DE102017115438A1

DE102017115438A1 - Vorrichtung zum erzeugen eines plasmastrahls im mhz- und ghzbereich mit tem- und hohlleitermoden

Info

Publication number: DE102017115438A1
Application number: DE102017115438.8A
Authority: DE
Inventors: Marcel Mallah; Holger Heuermann
Original assignee: Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH
Current assignee: Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2018-12-06
Also published as: EP3636050A1; WO2018224097A1

Abstract

Plasmajet-Vorrichtung, die in Atmosphärenluft oder einem anderen Gas ein Plasma erzeugen kann, das über Mikrowellen mit der benötigten Energie gespeist wird. Die Zündung des Plasmas erfolgt über eine Hochspannung, die bei einer Festfrequenz aus einem kontrollierten TEM-Mode erzeugt wird und somit eine eigene Zündelektronik überflüssig macht. Die Mikrowellenenergie kann aus Magnetronquellen oder Halbleiterquellen in einem Hohlleitermode zugeführt werden. Vorteilhaft können atmosphärische Plasmen vom Watt-Bereich bis in den hohen kW-Bereich und sogar MW-Pulse erzeugt werden. Die Elektrode kann auch als Kanüle ausgelegt sein, durch die Prozessgas zugeleitet werden kann. Über die Kanüle können auch Flüssigkeiten, Drähte, Fäden oder Fasern in das Plasma geführt werden. Der Plasmajet der Erfindung weist eine ähnliche Energiedichte wie ein Laser auf. Somit lässt sich dieser neue Jet auch als Aktivier-, Reinigungs-, Schneid-, Schmelz- und Schweißkopf einsetzen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmastrahls, insbesondere eines Hochdruck/Hochtemperatur-Plasmastrahls, wobei die Energie zum Zünden und Halten des Plasmas durch hochfrequente elektromagnetische Wellen zugeliefert wird, sowie eine Vorrichtung für dieses Verfahren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Atmosphärische Plasmajets sind für viele verschiedene Anwendungsbereiche von Interesse, beispielsweise für Schneid-, Schweiß-, Verdampfungs-, Schmelz- oder Oberflächenbearbeitungsvorgänge und auch für extrem hohe Temperaturen oder besondere Erwärmungsbedingungen. Ihr Einsatzspektrum reicht von Beschichtungsverfahren (Dünnschichten, Plasmaspritzverfahren) über die Pyrolyse organischer Verbindungen bis hin zur Abgasbehandlung bei Verbrennungskraftmaschinen. Gesucht sind insbesondere Verfahren für ein „Rapid Heating“, eine sehr rasche Erwärmung, denn klassische elektrische Heizprozesse mit Hilfe von Widerstandsdrähten sind langsam. Deshalb sind die Ofenschritte auch in der Massenfertigung nicht nur langsam sind, sondern auch vergleichsweise aufwändig und teuer.
US 3,534,388 (Hitachi KK) und die US 3,567,898 (Crucible Inc.) offenbaren sogenannte Plasmabrenner zum Schneiden von Werkstücken. Die Plasmen werden über innere Wolframspitzen durch Bogen- oder Koronaentladung erzeugt und aus einem Kopf herausgeblasen. Aus DE 36 38 880 (Anton Paar KG) ist die Erzeugung eines HF-induzierten Edelgasplasmas bekannt, wobei die zum Zünden und Aufrechterhalten des Plasmas erforderliche Energie kapazitiv über zwei einander gegenüberliegende Kondensatorplatten eingespeist wird. Die Kondensatorplatten sind derart geformt und zueinander ausgerichtet, dass sie einen Hohlraum umschließen, in dem sich das Plasma ausbilden kann. US 5,349,154 (Rockwell Intn. Corp.) lehrt ein Verfahren zur Erzeugung einer Plasmaflamme mit Mikrowellen von 2,45 GHz. Die gasdynamische Ausgestaltung dieser Flamme ist derart, dass über einen Tangentialeinlauf eine drallstabilisierte Strömung eines Inertgases erzeugt wird. In dieses Strömungsfeld wird über eine Düse das Prozessgas eingespeist und gezündet. Durch die Drallstabilisierung der Flamme soll eine Überhitzung der Wand des Gehäuses und der Führungsrohre vermieden werden.
Den Begriff „Rapid Heating“ gibt es seit 1956 in der wissenschaftlichen Literatur [siehe auch FEI1959: G. E. Feiker; N. C Gittinger: Rapid heating of dielectric materials at 915 mc, Transactions of the American Institute of Electrical Engineers, Part II: Applications and Industry, 1959, 78(1), pp. 35-39]. Der Begriff wurde erstmals verwendet für ein schnelles und effizientes Erwärmen von dielektrischen Werkstoffen mit Mikrowellen bei 915 MHz. Mikrowellen-Ofenanlagen stellen auch heute noch hocheffiziente Erwärmungslösungen dar. Sie setzen aber dielektrische Materialien voraus, welche die Hochfrequenzenergie absorbieren und in Wärme umwandeln. Diese sind vorhanden bekanntlich in Speisen aber auch in einigen Werkstoffen für die moderne Halbleitertechnik [OTA2016: Kosuke Ota; Shunsuke Kimura; Masahiko Hasumi; Ayuta Suzuki; Mitsuru Ushijima; Toshiyuki Sameshima, Microwave rapid heating used for diffusing impurities in silicon, 2016, 23rd International Workshop on Active-Matrix Flatpanel Displays and Devices (AM-FPD)]. In gut leitende Materialien dringen hochfrequente elektromagnetische Wellen jeoch kaum ein. Der Großteil der Energie wird oft auch reflektiert, was insbesondere bei der Erwärmung durch Licht bzw. Laserstrahlen ein Hindernis ist.
