eines sich nach außen erweiterten stromabwärtigen Abschnittes 33 an der Anodenelektrode 36 anliegend.
Die Änderungen in der Querschnittsfläche des Durchlasses 24 sind wie oben dargestellt geformt, um allmählich stetig die Geschwindigkeit der Gase, welche durch den Durchlaß 24 strömen, zu ändern, und zwar auf eine Weise, um die Ausbildung von Wirbeln oder sonstigen Störungen in der Strömung der Gase durch den Durchlaß 24 zu minimieren. Dies wird primär dadurch ermöglicht, daß keine scharfe Krümmung vorhanden ist, welche eine Unterbrechung in der Strömung entlang des Durchlasses 24 bewirken würde.
Die Hülse 30 ist bevorzugt aus leitfähigem Material und wie nachfolgend beschrieben wird, ist sie in elektrischem Kontakt mit der Anode, welche die Anodenelektrode 36 beinhaltet.
Die Querschnittsfläche des Durchlasses 24, wie sie durch die stromaufwärtigen Abschnitte 32 der Einschränkungshülse 30 definiert ist, wird bevorzugt stetig auf eine Weise verringert, daß die Ausbildung von Wirbeln in der Gasströmung durch den Durchlaß 24 minimiert werden und auf jeden Fall auf eine Weise, um sicher zu stellen, daß die Gasströmungsgeschwindigkeit durch den Durchlaß (wobei diese Strömung auch durch Erhitzen, was eine Gasausdehnung in dem Durchlaß bewirkt, beschleunigt wird) beschleunigt wird, um sicher zu stellen, daß die Geschwindigkeit des Gases im Durchlaß 24 und insbesondere in der Einschränkungshülse 30 ausreichend ist, einen Lichtbogen zwischen der Kathodenspitze 16 durch die Einschränkungshülse 30 zu tragen und den Lichtbogen in dem Gas einzuschränken, so daß der Lichtbogen durch die Einschränkungshülse 30 zu der Anodenelektrode 36 benachbart dem Ende des Durchlasses 24 entfernt von der Kathode 14 verläuft. Wie weiter unten beschrieben wird, führt dies dazu, daß sich der Lichtbogen zwischen der Kathodenspitze 16 und der Anodenelektrode 36 erstreckt und durch die Einschränkung 30 beabstandet von den Wänden des Durchlasses 24 verläuft und wenn die Hülse 30 in einer bevorzugten Form aus leitfähigem Material gemacht wird und elektrisch mit der Anode verbunden ist, wird verhindert, daß der Lichtbogen mit der Einschränkungshülse 30 kurzschließt, das heißt, der Lichtbogen läuft durch die Drossel 34 der Hülse 30 zur Anodenelektrode 36.
Wie oben erläutert, ist es bevorzugt, die Hülse 30 aus leitfähigem Material zu machen und die Hülse 30 elektrisch mit der Anodenstruktur zu verbinden, so daß beim Hochfahren ein kurzer Lichtbogen anfänglich zwischen der Kathodenspitze 16 und dem stromaufwärtigen Abschnitt 32 der Hülse 30 ausgebildet werden kann. Die Hülse 30 ist so geformt, daß die Geschwindigkeit des durch die Hülse laufenden Gases (welche durch die Querschnittsfläche des Durchlasses 24 durch die Hülse bestimmt ist) ausreichend ist, den Lichtbogen einzuschließen und ihn durch die Einschränkungshülse 30 zu tragen und einen langgestreckten Lichtbogen zwischen der Kathodenspitze 16 und der Anodenelektrode 36 zu bilden.
Die Einschränkungshülse 30 und die Anodenelektrode 36 sind Teil einer Anodenstruktur 35, welche auch einen ringförmigen Anodenhalter 42 beinhaltet, der dahingehend wirkt, diese Elemente bevorzugt durch Reibschluß so zu halten, daß sie leicht ausgewechselt werden können und um die Einschränkungshülse 30, wenn sie - bevorzugt - aus leitfähigem Material gemacht ist, mit der Anodenelektrode 36 und einer Haltehülse 44 elektrisch zu verbinden. Der Halter 42 ist bevorzugt mit Kühlflächen 43 versehen, um die Wärmeübertragung an ein Kühlmittel zu erleichtern, wie nachfolgend beschrieben wird.
Die Haltehülse 44 ist bevorzugt aus einem Kupfergußwerkstoff gefertigt und ist in enger Anlage mit der Außenseite der isolierenden Hülse 28, um die Wärmeübertragung zwischen den Hülsen 28 und 44 zu erleichtern, so daß das Kühlen der Hülse 28 erleichtert ist.
