DE102016209097A1

DE102016209097A1 - plasma nozzle

Info

Publication number: DE102016209097A1
Application number: DE102016209097.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Bellmann; Christian Ochs; Marcus Harms; Wolfgang Viöl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-03-16
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2017-09-21
Also published as: CN108781498B; CN108781498A; EP3430864A1; EP3430864B1; WO2017157975A1; DK3430864T3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse (1) zum Erzeugen eines Plasmastrahls (5) mit zumindest einer Elektrode (7), einer die Elektrode (7) konzentrisch umgebenden Ummantelung (9), wobei zwischen der Elektrode (7) und der Ummantelung (9) eine Entladungskammer (11) ausgebildet ist, und wobei die Entladungskammer (11) eine Einlassöffnung (12) für ein Prozessgas und eine Düsenöffnung (14) zum Austreten des Plasmastrahls (5) aufweist und die Ummantelung (9) ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht, einer die Entladungskammer (11) in einem ersten Längsabschnitt ringförmig umgebende erste Gegenelektrode (20), wobei die erste Gegenelektrode (20) durch die Ummantelung (9) von der Elektrode (7) elektrisch isoliert ist und weiterhin eine zweite Gegenelektrode (16) vorhanden ist, welche die Entladungskammer (11) in einem zweiten Längsabschnitt ringförmig umgibt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Plasmadüse. The invention relates to a plasma nozzle (1) for generating a plasma jet (5) with at least one electrode (7), a casing (9) concentrically surrounding the electrode (7), wherein between the electrode (7) and the casing (9) Discharge chamber (11) is formed, and wherein the discharge chamber (11) has an inlet opening (12) for a process gas and a nozzle opening (14) for exiting the plasma jet (5) and the sheath (9) contains or consists of a dielectric the discharge chamber (11) in a first longitudinal section annularly surrounding first counter electrode (20), wherein the first counter electrode (20) through the jacket (9) from the electrode (7) is electrically insulated and further comprises a second counter electrode (16) is present, which annularly surrounds the discharge chamber (11) in a second longitudinal section. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a plasma nozzle.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse zum Erzeugen eines Plasmastrahls mit zumindest einer Elektrode, einer die Elektrode konzentrisch umgebenden Ummantelung, wobei zwischen der Elektrode und der Ummantelung eine Entladungskammer ausgebildet ist, und wobei die Entladungskammer eine Einlassöffnung für ein Prozessgas und eine Düsenöffnung zum Austreten des Plasmastrahls aufweist und die Ummantelung ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht und einer die Entladungskammer in einem ersten Längsabschnitt ringförmig umgebende erste Gegenelektrode. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung der Plasmadüse zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstückes bzw. eines Werkstückes mit dem so erzeugten Plasmastrahl. The invention relates to a plasma jet for generating a plasma jet with at least one electrode, a jacket surrounding the electrode concentrically, wherein between the electrode and the jacket a discharge chamber is formed, and wherein the discharge chamber has an inlet opening for a process gas and a nozzle opening for the exit of the plasma jet and the sheath contains or consists of a dielectric and a first counterelectrode annularly surrounding the discharge chamber in a first longitudinal section. Furthermore, the invention relates to a method for using the plasma nozzle for treating a surface of a workpiece or a workpiece with the plasma jet thus generated.

Bei einer derartigen Behandlung eines Werkstückes erfolgt eine Oberflächenaktivierung und/oder -funktionalisierung und eine Feinstreinigung der behandelten Oberfläche durch den Plasmastrahl. Das Plasma kann mit einem Inertgas oder einem Reaktivgas betrieben werden, so dass physikalische und/oder chemische Prozesse an der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes ablaufen. Dadurch wird z.B. die Haftung zwischen Materialen verbessert, beispielsweise im Falle von Lackierungen oder Klebverbindungen von Kunststoffoberflächen. In such a treatment of a workpiece is a surface activation and / or functionalization and a fine cleaning of the treated surface by the plasma jet. The plasma can be operated with an inert gas or a reactive gas, so that physical and / or chemical processes take place on the surface of the workpiece to be treated. This will e.g. improves the adhesion between materials, for example in the case of coatings or adhesive bonds of plastic surfaces.

Die Applikation von Plasmen auf nichtleitenden Werkstücken von hoher Materialstärke oder komplizierten Geometrien kann z.B. mit bekannten Plasmadüsen (Jet-Systemen) gemäß US 6,677,550 B2 oder US 5,961,772 vorgenommen werden. Die Ummantelung bildet dabei selbst die Gegenelektrode aus, so dass sich zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode nach Beaufschlagung mit einer Hochspannung thermische Bogenentladungen ausbilden. Das so entstehende Plasma wird durch den Gasstrom aus der Düse ausgetrieben. The application of plasmas on non-conductive workpieces of high material thickness or complicated geometries can, for example, with known plasma nozzles (jet systems) according to US 6,677,550 B2 or US 5,961,772 be made. In this case, the casing itself forms the counterelectrode, so that thermal arc discharges are formed between the electrode and the counterelectrode after being exposed to a high voltage. The resulting plasma is expelled from the nozzle by the gas flow.

Nachteile dieser Jet-Systeme sind ein beim Betrieb entstehender starker Elektrodenabbrand, hohe Temperaturen bedingt durch die als Plasmastrahl aus der Düsenöffnung ausgetriebenen thermischen Bogenentladungen und eine fehlende Reinigungswirkung bzw. eine niedrige Effizienz. Diese Nachteile treten insbesondere bei hohen Prozessgeschwindigkeiten auf, d.h. wenn das Werkstück vom Plasmastrahl mit hoher Geschwindigkeit überfahren wird. Bei diesen Jet-Systemen werden nämlich die im Plasma vorhandenen, zur Oberflächenbehandlung vorgesehenen reaktiven Spezies, d.h. z.B. angeregte Moleküle, Atome und/oder Ionen, nicht direkt auf der zu behandelnden Oberfläche erzeugt, da die hohen Temperaturen in thermischen Bogenentladungen die Oberfläche beschädigen würden. Um derartige physikalische Effekte der Plasmafilamente der Bogenentladungen auf der Oberfläche zu vermeiden, werden die Bogenentladungen in einiger Entfernung zur Oberfläche erzeugt. Diese Jet-Systeme werden deshalb als Remote-Systeme, die dabei erzeugten Plasmen als „Remote-Plasma“ bezeichnet. Da die reaktiven Spezies nicht direkt auf der Werkstückoberfläche generiert werden, sondern in einiger Entfernung dazu, können diese Spezies jedoch auf dem Weg zur Oberfläche z.B. mit der Umgebungsluft oder den Elektrodenwänden des Remote-Systems abreagieren. Es kann also nur ein geringer Anteil dieser Spezies mit der Oberfläche reagieren. Dadurch sinkt die Effizienz der Plasmabehandlung. Disadvantages of these jet systems are a strong electrode burn-up which arises during operation, high temperatures due to the thermal arc discharges driven out of the nozzle opening as a plasma jet, and a lack of cleaning action or low efficiency. These disadvantages occur especially at high process speeds, i. when the workpiece is run over by the plasma jet at high speed. Namely, in these jet systems, the reactive species present in the plasma for surface treatment, i. e.g. Excited molecules, atoms and / or ions, not directly generated on the surface to be treated, because the high temperatures in thermal arc discharges would damage the surface. To avoid such physical effects of the plasma filaments of the arc discharges on the surface, the arc discharges are generated at some distance from the surface. These jet systems are therefore referred to as remote systems, the resulting plasma called "remote plasma". However, because the reactive species are not generated directly on the workpiece surface, but at some distance therefrom, these species may migrate to the surface, e.g. Abreact with the ambient air or the electrode walls of the remote system. Thus, only a small proportion of these species can react with the surface. This reduces the efficiency of the plasma treatment.

