EP1292176A2 - Device for the production of an active gas beam - Google Patents
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- EP1292176A2 EP1292176A2 EP02019754A EP02019754A EP1292176A2 EP 1292176 A2 EP1292176 A2 EP 1292176A2 EP 02019754 A EP02019754 A EP 02019754A EP 02019754 A EP02019754 A EP 02019754A EP 1292176 A2 EP1292176 A2 EP 1292176A2
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- H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
- H05H1/3484—Convergent-divergent nozzles
Definitions
- the invention relates to a device for generating a chemically active Jet (hereinafter referred to as active gas jet) by means of an electrically generated Plasma in a process gas used.
- active gas jet a chemically active Jet
- the invention is particularly suitable for the treatment of surfaces, e.g. for pretreatment and cleaning of Surfaces before gluing, coating or painting, for coating, Hydrophilizing, removing electrical charges or sterilizing and for Acceleration of chemical reactions.
- the gas to be activated is passed directly through an electrical discharge zone.
- the discharge zone is formed in a tube by means of an electric field, with either electrodes being arranged laterally inside the tube in the direction of flow of the gas, or a discharge chamber made of insulating material without electrodes installed in a waveguide.
- This solution has the disadvantage already mentioned above that, at a high speed of the activated gas flow, there is a high probability of electromagnetic fields and the electrical discharge zone itself emerging from the discharge chamber in the direction of the active gas jet, since there is no shielding ring electrode at the end of the discharge chamber.
- the arrangement described in EP 0 305 241 A1 prevents the operator from being endangered by a separate, closed processing chamber in which the surface treatment of the material takes place.
- the invention has for its object a new way to Generation of a chemically active jet (active gas jet) by means of a electrical discharge generated plasma in a process gas used find at which at an increased process gas speed the active gas jet on the processing surface develops a high chemical activity and already on Output of the device is electrically neutral, so that it is not a hazard to Operating personnel, environment and processed surface.
- active gas jet active gas jet
- the object in a device for generating a chemically active jet (active gas jet) by means of an electrical discharge generated plasma in a process gas used with an essentially cylindrical discharge chamber, through which a process gas flows and in to activate the process gas, plasma generation due to electrical Gas discharge is provided, a gas inlet for the continuous supply of the Process gas into the discharge chamber and an outlet opening for alignment of the active gas jet onto a surface to be processed, characterized in that that the discharge chamber has a tapered end to increase the Has velocity of the active gas jet, the tapered end of the Discharge chamber a limiting channel to prevent the spread of the Discharge zone in the free space for the surface to be processed is arranged downstream, the limiting channel being essentially cylindrical is trained and grounded and its length is greater than the factor 5-10 Cross section is.
- An arc discharge is advantageously provided for activating the process gas, the discharge chamber having a central electrode and a hollow electrode which covers the inner wall of the discharge chamber at least in the region of the conically tapered end in a flat and symmetrical manner.
- the limiting channel preferably adjoins the hollow electrode directly.
- the central electrode is expediently rod-shaped and is arranged in the gas inlet region along the axis of symmetry of the discharge chamber.
- the central electrode can advantageously be used to increase the power of the active gas jet by means of enlarged electrode areas, which have the shape of a cylinder cap, which includes a cylinder jacket surface of low height and a cover area, and whose opening is aligned coaxially with the axis of the discharge chamber and is arranged above the gas inlet of the discharge chamber.
- the discharge chamber in an induction field generated at high frequency (radio frequency) in order to activate the process gas.
- the discharge chamber (1) is provided with two electrodes which are arranged along the wall of the discharge chamber in the flow direction of the process gas and are operated at radio frequency.
- the high-frequency excitation for activating the process gas can also advantageously be achieved by generating an induction field by arranging the discharge chamber in a coil operated at radio frequency.
- Another possibility for activating the process gas without contamination of the active gas by electrode material is that the discharge chamber is arranged in a waveguide connected to a microwave source.
- a beam shaping device is expediently arranged downstream of the limiting channel. It can be advantageous here that branched nozzles for processing individual partial areas or depressions of the surface to be processed are connected to the outlet of the boundary channel.
- the beam-shaping device is expediently adapted to the shape of the surface to be processed by guide plates, the distance between the surface and the beam-shaping device being kept in a defined small area, so that the effectively treated surface comprises a larger area.
- jet-shaping devices which incorporate two or more devices according to the invention for generating the active gas jet into a processing channel, wherein several surfaces of a workpiece to be treated simultaneously or surfaces of extruded profiles with any cross section can be processed on all sides in the processing channel with continuous material flow.
- a feed tube for introducing additives is preferably arranged axially in the discharge chamber, which ends shortly before the discharge chamber exits, an influence of the additives on the discharge characteristic and contamination of the Discharge chamber (1) is avoided by the additives or their reaction products.
- the limiting channel comprises a plurality of individual channels in order to reduce the gas dynamic resistance and the residence time of the active gas in the limiting channel, the individual channels being arranged evenly distributed around a central channel.
- the supply of additives is particularly favorable if the limiting channel with a plurality of individual channels has a central inlet channel for the additives, the inlet channel being arranged axially in the center of a ring of individual channels through which active gas flows, since there is a premature reaction or disintegration of the additives and contamination of the discharge chamber by the additives can be avoided.
- the additives in the area of the boundary channel can advantageously be introduced as gases, liquids in the form of aerosols or solids in the form of fine particles.
- the hollow electrode, the limiting channel and the beam-shaping device are manufactured as a uniform rotating body with very good electrical conductivity
- the central electrode is surrounded coaxially by an insulator tube and inserted into the discharge chamber formed by the hollow electrode
- the gas inlet into the discharge chamber is initially one cylindrical distribution chamber, wherein tangential flow channels are provided for the process gas from the distribution chamber to the discharge chamber, so that as a result of a spiral gas flow from the distribution chamber into the discharge chamber, arc discharges between the central electrode and the hollow electrode are fixed to an end of the central electrode protruding from the insulator tube. This largely prevents erosion of the insulator tube.
- Tangential flow channels can advantageously also be guided into a cylindrical annular chamber between the rod-shaped central electrode and the inner surface of the insulator tube, so that the central electrode is cooled directly by a portion of the process gas and exit points of arc discharges are essentially restricted to non-cylindrical surfaces of the central electrode.
- the insulator tube is expediently towered over by the central electrode by a length of up to twice the diameter of the central electrode. If the additional process gas supply within the insulator tube is used, the end of the central electrode can be shortened and in extreme cases ends with the end of the insulator tube.
- the limiting channel is preferably narrowed conically in the direction of gas flow and has an average ratio of channel diameter to channel length of 1: 8.
- the limiting channel is advantageously followed by a beam-shaping device with a bell-shaped widened output, so that the working width of the active gas jet is increased.
- the basic idea of the invention is based on the fact that, in the known devices of the prior art with plasma-induced active gas jet, either the activity of the gas jet is too low or the active gas jet still has a dangerously high electrical potential when it emerges into the processing space, which leads to a risk to the operating personnel , According to the invention, these mutually influencing problems are eliminated by passing the process gas through three zones in succession.
- the process gas (in the discharge space) is activated and accelerated, then the speed-related spreading of the discharge zone out of the discharge space into the active gas jet is intercepted (limited) in a narrow, earthed limiting channel and finally an electrically neutral, chemically active active gas jet by beam-shaping devices according to the desired application (Cleaning, coating, activation, etc.) is formed.
- the device according to the invention can be combined with all known methods of plasma-induced activation of process gases in which a corona, glow or arc discharge zone (using a direct, alternating or pulse current) or a high-frequency discharge zone generated in an alternating electromagnetic field (with excitation frequencies up to the Microwave range).
- the effectiveness of the limiting channel depends essentially on the fact that it has a smaller diameter in relation to the discharge chamber. Therefore, the discharge chamber is tapered in the flow direction of the process gas, so that with a large ratio of the cross section of the discharge chamber to the cross section of the limiting channel, the speed of the active gas jet increases significantly, which means that the time required for the chemically active particles of the active gas jet to travel the distance from the discharge chamber covered to the application site is greatly reduced. As a result of the reduction in time, there are fewer recombinations of active particles (reduced activity loss of the active gas jet) and this leads to an increase in the effectiveness of the active gas jet on the surface to be processed.
- the active gas jet is guided through a narrow, earthed channel at the exit of the discharge zone.
- the boundary channel is dimensioned such that a discharge arc entering it has a potential whose size at the entrance to the boundary channel is still too small for a breakthrough to the channel wall.
- the boundary channel must therefore have a minimum length in accordance with the other conditions of plasma generation, which ensures that the aforementioned bulges of the discharge zone into the free space cannot occur. This happens with a ratio of the cross section to the channel length of 1: 5 to 1:10.
- the device according to the invention allows the generation of an electrical neutral, chemically active jet, with increased process gas velocity the active gas jet on the surface to be processed has a high chemical Activity unfolds and is electrically neutral at the exit of the device, so that he posed no danger to operating personnel, the environment and Represents surface.
- the basic structure of the device for generating an active gas jet according to FIG. 1 consists of a discharge chamber 2 through which a process gas 1 flows, in which the process gas 1 is activated in the form of an electrical discharge generated by a strong field 3, an essentially cylindrical limiting channel 4 and a beam shaping device 5 for the active gas jet 6 intended for material processing in free space.
- the discharge chamber 2 has, in the flow direction of the process gas 1, a conically tapered end 21 (ie a nozzle-like constricted shape) which serves to increase the flow rate of the process gas 1 during its activation in the discharge chamber 2. With this increase in gas velocity, the time required to reach a surface 7 to be machined (only shown in FIGS.
- the limiting channel 4 is dimensioned such that the part of the discharge zone 22 entering it reaches such a potential, the size of which at the entry into the limiting channel 4 is still too small for a breakthrough to the channel wall, but increases so much with increasing path length in the limiting channel 4, until there is a breakthrough to the earthed wall of the limiting channel 4. Furthermore, the limiting channel 4 must have a minimum length in accordance with the other conditions of the plasma generation required to activate the process gas 1, which ensures that the aforementioned bulges 24 of the discharge zone 22 cannot occur in the free space. This is usually achieved with a ratio of the channel cross-section to the channel length of 1: 5 to 1:10.
- the effectiveness of the active gas jet 6 also depends to a large extent on the fact that the limiting channel 4 has a significantly smaller diameter in relation to the main part of the discharge chamber 2 (in front of its conically tapered end 21), so that with a large ratio (1: 5 to 1: 8 ) of the cross section of the discharge chamber 2 compared to the cross section of the limiting channel 4, the speed of the active gas jet 6 increases significantly, whereby the time required for the chemically active particles of the active gas jet 6 to travel the distance from the discharge chamber 2 to the application site is greatly reduced.
- the delimitation channel 4 is therefore essentially cylindrical and has a cross section of 1: 5 to 1: 8 that is adapted to the diameter of the discharge chamber 2.
- Process gas 1 is introduced into the discharge chamber 2.
- the supplied process gas 1 is activated by the interaction with the field 3 in the electrical discharge zone 22, accelerated and largely discharged in the conically tapered part 21 of the discharge chamber 2 and introduced into the limiting channel 4, which spreads the discharge zone 22 outwards into the free zone Processing space prevented.
- the active gas jet 6 flows through a jet-shaping device 5, in which it is shaped in accordance with the application in terms of speed, temperature, geometric shape and flow type (laminar or turbulent flow).
- the discharge zone 22 can arise as desired (depending on the type of field generation used) by direct, alternating or pulse current, electromagnetic induction, microwaves or other types of excitation which trigger an electrical gas discharge when the process gas 1 is used.
- the process gas 1 is activated by an arc discharge 34 between two electrodes in the discharge chamber 2.
- One of the electrodes is a rod-shaped central electrode 31, the other is located on the inner wall of the discharge chamber 2 and forms a so-called hollow electrode 32.
- the hollow electrode 32 is attached at least to the conically tapered end 21 of the discharge chamber 2. However, it can also form the wall of the discharge chamber 2 itself (as shown, for example, in FIG. 13).
- the process gas 1 is introduced tangentially into the discharge chamber 2, in which an electrical arc discharge 34 takes place between the central electrode 31 and the hollow electrode 32 along the inner wall of the discharge chamber 2 by means of a generator 33.
- the interaction with the electric arc discharge 34 activates the process gas 1, accelerates it in the conically tapered part 21 of the discharge chamber 1 and largely discharges it on the way to the limiting channel 4.
