DE602005004124T2

DE602005004124T2 - Plasmaerzeuger

Info

Publication number: DE602005004124T2
Application number: DE602005004124T
Authority: DE
Inventors: Paolo Veronesi; Cristina Leonelli; Marco Garuti
Original assignee: Alter SRL
Current assignee: Alter SRL
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2005-04-29
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2025-04-30
Also published as: ATE383063T1; EP1718135A1; EP1718135B1; DE602005004124D1

Description

Die vorliegende Erfindung hat als Gegenstand einen Plasmaerzeuger; insbesondere findet der erfindungsgemäße Plasmaerzeuger Anwendung in einem Gerät zur Bearbeitung, beispielsweise nach der Art auf Oberflächen von vorgegebenen Materialien.
Wie bekannt sind die Plasmaerzeuger imstande, ein ionisiertes Gas (oder Plasma, genau) ausgehend von einem nicht ionisierten Gas, wie z. B. Argon (Ar), Stickstoff (N₂), Wasserstoff (H₂), Sauerstoff (O₂), Methan (CH₄), Silan (SiH₄) usw., zu erzeugen, indem auf demselben eine elektromagnetische Strahlung vorgegebener Frequenz zum Einfallen gebracht wird; eine solche Strahlung kann eine Strahlung mit Radiofrequenz (RF) sein oder in den Bereich der Mikrowellen fallen.
Werden die Mikrowellen verwendet, so ist das System mit einem Mikrowellengenerator versehen, der einer Wellenführung zugeordnet ist, die die Aufgabe besitzt, die Strahlung zu lenken.
Der Plasmaerzeuger umfasst überdies eine mit einem Speicher verbundene Leitung, in der das zu ionisierende Gas enthalten ist; dieses Gas wird in einen geeigneten Hohlraum eingebracht und dann durch die erwähnte Strahlung zur Erhaltung des Plasmas beaufschlagt.
Eine so wie oben kurz beschriebene Struktur kann z. B. in Geräten zur Oberflächenbehandlung von Materialien verwendet werden, wobei diese letzteren mit einer Vakuumkammer versehen sind, in der das Werkstück unter zweckmäßigen Bedingungen für das Behandlungsverfahren positioniert und gehalten wird.
Typischerweise münden die Wellenführung und die Leitung für das ionisierte Gas in diese Vakuumkammer, wobei daher ermöglicht wird, dass das zu ionisierende Gas und die Mikrowellen sich frei in der Kammer selbst ausbreiten können.
In diesem Fall ist jedoch die Ionisierung sehr wenig wirksam, angesichts der Tatsache, dass der Ionisierungsbereich nicht genau festgelegt ist und die Wechselwirkung zwischen Gas und Strahlung verminderte Wahrscheinlichkeiten besitzt, dass sie einwandfreierfolgt.
Weitere bekannte Lösungen sehen vor, dass die Gasleitung und die Wellenführung sich derart gegenseitig schneiden, dass der Ionisierungsbereich näher anliegt und die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung zwischen Strahlung und dem Gas erheblich erhöht ist (siehe z. B. US-A1-2002/0050323 ).
In allen Geräten bekannter Art ist jedoch zu beobachten, dass die Leitung, in der das zu ionisierende Gas und die Wellenführung fließen, zur Behandlungskammer im Bereich von verschiedenen Seitenflächen dieser Kammer führen, wobei auf diese Art und Weise der gesamte Platzbedarf des Gerätes erhöht wird.
Mit anderen Worten beträgt die Tatsache, dass die Leitung und die Wellenführung gemäß ganz verschiedener Richtungen zueinander ausgerichtet sind (typischerweise eine senkrechte Richtung und eine horizontale Richtung, sobald sich das Gerät unter Benutzungsbedingungen befindet), eine erhebliche Erhöhung der Gesamtabmessungen des Gerätes, wobei klare Komplikationen sowohl für den Transport als auch für den Einbau des Gerätes selbst innerhalb eines Werkes bewirkt werden.
Weitere Probleme bei den Plasmaerzeugern des Standes der Technik beziehen sich auf die Tatsache, dass im Bereich des Schnittpunktes zwischen der Gasleitung und der Wellenführung sich eine große Wärmemenge entwickelt, die auf die Wechselwirkung zwischen den Mikrowellen und dem zu ionisierenden Gas zurückzuführen ist.
Im Bereich dieses Schnittpunktes ist es jedoch auch erforderlich, zweckmäßige Dichtteile zu positionieren, um eine dichte Isolierung zwischen dem Inneren der Wellenführung (typischerweise bei Umgebungsdruck) und dem der Ausgangsmündung der Gasleitung zugewandten Bereich (der sich jedoch unter einem niedrigen Druck befindet, da dieser der Arbeitsbereich des Werkstückes ist).
