CH712835A1 - Plasmaspritzvorrichtung. - Google Patents

Abstract

Es wird eine Plasmaspritzvorrichtung vorgeschlagen, deren Brennerkopf einen zwischen einer Kathode (3) und einer Anode (7) verlaufenden Plasmakanal (10) aufweist. Der Plasmakanal (10) wird von einer Mehrzahl von Neutroden (4, 5, 6) begrenzt, welche elektrisch gegeneinander isoliert sind. Zwischen der vordersten Neutrode (6) und der Anode (7) verläuft ein Spalt (26), der in zumindest zwei Abschnitte (27, 29) unterteilt ist. Zwischen den beiden Abschnitten (27, 29) besteht ein radialer und axialer Abstand. Vorzugsweise ist in beiden Abschnitten (27, 29) je eine Isolierscheibe (30, 31) angeordnet.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildete Plasmaspritzvorrichtung, eine gemäss dem Anspruch 14 ausgebildete Anode sowie eine gemäss dem Anspruch 16 ausgebildete Neutrode für eine gattungsgemässe Plasmaspritzvorrichtung.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind Plasmaspritzvorrichtungen bekannt, deren Brennerkopf eine Kathode, eine davon beabstandete Anode sowie eine dazwischen angeordnete Neutrodenanordnung, welche mehrere elektrisch gegeneinander isolierte Neutroden umfasst. Die Anode ist üblicherweise in der Form einer runden Düse gestaltet. Im Betrieb wird zwischen der Kathode und der Anode ein Lichtbogen erzeugt. Der Lichtbogen legt sich dabei am eingangsseitigen, d.h. der Innenseite des Brennerkopfs zugewandten Bereich an der Anode an. In diesem Bereich herrschen sehr hohe Temperaturen, welche durchaus 10 000 Kelvin und mehr erreichen können. Daher sind neben der Anode auch die an die Anode angrenzenden Teile, insbesondere die angrenzende Neutrode, thermisch hoch belastet und einem hohen Verschleiss ausgesetzt.

[0003] Aus der EP 500 492 A1 ist ein gattungsgemässes Plasmaspritzgerät bekannt. Dessen Brennerkopf ist mit einer Kathodenanordnung, einer ringförmigen Anode und mehreren elektrisch voneinander isolierten Neutroden versehen. Zwischen den einzelnen Neutroden besteht jeweils ein Spalt, in den Ringscheiben aus Isoliermaterial eingefügt sind. Diese Neutroden bilden den mit einer Einschnürung versehenen Plasmakanal. Der Innendurchmesser der Ringscheiben entspricht dem Innendurchmesser des Plasmakanals. Um die Anode und die Neutroden zu kühlen, ist auf deren Aussenseite ein Kühlkanal (Hohlraum) angeordnet, über welchen Kühlwasser geleitet wird. Die vorderste dieser Ringscheiben, welche zwischen der vordersten Neutrode und der Anode angeordnet ist, ist zusammen mit der vordersten Neutrode thermisch sehr hoch belastet und daher einem hohen Verschleiss unterworfen, zumal die Anode wie auch die vorderste Neutrode nur auf der Aussenseite vom Kühlwasser umströmt werden.

[0004] Die EP 1 875 785 A1 offenbart eine Schnittstelle für eine Plasmakanone. Diese umfasst u.a. eine Aufnahme an der Plasmakanone für einen Düsenaufsatz. Der Plasmakanal wird durch eine Vielzahl von Neutroden zusammen mit dem Düsenaufsatz gebildet. Dazu sind sowohl der Düsenaufsatz wie auch die Neutroden mit zylindrischen Bohrungen versehen. Der Düsenaufsatz wird mittels einer Klemmanordnung an der Plasmakanone fixiert. Zur Kühlung der Klemmanordnung wie auch des Düsenaufsatzes führt ein Kanal für Kühlflüssigkeit von der Plasmakanone zuerst durch die Klemmanordnung und danach durch den Düsenaufsatz. Von dem Düsenaufsatz führt der Kanal entlang der Aussenseite der Neutroden zurück in die Plasmakanone. Zwischen der vordersten Neutrode und der Düse ist ein Dichtring angeordnet, der auf der Innenseite radial bis an einen Einsatz der Düse heranreicht. Ausserhalb dieses Dichtrings ist ein O-Ring angeordnet.

[0005] Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildete Plasmaspritzvorrichtung vorzuschlagen, bei der die thermisch hochbelasteten Teile des Brennerkopfs, insbesondere die Anode zusammen mit der daran angrenzende Neutrode, derart gestaltet ist/sind, dass diese bei gleicher Nennleistung eine höhere Lebensdauer aufweisen oder eine erhöhte Nennleistung bei gleicher Lebensdauer zulassen.

[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Plasmaspritzvorrichtung gelöst, welche mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen versehen ist.

[0007] Indem der zwischen der vordersten Neutrode und der Anode verlaufende Spalt der Plasmaspritzvorrichtung zumindest zwei Abschnitte aufweist, wobei zwischen den beiden Abschnitten ein radialer und/oder axialer Abstand besteht und wobei zumindest in einem Abschnitt eine Isolierscheibe angeordnet ist, wird die grundsätzliche Voraussetzung geschaffen, dass die Verschleissteile im thermisch am höchsten belasteten Bereich der Plasmaspritzvorrichtung, insbesondere die Anode zusammen mit der daran angrenzende Neutrode, bei gleicher Nennleistung eine höhere Lebensdauer aufweisen oder eine erhöhte Nennleistung bei gleicher Lebensdauer zulassen.

