DE19835224A1

DE19835224A1 - Plasma generator for production of directed plasma jet

Info

Publication number: DE19835224A1
Application number: DE1998135224
Authority: DE
Inventors: Stefan Laure
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-08-05
Filing date: 1998-08-05
Publication date: 2000-02-10

Abstract

The plasma generator includes a combination of an electric arc plasma generator (1,2) and a high frequency (HF) plasma generator (4,5). The generator has a cathode (1) surrounded by a working gas flow. A ring shaped anode (2) is arranged co-axially to the cathode, to produce an arc discharge, for the ionization of the working gas. The anode is designed as an outlet nozzle for the plasma jet. A system for the production of a HF magnetic field (5) is provided in the region of the plasma jet leaving the anode. A coil (5) is provided as the system for producing a HF magnetic field.

Description

State of the art

Die Erfindung geht aus von einem Plasmagenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a plasma generator according to the Preamble of claim 1.

Aus dem Stand der Technik sind Plasmageneratoren bekannt, bei denen das Plasma entweder über die Entladung eines Lichtbogens oder über ein Hochfrequenzfeld erzeugt wird. Bei den Lichtbogenplasmageneratoren sind eine stift- oder stabförmige Kathode und eine die Kathode ringförmig umgebende Anode vorgesehen. Zwischen Kathode und Anode bildet sich ein Lichtbogen aus, durch den ein zwischen Kathode und Anode strömendes Gas ionisiert und aufgeheizt wird. Dabei entsteht ein gerichteter Plasmastrahl, der auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet wird. Hierzu ist die Anode häufig als Austrittsdüse für den Plasmastrahl ausgebildet. Bei einem Hochfrequenzplasmagenerator wird ein strömendes Gas durch Anlegen eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes ionisiert. Der dabei entstehende Plasmastrahl wird durch ein Rohr zusammengehalten, aus dessen Mündung er zur Bearbeitung eines Werkstücks oder eines Materials austritt.Plasma generators are known from the prior art, where the plasma is either discharged through a Arc or generated over a radio frequency field. At the arc plasma generators are a pin or rod-shaped cathode and a ring-shaped cathode surrounding anode provided. Between cathode and anode an arc forms, through which an between the cathode and anode flowing gas is ionized and heated. Here a directed plasma beam is created that points towards a machining workpiece is directed. This is the anode often designed as an outlet nozzle for the plasma jet. At a high frequency plasma generator becomes a flowing gas by applying a high frequency electromagnetic Field ionized. The resulting plasma jet is through holding a pipe together, from the mouth of which he goes to Machining of a workpiece or material emerges.

Als nachteilig erweist sich bei diesen bekannten Plasmageneratoren, daß der gerichtete Plasmastrahl einen geringen Durchmesser aufweist und die Bearbeitung eines Werkstücks oder Materials auf diesen geringen Bereich begrenzt ist. Der Bereich des Plasmastrahls, der eine für die Bearbeitung von Werkstücken oder Materialien ausreichend hohe Energie aufweist, beträgt bei bekannten Plasmageneratoren häufig nur einige wenige Millimeter. Darüberhinaus ist das Profil des Plasmastrahls entlang des Durchmessers nicht homogen. Lichtbogenplasmageneratoren weisen einen im Zentrum sehr heißen Plasmastrahl auf, dessen Energie zum Rand hin abfällt. Hochfrequenzplasmageneratoren sind zwar in der Lage, einen Plasmastrahl zu erzeugen, der auch im Randbereich noch eine hohe Energie aufweist, wobei jedoch das Zentrum des Strahls in seiner Energie geringer ist.It turns out to be disadvantageous in these known Plasma generators that the directed plasma jet one has a small diameter and the processing of a Workpiece or material limited to this small area is. The area of the plasma jet, the one for machining sufficiently high energy from workpieces or materials in known plasma generators is often only a few millimeters. Furthermore, the profile of the Plasma jet is not homogeneous along the diameter. Arc plasma generators have one very much in the center are called plasma jet, the energy of which drops towards the edge. High frequency plasma generators are able to Generate plasma jet, which is also in the edge area has high energy, but with the center of the beam in its energy is lower.