Die Anwendung von bekannten Plasma-Jets ermöglicht eine Aktivierung, jedoch keine Feinstreinigung der Oberfläche. Hoher Prozessgasverbrauch, eine notwendige Kühlung des Prozessgases und eine geringe effektive Entladungsfläche machen dieses Verfahren zu einem nur begrenzt wirtschaftlichen Verfahren. The use of known plasma jets allows activation, but no superficial cleaning of the surface. High process gas consumption, a necessary cooling of the process gas and a low effective discharge area make this process to a limited economic process.

Alternativ sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen zur Erzeugung von Gleitentladungen auf der Oberfläche des zu reinigenden Werkstückes oder die Ausbildung von dielektrisch behinderten Entladungen auf der Oberfläche des zu reinigenden Werkstückes bekannt. Bei Gleitentladungen liegen parallel zur zu behandelnden Oberfläche angeordnete Hochspannungselektroden auf unterschiedlichem elektrischen Potential und nutzen das zu behandelnde Werkstück als Überbrückungsmedium für das Erzeugen von Entladungsfilamenten. Dabei sind in Abhängigkeit vom eingesetzten Prozessgas lediglich Gleitentladungen bei Entladungsabständen um 1 mm realisierbar. Diese Verfahren eignen sich damit nur für plane Oberflächen mit geringen Formtoleranzen, da das Plasma nicht in Hinterschneidungen oder Vertiefungen eindringen kann und der Abstand der Hochspannungselektroden präzise geregelt werden muss. Im Falle von dielektrisch behinderten bzw. Barrierenentladungen muss das im Entladungsspalt aufgenommene Werkstück auch noch dünn sein, um die Entladung mit handhabbaren elektrischen Spannungen zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Alternatively, known from the prior art devices for generating Gleitentladungen on the surface of the workpiece to be cleaned or the formation of dielectrically impeded discharges on the surface of the workpiece to be cleaned. In the case of sliding discharges, high-voltage electrodes arranged at a different electrical potential are arranged parallel to the surface to be treated and use the workpiece to be treated as a bridging medium for the production of discharge filaments. In this case, depending on the process gas used only sliding discharges at discharge distances by 1 mm can be realized. These methods are therefore suitable only for flat surfaces with low dimensional tolerances, since the plasma can not penetrate into undercuts or depressions and the distance of the high voltage electrodes must be precisely controlled. In the case of dielectrically impeded or barrier discharges, the workpiece received in the discharge gap must also be thin in order to generate and maintain the discharge with manageable electrical voltages.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Reinigungsverfahren und eine Reinigungsvorrichtung zur Aktivierung bzw. Feinstreinigung einer Oberfläche bereitzustellen, welches eine verbesserte, insbesondere effizientere Behandlung der Oberfläche erlaubt und universell auf ebenen oder auch unebenen Oberflächen von Werkstücken eingesetzt werden kann. The object of the present invention is thus to provide a cleaning method and a cleaning device for activating or fine cleaning a surface, which allows an improved, in particular more efficient treatment of the surface and can be used universally on even or uneven surfaces of workpieces.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 10. Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird eine Plasmadüse zum Erzeugen eines Plasmastrahls vorgeschlagen. Diese enthält zumindest eine Elektrode. Die Elektrode kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung länglich oder stabförmig sein. Die Elektrode kann hohl sein bzw. einen Hohlraum enthalten. According to the invention, a plasma nozzle for generating a plasma jet is proposed. This contains at least one electrode. The electrode may be elongated or rod-shaped in some embodiments of the invention. The electrode may be hollow or contain a cavity.

Die zumindest eine Elektrode ist mit einer Ummantelung umgeben, so dass sich zwischen der Elektrode und der Ummantelung eine Entladungskammer ausbildet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Ummantelung und die Elektrode konzentrisch zueinander angeordnet sein. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Ummantelung ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht. The at least one electrode is surrounded by a jacket, so that a discharge chamber is formed between the electrode and the jacket. In some embodiments of the invention, the sheath and the electrode may be concentric with each other. According to the invention, it is proposed that the sheath contains or consists of a dielectric.

Die Entladungskammer weist weiter zumindest eine Einlassöffnung für ein Prozessgas und eine Düsenöffnung zum Austreten des Plasmastrahls auf. The discharge chamber further has at least one inlet opening for a process gas and a nozzle opening for exiting the plasma jet.

Weiterhin weist die Erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine erste Gegenelektrode auf, welche die Entladungskammer in einem ersten Längsabschnitt ringförmig umgibt. Dabei ist die erste Gegenelektrode durch die Ummantelung von der Elektrode elektrisch isoliert. Zusätzlich ist weiterhin eine zweite Gegenelektrode vorhanden, welche die Entladungskammer in einem zweiten Längsabschnitt ringförmig umgibt. Auch die Gegenelektroden können konzentrisch zur Elektrode und der Ummantelung angeordnet sein. Furthermore, the device according to the invention has at least one first counterelectrode, which surrounds the discharge chamber in a ring-shaped manner in a first longitudinal section. In this case, the first counterelectrode is electrically insulated from the electrode by the jacket. In addition, a second counterelectrode is additionally provided, which surrounds the discharge chamber in a ring-shaped manner in a second longitudinal section. The counterelectrodes can also be arranged concentrically with respect to the electrode and the sheath.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung bzw. zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Plasmadüse weist folgende Verfahrensschritte auf:
Zuführen eines eine Strömung aufweisenden Prozessgases durch die Einlassöffnung in die Entladungskammer und Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen einer Elektrode und/oder einer ersten Gegenelektrode und/oder einer zweiten Gegenelektrode, so dass sich in der Entladungskammer ein Plasma durch Zünden von dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas in der Entladungskammer ausbildet, und Erzeugen eines Plasmastrahls aus von der Strömung aus der Düsenöffnung ausgetriebenem Plasma. A method according to the invention for the use or operation of a plasma nozzle according to the invention has the following method steps:
Supplying a process gas having a flow through the inlet opening into the discharge chamber and generating an electrical potential difference between an electrode and / or a first counterelectrode and / or a second counterelectrode so that a plasma is formed in the discharge chamber by igniting dielectrically impeded discharges in the process gas in the discharge chamber, and generating a plasma jet of plasma expelled from the flow from the nozzle orifice.

Es wird somit ein Plasmastrahl mittels einer dielektrisch behinderten Entladung (Dielectric Barrier Discharge oder DBD) erzeugt (DBD-Jet). Die Entladungsfilamente der DBD werden dabei durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung zwischen der Elektrode und der oder den Gegenelektroden erzeugt. Bei einer DBD werden Entladungsfilamente im Prozessgas erzeugt, in denen relativ zu thermischen Bogenentladungen nur niedrige Temperaturen herrschen. Bei den so erzeugten Plasmen handelt es sich also um nicht thermische Plasmen, in denen die erzeugten reaktiven Spezies nicht im thermischen Gleichgewicht mit ihrem lokal umgebenden Prozessgas sind. Der Entladungsprozess in den einzelnen Entladungsfilamenten ist aufgrund der dielektrischen Behinderung derart zeitlich kurz, dass sich kein thermisches Gleichgewicht ausbilden kann. Derartige Plasmen, bzw. ein daraus erzeugter Plasmastrahl, können deshalb als direkt wirkende Plasmen zur Oberflächenbehandlung eingesetzt werden. Durch die Möglichkeit der Plasmaerzeugung in Oberflächennähe ohne die Oberfläche zu beschädigen ist eine effiziente Behandlung möglich. Thus, a plasma jet is generated by means of a dielectrically impeded discharge (Dielectric Barrier Discharge or DBD) (DBD jet). The discharge filaments of the DBD are generated by applying an electrical high voltage between the electrode and the counter electrode (s). In a DBD, discharge filaments are produced in the process gas in which only low temperatures prevail relative to thermal arc discharges. The plasmas thus produced are therefore non-thermal plasmas in which the reactive species produced are not in thermal equilibrium with their locally surrounding process gas. The discharge process in the individual discharge filaments is so short in time due to the dielectric barrier that no thermal equilibrium can form. Such plasmas, or a plasma jet generated therefrom, can therefore be used as direct-acting plasmas for surface treatment. The possibility of plasma generation near the surface without damaging the surface makes efficient treatment possible.