[0008] Im Vergleich mit herkömmlichen Plasmaspritzvorrichtungen, deren zwischen der vordersten Neutrode und der Anode verlaufende Spalt geradlinig verläuft, kann durch die erfindungsgemäss genannten Merkmale insbesondere auch eine langzeitstabile elektrische Isolation zwischen der vordersten Neutrode und der Anode gewährleistet werden. Zudem wird auch die hydraulische Abdichtung verbessert, indem über den genannten Spalt keine Kühlflüssigkeit in den Plasmakanal eindringen kann, da die zur Abdichtung des Spalts vorgesehene Dichtung thermisch weniger belastet wird.

[0009] Bevorzugte Ausführungsformen der Plasmaspritzvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 13 umschrieben.

[0010] So wird bei einer bevorzugten Weiterbildung vorgeschlagen, dass der genannte Spalt einen ersten inneren Abschnitt, einen zweiten mittleren Abschnitt und einen dritten äusseren Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt gegenüber dem dritten Abschnitt in radialer und/oder axialer Richtung versetzt ist. Durch einen solchen Versatz kann der dritte Abschnitt in einen thermisch weniger belasteten Bereich verlegt werden. Zudem wirkt der mittlere Abschnitt als thermischer Isolator.

[0011] Besonders bevorzugt verläuft der mittlere Abschnitt des Spalts unter einem Winkel zu dem inneren und/oder äusseren Abschnitt. Diese Massnahme bewirkt eine noch bessere thermische Abschirmung des äusseren Abschnitts.

[0012] Eine bevorzugte Ausbildung sieht vor, dass radial ausserhalb des äusseren Abschnitts ein Dichtring angeordnet ist. Ein solcher Dichtring ist damit in einem Bereich angeordnet, der thermisch weniger hoch belastet ist.

CH 712 835 A1 [0013] Bei einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Plasmaspritzvorrichtung ist die vorderste Neutrode mit einem der Anode zugewandten, ringförmigen Vorsprung versehen ist und die Anode mit einer der vordersten Neutrode zugewandten, ringförmigen Vertiefung versehen, wobei der Spalt zwischen dem genannten Vorsprung und der genannten Vertiefung verläuft. Durch diese Merkmale kann der in mehrere Abschnitte unterteilte Spalt vergleichsweise einfach realisiert werden.

[0014] Vorzugsweise ist der innere Abschnitt in radialer Richtung innerhalb des äusseren Abschnitts angeordnet ist, wobei in dem inneren Abschnitt eine Isolierscheibe angeordnet ist, die gegenüber dem Plasmakanal in radialer Richtung zurückversetzt ist. Dadurch ist die genannte Isolierscheibe gegenüber dem im Betrieb anliegenden Lichtbogen etwas beabstandet und der äussere Abschnitt wird thermisch besonders gut abgeschirmt.

[0015] Indem eine Isolierscheibe gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in dem äusseren Abschnitt angeordnet ist, ist eine solche Isolierscheibe in einem relativ grossen Abstand zu dem im Betrieb anliegenden Lichtbogen angeordnet, was natürlich im Hinblick auf deren Lebensdauer von Vorteil ist.

[0016] Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die Anode ringförmig ausgebildet und auf der Innenseite mit einem hochschmelzenden Einsatz versehen, der in Richtung der Längsachse des Plasmakanals zumindest annähernd bis an den Spalt zwischen der vordersten Neutrode und der Anode heranreicht. Mit dieser Ausbildung kann der Ansatz des Lichtbogens in den Bereich des Spalts verlegt werden.

[0017] Besonders bevorzugt ist die vorderste Neutrode mit einem ringförmigen Kragen versehen, in welchen zumindest 8, insbesondere zumindest 12 axiale Schlitze eingelassen sind. Durch diese Schlitze werden Kühlrippen mit einer grossen Oberfläche gebildet, so dass die Neutrode mittels einer Kühlflüssigkeit sehr effizient gekühlt werden kann.

[0018] Die genannten Schlitze weisen besonders bevorzugt eine Tiefe auf, die zumindest 5% des Umfangs des Kragens, besonders bevorzugt zumindest 10% des Umfangs des Kragens beträgt. Derart ausgebildete Schlitze bilden Kühlrippen mit einer besonders grossen Oberfläche, was im Hinblick auf eine gute Kühlung der zugehörigen Neutrode vorteilhaft ist.

[0019] Eine bevorzugte Ausbildung sieht vor, dass bei der vordersten Neutrode zumindest von einzelnen Schlitzen eine radiale Bohrung nach innen in den Grundkörper vorderste führt. Durch solche Bohrungen wird die Kühlfläche noch weiter vergrössert.

[0020] Schliesslich wird bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung vorgeschlagen, sämtliche Neutroden mit einem ringförmigen Kragen zu versehen, wobei jeder Kragen mit einer Vielzahl von axialen Schlitzen versehen ist, so dass eine Vielzahl von Kühlrippen gebildet werden, und wobei die so gebildeten Kühlrippen mit einem Kanal oder Ringraum in Verbindung stehen, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert. Mit dieser Ausbildung kann eine effiziente Kühlung der gesamten Neutrodenanordnung sichergestellt werden.

[0021] In den Ansprüchen 14 und 15 wird zudem eine Anode für eine gattungsgemässe Plasmaspritzvorrichtung beansprucht, während in den Ansprüchen 16 bis 18 eine Neutrode für eine gattungsgemässe Plasmaspritzvorrichtung beansprucht wird.

[0022] Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. In diesen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Brennerkopf der Plasmaspritzvorrichtung;

Fig. 1a einen vergrösserten Ausschnitt aus der Fig. 1;

Fig. 2 die erste Neutrode in perspektivischer und geschnittener Darstellung;

Fig. 3 die zweite Neutrode in perspektivischer und geschnittener Darstellung;

Fig. 4a einen Schnitt durch die dritte Neutrode

Fig. 4b die dritte Neutrode in perspektivischer und geschnittener Darstellung;

Fig. 5 einen Schnitt durch die Anode;

Fig. 6 ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel der dritten Neutrode;

Fig. 7 ein zweites alternatives Ausführungsbeispiel der dritten Neutrode;

Fig. 8 ein drittes alternatives Ausführungsbeispiel der dritten Neutrode.

