DE102010001606A1

DE102010001606A1 - Hollow funnel-shaped plasma generator

Info

Publication number: DE102010001606A1
Application number: DE102010001606A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Professor Dr. 37139 Viöl; Stephan Dr. 37079 Wieneke; Roland 37434 Damm; Stephan 37318 Brückner
Original assignee: LASER-LABORATORIUM GOETTINGEN EV; Laser-Laboratorium Gottingen Ev 37077; Laser Laboratorium Goettingen eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2011-08-04
Also published as: WO2011095245A1; EP2532214B1; EP2532214A1

Abstract

Bei einem Plasmagenerator (1) mit einem Gasführungskanal (7), der in einem Endbereich längs einer Achse (9) verläuft und auf dieser Achse (9) endet, mit einer zumindest einen Abschnitt des Endbereichs des Gasführungskanals (6) radial nach außen begrenzten kegelstumpfmantelförmigen Wandung (10) und mit einer koaxial innerhalb der kegelstumpfmantelförmigen Wandung (10) angeordneten Elektrode (2), wobei der Gasführungskanal (7) zumindest in dem Abschnitt des Endbereichs nach innen durch eine der kegelstumpfmantelförmigen Wandung (10) zugewandte, koaxial zu dieser angeordnete, kegelstumpfmantelförmige Oberfläche (11) begrenzt ist, erstreckt sich die Elektrode (2) ringförmig um die Achse (9) und erstreckt sich ein zumindest für Licht einer Wellenlänge transparenter Arbeitskanal (12) auf der Achse (9) durch die Elektrode (2) bis zu dem Gasführungskanal (7).In the case of a plasma generator (1) with a gas guide channel (7), which runs in an end region along an axis (9) and ends on this axis (9), with an at least a portion of the end region of the gas guide channel (6) which is shaped like a truncated cone radially outward Wall (10) and with an electrode (2) arranged coaxially within the frustoconical wall (10), the gas guide channel (7) at least in the section of the end region facing inwards through a wall (10) facing the frustoconical wall and arranged coaxially to it is frustoconical surface (11), the electrode (2) extends in a ring around the axis (9) and extends at least a transparent for light of a wavelength working channel (12) on the axis (9) through the electrode (2) up to the gas duct (7).

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNGTECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plasmagenerator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.The invention relates to a plasma generator with the features of the preamble of independent claim 1.

Unter einem Plasmagenerator ist hier eine Vorrichtung zu verstehen, mit der ein physikalisches Plasma, d. h. ein energetisch angeregter Zustand eines Gases, das dem Plasmagenerator zugeführt wird, hervorgerufen werden kann. Ein solches aus dem Plasmagenerator austretendes physikalisches Plasma kann zum Beispiel zur Aktivierung von Oberflächen verwendet werden. Innerhalb des Plasmagenerators kann teilchen- oder fadenförmiges Gut mit dem Plasma behandelt werden. Auch das dem Plasmagenerator zugeführte Gas selbst kann das Objekt der Plasmabehandlung sein.A plasma generator is to be understood here as a device with which a physical plasma, ie. H. an energetic excited state of a gas supplied to the plasma generator can be caused. Such a physical plasma exiting the plasma generator can be used, for example, to activate surfaces. Particulate or filamentary material can be treated with the plasma within the plasma generator. Also, the gas supplied to the plasma generator itself may be the object of the plasma treatment.

STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART

Aus der DE 694 08 502 T2 ist ein Plasmagenerator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Es handelt sich um eine Plasmaspritzpistole, die eine rohrförmige Anode mit abschnittsweise kegelstumpfmantelförmigen Innenflächen und eine koaxial in der rohrförmigen Anode angeordnete Kathode aufweist. Die Kathode ist massiv ausgebildet und weist an ihrem freien Ende hinter einer abgerundeten Spitze eine einem der kegelstumpfmantelförmigen Abschnitte der rohrförmigen Kathode gegenüberliegende kegelstumpfmantelförmige Oberfläche auf. Vor dem freien Ende der Kathode befindet sich ein Abschnitt der rohrförmigen Anode mit zylindrischem freiem Querschnitt, der länger als jeder kegelstumpfmantelförmige Abschnitt der rohrförmigen Anode ist. Dieser Plasmagenerator wird in der DE 694 08 502 T2 als Stand der Technik angegeben. Bei der dort als Erfindung beschriebenen Plasmaspritzpistole weist der Abschnitt der rohrförmigen Anode, der um die kegelstumpfmantelförmige Oberfläche der Kathode angeordnet ist, die Form eines Zylindermantels auf.From the DE 694 08 502 T2 a plasma generator with the features of the preamble of independent claim 1 is known. It is a plasma spray gun having a tubular anode with partially truncated cone-shaped inner surfaces and a coaxially arranged in the tubular anode cathode. The cathode is solid and has at its free end behind a rounded tip on one of the truncated cone-shaped portions of the tubular cathode opposite frusto-conical surface. In front of the free end of the cathode is a portion of the tubular anode of cylindrical free cross-section which is longer than any truncated cone-shaped portion of the tubular anode. This plasma generator is used in the DE 694 08 502 T2 as state of the art. In the plasma spray gun described therein, the portion of the tubular anode disposed around the truncated cone-shaped surface of the cathode is in the shape of a cylinder barrel.

