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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung
unter Atmosphärendruck
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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STAND DER TECHNIK
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Es
ist bekannt, dass eine Plasmabehandlung von Oberflächen die
Haftfähigkeit
verschiedenster Materialien bei einer anschließenden Beschichtung, wie beispielsweise
einer Lackierung, erhöht.
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Aus
der
DE 199 57 775
C1 ist eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung bekannt, mit
der Holz plasmabehandelt wird, wobei das Holz geerdet wird, um als
Gegenelektrode zu der Elektrode mit der dielektrischen Abschirmung,
an die Wechselhochspannung angelegt wird, zu dienen.
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Aus
der
WO 2004/105810
A1 ist es bekannt, lebende Zellen enthaltende biologische
Materialen mit Plasma zu behandeln. Hier wird die Gasentladung zwischen
der mit der dielektrischen Abschirmung versehenen Elektrode und
dem biologischen Material durch die an der Elektrode anliegende Wechselhochspannung
gezündet,
wobei das biologische Material als kapazitive Gegenelektrode zu
der Elektrode mit der dielektrischen Abschirmung dient. Die Elektrode
einschließlich
der sie abdeckenden dielektrischen Abschirmung ist spitz zulaufend
ausgebildet. Die aus der
WO 2004/105810 A1 bekannte Vorrichtung ist
als batterie- oder akkumulatorbetriebenes Handgerät vorgesehen,
wobei ihre Wechselhochspannungsquelle auf Halbleitertechnologie
basiert.
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Wenn
bislang ein Plasma für
eine Oberflächenbehandlung
durch eine dielektrisch behinderte Entladung bei Atmosphärendruck
erzeugt wird, erfolgt dies immer zwischen einer Elektrode mit einer dielektrischen
Abschirmung und einer Gegenelektrode.
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Aus
der
WO 87/07248 A1 ist
eine Vorrichtung zur Behandlung von Objekten unter Anwendung von
elektrischen Hochspannungsentladungen in einem gasförmigen Medium
bekannt. Hier wird eine gleichgerichtete Wechselhochspannung an
eine Elektrode angelegt, die eine Reihe von nadelförmigen Fortsätzen aufweist,
die parallel zueinander verlaufen und einschließlich ihrer Spitzen in ein
Dielektrikum eingebettet sind. Parallel zu den nadelförmigen Fortsätzen verlaufen
Kanäle
durch das Dielektrikum, durch die hindurch sich eine Funkenentladung,
d. h. keine dielektrisch behinderte Gasentladung bis zu der Elektrode
selbst ausbreitet. Die Elektrode wird gegenüber den zu behandelnden Objekten
angeordnet, die elektrisch kontaktiert sind, um eine Gegenelektrode
zu der Elektrode auszubilden.
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Aus
der
WO 02/065820
A1 ist eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung bei Atmosphärendruck bekannt,
die zwei einander gegenüberliegende
Elektrode aufweist. Eine der beiden Elektroden ist geerdet und mit
einer vollflächigen
dielektrischen Abschirmung versehen. Ein Dielektrikum vor der anderen Elektrode,
die an eine Wechselhochspannungsquelle angeschlossen ist, um eine
Wechselhochspannung anzulegen, weist Entladungsspalte auf, in die
von der anderen Elektrode aus Leiterelektroden vorstehen, welche
mit Spitzen versehen sind, die der geerdeten Elektrode zugewandt
sind. Aufgrund der Konzentration der Feldstärke des elektrischen Felds
zwischen den beiden Elektroden an den Spitzen der Leiterelektronen
wird eine Gasentladung in einem zwischen den beiden Elektroden befindlichen
Gas gezündet. Diese
Gasentladung ist nur durch das Dielektrikum vor der geerdeten Elektrode
dielektrisch behindert, da das Dielektrikum vor der an die Wechselhochspannungsquelle
angeschlossenen Elektrode die Entladungsspalte aufweist. Die bekannte
Vorrichtung ist nur zum Einbringen von Gas in den Raum zwischen
den beiden Elektroden vorgesehen. Mit dem in dem Raum zwischen den
Elektroden ausgebildeten Plasma können außerhalb dieses Raums angeordnete
Oberflächen
behandelt werden.
