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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls
oder mehrerer Plasmastrahlen.
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Vorrichtungen
zur Erzeugung eines Plasmastrahls sind bereits aus dem Stand der
Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 195 32 412 C2 einen
Plasmastrahlgenerator mit einer Düse. An der Düsenöffnung
befindet sich eine ringförmige Elektrode. Koaxial von der
Düsenöffnung in die Düse zurückgesetzt
ist eine Stiftelektrode angeordnet. Mittels eines Hochfrequenz-Spannungsgenerators
wird eine Bogenentladung zwischen Stiftelektrode und Ringelektrode
gezündet. Im Betrieb wird die Plasmadüse von einem
Arbeitsgas durchströmt. Das Arbeitsgas wird in der Plasmadüse
mittels einer Drallvorrichtung verwirbelt. Die Verwirbelung des
Arbeitsgases in der Düse sorgt dafür, dass die
Bogenentladung entlang des Wirbelkerns koaxial in der Düse von
der Stiftelektrode in Richtung der Düsenöffnung geführt
wird, wo sie sich dann auf die ringförmige Elektrode radial
verzweigt. Durch die Bogenentladung wird das Arbeitsgas zu einem
von der Bogenentladung getrennten Plasmastrahl angeregt, der mit dem
verbleibenden Arbeitsgas aus der Düsenöffnung
austritt.
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Plasmadüsen
dieses Typs finden beispielsweise Verwendung bei der Plasmavorbehandlung von
Werkstücken. Wenn Werkstücke beschichtet, lackiert
oder geklebt werden sollen, ist häufig eine Vorbehandlung
erforderlich, um Verunreinigungen von der Oberfläche zu
entfernen und, insbesondere bei Werkstücken aus Kunststoff,
die Molekülstruktur so zu verändern, dass die
behandelte Oberfläche mit Flüssigkeiten wie Kleber,
Lacken und dergleichen benetzt werden kann. Weiterhin kann mit einer
Plasmavorbehandlung die Schweißbarkeit von elektrisch leitfähigen,
zur Bildung einer den Schweißprozess behindernden Oberflächenschicht
neigenden Werkstücken verbessert werden. Besonders bevorzugt
ist es, wenn die Plasmavorbehandlung bei niedrigen Temperaturen
durchgeführt werden kann. Eine solche Vorbehandlung bei
niedriger Temperatur ist mit einem durch eine Plasmadüse
erzeugten Plasmastrahl vorteilhaft durchführbar.
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Darüber
hinaus können Plasmadüsen des vorstehend beschriebenen
Typs bei der Plasmabeschichtung von Werkstücken verwendet
werden. Bei der Plasmabeschichtung ist es erforderlich, dem Plasma
ein Beschichtungsmaterial bzw. ein Precursormaterial zuzuführen.
Additive Materialien mit vorteilhaften Effekten können
jedoch auch bei der Plasmavorbehandlung von Werkstücken
zur Anwendung kommen. Diese Materialien werden mit dem Plasmastrahl
der zu bearbeitenden Oberfläche zugeführt und
entfalten dort die durch die Plasmaenergie ausgelöste,
gewünschte Wirkung, beispielsweise werden sie auf der Oberfläche
in der Form einer Schicht abgeschieden.
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Die
koaxiale Anordnung einer Stiftelektrode in der Düse und
einer Ringelektrode an der Düsenöffnung ist nachteilig,
weil in der Regel das die Düse durchströmende,
plasmabildende Arbeitsgas verwirbelt wird, um einen definierten
Kanal im Wirbelkern bereitzustellen, in dem die Entladung von der
Stiftelektrode zur Ringelektrode geführt wird. Durch die Verwirbelung
ist ein großer Teil der kinetischen Energie des Arbeitsgases
in der Drehbewegung gebunden. Um die Flussrate des aus der Düsenöffnung austretenden
Plasmastrahls zu erhöhen, muss die Flussrate des Arbeitsgases
in die Düse hinein unverhältnismäßig
erhöht werden, weil ein bestimmter Teil der kinetischen
Energie in die Drehbewegung des Arbeitsgases umgewandelt wird.
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Die
Fertigung einer Plasmadüse des vorstehend beschriebenen
Typs wird erleichtert, wenn die Ringelektrode an der Düsenöffnung
einstückig aus dem Düsengehäuse herausgebildet
wird. In diesem Fall besteht das Düsengehäuse
aus einem leitfähigen Material und fungiert als Ganzes
als Elektrode. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist
jedoch, dass der Innenraum der Düse die Stiftelektrode
aufnehmen und somit eine bestimmte Querschnittsgröße
aufweisen muss.
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Zur
Erzeugung des Plasmas wird an die Elektroden eine hochfrequente
Hochspannung angelegt, die so hoch sein muss, dass eine Entladung
von der Stiftelektrode zur Ringelektrode durch das Arbeitsgas durchschlagen
kann und dabei das Arbeitsgas entlang der Entladungsstrecke ionisiert.
Dabei wird in der Regel eine solche Länge der Entladungsstrecke
gewählt, dass ein mit einer bestimmten Geschwindigkeit
strömendes Arbeitsgas hinreichend lange durch die Entladung
ionisiert wird, um eine gewünschte Plasmaintensität
zu erreichen. Zur Erzeugung eines sehr plasmaintensiven Strahls
sind die Elektroden also weit voneinander beabstandet sein. Doch
je weiter die Elektroden voneinander beabstandet sind, desto größer
muss der Spannungsunterschied, d. h. die Spannungsamplitude, zwischen
den Elektroden sein, um eine Entladung durch das Arbeitsgas zu ermöglichen.
Dies stellt hohe Anforderungen an die Versorgungseinheit mit der
die Spannung erzeugt wird, sowie an alle elektrischen Verbindungen
der Plasmadüse.
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Unter
einem Plasmastrahl wird ein Strahl eines reaktiven Mediums verstanden,
der neben neutralen, angeregten Atomen bzw. Molekülen auch
ionisierte Atome oder Moleküle aufweist. Die angeregten bzw.
ionisierten Teilchen rufen eine starke Wechselwirkung auf der zu
behandelnden Oberfläche hervor, wodurch es zu einer Oberflächenvorbehandlung kommt.
Dabei wird der Plasmastrahl bevorzugt ohne Übertragung
von Entladungsfunken, also potentialfrei auf die Oberfläche übertragen.
Jedoch sind auch Anwendungen der Plasmadüse denkbar, bei
denen sowohl der Plasmastrahl als auch Entladungsfunken mit der
Oberfläche zur Wechselwirkung gebracht werden.
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Unter
einer hochfrequenten Hochspannung wird beispielsweise eine Wechselspannung
mit Polarisationswechseln oder eine gepulste Gleichspannung mit
Spannungswerten nur einer Polarität, bei der die Spannungswerte
zwischen zwei Extremwerten wechseln, verstanden. Letztlich ist eine
gepulste Gleichspannung eine mit einem konstanten Gleichspannungsanteil überlagerte
Wechselspannung. Die Frequenz liegt bevorzugt in einem Bereich von
10 kHz bis 100 kHz. Abweichungen von diesem Wertebereich sind jedoch
möglich. Die Amplitude der Spannung, gemessen Spitze-zu-Spitze,
beträgt dabei ungefähr 1 kV bis 50 kV. Aber auch
bei diesen Werten kann es Abweichungen nach oben oder unten geben.
