DE102019122939B4

DE102019122939B4 - Vorrichtung und Plasmagenerator aufweisend ein elektrokeramisches Bauteil

Info

Publication number: DE102019122939B4
Application number: DE102019122939.1A
Authority: DE
Inventors: Robert Krumphals; Stefan Breuer; Daniel Neuwirth; Thomas Koidl
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2019-08-27
Filing date: 2019-08-27
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2039-08-28
Also published as: US12010787B2; US20220304134A1; WO2021037550A1; CN114270550A; DE102019122939A1

Abstract

Vorrichtung aufweisendeinen piezoelektrischen Transformator mit einem ersten Bereich (2) und einem zweiten Bereich (3),eine Vergussmasse (11), die den piezoelektrischen Transformator zumindest teilweise umgibt, undein hülsenförmiges Gehäuse (15), das die Vergussmasse (11) zumindest teilweise umgibt, wobei das Gehäuse (15) in einem ersten Gehäuseabschnitt (15a), der die Vergussmasse (11) im ersten Bereich des piezoelektrischen Transformators umschließt, ein Material aufweist, dessen thermische Leitfähigkeit größer ist als die thermische Leitfähigkeit eines Materials des Gehäuses (15) in einem zweiten Gehäuseabschnitt (15b), und wobei das Gehäuse (15) in dem zweiten Gehäuseabschnitt (15b), der die Vergussmasse (11) im zweiten Bereich des piezoelektrischen Transformators) umschließt, ein nicht-leitendes Material aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem elektrokeramischen Bauteil. Bei dem elektrokeramischen Bauteil handelt es sich um einen piezoelektrischen Transformator.
Piezoelektrische Transformatoren können zur Plasmagenerierung eingesetzt werden. Dabei wird eine niedrige Eingangsspannung in eine Hochspannung transformiert. Durch die hohen elektrischen Felder kann die umgebende Luft ionisiert werden und somit ein Plasma erzeugt werden. Ein Problem können dabei parasitäre Entladungen darstellen, die beispielsweise durch leitfähige Gegenstände in der Nähe der Piezokeramik verursacht werden können und die zu Beschädigungen des Bauteils führen können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung anzugeben. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein elektrokeramisches Bauteil mit einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich aufweist. Die Vorrichtung weist eine Vergussmasse auf, die das elektrokeramische Bauteil zumindest teilweise umgibt. Die Vorrichtung weist ein hülsenförmiges Gehäuse auf, das die Vergussmasse zumindest teilweise umgibt. Das Gehäuse weist einen ersten Gehäuseabschnitt und einen zweiten Gehäuseabschnitt auf. Der erste Gehäuseabschnitt umschließt die Vergussmasse im ersten Bereich des elektrokeramischen Bauteils und weist ein Material auf, das eine höhere thermische Leitfähigkeit aufweist als ein Material des zweiten Gehäuseabschnitts. Der zweite Gehäuseabschnitt umschließt die Vergussmasse im zweiten Bereich des elektrokeramischen Bauteils und weist ein nicht-leitendes Material auf. Das Material des ersten Gehäuseabschnitts weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf. Das Material des ersten Gehäuseabschnitts kann ein metallisches Material sein.
Der erste Bereich und der zweite Bereich des elektrokeramischen Bauteils können unterschiedliche Anforderungen an das Gehäuse stellen. Insbesondere kann es sich bei dem ersten Bereich um einen Niederspannungsbereich und bei dem zweiten Bereich um einen Hochspannungsbereich handeln. In dem ersten Bereich kann dementsprechend die Verwendung eines Gehäuseabschnittes aufweisend ein metallisches Material vorteilhaft sein, da das metallische Material eine hohe Robustheit für die Weiterverarbeitung und eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweist. Hitze, die im ersten Bereich des elektrokeramischen Bauteils entsteht, kann über den ersten Gehäuseabschnitt dadurch effektiv abgeführt werden. Auch die Weiterkontaktierung und mechanische Verbindung zu weiteren Bauteilen kann durch einen aus metallischem Material bestehenden ersten Gehäuseabschnitt einfach ermöglicht werden. Bei dem metallischen Material kann es sich beispielsweise um Aluminium handeln.
In dem zweiten Gehäuseabschnitt, der den zweiten Bereich des Bauteils umschließt, kann die Verwendung eines nicht-leitenden Materials vorteilhaft sein, da ein nicht-leitendes Material elektrische Felder, die in einem Hochspannungsbereich zwangsläufig entstehen, nicht negativ beeinflusst. Auch Zündungen eines Plasmas zwischen dem elektrokeramischen Bauteil und dem zweiten Gehäuseabschnitt werden vermieden, wenn der zweite Gehäuseabschnitt aus einem nicht-leitenden Material besteht.
Bei dem elektrokeramischen Bauteil handelt es sich um einen piezoelektrischen Transformator, der vorzugsweise zur Ionisation eines Prozessgases und zur Plasmaerzeugung eingesetzt wird.
Die Vergussmasse kann ein nicht-leitendes Material aufweisen, beispielsweise Silikon. Die Vergussmasse kann das elektrokeramische Bauteil derart umschließen, dass parasitäre Entladungen an den Seitenflächen des elektrokeramischen Bauteils vermieden werden. Die Vergussmasse kann eine weiche, geleeartige Masse sein. Das elektrokeramische Bauteil kann dabei in der Vergussmasse derart vergossen sein, dass die Vergussmasse Schwingungen des elektrokeramischen Bauteils nicht oder zumindest nur geringfügig dämpft, da die Vergussmasse eine hohe Elastizität aufweist. Dementsprechend kann durch die Vergussmasse ein Wirkungsgrad des Bauteils nicht gravierend verschlechtert werden.