- the subsequent delimitation channel 4 which receives a bulge 23 of the discharge zone 22 that is possible at high gas velocities, a forwarding of the electrical potential of the discharge zone 22 to the outside into the free space of the surface 7 to be processed is prevented.
- the gas throughput through the discharge chamber 2 is very high, discharge tufts are blown out into the active gas jet of the delimitation channel 4, ie a bulge 23 of the discharge zone 22 is formed.
- the active gas jet 6 is guided at the outlet of the discharge chamber 2 through the narrow, grounded limiting channel 4, in which a certain aerodynamic congestion, a further discharge of the active gas jet 6 takes place.
- the limiting channel 4 is dimensioned such that the bulge 23 of the discharge zone 22 entering it has a potential whose size at the entrance to the limiting channel 4 is still too small for a breakthrough to the channel wall. As the path length in the delimitation channel 4 increases, the voltage in the discharge arc rises until a breakthrough to the channel wall occurs.
- the boundary channel 4 must have a certain minimum length in accordance with the other conditions of the plasma generation, which ensures that the aforementioned bulge 23 of the discharge zone 22 cannot cross the boundary channel 4 and to indicate a ratio between the channel cross section and the channel length of 1/5 to 1/10 is.
- the active gas jet 6 has a temperature which is comparable to the temperature at the outlet of the discharge chamber 2, but its gas dynamic properties (speed and flow conditions) are essentially determined by the gas throughput and by the dimensions and the structural design of the limiting channel 4. After the limiting channel 4, the active gas jet 6 flows through the jet-shaping device 5, in which it is shaped in accordance with the application in relation to speed, temperature, geometric shape and flow type (laminar or turbulent flow).
- jet-shaping devices 5 can be used for this, for example nozzles designed in such a way that adiabatic expansion of the active guest jet occurs in order to lower the temperature, or flattened jet-shaping devices 5, as will be described in more detail below, in order to achieve a flat, to form wide active gas jet 6.
- the electrical discharge zone 22 can arise for the described device as desired (depending on the type of voltage generator 33 used) by direct, alternating or pulse current.
- the active gas jet 6 generated in the discharge chamber 2 unfortunately also loses part of its activity when flowing through the boundary channel 4 as a result of recombination of the active particles and because of the interaction of the active gas jet 6 with the channel wall.
- the limiting channel 4 consists of two or more grounded individual channels 41 which are arranged parallel to one another in electrically conductive material and which result in a larger effective flow cross section. 2 shows an embodiment in which further individual channels 41 are arranged uniformly distributed around a central single channel 41.
- FIG. 3 shows a generation of an active gas jet 6, in which - in contrast to the example described above - the central electrode 31 has the shape of an electrically conductive cylinder cap instead of the rod shape.
- This central electrode 31 is arranged coaxially with its opening in the direction of the discharge chamber 2.
- the process gas 1 is introduced tangentially into a gap between the cylindrical central electrode 31 and the discharge chamber 2.
- the supporting surface of the arc discharge 34 on the central electrode 31 increases, ie the base points of the arc discharges 34 move on a larger surface when the flow of the process gas 1 is intensely swirled. This prevents overheating in the central electrode 31 and increases the service life and the maximum discharge current.
- the process gas 1 is activated between two electrodes 35 arranged one after the other in the discharge chamber 2 in the flow direction.
- the discharge zone 22 is generated by a high-frequency discharge in an alternating field 3, the discharge chamber 2 being made of an electrically insulating material (eg quartz). Since it is well known that the electrical discharge produced when using cold electrodes 35 is unstable under certain pressures, for example at atmospheric pressure, without additional measures, because high electron densities and energy gradients create a space charge layer in front of the electrodes 35 and destabilize the discharge. In high-frequency discharges, this stabilization is carried out by simple measures (as described, for example, by J. Reece Roth in: Industrial Plasma Engineering, Vol.
- the discharge chamber 2 which in this example consists of electrically insulating but microwave-transparent material, is introduced into the field 3 of a microwave generator 37, a location of relatively uniform and high field strength being used in a typical microwave conductor 38 which is connected to the microwave generator 37. All other processes which produce the active gas jet 6 from the discharge zone 22 run according to the preceding examples.
- a likewise electrodeless activation of the process gas 1 is shown in FIG. 6.
- a high-frequency generator 36 is used to induce a high-frequency changing field 3 in the discharge chamber 2 with a coil 39.
- the discharge chamber 2 is arranged within the turns of the coil 39 and forms the desired discharge zone 22 on the inside.
- the material of the discharge chamber 2 can be selected relatively freely, but is not necessarily ferromagnetic.
- the process gas 1 is accelerated in the conically tapered end 21 of the discharge chamber 2 and freed of its dangerous potential in the earthed limiting channel 4, so that an electrically neutral active gas jet 6 is available at the output of the beam-shaping device 5.
- Fig. 7 shows a stylized discharge chamber 2, in which the type of Generation of the electrical discharge can be chosen arbitrarily.
- the generated Active gas is discharged from the discharge chamber 2 through the limiting channel 4 into a jet-shaping device 5, which has branched nozzles 51.
- the branched nozzles 51 are directed to different partial areas 71 which represent different heights in the surface 7 to be machined and each direct a portion of the active gas jet 6 onto the partial surfaces 71.
- angled, largely flat guide plates 52 are provided as beam-shaping device 5, directly adjoining the delimitation channel 4, and are evenly spaced a short distance above the flat surface 7 must be performed.
- the high gas velocity already generated in the end of the tapered discharge chamber 2 and passed on via the limiting channel 4 is also continued in the beam-shaping device 5 in the form of a beam, which is guided parallel to the surface 7, through a type of boundary layer line.
- FIG. 10 shows the same mode of operation for a spherical surface 7, in which case the guide plates 52 must have a concentric curvature in accordance with the surface curvature in order to achieve the same effect of the laminar flow layer.
- FIG. 10 Another special design of beam-shaping device is shown in FIG. 10.
- This example deals with the effective processing of a continuous material flow, in which either an extruded profile 72 or a material flow of identical workpieces are to be processed simultaneously on several surfaces 7 with an active gas jet 6. 10, an extruded profile 72 is guided through a closed processing channel 53, a device according to the invention being attached to at least two opposite sides of this processing channel 53 at an angle to the direction of movement of the extruded profile 72.
- the mass flow of this additive 8 may only make up a fraction of the mass flow of the process gas 1 in the discharge chamber 2.
- the discharge chamber 2 is integrated in a housing 9, since an electrodeless activation of the process gas 1 is to be assumed here.
- the housing 9 symbolizes a waveguide 38 with a connected microwave source 37 according to FIG. 5, but can also accommodate a coil 39 according to FIG. 7 and an associated cooling.
- the activated process gas 1 is guided through a limiting channel 4 with a plurality of parallel individual channels 41, which are arranged in a ring 42.
- the additive 8 is introduced into the center of an active gas jet 6, which approximately represents a gas ring, via this feed channel 82, which is guided from the outside into the center of the ring 42 of the individual channels 41 within the perforated metal plate of the limiting channel 4. Since the active gas jet 6 flows out at a very high speed in the case of the small cross sections of the individual channels 41, the mass flow of the additive 8 can be varied over a wide range via the feed channel 82 and set very precisely. 13 shows the longitudinal and cross-section of the device for generating an electrically neutral active gas jet 6 in a manageable housing 9.
- the device consists of the discharge chamber 2, the delimitation channel 4 and the beam shaping device 5, which as a unitary body 91 in the form of a non-slip handpiece (pen) made of copper or another very good electrical conductor, a rod-shaped central electrode 31, which is arranged by means of an insulating tube 29 made of quartz, coaxial to the wall of the discharge chamber 2, which also represents the hollow electrode 32.
- the insulator tube 29 is sealed in a gas-tight manner with respect to the discharge chamber 21 by an elastic sealing ring 92 in the base body 91.
- the end of the central electrode 31 protrudes from the insulator tube 29 into the discharge chamber 2 by a length of up to twice the diameter of the central electrode 31.
- the insulator tube 29 itself protrudes into the discharge chamber 2 by at least a length the size of its own outside diameter and thus forms part of the discharge chamber 2 in the form of a hollow cylinder outside its outer surface.
- the process gas 1 is introduced symmetrically into the discharge chamber 2 into this hollow cylinder near the rear end wall of the discharge chamber 2.
- the conically tapered end 21 of the discharge chamber 2 merges smoothly into the narrow delimitation channel 4.
- the diameter of the boundary channel 4 is in a ratio of 1: 8 to its length and is only shown in a stylized manner in FIG. 13 (not to scale).
- the beam-shaping device 5 connects to the limiting channel 4.
- the discharge chamber 2, the delimitation channel 4 and the beam-shaping device 5 are made uniformly from copper and have a common grounded contact 93.
- the grounded contact 93 is also connected to the negative pole of the voltage generator 33 (not shown in FIG. 13).
- the positive pole of the voltage generator 33 is connected to the central electrode 31.
- the process gas 1 is initially fed via the gas inlet 24 into a cylindrical distribution chamber 25, from which a spiral gas flow is generated in the hollow-cylindrical part of the discharge chamber 2 by way of uniformly distributed tangential flow channels 26.
- This measure has the effect that the base points of the arc discharge 34 (not shown in FIG. 13) on the central electrode 31 are restricted to its end face and directly adjacent parts of the electrode surface, so that the insulator tube 29 is subjected to less thermal stress and its erosion is reduced.
- an insulating connection body 94 is fastened (eg screwed), which carries the fastening and the connection of the central electrode 31.
- the connection body 94 has an additional gas inlet 27, which is connected to the discharge chamber 2 via a narrow annular chamber 28 along the central electrode 31. Through this narrow annular chamber 28, part of the process gas 1 with the function of electrode cooling and direct feeding into the discharge zone 22 is fed between the central electrode 31 and the insulator tube 29.
- the annular chamber 28 is sealed in the rear in the connecting body 94 by an elastic ring 96 against the central electrode 31, which is guided to the rear to the connecting terminal 95.
- Tangential flow channels 26 can also be provided in the annular chamber 28, as between the distribution chamber 25 and the hollow cylindrical part of the discharge chamber 2, in order to generate a spiral gas circulation.
- 13 now works in the following manner.
- Part of the process gas 1 is supplied through the additional gas inlet 27 and flows through the annular chamber 28 between the central electrode 31 and the insulator tube 29 into the discharge chamber 2.
- the other (larger) part of the process gas 1 through the gas inlet 24 via the distribution chamber 25 , through the tangential openings 26 of the discharge chamber 2 in its hollow cylindrical part, which is formed by the hollow electrode 32 and the protruding insulator tube 29. This creates a spiral eddy flow in the discharge chamber 2.
- the active gas jet 6 is then brought to the width and shape desired for the application (as described, for example, in relation to FIGS. 7 to 9). A chemically very effective and electrically neutral active gas jet 6 is thus available for any application.
Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines chemisch aktiven Strahls (nachfolgend als Aktivgasstrahl bezeichnet) mittels eines elektrisch generierten Plasmas in einem verwendeten Prozessgas. Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Behandlung von Oberflächen, z.B. zur Vorbehandlung und Reinigung von Oberflächen vor dem Verkleben, Beschichten oder Lackieren, zum Beschichten, Hydrophilisieren, Entfernen von elektrischen Ladungen oder Sterilisieren sowie zur Beschleunigung von chemischen Reaktionen.The invention relates to a device for generating a chemically active Jet (hereinafter referred to as active gas jet) by means of an electrically generated Plasma in a process gas used. The invention is particularly suitable for the treatment of surfaces, e.g. for pretreatment and cleaning of Surfaces before gluing, coating or painting, for coating, Hydrophilizing, removing electrical charges or sterilizing and for Acceleration of chemical reactions.
Bekannt sind Vorrichtungen zur Oberflächenvorbehandlung von Werkstücken
mittels eines in einer elektrischen Entladungszone aktivierten Gases, dargestellt in
den Druckschriften DE 195 46 930 C1, DE 195 32 412 A1 und EP 03 05 241.
Im Patent DE 195 46 930 C1 wird eine Wirbelströmung des zu aktivierenden Gases
durch eine elektrische Entladungszone geführt, die sich zwischen einer kegelförmigen
Zentralelektrode und einer am Ende einer Düse außen befindlichen Ringelektrode
ausbildet.