Die Einschränkungshülse 30 und die Anodenelektrode 36 sind jeweils bevorzugt in Form eines Hülseneinsatzes, der paßgenau innerhalb des Anodenhalters 42 aufgenommen ist und in seine Einbaulage gepreßt ist, das heißt durch Reibung jeweils zwischen dem Halter 42 und der Hülse 30 und zwischen dem Halter 42 und der Anodenelektrode 36 gehalten ist. Die Hülse 30 wird gegen das Ende der isolierenden Röhre oder Hülse 28 gepreßt und ist somit in anschlagender Beziehung zur Hülse 28 und die Elektrode 36 wird gegen das Ende der Einschränkung 30 von der Röhre 28 abgewandt gepreßt und ist somit in anschlagender Beziehung mit diesem Ende der Hülse 30.
Die Anodenelektrode 36 in der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Version weist einen Auslaß 38 auf, der in seiner Querschnittsfläche wesentlich kleiner als der Abschnitt 24C ist. Es gibt einen abgeschrägten Übergang 39 von dem Abschnitt 24C zu dem Auslaß 38. Der Auslaß 38 in der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Version hat auch eine Längsachse, welche mit einer Längsachse 40 des Durchlasses 24 fluchtet. Falls gewünscht, kann der Übergang 39 stufenförmig sein und die Achse des Auslasses 38 kann in einem spitzen Winkel zur Achse 40 verlaufen.
Man erkennt, daß die Längsmittellinie oder Achse 40 des Durchlasses 24 eine gerade Linie ist und daß die Kathode 12 im Querschnitt geradzylindrig ist und konzentrisch zu der Achse 40 des Durchlasses 24 genauso wie die Einschränkung 30 mit ihrem Abschnitten 32 und 33 und der Drossel 34 und die Anodenelektrode 36 ist.
Der Neigungsgrad oder die Durchmesseränderung des Durchlasses 24 vom Durchmesser D&sub1; zum Durchmesser D&sub2; gemäß obiger Beschreibung, das heißt die Formgebung des stromaufwärtigen Abschnittes 32 wird auf der Grundlage der Gasge schwindigkeit festgesetzt, welche zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens 58 (vergleiche Fig. 2) notwendig ist, der sich zwischen der Kathodenspitze 16 und der Anode 36 von den Wänden des Durchlasses 24 beabstandet erstreckt, um die Ausbildung eines langen Lichtbogens sicher zu stellen und um ein Kurzschließen mit der Hülse 30 zu verhindern, wenn die Hülse 30 elektrisch leitfähig ist und mit der Anode verbunden ist. Diese Form hängt von der Menge und Geschwindigkeit des über dem Gaseinlaß 26 in das System geführten Gases ab, sowie der vom Lichtbogen 58 auf das Gas übertragenen Wärme, welche ein Anwachsen der Gasgeschwindigkeit aufgrund einer Ausdehnung des Gases bewirkt. Die Geschwindigkeit des Gases ist der primäre Faktor, der bewirkt, daß der Lichtbogen im Durchlaß 24 eingeschränkt ist, ohne kurzzuschließen, bis der Lichtbogen die Anodenelektrode 36 erreicht. Somit können die Größe und Form des Durchlasses 24 abhängig von dem letztendlichen Einsatz des Brenners, das heißt Gaseinlaßgeschwindigkeit, Brennertemperatur, etc. varuert werden.
In der Darstellung von Fig. 2 wird ein Pulver und/oder anderes Material, welches der vom Auslaß 38 ausgehenden Plasmaströmung unterworfen werden soll, in die Strömung von einer Leitung 50 her zugeführt. Es versteht sich, daß eine Anzahl von unterschiedlichen Brennern, welche gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, falls gewünscht, miteinander verbunden werden können und ihre Ausgänge kombiniert werden können, um eine einzelne Plasmaströmung zu bilden.
Die Position der Kathode und hier insbesondere der Kathodenspitze 16 ist bevorzugt relativ gegenüber der Vorrichtung festgelegt, kann jedoch - falls gewünscht - in Form einer axialen Bewegung entlang des Durchlasses 24 einstellbar sein.
