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Die
Erfindung betrifft eine Plasmadüse gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bekannt
ist, dass Plasma aktivierte Oberfläche eine höhere
Benetzbarkeit mit polaren Flüssigkeiten aufweisen (siehe
auch
EP 0497996 B1 ).
Dies ist insbesondere bei polymeren Oberflächen wünschenswert,
wenn die Adhäsion oder der Auftrag einer Flüssigkeit
wie beispielweise einer Druckfarbe verbessert werden soll. Es ist
auch bekannt, dass textile Oberflächen durch eine entsprechende
Behandlung der Oberfläche besonders vorteilhafte Eigenschaften
hinsichtlich der Haltbarkeit und Verfilzung zeigen. Bei temperaturempfindlichen
Oberflächen wie polymeren oder textilen Oberflächen
führt allerdings die hohe Temperatur im Plasma zu einer Zerstörung
der Oberfläche. Dieser Umstand wird nach dem Stand der
Technik dadurch gelöst, dass nicht die Oberfläche
direkt mit dem Plasma überstrichen wird, sondern ein zusätzliches
Prozessgas durch den Lichtbogen geleitet wird. Dadurch entsteht aus
dem Prozessgas ein teilionisiertes reaktives Gas mit geringerer
Temperatur als in dem Lichtbogenplasma.
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Eine
entsprechende Anordnung ist in der Druckschrift
EP 0497996 B1 dargestellt.
Düsen, in denen ein Prozessgas mit einem Plasma in Kontakt kommt
und dabei selbst zumindest teilionisiert wird, werden häufig
auch als Plasmadüsen bezeichnet. Derartige Plasmadüsen
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind seit
langem bekannt. So zeigen z. B. die
DE
685455 , die
DE
19532412 C2 , die
EP 0761415
B1 und die
EP
1335641 B1 entsprechende Düsen.
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Aus
der
EP 0761415 B1 ist
weiterhin eine Anordnung von mehreren entsprechenden Düsen nebeneinander
bekannt. Mit einer entsprechenden Anordnung soll es ermöglicht
werden, einen größeren Wirkbereich des aus der
Düsenanordnung austretenden reaktiven Prozessgases zu erreichen.
Die bekannten Plasmadüsen weisen dabei den Nachteil auf,
dass ihre Leistung bezüglich des erreichbaren Plasmastroms,
also dem aus der Düse austretenden reaktiven Prozessgasstroms,
begrenzt ist. Dies liegt daran, dass die Energieübertragung
von dem Lichtbogen im inneren des Düsenkanals auf den Prozessgasstrom
auf den Kernbereich des Düsenkanals begrenzt ist. Eine
Vergrößerung des Düsenkanals erlaubt
zwar eine Erhöhung der Durchflussmenge des Prozessgases,
jedoch strömt der Großteil des Prozessgases dann
entlang der Wandung des Düsenkanals und kommt nur direkt
am Auslass der Düse mit dem Lichtbogen in Kontakt, wo der
Energieübertrag gering ist.
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In
der
EP 761415 B1 ist
vorgeschlagen eine Anordnung von Plasmadüsen vorzusehen,
die elektrisch parallel geschaltet sind. Obwohl bei einer entsprechenden
Anordnung der Plasmastrom natürlich um die Anzahl der Düsen
erhöht wird, weist diese Anordnung den gravierenden Nachteil
auf, dass für jede einzelne Düse ein separater
Hochspannungstransformator vorgesehen werden muss, wodurch der apparative
Aufwand erheblich steigt. Die Notwendigkeit für separate
Transformatoren liegt darin begründet, dass bei einer Parallelschaltung
der Düsen die Zündung der Lichtbögen
unabhängig voneinander erfolgt. Sobald jedoch in der ersten
Düse ein Lichtbogen gezündet wird, bricht die
Ausgangsspannung des Transformators ein, da der elektrische Widerstand
der Düse schlagartig sinkt, und eine Zündung paralleler
Lichtbögen ist nicht mehr möglich.
