EP0861575B1 - Generateur de plasma a quatre buses pour la formation d'un jet active - Google Patents

Generateur de plasma a quatre buses pour la formation d'un jet active Download PDF

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EP0861575B1
EP0861575B1 EP96934313A EP96934313A EP0861575B1 EP 0861575 B1 EP0861575 B1 EP 0861575B1 EP 96934313 A EP96934313 A EP 96934313A EP 96934313 A EP96934313 A EP 96934313A EP 0861575 B1 EP0861575 B1 EP 0861575B1
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plasma
diaphragm
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enclosure
generator
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Evgenia Zorina
Stanislav Begounov
Vladimir Enguelcht
Rudolph Konavko
Anatolii Saitshenko
Mikhail Samsonov
Ioulia Tsvetkova
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TePla AG
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IST Instant Surface Tech SA
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/44—Plasma torches using an arc using more than one torch

Definitions

  • the invention relates to a plasma generator with four nozzles for the formation of an activated jet, according to the preamble of claim 1.
  • This generator can be used in particular in surface treatment process (sterilization, cleaning, stripping, modification, deposit of recovery and films), of dispersed materials and monoliths, as well as for obtaining chemicals in electronics, automotive, food, medicine, chemistry, manufacture of machines and tools, etc.
  • the object of the invention is to propose a generator for plasma with four nozzles to obtain a gas jet activated of controllable composition, stable form, long resource for continuous work and optimal action on objects to be treated.
  • the invention relates to a plasma generator with four nozzles comprising two chambers with anode electrodes and two cathode electrode chambers, connected to sources of direct current and generating four plasma jets, the shape and trajectory are created using a system of external magnetic fields, so that the jets plasma form a single plasma flow with an area lowered temperature control unit in which is introduced the chemical component and / or the materials to treat, the electrode chambers of this generator being arranged in an enclosure into which a gas is introduced, this enclosure being composed of a concave flange to which are fixed the electrode chambers and a first flat diaphragm, water-cooled and provided with an orifice circular central arranged at the junction of the jets of plasma from the electrode chambers and crossed by the current.
  • the generator comprises, in downstream of the first diaphragm, a second diaphragm, cooled to water, whose orifice with a variable diameter, less than that of the plasma flow, this diaphragm being fixed to the enclosure through a circular wall, allowing the evacuation of part of the plasma and gases introduced into the enclosure.
  • the solution proposed by the present invention consists in modify the four nozzle plasma generator of art anterior, so as to create an activated composition flow controlled and effective action on the treated surface, while increasing the lifetime of the generator. Is equivalent to eliminate the disadvantages of the known four-nozzle generator described above, i.e. to suppress the flows of convection and reduce the radiation flux acting on the electrode chambers, their fasteners and while intensifying the action on the surface treated activated components of the flow created by the generator, reducing the amount of plasma reaching the surface to be treated.
  • the four nozzle generators shown in the Figures 1 and 2 include, like the known prototype described above, four electrode chambers 1, a system magnetic for shape and trajectory control plasma jets 7, a tube for the introduction of chemical components and / or products to be activated in the plasma funnel.
  • the new element of the construction of the generator is the enclosure, ventilated by a gas introduced by the nozzles 9, to which the chambers are fixed electrodes 1.
  • the enclosure consists of a cooled concave flange 2 with water and the water-cooled diaphragm system.
  • Figures 1a and 1b illustrate the case where the diaphragm includes a diaphragm in the form of a flange annular cooled 5, whose internal diameter is such that it allows the passage of the plasma flow inside which the products to be activated are introduced via the nozzle 3, and the peripheral flow of gas introduced into the enclosure by the nozzles 9.
  • This gas stabilizes the plasma flow and prevents formation of vortices and their contact with the electrodes, their fixing and supply parts.
  • the accompanying flow of gas, passing peripherally through the orifice of the diaphragm 5 stabilizes plasma flow, decreases mixing plasma with surrounding gases, decreases the transfer of radical heat of the plasma flow, which lengthens the jet resulting from plasma.
  • the diaphragm 5 whose opening 8 is relatively small, greatly reduces radiation from plasma 6 directed towards the electrode chambers.
  • Figures 2a and 2b illustrate the case where the diaphragms includes, in addition to diaphragm 5 whose functions are exposed above, a diaphragm 10 cooled with water, adjustable hole, the diameter of which is smaller than that of the plasma flow and which only allows the flow of gas activated.
  • the diaphragm 10 is fixed to the enclosure by through a circular wall 11.
  • the gas from nozzles (9) as well as the activating plasma are evacuated by through orifices 12.
  • This diaphragm eliminates peripheral plasma gases and accompanying gases which are an obstacle to the diffusion of activated particles towards the surface to be treated.
  • the diaphragm 10 also makes it possible to obtain a uniform distribution of temperature and composition of the activated stream from the proposed generator.

