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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Plasmaflamme mit einem Plasmabrenngas, welches in einer Plasmaflammenrichtung durch eine Plasmaflammenöffnung aus einer Plasmabrennkammer ausgeblasen wird, wobei die Plasmabrennkammer mindestens teilweise in einem Hohlraumresonator angeordnet ist und über einen Hohlleiter Mikrowellenenergie dem Hohlraumresonator zugeführt wird, um in der Plasmabrennkammer ein Plasma zu erzeugen, und wobei mit einer Drallerzeugungseinrichtung ein Drallgas in die Plasmabrennkammer eingeblasen wird, um in der Plasmabrennkammer einen die Plasmaflamme umgebenden Drallgasmantel zu erzeugen, der eine Plasmabrennkammerwandung aus einem dielektrischen Festkörpermaterial gegenüber der Plasmaflamme abschirmt.
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Derartige Plasmaflammen weisen eine sehr hohe Energiedichte auf und werden in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen dazu verwendet, in einem Prozessraum oder in der Umgebung der Plasmaflammenöffnung eine sehr hohe Prozesstemperatur zu erzeugen, um beispielsweise Werkstücke zu beschichten, zu bearbeiten oder zu verschweißen. Dabei wird in einer Plasmabrennkammer ein Plasma zur Anwendung von plasmachemischen Prozessen erzeugt, welches mit einem der Plasmabrennkammer zugeführten Plasmagas aus der Plasmabrennkammer ausgeblasen wird und dabei eine Plasmaflamme ausbildet, die bei Plasmabehandlungsverfahren verwendet werden kann. Die Plasmaflammenrichtung wird durch die Strömungsrichtung des aus der Plasmabrennkammer durch die Plasmaflammenöffnung ausgeblasenen Plasmagases vorgegeben.
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Aus der Praxis ist es bekannt, dass die für die Erzeugung des Plasmas erforderliche Energie als Mikrowellenenergie über einen Hohlleiter einem Hohlraumresonator zugeführt werden kann, in welchem die Plasmabrennkammer so angeordnet ist, dass ein wirtschaftlich sinnvoller Anteil der Mikrowellenenergie in der Plasmabrennkammer zu Erzeugung des Plasmas verwendet werden kann. In vielen Fällen ist dabei die Plasmaflammenrichtung senkrecht zu einer Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen aus dem Hohlleiter in den Hohlraumresonator ausgerichtet. Die Plasmabrennkammer kann den Hohlraumresonator durchqueren und die Plasmaflammenöffnung der Plasmabrennkammer so angeordnet sein, dass die durch die Plasmaflammenöffnung aus der Plasmabrennkammer ausgeblasene Plasmaflamme auch den Hohlraumresonator verlässt und außerhalb des Hohlraumresonators dem vorgesehenen Verwendungszweck zugeführt werden kann.
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Die Hohlraumwände des Hohlraumresonators sind üblicherweise aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt, um die Resonanzbedingungen für die über einen Hohlleiter zugeführte Mikrowellenenergie in dem Hohlraumresonator vorgeben, beziehungsweise erfüllen zu können. Im Gegensatz dazu ist eine Plasmabrennkammerwandung aus einem dielektrischen Festkörpermaterial hergestellt und bewirkt eine für den Betrieb der Plasmaerzeugungsvorrichtung notwendige mikrowellentransparente, räumlich Trennung von der Plasmabrennkammer und dem metallischen Hohlraumresonator durch ein Dielektrikum. Dadurch wird verhindert, dass das Plasma die Plasmabrennkammer beziehungsweise den Hohlraumresonator verlässt, sich gegebenenfalls durch die Hohlleiter in Richtung des Generators ausbreitet und dadurch destruktive Auswirkungen hervorruft.
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Durch das in der Plasmabrennkammer erzeugte Plasma werden der Innenraum der Plasmabrennkammer sowie die Plasmabrennkammerwandung stark erhitzt. In vielen Fällen wird eine während des Betriebs maximal mögliche Wärmeleistung der Plasmaflamme dadurch begrenzt, dass ein Wärmeübertrag von der Plasmaflamme in die umgebende Plasmabrennkammerwandung zu groß wird und die Plasmabrennkammerwandung dadurch beschädigt wird. Um eine Beschädigung der Plasmabrennkammerwandung zu vermeiden ist es deshalb erforderlich, dass eine übermäßige Erwärmung der Plasmabrennkammerwandung verhindert wird.
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Aus der Praxis ist es bekannt, dass ein Anteil des in die Plasmabrennkammer einströmenden Plasmabrenngases oder ein gesondertes Gas als Drallgas mit einer Drallerzeugungseinrichtung quer zu der Plasmaflammenrichtung in die Plasmabrennkammer eingeblasen wird, um in der Plasmabrennkammer einen die Plasmaflamme umgebenden Drallgasmantel zu erzeugen, der die Plasmabrennkammerwandung gegenüber der Plasmaflamme abschirmt und dadurch einen Wärmeübergang von der Plasmaflamme in die umgebende Plasmabrennkammerwandung reduziert. Die Ausrichtung des Drallgases quer zu der Plasmaflammenrichtung ist dabei vorzugsweise näherungsweise tangential zu der Plasmabrennkammerwandung vorgegeben, jedoch kann auch eine Ausrichtung in einem Winkel zwischen 0 und 90 Grad, vorzugsweise zwischen 0 und 15 Grad zwischen der Plasmabrennkammerwandung vorgegeben werden, um einen überwiegend entlang der Plasmabrennkammerwandung strömenden Drallgasmantel zu erzeugen.
