DE102011000261A1

DE102011000261A1 - Dielektrische Koplanarentladungsquelle für eine Oberflächenbehandlung unter Atmosphärendruck

Info

Publication number: DE102011000261A1
Application number: DE102011000261A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Viöl; Dennis Hoffmeister; Roland Damm; Stephan Wieneke
Original assignee: HOCHSCHULE fur ANGEWANDTE WISSENSCHAFT und KUNST FACHHOCHSCHULE HILDESHEIM HOLZMINDEN GOETTINGEN; Hochschule fur Angewandte Wissenschaft und Kunst Fachhochschule Hildesheim/holzminden/gottingen
Current assignee: HOCHSCHULE fur ANGEWANDTE WISSENSCHAFT und KUNST FACHHOCHSCHULE HILDESHEIM HOLZMINDEN GOETTINGEN; Hochschule fur Angewandte Wissenschaft und Kunst Fachhochschule Hildesheim/holzminden/gottingen
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-07-26
Also published as: EP2666340A2; WO2012097904A2; WO2012097904A3; EP2666340B1

Abstract

Bei einer dielektrischen Koplanarentladungsquelle (10) für eine Oberflächenbehandlung unter Atmosphärendruck, mit zwei gestreckten Elektroden (1), die eine gemeinsame Abschirmung (12) aus Dielektrikum (2) aufweisen und die parallel zueinander und parallel zu einer freien Oberfläche (13) der Abschirmung (12) verlaufenden, weist die Abschirmung (12) quer zu den Elektroden (1) verlaufende Rillen (5) in der freien Oberfläche (13) auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine dielektrische Koplanarentladungsquelle mit zwei gestreckten Elektroden, die eine gemeinsame Abschirmung aus Dielektrikum aufweisen und die parallel zueinander und parallel zu einer freien Oberfläche der Abschirmung verlaufen.
STAND DER TECHNIK
Eine Entladungsquelle, so wie dieser Begriff hier verwendet wird, stellt typischerweise ein Plasma aufgrund einer elektrischen Entladung durch ein Gas bereit. Bei einer dielektrischen Entladungsquelle ist die Gasentladung dielektrisch behindert. Eine derartige dielektrische Behinderung erlaubt es häufig, die Gasentladung bei Atmosphärendruck in einem Arbeitsgas oder Luft zu zünden und aufrecht zu erhalten. Neben dem Plasma, worunter hier ausschließlich ein physikalisches Plasma zu verstehen ist, werden durch eine Gasentladung auch andere reaktive Spezies erzeugt, die nicht zwingend als Plasma zu bezeichnen sind. Deshalb wird hier bewusst nicht einschränkend von einer Plasmaquelle gesprochen.
Bei dielektrischen Koplanarentladungsquellen liegen sich zwei Elektroden nicht diametral über ein Gasvolumen gegenüber, sondern beide Elektroden liegen unter derselben Oberfläche eines Dielektrikums. Insbesondere wirkt dabei ein Objekt mit einer zu behandelnden Oberfläche, das in die Nähe der Oberfläche des Dielektrikums vor den Elektroden gebracht wird, nicht als Gegenelektrode. Dies führt dazu, dass eine der freien Oberfläche des Dielektrikums gegenüberliegende Oberfläche sehr viel weniger stark mit Ionen bombardiert wird als eine mit einem Plasma oder allgemein mit reaktiven Spezies aus einer Gasentladung zu behandelnde Oberfläche eines als Gegenelektrode der Gasentladung wirkenden Objekts.
Eine dielektrische Koplanarentladungsquelle bietet sich daher zur Oberflächenbehandlung unter Atmosphärendruck auch von empfindlichen Oberflächen, wie beispielsweise solchen von biologischem Material, einschließlich menschlicher Haut, an. Die Behandlung von biologischen Materialien mit Hilfe einer dielektrischen Entladungsquelle bei Atmosphärendruck ist z. B. aus der DE 103 24 926 B3 grundsätzlich bekannt.
