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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres sowie eine Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres, insbesondere zur Durchführung eines der zuvor genannten Verfahren.
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Plasmabehandlungen werden im Stand der Technik verwendet, um die Eigenschaften einer Oberfläche zu verändern, beispielsweise um deren Benetzbarkeit zu erhöhen.
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Beschichtungen werden in einer Vielzahl technischer Produkte verwendet, um deren Eigenschaften zu verändern oder zu verbessern. Dabei erstreckt sich das Spektrum der gewünschten Funktionen der Beschichtung von Änderung der optischen Eigenschaften über die Verbesserung der Verschmutzungsneigung bis hin zu korrosionsschützender Wirkung.
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Beschichtungen können mittels verschiedenster Verfahren aufgetragen werden. Bekannt sind insbesondere nasschemische Verfahren wie Lackieren, Tauchen oder Streichen sowie der Auftrag von Beschichtungen über die Gasphase, beispielsweise mittels Bedampfen, Sputtern oder chemischer Gasphasenabscheidung (engl. Chemical Vapor Deposition, CVD). Insbesondere das CVD-Verfahren eignet sich hervorragend zur Auftragung von Schichten mit unterschiedlichsten Eigenschaften, da hier durch die Prozessführung maßgeblicher Einfluss auf die sich einstellenden Schichteigenschaften genommen werden kann.
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In den letzten Jahren fand insbesondere auf dem Gebiet der CVD-Beschichtung mittels atmosphärischer Plasmen eine rasante Entwicklung statt. Die sogenannte Atmosphärendruck-Plasmatechnik (AD-Plasmatechnik) bietet aufgrund von Kosten- und Prozessvorteilen ein hohes Anwendungspotential in den Bereichen Photovoltaik und Medizintechnik, aber auch im Bereich der Anlagen- und Kraftwerkstechnik. Speziell im zuletzt genannten Bereich sind oftmals Beschichtungen von Interesse, die Hafteigenschaften einer Oberfläche optimieren und/oder Beschichtungen mit einer hohen Barrierewirkung gegenüber korrosiven Medien.
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Die Beschichtung von Rohren mit einem Innendurchmesser kleiner 15cm ist mit dem AD-Plasmaverfahren praktisch nicht möglich. Ferner stößt die Beschichtung von Rohren mit einer Länge von mehr als 1m auf erhebliche Schwierigkeiten.
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Für die Beschichtung der Innenseite von Rohren mit geringerem Durchmesser und/oder größerer Länge oder ähnlichen Hohlräumen kommen daher nur alternative Beschichtungsverfahren wie beispielsweise Tauchlackieren infrage, die allerdings gegenüber der AD-Plasmatechnik Nachteile aufweisen. Als nachteilig erweisen sich insbesondere der für alternative Verfahren notwendige erhöhte Anlagenaufwand, die höhere Schichtdicke, der Einsatz giftiger oder anderweitig problematischer Lösungsmittel sowie die notwendige thermische Nachbehandlung.
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Aufgrund dieser Nachteile wurde in der Praxis auf eine Innenbehandlung bzw. eine Innenbeschichtung von Rohren mit einem Durchmesser kleiner als 15cm und/oder einer Länge von mehr als 1m weitgehend verzichtet. Stattdessen wurden beispielsweise widerstandsfähige Werkstoffe für die Herstellung der Rohre verwendet, deren Verwendung aber häufig zu erheblichen Mehrkosten gegenüber einer Plasmabehandlung bzw. Beschichtung führt oder deren Einsatz aus anderen Gründen im Gesamtsystem auf Schwierigkeiten stößt oder dessen Wirtschaftlichkeit mindert.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, mit denen die Behandlung, insbesondere die Beschichtung der Innenseiten von Rohren mit geringem Durchmesser und/oder großer Länge mittels Plasma, insbesondere mittels des AD-Plasmaverfahrens ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zumindest teilweise durch ein Verfahren zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres gelöst, bei dem innerhalb des zu behandelnden, insbesondere zu beschichtenden Rohres ein Plasma erzeugt wird und bei dem das Plasma unter Verwendung eines durch das Rohr bewegten Plasmaerzeugungsmoduls erzeugt wird. Vorzugsweise wird ein Precursor derart mit dem Plasma in Wechselwirkung gebracht, dass sich auf der Innenseite des Rohres eine Beschichtung bildet.
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Es wurde festgestellt, dass mit diesem Verfahren eine gleichmäßige Behandlung, insbesondere Beschichtung einer Rohrinnenwand erreicht werden kann. Insbesondere erlaubt das innerhalb des Rohres erzeugte Plasma, einen Precursor in unmittelbarer Nähe einer zu beschichtenden Rohrinnenwand zu aktivieren, so dass der Precursor eine gleichmäßige Beschichtung auf der Rohrinnwand bildet.
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Weiterhin kann durch die Aktivierung des Precursors in unmittelbarer Nähe des Beschichtungsorts eine genaue Dosierung erreicht und so die gewünschte Dicke der Beschichtung eingestellt werden.
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Bei dem im Rohr erzeugten Plasma handelt es sich vorzugsweise um ein atmosphärisches Plasma, das beispielsweise mittels einer Koronaentladung, mittels einer dielektrischen Barriereentladung oder mittels einer lichtbogenartigen Entladung erzeugt werden kann.
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Unter einem Precursor wird vorliegend eine Substanz verstanden, die geeignet ist, eine Beschichtung auf der Innenseite des Rohres auszubilden. Beispielsweise kann es sich bei dem Precursor um eine chemische Verbindung handeln, die durch Polymerisation oder eine andere chemische Reaktion das gewünschte Beschichtungsmaterial ergibt. Durch die Wechselwirkung mit dem Plasma kann der Precursor beispielsweise fragmentiert und/oder teilweise ionisiert werden, so dass sich seine Reaktionsfähigkeit erhöht. Weiterhin kann das Plasma auch eine notwendige Aktivierungsenergie zur Verfügung stellen, die für eine chemische Reaktion des Precursors, insbesondere für eine Polymerisation, erforderlich ist. Ein Beispiel für einen geeigneten Precursor ist Hexamethyldisiloxan (HMDSO). Der Precursor kann beispielsweise in flüssiger, gasförmiger oder fester Form bereitgestellt werden. Ein flüssiger oder gasförmiger Precursor kann beispielsweise über eine Precursorzuleitung in das Rohr hinein geführt werden. Weiterhin kann der Precursor auch mittels eines Trägergases in das Rohr hinein geführt werden.