Bei dem nicht-leitenden Material, aus dem der zweite Gehäuseabschnitt besteht kann es sich um einen Kunststoff, Teflon, ein Glas oder eine Keramik handeln. Diese Materialien bieten den Vorteil, dass sie elektrische Felder, die im zweiten Bereich des elektrokeramischen Bauteils auftreten können, nicht gravierend beeinflussen. Dementsprechend wird die Funktionsweise des elektrokeramischen Bauteils durch das Vorsehen des Gehäuses nicht beeinflusst.
Das hülsenförmige Gehäuse kann auf einer von dem elektrokeramischen Bauteil wegweisenden Außenseite eine ebene Fläche aufweisen.
Das Material des Gehäuses in dem ersten Gehäuseabschnitt weist eine gute thermische Leitfähigkeit auf. Es kann ein Metall, eine Metalllegierung, ein thermisch gut leitender Kunststoff oder eine Keramik sein. Beispielsweise kann es Kupfer, Aluminium oder Eisen aufweisen.
Das elektrokeramische Bauteil kann aus der Vergussmasse herausragen. Beispielsweise kann das elektrokeramische Bauteil über eine Länge zwischen 0,5 mm und 5 mm aus der Vergussmasse herausragen, vorzugsweise ragt das elektrokeramische Bauteil über eine Länge von 1 mm bis 3 mm aus der Vergussmasse heraus. Dabei kann insbesondere eine ausgangsseitige Stirnseite des zweiten Bereichs des Bauteils aus der Vergussmasse herausragen. An der Stirnseite kann es zu Plasmazündungen kommen. Dadurch, dass die Stirnseite nicht von der Vergussmasse bedeckt ist, werden die Plasmazündungen von der Vergussmasse nicht beeinflusst. Alternativ ist es auch möglich, das elektrokeramische Bauteil vollständig mit der Vergussmasse zu bedecken.
Die Vergussmasse kann die Stirnseite des elektrokeramischen Bauteils im zweiten Bereich, die von ersten Bereich weg weist, bedecken. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Vergussmasse auf der Stirnseite dünner sein als auf den seitliche Flächen des elektrokeramischen Bauteils. Eine Plasmazündung kann dann durch die Vergussmasse hindurch mittels einer dielektrischen Barriereentladung erfolgen.
Die Vorrichtung kann ferner eine Unterdruckkammer aufweisen. Die Unterdruckkammer kann einen Behandlungsraum, in dem die Vorrichtung angeordnet ist, gegenüber einer Umgebung der Vorrichtung abdichten, wobei in dem Behandlungsraum ein gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck oder ein Vakuum vorliegt. Durch einen reduzierten Druck kann eine Zündfeldstärke der Vorrichtung verringert werden. Als Zündfeldstärke kann dabei die Feldstärke bezeichnet werden, ab welcher eine Plasmazündung ermöglicht wird. Plasmazündungen, die bei geringeren Feldstärken entstehen, stellen eine kleinere mechanische Belastung für das elektrokeramische Bauteil dar. Dementsprechend können durch den Einsatz der Unterdruckkammer die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer des elektrokeramischen Bauteils verlängert werden, da es weniger häufig zu Beschädigungen des elektrokeramischen Bauteils infolge der auftretenden mechanischen Belastungen kommt. Ferner kann sich die Plasmacharakteristik bei Plasmazündungen in der Unterdruckkammer gegenüber Plasmazündungen bei Atmosphärendruck verändern. Statt einer punktförmigen Plasmazündung an den Ecken einer ausgangsseitigen Stirnseite kann das Plasma ganzflächig auf der ausgangsseitigen Stirnseite gezündet werden.
Die Vorrichtung kann ferner einen Kontaktdraht aufweisen, über den das elektrokeramische Bauteil elektrisch kontaktiert ist. Der Kontaktdraht kann zumindest eine Biegung aufweisen. Als Biegung kann dabei eine Krümmung des Kontaktdrahtes bezeichnet werden, in der der Kontaktdraht von einem geraden Verlauf abweicht. Der Kontaktdraht kann formstabil sein, sodass die Biegung ohne Einwirkung von äußeren Kräften bestehen bleibt. Über den Kontaktdraht kann das elektrokeramische Bauteil mit einer Weiterkontaktierung, beispielsweise einer Ansteuerschaltung auf einer Platine verbunden werden.
Die Vorrichtung kann einen Deckel aufweisen, der an ein Ende des ersten Gehäuseabschnittes anschließt, das von dem zweiten Gehäuseabschnitt weg weist. Der Deckel kann in einem Vergussverfahren hergestellt sein. Das Material des Deckels kann sich von dem Material der Vergussmasse unterscheiden und dabei insbesondere härter sein als das Material der Vergussmasse.
Die zumindest eine Biegung des Kontaktdrahtes kann innerhalb des Deckels angeordnet sein, wobei der Kontaktdraht durch den Deckel verläuft. Dadurch kann der Kontaktdraht derart in dem Deckel befestigt sein, dass Bewegungen des Kontaktdrahtes in Längsrichtung vom Deckel verhindert werden. Zugkräfte, die auf den Kontaktdraht wirken, können dabei von dem Deckel absorbiert werden, sodass der Deckel eine Zugentlastung bereitstellen kann, die das elektrokeramische Bauteil vor Zugkräften schützen kann.