[0023] Da gattungsgemässe Plasmaspritzvorrichtungen bekannt sind, wird nachfolgend insbesondere auf die im Zusammenhang mit der Erfindung wesentlichen Merkmale und Elemente eingegangen.

[0024] Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Brennerkopf 2 der gesamthaft mit 1 bezeichneten Plasmaspritzvorrichtung, während die Fig. 1 a einen vergrösserten Ausschnitt aus der Fig. 1 zeigt. Anhand der Fig. 1 und 1 a wird der Aufbau einer erfindungsgemäss gestalteten Plasmaspritzvorrichtung bzw. des zugehörigen Brennerkopfs 2 näher erläutert.

CH 712 835 A1 [0025] Der Brennerkopf 2 weist eine Kathode 3, eine davon beabstandete Anode 7 sowie eine dazwischen angeordnete, aus drei Neutroden 4, 5, 6 bestehende Neutrodenanordnung auf. Die Neutroden 4, 5, 6 bilden zusammen mit der im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildeten Anode 7 den Plasmakanal 10. Am auslassseitigen Ende weist die Plasmaspritzvorrichtung 1 ein Pulverzufuhrelement 44 auf, das mit radial verlaufenden Kanälen 45 versehen ist, über welche ein Beschichtungspulver zugeführt werden kann. Zum Fixieren des Pulverzufuhrelements 44 mitsamt der Anode 7 und der drei Neutroden 4, 5, 6 dient eine Überwurfmutter 46, deren Klemmnase 47 axial auf das Pulverzufuhrelement 44 drückt. Das Pulverzufuhrelement 44 seinerseits drückt auf die Anode 7, welche ihrerseits die Neutroden 4, 5, 6 fixiert.

[0026] Die erste bzw. hinterste Neutrode 4 weist einen sich konisch verengenden Innenraum 11 auf. Die erste Neutrode 4 umgibt die stabförmig gestaltete Kathode 3. Die mittlere Neutrode 5 ist im Wesentlichen ringförmig gestaltet, wobei deren Innenraum 12 sich in Richtung der Anode 7 leicht erweitert. Die letzte bzw. vorderste Neutrode 6 besitzt einen im Wesentlichen zylindrischen Innenraum 13. Zwischen der hintersten 4 und der mittleren Neutrode 5, wie auch zwischen der mittleren 5 und der vordersten Neutrode 6 besteht je ein ringförmiger Spalt 15,20. Diese beiden Spalte 15, 20 verlaufen im Wesentlichen radial geradlinig nach aussen. In die genannten beiden Spalte 15, 20 ist je eine ringförmige Isolierscheibe 16, 21 eingefügt. Die jeweilige Isolierscheibe 16, 21 ist relativ dünn ausgebildet und wird auf der Aussenseite von einem ebenfalls ringförmigen Abstützring 17, 22 begrenzt. Auf diesen äussere Abstützring 17, 22 folgt jeweils ein O-Ring 18, 23, der als Abdichtung für Kühlflüssigkeit dient, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.

[0027] Zwischen der vordersten Neutrode 6 und der Anode 7 besteht ebenfalls ein Spalt 26. Dieser Spalt 26 verläuft jedoch nicht geradlinig, sondern besteht aus einem inneren, im Wesentlichen radial verlaufenden ersten Abschnitt 27, einem mittleren, im Wesentlichen axial verlaufenden zweiten Abschnitt 28, sowie einem äusseren, im Wesentlichen wiederum radial verlaufenden dritten Abschnitt 29. Der erste innere Abschnitt 27 ist gegenüber dem äusseren dritten Abschnitt 29 sowohl radial wie auch axial versetzt. Der mittlere Abschnitt 28 verläuft im Wesentlichen unter einem Winkel von 90° zu dem ersten und dem dritten Abschnitt 27, 29. Natürlich sind auch beliebig andere Winkel, beispielsweise 30°, 45° oder 60° möglich.

[0028] In dem inneren wie auch dem äusseren Abschnitt 27, 29 ist je eine Isolierscheibe 30,31 aufgenommen. Die beiden Isolierscheiben 30,31 sind beabstandet und der dazwischen liegende Teil des mittleren Abschnitts 28 wirkt als thermischer Isolator. Auf die äussere Isolierscheibe 31 folgt wiederum ein O-Ring 32, der als Abdichtung für Kühlflüssigkeit dient und zugleich auch eine gasdichte Abdichtung erzeugt. Die drei Isolierscheiben 16, 21, 30 sind gegenüber dem Plasmakanal 10 etwas zurückversetzt, was deren Lebensdauer positiv beeinflusst. Die innere, im dritten Spalt 26 angeordnete Isolierscheibe 31 ist noch etwas weiter als die beiden anderen Isolierscheiben 16, 21 zurückversetzt, und zwar soweit, dass deren Innenseite ausserhalb des Einsatzes 8 verläuft.

[0029] Die Anode 7 ist auf der Innenseite mit einem Einsatz 8 versehen, der aus einem hochschmelzenden und leitenden Material wie beispielsweise Wolfram besteht.

[0030] Die zur Kühlung von Elementen des Brennerkopfs dienende Kühlflüssigkeit wird über einen vorderen Anschlussflansch 49 in den Brennerkopf 2 eingeleitet. Von diesem Anschlussflansch 49 führen schräge Kanäle, welche in den Darstellungen gemäss den Fig. 1 und 1a nicht erkennbar sind, in einen Ringraum 50. Der Ringraum 50 mündet in einen ebenfalls als Ringraum ausgebildeten Vorlaufraum 51, der sich um die drei Neutroden 4, 5, 6 herum erstreckt und der Kühlung derselben dient. Am Ende mündet der Vorlaufraum 51 in einen schrägen, in die Anode 7 eingelassenen Kanal 40, der bis in den Bereich des vorderen Endes der Anode 7 führt. Der schräge Kanal 40 durchquert einen in die Anode 7 eingelassenen Ringkanal 41, aus dem die Kühlflüssigkeit nach oben in einen als Ringraum ausgebildeten Rücklaufraum 52 einströmen kann, der schliesslich über mehrere im Innern des Brennerkopfs verlaufenden Kanäle (nicht ersichtlich) mit einen hinteren Anschlussflansch 53 verbunden ist. Über diesen hinteren Anschlussflansch 53 tritt die Kühlflüssigkeit aus dem Brennerkopf aus. Über den mittleren Anschlussflansch 55 kann dem Brenner ein Gas zugeführt werden.