Die in diesem Bereich erzeugte Wärme wirkt sich daher äußerste negativ auf die Dichtelemente aus, wobei eine rasche Abnützung hervorgerufen wird und daher oftmalige Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten erforderlich werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Plasmaerzeugers, der weniger Platz beansprucht.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Plasmaerzeugers, der die Verminderung des Abstandes zwischen dem Werkstück und dem Ionisierungsbereich erlaubt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Plasmaerzeugers, bei dem die Dichtteile nicht auf signifikante Weise durch die Wärme abgenützt werden, die sich durch die Wechselwirkung zwischen dem Gas und der einfallenden elektromagnetischen Strahlung entwickelt wird.
Diese und weitere Aufgaben werden im wesentlichen durch einen Plasmaerzeuger gemäß den beigefügten Patentansprüchen gelöst.
Weitere Merkmale und Vorteile gehen näher aus der eingehenden Beschreibung einer bevorzugten, jedoch nicht begrenzenden Ausführungsform der Erfindung hervor. Die Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, die gleichfalls nur einen beispielhaften und daher nicht begrenzenden Charakter besitzen. Es zeigen
1 schematisch ein Gerät zur Oberflächenbehandlung von Werkstoffen, bei dem ein erfindungsgemäßer Plasmaerzeuger verwendet wird;
2 einen Schnitt gemäß der Ebene II-II des in 1 dargestellten Plasmaerzeugers;
3 eine Einzelheit aus 2;
4 einen Schnitt gemäß der Ebene IV-IV der Einzelheit aus 3;
5 eine Explosionsansicht einiger Teile der Einzelheit aus 3.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, ist mit 1 insgesamt ein erfindungsgemäßer Plasmaerzeuger angegeben. Der Plasmaerzeuger 1 (1 und 2) umfasst vor allem eine Hauptleitung 10 zum Fördern von zu ionisierendem Gas 20; der Plasmaerzeuger 1 hat im allgemeinen die Aufgabe, eine vorgegebene elektromagnetische Strahlung 30 auf ein vorgegebenes Gas 20 derart einfallen zu lassen, dass ein Plasma (oder ionisiertes Gas) 40 erhalten wird, das gerade angesichts der Tatsache erzeugt wird, dass zufolge der Wechselwirkungen zwischen Gas und Mikrowellen, einige Gasatome (oder Gasmoleküle) mindestens eines ihrer eigenen Elektronen verlieren, wo sie so positive Ionen werden.
Das in der Hauptleitung 10 fließende Gas 10 kann z. B. Argon (Ar), Stickstoff (N₂), Wasserstoff (H₂), Sauerstoff (O₂), Methan (CH₄), Silan (SiH₄) usw., sein.
Die Hauptleitung 10 kann z. B. aus Quarz, Saphir oder Tonerde sein; im allgemeinen, wie dies nachfolgend näher hervorgeht, ist die Hauptleitung 10 in einem für die elektromagnetische Strahlung 30 durchlässigen Material derartausgeführt, dass diese Strahlung mit dem Gas 20 in Wechselwirkung treten kann.
Die Hauptleitung 10 weist eine Eingangsmündung 11 und eine Ausgangsmündung 12 auf; mit der Eingangsmündung 11 kann ein Speicher 13 zur Aufnahme des Gases 20 verbunden sein.
Zwischen der Eingansmündung 11 der Hauptleitung 10 und dem Speicher 13 können vorteilhafter Weise Überwachungsmittel 201 zur Kontrolle und/oder Messung des Flusses des zu ionisierenden Gases 12 zwischengeschaltet sein.
In der schematischen Darstellung von 1 ist ein einziger Speicher 13 vorhanden; klarerweise, falls auch andere Verfahrensgase verwendet werden sollten, ist die Verwendung von weiteren Speichern vorgesehen, die eventuell mit der Hauptleitung 10 über eine zweckmäßige Sammelleitung verbunden sind.
Der Plasmaerzeuger 1 umfasst überdies eine Wellenführung 50, um die elektromagnetischen Strahlungen 30 auf das in der Hauptleitung 10 fließende Gas zu leiten; diese elektromagnetischen Strahlungen 30 sind bevorzugter Weise Mikrowellen und können für den gewerblichen Verbrauch, insbesondere eine Frequenz zwischen 915 MHz (L-band) und 3300 MHz (S-band), und beispielsweise gleich 2450 MHz sein.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst der Gaserzeuger 1 überdies ein Stützelement 60, auf dem die Hauptleitung 10 und die Wellenführung 50 angebracht sind.
Das Stützelement 60 weist einen bevorzugter Weise im wesentlichen planare erste Oberfläche 61 auf, die dem ersten Raumbereich 61a gegenüberliegt.
Das Stützelement 60 weist überdies eine zweite, bevorzugter Weise im wesentlichen planare Oberfläche 23 auf, die der ersten Oberfläche 61 abgewandt ist und einem zweiten Raumbereich 62a gegenüberliegt.