Anders als bekannte Systeme zur Plasmaaktivierung, welche oftmals das Werkstück als dielektrische Barriere nutzen, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch dickere Werkstücke bearbeitet werden, da das nichtleitende Werkstück zu einem Gegenpotential für die zweite Gegenelektrode wird. Die erfindungsgemäße Plasmadüse kombiniert somit die Vorteile bekannter Plasmajets wie hohe Spaltgängigkeit mit der Effizienz von Gleitentladungen oder Barrierenentladungen auf der Oberfläche des Werkstückes. Unlike known systems for plasma activation, which often use the workpiece as a dielectric barrier, even thicker workpieces can be processed with the device according to the invention, since the non-conductive workpiece becomes a counter potential for the second counter electrode. The plasma nozzle according to the invention thus combines the advantages of known plasma jets, such as high fissuring, with the efficiency of sliding discharges or barrier discharges on the surface of the workpiece.

Mit der erfindungsgemäßen Plasmadüse ist daher auch eine Behandlung von Werkstücken im industriellen Maßstab möglich, da größere Abstandstoleranzen zwischen Plasmadüse und Werkstück möglich sind als bei bekannten Gleitentladungen und größere Werkstückdicken als bei bekannten Barrierenentladungen. Hohe Abstands- bzw. Formtoleranzen, die gerade bei Massenware wie Extrusionshalbzeugen auftreten, erfordern im Inline-Betrieb Vorbehandlungssysteme, die in möglichst hohen Toleranzbereichen eine effiziente Aktivierung/Funktionalisierung realisieren und im gleichen Zuge eine Feinstreinigung auf der Oberfläche durchführen. Als ein derartiges Vorbehandlungssystem ist die erfindungsgemäße Plasmadüse einsetzbar. Umweltschädliche und aufwändige nasschemische Verfahren zur Oberflächenbehandlung können dadurch ersetzt werden. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Plasmadüse ähnlich einer Gleitentladungsquelle ermöglicht flächige Anwendungen. Aufgrund der ausreichend hohen ermöglichten Entladungsabstände zwischen Werkstückoberfläche und der Mündung der Düsenöffnung können Werkstücke mit Formabweichungen bei hohen Geschwindigkeiten ohne Beschädigungen behandelt werden. Zudem ist eine gute Spaltgängigkeit für geometrisch komplizierte Werkstücke, z.B. mit Hinterschneidungen, Nuten, etc. gegeben. With the plasma nozzle according to the invention, therefore, a treatment of workpieces on an industrial scale is possible, since larger distance tolerances between the plasma nozzle and the workpiece are possible than in known sliding discharges and larger workpiece thicknesses than in known barrier discharges. High clearance or shape tolerances, which occur especially for mass-produced goods such as semi-finished extrusion products, require pre-treatment systems in in-line operation, which realize an efficient activation / functionalization in the highest possible tolerance ranges and at the same time carry out a fine cleaning on the surface. As such a pretreatment system, the plasma nozzle of the present invention can be used. Environmentally damaging and time-consuming wet-chemical surface treatment processes can be replaced by this. The use of the plasma nozzle according to the invention similar to a Gleitentladungsquelle enables planar applications. Due to the sufficiently high allowable discharge distances between the workpiece surface and the mouth of the nozzle opening workpieces can be treated with deviations in shape at high speeds without damage. In addition, good splitting for geometrically complicated workpieces, e.g. given with undercuts, grooves, etc.

In einigen Ausführungen der Erfindung ist die zweite Gegenelektrode so an der Düsenöffnung angeordnet, dass die Düsenöffnung zentral durch die Gegenelektrode verläuft. Entladungsfilamente der DBD entstehen so nicht nur in der Entladungskammer, sondern auch direkt im Bereich der Düsenöffnung und können so die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks tangieren. Derart kann auf der Oberfläche sowohl eine chemische als auch eine physikalische Beeinflussung stattfinden. Zudem können die so erzeugten reaktiven Spezies im Plasmastrahl direkt mit der Oberfläche interagieren, ohne vorher mit der Umgebungsluft oder anderen Reaktionspartnern in Kontakt zu kommen. In some embodiments of the invention, the second counterelectrode is arranged on the nozzle opening such that the nozzle opening extends centrally through the counterelectrode. Discharge filaments of the DBD thus arise not only in the discharge chamber, but also directly in the region of the nozzle opening and can thus affect the surface of the workpiece to be treated. Such can be on the Surface both a chemical and a physical influence take place. In addition, the reactive species generated in the plasma jet can interact directly with the surface without first coming into contact with the ambient air or other reactants.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die zweite Gegenelektrode eine tellerförmig verbreiterte Ringoberfläche aufweisen. Dies weist den Vorteil auf, dass direkt auf einer zu behandelnden Oberfläche Entladungsfilamente erzeugt werden können. Die Tellerflächennormale sollte dabei in etwa parallel zur Plasmastrahlrichtung stehen. Mit dieser Ausführungsform der Erfindung können auch elektrisch isolierende Werkstücke mit Materialstärken von mehr als 10 mm mit einer DBD behandelt werden, da das Werkstück nicht mehr vollständig im Entladungsspalt aufgenommen werden muss. In some embodiments of the invention, the second counterelectrode may have a dish-shaped widened ring surface. This has the advantage that discharge filaments can be produced directly on a surface to be treated. The plate surface normal should be approximately parallel to the plasma jet direction. With this embodiment of the invention also electrically insulating workpieces with material thicknesses of more than 10 mm can be treated with a DBD, since the workpiece no longer has to be completely absorbed in the discharge gap.

In einigen Ausführungen der Erfindung kann die Oberfläche der zweiten Gegenelektrode von der Ummantelung überdeckt sein. Die Ummantelung bildet somit ein durchgängiges, die Elektrodenoberfläche zur Entladungskammer und zum Werkstück hin abschirmendes Dielektrikum aus. Dies erlaubt eine einfache Konstruktion und Herstellung und einen zuverlässigen Betrieb der Plasmadüse. In some embodiments of the invention, the surface of the second counterelectrode may be covered by the sheath. The sheath thus forms a continuous dielectric which shields the electrode surface from the discharge chamber and from the workpiece. This allows for easy design and manufacture and reliable operation of the plasma nozzle.

In einigen Ausführungen der Erfindung ist bei einer gattungsgemäßen Plasmadüse die Ummantelung aus einem Dielektrikum ausgebildet, wobei die Gegenelektroden durch die Ummantelung von der Elektrode zur Erzeugung von dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode elektrisch isoliert ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Dielektrikum ein Glas, eine Keramik oder ein Polymer enthalten. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Polymer Polytetrafluorethylen (PTFE) sein oder enthalten. In some embodiments of the invention, in a generic plasma nozzle, the sheath is formed of a dielectric, the counterelectrodes being electrically insulated between the electrode and the counter electrode by the sheath from the electrode to produce dielectrically impeded discharges in the process gas. In some embodiments of the invention, the dielectric may include a glass, a ceramic, or a polymer. In some embodiments of the invention, the polymer may be or include polytetrafluoroethylene (PTFE).

In einigen Ausführungen der Erfindung ist die Elektrode im Entladungsraum mit einem Dielektrikum beschichtet. Diese zusätzliche Beschichtung bewirkt eine noch homogenere Entladungscharakteristik des von der DBD erzeugten Plasmas. Die Beschichtung kann ein Polymer oder eine Keramik enthalten oder daraus bestehen. Die Beschichtung kann Polytetrafluorethylen oder ein Oxid oder ein Oxinitrid enthalten. In some embodiments of the invention, the electrode is coated in the discharge space with a dielectric. This additional coating provides an even more homogeneous discharge characteristic of the plasma generated by the DBD. The coating may contain or consist of a polymer or a ceramic. The coating may include polytetrafluoroethylene or an oxide or an oxynitride.