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Unter einem Rohr wird vorliegend ein länglicher, beidseitig geöffneter Hohlkörper verstanden. Rohre haben häufig runde Querschnitte; es sind jedoch auch andere Querschnitte denkbar. Das Rohr kann gerade ausgebildet sein oder auch eine Krümmung aufweisen. Der Innendurchmesser des Rohres beträgt vorzugsweise maximal 15 cm, weiter bevorzugt maximal 10 cm, insbesondere maximal 5 cm. Das Länge-zu-Durchmesser Verhältnis des zu beschichtenden Rohres beträgt vorzugsweise mindestens 5, weiter bevorzugt mindestens 10, insbesondere mindestens 20. Eine gleichmäßige Innenbehandlung, insbesondere Innenbeschichtung von Rohren mit kleinem Durchmesser und/oder mit großem Länge-zu-Durchmesser Verhältnis ist mit herkömmlichen Plasmabehandlungs- bzw. Beschichtungsverfahren sehr schwierig, so dass das beschriebene Verfahren besonders bei diesen Rohren vorteilhaft ist.
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Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin zumindest teilweise gelöst durch eine Vorrichtung, eingerichtet zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer Ausführungsform des Verfahrens oder aufweisend jeweilige Mittel zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer Ausführungsform des Verfahrens. Die jeweiligen Mittel können jeweils verschieden voneinander sein. Es kann sich jedoch zumindest teilweise auch um dieselben Mittel handeln.
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Weiterhin wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß weiterhin zumindest teilweise gelöst durch eine Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres, insbesondere zur Durchführung des zuvor genannten Verfahrens, mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das dazu eingerichtet ist, durch ein Rohr bewegt zu werden und innerhalb des Rohres ein Plasma zu erzeugen, und mit einem Transportmechanismus, der dazu eingerichtet ist, das Plasmaerzeugungsmodul durch das Rohr hindurch zu bewegen.
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Unter einem Plasmaerzeugungsmodul wird vorliegend ein ein- oder mehrteiliges Modul verstanden, mit dem innerhalb des Rohres ein Plasma erzeugt werden kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Plasmadüse, um eine Elektrodenkonfiguration mit mindestens einer oder mehreren Elektroden oder um eine andere Plasmaquelle handeln. Die Elektrode weist vorzugsweise einen rotationssymmetrischen Abschnitt auf, um ein in Umfangsrichtung des Rohres gleichmäßiges Plasma erzeugen zu können.
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Bei speziellen Ausführungsformen kann es sich bei der Elektrode beispielsweise auch um eine sich verbrauchende Elektrode handeln, die beim Verbrauch einen Precursor für eine Innenbeschichtung des Rohres zur Verfügung stellt.
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Vorzugsweise ist das Plasmaerzeugungsmodul dazu eingerichtet, ein räumlich beschränktes Plasma zu erzeugen. Gegenüber einem Plasma, dass sich im Wesentlichen über das gesamte Innenvolumen des zu behandelnden bzw. zu beschichtenden Rohres erstreckt hat dies den Vorteil, dass der zu behandelnde bzw. zu beschichtende Bereich eingestellt werden kann. Zudem kann bei einer Beschichtung die Aktivierung des Precursors unmittelbar im Bereich der Beschichtung erfolgen.
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Das Plasmaerzeugungsmodul ist dazu eingerichtet durch ein Rohr bewegt zu werden. Zu diesem Zweck ist das Plasmaerzeugungsmodul insbesondere beweglich ausgebildet, so dass es innerhalb des Rohres verfahren werden kann. Weiterhin sind die Außenabmessungen des Plasmaerzeugungsmoduls vorzugsweise an den Innenquerschnitt des zu behandelnden bzw. zu beschichtenden Rohres angepasst. Vorzugsweise beträgt die größte Querausdehnung des Plasmaerzeugungsmoduls maximal 50 mm, vorzugsweise maximal 30 mm, insbesondere maximal 10 mm. Zur Behandlung, insbesondere zur Beschichtung von Rohren mit besonderes kleinem Innendurchmessern können jedoch auch Plasmaerzeugungsmodule mit einer größten Querausdehnung von maximal 1 mm oder Millimeterbruchteilen zur Verfügung gestellt werden.
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Der Transportmechanismus ist dazu eingerichtet, das Plasmaerzeugungsmodul durch das Rohr hindurch zu bewegen, vorzugsweise mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit. Zu diesem Zweck weist der Transportmechanismus vorzugsweise mindestens einen steuerbaren Antrieb wie zum Beispiel einen Motor auf, um das Plasmaerzeugungsmodul zu bewegen.
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Der Transportmechanismus kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, dass Plasmaerzeugungsmodul auf mechanische Weise durch das Rohr zu bewegen. Zu diesem Zweck kann der Transportmechanismus insbesondere mechanisch mit dem Plasmaerzeugungsmodul gekoppelt sein, beispielsweise durch einen Arm oder ein Zugmittel wie einen Versorgungsschlauch oder ein Versorgungskabel, eine Schnur, ein Seil oder dergleichen. Beispielsweise kann das Plasmaerzeugungsmodul über ein Zugmittel wie ein Seil oder einem anderen flexiblen Element mit einem Antrieb des Transportmechanismus gekoppelt sein, so dass das Plasmaerzeugungsmodul vom Transportmechanismus durch das Rohr gezogen werden kann.
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Alternativ kann der Transportmechanismus auch dazu eingerichtet sein, innerhalb des zu behandelnden bzw. zu beschichtenden Rohres ein Druckgefälle zu erzeugen, zum Beispiel durch Erzeugung eines Unterdrucks im Rohr auf einer Seite des Plasmaerzeugungsmoduls, so dass das Plasmaerzeugungsmodul durch den Druck durch das Rohr transportiert wird.
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Alternativ kann der Transportmechanismus auch dazu eingerichtet sein, das Plasmaerzeugungsmodul magnetisch durch das Rohr zu bewegen, beispielsweise mittels dafür vorgesehener, beweglicher Magnete.
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Alternativ kann der Transportmechanismus auch einen in das Plasmaerzeugungsmodul integrierten Antrieb wie zum Beispiel eine angetriebene Rolle aufweisen, so dass das Plasmaerzeugungsmodul ohne äußere Krafteinwirkung durch das Rohr bewegt werden kann.
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Die zuvor genannten Transportmechanismen können auch beliebig miteinander kombiniert werden. Allen diesen Transportmechanismen ist zudem gemein, dass sie im Prinzip für beliebig lange Rohre eingesetzt werden können.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtungen zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres beschrieben, wobei die einzelnen Ausführungsformen jeweils sowohl für das Verfahren als auch in entsprechender Weise für die Vorrichtungen anwendbar sind. Weiterhin sind die einzelnen Ausführungsformen untereinander kombinierbar.