Vorteilhafter Weise besitzt das Stützelement 60 eine plattenförmige Ausbildung und legt einen flachen Flansch fest, wie dies nachfolgend erläutert wird.
Eingehend auf das größere Detail, ist die Wellenführung 50 mit einem ersten Abschnitt 51 versehen, der eine querliegende Längserstreckung gegenüber dem Stützelement 60 aufweist und sich in diesem letzteren in den ersten Raumbereich 61a erstreckt.
In der Praxis kann das Stützelement 60 mindestens eine durchgehende Bohrung 63 aufweisen, in die ein axiales Ende des ersten Abschnittes 51 der Wellenführung 50 eingeführt ist.
Im Bereich des abgewandten, axialen Endes ist der erste Abschnitt 51 der Wellenführung mit einem Mikrowellenerzeuger 54 verbunden. Die Wellenführung 50 ist überdies mit einem zweiten Abschnitt 52 versehen, der dem ersten Abschnitt 51 zugeordnet und bevorzugter Weise anliegend ist, um die Strahlung 30 zu empfangen, die sich in diesem letztern ausbreitet. Der zweite Abschnitt 52 schneidet die Hauptleitung 10, um diese Strahlung 30 auf das zu ionisierende Gas 20 zu lenken.
Die Hauptleitung 10 weist eine Längserstreckung auf, die quer zum Stützelement 60 liegt; dieses letztere kann insbesondere eine durchgehende Bohrung 64 aufweisen, in der die Hauptleitung 10 eingeführt ist. Bevorzugter Weise erstreckt sich die Hauptleitung 10 mindestens teilweise vom Stützelement 60 in den ersten Raumbereich 61a. Insbesondere ist der Hauptleitungsabschnitt 10, der sich in den ersten Raumbereich 61a erstreckt, der Abschnitt, der mit der Eingangsmündung 10 der Hauptleitung 10 selbst endet.
Auf diese Art und Weise befinden sich der Mikrowellenerzeuger 54 und der Gasspeicher 13 auf derselben Seite gegenüber des Stützelementes 60. Bevorzugte Weise ist der erste Wellenführungsabschnitt 51 zur planaren Abwicklung des Stützelementes 60 senkrecht. Bevorzugter Weise ist die Hauptleitung 10 zur planaren Abwicklung des Stützelementes 60 senkrecht.
Die zweite Wellenführungsabschnitt 52 befindet sich im zweiten Raumbereich 62a; bevorzugter Weise ist der zweite Wellenführungsabschnitt 52 zur planaren Abwicklung des Stützelementes 60 parallel.
Der zweite Wellenführungsabschnitt 52 kann mit dem ersten Abschnitt 51 über einen Hauptübergangsabschnitt 55 verbunden sein; dieser letztere verbindet insbesondere eine Ausgangsmündung 51b des ersten Abschnittes 51 mit einer Eingangsmündung 52a des zweiten.
In der Praxis, legen der erste und der zweite Wellenführungsabschnitt 51, 52 (miteinander durch den Hauptübergangsabschnitt 55 verbunden) einen im wesentlichen "L"-förmigen Aufbau, innerhalb dem sich die elektromagnetische Strahlung 30 (d. h. die Mikrowellen) fortpflanzen kann.
Um den zweiten Wellenführungsabschnitt 52 zu schneiden, erstreckt sich die Hauptleitung 10 teilweise auch in den zweiten Raumabschnitt 62a; in der Praxis durchquert die Hauptleitung 10 das Stützelement 60 von einer Seite auf die andere Seite über die genannte durchgehende Bohrung 64. Folglich befindet sich auch der Schnittpunkt zwischen der Hauptleitung 10 und dem zweiten Wellenführungsabschnitt 52 im zweiten Raumbereich 62a.
Bevorzugter Weise weist die Wellenführung 54 überdies einen dritten Abschnitt 53 auf, der stromabwärts des zweiten Abschnittes 52 verbunden ist, um die Strahlungen aufzunehmen, die sich im zweiten Abschnitt 52 selbst fortpflanzen.
Um die Ausgangsmündung 52b des zweiten Abschnittes 52 mit einer Eingangsmündung 53a des dritten Abschnittes 53 zu verbinden, kann die Wellenführung einen Hilfsübergangsabschnitt 56 umfassen.
Der dritte Abschnitt 53 besitzt eine Längserstreckung, die gegenüber dem Stützelement 60 querliegt und bevorzugter Weise senkrecht ist, insbesondere, erstreckt sich der dritte Abschnitt 53 vom Stützelement 60 im ersten Raumbereich 51a. Das Stützelement 60 kann nämlich eine durchgehende Bohrung 56 aufweisen, in die ein axiales Ende des dritten Abschnittes 53 eingeführt ist.