In einigen Ausführungen der Erfindung kann die Einlassöffnung von mindestens einer Gasdurchführung in der Elektrode ausgebildet sein. Vorteilhaft können die Gasdurchführungen eine Mehrzahl von Bohrungen umfassen, welche radialsymmetrisch in der Elektrode angeordnet sind, wird eine gleichmäßige Strömung des Prozessgases durch die Entladungskammer erreicht. Dies führt auch zu einem besonders homogenen und stabilen Plasmastrahl. In some embodiments of the invention, the inlet opening may be formed by at least one gas passage in the electrode. Advantageously, the gas passages may comprise a plurality of bores, which are arranged radially symmetrically in the electrode, a uniform flow of the process gas through the discharge chamber is achieved. This also leads to a particularly homogeneous and stable plasma jet.

In einigen Ausführungen der Erfindung kann ein Plasmadüsengehäuse vorhanden sein, wobei die Gegenelektroden mittels einer Vergussmasse zwischen der Ummantelung und dem Plasmadüsengehäuse fixiert sind. Derart ist eine kostengünstige Herstellung der Plasmadüse möglich und es werden parasitäre Entladungen im Inneren der Plasmadüse vermieden. In some embodiments of the invention, a plasma nozzle housing may be present, wherein the counter electrodes are fixed by means of a potting compound between the casing and the plasma nozzle housing. Such a cost-effective production of the plasma nozzle is possible and it parasitic discharges are avoided in the interior of the plasma nozzle.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann bei Betrieb der Vorrichtung die erste Gegenelektrode auf einem Massepotential liegen und sich die zweite Gegenelektrode auf einem Floating-Potential befinden. Hierdurch wird ein Plasmajet aus der Düse ausgetrieben, welcher eine Reichweite von mehr als 10 mm oder mehr als 20 mm oder mehr als 30 mm haben kann. In some embodiments of the invention, during operation of the device, the first counter electrode may be at a ground potential and the second counter electrode may be at a floating potential. As a result, a Plasmajet is expelled from the nozzle, which can have a range of more than 10 mm or more than 20 mm or more than 30 mm.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann bei Betrieb der Vorrichtung die zweite Gegenelektrode auf einem Massepotential liegen und sich die erste Gegenelektrode auf einem Floating-Potential befinden. In diesem Betriebszustand gleiten die Plasmafilamente über die Unterseite der Plasmadüse bzw. über die parallel zur Tellerfläche der zweiten Elektrode verlaufende Teilfläche der Umhüllung. In diesem Fall können in einem Abstand von etwa 1 mm bis etwa 3 mm Gleitentladungen auf dem Werkstück erzeugt werden. In some embodiments of the invention, during operation of the device, the second counter electrode may be at a ground potential and the first counter electrode may be at a floating potential. In this operating state, the plasma filaments slide over the underside of the plasma nozzle or over the partial surface of the casing extending parallel to the plate surface of the second electrode. In this case, sliding discharges may be generated on the workpiece at a distance of about 1 mm to about 3 mm.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung können sich bei Betrieb der Vorrichtung die erste Gegenelektrode und die zweite Gegenelektrode auf einem Massepotential befinden. In diesem Betriebszustand wird zwischen der ersten Gegenelektrode und der Elektrode im Inneren des Entladungsraumes eine Entladung erzeugt, deren Plasma aus der Plasmadüse ausgetrieben wird. Die zweite Gegenelektrode bildet ein Gegenpotential zu dem aus der Düse austretenden Plasma. Auf diese Weise sind Gleitentladungen in einem Abstand von etwa 3 mm bis etwa 20 mm zur Werkstückoberfläche möglich. In some embodiments of the invention, during operation of the device, the first counter electrode and the second counter electrode may be at a ground potential. In this operating state, a discharge is generated between the first counterelectrode and the electrode in the interior of the discharge space, the plasma of which is expelled from the plasma nozzle. The second counterelectrode forms a counterpotential to the plasma emerging from the nozzle. In this way, sliding discharges at a distance of about 3 mm to about 20 mm to the workpiece surface are possible.

In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Prozessgas ausgewählt sein aus Argon und/oder Helium und/oder Umgebungsluft und/oder synthetischer Luft und/oder Gasgemischen aus Stickstoff und Sauerstoff im Mischungsverhältnis 90/10 oder 95/5 Volumenprozent. In some embodiments of the invention, the process gas may be selected from argon and / or helium and / or ambient air and / or synthetic air and / or gas mixtures of nitrogen and oxygen in the mixing ratio 90/10 or 95/5 volume percent.

Als mögliche Oberflächenbehandlungen mit dem Plasmastrahl einer erfindungsgemäßen Plasmadüse sind alle bisherigen Einsatzgebiete, in denen Plasma eine Anwendung findet, möglich, z.B. Oberflächenfunktionalisierung, Qberflächenaktivierung, Schichtabscheidung, Feinstreinigung und/oder Desinfektion. As possible surface treatments with the plasma jet of a plasma nozzle according to the invention, all previous fields of use in which plasma is used are possible, e.g. Surface functionalization, surface activation, layer deposition, ultrafine cleaning and / or disinfection.

Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Particular embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Plasmadüse während deren Verwendung bei der Oberflächenbehandlung eines Werkstückes. 1 a section through an embodiment of a plasma nozzle according to the invention during their use in the surface treatment of a workpiece.

2 die stiftförmige Elektrode der Plasmadüse aus 1 als Detaildarstellung. 2 the pin-shaped electrode of the plasma nozzle 1 as a detail.

3a bis c erfindungsgemäße Plasmadüse aus 1 in verschiedenen Betriebsmodi. 3a to c plasma nozzle according to the invention 1 in different operating modes.

4a und b Qualitätsparameter von Arbeitsergebnissen bei der Oberflächenbehandlung von Werkstücken in Abhänggigkeit von Betriebsparametern des erfindungsgemäßen Verfahrens in jeweils einer Balkendiagrammdarstellung. 4a and b quality parameters of work results in the surface treatment of workpieces as a function of operating parameters of the method according to the invention in each case in a bar chart representation.

5a bis c photographische Aufnahmen des Plasmastrahls einer erfindungsgemäßen Plasmadüse. 5a to c photographic photographs of the plasma jet of a plasma nozzle according to the invention.

In 1 ist eine geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Plasmadüse 1 während deren Verwendung bei der Oberflächenbehandlung eines Werkstückes 3 mit einem Plasmastrahl 5 gezeigt. Die Plasmadüse 1 weist eine stiftförmige Elektrode 7 zum Beaufschlagen mit einer insbesondere gepulsten Hochspannung auf. Diese Stiftelektrode 7 wird daher im Folgenden auch als Hochspannungselektrode bezeichnet. Die Stiftelektrode 7 ist von einer Ummantelung 9 aus einem dielektrischen Material konzentrisch umgeben. Die Ummantelung 9 weist eine zylindrische Grundform auf. Zwischen der Elektrode 7 und der Ummantelung 9 ist eine Entladungskammer 11 ausgebildet. Die Entladungskammer 11 weist eine Einlassöffnung 12 für ein Prozessgas, z.B. Argon, Helium und/oder Luft, und eine Düsenöffnung 14 zum Austreten des Plasmastrahls 5 auf. Der Plasmastrahl 5 wird aus in der Entladungskammer 11 erzeugtem und durch eine Strömung des Prozessgases aus der Düsenöffnung 14 ausgetriebenem Plasma erzeugt. Das strömende Prozessgas ist in der Figur durch einen Blockpfeil im Bereich der Einlassöffnung 12 symbolisch dargestellt. In 1 is a sectional view of a plasma nozzle according to the invention 1 during their use in the surface treatment of a workpiece 3 with a plasma jet 5 shown. The plasma nozzle 1 has a pin-shaped electrode 7 for applying a particularly pulsed high voltage. This pin electrode 7 is therefore also referred to below as a high voltage electrode. The pin electrode 7 is from a sheath 9 surrounded concentrically by a dielectric material. The jacket 9 has a cylindrical basic shape. Between the electrode 7 and the sheath 9 is a discharge chamber 11 educated. The discharge chamber 11 has an inlet opening 12 for a process gas, eg argon, helium and / or air, and a nozzle opening 14 to the exit of the plasma jet 5 on. The plasma jet 5 gets out in the discharge chamber 11 produced and by a flow of the process gas from the nozzle opening 14 generated plasma expelled. The flowing process gas is in the figure by a block arrow in the region of the inlet opening 12 symbolically represented.