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Aus
der
DE 197 17 698
A1 ist eine Vorrichtung zur Reinigung oder Aktivierung
elektrischer Leiterbahnen und Platinenoberflächen bekannt. Diese Vorrichtung
weist ein Paar von einander gegenüberliegende Elektroden auf,
von denen zumindest eine eine vollflächige dielektrische Abschirmung
aufweist. Dabei sind an der äußeren Oberfläche einer
der Elektroden oder deren dielektrischen Abschirmung Emissionsspitzen
ausgebildet, die das Zünden
einer Gasentladung zwischen den Elektroden erleichtern und die Gasentladung
homogenisieren. Die zu behandelnden Objekte werden bei der bekannten
Vorrichtung zwischen die Elektroden eingebracht, wobei sie auf einer
der Elektroden bzw. deren dielektrischer Abschirmung aufliegen können. Vorzugsweise
weist nur die gegenüberliegende
Elektrode die Emissionsspitzen auf. Die Emissionsspitzen können beispielsweise
durch Ätzen
der entsprechenden Oberfläche eines
dielektrischen Materials ausgebildet werden. Dabei werden Krümmungsradien
der Spitzen von ca. 1 μm
erzielt werden. Allgemein liegen die Krümmungsradien der Emissionsspitzen
zwischen 10 nm und 0,5 mm. Nadel- oder nagelförmige Emissionsspitzen können in
einer Oberflächendichte
zwischen 1 und 100 pro cm
2 vorliegen. Mit
einer Bewegung der zu behandelnden Objekte in den Raum zwischen
den Elektroden ist die Gefahr eines Kontakts der Objekte mit den
in diesen Raum gerichteten scharfkantigen Emissionsspitzen verbunden.
In der Folge dieses Kontakts können
die zu behandelnden Objekte und/oder die Emissionsspitzen beschädigt werden.
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Für die Behandlung
von nur sehr schlecht oder gar nicht elektrisch leitenden Materialien,
wie beispielsweise von Kunststoffen, Gläsern und Steinen oder auch
trockenem Holz, sind die voranstehend beschriebenen Vorrichtungen
nur sehr schlecht oder gar nicht geeignet, weil diese Materialien
nicht effektiv als Gegenelektrode zu der Elektrode mit der dielektrischen
Abschirmung dienen können.
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Vorrichtungen
zur Erzeugung von potentialfreien Plasmen in Form eines Plasmastrahls,
der auch als Plasma-Jet, Plasma-Beam oder Plasma-Blaster bezeichnet
wird, werden kommerziell angeboten. Solche Geräte beruhen auf einer anderen Funktionsweise
als diejenige einer dielektrisch behinderten Entladung. Sie benötigen in
aller Regel einen Netzanschluss, zumindest aber einen Gasanschluss. Zu
dem sind derartige Anlagen sehr kostspielig.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung
bei Atmosphärendruck
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufzuzeigen,
die kostengünstig
bereitstellbar ist, keine scharfkantig angeraute äußere Oberfläche aufweist
und dennoch eine Plasmabehandlung auch von nur sehr schwach oder
gar nicht elektrisch leitenden Materialien ermöglicht.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung bei Atmosphärendruck
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der
neuen Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis
7 beschrieben.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ganz überraschend
hat sich herausgestellt, dass eine dielektrisch behinderte Entladung
auch ohne eine Gegenelektrode hervorgerufen werden kann. Entsprechend
kann die von der Wechselhochspannungsquelle an die Elektrode angelegte
Wechselhochspannung bei der neuen Vorrichtung zur Plasmabehandlung
bei Atmosphärendruck
das Plasma in einem gegenüber
der dielektrischen Abschirmung durch Gas begrenzten Volumen aufrechterhalten.
Zumindest erlischt also das Plasma nicht, wenn bei der neuen Vorrichtung
die Gegenelektrode entfernt wird, so dass sich die Elektrode mit
der dielektrischen Abschirmung in einer nur aus Gas unter Atmosphärendruck
bestehenden Umgebung befindet. Bei einer derartigen neuen Vorrichtung
ist es in aller Regel so, dass die von der Wechselhochspannungsquelle
an die Elektrode angelegte Wechselhochspannung das Plasma in dem
gegenüber
der dielektrischen Abschirmung nur durch Gas begrenzten Volumen
auch zündet.
