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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines
Atmosphärendruck-Plasmas.
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Plasma,
auch bekannt als der „vierte Aggregatszustand", entsteht,
wenn man einem gasförmigen System kontinuierlich Energie
zuführt, bis sich eigenständig große
Mengen an freien Elektronen bilden. Dadurch werden in dem System
einige neutrale Atome oder Moleküle des Gases aktiviert,
um negativ geladene Elektronen, positiv oder negativ geladene Ionen
und andere Spezies zu entwickeln. Der hohe wirksame Energiehaushalt
von Plasmen erlaubt es, Anwendungsprozesse zu fahren, die während
der üblich bekannten Zustände von Materie schwierig oder
gar unmöglich sind. Insbesondere eignet sich „kaltes"
Plasma, bei dem die Neutralgastemperatur relativ gering ist und
sich dabei bevorzugt im Zimmertemperaturbereich bewegt, die Oberflächen
von thermisch empfindlichen Substraten zu behandeln bzw. diese chemisch-physikalisch
zu verändern.
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Unter
Oberflächenbehandlung wird in diesem Zusammenhang ein Prozess
verstanden, bei dem die Oberfläche eines Substrats mittels
Plasma konditioniert, aktiviert oder in sonstiger Weise durch das
Plasma modifiziert oder gereinigt wird. Erforderlich ist eine derartige
Oberflächenbehandlung mittels Plasma beispielsweise bei
vielen thermoplastischen Kunststoffen, aber auch bei anderen thermisch
sensiblen Substraten, deren Oberflächen eine sehr geringe
Oberflächenenergie aufweisen, so dass eine Benetzung mit
einer Flüssigkeit mit höherer Oberflächenspannung
erschwert wird. In Folge dessen kommt es zum Abperlen der Flüssigkeit
und somit auch zu einem schlechten Aufbau einer Verbundfestigkeit
wie z. B. zu Klebstoffen. Entscheidend für eine erfolgreiche
Oberflächenbehandlung ist es, die Oberflächen
von Substraten nicht ungewollt zu schädigen, so z. B. die
Materialfestigkeit oder Zähigkeit zu schwächen.
Dabei muss verhindert werden, dass die Oberfläche der Substrate
auf Grund von zu hohen thermischen Einwirkungen an- oder aufgeschmolzen wird
oder es zu sonstigen unbeabsichtigten chemischen Reaktionen kommt.
Dazu eignet sich insbesondere „kaltes" Plasma.
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines
Atmosphärendruck-Plasmas ist aus der nicht vorveröffentlichten
deutschen Prioritätsanmeldung
DE 10 2008 018 827.1-54 der Anmelderin bekannt.
Hierin wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der innerhalb einer
dielektrisch isolierten Gehäusewand ein Piezoelement mit
einem Primär- und mindestens einem dazu senkrecht polarisierten
Sekundärbereich angeordnet ist. Zur Erzeugung eines Plasmas
wird der Primärbereich des Piezoelements mit Niederspannung
und Hochfrequenz angesteuert, wodurch sich in Folge dessen auf Grund
der Feldüberhöhung auf der Fläche des
Sekundärbereiches ein Plasma ausbildet. Dieses an dem Sekundärbereich
des Piezoelements erzeugte Plasma wird durch eine zusätzlich
vorgesehene Gegenelektrode, die auf Erdpotential liegt, zu einer
Bogenentladung gezwungen und mittels eines Arbeitsgases an der stirnseitigen Öffnung
des Entladungsrohres ausgeblasen.
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Verantwortlich
für die Ausbildung eines Plasmas an dem Piezoelement ist
der piezoelektrische Effekt mit seinen spezifisch physikalischen
Eigenschaften. Dabei hat sich gezeigt, dass die beim genannten Stand
der Technik verwendeten Piezokeramiken extrem temperaturabhängig
sind. Bereits bei einer Abweichung von +/–2°C
wird der optimale Betriebspunkt deutlich verfehlt, wodurch sich
die maximale Leistung der bekannten Vorrichtung um mehr als 10%
verringert. Bei der bekannten Vorrichtung sind keine Maßnahmen
vorgesehen, die diesem Effekt entgegenwirken.