The invention and its advantages

Demgegenüber hat der erfindungsgemäße Plasmagenerator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, daß der gerichtete Plasmastrahl mit Hilfe einer Kombination aus einem Lichtbogenplasmagenerator und einem Hochfrequenzplasmagenerator erzeugt wird. Durch Kombination dieser beiden Vorrichtungen wird ein Plasmastrahl mit einem wesentlich breiteren Durchmesser erzielt als bei Plasmageneratoren nach dem Stand der Technik. Durchmesser von 100 bis 150 Millimetern und mehr sind möglich.In contrast, the plasma generator according to the invention has the characterizing features of claim 1 the advantage that the directed plasma jet using a combination of an arc plasma generator and one High-frequency plasma generator is generated. By combination a plasma jet with one of these two devices achieved much wider diameter than in State-of-the-art plasma generators. diameter from 100 to 150 millimeters and more are possible.

Darüberhinaus ist das Profil des Plasmastrahls über den Querschnitt homogener als bei bekannten Plasmageneratoren. In addition, the profile of the plasma jet is above the Cross-section more homogeneous than with known plasma generators.

Der erfindungsgemäße Plasmagenerator eignet sich zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken. Dank der Kombination aus einem Lichtbogenplasmagenerator und einem Hochfrequenzplasmagenerator können in einem Arbeitsgang eine Plasma-CVD-Beschichtung und ein induktives Randschichthärten durchgeführt werden. Dabei entstehen Werkstücke mit sehr widerstandsfähigen Randschichten. Der Übergang zwischen dem Werkstück und der auf das Werkstück aufgebrachten Beschichtung ist homogen, wodurch ein Abplatzen der Beschichtung von dem Werkstück verhindert werden kann. Dank des relativ großen Querschnitts des Plasmastrahls können außerdem größere Werkstücke bearbeitet werden als bei Plasmageneratoren nach dem Stand der Technik. Die Erwärmung des Werkstücks erfolgt induktiv mit Hilfe des Hochfrequenzfeldes. Das Werkstück wird von einem Plasma niedriger Enthalpie angeströmt. Plasma und Werkstück werden dabei induktiv angeregt. Durch Wahl eines geeigneten Plasmagases wird eine Plasma-CVD-Beschichtung erzeugt. Durch chemische Reaktion der im Plasma befindlichen angeregten Elemente an der Materialoberfläche kommt es zur Abscheidung von Hartstoffschichten.The plasma generator according to the invention is suitable for Surface processing of workpieces. thanks to the Combination of an arc plasma generator and one High frequency plasma generator can be done in one operation a plasma CVD coating and an inductive one Surface hardening can be performed. This creates Workpieces with very resistant surface layers. The Transition between the workpiece and the workpiece applied coating is homogeneous, causing chipping the coating of the workpiece can be prevented. Thanks to the relatively large cross-section of the plasma jet larger workpieces are also processed than at State-of-the-art plasma generators. The warming of the workpiece is done inductively with the help of Radio frequency field. The workpiece is made of a plasma low enthalpy flow. Plasma and workpiece inductively excited. By choosing a suitable one A plasma CVD coating is generated in plasma gases. By chemical reaction of the excited plasma Elements on the material surface are separated of hard material layers.

Außerdem kann der erfindungsgemäße Plasmagenerator zur Behandlung von Schadstoffen eingesetzt werden. Hierbei wird die über den Querschnitt des Plasmastrahls nahezu konstante Temperatur- und Enthalpieverteilung ausgenutzt. Diese garantiert eine vollständige Verbrennung der Schadstoffe auch im Randbereich des Plasmastrahls. Durch Zugabe geeigneter Reaktionspartner kann der Reaktionsablauf gesteuert und die Rückgewinnung von Rohstoffen oder Produktionsausgangsstoffen erreicht werden. Die Schadstoffe werden entweder in Pulverform oder flüssiger Form in den Plasmagenerator eingebracht. Zur Steuerung des Reaktionsablaufs können Sekundärgase oder andere Stoffe beigemischt werden. In addition, the plasma generator according to the invention can Treatment of pollutants can be used. Here will which is almost constant over the cross section of the plasma jet Temperature and enthalpy distribution exploited. This also guarantees a complete combustion of the pollutants in the edge area of the plasma jet. By adding more suitable Reaction partners can control the course of the reaction and the Recovery of raw materials or Production raw materials can be achieved. The pollutants are either in powder or liquid form in the Plasma generator introduced. To control the Reaction can be secondary gases or other substances be added.