Ein Plasmagenerator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1, mit einer massiven Elektrode auf der Achse des Gasführungskanals, die hier als Anode ausgebildet ist, und mit einem Abschnitt des Gasführungskanals mit zylindrischem freiem Querschnitt, der an das freie Ende der Elektrode anschließt, ist auch aus der EP 0 342 388 A2 bekannt.A plasma generator having the features of the preamble of independent claim 1, with a solid electrode on the axis of the gas guide channel, which is here designed as an anode, and with a portion of the gas guide channel with a cylindrical free cross section, which adjoins the free end of the electrode also from the EP 0 342 388 A2 known.

Aus der US 6,986,471 B1 ist ein Plasmasprühverfahren bekannt, bei dem zunächst ein Plasma generiert wird, das dann in einer Düsenanordnung mit einem Trägergas vermischt wird, in welchem Partikel dispergiert sind. Diese Düsenanordnung weist für das Trägergas einen Hohltrichter auf, der auf die Mündung einer Expansionsdüse zuläuft, aus welcher das Plasma austritt.From the US Pat. No. 6,986,471 B1 is a plasma spray method is known in which first a plasma is generated, which is then mixed in a nozzle assembly with a carrier gas in which particles are dispersed. This nozzle arrangement has for the carrier gas to a hollow funnel, which tapers to the mouth of an expansion nozzle, from which the plasma exits.

Aus der DE 20 2009 000 537 U1 ist ein Plasmagenerator zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls bekannt, bei dem in einem um eine Stiftelektrode herum ausgebildeten Gasführungskanal Mittel zur Erzeugung einer Wirbelströmung um die Achse des Gasführungskanals herum ausgebildet sind. Vor dem freien Ende der Stiftelektrode weist der Gasführungskanal einen Abschnitt mit einer kegelstumpfmantelförmigen Wandung auf, bis er an einer ringförmigen Gegenelektrode endet.From the DE 20 2009 000 537 U1 For example, a plasma generator for generating a collimated plasma jet is known in which means for generating a turbulent flow around the axis of the gas guide channel are formed in a gas guide channel formed around a pin electrode. Before the free end of the pin electrode, the gas guide channel has a portion with a truncated cone-shaped wall until it ends at an annular counter electrode.

Aus der WO 2007/080102 A1 ist ein Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche, insbesondere um diese von Verunreinigungen zu befreien, bekannt, wobei die Oberfläche gleichzeitig Laserlicht und einem durch elektrische Hochspannung induzierten physikalischen Plasma ausgesetzt wird. Dabei wird das Laserlicht zusammen mit einem freien Arbeitsgasstrom zwischen zwei Elektroden der Plasmaquelle hindurch in den Behandlungsbereich gerichtet. Die Elektroden sind stabförmig und parallel zueinander sowie parallel zu der Oberfläche ausgerichtet.From the WO 2007/080102 A1 is a method for treating a surface, in particular to rid it of impurities, known, wherein the surface is simultaneously exposed to laser light and a high voltage induced by electrical plasma. In this case, the laser light is directed together with a free working gas flow between two electrodes of the plasma source into the treatment area. The electrodes are rod-shaped and aligned parallel to each other and parallel to the surface.

AUFGABE DER ERFINDUNGOBJECT OF THE INVENTION

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plasmagenerator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, bei dem der Bereich des aus der Mündung des Gasführungskanals austretenden Plasmas ohne Störung des Plasmas zugänglich ist.The invention has for its object to provide a plasma generator with the features of the preamble of independent claim 1, in which the area of the emerging from the mouth of the gas guide channel plasma is accessible without disturbing the plasma.