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Weiterhin
unterliegt die Polarisation der piezokeramischen Elemente der bekannten
Vorrichtung einem nicht vernachlässigbaren Alterungsprozess, der
sich mit steigender Betriebsdauer durch eine negative Wandlungseffizienz
bemerkbar macht. Dieser Effekt ist nicht wünschenswert
und beeinflusst ungewollt die erzielbaren Behandlungsergebnisse
der Plasmabehandlung.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas
der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei der es während
des Betriebes, trotz auftretender Temperaturschwankungen, zu keinen
Leistungsverlusten im verwendeten Piezoelement kommt. Weiterhin
ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine baulich einfache und betriebsmäßig
sichere Lösung dafür zu finden, die auch bei steigender
Betriebsdauer eine annähernd gleichbleibend hohe Wandlungseffizienz der
Piezoelemente sichert.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas mit
den Merkmalen des ersten Schutzanspruches gelöst. Die Unteransprüche
betreffen besonders vorteilhaft Weiterbildungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung weist dafür
eine Ansteuerplatine auf, die aus einem Frequenz- und Spannungswandler
sowie einem Regelkreis besteht, die das Verhalten des piezokeramischen
Elements überwacht und den optimalen Betriebspunkt bei
Abweichungen nachregelt.
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Unter
dem optimalen Betriebspunkt wird in diesem Zusammenhang der Resonanzfall
des Systems, also die Phasengleichheit von Strom und Spannung verstanden,
in dem das verwendete Piezoelement seine höchste Leitfähigkeit
besitzt. Gleichzeitig hat das Piezoelement hier auch die höchste Wandlungseffizienz
von an der Primärseite eingekoppelter Niederspannung zur
sekundärseitig gewandelten Hochspannung und damit die stärkste Feldüberhöhung.
Die starke Feldüberhöhung wiederum ist das ausschlaggebende
Moment für eine gewollt effiziente Plasmaausbildung. Maßgeblich
beeinflusst wird der optimale Betriebspunkt jedoch von der bereits
erwähnten Temperaturentwicklung des Piezoelements während
des Betriebs der Vorrichtung. Um diesem Effekt entgegenwirken, wird
daher erfindungsgemäß eine Ansteuerplatine vorgeschlagen, die
die Admittanz, also den Quotienten aus Strom und Spannung misst
und die Vorrichtung über die Steuerung der Frequenz in
den Resonanzfall nachregelt. In diesem Punkt nimmt der Wert der
Admittanz sein Maximum an, so dass über eine gezielte Regelung
der Phase eine Einstellung der Vorrichtung in den Resonanzfall möglich
ist.
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Als
besonders geeignet hat sich die Phase-locked loop, der sogenannte
Phasenregelkreis, nachfolgend mit PLL bezeichnet, erwiesen. Bei
der PLL sorgt ein Phasendetektor für die automatische Abstimmung
eines Oszillators. Der Regelkreis mit Phasendetektor in der PLL
sorgt dabei für ein phasengleiches Signal. Die Frequenz
des Ausgangssignals der PLL (Oszillator-Ausgang) läuft,
sofern nicht anders beschaltet, mit der gleichen Frequenz wie das Referenzsignal.
Stellt man zwischen dem Oszillator-Ausgang und dem Komparator-Eingang
ein Teilungsverhältnis „n" her, so läuft
das Ausgangssignal des Oszillator zwar immer noch phasenstarr, aber
mit der n-fachen Frequenz des Referenzsignals. Die Frequenz eines
freilaufenden spannungsgeregelten Oszillators wird durch einen (i.
A. einstellbaren) Teiler in den Frequenzbereich der Vergleichsfrequenz
heruntergeteilt. Der Phasenunterschied zwischen der vom Oszillator
abgeleiteten Frequenz und einer zweiten, meist quarzgesteuerten,
hoch konstanten Vergleichsfrequenz, wird in einem Phasenkomparator ermittelt
und als Regelspannung wieder dem Oszillator zugeführt.
Dadurch wird die Frequenz des Oszillators exakt auf das im Teiler
eingestellte Vielfache der Vergleichsfrequenz geregelt.
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Durch
das Hochmultiplizieren der Vergleichsfrequenz wird dem Ausgangssignal
der PLL allerdings eine Rauschkomponente hinzugefügt, da nicht
nur die Frequenz, sondern auch die Schwankungen der Frequenz multipliziert
werden. Diese Rauschkomponente ist meist unerwünscht. Die
Güte einer PLL bemisst sich deshalb insbesondere an der spektralen
Reinheit und der Rauscharmut der Ausgangsfrequenz.