Im Bereich des axialen, abgewandten Endes sind bevorzugter Weise Einstellmittel 70 angebracht, um das elektromagnetische Feld einzustellen, das durch die elektromagnetische Strahlung 30 festgelegt wird, die in der Wellenführung 50 vorhanden sind. Diese Einstellmittel 70 können beispielsweise aus einem verstellbaren Kurzschluss bestehen. Über die Einstellmittel 70 ist es möglich, die Wirksamkeit einer Wechselwirkung zwischen den Mikrowellen 30 und dem Gas 20 im Bereich des Schnittpunkts zwischen der Wellenführung 50 (zweiter Abschnitt 52) und der Hauptleitung 10 zu maximieren.
Im Lichte des Vorstehenden, ist es klar, wie erste, zweite und dritte 51, 52, 53 der Wellenführung 50 einen "U"-förmigen Aufbau festlegen, über den sich die Mikrowellen 30 vom Mikrowellenerzeuger 54 beim Überschneiden mit der Hauptleitung 10 fortpflanzen, in der das zu ionisierende Gas 20 fließt, bis sie den verstellbaren Kurzschluss 70 erreichen.
Vorteilhafter Weise ist unter Benutzungsbedingungen der Plasmaerzeuger 1 derart angeordnet, dass das Stützelement 60 eine planare Abwicklung besitzt, die im Wesentlichen zum Boden (horizontal) parallel ist, während die Hauptleitung 10 und der erste und der dritte Abschnitt 51, 53, der Wellenführung 50 im wesentlichen vertikal sind.
Wie oben angegeben, kann der Plasmaerzeuger 1 in einem Gerät 80 für die Oberflächenbehandlung von Werkstoffen verwendet werden. Ein solches Gerät 80 umfasst außer dem Plasmaerzeuger 1 eine Vakuumkammer 81, in der das Werkstück 82 zu positionieren ist; das Stützelement 60 des Plasmaerzeugers 1 legt insbesondere eine Abschlusswand einer solchen Vakuumkammer 81 fest.
In der Praxis legt das Stützelement 60 einen Flansch 60a fest, an dem die Hauptleitung 10 und die Wellenführung 50 angebracht sind, und über die die Vakuumkammer 81 hermetisch geschlossen wird. Im einzelnen wird der zweite Abschnitt 52 der Wellenführung 50 innerhalb der Vakuumkammer 51 verdrängt, während der erste und der dritte Abschnitt 51, 53 sich außerhalb der Vakuumkammer 81 selbst erstrecken. Die Vakuumkammer befindet sich daher im zweiten Raumbereich 62a.
Das Gerät 80 kann überdies einen Träger 83 des Werkstückes 82 umfassen, um diesen letzteren in einer der Austrittsmündung 12 der Hauptleitung 10 gegenüberliegenden Stellung zu positionieren, aus der das ionisierte Gas 40 austreten kann.
Der Träger 83 besteht bevorzugter Weise aus Metall.
Um die innerhalb der Kammer 81 gewünschte Atmosphäre zu erhalten, ist dieselbe mit zweckmäßigen Vakuumerzeugungsmitteln 85, wie z. B. einer Pumpe verbunden.
Die Verbindungsmündung 86 zwischen der Vakuumkammer 81 und den Vakuumerzeugungsmitteln 85 hat ein kleineres Maß gegenüber dem Maß, an dem das Werkstück 82 mittels des Trägers 83 gehalten wird.
Im Allgemeinen, wird das Werkstück 82 auf einer Zwischenhöhe zwischen der Verbindungsmündung 86 und der Austrittsmündung 12 der Hauptleitung 10 gehalten.
Wie oben angegeben, umfasst der Plamaerzeuger 1 eine Hauptleitung 10, in der das zu ionisierende Gas 20 fließt, und eine Wellenführung 50, in der die Mikrowellen 30 geleitet werden.
Die Hauptleitung 10 und die Wellenführung 50 überschneiet sich derart, dass die Strahlung 30 und das Gas 20 mit der Erzeugung des Plasmas 40 in Wechselwirkung eintreten können.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Plasmaerzeuger 1 überdies mit Abstandsmitteln 100 versehen, die mindestens teilweise gegenüber der Hauptleitung 10 radial außen liegen, und im Bereich der Austrittsmündung 12 der Hauptleitung 10 selbst (2–5) positioniert sind.
Die Ausgangsmündung 12 der Hauptleitung 10 ist der axial äußerste Abschnitt der Hauptleitung 10 selbst, aus dem das ionisierte Gas 40 austritt.
Der Plasmaerzeuger 1 umfasst überdies ein Dichtelement 110, das mit dem Abstandsmittel 100 für eine dichte Isolierung zwischen dem der Ausgangsmündung 12 der Hauptleitung 10 gegenüberliegenden Bereich und mindestens einem Bereich 200 gekoppelt ist, der gegenüber der Hauptleitung 10 radial außen liegt. Bevorzugter Weise umfasst der radial äußere Bereich 200 die Wellenführung 50 und/oder die Wärmeaustauschkammer 123, die nachfolgend beschrieben wird. Das Dichtelement 110 kann beispielsweise eine Dichtung bekannter Art wie ein "O-Ring" sein.
