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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von Material in einen Plasmastrahl, bei dem Material in flüssigem Zustand über Kapillaren in den Plasmastrahl oder in eine zur Plasmaerzeugung dienende Anregungszone zugeführt wird, sowie eine Plasmadüse zur Durchführung dieses Verfahrens, mit einem Gehäuse, das einen von einem Arbeitsgase durchströmten Düsenkanal bildet, wobei in dem Düsenkanal durch eine Anregung des Arbeitsgases ein Plasmastrahl erzeugt wird und wobei mindestens eine mit einem Vorratsbehälter für flüssiges Material verbundene Kapillare in den Düsenkanal mündet.
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Das Verfahren findet beispielsweise Anwendung bei der Plasmabeschichtung von Oberflächen mit Hilfe eines atmosphärischen Plasmas. Das Beschichtungsmaterial wird dann in gasförmigem, flüssigem oder festem Zustand in den Plasmastrahl zugeführt, so dass es sich in der Form eines dünnen Films auf der mit dem Plasmastrahl behandelten Oberfläche abscheidet. Der Plasmastrahl wird erzeugt, indem ein Arbeitsgas in einer Plasmadüse durch eine Anregungszone geleitet wird, in der eine elektrische Entladung stattfindet. Wenn das Material in gasförmigem Zustand zugeführt wird, kann es vorab mit dem Arbeitsgas gemischt und zusammen mit dem Arbeitsgas in die Plasmadüse eingeleitet werden.
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Bei einigen Verfahrensvarianten, insbesondere bei der sogenannten Plasmapolymerisation, besteht das zugeführte Material, das sogenannten Precursormaterial, aus mehreren Komponenten, die erst im Plasma chemisch miteinander reagieren und das gewünschte Beschichtungsmaterial bilden. Wenn das Precursormaterial zusammen mit dem Arbeitsgas zugeführt wird, muss es die gesamte Anregungszone durchqueren. Dabei besteht in einigen Fällen die Gefahr, dass die Reaktionspartner durch die Energie der elektrischen Entladung chemisch zerstört werden, bevor sie in der gewünschten Weise miteinander reagieren können. Um diesen Effekt zu vermeiden, ist es zweckmäßig, das Precursormaterial erst weiter stromabwärts in der Anregungszone oder in den austretenden Plasmastrahl zuzuführen, wie in
DE 299 19 142 U1 gezeigt wird.
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Ein weiteres Anwendungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Plasma-Vorbehandlung von Oberflächen, die mit Flüssigkeiten wie Klebstoffen, Lacken oder dergleichen benetzt werden sollen. Diese Vorbehandlung hat den Zweck, die Benetzbarkeit der Oberfläche zu erhöhen. Durch die Zugabe von Additiven in den Plasmastrahl kann eine solche Vorbehandlung verbessert werden.
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Feste Materialien können mit bekannten Verfahren in Pulverform oder in der Form einer Verbrauchselektrode oder eines durch das Plasma erodierten Stabes in den Plasmastrahl eingebracht werden. Gasförmige und flüssige Materialien werden bisher mit einer Düse in den Plasmastrahl eingeleitet bzw. eingespritzt und ggf. verdampft. All diese bekannten Verfahren sind jedoch relativ aufwendig und erfordern den Einsatz von Hilfsaggregaten wie Pumpen, Gebläsen und dergleichen. Vor allem erweist es sich als schwierig, die Menge des zugeführten Materials geeignet zu dosieren.
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Einen Stand der Technik stellt die
DE 694 18 150 T2 dar, welche ein Verfahren zur Herstellung von Katalysatorpulver in einem Plasmabrenner offenbart. Weiterhin ist aus der
DE 198 25 555 A1 ein Lichtbogen-Plasmagenerator bekannt, bei welchem einem Entladungsraum ein Fluid über einen ersten anodenseitigen Fluidstrom und einen zweiten kathodenseitigen Fluidstrom zugeführt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Einbringen von Material in einen Plasmastrahl anzugeben, das sich einfach durchführen lässt und eine feinfühlige Dosierung des zugeführten Materials ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das flüssige Material aus einem Vorratsbehälter über einen die Kapillaren bildenden Docht zugeführt wird, dessen Ende in den Plasmastrahl oder in die Anregungszone hineinragt.
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An der Stelle, an der die Kapillaren in den Plasmastrahl oder in die Anregungszone münden, wird die Flüssigkeit fortlaufend verdampft, und die verdampfte Flüssigkeit wird aufgrund der Kapillarwirkung kontinuierlich durch Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter ersetzt. Für den Flüssigkeitstransport sind somit keine Hilfsaggregate wie Pumpen oder dergleichen erforderlich. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass sich die Menge der zugeführten Flüssigkeit äußerst feinfühlig dosieren lässt, indem die Anzahl der Kapillaren, deren Querschnitte, die Länge der Kapillar-Leitung und/oder der statische Druck der Flüssigkeit im Vorratsbehälter geeignet gewählt werden.
