DE102017129718B4

DE102017129718B4 - Plasma-Behandlungsgerät

Info

Publication number: DE102017129718B4
Application number: DE102017129718.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Wandke; Mirko Hahnl; Karl-Otto Storck; Leonhard Trutwig; Melanie Ricke
Original assignee: Cinogy GmbH
Current assignee: Cinogy GmbH
Priority date: 2017-12-13
Filing date: 2017-12-13
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2037-12-14
Also published as: DE202018106346U1; US10410837B2; DE102017129718A1; US20190180987A1

Abstract

Plasma-Behandlungsgerät zur Behandlung einer Oberfläche mit einem dielektrisch behinderten Plasmafeld, das zwischen einer von einer Steuerung (14) mit einer Wechsel-Hochspannung versorgten Elektrode (26) und der Oberfläche erzeugt wird, wobei die Elektrode (26) mit einem die Elektrode (26) umgebenden Dielektrikum (25) eine drehbar in einem Griffgehäuse (1) gelagerte zylindrische Rolle (5) mit einer Mantelfläche (8) bildet, die auf der Oberfläche abrollbar ist, wobei die Elektrode (26) aus wenigstens zwei in gleichen Abständen zur Mantelfläche (8) nebeneinander angeordneten und durch das Dielektrikum (25) voneinander isolierten Teilelektroden (27, 27') besteht, die mit unterschiedlichen Anschlüssen einer Wechsel-Hochspannungsquelle verbunden sind, wobei benachbarte Teilelektroden (27, 27') von der Steuerung (14) mit bezüglich der Wellenform und der Spannungshöhe gegengleichen, sich zu einem konstanten Summenpotential kompensierenden Teil-Wechselspannungen gespeist werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Plasma-Behandlungsgerät.
Durch EP 2 946 641 B1 ist ein Plasma-Behandlungsgerät bekannt, bei dem die zylindrische Rolle mit zwei Endstücken drehbar in einem Griffgehäuse gelagert ist. Die Elektrode erstreckt sich als zylindrische Hohlelektrode über die axiale Länge der Rolle und ist durch das Dielektrikum zur Mantelfläche der Rolle hin abgeschirmt. Das Dielektrikum weist dabei eine Strukturierung auf, durch die an der Mantelfläche der Rolle Lufträume gebildet werden, wenn die Rolle auf der zu behandelnden Oberfläche, insbesondere der zu behandelnden Haut- oder Wundfläche eines Lebewesens, zu kosmetischen oder therapeutischen Zwecken gerollt wird. Die Elektrode und das Dielektrikum können flexibel ausgebildet sein, sodass sich die Rolle an Unebenheiten der zu behandelnden Oberfläche in einem gewissen Maß anpassen kann, sodass eine kontrollierte und dosiert beherrschbare Plasmabehandlung ermöglicht wird, wie sie insbesondere für die Behandlung der Hautoberfläche eines Lebewesens benötigt wird. Bei der bekannten Anordnung weist die Rolle eine einzige Elektrode auf, an die eine Wechsel-Hochspannung durch das Griffgehäuse hindurch anschließbar ist. Die zu behandelnde Oberfläche, insbesondere die Hautfläche eines Lebewesens, fungiert dabei als Referenz- oder Masseelektrode.
Ein Plasma-Behandlungsgerät der eingangs erwähnten Art ist durch DE10 2015 108 884 A1 bekannt. Dabei handelt es sich um eine zur Plasmabehandlung eines bandförmigen Objekts ausgebildete Walze, deren Mantelfläche durch eine dielektrische Abdeckschicht gebildet ist. Unter dem Dielektrikum befinden sich wenigstens zwei Elektroden, die mit den beiden Polen einer Wechsel-Hochspannungsquelle verbunden sind. Dabei bildet sich das Plasmafeld zwischen den beiden Elektroden mit einem gekrümmten Randbereich, der für die Plasmabildung zur Verfügung steht. Die Elektrodenanordnung definiert mit einer Elektrode das Referenzpotential, während die andere Elektrode das in seiner Polarität gegenüber dem Referenzpotential wechselnde Wechselspannungssignal führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion des Behandlungsgeräts zu erstellen, mit der eine Verbesserung der Effizienz und/oder der Variabilität des Behandlungsgeräts ermöglicht wird.
Die Erfindung löst das Problem durch ein Plasma-Behandlungsgerät mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Plasma-Behandlungsgerät weist somit eine Elektrodenanordnung auf, bei der Teilelektroden auf der Mantelfläche abwechselnd nebeneinander angeordnet sind. Die Teilelektroden sind mit unterschiedlichen Anschlüssen der Wechsel-Hochspannungsquelle verbunden und werden von der Steuereinrichtung mit bezüglich der Wellenform und der Spannungshöhe gegengleichen, sich kompensierenden Teil-Wechselspannungen gespeist.
Dabei kann eine Teilelektrode mit einem Wechsel-Hochspannungssignal beaufschlagt werden, währen die andere Teilelektrode auf einem Referenzpotential (im Allgemeinen Massepotential) liegt. In diesem Fall bildet sich das Plasmafeld zwischen den beiden Elektroden mit einem gekrümmten Randbereich, der für die Plasmabildung zur Verfügung steht. Die Elektrodenanordnung definiert somit das Referenzpotential.
