DE60224166T2

DE60224166T2 - "Behandlungsvorrichtung mit Luftkühlungssystem"

Info

Publication number: DE60224166T2
Application number: DE60224166T
Authority: DE
Inventors: Richard R. Menomonee Falls HAMMEN; Donald V. Germantown RUNDBERG
Original assignee: Enercon Industries Corp; Sigma Technologies International Inc
Current assignee: Enercon Industries Corp; Sigma Technologies International Inc
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2022-02-07
Also published as: DE60224166D1; ATE381800T1; EP1360748B1; US6429595B1; EP1360748A2; US20020109470A1; WO2002065603A2; WO2002065603A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Das Gebiet der Erfindung betrifft Corona- und Plasmabehandlungsvorrichtungsstationen, und vor allem betrifft sie das Kühlen und den selektiven Betrieb dieser Stationen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Oberflächenbehandlungsvorrichtung in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie beispielsweise bekannt ist aus der DE-A-24 27 933 .
Materialien, wie etwa Papier, Polymerbahnen und verschiedene Filme bzw. Dünnschichten, werden häufig beim Drucken, Beschichten und Laminieren verwendet. Beispielsweise besitzen zahlreiche Polymere chemisch inerte Oberflächen mit geringen Oberflächenenergien, welche unzureichende Verbindungseigenschaften bereitstellen. Um das Verbinden bzw. Anbinden zu verbessern, muss die Oberfläche des Materials behandelt werden, um die Oberflächenspannung zu erhöhen und dadurch die Auftragung von Kleb- bzw. Haftstoffen und Tinten zu verbessern. Es existiert eine Anzahl bekannter Techniken zur Behandlung der Oberfläche von Materialien zu Erhöhung der Oberflächenenergie, einschließlich der Flammenbehandlung, der chemischen Behandlung und Corona- und Plasmabehandlungen.
Bei der Coronabehandlung wird das Material üblicherweise durch eine Behandlungszone zugeführt, in welcher eine Oberfläche des Materials mit Ionen bombardiert wird, welche durch ein elektrisches Hochspannungswechselfeld erzeugt werden, das normalerweise bei Frequenzen von 10 bis 50 kHz betrieben wird. Das Material wird in der Behandlungszone durch eine Walze gestützt, die auch als eine Elektrode bei der Behandlungsvorrichtung dient. Eine aktive Elektrodenbaugruppe ist in der Behandlungszone getragen und von der Walze über Ihre gesamte Länge gleichmäßig beabstandet. Bei der aktiven Elektrode kann es sich entweder um eine einzelne integrale Elektrode handeln, die sich über die gesamte Breite der Behandlungsvorrichtungsstation erstreckt, oder es kann sich um einen Satz aus Elektrodensegmenten handeln, die selektiv in einer und aus einer Behandlungsstellung bewegt werden, um den Ort und die Breite der Behandlungszone einzustellen, wie im US Patent Nr. 3,409,537 offenbart. In jedem Fall ist eine Hochspannungswechselstromversorgung über die Walze und aktive Elektrode in Verbindung gebracht, um eine Corona zu erzeugen, durch welche die Bahn hindurch läuft.
Plasmabehandlungsvorrichtungen stellen eine gleichförmigere und besser steuerbare Oberflächenbehandlung bereit als Coronaoberflächenbehandlungsvorrichtungen. In Plasmabehandlungsvorrichtungen wird die Behandlungszone mit einem inerten Gas infundiert, welches durch die mit Strom versorgten Elektroden partiell ionisiert wird. Frühe Plasmabehandlungsvorrichtungen haben es erforderlich gemacht, dass der Druck des ionisierten Gases deutlich unter Atmosphärendruck verringert wurde. Dies machte teure und aufwendige Unterdruckkammern und Pumpen erforderlich, um den niedrigen Druck in der Behandlungszone aufrecht zu erhalten.
Plasma in der Behandlungszone bei Atmosphärendruck bildende Behandlungsvorrichtungen wurden daraufhin entwickelt, wie beispielsweise im US-Patent 5,456,972 offenbart. Das Plasma bildet sich bei Atmosphärendruck unter der Vorraussetzung, dass ein Inertgas, typischerweise Helium verwendet wird, dass ein Dielektrikum zwischen den Elektroden vorgesehen ist und dass die Betriebstemperatur und Spannung der Stormquelle in geeigneter Weise gewählt sind. In dem System gemäß dem US-Patent 5,789,145 war es erforderlich, das Gas zwangsweise durch geeignet bemessene und beabstandete Öffnungen in den Elektroden einzuleiten.