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Es hat sich jedoch gezeigt, dass trotz derartiger Maßnahmen eine während des Betriebs dauerhaft mögliche Wärmeleistung der Plasmaflamme begrenzt ist, wobei die Wärmeleistung entlang der Plasmaflammenrichtung ungleich verteilt ist und dadurch regelmäßig eine entlang der Plasmaflammenöffnung inhomogene Erhitzung der Plasmabrennkammerwandung verursacht wird, die in vielen Fällen zu einer lokal begrenzt übermäßigen thermischen Beanspruchung der Plasmabrennkammerwandung und dadurch zu einer Beschädigung der Plasmabrennkammerwandung führt.
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Es wird deshalb als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen, ein eingangs genanntes Verfahren zu Erzeugung einer Plasmaflamme so auszugestalten, dass die Plasmaflamme mit einer möglichst hohen Wärmeleistung erzeugt und prozesssicher aus der Plasmabrennkammer ausgeblasen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Plasmabrennkammerwandung längst der Plasmaflammenrichtung in beiden Richtungen über den Hohlraumresonator übersteht und jeweils in einem Abstand zu dem Hohlraumresonator in einer Plasmabrennkammerwandungshalterung festgelegt ist, wobei die Plasmabrennkammerwandungshalterung mindestens einen Halterungskühlhohlraum aufweist, der von einem Kühlmittel durchströmt wird. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere in einem Bereich um die Plasmabrennkammerwandungshalterung große Gradienten bei der Erwärmung der Plasmabrennkammerwandung entstehen können. Um diese Gradienten zu reduzieren und um eine möglichst homogene Erwärmung der Plasmabrennkammerwandung zu ermöglichen ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Plasmabrennkammerwandung nicht innerhalb des Hohlraumresonators, sondern außerhalb des Hohlraumresonators und zudem jeweils in einem Abstand zu dem Hohlraumresonator in einer Plasmabrennkammerwandungshalterung festgelegt ist. Durch den zusätzlichen Abstand der Plasmabrennkammerwandungshalterung zu dem Hohlraumresonator wird der Abstand des unmittelbaren Materialkontakts zwischen der Plasmabrennkammerwandungshalterung einerseits und der Plasmabrennkammerwandung andererseits beabstandet von dem Hohlraumresonator und dem darin bewirkten Energieübergang von der eingestrahlten Mikrowelle in die Plasmabrennkammer angeordnet.
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Da der Abstand zwischen der Plasmabrennkammerwandungshalterung einerseits und dem Hohlraumresonator andererseits jedoch in der Praxis nicht groß vorgegeben werden kann oder soll ist zudem erfindungsgemäß vorgesehen, dass jede Plasmabrennkammerwandungshalterung mindestens einen Halterungskühlraum aufweist, der von einem Kühlmittel durchströmt wird. Dadurch kann die Plasmabrennkammerwandungshalterung insbesondere in einem Kontaktbereich mit der Plasmabrennkammerwandung gekühlt werden und eine unerwünschte Erwärmung der Plasmabrennkammerwandung im Bereich der Plasmabrennkammerwandungshalterungen verringert beziehungsweise vermieden werden. Zudem kann durch die von dem Kühlmittel gekühlte Plasmabrennkammerwandungshalterung die damit in einem unmittelbaren Kontakt stehende Plasmabrennkammerwandung gekühlt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass entlang der Plasmaflammenrichtung mindestens auf einer Seite des Hohlraumresonators in einem Kühlabschnitt ein Kühlmittel zwischen der Plasmabrennkammerwandung und einer umgebenden Kühlabschnittswandung gefördert wird und dabei das Kühlmittel die Plasmabrennkammerwandung berührt. Durch das die Plasmabrennkammerwandung umströmende und unmittelbar berührende Kühlmittel wird die Plasmabrennkammerwandung zusätzlich in einem Bereich zwischen der Plasmabrennkammerwandungshalterung einerseits und dem Hohlraumresonator andererseits zusätzlich gekühlt. Auf diese Weise ist es möglich, die Plasmaflamme mit einer höheren Wärmeleistung zu erzeugen und aus der Plasmabrennkammer auszublasen, ohne dass dadurch eine unerwünschte Beschädigung der Plasmabrennkammer während des Betriebs befürchtet werden muss.
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Optional kann vorgesehen sein, dass in der Plasmaflammenrichtung in einem an die Plasmabrennkammerwandungshalterung anschließenden Nachkühlungsabschnitt mindestens ein Nachkühlkanal einer Nachkühlwandung des Nachkühlabschnitts von einem Kühlmittel durchströmt wird. Mit Hilfe eines derartigen Nachkühlabschnitts kann ein Übergang der Plasmaflamme aus der Plasmabrennkammer in die Umgebung kontrolliert und ein ansonsten möglicherweise zu großer Temperaturgradient in einem Übergangsbereich von der Plasmabrennkammer zu der Umgebung verringert werden. Das Kühlmittel durchströmt dabei einen durchgehenden Nachkühlkanal oder mehrere Nachkühlkanäle, die in der Nachkühlwandung des Nachkühlabschnitts angeordnet sind. Das Kühlmittel kommt dabei nicht unmittelbar in Kontakt mit der Plasmabrennkammerwandung. Die Nachkühlwandung kann aus einem geeigneten Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise Metall bestehen. Als Kühlmittel kann neben einem geeigneten Kühlgas auch eine Kühlmittelflüssigkeit eingesetzt werden. Der Nachkühlkanal ist dabei fluiddicht von dem Kühlabschnitt zwischen der Plasmabrennkammerwandungshalterung und dem Hohlraumresonator getrennt, sodass das durch den mindestens einen Nachkühlkanal der Nachkühlwandung hindurchströmende Kühlmittel nicht in die Kühlabschnitte und in den Hohlraumresonator gelangen kann. Auf diese Weise kann sowohl für die Kühlabschnitte als auch für die Plasmabrennkammerwandungshalterung und den Nachkühlabschnitt jeweils ein optimal geeignetes Kühlmittel verwendet werden.