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Die Kapillaren werden durch einen Docht, beispielsweise in der Form eines Faserbündels gebildet, der mit einem Ende an den Vorratsbehälter für das flüssige Material angeschlossen ist und mit dem anderen Ende in den Plasmastrahl oder die Anregungszone hineinragt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei den Fasern des Dochtes kann es sich um Textilfasern, Kunststofffasern, sowie auch um Fasern aus Metall oder um Glasfasern handeln. Fasern aus Metall, beispielsweise feine Kupferdrähte, haben den Vorteil, dass das in die Plasmazone hineinragende Ende des Dochtes nicht so leicht abbrennt. Beispielsweise kann der Docht einfach durch ein Stück Litze aus Kupferdrähten mit oder ohne isolierende Umhüllung gebildet werden, wie sie für elektrische Leitungen verwendet werden. Für chemisch aggressive Materialien sind Glasfasern besonders geeignet.
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Wenn das stromaufwärtige Ende des Dochtes fest in einem Vorratsbehälter für das flüssige Material angebracht ist, lässt sich eine Feindosierung der zugeführten Materialmenge dadurch erreichen, dass der Füllstand der Flüssigkeit im Vorratsbehälter geregelt wird. Die Höhe dieses Füllstands beeinflusst über den statischen Flüssigkeitsdruck die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit durch den Docht transportiert wird.
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Andererseits ist es möglich, das stromaufwärtige Ende des Dochtes beispielsweise mit Hilfe eines Schwimmers stets bis zu einer konstanten Tiefe in die Flüssigkeit eintauchen zu lassen, so dass der statische Druck vom Füllstand unabhängig ist. Auf diese Weise lässt sich der Materialfluss mit hoher Präzision konstant halten.
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Eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Plasmadüse weist ein Gehäuse auf, das einen von dem Arbeitsgas durchströmten Düsenkanal bildet, indem durch Anregung des Arbeitsgases ein Plasmastrahl erzeugt wird. Beispiele für solche Plasmadüsen werden beschrieben in
DE 195 32 412 C2 ,
DE 29 80 5999 U1 ,
DE 198 47 774 A1 (zum Beschichten oder Vorbehandeln von fadenförmigen Materialien) sowie
DE 299 11 974 U1 . Je nach Anwendungszweck und gewünschter Form des Plasmastrahls kann eine dieser Plasmadüsen für das erfindungsgemäße Verfahren benutzt werden. Die spezielle Anpassung der Plasmadüse an das hier vorgeschlagene Verfahren besteht darin, dass mindestens eine Kapillare in den Düsenkanal mündet und dass die Kapillaren durch einen Docht gebildet werden, der durch eine Bohrung des Gehäuses in den Düsenkanal eintritt.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse der Plasmadüse geerdet. Die Kapillaren können dann auch durch einen Docht aus geflochtenen oder verdrillten Metalldrähten ohne Isolierung gebildet werden, der in eine Bohrung des Gehäuses eingesteckt ist. Durch Verdrallung des Arbeitsgases im Düsenkanal wird die Verdunstung der zugeführten Flüssigkeit an der Mündung des Dochtes begünstigt und eine gleichmäßige Verteilung des verdampften Materials im Arbeitsgas und in dem daraus erzeugten Plasma erreicht.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine axialen Schnitt durch eine Plasmadüse zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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2 einen Schnitt durch einen Docht, der zur Zuführung von flüssigem Material in die Plasmadüse dient.
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Die in 1 dargestellte Plasmadüse weist ein rohrförmiges Gehäuse 10 auf, das einen langgestreckten, am unteren Ende konisch verjüngten Düsenkanal 12 bildet. In den Düsenkanal 12 ist ein elektrisch isolierendes Keramikrohr 14 eingesetzt. Ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft, wird vom in der Zeichnung oberen Ende her in den Düsenkanal 12 zugeführt und mit Hilfe einer in das Keramikrohr 14 eingesetzten Dralleinrichtung 16 so verdrallt, dass es wirbelförmig durch den Düsenkanal 12 strömt, wie in der Zeichnung durch einen schraubenförmigen Pfeil symbolisiert wird. In dem Düsenkanal 12 entsteht so ein Wirbelkern, der längs der Achse des Gehäuses verläuft.
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An der Dralleinrichtung 16 ist eine stiftförmige Elektrode 18 montiert, die koaxial in den Düsenkanal 12 ragt und an die mit Hilfe eines Hochspannungsgenerators 20 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird. Die mit Hilfe des Hochspannungsgenerators 20 erzeugte Spannung liegt in der Größenordnung von einigen Kilovolt und hat beispielsweise eine Frequenz in der Größenordnung von 20 Kilohertz.