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Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Plasma unter Verwendung eines durch das Rohr bewegten Plasmaerzeugungsmoduls erzeugt. Hierbei kann es sich insbesondere um das Plasmaerzeugungsmodul der zuvor beschriebenen Vorrichtung handeln. Auf diese Weise können auch Rohre mit einem großen Länge-zu-Durchmesser Verhältnis gleichmäßig innenseitig behandelt, insbesondere beschichtet werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Plasmaerzeugungsmodul eine Plasmadüse, mit der ein atmosphärischer Plasmastrahl erzeugt wird. Bei einer entsprechenden Ausführungsform der Vorrichtung weist das Plasmaerzeugungsmodul eine Plasmadüse auf, die zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls eingerichtet ist.
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Der atmosphärische Plasmastrahl wird vorzugsweise durch elektrische Entladung in einem Arbeitsgas erzeugt, insbesondere in der Plasmadüse. Vorzugsweise wird der atmosphärische Plasmastrahl durch eine mit einer hochfrequenten Hochspannung erzeugten Bogenentladung – je nach Betrachtungsweise auch bogenähnlicher Entladung – in einem Arbeitsgas erzeugt. Unter einer hochfrequenten Hochspannung wird typischerweise eine Spannung von 1–100 kV, insbesondere 1–50 kV, bevorzugt 10–50 kV, bei einer Frequenz von 1–150 kHz, insbesondere 10–80 kHz, bevorzugt 10–65 kHz, insbesondere bevorzugt 10–50 kHz verstanden.
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Auf diese Weise wird ein Plasmastrahl erzeugt, der einerseits eine hohe Reaktivität und andererseits eine verhältnismäßig geringe Temperatur aufweist. Durch die hohe Reaktivität kann eine effektive Behandlung der Rohrinnenseite bzw. eine effektive Aktivierung des Precursors und damit eine effektive und gleichmäßige Beschichtung der Rohrinnenseite erreicht werden. Durch die geringe Temperatur des Plasmastrahls können andererseits Beschädigungen der Rohrinnenseite vermieden werden.
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Die Plasmadüse kann insbesondere eine Düsenöffnung aufweisen, aus der im Betrieb ein gerichteter Plasmastrahl austritt. Die Düsenöffnung kann so eingerichtet und angeordnet sein, dass die Richtung des Plasmastrahls im Wesentlichen parallel zur Längsachse der Plasmadüse bzw. zur Längserstreckungsrichtung des zu behandelnden, insbesondere des zu beschichtenden Rohres verläuft. In diesem Fall ist vor der Düsenöffnung vorzugsweise ein Prellkörper wie z.B. eine Prellscheibe angeordnet, mit dem der Plasmastrahl in Richtung der Innenwand des Rohres abgelenkt werden kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist eine Düsenöffnung der Plasmadüse so eingerichtet und angeordnet, dass der Plasmastrahl im Betrieb schräg zur Längsachse der Plasmadüse bzw. schräg zur Längserstreckungsrichtung des zu behandelnden, insbesondere zu beschichtenden Rohres aus der Düsenöffnung austritt. Auf diese Weise ist der Plasmastrahl gegen die zu behandelnde bzw. zu beschichtende Innenwand des Rohres gerichtet, so dass die Innenwand direkt mit dem Plasmastrahl beaufschlagt werden kann und/oder ein Precursor durch den Plasmastrahl auf die Innenwand des Rohres geführt werden kann. Vorzugweise sind Antriebsmittel vorgesehen, die dazu eingerichtet sind, die Plasmadüse oder zumindest die Düsenöffnung relativ zur Längsachse der Plasmadüse bzw. zur Längserstreckungsrichtung des zu beschichtenden Rohres zu drehen. Auf diese Weise ist eine gleichmäßige Behandlung bzw. Beschichtung der Rohrinnenwand über den gesamten Umfang möglich.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird zwischen einer Elektrode des Plasmaerzeugungsmoduls und einer Gegenelektrode eine dielektrische Barriereentladung erzeugt. Bei einer entsprechenden Ausführungsform der Vorrichtung weist das Plasmaerzeugungsmodul eine Elektrode und ein die Elektrode umgebendes Dielektrikum auf, wobei die Elektrode dazu eingerichtet ist, von einer Spannungsquelle mit einer hochfrequenten Hochspannung versorgt zu werden.
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Unter einer dielektrischen Barriereentladung wird eine Entladungsform zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode verstanden, bei der die Elektrode und die Gegenelektrode durch ein dazwischen angeordnetes Dielektrikum elektrisch isoliert sind, so dass keine direkten Entladungen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode möglich sind. Bei der Vorrichtung ist das Dielektrikum daher insbesondere so angeordnet, dass es im Betrieb zwischen der Elektrode und der jeweiligen Gegenelektrode angeordnet ist. Bei dem Dielektrikum kann es sich beispielsweise um ein keramisches Dielektrikum handeln. Die Leistungseinkopplung in das Plasma erfolgt bei der dielektrischen Barriereentladung im Wesentlichen kapazitiv.
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Bei der Innenbehandlung, insbesondere bei der Innenbeschichtung eines leitfähigen Rohres, insbesondere eines Metallrohres, kann das Rohr selbst als Gegenelektrode fungieren. Zu diesem Zweck kann das Rohr insbesondere auf ein festes Potential, beispielsweise auf Masse gelegt werden. Alternativ, insbesondere bei der Innenbehandlung bzw. Innenbeschichtung eines elektrisch nicht-leitenden Rohres, kann auch eine separate Gegenelektrode innerhalb oder außerhalb des Rohres vorgesehen sein. Eine solche Gegenelektrode kann beispielsweise zusammen mit dem Plasmaerzeugungsmodul in Längserstreckungsrichtung des Rohres bewegt werden. Die Gegenelektrode kann insbesondere auch als Teil des Plasmaerzeugungsmoduls ausgebildet sein.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird eine hochfrequente Hochspannung derart zwischen einer Elektrode des Plasmaerzeugungsmoduls und einer Gegenelektrode angelegt, dass es zu einer direkten Entladung zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode kommt. Unter einer direkten Entladung wird im Gegensatz zu einer dielektrischen Barriereentladung eine Entladung verstanden, bei der die Elektrode und die Gegenelektrode nicht elektrisch gegeneinander isoliert sind, so dass unmittelbare Entladungen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode möglich sind. Bei den Entladungen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode kann es sich insbesondere um lichtbogenartige Hochfrequenzentladungen handeln, bei der einzelne Entladungsfilamente von der Elektrode auf die Gegenelektrode bzw. umgekehrt überschlagen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens strömt ein rotierender Prozessgasstrom in den Bereich der direkten Entladungen zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode. Bei einer entsprechenden Ausführungsform der Vorrichtung umfasst das Plasmaerzeugungsmodul eine Elektrode und eine Prozessgaszuführung, wobei die Elektrode dazu eingerichtet ist, von einer Spannungsquelle mit einer hochfrequenten Hochspannung versorgt zu werden, und wobei die Prozessgasführung dazu eingerichtet ist, einen rotierenden Prozessgasstrom in den Bereich der Elektrode zu führen.