Aus Shahid Rauf und Mark J. Kushner: Dynamics of a coplanar-electrode plasma display panel cell. I. Basic Operation, Journal of Applied Physics, Vol. 85, No. 7, S. 3460–3469 ist eine dielektrische Koplanarentladungsquelle mit zwei gestreckten Elektroden, die eine gemeinsame Abschirmung aus Dielektrikum aufweisen und die parallel zueinander und parallel zu einer freien Oberfläche der freien Abschirmung verlaufen, als Teil eines Leuchtdisplays bekannt, in dem in einem Xenonplasma auftretende UV-Strahlung durch Phosphor in sichtbares Licht umgewandelt wird. Für eine Oberflächenbehandlung insbesondere von biologischen Materialien ist diese dielektrische Koplanarentladungsquelle weder vorgesehen, noch geeignet.
Aus der DE 10 2007 030 915 A1 ist eine dielektrische Entladungsquelle mit zwei gestreckten Elektroden bekannt, die parallel zueinander verlaufen und jeweils innerhalb einer Hohlfaser aus dielektrischem Material angeordnet sind. Bei Anlegen einer entsprechenden Spannung fungieren die beiden Elektroden als Elektrode bzw. Gegenelektrode für eine sich über dem Dielektrikum der Hohlfasern ausbildende dielektrisch behinderte Gasentladung.
Z. B. aus der EP 1 534 099 A1 ist es bekannt, ein elektrisch schlecht leitende Oberfläche mit Hilfe einer dielektrisch behinderten Entladung unter Atmosphärendruck für eine Lackierung vorzubehandeln. Nach der EP 1 534 099 A1 ist diese Oberfläche diejenige eines Finger- oder Zehennagels.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dielektrische Koplanarentladungsquelle aufzuzeigen, die besonders gut zur Ausbildung eines mobilen Handgeräts für Oberflächenbehandlungen bei Atmosphärendruck geeignet ist, um insbesondere reizarme flächige Behandlungen von biologischem Material, aber auch einfache Lackierungsvorbehandlungen von elektrisch schlecht leitenden Substraten, wie z. B. Kunststoffen, durchführen zu können.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine dielektrische Koplanarentladungsquelle mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 11 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der neuen Koplanarentladungsquelle. Die Patentansprüche 12 und 13 sind auf spezielle Verwendungen der neuen Koplanarentladungsquelle gerichtet.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der neuen dielektrischen Koplanarentladungsquelle mit zwei gestreckten Elektroden, die eine gemeinsame Abschirmung aus Dielektrikum aufweisen und die parallel zueinander und parallel zu einer freien Oberfläche der Abschirmung verlaufen, weist die Abschirmung quer zu den Elektroden verlaufende Rillen in der freien Oberfläche auf. Dabei bedeutet der Verlauf der Rillen quer zu den Elektroden, dass die Rillen nicht parallel zu den Rillen ausgerichtet sind und sich auf möglichst kurzem Wege von vor der einen Elektrode bis vor die andere Elektrode erstrecken. Die Rillen können dabei auch diagonal zu den Elektroden verlaufen; was jedoch nicht bevorzugt ist. Die Rillen oder Nuten führen zu einer Modulation des elektrischen Feldes über der freien Oberfläche, die das Zünden der Gasentladung erleichtert, und zwar über den gesamten Bereich der mit den Rillen versehenen freien Oberfläche. D h., die Gasentladung und damit das hieraus resultierende Plasma oder andere reaktive Spezies verteilen sich gleichmäßig über die freie Oberfläche des Dielektrikums und erlauben damit eine gleichmäßige großflächige Behandlung. Zudem verhindern die Rillen im Falle eines Aufsetzens der freien Oberfläche des Dielektrikums auf eine zu behandelnde Oberfläche eine vollflächige Anlage der freien Oberfläche an der Oberfläche. Die Rillen bilden auch dann noch Kanäle mit definiertem freien Querschnitt aus, in denen die Gasentladung weiterhin stattfinden kann. Mit den erfindungsgemäßen Rillen wird der Betrieb einer dielektrischen Koplanarentladungsquelle sehr stark vereinfacht. Der dafür mit dem Einbringen der Rillen in die freie Oberfläche des Dielektrikums zu betreibende Aufwand ist nur gering.
