CN104427735A - 用于产生等离子体射流的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于在大气压力下产生用于工件(18)的表面处理的等离子体射流(2)的一种方法和设备(1)，所述设备(1)具有用于能够产生等离子体的介质(5)的供应线路(8)、用于借助电弧(22)来电激发所述能够产生等离子体的介质(5)的装置(3)，所述电弧(22)在阴极(19)和被构造成喷嘴(21)的阳极(20)之间被周期性地点燃。为了即使在等离子体射流(2)的相对较低的温度也能够获得高效率的等离子体射流(2)，在用于电激发所述能够产生等离子体的介质(5)的所述装置(3)的上游布置用于预热所述能够产生等离子体的介质(5)的加热装置(23)。

Description

用于产生等离子体射流的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于在大气压力下产生用于工件的表面处理的等离子体射流的方法，所述等离子体射流通过借助电弧电激发能够产生等离子体的介质来产生，所述电弧在被构造成喷嘴的阳极和阴极之间被周期性地点燃，并且所述等离子体射流向待处理的表面的方向被引导通过所述喷嘴。

另外，本发明还涉及一种用于在大气压力下产生用于工件的表面处理的等离子体射流的设备，所述设备具有用于能够产生等离子体的介质的供应线路、用于借助电弧来电激发所述能够产生等离子体的介质的装置，所述电弧在被构造成喷嘴的阳极和阴极之间被周期性地点燃。

背景技术

等离子体被理解意指气体，其包含自由电荷载流子，这就是为什么导电气体也经常提及。等离子体可以以不同的方式使用，这取决于温度和压力，例如取决于气体放电灯、材料沉积、用于分析、还有用于处理工件和用于消毒物体、身体部位或伤口的温度和压力。关于等离子体气体的压力，低压等离子体、常压等离子体或大气压力等离子体和高压等离子体之间是有区别的。本发明明确涉及在大气压力下在相对较低的温度产生等离子体射流并且主要考虑用于处理工件等的表面。使用在低压腔室中的等离子体处理工件的表面是一种已经完全确定并且是已知的方法，这种方法已经在工业上使用了很多年。低压等离子体由于良好的缝隙穿透性和高效性而突出。它们非常适合于处理小零件，并且也适合于处理散装材料(bulk material)。除了高投资成本之外，用于排放等离子体腔室所需的处理时间和缺少用于称为等离子体处理的在线执行的选项也是不利的。在低压等离子体的情况中，处理较大零件也因为需要大的真空室而很快变得不经济。

大气压力等离子体的用途主要限于独有的所谓热等离子体，所述热等离子体用于在数千℃的等离子体温度进行熔融加工(如焊接、锡焊、切割等)。最近的发展现在也可以实现被称为非热大气压力等离子体，这也允许在数十℃至数百℃的较低的等离子体温度使用。因此，为借助大气压力等离子体进行的表面处理，例如借助等离子体聚合进行的材料或涂层的清洁和激活乃至医疗用途如开放性伤口的消毒等打开了新的感兴趣应用领域。

一种特殊的气体(例如，处理过的空气、N₂、氦气、氩气)通常被用于生成大气压力等离子体，能够通过供应能量在等离子体燃烧器中使所述特殊的气体处在等离子体状态。该等离子体经由喷嘴而被吹在待处理的表面上，同时等离子体燃烧器以限定的间隔和速度在工件的上方移动。在这种情况下，所述等离子体与周围的空气相互作用(淬灭、因涡流而与空气分子混合)并且与待处理的表面相互作用。迄今为止，这个概念的最有说服力的优点是具有在线功能和将该方法集成到由此引起的现有生产链简单。当处理散装材料和小零件时受到限制，致使所述所述散装材料和小零件不能放在等离子体燃烧器前面令人满意的范围内。在有些用途中这些等离子体的氧化效果也是不希望的。