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Description

L'invention concerne un générateur de plasma à quatre buses pour la formation d'un jet activé, selon le préambule de la revendication 1.
Ce générateur peut être utilisé notamment dans les processus de traitement de surfaces (stérilisation, nettoyage, décapage, modification, dépôt de recouvrement et de films), de matériaux dispersés et monolithes, ainsi que pour l'obtention de produits chimiques dans les domaines de l'électronique, l'automobile, l'alimentaire, la médecine, la chimie, la fabrication de machines et d'outils, etc.
On connaít des générateurs de plasma à quatre buses contenant deux chambres à électrodes anodes et cathodes, connectées à des sources de courant continu et qui génèrent quatre jets de plasma dont la forme et la trajectoire se créent à l'aide d'un champ magnétique extérieur de sorte que les jets de plasma, en convergeant, forment un flux unique de plasma dont la température dans la zone centrale, dans laquelle sont introduits les produits chimiques et/ou les matériaux à traiter, est surbaissée par rapport aux zones peripheriques. De tels dispositifs sont décrits dans le document "Bases de la réalisation de la méthode de traitement dynamique par plasma de la surface d'un corps solide" P. P. Koulik et autres, "Plasmochimie 87", Moscou 1987, partie 2, pp. 58 à 96, ainsi que dans les demandes de brevet FR 2 678 467 et GB 2 271 044.
La construction des chambres à électrodes (anode et cathode) est décrite dans le document "Plasmatron à deux jets Frounze", I.I. Lenbaïev, V.S. Enguelsht, "Ilim" ,1983.
L'avantage de tels générateurs selon l'art antérieur est dû d'une part à la configuration spécifique des flux de plasma qui a la forme d'un entonnoir de plasma, ce qui permet d'introduire et de traiter de manière efficace différents produits. D'autre part, le courant électrique qui traverse le jet de plasma le chauffant et l'activant avec des pertes minimales, vu l'absence de parois refroidies, implique que le rendement de ce dispositif est haut.
Un tel dispositif peut être utilisé de manière efficace pour la stérilisation de surfaces, leur nettoyage, modification, décapage et dépôt de recouvrements et de films. Son exploitation a cependant permis d'observer les désavantages suivants :
  • 1. La génération des jets et du flux de plasma s'accompagne de la formation de tourbillons toroïdes. Les flux de gaz chauds qui en résultent viennent échauffer les pièces des chambres à électrodes des éléments de fixation et d'alimentation, d'une part, et occasionnent des pertes sensibles de chaleur diminuant ainsi le rendement du générateur. D'autre part, dans certains cas le degré de turbulence du flux de plasma est augmenté et il apparaít des pertes des produits introduits dans la partie centrale du flux, donnant naissance à des effets secondaires néfastes pour le temps de vie du générateur, puisque ces produits se déposent sur la surface des chambres à électrodes, des pièces de fixation et d'alimentation. La radiation du plasma, qui est spécialement élevée lors de l'introduction dans le flux de plasma de produits chimiques, est aussi une source d'échauffement superflue des diverses pièces du générateur exposées à cette radiation. Le résultat de l'effet simultané des flux de convection et de radiation est, en fin de compte, que le temps de vie du générateur est diminué à cause de l'échauffement superflu de ses pièces et de la formation de couches de dépôts de faible conduction thermique, rendant difficile le refroidissement de ces pièces.En plus, de temps à autres, les couches de dépôt se détruisent et, emportées par les tourbillons de gaz, viennent souiller les surfaces traitées et le flux de plasma lui-même, rendant ce dernier de composition pratiquement incontrôlable.
  • 2. Le flux de plasma ayant accompli son action d'échauffement et d'activation des produits qui y sont introduits, son rôle est terminé et sa présence à la périphérie du flux de produit activé n'est plus nécessaire. Quand le produit activé est un gaz (cas de beaucoup d'applications, notamment nettoyage, décapage, dépôt de films, modification de surface) la présence du plasma original à la périphérie du flux activé devient un obstacle à l'efficacité du traitement de surface. En effet, le plasma, toujours chaud, chauffe la surface traitée ce qui, en général, est à éviter. En outre, le plasma, à la surface n'est plus qu'une composante passive qui n'entre pas en action avec la surface, les seules particules agissantes étant celles que le plasma a activées et qui atteignent la surface par diffusion. Le plasma résiduel est un obstacle à cette diffusion, obstacle d'autant plus signifiant que la section efficace des particules corrigées composant le plasma est, en moyenne, d'un ordre de grandeur supérieur à celle des particules neutres (activées) et donc la présence de ces particules réduit très sensiblement le coefficient de diffusion des particules activées, donc le flux de diffusion, et en fin de compte l'efficacité du traitement.
    • Le but de l'invention est de proposer un générateur de plasma à quatre buses permettant d'obtenir un jet de gaz activé de composition contrôlable, de forme stable, à longue ressource de travail continu et d'action optimale sur les objets à traiter.
    A cet effet, l'invention concerne un générateur de plasma à quatre buses comportant deux chambres à électrodes anodes et deux chambres à électrodes cathodes, connectées à des sources de courant continu et générant quatre jets de plasma dont la forme et la trajectoire sont créés à l'aide d'un système de champs magnétiques extérieurs, de telle manière que les jets de plasma forment un flux de plasma unique présentant une zone centrale de température surbaissée dans laquelle est introduite la composante chimique et/ou le matériaux à traiter, les chambres à électrodes de ce générateur étant disposées dans une enceinte dans laquelle on introduit un gaz, cette enceinte étant composée d'une bride concave à laquelle sont fixées les chambres à électrodes et d'un premier diaphragme plat, refroidi à l'eau et pourvu d'un orifice central circulaire disposé à l'endroit de la jonction des jets de plasma issus des chambres à électrodes et traversés par le courant.