LÖSUNGSOLUTION

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Plasmagenerator mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Plasmagenerators sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.The object of the invention is achieved by a plasma generator with the features of independent claim 1. Preferred embodiments of the novel plasma generator are defined in the dependent claims.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDESCRIPTION OF THE INVENTION

Bei dem neuen Plasmagenerator erstreckt sich die koaxial innerhalb der kegelstumpfmantelförmigen Wandung angeordnete Elektrode ringförmig um die Achse, längs derer der Gasführungskanal in seinem Endbereich verläuft und auf der der Gasführungskanal endet. Dies ist hier gleichbedeutend damit, dass die den Gasführungskanal innerhalb der kegelstumpfmantelförmigen Wandung begrenzende kegelstumpfmantelförmige Oberfläche die Oberfläche eines ringförmigen Elements ist, wobei dieses ringförmige Element die Elektrode sein kann. In jedem Fall erstreckt sich ein zumindest für Licht einer Wellenlänge transparenter Arbeitskanal auf der Achse durch die Elektrode bis zu dem Gasführungskanal. Über diesen Arbeitskanal und den davor liegenden Abschnitt des Gasführungskanals ist der Bereich, in dem das Plasma aus dem Gasführungskanal austritt, von hinten her zumindest für das Licht dieser einen Wellenlänge zugänglich. Das Licht kann zeitgleich mit dem Plasma zur Behandlung einer Oberfläche verwendet werden. In umgekehrter Richtung kann Licht dieser Wellenlänge aus dem Bereich des Plasmas registriert werden, um das Plasma oder eine Behandlung einer Oberfläche mit dem Plasma zu überwachen; oder das Licht kann Informationen über das Material der Oberfläche geben.In the new plasma generator, the coaxially disposed within the truncated cone-shaped wall electrode extends annularly around the axis along which the gas guide channel extends in its end region and on which the gas guide channel ends. This is equivalent here to the fact that the truncated cone-shaped surface delimiting the gas guide channel within the truncated cone-shaped wall is the surface of an annular element, whereby this annular element may be the electrode. In any case, a working channel transparent at least for light of a wavelength extends on the Axis through the electrode to the gas guide channel. About this working channel and the preceding section of the gas guide channel, the area in which the plasma exits the gas guide channel, accessible from behind at least for the light of this one wavelength. The light can be used simultaneously with the plasma to treat a surface. In the reverse direction, light of this wavelength can be registered from the plasma region to monitor the plasma or surface treatment with the plasma; or the light can give information about the material of the surface.

Vorzugsweise ist der Arbeitskanal nicht nur für Licht einer Wellenlänge transparent, sondern für Licht in einem größeren Bereich von Wellenlängen. Noch mehr bevorzugt ist es, wenn der Arbeitskanal bis zu dem Gasführungskanal einen freien Querschnitt aufweist. Damit können über den Arbeitskanal beispielsweise auch Gase oder Partikel in den Gasführungskanal injiziert bzw. in ein dort ausgebildetes Plasma eingebracht werden.Preferably, the working channel is transparent not only to light of one wavelength, but to light in a wider range of wavelengths. It is even more preferable if the working channel has a free cross section up to the gas guide channel. For example, gases or particles can also be injected into the gas guide channel or introduced into a plasma formed there via the working channel.

Wenn der Arbeitskanal einen freien Querschnitt aufweist, ist es bevorzugt, einen Kegelwinkel der den Gasführungskanal begrenzenden kegelstumpfmantelförmigen Wandung, einen Kegelwinkel der innerhalb der kegelstumpfmantelförmigen Wandung angeordneten kegelstumpfmantelförmigen Oberfläche, einen Abstand der kegelstumpfmantelförmigen Wandung von der kegelstumpfmantelförmigen Oberfläche und einen freien Endquerschnitt der kegelstumpfmantelförmigen Wandung so zu wählen, dass sich keine oder allenfalls eine verglichen mit der Gesamtgasströmung nur kleine Gasströmung aus dem Gasführungskanal in den Arbeitskanal hinein ausbildet. Idealerweise bildet sich daher kein Staupunkt in dem Gasführungskanal aus, von dem aus ein Druckgefälle zu dem und in den Arbeitskanal verläuft. Maßnahmen, die zur Vermeidung oder zumindest Reduzierung eines solchen Staupunkts beitragen, bestehen in einem ausreichend kleinen Öffnungswinkel der kegelstumpfmantelförmigen Wandung und der kegelstumpfmantelförmigen Oberfläche sowie in einem ausreichend freien Endquerschnitt der kegelstumpfmantelförmigen Wandung. Dieser freie Endquerschnitt sollte auch nicht kleiner als der freie Querschnitt des Arbeitskanals sein.When the working channel has a free cross-section, it is preferable to have a cone angle of the frustoconical wall defining the gas guide channel, a cone angle of the frustoconical surface disposed within the frustoconical wall, a distance of the frustoconical wall from the frustoconical surface and a free end cross section of the frustoconical wall Select that no or at most a small gas flow from the gas guide channel into the working channel is formed compared to the total gas flow. Ideally, therefore, no stagnation point is formed in the gas guide channel, from which a pressure gradient runs to and into the working channel. Measures that contribute to avoiding or at least reducing such a stagnation point, consist in a sufficiently small opening angle of the truncated cone-shaped wall and the truncated cone-shaped surface and in a sufficiently free end cross-section of the truncated cone-shaped wall. This free end cross section should not be smaller than the free cross section of the working channel.