由于等离子体射流与工件的表面相互作用，因此工件的表面得到激活和/或清洁。清洁效果尤其是基于机械过程(这是因为利用受激发的分子、原子和离子对表面进行轰击的缘故)，并且也基于化学过程。在这种情况下，表面上的污染物与等离子体中的受激发的粒子反应而形成气态反应产物，所述气态反应产物最终通过气体流动而被移除。这种方法的用途见于超微清洁和油、脂、硅树脂、氧化物、纤维或薄涂层的移除。表面结构的目标变化(例如微结构化)也是可能的。

等离子体的激活效果是由表面化学反应来实现的。根据基础材料和等离子体的组成，自由基位置或化学活性基团(如羟基或羧基)在表面上形成。这些影响表面能的变化，并且作为结果，受处理工件的表面性能发生变化。因此，例如材料的润湿行为可以按目标方式受到影响。原本具有疏水性的表面(如聚丙烯)可以通过等离子体激活使其处于亲水性状态。这两种效果，即化学活性基团的形成和表面能的变化，可以显著地改善润湿行为、层形成和涂层的粘附性。

刚才描述的方法的多种用途见于在粘合、锡焊、焊接、粘合剂粘合、涂漆、印刷和涂布之前对材料进行的预处理。借助大气压力等离子体对材料的清洁和激活可以代替化学清洗方法和底漆的使用。和与之相关的溶剂或其他化学物质进行分配使等离子体技术在经济和生态上均引起关注。

举例来说，EP0 761 415B9涉及一种用于使用大气压力等离子体增加工件表面的润湿性的方法，所述等离子体借助在高频激发的电弧而产生，所述电弧不从等离子体燃烧器的喷嘴排出。

用于操作蒸汽等离子体燃烧器的方法和蒸汽切割设备已经可以从EP1922 908B1得知，从EP1 922 908B1中出现从发射模式到非发射模式的优化转换以得到优化的处理结果。

AT510 012B1描述了蒸汽等离子体燃烧器，该燃烧器带有用于将水或其它液体蒸发作为能够产生等离子体的介质的感应加热器。其中所述的蒸汽等离子体燃烧器可以用于例如切割工件。

在以前的用于产生等离子体射流的方法和设备的情况下不利的是，所述等离子体高度激活，也导致等离子体温度的升高，因为这个原因，特别激活的等离子体不适合于所有的用途例如敏感的工件的表面预处理。

发明内容

因此，本发明的目的在于建立用于在大气压力下产生用于工件等的表面处理的等离子体射流的方法和设备，通过所述方法和设备，即使在等离子体的相对较低的温度也能够获得等离子体射流的高度激活，以便甚至可以在敏感的工件或者甚至是人类或动物体的部位上使用。已知方法和设备的缺点应该得到避免或者至少减少。

实现根据本发明的关于所述方法的目的在于，在借助电弧进行的电激发之前在加热装置中对所述能够产生等离子体的介质进行预热。通过将所述能够产生等离子体的介质的热激发与借助电弧进行的常规电激发分离，可以实现等离子体功率和等离子体温度的独立调节。通过在借助电弧进行的电激发之前对所述能够产生等离子体的介质进行额外的预热，甚至可以在低的等离子体温度(其称为冷等离子体)也能够实现高的等离子体功率或等离子体激活。本发明的核心是对所述能够产生等离子体的介质进行的预热，所述预热对等离子体产生的过程和工件等的表面处理的过程都有影响。产生用于工件等的表面处理的等离子体时的目的是尽可能多地产生化学活性物种。必须施加一定量的能量来产生化学活性物种(例如自由基或离子)。通过加热所述能够产生等离子体的介质，该能量的一部分已经以热方式供应。由此降低产生等离子体所需的电能。结果，这对等离子体的点燃行为产生积极的影响，因此还可以为等离子体燃烧器的几何学留有更多余地。而且，可以使用任何过量的电能来产生额外的化学活性物种。使用大气压力等离子体对工件进行的预处理在很大程度上基于化学表面反应。有时引人关注的吸收和解吸过程强烈依赖于温度。对于每种用途而言存在理想的温度范围，以增加等离子体预处理的效果。同时，等离子体温度不应过高，以便还能够处理热敏感的表面。使用本发明能够以目标方式并且独立于等离子体的激活来得到等离子体温度的最优设置。通过对所述能够产生等离子体的介质进行预热，于是可以独立于用于产生等离子体的参数优化工艺温度，并且由此增加大气压力等离子体的表面预处理的效果。这些效果例如包括较好的激活和清洁效果、较高的处理速度、较低的与样品间隔相关的敏感性等。另外，由于具有蒸发液态的能够产生等离子体的介质的可能性，因此可以利用新型的等离子体化学。