In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform werden benachbarte Teilelektroden von der Steuereinrichtung mit bezüglich der Wellenform und der Spannungshöhe gegengleichen, sich kompensierenden Teil-Wechselspannungen gespeist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das sich zwischen den Teilelektroden bildende Feld eine doppelt so hohe Feldstärke aufweist, weil die Potentialdifferenz zwischen den gegenüber einem Referenzpotential gebildeten Scheitelwerten aufgrund der Vorzeichenumkehr doppelt so groß ist wie gegenüber dem Referenzpotential. Zusätzlich entsteht der Vorteil, dass die für die Plasmabildung wirkenden Felder im Nahbereich der Elektrode doppelt so stark sind wie gegenüber dem Referenzpotential, im etwas entfernteren Bereich sich jedoch aufheben, da sie gegengleich sind. Auf diese Weise wird zwar ein großes wirksames Feld für die Ausbildung des Plasmas in unmittelbarer Nähe der Elektroden gesorgt, in einem gewissen Abstand jedoch eine praktisch feldfreier Raum hergestellt, da sich die Felder gegenüber dem Referenzpotential, das von der zu behandelnden Oberfläche gebildet wird, auslöschen.
Insbesondere für den letztgenannten Effekt ist es von Vorteil, wenn die Teilelektroden streifenförmige Abschnitte aufweisen, die auf der Mantelfläche der Rolle nebeneinander parallel zueinander verlaufend angeordnet sind. Bevorzugt verlaufen diese Abschnitte in axialer Richtung auf der Mantelfläche. Allerdings ist es auch möglich, die streifenförmigen Abschnitte der Teilelektroden in Umfangsrichtung verlaufen zu lassen, sodass sie ringförmige Abschnitte auf der Mantelfläche bilden, die sich in Axialrichtung abwechselnd aneinander anschließen.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der die Teilelektroden von unterschiedlichen axialen Randabschnitten aus mit kammförmig axial verlaufenden Abschnitten in Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet und durch einen mäanderförmigen Dielektrikumstreifen voneinander isoliert sind.
Derartige Ausbildungen der Teilelektroden können beispielsweise durch flexible Metallfolien hergestellt werden. Bevorzugt bestehen die Teilelektroden jedoch aus einem gießfähigen Kunststoff, wie insbesondere Silikon, der durch leitende Zusätze leitfähig gemacht worden ist. Aus dem gleichen oder verwandten Kunststoff ohne die leitenden Zusätze kann vorzugsweise das Dielektrikum gebildet sein. Auf diese Weise gehen Dielektrikum und Elektrode eine unmittelbare materialschlüssige Verbindung ohne den Zusatz von Klebstoffen ein.
In Umfangsrichtung der Mantelfläche gesehen schließen sich bei der bevorzugten Ausführungsform, in der sich die Abschnitte der Teilelektroden in Axialrichtung erstrecken, zahlreiche Abschnitte der Teilelektroden abwechselnd aneinander an. Die Anzahl der Abschnitte ist vorzugsweise ≥ 6, weiter bevorzugt ≥ 8 und insbesondere ≥ 10.
Der Durchmesser der Rolle beträgt bevorzugt zwischen 10 und 50 mm, weiter bevorzugt zwischen 15 und 25 mm.
Zur Ermöglichung eines gleichmäßigen Plasmafelds an der Manteloberfläche ist das Dielektrikum bevorzugt mit Erhebungen versehen, die als Abstandselemente zwischen der zu behandelnden Oberfläche und der die Elektrode abdeckenden durchgehenden Dielektrikumsschicht fungieren und zwischen sich beim Anlegen an der zu behandelnden Oberfläche Lufträume aufweisen, in denen sich das Plasma ausbilden kann. Die Höhe der Erhebungen liegt bevorzugt zwischen 0,5 und 20 mm, weiter bevorzugt zwischen 1 und 10 mm, insbesondere zwischen 1 und 5 mm. In einer anderen Ausführungsform können die Erhebungen auch eine Gitterstruktur aus sich kreuzenden, vorzugsweise gleich hohen Stegen ausbilden.
Die Scheitelspannung der verwendeten Wechselhochspannung kann zweckmäßigerweise zwischen ± 10 kV und ± 100 kV liegen. Die Wechselfrequenzen der Wechselhochspannungen liegen zweckmäßigerweise zwischen einigen 100 Hz und etwa 100 MHz.
Die Wechselhochspannung kann insbesondere auch in Impulsform generiert werden. Die Steuereinrichtung kann dabei beispielsweise einzelne Triggerimpulse generieren, zwischen denen eine gegenüber der Halbwertsbreite der Triggerimpulse lange Pausenzeit liegt. Die Triggerimpulse können auf eine Spulenanordnung zur Generierung der Hochspannungsimpulse gelangen, wodurch sich aufgrund von Schwingvorgängen ein kurzer Impulszug mit stark abfallenden Impulsamplituden bildet. Für die Erzeugung gegengleicher Impulszüge werden zwei gleiche Spulenanordnungen vorgesehen, die zeitgleich mit Triggerimpulsen unterschiedlicher Polarität angesteuert werden, sodass sich die gegengleichen Impulszüge ergeben.
In der Praxis kann es sein, dass die Identität der gegengleichen Impulszüge nur angenähert vorliegt, sodass ein konstantes Summenpotential, gebildet aus dem gegengleichen Signalen, im Sinne der Erfindung auch dann vorliegt, wenn das Summenpotential noch geringen Schwankungen von beispielsweise weniger als 5 % der Scheitelspannung unterliegt.
Die Erfindung soll im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