Die Durchmesser D&sub1; und D&sub3; können im wesentlichen gleich sein, es ist jedoch bevorzugt, daß das Verhältnis der Querschnittsflächen, die durch den Durchmesser D&sub1; des ersten Abschnittes 24A des Durchlasses 24 bezeichnet ist, zu der Querschnittsfläche der Drossel 34, welche durch den Durchmesser D&sub2; des eingeschränkten Abschnittes 24B bezeichnet ist, wenigstens 2 zu 1 und bevorzugt wenigstens 5 zu 1 beträgt, so daß die Strömung durch die Einschränkung 30 den Lichtbogen einschränkt. Das maximale Verhältnis ist abhängig von der Gasgeschwindigkeit und dem Pulver und kann nicht zu groß sein, da sich sonst der Brenner überhitzt. Ganz klar gibt es auch einen Grenzwert, wie klein die minimale Querschnittsfläche sein kann, ohne ein derartiges Überhitzen zu verursachen.
Der Durchmesser der Kathodenspitze ist mit dem Durchmesser D&sub1; korreliert, um eine vernünftige Durchlaß-Querschnittsfläche für eine Gasströmung um die Kathodenspitze 16 zu erzeugen, das heißt zwischen der Kathodenspitze 16 und der inneren Oberfläche der Keramikröhre 28.
In der dargestellten Ausführungsform umgibt eine schematisch mit 52 gekennzeichnete Kühlkammer die Anodenstruktur 35 und erstreckt sich von benachbart der Anodenelektrode 36 zu einer Position auf Seiten der Kathodenspitze 16 entfernt von der Anode 36. Die Kammer 52 weist einen Kühlmitteleinlaß 54 und einen Auslaß 56 für einen Kreislauf eines Kühlfluides durch die Kammer 52 auf.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist der zwischen der Kathodenspitze 16 und der Anode 36 gebildete Lichtbogen 58 relativ eng und sehr lang. Diese Ausbildung eines relativ langen und im Querschnitt kleinen Lichtbogens 58 erlaubt, daß der Brenner mit einem kleinen Ampere/Volt-Verhältnis (A/V) für einen gegebenen Leistungsverbrauch betrieben werden kann, wobei dieses Verhältnis relativ zu demjenigen wesentlich verringert ist, das erhalten werden würde, wenn die Einschränkhülse 30 nicht vorhanden ist und die Gasgeschwindigkeit nicht so manipuliert werden würde, daß der Lichtbogen eingeschlossen und durch die Hülse 30 zur Anodenelektrode 36 getragen werden würde.
Während des Zündens des Lichtbogens in der bevorzugten Ausführungsform, wobei die Hülse 36 aus leitfähigem Material ist und elektrisch mit der Anodenelektrode 36 verbunden ist, richtet die isolierende Hülse 28 den anfänglich ausgebildeten Lichtbogen auf die Einschränkung 30 und ein Lichtbogen wird anfänglich zwischen der Kathodenspitze 16 und dem stromaufwärtigen Abschnitt 32 der Einschränkhülse 30 gebildet. Der anfänglich ausgebildete Lichtbogen erzeugt Wärme, welche die Geschwindigkeit des Gases, das entlang des Durchlasses 24 fließt, auf eine Geschwindigkeit erhöht, welche den Lichtbogen durch die Einschränkungshülse 30 trägt, das heißt, das Kurzschließen des Lichtbogens mit der Einschränkungshülse 30 wird unterbunden und er wird durch die Einschränkungshülse 30 zur Anodenelektrode 36 getragen.
Die an die Keramikhülse 28 und die Anodenstruktur 35, insbesondere auf die Einschränkung 30 aufgebrachte Kühlung, beispielsweise von der Kammer 52 aus, beeinflußt auch die Leistungsfähigkeit des Gases, den Lichtbogen 58 durch die Einschränkung 30 zu tragen, da kühleres Gas benachbart der Oberfläche des Durchlasses 24 den Ionisationsgrad des Gases ändert und die Verhinderung von Kurzschließen des Lichtbogens mit der Einschränkung 30 unterstützt, sobald der Lichtbogen zwischen der Kathodenspitze 16 und der Anodenelektrode 36 aufgebaut ist. Somit ist es wichtig, sicher zu stellen, daß der Brenner mit der adäquaten Kühlung ausgestattet ist. Man erkennt, daß eine elektrische Verbindung 60 für die Anodenstruktur 35 mit der Haltehülse 44 verbunden ist und an der Seite der Spitze 16 entfernt von der Anodenelektrode 36 angeordnet ist, so daß der Stromfluß durch das System, das heißt von der Kathode 14 zur Anodenelektrode 36 und durch die Anodenstruktur 35 zum Kontakt 60 den Lichtbogen 58 vollständig einfaßt und dazu neigt, den Lichtbogen 58 von äußeren Magnetkräften zu isolieren, zum Beispiel von Kräften, die in benachbarten Brennern erzeugt werden, wenn die Brenner nahe Seite an Seite aneinanderkoppelt werden, so daß hierdurch die Arbeitsweise des Brenners verbessert wird.