Die der kegelstumpfmantelförmigen Wandung zugewandte, ihrerseits kegelstumpfmantelförmige Oberfläche kann zumindest teilweise von der ringförmigen Elektrode oder einem auf der ringförmigen Elektrode angeordneten Dielektrikum ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Elektrode zumindest an dem freien Ende der kegelstumpfmantelförmigen Oberfläche vorgesehen. Sie kann sich aber auch – ggf. unterhalb eines sie bedeckenden Dielektrikums – über die gesamte Erstreckung der kegelstumpfmantelförmigen Oberfläche längs der Achse des Gasführungskanals erstrecken.The truncated cone-shaped wall facing, in turn truncated cone-shaped surface may be at least partially formed by the annular electrode or arranged on the annular electrode dielectric. Preferably, the electrode is provided at least at the free end of the truncated cone-shaped surface. However, it can also extend over the entire extent of the truncated cone-shaped surface along the axis of the gas guide channel, possibly under a dielectric covering it.

Die den Gasführungskanal nach außen begrenzende, kegelstumpfmantelförmige Wandung des neuen Plasmagenerators ist vorzugsweise aus einem Dielektrikum ausgebildet. Dabei kann außen auf zumindest einem Teil der kegelstumpfmantelförmigen Wandung eine kegelstumpfmantelförmige Gegenelektrode angeordnet sein. Im Fall des Vorhandenseins einer solchen Gegenelektrode kann das Plasma in dem neuen Plasmagenerator zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode und damit in dem hohltrichterförmigen Abschnitt des Gasführungskanals zwischen der kegelstumpfmantelförmigen Oberfläche und der kegelstumpfmantelförmigen Wandung ausgebildet werden.The truncated cone-shaped wall of the new plasma generator limiting the gas guide channel to the outside is preferably formed from a dielectric. In this case, a truncated cone-shaped counterelectrode may be arranged outside on at least part of the truncated cone-shaped wall. In the case of the presence of such a counter electrode, the plasma in the new plasma generator may be formed between the electrode and the counter electrode and thus in the hollow funnel-shaped portion of the gas guide channel between the truncated cone-shaped surface and the truncated cone-shaped wall.

Insbesondere dann, wenn an der kegelstumpfmantelförmigen Wandung eine Gegenelektrode vorgesehen ist, können die kegelstumpfmantelförmige Wandung und die kegelstumpfmantelförmige Oberfläche einen zumindest in etwa gleichen Kegelwinkel aufweisen, so dass der Abstand der kegelstumpfmantelförmigen Wandung von der kegelstumpfmantelförmigen Oberfläche im Wesentlichen konstant ist und sich entsprechend über die gesamte Länge des Gasführungskanals in seinem hohltrichterförmigen Abschnitt etwa gleiche Feldstärken des elektrischen Felds zwischen den Elektroden ausbilden. Grundsätzlich kann der Verlauf des Abstands zwischen der kegelstumpfmantelförmigen Wandung und der kegelstumpfmantelförmigen Oberfläche und dessen Einfluss auf den freien Querschnitt des Gasführungskanals aber gezielt genutzt werden, um die Durchströmung des Gasführungskanals gezielt zu beeinflussen. So kann der Kegelwinkel der kegelstumpfmantelförmigen Wandung größer oder kleiner als der Kegelwinkel der kegelstumpfmantelförmig Oberfläche sein, so dass der Abstand zwischen der Wandung und der Oberfläche in Durchströmungsrichtung des Gasführungskanals abnimmt oder zunimmt.In particular, if a counterelectrode is provided on the truncated cone-shaped wall, the truncated cone-shaped wall and the truncated cone-shaped surface can have an at least approximately equal cone angle, so that the distance of the truncated cone-shaped wall from the truncated cone-shaped surface is substantially constant and correspondingly over the whole Form length of the gas guide channel in its hollow funnel-shaped portion about the same field strengths of the electric field between the electrodes. In principle, however, the course of the distance between the frustoconical wall and the frustoconical surface and its influence on the free cross section of the gas guide channel can be used selectively in order to specifically influence the flow through the gas guide channel. Thus, the cone angle of the truncated cone-shaped wall may be greater or smaller than the cone angle of the truncated cone-shaped surface, so that the distance between the wall and the surface in the direction of flow of the gas guide channel decreases or increases.