1 drei Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines Plasma-Behandlungsgeräts mit einer drehbar gelagerten Rolle;
2 einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie A-A in 1c);
3 einen Schnitt durch das Behandlungsgerät und axial durch die Rolle entlang der Schnittlinie C-C in 1a);
4 einen Längsschnitt entlang der Schnittlinie B-B in 1a);
5 eine Ansicht gemäß 1a) mit einer schematischen Darstellung der aus zwei Teilelektroden gebildeten Elektrodenanordnung auf der Mantelfläche der Rolle;
6 eine schematische Darstellung der Abwicklung der Mantelfläche in Höhe der Elektrodenanordnung.

1 zeigt eine Draufsicht (1a) und zwei Seitenansichten (1b) und 1c)) eines Ausführungsbeispiels eines Plasma-Behandlungsgeräts. Das Plasma-Behandlungsgerät weist ein Griffgehäuse 1 auf, das mit einem hohlen, ergonomisch geformten Griff 2, einem in Draufsicht S-geformtes Übergangsstück 3 und einem Lagerabschnitt 4 ausgebildet ist. An dem Lagerabschnitt 4 ist eine zylindrische Rolle 5 drehbar einseitig gelagert. Die zylindrische Rolle 5 ist um eine Drehachse 6 drehbar, deren Lage in 1a) der eingezeichneten Schnittlinie C-C entspricht. Die Drehachse 6 steht senkrecht zu einer Längsachse 7 des Griffs 2, die mit der Schnittlinie B-B in 1a) zusammenfällt. Die zylindrische Rolle 5 weist einen kreiszylindrischen Querschnitt und eine Mantelfläche 8 auf, auf der sich zahlreiche Erhebungen 9 befinden. Die Erhebungen 9 sind noppenförmig ausgebildet und weisen zwischen sich einen lichten Abstand auf, der wenigstens der größten Abmessung der noppenförmigen Erhebungen 9 in Draufsicht entspricht.
Der in 2 dargestellte Längsschnitt entlang der Schnittlinie A-A in 1c) verdeutlicht den prinzipiellen inneren Aufbau des Behandlungsgeräts. In einem Hohlraum 10 des Griffs 2 befindet sich ein Batteriefach 11, in dem sich aufladbare oder nicht aufladbare Batterien befinden. Im Falle von aufladbaren Batterien kann der Griff 2 zum Aufstecken auf eine Ladestation ausgebildet sein, wie sie von anderen Handgeräten, wie beispielsweise Zahnbürsten, Mundduschen o.ä. bekannt ist. Die Batterien aus dem Batteriefach 11 versorgen einen Mikroprozessor 12, der zusammen mit einer Elektronik 13 eine Steuerung 14 bildet. Die Steuerung 14 dient der Generierung von Triggerimpulsen an zwei Ausgängen 15, 15' der Elektronik 13. Die Triggerimpulse sind gleich groß, aber unterschiedlicher Polarität gegenüber einem Referenzpotential. Mit den beiden Triggerimpulsen wird je eine Spule 16, 16' einer Hochspannungsstufe 17 beaufschlagt, in der die Triggerimpulse zu Hochspannungsimpulszügen mit schnell abfallender Amplitude transformiert werden. Die beiden Impulszüge sind gegenpolig und gleich groß, sodass sich die Spannungen zu einem im Wesentlichen konstanten Referenzpotential, insbesondere einem Massepotential, addieren. Die Impulszüge bilden Teil-Wechselspannungen, die auf je einer Hochspannungsleitung 18, 18' durch einen Kanal 19 im Übergangsstück 3 in den Lagerabschnitt 4 geführt werden. Zur Sicherstellung einer Isolierung der beiden Hochspannungsleiter 18, 18' gegeneinander ist der Kanal vorzugsweise mit einem flüssig eingebrachten und ausgehärteten Isoliermaterial ausgefüllt.
In dem Lagerabschnitt 4 verlaufen die Hochspannungsleiter 18, 18' parallel zueinander durch zwei passende Bohrungen eines eingesetzten Führungsstück 20 hindurch und enden an einem radial ausgerichteten Kontaktstück 21 einerseits bzw. an einer mittigen, axial gerichteten Kontaktbuchse 22 andererseits, wie am Besten in 3 zu erkennen ist.