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Der
Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung
zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen anzugeben,
die die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise beseitigt.
Das technische Problem wird erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls gelöst,
mit einem Gehäuse und mit mindestens zwei Elektroden, wobei das
Gehäuse einen Gaseinlass und einen Gasauslass aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Elektroden in der
Seitenwand des Gehäuses integriert sind.
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Im
Betrieb der Vorrichtung wird das Gehäuse von einem Arbeitsgas
von dem Gaseinlass bis zu dem Gasauslass durchströmt.
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Durch
die integrale Anordnung von mindestens zwei Elektroden in der Seitenwand
des Gehäuses ist eine Verwirbelung des Arbeitsgases beim Durchströmen
des Gehäuses nicht mehr notwendig. Die Voraussetzung, einen
definierten Entladungskanal zwischen den Elektroden bereitzustellen,
entfällt. Durch diese Ausgestaltung der Vorrichtung kann
das Arbeitsgas das Gehäuse von dem Gaseinlass bis zu dem
Gasauslass in einer Translationsbewegung im Wesentlichen wirbelfrei
durchströmen, so dass die kinetische Energie, mit der das
Arbeitsgas beim Einströmen durch den Gaseinlass in das
Gehäuse versehen ist, der Translationsbewegung des Arbeitsgases
durch das Gehäuse und aus dem Gehäuse durch den
Gasauslass heraus erhalten bleibt.
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Weiterhin
muss innerhalb des Gehäuses keine Stiftelektrode mehr koaxial
zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases angeordnet werden.
Im Gegensatz dazu sind bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung die mindestens zwei Elektroden platzsparend in der Seitenwand
des Gehäuses integriert. Dies hat den Vorteil, dass das
Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung eines Plasmastrahls einen kleineren Strömungsquerschnitt
als vergleichbare Plasmadüsen mit koaxial im Düseninnern
angeordneter Stiftelektrode benötigt. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung kann somit materialeffizienter gefertigt werden. Außerdem
erlaubt eine Vorrichtung mit geringen äußeren
Abmessungen den Einsatz in Umgebungen, in denen lediglich ein begrenzter
Arbeitsraum zur Verfügung steht.
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Ein
weiterer Vorteil der integralen Elektrodenanordnung in der Seitenwand
des Gehäuses der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung eines Plasmastrahls und des daraus hervorgehenden geringen
Strömungsquerschnitts des Gehäuses ist, dass der
Abstand der Elektroden voneinander gering gehalten werden kann.
Dadurch kann die Amplitude der elektrischen Spannung, die an die
Elektroden angelegt werden muss, um einen Entladungskanal und damit
eine Bogenentladung zwischen den Elektroden zu erzeugen, kleiner
gewählt werden. Die Anforderungen an die Spannungsversorgung
sowie an die damit verbundenen elektrischen Verbindungen werden
somit verringert.
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Der
Begriff Bogenentladung wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung
phänomenologisch als Lichtbogen verstanden. Dies bedeutet,
dass die zur Plasmaerzeugung an die Elektroden angelegte Spannung
keine kontinuierliche Gleichspannung ist. Vielmehr wird das Plasma,
wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt, mit einer hochfrequenten
Spannung, insbesondere mit einer hochfrequenten Wechselspannung,
erzeugt. Da jedoch dabei die Frequenz der angelegten Spannung so
hoch gewählt wird, dass ein Betrachter an Hand der Leuchterscheinungen
der Entladung visuell keinen Unterschied zu mit kontinuierlichen
Gleichspannungen erzeugten Entladungen feststellen kann, wird in
der vorliegenden Anmeldung vereinfachend von einer Bogenentladung gesprochen.
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Vorzugsweise
sind die mindestens zwei Elektroden quer zur Strömungsrichtung
des Arbeitsgases voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses
integriert. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, dass
der Abstand zwischen den mindestens zwei Elektroden so gering wie
möglich gehalten wird. Somit wird auch die Amplitude der Spannung
zur Erzeugung der Entladung so gering wie möglich gehalten.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die dem Innenraum des Gehäuses
zugewandten Oberflächen der mindestens zwei Elektroden
fluchtend mit der dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Oberfläche
der Seitenwand des Gehäuses angeordnet. Durch die fluchtende
Anordnung der Elektroden werden Quellen von Gasturbulenz vermieden.
Ragen die Elektroden in den Innenraum des Gehäuses hinein
oder ist die dem Innenraum des Gehäuses zugewandte Oberfläche
der Elektroden von der umgebenden Seitenwand zurückgesetzt
angeordnet, so können sich im Übergangsbereich
von Seitenwand zu Elektrode Turbulenzwirbel ausbilden, die die Translationsenergie
des Arbeitsgases zumindest teilweise in Rotationsenergie und letztlich
in Wärme umwandeln und somit die Flussrate des Arbeitsgases
senkrecht zum Strömungsquerschnitt aus dem Gasauslass heraus
vermindern.
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Im
Rahmen der vorliegenden Anmeldung umfasst der Begriff Arbeitsgas
zur Plasmaerzeugung geeignete einkomponentige Gase, beispielsweise Stickstoff,
als auch mehrkomponentige Gasmischungen, beispielsweise Luft, Formiergas,
CO2, Acethylen/N2 Gemisch
oder andere beliebige zur Plasmaerzeugung geeignete Gasmischungen.
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Das
einen Gaseinlass und einen Gasauslass sowie mindestens zwei Elektroden
aufweisende Gehäuse der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ist vorzugsweise im Wesentlichen
in der Form eines Hohlzylinders ausgebildet. In dieser Ausgestaltung
können die mindestens zwei Elektroden quer zur Strömungsrichtung des
Arbeitsgases diametral voneinander beabstandet in der Seitenwand
des Gehäuses integriert sein. Weiterhin können
der Gaseinlass und der Gasauslass voneinander beabstandet an den
einander gegenüber liegenden Stirnflächen des
Hohlzylinders angeordnet sein.
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Es
ist auch möglich, das Gehäuse in der Form eines
Hohlquaders auszubilden. Die Ausgestaltung des Gehäuses
als Hohlquader ist verpackungstechnisch vorteilhaft, wenn mehrere
erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Erzeugung mehrerer
Plasmastrahlen dicht aneinander liegend angeordnet werden.
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Die
vorstehend genannten Ausgestaltungen des Gehäuses sind
allerdings beispielhaft und sollen nicht als Beschränkung
verstanden werden.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Seitenwand
des Gehäuses alle Teile des Gehäuses zwischen
dem Gaseinlass und dem Gasauslass, die sich im Wesentlichen entlang
der Strömungsrichtung des Arbeitsgases erstrecken, und wird
nur in der Einzahl verwendet, selbst wenn die Form des Gehäuses
das Vorhandensein mehrerer Seitenwände, beispielsweise
vier Seitenwände bei einem Gehäuse in der Form
eines Hohlquaders, nahe legt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die
Seitenwand des Gehäuses in einer in der Strömungsrichtung
des Arbeitsgases liegenden Querschnittsebene im Bereich des Gasauslasses
gekrümmt oder gebogen ausgebildet. Insbesondere ist die
Seitenwand des Gehäuses so ausgebildet, dass sich der Strömungsquerschnitt
des Gehäuses in Richtung des Gasauslasses verjüngt.