Die Technik von bei Atmosphärendruck arbeitenden Plasmabehandlungsvorrichtungen wurde weiter verfeinert durch das System, das im US-Patent 6,118,218 offenbart ist, demnach ein Gas oder Gasgemisch zwangsweise durch aktive Elektroden diffundiert wurde, die aus porösem Metall bestehen. Dieses Patent erläutert, dass, wenn das Gas durch die kleinen Poren der Elektroden hindurch tritt (in der Größenordnung von einem μm), ein Hohlkathodeneffekt hervorgerufen wird, der die Ionisierung des Gases derart erleichtert, dass atmosphärisches Plasma bei niedrigen Frequenzen erzeugt werden kann.
Die US-A-4 194 291 erläutert eine Vorrichtung zum Überziehen der Oberfläche von elektrisch leitfähigen Substraten mittels eines Verfahrens, bei welchem es sich um eine reine Plasmabehandlung handelt.
In sämtlichen dieser Systeme besteht ein konstruktives Hauptziel darin, einen bestimmten Behandlungspegel bei minimalem Eingangsstrom zu erzeugen. Um höhere Behandlungspegel mit einer vorgegebenen Behandlungsvorrichtung bei Atmosphärendruck zu erzielen wird ein höherer elektrischer Strom zugeführt. Höhere Strom- bzw. Energiepegel erzeugen mehr Wärme und es müssen Verfahren eingesetzt werden um diese Wärme zu zerstreuen. Derartige Verfahren umfassen das Kühlen der aktiven Elektrode mit externer Luft, das Kühlen der aktiven Elektrode mit Kühlfluiden unter Zusatz von aktiven Elektroden, die um den Umfang der Rollenelektrode angeordnet sind, um die Wärme zu zerstreuen. Sämtliche dieser Maßnahmen führen zu einer Erhöhung der Komplexität, der Größe und er Kosten der Behandlungsvorrichtung. Ferner können in die Elektrodenbaugruppe Schmutzstoffe eingeleitet werden. Das Kühlen mittels externer Luft ist für Plasmabehandlungsvorrichtungen außerdem deshalb nicht geeignet, weil das Plasma aus der Behandlungszone abgezogen werden kann.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Behandlungsvorrichtung mit einem Luftkühlsystem für eine oder mehrere rohrförmige aktive Elektroden mit Einlass- und Auslassanschlüssen in Verbindung mit einem inneren Hohlraum jeder aktiven Elektrode. Luft kann durch die aktiven Elektroden von den Einlass- zu den Auslassanschlüssen geleitet werden, um Wärmeenergie während des Einsatzes auszutragen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Behandlungsvorrichtung, welche in einer beliebigen von drei unterschiedlichen Betriebsarten betrieben werden kann. Die aktiven Elektroden bilden eine Kammer, in welche Gas aus einer oder mehreren Versorgungsleitungen gepumpt werden kann. Das Gas in der Kammer wird entlang den Entladungsflächen der aktiven Elektroden durch einen Diffusor verteilt, der aus poröser Keramik besteht. Die Strömung durch die Versorgungsleitung kann gesteuert werden, um die Nutzungsart zu wählen. Insbesondere können die Versorgungsleitungen derart unterbrochen werden, dass in der Behandlungszone ausschließlich während des Behandlungsprozesses Luft vorliegt. In diesem Fall stellt die Behandlungsvorrichtung eine Coronabehandlung bereit. Alternativ kann ein Gas oder Gasgemisch, enthaltend Helium zu der Behandlungszone geleitet werden, in welchem Fall die Behandlungsvorrichtung eine Plasmabehandlung in Atmosphäre bereitstellen kann. Schließlich kann die Behandlungsvorrichtung in einer „chemischen Corona"-Behandlungsbetriebsart betrieben werden, in welcher die Behandlungszone mit einem Gas oder Gasgemisch infundiert wird, das ionisiert ist, jedoch kein Plasma bildet.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Behandlungsvorrichtung zu schaffen, welche in einer von drei folgenden Behandlungsbetriebsarten betrieben werden kann: Einer Coronabe triebsart, einer chemischen Coronabetriebsart und mit atmosphärischem Plasma. Die Behandlungsvorrichtung gemäß der Erfindung kann in einer beliebigen der Betriebsarten betrieben werden, indem in einfacher Weise die Gasströmung zu den aktiven Elektroden gesteuert und die geeigneten Energie- bzw. Stromparameter gewählt werden. Der durch die aktive Elektrode und die Coronabehandlungsvorrichtung erzeugte Behandlungspegel kann pro Eingangsenergieeinheit durch Infundieren von Helium (und einem Heliumgemisch) in die Behandlungszone zur Erzeugung von Plasma bei einer Atmosphäre mit beträchtlich geringerem Stromverbrauch verbessert werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die aktiven Elektroden ausreichend zu kühlen, ohne Schmutzstoffe in die Baugruppe zu leiten oder ein Austragsystem hohen Volumens zu verwenden. Bewerkstelligt wird dies durch Verwenden hohler undurchlässiger aktiver Elektroden und Überführen von Wärmeenergie unter Nutzung eines geringen Volumens an unter Druck stehende Luft, die dort hindurch zirkuliert.