Die Rolle 5 ist als hohler Topf mit einer kreiszylindrischen Mantelwandung 23 gebildet, die einseitig, nämlich am vom Lagerabschnitt 4 abgewandten Ende der Rolle 5, mit einer Stirnwandung 24 abgeschlossen ist. Die Stirnwandung 24 ist mit der Mantelwandung 23 einstückig hergestellt und besteht aus einem Dielektrikum 25. Das Dielektrikum ist beispielsweise in einem Spritzgießvorgang hergestellt und umschließt allseitig eine Elektrode 26, die aus einer ersten Teilelektrode 27 und einer zweiten Teilelektrode 27' gebildet ist. Die Teilelektroden 27, 27' sind in die Mantelwandung 23 in einem festen und gleichen Abstand von der Mantelfläche 8 angeordnet. In die Stirnwandung 24 ist ein massives Kontaktendstück 28 eingebettet, an das sich mittig und einstückig ein axialer Bolzen 29 anschließt, der in die Kontaktbuchse 22 hineinragt. Die topfförmige Konfiguration der Rolle 5 bewirkt einen Innenraum 31 der Rolle 5, in den ein Innenstück 30 hineinragt, das als Teil des Lagerabschnitts 4 ausgebildet ist. Das Innenstück 30 liegt im montierten Zustand mit einer Endfläche an der Stirnwandung 4 an. Das Innenstück 30 weist einen langgestreckten Innenraum 32 auf, dessen Innendurchmesser stufig, ausgehend von der Stirnwandung 24, mehrfach verjüngt und nach den Verjüngungen jeweils mit einem Gewinde ausgestattet ist. In einen Abschnitt mit einem geringen Durchmesser ist die Kontaktbuchse 22 eingeschraubt, die das freie Ende des Kontaktbolzens 29 kontaktierend umgibt. Am Ende des Innenstücks 30, das zur Stirnwandung 24 zeigt, ist eine Führungsbuchse 33 in den Innenraum 32 des Innenstücks 30 eingeschraubt. Das Innenstück 30 ist ein ortsfester Teil des Lagerabschnitts 4. Die Rolle 5 ist über eine Rastverbindung 34 zwischen der Führungsbuchse 33 und dem Bolzen 29 an dem Lagerabschnitt drehbar befestigt und kann um das Innenstück 30 rotieren. An dem zum Lagerabschnitt 4 zeigenden Ende der Rolle 5 befindet sich ein in das Dielektrikum 25 eingesetzter Kontaktring 35, an den sich die erste Teilelektrode 27 anschließt. Die zweite Teilelektrode 27' schließt sich hingegen an das Kontaktendstück 28 an.
3 lässt erkennen, dass zwischen dem mit dem Hochspannungsleiter 18 verbundenen Kontaktstück 21 und dem Kontaktring 35 ein Kontaktzwischenring 36 in das Innenstück 30 eingesetzt ist. Fluchtend mit dem Kontaktzwischenring 36 weist der Lagerabschnitt 4 einen ortsfesten isolierenden Abschlussring 37 auf, auf dem das letzte Stück der Mantelwandung 23 der Rolle 5 beim Abrollen gleitet. Der Kontaktring 35 bildet mit dem Kontaktzwischenring 36 eine Klemmverbindung, sodass der Kontaktzwischenring 36 auf dem Innenstück 30 in Drehverbindung mit dem Kontaktring 35 rotieren kann. Die Darstellung des Schnitts B-B (1)) verdeutlicht, dass die Führungsbuchse 33 im Bereich der Rastverbindung 34 einen mittigen Längsschnitt aufweist, durch den zwei Führungsschenkel 33' gebildet sind, zwischen die der Bolzen 29 mit einer Verdickung 37 unter Aufspreizen der Führungsschenkel 33' einschiebt.
4 lässt ferner erkennen, dass sich in Axialrichtung der Rolle 5 Abschnitte der ersten Teilelektrode 27 und der zweiten Teilelektrode 27' abwechselnd über den Umfang aneinander anschließen und jeweils einen Dielektrikumsstreifen 38 zwischen sich aufweisen.
Die Darstellungen der 5 und 6 verdeutlichen die Ausbildung der ersten Teilelektrode 27 und der zweiten Teilelektrode 27' die jeweils einen Randabschnitt 27a, 27a' und davon ausgehend axial gerichtet Abschnitte 27b, 27' aufweisen, die kammförmig von den beiden Seiten ineinandergreifen. Auf diese Weise entsteht der die beiden Teilelektroden 27, 27' voneinander isolierende Dielektrikumsstreifen 38 in der in den 5 und 6 erkennbaren Mäanderform. Diese Ausbildung der Teilelektroden 27, 27' bewirkt über die überwiegende Länge der Rolle 5, dass sich die Abschnitte 27b und 27b` in Abrollrichtung der Rolle 5 in kurzen Abständen aneinander anschließen, wodurch ein intensives elektrisches Nahfeld entsteht, in dem sich das Plasma ausbildet, jedoch in bereits geringer Entfernung die sich überlagernden elektrischen Felder kompensieren und daher für die Umwelt nicht merkbar sind.
6 verdeutlicht die Abwicklung der in 5 dargestellten Mantelfläche 8 auf der Höhe der Teilelektroden 27, 27'.