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Darüber
hinaus ist ein Lichtbogen, der zwischen einer Stiftelektrode und
einer Ringelektrode verläuft, wie es in der Druckschrift
EP 0761415 B1 beschriebenen
ist, nicht stabil, sondern spaltet sich an der Düsenöffnung
auf und kann durch den Druck des ausströmenden Arbeitsgases
aus dem Düsenauslass heraus auf die zu behandelnde Oberfläche gedrückt
werden. Dies ist insbesondere deshalb nachteilhaft, da die hohe
Temperatur des Lichtbogenplasmas zu Beschädigungen auf
der zu behandelnden Oberfläche führen kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Plasmadüse
zum Behandeln von Oberflächen mit hoher Effizienz bereitzustellen,
so dass der Anteil des reaktiven Prozessgases, der aus der Plasmadüse
austritt, erhöht wird, ohne den Wirkungsgrad der Plasmadüse
zu verringern.
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Gemäß der
Erfindung wird die Aufgabe durch eine Plasmadüse mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterentwicklungen der
erfindungsgemäßen Plasmadüse sind den
entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die
erfindungsgemäße Plasmadüse dient dazu,
Oberflächen hinsichtlich der Oberflächenenergie
gezielt zu verändern. Bei dieser Ausführung der Plasmadüse
wird zur Erhöhung des Plasmastroms anstelle einer einfachen
Erweiterung beziehungsweise Vergrößerung des einen
Düsenkanals zumindest ein weiterer separater Düsenkanal
vorgesehen, die in eine gemeinsame Düsenaustrittsöffnung
der Düsenspitze münden. Dadurch wird der Plasmastrom
in Abhängigkeit der den Elektroden zugeordneten Düsenkanäle
vervielfacht. Insbesondere sind zwei Düsenkanäle
vorgesehen, wodurch der Plasmastrom verdoppelt wird. Die aus den
Düsenkanälen austretenden Plasmaströme
werden dann im Auslass der Düse zu einem einzigen Plasmastrom
vereinigt. Der Entladungskanal des Lichtbo gens erstreckt sich bei der
erfindungsgemäßen Düse im normalen Betrieb durch
die Düsenkanäle, ohne dass der Lichtbogen auf
die Wandung der Düsenkanäle überspringt,
wodurch zugleich die Lebensdauer der Plasmadüse erhöht
wird, da die Ablagerung von Abbrandspuren im Inneren der Düsenkanäle
vermieden wird. Messungen haben nun gezeigt, dass der Lichtbogen
zwischen den Spitzen der Stiftelektroden und entlang der Düsenkanäle
verläuft. Der Prozessgasstrom wird durch die vorzugsweise
beiden Düsenkanäle geleitet und durch die spezielle
Düsengeometrie an der Zusammenführung der Düsenkanäle
vereinigt.
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Diese
Anordnung ist besonders vorteilhaft, da hier im Gegensatz zu einem
einfachen verbreitertem Düsendurchmesser ein höheres
Prozessgasvolumen mit dem Plasma im Lichtbogen wechselwirkt und
am Düsenende das reaktive Prozessgas, nicht aber der Lichtbogen
austritt.
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Der
Düsenauslass ist aus einem elektrisch nicht leitenden Material
hergestellt. Dadurch wird auch ein Überspringen des Lichtbogens
auf den Düsenauslass in jedem Falle verhindert. Es ist
somit gewährleistet, dass der Lichtbogen zu keiner Zeit
mit der zu behandelnden Oberfläche in Berührung kommt.
Dies bietet zweierlei Vorteile: Zum einen wird eine Zerstörung
der Oberfläche durch das heiße Plasma direkt im
Lichtbogen vermieden. Nur das reaktive Arbeitsgas strömt
aus der Düsenöffnung und wird die zu behandelnde
Oberfläche geleitet. Zum anderen wird dadurch ein wichtiger
Beitrag zum Arbeitsschutz gewährleistet. Dadurch, dass
der Lichtbogen nicht bis zur Düsenmündung reichen
kann, ist eine Verletzung – Brandwunden oder elektrischer Schlag – im
Betrieb nahezu ausgeschlossen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausführung der Plasmadüse
wird das initiale Plasma in einem Lichtbogen erzeugt. Die Zündung
des Lichtbogens kann vorteilhafterweise durch eine hochfrequente
Wechselspannung erfolgen. Typische Zündspannungen liegen
je nach Auslegung der Plasmadüse beispielsweise zwischen
3 kV und 25 kV. Nach dem Zündvorgang sinkt die zur Aufrechterhaltung
des Lichtbogens notwendige Spannung, abhängig von der Düsengeometrie,
auf einen Wert von etwa 500 V bis 5 KV ab. Typische Frequenzen für
die Wechselspannung liegen zwischen 15 kHz und 50 kHz. Höhere
Frequenzen sind hier nur bedingt geeignet, da es dann zu einer Störung
des technischen Umfeldes im funktechnischen Sinne kommen kann und
somit eine erhöhter Abschirmungsaufwand nötig
wird.
