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Die
Erfindung betrifft eine Plasmaanordnung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmajets. Derartige
Atmosphärendruck-Plasmajets dienen insbesondere zur Konditionierung,
Behandlung und Beschichtung von Oberflächen.
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Aus
der Veröffentlichung Journal of Adhesion Society
of Japan, Vol. 6, Nr. 4 (1970), S. 265– 272, KIYOZUMI et
al., „Surface Treatment of Plastics by Plasmajet" ist
ein solcher Plasmajet bereits bekannt. Er dient zur Erhöhung
der Benetzbarkeit der Oberfläche von Werkstücken
mit Flüssigkeit. Dabei erfolgt eine Oberflächen-Vorbehandlung
mittels elektrischer Entladung, wobei durch eine Plasmaentladung
unter Zufuhr eines Arbeitsgases ein gebündelter Strahl
eines reaktiven Mediums erzeugt wird. Hierbei wird die Plasmaentladung
als Bogenentladung erzeugt und die zu behandelnde Oberfläche
des Werkstückes mit dem gebündelten Strahl des
reaktiven Mediums überstrichen. Bei dieser bekannten Plasmaanordnung
wird die Bogenentladung mit Gleichstrom betrieben.
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Aus
der
EP 0 761 415 A1 ist
eine weitere gattungsgemäße Plasmaanordnung zur
Erzeugung eines Plasmajets bekannt, wobei hier die beschriebene Bogenentladung
mit Hilfe einer Hochfrequenz-Wechselspannung betrieben wird. Bei
dieser Anordnung strömt das Arbeitsgas unter Bildung eines
Wirbels durch ein Düsenrohr, und der Lichtbogen wird im
Wirbelkern des Gaswirbels kanalisiert.
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Bei
den bekannten Plasmaanordnungen zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmajets
ist es erforderlich, zur Anpassung des erzeugten Plasmajets an die
jeweiligen Anwendungsbedingungen und die konkrete zu behandelnde
Oberfläche zwei unterschiedliche Variations- bzw. Regelmöglichkeiten
vorzusehen. Zum einen muss die Gasströmung des Arbeitsgases,
d. h. dessen Durchflussmenge, regelbar sein, z. B. durch eine regelbare
Pumpe oder eine verstellbare Blenden- bzw. Düsenanordnung. Zum
anderen muss auch die elektrische Zünd-/Betriebspannung
regelbar sein, damit, je nach Anwendungsgebiet, die in das Plasma
eingekoppelte Leistung veränderbar ist. Dies ist notwendig,
um sowohl eine schonende Oberflächenbehandlung bei kleiner Leistung
als auch einen höheren Leistungseinsatz zu ermöglichen.
Die erforderlichen getrennten Regelungen sowohl der mechanischen
Größe „Gasströmung" als auch
der elektrischen Größe „Zünd-/Betriebsspannung"
sind kompliziert unabhängig voneinander einstellbar und
mithin nachteilig beim Stand der Technik.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demnach, diese beschriebenen Nachteile zu vermeiden
und eine gattungsgemäße Plasmaanordnung anzugeben,
die auf einfache Weise eine optimale Anpassung des Plasmajets an
alle möglichen praktischen Anwendungsfälle und
Betriebsbedingungen gestattet.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Plasmaanordnung mit den Merkmalen des ersten
Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen
besonders vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
allgemeine erfinderische Idee beruht auf der Erzeugung eines Bogenplasmas
zwischen einer Kegelelektrode und einer elektrisch leitfähigen
Bodenplatte als Gegenelektrode mit einer korrespondierenden kegelförmigen Öffnung.
Durch eine axiale Verschiebung der Kegelelektrode relativ zur kegelförmigen Öffnung
der Bodenplatte lässt sich damit der Abstand zwischen den
beiden Elektroden variieren, so dass gleichzeitig die Gasströme
als auch die geometrieabhängige Zünd-/Betriebsspannung
dem jeweiligen Einsatzbereich entsprechend angepasst werden kann:
Ein kleiner Abstand zwischen Kegelelektrode und Bodenplatte führt
bei geringem Gasfluss zu einer geringeren Zünd-/Betriebsspannung
und einer kleineren in das Plasma eingekoppelten Leistung; ein größerer
Abstand ermöglicht höhere Gasflüsse und
zugleich einen höheren Leistungseinsatz.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
weist die Kegelelektrode einen Winkel α auf, der sich mit
einem Winkel β der kegelförmigen Öffnung
der Bodenplatte zu 90 Grad ergänzt. Damit verbleibt ein
paralleler Spalt zwischen Kegelelektrode und Bodenplatte. Eine solche
Anordnung mit einer zylindersymmetrischen Geometrie besitzt eine
vertikal verstellbare Kegelelektrode. Auf diese Weise lässt
sich der beschriebene Spalt in seiner Ausdehnung einstellen. Zwischen
Kegelelektrode und Bodenplatte wird eine Hochspannung angelegt,
beispielsweise eine Gleichspannung oder eine gepulste Gleichspannung.