Die Vorrichtung kann zwischen dem Deckel und elektrokeramischen Bauteil einen Bereich aufweisen, der mit einer weichen Vergussmasse gefüllt ist. Damit wird das elektrokeramische Bauteil vom Deckel mechanisch entkoppelt und die Dämpfung des schwingenden elektrokeramischen Bauteils werden reduziert.
Die Vorrichtung kann ferner eine Kapsel aufweisen, die den zweiten Bereich des elektrokeramischen Bauteils einschließt. Durch die Kapsel kann der zweite Bereich des elektrokeramischen Bauteils verkapselt werden. Material, das während einer Plasmazündung von dem elektrokeramischen Bauteil gelöst wird, kann dabei die Kapsel nicht verlassen und wird sich an einer Innenseite der Kapsel absetzen. Die Kapsel kann dadurch verhindern, dass eine Oberfläche, die mittels Plasma bearbeitet wird, von dem Material kontaminiert wird. Insbesondere kann es sich bei dem Material des elektrokeramischen Bauteils um ein bleihaltiges Material handeln.
Die Kapsel kann als dielektrische Barriere wirken, wobei es zu einer primären Plasmazündung zwischen einer Stirnseite des elektrokeramischen Bauteils und der Innenseite der Kapsel sowie zu einer Plasmazündung durch eine dielektrische Barriereentladung auf einer Außenseite der Kapsel kommt.
Die Kapsel kann mit einem Prozessgas gefüllt sein. Bei dem Prozessgas kann es sich beispielsweise um ein Edelgas oder Luft handeln. Alternativ oder ergänzend kann die Kapsel einen Druck aufweisen, der gegenüber einem Atmosphärendruck reduziert ist oder es kann ein Vakuum in der Kapsel vorliegen. Durch einen reduzierten Druck oder ein Vakuum in der Kapsel wird die Zündfeldstärke für die primäre Plasmaentladung reduziert. Dadurch können mechanische Belastungen des elektrokeramischen Bauteils reduziert werden und seine Lebensdauer und seine Zuverlässigkeit können erhöht werden.
Die Vorrichtung kann Anschlüsse für eine elektrische Kontaktierung aufweisen, wobei die Anschlüsse dazu ausgestaltet sind mittels einer Bajonettverbindung, einer Klemmverbindung oder einer Steckverbindung lösbar befestigt zu werden. Durch die Anschlüsse kann ein Element zur Weiterkontaktierung beispielsweise mit den oben genannten Kontaktdrähten verbunden werden. Die hier genannten Kontaktierungen in Form von Bajonett-, Klemm- oder Steckverbindungen sind jeweils lösbar, so dass die Vorrichtung leicht ausgetauscht werden könnte.
Die Vorrichtung kann ein Federelement aufweisen, das derart angeordnet ist, dass es eine Kraft ausübt, die zu einer Trennung der Weiterkontaktierung beiträgt. Dementsprechend kann das Federelement das Trennen der Kontaktierung vereinfachen.
Bei dem elektrokeramischen Bauteil handelt es sich um einen piezoelektrischen Transformator.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Plasmagenerator, der die oben beschriebene Vorrichtung aufweist, wobei das elektrokeramische Bauteil zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruckplasmas ausgestaltet ist. Die Vorrichtung kann auch als Ionengenerator oder als Ozongenerator verwendet werden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben.

1 zeigt ein elektrokeramisches Bauteil.
2 zeigt eine Vorrichtung, die das in 1 gezeigte elektrokeramische Bauteil aufweist.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.
5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung.
6 zeigt die Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht.
7 zeigt die Vorrichtung und einen Verbindungspartner in einem aufgesteckten Zustand.
8 zeigt die Vorrichtung und den Verbindungspartner in einem nicht verbundenen Zustand.

1 zeigt ein elektrokeramisches Bauteil 1. Bei dem elektrokeramischen Bauteil 1 handelt es sich um einen piezoelektrischen Transformator. Der piezoelektrische Transformator kann insbesondere als Plasmagenerator zur Erzeugung von nichtthermischem Atmosphärendruck-Plasma eingesetzt werden.
Ein piezoelektrischer Transformator ist eine Bauform eines Resonanztransformators, welcher auf Piezoelektrizität basiert und im Gegensatz zu den herkömmlichen magnetischen Transformatoren ein elektromechanisches System darstellt. Der piezoelektrische Transformator ist beispielsweise ein Transformator vom Rosen-Typ.
Das elektrokeramisches Bauteil 1 weist einen ersten Bereich 2, der auch als Eingangsbereich oder als Niederspannungsbereich bezeichnet wird, und einen zweiten Bereich 3, der auch als Ausgangsbereich oder als Hochspannungsbereich bezeichnet wird, auf, wobei der zweite Bereich 3 sich in einer Längsrichtung z an den ersten Bereich 2 anschließt. Im ersten Bereich 2 weist der piezoelektrische Transformator 1 Elektroden 4 auf, an die eine Wechselspannung angelegt werden kann. Die Elektroden 4 erstrecken sich in der Längsrichtung z des piezoelektrischen Transformators 1. Die Elektroden 4 sind in einer Stapelrichtung x, die senkrecht zu der Längsrichtung z ist, abwechselnd mit einem piezoelektrischen Material 5 gestapelt. Das piezoelektrische Material 5 ist dabei in Stapelrichtung x polarisiert.