Weiter ist eine die Entladungskammer 11 in einem Bereich ringförmig umgebende zweite Gegenelektrode 16 aus Metall vorgesehen. Die zweite Gegenelektrode 16 ist durch die dielektrische Ummantelung 9 von der Elektrode 7, zur Erzeugung von dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas zwischen der stiftförmigen Elektrode 7 und der Gegenelektrode 16 elektrisch isoliert. Die zweite Gegenelektrode 16 kann zur Erzeugung der dielektrisch behinderten Entladungen auf Masse gelegt, d. h. elektrisch geerdet, sein, weshalb sie im Folgenden auch als Massering bezeichnet wird. Die elektrische Kontaktierung ist in der Figur nicht eingezeichnet. Next is a discharge chamber 11 in a region surrounding annular second counter electrode 16 made of metal. The second counterelectrode 16 is through the dielectric sheath 9 from the electrode 7 for generating dielectrically impeded discharges in the process gas between the pin-shaped electrode 7 and the counter electrode 16 electrically isolated. The second counterelectrode 16 can be grounded, ie electrically grounded, to produce dielectrically impeded discharges, which is why it is referred to below as a ground ring. The electrical contact is not shown in the figure.

Die zweite Gegenelektrode 16 ist derart im Bereich der Düsenöffnung 14 angeordnet, dass die Düsenöffnung 14 zentral durch die zweite Gegenelektrode 16 verläuft. Weiter weist die zweite Gegenelektrode 16 eine tellerförmig verbreiterte Ringoberfläche 18 auf. Unter tellerförmig verbreitert wird dabei ein Ring mit einer Form verstanden, dessen radiale Ringbreite größer ist als seine axiale Ringhöhe. Die der Plasmastrahlrichtung abgewandte Ringoberfläche 18 der tellerförmig verbreiterten Gegenelektrode 16 ist von der Ummantelung 9 überdeckt und damit ebenfalls von der Hochspannungselektrode 7 mittels des Dielektrikums der Ummantelung 9 abgeschirmt. Derart weist die Plasmadüse 1 in ihrem unteren Bereich, d.h. im Bereich der Düsenöffnung 14, eine tellerförmige Verbreiterung (Tellerunterseite) auf. Die Ummantelung 9 wird daher im Folgenden auch als Tellerstab bezeichnet und die gesamte Plasmadüse 1 wird im Folgenden auch als „Disk-Jet“ bezeichnet. Die Flächennormalen der tellerförmig verbreiterten Ringoberfläche 18 und der entsprechend ausgeformten Tellerunterseite verlaufen in etwa parallel zur Austrittsrichtung des erzeugten Plasmastrahls 5. Die Düsenöffnung 14 verläuft radial mittig durch die tellerförmige Gegenelektrode 16. The second counterelectrode 16 is so in the area of the nozzle opening 14 arranged that the nozzle opening 14 centrally through the second counterelectrode 16 runs. Next, the second counter electrode 16 a plate-shaped widened ring surface 18 on. Under plate-shaped widened is understood a ring with a shape whose radial ring width is greater than its axial ring height. The ring surface facing away from the plasma jet direction 18 the plate-shaped widened counter electrode 16 is from the sheath 9 covered and thus also from the high voltage electrode 7 by means of the dielectric of the sheath 9 shielded. Such has the plasma nozzle 1 in its lower region, ie in the region of the nozzle opening 14 , a plate-shaped widening (plate base). The jacket 9 is therefore referred to below as the plate bar and the entire plasma nozzle 1 is also referred to below as "disk jet". The surface normals of the plate-shaped widened ring surface 18 and the correspondingly shaped plate underside run approximately parallel to the outlet direction of the plasma jet generated 5 , The nozzle opening 14 runs radially in the middle through the plate-shaped counter electrode 16 ,

Die Plasmadüse 1 weist weiterhin eine erste Gegenelektrode 20 aus Metall auf, die ebenfalls zum Betrieb der Plasmadüse 1 elektrisch auf Masse gelegt werden kann. Diese erste Gegenelektrode 20 umgibt die Entladungskammer 11 ebenfalls ringförmig und ist durch die Ummantelung 9 von der stabförmigen Elektrode 7 isoliert. Die erste Gegenelektrode 20 ist dabei auf Höhe der stabförmigen Elektrode 7 angeordnet und wird im Folgenden auch als oberer Massering bezeichnet, wogegen die im Bereich der Düsenöffnung 14 angeordneten zweite Gegenelektrode 16 als unterer Massering bezeichnet wird. Das elektrische Erdpotential der Masse kann auch durch ein beliebig anderes Potential ersetzt werden und/oder es können auch beide Masseringe auf unterschiedliche Potentiale gelegt werden, d.h. mit jeweils unterschiedlichen Spannungsquellen elektrisch verbunden werden. Aus sicherheits- und anwendungstechnischen Gründen ist das Erdpotential jedoch zu bevorzugen. The plasma nozzle 1 also has a first counterelectrode 20 made of metal, which is also used to operate the plasma nozzle 1 can be electrically grounded. This first counterelectrode 20 surrounds the discharge chamber 11 also annular and is through the casing 9 from the rod-shaped electrode 7 isolated. The first counter electrode 20 is at the level of the rod-shaped electrode 7 arranged and is referred to below as the upper mass ring, whereas in the region of the nozzle opening 14 arranged second counter electrode 16 is referred to as lower Massering. The electrical ground potential of the mass can also be replaced by any other potential and / or both mass rings can be set to different potentials, ie electrically connected to different voltage sources. For safety and application reasons, however, the earth potential is to be preferred.

Die Plasmadüse 1 kann daher als „Disk-Jet mit doppelter Masse“ bezeichnet werden. Von der ersten Gegenelektrode 20 gegenüber der im Bereich der Düsenöffnung 14 angeordneten zweiten Gegenelektrode 16 wird eine Vorentladungselektrode ausgebildet. D.h. das durch Entladungen zwischen der ersten Gegenelektrode 20 und der stabförmigen Elektrode 7 erzeugte Plasma wird von der Strömung des Prozessgases zur im Bereich der Düsenöffnung 14 angeordneten zweiten Gegenelektrode 16 transportiert, wodurch das Zünden von dielektrisch behinderten Entladungen im Bereich der letztgenannten zweiten Gegenelektrode möglich wird, d.h. eine dielektrisch behinderte Nachentladung angeregt wird. The plasma nozzle 1 can therefore be referred to as a "double mass disk jet". From the first counterelectrode 20 in the area of nozzle opening 14 arranged second counter electrode 16 a pre-discharge electrode is formed. That is, by discharges between the first counter electrode 20 and the rod-shaped electrode 7 Plasma generated by the flow of the process gas to in the region of the nozzle opening 14 arranged second counter electrode 16 transported, whereby the ignition of dielectrically impeded discharges in the region of the latter second counter electrode is possible, that is, a dielectrically impeded after-discharge is excited.

