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Die Erfindung bezieht sich auf einen Vierdüsen-
Plasmagenerator für die Erzeugung eines aktivierten Strahles
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.[0001]
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Ein solcher Generator kann insbesondere für die
Oberflächenbearbeitung (Sterilisation, Reinigung, Beizen,
Modifizieren, Ablagerung von Abdeckungen und dünnen Schichten) von
dispergierten oder monolithischen Materialien verwendet
werden, ebenso für das Erzeugen von chemischen Produkten auf dem
Gebiet der Elektronik, des Automobils, der Versorgung, der
Medizin, der Chemie, der Herstellung von Maschinen und
Werkzeugen, etc.[0002]
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Es sind Plasmageneratoren mit vier Düsen bekannt, die
zwei Kammern mit Anodenelektroden aufweisen, welche mit
Gleichstromquellen verbunden sind und vier Plasmastrahlen
erzeugen, deren Form und Bahn mit Hilfe eines äußeren
Magnetfeldes in solcher Weise bestimmt werden, dass die
Plasmastrahlen konvergierend einen einzigen Plasmastrom bilden,
dessen Temperatur in der zentralen Zone, in die chemische
Komponenten und/oder die zu behandelnden Materialien
eingeführt werden, niedriger ist in Bezug zu den peripheren Zonen.
Solche Vorrichtungen sind z. B. in dem Aufsatz "Bases de la
realisation de la méthode de traitement dynamique par plasma
de 1a surface d'un corps solide" von P. P. Koulik und
anderen, "Plasmochimie 87", Moskau 1987, Band 2, Seiten 58-96 und
ebenso in den Pantentanmeldungen FR 2 678 467 und GB 2 271
044 beschrieben.[0003]
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Die Konstruktion der Kammern mit den Elektroden (Anode
und Kathode) ist in dem Aufsatz "Plasmatron à deux jets
Frounze", I. I. Lenbaiev, V. S. Enguelsht, "Ilim" 1983
beschrieben.[0004]
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Der Vorteil derartiger Generatoren nach dem Stand der
Technik ist auf der einen Seite bedingt durch die spezifische
Konfiguration der Plasmaströme, die die Form eines
Plasmatrichters hat, was es erlaubt, verschiedene Komponenten
wirkungsvoll einzuführen und zu behandeln. Auf der anderen
Seite bringt es der elektrische Strom, der den Plasmastrahl
durchquert und ihn aufheizt und mit minimalen Verlusten
aktiviert auf Grund des Fehlens von gekühlten Wänden mit sich,
dass der Wirkungsgrad dieser Vorrichtung hoch ist.[0005]
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Eine derartige Vorrichtung kann wirkungsvoll für die
Sterilisation von Oberflächen, für deren Reinigung,
Modifizierung, für das Beizen und für die Ablagerung von
Abdeckungen und Schichten verwendet werden. Bei dem Betrieb wurden
jedoch die folgenden Nachteile beobachtet:[0006]
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1. Die Erzeugung der Plasmastrahlen und des
Plasmastromes wird von der Bildung von ringförmigen
Wirbeln begleitet. Die heißen Gasströme, die daraus
resultieren, heizen auf der einen Seite die Teile
der Elektrodenkammern, deren Halteelemente und
Versorgungselemente auf und führen zu
empfindlichen Wärmeverlusten, die wiederum die Leistung des
Generators vermindern. Auf der anderen Seite wird
in einigen Fällen der Turbulenzgrad des Plasmas
erhöht und es treten erhebliche Verluste der
in den zentralen Teil des Plasmastromes
eingeführten Komponenten auf, wodurch für die Lebensdauer
des Generators negative Sekundäreffekte erzeugt
werden, da sich diese Komponenten auf der
Oberflä
che der Elektrodenkammern, an den
Befestigungsstücken und den Versorgungselementen ablagern. Die
Plasmastrahlung, die während der Einführung von
chemischen Produkten in den Plasmastrom deutlich
erhöht ist, ist so eine überflüssige Aufheizquelle
für verschiedene Teile des Generators, die dieser
Strahlung ausgesetzt sind.
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Das Ergebnis des gleichzeitigen Auftretens von
Konvektionsströmen und Wärmeströmen ist, dass
schließlich die Lebensdauer des Generators auf
Grund der überflüssigen Aufheizung seiner Teile
und auf Grund der Bildung von Ablageschichten mit
schlechter thermischer Leitfähigkeit verringert
wird, wodurch es gleichzeitig schwierig wird,
diese Teile zu kühlen.
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Darüber hinaus werden im Laufe der Zeit die
Ablagerungsschichten zerstört und verschmutzen,
mitgenommen durch die Gaswirbel, die behandelten
Oberflächen und den Plasmastrom selbst, wodurch dieser
eine praktisch unkontrollierbare Zusammensetzung
erhält.