所述能够产生等离子体的介质有利地被预热到5℃至300℃，并且根据相应的用途在该温度进行调节。等离子体射流的这个温度范围允许在许多材料乃至人或动物身体的部位的情况下使用。

所述能够产生等离子体的介质可以以感应方式或者借助电阻加热元件或辐射加热元件进行预热。在感应加热的情况下，可以限制或者减少热变电阻。

如果用于电激发所述能够产生等离子体的介质的电弧以小于20μs的脉冲时长进行周期性点燃，则可以实现一种最优的电激发。由于脉冲时长相对较小，因此可以将所得到的等离子体温度保持相对较低。根据要求，激发频率可以例如处在10kHz至100kHz之间的范围内。

向待处理的表面的方向从喷嘴引导出来的等离子体的温度优选在10℃至500℃之间调节。通过所述温度调节可以确保待处理的表面不受到过度加热，并且不对工件等造成破坏。

可以使用一种气体、各种气体的混合物、一种液体、各种液体的混合物、还有一种或者多种气体与一种或者多种液体的混合物作为能够产生等离子体的介质。所使用的气体和/或液体可以以目标方式与相应的用途相适合，并且可以针对待处理的工件的材料进行优化定制。

当使用一种或多种液体作为能够产生等离子体的介质时，这种液体优选在借助电弧进行电激发之前蒸发。用于蒸发液态的能够产生等离子体的介质的加热装置可以例如由感应加热器形成，如在AT510 012B1中所描述的那样。

可以将用作能够产生等离子体的介质的液体与所述蒸发之后的气体混合。因此，可以在所述蒸发之后，将一种或多种液体与一种或多种气体混合，以能够实现用于特定用途的等离子体的某些性能。

根据本发明的目的也通过用于产生等离子体射流的上述设备来实现，用于预热能够产生等离子体的介质的加热装置布置在用于电激发所述能够产生等离子体的介质的装置的上游。关于由此可以实现的优点，可以参考用于产生等离子体射流的所述方法的上述描述。

所述加热装置优选被构造成用于将所述能够产生等离子体的介质预热至5℃至300℃和用于根据相应的用途调节至相应的温度。

用于预热所述能够产生等离子体的介质的所述加热装置可以由感应加热装置、电阻加热元件或辐射加热元件来形成。

用于电激发所述能够产生等离子体的介质的装置可以由以小于20μs的时长产生高频电流脉冲的发生器构成。

如果设置调节装置以在10℃至500℃之间调节从喷嘴出来向待处理的表面引导的等离子体射流的温度，可以可靠地将等离子体射流的希望的相应温度保持在相应的目标范围内。

用于所述能够产生等离子体的介质的供应线路可以由至少一个气体线路和/或至少一个液体线路形成。

可以在用于预热所述能够产生等离子体的介质的所述加热装置和用于电激发所述能够产生等离子体的介质的所述装置之间布置用于将经过预热的能够产生等离子体的介质与另外的能够产生等离子体的介质混合的腔室。