Die vorstehend genannten sowie weitere Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden Beschreibung. In dieser Beschreibung wird auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil von ihnen bilden, und in den Zeichnungen ist illustrativ eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsform definiert nicht den vollen Umfang der Erfindung. Diesbezüglich wird auf die Ansprüche verwiesen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Zeitkopfbehandlungsvorrichtungssystems;
2 zeigt schematisch eine einzige Kopfbehandlungsvorrichtung unter Darstellung von elektrischen Elektrodenanschlüssen und Gas- und Luftleitungsanschlüssen zu den Elektroden;
3 zeigt eine partielle Vorderaufrissansicht einer Aktivelektrodenbaugruppe, die an einem Tragkopf angebracht ist;
4 zeigt eine Stirnschnittansicht entlang der Linie 4-4 von 3 unter Darstellung der Verbindung bzw. des Anschlusses einer Aktivelektrodengruppe;
5 zeigt eine Stirnansicht der Aktivelektrodenbaugruppe von 3; und
6 zeigt eine Stirnschnittansicht entlang der Linie 6-6 von 3 unter Darstellung von Luft- und Gasversorgungsleitungen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie insbesondere in 1 gezeigt, umfasst eine Mehrbetriebsart-Behandlungsvorrichtungsstation eine kreisförmige zylindrische Rollenelektrode bzw. -Walzenelektrode 10 und eine oder mehrere Aktivelektrodenbaugruppen 12 (in 2 sind zwei hiervon gezeigt). Jede Aktivelektrodenbaugruppe 12 ist an einem Kopf 14 angebracht, der bevorzugt aus Aluminium besteht, und sowohl die Rollenelektrode 10 wie der Kopf 14 sind durch ein Paar von beabstandeten aufrechten Seitenbaugruppen 16 (nicht gezeigt) drehbar getragen. Ein Substrat in Form einer Bahn 18 wird in die Behandlungsvorrichtung an einem Paar von Zuführrollen 20 vorbei und um die Rollenelektrode 10 zugeführt, wodurch diese in Drehung versetzt wird. Die Rollenelektrode 10 besteht aus einem geeigneten Metall, wie etwa Aluminium oder Stahl, das mit einem wärmebeständigen dielektrischen Material, wie etwa einer Keramik beschichtet ist. Die Arbeitsfläche bzw. der Arbeitsbereich der Behandlungsvorrichtung ist durch eine Haube 22 eingeschlossen, die aus einer Anzahl von metallischen rohrförmigen Elementen und Tafeln gebildet ist, die bevorzugt aus einem geeigneten Blechmaterial bestehen und nach oben verschwenkt werden können, um Zugang zu den Aktivelektrodenbaugruppen 12 und zur Rollenelektrode 10 zu erlangen. Ein Auslassrohr 24, welches sich von der Innenseite der Haube 22 ausgehend erstreckt, saugt Ozon, welches durch den Ionisationsprozess erzeugt wird, in eine chemische Behandlungskammer, wie dies auf diesem Gebiet hinreichend bekannt ist.