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Um die mit der Plasmaflamme in einem Dauerbetrieb erreichbare maximale Wärmeleistung zu erhöhen ist erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass in der Plasmaflammenrichtung nach einer ersten Plasmabrennkammer eine zweite Plasmabrennkammer mit einem der zweiten Plasmabrennkammer zugeordneten zweiten Hohlraumresonator und einer der zweiten Plasmabrennkammer zugeordneten Drallerzeugungseinrichtung angeordnet ist, und dass die Plasmaflamme aus der ersten Plasmabrennkammer in der Plasmaflammenrichtung durch die zweite Plasmabrennkammer und aus der zweiten Plasmabrennkammer ausgeblasen wird. Es ist ebenfalls denkbar, dass im Anschluss daran noch eine oder mehrere weitere Plasmabrennkammern angeordnet sind. Auf diese Weise können für jede Plasmabrennkammer gesonderte Plasmabrennkammerwandungshalterungen, gesonderte Kühlabschnitte und gesonderte Drallerzeugungseinrichtungen vorgesehen sein, um die Kühlwirkung und die Plasmabrenngasströmung sowie den die Plasmaflamme jeweils umgebenden Drallgasmantel aufeinander abstimmen zu können. Da zwei oder mehrere voneinander getrennte Plasmabrennkammern mit jeweils der betreffenden Plasmabrennkammer zugeordneten Kühleinrichtungen betrieben werden, kann kaskadierend ein komplexer Plasmaprozess mit unterschiedlichen Prozessgasen, Prozessgasströmungen oder Leistungen etc. durchgeführt werden. Die der ersten Plasmabrennkammer nachgeschaltete zweite Plasmabrennkammer kann dabei mit von der ersten Plasmabrennkammer abweichenden Prozessparametern betrieben werden, also beispielsweise bei höheren Temperaturen betrieben werden. Die jeweiligen Kühleinrichtungen und Kühlmittel sowie der Betrieb der Kühleinrichtungen kann in jeder Plasmabrennkammer auf die jeweiligen Prozessparameter, also beispielsweise auf unterschiedliche Prozessgase oder unterschiedliche Temperaturen abgestimmt werden und auf diese Weise ist es möglich, dass die zwei Plasmabrennkammern jeweils autark und unabhängig voneinander betrieben werden können, und das jeweilige Kühlsystem auf ein individuelles Strahlungsverhalten der Plasmaflamme eingestellt werden kann. Auf diese Weise lässt sich eine wesentlich heißere Plasmaflamme mit einer auch in Dauerbetrieb deutlich höheren Wärmeleistung erzeugen, als es mit einer konventionellen Plasmaerzeugungsvorrichtung derzeit möglich ist.
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In vorteilhafter Weise ist einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens zur Folge vorgesehen, dass eine Kühlmittelströmung durch den Halterungskühlhohlraum und eine Kühlmittelströmung durch den Kühlabschnitt und gegebenenfalls eine Kühlmittelströmung durch den Nachkühlabschnitt so aufeinander abgestimmt sind, dass in der Plasmaflammenrichtung eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Plasmabrennkammerwandung vorgegeben wird. Es hat sich gezeigt, dass in vielen Fällen eine Beschädigung der Plasmabrennkammerwandung maßgeblich durch eine sehr ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Plasmabrennkammerwandung verursacht wird, während bei einer gleichmäßigen Temperaturverteilung dieselbe Plasmabrennkammerwandung auch vergleichsweise hohe Temperaturen aushalten könnte. Um eine ungleichmäßige Temperaturverteilung zu vermeiden kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Betrieb der einzelnen Kühlvorrichtungen derart aufeinander abgestimmt ist, dass sich in der Plasmabrennkammerwandung entlang der Plasmaflammenrichtung eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung einstellt. Dies kann unter anderem dazu führen, dass eine einzelne Kühlvorrichtung nicht unbedingt mit einer maximal möglichen Kühlleistung betrieben wird. Zudem kann vorgesehen sein, dass der Betrieb der einzelnen Kühlvorrichtungen und damit die jeweilige Kühlmittelströmung durch den Halterungskühlhohlraum, durch den Kühlabschnitt und gegebenenfalls durch den Nachkühlabschnitt auch an den jeweils aktuellen Betrieb der Plasmaerzeugungsvorrichtung und die dabei erzeugte Plasmaflamme und deren Wärmeleistung angepasst wird.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Kühlleistungen der einzelnen Kühleinrichtungen während des Betriebs so geregelt werden, dass sich eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Plasmabrennkammerwandung ausbildet. Zu diesem Zweck können entlang der Plasmaflammenrichtung Temperaturkenngrößen erfasst und mit Hilfe einer Regelungseinrichtung ausgewertet werden, um die Kühlleistungen der einzelnen Kühleinrichtungen aufeinander abzustimmen und eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erzielen.