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Bei
einer besonders bevorzugten Anordnung mehrerer Plasmadüsen
sind die Düsen Bestandteil eines einzigen geschlossenen,
in Reihe geschalteten Stromkreises. Dadurch erfolgt die Zündung
in allen Plasmadüsen synchron. Somit kann die Versorgung der
Anordnung aus einem einzigen Transformator erfolgen, da das Einbrechen
der Ausgangsspannung nach dem Zünden der Lichtbögen
keinen Einfluss auf den Zündvorgang nehmen kann.
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Weiterentwicklungen
der erfindungsgemäßen Anordnung sind den entsprechenden
Unteransprüchen zu entnehmen. Im Folgenden wird die Erfindung
anhand einiger Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1:
eine erfindungsgemäße Plasmadüse im Schnitt,
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2:
eine alternativ Ausführungsform der Plasmadüse
gemäß 1 und
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3:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Anordnung von Plasmadüsen.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Plasmadüse im Detail
dargestellt. Die Düse besteht aus einem Gehäuse 1,
in welchem ein Isolationsblock 2 sowie zwei Elektrodeneinheiten 3, 3' angeordnet
sind. Die Elektrodeneinheiten 3, 3' dienen zum
einen der Einleitung elektrischer Energie für die Plasmaerzeugung
und zum anderen der Zuführung der für die Plasmaerzeugung
erforderlichen Prozessgases. Dazu ist jeweils ein Anschlussstift 4 vorgesehen,
welcher mit einer Stiftelektrode 5 verschraubt ist. Der
Anschlussstift 4 und die Stiftelektrode 5 sind
jeweils in einer Hülse 6 eingefasst, welche auf
der Seite des Anschlussstifts 4 Gaseintrittsbohrungen 7 aufweist.
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Auf
der Seite der Stiftelektrode 5 sind die Hülsen 6 durch
Strömungsleitkörper 8 zum Erzeugen einer
Wirbelströmung abgeschlossen. Die Elektrodeneinheiten sind
in Aufnahmebohrungen 9 des Isolationsblocks 2 eingesetzt,
wobei jeweils am Fuß der Aufnahmebohrungen 9 eine
Druckkammer 10 entsteht, in welche das Prozessgas durch
Zuleitungskanäle 11 einströmt. Die Stiftelektroden 5 weisen
zusätzlich einen Mittelkanal 12 auf, durch welchen
Prozessgas aus der Mitte der gewölbten Endfläche 13 der
Stiftelektroden 5 austreten kann. Austrittsseitig ist an
dem Isolationsblock 2 eine Düsenspitze 14 angeordnet,
welche Düsenkanäle 15 aufweist, die mit
den Aufnahmebohrungen 9 des Isolationsblocks 2 fluchten.
Die Düsenkanäle weisen eine konische Form auf und
münden in einer gemeinsamen Austrittsöffnung 16.
Dabei laufen die durch die Aufnahmebohrungen 9 und die
Düsenkanäle 15 gebildeten Strömungskanäle
unter spitzem Winkel aufeinander zu, so dass zwischen den Düsenkanälen 15 nur
ein schmaler Steg aus leitfähigem Material verbleibt. Im
Betrieb wird Prozessgas über die Zuleitungskanäle 11 in
die Druckkammern 10 eingeleitet und gelangt von dort durch
die Gaseintrittsbohrungen 7 in die Hülsen 6. Aus
den Hülsen 6 strömt ein Teil des Prozessgases durch
die Mittelkanäle 12 der Stiftelektroden 5.