附图说明

根据附图更加详细地对本发明进行说明。在附图中：

图1显示了用于产生等离子体射流的设备的示意性图示；

图2以剖视图示显示了等离子体燃烧器的一个实施方式的结构；和

图3显示了用于产生等离子体射流的设备的电路框图。

具体实施方式

用于产生等离子体射流2的设备1在图1中显示。该设备1包括用于电激发提供在容器4中的能够产生等离子体的介质5的装置3。用于电激发能够产生等离子体的介质5的所述装置3连接至控制装置6。等离子体燃烧器7经由供应线路8连接至控制装置6，使得可以将布置在容器4中的能够产生等离子体的介质5供应给等离子体燃烧器7。通过装置3经由线路9和10将电能供应给等离子体燃烧器6。

为了冷却等离子体燃烧器7，可以将等离子体燃烧器7经由冷却环路11(如果插入流量监测器12需要的话)连接至独立的流体容器13或容器4。当起动等离子体燃烧器7时，可以通过控制装置6启动冷却环路11，于是，可以经由冷却环路11实现对等离子体燃烧器7进行的冷却。为了形成冷却环路11，等离子体燃烧器7可以经由冷却线路14,15连接至液体容器13或容器4。冷却环路11还可以直接通过从容器4经由供应线路7对等离子体燃烧器7进行的液体供应来形成，结果，仅需要对等离子体燃烧器7进行简单的液体供应。

另外，可以设置输入和/或显示装置16，通过该输入和/或显示装置16可以调节和显示设备1的操作模式和明显不同的参数。将经过输入和/或显示装置16调节的参数发送到控制装置6，控制装置6相应地控制设备1的各个部件。

等离子体燃烧器7可以具有至少一个操作元件17，使用者借助操作元件17可以从等离子体燃烧器7通知控制装置6应该进行处理。而且，例如可以在输入和/或输出装置16进行预设。当然，可以在等离子体燃烧器7上布置另外的操作元件，通过所述另外的操作元件可以从等离子体燃烧器7调节设备1的一个或者多个操作参数。为此，这些操作元件17可以经由线路或者总线系统直接连接至控制装置6。操作元件17还可以包括显示装置例如LCD显示器，使得可以在等离子体燃烧器7处向使用者显示对应的设置、参数或信息。

在开动操作元件17之后，控制装置6致动等离子体处理方法所需的各个部件。例如，首先控制泵(未示出)和装置3，结果，开始将能够产生等离子体的介质5还有电能供应给等离子体燃烧器7。随后，控制装置6致动冷却环路11，使得启用等离子体燃烧器7的冷却。通过向等离子体燃烧器7供应能够产生等离子体的介质5和电能，能够产生等离子体的介质5在等离子体燃烧器7中被转变成等离子体射流2，所述等离子体射流2可以用于处理工件18等的表面。

图2以剖视图示显示了等离子体燃烧器7的一个实施方式的结构。相应地，等离子体燃烧器7包括用于能够产生等离子体的介质5的至少一个供应线路8(未示出)、阴极19和被构造成喷嘴21的阳极20。当然，阴极19和阳极20还可以调换使用。电弧22在阴极19和阳极20之间周期性地点燃，这电激发了经由供应线路8供应的能够产生等离子体的介质5。根据本发明，另外布置用于预热能够产生等离子体的介质5的加热装置23，所述加热装置23在所展示的实施例中被构造成感应加热器24，该感应加热器24布置在用于能够产生等离子体的介质5的线路的周围，用于能够产生等离子体的介质5的线路以线状方式布置。另外，可以设置用于蒸发液态的能够产生等离子体的介质5的加热装置(未示出)，在用于蒸发液态的能够产生等离子体的介质5的加热装置的下游，如果需要的话，布置用于混合多种能够产生等离子体的介质5的腔室27。能够产生等离子体的介质5的混合物然后被传送到燃烧空间28中，在燃烧空间28中，电弧22被周期性地点燃，等离子体射流2在其中产生并且向待处理的工件18等的方向从喷嘴21驱出。阴极19和阳极20之间的间隔被构造成比常规的等离子体燃烧器7大。通过特别构造这个间隔还有阴极19和阳极20之间的燃烧空间28，以及构造喷嘴21，可以针对相应的用途情况调节能够产生等离子体的介质5的涡流并因此可以调节等离子体射流2的宽度并使之适合于该相应的用途情况。由于阴极19和阳极20之间的距离较大，因此如果采用高频(通常在10kHz至100kHz之间的范围内)对电弧22的点燃进行点燃是有利的。因为电弧22没有从喷嘴21中排出，因此由非电导材料例如塑料乃至生物组织制得的工件18可以使用等离子体射流2进行处理。