Die Hochspannungselektrode 7 weist Gasdurchführungen 25 auf und fungiert dadurch zugleich als Prozessgaszuführung, d.h. Einlassöffnung 12. Sie ist aus einem leitenden Material z.B. Edelstahl, Aluminium, und/oder Messing gefertigt. Der Tellerstab dient als Dielektrikum und ist aus einem dielektrischen Material z.B. Keramik, Glas, und/oder Polymer gefertigt. Im oberen Bereich der Tellerstabhülse, d.h. dem zylindrischen, die Entladungskammer ausbildenden Teil der Ummantelung 9, ist der obere Massering angebracht. Die Masseringe sind außerhalb der Entladungskammer 11 mit einer optionalen hochspannungsfesten Vergussmasse 27 von der Hochspannungselektrode 7 abgeschirmt, damit keine parasitären Entladungen im Inneren des einen Elektrodenkopf ausbildenden Teils der Plasmadüse 1 auftreten. Die Vergussmasse 27 dient auch zur Fixierung der Masseringe zwischen der Ummantelung 9 und dem Gehäuse 29 der Plasmadüse 1. The high voltage electrode 7 has gas ducts 25 at the same time acting as a process gas supply, ie inlet opening 12 , It is made of a conductive material such as stainless steel, aluminum, and / or brass. The plate rod serves as a dielectric and is made of a dielectric material such as ceramic, glass, and / or polymer. In the upper part of the Tellerstabhülse, ie the cylindrical, the discharge chamber forming part of the sheath 9 , the upper mass ring is attached. The mass rings are outside the discharge chamber 11 with an optional high-voltage resistant potting compound 27 from the high voltage electrode 7 shielded so that no parasitic discharges inside the electrode head forming part of the plasma nozzle 1 occur. The potting compound 27 also serves to fix the mass rings between the casing 9 and the housing 29 the plasma nozzle 1 ,

Auf Basis dieser Anordnung kann bei angelegter Spannung und eingeschalteter Prozessgaszufuhr bereits ein Plasmastrahl 5 mit Plasmaerzeugung aus dielektrisch behinderter Entladung (DBD-Jet) zwischen Hochspannungselektrode 7 und oberem Massering 20 gezündet werden. Je nach Prozessgas und angelegter elektrischer Leistung lässt sich dieser DBD-Jet bis zu 50 mm aus der Düsenöffnung 14 austreiben. Dieser DBD-Jet kann beispielsweise auch mit Druckluft als Prozessgas gezündet werden. Based on this arrangement, when the voltage is applied and the process gas supply is switched on, a plasma jet may already be present 5 with plasma generation of dielectrically impeded discharge (DBD-Jet) between high-voltage electrode 7 and upper massing 20 to be detonated. Depending on the process gas and the applied electrical power, this DBD jet can be extended up to 50 mm from the nozzle opening 14 cast out. This DBD jet can be ignited, for example, with compressed air as a process gas.

Bei der beschriebenen Entladungsanordnung des „Disc-Jet“ zwingt der konzentrische untere Massering 16 aus der Düsenöffnung 14 ausgetriebene Filamente von Entladungen dazu, an der Unterseite des Tellers, d.h. an der dem Werkstück zugewandten tellerartig verbreiterten Unterseite der Ummantelung 9 zu zünden. So kann, im freien Betrieb, d.h. ohne dass sich ein Werkstück unter der Quelle, d.h. der Düsenöffnung 14, befindet, eine Entladung zünden, die nach dem Prinzip eines Repeaters agiert. Bei letzterem Prinzip erzeugt die Entladung zwischen dem oberem Massering 20 und der Hochspannungselektrode 7, bzw. das Plasma dieser Entladung, eine weitere Entladung im Bereich des unteren Masserings 16 und wird deshalb im übertragenen Sinne wiederholt. Die Filamente der Entladungen im Bereich des unteren Masserings 16 können direkt mit der zu behandelnden Oberfläche in Kontakt kommen. Derartige Oberflächenentladungen weisen eine bessere Effizienz als Remote-Plasmen auf. Die reaktiven Spezies im Plasma reagieren auf ihrem Weg zur Werkstückoberfläche bei Remote-Plasmen zu einem großen Teil ab, was große Effizienzeinbußen in der Aktivierung der Oberfläche hervorbringt. Letzteres ist bei Oberflächenentladungen nicht der Fall. Zudem kommen die Filamente bei Oberflächenentladungen mit der Oberfläche in Kontakt, was eine Feinstreinigung der Oberfläche ermöglicht. In the described discharge arrangement of the "Disc-Jet" forces the concentric lower mass ring 16 from the nozzle opening 14 expelled filaments of discharges to, on the underside of the plate, ie on the workpiece facing plate-like widened bottom of the casing 9 to ignite. Thus, in free operation, ie without a workpiece under the source, ie the nozzle opening 14 , is to ignite a discharge that acts on the principle of a repeater. In the latter principle, the discharge creates between the upper mass ring 20 and the high voltage electrode 7 , or the plasma of this discharge, another discharge in the range of the lower Masserings 16 and is therefore repeated in the figurative sense. The filaments of the discharges in the area of the lower mass ring 16 can come into direct contact with the surface to be treated. Such surface discharges have better efficiency than remote plasmas. The reactive species in the plasma react to a large extent on their way to the workpiece surface in remote plasmas, resulting in large efficiency losses in the activation of the surface. The latter is not the case with surface discharges. In addition, the filaments come in surface discharges with the surface in contact, which allows a fine cleaning of the surface.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt ein DBD-Remote Plasma als Zündquelle und projiziert ihr Potential auf die nichtleitende Oberfläche des Werkstücks. Da das nichtleitende Werkstück somit indirekt zu einem Gegenpotential, auch Floating Potential genannt, für den unteren Massering 16 wird, kommt es zwischen der Tellerunterseite und dem nichtleitenden Werkstück zur Ausbildung von tangierenden Filamenten einer Entladung. Je nach Abstand zwischen Tellerunterseite und Werkstück bildet sich somit, unterstützt vom Staudruck des kontinuierlich strömenden Prozessgases, eine über die Oberfläche der Tellerunterseite (Tellerfläche) weitgehend homogene Plasmaentladung aus. One embodiment of the method according to the invention uses a DBD remote plasma as the ignition source and projects its potential onto the non-conductive surface of the workpiece. Since the non-conductive workpiece thus indirectly to a counter potential, also called floating potential, for the lower mass ring 16 is, it comes between the plate base and the non-conductive workpiece to form tangent filaments of a discharge. Depending on the distance between the underside of the plate and the workpiece thus forms, supported by the back pressure of the continuously flowing process gas, over the surface of the plate bottom (plate surface) substantially homogeneous plasma discharge.

In 2 ist die stiftförmige Elektrode 7 der Plasmadüse aus 1 als Detaildarstellung gezeigt. Die dargestellte Stiftelektrode 7 ist radialsymmetrisch ausgebildet. An ihrer, der Spitze 30 der Stiftelektrode 7 abgewandten Elektrodenbasis 31 weist die Stiftelektrode 7 Nuten 32 auf, die zur Fixierung der Stiftelektrode 7 in der Ummantelung 9 der Plasmadüse dienen. Weiter sind im Bereich der Elektrodenbasis 31 Gasdurchführungen 25 radialsymmetrisch innerhalb der Stiftelektrode 7 angeordnet. Diese bilden die Einlassöffnung der Plasmadüse für das Prozessgas aus. In 2 is the pin-shaped electrode 7 from the plasma nozzle 1 shown as a detail. The illustrated pin electrode 7 is formed radially symmetrical. At her, the top 30 the pin electrode 7 remote electrode base 31 has the pin electrode 7 groove 32 on, for fixing the pin electrode 7 in the sheath 9 serve the plasma nozzle. Next are in the area of the electrode base 31 Gas connections 25 radially symmetric within the pin electrode 7 arranged. These form the inlet opening of the plasma nozzle for the process gas.

In den 3a bis c ist die erfindungsgemäße Plasmadüse aus 1 während ihres Betriebes in verschiedenen Betriebsmodi dargestellt. Aufgrund der Elektrodenkonfiguration mit einer Hochspannungselektrode und zwei Gegenelektroden, nämlich dem oberen und dem unteren Massering, kann der „Disk-Jet“ in drei verschiedenen Modi betrieben werden. In den 3a bis c sind die drei Modi dargestellt. Die elektrische Kontaktierung ist jeweils schaltplanartig eingezeichnet. In the 3a to c is the plasma nozzle of the invention 1 during their operation in different operating modes. Due to the electrode configuration with one high voltage electrode and two counter electrodes, namely the upper and lower ground ring, the "disk jet" can be operated in three different modes. In the 3a to c, the three modes are shown. The electrical contact is drawn in each case like a circuit diagram.