Seit 2011 sind Plasmajet-Einrichtungen auf dem Markt, bei denen die Energie für das Plasma ausschließlich durch hochfrequente Mikrowellen zugeführt wird (Heuermann HF-Technik GmbH, Aachen, DE). Sie arbeiten mit Impedanztransformation, wie auch beschrieben in DE10 2009 022755 A1 (Heuermann H) für HF-Leuchten oder in DE10 2006 005792 A1 (Heuermann H) für HF-Zündanlagen. Aus DE10 2012 004034A1 (Gartzen J & Heuermann H) ist eine Plasmajet-Einrichtung bekannt mit einer Betriebseinheit und einer Zündeinheit sowie einer Zuleitung für Prozessgas. Diese bekannten Plasmajet-Einrichtungen arbeiten mit einer Veränderung der Mikrowellenfrequenz und einem TEM-Mode. Eine Plasmajet-Anlage, die mit einer Veränderung der Mikrowellenfrequenz und einem TEM-Mode arbeitet, wurde auch 2013 auf einer Webseite der Firma Heuermann HF-Technik offenbart; (http://www.hhft.de-/index.php?page=plasma&subpage=ps_p4). Die Einrichtung der DE10 2012 004034 A1 arbeitet mit einer festen Mikrowellenfrequenz und zwei TEM-Moden. Diese Plasmajets haben nur eine Leistung von höchstens 250 W, so dass sie keine keine Alternative für Mikrowellen-Ofenanlagen darstellen.
Grundsätzlich benötigt man zum Zünden und Aufrechterhalten von HF-induzierten Plasmen eine Hochspannung, die zudem eine bestmögliche Anpassung und Einspeisung der elektrischen Energie für den Betrieb des Plasmajets erlaubt. Man arbeitet neuerdings bei Mikrowellenanregung daher oft mit einem Generator, dessen Betriebsfrequenz umgestellt werden kann. DE102011055624 (Dritte Patentportfolio GmbH) beschreibt den Ansteuerprozess im Detail und die zugehörige Ansteuerelektronik. Die Ansteuerung verwendet ein so genanntes Bi-Static-Matching, wobei bei einer Frequenz eine Hochspannung erzeugt wird - beispielsweise im IMS-Band bei 2,45 GHz - und nach erfolgter Plasmazündung man auf eine andere Frequenz umgeschaltet, ca. 20-70 MHz entfernt, ebenfalls im IMS-Band. Für diese Umschaltung ist eine spezielle Mess- und Regelelektronik erforderlich sowie ein breitbandiger Transistorverstärker. Mögliche Alternativen wie die Verwendung eines Klystrons oder von Wanderfeldröhren wären extrem kostspielig. Zum Zünden des Plasmas braucht man eine Spannung von mehreren 10 kV. Diese Spannung kann auch im Innenraum durch Mikrowellen erzeugt werden. DE19605518 (Dornier) offenbart die Herstellung von Hochdruck/Hochtemperatur-Plasmajets, wobei im freien Expansionsbereich einer Düse ein Plasma gezündet und stationär aufrechterhalten wird. Bei dem beschriebenen Aufbau ist die Gaszuleitung für das Prozessgas der Mittelleiter einer koaxial-ähnlichen Konstruktion mit einem entsprechendem dielektrischem Mantelabschluss. In Verbindung mit der Reflexion der elektromagnetischen Welle am offenen Ende und gegenüberliegenden scharfen Kanten eines Gehäuses mit dielektrischer Beschichtung führt dieser Aufbau zu einer extrem hohen Überhöhung des elektrischen Feldes und zur Plasmaerzeugung unter Einkopplung der Mikrowellenleistung in den im Einkoppelbereich expandierenden Gasjet. Diese Konstruktion ist extrem gefährdet gegenüber Durchschlägen.
Die Plasmajet-Vorrichtungen im Stand der Technik sind in der Regel wie ein längliches Zeigerohr aufgebaut, d.h., als Rohr (Außenleiter der Koaxialleitung bei Mikrowellensystemen oder Schirmung bei kHz- und MHz-Systemen) mit einer ersten Öffnung für die Zufuhr von Mikrowellen und einer gegenüber liegenden Austrittsöffnung für den ausgeblasenen Plasmajet. Diese Konstruktion ist auch für viele Anwendungen und insbesondere für Schneidbrenner optimal, denn ihr Raumbedarf ist gering, der Schneidbrenner gut handbar und auch mechanische Belastungen sind überschaubar und lösbar. Bei atmosphärischen Plasmavorrichtungen, die im kHz- und im unteren MHz-Bereich arbeiten, werden Jets mit höchstens 500 bis 800 W Leistung erreicht. Im wissenschaftlichen Bereich kommen auch Plasmaanlagen zum Einsatz, die mit Mikrowellen einer Frequenz von 2,45 GHz aus einem Magnetron gespeist werden. Derartige Anlagen mit einer Leistung im Bericht von einem Kilowatt werden auch vielfach „Plasma Torch“ genannt [SHA2001: A.I. Al-Shamma'a, S.R. Wylie, J. Lucas, R.A. Stuart; Design and Construction a Microwave Plasma Jet System for Material Processing, Pulsed Power Plasma Science, 2001. PPPS-2001. Digest of Technical Papers, 2001, Vol. 2, pp. 1308 - 1311]. Nachteilig an diesen Anlagen, die im kHz- und im unteren MHz-Bereich arbeiten, ist, dass Plasmastrahlen mit einer Leistung über 500 W nur im Pulsbetrieb erzeugt werden können. Dauerleistungen über 800 W sind nicht möglich. Die Plasmajets, die mittels Magnetron im kW-Bereich bereits eingeführt sind, werden zudem oft mit Argon als Prozessgas betrieben, weil dieses Edelgas leichter ionisierbar ist und somit der Aufwand für die Erzeugung der Hochspannung geringer ist. Allerdings muss dann für den Betrieb teueres Edelgas verwendet werden (siehe z. B. in [SHA2001], [JOR2007: Jordan, E., Cetegen, B. M., Hadidi, K., Woskov, P., Microwave Plasma Apparatus and Method for Materials Processing, US 8748785 B2, 2007]). Auch sind diese Plasmajet-Einrichtungen keine Selbstzünder, sodass sie eine aufwendige und teure Zündelektronik benötigen. Nachteilig ist auch, dass man sie getrennt für Hochspannungserzeugung und die Plasmaaufrechterhaltung einstellen muss. Dies erfolgt mit Stub-Tunern zur Anpassung der Impedanz. Diese Plasmajet-Einrichtungen können daher nur sehr schwer in automatisierte Prozesse und in Fertigungsstraßen integriert werden.
Der Stand der Technik stellt deshalb ein Problem dar. Deshalb besteht die Aufgabe, eine Einrichtung sowie ein Verfahren für einen Hochtemperatur-Plasmajet bei Atmosphärendruck bereitzustellen, der die Nachteile des Stands der Technik behebt.
Figurenliste
Das Problem wird behoben durch eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls, umfassend