Ein weiteres gleichartiges Verfahren ist in der DE 195 32 412 A1 beschrieben, bei
dem das zu aktivierende Gas in einer Wirbelströmung zuerst in den Bereich einer
Entladungszone, die entlang der Achse eines zylindrischen Düsenrohres mit innen
isolierter zylindrischer Außenelektrode und koaxialer Zentralelektrode entsteht,
eingeleitet sowie aktiviert wird und am Ausgang der Entladungszone, an dem das
Düsenrohr in Form einer kreisringförmigen Abschlussfläche der zylindrischen
Außenelektrode verengt ist, der Gasstrahl an der Abschlussfläche der Außenelektrode
im Wesentlichen entladen wird.
Nachteilig an den vorgenannten Lösungen ist, dass der aus der Düse austretende
Gasstrahl ein erhebliches elektrisches Potential besitzt, dessen Wert zwischen dem
Potential der geerdeten Ringelektrode und dem der Zentralelektrode liegt. Bei
entsprechend großem Gasdurchsatz durch die Austrittsöffnung des Gasstromes
wölben sich zusätzlich Entladungsbüschel aus der Düse in Richtung des
Aktivgasstrahles aus. Der genannte Nachteil begrenzt die Anwendungsmöglichkeiten
der beiden vorgenannten Lösungen a) wegen der Stromschlaggefahr für das
Bedienpersonal und b) wegen einer möglichen induzierten Defektbildung durch
elektromagnetische Felder bei einer Oberflächenbehandlung von empfindlichen
Materialen, wie z.B. Halbleitersubstraten, ggf. auch mit dotierten Schichten oder
Strukturen.Devices are known for the surface pretreatment of workpieces by means of a gas activated in an electrical discharge zone, shown in the publications DE 195 46 930 C1, DE 195 32 412 A1 and EP 03 05 241. In the patent DE 195 46 930 C1 a vortex flow of the to be activated is described Gases passed through an electrical discharge zone, which forms between a conical central electrode and a ring electrode located at the end of a nozzle on the outside.
Another similar method is described in DE 195 32 412 A1, in which the gas to be activated is first introduced and activated in a vortex flow in the region of a discharge zone which arises along the axis of a cylindrical nozzle tube with an internally insulated cylindrical outer electrode and a coaxial central electrode and at the exit of the discharge zone, at which the nozzle tube is narrowed in the form of an annular end face of the cylindrical outer electrode, the gas jet is essentially discharged at the end face of the outer electrode.
A disadvantage of the aforementioned solutions is that the gas jet emerging from the nozzle has a considerable electrical potential, the value of which lies between the potential of the grounded ring electrode and that of the central electrode. With a correspondingly large gas throughput through the outlet opening of the gas flow, discharge tufts additionally bulge out of the nozzle in the direction of the active gas jet. The disadvantage mentioned limits the possible uses of the two aforementioned solutions a) because of the risk of electric shock for the operating personnel and b) because of a possible induced defect formation by electromagnetic fields when treating sensitive materials such as semiconductor substrates, possibly also with doped layers or structures.
Gemäß EP 03 05 241 wird das zu aktivierende Gas direkt durch eine
elektrische Entladungszone geführt. Die Entladungszone bildet sich hierbei in einem
Rohr mittels eines elektrischen Feldes aus, wobei entweder Elektroden in
Strömungsrichtung des Gases nacheinander seitlich innerhalb des Rohres angeordnet
sind oder eine in einem Wellenleiter installierte Entladungskammer aus Isoliermaterial
ohne Elektroden vorgesehen ist. Diese Lösung hat den bereits oben angeführten
Nachteil, dass bei hoher Geschwindigkeit des aktivierten Gasstromes eine hohe
Wahrscheinlichkeit des Austretens von elektromagnetischen Feldern sowie der
elektrischen Entladungszone selbst aus der Entladungskammer in die Richtung des
Aktivgasstrahls besteht, da eine abschirmende Ringelektrode am Ende der
Entladungskammer völlig fehlt. Die in der EP 0 305 241 A1 beschriebene Anordnung
verhindert die Gefährdung des Bedienpersonals durch eine separate, geschlossene
Bearbeitungskammer, in der die Oberflächenbehandlung des Materials stattfindet.
Die so erschwerten Bedingungen der Materialbearbeitung sind nachteilig und
würden bei Weglassen der Schutzkammer zu einer unkontrollierten Änderung der
Verfahrensbedingungen und zur Gefährdung des Bedienpersonals führen.
Charakteristisch für alle vorgenannten technischen Lösungen ist, dass die
Geschwindigkeit, die Temperatur und die Geometrie des Aktivgasstrahls durch die
elektrischen, thermischen und gasdynamischen Bedingungen festgelegt werden, die
für das Entstehen bzw. Zünden der elektrischen Entladungszone zur Gasaktivierung
notwendig sind. Allerdings erweisen sich die genannten Bedingungen zur
Gasaktivierung in einer elektrischen Entladungszone nicht immer als optimale
Bedingungen für die Oberflächenbehandlung durch den Aktivgasstrahl.
So ist es z.B. sehr problematisch, eine elektrische Entladung bei Atmosphärendruck
und den dabei entstehenden Temperaturen von mehr als 5000 K zur
Oberflächenbehandlung zu nutzen, da die Mehrzahl der zu bearbeitenden
Materialien solchen Temperaturen nicht standhält. Ein weiteres Problem stellen hohe
Prozessgasgeschwindigkeiten - z.B. Überschallgeschwindigkeit - für die elektrische
Entladungszone dar, da diese unter stark dynamischen Bedingungen nur unter
großen Schwierigkeiten aufrechterhalten werden kann. Die erwähnten
Anwendungen des Aktivgasstrahles verlangen aber höhere Gasdurchsätze, um die
Zeit, innerhalb der der Aktivgasstrahl ausgehend von der Entladungszone die zu
bearbeitende Oberfläche erreicht, zu verkürzen, weil damit durch Reduzierung der
Rekombinationsvorgänge der Aktivitätsverlust des Gasstrahles wirksam verringert
wird.According to EP 03 05 241, the gas to be activated is passed directly through an electrical discharge zone. The discharge zone is formed in a tube by means of an electric field, with either electrodes being arranged laterally inside the tube in the direction of flow of the gas, or a discharge chamber made of insulating material without electrodes installed in a waveguide. This solution has the disadvantage already mentioned above that, at a high speed of the activated gas flow, there is a high probability of electromagnetic fields and the electrical discharge zone itself emerging from the discharge chamber in the direction of the active gas jet, since there is no shielding ring electrode at the end of the discharge chamber. The arrangement described in EP 0 305 241 A1 prevents the operator from being endangered by a separate, closed processing chamber in which the surface treatment of the material takes place. The more difficult conditions of material processing are disadvantageous and, if the protective chamber were left out, would lead to an uncontrolled change in the process conditions and endanger the operating personnel.
It is characteristic of all the aforementioned technical solutions that the speed, the temperature and the geometry of the active gas jet are determined by the electrical, thermal and gas dynamic conditions that are necessary for the development or ignition of the electrical discharge zone for gas activation. However, the conditions mentioned for gas activation in an electrical discharge zone do not always prove to be optimal conditions for surface treatment by the active gas jet.
For example, it is very problematic to use an electrical discharge at atmospheric pressure and the resulting temperatures of more than 5000 K for surface treatment, since the majority of the materials to be processed do not withstand such temperatures. Another problem is high process gas speeds - for example supersonic speeds - for the electrical discharge zone, since this can only be maintained with great difficulty under highly dynamic conditions. The mentioned applications of the active gas jet, however, require higher gas throughputs in order to shorten the time within which the active gas jet, starting from the discharge zone, reaches the surface to be processed, because the activity loss of the gas jet is thereby effectively reduced by reducing the recombination processes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zum Erzeugen eines chemisch aktiven Strahls (Aktivgasstrahl) mittels eines durch elektrische Entladung generierten Plasmas in einem verwendeten Prozessgas zu finden, bei der bei erhöhter Prozessgasgeschwindigkeit der Aktivgasstrahl auf der zu bearbeitenden Oberfläche eine hohe chemische Aktivität entfaltet und bereits am Ausgang der Vorrichtung elektrisch neutral ist, so dass er keine Gefährdung für Bedienpersonal, Umgebung und bearbeitete Oberfläche darstellt.The invention has for its object a new way to Generation of a chemically active jet (active gas jet) by means of a electrical discharge generated plasma in a process gas used find at which at an increased process gas speed the active gas jet on the processing surface develops a high chemical activity and already on Output of the device is electrically neutral, so that it is not a hazard to Operating personnel, environment and processed surface.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zum Erzeugen eines chemisch aktiven Strahls (Aktivgasstrahls) mittels eines durch elektrische Entladung generierten Plasmas in einem verwendeten Prozessgas mit einer im Wesentlichen zylindrischen Entladungskammer, die von einem Prozessgas durchströmt wird und in der zur Aktivierung des Prozessgases eine Plasmaerzeugung infolge einer elektrischen Gasentladung vorgesehen ist, einem Gaseinlass zum kontinuierlichen Zuführen des Prozessgases in die Entladungskammer sowie einer Austrittsöffnung zum Ausrichten des Aktivgasstrahles auf eine zu bearbeitende Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungskammer ein konisch verjüngtes Ende zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Aktivgasstrahls aufweist, dem verjüngten Ende der Entladungskammer ein Begrenzungskanal zur Verhinderung der Ausbreitung der Entladungszone in den freien Raum für die zu bearbeitende Oberfläche nachgeordnet ist, wobei der Begrenzungskanal im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und geerdet ist und dessen Länge um den Faktor 5-10 größer als sein Querschnitt ist.According to the invention, the object in a device for generating a chemically active jet (active gas jet) by means of an electrical discharge generated plasma in a process gas used with an essentially cylindrical discharge chamber, through which a process gas flows and in to activate the process gas, plasma generation due to electrical Gas discharge is provided, a gas inlet for the continuous supply of the Process gas into the discharge chamber and an outlet opening for alignment of the active gas jet onto a surface to be processed, characterized in that that the discharge chamber has a tapered end to increase the Has velocity of the active gas jet, the tapered end of the Discharge chamber a limiting channel to prevent the spread of the Discharge zone in the free space for the surface to be processed is arranged downstream, the limiting channel being essentially cylindrical is trained and grounded and its length is greater than the factor 5-10 Cross section is.
Vorteilhaft ist zur Aktivierung des Prozessgases eine Bogenentladung
vorgesehen, wobei die Entladungskammer eine Zentralelektrode und eine
Hohlelektrode, die die Innenwand der Entladungskammer mindestens im Bereich des
konisch verjüngten Endes flächig und symmetrisch bedeckt, aufweist. Der
Begrenzungskanal schließt sich vorzugsweise an die Hohlelektrode direkt an.
Die Zentralelektrode ist zweckmäßig stabförmig und im Gaseinlassbereich entlang der
Symmetrieachse der Entladungskammer angeordnet.
Die Zentralelektrode kann vorteilhaft, um die Leistung des Aktivgasstrahls durch
vergrößerte Elektrodenflächen zu erhöhen, die Form eine Zylinderkappe aufweisen,
die eine Zylindermantelfläche geringer Höhe und eine Deckfläche beinhaltet und
deren Öffnung koaxial zur Achse der Entladungskammer ausgerichtet und oberhalb
des Gaseinlasses der Entladungskammer angeordnet ist.An arc discharge is advantageously provided for activating the process gas, the discharge chamber having a central electrode and a hollow electrode which covers the inner wall of the discharge chamber at least in the region of the conically tapered end in a flat and symmetrical manner. The limiting channel preferably adjoins the hollow electrode directly.
The central electrode is expediently rod-shaped and is arranged in the gas inlet region along the axis of symmetry of the discharge chamber.
The central electrode can advantageously be used to increase the power of the active gas jet by means of enlarged electrode areas, which have the shape of a cylinder cap, which includes a cylinder jacket surface of low height and a cover area, and whose opening is aligned coaxially with the axis of the discharge chamber and is arranged above the gas inlet of the discharge chamber.
Für die Verbesserung der Stabilität der Parameter des Aktivgasstrahles ist es
von Vorteil, zur Aktivierung des Prozessgases die Entladungskammer in einem mit
Hochfrequenz (Radiofrequenz) erzeugten Induktionsfeld anzuordnen.