[0031] Durch die genannten O-Ringe 18, 23, 32 wird verhindert, dass Kühlflüssigkeit aus dem Vorlaufraum 51 über den jeweiligen Spalt 15, 20, 26 in den Plasmakanal 10 gelangen kann. Die Isolierscheiben 16, 21,30, 31 dienen insbesondere als elektrische aber auch als thermische Isolation. Die Isolierscheiben 16, 21, 30, 31 sind aus einem nicht leitenden und hochtemperaturfesten Material wie beispielsweise Siliziumnitrid gefertigt. Zudem schützen sie zugleich die aus einem elastischen und temperaturbeständigen Material wie beispielsweise Viton® bestehenden O-Ringe 18, 23, 32 vor thermischer Überbeanspruchung.

[0032] Im Betrieb der Plasmaspritzvorrichtung liegt zwischen der Kathode 3 und der Anode 7 ein Lichtbogen an. Dieser Lichtbogen setzt im Anfangsbereich 25 an der Anode 7 bzw. deren Einsatz 8 an. In diesem Anfangsbereich 25 ist der Einsatz 8 vorzugsweise abgerundet ausgebildet, was im Hinblick auf eine lange Lebensdauer vorteilhaft ist. Der Lichtbogen wandert in diesem Anfangsbereich 25 üblicherweise etwas umher. Jedenfalls ist der Anfangsbereich 25 der Anode 7, und damit auch der Bereich um die angrenzende Isolierscheibe 27, der thermisch am höchsten belastete Bereich der Plasmaspritzvorrichtung. Durch die spezifische Gestaltung des Spalts 26 zwischen der vordersten Neutrode 6 und der Anode 7, sowie der beiden in diesem Spalt 26 angeordneten Isolierscheiben 30, 31, wird dieser Problematik in besonderer Weise Rechnung getragen und auch der im vordersten Spalt 26 angeordnete O-Ring 32 ist thermisch besonders gut abgeschirmt. Der mittlere Abschnitt 28 des dritten Spalts 26 wirkt als thermischer Isolator zwischen den beiden Isolierscheiben 30, 31. Zudem ist die innere Isolierscheibe 30 gegenüber der Innenseite der Anode 7 bzw. des Anodenseinsatzes 8 etwas zurückversetzt, was einen positiven Einfluss auf deren Lebensdauer hat. Gleichzeitig werden die drei Neutroden 5,

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6, 7 wie auch die Anodendüse 7 besonders effizient gekühlt, wie nachfolgend noch näher erläutert wird. Jedenfalls haben Versuche mit einem solchen Brennerkopf 2 ergeben, dass auch bei Wegfall bzw. Ausfall der inneren Isolierscheibe 30 der O-Ring 32 über einen Zeitraum von mehreren hundert bis über tausend Stunden hydraulisch dicht bleibt und damit zuverlässig funktioniert und ein Eindringen von Kühlmittel in den Plasmakanal 10verhindert. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass während des Betriebs ein Eindringen von Kühlflüssigkeit in den Plasmakanal 10 einer Zerstörung des Brennerkopfs gleichkommen würde.

[0033] Die drei Neutroden 4, 5, 6 sind mit einem ringförmig umlaufenden Kragen (nicht erkennbar) versehen. In jeden dieser Kragen ist eine Vielzahl von axial verlaufenden Ausnehmungen eingelassen. Die Kühlflüssigkeit strömt in dem Vorlaufraum 51 durch diese axialen Ausnehmungen und kühlt dabei die jeweilige Neutrode 4, 5, 6. Nach der vordersten Neutrode 6 strömt die Kühlflüssigkeit über die schräg verlaufende Bohrungen 40 der Anode 7 in den Ringkanal 41 der Anode 7 ein. Die schräg verlaufenden Bohrungen 40 führen hinter dem Ringkanal 41 noch weiter nach vorne in den Grundkörper der Anode 7 hinein. Von dem Ringkanal 41 tritt die Kühlflüssigkeit nach oben in den die Kaskadenanordnung umgebenden Rücklaufraum 52 ein, von welchem sie dann nach oben in den hinteren Anschlussflansch 53 einströmt und über diesen aus dem Brennerkopf 2 austreten kann. Ggf. kann die Durchflussrichtung des Kühlwassers auch umgekehrt werden.

[0034] Die Fig. 2 zeigt die erste Neutrode 4 in perspektivischer und geschnittener Darstellung. Im eingangsseitigen Bereich ist diese Neutrode 4 mit axial schräg verlaufenden Vertiefungen 56 versehen, über welche das Kühlmittel in einen die Neutrode umgebenden Ringkanal 57 einströmen kann. Der Ringkanal 57 wird auf der der zweiten Neutrode zuzuwendenden Vorderseite von einem ringförmig umlaufenden Kragen 58 begrenzt. In diesen Kragen 58 sind axial verlaufende Ausnehmungen in der Form von Schlitzen 59 eingelassen, so dass eine Vielzahl von Kühlrippen 60 gebildet werden. Ein derart ausgebildeter Kragen 58 weist eine grosse Oberfläche mit einer entsprechend grossen Kühlfläche auf und ermöglicht eine gute Kühlung der ersten Neutrode. Der jeweilige Schlitz 59 weist vorzugsweise eine Tiefe auf, die zumindest 5% des Kragenumfangs, besonders bevorzugt zumindest 10% des Umfangs des jeweiligen Kragens beträgt.