Der Gasführungskanal des neuen Plasmagenerators kann unmittelbar mit der kegelstumpfmantelförmigen Wandung enden. Überraschenderweise stellt sich auch dann ein stabiler Freistrahl des den Gasführungskanal durchströmenden Gases ein, in dem das Plasma ausgebildet wird. Dabei ist der Austrittspunkt dieses Freistrahls nur wenig von dem Ort der Erzeugung des Plasmas zwischen der Elektrode und einer im Bereich der kegelstumpfmantelförmigen Wandung angeordneten Gegenelektrode entfernt, so dass sich viele energetisch angeregte Spezies des Plasmas in dem Freistrahl erhalten und nicht bereits zuvor eine Wiederabregung erfahren.The gas guide channel of the new plasma generator can end directly with the truncated cone-shaped wall. Surprisingly, a stable free jet of the gas flowing through the gas guide channel then also sets in, in which the plasma is formed. In this case, the exit point of this free jet is only slightly removed from the place of generation of the plasma between the electrode and a counterelectrode arranged in the region of the truncated cone-shaped wall, so that many energetically excited species of the plasma are obtained in the free jet and do not already undergo re-agitation.

Bei dem neuen Plasmagenerator kann mindestens ein Gaszufuhrkanal mit einer Tangentialkomponente in den Gasführungskanal einmünden, um auf diese Weise die Strömungsverhältnisse in dem Gasführungskanal zu beeinflussen. Der mindestens eine Gaszufuhrkanal kann zum Beispiel unmittelbar in den erfindungsgemäß ausgebildeten Endbereich des Gasführungskanals oder aber in einen stromauf davon angeordneten Ringraum einmünden. Zusätzlich oder alternativ können in dem Endbereich des Gasführungskanals Gasführungselemente vorgesehen sein, die eine Führungskomponente in Umfangsrichtung um die Achse des Gasführungskanals aufweisen.In the new plasma generator, at least one gas supply channel with a Tangential component open into the gas guide channel, in order to influence in this way the flow conditions in the gas guide channel. The at least one gas supply channel can, for example, open directly into the end region of the gas guide channel designed according to the invention or else into an annular space arranged upstream thereof. Additionally or alternatively, gas guide elements may be provided in the end region of the gas guide channel, which have a guide component in the circumferential direction about the axis of the gas guide channel.

Neben seinem bisher beschriebenen physikalischen Aufbau benötigt der neue Plasmagenerator zu seinem Betrieb einen Wechselhochspannungsgenerator, der die Elektrode mit einer Wechselhochspannung beaufschlagt. Vorzugsweise weist die Wechselhochspannung bipolare Spannungspulse auf. Aufbringen kann der Wechselhochspannungsgenerator Spannungspulse für die Elektrode gegenüber Erde, gegenüber einer im Bereich der kegelstumpfmantelförmigen Wandung des Gasführungskanals angeordneten Gegenelektrode oder gegenüber einer mit dem Plasma zu behandelnden Oberfläche.In addition to its physical design described so far, the new plasma generator requires an AC high voltage generator to operate, which supplies the electrode with a high voltage alternating voltage. The alternating high voltage preferably has bipolar voltage pulses. Applying the AC high voltage generator voltage pulses for the electrode to earth, against a arranged in the region of the truncated cone-shaped wall of the gas guide channel counter electrode or against a surface to be treated with the plasma.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.Advantageous developments of the invention will become apparent from the claims, the description and the drawings. The advantages of features and of combinations of several features mentioned in the introduction to the description are merely exemplary and can come into effect alternatively or cumulatively, without the advantages having to be achieved by embodiments according to the invention. Further features are the drawings - in particular the illustrated geometries and the relative dimensions of several components to each other and their relative arrangement and operative connection - refer. The combination of features of different embodiments of the invention or of features of different claims is also possible deviating from the chosen relationships of the claims and is hereby stimulated. This also applies to those features which are shown in separate drawings or are mentioned in their description. These features can also be combined with features of different claims. Likewise, in the claims listed features for further embodiments of the invention can be omitted.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.The invention is explained in more detail below with reference to embodiments with reference to the accompanying drawings and described.

1 skizziert eine erste Ausführungsform des neuen Plasmagenerators in einer ersten Betriebsweise. 1 outlined a first embodiment of the new plasma generator in a first mode of operation.

2 skizziert die Ausführungsform des Plasmagenerators gemäß 1 in einer zweiten Betriebsweise. 2 outlined the embodiment of the plasma generator according to 1 in a second mode of operation.