Diese Ausgestaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Flussrate
des Arbeitsgases durch den Gasauslass aus dem Gehäuse heraus
gegenüber der Flussrate des Arbeitsgases in dem Gehäuse
erhöht werden soll.
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Vorzugsweise
ist die Seitenwand des Gehäuses zumindest teilweise aus
einem isolierenden Material ausgebildet. Dieses isolierende Material kann
ein keramischer Werkstoff oder ein Glas, vorzugsweise ein Quarzglas,
sein. Es können jedoch auch beliebige andere isolierende
Werkstoffe verwendet werden.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn der die mindestens zwei Elektroden umgebende
Bereich der Seitenwand des Gehäuses aus einem isolierenden Material,
beispielsweise einem keramischen Werkstoff oder einem Glas, insbesondere
einem Quarzglas, ausgebildet ist.
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Durch
die zumindest teilweise Ausbildung des Gehäuses aus einem
isolierenden Material wird gewährleistet, dass die durch
einen Spannungsunterschied zwischen den mindestens zwei Elektroden bewirkte
Entladung in einem Kanal zwischen den Elektroden verläuft.
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In
weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung sind die Strömungsquerschnitte
des Gaseinlasses und/oder des Gasauslasses kleiner als der Strömungsquerschnitt
des Gehäuses. Unter Strömungsquerschnitt des Gaseinlasses
bzw. Gasauslasses wird beispielsweise die Kreisfläche eines kreisförmigen
Gaseinlasses bzw. Gasauslasses verstanden. Als Strömungsquerschnitt
des Gehäuses, wird beispielsweise die Fläche des
inneren Kreises eines hohlzylinderförmigen Gehäuses
verstanden. Im Falle einer hohlquaderförmigen Ausgestaltung des
Gehäuses ist unter dem Strömungsquerschnitt des
Gehäuses die Fläche eines Rechtecks, insbesondere
eines Quadrats, zu verstehen.
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Eine
Verengung des Strömungsquerschnitts des Gaseinlasses im
Vergleich zum Strömungsquerschnitt des Gehäuses
ist vorteilhaft, da somit das Arbeitsgas mit einer definierten gerichteten
Strömung dem Inneren des Gehäuses zugeführt
werden kann. Dadurch lässt sich das Auftreten von Wirbeln,
die einen Teil der kinetischen Energie des Arbeitsgases in einer
Drehbewegung binden würden, weitgehend vermeiden.
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Eine
Verengung des Strömungsquerschnitts des Gasauslasses im
Vergleich zum Strömungsquerschnitt des Gehäuses
ist vorteilhaft, da somit das Arbeitsgas und das darin ausgebildete
Plasma fokussiert und zur gezielten Anwendung strahlförmig
beispielsweise auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden
Werkstücks gerichtet werden können.
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Der
Gasauslass kann schlitzförmig ausgebildet sein. Besonders
bevorzugt ist es, wenn sich die Längsachse des Schlitzes
parallel zu der Verbindungslinie zwischen den mindestens zwei Elektroden erstreckt.
Durch diese Ausgestaltung des Gasauslasses kann der Plasmastrahl
in Längsrichtung des Schlitzes aufgeweitet werden. Damit
lässt sich ein größflächiger
und dennoch gleichmäßiger Plasmastrahl erzeugen,
der beispielsweise zur Plasmabehandlung von Werkstückoberflächen
besonders geeignet ist.
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In
einer in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases liegenden
Querschnittsebene kann der Gasauslass auch die Form einer Lavaldüse
aufweisen. Das heißt, dass der Strömungsquerschnitt
des Gasauslasses sich in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases
ausgehend von einem dem Gehäuseinnern zugewandten Bereich
verjüngt, bevor sich der Strömungsquerschnitt
des Gasauslasses dann von dem schmalsten Bereich zu einem der Umgebung zugewandten
Bereich wieder aufweitet. Durch diese Ausgestaltung des Gasauslasses
kann die Flussrate des Arbeitsgases und des Plasmas aus dem Gehäuse
heraus erhöht werden.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, dass die Abmessung der dem Innenraum des Gehäuses
zugewandten Oberflächen der mindestens zwei Elektroden kleiner
ist als die innere Abmessung des Strömungsquerschnitts
des Gehäuses. Beispielsweise ist der Durchmesser einer
kreisförmigen Elektrode kleiner als der Innendurchmesser
eines hohlzylinderförmigen Gehäuses im Strömungsquerschnitt.
Dies bedeutet, dass die Elektroden in Richtung des Umfangs des Gehäuses
eine geringe Ausdehnung haben. Der Umfang des Gehäuses
auf der Höhe der Elektroden ist beispielsweise bei einem
Hohlzylinder ein Kreis, während er beispielsweise bei einem
Hohlquader ein Rechteck, insbesondere ein Quadrat, ist. Die geringe Ausdehnung
der Elektroden dient dazu, den Weg der Entladung möglichst
vorzugeben und festzulegen. Bei größeren Abmessungen
würde die Bogenentladung dazu tendieren, jeweils nur von
einem Teilbereich der Elektrodenfläche zu starten, da Entladungen
immer den kürzesten Weg nehmen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind die
mindestens zwei Elektroden stabförmig ausgebildet, wobei
sich die Längsachsen der Elektroden in der Seitenwand parallel
zu der Strömungsrichtung des Arbeitsgases erstrecken. Durch eine
Längserstreckung der stabförmigen Elektroden in
Strömungsrichtung des Arbeitsgases wird die dem Innenraum
des Gehäuses zugewandte Oberfläche der Elektroden
vergrößert, so dass das Arbeitsgas über
eine größere Fläche der Elektroden hinwegströmen
kann. Dadurch wird ein vorteilhafter kühlender Effekt des
Arbeitsgases an den Elektroden, der auf Grund der bei einer Gasentladung
an den Elektroden auftretenden Erwärmung erwünscht
sein kann, verstärkt. Denn die Entladung und somit die
Erwärmung findet strömungsabwärts statt.
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Vorzugsweise
sind der Gaseinlass und das Gehäuse und/oder der Gasauslass
und das Gehäuse einstückig ausgebildet. Beispielsweise
kann ein Gaseinlass und/oder Gasauslass an einem nach allen Seiten
verschlossenen Hohlzylinder dadurch ausgebildet werden, dass an
den beiden Stirnseiten eine Bohrung mit gewünschtem Durchmesser
vorgenommen wird. Diese Art der einstückigen Ausbildung
von Gaseinlass und/oder Gasauslass vereinfacht insbesondere die
Fertigung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls.
