DE102006060942A1

DE102006060942A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls

Info

Publication number: DE102006060942A1
Application number: DE102006060942A
Authority: DE
Inventors: Peter FÖRNSEL; Christian Buske
Original assignee: PLASMA TREAT GmbH
Current assignee: PLASMA TREAT GmbH
Priority date: 2006-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2008-06-26
Also published as: DE202007018317U1; WO2008074604A1; EP2130414B1; EP2130414A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls, mit einem Gehäuse (2) und mit mindestens zwei Elektroden (4), wobei das Gehäuse (2) einen Gaseinlass (6) und einen Gasauslass (8) aufweist. Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls anzugeben, welche insbesondere einen platzsparenden Strömungsquerschnitt für das Arbeitsgas im Innern des Gehäuses (2) und damit auch geringe äußere Abmessungen aufweist. Gelöst wird das technische Problem dadurch, dass die mindestens zwei Elektroden (4) in der Seitenwand des Gehäuses (2) integriert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen.
Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 195 32 412 C2 einen Plasmastrahlgenerator mit einer Düse. An der Düsenöffnung befindet sich eine ringförmige Elektrode. Koaxial von der Düsenöffnung in die Düse zurückgesetzt ist eine Stiftelektrode angeordnet. Mittels eines Hochfrequenz-Spannungsgenerators wird eine Bogenentladung zwischen Stiftelektrode und Ringelektrode gezündet. Im Betrieb wird die Plasmadüse von einem Arbeitsgas durchströmt. Das Arbeitsgas wird in der Plasmadüse mittels einer Drallvorrichtung verwirbelt. Die Verwirbelung des Arbeitsgases in der Düse sorgt dafür, dass die Bogenentladung entlang des Wirbelkerns koaxial in der Düse von der Stiftelektrode in Richtung der Düsenöffnung geführt wird, wo sie sich dann auf die ringförmige Elektrode radial verzweigt. Durch die Bogenentladung wird das Arbeitsgas zu einem von der Bogenentladung getrennten Plasmastrahl angeregt, der mit dem verbleibenden Arbeitsgas aus der Düsenöffnung austritt.
Plasmadüsen dieses Typs finden beispielsweise Verwendung bei der Plasmavorbehandlung von Werkstücken. Wenn Werkstücke beschichtet, lackiert oder geklebt werden sollen, ist häufig eine Vorbehandlung erforderlich, um Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen und, insbesondere bei Werkstücken aus Kunststoff, die Molekülstruktur so zu verändern, dass die behandelte Oberfläche mit Flüssigkeiten wie Kleber, Lacken und dergleichen benetzt werden kann. Weiterhin kann mit einer Plasmavorbehandlung die Schweißbarkeit von elektrisch leitfähigen, zur Bildung einer den Schweißprozess behindernden Oberflächenschicht neigenden Werkstücken verbessert werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Plasmavorbehandlung bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann. Eine solche Vorbehandlung bei niedriger Temperatur ist mit einem durch eine Plasmadüse erzeugten Plasmastrahl vorteilhaft durchführbar.
Darüber hinaus können Plasmadüsen des vorstehende beschriebenen Typs bei der Plasmabeschichtung von Werkstücken verwendet werden. Bei der Plasmabeschichtung ist es erforderlich, dem Plasma ein Beschichtungsmaterial bzw. ein Precursormaterial zuzuführen. Additive Materialien mit vorteilhaften Effekten können jedoch auch bei der Plasmavorbehandlung von Werkstücken zur Anwendung kommen. Diese Materialien werden mit dem Plasmastrahl der zu bearbeitenden Oberfläche zugeführt und entfalten dort die durch die Plasmaenergie ausgelöste, gewünschte Wirkung, beispielsweise werden sie auf der Oberfläche in der Form einer Schicht abgeschieden.
Die koaxiale Anordnung einer Stiftelektrode in der Düse und einer Ringelektrode an der Düsenöffnung ist nachteilig, weil in der Regel das die Düse durchströmende, plasmabildende Arbeitsgas verwirbelt wird, um einen definierten Kanal im Wirbelkern bereitzustellen, in dem die Entladung von der Stiftelektrode zur Ringelektrode geführt wird. Durch die Verwirbelung ist ein großer Teil der kinetischen Energie des Arbeitsgases in der Drehbewegung gebunden. Um die Flussrate des aus der Düsenöffnung austretenden Plasmastrahls zu erhöhen, muss die Flussrate des Arbeitsgases in die Düse hinein unverhältnismäßig erhöht werden, weil ein bestimmter Teil der kinetischen Energie in die Drehbewegung des Arbeitsgases umgewandelt wird.
Die Fertigung einer Plasmadüse des vorstehend beschriebenen Typs wird erleichtert, wenn die Ringelektrode an der Düsenöffnung einstückig aus dem Düsengehäuse herausgebildet wird. In diesem Fall besteht das Düsengehäuse aus einem leitfähigen Material und fungiert als Ganzes als Elektrode. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist jedoch, dass der Innenraum der Düse die Stiftelektrode aufnehmen und somit eine bestimmte Querschnittsgröße aufweisen muss.
Zur Erzeugung des Plasmas wird an die Elektroden eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die so hoch sein muss, dass eine Entladung von der Stiftelektrode zur Ringelektrode durch das Arbeitsgas durchschlagen kann und dabei das Arbeitsgas entlang der Entladungsstrecke ionisiert. Dabei wird in der Regel eine solche Länge der Entladungsstrecke gewählt, dass ein mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömendes Arbeitsgas hinreichend lange durch die Entladung ionisiert wird, um eine gewünschte Plasmaintensität zu erreichen. Zur Erzeugung eines sehr plasmaintensiven Strahls sind die Elektroden also weit voneinander beabstandet sein. Doch je weiter die Elektroden voneinander beabstandet sind, desto größer muss der Spannungsunterschied, d. h. die Spannungsamplitude, zwischen den Elektroden sein, um eine Entladung durch das Arbeitsgas zu ermöglichen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Versorgungseinheit, mit der die Spannung erzeugt wird, sowie an alle elektrischen Verbindungen der Plasmadüse.
Unter einem Plasmastrahl wird ein Strahl eines reaktiven Mediums verstanden, der neben neutralen, angeregten Atomen bzw. Molekülen auch ionisierte Atome oder Moleküle aufweist. Die angeregten bzw. ionisierten Teilchen rufen eine starke Wechselwirkung auf der zu behandelnden Oberfläche hervor, wodurch es zu einer Oberflächenvorbehandlung kommt. Dabei wird der Plasmastrahl bevorzugt ohne Übertragung von Entladungsfunken, also potentialfrei auf die Oberfläche übertragen. Jedoch sind auch Anwendungen der Plasmadüse denkbar, bei denen sowohl der Plasmastrahl als auch Entladungsfunken mit der Oberfläche zur Wechselwirkung gebracht werden.
Unter einer hochfrequenten Hochspannung wird beispielsweise eine Wechselspannung mit Polarisationswechseln oder eine gepulste Gleichspannung mit Spannungswerten nur einer Polarität, bei der die Spannungswerte zwischen zwei Extremwerten wechselt, verstanden. Letztlich ist eine gepulste Gleichspannung eine mit einem konstanten Gleichspannungsanteil überlagerte Wechselspannung. Die Frequenz liegt bevorzugt in einem Bereich von 10 kHz bis 100 kHz. Abweichungen von diesem Wertebereich sind jedoch möglich. Die Amplitude der Spannung, gemessen Spitze-zu-Spitze, beträgt dabei ungefähr 1 kV bis 50 kV. Aber auch bei diesen Werten kann es Abweichungen nach oben oder unten geben.
