DE29919142U1 - Plasmadüse - Google Patents

Plasmadüse

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Description

TERMEER STEINMEISTER & PARTNER GBR
PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
Dr. Nicolaus ter Meer, Dipl.-Chem. Helmut Steinmeister, Dipl.-1ng.
Peter Urner, Oipl.-Phys. Manfred Wiebusch
Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH)
Mauerkircherstrasse 45 Artur-Ladebeck-Strasse
D-81673 MÜNCHEN D-3361 7 BIELEFELD
AGR P03 / 99
29.10.1999
AGRODYN
Hochspannungstechnik GmbH Bisamweg 10
33803 Steinhagen
PLASMADÜSE
AGRODYN . **&iacgr; * * i i : * /«S&P<Sfli99 29.10.1999
PLASMADÜSE
Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse zur Behandlung von Oberflächen, insbesondere zur Vorbehandlung von Kunststoffoberflächen, mit einem rohrförmigen, elektrisch leitfähigen Gehäuse, das einen von einem Arbeitsgas durchströmten Düsenkanal bildet, einer koaxial im Düsenkanal angeordneten Elektrode, einer Dralleinrichtung zum Verdrallen des Arbeitsgases in dem Düsenkanal und einem Hochfrequenzgenerator zum Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode und dem Gehäuse,
Eine Plasmadüse dieser Art wird in DE 195 32 412 Al beschrieben und dient beispielsweise dazu, Kunststoffoberflächen so vorzubehandeln, daJ5 ein Auftragen von Klebstoffen, Druckfarben und dergleichen auf die Kunststoffoberfläche ermöglicht oder erleichtert wird. Eine solche Vorbehandlung ist erforderlich, da Kunststoffoberflächen im Normalzustand nicht mit Flüssigkeiten benetzbar sind und deshalb die Druckfarbe oder den Klebstoff nicht annehmen. Durch die Vorbehandlung wird die Oberflächenstruktur des Kunststoffs so verändert, daß die Oberfläche für Flüssigkeiten mit relativ groj3er Oberflächenspannung benetzbar wird. Die Oberflächenspannung der Flüssigkeiten, mit denen die Oberfläche gerade noch benetzbar ist, stellt ein MaJS für die Qualität der Vorbehandlung dar.
Durch die bekannte Plasmadüse wird ein verhältnismäßig kühler, jedoch hochreaktiver Plasmastrahl erreicht, der etwa die Gestalt und die Abmessungen einer Kerzenflamme hat und somit auch die Vorbehandlung von Profilteilen mit verhältnismäßig tiefem Relief gestattet. Aufgrund der hohen Reaktivität des Plasmastrahls genügt eine sehr kurzzeitige Vorbehandlung, so daj3 das Werkstück mit entsprechend hoher Geschwindigkeit an dem Plasmastrahl vorbeigeführt werden kann. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Temperatur des Plasmastrahls ist daher auch die Vorbehandlung von wärmeempfindlichen Kunststoffen möglich. Da keine Gegenelektrode auf der Rückseite des Werkstücks erforderlich ist, können auch die Oberflächen von beliebig dicken, blockartigen Werkstükken, Hohlkörpern und dergleichen problemlos vorbehandelt werden. Für eine gleichmäßige Behandlung größerer Oberflächen ist in der genannten Veröffentlichung eine Batterie aus mehreren versetzt angeordneten Plasmadüsen vorgeschlagen worden. In diesem Fall ist jedoch ein relativ hoher apparativer Aufwand erforderlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Plasmadüse zu schaffen, die trotz eines sehr kompakten Aufbaus eine großflächigere Behandlung von Werkstückoberflächen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einer Plasmadüse der Eingangs genannten Art derart gelöst, daß in den Auslaj3 des Düsenkanals ein rohrförmiges Mundstück aus elektrisch isolierendem Material eingesetzt ist.
Überraschend hat sich gezeigt, daß durch die Verwendung eines solchen Mund-Stücks die Geometrie des Plasmastrahls entscheidend verändert werden kann. Der Plasmastrahl hat nicht mehr die Form einer Kerzenflamme, sondern erfährt innerhalb des Mundstücks sowie kurz hinter dem Mundstück eine extreme fächerartige Aufweitung. Aufgrund der Verdrallung des Arbeitsgases bleibt jedoch innerhalb des Fächers eine stabilisierende Rotationsbewegung des Plasmas erhalten, so daß eine großflächige und dennoch gleichmäßige Plasmabehandlung der Werkstückoberfläche ermöglicht wird. Wenn sich eine ausgedehnte Werkstückoberfläche vor der Mündung der Plasmadüse befindet, so strömt das Plasma wirbeiförmig in Radialrichtung ab, und im Inneren des Fächers bildet sich ein Unterdruck, mit dem Ergebnis, daß sich der fächerförmige Plasmastrahl förmlich an das Werkstück "ansaugt", so daß die Werkstückoberfläche in innigen Kontakt mit dem reaktiven Plasma kommt und somit eine sehr wirksame Oberflächenbehandlung erreicht wird.