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Unter einem rotierenden Prozessgasstrom wird verstanden, dass der Prozessgasstrom nicht nur eine Geschwindigkeitskomponente in Längserstreckungsrichtung des Rohres bzw. in Bewegungsrichtung des Plasmaerzeugungsmoduls aufweist, sondern auch eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung des Rohres, so dass der Prozessgasstrom innerhalb des Rohres rotiert und insbesondere eine Art Vortex bildet. Es hat sich herausgestellt, dass die hochfrequenten Entladungen durch einen solchen rotierenden Prozessgasstrom so beeinflusst werden, dass ein stabilerer und gleichmäßigerer Betrieb möglich ist. Insbesondere kann hierdurch eine gleichmäßigere Verteilung des Plasmas bzw. des Precursors innerhalb des Rohres erreicht werden.
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Zur Erzeugung eines rotierenden Prozessgasstroms kann die Prozessgasführung beispielsweise einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen aufweisen, durch den ein einströmender Prozessgasstrom zu einem rotierenden Prozessgasstrom wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das Plasmaerzeugungsmodul oder zumindest ein Teil davon mittels Magnetkraft durch das Rohr bewegt. Bei einer entsprechenden Ausführungsform der Vorrichtung ist der Transportmechanismus dazu eingerichtet, das Plasmaerzeugungsmodul oder zumindest einen Teil davon mittels Magnetkraft durch das Rohr zu bewegen. Beispielsweise kann im Betrieb ein Magnet außen am Rohr entlang gefahren werden, durch dessen Magnetkraft ein entsprechender Magnet oder ein magnetisches Material am Plasmaerzeugungsmodul und damit das Plasmaerzeugungsmodul selbst mitbewegt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Precursor in das Rohr eingeleitet, insbesondere mittels eines Trägergases. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche und gleichmäßige bzw. dosierbare Zuführung des Precursorgases möglich, so dass eine gleichmäßige Beschichtung der Innenseite des Rohres erreicht werden kann. Der Precursor kann in gasförmiger oder flüssiger Form auch durch eine Precursorzuleitung zugeführt werden. Insbesondere kann der Precursor mit einer solchen Precursorzuleitung, insbesondere einer Precursor-Lanze, bis in den Bereich des Plasmas geführt werden. Weiterhin erlaubt eine solche Precursorzuleitung, den Precursor an einem definierten Ort in das Plasma einzuspeisen und somit beispielsweise eine räumliche Trennung des Zentrums der Entladungen und der Aktivierungszone für den Precursor zu erreichen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Precursorzufuhr auf, die dazu eingerichtet ist, einen Precursor in den Bereich eines mit dem Plasmaerzeugungsmodul erzeugten Plasmas zu führen. Die Vorrichtung kann beispielsweise eine Precursorzuleitung aufweisen, die dazu eingerichtet ist, einen Precursor mittels eines Trägergases in das Rohr einzuführen. Insbesondere kann eine zumindest teilweise in das Plasmaerzeugungsmodul integrierte und/oder mit diesem verbundene Precursorzuleitung wie zum Beispiel eine Precursor-Lanze vorgesehen werden, mit der ein Precursor, vorzugsweise unmittelbar, in den Bereich des mit dem Plasmaerzeugungsmodul erzeugbaren Plasmas geführt werden kann. Wie zuvor beschrieben erlaubt eine solche Precursorzuleitung, den Precursor an einem definierten Ort in das Plasma einzuspeisen und somit beispielsweise eine räumliche Trennung des Zentrums der Entladungen und der Aktivierungszone für den Precursor zu erreichen.
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Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin zumindest teilweise gelöst durch ein alternatives Verfahren zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres, bei dem innerhalb des Rohres ein induktiv oder kapazitiv gekoppeltes Plasma erzeugt wird und optional ein Precursor derart mit dem Plasma in Wechselwirkung gebracht wird, dass sich auf der Innenseite des Rohres eine Beschichtung bildet. Zu diesem Zweck kann das Rohr beispielsweise innerhalb einer Spule oder zwischen zwei Kondensatorplatten angeordnet werden, wobei die Spule bzw. der Kondensator mit einer hochfrequenten Hochspannung beaufschlagt werden. Das Rohr ist in diesem Fall vorzugsweise innerhalb einer Unterdruckumgebung angeordnet, um die Einkopplung des induktiven oder kapazitiven Plasmas zu erleichtern. Bei diesem Verfahren liegt die Frequenz der hochfrequenten Hochspannung vorzugsweise im Bereich von 10 bis 75 kHz, insbesondere 15 bis 55 kHz, insbesondere 25 bis 45 kHz.
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Die oben genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin zumindest teilweise gelöst durch eine Vorrichtung, eingerichtet zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer Ausführungsform des Verfahrens oder aufweisend jeweilige Mittel zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer Ausführungsform des Verfahrens. Die jeweiligen Mittel können jeweils verschieden voneinander sein. Es kann sich jedoch zumindest teilweise auch um dieselben Mittel handeln.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
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In den Zeichnungen zeigen jeweils in schematischer Schnittansicht
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das zur Erzeugung direkter Hochfrequenz-Entladungen zwischen einer Elektrode und dem zu beschichtenden Rohr eingerichtet ist,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das zur Erzeugung direkter Hochfrequenz-Entladungen zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode eingerichtet ist,
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3 ein drittes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das zur Erzeugung direkter Hochfrequenz-Entladungen zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode eingerichtet ist,
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4 ein viertes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das eine Plasmadüse zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls aufweist,
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5 ein fünftes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das eine Plasmadüse zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls aufweist,
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6 ein sechstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung eingerichtet ist,
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7 ein siebtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung eingerichtet ist,
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8 ein achtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung eingerichtet ist,
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9 ein Ausführungsbeispiel des alternativen Verfahrens zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres, bei dem ein induktiv gekoppeltes Plasma im Rohr erzeugt wird, und
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10 ein weiteres Ausführungsbeispiel des alternativen Verfahrens zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres, bei dem ein kapazitiv gekoppeltes Plasma im Rohr erzeugt wird.