Die Elektroden 4 sind im Innern des piezoelektrischen Transformators 1 angeordnet und werden auch als Innenelektroden bezeichnet. Der piezoelektrische Transformator 1 weist eine erste Seitenfläche 6 und eine zweite Seitenfläche 7, die der ersten Seitenfläche 6 gegenüberliegt, auf. Auf der ersten Seitenfläche 6 ist eine erste Außenelektrode 8 angeordnet. Auf der zweiten Seitenfläche 7 ist eine zweite Außenelektrode (nicht gezeigt) angeordnet. Die innenliegenden Elektroden 4 sind in Stapelrichtung x abwechselnd entweder mit der ersten Außenelektrode 8 oder der zweiten Außenelektrode elektrisch kontaktiert.
Der erste Bereich 2 kann mit einer geringen Wechselspannung angesteuert werden, die zwischen den Elektroden 4 angelegt wird. Aufgrund des piezoelektrischen Effekts wird die eingangsseitig angelegte Wechselspannung zunächst in eine mechanische Schwingung umgewandelt. Die Frequenz der mechanischen Schwingung ist dabei wesentlich von der Geometrie und dem mechanischen Aufbau des elektrokeramischen Bauteils 1 abhängig.
Der zweite Bereich 3 weist piezoelektrisches Material 9 auf und ist frei von innenliegenden Elektroden. Das piezoelektrische Material 9 im zweiten Bereich 3 ist in der Längsrichtung z polarisiert. Bei dem piezoelektrischen Material 9 des zweiten Bereichs 3 kann es sich um das gleiche Material wie bei dem piezoelektrischen Material 5 des ersten Bereichs 2 handeln, wobei sich die piezoelektrischen Materialien 5 und 9 in ihrer Polarisationsrichtung unterscheiden können. Im zweiten Bereich 3 ist das piezoelektrische Material 9 zu einer einzigen monolithischen Schicht geformt, die vollständig in der Längsrichtung z polarisiert ist. Dabei weist das piezoelektrische Material 9 im zweiten Bereich 3 nur eine einzige Polarisationsrichtung auf.
Wird an die Elektroden 4 im ersten Bereich 2 eine Wechselspannung angelegt, so bildet sich innerhalb des piezoelektrischen Materials 5, 9 eine mechanische Welle aus, die durch den piezoelektrischen Effekt im Ausgangsbereich 3 eine Ausgangsspannung erzeugt. Der zweite Bereich 3 weist eine ausgangsseitige Stirnseite 10 auf. Im zweiten Bereich 3 wird somit eine elektrische Spannung zwischen der Stirnseite 10 und dem Ende der Elektroden 4 des ersten Bereichs 2 erzeugt. An der ausgangsseitigen Stirnseite 10 wird dabei eine Hochspannung erzeugt. Dabei entsteht auch zwischen der ausgangseitigen Stirnseite 10 und einer Umgebung des elektrokeramischen Bauteils 1 eine hohe Potentialdifferenz, die ausreicht, um ein starkes elektrisches Feld zu erzeugen, dass ein Prozessgas ionisiert.
Auf diese Weise erzeugt das elektrokeramische Bauteil 1 hohe elektrische Felder, die in der Lage sind, Gase oder Flüssigkeiten durch elektrische Anregung zu ionisieren. Dabei werden Atome oder Moleküle des jeweiligen Gases bzw. der jeweiligen Flüssigkeit ionisiert und bilden ein Plasma. Es kommt immer dann zu einer Ionisation, wenn die elektrische Feldstärke an der Oberfläche des elektrokeramischen Bauteils 1 die Zündfeldstärke des Plasmas überschreitet. Als Zündfeldstärke eines Plasmas wird dabei die Feldstärke bezeichnet, die zur Ionisation der Atome oder Moleküle erforderlich ist.
2 zeigt eine Vorrichtung, die das in 1 gezeigte elektrokeramische Bauteil 1 aufweist. Das elektrokeramische Bauteil 1 ist in einer Vergussmasse 11 angeordnet, die die Seitenflächen des Bauteils 1 zu einem Großteil umschließt. Ein erstes Ende 12 des elektrokeramischen Bauteils 1, das im ersten Bereich 2 angeordnet ist und vom zweiten Bereich 3 weg weist, ragt über die Vergussmasse 11 hinaus. Ein zweites Ende 13 des elektrokeramischen Bauteils 1, das im zweiten Bereich 3 angeordnet ist und vom ersten Bereich 2 weg weist, ragt über die Vergussmasse 11 hinaus. In alternativen Ausführungsbeispielen können auch das erste Ende 12 und/oder das zweite Ende 13 des elektrokeramischen Bauteils 1 mit der Vergussmasse 11 bedeckt sein.
Die Vergussmasse 11 weist ein nicht-leitendes Material auf. Die Vergussmasse 11 weist ein weiches, geleeartiges Material auf. Die Vergussmasse 11 kann beispielsweise Silikon aufweisen oder aus Silikon bestehen.