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Das aus Metall bestehende Gehäuse 10 ist geerdet und dient als Gegenelektrode, so dass eine elektrische Entladung zwischen der Elektrode 18 und dem Gehäuse 10 hervorgerufen werden kann. Beim Einschalten der Spannung kommt es aufgrund der hohen Frequenz der Wechselspannung und aufgrund der Dielektrizität des Keramikrohres 14 zunächst zu einer Korona-Entladung an der Dralleinrichtung 16 und der Elektrode 18. Durch diese Korona-Entladung wird eine Bogenentladung von der Elektrode 18 zum Gehäuse 10 gezündet. Der Lichtbogen 22 dieser Entladung wird durch das verdrallt einströmende Arbeitsgas mitgenommen und im Kern der wirbelförmigen Gasströmung kanalisiert, so dass der Lichtbogen dann nahezu geradlinig von der Spitze der Elektrode 18 längs der Gehäuseachse verläuft und sich erst im Bereich der Mündung des Gehäuses 10 radial auf die Gehäusewand verzweigt. Im gezeigten Beispiel bildet das Gehäuse 10 am verjüngten Ende des Düsenkanals 12 eine radial nach innen vorspringende Schulter 24, die die eigentliche Gegenelektrode bildet und die sich radial verzweigenden Äste des Lichtbogens 22 aufnimmt. Die Äste rotieren dabei in Drallrichtung der Gasströmung, so dass ein ungleichförmiger Abbrand an der Schulter 24 vermieden wird.
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In die Mündung des Gehäuses 10 ist im gezeigten Beispiel ein zylindrisches Mundstück 26 aus Keramik eingesetzt, dessen axial inneres Ende mit der Schulter 24 bündig ist und unmittelbar von dieser Schulter umgeben ist und dessen Länge deutlich größer ist als der Innendurchmesser. Das von dem Lichtbogen 22 erzeugte Plasma strömt drallförmig durch das Mundstück 26 und wird aufgrund thermischer Ausdehnung beim Durchströmen des Mundstücks 26 beschleunigt und radial aufgeweitet, so dass man einen sehr stark fächerförmig aufgeweiteten Plasmastrahl 28 erhält, der noch um einige Zentimeter über das offene Ende 30 des Mundstücks 26 hinausreicht und dabei in Drallrichtung rotiert.
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Diese Plasmadüse wird zur Plasmabeschichtung oder Plasmapolymerisation eines Substrats 32 eingesetzt. Dazu wird das Precursormaterial über einen Docht 34 zugeführt, der in eine Bohrung 36 des Gehäuses 10 eingesteckt ist, so dass er in der Nähe des verjüngten unteren Endes in den Düsenkanal 12 mündet. Der Docht 34 wird im gezeigten Beispiel durch ein Bündel aus Fasern 38 gebildet, das, wie 2 zeigt, von einer isolierenden Umhüllung 40 aus Kunststoff umgeben ist. In der Praxis kann es sich bei dem Docht 34 einfach um ein auf geeignete Länge geschnittenes Stück isolierter Kupferlitze handeln. Die Fasern 38 werden dann durch die feinen Kupferdrähte der Litze gebildet. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Fasern 38 wirken als Kapillaren 42, über die das flüssige Precursormaterial 44 aus einem Vorratsbehälter 46 in den Düsenkanal 12 eingeleitet wird. Die pro Zeiteinheit eingeleitete Flüssigkeitsmenge ist dann vom Querschnitt und der Anzahl der Kapilaren 42, von der Länge des Dochtes 34 und von der Höhe des Füllstands des Precursormaterials 44 im Vorratsbehälter 46 abhängig.
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Das in der Bohrung 36 aufgenommene Ende des Dochtes 34 kann abisoliert sein, sodass die Kupferadern des Dochtes über das Gehäuse 10 geerdet werden. Die freien Enden der Fasern 38 ragen vorzugsweise etwas in den Düsenkanal 12 hinein und sind aufgefächert, wie in 1 gezeigt ist, so dass die Verdunstung des durch Kapillarwirkung zugeführten Materials begünstigt wird.
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Das drallförmig durch den Düsenkanal 12 strömende Arbeitsgas strömt an der Mündung des Dochtes 34 vorbei und nimmt das verdunstete Material auf, das auf diese Weise gleichmäßig in dem austretenden Plasmastrahl 28 verteilt wird. Wahlweise kann das Ende des Dochtes 34 einen Heizwiderstand, z. B. in der Form einer kleinen Wendel, enthalten, durch die mit Hilfe von in den Docht integrierten, isolierten Zuleitungen ein elektrischer Strom geleitet wird, um die Verdampfung des Materials zu unterstützen.