Das kann zweckmäßig dadurch geschehen, dass die Entladungskammer (1) mit zwei
entlang der Wand der Entladungskammer in Strömungsrichtung des Prozessgases
angeordneten Elektroden, die mit Radiofrequenz betrieben werden, versehen ist.
Vorteilhaft kann die Hochfrequenzanregung zur Aktivierung des Prozessgases auch
durch die Erzeugung eines Induktionsfeldes erreicht werden, indem die
Entladungskammer in einer mit Radiofrequenz betriebenen Spule angeordnet ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Aktivierung des Prozessgases ohne Kontaminierung des
Aktivgases durch Elektrodenmaterial ist dadurch gegeben, dass die
Entladungskammer in einem an einer Mikrowellenquelle angeschlossenen
Wellenleiter angeordnet ist.
Zur Formung, Wahl der Strömungsart (laminare oder turbulente Strömung) und
Einstellung des Aktivgasstrahls mit gewünschten Parametern, insbesondere
Geschwindigkeit, Temperatur, geometrische Form und Strömungsart, ist dem
Begrenzungskanal zweckmäßig eine strahlformende Einrichtung nachgeordnet.
Dabei kann es von Vorteil sein, dass an den Ausgang des Begrenzungskanals
verzweigte Düsen zum Bearbeiten einzelner Teilflächen oder Vertiefungen der zu
bearbeitenden Oberfläche angeschlossen sind.
Die strahlformende Einrichtung ist zweckmäßig durch Leitbleche an die Form der zu
bearbeitenden Oberfläche angepasst, wobei der Abstand zwischen der Oberfläche
und der strahlformenden Einrichtung in einem definiert kleinen Bereich gehalten
wird, so dass die effektiv behandelte Oberfläche eine größere Fläche umfasst.
Für spezielle Anwendungen eines Aktivgasstrahles sind strahlformende Einrichtungen
vorgesehen, die zwei oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Erzeugung
des Aktivgasstrahles in einen Bearbeitungskanal einbinden, wobei in dem
Bearbeitungskanal bei kontinuierlichem Materialdurchlauf mehrere zu behandelnde
Oberflächen eines Werkstücks gleichzeitig oder Oberflächen von Strangprofilen mit
beliebigem Querschnitt allseitig bearbeitbar sind.To improve the stability of the parameters of the active gas jet, it is advantageous to arrange the discharge chamber in an induction field generated at high frequency (radio frequency) in order to activate the process gas.
This can expediently take place in that the discharge chamber (1) is provided with two electrodes which are arranged along the wall of the discharge chamber in the flow direction of the process gas and are operated at radio frequency.
The high-frequency excitation for activating the process gas can also advantageously be achieved by generating an induction field by arranging the discharge chamber in a coil operated at radio frequency.
Another possibility for activating the process gas without contamination of the active gas by electrode material is that the discharge chamber is arranged in a waveguide connected to a microwave source.
For the shaping, selection of the flow type (laminar or turbulent flow) and adjustment of the active gas jet with the desired parameters, in particular speed, temperature, geometric shape and flow type, a beam shaping device is expediently arranged downstream of the limiting channel.
It can be advantageous here that branched nozzles for processing individual partial areas or depressions of the surface to be processed are connected to the outlet of the boundary channel.
The beam-shaping device is expediently adapted to the shape of the surface to be processed by guide plates, the distance between the surface and the beam-shaping device being kept in a defined small area, so that the effectively treated surface comprises a larger area.
For special applications of an active gas jet, jet-shaping devices are provided which incorporate two or more devices according to the invention for generating the active gas jet into a processing channel, wherein several surfaces of a workpiece to be treated simultaneously or surfaces of extruded profiles with any cross section can be processed on all sides in the processing channel with continuous material flow.
Bei Anwendung eines Aktivgasstrahles mit speziellen Zusatzstoffen
(insbesondere für die Beschichtung von Oberflächen) ist vorzugsweise in der
Entladungskammer axial ein Zufuhrrohr zur Einbringung von Zusatzstoffen
angeordnet, das kurz vor dem Ausgang der Entladungskammer endet, wobei ein
Einfluss der Zusatzstoffe auf die Entladungscharakteristik und eine Kontaminierung
der Entladungskammer (1) durch die Zusatzstoffe oder deren Reaktionsprodukte
vermieden wird.
Es erweist sich zur Erzielung einer definierten Gasströmung als vorteilhaft, wenn der
Begrenzungskanal mehrere Einzelkanäle umfasst, um den gasdynamischen
Widerstand und die Verweildauer des Aktivgases im Begrenzungskanal zu reduzieren,
wobei die Einzelkanäle um einen zentralen Kanal herum gleichmäßig verteilt
angeordnet sind. Dabei gestaltet sich die Zufuhr von Zusatzstoffen besonders
günstig, wenn der Begrenzungskanal mit mehreren Einzelkanälen einen zentralen
Einlasskanal für die Zusatzstoffe aufweist, wobei der Einlasskanal axial im Zentrum
eines Ringes von mit Aktivgas durchströmten Einzelkanälen angeordnet ist, da eine
vorzeitige Reaktion oder ein Zerfall der Zusatzstoffe sowie eine Kontamination der
Entladungskammer durch die Zusatzstoffe vermieden werden kann.
Für alle vorgenannten Zufuhrvarianten sind die Zusatzstoffe im Bereich des
Begrenzungskanals vorteilhaft als Gase, Flüssigkeiten in Form von Aerosolen oder
Feststoffe in Form feiner Partikel einführbar.
In einer besonders zweckmäßigen Gestaltungsvariante der Erfindung sind die
Hohlelektrode, der Begrenzungskanal und die strahlformende Einrichtung als
einheitlicher Rotationskörper mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit gefertigt, die
Zentralelektrode koaxial von einem Isolatorrohr umgeben in die von der
Hohlelektrode gebildete Entladungskammer eingeführt und der Gaseinlass in die
Entladungskammer zunächst einer zylindrischen Verteilungskammer zugeführt, wobei
für das Prozessgas tangentiale Strömungskanäle von der Verteilungskammer zur
Entladungskammer vorgesehen sind, so dass infolge einer resultierenden
spiralförmigen Gasströmung aus der Verteilungskammer in die Entladungskammer
Bogenentladungen zwischen Zentralelektrode und Hohlelektrode an einem aus dem
Isolatorrohr herausragenden Ende der Zentralelektrode fixiert werden. Hierdurch wird
eine Erosion des Isolatorrohres weitgehend verhindert. Vorteilhaft können tangentiale
Strömungskanäle zusätzlich in eine zylindrische Ringkammer zwischen stabförmiger
Zentralelektrode und innerer Oberfläche des Isolatorrohres geführt sein, so dass die
Zentralelektrode direkt von einem Anteil des Prozessgases gekühlt wird und
Austrittspunkte von Bogenentladungen im Wesentlichen auf nichtzylindrische Flächen
der Zentralelektrode beschränkt sind. Dadurch wird das Isolatorrohr noch wirksamer
vor der Erosionswirkung des Entladungsbogens geschützt.
Das Isolatorrohr wird zweckmäßig durch die Zentralelektrode um eine Länge von bis
zum Zweifachen des Durchmessers der Zentralelektrode überragt. Verwendet man
die zusätzlich Prozessgaszufuhr innerhalb des Isolatorrohres, kann das Ende der
Zentralelektrode verkürzt werden und schließt im Extremfall mit dem Ende des
Isolatorrohrs ab.
Der Begrenzungskanal ist vorzugsweise in Gasströmungsrichtung leicht kegelförmig
verengt und weist ein mittleres Verhältnis von Kanaldurchmesser zu Kanallänge von
1:8 auf. Dem Begrenzungskanal schließt sich vorteilhaft eine strahlformende
Einrichtung mit glockenförmig verbreitertem Ausgang an, so dass die Arbeitsbreite
des Aktivgasstrahles vergrößert wird.When using an active gas jet with special additives (in particular for the coating of surfaces), a feed tube for introducing additives is preferably arranged axially in the discharge chamber, which ends shortly before the discharge chamber exits, an influence of the additives on the discharge characteristic and contamination of the Discharge chamber (1) is avoided by the additives or their reaction products.
To achieve a defined gas flow, it proves to be advantageous if the limiting channel comprises a plurality of individual channels in order to reduce the gas dynamic resistance and the residence time of the active gas in the limiting channel, the individual channels being arranged evenly distributed around a central channel. The supply of additives is particularly favorable if the limiting channel with a plurality of individual channels has a central inlet channel for the additives, the inlet channel being arranged axially in the center of a ring of individual channels through which active gas flows, since there is a premature reaction or disintegration of the additives and contamination of the discharge chamber by the additives can be avoided.
For all of the aforementioned supply variants, the additives in the area of the boundary channel can advantageously be introduced as gases, liquids in the form of aerosols or solids in the form of fine particles.
In a particularly expedient design variant of the invention, the hollow electrode, the limiting channel and the beam-shaping device are manufactured as a uniform rotating body with very good electrical conductivity, the central electrode is surrounded coaxially by an insulator tube and inserted into the discharge chamber formed by the hollow electrode, and the gas inlet into the discharge chamber is initially one cylindrical distribution chamber, wherein tangential flow channels are provided for the process gas from the distribution chamber to the discharge chamber, so that as a result of a spiral gas flow from the distribution chamber into the discharge chamber, arc discharges between the central electrode and the hollow electrode are fixed to an end of the central electrode protruding from the insulator tube. This largely prevents erosion of the insulator tube. Tangential flow channels can advantageously also be guided into a cylindrical annular chamber between the rod-shaped central electrode and the inner surface of the insulator tube, so that the central electrode is cooled directly by a portion of the process gas and exit points of arc discharges are essentially restricted to non-cylindrical surfaces of the central electrode. As a result, the insulator tube is protected even more effectively from the erosion effect of the discharge arc.
The insulator tube is expediently towered over by the central electrode by a length of up to twice the diameter of the central electrode. If the additional process gas supply within the insulator tube is used, the end of the central electrode can be shortened and in extreme cases ends with the end of the insulator tube.
The limiting channel is preferably narrowed conically in the direction of gas flow and has an average ratio of channel diameter to channel length of 1: 8. The limiting channel is advantageously followed by a beam-shaping device with a bell-shaped widened output, so that the working width of the active gas jet is increased.
Der Grundgedanke der Erfindung basiert darauf, dass bei den bekannten
Vorrichtungen des Standes der Technik mit plasmainduziertem Aktivgasstrahl
entweder die Aktivität des Gasstrahles zu gering oder der Aktivgasstrahl bei seinem
Austritt in den Bearbeitungsraum noch ein gefährlich hohes elektrisches Potential
besitzt, das zu einer Gefährdung des Bedienpersonals führt. Diese einander
gegensätzlich beeinflussenden Probleme werden gemäß der Erfindung dadurch
beseitigt, dass das Prozessgas der Reihe nach durch drei Zonen geführt wird. Zuerst
wird das Prozessgas (im Entladungsraum) aktiviert und beschleunigt, dann in einem
engen geerdeten Begrenzungskanal die geschwindigkeitsbedingte Ausbreitung der
Entladungszone aus dem Entladungsraum heraus in den Aktivgasstrahl abgefangen
(begrenzt) und zuletzt ein elektrisch neutraler, chemisch wirksamer Aktivgasstrahl
durch strahlformende Einrichtungen entsprechend der gewünschten Anwendung
(Reinigung, Beschichtung, Aktivierung usw.) geformt wird. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung kann dabei mit allen bekannten Methoden der plasmainduzierten
Aktivierung von Prozessgasen kombiniert werden, bei denen eine Korona-, Glimmoder
Bogenentladungszone (unter Verwendung eines Gleich-, Wechsel- oder
Impulsstromes) oder eine im elektromagnetischen Wechselfeld erzeugte
Hochfrequenzentladungszone (mit Anregungsfrequenzen bis in den Mikrowellenbereich),
entsteht.