Beispiel

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind D&sub1; und D&sub3; gleich 0,95 cm (0,375 Inch), D&sub2; ist 0,56 cm (0,22 Inch) und der übergang erfolgte entlang von 0,72 cm (0,28 Inch) entlang der Achse 40. Der sich verjüngende stromauf wärtige Abschnitt 32 war im wesentlichen konisch, dann jedoch allmählich tangential zu der Drossel 34 und dem Abschnitt 24A des Durchlasses 24 tangential gekrümmt, um die Ausbildung von Wirbeln in der Gasströmung im wesentlichen zu verhindern. Es gibt keine scharfen Krümmungsradien ent lang des Durchlasses 24.
Die Länge der Drossel 34, gemessen entlang der Achse 40, ist nicht kritisch, in dem obigen konkreten Beispiel betrug sie 0,25 cm (0,10 Inch); sie könnte jedoch jede geeignete Länge haben. Der Übergang vom minimalen Durchmesser D&sub2; zum Enddurchmesser D&sub3; ist nicht so wichtig wie die Verringerung des Durchmessers von D&sub1; auf D&sub2;. Bei dem speziellen beschriebenen Brenner war der stromabwärtige Abschnitt von der Drossel 34 zu der Anodenelektrode 36 1,65 cm (0,65 35 Inch) entlang der Achse 40 gemessen lang. Nachdem nun die Erfindung beschrieben wurde, ergeben sich Abwandlungen hiervon dem Fachmann auf diesem Gebiet, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Eine Elektrodenstruktur zur Verringerung des Ampere/Volt-Verhältnisses der Betriebsversorgung eines Plasmabrenners (10) mit:

einer Kathode (16);

einer hohlen ringförmigen Anodenstruktur (35) mit einer Anodenelektrode (36) am stromabwärtigen Ende der Anodenstruktur (35) entfernt von der Kathode (16);

einem Gasdurchlaß(24), wobei ein Inneres der hohlen Anodenstruktur einen Abschnitt einer Umfangswand des Durchlasses definiert, wobei der Gasdurchlaß relativ zu einer Längsachse (40) der Elektrodenstruktur (35) symmetrisch ist und sich um einen Abschnitt der Kathode (16) herum und von der Kathode (16) durch die hohle Anodenstruktur (24) zu der Anodenelektrode (36) hin erstreckt, wobei die Kathode (16) eine Kathodenspitze hat, welche konzentrisch zu dem Durchlaß ist;

Mittel zum Einführen von Gas (26) in den Durchlaß (24) für eine Strömung um den Abschnitt der Kathode (16) herum, an der Kathodenspitze vorbei und durch die hohle Anodenstruktur (24) hindurch, wobei:

die hohle Anodenstruktur (24) weiterhin eine elektrisch leitfähige Einschränkvorrichtung (30) beinhaltet, welche die Querschnittsgröße eines Abschnittes des Durchlasses durch die Anodenstruktur (35) zwischen der Kathode (16) und der Anodenelektrode (36) definiert,

die Einschränkvorrichtung (30) einen stromaufwärtigen Abschnitt (32) benachbart der Kathode (16), einen stromabwärtigen Abschnitt (33) entfernt von der Kathode (16) und einen dazwischenliegenden Drosselabschnitt (34) aufweist,

der Drosselabschnitt (34) einen Abschnitt des Durchlasses (24) mit einer minimalen Querschnittsfläche (D&sub2;) definiert, der stromaufwärtige Abschnitt (32) stromabwärts von der Kathode (16) in Richtung des Gasströmung um eine Distanz beabstandet ist, um einen ersten Abschnitt (24A) des Durchlasses (24) zwischen der Kathode (16) und der Einschränkvorrichtung (30) zu bilden,

der erste Abschnitt (24A) des Durchlasses (24) eine erste Querschnittsfläche (D&sub1;) hat,

das Verhältnis der ersten Querschnittsfläche (D&sub1;) zu der minimalen Querschnittsfläche (D&sub2;) wenigstens 2:1 beträgt, und

der stromabwärtige Abschnitt (33) der Einschränkvorrichtung (30) an der Anodenelektrode (36) endet;