Der Großteil des Prozessgases tritt durch die Strömungsleitkörper 8 in
die Düsenkanäle 15 ein und wird dabei in
eine Wirbelströmung versetzt. Die Prozessgasströme
werden durch die konische Form der Düsenkanäle 15 beschleunigt
und vereinigen sich in der Austrittsöffnung 16 eines
Düsenaufsatzes 17. Je nach Anforderung an die
Strömung des Plasmas kann die Drehrichtung der Strömungen
in den Düsenkanälen 15 gleichsinnig oder
gegensinnig gewählt werden. Zur Erzeugung eines Plasmas
aus der Prozessgasströmung wird über die Anschlussstifte 4 eine
Wechselspannung zwischen den Elektrodeneinheiten 3, 3' angelegt.
Bei Erreichen der erforderlichen Zündspannung wird jeweils
zwischen nah beieinander liegenden Kanten der Stiftelektroden 5 ein
Lichtbogen gezündet, welcher die Elektrodeneinheiten 3, 3' verbindet.
Durch den Lichtbogen wird das Prozessgas aufgeheizt und ionisiert
und tritt als reaktives Medium aus der Austrittsöffnung 16 aus.
Durch die Trennung des Lichtbogens von der Düsenspitze 13 wird
die Ablagerung von Abbrandspuren im Bereich der Austrittsöffnung 16 verhindert,
wodurch die Standzeit der erfindungsgemäßen Plasmadüse
deutlich erhöht wird. Die Standzeit wird weiterhin dadurch
erhöht, dass das aus den Mittelkanälen 12 austretende
Prozessgas die Ablagerung von Abbrandspuren auf der Stiftelektroden 5 reduziert.
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In 2 ist
eine alternativ Ausführungsform der Plasmadüse
gemäß 1 dargestellt. Nachfolgend werden
lediglich die Abweichungen gegenüber der Ausführungsform
in 1 beschrieben. Die Düsenspitze 14 ist
mit einem Düsenaufsatz 17 versehen. Die Düsenspitze 14 endet
mit einer Austrittsöffnung 16, welche gerade noch
die beiden Düsenkanäle 15 miteinander
verbindet, so dass eine gemeinsame Austrittsöffnung 16 gegeben
ist. Zur Verlängerung der Düsenaustrittsöffnung 16 ist
ein lösbar an der Düsenspitze 14 vorgesehener
Düsenaufsatz 17 vorgesehen. Dieser Düsenaufsatz 17 kann
unterschiedliche Längen der Durchgangsbohrungen aufweisen.
Eine entsprechende Anpassung der Länge kann in Abhängigkeit
der gewünschten Funktion bezüglich der Durchmischung
und/oder Beruhigung der zusammengeführten Plasmaströme
durch die einzelnen Düsenkanäle 15 ausgewählt
werden. Des Weiteren kann die Länge des Düsenaufsatzes
in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des
Plasmagases stehen, um sicherzustellen, dass der Lichtbogen nicht
aus dem Düsenaufsatz 17 austritt, um Beschädigungen
der zu behandelnden Oberfläche oder mögliche Verletzungen
zu vermeiden.
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Der
Düsenaufsatz 17 umfasst zumindest eine Wandung
in einer Durchgangsöffnung, die aus dielektrischem Material
ausgebildet ist. An dem austrittsseitigen Ende der Durchgangsöffnung
kann der Düsenaufsatz 17 eine umlaufende Wulst
aufweisen, die beispielsweise als Führungs- oder Gleitkufen ausgebildet
sind, um gegebenenfalls eine zu behandelnde Oberfläche
des Werkstückes daran entlang zu führen beziehungsweise
um die Plasmadüse gleitend entlang der zu behandelnden
Oberfläche zu führen. Des Weiteren kann vorgesehen
sein, dass die Durchgangsöffnung des Düsenaufsatzes 17 konisch sich
verjüngt, um eine Beschleunigung des erzeugten Plasmastrahles
zu erzeugen. Ebenso kann eine Aufweitung der Durchgangsbohrung vorgesehen sein,
um in anderen Anwendungsfällen eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit
und eine größere Auftrefffläche des Plasmas
zu erzielen.