Typischerweise erstrecken sich die Rillen in der freien Oberfläche des Dielektrikums bei der neuen Koplanarentladungsquelle bezogen auf Ihre Länge zumindest von vor der einen Elektrode bis vor die andere Elektrode. Bevorzugt ist es, wenn sich die Rillen über die volle Breite der Abschirmung quer zu der Haupterstreckungsrichtung der Elektroden erstrecken.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Rillen parallel zueinander und damit in der Projektion auf die freie Oberfläche senkrecht zu den Elektroden verlaufen. Dies schließt ein, dass die Rillen einen geradlinigen Verlauf aufweisen.
Ein seitlicher Abstand der Rillen ist typischerweise 0,5 bis 2-mal so groß wie eine Breite der Rillen. Bevorzugt ist es, wenn der seitliche Abstand der Rillen genauso groß ist wie die Breite der Rillen. Absolut liegt die Breite der Rillen in einem typischen Bereich von 0,2 bis 3 mm, bevorzugt ist eine Breite von 0,8 bis 1,2 mm, d. h. etwa 1 mm.
Die Tiefe der Rillen liegt typischerweise in einem Bereich von 0,2 bis 2 mm. Vorzugsweise beträgt die Tiefe 0,3 bis 0,7 mm, d. h. etwa 0,5 mm. Die Rillen weisen dabei in aller Regel einen rechteckigen freien Querschnitt auf; aber auch ein leicht trapezförmiger freier Querschnitt ist möglich. Weniger bevorzugt ist ein dreieckiger oder halbkreisförmiger freier Querschnitt der Rillen.
Die Elektroden verlaufen bei der neuen Koplanarentladungsquelle ihrerseits vorzugsweise geradlinig in einem Abstand von 2 bis 20 mm untereinander und auch zu der freien Oberfläche des Dielektrikums. Besonders bevorzugt betragen diese beiden Abstände 8 bis 12 mm, d. h. etwa 1 cm. Die Elektroden sind dabei regelmäßig jeweils länger als ihr seitlicher Abstand, vorzugsweise um ein Vielfaches.
Die Voraussetzungen zur Erzeugung einer definierten dielektrisch behinderten Entladung über der freien Oberfläche sind bei der neuen Koplanarentladungsquelle besonders gut. Sie ermöglichen es daher, eine Wechselspannungsquelle zum Anlegen der für die Gasentladung benötigten Wechselspannung zwischen den beiden Elektroden auch aus Batterien oder anderen Akkumulatoren zu betreiben. Konkret kann die neue Koplanarentladungsquelle eine gepulste Wechselspannungsquelle aufweisen, die zwischen den Elektroden eine bipolare Wechselspannung aus hochfrequenten Pulspaketen in Form abklingender Sinusschwingungen anlegt. Die Eigenfrequenz dieser Sinusschwingungen kann in einem typischen Bereich von 10 kHz bis 200 kHz, beispielsweise bei etwa 40 kHz liegen, während eine Wiederholungsfrequenz der Pulspakete in einem typischen Bereich von 200 Hz bis 10 kHz liegt und innerhalb dieses Bereichs auch variiert werden kann, um optimale Bedingungen seitens der angelegten bipolaren Wechselhochspannung für die jeweils gewünschte Behandlung einer Oberfläche bei Atmosphärendruck bereitzustellen. Die Amplitude der Wechselhochspannung liegt typischerweise im Kilovoltbereich. Maximal beträgt sie zu Beginn der Pulspakete etwa 35 kV.