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1 zeigt in schematischer Schnittansicht ein erstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das zur Erzeugung direkter Hochfrequenz-Entladungen zwischen einer Elektrode und dem zu behandelnden bzw. zu beschichtenden Rohr eingerichtet ist. Bei dem Rohr 2 handelt es sich um ein elektrisch leitfähiges Rohr, beispielweise um ein Metallrohr.
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Die Vorrichtung 10 umfasst ein Plasmaerzeugungsmodul 12 mit einer Elektrode 14 sowie einen Transportmechanismus 16, der dazu eingerichtet ist, das Plasmaerzeugungsmodul 12 durch das Rohr 2 hindurch zu bewegen.
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Das Plasmaerzeugungsmodul 12 ist über eine Spannungsversorgungsleitung an eine Spannungsquelle angeschlossen, die zur Erzeugung einer hochfrequenten Hochspannung eingerichtet ist. Weiterhin kann das Plasmaerzeugungsmodul 12 über eine Prozessgasversorgungsleitung mit einer Prozessgasquelle verbunden sein.
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In 1 ist der Transportmechanismus 16 schematisch durch einen Pfeil dargestellt, der eine mögliche Bewegungsrichtung des Plasmaerzeugungsmoduls 12 durch das Rohr 2 im Betrieb anzeigt. Der Transportmechanismus kann beispielsweise einen Antrieb aufweisen, der über ein Zugmittel mechanisch mit dem Plasmaerzeugungsmodul 12 gekoppelt ist. Bei dem Zugmittel kann es sich beispielsweise um eine Schnur, um ein Seil, um die Prozessgasversorgungsleitung oder auch um die Spannungsversorgungsleitung für die Elektrode 14 handeln. Anstelle eines Zugmittels kann auch ein Schiebemittel vorgesehen sein, um das Plasmaerzeugungsmoduls 12 durch das Rohr 2 zu schieben.
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Die Elektrode 14 des Plasmaerzeugungsmoduls 12 ist von einem elektrisch nicht-leitenden Düsenrohr 18 umgeben. Das Düsenrohr 18 kann beispielsweise aus Keramik bestehen. Die Elektrode 14 ist an einem Ende des Düsenrohrs 18 kegelförmig aufgeweitet, so dass das Düsenrohr 18 eine ringförmige Düsenöffnung 20 um das aufgeweitete Ende der Elektrode 14 aufweist. Auf der gegenüberliegenden Seite des Düsenrohrs 18 ist ein Einlass 22 für ein Prozessgas 24 vorgesehen, der an eine Prozessgasversorgung (nicht dargestellt) angeschlossen sein kann. Bei dem Prozessgas kann es sich beispielsweise um Luft, Stickstoff oder um ein Edelgas handeln. Innerhalb des Düsenrohrs 18 ist eine Dralleinrichtung 26 umfassend eine Zwischenwand mit einem Kranz aus schräg in Umfangrichtung angestellten Bohrungen 28 vorgesehen. Durch die Dralleinrichtung 26 wird ein durch den Prozessgaseinlass 22 eingeleitetes Prozessgas 24 in einen rotierenden Prozessgasstrom 30 überführt.
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Im Betrieb wird zwischen der Elektrode 14 und dem Rohr 2 eine hochfrequente Hochspannung angelegt. Vorzugsweise wird das Rohr 2 auf Masse gelegt und die Elektrode 14 an den Ausgang einer Spannungsquelle angeschlossen. Die zwischen der Elektrode 14 und dem Rohr 2 angelegte hochfrequente Hochspannung führt zu direkten Entladungen 32 zwischen dem aufgeweiteten Ende der Elektrode 14 und dem Rohr. Diese Entladungen 32 können insbesondere in Form einzelner Entladungsfilamente auftreten. Durch den rotierenden Prozessgasstrom 30 wird erreicht, dass sich die Entladungen 32 über den gesamten Innenumfang 34 des Rohres 2 gleichmäßig verteilen. Auf diese Weise ergibt sich im Betrieb ein kranzförmiger Entladungssaum, der innerhalb des Rohres 2 ein Plasma 36 bewirkt.
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Für eine Innenbeschichtung des Rohrs 2 wird ein mit einem Precursor 38 versetztes Trägergas in das Rohr 2 eingebracht, so dass der Precursor 38 in das Plasma 36 gelangt und dort aktiviert wird. Der aktivierte Precursor 38 führt so im Bereich des Plasmas 36 zu einer Beschichtung 8 auf der Innenwand des Rohres 2. Der Precursor 38 kann auch durch eine zumindest teilweise in das Plasmaerzeugungsmodul 12 integrierte bzw. mit diesem verbundene Plasmazuleitung (nicht dargestellt) in das Plasma 36 geführt werden.
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Das Plasmaerzeugungsmodul 12 wird im Betrieb mit dem Transportmechanismus 16 durch das Rohr 2 bewegt, so dass auf diese Weise eine gleichmäßige Behandlung bzw. Beschichtung der Innenwand des Rohrs 2 erfolgt. Die Bewegung erfolgt vorzugsweise so, dass die Behandlung bzw. Beschichtung in Bewegungsrichtung hinter dem Plasmaerzeugungsmodul 12 erzeugt wird.
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Um einen gleichbleibenden Abstand zwischen dem Plasmaerzeugungsmodul 12 und der Innenwand des Rohres 2 einzuhalten, können Abstandhalter 39 am Plasmaerzeugungsmodul 12 vorgesehen sein, beispielsweise Ringe aus Teflon. Die Ringe sind vorzugsweise geschlitzt, um den Precursor 38 passieren zu lassen. Am Plasmaerzeugungsmodul 12 kann auch eine Dichtung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die den Arbeitsbereich des Plasmaerzeugungsmoduls 12, d.h. den Bereich des Plasmas bzw. der Beschichtung vor Luft und Verunreinigungen schützt. Der Precursor 38 kann in diesem Fall insbesondere durch eine Precursorzuleitung wie zum Beispiel eine Precursor-Lanze zum Plasma geführt werden.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres 4 mit einem Plasmaerzeugungsmodul, das zur Erzeugung direkter Hochfrequenz-Entladungen zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode eingerichtet ist. Die Vorrichtung 40 dieses Ausführungsbeispiels ähnelt der Vorrichtung 10 aus 1. Gleiche Komponenten sind daher mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei dem Rohr 4 kann es sich insbesondere um ein elektrisch nicht-leitendes Rohr, beispielsweise um ein Kunststoffrohr, handeln. Zur Innenbehandlung, insbesondere Innenbeschichtung eines solchen Rohres weist das Plasmaerzeugungsmodul 42 eine rohrförmige Gegenelektrode 44 auf, die im Betrieb zusammen mit dem Düsenrohr 18 und der Elektrode 14 von dem Transportmechanismus 16 durch das Rohr 4 bewegt wird. Die Gegenelektrode 44 kann beispielsweise über einen Abstandhalter mit dem Düsenrohr 18 verbunden sein. Alternativ kann die Gegenelektrode 44 auch unmittelbar am Düsenrohr 18 anliegen. Der Außendurchmesser der Gegenelektrode 44 kann wie in 2 dargestellt im Wesentlichen an den Innendurchmesser des Rohres 4 angepasst sein. Auf diese Weise dient die Gegenelektrode 44 auch zur Führung des Plasmaerzeugungsmoduls 42 in dem Rohr 4. Alternativ kann der Außendurchmesser der Gegenelektrode 44 auch kleiner als der Innendurchmesser des Rohres 4 sein. In diesem Fall sind vorzugsweise Führungselemente zur Führung des Plasmaerzeugungsmoduls 42 im Rohr 4 vorgesehen. Bei den Führungselementen kann es sich beispielsweise um Gleitelemente, z.B. aus Teflon, oder auch um Rollen handeln, die vorzugsweise gefedert gelagert sind, um eine reibungsarme Führung des Plasmaerzeugungsmoduls 42 im Rohr 4 zu ermöglichen. Alternativ kann die Führung auch durch ein Luftkissen erfolgen.