Die Zünd-/Betriebsspannung hängt damit von der
Breite des Spaltes ab. Durch diesen Spalt fließt das Arbeitsgas,
z. B. Luft, das separat zugeführt wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ergänzen
sich diese Winkel α und β gerade nicht zu genau
90 Grad. Wird beispielsweise der Winkel α bei gleich bleibenden
Winkel β vergrößert, vergrößert sich
der Spalt zwischen Kegelelektrode und Bodenplatte in Richtung der
Gasaustrittsöffnung. In einem solchen Fall zündet
der Plasmabogen oberhalb der Gasaustrittsöffnung und wird
durch die Gasströmung in Richtung der Austrittsöffnung
getrieben, wodurch der für verschiedene Anwendungsfälle
vorteilhafte Betriebsmodus „gliding arc" ermöglicht
wird.
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Es
ist im Rahmen der Erfindung sowohl möglich, Kegelelektrode
und Bodenplatte zylindersymmetrisch zueinander anzuordnen als auch
einen Versatz der Längsachsen vorzusehen und damit von
der Zylindergeometrie abzuweichen; dies gilt für alle möglichen
Kombinationen der Winkel α und β.
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Nach
weiteren bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind
zusätzliche Mittel zur definierten Führung des
Fußpunktes des Lichtbogens vorgesehen. Dies können
beispielsweise Spulenanordnungen oder auch separate Magnete, vorzugsweise
verbunden durch ein weichmagnetisches Joch, sein.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
erfolgt eine Vibration der Kegelelektrode in ihrer Längsrichtung,
d. h. Symmetrieachse.
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Weiterhin
ist es möglich, zusätzliche elektrische Mittel
zur kapazitiven Messung und schlussendlich Regelung des Spaltes
zwischen Kegelelektrode und Bodenplatte vorzusehen.
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Im
Rahmen der Erfindung ist es insgesamt möglich, auf vielfältige
Weise die Größe des verbleibenden Spaltes zwischen
Kegelelektrode und Bodenplatte zu verändern. Eine kleine
Spaltbreite ermöglicht einen geringen laminaren oder turbulenten Gasdurchsatz,
eine geringe Zünd-/Betriebsspannung und einen geringen
Leistungseintrag. Sie gestattet damit eine schonende Behandlung
thermomobiler Substrate bei vergleichsweise reduzierter Behandlungseffizienz.
Eine große Spaltbreite führt zu einem großen,
turbulenten Gasdurchsatz, einer hohen Zünd-/Betriebsspannung
und einem hohen Leistungseintrag. Damit ist eine hohe Behandlungseffizienz
und eine hohe Behandlungsgeschwindigkeit gegeben, wobei naturgemäß eine
höhere thermische Substratbelastung in Kauf genommen werden
muss. Die Regelung, d. h. Einstellung der erfindungsgemäßen
Plasmaanordnung zwischen diesen Betriebsmodi erfolgt erfindungsgemäß auf
einfache Weise durch bloßes Verstellen der Kegelelektrode
in ihrer Längsrichtung, d. h. Symmetrieachse relativ zur
als Gegenelektrode wirkenden Bodenplatte.