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Die Erfindung betrifft auch eine Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Plasmabrennkammer, durch die ein Plasmabrenngas hindurchströmen und aus einer Plasmaflammenöffnung austreten kann, wobei die Plasmabrennkammer mindestens teilweise in einem Hohlraumresonator mit elektrisch leitenden Hohlraumwänden angeordnet ist, sodass Mikrowellenenergie, die über einen Hohlleiter in den Hohlraumresonator zugeführt wird, zu Erzeugung eines Plasmas in der Plasmabrennkammer verwendet und das Plasma mit dem Plasmabrenngas als Plasmaflamme in einer Plasmaflammenrichtung durch die Plasmaflammenöffnung aus der Plasmabrennkammer ausgeblasen werden kann, wobei die Plasmabrennkammer eine Plasmabrennkammerwandung aus einem dielektrischen Festkörpermaterial aufweist, um eine mikrowellentransparente, räumlich Trennung von der Plasmabrennkammer und den elektrisch leitenden Hohlraumwänden des Hohlraumresonators zu bewirken, und wobei eine Drallerzeugungseinrichtung an der Plasmabrennkammer angeordnet ist, mit welcher ein Drallgas quer zur Plasmaflammenrichtung in die Plasmabrennkammer eingeblasen werden kann.
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Aus der Praxis sind verschiedene Plasmaerzeugungsvorrichtungen bekannt, mit denen eine Plasmaflamme erzeugt werden kann, die aus einer Plasmabrennkammer ausgeblasen werden kann. Derartige Plasmaerzeugungsvorrichtungen werden beispielsweise mit einer in die Umgebung austretenden Plasmaflamme als Plasmaschneidvorrichtungen eingesetzt. Es sind auch Plasmaerzeugungsvorrichtungen bekannt, bei denen die damit erzeugte Plasmaflamme in einen Prozessraum gerichtet und zur Behandlung von Werkstücken oder Prozessgut verwendet wird. Die Erzeugung des Plasmas mit Mikrowellenenergie ist dabei erfahrungsgemäß vergleichsweise effizient und ermöglicht eine präzise Kontrolle der erzeugten Plasmaflamme sowie eine in Vergleich zu anderen Plasmaerzeugungsvorrichtungen hohe Wärmeleistung, die mit der Plasmaflamme aus der Plasmabrennkammer ausgebracht und nutzbar gemacht werden kann.
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Es ist bereits aus der Praxis bekannt, dass zur Vermeidung einer übermäßigen Erwärmung der Plasmabrennkammerwandung ein Drallgas quer zur Plasmaflammenrichtung in die Plasmabrennkammer eingeblasen wird, um einen die Plasmaflamme umgebenden Drallgasmantel zu erzeugen, der die Plasmabrennkammerwandung gegenüber der Plasmaflamme abschirmt. Dadurch kann ein Wärmeübergang von dem Plasma in der Plasmabrennkammer zu der umgebenden Plasmabrennkammerwandung und damit einhergehend eine thermische Belastung der Plasmabrennkammerwandung reduziert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere bei einem lang andauernden Betrieb einer derartigen Plasmaerzeugungsvorrichtung und einer dabei erzeugten heißen Plasmaflamme mit einer hohen Wärmeleistung die thermischen Belastungen und insbesondere eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Plasmabrennkammerwandung dazu führen können, dass die Plasmabrennkammerwandung übermäßig belastet und dadurch frühzeitig beschädigt wird und ausgetauscht werden muss, wodurch ein wirtschaftlich sinnvoller Betrieb einer derartigen Plasmaerzeugungsvorrichtung bei hohen Wärmeleistungen beeinträchtigt wird.
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Es wird deshalb als ein weiterer Aspekt der Erfindung angesehen, eine derartige Plasmaerzeugungsvorrichtung so weiter zu entwickeln und auszugestalten, dass ein möglichst dauerhafter Betrieb mit einer hohen Wärmeleistung der in der Plasmabrennkammer erzeugten Plasmaflamme möglich wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Plasmaerzeugungsvorrichtung zwei jeweils im Abstand zu dem Hohlraumresonator angeordnete Plasmabrennkammerwandungshalterungen aufweist, an denen die Plasmabrennkammerwandung festgelegt ist, wobei die Plasmabrennkammerwandungshalterungen jeweils mindestens einen Halterungskühlhohlraum aufweisen, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist, um einen mit der Plasmabrennkammerwandung in Kontakt stehenden Bereich der Plasmabrennkammerwandungshalterung kühlen zu können. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere in einem Bereich der Plasmabrennkammerwandung, in welchem die Plasmabrennkammerwandung in einem wärmeübertragenden Kontakt zu einer Halterung oder zu dem umgebenden Hohlraumresonator steht, während des Betriebs der Plasmaerzeugungsvorrichtung besonders häufig eine ungleichmäßige Temperaturverteilung in der Plasmabrennkammerwandung auftritt. Durch den erfindungsgemäß vorgegebenen Abstand zwischen der Plasmabrennkammerwandungshalterung und dem Hohlraumresonator wird auch ein Abstand zwischen dem Bereich innerhalb der Plasmabrennkammer, in welchem durch die in den Hohlraumresonator eingeleitete Mikrowellenenergie das Plasma erzeugt wird, und der Wärmebrücke zwischen der Plasmabrennkammerwandung und der Plasmabrennkammerwandungshalterung vorgegeben und ein unvermeidbarer Temperaturgradient entlang der Plasmaflammenrichtung auf einen größeren Bereich der Plasmabrennkammerwandung verteilt. Zudem kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Plasmabrennkammerwandungshalterungen, die jeweils einen Halterungskühlhohlraum aufweisen, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist, der über die Plasmabrennkammerwandungshalterungen bewirkte Wärmeübergang aus der Plasmabrennkammer durch die Plasmabrennkammerwandung in die Plasmabrennkammerwandungshalterungen kontrolliert und so vorgegeben werden, dass eine ungleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Plasmabrennkammerwandung im Bereich der die Plasmabrennkammerwandung unmittelbar berührenden Plasmabrennkammerwandungshalterungen kontrolliert werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Plasmaerzeugungsvorrichtung mindestens auf einer Seite des Hohlraumresonators zwischen der zugeordneten