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Die
Arbeitsweise einer PLL lässt sich daher vereinfacht wie
folgt beschreiben:
- – Vorgabe einstellen
- – Einstellung prüfen
- – ist die Einstellung ungenau, wird nachgeregelt – anderenfalls
nicht
- – Kreislauf beginnt von neuem
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Wenn
die Oszillator-Frequenz von der Referenz abweicht, wird im Komparator
ein Fehlersignal erzeugt, das den Oszillator nachregel. Dabei wird
die Frequenz wegen der unvermeidlichen Laufzeit in den Schaltungsbausteinen über
das Ziel hinausschwingen. Folge ist, dass die Oszillator-Frequenz
nun in der anderen Richtung ein kleines Stück abweicht. Deshalb
muss die Frequenz wieder nachgeregelt werden. Wenn das Nachregeln
in sehr schneller Folge vorgenommen wird, kann es durch Laufzeiten
zu einer Phasenverschiebung der Regelspannung kommen, wodurch sich
die Gegenkopplung in eine Mitkopplung verwandelt und der Regler
zu schwingen beginnt. Daher muss eine Frequenzkompensation durch
einen Tiefpass (RC-Glied) erfolgen, was jedoch zu einer Verzögerung
des Regeleinsatzes führt. Damit wird ein von der Dimensionierung
des Tiefpasses abhängiger Toleranzbereich eingefügt.
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Nach
einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das verwendete Piezoelement
mittels einer Klemmverbindung lösbar in einem dielektrischen
Bereich eines Gehäuse angeordnet, so dass es bei sinkender
Wandlungseffizienz auf Grund von Alterungserscheinungen einfach
ausgewechselt werden kann.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die
Ansteuerplatine in unmittelbarer Nähe zum Piezoelement,
beispielsweise im Gehäuse der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, angeordnet. Durch die hohe eingekoppelte Frequenz wirken verwendete
Verbindungsleitungen wie Antennen, die elektromagnetische Wellen
abstrahlen und somit die nutzbare elektrische Leistung reduzieren.
Durch die räumliche Nähe der Ansteuerplatine zum
Piezoelement sind kurze Verbindungsleitungen möglich, in denen
nur mehr eine vernachlässigbare Verlustleistung bei Ansteuerung
des Piezoelements mit Hochfrequenz auftritt.
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Die
Erfindung soll nachstehend an Hand von Zeichnungen noch beispielhaft
näher erläutert werden:
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Die
Figuren zeigen:
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1 eine
Zusammenstellungszeichnung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas
in seitlicher Schnittdarstellung
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2a und
b einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas
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3 einen
Ausschnitt einen weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas.
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Die 1 zeigt
eine Zusammenstellungszeichnung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas
in einer seitlichen Schnittdarstellung mit einem vorzugsweise rotationssymmetrischen
Gehäuse 1, das an seinem stirnseitigen Ende eine
Austrittsöffnung 2 aufweist, die von einer elektrisch
isolierenden Endkappe 3 gebildet wird. Auf der der Austrittöffnung 2 abgewandten
Seite des Gehäuses 1 ist eine mit einer Gasleitung 5 verbindbare
Gaseintrittsöffnung 4 und eine Zuleitung 6 für
eine Spannungsversorgung der Vorrichtung vorgesehen, wobei beide
Leitungen in einer Leistungsversorgungseinrichtung 7 münden.
Die Leistungsversorgungseinrichtung 6 ist nur schematisch
dargestellt und aus Gründen der Vollständigkeit abgebildet,
wird jedoch nicht beansprucht. Weiterhin ist die Zuleitung 6 mit
einer im Inneren des Gehäuses 1 angeordneten Ansteuerplatine 8 leitend
verbunden. Im Bereich der dielektrischen Endkappe 3 ist
zudem ein Taster 9 vorgesehen, der mit der Ansteuerplatine 8 kontaktiert
ist und mittels dem sowohl der Gasstrom, als auch die Leistungsversorgung
der Vorrichtung über die Leistungsversorgungseinrichtung 7 beschaltet
werden können. Der Gasstrom wird über die Gaseintrittsöffnung 4 in
das Gehäuse 1 eingeleitet, derart, dass dieser
an der innerhalb des Gehäuses 1 positionierten
Ansteuerplatine 8 in Pfeilrichtung vorbeiströmt
und diese kühlt, bevor er seinem bestimmungsgemäßen
Aggregatszustand, nämlich Plasmas, überführt
wird. Die eingangs beschriebene Steuerung und Regelung der Leistung
der Vorrichtung wird erfindungsgemäß von der Ansteuerplatine 8,
aufweisend einen Frequenz- und Spannungswandler sowie einem Regelkreis, übernommen.