Die Vergussmasse 11 dient dazu parasitäre Entladungen an den Seitenflächen des elektrokeramischen Bauteils 1 zu verhindern, indem die Seitenflächen durch die Vergussmasse 11 gegenüber einer Umgebung isoliert werden. Darüber hinaus sind auch Kontaktdrähte 14, über die das elektrokeramische Bauteil 1 elektrisch kontaktiert werden kann, in der Vergussmasse 11 vergossen.
Die Vorrichtung weist ferner ein Gehäuse 15 auf, das die Vergussmasse 11 umgibt. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das elektrokeramische Bauteil 1 zusammen mit der Vergussmasse 11 derart in das Gehäuse 15 eingebettet, dass das erste Ende 12 des elektrokeramischen Bauteils 1 und das zweite Ende 13 des elektrokeramischen Bauteils 1 das Gehäuse 15 überragen. In alternativen Ausführungsbeispielen kann nur eines der beiden Enden 12, 13 das Gehäuse 15 überragen oder das Gehäuse 15 kann bündig mit beiden Enden 12, 13 abschließen.
Alternativ kann das Gehäuse 15 auch über das elektrokeramische Bauteil 1 hinausragen. Beispielsweise kann das Gehäuse 15 im ersten Bereich 2, also dem Niederspannungsbereich, über das elektrokeramische Bauteil 1 hinausragen. Das Gehäuse 15 kann dabei eine seitliche Umrandung eines Deckels 17 bilden.
Das Gehäuse 15 ist hülsenförmig. Das Gehäuse 15 weist eine zylinderförmige Öffnung auf, die sich durch das Gehäuse 15 erstreckt. Die zylinderförmige Öffnung ist derart dimensioniert, dass sie das elektrokeramische Bauteil 1 und die Vergussmasse 11, die dieses umgibt, aufnimmt und die Vergussmasse 11 dabei an einer Innenseite des Gehäuses 15 anliegt. Die zylindrische Innenkontur des Gehäuses 15 ist nicht zwingend. Auch Gehäuse mit einem rechteckigen, quadratischen oder ellipsenförmigen Querschnitt und/oder einer rechteckigen, quadratischen oder ellipsenförmigen Öffnung sind möglich.
Das Gehäuse 15 weist einen ersten Gehäuseabschnitt 15a und einen zweiten Gehäuseabschnitt 15b auf. Die beiden Gehäuseabschnitte 15a, 15b weisen voneinander unterschiedliche Materialien auf. Der erste Gehäuseabschnitt 15a umschließt die Vergussmasse 11 in dem Bereich, in dem die Vergussmasse 11 den ersten Bereich 2 des elektrokeramischen Bauteils 1 umschließt. Der zweite Gehäuseabschnitt 15b umschließt die Vergussmasse 11 in dem Bereich, in dem die Vergussmasse 11 den zweiten Bereich 3 des elektrokeramischen Bauteils 1 umgibt.
Das Gehäuse 15 ist dazu ausgestaltet, die Vergussmasse 11 zu schützen und mechanisch zu stabilisieren. Durch die Wahl der unterschiedlichen Materialien für den ersten und den zweiten Gehäuseabschnitt 15a, 15b können die Gehäuseabschnitte 15a, 15b gut an die unterschiedlichen Anforderungen in dem ersten und dem zweiten Bereich 2, 3 des elektrokeramischen Bauteils 1 angepasst werden.
Der erste Gehäusebereich 15a weist ein Material mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit auf. Das Material des ersten Gehäusebereichs 15 kann ein Metall, eine Metalllegierung, einen thermisch gut leitender Kunststoff oder eine Keramik aufweisen. Insbesondere kann das Gehäuse 15 in dem ersten Gehäusebereich 15a Aluminium aufweisen oder aus Aluminium bestehen. In dem ersten Bereich 2 des elektrokeramischen Bauelements 1 kann durch ohmsche Verluste und mechanische Schwingungen Wärme entstehen. Metall weist eine hohe thermische Leitfähigkeit auf und ist dementsprechend gut dazu geeignet, die in dem ersten Bereich 2 des elektrokeramischen Bauteils 1 entstehende Wärme abzuleiten. Darüber hinaus weist Metall eine große Robustheit auf, die eine unkomplizierte Weiterverarbeitung und Kontaktierung des ersten Gehäuseabschnitts 15a ermöglicht.
Der zweite Gehäuseabschnitt 15b weist ein nicht-leitendes Material auf. Beispielsweise kann der zweite Gehäuseabschnitt 15b aus einem Kunststoff, Teflon, einem Glas oder einer Keramik bestehen. In dem zweiten Bereich 3 des elektrokeramischen Bauteils 1 können hohe elektrische Feldstärken entstehen. Da der zweite Gehäuseabschnitt 15b aus einem nicht-leitenden Material besteht, beeinflusst er das entstehende elektrische Feld nicht. Würde der zweite Gehäuseabschnitt 15b aus einem leitenden Material bestehen, könnte es zu unerwünschten Plasmazündungen von dem Bauteil 1 zu dem zweiten Gehäuseabschnitt 15b kommen. Derartige Plasmazündungen treten bei einem zweiten Gehäuseabschnitt 15b aus einem nicht-leitenden Material nicht auf.
Die Vorrichtung weist ferner die zwei oben erwähnten Kontaktdrähte 14 auf, wobei jeder der Kontaktdrähte 14 an einer der Außenelektroden 8 des elektrokeramischen Bauteils 1 befestigt ist. Insbesondere kann jeder der Kontaktdrähte 14 jeweils an einer der Außenelektroden 8 angelötet sein.