ein Gehäuse mit einem Eingang und einem Ausgang, das in seinem Inneren einen Hohlleiter für elektromagnetische Wellen ausbildet und das am Ausgang eine Endplatte aufweist mit einer Öffnung, durch die ein Plasmastrahl austreten kann;
einer Elektrode, die sich durch das Gehäuse des Hohlleiters erstreckt und deren Ende in der Nähe der Öffnung für den Plasmastrahl liegt; wobei
das Gehäuse und die Elektrode so ausgelegt und zueinander eingerichtet sind, dass am Eingang zugeführte elektromagnetische Wellen sich in zwei Moden ausbreiten, in einem Hohlleitermode und in einem TEM-Mode;
an einem Ort im Bereich der Öffnung für einen Austritt des Plasmastrahls eine so hohe Feldspannung vorliegt, dass sich ein Gas in diesem Feld zu einem Plasma entzündet und der Hohlleitermode das gezündete Plasma mit elektromagnetischer Energie speist;
die zum Zünden des Plasmas notwendige Feldspannung im Bereich der Öffnung und zwischen Elektrode und Endplatte durch Impedanztransformation hergestellt wird; und
die elektromagnetischen Wellen der Vorrichtung mit einer festen Frequenz zugeführt werden und die feste Frequenz beim Übergang von der Plasmazündung in den Plasmabetrieb nicht verändert werden muss.