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Die hochfrequente Hochspannung ist bei diesem Ausführungsbeispiel zwischen der Elektrode 14 und der Gegenelektrode 44 angelegt, so dass die Entladungen 32 zwischen der Elektrode 14 und der Gegenelektrode 44 auftreten. Wie bei dem Ausführungsbeispiel aus 1 kann für eine Beschichtung ein Precursor 38 mit einem Trägergas in den Bereich des durch die Entladungen 32 erzeugen Plasmas 36 geführt und wird dort aktiviert werden, so dass sich im Bereich des Plasmas 36 eine Beschichtung 8 auf der Innenwand des Rohres 4 bildet. Alternativ kann das Plasmaerzeugungsmodul 42 zumindest einen Teil einer Precursorzuführung (nicht dargestellt) umfassen, um einen Precursor 38 in den Bereich des Plasmas 36 zu führen.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres 6. Die Vorrichtung 60 umfasst ein Plasmaerzeugungsmodul 62, das zur Erzeugung direkter Hochfrequenz-Entladungen zwischen einer Elektrode und einer Gegenelektrode eingerichtet ist. Das Rohr 6 kann ein elektrisch leitfähiges, aber auch ein elektrisch nicht-leitfähiges Rohr sein.
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Die Vorrichtung 60 dieses Ausführungsbeispiels ähnelt der Vorrichtung 10 aus 1. Einander entsprechende Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Gegensatz zur Elektrode 14 des Plasmaerzeugungsmoduls 12 weist die Elektrode 64 des Plasmaerzeugungsmoduls 62 anstelle eines konisch aufgeweiteten Endes vorzugsweise eine stabförmige Elektrode auf. Weiterhin umfasst das Plasmaerzeugungsmodul 62 zusätzlich eine Gegenelektrode 66, die in einem bestimmten Abstand in Längserstreckungsrichtung des Rohres 6 hinter der Elektrode 64 angeordnet ist. Die Gegenelektrode 66 kann beispielsweise über einen hitzebeständigen Isolator, z.B. aus Keramik oder einem hitzebeständigen Kunststoff, mit der Elektrode 14 oder dem übrigen Plasmaerzeugungsmodul 62 verbunden sein. Alternativ kann die Gegenelektrode 66 auch separat vom Plasmaerzeugungsmodul 62 durch das Rohr 4 bewegt werden, beispielsweise mittels Magnetkraft. Beispielsweise können das Plasmaerzeugungsmodul 2 und/oder die Gegenelektrode 66 jeweils durch einen außerhalb des Rohrs 4 bewegten Magneten durch das Rohr 4 geführt werden.
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Im Betrieb wird das Plasmaerzeugungsmodul 62 durch das Rohr transportiert. Die Elektrode 64 und die Gegenelektrode 66 werden bei der Bewegung vorzugsweise im Wesentlichen im gleichen Abstand zueinander gehalten. Zwischen der Elektrode 64 und der Gegenelektrode 66 wird im Betrieb eine hochfrequente Hochspannung angelegt, so dass es zu einer direkten Entladung 68 zwischen der Elektrode 64 und der Gegenelektrode 66 kommt. Durch den im Düsenrohr 18 erzeugten rotierenden Prozessgasstrom 70 wird die Entladung 68 im Wesentlichen auf der Achse zwischen der Elektrode 64 und der Gegenelektrode 66 kanalisiert und zeigt dort das optische Erscheinungsbild eines Lichtbogens. Es handelt sich hierbei jedoch nicht um einen Gleichstromlichtbogen, sondern um eine Hochfrequenzentladung. Durch die Entladung 68 wird im Rohr 6 ein Plasma 72 erzeugt.
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Für eine Beschichtung kann ein Precursor 38 mit einem Trägergas in den Bereich des Plasmas 72 geführt und dort aktiviert werden. Durch den rotierenden Prozessgasstrom 70 wird der Precursor 38 gleichmäßig über den Innenumfang des Rohres verteilt, so dass es zu einer gleichmäßigen Beschichtung der Innenwand des Rohres 6 durch den aktivierten Precursor 38 kommt. Alternativ kann das Plasmaerzeugungsmodul 62 zumindest einen Teil einer Precursorzuführung (nicht dargestellt) umfassen, um einen Precursor 38 in den Bereich des Plasmas 76 zu führen.
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4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres 6. Die Vorrichtung 80 umfasst ein Plasmaerzeugungsmodul 82, das eine Plasmadüse 84 zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls 86 aufweist. Bei dem Rohr 6 kann es sich wiederum um ein elektrisch leitfähiges oder um ein elektrisch nicht-leitfähiges Rohr handeln.
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Die Plasmadüse 84 weist ein Düsenrohr 88 aus Metall auf, das sich im Wesentlichen konisch zu einer Düsenrohrmündung bzw. Düsenöffnung 90 verjüngt. An dem der Düsenöffnung 90 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 88 eine Dralleinrichtung 92 umfassend eine Zwischenwand mit einem Kranz aus schräg in Umfangrichtung angestellten Bohrungen 94 auf, durch die ein durch einen vorgesehenen Einlass 96 eingeleitetes Prozessgas 98 zu einem rotierenden Prozessgas 100 verdrallt wird. Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohrs 88 wird von dem Prozessgas daher in Form eines Wirbels durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohrs 88 verläuft. Im Düsenrohr 88 ist eine zentrale Elektrode 102 angeordnet, die koaxial in Richtung des verjüngten Abschnitts in das Düsenrohr 88 hineinragt. Weiterhin weist die Plasmadüse 84 zur elektrischen Isolation noch ein Keramikrohr 104 auf.