Das heißt,
mit der neuen Vorrichtung wird eine dielektrisch behinderte Gasentladung in
einer reinen Gasumgebung hervorgerufen, wobei das Gas selbst als
Gegenelektrode dient, wenn man in diesem Zusammenhang überhaupt
von einer Gegenelektrode sprechen will. Ein derart erzeugtes Plasma
kann problemlos auch an Oberflächen
aus nur sehr schwach oder gar nicht elektrisch leitenden Materialien
herangeführt
werden, um diese mit dem Plasma beispielsweise zur Haftungsverbesserung vor
einer Beschichtung zu behandeln.
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Die
Elektrode der neuen Vorrichtung ist eine Flächenelektrode, wobei die von
der Wechselhochspannungsquelle an die Elektrode angelegte Wechselhochspannung
das Plasma über
die gesamte Fläche
der Flächenelektrode
hinweg aufrechterhält. Konkret
kann die entsprechende Fläche
der Flächenelektrode
mindestens 2 cm2 groß sein. Vorzugsweise ist sie
mindestens 4 cm2, noch mehr bevorzugt mindestens
8 cm2 groß. Dennoch wird der Energieverbrauch
der Vorrichtung durch die dielektrische Behinderung der Gasentladung
in vertretbaren Grenzen gehalten.
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Dass
die Elektrode der neuen Vorrichtung vorzugsweise eine Flächenelektrode
ist, steht nicht dazu im Widerspruch, dass sie die Spitzen aufweist, die
dem Gas vor der dielektrischen Abschirmung zugewandt sind. Vielmehr
werden diese Spitzen, d. h. kleine Bereiche der Flächenelektrode
mit kleinem Krümmungsradius
dazu genutzt, um das Plasma auch ohne Gegenelektrode zu zünden bzw.
aufrechtzuerhalten.
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Besonders
bevorzugt sind die Spitzen der Flächenelektrode mit einem Krümmungsradius
von kleiner 100 μm,
vorzugsweise von kleiner als 10,0 μm. Die Höhe der Spitzen kann dabei vergleichsweise
klein sein und weniger als 2 mm, vorzugsweise weniger als 1 mm oder
sogar weniger als 0,5 mm betragen. Das heißt, die Spitzen können als
scharfkantig angeraute Oberfläche
der Elektrode ausgebildet sein. Dabei sind die Spitzen in einer
flächigen
Verteilung also nicht nur als eine einzelne Reihe nebeneinander
geordneter Nadeln vorgesehen. Die Flächendichte der Spitzen kann
eine Größenordnung
von 1 bis 100 pro cm2 aufweisen.
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Eine
weitere bedeutende Maßnahme,
um die neue Vorrichtung bereitzustellen, die ein Plasma ohne eine
Gegenelektrode zündet
bzw. aufrechterhält,
ist es, dass die von der Wechselhochspannungsquelle an die Elektrode
angelegte Wechselhochspannung einen steilen Spannungsanstieg von mindestens
5.000 Volt/μs,
vorzugsweise von mindestens 10.000 V/μs aufweist. Gute Ergebnisse
ergeben sich bei einem Spannungsanstieg von etwa 12.000 V/μs. Dabei
kann der Spannungsanstieg auf mindestens etwa 30.000 V, vorzugsweise
40.000 bis 50.000 V erfolgen.
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Typischer
Weise weist die von der Wechselhochspannungsquelle an die Elektrode
angelegte Wechselhochspannung Spannungspulse mit einer Anstiegszeit
von bis zu 5 μs,
vorzugsweise von weniger als 3 μs,
einer Pulsdauer von unter 10 μs,
vorzugsweise von weniger als 6 μs,
und einer Amplitude von mindestens 30.000 V, vorzugsweise von 40.000 bis
60.000 V, auf. Diese Spannungspulse können wechselnde Vorzeichen
haben, also bipolar sein. Dies ist zwar sehr vorteilhaft, aber nicht
zwingend erforderlich.