Dies hat den überragenden Vorteil, dass das Plasma automatisch zündet und keine aufwendige Elektronik und Tuner für die Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas erforderlich sind.
Ein wesentlicher Vorteil und Unterschied gegenüber der Vorrichtung der DE19605518 liegt darin, dass die Elektrode, welche als Kanüle oder massig aufgebaut sein kann, in ihrer geometrischen Form und Führung durch den Hohlleiter so eingerichtet und auslegt wird, dass 3 bis 20 %, bevorzugt 5 bis 15% und besonders bevorzugt etwa 10% der Energie der Hohlleiterwelle durch erstens einer Modekonversion in eine TEM-Welle und diese zweitens über Impedanztransformation in eine Hochspannung umgewandelt wird. Dies wird erreicht durch eine interaktive Berechnung des Übergangs der Hohlleiterwelle in eine TEM-Welle und in Verbindung mit der Kurvatur, Form und Anordnung der Elektrode im Hohlleiterfeld. Es wird hier offenbart, die Elektrode bzw. die Kanüle so auszulegen und formgerecht zu gestalten, dass das lambda/4-Resonatorfeld im Bereich der Plasmaöffnung einen plasmazündenden Wert annimmt. Die Basis der Elektrode bzw. der Kanüle ist mit der Wand permanent elektrisch verbunden.
Die DE19605518 lehrt keine kontrollierte Impedanztransformation, sondern schlägt vor, die Düse, die als Mittelleiter fungiert und die Öffnung im Gehäuseabschluss mit dielektrischem Material zu belegen. Es liegt im Wesentlichen ein Koaxialleiter vor, und es erfolgt keine Modetransformation von einer Hohlleiterwelle in einen TEM-Welle. Eine konstruktiv bedingte automatische Zündung des Plasma ist nicht beschrieben. Weiterhin ist die Austrittsöffnung für die Plasmaflamme scharfkantig auszulegen, so dass es zu einer kapazitiven Plasmazündung kommt. Ein derartiger Aufbau ist nicht kontrollierbar und führt insbesondere bei hoher Leistung zu Koronaentladungen, Durchschlägen bzw. zu einem hohen Materialverschleiß.
Besonders bevorzugt ist die Elektrode als Kanüle für die Zuleitung von Prozessgas ausgebildet, weil sie dadurch für höhere Leistungen verträglich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt das Gehäuse für den Hohlleiter mindestens eine zweite Gaszufuhr, durch die ein zweiter Gasstrom für eine Formung des Plasmastrahl zugeführt werden kann.
In einer Ausführungsform der Vorrichtung werden die elektromagnetischen Wellen am Eingang über einen Hohlleiter zugeführt. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform, werden die elektromagnetischen Wellen am Eingang über einen Koaxialleiter zugeführt. Dies hat den Vorteil, dass die mikrowellenerzeugende Einheit flexibel und räumlich getrennt von der Plasmajet-Vorrichtung angeordnet werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Plasmastrahls, umfassend
Bereitstellen einer Hohlleitervorrichtung mit einem Eingang und einem Ausgang mit einer Stirnplatte mit Öffnung für den Plasmastrahl und ein solches Auslegen der Vorrichtung, dass eine am Eingang zugeführte hochfrequente elektromagnetische Welle sich innerhalb der Vorrichtung in zwei Moden hin zum offenen Ausgang ausbreitet, in einem TEM-Mode und in einem Hohlleitermode, und die Öffnung am Ausgang so ausgelegt ist, dass ein Plasmastrahl austreten kann;
Einrichten einer rohrförmigen Elektrode innerhalb der Vorrichtung und in die Nähe des Ausgangs und Zuführen von einem Gas durch die rohrförmige Elektrode in einer Weise, dass es durch die Öffnung am Ausgang ausgeblasen wird;
sowie Einrichten der rohrförmigen Elektrode innerhalb der Vorrichtung, dass ein Teil der Energie der Hohlleiterwelle in eine TEM-Welle transformiert und durch Impedanztransformation ein elektrisches Spannungsfeld für ein Zünden des ausgeblasenen Gases in der freien Öffnung des Ausgangs erzeugt wird;
Erzeugen einer hochfrequenten elektromagnetischen Welle, die dem Eingang der Hohlleitervorrichtung über einen Koaxialleiter oder einen Hohlleiter zugeführt wird;
Erzeugen einer Spannung mittels des TEM-Modes, die das Zünden eines Plasmas am Ausgang der Vorrichtung zwischen dem Ende der Elektrode und der Hohlleitervorrichtung bewirkt, und Speisen des Plasmas mit Energie durch den Hohlleitermode;
Erzeugen eines Gasstroms durch die Elektrode, durch die das gezündete Plasma aus der Hohlleitervorrichtung herausgeblasen wird und ein Plasmastrahl am Ausgang und außerhalb der Vorrichtung entsteht.
Ein bevorzugter Aspekt betrifft dann ein Verfahren, umfassend das Bereitstellen einer zweiten Gaszufuhr, durch die ein zweites Gas zur Kühlung und Formung des Plasmastrahls in die Vorrichtung und durch die Austrittsöffnung geblasen wird.
Das Grundprinzip der Vorrichtung ist, die zur Erzeugung des Hochtemperatur/Hochdruck-Plasmas notwendige Energie durch hochfrequente elektromagnetische Wellen zuzuführen, bevorzugt mit einer Frequenz von 900 MHz bis mehreren GHz; im Weiteren als HF-Energie bezeichnet. Die HF-Energie kann über einen Hohlleiter oder über eine Koaxialleitung erfolgen. Im Kopfbereich des Plasmajet-Erzeuger werden die elektromagnetischen Wellen, Hohlleiterwellen, partiell in einen TEM-Mode transformiert, so dass dann durch Impedanztransformation die Feldspannung erzeugt werden kann zum Zünden des Plasmas. Die HF-Energie im Hohlleitermode dient der Energiespeisung des Plasmas. Im Kopf des Plasmajet-Erzeugers liegt nahe der Austrittsöffnung eine speziell ausgelegte Elektrode, die als Kanüle (dünnes Röhrchen für die Zuleitung von Prozessgas) oder als Vollmaterial gehalten sein kann und die so gestaltet und geführt wird, dass die Hohlleiterwelle zunächst in den TEM-Mode transformiert, dann deren Energie an der Austrittsöffnung durch Impedanztransformation ein elektrisches Feld zum Zünden des Plasmas erzeugt.
Die Elektrode und das Innere des Kopfs sind so ausgelegt, dass die durch den zugeführten TEM-Mode erzeugte Spannung am Endpunkt der Elektrode einen sehr hohen Wert annimmt, um dadurch in einfacher Weise die benötigte Zündspannung zu erhalten ohne dass eine besondere Zündelektronik benötigt wird. Das Zünden des Plasmas erfolgt distanziert zur Elektrode in der Austrittsöffnung. Durch die Kanüle kann ein Strom mit Prozessgas oder auch Prozessflüssigkeit zugeleitet werden. Über die Kanüle können auch Drähte, Fäden und Fasern zugeführt werden. In der Plasmajet-Vorrichtung kann bevorzugt eine weitere Gaszuleitung vorhanden sein, die der Kühlung des Gehäuses und zur Formung des Jets dient. Auch die Elektrode und die Ränder der Öffnung werden durch einen derartigen zweiten Gasstrom gekühlt. Die am Ausgang liegende Platte mit der Öffnung kann aus keramischen (dielektrischen) oder metallischem Material sein. Das Material bestimmt auch das elektrische Verhalten zwischen Elektrode und Platte.
Figurenliste
Es zeigt:

1 eine prinzipielle Schnittzeichnung der erfindungsgemäßen Plasmajet-Vorrichtung mit Dual-Mode-Mikrowellen, wobei die Zufuhr der HF-Energie erfolgt durch einen Koaxialleiter, und die Positionierung und Kurvatur der Elektrode bezüglich der Gehäusewand berechnet und ausgelegt ist für eine partielle Transformation der Mikrowellen in den TEM-Mode; und
2 eine Prinzipzeichnung der Plasmajets gemäß 1, wobei die Zufuhr der HF-Energie direkt über einen Hohlleiter erfolgt;
3 eine Prinzipzeichnung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Plasmajet-Vorrichtung mit Dual-Mode-Mikrowellen, wobei die Zufuhr der HF-Energie direkt über einen Hohlleiter erfolgt, und die partielle Modetransformation erfolgt durch eine berechnet ausgelegte Beabstandung und Kurvatur der Gehäusewand zur Elektrode und Kanüle für das Prozessgas.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 ist ein Schnittbild einer Ausführungsform der Plasmajet-Vorrichtung, nachstehend auch Plasmajetkopf oder Jetkopf bezeichnet. In der Ausführungsform von 1 erfolgt die Energieeinkopplung mit einem Koaxialleiter. 2 zeigt eine andere Ausführungsform Jetkopfs, nur dass die Energieeinkopplung über einen Hohlleiteranschluss erfolgt. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Jetkopfs, wobei auch hier die Energieeinkopplung über einen Hohlleiteranschluss erfolgt.
Die HF-Energie wird also zugeführt entweder über den koaxialen Steckverbinder 12 mit dem kreisrunden metallischen Innenleiter 11 und dem zwischen dem Innenleiter 11 und dem Außenleiter 12 befindlichen Dielektrikum 10 oder über einen Hohlleiter in der Ebene 21 unter Verwendung des Flanschs 20. Der Hohlleiter hat in der Praxis eine rechteckige oder runde Grundform. Der koaxiale HF-Steckverbinder ist normalerweise auf einen festen Wellenwiderstand Zco ausgelegt. Der Hohlleiter in der Anschlussebene 21 ist in der Regel auf einen festen Wellenwiderstand (Zzu) ausgelegt. Durch passende Auslegung des Innenleiters 11 und Lage im Hohlleiter des Dualmode(DM)-Jetkopfes wird der Wellenwiderstand Zco auf den Wellenwiderstand Zzu des Jetkopfes transformiert und ferner die elektromagnetischen Moden überführt.
Über einen geeigneten Hohlleitermode (meist H10 beim Rechteckhohlleiter, erster Mode des Dualmode-Jetkopfs) wird die eingespeiste HF-Energie nach vorne zum vorderen Kopf (rechter Bereich in 1 und 2) transportiert. Der in den Abbildungen linke Bereich bis zum Erzeugen des Hohlleitermodes im Plasmajet-Gehäuse ist die Einkoppeleinheit.
Im vorderen Jetkopf ist eine Elektrode 19 angeordnet, die in den 1 bis 3 jeweils als Kanüle ausgebildet ist. Die Kanüle ist mit der Gehäusewand elektrisch verbunden. Die Gehäusewand ist zugleich Hohlleiterbegrenzung. Die Elektrode 19 kann auch massig aufgebaut sein. Die Kanülenkonstruktion mit dem Anschluss für eine Gaszufuhr 15 erlaubt nicht nur eine höhere Leistung. Durch die Kanüle kann auch ein Gasstrom geführt werden bzw. das Prozessgas. In der Kanüle können auch Flüssigkeiten, Drähte, Fäden und Fasern verlaufen, nicht nur zur Steuerung und Kühlung, sondern auch zum gezielten Speisen und Dotieren des resultierenden Plasmastrahls.
Die Elektrode ist in ihrer genauen geometrischen Form und Führung durch den Hohlleiter so ausgelegt, dass sie 3 bis 20%, bevorzugt 5 bis 15% und besonders bevorzugt ungefähr 10% der elektromagnetischen Energie der Hohlleiterwelle als koaxiale TEM-Welle transportiert (zweiter Mode des Dualmode-Jetkopfs). Weiterhin ist die Elektrode so ausgelegt, dass die Impedanz am Endpunkt (zwischen 19 und 14) der stehenden koaxialen Welle einen sehr hohen Wert annimmt. Dies gelingt im einfachsten Fall durch eine elektrischen Gesamtlänge der Elektrode von 90° oder 270° oder sonstigen ungradzahligen Vielfachen von 90° und einer möglichst hochohmigen Auslegung. Mit mehrstufigen Impedanztransformationen (siehe auch DE200610005792 ) erhält man noch höhere Zündspannungen, die notwendig sind, wenn man im Bereich bis rund 700 W arbeitet.
In konstruktiver Umkehrung, gezeigt in der Prinzipzeichnung von 3, ist die Elektrode gerade und die Gehäuseinnenwand, die Hohlleiterbegrenzung, korrespondierend gekrümmt und so geformt, dass 3 bis 20%, bevorzugt 5 bis 15% und besonders bevorzugt ungefähr 10% der elektromagnetischen Energie der Hohlleiterwelle als koaxiale TEM-Welle transportiert wird. 3 zeigt eine Variante, wobei eine 90°-Biegung zwischen der Energiezufuhr und dem Plasmastrahl vorhanden ist. Diese Ausführungsform löst das Problem, wird ein Draht oder Pulver durch die Kanüle in das Plasma zugeführt, diese nicht der Kanüle schleifen bzw. nicht blockieren. Es kann so sogar zwischen dem metallischen Rohr der Kanüle und dem inneren Draht ein Keramikröhrchen sein, so dass der Draht nicht durch das Kanülenrohr kontaminiert wird. Diese Konstruktion ist somit für 3D-Druck-Anwendungen besonders vorteilhaft. Die Modekonversion erfolgt dann durch einen zur Elektrode berechnet gekrümmten und beabstandeten Metalleinsatz 31, welcher Teile der Hohlleiterwelle auf den TEM-Leiter 13 überführt und andererseits die Hohlleiterwelle mit hoher Effizienz um die Ecke lenkt. Die Länge des TEM-Innenleiters muss dann bei n*Lambda/4 (n=1,3,5,...) liegen.
Am Ausgang des Jets ist eine Stirnplatte 18 vorhanden, die meist eine kreisrunde Öffnung aufweist um den Ort 14, wo die Feldstärke das Plasma zündet. Die Stirnplatte 18 kann aus einem metallischen oder einem keramischen Material bestehen oder aus einer Kombination dieser Materialien. Die Geometrie der Öffnung wie auch die Wahl der Materialien haben starken Einfluss auf das elektrische Verhalten, unter anderem auf das elektrische Feld zwischen Elektrode und Platte.
Der Wellenwiderstand des Hohlleiters im Plasmakopf, dessen Länge, die Elektrode und die Anschlussplatte sowie auch Abstimmschrauben und weitere Abstimmmittel (nicht dargestellt), die in dem Hohlleiter vorhanden sein können, sind so ausgelegt, dass nahezu die gesamte Energie der Hohlleiterwelle in dem Plasma absorbiert wird.
In der Plasmastrahlvorrichtung gibt es bevorzugt neben der Gaszufuhr über die Kanüle 19 eine zweite Gaszuleitung 17, die hauptsächlich der Stahlformung des Plasmastrahls dient und nur darüber hinaus zur Kühlung der Umgebung des Plasmajets. Das zweite Gas kann auch zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre verwendet werden. Möchte man nur Zünden oder den Plasmajet im Pulsbetrieb betreiben, so kann diese Zuleitung entfallen. In diesem Fall kann auch der gesamte Innenraum oder ein Teil davon mit einem Dielektrikum (ggf. druckdicht) gefüllt sein.
Wird Mikrowellenenergie über 12 oder 21 (Koaxialleiter oder Hohlleiter) eingespeist, so bildet sich wegen der Geometrie der Innenelektrode automatisch noch ein TEM-Mode in der Vorrichtung aus, so dass durch Impedanztransformation eine hohe Spannung an der Spitze der Elektrode 19 resultiert, die das Plasma in etwa berechnet bei dem Ort 14 zündet. Dieses gezündete Plasma wird durch die hohe Energiedichte der zufließenden Hohlleiterwelle wesentlich vergrößert. Durch die Luftzufuhr bzw. Gaszufuhr über 17 und insbesondere durch die Prozessgaszufuhr bzw. Luftzufuhr über 15 wird der Plasmastrahl über den Ort 14 hinausgetragen. Je nach Gasstrom und Leistung kann ein 5 bis 30 cm langer Druckstrahl erzeugt werden. Die gesamte innere Anordnung aus Einkoppeleinheit und Transformationsstufen wird im Weiteren als Betriebseinheit des Jets oder des Plasmastrahls bezeichnet.
Es wird nun der Zündvorgang beschrieben. Die Elektrode bzw. die Impedanztransformatoren sind bei der Betriebsfrequenz so konstruktiv ausgelegt, dass die Impedanz von 0 Ohm am Eingang in einer oder mehreren Stufen in den kOhm- oder besser in den MOhm-Bereich am Ausgang (Plasmaaustritt) transformiert wird. Da die eingespeiste Leistung P in dieser Schaltung wenig gedämpft und mit bevorzugt ungefähr 10% in den TEM-Mode konvertiert wird, liegt an der Elektroden- bzw. Kanülenspitze ungefähr 10% der Leistung am Eingang an. Somit wird durch die hohe Endimpedanz Zend die Spannung Uend an der Spitze aufgrund des Zusammenhanges $Uend = \sqrt (P Zend)$
sehr hoch (oft im kV-Bereich). Durch diese hohe Spannung bzw. durch die sehr hohe elektrische Feldstärken wird eine Ionisation des Gases zwischen der Elektrodenspitze 19 und der Platte 18 bewirkt. Wird durch die Kanüle (u.a.) ein Edelgas geleitet, so wird bevorzugt nur dieses ionisiert. In diesem Fall ergibt sich ein schlanker Plasmastrahl mit sehr hoher Energiedichte. Wird Luft oder ein ähnliches Gas (z.B. reiner Stickstoff) oder gar kein Gas durch die Kanüle geleitet, so ergibt sich ein relativ breites Plasma, das sich bei nicht vorhandenem Gasfluss als Kugel ausbildet. Der Strahl oder Jet resultiert aus dem Gasfluss.
Es folgt der Betrieb bzw. der Unterhalt des Plasmajets. Nach dem Zünden des Plasmas wird bei gleicher Betriebsfrequenz die Energie des Hohlleitermodes in das Plasma eingespeist. Für diesen zweiten Mode werden die Betriebsbedingungen geeignet ausgelegt. Das Plasma weist die Fusspunktimpedanz Zin auf. Die Transformatoren sind so ausgelegt, dass die Impedanz von Zzu auf Zin transformiert wird. In diesem Betriebsfall wird die Plasmagröße maximal und die Verluste des Dual-Mode-Verfahrens werden minimal. In einer bevorzugten Ausführungsform können alternativ zu den dargestellten Impedanztransformatoren als Lambda/4-Leitung 13 im HF-Bereich auch Impedanztransformatoren mittels Gamma- und Spartransformatoren, Resonatoren, diversen Filtern, getaperten Leitungen wie auch konzentrierten Bauelementen realisiert werden.
Der im Dual-Mode-Verfahren Mikrowellen-gespeiste und -gezündete Plasmajet ist gegenüber den bisherigen dadurch neuartig, dass die Energieeinspeisung nicht beschränkt wird, das heißt, weder elektrotechnisch durch die Halbleitertechnik in der Speiseelektronik noch physikalisch durch den Elektrodenabbrand aufgrund von Bogen- oder Funkenentladungen. Die Energie wird in Form der Hohlleiterwelle in Luft oder Gas zugeführt. Der heißeste Ort im Plasma liegt ungefähr am Punkt 14.
Die erfindungsgemäße Plasmajetvorrichtung besitzt durch gewählte HF-Energieeinspeisung und den Dual-Mode-Betrieb gegenüber etablierten Magnetrongeneratoren im Industrieeinsatz erhebliche Vorteile:

• Die Dual-Mode-Jetvorrichtung erlaubt eine Leistung von mehreren Kilowatt, wobei Zündung und den Unterhalt des Plasmas mit einer Betriebsfrequenz erfolgen.
• Es werden keine Stub-Tuner oder weitere Einheiten benötigt, um die Plasmazustände Zündung und Betrieb zu unterstützen.
• Der Plasmastrahl kann größer, breiter und heißer sein, also eine größere Energie haben.
• Die Dual-Mode-Jetvorrichtung ist im Wesentlichen wartungsfrei, kompakt, energieeffizient, robust und preisgünstig herzustellen.
• Atmosphärenluft kann auch im kW-Leistungsbetrieb als Prozessgas dienen.
• Es können Luft und Gase, die in großen Mengen durch den Plasmajet geleitet werden, von organischen Verbindungen befreit, sterilisiert und gereinigt werden.
• Im Gegensatz zu Verfahren mit Bogen- und Funkenentladung treten keine Hochspannungen am Plasmastrahl auf und auch keine ESD.
• Es erfolgt kein Elektrodenabtrag, da diese nicht be- oder überlastet wird, und der Plasmastrahl besteht somit nur aus dem zugeleiteten Gas, sofern keine gezielte Dotierung erfolgt.
• Der hohe Energiefluss des Plasmastrahls kann Oxidschichten gut durchdringen, was unter anderem eine einfache Bearbeitung von Aluminium erlaubt;
• Es sind Jets mit Leistungen im kW-Bereich möglich und Atmosphärenluft kann als Heizgas dienen.
• Die Dual-Mode-Jetvorrichtung kann als Brenner für brennbare Gase und Heizgase dienen und es lassen sich so bessere Abgaswerte erzielen.
• Es können gezielt Flüssigkeiten, die durch die Kanüle gepumpt werden, für Prozesse erhitzt, aktiviert, aufgespalten und verdampft werden.
• Es können Kunststoff-, Metall- oder Keramik-Festmaterialien in Drahtform oder als Pulver aktiviert und einem 3-Drucker zugeführt werden.