Die Wirksamkeit des Begrenzungskanals hängt dabei wesentlich davon ab, dass er
einen kleineren Durchmesser im Verhältnis zur Entladungskammer aufweist. Deshalb
ist die Entladungskammer in Strömungsrichtung des Prozessgases konisch verjüngt,
so dass bei großem Verhältnis von Querschnitt der Entladungskammer zu Querschnitt
des Begrenzungskanals die Geschwindigkeit des Aktivgasstrahls wesentlich ansteigt,
wodurch die Zeit, die die chemisch aktiven Teilchen des Aktivgasstrahls benötigen,
um die Strecke von der Entladungskammer bis zum Anwendungsort zurückzulegen,
stark reduziert wird. Infolge der Zeitverkürzung kommt es zu weniger
Rekombinationen aktiver Teilchen (verringerter Aktivitätsverlust des Aktivgasstrahls)
und dies führt zu einer Erhöhung der Effektivität des Aktivgasstrahles auf der zu
bearbeitenden Oberfläche. Bei sehr hohem Gasdurchsatz durch die Entladungszone
wölben sich Entladungsbüschel aus der Entladungszone in den ausströmenden
Aktivgasstrahl aus. Die elektrische Leitfähigkeit und der damit verbundene elektrische
Widerstand des Plasmabogens bei gleichzeitig hohem Strom führt zu einem
erheblichen Potential gegenüber der geerdeten Elektrode auch in naher Distanz des
Plasmabogens der geerdeten Elektrode. Um das Austreten der Entladungsbüschel mit
gefährlichem elektrischen Potential in den freien Raum zu verhindern, wird der
Aktivgasstrahl am Ausgang der Entladungszone durch einen engen geerdeten Kanal
geführt. Der Begrenzungskanal ist so dimensioniert, dass ein in ihn eintretender
Entladungsbogen ein Potential besitzt, dessen Größe am Eintritt in den
Begrenzungskanal für einen Durchbruch zur Kanalwand noch zu gering ist. Mit
zunehmender Weglänge im Begrenzungskanal steigt die Spannung im
Entladungsbogen so weit an, bis ein Durchbruch zur Kanalwand erfolgt. Damit muss
der Begrenzungskanal entsprechend den übrigen Bedingungen der Plasmaerzeugung
eine Mindestlänge besitzen, die sicherstellt, dass vorgenannte Auswölbungen der
Entladungszone in den freien Raum nicht auftreten können. Das geschieht bei einem
Verhältnis des Querschnittes zur Kanallänge von 1:5 bis 1:10.The basic idea of the invention is based on the fact that, in the known devices of the prior art with plasma-induced active gas jet, either the activity of the gas jet is too low or the active gas jet still has a dangerously high electrical potential when it emerges into the processing space, which leads to a risk to the operating personnel , According to the invention, these mutually influencing problems are eliminated by passing the process gas through three zones in succession. First the process gas (in the discharge space) is activated and accelerated, then the speed-related spreading of the discharge zone out of the discharge space into the active gas jet is intercepted (limited) in a narrow, earthed limiting channel and finally an electrically neutral, chemically active active gas jet by beam-shaping devices according to the desired application (Cleaning, coating, activation, etc.) is formed. The device according to the invention can be combined with all known methods of plasma-induced activation of process gases in which a corona, glow or arc discharge zone (using a direct, alternating or pulse current) or a high-frequency discharge zone generated in an alternating electromagnetic field (with excitation frequencies up to the Microwave range).
The effectiveness of the limiting channel depends essentially on the fact that it has a smaller diameter in relation to the discharge chamber. Therefore, the discharge chamber is tapered in the flow direction of the process gas, so that with a large ratio of the cross section of the discharge chamber to the cross section of the limiting channel, the speed of the active gas jet increases significantly, which means that the time required for the chemically active particles of the active gas jet to travel the distance from the discharge chamber covered to the application site is greatly reduced. As a result of the reduction in time, there are fewer recombinations of active particles (reduced activity loss of the active gas jet) and this leads to an increase in the effectiveness of the active gas jet on the surface to be processed. With very high gas throughput through the discharge zone, discharge tufts bulge out of the discharge zone into the active gas stream flowing out. The electrical conductivity and the associated electrical resistance of the plasma arc with a high current at the same time lead to considerable potential compared to the grounded electrode even at a close distance from the plasma arc of the grounded electrode. In order to prevent the discharge tufts with dangerous electrical potential from escaping into the free space, the active gas jet is guided through a narrow, earthed channel at the exit of the discharge zone. The boundary channel is dimensioned such that a discharge arc entering it has a potential whose size at the entrance to the boundary channel is still too small for a breakthrough to the channel wall. As the path length in the boundary channel increases, the voltage in the discharge arc rises until a breakthrough to the channel wall occurs. The boundary channel must therefore have a minimum length in accordance with the other conditions of plasma generation, which ensures that the aforementioned bulges of the discharge zone into the free space cannot occur. This happens with a ratio of the cross section to the channel length of 1: 5 to 1:10.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Erzeugung eines elektrisch neutralen, chemisch aktiven Strahls, wobei mit erhöhter Prozessgasgeschwindigkeit der Aktivgasstrahl auf der zu bearbeitenden Oberfläche eine hohe chemische Aktivität entfaltet und bereits am Ausgang der Vorrichtung elektrisch neutral ist, so dass er keine Gefährdung für Bedienpersonal, Umgebung und bearbeitete Oberfläche darstellt.The device according to the invention allows the generation of an electrical neutral, chemically active jet, with increased process gas velocity the active gas jet on the surface to be processed has a high chemical Activity unfolds and is electrically neutral at the exit of the device, so that he posed no danger to operating personnel, the environment and Represents surface.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1:
- eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit elektrischer Entladung, die durch ein beliebiges elektromagnetisches Feld ausgelöst wird;
- Fig. 2:
- eine Ausgestaltung der Erfindung mit elektrischer Bogenentladung zwischen stabförmiger Zentralelektrode und Hohlelektrode an der Wand der Entladungskammer sowie mit einem aus mehreren Einzelkanälen bestehenden Begrenzungskanal;
- Fig. 3:
- eine Gestaltung der Erfindung mit Bogenentladung über eine Zentralelektrode in Form einer Zylinderkappe;
- Fig. 4:
- eine Gestaltungsform mit einem mittels Innenelektroden erzeugten Hochfrequenzfeld;
- Fig. 5:
- eine Ausführungsform mit Erzeugung der Gasentladung durch Mikrowellen;
- Fig. 6:
- eine Gestaltungsform mit einem induktiv erzeugten Hochfrequenzfeld;
- Fig. 7:
- schematische Darstellung der Erfindung zum Aufteilen des Aktivgasstrahls zur gleichzeitigen Bearbeitung einzelner Teilflächen auf Oberflächen mit kompliziertem Relief;
- Fig. 8:
- schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die strahlformende Einrichtung einer ebenen Oberfläche angepasst ist;
- Fig. 9:
- schematische Darstellung wie in Fig. 8, wobei die strahlformende Einrichtung einer sphärischen Oberfläche angepasst ist;
- Fig. 10:
- eine spezielle Ausgestaltung, bei der mehrere erfindungsgemäße
Vorrichtungen mit deren strahlformenden Einrichtungen in einen
Bearbeitungskanal mit kontinuierlichem Materialfluss eingebunden sind;
eine Gestaltungsform zum Zuführen von Zusatzstoffen in den Aktivgasstrahl vor dem Begrenzungskanal; - Fig. 11:
- eine Gestaltungsform zum Zuführen von Zusatzstoffen vor Beginn des Begrenzungskanals;
- Fig. 12:
- eine Variante zum Zuführen von Zusatzstoffen am Ende des Begrenzungskanals;
- Fig. 13:
- eine konstruktive Ausführung der Vorrichtung mit spezieller Gestaltung der Strömungskanäle für das zugeführte Prozessgas bei Aktivierung mittels Bogenentladung.
- Fig. 1:
- is a schematic representation of the device according to the invention with electrical discharge, which is triggered by any electromagnetic field;
- Fig. 2:
- an embodiment of the invention with electrical arc discharge between rod-shaped central electrode and hollow electrode on the wall of the discharge chamber and with a limiting channel consisting of several individual channels;
- Fig. 3:
- a design of the invention with arc discharge via a central electrode in the form of a cylinder cap;
- Fig. 4:
- a design with a high-frequency field generated by means of internal electrodes;
- Fig. 5:
- an embodiment with generation of the gas discharge by microwaves;
- Fig. 6:
- a design with an inductively generated radio frequency field;
- Fig. 7:
- schematic representation of the invention for dividing the active gas jet for simultaneous processing of individual partial surfaces on surfaces with a complicated relief;
- Fig. 8:
- schematic representation of the device according to the invention, the beam-shaping device being adapted to a flat surface;
- Fig. 9:
- schematic representation as in FIG. 8, the beam-shaping device being adapted to a spherical surface;
- Fig. 10:
- a special embodiment in which a plurality of devices according to the invention with their beam-shaping devices are integrated into a processing channel with a continuous material flow;
a design for feeding additives into the active gas jet in front of the limiting channel; - Fig. 11:
- a design for adding additives before the start of the limiting channel;
- Fig. 12:
- a variant for feeding additives at the end of the limiting channel;
- Fig. 13:
- a constructive design of the device with a special design of the flow channels for the supplied process gas when activated by means of arc discharge.
Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Aktivgasstrahles gemäß Fig. 1 besteht in
ihrem Grundaufbau aus einer von einem Prozessgas 1 durchströmten
Entladungskammer 2, in der eine Aktivierung des Prozessgases 1 in Form einer durch
ein starkes Feld 3 erzeugten elektrischen Entladung stattfindet, einem im
Wesentlichen zylindrischen Begrenzungskanal 4 und einer Strahlformungseinrichtung
5 für den zur Materialbearbeitung im freien Raum vorgesehenen Aktivgasstrahl 6.
Die Entladungskammer 2 weist in Durchströmungsrichtung des Prozessgases 1 ein
konisch verjüngtes Ende 21 (d.h. eine düsenähnlich verengte Form) auf, das der
Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases 1 während seiner
Aktivierung in der Entladungskammer 2 dient. Mit dieser Erhöhung der
Gasgeschwindigkeit wird die Zeitdauer zum Erreichen einer zu bearbeitenden
Oberfläche 7 (nur in Fig. 7 bis 9 dargestellt) verkürzt und damit die Rekombination
von aktiven Gasteilchen vor Erreichen des Bearbeitungsortes vermindert. Gleichzeitig
mit der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erhöht sich jedoch die Gefahr, dass
sich eine in der Entladungskammer 2 durch die Wirkung des Feldes 3 ausbildende
Entladungszone 22 über das konisch verjüngte Endes 21 der Entladungskammer 2
hinaus nach außerhalb fortsetzt. Um zu verhindern, dass infolge der hohen
Gasgeschwindigkeit sogenannte Entladungsbüschel mit gefährlich hohem
elektrischen Potential als Auswölbung 24 der Entladungszone 22 aus der
Entladungskammer 1 in den freien Raum austreten, wird der durch das verjüngte
Ende 21 beschleunigte Aktivgasstrahl 6 am Ausgang der Entladungskammer 1 durch
einen engen, geerdeten Begrenzungskanal 4 geführt. Hierdurch wird wirkungsvoll
eine Begrenzung der Ausbreitung der Entladungszone 22 in Richtung der freien
Austrittsöffnung des Aktivgasstrahls 6 verhindert.
Der Begrenzungskanal 4 ist so dimensioniert, dass der in ihn eintretende Teil der
Entladungszone 22 ein solches Potential erreicht, dessen Größe am Eintritt in den
Begrenzungskanal 4 für einen Durchbruch zur Kanalwand noch zu gering ist, jedoch
mit zunehmender Weglänge im Begrenzungskanal 4 so weit ansteigt, bis ein
Durchbruch zur geerdeten Wand des Begrenzungskanals 4 erfolgt.
Des Weiteren muss der Begrenzungskanal 4 entsprechend den übrigen Bedingungen
der zur Aktivierung des Prozessgases 1 erforderlichen Plasmaerzeugung eine
Mindestlänge besitzen, die sicherstellt, dass vorgenannte Auswölbungen 24 der
Entladungszone 22 in den freien Raum nicht geschehen können. Dies wird in der
Regel mit einem Verhältnis des Kanalquerschnittes zur Kanallänge von 1:5 bis 1:10
erreicht.