Eine Wechselspannungsquelle mit den oben definierten elektrischen Parametern kann ohne weiteres Teil eines batterie- oder akkumulatorbetriebenen Handgeräts sein, so dass die neue Koplanarentladungsquelle einfach und mobil einsetzbar ist.
Bevorzugte Verwendungen der neuen Koplanarentladungsquelle sind die Behandlung von biologischem Material, insbesondere von menschlicher Haut, und die Lackierungsvorbehandlung von Oberflächen von schlecht elektrisch leitenden Materialien, insbesondere Kunststoffen, wie beispielsweise Kunststoffstoßstangen und Kunststoffgehäusen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, zur Vorbereitung für eine Neulackierung.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 ist ein Querschnitt durch den prinzipiellen Aufbau der neuen Koplanarentladungsquelle; und
2 ist ein Längsschnitt durch den prinzipiellen Aufbau gemäß 1.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die neue Koplanarentladungsquelle 10, die in den 1 und 2 dargestellt ist, weist zwei langgestreckte und in einem festen Abstand parallel zueinander angeordnete Elektroden 1 auf. Die Elektroden 1 sind in einen Festkörper 11 aus einem Dielektrikum 2 eingebettet, das eine dielektrische Abschirmung 12 der Elektroden ausbildet. In einer freien Oberfläche 13 der Abschirmung 12, die einem Objekt 4 mit einer zu behandelnden Oberfläche 14 gegenüberliegt, sind quer zum Verlauf der Elektroden 1 Rillen 5 vorgesehen. Die Rillen 5 verlaufen über die gesamte Breite der Abschirmung 12 parallel zueinander. Ihre Breite ist dabei etwa genauso groß wie ihr seitlicher Abstand und beträgt jeweils etwa 1 mm. Die Tiefe der Rillen 5 beträgt bei rechteckigem freien Querschnitt der Rillen 5 etwa 0,5 mm. D. h., die Breite und die Tiefe der Rillen 5 ist in 2 nicht maßstabsgetreu wiedergegeben. Dies gilt auch für den Abstand der Elektroden 1 untereinander und zu der Oberfläche 13, der jeweils etwa 1 cm beträgt. Die Rillen 5 deformieren das elektrische Feld über der freien Oberfläche 13 beim Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 1 mit einer Wechselspannungsquelle 15 (nur in 1 dargestellt). Diese Deformation des elektrischen Felds führt zu einer leichteren Zündung der Gasentladung im Bereich der Rillen 5 und verhindert ein Erlöschen der Gasentladung selbst dann, wenn die Koplanarentladungsquelle 10 mit der freien Oberfläche 13 auf die Oberfläche 14 des zu behandelnden Objekts 4 aufgesetzt wird. Dies gilt natürlich nur für zu behandelnde Objekte 4 aus schlecht elektrisch leitenden Materialien. Bei Objekten 4 aus gut elektrisch leitenden Materialien bildet sich auch eine elektrische Entladung aus, die durch das Dielektrikum 2 behindert wird, aber primär in den Bereichen zwischen den Bereichen der Oberfläche 13 vor beiden Elektroden und den direkt gegenüberliegenden Bereichen der Oberfläche 14 des Objekts 4.
Die Wechselspannungsquelle legt eine gepulste Wechselhochspannung zwischen den beiden Elektroden 1 an. Die maximale Amplitude dieser Wechselhochspannung beträgt 35 kV. Die Wechselhochspannung setzt sich aus Pulspakten zusammen, deren Wiederholungsfrequenz zwischen 200 Hz und 10 kHz variiert werden kann. Die Signalform der einzelnen Pulspakete ist eine abklingende Sinusschwingung mit einer Eigenfrequenz von etwa 40 kHz.