Die Vorteile der vorgestellten Plasmastrahlvorrichtung im Dual-Mode-Mikrowellenbetrieb lassen sich somit wie folgt zusammenfassen. Es wird eine Plasmajet-Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die Atmosphärenluft oder jedes andere Gas als Plasma zünden kann. Der Plasmastrahl bzw. Plasmajet wird über Mikrowellen der Hohlleiterwelle mit der notwendigen Energie versorgt. Die Zündung des Plasmas erfolgt über eine elektrische Feldspannung, das bei einer Festfrequenz automatisch aus einem kontrollierten TEM-Mode resultiert und somit eine eigene Zündelektronik nicht erfordert. Die Mikrowellenenergie wird aus Magnetronquellen oder Halbleiterquellen in einem Hohlleitermode zugeführt. Insbesondere können atmosphärische Plasmen erzeugt werden mit Energien vom Watt-Bereich bis in den hohen kW-Bereich und sogar MW-Pulse sind möglich. Die Elektrode ist vorteilhaft als Kanüle ausgelegt, durch die ein Prozessgas zugeleitet werden kann. Über die Kanüle können auch Flüssigkeiten, Drähte, Fäden oder Fasern in das Plasma geführt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine zweite Gaszufuhr vorhanden, durch die Gas zur Formung des Plasmastrahls und zur Kühlung der Umgebung, des Gehäuses, der Elektroden bzw. Kanüle, und der Stirnplatte zugeleitet werden kann. Der offenbarte Plasmajet hat eine Energiedichte wie ein Laser. Somit eignet sich der Plasmajet auch zum Aktivieren, Reinigen, Schneiden, Schmelzen und Schweißen von verschiedensten Werkstoffen.
Die Offenbarung ist nicht auf die hier beschriebenen Beispiele, Zeichnungen und bevorzugten Ausführungsformen beschränkt, sondern sie ergibt sich auch aus den anhängenden Patentansprüchen und den Kenntnissen des Fachmannes zum Stand der Technik.
Bezugszeichenliste