Der Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen anzugeben, die die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise beseitigt.
Weiterhin liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen anzugeben, mit dem die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen effizient eingesetzt werden kann.
Das technische Problem wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls gelöst, mit einem Gehäuse und mit mindestens zwei Elektroden, wobei das Gehäuse einen Gaseinlass und einen Gasauslass aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Elektroden in der Seitenwand des Gehäuses integriert sind.
Im Betrieb der Vorrichtung wird das Gehäuse von einem Arbeitsgas von dem Gaseinlass bis zu dem Gasauslass durchströmt.
Durch die integrale Anordnung von mindestens zwei Elektroden in der Seitenwand des Gehäuses ist eine Verwirbelung des Arbeitsgases beim Durchströmen des Gehäuses nicht mehr notwendig. Die Voraussetzung, einen definierten Entladungskanal zwischen den Elektroden bereitzustellen, entfällt. Durch diese Ausgestaltung der Vorrichtung kann das Arbeitsgas das Gehäuse von dem Gaseinlass bis zu dem Gasauslass in einer Translationsbewegung im Wesentlichen wirbelfrei durchströmen, so dass die kinetische Energie, mit der das Arbeitsgas beim Einströmen durch den Gaseinlass in das Gehäuse versehen ist, der Translationsbewegung des Arbeitsgases durch das Gehäuse und aus dem Gehäuse durch den Gasauslass heraus erhalten bleibt.
Weiterhin muss innerhalb des Gehäuses keine Stiftelektrode mehr koaxial zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases angeordnet werden. Im Gegensatz dazu sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die mindestens zwei Elektroden platzsparend in der Seitenwand des Gehäuses integriert. Dies hat den Vorteil, dass das Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls einen kleineren Strömungsquerschnitt als vergleichbare Plasmadüsen mit koaxial im Düseninnern angeordneter Stiftelektrode benötigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit materialeffizienter gefertigt werden. Außerdem erlaubt eine Vorrichtung mit geringen äußeren Abmessungen den Einsatz in Umgebungen, in denen lediglich ein begrenzter Arbeitsraum zur Verfügung steht.
Ein weiterer Vorteil der integralen Elektrodenanordnung in der Seitenwand des Gehäuses der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls und des daraus hervorgehenden geringen Strömungsquerschnitts des Gehäuses ist, dass der Abstand der Elektroden voneinander gering gehalten werden kann. Dadurch kann die Amplitude der elektrischen Spannung, die an die Elektroden angelegt werden muss, um einen Entladungskanal und damit eine Bogenentladung zwischen den Elektroden zu erzeugen, kleiner gewählt werden. Die Anforderungen an die Spannungsversorgung sowie an die damit verbundenen elektrischen Verbindungen werden somit verringert.
Der Begriff Bogenentladung wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung phänomenologisch als Lichtbogen verstanden. Dies bedeutet, dass die zur Plasmaerzeugung an die Elektroden angelegte Spannung keine kontinuierliche Gleichspannung ist. Vielmehr wird das Plasma, wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt, mit einer hochfrequenten Spannung, insbesondere mit einer hochfrequenten Wechselspannung, erzeugt. Da jedoch dabei die Frequenz der angelegten Spannung so hoch gewählt wird, dass ein Betrachter an Hand der Leuchterscheinungen der Entladung visuell keinen Unterschied zu mit kontinuierlichen Gleichspannungen erzeugten Entladungen feststellen kann, wird in der vorliegenden Anmeldung vereinfachend von einer Bogenentladung gesprochen.
Vorzugsweise sind die mindestens zwei Elektroden quer zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses integriert. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, dass der Abstand zwischen den mindestens zwei Elektroden so gering wie möglich gehalten wird. Somit wird auch die Amplitude der Spannung zur Erzeugung der Entladung so gering wie möglich gehalten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Oberflächen der mindestens zwei Elektroden fluchtend mit der dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Oberfläche der Seitenwand des Gehäuses angeordnet. Durch die fluchtende Anordnung der Elektroden werden Quellen von Gasturbulenz vermieden. Ragen die Elektroden in den Innenraum des Gehäuses hinein oder ist die dem Innenraum des Gehäuses zugewandte Oberfläche der Elektroden von der umgebenden Seitenwand zurückgesetzt angeordnet, so können sich im Übergangsbereich von Seitenwand zu Elektrode Turbulenzwirbel ausbilden, die die Translationsenergie des Arbeitsgases zumindest teilweise in Rotationsenergie und letztlich in Wärme umwandeln und somit die Flussrate des Arbeitsgases senkrecht zum Strömungsquerschnitt aus dem Gasauslass heraus vermindern.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung umfasst der Begriff Arbeitsgas zur Plasmaerzeugung geeignete einkomponentige Gase, beispielsweise Stickstoff, als auch mehrkomponentige Gasmischungen, beispielsweise Luft, Formiergas, CO₂, Acethylen/N₂ Gemisch oder andere beliebige zur Plasmaerzeugung geeignete Gasmischungen.
Das einen Gaseinlass und einen Gasauslass sowie mindestens zwei Elektroden aufweisende Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ist vorzugsweise im Wesentlichen in der Form eines Hohlzylinders ausgebildet. In dieser Ausgestaltung können die mindestens zwei Elektroden quer zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases diametral voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses integriert sein. Weiterhin können der Gaseinlass und der Gasauslass voneinander beabstandet an den einander gegenüber liegenden Stirnflächen des Hohlzylinders angeordnet sein.
Es ist auch möglich, das Gehäuse in der Form eines Hohlquaders auszubilden. Die Ausgestaltung des Gehäuses als Hohlquader ist verpackungstechnisch vorteilhaft, wenn mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen dicht aneinander liegend angeordnet werden.
Die vorstehend genannten Ausgestaltungen des Gehäuses sind allerdings beispielhaft und sollen nicht als Beschränkung verstanden werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Seitenwand des Gehäuses alle Teile des Gehäuses zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass, die sich im Wesentlichen entlang der Strömungsrichtung des Arbeitsgases erstrecken, und wird nur in der Einzahl verwendet, selbst wenn die Form des Gehäuses das Vorhandensein mehrerer Seitenwände, beispielsweise vier Seitenwände bei einem Gehäuse in der Form eines Hohlquaders, nahe legt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Seitenwand des Gehäuses in einer in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases liegenden Querschnittsebene im Bereich des Gasauslasses gekrümmt oder gebogen ausgebildet. Insbesondere ist die Seitenwand des Gehäuses so ausgebildet, dass sich der Strömungsquerschnitt des Gehäuses in Richtung des Gasauslasses verjüngt. Diese Ausgestaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Flussrate des Arbeitsgases durch den Gasauslass aus dem Gehäuse heraus gegenüber der Flussrate des Arbeitsgases in dem Gehäuse erhöht werden soll.
Vorzugsweise ist die Seitenwand des Gehäuses zumindest teilweise aus einem isolierenden Material ausgebildet. Dieses isolierende Material kann ein keramischer Werkstoff oder ein Glas, vorzugsweise ein Quarzglas, sein. Es können jedoch auch beliebige andere isolierende Werkstoffe verwendet werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der die mindestens zwei Elektroden umgebende Bereich der Seitenwand des Gehäuses aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem keramischen Werkstoff oder einem Glas, insbesondere einem Quarzglas, ausgebildet ist.