Die Wirksamkeit des Aktivgasstrahles 6 hängt aber auch wesentlich davon ab, dass
der Begrenzungskanal 4 einen deutlich kleineren Durchmesser im Verhältnis zum
Hauptteil der Entladungskammer 2 (vor deren konisch verjüngtem Ende 21) aufweist,
so dass bei großem Verhältnis (1:5 bis 1:8) des Querschnitts der Entladungskammer 2
gegenüber dem Querschnitt des Begrenzungskanals 4 die Geschwindigkeit des
Aktivgasstrahls 6 wesentlich ansteigt, wodurch die Zeit, die die chemisch aktiven
Teilchen des Aktivgasstrahls 6 benötigen, um die Strecke von der Entladungskammer
2 bis zum Anwendungsort zurückzulegen, stark reduziert wird. Infolge der
Zeitverkürzung kommt es zu weniger Rekombinationen aktiver Teilchen (verringerter
Aktivitätsverlust des Aktivgasstrahls 6) und dies führt zu einer Erhöhung der
Effektivität des Aktivgasstrahles 6 auf der zu bearbeitenden Oberfläche 7 (in Fig. 1
nicht dargestellt). Andererseits wird dadurch jedoch aufgrund des geringen
Durchmessers des Begrenzungskanals 4 der aerodynamische Widerstand am
verjüngten Ende 21 der Entladungskammer 2 steigen und die Effektivität innerhalb
der Entladungszone 22 beeinträchtigen. Dies erklärt sich dadurch, dass die
Temperatur des Plasmas mit steigendem Druck zunimmt. Der Begrenzungskanal 4 ist
deshalb im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und weist einen auf den
Durchmesser der Entladungskammer 2 angepassten Querschnitt von 1:5 bis 1:8 auf.The basic structure of the device for generating an active gas jet according to FIG. 1 consists of a
The
The limiting
Furthermore, the limiting
The effectiveness of the
In die Entladungskammer 2 wird Prozessgas 1 eingeleitet. Dabei wird das
zugeführte Prozessgas 1 durch die Wechselwirkung mit dem Feld 3 in der
elektrischen Entladungszone 22 aktiviert, im konisch verjüngten Teil 21 der
Entladungskammer 2 beschleunigt und größtenteils entladen und in den
Begrenzungskanal 4 eingeleitet, der die Ausbreitung der Entladungszone 22 nach
außen in den freien Bearbeitungsraum verhindert. Nach dem Begrenzungskanal 4
strömt der Aktivgasstrahl 6 durch eine strahlformende Einrichtung 5, in der er
entsprechend dem Anwendungszweck in bezug auf Geschwindigkeit, Temperatur,
geometrische Form und Strömungsart (laminar oder turbulente Strömung) geformt
wird. Die Entladungszone 22 kann dabei beliebig (je nach Art der verwendeten
Felderzeugung) durch Gleich-, Wechsel- oder Impulsstrom, elektromagnetische
Induktion, Mikrowellen oder andere Anregungsarten, die eine elektrische
Gasentladung beim verwendeten Prozessgas 1 auslösen, entstehen.
Fig. 2 stellt die Erfindung in einer Variante dar, bei der eine Aktivierung des
Prozessgases 1 durch eine Bogenentladung 34 zwischen zwei Elektroden in der
Entladungskammer 2 erfolgt. Eine der Elektroden ist eine stabförmige
Zentralelektrode 31, die andere befindet sich an der Innenwand der
Entladungskammer 2 und bildet eine sogenannte Hohlelektrode 32. Die
Hohlelektrode 32 ist mindestens an dem konisch verjüngten Ende 21 der
Entladungskammer 2 angebracht. Sie kann aber auch selbst die Wand der
Entladungskammer 2 bilden (wie z.B. in Fig. 13 dargestellt).
In die Entladungskammer 2, in der zwischen der Zentralelektrode 31 und der
Hohlelektrode 32 entlang der inneren Wand der Entladungskammer 2 mittels eines
Generators 33 eine elektrische Bogenentladung 34 stattfindet, wird tangential das
Prozessgas 1 eingeleitet.
Durch die Wechselwirkung mit der elektrischen Bogenentladung 34 wird das
Prozessgas 1 aktiviert, im kegelförmig verjüngten Teil 21 der Entladungskammer 1
beschleunigt und auf dem Weg zum Begrenzungskanal 4 größtenteils entladen. Im
nachfolgenden Begrenzungskanal 4, der eine bei großen Gasgeschwindigkeiten
mögliche Auswölbung 23 der Entladungszone 22 aufnimmt, wird eine Weiterleitung
des elektrischen Potentials der Entladungszone 22 nach außen in den freien Raum
der zu bearbeitenden Oberfläche 7 verhindert. Bei sehr hohem Gasdurchsatz durch
die Entladungskammer 2 werden Entladungsbüschel in den Aktivgasstrahl des
Begrenzungskanals 4 ausgeblasen, d.h. es bildet sich eine Auswölbung 23 der
Entladungszone 22. Die elektrische Leitfähigkeit und der damit verbundene
elektrische Widerstand des Plasmabogens (elektrischer Entladungsbogen im
Prozessgas 1) bei gleichzeitig hohem Strom führt zu einem erheblichen Potential
gegenüber der geerdeten Hohlelektrode 32 auch in naher Distanz des Plasmabogens.
Es tritt deshalb auch außerhalb der Entladungskammer 2 ein erhebliches elektrisches
Potential auf, wenn mit hoher Prozessgasgeschwindigkeit gearbeitet wird. Dieses
Potential kann unter Umständen am kreisringförmigen Ende der Hohlelektrode 32
noch einige Hundert Volt betragen. Diese Erscheinung stellt eine Gefährdung für das
Bedienpersonal dar, falls an dieser Stelle der Bearbeitungsraum anschließt. Im Fall des
Austretens von Entladungsbüscheln könnten außerdem elektrische Defekte an
sensiblen Oberflächen zu behandelnder Objekte - z.B. Halbleiter oder
Halbleiterstrukturen - hervorgerufen werden. Um das Austreten der Auswölbungen
23 (Entladungsbüschel) mit gefährlichem elektrischen Potential infolge einer hohen
Aktivgasstrahlgeschwindigkeit aus der Entladungszone 22 in den freien Raum zu
verhindern, wird der Aktivgasstrahl 6 am Ausgang der Entladungskammer 2 durch
den engen, geerdeten Begrenzungskanal 4 geleitet, in dem mit einem gewissen
aerodynamischen Stau eine weitere Entladung des Aktivgasstrahles 6 erfolgt. Der
Begrenzungskanal 4 ist so dimensioniert, dass die in ihn eintretende Auswölbung 23
der Entladungszone 22 ein Potential besitzt, dessen Größe am Eintritt in den
Begrenzungskanal 4 für einen Durchbruch zur Kanalwand noch zu gering ist. Mit
zunehmender Weglänge im Begrenzungskanal 4 steigt die Spannung im
Entladungsbogen so weit an, bis ein Durchbruch zur Kanalwand erfolgt. Somit muss
der Begrenzungskanal 4 entsprechend den übrigen Bedingungen der
Plasmaerzeugung eine gewisse Mindestlänge besitzen, die sicherstellt, dass
vorgenannte Auswölbung 23 der Entladungszone 22 den Begrenzungskanal 4 nicht
durchqueren kann und die mit einem Verhältnis zwischen Kanalquerschnitt und
Kanallänge von 1/5 bis 1/10 anzugeben ist. Der Aktivgasstrahl 6 weist eine mit der
Temperatur am Ausgang der Entladungskammer 2 vergleichbare Temperatur auf,
seine gasdynamischen Eigenschaften (Geschwindigkeit und Strömungsverhältnisse)
werden jedoch vom Gasdurchsatz und von den Dimensionen und der konstruktiven
Gestaltung des Begrenzungskanals 4 wesentlich mitbestimmt.
Nach dem Begrenzungskanal 4 strömt der Aktivgasstrahl 6 durch die strahlformende
Einrichtung 5, in der er entsprechend dem Anwendungszweck in bezug auf
Geschwindigkeit, Temperatur, geometrische Form und Strömungsart (laminar oder
turbulente Strömung) geformt wird. Hierfür können verschiedene Ausführungen von
strahlformenden Einrichtungen 5 zur Anwendung gelangen, z.B. Düsen, derartig
gestaltet, dass eine adiabatische Expansion des Aktivgaststrahls auftritt, um die
Temperatur zu senken, oder abgeflachte strahlformende Einrichtungen 5, wie sie
nachfolgend noch näher beschrieben werden, um einen flachen, breiten
Aktivgasstrahl 6 zu formen.
Die elektrische Entladungszone 22 kann für die beschriebene Vorrichtung beliebig (je
nach Art des verwendeten Spannungsgenerators 33) durch Gleich-, Wechsel- oder
Impulsstrom entstehen.
Der in der Entladungskammer 2 erzeugte Aktivgasstrahl 6 verliert beim Durchströmen
des Begrenzungskanals 4 leider auch einen Teil seiner Aktivität infolge von
Rekombination der aktiven Teilchen und wegen Wechselwirkungen des
Aktivgasstrahles 6 mit der Kanalwand. Um die Wirkung vorgenannter Prozesse zu
vermindern, ist bei einer Kürzung der Kanallänge eine gleichzeitige Verkleinerung des
Querschnitts des Begrenzungskanals 4 erforderlich. Dadurch würde jedoch der
aerodynamische Widerstand des Begrenzungskanals 4 steigen und die Effektivität
innerhalb der Entladungskammer 2 beeinträchtigt. Dies erklärt sich dadurch, dass die
Temperatur des Plasmas mit steigendem Druck zunimmt. Gleichzeitig wird eine
stärkere thermische Belastung der Zentralelektrode 31 und Hohlelektrode 32
verursacht, die zu höherem Elektrodenverschleiß führt. Dies kann dadurch vermindert
werden, dass der Begrenzungskanal 4 aus zwei oder mehreren geerdeten
Einzelkanälen 41 besteht, die in elektrisch leitendem Material parallel zueinander
angeordnet sind und einen größeren effektiven Strömungsquerschnitt ergeben. Fig. 2
zeigt dazu eine Ausführung, bei der um einen zentralen Einzelkanal 41 herum
weitere Einzelkanäle 41 gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Fig. 3 stellt eine Erzeugung eines Aktivgasstrahles 6 dar, bei der - im Unterschied
zum oben beschriebenen Beispiel - die Zentralelektrode 31 anstatt der Stabform die
Form einer elektrisch leitenden Zylinderkappe aufweist. Diese Zentralelektrode 31 ist
mit ihrer Öffnung in Richtung der Entladungskammer 2 koaxial angeordnet. Das
Prozessgas 1 wird tangential in einen Spalt zwischen der zylindrischen
Zentralelektrode 31 und der Entladungskammer 2 eingeleitet. Beim Einsatz einer
solchen Form der Zentralelektrode 31 vergrößert sich die Stützfläche der
Bogenentladung 34 auf der Zentralelektrode 31, d.h. die Fußpunkte der
Bogenentladungen 34 bewegen sich bei intensiv verwirbelter Strömung des
Prozessgases 1 auf einer größeren Oberfläche. Dadurch wird bei der Zentralelektrode
31 eine Überhitzung verhindert und die Lebensdauer sowie der maximale
Entladungsstrom erhöht.
In Fig. 4 ist eine Variante dargestellt, bei der das Prozessgas 1 zwischen zwei in der
Entladungskammer 2 in Strömungsrichtung nacheinander angeordneten Elektroden
35 aktiviert wird. Mittels eines Hochfrequenzgenerators 36 wird die Entladungszone
22 durch eine Hochfrequenzentladung in einem Wechselfeld 3 erzeugt, wobei die
Entladungskammer 2 aus elektrisch isolierendem Material (z.B. Quarz) besteht.
Da hinlänglich bekannt ist, dass die bei Verwendung von kalten Elektroden 35
entstehende elektrische Entladung unter bestimmten Drücken, z.B. bei
Atmosphärendruck, ohne zusätzliche Maßnahmen instabil ist, weil hohe
Elektronendichten und Energiegradienten vor den Elektroden 35 eine
Raumladungsschicht erzeugen und die Entladung destabilisieren. In Hochfrequenzentladungen
wird diese Stabilisierung durch einfache Maßnahmen (wie sie
beispielsweise von J. Reece Roth in: Industrial Plasma Engineering, Vol. 1: Principles,
Inst. of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1995, S. 382-385, 404-407, 464f.
beschrieben sind) erzielt. Aus diesem Grund der einfachen Erhaltung einer stabilen
Entladung ist eine HF-Entladung zur Aktivierung des Prozessgases 1 besonders
vorteilhaft.