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Die
Wiederholungsfrequenz der Spannungspulse der Wechselhochspannungsquelle
kann kleiner als 50.000 Hz sein. Vorzugsweise ist sie sogar kleiner
als 10.000 Hz, besonders bevorzugt kleiner als 1.000 Hz. Das heißt, die
Wiederholungsfrequenz der Spannungspulse ist viel niedriger als
der Kehrwert der Dauer der Spannungspulse. Mit anderen Worten sind
die Spannungspulse oder zumindest bipolare Pulspaare oder Gruppen
von Spannungspulspaaren durch Pausen von einander beabstandet.
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Eine
Wechselhochspannungsquelle, die die hier skizzierte Wechselhochspannung
erzeugen kann, ist auf Basis von Halbleitertechnologie mit Standardbauteilen
in kompakten Abmessungen herstellbar. So ist es möglich, die
gesamte neue Vorrichtung als Handgerät auszubilden, das sogar batterie- oder
akkumulatorbetrieben sein kann. Konkret kann die neue Vorrichtung
die Größe eines
handelsüblichen
Akkuschraubers aufweisen. Damit wird ein sehr kompaktes und mobil
einsetzbares Handgerät
bereitgestellt.
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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.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter
bevorzugter Ausführungsbeispiele
weiter erläutert
und beschrieben.
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1 zeigt
schematisch den Aufbau einer ersten Ausführungsform der neuen Vorrichtung
zur Plasmabehandlung bei Atmosphärendruck
mit deren Elektrode im Querschnitt.
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2 zeigt
die Anwendung eines mit der Vorrichtung gemäß 1 gezündeten Plasmas
auf eine schlecht elektrisch leitende Oberfläche.
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3 skizziert
die Ausbildung der neuen Vorrichtung als akkumulatorbetriebenes
Handgerät; und
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4 zeigt
den Spannungsverlauf einer bei der neuen Vorrichtung an deren Elektrode
angelegten Wechselhochspannung bestehend aus bipolaren Spannungspulspaaren.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die
in 1 gezeigte Vorrichtung 1 dient zur Plasmabehandlung
von hier nicht dargestellten Oberflächen. Die Vorrichtung 1 weist
hierzu eine Elektrode 2 auf, die mit einer dielektrischen
Abschirmung 3 versehen ist. Zu der Elektrode 2 führt eine Hochspannungszuführung 4 mit
einer in die dielektrische Abschirmung 3 übergehenden
elektrischen Isolierung 5. Über die Hochspannungszuführung 4 wird der
Elektrode 2 von einer Wechselhochspannungsquelle 6 eine
Wechselhochspannung zugeführt.
Die Wechselhochspannungsquelle 6 baut auf Halbleiterbauteilen
auf und wird aus einer Energieversorgung 7 mit elektrischer
Energie versorgt, bei der es sich um eine oder mehrere Batterien
oder einen oder mehrere Akkumulatoren oder auch ein Netzgerät handeln kann.
Die Wechselhochspannung, die noch genauer im Zusammenhang mit 7 erläutert
werden wird, weist einen so steilen Spannungsanstieg auf, dass über die
gesamte Vorderfläche
der Vorrichtung 1 eine Gasentladung 9 in einem
Gas 10 unter Atmosphärendruck
in der Umgebung der Elektrode 2 auch ohne die Anwesenheit
einer Gegenelektrode gezündet
und aufrechterhalten wird. Dies beruht darauf, dass die Oberfläche 14 der
Elektrode unter Ausbildung feiner Spitzen mit einem Krümmungsradius
kleiner als 100 μm
ausgebildet ist, in deren Bereich sich das elektrische Feld und
damit auch die Änderung
des elektrischen Felds aufgrund der anliegenden Wechselhochspannung
konzentriert. Dies gilt selbst trotz der hier planen äußeren Oberfläche 15 des
Dielektrikums 3. Die Gasentladung 9 ist dabei
durch die dielektrische Abschirmung 3 dielektrisch behindert,
wodurch die Energieabgabe der Vorrichtung 1 durch die Gasentladung
in sinnvoller Weise begrenzt ist. Die Gasentladung 9 resultiert
in ein Plasma 11 aus reaktiven Komponenten, wie beispielsweise
Radikalen des Gases 10, mit denen eine Oberfläche beispielsweise
für eine
anschließende
Beschichtung aktivierbar ist, um ihre Haftungseigenschaften zu verbessern.