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Im Betrieb wird zwischen der Elektrode 102 und dem Düsenrohr 88 eine hochfrequente Hochspannung angelegt und ein Prozessgas 98 wird über eine an dem Einlass 96 angeschlossene Versorgungsleitung (nicht dargestellt) in die Plasmadüse 84 hineingefördert. Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung 106 in der Form eines Lichtbogens zwischen der Elektrode 102 und dem Düsenrohr 88 erzeugt.
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Die Begriffe „Lichtbogen“ bzw. „Bogenentladung“ werden vorliegend als phänomenologische Beschreibung der Entladung verwendet, da die Entladung 106 in Form eines Lichtbogens auftritt. Der Begriff „Lichtbogen“ wird anderweitig auch als Entladungsform bei Gleichspannungsentladungen mit dem wesentlichen konstanten Spannungswerten verwendet. Vorliegend handelt es sich jedoch um eine Hochfrequenzentladung in Form eines Lichtbogens, also um eine hochfrequente Bogenentladung.
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Aufgrund der drallförmigen Strömung des Prozessgases, d.h. aufgrund des rotierenden Prozessgases 100, wird der Lichtbogen im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohrs 88 kanalisiert, so dass er sich erst im Bereich der Düsenöffnung 90 zur Wand des Düsenrohrs 88 verzweigt.
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Das Prozessgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch z. T. in Plasmazustand überführt, so dass ein atmosphärischer Plasmastrahl 86 durch die Düsenöffnung 90 aus der Plasmadüse 84 austritt.
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Für eine Beschichtung kann ein Precursor 38 mittels eines Trägergases in den Bereich des Plasmastrahls 86 geführt und dort durch den Plasmastrahl 86 aktiviert werden. Alternativ kann das Plasmaerzeugungsmodul 82 zumindest einen Teil einer Precursorzuführung (nicht dargestellt) umfassen, um einen Precursor 38 in den Bereich des Plasmastrahls 86 zu führen. Der aktivierte Precursor 38 bildet sodann im Bereich des Plasmastrahls 86 eine Beschichtung 8 auf der Innenwand des Rohres 6. Indem die Plasmadüse 84 mittels eines vorgesehenen Transportmechanismus 16 durch das Rohr 6 bewegt wird, kann auf diese Weise das Rohr innenseitig beschichtet werden. Um den Plasmastrahl 86 und damit den Precursor 38 gezielter auf die Innenwand des Rohrs 6 zu leiten, kann vor der Düsenöffnung ein Prellkörper, wie zum Beispiel eine Prellscheibe 108, angeordnet sein, durch den der Plasmastrahl 86 in Richtung der Innenwand des Rohrs 6 abgelenkt wird.
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5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres 6. Die Vorrichtung 110 umfasst ein Plasmaerzeugungsmodul 112, das eine Plasmadüse 114 zur Erzeugung eines atmosphärischen Plasmastrahls 86 aufweist. Bei dem Rohr 6 kann es sich wiederum um ein elektrisch leitfähiges oder um ein elektrisch nicht-leitfähiges Rohr handeln.
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Die Plasmadüse 114 ähnelt der Plasmadüse 84 aus 4. Einander entsprechende Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Gegensatz zur Plasmadüse 84, bei der die Düsenöffnung 90 so angeordnet ist, dass der Plasmastrahl 86 im Wesentlichen in Richtung der Längsachse der Plasmadüse 84 austritt, ist die Düsenöffnung 90 bei der Plasmadüse 114 so angeordnet, dass der Plasmastrahl 86 schräg zur Längsachse der Plasmadüse 114 austritt. Der Plasmastrahl 86 ist dadurch auf die Rohrinnenwand des Rohres 6 gerichtet. Für eine Beschichtung kann ein beispielsweise durch ein Trägergas in den Plasmastrahl 86 geleiteter Precursor 38 durch den Plasmastrahl 86 auf diese Weise auf die Rohrinnenwand gerichtet werden, so dass eine effektivere Beschichtung ermöglicht wird.
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Die Plasmadüse 114 ist mit einem Drehantrieb 116 verbunden, der die Plasmadüse 114 im Betrieb um ihre Längsachse dreht. Auf diese Weise kann die Innenwand des Rohres 6 über den gesamten Umfang mit dem Plasmastrahl 86 bzw. mit dem Precursor 38 beaufschlagt werden, so dass eine gleichmäßige Behandlung bzw. Beschichtung erreicht wird. Alternativ kann der Drehantrieb 116 auch dazu eingerichtet sein, lediglich einen Teil der Plasmadüse 114 mit der Düsenöffnung 90 zu drehen. Bei dem Drehantrieb 116 kann es sich beispielsweise um einen elektrischen Motor oder auch um einen Rotor handeln, der durch das Prozessgas 98 angetrieben wird.
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6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres 2. Die Vorrichtung 120 umfasst ein Plasmaerzeugungsmodul 122, das zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung eingerichtet ist. Bei dem Rohr 2 handelt es sich um ein elektrisch leitfähiges Rohr.
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Das Plasmaerzeugungsmodul 122 weist eine Innenelektrode 124 auf, die einen rotationssymmetrischen, insbesondere zylinderförmigen Teil 126 aufweist. Der zylinderförmige Teil 126 der Elektrode 124 ist von einem Dielektrikum 128 in Form eines Kunststoffrohres umgeben. Zwischen der Innenelektrode 124 und dem Rohr 2 wird eine hochfrequente Hochspannung angelegt. Da das Dielektrikum 128 eine direkte Entladung zwischen der Innenelektrode 124 und dem Rohr 2 verhindert, kommt es zwischen den beiden Elektroden zur dielektrischen Barriereentladung 130, wodurch im Rohr 2 ein Plasma 132 erzeugt wird. Für eine Beschichtung kann ein Precursor 38 über ein Trägergas in den Bereich des Plasmas 132 geführt und dort durch das Plasma 132 aktiviert werden. Hierdurch kommt es im Bereich des Plasmas 132 zu eine Beschichtung der Innenwand des Rohres 2. Ein- oder beidseitig des Entladungsbereichs kann jeweils eine Dichtung vorgesehen sein, um den Behandlungs- bzw. Beschichtungsbereich vor Luft oder Verschmutzung zu schützen. Bei einer Behandlung ist in einem solchen Fall vorzugsweise eine Precursorzuleitung vorgesehen, um den Precursor unmittelbar zum Plasma 132 zu führen.