Wie in 3, 4 und 5 gezeigt, enthält jede Aktivelektrodenbaugruppe 12 einen Elektrodenhalterungsblock 26, der bevorzugt aus wärmebeständigem, nicht korrodierendem und nicht leitfähigem Material besteht, wie etwa aus geeignetem Phenolharz. Zwei Aktivelektroden 28 sind in Eintiefungen 27 angebracht, die entlang der Länge des Halterungsblocks 26 verlaufen, um geringfügig von einander beabstandet und einwärts verkantet bzw. geneigt zu sein. Jede Aktivelektrode 28 umfasst ein längliches, bevorzugt aus Keramik bestehendes Elektrodenrohr 30 mit allgemein rechteckigem Querschnitt. Das Elektrodenrohr 30 erstreckt sich über im Wesentlichen die gesamte Breite der Behandlungsvorrichtung. Jedes Elektrodenrohr 30 weist nicht leitende Halterungsansätze 33 auf, die von einander um jeweils 45,7 bis 60,9 cm (18 bis 24 Inch) beabstandet sind, die in entsprechenden Öffnungen 32 angeordnet sind. Die Halterungsansätze bzw. -Zungen 32 besitzen Bohrungen mit Innengewinde für Schrauben 34, welche die Aktivelektroden 28 am Halterungsblock 26 halten. Jedes Ende der Elektrodenrohre 30 ist durch eine nicht leitende Endkappe (nicht gezeigt) verschlossen.
Jede Aktivelektrode 28 umfasst außerdem einen metallischen Elektrodenstreifen 36, der bevorzugt aus elektrisch stark leit fähigem Material, wie etwa Kupfer besteht, und er liegt entlang dem Boden des Elektrodenrohrs 30. Wie in 2 gezeigt, ist die Rollenelektrode 10 elektrisch mit Masse verbunden und der Elektrodenstreifen 36 ist mit einem Anschluss der Hochspannungsversorgung 37 verbunden, wie beispielsweise im US-Patent 4,423,461 offenbart.
Jede Aktivelektrode 28 besitzt eine aktive Entladefläche 38, die zur Rollenelektrode 10 weist. Die Aktivelektroden 28 sind derart geneigt verlaufend vorgesehen, dass sie der Kreisfläche der Rollenelektrode 10 folgen und die volle Breite der Entladeflächen 38 unmittelbar an der Oberfläche der Rollenelektrode 10 positionieren. Der Halterungsblock 26 ist außerdem so gebildet, dass er zwischen den Aktivelektroden 28 einen sich in Längsrichtung erstreckenden Kanal 40 umfasst, der am Boden durch einen lang gestreckten Diffusor 42 derart abgedeckt ist, dass eine zentrale Kammer 43 gebildet ist. Der Diffusor 42 bildet die poröse Wand der zentralen Kammer 43 und besteht bevorzugt aus wärmebeständigem, porösem Material. In der bevorzugten Ausführungsform besitzt das poröse Material eine Porosität von 2–20 μm, wie etwa ein poröses Keramikfilterelement AF6, das 6 μm aufweist, und das kommerziell erhältlich ist von Refractron Technologies Corp. Newark, New York.
Wie in 3 und 4 gezeigt, trägt jeder Kopf 14 einen Aktivelektrodenaufbau 12 an Vorsprüngen 44, die an der Oberseite des Halterungsblocks 26 festgelegt sind. Insbesondere ist der Halterungsblock 26 an zwei oder mehr ringförmigen Keramikrippenabstandhaltern 46 durch Schrauben 48 festgelegt. Die Keramikabstandhalter 46 sind ihrerseits an einem sich in Längsrichtung erstreckenden Flansch 50 festgelegt, der am Kopf 14 durch Befestigungselemente angebracht ist, die durch Luftspalteinstellmuttern 52 an Edelstahlblöcken 53 in Position gehalten sind. Diese Anordnung erlaubt es, dass die Höhe (und dadurch der Spalt zwischen den Aktivelektrodenbaugruppen 12 und der Rollenelektrode 10) eingestellt wird durch Hineindrehen und Herausdrehen der Luftspalteinstellmuttern 52, so wie erforderlich. Die Aktivelektrodenbaugruppen 12 sind durch einen Aluminiumschutz 55 abgedeckt.