Sobald der Plamaerzeuger 1 in einem Gerät 80 für die Oberflächenbehandlung von Werkstoffen verwendet wird, befindet sich der der Austrittsmündung 12 der Hauptleitung 10 gegenüberliegende Bereich innerhalb der Vakuumkammer 81, in der das Werkstück vom Plasma beaufschlagte wird, während sich das Innere der Wellenführung 50 unter einem Umgebungsdruck befindet.
Das Dichtelement 110 hält daher das Innere und das Äußere der Vakuumkammer 81 voneinander isoliert und insbesondere den der Ausgangsmündung 12 der Hauptleitung 10 (innen) von der Wellenführung 50 (außen).
Die Abstandsmittel 100 besitzen die Aufgabe, das Dichtelement 110 von der Oberfläche der Hauptleitung 10 getrennt zu halten: Diese Oberfläche erhöht auf äußerst bedeutungsvolle Weise die eigene Temperatur zufolge der im Verlauf der Wechselwirkung zwischen Gas 20 und den Mikrowellen 30 entwickelten Wärme und es würde sich die Gefahr zeigen, dass das Dichtelement 110 beschädigt werden könnte, wenn es mit der Hauptleitung 10 unmittelbar in Berührung tritt. Die Aufgabe der Abstandmittel 100 ist gerade jene, dass diese Abnützung vermiedne wird.
Die Abstandsmittel 100 sind bevorzugter Weise im Bereich der Ausgangsmündung 12 der Hauptleitung 10 positioniert. Eingehend in ein größeres Detail können die Abstandsmittel 100 einen Ringkörper 101 umfassen, der gegenüber der Hauptleitung 10 im Bereich der Austrittsmündung 12 dieser Letzteren radial außen liegt. Mit anderen Worten, umgibt die Umfangsabwicklung des Ringkörpers 101 die Hauptleitung 10.
Die Abstandsmittel 100 können überdies ein ringförmiges Übergangselement 102 umfassen, um die Ausgangsverbindung 12 der Hauptleitung 10 mit einem axialen Ende 101a des Ringkörpers 101 zu verbinden.
Das Dichtelement 110 ist bevorzugter Weise mit der radial äußeren Fläche 101b des Ringkörpers 101 derart gekoppelt, dass es auf einen vorgegebenen radialen Abstand von der Austrittsmündung 12 der Hauptleitung 10 gehalten wird und um daher die Beschädigungen zu begrenzen, die auf eine hohe Temperatur dieses Abschnittes der Hauptleitung 10 zu begrenzen.
Der Ringkörper 101 und das ringförmige Übergangselement 102 können einstückig mit der Oberfläche ausgeführt sein, die die Hauptleitung 10 festlegt; beispielsweise kann der Endabschnitt der Hauptleitung 10 nach außen derart gestülpt sein, dass die oben beschriebenen Abstandsmittel 100 erhalten werden.
Alternativ können der Ringkörper 101 und das ringförmige Übergangselement 102 gegenseitig durch Schweißen befestigt werden, so wie das ringförmige Übergangselement 102 mit der Austrittsmündung 12 der Hauptleitung 10 verschweißt werden kann.
Um die Wirkung des durch die Wechselwirkung zwischen Gas 20 und den Mikrowellen 30 entwickelten Wärme weiter zu vermindern, kann der Plasmaerzeuger 1 überdies eine Wärmeabfuhreinheit 120 umfassen, die auf die Hauptleitung 10 und/oder auf das Dichtelement 10 wirkt.
Insbesondere wirkt die Wärmeabfuhreinheit 120 im Bereich, der zwischen der Ausgangsöffnung 12 der Hauptleitung 10 und dem Dichtelement 110 radial dazwischen liegt, um zu erreichen, dass die in der Nähe der Ausgangsöffnung 12 der Hauptleitung 10 entwickelte Wärme keinen Einfluss auf das Dichtelement 110 besitzt.
Eingehend ins größere Detail, umfasst die Wärmeabfuhreinheit 120 eine Wärmetauschkammer 121, die zwischen der Hauptleitung 10 und insbesondere der Ausgangsmündung 12 dieser letzteren und dem Dichtelement 110 liegt; in diese Wärmeaustauschkammer 121 wird ein Kühlmittel (z. B. Luft) hinein fließen gelassen, um eine übermäßige Überhitzung des Dichtelementes 110 zu vermeiden.
Vorteilhafter Weise ist die Wärmeaustauschkammer 121 durch den Endabschnitt 10 (d. h. der Ausgangsmündung 12 der Hauptleitung 10 selbst), durch das ringförmige Übergangselement 102 und durch den diesem zugeordneten Ringkörper 101 festgelegt. Die Wärmeabfuhreinheit 120 kann überdies einen Flußabweiser 122 umfassen, der mindestens teilweise in der Wärmeaustauschkammer 121 positioniert ist, um in dieser Kammer eine Strecke P des Kühlfluids festzulegen.