Sämtliche Elektroden, wie sie in den vorhergehenden Gestaltungsvarianten zur
Erzeugung der elektrischen Entladungszone 22 beschrieben wurden, sind jedoch
mehr oder weniger einem Erosionsprozess ausgesetzt, d.h. sie verschleißen. Das führt
zu einer Kontamination der Entladungskammer 2 und des Prozessgases 1 durch
Elektrodenmaterial. Um einen von Kontaminierung durch Elektrodenmaterial freien
Aktivgasstrahl 6 zu erzeugen, wird gemäß Fig. 5 die Entladungszone 22 ohne
Elektroden erzeugt. Dazu wird die in diesem Beispiel aus elektrisch isolierendem, aber
mikrowellentransparentem Material bestehende Entladungskammer 2 in das Feld 3
eines Mikrowellengenerators 37 eingebracht, wobei in einem typischen
Mikrowellenleiter 38, der an den Mikrowellengenerator 37 angeschlossen ist, ein Ort
relativ gleichmäßiger und hoher Feldstärke genutzt wird. Alle übrigen Abläufe, die
aus der Entladungszone 22 den Aktivgasstrahl 6 hervorbringen, laufen entsprechend
den vorhergehenden Beispielen ab.
Eine ebenfalls elektrodenlose Aktivierung des Prozessgases 1 ist in Fig. 6 dargestellt.
Hier wird ein Hochfrequenzgenerator 36 dazu benutzt, mit einer Spule 39 ein
hochfrequent wechselndes Feld 3 in der Entladungskammer 2 zu induzieren. Dabei
ist die Entladungskammer 2 innerhalb der Windungen der Spule 39 angeordnet und
bildet innen die gewünschte Entladungszone 22 aus. Das Material der
Entladungskammer 2 ist relativ frei wählbar, jedoch notwendig nicht
ferromagnetisch. Wie bereits in den vorherigen Beispielen beschrieben, wird das
Prozessgas 1 im konisch verjüngten Ende 21 der Entladungskammer 2 beschleunigt
und im geerdeten Begrenzungskanal 4 von seinem gefährlichen Potential befreit, so
dass am Ausgang der strahlformenden Einrichtung 5 ein elektrisch neutraler
Aktivgasstrahl 6 zur Verfügung steht.
FIG. 2 shows the invention in a variant in which the
The
The interaction with the
After the limiting
The
The
3 shows a generation of an
FIG. 4 shows a variant in which the
Since it is well known that the electrical discharge produced when using
However, all of the electrodes, as described in the previous design variants for producing the
A likewise electrodeless activation of the
Bei anspruchsvollen Oberflächenbehandlungen ist es häufig erforderlich,
einzelne Teile von Oberflächen 7 oder Vertiefungen an Werkstücken gleichwertig zu
bearbeiten. Dazu wird der ursprünglich einheitliche Aktivgasstrahl 6 für die
Bearbeitung von einzelnen Flächenteilen 71 und Vertiefungen in mehrere Strahlen
aufgeteilt. Fig. 7 zeigt dazu eine stilisierte Entladungskammer 2, bei der die Art der
Erzeugung der elektrischen Entladung beliebig gewählt sein kann. Das erzeugte
Aktivgas wird aus der Entladungskammer 2 durch den Begrenzungskanal 4 in eine
strahlformende Einrichtung 5 geleitet, die verzweigte Düsen 51 aufweist. Die
verzweigten Düsen 51 sind dabei auf unterschiedliche Teilflächen 71 gerichtet, die
unterschiedliche Höhen in der zu bearbeitenden Oberfläche 7 darstellen und jeweils
einen Anteil des Aktivgasstrahles 6 auf die Teilflächen 71 leiten. For demanding surface treatments, it is often necessary
individual parts of
Bei den zur Oberflächenbearbeitung bekannten Plasmastrahl-Generatoren, wie
z.B. nach DE 195 46 930 C1, DE 195 32 412 A1, wird der Gasstrahl nach dem
Verlassen des Generators verbreitert, bevor er die zu bearbeitende Oberfläche
erreicht. Geschieht das allerdings zu großzügig, verliert der Gasstrahl auf dem Weg
zur Oberfläche 7 zuviel Aktivität durch Rekombinationen sowie Wechselwirkungen
mit den Gasteilchen der umgebenden Atmosphäre. Zu der vorliegenden Erfindung
werden deshalb einige zusätzliche Maßnahmen vorgeschlagen, die die
Aktivitätsverluste auf dem Weg von der Erzeugung des Aktivgasstrahles 6 bis zum
Erreichen der zu bearbeitenden Oberfläche 7 auch bei einer großen gleichzeitig
bearbeiteten Oberfläche 7 gering halten. Dazu zeigen die Figuren 8 und 9 zwei
Möglichkeiten für regelmäßig geformte Oberflächen 7. In Fig. 8 sind als
strahlformende Einrichtung 5, direkt an den Begrenzungskanal 4 anschließend,
abgewinkelte, weitgehend ebene Leitbleche 52 vorgesehen, die in geringem Abstand
über der ebenen Oberfläche 7 gleichmäßig geführt werden müssen. Durch diese
Maßnahme wird die bereits in der am Ende verjüngten Entladungskammer 2
erzeugte und über den Begrenzungskanal 4 weitergeleitete hohe Gasgeschwindigkeit
auch in der strahlformenden Einrichtung 5 in Form eines Strahls, der parallel zur
Oberfläche 7 geführt wird, durch eine Art Grenzschichtleitung fortgesetzt. Chemisch
aktive Teilchen des Aktivgasstrahles 6, der hierbei zu einer nahezu laminaren
Strömung entartet, kommen somit in kürzester Zeit auf eine größere Fläche der zu
bearbeitenden Oberfläche 7, noch bevor sie rekombinieren können. Dieselbe
Funktionsweise zeigt Fig. 9 für eine sphärische Oberfläche 7, wobei hier die
Leitbleche 52 entsprechend der Oberflächenkrümmung eine konzentrische Wölbung
aufweisen müssen, um den gleichen Effekt der laminaren Strömungsschicht zu
erreichen.
Eine weitere spezielle Gestaltung von strahlformender Einrichtung ist in Fig. 10
gezeigt. Dieses Beispiel beschäftigt sich mit der effektiven Bearbeitung eines
kontinuierlichen Materialflusses, bei dem entweder ein Strangprofil 72 oder ein
Materialfluss identischer Werkstücke gleichzeitig an mehreren Oberflächen 7 mit
einem Aktivgasstrahl 6 bearbeitet werden sollen. In Fig. 10 wird ein Strangprofil 72
durch einen geschlossenen Bearbeitungskanal 53 geführt, wobei an wenigstens zwei
gegenüberliegenden Seiten dieses Bearbeitungskanals 53 schräg zur
Bewegungsrichtung des Strangprofils 72 jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung
angebracht ist.
Alle bisher beschriebenen Anordnungen beinhalten nur den Einsatz eines Prozessgases
oder Prozessgasgemisches, das direkt in die Entladungskammer 1 in
entsprechender Anordnung eingeleitet wird. Soll ein zusätzlicher Stoff zugesetzt
werden, der nicht in der Entladungszone 22 aktiviert werden soll, so kommen zwei
mögliche Anordnungen in Frage, die entweder gemäß Fig. 11 durch Zugabe
unmittelbar vor dem Begrenzungskanal 4 oder gemäß Fig. 12 durch Einleitung direkt
in den neutralen Aktivgasstrahl 6 nach dem Begrenzungskanal 4 in der
Strahlformungseinrichtung 5 realisiert werden können.
Im ersten Fall (Fig. 11) wird hierzu der Zusatzstoff 8 über ein hochtemperaturfestes
Zufuhrrohr 81 zugeführt, das wenige Millimeter vor dem der Entladungszone 22
zugewandten Ende des Begrenzungskanals 4 endet und aus Keramik, Quarz oder
einem vergleichbar temperaturbeständigen Material besteht. Um möglichst keine
Störung durch diesen Zusatzstoff 8 in der Entladungszone 22 zu erhalten, darf der
Massenstrom dieses Zusatzstoffes 8 nur einen Bruchteil des Massenstroms des
Prozessgases 1 in der Entladungskammer 2 ausmachen. Die Entladungskammer 2 ist
in dieser Ausführungsform in ein Gehäuse 9 eingebunden, da hier eine
elektrodenlose Aktivierung des Prozessgases 1 angenommen werden soll. Das
Gehäuse 9 symbolisiert im einfachsten Fall einen Wellenleiter 38 mit angeschlossener
Mikrowellenquelle 37 gemäß Fig. 5, kann aber auch eine Spule 39 gemäß Fig. 7
sowie eine zugehörige Kühlung aufnehmen.
Im zweiten Fall (Fig. 12) wird das aktivierte Prozessgas 1 durch einen
Begrenzungskanal 4 mit mehreren parallelen Einzelkanälen 41, die in einem Ring 42
angeordnet sind, geführt. Im Zentrum des als dicke Lochplatte ausgebildeten
Begrenzungskanals 4 befindet sich anstelle eines zentralen Einzelkanals 41 ein
Zufuhrkanal 82, der von außen zugeleitet wird. Über diesen Zufuhrkanal 82, der
innerhalb der metallischen Lochplatte des Begrenzungskanals 4 von außen in die
Mitte des Ringes 42 der Einzelkanäle 41 geführt ist, wird der Zusatzstoff 8 in das
Zentrum eines Aktivgasstrahls 6, der näherungsweise einen Gasring darstellt,
eingebracht. Da der Aktivgasstrahl 6 bei den geringen Querschnitten der Einzelkanäle
41 mit sehr hoher Geschwindigkeit ausströmt, kann der Massenstrom des
Zusatzstoffes 8 über den Zufuhrkanal 82 über einen großen Bereich variiert und sehr
genau eingestellt werden.
Die Fig. 13 stellt den Längs- und Querschnitt der Vorrichtung für die Erzeugung eines
elektrisch neutralen Aktivgasstrahls 6 in einem handhabbaren Gehäuse 9 dar. Die
Vorrichtung besteht aus Entladungskammer 2, Begrenzungskanal 4 und
Strahlformungseinrichtung 5, die als ein einheitlicher Grundkörper 91 in der Form
eines griffigen Handstückes (Pen) aus Kupfer oder einem anderen sehr guten
elektrischen Leiter gebildet sind, einer stabförmigen Zentralelektrode 31, die mittels
eines aus Quarz bestehenden Isolatorrohres 29, koaxial zu der Wand der
Entladungskammer 2, die zugleich die Hohlelektrode 32 darstellt, angeordnet ist. Das
Isolatorrohr 29 wird durch einen elastischen Dichtungsring 92 im Grundkörper 91
gasdicht bezüglich der Entladungskammer 21 abgedichtet. Das Ende der
Zentralelektrode 31 steht aus dem Isolatorrohr 29 um eine Länge von bis zum
zweifachen Durchmesser der Zentralelektrode 31 in die Entladungskammer 2 vor. Das
Isolatorrohr 29 selbst ragt mindestens um eine Länge von der Größe des eigenen
Außendurchmessers in die Entladungskammer 2 hinein und bildet somit außerhalb
seiner Mantelfläche einen Teil der Entladungskammer 2 in Form eines Hohlzylinders.
In diesen Hohlzylinder nahe der hinteren Stirnwand der Entladungskammer 2 wird
das Prozessgas 1 symmetrisch in die Entladungskammer 2 eingeleitet.
Das konisch verjüngte Ende 21 der Entladungskammer 2 geht fließend in den engen
Begrenzungskanal 4 über. Der Durchmesser des Begrenzungskanals 4 steht im
Verhältnis 1:8 zu dessen Länge und ist in Fig. 13 nur stilisiert (nicht maßstabsgerecht)
gezeichnet. An den Begrenzungskanal 4 schließt sich die strahlformende Einrichtung
5 an. Die Entladungskammer 2, der Begrenzungskanal 4 und die strahlformende
Einrichtung 5 sind einheitlich aus Kupfer gefertigt und weisen einen gemeinsamen
geerdeten Kontakt 93 auf. Der geerdete Kontakt 93 ist zugleich mit dem negativen
Pol des Spannungsgenerators 33 (in Fig. 13 nicht dargestellt) verbunden. Der positive
Pol des Spannungsgenerators 33 ist an die Zentralelektrode 31 angeschlossen.