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Es
ist jedoch auch möglich, den Gaseinlass und/oder den Gasauslass
mit dem Gehäuse mehrstückig auszubilden. Da beispielsweise
der Gasauslass im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen
Plasmadüsen nicht mehr als Gegenelektrode fungieren muss,
ist es möglich, den Gasauslass jeweils aus einem Bauteil
zu bilden, mit dem sich der Strömungsquerschnitt des Gasauslasses
in der Art einer Irisblende verändern lässt. Es
ist natürlich auch möglich, den Gaseinlass so
auszugestalten, dass sich der Strömungsquerschnitt des
Gaseinlasses in der Art einer Irisblende verändern lässt.
Diese Ausgestaltung würde somit eine Veränderung
der Flussrate und des Strömungsquerschnitts des Arbeitsgases
bzw. Plasmastrahls während des Betriebs der Vorrichtung
zur Erzeugung eines Plasmastrahls ermöglichen.
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In
einer weiteren beispielhaften mehrstückigen Ausführung
des Gehäuses und des Gasauslasses kann der Gasauslass an
dem Gehäuse so ausgebildet sein, dass die Strömungsrichtung
des Arbeitsgases durch den Gasauslass aus dem Gehäuse heraus
schräg gegen die Strömungsrichtung des Arbeitsgases
in dem Gehäuse angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist
im Stand der Technik, beispielsweise in der
EP 1 067 829 B1 , bei Plasmadüsen
bereits bekannt.
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Ist
dann auch der Gasauslass drehbar an dem drehfesten Gehäuse
ausgebildet, lässt sich durch Drehung des Gasauslasses
während der Plasmaerzeugung mit einer einzigen Vorrichtung
zur Erzeugung eines Plasmastrahls ein großflächiger
Bereich beispielsweise eines zu bearbeitenden Werkstücks
mit einem Plasmastrahl beaufschlagen. Die Drehung kann dabei aktiv,
beispielsweise durch Vorsehen einer Drehvorrichtung am drehbaren
Gasauslass, oder passiv, beispielsweise durch den von dem aus dem
Gasauslass herausströmenden Arbeitsgas ausgeübten
Rückstoß, vorgenommen werden.
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In
einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung
zur Erzeugung eines Plasmastrahls mit mindestens einer Zuführungsvorrichtung versehen,
mit der mindestens ein Material dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl
zugeführt werden kann. Die Zuführung kann dabei
aktiv, beispielsweise durch Einspritzen, oder passiv, beispielsweise durch
Nutzung eines Kapillareffekts und Verdunstung, erfolgen. Das mindestens
eine Material kann sich bei der Zuführung im festen, flüssigen
und/oder gasförmigen Zustand befinden. Als Materialien
können solche in Betracht kommen, die zur Beschichtung
oder zur Plasmapolymerisation geeignet sind. Es kann sich beispielsweise
auch um ein Precursormaterial handeln, also ein mehrkomponentiges
Material, bei dem die mehreren Komponenten sich erst im Plasmastrahl
miteinander zu dem eigentlich gewünschten Material, beispielsweise
einem Produkt einer chemischen Reaktion, verbinden. Als weitere Anwendung
kann angegeben werden, dass der Plasmadüse Wasserdampf
zugesetzt wird, wobei das Wasser des Dampfes der im Plasmastrahl
zu Sauerstoff und Wasserstoff umgewandelt wird.
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Die
mindestens eine Zuführungsvorrichtung kann an der Vorrichtung
zur Erzeugung eines Plasmastrahls so angeordnet sein, dass die Zuführung des
mindestens einen Materials im Bereich des Gaseinlasses erfolgt.
Die Zuführung kann aber auch in dem Bereich, in dem sich
die Bogenentladung manifestiert, erfolgen. Möglich ist
auch, die Zuführung im Bereich des Gasauslasses oder auch
außerhalb des Gehäuses vorzunehmen. Entscheidend
ist, dass das mindestens eine Material mit dem Plasmastrahl in Berührung
kommt.
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Weiterhin
kann die Zuführungsvorrichtung aus einem Abbrandmaterial
bestehen. Durch Einwirkung der bei der Plasmaerzeugung auftretenden elektrischen
Entladung und der dadurch hervorgerufenen Wärme kann ein
Material von einem Abbrandmaterial abgestäubt und somit
dem Plasmastrahl zugeführt werden. In diesem Fall müsste
das Abbrandmaterial im Bereich, in dem sich die Bogenentladung manifestiert,
angeordnet sein. Insbesondere kann das Abbrandmaterial in das Material
der Elektroden integriert sein. Das verdampfte Material kann auch durch
eine sekundäre Quelle in Strömungsrichtung zugeführt
werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erzeugung
eines Plasmastrahls weist die Vorrichtung mindestens eine Spannungsversorgung
auf, die mit den mindestens zwei Elektroden verbunden ist. Besonders
bevorzugt sind Spannungsversorgungen, mit denen sich eine hochfrequente
Spannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung, erzeugen
lässt.
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Hochfrequente
Spannungen, insbesondere hochfrequente Wechselspannungen, werden
vorzugsweise bei der Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas eingesetzt.
Da der Betrag der Spannungsamplitude bei einer hochfrequenten Spannung in
regelmäßigen Zeitabständen einen bestimmten zur
Entladungserzeugung notwendigen Wert unterschreitet, verlischt die
Entladung, bis dann nachfolgend der Betrag der Spannungsamplitude
den bestimmten zur Entladungserzeugung notwendigen Wert wieder überschreitet
und sich somit wieder eine Entladung ausbildet. Durch dieses regelmäßige
Zünden und Verlöschen der Entladung wird bewirkt,
dass nur ein geringer Teil der in der Entladung gebundenen Energie
in Wärme umgewandelt werden kann. Somit wird der Temperaturanstieg
des Arbeitsgases und ebenso des Plasmas begrenzt. Die hochfrequente
Spannung kann somit auch als eine mit einer konstanten Gleichspannung überlagerte
Wechselspannung bis hin zu einer gepulsten Gleichspannung ausgebildet
sein. Ein wesentlicher Aspekt der hochfrequenten Spannung ist dennoch
die hohe Frequenz, nicht dagegen die Polarität der Spannungswerte.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in der Seitenwand
des Gehäuses der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls
vier Elektroden integriert. Vorzugsweise sind die vier Elektroden quer
zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases voneinander beabstandet
in der Seitenwand des Gehäuses integriert.
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Insbesondere
bilden die vier Elektroden zwei Elektrodenpaare, so dass eine erste
Verbindungslinie zwischen dem ersten Elektrodenpaar sich mit einer
zweiten Verbindungslinie zwischen dem zweiten Elektrodenpaar, vorzugsweise
unter einem rechten Winkel, schneidet. Besonders bevorzugt ist dabei, dass
die Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls zwei unabhängige,
insbesondere gleichgetaktete, Spannungsversorgungen aufweist, wobei
je eine Spannungsversorgung mit je einem Elektrodenpaar verbunden
ist. Vorzugsweise sind die beiden Spannungsversorgungen mit einem
Taktgeber verbunden.