Da die Gasentladung 9 mit der Vorrichtung 1 auch
dann gezündet
werden kann, wenn sich keine Gegenelektrode in der elektrisch relevanten
Umgebung der Elektrode 2 befindet, kann das Plasma 11 mit
der Vorrichtung 1 ganz unabhängig von der elektrischen Leitfähigkeit
einer zu behandelnden Oberfläche
erzeugt und zur Behandlung der Oberfläche verwendet werden.
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2 skizziert
die Behandlung einer Oberfläche 12 eines
Körpers 13 mit
dem Plasma 11, wobei sich die Gasentladung aufgrund der
Anwesenheit der Oberfläche 12 in
der Umgebung der Elektrode 2 auch bei nur geringer elektrischer
Leitfähigkeit
des Materials des Körpers 13 dahingehend
auswirkt, dass sich die Gasentladung 9 und entsprechend
das Plasma 11 auf den Zwischenraum zwischen der Elektrode 2 und
der Oberfläche 12 konzentriert.
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Die
neue Vorrichtung 1 kann als mobiles Handgerät 16 bereitgestellt
werden, wie es in 3 skizziert ist. Hier ist die
Energieversorgung 7 ein Akkumulatorblock, und die Wechselhochspannungsquelle 6 ist
innerhalb eines Gehäuses 17 mit
einem abzugsartigen Betätigungsschalter 18 angeordnet. Beim
Betätigen
des Betätigungsschalters 18 wird
die Wechselhochspannung an die Elektrode 2 angelegt und
unabhängig
davon, ob eine Gegenelektrode vorliegt oder nicht, vor der äußeren Oberfläche 15 der
dielektrischen Abschirmung 3 der Elektrode 2 ein
Plasma gezündet
und solange aufrechterhalten, wie der Betätigungsschalter 18 betätigt bleibt.
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Für das Zünden des
Plasmas 11 auch ohne Gegenelektrode kommt es neben der
Strukturierung der Oberfläche
der Elektrode 2 und/oder ihrer dielektrischen Abschirmung 3 auf
einen hinreichend steilen Spannungsanstieg bei der an die Elektrode 2 angelegten
Wechselhochspannung an. Um diesen zu erreichen, kann die Wechselhochspannung
aus den in 4 skizzierten Spannungspulsen 19 und 20 bestehen,
wobei auf einen positiven Spannungspuls 19, der in wenigen
Mikrosekunden auf eine Spannung von 40.000 bis 50.000 V ansteigt,
direkt ein negativer Spannungspuls 20 folgt, der ungefähr denselben Zeitspannungsverlauf
aufweist wieder Spannungspuls 19, aber ein anderes Vorzeichen.
Hieran schließt sich
eine Pause an, bis ein nächstes
Paar aus Spannungspulsen 19 und 20 an die Elektrode 2 angelegt wird.
Der schnelle Spannungsanstieg erlaubt es, die Gasentladung 9 unabhängig von
einer Gegenelektrode zu zünden,
und die dann sehr schnell umgekehrte Polarität der Spannung erlaubt eine
sich anschließende
Rückzündung der
Gasentladung, wobei die zuvor getrennten Ladungen des Gases quasi
als Gegenelektrode dienen. Die Abstände der bipolaren Spannungspulspaare 19, 20 können eine
Größenordnung
von 1 Millisekunde erreichen, ohne dass alle freien Elektronen des
Plasmas in der Zwischenzeit rekombinieren, bis das Plasma durch
das folgende Spannungspulspaar aus dieser Restionisation wieder
aufgebaut wird.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Elektrode
- 3
- Dielektrische
Abschirmung
- 4
- Hochspannungszuführung
- 5
- Isolierung
- 6
- Wechselhochspannungsquelle
- 7
- Energieversorgung
- 8
- Kante
- 9
- Gasentladung
- 10
- Gas
- 11
- Plasma
- 12
- Oberfläche
- 13
- Körper
- 14
- Oberfläche
- 15
- Oberfläche
- 16
- Handgerät
- 17
- Gehäuse
- 18
- Schalter
- 19
- Spannungspuls
- 20
- Spannungspuls