Wie in 2, 3, 5 und 6 gezeigt, verlaufen zwei Luftschläuche 54 ausgehend von Anschlussstücken 56, die in Bohrungen im Halterungsblock 26 an Einlassöffnungen 58 an einem Ende der Aktivelektroden 28 angeordnet sind. Die Luftschläuche 54 können aus einem beliebigen geeigneten festen oder flexiblen Leitungsmaterial zum Führen von Luft bestehen, wie etwa aus Polyethylenschläuche. Am gegenüberliegenden Ende der Aktivelektroden 28 besitzen Auslassöffnungen 60 Anschlussstücke 62, die in entsprechenden Bohrungen im Halterungsblock 26 angeordnet sind, der die Auslassrohre 64 in Verbindung bringen, die sich ausgehend von den Aktivelektrodenbaugruppen 12 in Pyrexellenbogen 66 erstrecken, der in eine Öffnung im Kopf 14 passt. Die Auslassleitungen 64 erstrecken sich aus einer oder mehreren Öffnungen am Ende des Kopfes 14 heraus.
Eine Gasversorgungsleitung 68 verläuft von einem Anschlussstutzen 70 in einer Einlassöffnung 72 an einem Ende des Halterungsblocks 26, das zur Kammer 43 führt. Die Gasversorgungsleitung 68 besteht aus einem Edelstahlrohr und/oder einem flexiblen Teflonrohr bzw. -Schlauch. Obwohl nicht gezeigt, kann für größere Bauformen (beispielsweise über 150 cm (60 Inch)) eine (nicht gezeigte) zweite Gasversorgungsleitung zu einer zweiten Einlassöffnung 74 am gegenüberliegenden Ende des Halterungsblocks 26 verlaufen, um eine gleichförmigere Verteilung entlang der Länge der Aktivelektroden 28 bereitzustellen. Wenn eine zweite Gasversorgungsleitung nicht benötigt wird, kann die Einlassöffnung 74 durch einen geeigneten, nicht leitfähigen (nicht gezeigten) Stopfen verschlossen sein.
Die beiden Luftschläuche 54 und die Gasversorgungsleitung 68 erstrecken sich ausgehend von der Aktivelektrodenbaugruppe 12 in einen zweiten Ellenbogen 76 in einer Öffnung in der Nähe des gegenüberliegenden Endes des Kopfes 14, wo die Luftschläuche 54 und die Gasversorgungsleitung 68 den Kopf 14 verlassen. Wie in 2 gezeigt, sind die Luftschläuche 54 in geeigneter Weise mit einer Druckluftquelle 78 verbunden, wie etwa einem geeignetem Verdichter oder einer Versorgungsleitung von einem Druckluftsystem einer Produktionsanlage. Die Gasversorgungsleitung 68 verläuft zu einem Durchsatzeinstellgerät 80 mit einem Mischventil, welches mit einem oder mehreren Druckgasversorgungstanks 82 verbunden ist, von denen einer Helium enthält. Der zusätzliche bzw. die zusätzlichen Tanks 82 können Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxyd und Acetylen (oder ein anderes geeignetes Gas, das für diesen Zweck an sich bekannt ist) enthalten, die entsprechend dem zu behandelnden Material ausgewählt sind.
Die Luftquelle 78 pumpt etwa 2 CFM komprimierter Luft bzw. Druckluft durch die Luftschläuche 54 zum inneren Hohlraum der Aktivelektrodenrohre 30. Die Druckluft strömt von der Einlassöffnung 58 an einem Ende über die Länge der Aktivelektrode 28 und verlässt die Ausgangsöffnung 60. Die Druckluft ist relativ kühl im Vergleich den hohen Temperaturen der Aktivelektroden 28, welche bei 100C° arbeiten. Die relativ kühle Luft führt Wärme von den Aktivelektroden 28 zum Kühlen der Baugruppe 12 ab. Die Kühlluft durchsetzt den gesamten Oberflächenbereich der Innenwände der Aktivelektroden 28, wodurch Wärmeübertragung maximal gestaltet wird. Außerdem saugt die Druckluft keine Schmutzstoffe aus dem Arbeitsbereich ins Innere, die anderweitig auf den Aktivelektroden 28 karbonisiert werden können und dadurch während des Gebrauchs Lichtbogen bilden. Ebenso wenig evakuiert die Luft ionisierte Luft und das ionisierte Gas in der Behandlungszone 81 zwischen den Aktivelektroden 28 und der Rollenelektrode 10, was die Qualität der Behandlung beeinträchtigen würde.