Durch die zumindest teilweise Ausbildung des Gehäuses aus einem isolierenden Material wird gewährleistet, dass die durch einen Spannungsunterschied zwischen den mindestens zwei Elektroden bewirkte Entladung in einem Kanal zwischen den Elektroden verläuft.
In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung sind die Strömungsquerschnitte des Gaseinlasses und/oder des Gasauslasses kleiner als der Strömungsquerschnitt des Gehäuses. Unter Strömungsquerschnitt des Gaseinlasses bzw. Gasauslasses wird beispielsweise die Kreisfläche eines kreisförmigen Gaseinlasses bzw. Gasauslasses verstanden. Als Strömungsquerschnitt des Gehäuses wird beispielsweise die Fläche des inneren Kreises eines hohlzylinderförmigen Gehäuses verstanden. Im Falle einer hohlquaderförmigen Ausgestaltung des Gehäuses ist unter dem Strömungsquerschnitt des Gehäuses die Fläche eines Rechtecks, insbesondere eines Quadrats, zu verstehen.
Eine Verengung des Strömungsquerschnitts des Gaseinlasses im Vergleich zum Strömungsquerschnitt des Gehäuses ist vorteilhaft, da somit das Arbeitsgas mit einer definierten gerichteten Strömung dem Inneren des Gehäuses zugeführt werden kann. Dadurch lässt sich das Auftreten von Wirbeln, die einen Teil der kinetischen Energie des Arbeitsgases in einer Drehbewegung binden würden, weitgehend vermeiden.
Eine Verengung des Strömungsquerschnitts des Gasauslasses im Vergleich zum Strömungsquerschnitt des Gehäuses ist vorteilhaft, da somit das Arbeitsgas und das darin ausgebildete Plasma fokussiert und zur gezielten Anwendung strahlförmig beispielsweise auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks gerichtet werden können.
Der Gasauslass kann schlitzförmig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn sich die Längsachse des Schlitzes parallel zu der Verbindungslinie zwischen den mindestens zwei Elektroden erstreckt. Durch diese Ausgestaltung des Gasauslasses kann der Plasmastrahl in Längsrichtung des Schlitzes aufgeweitet werden. Damit lässt sich ein größflächiger und dennoch gleichmäßiger Plasmastrahl erzeugen, der beispielsweise zur Plasmabehandlung von Werkstückoberflächen besonders geeignet ist.
In einer in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases liegenden Querschnittsebene kann der Gasauslass auch die Form einer Lavaldüse aufweisen. Das heißt, dass der Strömungsquerschnitt des Gasauslasses sich in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases ausgehend von einem dem Gehäuseinnern zugewandten Bereich verjüngt, bevor sich der Strömungsquerschnitt des Gasauslasses dann von dem schmalsten Bereich zu einem der Umgebung zugewandten Bereich wieder aufweitet. Durch diese Ausgestaltung des Gasauslasses kann die Flussrate des Arbeitsgases und des Plasmas aus dem Gehäuse heraus erhöht werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Abmessung der dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Oberflächen der mindestens zwei Elektroden kleiner ist als die innere Abmessung des Strömungsquerschnitts des Gehäuses. Beispielsweise ist der Durchmesser einer kreisförmigen Elektrode kleiner als der Innendurchmesser eines hohlzylinderförmigen Gehäuses im Strömungsquerschnitt. Dies bedeutet, dass die Elektroden in Richtung des Umfangs des Gehäuses eine geringe Ausdehnung haben. Der Umfang des Gehäuses auf der Höhe der Elektroden ist beispielsweise bei einem Hohlzylinder ein Kreis, während er beispielsweise bei einem Hohlquader ein Rechteck, insbesondere ein Quadrat, ist. Die geringe Ausdehnung der Elektroden dient dazu, den Weg der Entladung möglichst vorzugeben und festzulegen. Bei größeren Abmessungen würde die Bogenentladung dazu tendieren, jeweils nur von einem Teilbereich der Elektrodenfläche zu starten, da Entladungen immer den kürzesten Weg nehmen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind die mindestens zwei Elektroden stabförmig ausgebildet, wobei sich die Längsachsen der Elektroden in der Seitenwand parallel zu der Strömungsrichtung des Arbeitsgases erstrecken. Durch eine Längserstreckung der stabförmigen Elektroden in Strömungsrichtung des Arbeitsgases wird die dem Innenraum des Gehäuses zugewandte Oberfläche der Elektroden vergrößert, so dass das Arbeitsgas über eine größere Fläche der Elektroden hinwegströmen kann. Dadurch wird ein vorteilhafter kühlender Effekt des Arbeitsgases an den Elektroden, der auf Grund der bei einer Gasentladung an den Elektroden auftretenden Erwärmung erwünscht sein kann, verstärkt. Denn die Entladung und somit die Erwärmung findet strömungsabwärts statt.
Vorzugsweise sind der Gaseinlass und das Gehäuse und/oder der Gasauslass und das Gehäuse einstückig ausgebildet. Beispielsweise kann ein Gaseinlass und/oder Gasauslass an einem nach allen Seiten verschlossenen Hohlzylinder dadurch ausgebildet werden, dass an den beiden Stirnseiten eine Bohrung mit gewünschtem Durchmesser vorgenommen wird. Diese Art der einstückigen Ausbildung von Gaseinlass und/oder Gasauslass vereinfacht insbesondere die Fertigung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls.
Es ist jedoch auch möglich, den Gaseinlass und/oder den Gasauslass mit dem Gehäuse mehrstückig auszubilden. Da beispielsweise der Gasauslass im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Plasmadüsen nicht mehr als Gegenelektrode fungieren muss, ist es möglich, den Gasauslass jeweils aus einem Bauteil zu bilden, mit dem sich der Strömungsquerschnitt des Gasauslasses in der Art einer Irisblende verändern lässt. Es ist natürlich auch möglich, den Gaseinlass so auszugestalten, dass sich der Strömungsquerschnitt des Gaseinlasses in der Art einer Irisblende verändern lässt. Diese Ausgestaltung würde somit eine Veränderung der Flussrate und des Strömungsquerschnitts des Arbeitsgases bzw. Plasmastrahls während des Betriebs der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ermöglichen.
In einer weiteren beispielhaften mehrstückigen Ausführung des Gehäuses und des Gasauslasses kann der Gasauslass an dem Gehäuse so ausgebildet sein, dass die Strömungsrichtung des Arbeitsgases durch den Gasauslass aus dem Gehäuse heraus schräg gegen die Strömungsrichtung des Arbeitsgases in dem Gehäuse angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist im Stand der Technik, beispielsweise in der EP 1 067 829 B1 , bei Plasmadüsen bereits bekannt.