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Die
Erfindung soll nachfolgend an Hand von Zeichnungen beispielhaft
noch näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine
erste erfindungsgemäße Plasmaanordnung in schematischer
Darstellung
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2 eine
Deckplatte dieser ersten Anordnung
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3 eine
Bodenplatte dieser ersten Anordnung
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4 eine
Detaildarstellung dieser ersten Anordnung, bei der sich der Winkel α der
Kegelelektrode und β der Bodenplatte zu 90 Grad ergänzen
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5 eine
zweite erfindungsgemäße Plasmaanordnung, bei der
sich die Winkel α und β nicht zu 90 Grad ergänzen
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6 eine
dritte erfindungsgemäße Plasmaanordnung ohne zylindersymmetrische
Anordnung, sondern Versatz der Symmetrieachsen von Kegelelektrode
einerseits und Öffnung der Bodenplatte andererseits
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7 eine
vierte erfindungsgemäße Plasmaanordnung mit einer
zusätzlichen Spulenanordnung in der Bodenplatte zur definierten
Führung des Fußpunktes des Bogens um die Kegelelektrode
herum
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8 eine
fünfte erfindungsgemäße Plasmaanordnung
mit einer zusätzlichen Magnetanordnung zur Führung
des Fußpunktes des Bogens. Hierbei ist eine wichtige Variable
der Abstand der Magnete von der Achse der Kegelelektrode.
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9 eine
sechste erfindungsgemäße Plasmaanordung mit einer
alternativen Magnetanordnung
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10 eine
siebte erfindungsgemäße Plasmaanordnung mit zusätzlichen
Mitteln zur Erzeugung einer Vibration der Kegelelektrode längs
ihrer Symmetrieachse. Dabei ist der obere Teil eines Kegelträgers
als Dauermagnet (z. B. SmCo) ausgelegt.
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1 zeigt
eine erste erfindungsgemäße Anordnung, die ein
zylinderförmiges Gehäuse 1 aufweist,
vorzugsweise ein Acrylrohr. An der oberen Stirnseite ist eine obere
Deckplatte 2 vorgesehen, die beispielsweise aus Messing
bestehen kann. Den unteren Abschluss bildet eine Bodenplatte 3 aus
elektrisch leitendem Material, die elektrisch als Gegenelektrode
wirkt. Die obere Deckplatte 2 weist eine zentrische Bohrung 4 auf.
Sie besitzt eine weitere Bohrung 5 für einen Gasanschluss 6 sowie
eine weitere Bohrung 7 für eine Durchführung 8 der
Hochspannungszuleitung 9. In der zentrischen Bohrung 4 ist ein
längsverschiebbarer Kegelträger 10 geführt.
Die Verschiebung des Kegelträgers 10 längs
seiner Symmetrieachse ist durch einen oberen Anschlag 11 und einem
unteren Anschlag 12 begrenzt. Im unteren Bereich ist auf
dem Kegelträger 10 ein Tefloneinsatz, es kann
auch ein anderer Isolierstoff verwendet werden, 13 montiert,
an dem wiederum der Hochspannungsanschluss 14 mittels einer
Mutter 15 an der Kegelelektrode 16, die am Kegelträger 10 fest
angeordnet ist, befestigt ist. In der Bodenplatte 3 ist
eine Kegelöffnung 17 vorgesehen, die symmetrisch
zur Kegelelektrode 16 angeordnet ist. Damit korrespondieren der
Kegelelektrode 16 und die Kegelöffnung 17 mit ihrer
Kegelkontur. Unten besitzt die Kegelöffnung 17 eine
untere Öffnung 18, die den Gasauslass darstellt.
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2 zeigt
noch einmal die obere Deckplatte 2 mit ihrer zentrischen
Bohrung 4 zur Führung des Kegelträgers 10 sowie
ihren asymmetrischen Bohrungen 5 und 7.
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3 zeigt
eine Bodenplatte 3 dieser ersten Anordnung mit der Kegelöffnung 17 und
der zentrischen unteren Öffnung 18.
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In 4 ist
noch einmal der untere Teil der in 1 vollständig
gezeigten ersten Anordnung allein dargestellt. Es ist zu sehen,
dass sich bei dieser symmetrischen Anordnung die Winkel α der
Kegelelektrode 16 und β der Kegelöffnung 17 genau
zu 90 Grand ergänzen, so dass bei vertikaler Verschiebung der
Kegelelektrode 16 der Spalt zwischen ihr und der Kegelöffnung 17 parallel
bleibt.
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5 zeigt
den unteren Bereich einer zweiten erfindungsgemäßen
Anordnung, bei der sich die beschriebenen Winkel α und
gerade nicht zu 90 Grad ergänzen. Es ist natürlich
ebenso möglich, diese Winkel so zu variieren, dass sich
der verbleibende Spalt zwischen Kegelelektrode 16 und Kegelöffnung 17 nicht,
wie hier gezeigt, nach oben verjüngt, sondern im Gegenteil
nach oben erweitert.