[0035] Fig. 3 zeigt die zweite Neutrode 5 in perspektivischer und geschnittener Darstellung. Die zweite Neutrode 5 weist wiederum einen ringförmig umlaufenden Kragen 62 auf, in welchen Schlitzen 63 eingelassen sind. Die so gebildeten Kühlrippen 63 ermöglichen wiederum eine gute Kühlung der zweiten Neutrode. Auch hier weisen die Schlitze 63 vorzugsweise eine Tiefe auf, die zumindest 5% des Kragenumfangs, besonders bevorzugt zumindest 10% des Umfangs des jeweiligen Kragens entspricht.

[0036] Die Fig. 4a zeigt einen Schnitt durch die dritte bzw. vorderste Neutrode 6, während die Fig. 4b die dritte Neutrode 6 in perspektivischer und geschnittener Darstellung zeigt. Die vorderste Neutrode 6 ist auf der der Anode zuzuwendenden Vorderseite mit einem ringförmigen Vorsprung 66 versehen, auf dessen Rückseite eine Vertiefung 67 gebildet wird. Der ringförmige Vorsprung 66 bildet zusammen mit der Vertiefung 67 einen Teil des dritten Spalts (Fig. 2), in welchem die äussere Isolierscheibe 31 (Fig. 2) aufgenommen ist. Auch die dritte Neutrode 6 ist mit einem ringförmig umlaufenden Kragen 69 versehen, in den Schlitze 70 eingelassen sind. Zudem führen Bohrungen 68 vom Boden des jeweiligen Schlitzes 70 weiter in den Grundkörper der Neutrode 6 hinein nach innen. Diese Bohrungen 68 vergrössern die Kühlfläche dieser thermisch am stärksten belasteten Neutrode 6 und ermöglichen eine besonders effiziente Kühlung dieser Neutrode 6. Auf der Innenseite ist der Vorsprung 66 vorzugsweise abgerundet ausgebildet, da im Betrieb der Lichtbogen sehr nahe an diesem Bereich liegt. Der jeweilige Schlitz 70 weist wiederum vorzugsweise eine Tiefe auf, die zumindest 5% des Umfangs des Kragens 69, besonders bevorzugt zumindest 10% des Umfangs des Kragens 69 entspricht. Der mit D2 bezeichnete Innendurchmesser der Neutrode 6 entspricht in etwa dem Innendurchmesser der Anode, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.

[0037] Im vorliegenden Beispiel sind in den Kragen der jeweiligen Neutrode 4, 5, 6 jeweils fünfzehn Schlitze eingelassen, wobei diese Zahl durchaus variieren kann. Vorzugsweise sind jedoch zumindest acht Schlitze vorgesehen. Natürlich kann auch die Form und Grösse der Schlitze variieren, wobei ggf. auch die Anzahl von Neutrode zu Neutrode unterschiedlich ausfallen kann. Der Begriff Isolierscheibe steht zudem stellvertretend für jegliche Formen von Isolatoren, welche nicht zwingend scheibenförmig gestaltet sein müssen.

[0038] Schliesslich zeigt die Fig. 5 einen Schnitt durch die Anode 7. Die Anode ist auf der der dritten Neutrode 6 zuzuwendenden Rückseite mit einer ringförmigen Vertiefung 73 versehen, in welche sich der Vorsprung 66 der dritten Neutrode erstrecken kann. Wie in der Fig. 2 erkennbar ist, wird zwischen dem genannten Vorsprung der dritten Neutrode 6 und der ringförmigen Vertiefung 73 der Anode 7 der innere und der mittlere Abschnitt 27, 28 des Spalts 26 zwischen der Anode und der dritten Neutrode 6 gebildet. Durch die Kombination des an der dritten Neutrode 6 angeordneten Vorsprungs 66 zusammen mit der ringförmigen Vertiefung der Anode 7 wird mit einfachen Merkmalen und auf kostengünstige Weise ein mehrstufiger Spalt gebildet, der in Kombination mit den Isolierscheiben die zuvor geschilderten Vorteile aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht der Innendurchmesser D1 des Einsatzes 8 der Anode 7 in etwa dem Innendurchmesser D2 (Fig. 4a) der Neutrode 6. Allerdings sind auch andere Ausführungsbeispiele vorgesehen, wie nachfolgend anhand der Fig. 6 und 7 noch ausgeführt wird.

[0039] In der Darstellung gemäss Fig. 5 sind zudem zwei der schräg verlaufenden Bohrungen 40 der Anode 7 ersichtlich, welche in den Ringkanal 41 münden. Gesamthaft ist die Anode 7 mit zumindest zehn solcher Bohrungen 40 versehen.

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Zudem ist erkennbar, dass die schräg verlaufenden Bohrungen 40 über den Ringkanal 41 hinaus in den Grundkörper der Anode 7 geführt sind und so die Kühlfläche der Anode 7 vergrössern.

[0040] Hier sei noch angemerkt, dass die drei Neutroden 4, 5, 6 wie auch die Anode 7 Verschleissteile sind, welche nach einer bestimmten Einsatzzeit der Plasmaspritzvorrichtung ausgewechselt werden bzw. ausgewechselt werden müssen. Gleichzeitig werden üblicherweise auch die O-Ringe sowie die Isolierscheiben ersetzt.