Wie bei der bekannten Plasmadüse wird der Lichtbogen der elektrischen Entladung durch die Verdrallung des Arbeitsgases im Inneren des Düsenkanals im Wirbelkern kanalisiert, so daß der Lichtbogen sich etwa auf der Achse der Düse bis zur Mündung des Tüllenkanals erstreckt und sich erst dann radial zum Rand des elektrisch leitenden Gehäuses hin auffächert. Da jedoch bei der erfindungsgemäßen Plasmadüse das Mündstück aus isolierendem Material besteht, tritt diese Auffächerung des Lichtbogens schon am stromaufwärtigen Ende des Mundstücks ein. Das von dem Lichtbogen abströmenden Plasma wird innerhalb des Mundstücks durch thermische Ausdehnung beschleunigt und kann sich dabei radial ausdehnen, da durch das Mundstück ein vorzeitiger Kontakt mit der Umgebungsluft verhindert wird. In Verbindung mit dem Abriß der Strömung am stromabwärtigen Ende des Mundstücks kommt es so zu der erwähnten fächerartigen Aufweitung des Plasmastrahls.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bevorzugt ist der Düsenkanal zum auslaßseitigen Ende hin konisch verjüngt, so daß die Strömungsgeschwindigkeit am Auslaß erhöht wird. Die Lehne des Düsenkanals beträgt mindestens das Zweifache des Durchmessers der durch das Mundstück gebildeten Auslaßöffnung. Auf diese Weise ergibt sich eine relativ große Länge des Lichtbogens und somit eine starke Anreicherung des Plasmas mit reaktiven Ionen und Radikalen.
10
Das stromaufwärtige Ende des Mundstücks ist vorzugsweise von einer Ringelektrode umgeben, die durch eine radial vom verjüngten Ende des Düsenkanals nach innen vorspringende Schulter des Gehäuses gebildet wird. Das Mundstück hat die Form eines zylindrischen Röhrchens, vorzugsweise aus Keramikmaterial, dessen Länge größer ist als der Innendurchmesser.
Die erfindungsgemäße Plasmadüse ist nicht nur zum Vorbehandeln zur Erhöhung der Benetzbarkeit von Kunststoffoberflächen geeignet, sondern kann beispielsweise auch zur Plasmabeschichtung oder Polymerisationsbeschichtung von Oberflächen eingesetzt werden. In diesem Fall wird das Beschichtungsmaterial vorzugsweise über eine Lanze in das Innere des Mundstücks eingesprüht.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Zeichnungsfigur zeigt einen axialen Schnitt durch die Plasmadüse.
Die in der Zeichnung dargestellte Plasmadüse weist ein rohrförmiges Gehäuse 10 auf, das einen langgestreckten, am unteren Ende konisch verjüngten Düsenkanal 12 bildet. In dem Düsenkanal 12 ist ein elektrisch isolierendes Keramikrohr 14 eingesetzt. Ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft, wird vom in der Zeichnung oberen Ende her in den Düsenkanal 12 zugeführt und mit Hilfe einer in das Keramikrohr 14 eingesetzten Drall einrichtung 16 so verdrallt, daß es wirbeiförmig durch den Düsenkanal 12 strömt, wie in der Zeichnung durch einen schraubenförmigen Pfeil symbolisiert wird. In dem Düsenkanal 12 entsteht so ein Wirbelkern, der längs der Achse des Gehäuses verläuft.
AGRODYN
29.10.1999
An der Dralleinrichtung 16 ist eine stiftförmige Elektrode 18 montiert, die koaxial in den Düsenkanal 12 ragt und an die mit Hilfe eines Hochspannungsgenerators 20 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird. Die mit Hilfe des Hochfrequenzgenerators 20 erzeugte Spannung liegt in der Größenordnung von einigen Kilovolt und hat beispielsweise eine Frequenz in der Größenordnung von 20 Kiloherz.
Das aus Metall bestehende Gehäuse 10 ist geerdet und dient als Gegenelektrode, so daß eine elektrische Entladung zwischen der Elektrode 18 und dem Gehäuse 10 hervorgerufen werden kann. Beim Einschalten der Spannung kommt es aufgrund der hohen Frequenz der Wechselspannung und aufgrund der Dielektrizität des Keramikrohrs 14 zunächst zu einer Koronaentladung an der Dralleinrichtung 16 und der Elektroden 18. Durch diese Koronaentladung wird eine Bogenentladung von der Elektrode 18 zum Gehäuse 10 gezündet. Der Lichtbogen 22 dieser Entladung wird durch das verdrallt einströmende Arbeitsgas mitgenommen und im Kern der wirbeiförmigen Gasströmung kanalisiert, so daß der Lichtbogen dann nahezu geradlinig von der Spitze der Elektrode 18 längs der Gehäuseachse verläuft und sich erst im Bereich der Mündung des Gehäuses 10 radial auf die Gehäusewand verzweigt. Im gezeigten Beispiel bildet das Gehäuse 10 am verjüngten Ende des Düsenkanals 12 eine radial nach innen verspringende Schulter 24, die die eigentliche Gegenelektrode bildet und die sich radial verzweigenden Äste des Lichtbogens 22 aufnimmt. Die Äste rotieren dabei in Drallrichtung der Gasströmung, so daJ3 ein ungleichförmiger Abbrand an der Schulter 24 vermieden wird.
In die Mündung des Gehäuses 10 ist ein zylindrisches Mundstück 26 aus Keramik eingesetzt, dessen axial inneres Ende mit der Schulter 24 bündig ist und unmittelbar von dieser Schulter umgeben ist und dessen Länge deutlich größer ist als der Innendurchmesser. Das von dem Lichtbogen 22 erzeugte Plasma strömt drallförmig durch das Mundstück 26 und wird aufgrund thermischer Ausdehnung beim Durchströmen des Mundstücks 26 beschleunigt und radial aufgeweitet, so daß man einen sehr stark fächerförmig aufgeweiteten Plasmastrahl 28 erhält, der noch um einige Zentimeter über das offene Ende 30 des Mundstücks 26 hinausreicht und dabei in Drallrichtung rotiert. Somit kann eine entsprechend große Fläche eines nicht gezeigten Werkstücks intensiv mit dem Plasmastrahl 28 vorbehandelt werden.
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Falls die Plasmadüse zur Plasmabeschichtung oder Plasmapolymerisation eingesetzt wird, kann ein Reaktionsmittel oder Beschichtungsmaterial mit Hilfe einer strichpunktiert angedeuteten Lanze 32 in den konzentrierten Plasmastrahl im Inneren des Mundstücks 26 zugeführt werden. 5