Der Abweiser 122 kann eine im wesentlichen ringförmige Struktur aufweisen, die radial zwischen dem Endabschnitt der Hauptleitung 10 und dem Ringkörper 101 dazwischen liegt.
Der Abweiser 122 hat eine Längsabwicklung, die im Wesentlichen zur Längsabwicklung der Hauptleitung 10 und des ringförmigen Elementes 101 parallel ist; der Abweiser 122 erstreckt sich in Längsrichtung in der Wärmeaustauschkammer 121 bis einem vorgegebenen Abstand (nicht Null) von der unteren Oberfläche S der Kammer selbst – in der Ausführungsform der 3 ist diese untere Fläche durch das ringförmige Übergangselement 102 festgelegt.
Auf diese Art und Weise legt der Abweiser 122 unter Mitwirkung mit der die Wärmeaustauschkammer 121 festlegende Fläche eine Strecke P für das Kühlfluid fest. Um das Einleiten des Kühlfluids zu erlauben, kann der Plasmaerzeuger 1 eine Speiseleitung 130 umfassen, die einen Eingangsabschnitt 131 und einen ringförmigen Abschnitt 132 aufweist. Der Eingangsabschnitt 133 ist bevorzugter Weise gradlinig und erlaubt die Verbindung mit außen; insbesondere ist vorgesehen, dass ein Rohrkörper 135 fluidmäßig mit dem Eingangsabschnitt 131 und mit dem Bereich in Verbindung ist, der außerhalb der Vakuumkammer 81 liegt.
Zu diesem Zweck ist die Vakuumkammer 81 mit einer durchgehenden Bohrung 66 versehen, die mit zweckmäßigen Dichtungen versehen ist, und durch die der Rohrkörper 135 eingefädelt ist.
Im Bereich des Endes, das jenem abgewandt ist, das an der Speiseleitung 130 eingreift, kann der Rohrkörper 135 mit einer Druckluftabgabevorrichtung (nicht dargestellt) verbunden sein, wobei die Druckluft das genannte Kühlfluid sein kann.
Der ringförmige Abschnitt 132 der Speiseleitung 130 liegt radial außerhalb der Hauptleitung 10 und befindet sich in einer Längsposition, die gegenüber der Austrittsmündung 12 der Hauptleitung 10 selbst versetzt ist.
Der ringförmige Abschnitt 132 der Speiseleitung 130 befindet sich fluidmäßig sowohl mit dem Eingangsabschnitt 131, zur Aufnahme von Kühlfluid, als auch mit der Wärmeaustauschkammer 121 in Verbindung, um diesem letzteren das Kühlfluid selbst zu übergeben.
In der bevorzugten Ausführungsform, weist die Wärmeaustauschkammer 121 eine ringförmige Öffnung 121a auf, bevorzugter Weise in einer Stellung, die gegenüber dem ringförmigen Übergangselement 102 abgewandt ist; der ringförmige Abschnitt 132 der Speiseleitung 130 kann fluidmäßig stetig mit der Wärmeaustauschkammer 121 längs der Umfangsabwicklung derselben in Verbindung sein.
Eine Oberfläche des ringförmigen Abschnittes 132 der Speiseleitung 130 kann durch eine Wand 122a des Flussabweisers 122 festgelegt sein.
Der ringförmige Abschnitt 132 der Speiseleitung 130 befindet sich überdies fluidmäßig mit einer ringförmigen Hilfsausnehmung 140 in Verbindung, innerhalb der das Dichtelement 110 positioniert ist.
Der Plasmaerzeuger 1 kann überdies mit einer Ausgangsleitung 133 versehen sein, über die das in die Wärmeaustauschkammer 121 eingebrachte Kühlfluid austreten kann und insbesondere in der Wellenführung 50 fließen gelassen werden kann.
Die Ausgangsleitung 133 befindet sich bevorzugter Weise radial außerhalb und insbesondere im wesentlichen koaxial gegenüber der Hauptleitung 10. Die Ausgangsleitung Die Ausgangsleitung 133 weist eine Eintrittsöffnung 133a auf, um das Kühlfluid aufzunehmen, das von der Wärmeaustauschkammer 121 stammt und eine Austrittsöffnung 133b, um das Fluid innerhalb der Wellenführung 50 zu leiten.
In der Praxis wird das Kühlfluid über den Eintrittsabschnitt 131 der Speiseleitung 130 in den ringförmigen Abschnitt 132 eingeführt und von dort in die Wäremaustauschkammer 121; innerhalb dieser letzteren folgt das Kühlfluid der durch den Flussabweiser 122 festgelegten Strecke, wobei die innerhalb der Hauptleitung 10 entwickelte Wärme absorbiert wird. Über die Ausgangsleitung 133 wird das Kühlfluid schließlich in Richtung des Inneren der Wellenführung 50 gerichtet, wo die angesammelte Wärme verstreut wird, ohne Schäden oder einen schlechten Betrieb zu schaffen.