10: Dielektrikum
11: Innenleiter
12: Außenleiter
13: Lambda/4-Leitung / TEM-Leiter
14: Ort des Plasmas
15: Gaszuführungsanschluss
16: Gehäuse
17: Gaszuleitung
18: Stirnplatte (metallisch oder keramisch) mit Öffnung
19: Elektrode
20: Flansch
21: Ort der Hohlleiter-Zuführung
31.: Metalleinsatz für Umlenkung und Modekonversion der Hohlleiterwelle.

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

US 3534388 [0003]
US 3567898 [0003]
DE 3638880 [0003]
US 5349154 [0003]
DE 102009022755 A1 [0005]
DE 102006005792 A1 [0005]
DE 102012004034 A1 [0005]
DE 102011055624 [0006]
DE 19605518 [0006, 0011, 0012]
DE 200610005792 [0024]

Claims

Vorrichtung zum Erzeugen eines Plasmastrahls, umfassend: ein Gehäuse (16) mit einem Eingang und einem Ausgang, das in seinem Inneren einen Hohlleiter für elektromagnetische Wellen bildet und das am Ausgang eine Endplatte (18) mit einer Öffnung für einen Austritt eines Plasmas aufweist, eine Elektrode (19), die durch das Hohlleiter-Gehäuse (16) verläuft und in der Nähe der Öffnung am Ausgang endet, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Gehäuses (16) und die Form und Führung der Elektrode so ausgelegt sind, dass sich am Eingang zugeführte elektromagnetische Wellen in dem Hohlleiter-Gehäuse in zwei Moden ausbreiten, in einem Hohlleitermode und in einem TEM-Mode, der TEM-Mode an einem Ort (14) in der Öffnung am Ausgang eine so hohe Feldspannung bewirkt, dass darin ein Plasma zündet, und der Hohlleitermode das gezündete Plasma mit elektromagnetischer Energie speist; die zum Zünden des Plasmas erforderliche Feldspannung und Energie durch Impedanztransformation erzeugt wird, und die Impedanz am Ort (14) der Zündung des Plasmas innerhalb des Gehäuses (16) durch Form und Abmessungen der Elektrode auf einen geeigneten hohen Wert angehoben wird; und die elektromagnetischen Wellen der Vorrichtung mit einer festen Frequenz zugeführt werden und die feste Frequenz beim Übergang von der Plasmazündung in den Plasmabetrieb nicht verändert werden muss.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zündung und Speisung des Plasmas bei im Wesentlichen einer Frequenz und automatisch erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrode (19) als Kanüle ausgebildet ist, durch die ein Prozessgas zuführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei im Gehäuse (16) mindestens eine zweite Gaszufuhr (17) vorgesehen ist, durch die ein zweites Gas für eine Kühlung des Gehäuses zugeführt werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektromagnetischen Wellen am Eingang über einen Hohlleiter zugeführt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die elektromagnetischen Welle am Eingang über einen Koaxialleiter (10, 11, 12) zugeführt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei 3 bis 20%, bevorzugt 10% der Energie der Hohlleiterwelle durch die geometrische Form und Führung der Elektrode zur Hohlleiterbegrenzung in einen TEM-Mode konvertiert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Hohlleiter für die Hohlleiterwelle ein Rechteckhohlleiter ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Plasmastrahls, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer Vorrichtung mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei am Eingang eine elektromagnetische Welle zugeführt wird, die sich innerhalb der Vorrichtung in zwei Moden, nämlich in einem Hohlleitermode und in einem TEM-Mode hin zum Ausgang ausbreitet, und der Ausgang so gestaltet ist, dass ein Plasma austreten kann; das Bereitstellen einer röhrchenförmigen Elektrode (19) innerhalb der Vorrichtung, durch die ein Gas geführt werden kann und die am Ausgang endet; das Erzeugen einer hochfrequenten elektromagnetischen Welle, die dem Eingang der Hohlleitervorrichtung über einen Koaxialleiter (10, 11, 12) oder einen Hohlleiter zugeführt wird; durch die hochfrequente elektromagnetische Welle, die geometrisch kontrolliert in zwei Moden konvertiert wird, Erzeugen einer Spannung aus dem TEM-Mode, die zwischen dem Ende der Elektrode (19) und der Öffnung in der Stirnplatte (18) das Zünden eines Plasmas bewirkt, und das Speisen des Plasmas mit Energie durch den Hohlleitermode; das Erzeugen eines Gasstroms, der das gezündete Plasma aus der Hohlleitervorrichtung drückt, und ein Plasmastrahl am Ausgang entsteht.
Verfahren nach Anspruch 9, zudem umfassend das Bereitstellen einer zweiten Gaszufuhr (17) in der Vorrichtung, durch die ein zweites Gas zugeführt werden kann.