3 skizziert eine zweite Ausführungsform des neuen Plasmagenerators; und 3 outlined a second embodiment of the new plasma generator; and

4 skizziert eine dritte Ausführungsform des neuen Plasmagenerators. 4 outlined a third embodiment of the new plasma generator.

FIGURENBESCHREIBUNGDESCRIPTION OF THE FIGURES

Der in 1 skizzierte Plasmagenerator 1 ist ohne einen zu seinem Betrieb notwendigen Wechselhochspannungsgenerator dargestellt. Dieser Wechselhochspannungsgenerator legt eine Wechselhochspannung zwischen einer trichterförmigen, d. h. genauer kegelstumpfmantelförmigen Elektrode 2 und einer ebenfalls trichterförmigen, d. h. genauer kegelstumpfmantelförmigen Gegenelektrode 3 an. Dabei sind zwischen den Elektroden 2 und 3, hier konkret vor der Gegenelektrode 3, ein entsprechend trichterförmiges Dielektrikum 4 und ein hohltrichterförmiger Entladungsraum 5 angeordnet. Die Wechselhochspannung ruft daher in einem durch den Entladungsraum 5 strömenden Gas 6 eine dielektrisch behinderte Entladung hervor. Der Entladungsraum 5 ist zugleich ein Gasführungskanal 7 für das Gas 6, der hier von einem Ringraum 8 ausgeht, sich längs einer Achse 9 erstreckt und auf dieser Achse 9 endet. Dabei wird der Gasführungskanal 7 nach außen durch das Dielektrikum 4 als kegelstumpfmantelförmige Wandung 10 begrenzt und nach innen durch die dieser Wandung 10 gegenüberliegende kegelstumpfmantelförmige Oberfläche 11 der Elektrode 2. Die Elektrode 2 ist ringförmig um die Achse 9 herum angeordnet und belässt im Bereich dieser Achse 9 einen freien Arbeitskanal 12, der sich mit freiem Querschnitt bis zu dem Gasführungskanal 7, konkret bis zu dessen Ende 13, am freien Ende der kegelstumpfmantelförmigen Wandung 10 erstreckt. Bei einer Gasströmung aus dem Ringraum 8 durch den Gasführungskanal 7 bildet sich vor dem Ende 13 ein Freistrahl 14 aus, der Plasma-typische energetisch angeregte Spezies enthält. Über den Arbeitskanal 12 können in Richtung eines Pfeils 15 ein weiteres Gas, zu behandelnde oder einer Plasmabehandlung hinzuzufügende Partikel und/oder elektromagnetische Strahlung zugeführt werden. In umgekehrter Richtung zu dem Pfeil 15 kann auch elektromagnetische Strahlung aus dem Bereich des Freistrahls 14 empfangen und analysiert werden. Weiter ist in 1 angedeutet, dass in dem Ringraum 8 eine Ringströmung 16 des Gases 7 ausgebildet wird, um hiermit auf die Durchströmung des Gasführungskanals 7 mit dem Gas 6 Einfluss zu nehmen.The in 1 sketched plasma generator 1 is shown without an AC high voltage generator required for its operation. This alternating high voltage generator sets a high voltage alternating between a funnel-shaped, ie more precisely truncated cone-shaped electrode 2 and a likewise funnel-shaped, ie more precisely truncated cone-shaped counterelectrode 3 at. There are between the electrodes 2 and 3 , here in front of the counter electrode 3 , a corresponding funnel-shaped dielectric 4 and a hollow funnel-shaped discharge space 5 arranged. The alternating high voltage therefore calls in a through the discharge space 5 flowing gas 6 a dielectrically impeded discharge. The discharge space 5 is at the same time a gas guide channel 7 for the gas 6 who is here from an annulus 8th goes out, along an axis 9 extends and on this axis 9 ends. In this case, the gas guide channel 7 outward through the dielectric 4 as a truncated cone-shaped wall 10 bounded and inward by the wall 10 opposite frustoconical surface 11 the electrode 2 , The electrode 2 is annular around the axis 9 arranged around and leaves in the area of this axis 9 a free working channel 12 , which has a free cross section up to the gas guide channel 7 , specifically until the end 13 , at the free end of the truncated cone-shaped wall 10 extends. With a gas flow out of the annulus 8th through the gas guide channel 7 forms before the end 13 a free jet 14 containing plasma-typical energetic species. About the working channel 12 can in the direction of an arrow 15 another gas, to be treated or to be added to a plasma treatment particles and / or electromagnetic radiation are supplied. In the opposite direction to the arrow 15 can also electromagnetic radiation from the area of the free jet 14 be received and analyzed. Next is in 1 indicated that in the annulus 8th a ring flow 16 of the gas 7 is formed to hereby on the flow through the gas guide channel 7 with the gas 6 To influence.