Legt man bei einer an eine Hochspannungsquelle angeschlossener Hochspannungselektrode die Masse lediglich an den oberen Massering an, erhält man eine reine DBD-Jet-Entladung deren Plasmastrahl 40 in 3a (Betriebsmodus „DBD-Jet“) gezeigt ist. Dieser Plasmastrahl 40 weist eine Länge bis 50 mm bei den Prozessgasen Argon, Helium oder Luft auf. If, in the case of a high-voltage electrode connected to a high-voltage source, the ground is merely applied to the upper ground ring, a pure DBD-jet discharge of the plasma jet is obtained 40 in 3a (Operating mode "DBD-Jet") is shown. This plasma jet 40 has a length of up to 50 mm for the process gases argon, helium or air.

Wird hingegen, wie in 3b, nur der untere Massering mit Masse kontaktiert, d.h. geerdet, so erhält man Entladungs- bzw. Plasmafilamente 41 als Plasmastrahl, die direkt von der Hochspannungselektrode auf den unteren Massering zünden. Die Plasmafilamente 41 gleiten in diesem Modus über die Tellerfläche der Elektrode. Eine deutliche Interaktion der Entladungsfilamente 41 mit der Werkstückoberfläche ist dadurch möglich. Realisierbare Entladungsabstände zum zu behandelnden Werkstück liegen je nach Prozessgas zwischen 1 mm bei Luft als Prozessgas und 3 mm bei Argon oder Helium als Prozessgas. Will, however, as in 3b , only the lower ground ring contacted with ground, ie grounded, we get discharge or plasma filaments 41 as a plasma jet, directly from the Ignite the high-voltage electrode on the lower earth ring. The plasma filaments 41 glide in this mode over the face of the electrode. A clear interaction of the discharge filaments 41 with the workpiece surface is possible. Depending on the process gas, realizable discharge distances to the workpiece to be treated are between 1 mm for air as process gas and 3 mm for argon or helium as process gas.

Der effektivste Modus ist in 3c dargestellt (Betriebsmodus „Disc-Jet“). Dabei sind beide Masseringe elektrisch mit Masse kontaktiert. Wie beschrieben fungiert der untere Massering dabei als „Repeater“. Das zwischen Hochspannungselektrode und oberem Massering generierte Remoteplasma wird aus der Düsenöffnung als Plasmastrahl ausgeblasen und bietet mit seinem Floating Potential dem unteren Massering ein Gegenpotential. Entladungsfilamente 42 einer Entladung zünden an die Tellerunterseite, welche das Dielektrikum für den unteren Massering darstellt. Auf diese Weise sind Gleitentladungen bei Entladungsabständen zum Werkstück zur Düsenöffnung von 3 mm bei Luft als Prozessgas bis zu 20 mm bei Argon oder Helium als Prozessgas möglich. Die Entladungsfilamente 42 interagieren sowohl chemisch als auch physikalisch mit der zu behandelnden Oberfläche und bewirken sowohl eine Oberflächenaktivierung/ bzw. -funktionalisierung als auch eine Feinstreinigung von beliebig dicken, nichtleitenden Werkstücken auf dem Niveau von direkt agierenden dielektrisch behinderten Entladungen. The most effective mode is in 3c shown (operating mode "Disc-Jet"). Both mass rings are electrically connected to ground. As described, the lower mass ring acts as a "repeater". The generated between high voltage electrode and upper Massering remote plasma is blown out of the nozzle opening as a plasma jet and offers with its floating potential the lower mass ring counter-potential. discharge filaments 42 a discharge ignite the plate underside, which is the dielectric for the lower Massering. In this way, sliding discharges at discharge distances to the workpiece to the nozzle opening of 3 mm with air as process gas up to 20 mm with argon or helium as process gas are possible. The discharge filaments 42 interact both chemically and physically with the surface to be treated and cause both a surface activation / or functionalization as well as a fine cleaning of arbitrarily thick, non-conductive workpieces at the level of directly acting dielectrically impeded discharges.

Der „Disc-Jet“ ist basierend auf seiner Bauform einfach in bestehende Prozesse integrierbar und aufgrund seiner Effektivität auch unter Industriebedingungen einsetzbar. Sowohl auf flächigem Platten-/Folienmaterial, als auch auf komplizierten Werkstückgeometrien oder Hinterschneidungen ist ein Plasma unter Verwendung des „Disc-Jet“ optimal zu applizieren. Based on its design, the "Disc-Jet" can be easily integrated into existing processes and, due to its effectiveness, can also be used under industrial conditions. Both on flat plate / foil material, as well as on complicated workpiece geometries or undercuts a plasma using the "Disc-Jet" is to be applied optimally.

In den 4a und b sind Qualitätsparameter von Arbeitsergebnissen bei der Oberflächenbehandlung von Werkstücken in Abhänggigkeit von Betriebsparametern des erfindungsgemäßen Verfahrens in jeweils einer Balkendiagrammdarstellung im Vergleich gezeigt. 4a zeigt die Abhebefestigkeit von wasserbasierenden Lacken auf PVC im Vergleich bei der Oberflächenbehandlung im Betriebsmodus „DBD-Jet“ und „Disc-Jet“ mit Prozessgas Argon. In the 4a and b are quality parameters of work results in the surface treatment of workpieces as a function of operating parameters of the method according to the invention shown in a respective bar graph representation in comparison. 4a shows the lift-off resistance of water-based paints to PVC compared to the surface treatment in operating mode "DBD-Jet" and "Disc-Jet" with argon process gas.

Vergleiche zwischen dem „Disc-Jet“ Modus und einem baugleichen DBD-Jet Modus (d.h. der untere Massering wurde weggelassen bzw. nicht auf Masse gelegt, d.h. nicht elektrisch mit Erdpotential verbunden) haben gezeigt, dass der „Disc-Jet“ beispielsweise bis zu 100% bessere Ergebnisse in der Haftfestigkeit von wasserbasierenden Lacken (der sogenannten adhesive pull strength [MPa]) auf Polyvinylchlorid (PVC) und Polypropylen (PP) erreicht. In 4a sind die Oberflächenbehandlungsergebnisse der beiden Betriebsmodi bei unterschiedlichen Prozessgeschwindigkeiten gegenübergestellt. Das Prozessgas ist Argon. Bei geringen Behandlungsgeschwindigkeiten zeigen sich keine signifikanten Unterschiede in der Haftfestigkeit der Lackschicht. Ab 4 meter/min bis hin zu 32 meter/min zeigt sich eine drastische Abnahme der Behandlungsergebnisse des DBD-Jet Modus, wohingegen der Disc-Jet Modus signifikant bessere Ergebnisse in der Haftfestigkeit des Lackes zeigt. Seine Vorteile zeigen sich somit insbesondere bei hohen Behandlungsgeschwindigkeiten, die besonders für die Industrie eine hohe Relevanz besitzen. Die Entladung des „Disc-Jet“ hat Gleitentladungscharakter und kann im freien Betrieb, d.h. ohne dass sich ein Werkstück unter der Quelle befindet, mit Entladungsabständen zwischen Düsenöffnung und Werkstückoberfläche bis zu 20 mm realisiert werden. Somit ist eine hohe Spaltgängigkeit, d.h. Eindringtiefe in Oberflächenspalten, auf Basis direkter Entladungen realisiert, was eine effiziente Behandlung von profilierten bzw. strukturierten Oberflächen oder auch Werkstücken mit größeren Form- oder Lagetoleranzen ermöglicht. Comparisons between the "Disc-Jet" mode and an identical DBD-Jet mode (ie, the lower mass ring has been omitted or grounded, ie, not electrically connected to ground) have shown that the "Disc-Jet" is up to 100% better results in the adhesion of water-based paints (the so-called adhesive pull strength [MPa]) to polyvinyl chloride (PVC) and polypropylene (PP). In 4a the surface treatment results of the two operating modes are compared at different process speeds. The process gas is argon. At low treatment speeds, there are no significant differences in the adhesion of the lacquer layer. From 4 meters / min up to 32 meters / min there is a drastic decrease in the treatment results of the DBD-Jet mode, whereas the Disc-Jet mode shows significantly better results in the adhesion of the paint. Its advantages are thus particularly evident at high treatment speeds, which are of great relevance especially for industry. The discharge of the "Disc-Jet" has sliding discharge character and can be realized in free operation, ie without a workpiece under the source, with discharge distances between the nozzle opening and workpiece surface up to 20 mm. Thus, a high fissure, ie penetration depth in surface columns, realized on the basis of direct discharges, which allows efficient treatment of profiled or structured surfaces or workpieces with greater dimensional tolerances.