Ist dann auch der Gasauslass drehbar an dem drehfesten Gehäuse ausgebildet, lässt sich durch Drehung des Gasauslasses während der Plasmaerzeugung mit einer einzigen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ein großflächiger Bereich beispielsweise eines zu bearbeitenden Werkstücks mit einem Plasmastrahl beaufschlagen. Die Drehung kann dabei aktiv, beispielsweise durch Vorsehen einer Drehvorrichtung am drehbaren Gasauslass, oder passiv, beispielsweise durch den von dem aus dem Gasauslass herausströmenden Arbeitsgas ausgeübten Rückstoß, vorgenommen werden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls mit mindestens einer Zuführungsvorrichtung versehen, mit der mindestens ein Material dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl zugeführt werden kann. Die Zuführung kann dabei aktiv, beispielsweise durch Einspritzen, oder passiv, beispielsweise durch Nutzung eines Kapillareffekts und Verdunstung, erfolgen. Das mindestens eine Material kann sich bei der Zuführung im festen, flüssigen und/oder gasförmigen Zustand befinden. Als Materialien können solche in Betracht kommen, die zur Beschichtung oder zur Plasmapolymerisation geeignet sind. Es kann sich beispielsweise auch um ein Precursormaterial handeln, also ein mehrkomponentiges Material, bei dem die mehreren Komponenten sich erst im Plasmastrahl miteinander zu dem eigentlich gewünschten Material, beispielsweise einem Produkt einer chemischen Reaktion, verbinden. Als weitere Anwendung kann angegeben werden, dass der Plasmadüse Wasserdampf zugesetzt wird, wobei das Wasser des Dampfes der im Plasmastrahl zu Sauerstoff und Wasserstoff umgewandelt wird.
Die mindestens eine Zuführungsvorrichtung kann an der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls so angeordnet sein, dass die Zuführung des mindestens einen Materials im Bereich des Gaseinlasses erfolgt. Die Zuführung kann aber auch in dem Bereich, in dem sich die Bogenentladung manifestiert, erfolgen. Möglich ist auch, die Zuführung im Bereich des Gasauslasses oder auch außerhalb des Gehäuses vorzunehmen. Entscheidend ist, dass das mindestens eine Material mit dem Plasmastrahl in Berührung kommt.
Weiterhin kann die Zuführungsvorrichtung aus einem Abbrandmaterial bestehen. Durch Einwirkung der bei der Plasmaerzeugung auftretenden elektrischen Entladung und der dadurch hervorgerufenen Wärme kann ein Material von einem Abbrandmaterial abgestäubt und somit dem Plasmastrahl zugeführt werden. In diesem Fall müsste das Abbrandmaterial im Bereich, in dem sich die Bogenentladung manifestiert, angeordnet sein. Insbesondere kann das Abbrandmaterial in das Material der Elektroden integriert sein. Das verdampfte Material kann auch durch eine sekundäre Quelle in Strömungsrichtung zugeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls weist die Vorrichtung mindestens eine Spannungsversorgung auf, die mit den mindestens zwei Elektroden verbunden ist. Besonders bevorzugt sind Spannungsversorgungen, mit denen sich eine hochfrequente Spannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung, erzeugen lässt.
Hochfrequente Spannungen, insbesondere hochfrequente Wechselspannungen, werden vorzugsweise bei der Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas eingesetzt. Da der Betrag der Spannungsamplitude bei einer hochfrequenten Spannung in regelmäßigen Zeitabständen einen bestimmten zur Entladungserzeugung notwendigen Wert unterschreitet, verlischt die Entladung, bis dann nachfolgend der Betrag der Spannungsamplitude den bestimmten zur Entladungserzeugung notwendigen Wert wieder überschreitet und sich somit wieder eine Entladung ausbildet. Durch dieses regelmäßige Zünden und Verlöschen der Entladung wird bewirkt, dass nur ein geringer Teil der in der Entladung gebundenen Energie in Wärme umgewandelt werden kann. Somit wird der Temperaturanstieg des Arbeitsgases und ebenso des Plasmas begrenzt. Die hochfrequente Spannung kann somit auch als eine mit einer konstanten Gleichspannung überlagerte Wechselspannung bis hin zu einer gepulsten Gleichspannung ausgebildet sein. Ein wesentlicher Aspekt der hochfrequenten Spannung ist dennoch die hohe Frequenz, nicht dagegen die Polarität der Spannungswerte.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in der Seitenwand des Gehäuses der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls vier Elektroden integriert. Vorzugsweise sind die vier Elektroden quer zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses integriert.
Insbesondere bilden die vier Elektroden zwei Elektrodenpaare, so dass eine erste Verbindungslinie zwischen dem ersten Elektrodenpaar sich mit einer zweiten Verbindungslinie zwischen dem zweiten Elektrodenpaar, vorzugsweise unter einem rechten Winkel, schneidet. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls zwei unabhängige, insbesondere gleichgetaktete, Spannungsversorgungen aufweist, wobei je eine Spannungsversorgung mit je einem Elektrodenpaar verbunden ist. Vorzugsweise sind die beiden Spannungsversorgungen mit einem Taktgeber verbunden.
Das technische Problem wird darüber hinaus mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von mehreren Plasmastrahlen mit mehreren in Reihe angeordneten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls gelöst, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren in Reihe angeordneten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls in Reihe mit mindestens einer Spannungsversorgung elektrisch verbunden sind.
Charakteristisch für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ist, dass mindestens zwei Elektroden in der Seitenwand des Gehäuses integriert sind. Davon ausgehend können mehrere Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls in Reihe angeordnet werden und somit eine Vorrichtung zur Erzeugung von mehreren Plasmastrahlen bilden.
Dabei wurde erkannt, dass diese Reihenanordnung der Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls es auf einfache Weise ermöglicht, die mehreren Vorrichtungen in Reihe mit mindestens einer Spannungsversorgung elektrisch zu verbinden. Wie vorstehend bereits erläutert kann der Abstand der Elektroden innerhalb eines Gehäuses bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls geringer als bei aus dem bisherigen Stand der Technik bekannten Plasmadüsen mit koaxialer Elektrode ausfallen. Daher ist es möglich, mit der durch die Spannungsversorgung erzeugte Spannung mehrere in Reihe geschaltete Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls zu betreiben. Auf diese Weise kann man eine Reihe von gleichartigen Plasmastrahlen mit vorteilhafterweise einer einzigen Spannungsversorgung erzeugen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen liegen die Gasauslässe aller der in Reihe angeordneten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls in einer Ebene. In dieser Ausgestaltung ist die Reihenschaltung besonders einfach, da die einander zugewandten Elektroden der aneinander anliegenden Vorrichtungen unmittelbar benachbart sind und damit auf kurzem Weg elektrisch verbunden werden können. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Elektroden aller der in Reihe angeordneten Vorrichtungen auf einer Geraden liegen.
Mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder eine Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen, wie sie vorstehend beschrieben wurden, können weiterhin exzentrisch an einem Rotationskopf angeordnet werden. Eine solche Anordnung ist im Stand der Technik, beispielsweise in der EP 0 986 939 B1 , bereits bekannt. Mit dieser Anordnung lässt sich bei entsprechender Einstellung der Rotation und Translation des Rotationskopfs eine zeitsparende und trotzdem effiziente Plasmabehandlung größerer Oberflächen verwirklichen.
Weiterhin wird das technische Problem durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls gelöst, bei dem ein Gehäuse von einem Arbeitsgas von einem Gaseinlass bis zu einem Gasauslass, insbesondere im Wesentlichen wirbelfrei, durchströmt wird, bei dem mittels Anlegen einer hochfrequenten Spannung, insbesondere einer hochfrequenten Wechselspannung, an mindestens zwei in der Seitenwand des Gehäuses integrierte Elektroden eine Bogenentladung in dem Arbeitsgas zwischen den mindestens zwei Elektroden erzeugt wird, und bei dem das Arbeitsgas durch die Bogenentladung zumindest teilweise zu einem Plasmastrahl angeregt wird.