    Selon un mode d'exécution, le générateur comporte, en aval du premier diaphragme, un second diaphragme, refroidi à l'eau, dont l'orifice à un diamètre variable, inférieur à celui du flux de plasma, ce diaphragme étant fixé à l'enceinte par l'intermédiaire d'une paroi circulaire, permettant l'évacuation d'une partie du plasma et des gaz introduits dans l'enceinte.
    La solution proposée par la présente invention consiste à modifier le générateur de plasma à quatre buses de l'art antérieur, de manière à créer un flux activé de composition contrôlée et d'action efficace sur la surface traitée, tout en augmentant le temps de vie du générateur. Cela revient à liquider les désavantages du générateur à quatre buses connu décrit plus haut, c'est-à-dire à supprimer les flux de convection et réduire les flux de radiation agissant sur les chambres à électrodes, leurs éléments de fixation et d'alimentation, tout en intensifiant l'action sur la surface traitée des composantes activées du flux créé par le générateur, en réduisant la quantité de plasma atteignant la surface à traiter.
    On décrit ci-après le générateur selon l'invention, en se référant au dessin sur lequel:
    • les figures 1a et 1b illustrent un premier exemple de générateur selon l'invention, respectivement selon une vue du côté du diaphragme (le diaphragme étant montré en traitillés) et en section latérale; les repères relatifs à ces deux figures sont les suivants:
    • 1. Chambres à électrodes
    • 2. Bride concave de l'enceinte, refroidie à l'eau
    • 3. Buse d'introduction des composantes chimiques et/ou des matériaux à traiter.
    • 4. Jets de plasma
    • 5. Diaphragme plat refroidi à l'eau
    • 6. Flux résultant de plasma
    • 7. Système magnétique
    • 8. Orifice circulaire du diaphragme
    • 9. Tuyères d'introduction du gaz.
    • les figures 2a et 2b illustrent un second exemple de générateur selon l'invention, respectivement selon une vue du côté des diaphragmes (les diaphragmes étant montrés en traitillés) et en section latérale; les repères relatifs à ces deux figures sont les suivants:
    • 1. Chambres à électrodes
    • 2. Bride concave de l'enceinte, refroidie à l'eau
    • 3. Buse d'introduction des composantes chimiques et/ou des matériaux à traiter
    • 4. Jets de plasma
    • 5. Diaphragme plat refroidi à l'eau
    • 6. Flux résultant de plasma
    • 7. Système magnétique
    • 8. Orifice circulaire du diaphragme
    • 9. Tuyères d'introduction du gaz
    • 10. Deuxième diaphragme, ajustable, refroidi à l'eau
    • 11. Paroi circulaire
    • 12. Orifice d'évacuation du plasma et du gaz introduit dans l'enceinte
    • 13. Jet résultant de gaz activé
    • la figure 3 est un schéma illustrant la fonction des diaphragmes d'après la distribution de la température (T) et de la composition (C) du flux issu du générateur, à différentes distances des chambres à électrodes.
    Les générateurs à quatre buses représentés sur les figures 1 et 2 comportent, comme le prototype connu décrit plus haut, quatre chambres à électrodes 1, un système magnétique pour le contrôle de la forme et de la trajectoire des jets de plasma 7, un tube pour l'introduction des composantes chimiques et/ou des produits à activer dans l'entonnoir de plasma. Le nouvel élément de la construction du générateur est l'enceinte, ventilée par un gaz introduit par les tuyères 9, à laquelle sont fixées les chambres à électrodes 1.
    L'enceinte est constituée d'une bride concave 2 refroidie à l'eau et du système de diaphragmes refroidis à l'eau.
    Les figures 1a et 1b illustrent le cas où le système de diaphragme comprend un diaphragme sous forme de bride annulaire refroidie 5, dont le diamètre intérieur est tel qu'il permet le passage du flux de plasma à l'intérieur duquel sont introduits par la buse 3 les produits à activer, et le flux périphérique de gaz introduit dans l'enceinte par les tuyères 9.
    Ce gaz stabilise le flux de plasma et empêche la formation de tourbillons et leur contact avec les chambres à électrodes, leurs pièces de fixation et d'alimentation. Les jets de plasma issus des chambres à électrodes convergent et se joignent dans le plan du diaphragme 8. Le flux accompagnant de gaz, passant périphériquement à travers l'orifice du diaphragme 5 stabilise le flux de plasma, diminue le mélange de plasma avec les gaz environnants, diminue le transfert de chaleur radical du flux de plasma, ce qui allonge le jet résultant de plasma. Le diaphragme 5 dont l'orifice 8 est relativement petit, réduit fortement la radiation du flux de plasma 6 dirigée vers les chambres à électrodes.
    Les figures 2a et 2b illustrent le cas où le système de diaphragmes comprend, outre le diaphragme 5 dont les fonctions sont exposées plus haut, un diaphragme 10 refroidi à l'eau, d'orifice ajustable, dont le diamètre est plus petit que celui du flux de plasma et qui laisse passer seulement le flux de gaz activé.
    Le diaphragme 10 est fixé à l'enceinte par l'intermédiaire d'une paroi circulaire 11. Le gaz issu des tuyères (9) ainsi que le plasma activant sont évacués par l'intermédiaire d'orifices 12. Ce diaphragme permet d'éliminer les gaz de plasma périphériques et les gaz d'accompagnement qui sont un obstacle à la diffusion des particules activées vers la surface à traiter. Comme le montre le schéma de la figure 3, le diaphragme 10 permet aussi d'obtenir une distribution uniforme de la température et de la composition du flux activé issu du générateur proposé.