Wie vorstehend angesprochen, kann die Behandlungsvorrichtung in drei Behandlungsbetriebsarten betrieben werden: In einer Coronabetriebsart, einer chemischen Coronabetriebsart und einer Plasmabetriebsart. In jedem Fall wird das Bahnmaterial 18 mit einer bestimmten Lineargeschwindigkeit durch die Behandlungszone 81 in der Nähe der Endladeflächen 38 der Aktivelektroden 28 zugeführt.
In der Coronabehandlungsbetriebsart wird die Gaszufuhr am Durchsatzeinstellgerät 80 derart gestoppt, dass kein Gas in der Behandlungszone vorliegt. Druckluft kann durch die Gasversorgungsleitung 68 geschickt werden, und zwar durch Öffnen des (in 2 nicht gezeigten) Ventils 86, um Luft an der Außenseite der Aktivelektroden 28 durch den Spalt zwischen den Aktivelektroden 28 unter dem Diffusor 42 zwangsweise vorbeizuleiten. Hierdurch erfolgt ein zusätzliches Kühlen der Aktivelektroden 28, was besonders nützlich ist, um die erhöhten Temperaturen bei dieser Behandlungsbetriebsart zu verringern, die hervorgerufen sind durch die höheren Energieerfordernisse beim Ionisieren von Luft. Keine Schmutzstoffe werden eingeleitet, weil Luft aus den Aktivelektroden 28 zwangsweise heraus und von diesen weg geleitet wird, und aufgrund des geringen Volumens und der Geschwindigkeit der Druckluft.
Wie vorstehend angesprochen, hängen die Energieanforderungen für die Aktivelektroden 28 von Faktoren ab, wie etwa der Art und Breite des Materials, das behandelt werden soll, sowie von der Lineargeschwindigkeit des Prozesses. Üblicherweise arbeiten die Aktivelektroden 28 bei 15–30 kHz und 10 kV, wenn eine Coronabehandlung einer Polymerbahn mit 152,4 cm (60 Inch) vorliegt.
Die Coronabehandlung stellt ein geeignetes makroskopisches Glätten der Materialoberfläche bereit und erhöht die Oberflächenspannung für ein standartgemäßes Etikettieren, Einfärben und Laminieren.
Der Behandlungspegel kann in gewissem Umfang verbessert werden durch betreiben der Behandlungsvorrichtung in der chemischen Coronabetriebsart, bei welcher Gas in die Behandlungszone infundiert und daraufhin durch die Aktivelektroden 28 ionisiert wird. Dies erfolgt durch Betreiben des Durchsatzeinstellgeräts 80 derart, dass dieses Gas von einem Versorgungstank 84 durch die Gasversorgungsleitung 68 in die Kammer 43 überträgt. In dieser Betriebsart ist das Ventil 86 derart geschlossen, dass Luft nicht durch die Gasleitung 68 geleitet werden kann. Das Gas in der Kammer 43 wird gleichmäßig über die Länge der Aktivelektroden 28 durch den Diffusor 42 übertragen. Das Gas wird in Übereinstimmung mit dem Material gewählt, das behandelt werden soll, wie an sich bekannt; beispielsweise wird Stickstoff üblicherweise für eine Behandlung von Polypropylenbahnen genutzt. Ein geeignetes Gemisch von Gasen kann außerdem in die Behandlungszone infundiert werden. Die Aktivelektroden 28 in dieser Betriebsart arbeiten unter in etwa denselben Eingangsparametern wie in der vorstehend genannten Gascoronabetriebsart.
Das Infundieren von Stickstoff kann außerdem dazu dienen, die Erzeugung von Ozon während des Ionisationsprozesses zu verringern, wodurch potentiell die Luftableitungsvolumenanfordernisse des Austragssystems verringert sind. Das Infundieren von gasförmigem Stickstoff in die Corona kann die Energie bzw. den Strom mindern, der erforderlich ist, einen gegebenen Behandlungspegel zu erzeugen, da dieses einfacher als Luft ionisiert werden kann.