Besonders bevorzugt wird bei dem Verfahren das Gehäuse von dem Arbeitsgas von dem Gaseinlass bis zu dem Gasauslass im Wesentlichen wirbelfrei durchströmt. Dadurch bleibt die kinetische Energie, mit der das Arbeitsgas beim Einströmen durch den Gaseinlass in das Gehäuse versehen ist, der Translationsbewegung des Arbeitsgases durch das Gehäuse und aus dem Gehäuse durch den Gasauslass heraus erhalten und wird nicht in einer Drehbewegung des Arbeitsgases gebunden. Dieses Ausgestaltung des Verfahrens vereinfacht insbesondere das Einstellen einer bestimmten Flussrate des Plasmastrahls, die hierbei unmittelbar über die Flussrate des durch den Gaseinlass in das Gehäuse einströmenden Arbeitsgases geregelt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erzeugung eines Plasmastrahls wird die Bogenentladung durch den Fluss des Arbeitsgases in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses hin verformt. Insbesondere kann die Bogenentladung durch den Fluss des Arbeitsgases zumindest teilweise gleitend an der inneren Seitenwand des Gehäuses in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses verformt werden.
Bei einer weitgehend wirbelfreien Strömung des Arbeitsgases, das heißt, bei einer annähernd laminaren Strömung des Arbeitsgases in dem Gehäuse, wird der Lichtbogen durch den Fluss des Arbeitsgases in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses im Wesentlichen zu einem parabelähnlichen Bogen verformt. Im Extremfall gleitet dabei die Bogenentladung zumindest teilweise an der inneren Seitenwand des Gehäuses entlang. Weiterhin kann die Spitze des Bogens der Bogenentladung sogar durch den Gasauslass aus der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls herausragen. Bevorzugt ist jedoch, wenn die Spitze des Bogens der Bogenentladung durch den Gasauslass aus der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls nicht herausragt, damit sich keine Entladungskanäle zwischen dem Lichtbogen und dem zu bearbeitenden Werkstück ausbilden, die das Werkstück nachteilig beeinflussen könnten. Es soll also bei bestimmten Anwendungen des Verfahrens ein lichtbogenfreier, also potentialfreier, Plasmastrahl erzeugt werden.
Die Verformung des Lichtbogens wird dadurch bewirkt, dass die durch die Entladung ionisierten Moleküle des Arbeitsgases durch den Fluss des Arbeitsgases in Strömungsrichtung auf den Gasauslass hin bewegt werden. Da in dem ionisierten Bereich des Arbeitsgases der elektrische Widerstand geringer ist als in dem nicht-ionisierten Bereich des Arbeitsgases bilden sich die hochfrequent aufeinander folgenden Entladungen bevorzugt in dem Bereich aus, der schon bei einer vorhergehenden Entladung zumindest teilweise ionisiert worden war.
In dem Gehäuse bildet sich dabei keine ideale laminare Strömung des Arbeitsgases aus, da durch die zumindest teilweise Ionisierung des Arbeitsgases Wärme in dem Arbeitsgas freigesetzt wird, die zumindest zu kleinskaligen Verwirbelungen und außerdem zumindest zu kleinskaligen Druckdifferenzen in dem Arbeitsgas führt. Demzufolge nimmt auch der verformte Lichtbogen keine ideale Parabelform an, sondern unterliegt unregelmäßigen Formänderungen, die durch die kleinskaligen Wirbel und Druckdifferenzen sowie durch die von der Geometrie des Gehäuses vorgegebenen Strömungsverhältnisse verursacht werden. Ein weiterer Effekt kann zu der Verformung des Lichtbogens führen. Der den Lichtbogen enthaltende Bereich des Arbeitsgases wird erwärmt und dehnt sich dadurch aus. Somit entstehen für die Erzeugung eines Lichtbogens vorteilhafte niedrigere Drücke. Dadurch hat der Lichtbogen die Tendenz in Bereiche niedrigen Druckes, also Bereiche höherer Temperatur, auszuweichen. Dies geschieht dann in Richtung der Seitenwand.
Es ist weiterhin möglich, dass die Bogenentladung durch den Fluss des Arbeitsgases zumindest teilweise gleitend an der inneren Seitenwand des Gehäuses in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses verformt wird, weil das zwischen den Elektroden angelegte elektrische Feld durch die unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften des Arbeitsgases und des Gehäusematerials verzerrt wird. Es ist dabei nicht erforderlich, dass das Gehäuse als Ganzes aus einem isolierenden Material ausgebildet ist. Vielmehr ist es ausreichend, wenn die Elektroden von einem isolierenden Material umgeben sind. Die anderen Bereiche können dann auch aus leitfähigen Materialien, beispielsweise Metallen, ausgebildet sein. In diesem Fall ist zu beachten, dass der beispielsweise metallisch ausgebildete Teil des Gehäuses nicht mit der Masse verbunden oder geerdet ist, so dass über den metallisch ausgebildeten Teil des Gehäuses keine Ladungsträger abführbar sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl mittels mindestens einer Zuführungsvorrichtung mindestens ein Material, insbesondere ein Beschichtungsmaterial oder Precursormaterial, zugeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden an zwei in der Seitenwand des Gehäuses integrierte Elektrodenpaare zwei unabhängige hochfrequente Spannungen angelegt. Vorzugsweise sind diese beiden unabhängigen hochfrequenten Spannungen gleichgetaktet und dabei insbesondere mit einem Phasenunterschied versehen. Der Phasenunterschied beträgt vorzugsweise im Wesentlichen 90°.
Durch das Vorsehen zweier Elektrodenpaare, die so angeordnet sind, dass ihre Verbindungslinien rechtwinklig zueinander verlaufen, lässt sich eine hohe Plasmaintensität bei gleichzeitiger Beibehaltung der nicht-thermischen Eigenschaft des Plasmas erreichen. Der bevorzugte Phasenunterschied von im Wesentlichen 90° zwischen den beiden hochfrequenten Spannungen ist dabei so gewählt, dass, wenn der Lichtbogen zwischen dem ersten Elektrodenpaar verlischt, weil die Spannungsamplitude der ersten Spannungsversorgung einen bestimmten Betrag unterschreitet, der Lichtbogen zwischen dem zweiten Elektrodenpaar erzeugt wird, weil die Spannungsamplitude der zweiten Spannungsversorgung einen bestimmten Betrag überschreitet. Somit ist gewährleistet, dass die beiden Spannungsversorgungen unabhängig voneinander jeweils im Wechsel eine Bogenentladung und damit ein Plasma in dem Arbeitsgas erzeugen. Diese Ausgestaltung des Verfahrens kann auch mit mehr als zwei Paaren von Elektroden erweitert werden.
Das technische Problem wird außerdem durch ein Verfahren zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen gelöst, bei dem die mehreren Gehäuse der Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls von einem Arbeitsgas von dem jeweiligen Gaseinlass bis zu dem jeweiligen Gasauslass, insbesondere im Wesentlichen wirbelfrei, durchströmt werden, bei dem mittels Anlegen einer hochfrequenten Spannung, insbesondere einer hochfrequenten Wechselspannung, an die in Reihe angeordneten Elektroden jeweils eine Bogenentladung in dem Arbeitsgas zwischen den mindestens zwei Elektroden jedes Gehäuses erzeugt wird, und bei dem das Arbeitsgas durch die Bogenentladungen zumindest teilweise zu einem Plasma angeregt wird.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden die mehreren Bogenentladungen durch den Fluss des Arbeitsgases, insbesondere zumindest teilweise gleitend an den inneren Seitenwänden der mehreren Gehäuse, in Richtung auf den Bereich der jeweiligen Gasauslässe verformt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dem Arbeitsgas und/oder den Plasmastrahlen mittels mindestens einer Zuführungsvorrichtung mindestens ein Material, insbesondere ein Beschichtungsmaterial oder Precursormaterial, zugeführt.
