DE102008018827B4 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas - Google Patents
Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas Download PDFInfo
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Abstract
Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas,
wobei in einem elektrisch nichtleitenden Gehäuse eine sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckende Kathode angeordnet ist,
wobei als Kathode ein Piezoelement (Piezotransformator) mit einem Primärbereich und mindestens einem senkrecht dazu polarisierten Sekundärbereich vorgesehen ist,
wobei am Primärbereich voneinander beabstandete Elektroden vorgesehen sind, zwischen denen eine Wechselspannung anlegbar ist,
wobei eine als Anode wirkende Gegenelektrode vorgesehen ist und wobei die als Gegenelektrode wirkende Anode auf Erdpotential liegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (21) eine Austrittsöffnung (17) aufweist,
dass im Bereich der Austrittsöffnung (17) die als Anode wirkende Gegenelektrode (15) angeordnet ist, derart, dass zwischen Sekundärbereich (3, 8) und Gegenelektrode (15) eine Atmosphärendruck – Bogenentladung (14) erzeugbar ist,
und dass das Gehäuse (21) an der der Austrittsöffnung (17) abgewandten Seite eine Gaseintrittsöffnung (24) aufweist.
wobei in einem elektrisch nichtleitenden Gehäuse eine sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckende Kathode angeordnet ist,
wobei als Kathode ein Piezoelement (Piezotransformator) mit einem Primärbereich und mindestens einem senkrecht dazu polarisierten Sekundärbereich vorgesehen ist,
wobei am Primärbereich voneinander beabstandete Elektroden vorgesehen sind, zwischen denen eine Wechselspannung anlegbar ist,
wobei eine als Anode wirkende Gegenelektrode vorgesehen ist und wobei die als Gegenelektrode wirkende Anode auf Erdpotential liegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (21) eine Austrittsöffnung (17) aufweist,
dass im Bereich der Austrittsöffnung (17) die als Anode wirkende Gegenelektrode (15) angeordnet ist, derart, dass zwischen Sekundärbereich (3, 8) und Gegenelektrode (15) eine Atmosphärendruck – Bogenentladung (14) erzeugbar ist,
und dass das Gehäuse (21) an der der Austrittsöffnung (17) abgewandten Seite eine Gaseintrittsöffnung (24) aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas. Eine solche Vorrichtung ist aus der
EP 0 761 415 A2 bereits bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird durch eine Plasmaentladung und ein Arbeitsgas ein gebündelter Strahl eines reaktiven Mediums erzeugt. Die elektrische Entladung findet in Form einer Bogenentladung statt, die mit Hilfe einer Hochfrequenz-Wechselspannung betrieben wird. Dabei erstreckt sich ein Lichtbogen direkt zwischen den beiden Elektroden der Vorrichtung: Einer in einem Düsenrohr angeordneten zentrischen Stiftelektrode einerseits und der als Gegenelektrode wirkenden Mündung des Düsenrohrs andererseits. - Diese bekannte Vorrichtung weist eine Reihe von Nachteilen auf. Zunächst einmal wird eine hohe Zündspannung von mehreren kV benötigt; die Betriebsspannung bewegt sich ebenfalls im kV-Bereich. Die in der Folge entstehende Bogenentladung – ein direkter Lichtbogen also – führt zu einer hohen Wärmeentwicklung und einem Absputtern der Elektroden. Weitere Nachteile sind die hohen Kosten und die Baugröße dieser Vorrichtung.
- Aus der
US 6 294 881 B1 ist eine geschlossene und unter Niederdruck stehende Entladungsröhre bekannt. Im Inneren der Entladungsröhre wird hierfür ein Plasma mittels einem als Kathode ausgebildeten Piezoelement und einer als Anode wirkenden Gegenelektrode erzeugt. Durch die gegenüberliegende Anordnung von Anode und Kathode bildet sich in diesem Zwischenraum der Entladungslampe ein effizientes Leuchten aus. - Die Gegenelektrode der
US 6 294 881 B1 hat dabei nur und ausschließlich die Funktion, im Inneren der Entladungsröhre ein homogenes Feld für ein möglichst homogenes Leuchten zu erzeugen. Indem die Aktivierungsenergie des erzeugten Plasmas weit unterhalb des Niveaus eines Plasmas nach Art einer atmosphärischen Bogenentladung liegt, ist diese Vorrichtung für eine nachweisbare Oberflächenbeeinflussung von Bauteilen ungeeignet. - Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist und insbesondere auch mit Niederspannung betrieben werden kann.
- Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
- Die allgemeine Idee der Erfindung besteht darin, zur Erzeugung des Plasmas ein Piezoelement mit Primär- und Sekundärbereich zu verwenden. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Primärbereichs des Piezoelementes mit Niederspannung und Hochfrequenz. In der Folge wird das Plasma durch die Feldüberhöhung auf der Fläche des Sekundärbereichs des Piezoelements gezündet. Erfindungsgemäß erfolgt die Plasmaführung durch Gegenelektrode und eine Gasströmung. Durch die Gasströmung tritt das Plasma aus der Vorrichtung aus.
- Ein Piezoelement zur Erzeugung eines Plasmas ist bereits aus der Veröffentlichung Teranishi, Suzuki, Itoh: A novel generation method of dielectric barrier discharge and ozone production using a piezoelectric transformer, Japanese Journal of Applied Physics, 2004, S. 6733–6739, bekannt.
- Eine weitere Anordnung, auch als Piezotransformator bezeichnet, mit einem solchen Piezoelement mit einem Primär- und einem Sekundärbereich, dort als Anregungszone und Hochspannungszone bezeichnet, ist aus der
DE 10 2005 032 890 A1 und der dazugehörigen NachanmeldungWO 2007/006298 A2 - Bei beiden Veröffentlichungen dient das Piezoelement dazu, eine Plasmaentladung an der Oberfläche des Sekundärbereiches zu erzeugen. Bei der Erfindung hingegen ist eine Gegenelektrode vorgesehen; damit wird erfindungsgemäß eine Bogenentladung erzeugt und gerade nicht, wie nach dem Stand der Technik, ein flächiges Plasma auf der Oberfläche des Sekundärbereichs des Piezoelementes.
- Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist im Gegensatz zur eingangs genannten
EP 0 761 415 A2 die Kathode nicht als passives Element ausgelegt, sondern transformiert aktiv eine angelegte Niederspannung in eine Hochspannung. - Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Lösungen auf. Zunächst einmal benötigt sie eine nur niedrige Betriebsspannung im Bereich von vorzugsweise 5...230 V. Ferner ist sie durch eine niedrige Plasmatemperatur gekennzeichnet; ein Absputtern und ein Abbrand der Kathode sind damit nahezu ausgeschlossen. Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung preisgünstig herstellbar, da keine Hochspannungsquelle mehr erforderlich ist und weist zudem eine nur geringe Baugröße auf.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre wichtigen Bestandteile sollen nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
-
1a ) bis1d ) verschiedene Ausführungsformen eines Piezoelemente, -
2 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung, -
3 eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung, -
4 eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung mit kaskadierender Mehrfachanordnung, -
5a ) und5b ) Detaildarstellung der in4 gezeigten Ausführungsform. - In
1a ) und1b ) ist ein stabförmiges Piezoelement1 mit einer Kontaktelektrode2 und einer weiteren Kontaktelektrode4 auf der Rückseite des Primärbereichs und einem daran anschließenden Sekundärbereich3 gezeigt. - In
1c ) und1d ) ist ein rohrförmiges Piezoelement5 mit einer Innenelektrode6 und einer Außenelektrode7 im Primärbereich sowie einem Sekundärbereich8 gezeigt. -
2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung10 . Das als Kathode wirkende Piezoelement weist an seiner Primärseite, wie bereits beschrieben, eine Kontaktelektrode11 und auf der Rückseite, der abgewandten Seite also, eine weitere Kontaktelektrode12 auf, die in dieser Darstellung nicht zu sehen ist. Ebenfalls dargestellt ist der Sekundärbereich13 des Piezoelementes, in dem sich auf an sich bekannte Weise eine Flächenentladung bildet. Dazu wird das Piezoelement über die Kontaktelektroden11 ,12 mit einer Niederspannungsquelle22 verbunden. Diese Niederspannungsquelle22 liefert eine hochfrequente Niederspannung im Bereich von vorzugsweise 5...200 V. Durch die angelegte Niederspannung im Primärbereich des Piezoelementes wird in dessen Sekundärbereich13 eine Hochspannung erzeugt; in der Folge bildet sich die beschriebene Flächenentladung auf der Oberfläche der Sekundärseite13 . Weiterhin gezeigt ist die sich ergebende Plasmaentladung14 . Zwischen dem Sekundärbereich13 , der als Elektrode wirkt, und der Gegenelektrode15 , die auf Erdpotential19 liegt, bildet sich eine Bogenentladung aus. Weiterhin besitzt die Vorrichtung eine Austrittsdüse16 mit einer Austrittsöffnung17 , durch die der Plasmaaustritt18 erfolgt. An der entgegengesetzten Seite des Plasmaaustritts18 befindet sich eine Zuführung24 für das Arbeitsgas, dabei ist die Gasströmung25 durch den Pfeil angedeutet. Ebenfalls dargestellt ist die Zuleitung23 von der Niederspannungsquelle22 zum Piezoelement. - Durch den Gasstrom