In der Plasmabetriebsart wird das Durchsatzeinstellgerät 80 so eingestellt, um Helium zu der Behandlungszone derart zu leiten, dass dann, wenn es ionisiert wird, Plasma in der Behandlungszone 81 gebildet wird. Es wurde herausgefunden, dass der Heliumgehalt des ionisierten Gases in der Behandlungszone 80% Helium gering sein muß, damit Plasma gebildet wird. Wie an sich bekannt, stellt atmosphärische Plasmabehandlung, die häufig als „Glühendladungsplasma" bezeichnet wird, eine verbesserte Behandlung bei geringeren Energieanforderungen bereit, ohne die Bildung potentiell schädlicher „Streamer" die bei Coronabehandlungen auftreten können. Materialien mit Oberflächen, die mit Plasma behandelt sind, können nahezu homogen sein; obwohl die Plasmabehandlung nur zur Verwendung mit herkömmlichem Polymer, Folien- und Papieranwendungen geeignet ist, ist die Plasmabehandlung bevorzugt für Anwendungen, die eine gleichförmigere und verbesserte Behandlung erfordern, wie etwa photographische Verarbeitung.
Wenn die Behandlungsvorrichtung sich in der Plasmabetriebsart befindet, arbeiten die Aktivelektroden 28 bei in etwa 50–100 kHz und 2–6 kV, und zwar wiederum abhängig von den Eigenschaften des zu behandelnden Materials. Um diese Eigenschaften bereitzustellen, umfasst die Stromversorgung einen zweiten Transformator, abgesehen von anderen Dingen, mit höherem Entwicklungsverhältnis, in etwa 2 zu 1 über denjenigen, das für eine Corona- und chemische Coronabehandlung verwendet wird. Der Behandlungspegel wird teilweise ermittelt durch die Höhe des elektrischen Stroms bzw. die Höhe der elektrischen Energie. Üblicherweise führt die Anwendung von mehr elektrischer Energie zu einer Erhöhung des Behandlungspegels. Atmosphärische Plasmabehandlung liefert jedoch in etwa denselben Behandlungspegel wie eine Coronabehandlung bei verbesserter Gleichförmigkeit und bei niedrigerer Energie. Die Behandlungszone 81 (der Spalt zwischen den Aktivelektroden 28 und der Rollenelektrode 10) kann von etwa 0,15 (0,06 Inch) für die Coronabehandlung auf etwa 0,95 cm (0,375 Inch) vergrößert werden, wodurch der Materialdickenbereich signifikant vergrößert wird, der behandelt werden kann.
Die Erfindung stellt eine Behandlungsvorrichtung bereit, welche in einer von drei Behandlungsbetriebsarten durch einfaches Steuern der Gasströmung zu den Aktivelektroden betrieben werden kann. Die Behandlungsvorrichtungsbetriebsart kann je nach Anwendung gewählt werden. Beispielsweise kann die Behandlungsvorrichtung in der Coronabetriebsart für weniger präzise Anwendungen laufen gelassen werden, wie etwa zum Laminieren von Polyolefinmaterial oder in der chemischen Coronabetriebsart für eine verbesserte bzw. anspruchsvollere Behandlung von Propylenen. Die Behandlungsvorrichtung kann in der Plasmabetriebsart zur Behandlung von Teflon^® oder in Hochpräzisanwendungen betrieben werden, wie etwa für die photographische Prozessführung oder andere Anwendungen, bei denen eine optische Unzuträglichkeit besonders unerwünscht ist. Die Abänderungen (zwischen den Betriebsarten) kann rasch und problemlos bewirkt werden durch Betreiben des Durchflusseinstellgeräts zum Ändern der Art des Gases, das zur Behandlungszone fließt, oder durch Stoppen der Gasströmung insgesamt und durch Wählen geeigneter Energieparameter bzw. Stromparameter von der Stromversorgung 37.
Außerdem kann die erfindungsgemäße Behandlungsvorrichtung ausreichend gekühlt werden, ohne dass Schmutzstoffe in die Elektrodenbaugruppe eingeleitet werden. Bewerkstelligt wird dies dadurch, dass hohle Aktivelektroden verwendet werden und Druckluft durch diese zirkulieren gelassen wird, um Wärmeenergie von den Aktivelektroden auf die hindurch tretende Luft zu übertragen. In der Coronabetriebsart kann Druckluft durch die Gasleitung an den Außenflächen der Aktivelektroden für zusätzliches Kühlen gepumpt werden.