Ein Plasmastrahl, der durch die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren erzeugt wurde, kann beispielsweise bei der Entschichtung von Oberflächen eines Werkstücks verwendet werden. Beispielsweise kann mit einem solchen Plasmastrahl eine Schicht aus organischem Material, beispielsweise eine Lackschicht, von einer Oberfläche eines Werkstücks entfernt werden. Dabei wird der organische Stoff, vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen, pyrolysiert und/oder sublimiert. Es ist aber auch möglich, anorganische Schichten mit einem solchen Plasmastrahl zu entfernen.
Weiterhin kann ein Plasmastrahl, der durch die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren erzeugt wurde, auch zur Vorbehandlung der Oberflächen von Werkstücken verwendet werden. Beispielsweise können die Klebeeigenschaften und/oder die Benetzbarkeit der Oberfläche eines Werkstücks verbessert werden, insbesondere kann die Oberfläche aktiviert werden. Die Vorbehandlung mit solch einem Plasmastrahl kann auch verwendet werden, um die Verschweißbarkeit eines Werkstücks, insbesondere eines mit einer Oxidschicht/Hydroxidschicht versehenen Metallstücks oder Metalllegierungsstücks, zu verbessern.
Eine weitere mögliche Anwendung eines mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren erzeugten Plasmastrahls ist die Reinigung, Desinfizierung oder auch Sterilisation von Oberflächen. Durch die Anwendung eines solchen Plasmastrahls wird ein reaktives Medium mit der Oberfläche in Berührung gebracht. Das Plasma als reaktives Medium weist eine hohe Reaktivität aufgrund hoher Elektronenanregung auf, kann aber trotzdem auch eine nicht-thermische Eigenschaft haben. Die hohe Reaktivität kann beispielsweise zur Reinigung oder auch zur Entkeimung der Oberfläche genutzt werden. Bei der Behandlung mit einem Plasmastrahl werden die auf der zu bearbeitenden Oberfläche vorhandenen Keime auf Grund der Elektronenreaktivität zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend, abgetötet. Bei einer nicht-thermischen Eigenschaft des Plasmas wird dabei gleichzeitig die thermische Beanspruchung der Oberfläche gering gehalten. Somit eröffnen sich Anwendungen für den Plasmastrahl beispielsweise im medizinischen oder lebensmitteltechnischen Bereich.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls im Seitenquerschnitt,
2a–d vier beispielhafte Ansichten des Strömungsquerschnitts einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls mit einer Zuführungsvorrichtung im Seitenquerschnitt,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls mit einer Zuführungsvorrichtung im Seitenquerschnitt, und
5 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen mit vier in Reihe angeordneten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls im Seitenquerschnitt.
1 zeigt den Seitenquerschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls. Die Vorrichtung umfasst ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Gehäuse 2, das aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet ist. An diesem Gehäuse 2 sind ein Gaseinlass 6 und ein Gasauslass 8 angeordnet. Der Gaseinlass 6 ist in diesem Beispiel mehrstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet, und weist beispielsweise eine Ringscheibe aus Keramik auf, die bündig an der inneren Seitenwand des Gehäuses 2 angeordnet ist, und deren innere Ringöffnung so bemessen ist, dass sie den Strömungsquerschnitt des Gaseinlasses 6 im Vergleich zum Strömungsquerschnitt des Gehäuses 2 verengt. Der Gasauslass 8 ist in diesem Beispiel einstückig mit dem Gehäuse 2 durch eine mittige kreisrunde Bohrung in der dem Gaseinlass 6 abgewandten Stirnseite des Gehäuses 2 ausgebildet. Die Bohrung kann beispielsweise einen Durchmesser von 2,5 mm bis 4 mm aufweisen. In dem Bereich der Seitenwand des Gehäuses 2 zwischen dem Gaseinlass 6 und dem Gasauslass 8 sind zwei Elektroden 4 diametral voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert. Die Elektroden bestehen dabei bevorzugt aus einer Kupferlegierung. Die dem Innenraum 22 des Gehäuses 2 zugewandten Oberflächen der beiden Elektroden 4 sind dabei fluchtend mit der umgebenden inneren Seitenwand des Gehäuses 2 angeordnet, so dass sich an der inneren Seitenwand des Gehäuses 2 eine im Wesentlichen plane Oberfläche ausbildet. Die beiden Elektroden 4 sind mit einer Spannungsversorgung 12 elektrisch verbunden, mit der eine hochfrequente Spannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung, erzeugt werden kann. Der Strömungsquerschnitt des Gehäuses 2 verjüngt sich von dem Bereich, in dem die beiden Elektroden 4 angeordnet sind, bis zu dem Bereich des Gasauslasses 8 dadurch, dass die Seitenwand des Gehäuses 2 in diesem Abschnitt gebogen ausgebildet ist.
Im Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls gemäß der 1 wird ein Arbeitsgas 10, beispielsweise Luft, durch den Gaseinlass 6 in das Gehäuse 2 eingeleitet, durchströmt das Gehäuse 2 weitgehend parallel zur Achse des Hohlzylinders und tritt dann fokussiert durch den Gasauslass 8 aus dem Gehäuse 2 heraus. Zwischen den beiden Elektroden 4 wird mittels der Spannungsversorgung 12 eine hochfrequente elektrische Spannung angelegt, wobei die Frequenz insbesondere etwa Werte in der Größenordnung von 1 kHz bis 100 kHz umfasst, während die Spannungswerte, gemessen Spitze-zu-Spitze, größenordnungsmäßig etwa 0,5 kV bis 30 kV betragen. Die Spannung sorgt dafür, dass sich ein Lichtbogen 16 in dem Arbeitsgas 10 zwischen den Elektroden 4 ausbildet, entlang dessen das Arbeitsgas 10 zumindest teilweise ionisiert und somit zu einem Plasma 14 angeregt wird. Durch den Fluss des Arbeitsgases 10 durch das Gehäuse 2 wird der ionisierte Teil des Arbeitsgases 10, der in dem Arbeitsgas 10 den geringsten elektrischen Widerstand aufweist, in Richtung auf den Gasauslass 8 verformt, so dass sich ein entsprechend verformter Lichtbogen 16 ausbildet. Da der Fluss des Arbeitsgases 10 durch das Gehäuse 2 nicht ideal homogen verteilt ist, ist es möglich, dass sich neben einem Hauptlichtbogen auch mehrere kleinere Lichtbögen ausbilden, entlang derer zumindest kleinere Teilentladungen verlaufen. Diese kleineren Lichtbögen werden in der 1 durch zwei dem Hauptlichtbogen benachbarte schmalere Lichtbögen dargestellt. Das entlang des Lichtbogens 16 gebildete Plasma 14 wird dann durch den Fluss des Arbeitsgases 10 strahlförmig, also als gerichteter und gebündelter Plasmastrahl, aus dem Gasauslass 8 herausgeführt. Wie sich aus dieser Darstellung ergibt, findet also eine Trennung vom stromführenden Lichtbogen und vom potentialfreien Plasmastrahl statt. Somit kann bei einer Oberflächenbehandlung eine direkte Beaufschlagung der Oberfläche durch den Lichtbogen vermieden werden.