图3最后显示了根据本发明的应用的用于产生等离子体射流2的设备1的电路框图。设备1包括在图2中描述的等离子体燃烧器7、用于气态或液态的能够产生等离子体的介质5的一个或多个容器4、和用于电激发在等离子体燃烧器7中的能够产生等离子体的介质5的装置3。有利的是，设置调节装置25来调节等离子体射流2的温度，其中使用适当的温度传感器26在适当的位置测量所述温度，并且根据所测得的温度，相应地影响用于电激发能够产生等离子体的介质5的装置3和用于能够产生等离子体的介质5的供应线路8。可以如图3所示的那样，在加热装置23的区域中间接地或者在喷嘴21(未示出)的区域中直接地进行等离子体射流2的温度测量。某些表面处理所需的等离子体射流2的温度可以包含在相应的表格或数据库29中。

使用用于在大气压力产生等离子体射流2的本发明的方法和本发明的设备，甚至在低的温度也可以适当地处理工件18等的表面，特别是，可以在涂漆之前、在焊接之前、在粘合剂粘合之前等使用等离子体射流2预处理工件18的表面。通过预热能够产生等离子体的介质5，可以对等离子体的电激发和热激发进行分开调节。

实施例

为了对用于随后的焊接、粘合剂粘合或者涂漆用途的铝进行预处理，可以有利地调理表面，使得铝表面的润湿性和粘附性得到提高。接触角测量构成用于测量表面变化的一个良好的选项。尤其是，可以在使用大气压力等离子体处理之前和处理之后使用这种测量结果分析固体主体的表面张力。在该情况中表面张力的增加总是润湿性和粘附性已经得到改善的一个非常良好的指示。在本实施例中使用的铝在未处理状态中具有32mN/m的表面张力。如果随后使用大气压力等离子体对表面进行处理，表面张力可以得到相当大的提高。

在该实施例中，使用带有一体化形成的感应加热器24的大气压力等离子体燃烧器作为加热装置23。喷嘴21的出口开口的直径可以在1mm至6mm之间的范围内变化，阴极19和阳极20的间隔为至少1cm并且燃烧空间28的内部直径基本为1cm。可以以无级变化方式从0W至500W调节感应加热器24的加热功率。可以在加热装置23的区域中设置温度传感器26用于温度调节。经由供应线路8将能够产生等离子体的介质5供应至等离子体燃烧器7，然后可以在加热装置23中对能够产生等离子体的介质5进行加热。在该情况中将所供应的能够产生等离子体的介质5的压力和流速调节成确保进入燃烧空间28的气态的能够产生等离子体的介质5的流速处在20升/分钟的范围。为了实现以适合于等离子体产生的方式使能够产生等离子体的介质5流入到燃烧空间28中，入口由多个流入开口组成，所述流入开口被布置成能够在燃烧空间28中形成流动涡流。使用频率为20kHz并且最大电压振幅为20kV的高压正脉冲来产生等离子体。为了处理铝工件，以3.5mm的限定间隔和50cm/min(厘米/分钟)的限定速度在材料表面上导引等离子体燃烧器。

在实验中，如果随后使用经处理的空气作为能够产生等离子体的介质5而没有开启加热装置23的话，可以进行使用大气压力等离子体的常规处理。由此可以将铝的表面张力增加至55mN/m。通过开启加热装置23并且提高能够产生等离子体的介质5的温度，于是该数值可以进一步增加。如果在产生等离子体之前将所述空气的温度调节至200℃的数值，铝的表面张力于是可以增加至65mN/m。如果还改变等离子体的化学性，所述表面张力甚至还可以变得更加引入关注。通过使用水作为起始介质并且对加热装置23进行适当的调节，可以提供温度为200℃的蒸汽作为能够产生等离子体的介质5。使用由该介质产生的大气压力等离子体，随后可以将铝的表面张力增加至72mN/m。所得到的数值是用来阐明该示例性用途的，而不应该被理解为是限制性的。