Gemäß 2 wird der Plasmagenerator 1 gemäß 1 zum Behandeln einer Oberfläche 17 eines Objekts 18 verwendet. Dabei bilden sich – insbesondere dann, wenn die Oberfläche 17 elektrisch leitend ist und auf Erdpotential liegt – zwischen der Oberfläche 17 und der Elektrode 2 ein oder mehrere Entladungsfilamente 19 aus. Die Plasma generierende Entladung kann auch ganz auf den Bereich zwischen der Elektrode 2 und der Oberfläche 17 fokussiert werden, indem die Wechselhochspannung mit dem Wechselhochspannungsgenerator dazwischen angelegt wird und auf eine Verbindung der Gegenelektrode 3 mit dem Wechselhochspannungsgenerator verzichtet wird. Über eine optische Faser 20 kann die Oberfläche 17 gleichzeitig mit dem Plasma mit Laserlicht behandelt werden, oder mit der optischen Faser 20 wird Licht aus dem Bereich der Behandlung der Oberfläche 17 mit dem Plasma empfangen, um beispielsweise diese Behandlung zu überwachen. According to 2 becomes the plasma generator 1 according to 1 for treating a surface 17 an object 18 used. This form - especially when the surface 17 is electrically conductive and at ground potential - between the surface 17 and the electrode 2 one or more discharge filaments 19 out. The plasma-generating discharge can also be entirely on the area between the electrode 2 and the surface 17 be focused by the AC high voltage is applied with the AC high voltage generator in between and on a connection of the counter electrode 3 is dispensed with the AC high voltage generator. About an optical fiber 20 can the surface 17 be treated simultaneously with the plasma with laser light, or with the optical fiber 20 becomes light from the area of treatment of the surface 17 received with the plasma, for example, to monitor this treatment.

3 skizziert eine konkrete Ausführungsform des Plasmagenerators 1. Hier weisen die kegelstumpfmantelförmige Wandung die und die dieser gegenüberliegenden kegelstumpfmantelförmige Oberfläche 11 der Elektrode 2 jeweils einen Kegelwinkel von 60° auf. Der freie Durchmesser des Arbeitskanals 12 an seinem freien Ende ist zudem genauso groß wie der freie Innendurchmesser der kegelstumpfmantelförmigen Wandung 10 an deren freiem Ende. Zudem ist der Abstand der kegelstumpfmantelförmigen Wandung 10 zu der kegelstumpfmantelförmigen Oberfläche 11 so abgestimmt, dass in dem gesamten Gasführungskanal 7 bis zu dem Ende 13 kein Staupunkt entsteht, durch den größere Mengen des Gases 6 in den Arbeitskanal 12 gedrückt würde. 3 outlines a specific embodiment of the plasma generator 1 , Here, the truncated cone-shaped wall have the and the opposite truncated cone-shaped surface 11 the electrode 2 each have a cone angle of 60 °. The free diameter of the working channel 12 At its free end is also the same size as the free inner diameter of the truncated cone-shaped wall 10 at the free end. In addition, the distance of the truncated cone-shaped wall 10 to the truncated cone-shaped surface 11 tuned so that in the entire gas duct 7 until the end 13 no stagnation point is created by the larger amounts of gas 6 in the working channel 12 would be pressed.

Die Ausführungsform des Plasmagenerators 1 gemäß 4 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 3 in dem Detail, dass sich an die kegelstumpfmantelförmige Wandung 10 eine Mündung 21 des Gasführungskanals 7 mit zylindrischem freiem Querschnitt anschließt. Hiermit kann ein aus dem Plasmagenerator 1 austretender Freistrahl weiter stabilisiert werden, was jedoch bei günstigen Strömungsverhältnissen des Gases 7 durch den Plasmagenerator 1 in der Regel nicht erforderlich ist. Eine solche Mündung 21 des Gasführungskanals 7 mit zylindrischem freiem Querschnitt kann aber auch aus anderen Gründen als einer Strahlstabilisierung sinnvoll sein, z. B. um Sicherheit gegen einen Kontakt mit der innen liegenden Elektrode 2 bereitzustellen oder einen gewünschten Arbeitsabstand einzuhalten.The embodiment of the plasma generator 1 according to 4 differs from the one according to 3 in the detail that attaches to the truncated cone-shaped wall 10 an estuary 21 of the gas guide channel 7 followed by cylindrical free cross-section. This can be one from the plasma generator 1 emerging free jet can be further stabilized, but at favorable flow conditions of the gas 7 through the plasma generator 1 usually not required. Such a mouth 21 of the gas guide channel 7 with cylindrical free cross-section but may also be useful for reasons other than a beam stabilization, z. B. to safety against contact with the internal electrode 2 to provide or maintain a desired working distance.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Plasmageneratorplasma generator
22: Elektrodeelectrode
33: Gegenelektrodecounter electrode
44: Dielektrikumdielectric
55: Entladungsraumdischarge space
66: Gasgas
77: GasführungskanalGas duct
88th: Ringraumannulus
99: Achseaxis
1010: Wandungwall
1111: Oberflächesurface
1212: Arbeitskanalworking channel
1313: EndeThe End
1414: Freistrahlfree jet
1515: Pfeilarrow
1616: Ringströmungannular flow
1717: Oberflächesurface
1818: Objektobject
1919: EntladungsfilamentEntladungsfilament
2020: optische Faseroptical fiber
2121: Mündungmuzzle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 69408502 T2 [0003, 0003]
EP 0342388 A2 [0004]
US 6986471 B1 [0005]
DE 202009000537 U1 [0006]
WO 2007/080102 A1 [0007]