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Das
technische Problem wird darüber hinaus mit einer Vorrichtung
zur Erzeugung von mehreren Plasmastrahlen mit mehreren in Reihe
angeordneten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls gelöst,
dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren in Reihe angeordneten
Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls in Reihe mit mindestens
einer Spannungsversorgung elektrisch verbunden sind.
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Charakteristisch
für die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Erzeugung eines Plasmastrahls ist, dass mindestens zwei Elektroden
in der Seitenwand des Gehäuses integriert sind. Davon ausgehend
können mehrere Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls
in Reihe angeordnet werden und somit eine Vorrichtung zur Erzeugung
von mehreren Plasmastrahlen bilden.
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Dabei
wurde erkannt, dass diese Reihenanordnung der Vorrichtungen zur
Erzeugung eines Plasmastrahls es auf einfache Weise ermöglicht,
die mehreren Vorrichtungen in Reihe mit mindestens einer Spannungsversorgung
elektrisch zu verbinden. Wie vorstehend bereits erläutert
kann der Abstand der Elektroden innerhalb eines Gehäuses
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung
eines Plasmastrahls geringer als bei aus dem bisherigen Stand der
Technik bekannten Plasmadüsen mit koaxialer Elektrode ausfallen.
Daher ist es möglich, mit der durch die Spannungsversorgung
erzeugten Spannung mehrere in Reihe geschaltete Vorrichtungen zur
Erzeugung eines Plasmastrahls zu betreiben. Auf diese Weise kann
man eine Reihe von gleichartigen Plasmastrahlen mit vorteilhafterweise einer
einzigen Spannungsversorgung erzeugen.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer
Plasmastrahlen liegen die Gasauslässe aller der in Reihe
angeordneten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls in einer
Ebene. In dieser Ausgestaltung ist die Reihenschaltung besonders
einfach, da die einander zugewandten Elektroden der aneinander anliegenden Vorrichtungen
unmittelbar benachbart sind und damit auf kurzem Weg elektrisch
verbunden werden können. Es ist weiterhin bevorzugt, dass
die Elektroden aller der in Reihe angeordneten Vorrichtungen auf
einer Geraden liegen.
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Mindestens
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder eine Vorrichtung
zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen, wie sie vorstehend beschrieben
wurden, können weiterhin exzentrisch an einem Rotationskopf
angeordnet werden. Eine solche Anordnung ist im Stand der Technik,
beispielsweise in der
EP
0 986 939 B1 , bereits bekannt. Mit dieser Anordnung lässt
sich bei entsprechender Einstellung der Rotation und Translation
des Rotationskopfs eine zeitsparende und trotzdem effiziente Plasmabehandlung
größerer Oberflächen verwirklichen.
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Die
Vorrichtung ist zur Ausführung eines Verfahrens zur Erzeugung
eines Plasmastrahls geeignet, bei dem ein Gehäuse von einem
Arbeitsgas von einem Gaseinlass bis zu einem Gasauslass, insbesondere
im Wesentlichen wirbelfrei, durchströmt wird, bei dem mittels
Anlegen einer hochfrequenten Spannung, insbesondere einer hochfrequenten Wechselspannung,
an mindestens zwei in der Seitenwand des Gehäuses integrierte
Elektroden eine Bogenentladung in dem Arbeitsgas zwischen den mindestens
zwei Elektroden erzeugt wird, und bei dem das Arbeitsgas durch die
Bogenentladung zumindest teilweise zu einem Plasmastrahl angeregt wird.
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Besonders
bevorzugt wird bei dem Verfahren das Gehäuse von dem Arbeitsgas
von dem Gaseinlass bis zu dem Gasauslass im Wesentlichen wirbelfrei
durchströmt. Dadurch bleibt die kinetische Energie, mit
der das Arbeitsgas beim Einströmen durch den Gaseinlass
in das Gehäuse versehen ist, der Translationsbewegung des
Arbeitsgases durch das Gehäuse und aus dem Gehäuse
durch den Gasauslass heraus erhalten und wird nicht in einer Drehbewegung
des Arbeitsgases gebunden. Diese Ausgestaltung des Verfahrens vereinfacht
insbesondere das Einstellen einer bestimmten Flussrate des Plasmastrahls,
die hierbei unmittelbar über die Flussrate des durch den
Gaseinlass in das Gehäuse einströmenden Arbeitsgases
geregelt werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erzeugung
eines Plasmastrahls wird die Bogenentladung durch den Fluss des
Arbeitsgases in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses hin verformt.
Insbesondere kann die Bogenentladung durch den Fluss des Arbeitsgases
zumindest teilweise gleitend an der inneren Seitenwand des Gehäuses
in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses verformt werden.
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Bei
einer weitgehend wirbelfreien Strömung des Arbeitsgases,
das heißt, bei einer annähernd laminaren Strömung
des Arbeitsgases in dem Gehäuse, wird der Lichtbogen durch
den Fluss des Arbeitsgases in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses im
Wesentlichen zu einem parabelähnlichen Bogen verformt.
Im Extremfall gleitet dabei die Bogenentladung zumindest teilweise
an der inneren Seitenwand des Gehäuses entlang. Weiterhin
kann die Spitze des Bogens der Bogenentladung sogar durch den Gasauslass
aus der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls herausragen.
Bevorzugt ist jedoch, wenn die Spitze des Bogens der Bogenentladung durch
den Gasauslass aus der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls
nicht herausragt, damit sich keine Entladungskanäle zwischen
dem Lichtbogen und dem zu bearbeitenden Werkstück ausbilden, die
das Werkstück nachteilig beeinflussen könnten. Es
soll also bei bestimmten Anwendungen des Verfahrens ein lichtbogenfreier,
also potentialfreier, Plasmastrahl erzeugt werden.
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Die
Verformung des Lichtbogens wird dadurch bewirkt, dass die durch
die Entladung ionisierten Moleküle des Arbeitsgases durch
den Fluss des Arbeitsgases in Strömungsrichtung auf den
Gasauslass hin bewegt werden. Da in dem ionisierten Bereich des
Arbeitsgases der elektrische Widerstand geringer ist als in dem
nicht-ionisierten Bereich des Arbeitsgases bilden sich die hochfrequent
aufeinander folgenden Entladungen bevorzugt in dem Bereich aus,
der schon bei einer vorhergehenden Entladung zumindest teilweise
ionisiert worden war.
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In
dem Gehäuse bildet sich dabei keine ideale laminare Strömung
des Arbeitsgases aus, da durch die zumindest teilweise Ionisierung
des Arbeitsgases Wärme in dem Arbeitsgas freigesetzt wird,
die zumindest zu kleinskaligen Verwirbelungen und außerdem
zumindest zu kleinskaligen Druckdifferenzen in dem Arbeitsgas führt.
Demzufolge nimmt auch der verformte Lichtbogen keine ideale Parabelform
an, sondern unterliegt unregelmäßigen Formänderungen,
die durch die kleinskaligen Wirbel und Druckdifferenzen sowie durch
die von der Geometrie des Gehäuses vorgegebenen Strömungsverhältnisse
verursacht werden. Ein weiterer Effekt kann zu der Verformung des
Lichtbogens führen. Der den Lichtbogen enthaltende Bereich
des Arbeitsgases wird erwärmt und dehnt sich dadurch aus.