Darüberhinaus kann der Plasmagenerator zur Erzeugung einer gleichförmigen Staupunktsströmung eingesetzt werden. Dies ermöglicht unter anderem die Beschichtung flächiger Bauteile, da der Durchmesser des Plasmastrahls größer ist als bei bekannten Plasmageneratoren.In addition, the plasma generator can be used to generate a uniform stagnation point flow can be used. This enables, among other things, the coating of flat components, because the diameter of the plasma jet is larger than at known plasma generators.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine von einem Arbeitsgas umströmte Kathode und eine koaxial zur Kathode angeordnete ringförmige Anode zur Erzeugung einer Bogenentladung zur Ionisierung des Arbeitsgases vorgesehen. Dabei ist die Anode als Austrittsdüse für den Plasmastrahl ausgebildet. Im Bereich des aus der Anode austretenden Plasmastrahls ist eine Vorrichtung zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes vorgesehen. Dabei wird der Plasmastrahl zunächst über die Entladung des Lichtbogens erzeugt. Dieser weist zunächst einen relativ geringen Durchmesser auf. Das hochfrequente Magnetfeld führt zu einer Aufweitung des Plasmastrahls und einer starken Vergrößerung des Querschnitts. Der aufgeweitete Plasmastrahl weist über den gesamten Querschnitt eine nahezu konstante Temperatur- und Enthalpie-Verteilung auf.According to an advantageous embodiment of the invention a working gas flows around the cathode and one coaxial to the Cathode arranged annular anode for producing a Arc discharge provided for the ionization of the working gas. The anode acts as an outlet nozzle for the plasma jet educated. In the area of the emerging from the anode Plasma jet is a device for generating a high-frequency magnetic field provided. The Plasma jet first of all through the discharge of the arc generated. This initially has a relatively low one Diameter on. The high frequency magnetic field leads to one Expansion of the plasma jet and a strong enlargement of the cross section. The expanded plasma beam points over the entire cross section an almost constant temperature and Enthalpy distribution.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist als Vorrichtung zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes eine Spule vorgesehen.According to a further advantageous embodiment of the invention is as a device for generating a high frequency Magnetic field provided a coil.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zum Schutz der Vorrichtung zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes vor den Einflüssen des Plasmastrahls ein aus Keramik gefertigtes Rohr vorgesehen. Neben Keramik sind auch andere Materialien möglich, die die in dem Bereich des Rohres auftretenden hohen Temperaturen aushalten. Hierzu gehört beispielsweise auch Quarz. Um eine zu starke Erwärmung des Rohrs zu verhindern, kann außerdem eine Kühlung, beispielsweise eine Wasserkühlung, vorgesehen sein. According to a further advantageous embodiment of the invention is to protect the device for generating a high frequency magnetic field from the influences of Plasma jet provided a tube made of ceramic. In addition to ceramics, other materials are also possible, which the in the high temperatures occurring in the area of the pipe withstand. This also includes quartz, for example. To one Preventing excessive heating of the pipe can also cooling, for example water cooling, is provided his.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Bereich der Anode und/oder der Vorrichtung zur Erzeugung eines hochfrequenten Magnetfeldes ein Kanal vorgesehen, über den dem Plasmastrahl Pulver oder Flüssigkeiten zuführbar sind. Über derartige Kanäle kann beispielsweise ein Spritzpulver zum Auftragen einer Plasma- CVD-Beschichtung auf ein Werkstück zugeführt werden. Außerdem können Reaktionsgase oder zu verbrennende Schadstoffe über derartige Kanäle in den Plasmagenerator eingeführt werden.According to a further advantageous embodiment of the invention is in the area of the anode and / or the device for Generation of a high frequency magnetic field a channel provided, over which the plasma jet powder or Liquids can be supplied. Such channels can for example a wettable powder for applying a plasma CVD coating can be fed onto a workpiece. In addition, reaction gases can be burned Pollutants via such channels in the plasma generator be introduced.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Anode eine konusförmige Öffnung auf, welche sich in Richtung des austretenden Plasmastrahls aufweitet. Eine derartig geformte Anode führt zur Ausbildung einer Überschallströmung.According to a further advantageous embodiment of the invention the anode has a conical opening, which is in Widened in the direction of the emerging plasma jet. A such anode leads to the formation of a Supersonic flow.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous configurations of the Invention are the following description, the drawing and removable from the claims.

drawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Plasmagenerators dargestellt und im folgenden näher erläutert. Es zeigt:In the drawing is an embodiment of the Plasma generator according to the invention shown and in following explained in more detail. It shows:

Fig. 1 Plasmagenerator im Querschnitt. Fig. 1 plasma generator in cross section.

Description of the embodiment

Der in Fig. 1 dargestellte Plasmagenerator weist eine stiftförmige Kathode 1 und eine koaxial zur Anode angeordnete trichterförmige Anode 2 auf. Dabei verengt sich der Querschnitt der Anode in Richtung des austretenden Plasmastrahls. Die Anode wirkt damit wie eine Düse. Der durch die Öffnung 3 der Anode 2 austretende Plasmastrahl strömt in das Keramikrohr 4, welches von einer Spule 5 umgeben ist. Mit Hilfe der Spule 5 wird im Inneren des Keramikrohrs 4 ein hochfrequentes Magnetfeld erzeugt, das den aus der Anode austretenden Plasmastrahl bis auf nahezu den Durchmesser des Keramikrohrs aufweitet. Durch die Öffnung 6 tritt der Plasmastrahl aus dem Keramikrohr 4 aus.The plasma generator shown in FIG. 1 has a pin-shaped cathode 1 and a funnel-shaped anode 2 arranged coaxially to the anode. The cross section of the anode narrows in the direction of the emerging plasma jet. The anode thus acts like a nozzle. The plasma jet emerging through the opening 3 of the anode 2 flows into the ceramic tube 4 , which is surrounded by a coil 5 . With the help of the coil 5 , a high-frequency magnetic field is generated in the interior of the ceramic tube 4 , which widens the plasma beam emerging from the anode to almost the diameter of the ceramic tube. The plasma jet emerges from the ceramic tube 4 through the opening 6 .

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein. All in the description, the following claims and The features shown in the drawing can be both individually as well as in any combination with each other be essential to the invention.

Reference list

11

Kathode
cathode

22nd

Anode
anode

33rd

Öffnung
opening

44th

Keramikrohr
Ceramic tube

55

Spule
Kitchen sink

66

Öffnung
opening

Claims

1. Plasma generator for generating a directed plasma beam, characterized in that a combination of an arc plasma generator ( 1 , 2 ) and a high-frequency plasma generator ( 4 , 5 ) is provided.

2. Plasma generator according to claim 1, characterized in
that a cathode ( 1 ) around which a working gas flows is provided,
that an annular anode ( 2 ) arranged coaxially to the cathode ( 1 ) is provided for generating an arc discharge for ionizing the working gas, the anode being designed as an outlet nozzle for the plasma jet, and
that a device for generating a high-frequency magnetic field ( 5 ) is provided in the area of the plasma jet emerging from the anode.

3. Plasma generator according to claim 2, characterized in that a coil ( 5 ) is provided as a device for generating a high-frequency magnetic field.

4. Plasma generator according to claim 2 or 3, characterized in that a ceramic tube ( 4 ) is provided to protect the device for generating a high-frequency magnetic field ( 5 ) from the influences of the plasma beam.

5. Plasma generator according to one of the preceding Claims, characterized in that in the area of Anode and / or the device for generating a high-frequency magnetic field is provided over a channel the powder or liquids can be supplied to the plasma jet are.

6. Plasma generator according to one of the preceding Claims, characterized in that the anode is a has conical opening, which is in the direction of emerging plasma jet expands.