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6 zeigt
den unteren Bereich einer dritten erfindungsgemäßen
Anordnung, bei der von der Rotationssymmetrie abgewichen ist. Es
ist zu sehen, dass die Symmetrieachsen der Kegelelektrode 16 einerseits
sowie der Kegelöffnung 17 andererseits einen vertikalen
Versatz d zueinander aufweisen. Eine solche Anordnung ist im Rahmen
der Erfindung auch kombinierbar mit anderen gewählten Winkeln α und β,
die sich nicht notwendiger Weise zu 90 Grad ergänzen müssen.
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7 zeigt
den unteren Bereich einer vierten erfindungsgemäßen
Anordnung, bei der zur Steuerung des Fußpunktes des Lichtbogens
in der Bodenplatte 3 eine elektrische Wicklung 19 vorgesehen
ist, die vorzugsweise symmetrisch umläuft. Durch diese Anordnung
wird der Lichtbogen kontinuierlich um die Kegelelektrode 16 bewegt
und reduziert so punktuelle thermische Überlastungen von
Kegelelektrode 16 und Bodenplatte 3. Gleichzeitig
wird die Wechselwirkung des Lichtbogens mit dem durch den Spalt
zwischen Kegelelektrode 16 und Bodenplatte 3 hindurchtretenden
Gas intensiviert.
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8 zeigt
den unteren Bereich einer fünften erfindungsgemäßen
Anordnung, bei der in der Bodenplatte 3 zur Erzielung der
gleichen Funktion Permanentmagnete 20, 21 angeordnet
sind, die auf vorteilhafte Weise durch ein hier nicht dargestelltes weichmagnetisches
Joch miteinander verbunden sind.
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9 zeigt
eine alternative Anordnung weiterer Magnete 22, 23 im
Inneren des der Kegelelektrode 16 zugewandten Bereiches
der Kegelöffnung 17 der Bodenplatte 3.
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10 schließlich
zeigt eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung, wobei die Kegelelektrode 16, die am Kegelträger 10 befestigt
ist, in Schwingungen versetzt wird. Zur Vibrationserzeugung sind
die verschiedensten mechanischen und elektrischen Möglichkeiten
bekannt. Hier ist nur beispielhaft dargestellt, dass der Kegelträger 10 im
oberen Bereich ein Isolierstück 24 aufweist, oberhalb
dessen eine elektrische Spule 25 mit einer am Kegelträger 10 angeordneten
Längsführung 26 korrespondiert. Die elektrische
Spule 25 ist mit einer nur angedeuteten Spannungsquelle 27 verbunden. Ein
Teil des Kegelträgers 10 ist als Permanentmagnet 28 mit
einer axialen Magnetisierung ausgelegt.
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Im
Rahmen der Erfindung sind zahlreiche weitere geometrische Gestaltungen
von Kegelelektrode und Kegelöffnung denkbar.
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Wie
bereits weiter oben erläutert, gestattet es die Erfindung
auf überraschend einfache Weise, allein durch die Relativbewegung
der Kegelelektrode (16) sowohl den Gasdurchsatz als auch
die Zündspannung gleichermaßen zu variieren und
damit je nach Erfordernis einen geringen oder einen hohen Leistungseintrag
zu erreichen.
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Besonders
vorteilhaft ist die als Kathode wirkende Kegelelektrode 16 aus
Edelstahl ausgebildet; es sind jedoch auch andere elektrisch leitende
Materialien möglich. Ebenfalls vorteilhaft ist es, die
als Anode wirkende Bodenplatte 3 mit ihrer Kegelöffnung 17 als
Edelstahlplatte vorzusehen. Es hat sich gezeigt, dass ein besonders
vorteilhafter Durchmesser der unteren Öffnung 18 bei
etwa 4 mm liegt. Es ist also ein ausgedehnter Leistungsbereich durch
die Erfindung realisierbar: Von niedrigen Leistungen, einem „glow
discharge" Betrieb bis hin zu hohen Leistungen mit ausgeblasenem
Bogen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Journal of
Adhesion Society of Japan, Vol. 6, Nr. 4 (1970), S. 265– 272,
KIYOZUMI et al., „Surface Treatment of Plastics by Plasmajet" [0002]