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2. Nach der Aufheizung und Aktivierung der
eingeführten Komponenten hat der Plasmastrom seine Rolle
beendet und sein Vorhandensein an der Peripherie
des Stromes der aktivierten Komponenten ist nicht
mehr notwendig. Wenn die aktivierte Komponente ein
Gas ist (im Falle vieler Anwendungen, insbesondere
bei der Reinigung, beim Beizen, bei der Ablagerung
von Schichten und der Modifizierung von
Oberflächen) wird die Gegenwart von originalem Plasma an
der Peripherie des aktivierten Flusses sogar ein
Nachteil für den Wirkungsgrad der
Oberflächenbehandlung. Tatsächlich heizt nämlich das immer noch
heiße Plasma die behandelte Oberfläche auf, was
generell vermieden werden sollte. Darüber hinaus
ist das Plasma an der Oberfläche nur eine passive
Komponente, die nicht mit der Oberfläche in Aktion
tritt, wobei die einzigen agierenden Teilchen
diejenigen sind, die das Plasma aktiviert hat und die
die Oberfläche durch Diffusion erreichen. Das
restliche Plasma ist für diese Diffusion ein
Hindernis, dahingehend, dass der wirksame Teil der
betroffenen Teilchen, die das Plasma bilden, im
Durchschnitt von einer Größenordnung ist, die
höher als diejenige der neutralen (aktivierten)
Teilchen ist, und daß daher die Anwesendheit
dieser Teilchen sehr empfindlich den
Diffusionskoeffizienten der aktivierten Partikel und damit
auch den Diffusionsfluss reduziert und
letztendlich auch den Wirkungsgrad der Behandlung.
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[0007] Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vierdüsen-
Plasmagenerator vorzuschlagen, mit dem ein aktivierter
Gasstrahl mit kontrollierbarer Zusammensetzung und mit einer
stabilen Form bei langer Betriebsdauer und optimaler
Auswirkung auf die zu behandelnden Objekte erreicht wird.
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[0008] Daher betrifft die Erfindung ein Vierdüsen-
Plasmagenerator, der zwei Kammern mit Anodenelektroden und
zwei Kammern mit Kathodenelekroden aufweist, welche mit
Gleichstromquellen verbunden sind und vier Plasmastrahlen
erzeugen, deren Form und Bahn mit Hilfe eines äußeren
Magnetfeldsystemes in solcher Weise bestimmt werden, dass die
Plasmastrahlen einen einzigen Plasmastrom mit einer zentralen
Zone mit verringerter Temperatur bilden, in welche die
chemische Komponente und/oder das zu behandelnde Material
eingeführt werden, wobei die Elektrodenkammern in einer Hülle
angeordnet sind, in welcher ein Gas eingeführt wird, wobei
diese Hülle aus einem konkaven Flansch, an welchem die
Elektro
denkammern befestigt sind, und aus einer ersten ebenen
wassergekühlten Blende besteht, die eine zentrale kreisrunde
Öffnung an der Zusammenflussstelle der von den
Elektrodenkammern stammenden Plasmastrahlen aufweist, durch welche der
Strom fließt.
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[0009] Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der
Generator stromabwärts der ersten Blende eine zweite
wassergekühlte Blende auf, deren Öffnung einen veränderbaren
Durchmesser hat, welcher kleiner als der des Plasmastroms ist,
wobei diese Blende an der Hülle über eine kreisrunde Wandung
befestigt ist, und den Ablass eines Teiles des Plasmas und
der in die Hülle eingeführten Gase erlaubt.
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[0010] Die mit der Erfindung vorgeschlagene Lösung besteht
somit darin, den aus dem Stand der Technik bekannten
Vierdüsen-Plasmagenerator so zu modifizieren, dass ein aktiver
Fluss mit kontrollierter Zusammensetzung und mit
wirkungsvoller Bearbeitung der zu behandelnden Oberfläche erzeugt wird,
wobei gleichzeitig die Lebensdauer des Generators erhöht
wird. Hiermit werden auch die Nachteile des oben
beschriebenen bekannten Vierdüsen-Generators vermieden, d. h. dass der
Konvektionsfluss unterdrückt und die Strahlungsströme, die
auf die Elektrodenkammern, deren Befestigungselemente und
Versorgungselemente wirken, unterdrückt werden, wobei
insgesammt die Bearbeitung der zu behandelnden Oberfläche durch
die aktivierten Komponenten des durch den Generator erzeugten
Flusses verstärkt und gleichzeitig die Menge des Plasmas
verringert wird, das die zu behandelnde Oberfläche erreicht.
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[0011] Im nachfolgenden wird der Generator gemäß der
Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser
stellen dar:
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- Fig.
1a und 1b ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Generators gemäß der Erfindung, und zwar in einer
Seitenansicht auf die Blende (wobei die Blende
gestrichelt dargestellt ist) bzw. in einem Querschnitt;
die Bezugszeichen in diesen beiden Figuren bedeuten
folgendes:
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1. Elektrodenkammern
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2. Wassergekühlter konkaver Flansch
der Hülle
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3. Düse zum Einführen der chemischen
Komponenten und/oder der zu
behandelnden Materialien
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4. Plasmastrahlen
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5. Wassergekühlte ebene Blende
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6. Resultierender Plasmastrom
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7. Magnetisches System
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8. Runde Öffnung der Blende
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9. Düsen zum Einführen von Gas.