Somit entstehen für die Erzeugung eines Lichtbogens vorteilhafte niedrigere
Drücke. Dadurch hat der Lichtbogen die Tendenz in Bereiche
niedrigen Druckes, also Bereiche höherer Temperatur, auszuweichen.
Dies geschieht dann in Richtung der Seitenwand.
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Es
ist weiterhin möglich, dass die Bogenentladung durch den
Fluss des Arbeitsgases zumindest teilweise gleitend an der inneren
Seitenwand des Gehäuses in Richtung auf den Bereich des
Gasauslasses verformt wird, weil das zwischen den Elektroden angelegte
elektrische Feld durch die unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften
des Arbeitsgases und des Gehäusematerials verzerrt wird.
Es ist dabei nicht erforderlich, dass das Gehäuse als Ganzes
aus einem isolierenden Material ausgebildet ist. Vielmehr ist es
ausreichend, wenn die Elektroden von einem isolierenden Material
umgeben sind. Die anderen Bereiche können dann auch aus
leitfähigen Materialien, beispielsweise Metallen, ausgebildet
sein. In diesem Fall ist zu beachten, dass der beispielsweise metallisch
ausgebildete Teil des Gehäuses nicht mit der Masse verbunden
oder geerdet ist, so dass über den metallisch ausgebildeten
Teil des Gehäuses keine Ladungsträger abführbar
sind.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird dem
Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl mittels mindestens einer Zuführungsvorrichtung
mindestens ein Material, insbesondere ein Beschichtungsmaterial
oder Precursormaterial, zugeführt.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden an
zwei in der Seitenwand des Gehäuses integrierte Elektrodenpaare
zwei unabhängige hochfrequente Spannungen angelegt. Vorzugsweise
sind diese beiden unabhängigen hochfrequenten Spannungen
gleichgetaktet und dabei insbesondere mit einem Phasenunterschied
versehen. Der Phasenunterschied beträgt vorzugsweise im
Wesentlichen 90°.
-
Durch
das Vorsehen zweier Elektrodenpaare, die so angeordnet sind, dass
ihre Verbindungslinien rechtwinklig zueinander verlaufen, lässt
sich eine hohe Plasmaintensität bei gleichzeitiger Beibehaltung
der nicht-thermischen Eigenschaft des Plasmas erreichen. Der bevorzugte
Phasenunterschied von im Wesentlichen 90° zwischen den
beiden hochfrequenten Spannungen ist dabei so gewählt,
dass, wenn der Lichtbogen zwischen dem ersten Elektrodenpaar verlischt,
weil die Spannungsamplitude der ersten Spannungsversorgung einen
bestimmten Betrag unterschreitet, der Lichtbogen zwischen dem zweiten
Elektrodenpaar erzeugt wird, weil die Spannungsamplitude der zweiten
Spannungsversorgung einen bestimmten Betrag überschreitet.
Somit ist gewährleistet, dass die beiden Spannungsversorgungen
unabhängig voneinander jeweils im Wechsel eine Bogenentladung
und damit ein Plasma in dem Arbeitsgas erzeugen. Diese Ausgestaltung
des Verfahrens kann auch mit mehr als zwei Paaren von Elektroden
erweitert werden.
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Mehrere
Vorrichtungen sind darüber hinaus zur Ausführung
eines Verfahrens zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen geeignet,
bei dem die mehreren Gehäuse der Vorrichtungen zur Erzeugung
eines Plasmastrahls von einem Arbeitsgas von dem jeweiligen Gaseinlass
bis zu dem jeweiligen Gasauslass, insbesondere im Wesentlichen wirbelfrei,
durchströmt werden, bei dem mittels Anlegen einer hochfrequenten
Spannung, insbesondere einer hochfrequenten Wechselspannung, an
die in Reihe angeordneten Elektroden jeweils eine Bogenentladung
in dem Arbeitsgas zwischen den mindestens zwei Elektroden jedes
Gehäuses erzeugt wird, und bei dem das Arbeitsgas durch
die Bogenentladungen zumindest teilweise zu einem Plasma angeregt
wird.
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In
einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden
die mehreren Bogenentladungen durch den Fluss des Arbeitsgases,
insbesondere zumindest teilweise gleitend an den inneren Seitenwänden
der mehreren Gehäuse, in Richtung auf den Bereich der jeweiligen
Gasauslässe verformt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dem
Arbeitsgas und/oder den Plasmastrahlen mittels mindestens einer
Zuführungsvorrichtung mindestens ein Material, insbesondere
ein Beschichtungsmaterial oder Precursormaterial, zugeführt.
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Ein
Plasmastrahl, der durch die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen
und Verfahren erzeugt wurde, kann beispielsweise bei der Entschichtung von
Oberflächen eines Werkstücks verwendet werden.
Beispielsweise kann mit einem solchen Plasmastrahl eine Schicht
aus organischem Material, beispielsweise eine Lackschicht, von einer
Oberfläche eines Werkstücks entfernt werden. Dabei
wird der organische Stoff, vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen,
pyrolysiert und/oder sublimiert. Es ist aber auch möglich,
anorganische Schichten mit einem solchen Plasmastrahl zu entfernen.
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Weiterhin
kann ein Plasmastrahl, der durch die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen
und Verfahren erzeugt wurde, auch zur Vorbehandlung der Oberflächen
von Werkstücken verwendet werden. Beispielsweise können
die Klebeeigenschaften und/oder die Benetzbarkeit der Oberfläche
eines Werkstücks verbessert werden, insbesondere kann die
Oberfläche aktiviert werden. Die Vorbehandlung mit solch
einem Plasmastrahl kann auch verwendet werden, um die Verschweißbarkeit
eines Werkstücks, insbesondere eines mit einer Oxidschicht/Hydroxidschicht
versehenen Metallstücks oder Metalllegierungsstücks,
zu verbessern.
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Eine
weitere mögliche Anwendung eines mit den vorstehend beschriebenen
Vorrichtungen und Verfahren erzeugten Plasmastrahls ist die Reinigung, Desinfizierung
oder auch Sterilisation von Oberflächen. Durch die Anwendung
eines solchen Plasmastrahls wird ein reaktives Medium mit der Oberfläche in
Berührung gebracht. Das Plasma als reaktives Medium weist
eine hohe Reaktivität aufgrund hoher Elektronenanregung
auf, kann aber trotzdem auch eine nicht-thermische Eigenschaft haben.
Die hohe Reaktivität kann beispielsweise zur Reinigung
oder auch zur Entkeimung der Oberfläche genutzt werden.
Bei der Behandlung mit einem Plasmastrahl werden die auf der zu
bearbeitenden Oberfläche vorhandenen Keime auf Grund der
Elektronenreaktivität zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend,
abgetötet. Bei einer nicht-thermischen Eigenschaft des Plasmas
wird dabei gleichzeitig die thermische Beanspruchung der Oberfläche
gering gehalten. Somit eröffnen sich Anwendungen für
den Plasmastrahl beispielsweise im medizinischen oder lebensmitteltechnischen
Bereich.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung
von Ausführungsbeispielen näher erläutert,
wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.