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7 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres 4. Die Vorrichtung 140 umfasst ein Plasmaerzeugungsmodul, das zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung eingerichtet ist. Bei dem Rohr 4 handelt es sich um ein elektrisch nicht-leitendes Rohr.
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Das Ausführungsbeispiel in 7 ähnelt dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel. Einander entsprechende Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das Ausführungsbeispiel in 7 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel aus 6 dadurch, dass eine zusätzliche, außerhalb des Rohrs 4 angeordnete Gegenelektrode 142 vorgesehen ist.
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Wenn das Rohr 4 eine für eine dielektrische Barriereentladung ausreichende Durchschlagsfestigkeit aufweist, kann auf das Dielektrikum 128 auch verzichtet werden. In diesem Fall stellt das Rohr 4 selbst das für die dielektrische Barriereentladung erforderliche Dielektrikum dar. Es ist jedoch bevorzugt ein Dielektrikum 128 am Plasmaerzeugungsmodul 122 vorzusehen, um dieses unabhängig von der Beschaffenheit des Rohres 4 einsetzen zu können.
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Im Betrieb wird die hochfrequente Hochspannung zwischen der Innenelektrode 124 und der Gegenelektrode 142 angelegt, so dass im Rohr 4 eine dielektrische Barriereentladung 130 und damit ein Plasma 132 erzeugt werden. Für eine Beschichtung kann Precursor 38 beispielsweise ein mit einem Trägergas in das Plasma 132 geleitet dort aktiviert werden, so dass der Precursor 38 und im Bereich des Plasmas 132 zur Bildung einer Beschichtung 8 auf der Innenoberfläche des Rohres 4 führt.
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Das Plasmaerzeugungsmodul 122 wird mit dem Transportmechanismus 16 durch das Rohr 4 bewegt. Gleichzeitig wird die Gegenelektrode 142 parallel dazu bewegt, beispielsweise durch einen dafür vorgesehenen Antrieb 144. Alternativ können die Gegenelektrode 142 und das Plasmaerzeugungsmodul 122 auch magnetisch gekoppelt sein, so dass die Bewegung des Plasmaerzeugungsmodul 122 durch Magnetkraft die Mitbewegung der Gegenelektrode 142 verursacht.
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8 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens und der Vorrichtung zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres 6. Die Vorrichtung 160 umfasst ein Plasmaerzeugungsmodul 162, das zur Erzeugung einer dielektrischen Barriereentladung eingerichtet ist. Bei dem Rohr 6 kann es sich um ein elektrisch leitfähiges oder um ein elektrisch nicht-leitfähiges Rohr handeln.
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Das Ausführungsbeispiel in 8 ähnelt dem Ausführungsbeispiel aus 7. Einander entsprechende Komponenten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Anders als in 7 ist die Gegenelektrode 142 beim Ausführungsbeispiel in 8 innerhalb des Rohres 6 angeordnet. Das Dielektrikum 128 ragt in Längsrichtung weit über den zylinderförmigen Teil 126 hinaus, um direkte Entladungen zwischen der Elektrode 124 und der Gegenelektrode 142 zu verhindern. Weiterhin ist der Teil 126 und damit der Entladungsbereich schmal gehalten, um bei einer Beschichtung den Niederschlag des für die Beschichtung verwendeten Precursors 38 auf der Gegenelektrode 142 gering zu halten.
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Die Gegenelektrode 142 kann mechanisch mit dem Dielektrikum 128 verbunden sein und so zusammen mit dem übrigen Plasmaerzeugungsmodul 162 über den Transportmechanismus 16 durch das Rohr 6 bewegt werden.
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9 zeigt ein Ausführungsbeispiel des alternativen Verfahrens zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres 202, bei dem ein induktiv gekoppeltes Plasma im Rohr 202 erzeugt wird. Bei dem Rohr 202 handelt es sich vorzugsweise um ein elektrisch nicht-leitendes Rohr, um die induktive Einkopplung des Plasmas zu ermöglichen.
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Das Rohr 202 wird hierzu in einer Niederdruckumgebung angeordnet, und zwar innerhalb einer Spule 204. Die Spule 204 wird an eine hochfrequente Hochspannungsquelle angeschlossen, so dass im Betrieb innerhalb des Rohrs ein induktiv gekoppeltes Plasma 206 erzeugt wird. Für eine Beschichtung wird vorzugsweise über ein Trägergas ein Precursor 38 in dieses Plasma 206 eingebracht, so dass dieser durch das Plasma 206 aktiviert wird und eine Beschichtung auf der Innenwand des Rohres 202 bildet.
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10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des alternativen Verfahrens zur Innenbehandlung, insbesondere zur Innenbeschichtung eines Rohres, bei dem ein kapazitiv gekoppeltes Plasma im Rohr 202 erzeugt wird. Bei dem Rohr 202 handelt es sich vorzugsweise um ein elektrisch nicht-leitendes Rohr, um die induktive Einkopplung des Plasmas zu ermöglichen. Das Ausführungsbeispiel in 10 unterscheidet sich dadurch von dem Ausführungsbeispiel in 9, dass anstelle des Spule 204 Kondensatorplatten 214, 216 um das Rohr 202 angeordnet sind, wobei die Kondensatorplatten 214, 216 mit einer hochfrequenten Hochspannungsquelle verbunden sind, so dass im Betrieb innerhalb des Rohres 202 ein kapazitiv gekoppeltes Plasma 206 erzeugt wird. Für eine Beschichtung wird vorzugsweise mittels eines Trägergases ein Precursor 38 in das Rohr 202 eingebracht und im Plasma 206 aktiviert, so dass sich auf der Innenwand des Rohrs 202 eine Beschichtung bildet.
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Auch wenn in den vorstehend ausführlich erläuterten Ausführungsbeispielen überwiegend die Anwendung der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Beschichtungen dargestellt wurde, ist natürlich selbstverständlich, dass die Erfindung auch für andere Behandlungen wie Reinigungsvorgänge oder Aktivierungen von Rohrinnenflächen anwendbar ist. Ziel der Behandlung kann dabei beispielsweise die Erreichung einer Antihaft-Wirkung und/oder die Biofilm-Minderung durch gezielte Abscheidung antimikrobieller Stoffe und/oder die Haftvermittlung durch gezielte chemische Funktionalisierung und/oder die Oberflächenglättung und/oder die Erreichung eines Korrosionsschutzes und/der die Oberflächenhärtung sein.
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Die vorstehende Beschreibung stellt nur die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und soll nicht als Definition der Grenzen und des Bereiches der Erfindung dienen. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen gehören zum Schutzbereich dieser Erfindung.