25 , der über die Zuführung24 in die Vorrichtung geleitet wird, wird das Plasmagas, das in der Plasmaentladung14 in Form einer Bogenentladung entsteht, aus der Austrittsdüse16 in Form eines strahlförmigen Plasmaaustritts18 ausgeblasen. Die plasmaerzeugende Vorrichtung wird umschlossen von einem Gehäuse20 mit einer isolierenden Gehäusewand21 . - In
3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Dabei ist ein Plasmaerzeuger10 mit einem rohrförmigen Piezoelement30 als Kathode zur Erzeugung einer Plasmaentladung34 vorgesehen. Wie bereits beschrieben, besitzt das Piezoelement einen Sekundärbereich32 , an dessen rohrförmiger Innenfläche die Plasmaentladung entsteht. Ferner dargestellt ist eine Gegenelektrode33 . Auch bei dieser Ausführungsform bildet sich also eine Bogenentladung aus, die in Form eines Plasmastrahls35 mit der Gasströmung ausgeblasen wird. -
4 zeigt eine kaskadierende (Mehrfach-)Anordnung40 von mehreren Plasmaerzeugern41 mit Piezoelement als Kathoden-Elektrode. Die einzelnen Plasmaerzeuger41 werden über eine zentrale Gaszuführung44 mit einem Arbeitsgas angeströmt. Durch die Düsen tritt ein Plasmastrahl43 aus, wobei die Elemente besonders vorteilhaft derart angeordnet sind, dass sich auf einem zu behandelnden Substrat42 eine gleichmäßige Plasmaverteilung45 ergibt. -
5a ) zeigt eine Aufsicht auf eine solche kaskadierende Anordnung von Plasmaerzeugern50 mit Piezoelementen. Die einzelnen Plasmaerzeuger, dies sind mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen, sind dabei nebeneinander und hintereinander angeordnet, um eine möglichst vollflächige Plasmabehandlung zu ermöglichen. -
5b ) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren kaskadierenden Anordnung von Plasmaerzeugern mit Piezoelementen51 . - Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass bei der Erfindung das Plasma durch eine Bogenentladung zwischen zwei Elektroden, d. h. eine Funkenstrecke gebildet wird. Dabei bildet der Sekundärbereich der Piezokeramik jeweils die eine Elektrode; nämlich die Kathode, die Gegenelektrode liegt jeweils auf Erdpotential. Bei der Erfindung ist also die Kathode nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, als passives Element ausgebildet, etwa als stabförmige, metallische Elektrode im Zentrum eines Rohres, sondern stellt ein aktives Element dar, in dem eine (am Primärbereich angelegte) Niederspannung in eine Hochspannung (im Sekundärbereich) transformiert wird.
- Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals gelungen, die Vorteile einer Bogenentladung und in der Folge eines ausgeblasenen Plasmastrahls mit den Vorteilen eines Piezoelementes mit Primär- und Sekundärbereich zu verbinden.
Claims (4)
- Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas, wobei in einem elektrisch nichtleitenden Gehäuse eine sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckende Kathode angeordnet ist, wobei als Kathode ein Piezoelement (Piezotransformator) mit einem Primärbereich und mindestens einem senkrecht dazu polarisierten Sekundärbereich vorgesehen ist, wobei am Primärbereich voneinander beabstandete Elektroden vorgesehen sind, zwischen denen eine Wechselspannung anlegbar ist, wobei eine als Anode wirkende Gegenelektrode vorgesehen ist und wobei die als Gegenelektrode wirkende Anode auf Erdpotential liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (
21 ) eine Austrittsöffnung (17 ) aufweist, dass im Bereich der Austrittsöffnung (17 ) die als Anode wirkende Gegenelektrode (15 ) angeordnet ist, derart, dass zwischen Sekundärbereich (3 ,8 ) und Gegenelektrode (15 ) eine Atmosphärendruck – Bogenentladung (14 ) erzeugbar ist, und dass das Gehäuse (21 ) an der der Austrittsöffnung (17 ) abgewandten Seite eine Gaseintrittsöffnung (24 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (
1 ) stab/blockförmig ausgebildet ist und Elektroden (2 ,4 ) auf entgegengesetzten Seiten des Primärbereichs aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (
5 ) rohrförmig ausgebildet ist und dass eine Innenelektrode (6 ) im Inneren des Rohres und eine Außenelektrode (7 ) an der äußeren Mantelfläche des Rohres jeweils in dessen Primärbereich angeordnet sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere identische Vorrichtungen kaskadierend angeordnet sind.
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