Claims (19)

1.一种用于在大气压力下产生用于工件(18)的表面处理的等离子体射流(2)的方法，其中，所述等离子体射流(2)通过借助电弧(22)电激发能够产生等离子体的介质(5)来产生，所述电弧(22)在阴极(19)和被构造成喷嘴(21)的阳极(20)之间被周期性地点燃，并且所述等离子体射流(2)通过所述喷嘴(21)引导向待处理的表面的方向，其特征在于，在借助所述电弧(22)进行所述电激发之前在加热装置(23)中预热所述能够产生等离子体的介质(5)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述能够产生等离子体的介质(5)被预热至5℃至300℃的温度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述能够产生等离子体的介质(5)以感应方式进行预热。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述能够产生等离子体的介质(5)借助电阻加热元件或辐射加热元件进行预热。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，用于电激发所述能够产生等离子体的介质(5)的所述电弧(22)以小于20μs的脉冲时长进行周期性点燃。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，向待处理的所述表面的方向从所述喷嘴(21)引导出来的等离子体射流(2)的温度被调节在10℃至500℃之间。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，使用气体作为能够产生等离子体的介质(5)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，使用液体作为能够产生等离子体的介质(5)。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在借助所述电弧(22)进行所述电激发之前将用作能够产生等离子体的介质(5)的所述液体蒸发。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述蒸发之后，将用作能够产生等离子体的介质(5)的所述液体与气体混合。

11.一种用于在大气压力下产生用于工件(18)的表面处理的等离子体射流(2)的设备(1)，所述设备(1)具有用于能够产生等离子体的介质(5)的供应线路(8)、用于借助电弧(22)来电激发所述能够产生等离子体的介质(5)的装置(3)，所述电弧(22)在阴极(19)和被构造成喷嘴(21)的阳极(20)之间被周期性地点燃，其特征在于，在用于电激发所述能够产生等离子体的介质(5)的所述装置(3)的上游布置用于预热所述能够产生等离子体的介质(5)的加热装置(23)。

12.根据权利要求11所述的设备(1)，其特征在于，所述加热装置(23)被构造成将所述能够产生等离子体的介质(5)预热至5℃至300℃。

13.根据权利要求11或12所述的设备(1)，其特征在于，用于预热所述能够产生等离子体的介质(5)的所述加热装置(23)由感应加热装置(24)形成。

14.根据权利要求11或12所述的设备(1)，其特征在于，用于预热所述能够产生等离子体的介质(5)的所述加热装置(23)由电阻加热元件或辐射加热元件形成。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的设备(1)，其特征在于，用于电激发所述能够产生等离子体的介质(5)的所述装置(3)由用于产生时长小于20μs的高频电流脉冲的发生器构成。

16.根据权利要求11至15中任一项所述的设备(1)，其特征在于，设置调节装置(25)来将从所述喷嘴(21)出来的被引导向所述待处理的表面的所述等离子体射流(2)的温度调节为10℃至500℃。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的设备(1)，其特征在于，用于所述能够产生等离子体的介质(5)的所述供应线路(8)由气体线路形成。

18.根据权利要求11至17中任一项所述的设备(1)，其特征在于，用于所述能够产生等离子体的介质(5)的所述供应线路(8)由液体线路形成。

19.根据权利要求11至18中任一项所述的设备(1)，其特征在于，在用于预热所述能够产生等离子体的介质(5)的所述加热装置(23)和用于电激发所述能够产生等离子体的介质(5)的所述装置(3)之间布置用于将经预热的所述能够产生等离子体的介质(5)与另外的能够产生等离子体的介质(5)混合的腔室(27)。