    Claims (2)

    1. Générateur de plasma à quatre buses comportant deux chambres à électrodes anodes (1) et deux chambres à électrodes cathodes (1), connectées à des sources de courant continu et générant quatre jets de plasma (4) dont la forme et la trajectoire sont créés à l'aide d'un système de champs magnétiques extérieurs (7), de telle manière que les jets de plasma forment un flux de plasma (6) unique présentant une zone centrale de température surbaissée dans laquelle est introduite la composante chimique et/ou le matériaux à traiter, caractérisé en ce que les chambres à électrodes sont disposées dans une enceinte dans laquelle on introduit un gaz, cette enceinte étant composée d'une bride concave (2) à laquelle sont fixées les chambres à électrodes et d'un premier diaphragme plat (5), refroidi à l'eau et pourvu d'un orifice central circulaire (8) disposé à l'endroit de la jonction des jets de plasma issus des chambres à électrodes et traversés par le courant.
    2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en aval du premier diaphragme, un second diaphragme (10), refroidi à l'eau, dont l'orifice à un diamètre variable, inférieur à celui du flux de plasma, ce diaphragme étant fixé à l'enceinte par l'intermédiaire d'une paroi circulaire (11), permettant l'évacuation d'une partie du plasma et des gaz introduits dans l'enceinte.
    EP96934313A 1995-11-13 1996-11-12 Generateur de plasma a quatre buses pour la formation d'un jet active Expired - Lifetime EP0861575B1 (fr)

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