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Fig. 2a und 2b ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Generators gemäß der Erfindung, und zwar in einer
Ansicht von Seiten der Blenden (die Blenden sind
gestrichelt dargestellt) bzw. in einem Querschnitt; die
Bezugszeichen in diesen beiden Figuren bedeuten
folgendes:
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1. Elektrodenkammern
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2. Wassergekühlter konkaver Flansch der
Hülle
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3. Düse zum Einbringen der chemischen
Komponenten und/oder der zu behandeln
den Materialien
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4. Plasmastrahlen
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5. Wassergekühlte ebene Blende
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6. Resultierender Plasmastrom
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7. Magnetisches System
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8. Kreisförmige Öffnung der Blende
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9. Düsen zum Einführen von Gas
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10. Zweite wassergekühlte und einstellbare
Blende
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11. Kreisförmige Wand
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12. Öffnung zum Evakuieren des Plasmas und
des in die Hülle eingeführten Gases
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13. Resultierender aktivierter Gasstrahl
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- Fig. 3 eine schematische Darstellung der Funktion
der Blenden in Abhängigkeit des Temperaturverlaufes
(T) und der Zusammensetzung (C) des von dem Generator
erzeugten Stromes bei unterschiedlichen Abständen der
Elektrodenkammern
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[0012] Die Vierdüsen-Generatoren, die in den Fig. 1 und 2
dargestellt sind, weisen wie der bekannte oben beschriebene
Prototyp jeweils vier Elektrodenkammern 1 auf, ferner ein
magnetisches System für die Steuerung der Form und der Bahn der
Plasmaströme 7 sowie ein Rohr für die Einführung von
chemischen Komponenten und/oder Produkten auf, die in dem
Plasmatrichter aktiviert werden sollen. Ein neues Element bei der
Konstruktion des Generators ist eine Hülle, die mit einem Gas
belüftet wird, das über Düsen 9 zugeführt wird, wobei mit der
Hülle die Elektrodenkammern 1 befestigt sind.
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[0013] Die Hülle wird aus einem wassergekühlten konkaven
Flansch und einem wassergekühlten Blendensystem gebildet.
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[0014] Die Fig. 1a und 1b stellen den Fall dar, wo das
Blendensystem eine Blende in Form eines ringförmigen
Flansches 5 aufweist, dessen innerer Durchmesser so bemessen ist,
dass der Plasmastrom in den Innenraum, in den über die Düse 3
die zu behandelnden Produkte eingeführt werden und der
peri
phere Gasstrom durchgelassen werden, der in die Hülle über
die Düsen 9 eingeführt wird.
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[0015] Dieses Gas stabilisiert den Plasmastrom und verhindert
die Bildung von Wirbeln und deren Kontakt mit den
Elektrodenkammern, mit deren Befestigungs- und Versorgungselementen.
Die aus den Elektrodenkammern austretenden Plasmastrahlen
konvergieren und vereinigen sich in der Ebene der Blende 8.
Der begleitende Gasstrom, der im peripheren Bereich durch die
Öffnung der Blende 5 hindurchtritt, stabilisiert den
Plasmastrom, vermindert die Mischung des Plasmas mit den umgebenden
Gasen und vermindert die radiale Wärmeübertragung aus dem
Plasmastrom, wodurch der aus dem Plasma resultierende Strahl
verlängert wird. Die Blende 5, deren Öffnung 8 relativ klein
ist, reduziert die auf die Elektrodenkammern gerichtete
Strahlung des Plasmaflusses 6 erheblich.
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[0016] Die Fig. 2a und 2b stellen den Fall dar, wo das
Blendensystem neben der Blende 5, deren Wirkungen oben
erklärt wurden, eine weitere wassergekühlte Blende 10 aufweist,
die eine einstellbare Öffnung aufweist, deren Durchmesser
kleiner ist als derjenige des Plasmastromes und die nur den
Strom des aktivierten Gases hindurchlässt.
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[0017] Die Blende 10 ist in der Hülle mit Hilfe einer
kreisförmigen Wand 11 befestigt. Das Gas, das von den Düsen
abgegeben wird, wird ebenso wie das aktivierende Plasma über
Öffnungen 12 abgesaugt. Mit dieser Blende können die peripheren
Plasmagase und die begleitenden Gase, die ein Hindernis für
die Diffusion der aktivierten Teilchen in Richtung auf die zu
behandelnde Oberfläche sind, eliminiert werden. Wie das Schema
gemäß der Fig. 3 zeigt, kann mit der Blende 10 ebenfalls
eine gleichförmige Verteilung der Temperatur und der
Zusammensetzung des aktivierten, aus dem vorgeschlagenen Generator
abgegebenen Flusses erreicht werden.