Die Bauteile auf der Ansteuerplatine 8 sind aufgelötet und
untereinander über Leiterbahnen verbunden. Zudem ist in
direkter Nähe zur Ansteuerplatine 8 ein bevorzugt
quaderförmiges Piezoelement 10 mit einem Primärbereich
und mindestens einem dazu senkrecht polarisierten Sekundärbereich
angeordnet und mit diesem über nicht abgebildete elektrische
Leitungen verbunden. Dabei wird das Piezoelement 10 vorzugsweise
lösbar und zentrisch im Inneren der dielektrischen Endkappe 3 durch
eine Klemmverbindung 11 gehalten. Näher beschrieben
wird die Klemmverbindung 11 in den Ausführungen
zu 2 und 3. Zur Erzeugung
eines Plasmas wird das Piezoelement 10 im Primärbereich
mit Niederspannung, vorzugsweise von 5...200 V beaufschlagt, so dass
sich in Folge im Sekundärbereich eine Flächenentladung
auf der Oberfläche ausbildet, die mittels des Gasstroms
durch die Austrittsöffnung 2 ausgeblasen wird.
Als Gasarten sind beispielsweise Argon, Helium oder auch Sauerstoff
einsetzbar.
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2a zeigt
eine Klemmverbindung 11, bestehend aus zwei Halbschalen 12a und
b, die über Verbindungsschrauben 13a und b das
Piezoelement 10 lösbar und zentrisch aufnehmen. Über
zwei weitere Schrauben 14a und b ist die Klemmverbindung 11 samt
zentrisch positioniertem Piezoelement 10 an der dielektrischen
Endkappe 3 fixierbar. Da es während des Betriebs
der Vorrichtung zu Schwingungen in dem Piezoelement 10 kommt,
wird dieses besonders bevorzugt in einem Schwingungskontenpunkt zwischen
den zwei Halbschalen 12a und b fixiert, derart, dass das
Piezoelement 10 in einer möglichst stabilen Lage
gehalten wird. Durch die Verwendung von Schrauben zum Verbinden
der Einzelteile aus 2a, ist das Piezoelement 10 bei
sinkender Wandlungseffizienz unkompliziert austauschbar und gegen
ein neues Element zu ersetzen. Als besonders vorteilhaft hat es
sich erwiesen, wenn die Klemmverbindung 11 bei dieser Ausführungsform
aus einem thermisch resistenten und elektrisch isolierenden Kunststoff
gefertigt wird. 2b zeigt die eben beschriebene 2a in
einem eingebauten Zustand in einer dielektrischen Endkappe 3,
lösbar befestigt mittels der Schrauben 14a und
b.
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Abweichend
der 2a und b werden in 3 keine
mittels Schrauben 13a und b verbundenen Halbschalen 12a und
b verwendet, sondern einfache Federklemmen 15a und b. Diese
klemmen das quaderförmige Piezoelement 10 an wenigsten
zwei der jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen
ein, so dass dieses durch einfaches Herausziehen bei auftretendem
Verschleiß ausgewechselt werden kann. Die Federklemmen 15a und
b sind dabei aus einem verhältnismäßig
biegefesten und besonders bevorzugt, aus einem elektrisch leitendem
Material, ausgebildet. Damit wird zum einen gewährleistet, dass
sich das Piezoelement 10 nicht unbeabsichtigt entgegen
der fixierten Position zwischen den Federklemmen 15a und
b verschiebt und andererseits die erforderliche Spannung nicht direkt über
das Piezoelement 10 eingekoppelt werden muss, sondern indirekt über
die elektrisch leitenden Federklemmen 15a und b werden
kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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