[0041] Die Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine erste alternative Ausbildung der dritten bzw. vordersten Neutrode6a. Diese Neutrode 6a ist auf der Innenseite mit einer Ausnehmung 75 versehen, so dass sich deren Innendurchmesser D3 zu der Anode hin vergrössert. Durch diese Ausnehmung wird der Innendurchmesser D3 auf einen Durchmesser D2 vergrössert, der grösser ist als der Innendurchmesser D1 (Fig. 5) der angrenzenden Anode, namentlich auch des Einsatzes der Anode. Durch diese Ausbildung soll sichergestellt werden, dass der Lichtbogen nicht schon an dieser vordersten Neutrode 6a ansetzt, sondern erst an der Anode. Diese Ausbildung trägt daher auch dazu bei, dass die Temperatur im Bereich des dritten Spalts 26 (Fig. 1a) vergleichsweise niedrig ist, und kein nennenswerter Abbrand an der vordersten Neutrode 6a entsteht, was letztlich zu einer erhöhten Lebensdauer insbesondere der vordersten Neutrode 6a beiträgt. Vorzugsweise ist der Innendurchmesser dieser dritten Neutrode 6a in dem an die Anode angrenzenden Bereich um zumindest 10%, insbesondere um zumindest 20%, besonders bevorzugt um zumindest 30% grösser ist als derjenige der Anode. Geht man beispielsweise von einem Innendurchmesser der Anode von 10 Millimetern aus, so ist der Innendurchmesser dieser dritten Neutrode 6a in dem an die Anode angrenzenden Bereich um zumindest 1 Millimeter, insbesondere um zumindest 2 besonders bevorzugt um zumindest 3 Millimeter grösser als derjenige der Anode. Eine andere Variante könnte darin bestehen, dass der Innendurchmesser der dritten Neutrode durchgehend grösser ist als derjenige der Anode.

[0042] Die Fig. 7 zeigt einen Schnitt durch eine zweite alternative Ausbildung der dritten bzw. vordersten Neutrode 6b. Der Innendurchmesser dieser Neutrode 6b erweitert sich nach vorne hin kontinuierlich, so dass der Innendurchmesser D3 in dem der Anode zuzuwendenden Auslassbereich um zumindest 10%, insbesondere um zumindest 20%, besonders bevorzugt um zumindest 30% grösser ist als der Innendurchmesser D1 der Anode 7 (Fig. 5). Durch diese Ausbildung soll wiederum sichergestellt werden, dass der Lichtbogen nicht schon an dieser vordersten Neutrode 6b ansetzt, sondern erst an der Anode. Wie in der Fig. 7 ersichtlich ist, vergrösserst sich der Innendurchmesser D3 dieser vordersten Neutrode 6b, indem diese auslassseitig mit einer Abrundung versehen ist. Anstelle einer Abrundung könnte beispielsweise auch eine Anfasung, eine konische Ausbildung oder eine Anfasung oder konische Ausbildung in Kombination mit einer Abrundung vorgesehen werden.

[0043] Schliesslich zeigt die Fig. 8 einen Schnitt durch eine dritte alternative Ausbildung der dritten bzw. vordersten Neutrode 6c. Der Innendurchmesser dieser Neutrode 6b erweitert sich nach vorne hin durch zwei konische Abschnitte. Der erste konische Abschnitt schliesst vorzugsweise einen spitzen Winkel ein, während der zweite konische Abschnitt einen spitzen oder stumpfen Winkel einschliesst. Vorzugsweise schliesst der erste konische Abschnitt einen Winkel zwischen ca. 20 und 30° ein, während der zweite konische Abschnitt einen Winkel zwischen ca. 80° und 100° einschliesst. Der erste konische Abschnitt weist an seinem auslassseitigen Ende einen Durchmesser D4 auf, der um zumindest 10% grösser ist als der Innendurchmesser D1 der Anode 7 (Fig. 5), während der zweite konische Abschnitt um zumindest 20%, insbesondere um zumindest 30% grösser ist als der Innendurchmesser D1 der Anode. Auch diese Ausbildung soll wiederum sicherstellen, dass der Lichtbogen erst an der Anode und nicht schon an der vordersten Neutrode 6c ansetzt.

[0044] Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass mit der erfindungsgemäss gestalteten Plasmaspritzvorrichtung, die Verschleissteile im thermisch am höchsten belasteten Bereich der Plasmaspritzvorrichtung, insbesondere die Anode 7 zusammen mit der daran angrenzende Neutrode 6, bei gleicher Nennleistung eine höhere Lebensdauer aufweisen oder eine erhöhte Nennleistung bei gleicher Lebensdauer zulassen. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass der Spalt 26 zwischen der vordersten Neutrode 6 und der Anode 7 zumindest zwei Abschnitte 27, 29 aufweist, wobei zwischen den beiden Abschnitten 27, 29 ein radialer und/oder axialer Abstand besteht und wobei zumindest in einem Abschnitt, vorzugsweise in beiden Abschnitten 27, 29, eine Isolierscheibe 30, 31 angeordnet ist. Durch die genannten Merkmale insbesondere auch in Kombination mit den eine effiziente Kühlung der vordersten Neutrode und der Anode bewirkenden Merkmalen, wird gegenüber den bekannten Plasmaspritzvorrichtungen eine höhere Lebensdauer der Verschleissteile bzw. eine erhöhte Nennleistung bei gleicher Lebensdauer erreicht. Als Material für die Kathode wird vorzugsweise Wolfram oder ein Verbundwerkstoff auf Wolframbasis wie beispielsweise W/Cu eingesetzt. Die Anode wird vorzugsweise aus THO₂ (Thoriumdioxid) gefertigt, während die Neutroden vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen.