Mitteln (42), welche die Einschränkvorrichtung (30) elektrisch mit der Anodenstruktur (36) verbinden, wobei die Distanz dafür ausreichend ist, daß ein Lichtbogen während des Zündens des Plasmabrenners zwischen der Kathode (16) und dem stromaufwärtigen Abschnitt (32) der Einschränkvorrichtung (30) ausgebildet werden kann, wobei der stromaufwärtige Abschnitt (32) der Einschränkvorrichtung (30) eine Formgebung hat, welche allmählich und weich die Querschnittsfläche des Durchlasses (24) von der ersten Querschnittsfläche (D&sub1;) zu der minimalen Querschnittsfläche (D&sub2;) in dem Drosselabschnitt (34) einschränkt und so geformt ist, daß die Geschwindigkeit des Gases beschleunigt wird, das durch den Durchlaß (24) strömt, wobei diese Strömung weiterhin durch Erhitzung und Ausdehnung in dem Durchlaß beschleunigt wird, so daß die Gasströmungsgeschwindig keit durch die Einschränkvorrichtung (30) ausreichend ist, um einen Lichtbogen, der anfangs zwischen der Kathode (16) und der Einschränkvorrichtung (30) gebildet wird, durch die Einschränkvorrichtung (30) zu führen und um den Lichtbogen (58) für eine Durchführung durch den Droselabschnitt (34) einzuschränken, um einen verlängerten Lichtbogen (58) zwischen der Kathode (16) und der Anodenelektrode (36) zu bilden, wobei der stromabwärtige Abschnitt (39) so geformt ist, daß die Querschnittsfläche des Durchlasses (24) von einem stromabwärtigen Ende der Drossel (34) zu der Anoden elektrode (36) hin allmählich erweitert wird, so daß der Lichtbogen (58) sich zu der Anodenelektrode (36) hin entladen kann, wodurch der verlängerte Lichtbogen (58) zwischen der Kathode (16) und der Anodenelektrode (36) gebildet werden kann und durch die Einschränkvorrichtung (30) laufen kann, während er durch die Gasströmung eingeschränkt und von den Wänden des Durchlasses beabstandet wird und das Ampere/Volt-Verhältnis gegenüber einer ähnlichen Elektrodenstruktur ohne die Einschränkvorrichtung verringert wird.

2. Eine Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, wobei eine isolierende Hülse (28) die Kathode (16) umgibt und einen inneren Umfang des ersten Abschnittes (24A) des Durchlasses (24) zwischen der Kathode (16) und der Einschränkvorrichtung (30) definiert, wobei der erste Abschnitt (24A) sich entlang der Länge des Durchlasses (24) erstreckt, um eine minimale Lichtbogenlänge von der Kathode (16) aus zumindest gleich dem Abstand zwischen der Kathode (16) und der Einschränkvorrichtung (30) sicherzustellen.

3. Eine Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der ersten Querschnittsfläche (D&sub1;) zu der minimalen Querschnittsfläche (D&sub2;) wenigstens 5:1 beträgt.

4. Eine Elektrodenstruktur nach Anspruch 2, wobei das Verhältnis der ersten Querschnittsfläche (D&sub1;) zu der minimalen Querschnittsfläche (D&sub2;) wenigstens 5:1 beträgt.

5. Eine Elektrodenstruktur nach Anspruch 2 oder 4, wobei Führungsmittel (20, 21) die Kathode (16) umgebend und zwischen der Kathode (16) und der isolierenden Hülse (30) vorgesehen sind, wobei die Führungsmittel (20, 21) in dem Gasdurchlaß (24) positioniert sind und eine Flossenstruktur (20, 21) haben, die zum Richten der Gasströmung um die Kathode (16) in Spiralform in Richtung der Einschränkvorrichtung (30) ausgeformt ist.

6. Eine Elektrodenstruktur nach Anspruch 2, 4 oder 5, wobei die Anodenstruktur (35) die isolierende Hülse umgibt und sich über die volle Länge des Lichtbogens (58) erstreckt, der zwischen der Kathode (16) und der Anodenelektrode (36) ausgebildet wird, und mit einer elektrischen Verbindung (60) alleine auf Seiten der Kathodenspitze entfernt von der Anodenelektrode (36) versehen ist.