2a zeigt einen Strömungsquerschnitt des im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Gehäuses 2 im Bereich, in dem die beiden Elektroden 4 in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert sind. Die Elektroden 4 sind diametral voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses 2 angeordnet. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Ausdehnung der Elektroden 4 entlang des Umfangs des Gehäuses 2, hier entlang eines Kreisumfangs, klein ist gegen den Umfang selbst. Auf diese Weise lässt sich die Grundfläche des Lichtbogens 16 an den Elektroden 4 gering halten.
2b zeigt einen Strömungsquerschnitt eines Gehäuses 2 im Bereich der Elektroden 4, wobei das Gehäuse 2 in diesem Beispiel im Wesentlichen hohlquaderförmig ausgebildet ist.
2c zeigt einen Strömungsquerschnitt eines hohlzylinderförmigen Gehäuses 2 im Bereich der Elektroden 4, bei dem insgesamt vier Elektroden in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert sind. Zwei diametral voneinander beabstandete Elektroden 4a, b bilden jeweils ein Elektrodenpaar. Die Elektrodenpaare sind dabei so angeordnet, dass eine erste Verbindungslinie 18a zwischen dem ersten Elektrodenpaar senkrecht zu einer zweiten Verbindungslinie 18b zwischen dem zweiten Elektrodenpaar verläuft. Weiterhin sind an der Vorrichtung zwei unabhängige, insbesondere gleichgetaktete, Spannungsversorgungen 12a–b vorgesehen, die mit je einem Elektrodenpaar elektrisch verbunden sind.
2d zeigt eine der 2c vergleichbare Anordnung mit einem im Wesentlichen hohlquaderförmigen Gehäuse 2. Die Elektroden 4 sind dabei mittig an den einander gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuses 2 angeordnet. Diese mittige Anordnung ist jedoch als beispielhaft zu verstehen.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ähnlich dem aus 1. Der Unterschied besteht darin, dass die Vorrichtung mit einer Zuführungsvorrichtung 20 versehen ist, mit der ein Material dem Arbeitsgas 10 und/oder dem Plasmastrahl 14 zugeführt werden kann. In diesem Beispiel umfasst die Zuführungsvorrichtung 20 ein gewinkeltes Rohr, dessen eines abgewinkeltes Rohrende koaxial in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases 10 in das Gehäuse 2 hineinragt.
Mittels dieses gewinkelten Rohres lässt sich beispielsweise ein Material im gasförmigen Zustand dem Arbeitsgas 10 und/oder dem Plasmastrahl 14 zuführen. In diesem Beispiel ist das gewinkelte Rohr an dem dem Gehäuse 2 abgewandten Rohrende beispielsweise mit einem nicht dargestellten Druckregler und einer das gewünschte Material im gasförmigen Zustand enthaltenden, nicht dargestellten Druckgasflasche verbunden.
Es ist auch möglich, mittels des gewinkelten Rohres ein Material im flüssigen Zustand zuzuführen. In diesem Beispiel ist das dem Gehäuse 2 abgewandte Rohrende beispielsweise mit einer nicht dargestellten Pumpe und einem das gewünschte Material im flüssigen Zustand enthaltenden, nicht dargestellten Vorratsbehälter verbunden. Mit der Pumpe kann dann das Material dem Arbeitsgas 10 oder dem Plasmastrahl 14 zugeführt werden. Weiterhin weist in diesem Fall das gewinkelte Rohr an seinem in dem Gehäuse 2 angeordneten abgewinkelten Rohrende vorzugsweise eine nicht dargestellte Zerstäubungsvorrichtung auf, beispielsweise ein engmaschiges Gitter, damit das Material im flüssigen Zustand bei der Zuführung in das Arbeitsgas 10 oder den Plasmastrahl 14 zerstäubt werden kann.
In dem in 3 gezeigten Beispiel wird das Material in dem Gehäuse 2 in dem Bereich unmittelbar vor dem Gasauslass 8 zugeführt. Es ist jedoch auch möglich, die Zuführungsvorrichtung 20 im Bereich des Gaseinlasses 6 anzuordnen. Weiterhin ist es möglich, die Zuführungsvorrichtung 20 ganz außerhalb des Gehäuses 2 in dem Bereich, in dem der Plasmastrahl 14 austritt, anzuordnen.
4 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls mit einer Zuführungsvorrichtung 20 ähnlich der aus 3. Der Unterschied besteht in der Ausgestaltung der Zuführungsvorrichtung 20. In diesem Beispiel umfasst die Zuführungsvorrichtung 20 ein Kapillarsystem, beispielsweise einen Docht, das mit seinem einen Ende mit einem Vorratsbehälter 24 verbunden ist. Der Vorratsbehälter 24 enthält ein Material im flüssigen Zustand, das dem Arbeitsgas 10 und/oder dem Plasmastrahl 14 zugeführt werden soll. Das dem Vorratsbehälter 24 abgewandte Ende des Kapillarsystems ist in einer Öffnung in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert und ragt zumindest teilweise in den Innenraum 22 des Gehäuses 2 hinein. Mit dieser Zuführungsvorrichtung 20 ist es möglich, ein Material im flüssigen Zustand vom Vorratsbehälter 24 über das Kapillarsystem mit Hilfe der Kapillarkräfte dem dem Vorratsbehälter 24 abgewandten Ende des Kapillarsystems zuzuführen, wo es dann in den Innenraum 22 des Gehäuses 2 hinein verdunsten kann.
Auch hier ist die Zuführungsvorrichtung 20 so angeordnet, dass das Material im flüssigen Zustand im Bereich des Gasauslasses 8 dem Arbeitsgas 10 und/oder dem Plasmastrahl 14 zugeführt wird. Auch hier gilt, dass die Zuführungsvorrichtung 20 in anderen Bereichen innerhalb oder auch außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet werden kann.
5 zeigt vier in 1 beschriebene, in Reihe angeordnete Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls. Die vier Gehäuse 2a–d sind dabei so angeordnet, dass die jeweiligen Gasauslässe 8a–d in einer Ebene und die jeweiligen Elektroden 4a–d auf einer Geraden liegen. Die in unterschiedlichen Gehäusen 2a–d integrierten, einander zugewandten Elektroden 4a–4b, 4b–4c und 4c–4d bilden drei Elektrodenpaare und sind unmittelbar benachbart. Die der Umgebung der Vorrichtung zugewandten beiden Elektroden 4a und 4d sind elektrisch mit einer Spannungsversorgung 12 verbunden. Darüber hinaus sind die einander zugewandten Elektrodenpaare elektrisch miteinander verbunden, so dass eine Reihenschaltung der vier Vorrichtungen bewirkt wird. Durch Anlegen einer Spannung an die beiden äußeren Elektroden 4a und 4d werden Bogenentladungen 16a–d in jedem Gehäuse 2a–d erzeugt. Durch den Spannungsabfall zwischen den in einem Gehäuse 2 integrierten Elektroden 4 muss die Spannungsamplitude in diesem Beispiel im Wesentlichen viermal so groß gewählt werden wie bei einem einzelnen beispielsweise in 1 beschriebenen Gehäuse 2, um die Entladungsbedingung in jedem Gehäuse 2a–d zu erfüllen. Die die Gaseinlässe 6a–d aufweisenden Enden der Gehäuse 2a–d sind mit einem Gaskanal 26 verbunden, der zu den Gaseinlässen 6a–d korrespondierende Öffnungen aufweist. Über diesen Gaskanal 26 wird den in Reihe angeordneten Vorrichtungen ein Arbeitsgas 10a–d zugeführt.