Claims

Plasma generator ( 1 ) with a gas guide channel ( 7 ), which in an end region along an axis ( 9 ) and on this axis ( 9 ) terminates, with at least a portion of the end region of the gas guide channel ( 7 ) radially outwardly bounding, truncated cone-shaped wall ( 10 ) and with a coaxial within the truncated cone-shaped wall ( 10 ) arranged electrode ( 2 ), wherein the gas guide channel ( 7 ) at least in the portion of the end portion inwardly through one of the truncated cone-shaped wall ( 10 ), coaxial therewith arranged, truncated cone-shaped surface ( 11 ), characterized in that the electrode ( 2 ) annularly about the axis ( 9 ) and that a working channel transparent at least for light of one wavelength ( 12 ) on the axis ( 9 ) through the electrode ( 2 ) to the gas guide channel ( 7 ).

Plasma generator ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the working channel ( 12 ) to the gas guide channel ( 7 ) has a free cross-section.

Plasma generator ( 1 ) according to claim 2, characterized in that a cone angle of the truncated cone-shaped wall ( 10 ), a cone angle of the frustoconical surface ( 11 ), a distance of the frustoconical surface ( 11 ) from the truncated cone-shaped wall ( 10 ) and a free end cross-section of the truncated cone-shaped wall ( 10 ) are selected so that no gas flow from the gas guide channel ( 7 ) in the working channel ( 12 ) into it.

Plasma generator ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the electrode ( 2 ) or one on the electrode ( 2 ) arranged dielectric of the frustoconical wall ( 10 ) facing, truncated cone-shaped surface ( 11 ) at least partially trains.

Plasma generator ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the truncated cone-shaped wall ( 10 ) from a dielectric ( 4 ) is trained.

Plasma generator ( 1 ) according to claim 5, characterized in that on the outside on at least a part of the truncated cone-shaped wall ( 10 ) a truncated cone-shaped counterelectrode ( 3 ) is arranged.

Plasma generator ( 1 ) according to at least one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the truncated cone-shaped wall ( 10 ) as counterelectrode ( 3 ) is trained.

Plasma generator ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the truncated cone-shaped wall ( 10 ) and the truncated cone-shaped surface ( 11 ) have a same cone angle.

Plasma generator ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that the gas guide channel ( 7 ) with the truncated cone-shaped wall ( 10 ) ends.

Plasma generator ( 1 ) according to at least one of the preceding claims 1 to 8, characterized in that a mouth ( 21 ) of the gas guide channel ( 6 ) with a cylindrical free cross-section of the truncated cone-shaped wall ( 10 ), wherein an inner diameter of the mouth and a minimum inner diameter of the frustoconical wall ( 10 ) are the same size.

Plasma generator ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that at least one gas supply channel with a tangential component in the gas guide channel ( 7 ).

Plasma generator ( 1 ) according to claim 11, characterized in that the at least one gas supply channel in the end region of the gas guide channel ( 6 ) or in an annular space arranged therefrom ( 8th ).

Plasma generator ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that in the end region gas guide elements with a guide component in the circumferential direction about the axis ( 9 ) are provided.

Plasma generator ( 1 ) according to at least one of the preceding claims, characterized in that an alternating high-voltage generator is provided which connects the electrode ( 2 ) to earth or to a counterelectrode ( 3 ) in the region of the truncated cone-shaped wall ( 10 ) or against a surface to be treated ( 17 ) is subjected to a high alternating voltage.

Plasma generator ( 1 ) according to claim 14, characterized in that the AC high voltage generator is the electrode ( 2 ) are subjected to bipolar voltage pulses.