[0045] Nachfolgend werden nochmals einige Vorteile der erfindungsgemäss gestalteten Plasmaspritzvorrichtung zusammengefasst:

- langzeitstabile elektrische Isolation zwischen der vordersten Neutrode und der angrenzenden Anode;

- zuverlässige, langzeitstabile hydraulische Abdichtung des Spalts zwischen vordersten Neutrode und der angrenzenden Anode;

- besonders effiziente Kühlung der Neutroden insbesondere auch der vordersten Neutrode;

- effiziente Kühlung der Anode;

- hohe Lebensdauer der Anode wie auch der Neutroden;

- sehr stabiler Lichtbogen;

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- im Vergleich mit gattungsgemässen Plasmaspritzvorrichtungen kann eine erhöhte Nennleistung bei vergleichbarer Lebensdauer der Verschleissteile erreicht werden;

- im Vergleich mit gattungsgemässen Plasmaspritzvorrichtungen kann eine erhöhte Lebensdauer der Verschleissteile bei vergleichbarer Nennleistung erreicht werden;

- der Brennerkopf ist einfach aufgebaut und die Verschleissteile können einfach und schnell ausgewechselt werden;

- der Brennerkopf kann kostengünstig gefertigt werden;

- der Brennerkopf besitzt in Bezug auf die zugeführte elektrische Energie einen hohen Wirkungsgrad;

[0046] Es versteht sich, dass das vorgängige Ausführungsbeispiel lediglich eine mögliche bzw. bevorzugte Ausbildung der Plasmaspritzvorrichtung bzw. des Brennerkopfs 2 zeigt und durchaus von diesem Beispiel abweichende Ausbildungen möglich sind. So können beispielsweise anstelle von drei Neutroden auch zwei, vier oder mehr Neutroden eingesetzt werden. Auch die Gestaltung des Spalts zwischen den Neutroden bzw. der vordersten Neutrode und der Anode kann von der gezeigten Darstellung abweichen. Der Spalt 26 zwischen der vordersten Neutrode 6 und der Anode 7 könnte beispielsweise noch weitere Stufen beinhalten, indem beispielsweise die vorderste Neutrode zwei Vorsprünge aufweist und die Anode entsprechend mit zwei Vertiefungen versehen ist. Zur Bildung eines Spalts der genannten Art zwischen der vordersten Neutrode und der Anode könnte alternativ auch die Anode mit einem der vordersten Neutrode zugewandten, ringförmigen Vorsprung versehen werden und die vorderste Neutrode entsprechend mit einer der Anode zugewandten, ringförmigen Vertiefung.

Claims (4)

Patentansprüche

1 EP0289961 Â2 (PERKIN ELMER CORP [US]) 09.11.1988

Kategorie: X Ansprüche: 1 - 5, 7, 8,14,16,17 * Spalte 3, Zeilen 35 - 42; Spalte 3, Zeile 52 - Spalte 4, Zeile 6; Spalte 4, Zeilen 15-19; Spalte 4, Zeilen 28 - 35; Abbildung *

Kategorie: Y Ansprüche: 9 * Spalte 3, Zeilen 49 - 51 ; Spalte 8, Zeilen 49 - 53 *

Kategorie: A Ansprüche: 10-13,15,18 * Spalte 4, Zeilen 19-27; Spalte 4, Zeilen 43 - 45 *

1. Plasmaspritzvorrichtung (1) mit einem zwischen zumindest einer Kathode (3) und einer Anode (7) verlaufenden Plasmakanal (10) und einer Mehrzahl von den Plasmakanal (10) begrenzenden Neutroden (4, 5, 6), wobei die Neutroden (4, 5, 6) elektrisch gegeneinander isoliert sind, und wobei zwischen der vordersten Neutrode (6) und der Anode (7) ein Spalt (26) verläuft, in dem eine Isolierscheibe (30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (26) zwischen der vordersten Neutrode (6) und der Anode (7) zumindest zwei Abschnitte (27, 29) aufweist, wobei zwischen den beiden Abschnitten (27, 29) ein radialer und/oder axialer Abstand besteht und wobei zumindest in einem Abschnitt (27, 29) eine Isolierscheibe (30, 31) angeordnet ist.

2 E.PÖ58Ö491...AI. (PLASMA TECHNIK AG [CH]; SULZER METCO AG [CH]) 26.08.1992

Kategorie: Y Ansprüche: 9 * Seite 5, Zeilen 2-10; Abbildung 1 *

Kategorie: A Ansprüche: 6 * Seite 3, Zeile 56 - Seite 4, Zeile 5 *

2. Plasmaspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der genannte Spalt (26) einen ersten inneren Abschnitt (27), einen zweiten mittleren Abschnitt (28) und einen dritten äusseren Abschnitt (29) aufweist, wobei der erste Abschnitt (27) gegenüber dem dritten Abschnitt (29) in radialer und/oder axialer Richtung versetzt ist.

3. Plasmaspritzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abschnitt (28) des Spalts (26) unter einem Winkel zu dem inneren und/oder äusseren Abschnitt (27, 29) verläuft.

4. Plasmaspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass radial ausserhalb des äusseren Abschnitts (29) ein Dichtring (32) angeordnet ist.

5. Plasmaspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderste Neutrode (6) mit einem der Anode (7) zugewandten, ringförmigen Vorsprung (66) versehen ist und die Anode (7) mit einer der vordersten Neutrode (6) zugewandten, ringförmigen Vertiefung (73) versehen ist, und wobei der Spalt (26) zwischen dem genannten Vorsprung (66) und der genannten Vertiefung (73) verläuft.

6. Plasmaspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Abschnitt (27) in radialer Richtung innerhalb des äusseren Abschnitts (29) angeordnet ist, wobei in dem inneren Abschnitt (27) eine Isolierscheibe (30) angeordnet ist, die gegenüber dem Plasmakanal (10) in radialer Richtung zurückversetzt ist.

7. Plasmaspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem äusseren Abschnitt (29) eine Isolierscheibe (31) angeordnet ist.

8. Plasmaspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (D2, D3, D5) der vordersten Neutrode (6a, 6b, 6c) zumindest in dem der Anode (7) zuzuwendenden Endbereich um zumindest 10%, insbesondere um zumindest 20%, vorzugsweise um zumindest 30% grösser ist als der Innendurchmesser (D1) der Anode (7).

9. Plasmaspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (7) ringförmig ausgebildet ist und auf der Innenseite mit einem hochschmelzenden Einsatz (8) versehen ist, der in Richtung der Längsachse des Plasmakanals (10) zumindest annähernd bis an den Spalt (26) zwischen der vordersten Neutrode (6) und der Anode (7) heranreicht.

10. Plasmaspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorderste Neutrode (6) mit einem ringförmigen Kragen (69) versehen ist, in welchen zumindest acht, insbesondere zumindest zwölf axiale Schlitze (70) eingelassen sind.

11. Plasmaspritzvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Schlitz (70) eine Tiefe aufweist, die zumindest 5% des Umfangs des Kragens (69), besonders bevorzugt zumindest 10% des Umfangs des Kragens (69) beträgt.

CH 712 835 A1

12. Plasmaspritzvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest von einzelnen Schlitzen (70) eine radiale Bohrung (68) nach innen in den Grundkörper der vorderste Neutrode (6) eingelassen ist.

13. Plasmaspritzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Neutroden (4, 5, 6) mit einem ringförmigen Kragen (58, 62, 69) versehen sind, wobei jeder Kragen (58, 62, 69) mit einer Vielzahl von axialen Schlitzen (59, 63, 70) versehen ist, so dass eine Vielzahl von Kühlrippen (60, 64, 71) gebildet werden, und wobei die so gebildeten Kühlrippen (60, 64, 71) mit einem Kanal oder Ringraum (52) in Verbindung stehen, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert.

14. Anode (7) für eine Plasmaspritzvorrichtung (1), welche mit einem zwischen zumindest einer Kathode (3) und einer Anode (7) verlaufenden Plasmakanal (10) und einer Mehrzahl von den Plasmakanal (10) begrenzenden Neutroden (4, 5, 6) versehen ist, wobei die Neutroden (4, 5, 6) elektrisch gegeneinander isoliert sind, und wobei zwischen der vordersten Neutrode (6) und der Anode (7) ein Spalt (26) verläuft, in dem eine Isolierscheibe (30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (7) zur Bildung eines zumindest zwei Abschnitte aufweisenden Spalts auf der der vordersten Neutrode zuzuwendenden Rückseite mit einer ringförmigen Erhebung oder einer ringförmigen Vertiefung (73) versehen ist.

15. Anode (7) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (7) mit einem Ringkanal (41) zum Einleiten eines Kühlmittels versehen ist, wobei in den Ringkanal (41) eine Vielzahl von schrägen Kanälen (40) zum Zu- oder Abführen des Kühlmittels münden.

16. Neutrode für eine Plasmaspritzvorrichtung (1), welche mit einem zwischen zumindest einer Kathode (3) und einer Anode (7) verlaufenden Plasmakanal (10) und einer Teil einer Neutrodenanordnung bildenden, an die Anode angrenzenden Neutrode (6) versehen ist, wobei zwischen dieser vordersten Neutrode (6) und der Anode (7) ein Spalt (26) verläuft, in dem eine Isolierscheibe (30) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutrode (6) zur Bildung eines zumindest zwei Abschnitte aufweisenden Spalts auf der der Anode zuzuwendenden Vorderseite mit einem ringförmigen Vorsprung (66) oder einer ringförmigen Vertiefung versehen ist.

17. Neutrode nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (D2, D3, D5) der Neutrode (6a, 6b, 6c) zumindest in dem der Anode (7) zuzuwendenden Endbereich um zumindest 10%, insbesondere um zumindest 20%, vorzugsweise um zumindest 30% grösser ist als der Innendurchmesser (D1) der Anode (7).

18. Neutrode nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Neutrode (6) einen ringförmigen Kragen (69) aufweist, in welchen zumindest acht, insbesondere zumindest zwölf axiale Schlitze (70) eingelassen sind, wobei der jeweilige Schlitz (70) eine Tiefe aufweist, die zumindest 5% des Umfangs des Kragens (69), besonders bevorzugt zumindest 10% des Umfangs des Kragens (69) entspricht.

CH 712 835 A1

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RECHERCHENBERICHT ZUR

SCHWEIZERISCHEN PATENTANMELDUNG

Anmeldenummer: CH01092/16

Klassifikation der Anmeldung (IPC): Recherchierte Sachgebiete (IPC):

H05H1/34, C23C4/134_H05H, C23C

EINSCHLÄGIGE DOKUMENTE:

(Referenz des Dokuments, Kategorie, betroffene Ansprüche, Angabe der massgeblichen Teile(*))

3 US4430546 A (METCO INC [US]) 07.02.1984

Kategorie: A Ansprüche: 15 * Spalte 2, Zeilen 30 - 37; Spalte 3, Zeilen 16-23; Spalte 3, Zeilen 55 - 61 ; Spalte

4, Zeilen 21 - 52; Spalte 4, Zeilen 65 - 67; Abbildung 1 *

KATEGORIE DER GENANNTEN DOKUMENTE:

X: stellen für sich alleine genommen die Neuheit und/oder die D:

erfinderische Tätigkeit in Frage T:

Y: stellen in Kombination mit einem Dokument der selben E:

Kategorie die erfinderische Tätigkeit in Frage

A: definieren den allgemeinen Stand der Technik ohne besondere Relevanz bezüglich Neuheit und erfinderischer L: Tätigkeit &:

O: nichtschriftliche Offenbarung

P: wurden zwischen dem Anmeldedatum der recherchierten

Patentanmeldung und dem beanspruchten Prioritätsdatum veröffentlicht wurden vom Anmelder in der Anmeldung angeführt der Erfindung zugrunde liegende Theorien oder Grundsätze Patentdokumente, deren Anmelde- oder Prioritätsdatum vor dem Anmeldedatum der recherchierten Anmeldung liegt, die aber erst nach diesem Datum veröffentlicht wurden aus anderen Gründen angeführte Dokumente

Mitglied der gleichen Patentfamilie, übereinstimmendes Dokument