Die Kontaktdrähte 14 ermöglichen eine Weiterkontaktierung der Vorrichtung. Beispielsweise kann das elektrokeramische Bauteil 1 über die Kontaktdrähte 14 mit einer Ansteuerschaltung elektrisch verbunden werden.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 15 im ersten Gehäuseabschnitt 15a in seiner Form verändert worden. Im Querschnitt ist das Gehäuse 15 im ersten Gehäuseabschnitt 15a quadratisch. Dabei weist der erste Gehäuseabschnitt 15a ebene Flächen auf, womit die Montage auf einem ebenen Wärmetauscher erleichtert wird.
In dem in 3 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel weisen die Kontaktdrähte 14 ferner zwei Biegungen 16a, 16b auf. Innerhalb der Vergussmasse 11 verlaufen die Kontaktdrähte 14 gradlinig. In dem Bereich, in dem die Kontaktdrähte 14 aus der Vergussmasse 11 heraustreten, weisen sie jeweils eine erste Biegung 16a auf. In der ersten Biegung 16a wird der Verlauf der Kontaktdrähte 14 um etwa 30° verändert. Ferner weisen die Kontaktdrähte 14 eine zweite Biegung 16b auf, die in eine entgegengesetzte Richtung gerichtet ist und die ebenfalls eine Biegung um etwa 30° ist.
Auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel ragt das elektrokeramische Bauteil 1 an beiden Enden 12, 13 über die Vergussmasse 11 und das Gehäuse 15 hinaus. Beispielsweise kann das elektrokeramische Bauteil 1 an einem oder an beiden Enden 12, 13 über eine Strecke von 0,5 mm bis 5 mm über das Gehäuse 15 hinausragen. In anderen Ausführungsformen kann das elektrokeramische Bauteil 1 komplett in der Vergussmasse 11 umhüllt sein. Die Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse 11 ist schlechter als die Wärmeleitfähigkeit des ersten Gehäuseabschnitts 15a, der aus Metall besteht. Das Gehäuse 15 wird daher derart konstruiert, dass das elektrokeramische Bauteil nur von einer dünnen Schicht der Vergussmasse 11 umschlossen ist. Das Gehäuse 15 weist im ersten und im zweiten Gehäuseabschnitt 15a, 15b in seinem Inneren eine runde Aussparung auf. Der Durchmesser der runden Aussparung ist dabei derart gewählt, dass das elektrokeramische Bauteil 1 und die Vergussmasse 11 in der Aussparung angeordnet werden können, ohne dass die Schicht der Vergussmasse 11 zu dick wird.
Der zweite Gehäuseabschnitt 15b auf der Hochspannungsseite kann beispielsweise aus Teflon bestehen.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, die ein elektrokeramisches Bauteil 1 aus 1 aufweist.
Die in 4 gezeigte Vorrichtung basiert auf der in 3 gezeigten Vorrichtung, wobei an dem ersten Ende 12 des ersten Gehäuseabschnitts 15a ein Deckel 17 ergänzt wurde. Der Deckel 17 wird durch ein Gussverfahren erzeugt. Der Deckel 17 besteht aus einem Material, das härter ist als das Material der Vergussmasse 11. Der Deckel 17 kann beispielsweise aus einem Epoxidharz bestehen. Der Deckel 17 umschließt insbesondere die beiden Biegungen 16a, 16b der beiden Kontaktdrähte 14. Dadurch werden die Kontaktdrähte 14 zusätzlich mechanisch fixiert. Es wird eine Zugentlastung der Vorrichtung durch den Deckel 17 ermöglicht. Zugkräfte, die auf die beiden Kontaktdrähte 14 wirken, werden in dem Deckel 17 absorbiert und wirken nicht auf die Lötstellen, an denen die Kontaktdrähte 14 mit den Außenelektroden 8 des elektrokeramischen Bauteils 1 verbunden sind. Dementsprechend wird das Bauteil 1 vor Beschädigungen durch Zugkräfte geschützt. Zusätzlich tragen auch Adhäsionskräfte der Kontaktdrähte 14 innerhalb der Vergussmasse 11 zu einer mechanischen Stabilisierung der Vorrichtung bei.
In dem dritten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung ferner in einer Unterdruckkammer 18 angeordnet. In 4 ist die Unterdruckkammer 18 durch eine Seitenwand 19 der Unterdruckkammer 18 angedeutet. Innerhalb der Unterdruckkammer 18 liegt ein Druck vor, der gegenüber einem Druck in einer Umgebung der Unterdruckkammer 18, das heißt gegenüber dem Atmosphärendruck, reduziert ist. In der Unterdruckkammer 18 kann auch ein Vakuum vorliegen. Der Behandlungsraum, der durch ein von dem elektrokeramischen Bauteil 1 erzeugtes nicht thermisches Atmosphärendruckplasma bearbeitet wird, liegt in der Unterdruckkammer 18.
In der Unterdruckkammer 18 sinkt die Zündspannung des piezoelektrischen Transformators, sodass bereits bei geringeren Spannungen im Eingangs- und Ausgangsbereich Plasmazündungen ermöglicht werden. Der Paschenkurve kann der Zusammenhang vom vorliegenden Druck und der jeweiligen Zündspannung entnommen werden. Plasmazündungen bei geringeren Spannungen stellen eine geringere mechanische Belastung für das elektrokeramische Bauteil 1 dar. Dementsprechend kann durch den Einsatz in der Unterdruckkammer 18 die Lebensdauer des Bauteils 1 verlängert werden. Dadurch kann die Zuverlässigkeit der Vorrichtung erhöht werden.