Plasmabrennkammerwandungshalterung und dem Hohlraumresonator einen Kühlabschnitt mit einer in einem Abstand zu der Plasmabrennkammerwandung angeordneten Kühlabschnittswandung aufweist, wobei zwischen der Kühlabschnittswandung und der Plasmabrennkammerwandung ein Kühlmittel durch den Kühlabschnitt gefördert werden kann. Das zwischen der Kühlabschnittswandung und der Plasmabrennkammerwandung durch den Kühlabschnitt geförderte Kühlmittel tritt dabei in unmittelbaren Kontakt mit der Plasmabrennkammerwandung und kann eine von dem in der Plasmabrennkammer erzeugten Plasma in die Plasmabrennkammerwandung übertragene Wärmeenergie effizient aufnehmen und abführen. Da ein unmittelbarer Kontakt zwischen der Plasmabrennkammerwandung einerseits und der Kühlabschnittswandung andererseits vermieden wird, wird dadurch eine vergleichsweise gleichmäßige Temperaturverteilung in der von dem Kühlmittel umströmten Plasmabrennkammerwandung begünstigt. Eine sich in der Plasmaflammenrichtung erstreckende Länge des Kühlabschnitts kann an den vorgesehenen Betrieb der Plasmaerzeugungsvorrichtung und die dabei erzeugte Wärmeleistung des in der Plasmabrennkammer erzeugten Plasmas sowie der aus der Plasmabrennkammer ausgeblasenen Plasmaflamme angepasst sein. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass der Kühlabschnitt eine Länge in Richtung der Plasmaflammenrichtung aufweist, die größer als eine entsprechende Abmessung des Hohlraumresonators in der Plasmaflammenrichtung ist.
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Als Kühlmittel kann ein geeignetes Gas oder aber eine Kühlmittelflüssigkeit verwendet werden. Bei der Verwendung eines Kühlgases kann vorgesehen sein, dass das durch den Kühlabschnitt geförderte Kühlmittel auch in den Hohlraumresonator einströmen und beabstandet von der Plasmabrennkammerwandung aus dem Hohlraumresonator abgeführt werden kann.
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Um in dem Kühlabschnitt eine möglichst hohe Wärmeabführung von der Plasmabrennkammerwandung weg zu begünstigen ist erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass die Kühlabschnittswandung von einem Kühlabschnittshohlraum umgeben ist und die Kühlabschnittswandung mehrere Kühlrippen aufweist. Durch die Kühlrippen wird eine für die Wärmeübertragung nutzbare Oberfläche der Kühlabschnittswandung deutlich vergrößert, sodass mehr Wärmeenergie von dem Kühlmittel aufgenommen und abgeführt werden kann, welches durch den Kühlabschnitt gefördert wird. Die Anzahl, die Ausrichtung und die Abmessung der einzelnen Kühlrippen kann dabei in vorteilhafterweise an die bei einer bestimmungsgemäßen Nutzung der Plasmaerzeugungsvorrichtung vorgesehene Kühlleistung angepasst sein.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die mehreren Kühlrippen in Umfangsrichtung um die Plasmaflammenrichtung angeordnet und von der Plasmabrennkammerwandung weg ausgerichtet sind. Die Kühlrippen beeinträchtigen dadurch nicht eine die Plasmabrennkammerwandung mantelartig umgebende Kühlmittelströmung und eine dadurch begünstigte gleichmäßige Temperaturverteilung in der Plasmabrennkammerwandung innerhalb des Kühlabschnitts. Auf einer der Plasmabrennkammerwandung abgewandten Seite der Kühlabschnittswandung kann durch die mehreren Kühlrippen die für die Wärmeabfuhr nutzbare Oberfläche der Kühlmittelwandung erheblich vergrößert werden, ohne dass dadurch eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Plasmabrennkammerwandung beeinträchtigt werden kann. Die Kühlabschnittswandung ist zweckmäßigerweise von einem auch die Plasmabrennkammerwandung umgebenden Kühlabschnittsgehäuse umgeben, sodass zwischen der Kühlabschnittswandung mit den radial nach außen ragenden Kühlrippen und dem Kühlabschnittsgehäuse ein Kühlmittelraum gebildet wird, durch den ebenfalls ein Kühlmittel hindurchströmen und dabei Wärme aufnehmen und abführen kann.
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Um in einem Austrittsbereich der Plasmaflamme aus der Plasmaerzeugungsvorrichtung einen übermäßigen Temperaturgradienten der Plasmabrennkammerwandung zu vermeiden ist optional vorgesehen, dass die Plasmaerzeugungsvorrichtung eine Nachkühleinrichtung in einem in der Plasmaflammenrichtung an die Plasmabrennkammerwandungshalterung anschließenden Nachkühlabschnitt aufweist, wobei die Nachkühleinrichtung mindestens einen Nachkühlkanal in einer Nachkühlwandung aufweist, der von einem Kühlmittel durchströmbar ist. Mit der Nachkühleinrichtung kann in einem Endbereich der Plasmabrennkammerwandung durch die dort angeordnete Nachkühleinrichtung eine Kühlleistung erzeugt werden, die unabhängig von der Kühlung in der Plasmabrennkammerwandungshalterung und unabhängig von der Kühlung in einem Kühlabschnitt zwischen der Plasmabrennkammerwandungshalterung und dem Hohlraumresonator vorgegeben und während des Betriebs der Plasmaerzeugungsvorrichtung bewirkt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, auf die während eines Betriebs der Plasmaerzeugungsvorrichtung entlang der Plasmaflammenrichtung unterschiedlich auftretende Wärmebelastung der Plasmabrennkammerwandung individuell einzugehen und durch die unterschiedlichen Kühleinrichtungen die in den betreffenden Abschnitten jeweils bewirkte Kühlleistung an den Wärmeeintrag von der Plasmaflamme anzupassen, sodass sich die Plasmabrennkammerwandung längs der Plasmaflammenrichtung möglichst gleichmäßig erwärmt, beziehungsweise während des Betriebs sich eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Plasmabrennkammerwandung einstellt. Dabei kann in den einzelnen Kühleinrichtungen jeweils das gleiche, beispielsweise gasförmige Kühlmittel verwendet werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass insbesondere in den Plasmabrennkammerwandungshalterungen oder in der Nachkühleinrichtung, in welcher das Kühlmittel durch dafür vorgesehene Nachkühlkanäle strömt, ein anderes Kühlmittel und beispielsweise ein flüssiges Kühlmittel verwendet wird.