In den Zeichnungen zeigen:
-
1 ein
erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung
eines Plasmastrahls im Seitenquerschnitt,
-
2a–d
vier beispielhafte Ansichten des Strömungsquerschnitts
einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls,
-
3 ein
zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung
eines Plasmastrahls mit einer Zuführungsvorrichtung im
Seitenquerschnitt,
-
4 ein
drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung
eines Plasmastrahls mit einer Zuführungsvorrichtung im
Seitenquerschnitt, und
-
5 ein
Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer
Plasmastrahlen mit vier in Reihe angeordneten Vorrichtungen zur
Erzeugung eines Plasmastrahls im Seitenquerschnitt.
-
1 zeigt
den Seitenquerschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung
eines Plasmastrahls. Die Vorrichtung umfasst ein im Wesentlichen
hohlzylinderförmiges Gehäuse 2, das aus
einem keramischen Werkstoff ausgebildet ist. An diesem Gehäuse 2 sind ein
Gaseinlass 6 und ein Gasauslass 8 angeordnet. Der
Gaseinlass 6 ist in diesem Beispiel mehrstückig mit
dem Gehäuse 2 ausgebildet, und weist beispielsweise
eine Ringscheibe aus Keramik auf, die bündig an der inneren
Seitenwand des Gehäuses 2 angeordnet ist, und
deren innere Ringöffnung so bemessen ist, dass sie den
Strömungsquerschnitt des Gaseinlasses 6 im Vergleich
zum Strömungsquerschnitt des Gehäuses 2 verengt.
Der Gasauslass 8 ist in diesem Beispiel einstückig
mit dem Gehäuse 2 durch eine mittige kreisrunde
Bohrung in der dem Gaseinlass 6 abgewandten Stirnseite
des Gehäuses 2 ausgebildet. Die Bohrung kann beispielsweise
einen Durchmesser von 2,5 mm bis 4 mm aufweisen. In dem Bereich
der Seitenwand des Gehäuses 2 zwischen dem Gaseinlass 6 und
dem Gasauslass 8 sind zwei Elektroden 4 diametral
voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert.
Die Elektroden bestehen dabei bevorzugt aus einer Kupferlegierung.
Die dem Innenraum 22 des Gehäuses 2 zugewandten
Oberflächen der beiden Elektroden 4 sind dabei
fluchtend mit der umgebenden inneren Seitenwand des Gehäuses 2 angeordnet,
so dass sich an der inneren Seitenwand des Gehäuses 2 eine im
Wesentlichen plane Oberfläche ausbildet. Die beiden Elektroden 4 sind
mit einer Spannungsversorgung 12 elektrisch verbunden,
mit der eine hochfrequente Spannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung,
erzeugt werden kann. Der Strömungsquerschnitt des Gehäuses 2 verjüngt
sich von dem Bereich, in dem die beiden Elektroden 4 angeordnet
sind, bis zu dem Bereich des Gasauslasses 8 dadurch, dass
die Seitenwand des Gehäuses 2 in diesem Abschnitt
gebogen ausgebildet ist.
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Im
Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls gemäß der 1 wird
ein Arbeitsgas 10, beispielsweise Luft, durch den Gaseinlass 6 in
das Gehäuse 2 eingeleitet, durchströmt
das Gehäuse 2 weitgehend parallel zur Achse des
Hohlzylinders und tritt dann fokussiert durch den Gasauslass 8 aus
dem Gehäuse 2 heraus. Zwischen den beiden Elektroden 4 wird
mittels der Spannungsversorgung 12 eine hochfrequente elektrische
Spannung angelegt, wobei die Frequenz insbesondere etwa Werte in der
Größenordnung von 1 kHz bis 100 kHz umfasst, während
die Spannungswerte, gemessen Spitze-zu-Spitze, größenordnungsmäßig
etwa 0,5 kV bis 30 kV betragen. Die Spannung sorgt dafür,
dass sich ein Lichtbogen 16 in dem Arbeitsgas 10 zwischen den
Elektroden 4 ausbildet, entlang dessen das Arbeitsgas 10 zumindest
teilweise ionisiert und somit zu einem Plasma 14 angeregt
wird. Durch den Fluss des Arbeitsgases 10 durch das Gehäuse 2 wird
der ionisierte Teil des Arbeitsgases 10, der in dem Arbeitsgas 10 den
geringsten elektrischen Widerstand aufweist, in Richtung auf den
Gasauslass 8 verformt, so dass sich ein entsprechend verformter
Lichtbogen 16 ausbildet. Da der Fluss des Arbeitsgases 10 durch das
Gehäuse 2 nicht ideal homogen verteilt ist, ist
es möglich, dass sich neben einem Hauptlichtbogen auch
mehrere kleinere Lichtbögen ausbilden, entlang derer zumindest
kleinere Teilentladungen verlaufen. Diese kleineren Lichtbögen
werden in der 1 durch zwei dem Hauptlichtbogen
benachbarte schmalere Lichtbögen dargestellt. Das entlang
des Lichtbogens 16 gebildete Plasma 14 wird dann
durch den Fluss des Arbeitsgases 10 strahlförmig,
also als gerichteter und gebündelter Plasmastrahl, aus
dem Gasauslass 8 herausgeführt. Wie sich aus dieser Darstellung
ergibt, findet also eine Trennung vom stromführenden Lichtbogen
und vom potentialfreien Plasmastrahl statt. Somit kann bei einer
Oberflächenbehandlung eine direkte Beaufschlagung der Oberfläche
durch den Lichtbogen vermieden werden.
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2a zeigt
einen Strömungsquerschnitt des im Wesentlichen hohlzylinderförmigen
Gehäuses 2 im Bereich, in dem die beiden Elektroden 4 in der
Seitenwand des Gehäuses 2 integriert sind. Die Elektroden 4 sind
diametral voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses 2 angeordnet. Es
ist dabei besonders bevorzugt, dass die Ausdehnung der Elektroden 4 entlang
des Umfangs des Gehäuses 2, hier entlang eines
Kreisumfangs, klein ist gegen den Umfang selbst. Auf diese Weise
lässt sich die Grundfläche des Lichtbogens 16 an
den Elektroden 4 gering halten.
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2b zeigt
einen Strömungsquerschnitt eines Gehäuses 2 im
Bereich der Elektroden 4, wobei das Gehäuse 2 in
diesem Beispiel im Wesentlichen hohlquaderförmig ausgebildet
ist.
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2c zeigt
einen Strömungsquerschnitt eines hohlzylinderförmigen
Gehäuses 2 im Bereich der Elektroden 4,
bei dem insgesamt vier Elektroden in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert
sind. Zwei diametral voneinander beabstandete Elektroden 4a, b
bilden jeweils ein Elektrodenpaar. Die Elektrodenpaare sind dabei
so angeordnet, dass eine erste Verbindungslinie 18a zwischen
dem ersten Elektrodenpaar senkrecht zu einer zweiten Verbindungslinie 18b zwischen
dem zweiten Elektrodenpaar verläuft. Weiterhin sind an
der Vorrichtung zwei unabhängige, insbesondere gleichgetaktete,
Spannungsversorgungen 12a–b vorgesehen, die mit
je einem Elektrodenpaar elektrisch verbunden sind.
