CN101326863A - 用于产生等离子流的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有至少一个放电管的用于产生等离子流的装置,处理气体流过所述放电管。按照本发明,在至少一个放电管上设置了一个导电的放电防护装置。本发明的优点主要在于,寄生放电被抑制,并且所述装置的各部件和基底的热负荷被降低。
Description
本发明涉及一种用于产生等离子流的装置,具有至少一个放电管,一种处理气体流过所述放电管。
这种具有一个放电管的装置已由Jungo Toshifuji等人的文章“Cold arc-plasma jet under atmospheric pressure for surfacemodification”,Surface and Coatings Technology 2003,第302页以及另一出版物“Workshop Plasmabehandlung und Plasma-CVD-Beschichtung bei”,Dresden,2004年11月16日所公开。这种已知的装置具有一个由电介质材料构成的放电管,其中第一个电极设计成大块的并且以在长度方向上延伸的形式设置在放电管内部的中心处,并且其中放电管包括第二个电极。这里第二个电极被构造成同心的,使得在内部的第一个电极、放电管和第二电极构成一个具有开放端面的、同轴且在横截面上同心的结构,在这个开放端面上产生等离子流。内部的棒状电极被施加高电压,同时外部的电极接地。基于电场的情况,等离子体的点火最好在内部棒状电极的尖端处。等离子体然后在处理气体流的方向上展开。在氦、氮或空气作为处理气体时,在内部电极的尖端和可以用等离子流处理的基底之间形成扩散的等离子流。这里涉及“冷”等离子体,其气体温度相对较低,此温度在室温至最高几百摄氏度的范围内变化。
然而如果在这种已知装置中在等离子流点火之后提高所施加的电压来耦入更多的功率,例如为了得到更长或更强的等离子流,则发现在已知装置的情况下,在内部电极的背面上或者在被置于同样电位上的内部电极固定件旁形成等离子体,它背对处理气体流。这种附加的所谓寄生放电是不希望的,因为它对于射流没有贡献。
此外,在已知装置中的高工作电压以及很大的耦入功率下,在内部电极和外部电极之间产生直接的等离子连接,即火花放电。等离子体不再扩散并且不再是冷的,而是收缩到一些薄的通道中,这些通道具有高得多的气体温度。这可能导致装置和/或基底的损坏。此外它还会导致传导处理气体的气体软管的热损伤。
因此本发明的目的在于给出一种如本说明书开始处所述类型的用于产生等离子流的装置,其中以合适的方式抑抑了寄生放电,并且在第一个与第二个电极之间不出现火花放电。此外本发明目的还在于总体上降低装置各部件和基底的热损耗,这通过只产生“冷的”等离子体来实现。
上述任务由具有权利要求1所述特征的用于产生等离子流的装置来完成。从属权利要求涉及本发明特别具有优点的改进。
本发明从以下共识出发:在一个其上加有电压的金属空腔体的内部不存在电场。然而本领域技术人员应当知道,如果选用一个空腔圆柱体,则缺点是在空腔圆柱体的边缘上电场将抵达其内部,从而在某些情况下在气体软管中一个不希望的位置处出现足以使等离子体点火的电场。因此,按照本发明气体软管的金属支架如此实现,使得它以某个特定角度呈锥形或以其它方式大致呈阶梯形地延伸,使得在支架边缘处的轴向电场明显小于常用的具有恒定直径的空腔圆柱体的情况。在本发明的具有优点的改进中,支架的所有边棱被倒圆,以避免高的电场。
按照本发明的一个特别具有优点的改进,外部的接地的第二个电极不再像现有技术已知的那样直接安装在放电管上,而是具有一定的径向间距。
按照本发明的特别具有优点的另一改进,在放电管的末端安装一个由电介质构成的端接帽。这样特别在采用惰性气体时产生较强的等离子流。
按照本发明的一个具有优点的再次经过修改的改进,在气体软管与放电管之间设置了一个过滤器。从而除本发明的上述优点外还抑制了由涡旋产生的噪声。在现有技术已知的装置中的噪声是这样产生的:处理气体直接由气体供给源通过一根软管或类似物流到放电室内,并且通过内部电极支架的环流导致涡旋并随之出现噪声。