Claims

Plasma-Behandlungsgerät zur Behandlung einer Oberfläche mit einem dielektrisch behinderten Plasmafeld, das zwischen einer von einer Steuerung (14) mit einer Wechsel-Hochspannung versorgten Elektrode (26) und der Oberfläche erzeugt wird, wobei die Elektrode (26) mit einem die Elektrode (26) umgebenden Dielektrikum (25) eine drehbar in einem Griffgehäuse (1) gelagerte zylindrische Rolle (5) mit einer Mantelfläche (8) bildet, die auf der Oberfläche abrollbar ist, wobei die Elektrode (26) aus wenigstens zwei in gleichen Abständen zur Mantelfläche (8) nebeneinander angeordneten und durch das Dielektrikum (25) voneinander isolierten Teilelektroden (27, 27') besteht, die mit unterschiedlichen Anschlüssen einer Wechsel-Hochspannungsquelle verbunden sind, wobei benachbarte Teilelektroden (27, 27') von der Steuerung (14) mit bezüglich der Wellenform und der Spannungshöhe gegengleichen, sich zu einem konstanten Summenpotential kompensierenden Teil-Wechselspannungen gespeist werden.
Plasma-Behandlungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelektroden (27, 27') streifenförmige Abschnitte (b) aufweisen, die nebeneinander parallel zueinander verlaufend angeordnet sind.
Plasma-Behandlungsgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die streifenförmige Abschnitte (27b, 27b') in Axialrichtung der Rolle (5) verlaufen.
Plasma-Behandlungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilelektroden (27, 27') von unterschiedlichen axialen Randabschnitten (27a, 27a') aus mit kammförmig axial verlaufenden Abschnitten (27b, 27b') in Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet und durch einen mäanderförmigen Dielektrikumsstreifen (38) voneinander isoliert sind.
Plasma-Behandlungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Handgerät ist.