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2d zeigt
eine der 2c vergleichbare Anordnung mit
einem im Wesentlichen hohlquaderförmigen Gehäuse 2.
Die Elektroden 4 sind dabei mittig an den einander gegenüberliegenden
Seitenwänden des Gehäuses 2 angeordnet.
Diese mittige Anordnung ist jedoch als beispielhaft zu verstehen.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung eines
Plasmastrahls ähnlich dem aus 1. Der Unterschied
besteht darin, dass die Vorrichtung mit einer Zuführungsvorrichtung 20 versehen
ist, mit der ein Material dem Arbeitsgas 10 und/oder dem
Plasmastrahl 14 zugeführt werden kann. In diesem
Beispiel umfasst die Zuführungsvorrichtung 20 ein
gewinkeltes Rohr, dessen eines abgewinkeltes Rohrende koaxial in
der Strömungsrichtung des Arbeitsgases 10 in das
Gehäuse 2 hineinragt.
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Mittels
dieses gewinkelten Rohres lässt sich beispielsweise ein
Material im gasförmigen Zustand dem Arbeitsgas 10 und/oder
dem Plasmastrahl 14 zuführen. In diesem Beispiel
ist das gewinkelte Rohr an dem dem Gehäuse 2 abgewandten
Rohrende beispielsweise mit einem nicht dargestellten Druckregler und
einer das gewünschte Material im gasförmigen Zustand
enthaltenden, nicht dargestellten Druckgasflasche verbunden.
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Es
ist auch möglich, mittels des gewinkelten Rohres ein Material
im flüssigen Zustand zuzuführen. In diesem Beispiel
ist das dem Gehäuse 2 abgewandte Rohrende beispielsweise
mit einer nicht dargestellten Pumpe und einem das gewünschte
Material im flüssigen Zustand enthaltenden, nicht dargestellten
Vorratsbehälter verbunden. Mit der Pumpe kann dann das
Material dem Arbeitsgas 10 oder dem Plasmastrahl 14 zugeführt
werden. Weiterhin weist in diesem Fall das gewinkelte Rohr an seinem
in dem Gehäuse 2 angeordneten abgewinkelten Rohrende vorzugsweise
eine nicht dargestellte Zerstäubungsvorrichtung auf, beispielsweise
ein engmaschiges Gitter, damit das Material im flüssigen Zustand
bei der Zuführung in das Arbeitsgas 10 oder den
Plasmastrahl 14 zerstäubt werden kann.
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In
dem in 3 gezeigten Beispiel wird das Material in dem
Gehäuse 2 in dem Bereich unmittelbar vor dem Gasauslass 8 zugeführt.
Es ist jedoch auch möglich, die Zuführungsvorrichtung 20 im
Bereich des Gaseinlasses 6 anzuordnen. Weiterhin ist es
möglich, die Zuführungsvorrichtung 20 ganz
außerhalb des Gehäuses 2 in dem Bereich,
in dem der Plasmastrahl 14 austritt, anzuordnen.
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4 zeigt
eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls mit einer Zuführungsvorrichtung 20 ähnlich
der aus 3. Der Unterschied besteht in der
Ausgestaltung der Zuführungsvorrichtung 20. In diesem
Beispiel umfasst die Zuführungsvorrichtung 20 ein
Kapillarsystem, beispielsweise einen Docht, das mit seinem einen
Ende mit einem Vorratsbehälter 24 verbunden ist.
Der Vorratsbehälter 24 enthält ein Material
im flüssigen Zustand, das dem Arbeitsgas 10 und/oder
dem Plasmastrahl 14 zugeführt werden soll. Das
dem Vorratsbehälter 24 abgewandte Ende des Kapillarsystems
ist in einer Öffnung in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert
und ragt zumindest teilweise in den Innenraum 22 des Gehäuses 2 hinein.
Mit dieser Zuführungsvorrichtung 20 ist es möglich,
ein Material im flüssigen Zustand vom Vorratsbehälter 24 über
das Kapillarsystem mit Hilfe der Kapillarkräfte dem dem
Vorratsbehälter 24 abgewandten Ende des Kapillarsystems
zuzuführen, wo es dann in den Innenraum 22 des
Gehäuses 2 hinein verdunsten kann.
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Auch
hier ist die Zuführungsvorrichtung 20 so angeordnet,
dass das Material im flüssigen Zustand im Bereich des Gasauslasses 8 dem
Arbeitsgas 10 und/oder dem Plasmastrahl 14 zugeführt
wird. Auch hier gilt, dass die Zuführungsvorrichtung 20 in anderen
Bereichen innerhalb oder auch außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet
werden kann.
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5 zeigt
vier in 1 beschriebene, in Reihe angeordnete
Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls. Die vier Gehäuse 2a–d
sind dabei so angeordnet, dass die jeweiligen Gasauslässe 8a–d
in einer Ebene und die jeweiligen Elektroden 4a–d
auf einer Geraden liegen. Die in unterschiedlichen Gehäusen 2a–d
integrierten, einander zugewandten Elektroden 4a–4b, 4b–4c und 4c–4d bilden drei
Elektrodenpaare und sind unmittelbar benachbart. Die der Umgebung
der Vorrichtung zugewandten beiden Elektroden 4a und 4d sind
elektrisch mit einer Spannungsversorgung 12 verbunden.
Darüber hinaus sind die einander zugewandten Elektrodenpaare
elektrisch miteinander verbunden, so dass eine Reihenschaltung der
vier Vorrichtungen bewirkt wird. Durch Anlegen einer Spannung an
die beiden äußeren Elektroden 4a und 4d werden
Bogenentladungen 16a–d in jedem Gehäuse 2a–d
erzeugt. Durch den Spannungsabfall zwischen den in einem Gehäuse 2 integrierten
Elektroden 4 muss die Spannungsamplitude in diesem Beispiel
im Wesentlichen viermal so groß gewählt werden
wie bei einem einzelnen beispielsweise in 1 beschriebenen
Gehäuse 2, um die Entladungsbedingung in jedem
Gehäuse 2a–d zu erfüllen. Die
die Gaseinlässe 6a–d aufweisenden Enden
der Gehäuse 2a–d sind mit einem Gaskanal 26 verbunden,
der zu den Gaseinlässen 6a–d korrespondierende Öffnungen
aufweist. Über diesen Gaskanal 26 wird den in
Reihe angeordneten Vorrichtungen ein Arbeitsgas 10a–d
zugeführt.
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Es
ist auch bei einer Reihenanordnung der Vorrichtungen möglich,
diese mit mindestens einer aus der vorstehenden Beschreibung hervorgehenden
Zuführungsvorrichtung 20 zu versehen. Insbesondere
können mehrere Zuführungsvorrichtungen 20 zur
Zuführung unterschiedlicher Materialien in das Arbeitsgas 10a–d
oder den Plasmastrahl 14a–d verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19532412
C2 [0002]
- - EP 1067829 B1 [0036]
- - EP 0986939 B1 [0049]