下面借助附图举例进一步详细说明本发明。附图中:
图1示出根据本发明的具有一个放电管的装置的第一个实施方式;
图2示出这种装置的第二个实施方式;
图3示出这种装置的第三个实施方式,它具有一个附加的端接帽;
图4示出这种装置的第四个实施方式,它具有一个变型的端接帽;
图5示出根据本发明的具有多个放电管的装置的第一个实施方式;
图6示出这种装置的第二实施方式;
图7示出根据本发明的具有一个放电管的装置的另一个商用实施方式。
首先详细说明图1中简要示出的第一种根据本发明的装置。它具有一个由电介质材料构成的放电管1,在其内部装有一个内部的、棒状的实心电极2。第二个电极3包围着放电管1,可以是直接包围放电管或者具有径向间距。这里该电极3特别具有优点地被构造成同心的,使得在内部的电极2、电介质构成的放电管1和外部的电极3构成一个具有开放端面的、同轴的、并在横截面上同心的结构,在所述开放端面处形成等离子体流。为此,内部电极1上施加了高电压,同时外部电极3接地。按照本发明,在放电管1的末端设置了一个金属的放电防护装置4。这里放电防护装置4同时也是气体软管5的支架,处理气体通过这个软管传导。处理气体的流动方向如箭头所示。放电防护装置4也是支架并用于连接高压电缆6。按照本发明的一个具有优点的设计,这里还设置有一个由烧结材料构成的过滤器7。这个过滤器7在后面还要详细说明。例如由钨构成的内部电极2通过这个过滤器7被支撑,并固定在放电管1内部的中心位置上。在本发明的这个实施方式中,放电防护装置4被如此构造,使用于气体软管5的金属支架以一个角度α呈锥形地延伸,使得在支架边缘处的轴向电场明显小于现有技术情况下具有恒定直径的空腔圆柱体时的电场。角度α取决于最大工作电压及气体软管5的直径与放电管1的直径之比。特别具有优点的是,放电防护装置4的所有边棱、特别是在支架范围内的边棱被倒圆,以避免高的电场。
通过应用图1所示气体软管5与放电管1之间的过滤器7抑制了可能由涡旋产生的噪声。在通过过滤器7之后,气流是基本分层的和平稳的。同样如图1所示,过滤器7可以以一种特殊的实施方式,例如当由烧结青铜构成时,同时被用作内部电极2的支架。此外在过滤器7的背面区域中,背对着处理气体的流动方向形成一个背压,它同样对所希望的寄生放电抑制产生影响,因为处理气体的点火场强是主要压力的函数。如果认为在所谓巴申曲线(Paschenkurve)的右边分支上,则用提高压力来提升气体的点火电压。这种关系是本领域技术人员所熟悉的。
图2示出本发明所述装置的第二个实施方式,其中放电防护装置4被设计为不同形式。在这个实施方式中,在放电防护装置4中设置了一个直径为d且深度为t的孔。在这个实施方式中同样实现了在支架边缘处有明显更小的轴向电场。在本发明框架内也可设想其它实施方式的放电防护装置4,例如代替角度α,采用阶梯形的延伸。
图3示出本发明所述装置的另一实施方式。与现有技术不同,这里外部的接地电极3不再直接置于放电管1上,而是与放电管有一定的径向间距。此外,在这个实施方式中在放电管1的开放端设置有一个由电介质构成的端接帽8。所述端接帽8例如由聚四氟乙烯或其它具有相应热稳定性和机械稳定性的塑料构成,也可由陶瓷构成。端接帽8可以通过特别简单的方式通过螺钉与外部的电极3固定。
由电介质材料构成的端接帽8用于特别是在典型情况为几瓦的相对较小的功率耦入时以惰性气体作为处理气体的情况下产生等离子流。同时本发明所述的端接帽8避免了在内部电极2与接地的外部电极3之间的火花放电或电弧放电,因为这两个电极间的距离在电气上明显更大了。
图4示出本发明所述装置的另一实施方式,它具有一个变型的、由两部分构成的端接帽8。外面部分仍由电介质材料构成,另外增加了一个内部的金属衬套9,它与外部电极3导电连接。这种实施方式特别适用于在以分子气体作为处理气体的情况下工作;内部的金属衬套9导致放电管1内部的电场提高,并从而导致较强的等离子流。
在本发明框架内,外部电极3也可以通过其它方式部分地被电介质包围或者被完全封闭在电介质中。