Ein weiterer Vorteil der reduzierten Zündspannung in einem Unterdruck besteht darin, dass Plasma nicht nur an den Ecken des elektrokeramischen Bauteils 1 gezündet wird, sondern flächig auf der gesamten ausgangsseitigen Stirnseite 10 gezündet werden kann. Dadurch wird statt punkt- oder strahlförmigen Plasmazündungen nunmehr eine Plasmawolke erzeugt.
5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung. Das vierte Ausführungsbeispiel beruht auf dem in 4 gezeigten dritten Ausführungsbeispiel, wobei zusätzlich eine Kapsel 20 ergänzt wurde, die den zweiten Bereich 3 des elektrokeramischen Bauteils 1 umschließt. Innerhalb der Kapsel 20 wird Luft oder ein Prozessgas mit eingeschlossen. Durch die Verwendung der Kapsel 20, die als dielektrische Barriere wirkt, werden Plasmazündungen 21 durch die elektrische Barriereentladungen ermöglicht. Dabei kommt es, wie in 5 angedeutet, zu einer primären Plasmaentladung 22 zwischen einer ausgangsseitigen Stirnseite 10 des elektrokeramischen Bauteils 1 und einer Innenwand der Kapsel 20 und infolgedessen ferner zu einer Plasmazündungen 21 durch dielektrischen Barriereentladung vor der Kapsel.
Durch die Verwendung der Kapsel 20 kann eine Kontamination eines zu behandelnden Bereichs vermieden werden. Während der Plasmaentladung können von dem elektrokeramischen Bauteil 1 Materialpartikel gelöst werden. Das Material des elektrokeramischen Bauteils 1 kann insbesondere bleihaltig sein. Durch die Verwendung der Kapsel 20 wird sichergestellt, dass dieses bleihaltige Material sich nicht auf einer zu behandelnden Oberfläche absetzt. Insbesondere wenn die Vorrichtung für medizinische oder kosmetische Zwecke eingesetzt wird, muss eine derartige Materialablagerung vermieden werden. Das Material schlägt sich nunmehr auf den Innenwänden der Kapsel 20 nieder. Ferner ermöglicht die Kapsel 20 eine leichte Reinigung der Vorrichtung. Die Kapsel 20 kann aus einem elektrisch nicht leitenden Material, zum Beispiel Glas oder Aluminiumoxid, ausgeführt sein oder aus einem elektrisch leitenden Material, zum Beispiel Edelstahl oder Aluminium, bestehen. Im zweiten Fall muss die Kapsel 20 gegen den ersten Gehäuseabschnitt 15a isoliert werden.
Die Verwendung dielektrischer Barriereentladungen hat bei medizinischen oder kosmetischen Anwendungen gegenüber einer direkten Plasmazündung den Vorteil, dass ein zu behandelndes Gewebe weniger stark belastet wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Gasraum 23 in der Kapsel 20 mit einem Prozessgas, bei dem es sich um ein Edelgas, beispielsweise Ar, He oder Ne, handelt, gefüllt sein. Alternativ oder ergänzend kann der Gasraum 23 einen reduzierten Druck oder sogar ein Vakuum aufweisen. Durch eine Reduzierung des Drucks kann die Zündspannung herabgesetzt werden. Das Areal der primären Plasmaentladung wird durch den Unterdruck vergrößert. Auch die Größe der Fläche der dielektrischen Barriereentladung steigt an. Der Unterdruck in dem Gasraum 23 der Kapsel 20 kann mit einem Unterdruck in einer Unterdruckkammer 18, in der die Vorrichtung angeordnet ist, kombiniert werden.
6 zeigt die Vorrichtung in einer perspektivischen Ansicht. Bei der in 6 gezeigten Vorrichtung ist eine Ausnehmung 24 in dem Gehäuse 15 vorgesehen, die das Gehäuse 15 über einen Bajonettverschluss mit einem Verbindungspartner verbinden kann. Bei der Verbindung des Gehäuses 15 mit dem Verbindungspartner werden die Kontaktdrähte 14 mit elektrischen Kontakten des Verbindungspartners verbunden und auf diese Weise kann eine Weiterkontaktierung des elektrokeramischen Bauteils 1 erzeugt werden.
Die Vorrichtung weist ferner Federelemente 25, insbesondere Federstifte, auf, die auf die Kontaktdrähte 14 aufgesetzt sind. Die Federstifte können bei Verbindung des Gehäuses 15 mit dem Verbindungspartner vorgespannt werden und bei einem Öffnen der Bajonettverbindung zu einem Lösen der Verbindung beitragen.
Dementsprechend ist die Vorrichtung leicht mit einer Weiterkontaktierung verbindbar. Dadurch wird ein Auswechseln der Vorrichtung ermöglicht.
Alternativ zu der in 6 gezeigten Bajonettverbindung kann die Vorrichtung durch eine Steckverbindung mit einem Verbindungspartner verbunden werden. In 7 ist der Verbindungspartner auf die Vorrichtung aufgesteckt und 8 zeigt die Vorrichtung und den Verbindungspartner in einem nicht verbundenen Zustand. Die Steckverbindung stellt eine leicht lösbare Verbindung dar, die ein Wechseln der Vorrichtung für einen Endverbraucher ermöglicht.