In 4b sind Ergebnisse der Abhebefestigkeit von wasserbasierenden Lacken auf PVC bei einer Oberflächenbehandlung mit einer erfindungsgemäßen Plasmadüse im Disc-Jet Modus mit zwei verschiedenen Prozessgasen, nämlich Argon und Luft, gegenübergestellt. Behandelt wurden Profile auf PVC Basis, welche nach der Behandlung mit wasserbasierendem Lack lackiert wurden. Die Verwendung von Argon als auch Luft ermöglicht mit sämtlichen Behandlungsgeschwindigkeiten eine deutliche Optimierung bis 300% der Abhebefestigkeiten des Lackes im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen. In 4b are results of the lift-off strength of water-based paints on PVC in a surface treatment with a plasma nozzle according to the invention in disc-jet mode with two different process gases, namely argon and air, faced. Treated were profiles based on PVC, which were painted after treatment with water-based paint. The use of argon and air at all treatment speeds allows a significant optimization up to 300% of the lift-off resistance of the paint compared to untreated surfaces.

In 5a bis c sind photographische Aufnahmen des Plasmastrahls einer erfindungsgemäßen Plasmadüse im Betriebsmodus „Disc-Jet“ gezeigt. In 5a to c show photographic images of the plasma jet of a plasma nozzle according to the invention in the operating mode "Disc-Jet".

5a zeigt die flächige Ausbildung der Gleitentladung des „Disc-Jet“ auf einer Werkstückoberfläche. Der Entladungsabstand ist bei den durchgeführten Versuchen gemäß den 4 für die flächige Behandlung konstant 3 mm. Es ist deutlich eine flächige Entladung über die Werkstückoberfläche zu erkennen. 5a shows the planar formation of the sliding discharge of the "Disc-Jet" on a workpiece surface. The discharge distance is in the experiments carried out according to the 4 for the surface treatment constant 3 mm. It is clearly visible a flat discharge over the workpiece surface.

5b zeigt die Entladungscharakteristik des „Disk-Jet“ im freien Betrieb (Entladung ohne Werkstück). Die Filamente treten aus der Mündung der Düsenöffnung aus und zünden nach einer gewissen Strecke wieder hoch zur Tellerfläche des „Disk-Jet“. Je nachdem wie nah das Werkstück zur Quellenunterseite, d.h. der Düsenöffnung, hindurchgefahren wird, gleiten die Filamente über die Oberfläche des Werkstücks und formen eine flächige Entladung aus, die sich mit Verringerung des Abstands an die Größe der Tellerfläche anpasst. 5b shows the discharge characteristics of the "Disk-Jet" in free operation (unloading without workpiece). The filaments emerge from the mouth of the nozzle opening and ignite after a certain distance back up to the plate surface of the "disk jet". Depending on how close the workpiece to the source bottom, ie the nozzle opening, drove through is, the filaments slide over the surface of the workpiece and form a surface discharge, which adapts with reduction of the distance to the size of the plate surface.

5c zeigt den Einsatz des „Disc-Jet“ auf einem Kunststoffprofil mit einer 10 mm tiefen Längsnut mit Hinterschneidung. Auch hier sieht man den Plasmastrahl als Plasmabündel aus der Düsenmündung heraustreten. Dieses Bündel bildet auf dem Boden der Längs-Nut einen großen Fußpunkt aus, von dem aus Filamente zur Tellerfläche des „Disc-Jets“ zünden. 5c shows the use of the "Disc-Jet" on a plastic profile with a 10 mm deep longitudinal groove with undercut. Again, you can see the plasma jet as a plasma bundle coming out of the nozzle orifice. This bundle forms on the bottom of the longitudinal groove a large foot point from which ignite filaments to the disc surface of the "disc jet".

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste“ und „zweite“ Ausführungsformen definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen.Of course, the invention is not limited to the illustrated embodiments. The above description is therefore not to be considered as limiting, but as illustrative. The following claims are to be understood as meaning that a named feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of further features. As long as the claims and the above description define "first" and "second" embodiments, this designation serves to distinguish two similar embodiments without prioritizing them.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6677550 B2 [0003]
US 5961772 [0003]

Claims

Plasma nozzle ( 1 ) for generating a plasma jet ( 5 ) with at least one electrode ( 7 ), one the electrode ( 7 ) concentrically surrounding sheath ( 9 ), wherein between the electrode ( 7 ) and the sheath ( 9 ) a discharge chamber ( 11 ), and wherein the discharge chamber ( 11 ) an inlet opening ( 12 ) for a process gas and a nozzle opening ( 14 ) to the exit of the plasma jet ( 5 ) and the sheath ( 9 ) contains or consists of a dielectric, one of the discharge chamber ( 11 ) in a first longitudinal section annularly surrounding first counterelectrode ( 20 ), characterized in that the first counterelectrode ( 20 ) through the sheath ( 9 ) from the electrode ( 7 ) is electrically isolated and further comprises a second counter electrode ( 16 ) is present, which the discharge chamber ( 11 ) surrounds annularly in a second longitudinal section.

Plasma nozzle ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the second counterelectrode ( 16 ) concentric with the nozzle opening ( 14 ) is arranged.

Plasma nozzle ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the second counterelectrode ( 16 ) a plate-shaped widened ring surface ( 18 ) having.

Plasma nozzle ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the ring surface ( 18 ) of the sheath ( 9 ) is covered.

Plasma nozzle ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrode ( 7 ) is coated with a dielectric, in particular a dielectric which contains or consists of polytetrafluoroethylene.

Plasma nozzle ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inlet opening ( 12 ) by at least one gas passage ( 25 ) is formed in the electrode ( 7 ).

Plasma nozzle ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the gas passages ( 25 ) radially symmetric in the electrode ( 7 ) are arranged.

Plasma nozzle ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the first counterelectrode ( 20 ) and the second counterelectrode ( 16 ) are connectable to different electrical potentials.

Plasma nozzle ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that a plasma nozzle housing ( 29 ), the counterelectrodes ( 16 . 20 ) by means of a potting compound ( 27 ) between the sheath ( 9 ) and the plasma nozzle housing ( 29 ) are fixed.

Method of using a plasma nozzle ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, with the method steps supplying a flow having process gas through the inlet opening ( 12 ) in the discharge chamber ( 11 ) and generating an electrical potential difference between the electrode ( 7 ) and / or the first counterelectrode ( 20 ) and / or the second counterelectrode ( 16 ), so that in the discharge chamber ( 11 ) a plasma by igniting dielectrically impeded discharges in the process gas in the discharge chamber ( 11 ) and generating a plasma jet ( 5 ) from the flow from the nozzle opening ( 14 ) expelled plasma.

A method according to claim 10, characterized in that the plasma jet ( 5 ) on a surface of a workpiece ( 3 ) acts.

Method according to one of claims 10 or 11, characterized in that the first counterelectrode ( 20 ) is at a ground potential and the second counterelectrode ( 16 ) is at a floating potential or that the second counter electrode ( 16 ) is at a ground potential and the first counter electrode ( 20 ) is at a floating potential or that the first counterelectrode ( 20 ) and the second counterelectrode ( 16 ) are at a ground potential.

Method according to one of claims 10 to 12, characterized in that the process gas is selected from argon and / or helium and / or ambient air.