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Die Drallerzeugungseinrichtung wird üblicherweise in einem Bereich angeordnet, in welchem auch das Plasmabrenngas in die Plasmabrennkammer eingeblasen wird. Dieser Bereich ist bei vielen Plasmabrennkammern gegenüberliegend von der Plasmaflammenöffnung in der Plasmabrennkammer angeordnet. Die Plasmabrennkammer ist zweckmäßigerweise röhrenförmig ausgebildet und von einer hohlzylindrischen Plasmabrennkammerwandung begrenzt.
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Es kann für verschiedene Anwendungen zweckmäßig sein, dass gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens die Drallerzeugungseinrichtung zwischen dem Hohlraumresonator und der Plasmaflammenöffnung der Plasmabrennkammer oder benachbart zu der Plasmaflammenöffnung der Plasmabrennkammer angeordnet ist. Einer derartigen Ausgestaltung der Plasmaerzeugungsvorrichtung zu Folge wird von der Drallerzeugungseinrichtung ein die Plasmaflamme umgebender Drallgasmantel erzeugt, der in einer der Plasmaflammenrichtung entgegengesetzten Richtung in die Plasmabrennkammer, beziehungsweise in den Hohlraumresonator hineingesaugt wird, um anschließend zusammen mit dem Plasmabrenngas und der Plasmaflamme in der Plasmaflammenrichtung durch die Plasmaflammenöffnung ausgeblasen zu werden. Es hat sich gezeigt, dass auch bei einer der Plasmaflammenrichtung entgegengesetzten Strömungsrichtung ein entsprechender Drallgasmantel den Wärmeübertrag von der Plasmaflamme zu der umgebenden Plasmabrennkammerwandung deutlich reduzieren kann.
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Im Hinblick auf eine möglichst hohe Wärmeleistung der von der Plasmaerzeugungsvorrichtung erzeugten Plasmaflamme kann optional vorgesehen sein, dass die Plasmaerzeugungsvorrichtung eine erste Plasmabrennkammer mit einem zugeordneten ersten Hohlraumresonator und mit einer zugeordneten ersten Drallerzeugungseinrichtung sowie eine in der Plasmaflammenrichtung nachfolgend angeordnete zweite Plasmabrennkammer mit einem zugeordneten zweiten Hohlraumresonator aufweist. Es können optional auch weitere Plasmabrennkammern mit entsprechenden Komponenten hintereinander angeordnet sein. Die in der ersten Plasmabrennkammer erzeugte Plasmaflamme kann in der zweiten nachfolgend angeordneten Plasmabrennkammer weiter erhitzt werden, um die Wärmeleistung der dann aus der zweiten Plasmabrennkammer austretenden Plasmaflamme zu steigern. Da die Plasmabrennkammerwandungen der einzelnen Plasmabrennkammern thermisch voneinander getrennt und isoliert angeordnet sein können, können die einzelnen Plasmabrennkammern während des Betriebs mit unterschiedlichen Prozessparametern betrieben werden, sodass in jeder Plasmabrennkammer beispielsweise unterschiedliche Prozessgase, optional zusätzliche Feststoffe oder Flüssigkeiten, Volumenflüsse und Prozessgasströme oder Leistungen vorgegeben werden können. Die einzelnen Plasmabrennkammerwandungen können mit den jeweils zugeordneten Kühleinrichtungen mit einem deutlich geringeren Aufwand so gekühlt werden, dass sich innerhalb der einzelnen Plasmabrennkammerwandungen eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung einstellt.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass beispielsweise zwischen der ersten Plasmabrennkammer und der zweiten Plasmabrennkammer eine Drallerzeugungseinrichtung angeordnet ist, die sowohl entgegen der Plasmaflammenrichtung einen Drallgasmantel in der ersten Plasmabrennkammer erzeugt als auch in der Plasmaflammenrichtung einen in die zweite Plasmabrennkammer hineinragenden Drallgasmantel erzeugt. Dadurch kann der konstruktive Aufwand für die Herstellung einer derartigen Plasmaerzeugungsvorrichtung mit mehreren Plasmabrennkammern reduziert werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die Plasmaerzeugungsvorrichtung für die erste Plasmabrennkammer und für die zweite Plasmabrennkammer jeweils zugeordnete erste und zweite Plasmabrennkammerwandungshalterungen und jeweils zugeordnete erste und zweite Plasmabrennkammerwandungshalterungen und jeweils zugeordnet ein ersten und mindestens ein zweiten Kühlabschnitt mit einer Kühlabschnittswandung aufweist. Die zusätzlichen Kühleinrichtungen ermöglichen eine deutliche Leistungssteigerung der Plasmaerzeugungsvorrichtung, welche den zusätzlichen konstruktiven Aufwand bei der Herstellung und dem Betrieb einer derartigen Plasmaerzeugungsvorrichtung mehr als aufwiegen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:
- 1 eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Plasmaerzeugungsvorrichtung entlang einer Plasmaflammenrichtung,
- 2 eine schematische perspektivische Seitenansicht einer Plasmaerzeugungsvorrichtung mit zwei hintereinander angeordneten Plasmabrennkammern und zwei Hohlraumresonatoren, und
- 3 eine schematische Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Plasmaerzeugungsvorrichtung, wobei eine Drallerzeugungseinrichtung benachbart zu einer Plasmaflammenöffnung an der Plasmabrennkammer angeordnet ist.