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Wird
zum Betrieb der Plasmadüse über die Anschlussstifte 4 an
die Stiftelektroden 3 und 3' eine hochfrequente
Wechselspannung angelegt, bildet sich beim Erreichen der Zündspannung
ein Lichtbogen aus. Der Lichtbogen verläuft dabei symmetrisch von
der Spitze der einen Stiftelektrode 3 durch den entsprechenden
Düsenkanäle 15 über die Trennwand
hinweg durch den anderen Düsenkanal 15 zur zweiten
Stiftelektrode 3'. Der Lichtbogen hat seinen Scheitelpunkt
zwischen den beiden Stiftelektroden 3, 3'.
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Nachdem
der Lichtbogen gezündet hat, sinkt die zur Aufrechterhaltung
des Lichtbogens notwendige Spannung auf einen Wert von beispielsweise
500 V bis 5 kV ab.
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Das
Prozessgas strömt durch die Düsenkanäle 15 und
tritt dabei in Wechselwirkung mit dem Lichtbogen. Dabei wird das
Prozessgas durch die Elektronen und Ionen im Lichtbogen zumindest
teilweise ionisiert. Dieses ionisierte, reaktive Prozessgas – auch
Plasmastrom genannt – wird in der Austrittsöffnung 16 vereinigt
und durch die Geometrie der Düsenspitze 14 beziehungsweise
des Düsenaufsatzes 17 entsprechend der weiteren
Anwendung vorteilhaft geformt.
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Bewegt
man die Oberfläche eines zu behandelnden Werkstückes
relativ zur Düsenspitze 14 beziehungsweise zum
Düsenaufsatz 17, so überstreicht der
Plasmastrom diese Oberfläche. Dabei wird Oberflächenenergie
an den überstrichenen Flächen derart vergrößert,
dass polare Flüssigkeiten diese Oberflächen besser
benetzen.
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In 3 ist
eine erfindungsgemäße Anordnung von Plasmadüsen
schematisch dargestellt. Die Anordnung besteht aus vier Paaren von
Plasmadüsen 20, welche jeweils aus einem Isolationsblock 21, einer
Düsenspitze 22, zwei Düsenkanälen 23 und zwei
Elektroden 24 bestehen. Die Zuleitungen für das Prozessgas
sind in dieser Darstellung der Übersichtlichkeit halber
weggelassen. Zwischen den Paaren von Plasmadüsen 20 der
Anordnung ist jeweils eine Isolierung 25 aus einem Material
mit hoher Durchschlagfestigkeit angeordnet. Die Verschaltung der Elektroden 24 ist
so ausgeführt, dass alle Plasmadüsen 20 in
Reihe geschaltet sind. Dazu ist die erste Elektrode 24 der
ersten Plasmadüse mit einer Spannungsquelle 26 in
Form eines Transformators verbunden, die zweite Elektrode 24 der
ersten Plasmadüse 20 ist mit der ersten Elektrode 24 der
zweiten Plasmadüse 20 verbunden usw. Die zweite
Elektrode 24 der letzten Plasmadüse 20 ist
wiederum mit der Spannungsquelle 26 verbunden, wodurch
der Stromkreis geschlossen wird. Wird die Spannungsquelle 26 aktiviert,
so wird in allen Plasmadüsen 20 gleichzeitig ein
Lichtbogen gezündet, erst danach bricht die Spannung der
Spannungsquelle 26 durch den rasch ansteigenden Strom ein.
Durch die Reihenschaltung der Plasmadüsen 20 befinden
sich die benachbarten Düsenspitzen 22 auf unterschiedlichen
Potenzialen, daher ist die Isolierung 25 erforderlich.
Für jedes Paar von Plasmadüsen 20 ist
ein schaltbarer Überbrückungskontakt 27 vorgesehen.
Dadurch ist es möglich, einzelne Paare von Plasmadüsen 20 der Anordnung
zu deaktivieren, um z. B. die Bearbeitungsbreite einer Plasmabearbeitungsanlage
oder das Austrittsmuster der Plasmaströme zu steuern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0497996
B1 [0002, 0003]
- - DE 685455 [0003]
- - DE 19532412 C2 [0003]
- - EP 0761415 B1 [0003, 0004, 0006]
- - EP 1335641 B1 [0003]
- - EP 761415 B1 [0005]