Es wird bemerkt, dass zahlreiche Abwandlungen der bevorzugten, vorstehend erläuterten Ausführungsform möglich sind, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, welche durch die anliegenden Ansprüche festgelegt ist. Beispielsweise können die Aktivelektroden gekühlt werden durch Pumpen von flüssigem Kühlmittel, wie etwa Wasser von der Druckluftquelle durch die Leitung, welche durch den rohrförmigen Körper der Aktivelektroden verläuft. Zur Interpretation des gesamten Umfangs der Erfindung sollte deshalb auf die Ansprüche Bezug genommen werden.

Claims

Oberflächenbehandlungsvorrichtung, aufweisend: Eine Rollenelektrode (10), die zur Aufnahme von Flachmaterial (18) angeordnet ist, das über seine Außenseite läuft; eine aktive Elektrode (28), die sich entlang der Richtung der Rollenelektrode (10) erstreckt und eine Entladeoberfläche (38) aufweist, die von der Rollenelektrode (10) beabstandet ist, um dazwischen eine Behandlungszone (81) festzulegen; eine Stromversorgung (37), von der ein Anschluss mit der Rollenelektrode (10) und ein weiterer Anschluss mit der aktiven Elektrode (28) verbunden ist, um Gas in der Behandlungszone (81) zu ionisieren; und eine Versorgungsleitung (68), die mit einer Gasversorgung zum Leiten von Gas zu der Behandlungszone (81) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (68) wahlweise mit einer Luftquelle (78) und einer Gasquelle (84) verbindbar ist, so dass die Behandlungsvorrichtung wahlweise in einer Koronabehandlungsbetriebsart und einer Plasmabehandlungsbetriebsart betrieben werden kann.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Versorgungsleitung (68) wahlweise mit einer Quelle (84) eines Gases verbindbar ist, das kein Plasma bildet, wenn es ionisiert wird, so dass die Behandlungsvorrichtung wahlweise in einer chemischen Koronabehandlung betrieben werden kann.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Kühlsystem mit dem Einlassanschluss (58) der aktiven E lektrode (28) verbunden ist, um Luft relativ niedriger Temperatur in die Elektrode zu leiten, und wobei das Kühlsystem aufweist: Eine Quelle für komprimierte Luft, und eine Leitung, die sich von dem Einlassanschluss (58) der aktiven Elektrode (28) ausgehend erstreckt und mit der Luftquelle verbindbar ist.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Einlassanschluss (58) und der Auslassanschluss (60) an gegenüberliegenden Enden der aktiven Elektrode (28) vorgesehen sind, und wobei das Kühlsystem außerdem eine mit dem Auslassanschluss (60) verbundene Auslassleitung aufweist.
Behandlungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, außerdem aufweisend eine zweite aktive Elektrode (28), die mit der Stromversorgung (37) verbunden und eine zur Rollenelektrode (10) weisende Entladeoberfläche aufweist, wobei die zweite aktive Elektrode (28) in Nebeneinanderlage zu der ersten aktiven Elektrode (28) ausgerichtet ist, um dazwischen eine Längskammer (43) festzulegen.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Versorgungsleitung in die Längskammer (43) mündet und mit einem Gasversorgungstank verbindbar ist, um Gas durch die Kammer (43) zu der Entladeoberfläche (38) zwangsweise zu überführen.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Gas aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Helium, Sauerstoff, Stickstoff, Argon, Acetylen, Kohlendioxid und Kombinationen hieraus besteht.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 7, außerdem aufweisend einen Diffusor (42), der sich zwischen den ersten und zweiten aktiven Elektroden (28) erstreckt und eine Bodenwand der Kammer (43) festlegt.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Gas Helium enthält, das in der Behandlungszone (81) ein Plasma bildet, wenn die aktive Elektrode (28) erregt bzw. mit Strom versorgt ist.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Diffusor (42) ein poröser Keramikstreifen ist.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 9 wobei die Gasströmung zu der Behandlungszone (81) zumindest 80 Helium aufweist.
Behandlungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten aktiven Elektroden (28) einen rohrförmigen Körper aufweisen, die einen Metallstreifen (36) tragen, der benachbart zur Entladeoberfläche (38) angeordnet ist, und wobei die Elektroden jeweils einen Einlassanschluss (58) und einen Auslassanschluss (60) in Verbindung mit einem inneren Hohlraum des rohrförmigen Körpers aufweisen.