Es ist auch bei einer Reihenanordnung der Vorrichtungen möglich, diese mit mindestens einer aus der vorstehenden Beschreibung hervorgehenden Zuführungsvorrichtung 20 zu versehen. Insbesondere können mehrere Zuführungsvorrichtungen 20 zur Zuführung unterschiedlicher Materialien in das Arbeitsgas 10a–d oder den Plasmastrahl 14a–d verwendet werden.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls, – mit einem Gehäuse (2) und – mit mindestens zwei Elektroden (4), – wobei das Gehäuse (2) einen Gaseinlass (6) und einen Gasauslass (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die mindestens zwei Elektroden (4) in der Seitenwand des Gehäuses (2) integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Elektroden (4) quer zur Strömungsrichtung eines Arbeitsgases (10) voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses (2) integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Innenraum (22) des Gehäuses (2) zugewandten Oberflächen der mindestens zwei Elektroden (4) fluchtend mit der dem Innenraum (22) des Gehäuses (2) zugewandten Oberfläche der Seitenwand des Gehäuses (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) im Wesentlichen hohlquaderförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand des Gehäuses (2) in einer in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases (10) liegenden Querschnittsebene im Bereich des Gasauslasses (8) gekrümmt oder gebogen ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand des Gehäuses (2) zumindest teilweise, insbesondere im die mindestens zwei Elektroden (4) umgebenden Bereich der Seitenwand des Gehäuses (2), aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem keramischen Werkstoff oder einem Glas, insbesondere Quarzglas, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt des Gaseinlasses (6) und/oder der Strömungsquerschnitt des Gasauslasses (8) kleiner ist als der Strömungsquerschnitt des Gehäuses (2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasauslass (8) schlitzförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Längsachse des Schlitzes parallel zu der Verbindungslinie zwischen den mindestens zwei Elektroden (4) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung der dem Innenraum (22) des Gehäuses (2) zugewandten Oberflächen der mindestens zwei Elektroden (4) kleiner als die innere Abmessung des Strömungsquerschnitts des Gehäuses (2) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Elektroden (4) stabförmig ausgebildet sind, wobei sich die Längsachsen der Elektroden (4) in der Seitenwand parallel zu der Strömungsrichtung des Arbeitsgases (10) erstrecken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseinlass (6) und das Gehäuse (2) und/oder der Gasauslass (8) und das Gehäuse (2) einstückig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Zuführungsvorrichtung (20) vorgesehen ist, mit der mindestens ein Material, insbesondere ein Beschichtungsmaterial oder Precursormaterial, dem Arbeitsgas (10) und/oder dem Plasmastrahl (14) zugeführt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Spannungversorgung (12) aufweist, die mit den mindestens zwei Elektroden (4) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass durch die mindestens eine Spannungsversorgung (12) eine hochfrequente Spannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung, erzeugbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in der Seitenwand des Gehäuses (2) vier Elektroden (4) integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Elektroden (4) quer zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases (10) voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses (2) integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Elektroden (4) zwei Elektrodenpaare bilden, so dass eine erste Verbindungslinie (18a) zwischen dem ersten Elektrodenpaar sich mit einer zweiten Verbindungslinie (18b) zwischen dem zweiten Elektrodenpaar, vorzugsweise unter einem rechten Winkel, schneidet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei unabhängige, insbesondere gleichgetaktete, Spannungsversorgungen (12) aufweist, wobei je eine Spannungsversorgung (12) mit je einem Elektrodenpaar verbunden ist.
Vorrichtung zur Erzeugung von mehreren Plasmastrahlen, – mit mehreren in Reihe angeordneten Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, – dass die mehreren in Reihe angeordneten Vorrichtungen in Reihe mit mindestens einer Spannungsversorgung (12) elektrisch verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasauslässe (8a–d) aller der in Reihe angeordneten Vorrichtungen in einer Ebene liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4a–d) aller der in Reihe angeordneten Vorrichtungen auf einer Geraden liegen.
Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls mittels einer in den Ansprüchen 1 bis 20 beschriebenen Vorrichtung, – bei dem ein Gehäuse (2) von einem Arbeitsgas (10) von einem Gaseinlass (6) bis zu einem Gasauslass (8) durchströmt wird, – bei dem mittels Anlegen einer hochfrequenten Spannung an mindestens zwei in der Seitenwand des Gehäuses (2) integrierten Elektroden (4) eine Bogenentladung (16) in dem Arbeitsgas (10) zwischen den mindestens zwei Elektroden (4) erzeugt wird, und – bei dem das Arbeitsgas (10) durch die Bogenentladung (16) zumindest teilweise zu einem Plasmastrahl (14) angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das Gehäuse (2) von dem Arbeitsgas (10) von dem Gaseinlass (6) bis zu dem Gasauslass (8) im Wesentlichen wirbelfrei durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, bei dem die Bogenentladung (16) durch den Fluss des Arbeitsgases (10) in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses (8) verformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, bei dem die Bogenentladung (16) durch den Fluss des Arbeitsgases (10) zumindest teilweise gleitend an der inneren Seitenwand des Gehäuses (2) in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses (8) verformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, bei dem mindestens ein Material, insbesondere ein Beschichtungsmaterial oder Precursormaterial, mittels mindestens einer Zuführungsvorrichtung (20) dem Arbeitsgas (10) und/oder dem Plasmastrahl (14) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, bei dem an zwei in der Seitenwand des Gehäuses (2) integrierte Elektrodenpaare zwei unabhängige, insbesondere gleichgetaktete, hochfrequente Spannungen angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 29, bei dem ein Phasenunterschied, insbesondere im Wesentlichen von 90°, zwischen den beiden hochfrequenten Spannungen vorgesehen ist.
Verfahren zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen mittels einer in den Ansprüchen 21 bis 23 beschriebenen Vorrichtung, – bei dem die mehreren Gehäuse (2a–d) von einem Arbeitsgas (10a–d) von dem jeweiligen Gaseinlass (6a–d) bis zu dem jeweiligen Gasauslass (8a–d) durchströmt werden, – bei dem mittels Anlegen einer hochfrequenten Spannung an die in Reihe angeordneten Elektroden (4a–d) jeweils eine Bogenentladung (16a–d) in dem Arbeitsgas (10a–d) zwischen den mindestens zwei Elektroden (4a–d) jedes Gehäuses (2a–d) erzeugt wird, und – bei dem das Arbeitsgas (10a–d) durch die Bogenentladungen (16a–d) zumindest teilweise zu Plasmastrahlen (14a–d) angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem die mehreren Gehäuse (2a–d) von dem Arbeitsgas (10a–d) von dem jeweiligen Gaseinlass (6a–d) bis zu dem jeweiligen Gasauslass (8a–d) im Wesentlichen wirbelfrei durchströmt werden.
Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, bei dem die mehreren Bogenentladungen (16a–d) durch den Fluss des Arbeitsgases (10a–d) in Richtung auf den Bereich der jeweiligen Gasauslässe (8a–d) verformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, bei dem die mehreren Bogenentladungen (16a–d) durch den Fluss des Arbeitsgases (10a–d) zumindest teilweise gleitend an den inneren Seitenwänden der mehreren Gehäuse (2a–d) in Richtung auf den Bereich der jeweiligen Gasauslässe (8a–d) verformt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, bei dem mindestens ein Material, insbesondere ein Beschichtungsmaterial oder Precursormaterial, mittels mindestens einer Zuführungsvorrichtung (20) dem Arbeitsgas (10a–d) und/oder den Plasmastrahlen (14a–d) zugeführt wird.