图5简要示出本发明的具有多个放电管1的实施方式,即所谓的多射流结构。图中示出多个平行设置的放电管1,它们从一个处理气体馈送通道10和一个气体分配系统11分别获得处理气体。这样的结构原理上同样也已由现有技术公开。在已知的结构中多个放电管中可能有一个流过处理气体,最好该放电管具有最小的流阻或处于最接近馈送通道10的位置上。在现有技术中的这种处理气体输出的不均匀性对基底的表面处理的均匀性有不利的影响。在图5所示实施方式中,按照本发明的一个具有优点的改进,在每个放电管1中有一个过滤器7,如上面已经说明的那样,它的流阻比放电管1自身的流阻大得多,使得每个放电管1获得相同的处理气体供给;这导致各平行的等离子流的一致性。
图6示出这种结构的另一种变型的实施方式,其中在各个放电管1之前设置了一个较大的共用的过滤板12,以代替单个的过滤器。
在已说明了图1至6中简要示出本发明的最重要的主要部件之后,最后在图7中示出一个商用的本发明所述装置的完整结构图。除了已说明的构件外这里还示出一个由塑料构成的环状绝缘体13,它围着放电管1。围绕着这个绝缘体13设置了一个由陶瓷构成的保护管14。围绕外部电极3的是一个由塑料构成的保护隔离15。圆形金属外壳16构成外部端接。在这个实施方式中一个专用的由金属构成的电极支架17位于过滤器7上作为独立的构件。所述装置在后面的末端上还具有一个塑料构成的盖帽18,其上连接有一个由金属构成的端块19。一个螺栓接头20旋入所述端块19,通过这个接头不仅引入气体软管5,而且还引入高压电缆6。在所述装置的前面的开放端还示出了塑料螺钉21,借助于它使端接帽8被固定,在这里它被固定在外部的环状电极3上。
Claims (12)
1.一种用于产生等离子流的装置,具有至少一个放电管(1),通过一个气体软管(5)馈送的处理气体流过所述放电管,其中放电管(1)的壁由电介质材料构成,并且其中第一个电极(2)构造成实心的,并且以它在其纵向方向延伸的形式被设置在放电管(1)内部的中心处,其中第二个电极(3)在轴向方向上同心地围绕着放电管(1)的壁设置,使得第一个电极(2)、放电管(1)和第二个电极(3)构成一个具有开放端面的、同轴的、并在横截面上同心的结构,在所述开放端面处可产生等离子流,其特征在于,一个由导电材料构成的放电防护装置(4)被设置在放电管(1)上,这个放电防护装置与第一个电极(2)相连接,所述放电防护装置(4)接纳气体软管(5)的开放端,并且放电防护装置(4)的朝向气体软管(5)的开放端的一侧如此延伸,使得它以一个中间间隙包围所述气体软管(5)。
2.如权利要求1所述的装置,其特征在于,放电防护装置(4)的朝向气体软管(5)的开放端的一侧以一个角度α呈锥形地延伸。
3.如权利要求1所述的装置,其特征在于,放电防护装置(4)的朝向气体软管(5)的开放端的一侧通过一个中央的孔延伸。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置,其特征在于,第二个电极(3)以与放电管(1)有一个径向间距的方式围绕所述放电管设置。
5.如权利要求1至4中任一项所述的装置,其特征在于,在其上可产生等离子流的所述装置的端面上设装一个电介质的同心的端接帽(8),它围持住第二个电极(3)。
6.如权利要求5所述的装置,其特征在于,所述端接帽(8)由聚四氟乙烯、具有相应热稳定性和机械稳定性的其它塑料或陶瓷构成。
7.如权利要求5或6中任一项所述的装置,其特征在于,所述端接帽(8)由两部分构成,即设置了一个附加的内部的金属衬套(9),该金属衬套与第二个电极(3)导电连接。
8.如权利要求1至4中任一项所述的装置,其特征在于,第二个电极(3)完全或部分地被电介质包围。
9.如权利要求1至8中任一项所述的装置,其特征在于,在其上可馈送处理气体的放电管(1)的端面处设置了可流过处理气体的过滤器。
10.如权利要求9所述的装置,其特征在于,所述过滤器(7)由烧结材料,特别是烧结青铜构成。
11.如权利要求9或10中任一项所述的装置,其特征在于,在具有多个放电管(1)的情况下每个放电管都具有一个过滤器(7)。
12.如权利要求9或10中任一项所述的装置,其特征在于,在具有多个放电管(1)的情况下所有这些放电管共同具有一个单个的过滤板(12)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20081217 |