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In 1 ist in einer Schnittansicht eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Plasmaerzeugungsvorrichtung 1 gezeigt. Die Plasmaerzeugungsvorrichtung 1 weist eine röhrenförmige Plasmabrennkammer 2 auf, die von einer hohlzylinderförmigen Plasmabrennkammerwandung 3 aus einem dielektrischen Material, beispielsweise aus Quarzglas umgeben ist. Die Plasmabrennkammer 2 durchquert einen Hohlraumresonator 4 einer nicht näher dargestellten Mikrowelleneinrichtung, mit welcher über einen Hohlleiter 5 Mikrowellenenergie dem Hohlraumresonator 4 und der darin angeordneten Plasmabrennkammer 2 zugeführt werden. Während des Betriebs der Plasmaerzeugungsvorrichtung 1 wird durch die der Plasmabrennkammer 2 zugeführten Mikrowellenenergie ein Plasma erzeugt.
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An einem einer Plasmaflammenöffnung 6 gegenüberliegenden Ende der Plasmabrennkammer 2 ist eine Plasmabrenngaszuführungseinrichtung 7 angeordnet, mit welcher ein Plasmabrenngas in die Plasmabrennkammer 2 eingeblasen wird. Das von der Plasmabrenngaszuführungseinrichtung 7 in die Plasmabrennkammer 2 eingeblasene Plasmabrenngas durchströmt die Plasmabrennkammer 2 entlang einer von der Plasmabrenngaszuführungseinrichtung 7 zur gegenüberliegend angeordneten Plasmaflammenöffnung 6 verlaufenden Plasmaflammenrichtung 8 und wird in dieser Plasmaflammenrichtung 8 durch die Plasmaflammenöffnung 6 aus der Plasmabrennkammer 2 ausgeblasen.
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Mit einer zwischen der Plasmabrenngaszuführungseinrichtung 7 und der Plasmabrennkammerwandung 3 angeordneten Drallerzeugungseinrichtung 9 wird ein Drallgas durch quer zu der Plasmaflammenrichtung 8 tangential zu der angrenzenden Plasmabrennkammerwandung 3 eingeblasen und bildet einen Drallgasmantel, welcher das in der Plasmaflammenrichtung 8 durch die Plasmabrennkammer 2 hindurchgeblasene Plasmabrenngas röhrenförmig umgibt und dadurch eine Abschirmung des Plasmabrenngases gegenüber der umgebenden Plasmabrennkammerwandung 3 bildet.
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Die Plasmabrennkammerwandung 3 ist jeweils beabstandet zu dem Hohlraumresonator 4 in einer Plasmabrennkammerwandungshalterung 10 festgelegt. In jeder Plasmabrennkammerwandungshalterung 10 ist ein Halterungskühlhohlraum 11 ausgebildet, durch den ein Kühlmittel hindurchströmen kann, welches über eine lediglich schematisch angedeutete Kühlmittelversorgungsleitung zugeführt und wieder abgeführt werden kann. Mit dem zugeführten Kühlmittel wird die Plasmabrennkammerwandungshalterung 10 gekühlt und Wärme von der Plasmabrennkammerwandung 3 abgeführt. Durch den jeweiligen Abstand zwischen dem Hohlraumresonator 4 und den beiden Plasmabrennkammerwandungshalterungen 10 wird eine Temperaturdifferenz zwischen den gekühlten Plasmabrennkammerwandungshalterungen 10 und dem Hohlraumresonator 4, in welchem die Mikrowellenenergie in Plasmaenergie umgewandelt wird, über eine größere Strecke entlang der Plasmaflammenrichtung 8 verteilt und ein Temperaturgradient innerhalb der Plasmabrennkammerwandung 3 verringert.
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Zwischen den beiden Plasmabrennkammerwandungshalterungen 10 und dem Hohlraumresonator ist jeweils ein Kühlabschnitt 12 mit einer Kühlabschnittswandung 13 angeordnet, welche die Plasmabrennkammerwandung 3 in einem geringen radialen Abstand umgibt, jedoch die Plasmabrennkammerwandung 3 nicht berührt. Zwischen der Kühlabschnittswandung 13 und der Plasmabrennkammerwandung 3 strömt ein Kühlmittel hindurch, mit welchem die Plasmabrennkammerwandung 3 in dem jeweiligen Kühlabschnitt 12 gekühlt wird. Dabei wird ein direkter Kontakt zwischen der Kühlabschnittswandung 13 und der Plasmabrennkammerwandung 3 und eine dadurch verursachte Wärmebrücke vermieden. Dadurch wird neben der Kühlwirkung durch das die Plasmabrennkammerwandung 3 umströmende Kühlmittel auch eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Plasmabrennkammerwandung 3 zwischen dem Hohlraumresonator 4 und den auf gegenüberliegenden Seiten jeweils im Abstand angeordneten Plasmabrennkammerwandungshalterungen 10 begünstigt. Das jeweils von einem dem Hohlraumresonator 4 abgewandten Ende 14 der Kühlabschnittswandung 13 einströmende Kühlmittel kann in den Hohlraumresonator 4 einströmen und über beabstandet von der Plasmabrennkammerwandung 3 angeordneten Ausströmungsöffnungen 15 aus dem Hohlraumresonator abgeführt werden.