Alternativ zu der Bajonettverbindung oder der Steckverbindung können auch andere mechanisch lösbare Verbindungen, beispielsweise Klemmkontakte, verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: elektrokeramisches Bauteil
2: erster Bereich
3: zweiter Bereich
4: Elektrode
5: piezoelektrisches Material
6: erste Seitenfläche
7: zweite Seitenfläche
8: Außenelektrode
9: piezoelektrisches Material
10: ausgangsseitige Stirnseite
11: Vergussmasse
12: erstes Ende
13: zweites Ende
14: Kontaktdraht
15: Gehäuse
15a: erster Gehäuseabschnitt
15b: zweiter Gehäuseabschnitt
16a: erste Biegung
16b: zweite Biegung
17: Deckel
18: Unterdruckkammer
19: Seitenwand
20: Kapsel
21: Plasmazündungen durch die elektrische Barriereentladungen
22: primäre Plasmaentladung
23: Gasraum
24: Ausnehmung
25: Federelement
x: Stapelrichtung
z: Längsrichtung

Claims

Vorrichtung aufweisend einen piezoelektrischen Transformator mit einem ersten Bereich (2) und einem zweiten Bereich (3), eine Vergussmasse (11), die den piezoelektrischen Transformator zumindest teilweise umgibt, und ein hülsenförmiges Gehäuse (15), das die Vergussmasse (11) zumindest teilweise umgibt, wobei das Gehäuse (15) in einem ersten Gehäuseabschnitt (15a), der die Vergussmasse (11) im ersten Bereich des piezoelektrischen Transformators umschließt, ein Material aufweist, dessen thermische Leitfähigkeit größer ist als die thermische Leitfähigkeit eines Materials des Gehäuses (15) in einem zweiten Gehäuseabschnitt (15b), und wobei das Gehäuse (15) in dem zweiten Gehäuseabschnitt (15b), der die Vergussmasse (11) im zweiten Bereich des piezoelektrischen Transformators) umschließt, ein nicht-leitendes Material aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der erste Bereich (2) des piezoelektrischen Transformators ein Niederspannungsbereich ist, und wobei der zweite Bereich (3) des piezoelektrischen Transformators ein Hochspannungsbereich ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei dem nicht-leitenden Material um einen Kunststoff, Teflon, ein Glas oder eine Keramik handelt.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine vom piezoelektrischen Transformator wegweisende Außenseite des hülsenförmigen Gehäuses (15) eine ebene Fläche aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Material des Gehäuses (15) in dem ersten Gehäuseabschnitt (15a) ein Metall, eine Metalllegierung, ein thermisch gut leitender Kunststoff oder eine Keramik ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der piezoelektrische Transformator aus der Vergussmasse (11) herausragt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vergussmasse (11) eine Stirnseite (10) des piezoelektrischen Transformators im zweiten Bereich (3), die vom ersten Bereich (2) weg weist, bedeckt, wobei die Vergussmasse (11) auf der Stirnseite (10) dünner ist als auf seitlichen Flächen des piezoelektrischen Transformators.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend eine Unterdruckkammer (18), die einen Behandlungsraum, in dem die Vorrichtung angeordnet ist, gegenüber einer Umgebung der Vorrichtung abdichtet, wobei in dem Behandlungsraum ein gegenüber dem Atmosphärendruck reduzierter Druck oder ein Vakuum vorliegt.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend einen Kontaktdraht (14), über den der piezoelektrische Transformator elektrisch kontaktiert ist, wobei der Kontaktdraht (14)zumindest eine Biegung (16a, 16b) aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend einen Deckel (17), der an ein Ende des ersten Gehäuseabschnitts (15a) anschließt, das von dem zweiten Gehäuseabschnitt (15b) weg weist.
Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Vergussmasse (11) eine Stirnseite (12) des piezoelektrischen Transformators im ersten Bereich (2), die vom zweiten Bereich (3) weg weist, bedeckt, und den piezoelektrischen Transformator mechanisch gegenüber dem Deckel (17) entkoppelt.
Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 10 und 11, wobei der Kontaktdraht (14) durch den Deckel (17) verläuft und die zumindest eine Biegung (16a, 16b) des Kontaktdrahts (14) innerhalb des Deckels (17) angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, wobei der Deckel (17) ein Material aufweist, das härter ist als die Vergussmasse (11).
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend eine Kapsel (20), die den zweiten Bereich (3) des piezoelektrischen Transformators einschließt.
Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Kapsel (20) mit einem Prozessgas gefüllt ist, und/oder wobei innerhalb der Kapsel (20) ein Druck gegenüber dem Atmosphärendruck reduziert ist oder wobei innerhalb der Kapsel (20) ein Vakuum vorliegt.
Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend Anschlüsse für eine elektrische Weiterkontaktierung der Vorrichtung, wobei die Anschlüsse dazu ausgestaltet sind mittels einer Bajonettverbindung, einer Klemmverbindung oder einer Steckverbindung lösbar befestigt zu werden.
Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, aufweisend ein Federelement (25), das derart angeordnet ist, dass es eine Kraft ausübt, die zu einer Trennung der Weiterkontaktierung beiträgt.
Plasmagenerator aufweisend eine Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der piezoelektrische Transformator zur Erzeugung eines nicht-thermischen Atmosphärendruckplasmas ausgestaltet ist.