Es ist zu bemerken, wie die Speiseleitung 130, die Austrittsleitung 133 und die ringförmige Hilfsausnehmung 140 mindestens teilweise in einem einzigen Hauptkörper 141 festgelegt werden können, der um der Hauptleitung 10 herum im Bereich der Austrittsmündung 12 dieser letzteren angebracht werden kann. Aus diesem Hauptkörper 141 kann überdies ein weiterer, ringförmiger Durchgang 142 für einen Hilfskühlkreislauf, bevorzugter Weise von Wasser ausgenommen werden kann; eine außerhalb dieses ringförmigen Durchganges 142 angeordnete Wand kann durch einen Abschlussring 143 festgelegt sein. Der Plasmaerzeuger 1 kann überdies einen Abschlusskörper 144 umfassen, der mit der Austrittsmündung 12 der Hauptleitung 10 und mit dem Hauptkörper 141 gekoppelt ist.
Der Abschlusskörper 144 weist eine Öffnung 144a auf, die der Austrittsmündung 12 der Hauptleitung 10 gegenüberliegt. Der Abschlusskörper 144 weist überdies einen oder mehrere Zähne 144b auf, die sich in Längsrichtung von der Umfangswand 144c des Abschlusskörpers 144 selbst erstrecken. Die Zähne 144b schlagen gegen einen ringförmigen Abstandhalter 145 an, der seinerseits das Dichtelement 110 trägt. Es ist überdies eine ringförmige Platte 146 vorgesehen, die zwischen dem Abschlusskörper 144 und dem Hauptkörper 141 zwischengeschaltet ist.
Es ist zu bemerken, wie die oben erwähnten, erfindungsgemäßen Aspekte (Ausbildung der Wellenführung 50 und Anwesenheit der Abstandsmittel 100) sowohl getrennt als auch in Kombination miteinander derart verwendet werden können, dass ein Plasmaerzeuger mit optimalen Leistungen erhalten wird.
Die Erfindung erzielt wichtige Vorteile.
Vor allem weist der erfindungsgemäße Plasmaerzeuger einen verringerten Gesamtplatzanspruch auf, dank der äußerst funktionelle Anordnung der verschiedenen, denselben zusammensetzenden Elemente.
Überdies wird auf optimale Art und Weise die Unversehrtheit des verwendeten Dichtelementes bewahrt, um das Innere der Wellenführung und den Bereich isolieren, der der Ausgangsöffnung der Leitung gegenüberliegt, aus der das Plasma austritt.
En weiterer Vorteil verwirklicht sich in der Tatsache, dass im Gerät für Oberflächenbearbeitungen, wo der erfindungsgemäße Plasmaerzeuger verwendet werden kann, der Abstand zwischen dem Werkstück und der Ausgangsmündung der Hauptleitung fühlbar verringert werden kann, wobei so die Wechselwirkung zwischen dem Plasma und dem Werkstoff besonders wirksam und zuverlässig gestattet wird.

Claims

Plasmaerzeuger; umfassend: – eine Hauptleitung (10) zum Fördern von zu ionisierenden Gas (20); – eine Wellenführung (50) zum Führen von elektromagnetischen Strahlungen (30) auf das in der Hauptleitung (10) geförderte Gas; – mindestens ein Stützelement (60), an dem die Wellenführung (50) und die Hauptleitung (10) angebracht sind, wobei das Stützelement (60) eine erste, einem ersten Raumbereich (61a) gegenüberliegende Fläche (61) und eine zweite Fläche (62) aufweist, die der ersten Fläche (61) abgewandt und dem zweiten Raumbereich (62a) gegenüberliegt, wobei die Hauptleitung (10) eine Längsabwicklung aufweist, die zum ersten Stützelement (60) quer liegt und sich mindestens teilweise im ersten Raumbereich (61a) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenführung (50) umfasst: – einen ersten Abschnitt (51) mit einer Längsabwicklung, die gegenüber dem Stützelement (60) quer liegt und sich mindestens teilweise im ersten Raumbereich (61a) erstreckt; – einen zweiten Abschnitt (52), der sich mit der Hauptleitung (10) schneidet und dem ersten Abschnitt (51) zugeordnet ist, um die Strahlungen (30) aufzunehmen, die sich im ersten Abschnitt (51) fortpflanzen, und sie am geförderten Gas in der Hauptleitung (10) zu führen und ein entsprechendes Plasma (40) zu erhalten.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenführung (50) überdies einen dritten Abschnitt (53) umfasst, der nach dem zweiten Abschnitt (52) verbunden ist, um die Strahlungen (30) aufzunehmen, die sich in diesem letzteren fortpflanzen, wobei der dritte Abschnitt (53) eine Längsabwicklung aufweist, die gegenüber dem Stützelement (60) quer liegt.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abschnitt (53) sich vom Stützelement (60) in den ersten Raumbereich (61a) erstreckt.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptleitung (10) sich teilweise im zweiten Raumbereich (62a) erstreckt.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schnittpunkt zwischen der Hauptleitung (10) und dem zweiten Abschnitt der Wellenführung (52) im zweiten Raumbereich (62a) befindet.