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Jede Kühlabschnittswandung 13 weist auf einer der Plasmabrennkammerwandung 3 gegenüberliegenden Außenseite jeweils in Umfangsrichtung verlaufende und radial nach außen gerichtete Kühlrippen 16 auf. Zwischen den Außenseiten der Kühlabschnittswandungen 13 mit den jeweiligen Kühlrippen 16 und einem umgebenden Kühlabschnittsgehäuse 15 strömt ein Kühlmittel hindurch und kann Wärmeenergie von den Kühlrippen 16 aufnehmen und abführen.
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In der Plasmaflammenrichtung 8 ist auf einer dem Hohlraumresonator 4 gegenüberliegenden Seite zwischen der zugeordneten Plasmabrennkammerwandungshalterung 10 und der Plasmaflammenöffnung 6 eine Nachkühlungseinrichtung 17 mit einem die Plasmabrennkammerwandung 3 schraubenförmig umgebenden Nachkühlkanal 18 in einer Nachkühlwandung angeordnet. Durch den Nachkühlkanal 18 kann während des Betriebs der Plasmaerzeugungsvorrichtung 1 ein Kühlmittel, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit hindurchströmen und über die unmittelbar an der Plasmabrennkammerwandung 3 anliegende Nachkühlungswandung 19 Wärme von der Plasmabrennkammerwandung 3 abgeführt werden.
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Zu Beginn eines Betriebs der Plasmaerzeugungsvorrichtung 1 kann eine Zündspitze 20 in einer axialen Richtung in die Plasmabrennkammer 2 eingeführt werden und durch die dadurch bewirkte Felderhöhung in dem Hohlraumresonator 4 ein Plasma in der Plasmabrennkammer 2 gezündet werden. Mit dem Plasma wird in dem Plasmabrenngas eine Plasmaflamme 21 erzeugt, die von dem durch die Plasmabrennkammer 2 hindurchströmenden Plasmabrenngas in der Plasmaflammenrichtung 8 durch die Plasmaflammenöffnung 6 aus der Plasmabrennkammer 2 ausgeblasen wird.
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Durch die verschiedenen Kühleinrichtungen, nämlich die Plasmabrennkammerwandungshalterungen 10, die Kühlabschnitte 12 und die Nachkühlungseinrichtung 17 kann jeweils eine Kühlwirkung auf die Plasmabrennkammerwandung 3 erzeugt werden. Durch eine geeignete und aufeinander abgestimmte Ansteuerung der einzelnen Kühleinrichtungen kann entlang der Plasmaflammenrichtung 8 eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb der Plasmabrennkammerwandung 3 vorgegeben werden. Dadurch wird eine thermische Beanspruchung der Plasmabrennkammerwandung 3 reduziert und eine frühzeitige Beschädigung der Plasmabrennkammerwandung 3 durch große Temperaturgradienten vermieden. In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass mit Hilfe von Temperatursensoren die jeweilige Erwärmung der Plasmabrennkammerwandung 3 erfasst und ein geregelter Betrieb der einzelnen Kühleinrichtungen durchgeführt wird.
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In 2 ist lediglich schematisch eine Variante der Plasmaerzeugungsvorrichtung 1 dargestellt, bei welcher nach einer ersten Plasmabrennkammer 2, die einen Hohlraumresonator 4 durchquert, eine zweite Plasmabrennkammer 22 mit einem zweiten Hohlraumresonator 23 angeordnet ist. Jeder Plasmabrennkammer 2 sind dabei gesonderte Plasmabrennkammerwandungshalterungen 10, Kühlabschnitte 12 und Drallerzeugungseinrichtungen 9 zugeordnet, die jedoch in 2 nicht näher dargestellt sind. In der zweiten Plasmabrennkammer 22 kann die in der ersten Plasmabrennkammer 2 erzeugte und in die zweite Plasmabrennkammer 22 eingeblasene Plasmaflamme 21 mit zusätzlicher Mikrowellenenergie versorgt werden, sodass eine zusätzlich erhitzte Plasmaflamme 21 mit einer deutlich höheren Wärmeleistung aus der Plasmaflammenöffnung 6 der zweiten Plasmabrennkammer 2 ausgeblasen wird.
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In 3 ist eine erfindungsgemäß mögliche Anordnung der Drallerzeugungseinrichtung 9 im Bereich der Plasmaflammenöffnung 6 schematisch dargestellt. Das durch Drallgasöffnungen 23 tangential zu der Plasmabrennkammerwandung 3 in die Plasmabrennkammer 2 eingeblasene Drallgas bildet einen röhrenförmigen Drallgasmantel, der entlang der Plasmabrennkammerwandung 3 in die Plasmabrennkammer 2 hineinströmt und an einem gegenüberliegenden Ende umgelenkt und zusammen mit dem Plasmabrenngas in der Plasmaflammenrichtung 8 durch die Plasmabrennkammer 2 hindurchgeblasen und durch die Plasmaflammenöffnung 6 aus der Plasmabrennkammer 2 ausgeblasen wird. Auch bei dieser Ausführungsvariante bildet der Drallgasmantel eine thermische Abschirmung zwischen der heißen Plasmaflamme 21 und der umgebenden Plasmabrennkammerwandung 3.