Die neue Koplanarentladungsquelle ist insbesondere auch für eine reizarme Behandlung von biologischem Material, wie beispielsweise menschlicher Haut geeignet, weil über die zu behandelte Oberfläche prinzipiell kein relevanter Strom fließt und auch kein relevanter Ionenbeschuss stattfindet. Es tritt vielmehr eine Gleitentladung 3 auf, die sich ausgehend von den Rillen 5 über die gesamte freie Oberfläche 15 der dielektrischen Abschirmung 12 vor den Elektroden 1 ausbreitet.
Eine weitere bevorzugte Verwendungsmöglichkeit der neuen Koplanarentladungsquelle besteht in einer Lackierungsvorbehandlung von Oberflächen von schlecht elektrisch leitenden Materialien, wie beispielsweise Kunststoffen. So kann die Koplanarentladungsquelle zum Beispiel eingesetzt werden, um Kunststoffstoßstangen oder Kunststoff-Rückspiegelgehäuse oder andere Kunststoffteile von Kraftfahrzeugen vor einer Neulackierung zu behandeln.
Bezugszeichenliste

1: Elektrode
2: Dielektrikum
3: Gleitentladung
4: Objekt
5: Rille
10: Koplanarentladungsquelle
11: Formkörper
12: Abschirmung
13: Oberfläche
14: Oberfläche
15: Wechselspannungsquelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10324926 B3 [0004]
DE 102007030915 A1 [0006]
EP 1534099 A1 [0007, 0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Shahid Rauf und Mark J. Kushner: Dynamics of a coplanar-electrode plasma display panel cell. I. Basic Operation, Journal of Applied Physics, Vol. 85, No. 7, S. 3460–3469 [0005]

Claims

Dielektrische Koplanarentladungsquelle (10) mit zwei gestreckten Elektroden (1), die eine gemeinsame Abschirmung (12) aus Dielektrikum (2) aufweisen und die parallel zueinander und parallel zu einer freien Oberfläche (13) der Abschirmung (12) verlaufenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmung (12) quer zu den Elektroden (1) verlaufende Rillen (5) in der freien Oberfläche (13) aufweist.
Koplanarentladungsquelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rillen (5) von vor der einen Elektrode (1) bis vor die andere Elektrode (1) erstrecken.
Koplanarentladungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rillen (5) über die volle Breite der Abschirmung (12) erstrecken.
Koplanarentladungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (5) geradlinig und parallel zueinander verlaufen.
Koplanarentladungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein seitlicher Abstand der Rillen (5) 0,5- bis 2-mal so groß, vorzugsweise genauso groß, ist wie eine Breite der Rillen (5).
Koplanarentladungsquelle (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Rillen (5) 0,2 bis 3 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,2 mm, beträgt.
Koplanarentladungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe der Rillen (5) 0,2 bis 2 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,7 mm, beträgt.
Koplanarentladungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rillen (5) einen rechteckigen freien Querschnitt aufweisen.
Koplanarentladungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1) geradlinig in einem Abstand von 2 bis 20 mm, vorzugsweise von 8 bis 12 mm, verlaufen.
Koplanarentladungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine gepulste Wechselspannungsquelle (15) zwischen den Elektroden (1) eine bipolare Wechselhochspannung aus hochfrequenten Pulspaketen in Form abklingender Sinusschwingungen mit einer Eigenfrequenz von 10 kHz bis 200 kHz und mit einer Wiederholungsfrequenz im Bereich von 200 Hz bis 10 kHz anlegt.
Koplanarentladungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als batterie- oder akkumulatorbetriebenes Handgerät.
Verwendung einer Koplanarentladungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Behandlung von biologischem Material, insbesondere von menschlicher Haut.
Verwendung einer Koplanarentladungsquelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 zur Lackierungsvorbehandlung von Oberflächen (14) von elektrisch schlecht leitenden Materialien, insbesondere Kunststoffen.