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt der Wellenführung (52) im zweiten Raumbereich (62a) positioniert ist.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (51) im Wesentlichen zum Stützelement (60) senkrecht ist.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (52) im Wesentlichen zum Stützelement parallel ist, wobei die Wellenführung (50) überdies bevorzugter Weise mit einem Hauptübergangsabschnitt (54) für eine Verbindung zwischen einer Austrittsöffnung (51b) des ersten Abschnittes (51) und einer Eintrittsöffnung (52a) des zweiten Abschnittes (52) versehen ist.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptleitung (10) zum Stützelement (60) im Wesentlichen senkrecht steht.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Abschnitt (53) im Wesentlichen zum Stützelement (60) senkrecht steht, wobei die Wellenführung (50) überdies bevorzugter Weise mit einem Hilfsübergangsabschnitt (55) zur Verbindung zwischen einer Austrittsöffnung (52a) des zweiten Abschnittes (52) und einer Eintrittsöffnung (53a) des dritten Abschnittes (53) versehen ist.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen Strahlungen (30) Mikrowellen sind.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er überdies Einstellmittel (70) des elektromagnetischen Feldes umfasst, das durch die elektromagnetischen Strahlungen (30) festgelegt ist, wobei die Einstellmittel (70) bevorzugter Weise nach dem ersten Abschnitt (53) verbunden und insbesondere mit einem verstellbaren Kurzschluss versehen sind.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er überdies umfasst: – Abstandmittel (100), die mindestens teilweise gegenüber der Hauptleitung (10) radial außen liegen; – ein Dichtelement (110), das mit den Abstandmitteln (100) für eine Abdichtung zwischen dem der Austrittsöffnung (12) der Hauptleitung (10) gegenüberliegenden Raumbereich und mindestens einem gegenüber der Hauptleitung (10) radial außen liegenden Bereich (200) gekoppelt ist.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass er überdies eine Wärmeableitungseinheit (120) umfasst, die auf die Hauptleitung (10) und/oder auf das Dichtmittel (110) wirkt.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitungseinheit (120) mindestens eine Wärmeaustauschkammer (121) umfasst, die zwischen der Hauptleitung (10) und dem Dichtelement (110) zwischengeschaltet ist.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeableitungseinheit (120) überdies mindestens einen Stromumlenker (122) umfasst, der mindestens teilweise in der Wärmeaustauschkammer (121) zur Festlegung in derselben einer Strecke P eines Kühlfluids positioniert ist.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der Ansprüche von 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der radial äußere Bereich (200) die Wellenführung (50) und oder die Wärmeaustauschkammer (121) umfasst.
Plasmaerzeuger nach einem beliebigen der Ansprüche von 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandmittel (100) umfassen: – einen Ringkörper (101), der gegenüber der Hauptleitung (10) im Bereich der Ausgangsöffnung (12) derselben radial außen liegt; – ein Ringübergangselement (102) um die Austrittsöffnung (12) der Hauptleitung (10) mit einem axialen Ende (101a) des Ringkörpers (101) zu verbinden.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (110) mit einer radial äußeren Fläche (101b) des Ringkörpers (101) gekoppelt ist.
Plasmaerzeuger nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (101) das Ringübergangselement (102) und eine äußere Fläche der Hauptleitung (10) eine Wärmeaustauschkammer (121) festlegt.
Gerät zur Oberflächenbearbeitung von Werkstoffen durch Plasma, wobei das Gerät (80) umfasst: – eine Vakuumkammer (81) zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstoffes; – einen Plasmaerzeuger (1) gemäß einem beliebigen der Ansprüche von 1 bis 20, wobei das Stützelement (60) eine Schließwand der Vakuumkammer (81) festlegt.
Gerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (52) der Wellenführung (50) innerhalb der Vakuumkammer (81) angeordnet ist, wobei der erste und der dritte Abschnitt (51, 53) bevorzugter Weise außerhalb der Vakuumkammer (81) angeordnet ist.
Gerät nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass es überdies einen Träger (83) des zu bearbeitenden Werkstoffes (82) zur Positionierung dieses letzteren in einer der Austrittsöffnung (12) der Hauptleitung (10) gegenüberliegenden Stellung umfasst.
Gerät nach einem beliebigen der Ansprüche von 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (110) eine Dichtung zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Vakuumkammer (81) festlegt.