Claims (6)

1. Plasmadüse zur Behandlung von Oberflächen, insbesondere zur Vorbehandlung von Kunststoffoberflächen, mit einem rohrförmigen, elektrisch leitfähigen Gehäuse (10), das einen von einem Arbeitsgas durchströmten Düsenkanal (12) bildet, einer koaxial im Düsenkanal angeordneten Elektrode (18), einer Dralleinrichtung (16) zum Verdrallen des Arbeitsgases in dem Düsenkanal und einem Hochfrequenzgenerator (20) zum Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode (18) und dem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß in den Auslaß des Düsenkanals (12) ein rohrförmiges Mundstück (26) aus elektrisch isolierendem Material eingesetzt ist.
2. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mundstück (26) aus Keramik besteht.
3. Plasmadüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkanal (12) am auslaßseitigen Ende konisch verjüngt ist.
4. Plasmadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stromaufwärtige Ende des Mundstücks (26) von einer als Gegenelektrode dienenden Schulter (24) des Gehäuses (10) umgeben ist.
5. Plasmadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Düsenkanals (12) von der Spitze der Elektrode (18) bis zum stromaufwärtigen Ende des Mundstücks (26) gemessen, mindestens das Zweifache des Innendurchmessers des Mundstücks (26) beträgt.
6. Plasmadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Mundstücks (26) mindestens das Zweifache seines Innendurchmessers beträgt.
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