Die Zufuhr des Prozessgases 1 erfolgt über den Gaseinlass 24 zunächst in eine
zylindrische Verteilungskammer 25, von der aus über gleichmäßig verteilte
tangentiale Strömungskanäle 26 eine spiralförmige Gasströmung im
hohlzylinderförmigen Teil der Entladungskammer 2 generiert wird. Diese Maßnahme
bewirkt, dass die Fußpunkte der Bogenentladung 34 (in Fig. 13 nicht darstellt) an der
Zentralelektrode 31 auf deren Stirnfläche und unmittelbar angrenzende Teile der
Elektrodenoberfläche einschränkt werden, so dass das Isolatorrohr 29 thermisch
weniger belastet und dessen Erosion verringert wird.
Am rückwärtigen Ende des Grundkörpers 91 - genauer gesagt an der hinteren
Stirnwand der Entladungskammer 2 ist ein isolierender Anschlusskörper 94 befestigt
(z.B. geschraubt), der die Befestigung und den Anschluss der Zentralelektrode 31
trägt. Der Anschlusskörper 94 weist einen zusätzlichen Gaseinlass 27 auf, der über
eine schmale Ringkammer 28 entlang der Zentralelektrode 31 mit der
Entladungskammer 2 verbunden ist. Durch diese schmale Ringkammer 28 wird
zwischen Zentralelektrode 31 und Isolatorrohr 29 ein Teil des Prozessgases 1 mit der
Funktion einer Elektrodenkühlung und direkter Einspeisung in die Entladungszone 22
zugeführt. Die Ringkammer 28 wird rückwärtig im Anschlusskörper 94 durch einen
elastischen Ring 96 gegen die Zentralelektrode 31, die nach hinten zur
Anschlussklemme 95 hindurch geführt ist, abgedichtet. Auch in die Ringkammer 28
können - wie zwischen der Verteilungskammer 25 und dem hohlzylindrischen Teil
der Entladungskammer 2 - tangentiale Strömungskanäle 26 (für Ringkammer 28
nicht dargestellt) zur Erzeugung einer spiralförmigen Gaszirkulation vorgesehen sein.
Die Vorrichtung nach Fig. 13 funktioniert nun in folgender Art und Weise. Ein Teil
des Prozessgases 1 wird durch den zusätzlichen Gaseinlass 27 zugeführt und strömt
durch die Ringkammer 28 zwischen der Zentralelektrode 31 und dem Isolatorrohr 29
in die Entladungskammer 2. Gleichzeitig wird der andere (größere) Teil des
Prozessgases 1 durch den Gaseinlass 24 über die Verteilungskammer 25, durch die
tangentialen Öffnungen 26 der Entladungskammer 2 in deren hohlzylinderförmigen
Teil, der durch die Hohlelektrode 32 und das hereinragende Isolatorrohr 29 gebildet
wird, zugeführt. Dadurch wird eine spiralförmige Wirbelströmung in der
Entladungskammer 2 erzeugt. Bei der Zufuhr des Prozessgases 1 durch die
Gaseinlässe 24 und 27 und gleichzeitigem Anliegen einer Gleichspannung zwischen
geerdetem Kontakt 93 und Anschlussklemme 95 entsteht eine elektrische Entladung
in der Entladungskammer 2. Das Prozessgas 1 wird aufgrund der Wechselwirkungen
in der Entladungszone 22 (analog zu Fig. 2, jedoch in Fig. 13 nicht dargestellt)
aktiviert, verlässt die Entladungskammer 2 - durch deren konisch verjüngtes Ende 21
beschleunigt - mit hoher Geschwindigkeit und strömt durch den anschließenden
Begrenzungskanal 4 sowie die strahlformende Einrichtung 5 in den (freien)
Bearbeitungsraum. Der Aktivgasstrahl 6 verliert im Wesentlichen im
Begrenzungskanal 4 sein Potential, dessen Größe am Ende des Begrenzungskanals 4
gegenüber Masse (geerdet) nahezu Null ist. In der nachfolgenden strahlformenden
Einrichtung 5 wird der Aktivgasstrahl 6 dann auf die für die Anwendung gewünschte
Breite und Form (wie beispielhaft zu den Figuren 7 bis 9 beschrieben) gebracht.
Damit steht ein chemisch sehr wirkungsvoller und elektrisch neutraler Aktivgasstrahl
6 für beliebige Anwendungsfälle zur Verfügung. In the case of the plasma jet generators known for surface processing, such as, for example, according to DE 195 46 930 C1, DE 195 32 412 A1, the gas jet is broadened after leaving the generator before it reaches the surface to be processed. If this happens too generously, the gas jet loses too much activity on the way to the
Another special design of beam-shaping device is shown in FIG. 10. This example deals with the effective processing of a continuous material flow, in which either an extruded
All of the arrangements described so far only include the use of a process gas or process gas mixture which is introduced directly into the
In the first case (FIG. 11), the
In the second case (FIG. 12), the activated
13 shows the longitudinal and cross-section of the device for generating an electrically neutral
The conically tapered
The
At the rear end of the base body 91 - more precisely on the rear end wall of the
13 now works in the following manner. Part of the
- 11
- Prozessgasprocess gas
- 22
- Entladungskammerdischarge chamber
- 2121
- konisch verjüngtes Endetapered end
- 2222
- Entladungszonedischarge zone
- 2323
- Auswölbung der EntladungszoneBulge of the discharge zone
- 2424
- tangentiale Strömungskanäletangential flow channels
- 2525
- Verteilungskammerdistribution chamber
- 26, 2726, 27
- Gaseinlassgas inlet
- 2828
- Ringkammerannular chamber
- 2929
- IsoiatorrohrIsoiatorrohr
- 33
- Feldfield
- 3131
- Zentralelektrodecentral electrode
- 3232
- Hohlelektrodehollow electrode
- 3333
- Spannungsgeneratorvoltage generator
- 3434
- Bogenentladungarc
- 3535
- HF-ElektrodeRF electrode
- 3636
- HF-QuelleRF source
- 3737
- Mikrowellenquellemicrowave source
- 3838
- Mikrowellenleitermicrowave guide
- 3939
- SpuleKitchen sink
- 44
- Begrenzungskanallimiting channel
- 4141
- Einzelkanäleindividual channels
- 4242
- Ring (von Einzelkanälen)Ring (of single channels)
- 55
- strahlformende Einrichtungbeam shaping device
- 5151
- verzweigte Düsenbranched nozzles
- 5252
- Leitblechebaffles
- 5353
- Bearbeitungskanalmachining channel
- 66
- AktivgasstrahlActive gas jet
- 6161
- Teilstrahlenpartial beams
- 77
- Oberflächesurface
- 7171
- Teilflächensubareas
- 7272
- Strangprofilextruded profile
- 88th
- Zusatzstoffeadditives
- 8181
- Zufuhrrohrsupply pipe
- 8282
- Zufuhrkanalsupply channel
- 99
- Gehäusecasing
- 9191
- Grundkörperbody
- 9292
- elastischer Dichtungsringelastic sealing ring
- 9393
- Erdungsklemmeground terminal
- 9494
- isolierender Anschlusskörperinsulating connector body
- 9595
- Anschlussklemme (der Zentralelektrode)Terminal (of the central electrode)
- 9696
- elastischer Ringelastic ring
Claims (24)
zur Aktivierung des Prozessgases (1) eine Bogenentladung (34) vorgesehen ist, wobei die Entladungskammer (2) eine Zentralelektrode (31) und eine Hohlelektrode (32), die die Innenwand der Entladungskammer (2) mindestens im Bereich des konisch verjüngten Endes (21) flächig und symmetrisch bedeckt, aufweist.Device according to claim 1, characterized in that
An arc discharge (34) is provided for activating the process gas (1), the discharge chamber (2) having a central electrode (31) and a hollow electrode (32) which cover the inner wall of the discharge chamber (2) at least in the region of the conically tapered end (21 ) covered over a large area and symmetrically.
der Begrenzungskanal (4) direkt an die Hohlelektrode (32) angefügt ist.Apparatus according to claim 2, characterized in that
the limiting channel (4) is attached directly to the hollow electrode (32).
die Zentralelektrode (31) stabförmig ausgebildet und entlang der Symmetrieachse der Entladungskammer (2) angeordnet ist. Apparatus according to claim 2, characterized in that
the central electrode (31) is rod-shaped and is arranged along the axis of symmetry of the discharge chamber (2).
die Zentralelektrode (31) die Form einer Zylinderkappe aufweist, die eine Zylindermantelfläche geringer Höhe sowie eine Deckfläche beinhaltet und deren Öffnung koaxial zur Symmetrieachse der Entladungskammer (2) ausgerichtet und oberhalb des Gaseinlasses (26) der Entladungskammer (2) angeordnet ist.Apparatus according to claim 2, characterized in that
the central electrode (31) is in the form of a cylinder cap which contains a cylinder jacket surface of low height and a top surface and whose opening is aligned coaxially with the axis of symmetry of the discharge chamber (2) and is arranged above the gas inlet (26) of the discharge chamber (2).
zur Aktivierung des Prozessgases (1) die Entladungskammer (2) in einem mit Hochfrequenz (Radiofrequenz) erzeugten Induktionsfeld angebracht ist.Device according to claim 1, characterized in that
to activate the process gas (1), the discharge chamber (2) is mounted in an induction field generated at high frequency (radio frequency).
zur Aktivierung des Prozessgases (1) die Entladungskammer (2) mit zwei entlang der Wand der Entladungskammer (2) in Strömungsrichtung des Prozessgases (1) angeordneten HF-Elektroden (35), die mit Radiofrequenz betrieben werden, versehen ist.Apparatus according to claim 6, characterized in that
To activate the process gas (1), the discharge chamber (2) is provided with two RF electrodes (35) which are arranged along the wall of the discharge chamber (2) in the flow direction of the process gas (1) and are operated at radio frequency.
zur Aktivierung des Prozessgases (1) die Entladungskammer (2) in einer mit Hochfrequenz betriebenen Spule (39) angeordnet ist.Apparatus according to claim 6, characterized in that
To activate the process gas (1), the discharge chamber (2) is arranged in a coil (39) operated at high frequency.
zur Aktivierung des Prozessgases (1) die Entladungskammer (2) in einem an einer Mikrowellenquelle (37) angeschlossenen Wellenleiter (38) angeordnet ist.Device according to claim 1, characterized in that
To activate the process gas (1), the discharge chamber (2) is arranged in a waveguide (38) connected to a microwave source (37).
dem Begrenzungskanal (4) eine strahlformende Einrichtung (5) zur Einstellung des Aktivgasstrahls (6) mit gewünschten Parametern, insbesondere Geschwindigkeit, Temperatur, geometrische Form und Strömungsart, nachgeordnet ist.Device according to claim 1, characterized in that
the limiting channel (4) is followed by a beam-shaping device (5) for setting the active gas jet (6) with desired parameters, in particular speed, temperature, geometric shape and type of flow.
an den Ausgang des Begrenzungskanals (4) verzweigte Düsen (51) zum Bearbeiten einzelner Teilflächen (71) oder Vertiefungen der zu bearbeitenden Oberfläche (7) angeschlossen sind. Apparatus according to claim 10, characterized in that
branched nozzles (51) for machining individual partial surfaces (71) or depressions in the surface (7) to be machined are connected to the outlet of the boundary channel (4).
die strahlformende Einrichtung (5) durch Leitbleche (52) an die Form der zu bearbeitenden Oberfläche (7) angepasst ist, wobei der Abstand zwischen der Oberfläche (7) und den Leitblechen (52) in einem definiert kleinen Bereich gehalten wird, so dass die effektiv behandelte Oberfläche (7) eine größere Fläche umfasst.Apparatus according to claim 10, characterized in that
the beam-shaping device (5) is adapted to the shape of the surface (7) to be machined by guide plates (52), the distance between the surface (7) and the guide plates (52) being kept in a defined small area, so that the effectively treated surface (7) covers a larger area.
strahlformende Einrichtungen (5) vorgesehen sind, die zwei oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Erzeugung des Aktivgasstrahles (6) in einen Bearbeitungskanal (53) einbinden, wobei in dem Bearbeitungskanal (53) bei kontinuierlichem Materialdurchlauf mehrere zu behandelnde Oberflächen (7) eines Werkstücks gleichzeitig oder Oberflächen (7) von Strangprofilen (72) mit beliebigem Querschnitt allseitig bearbeitbar sind.Apparatus according to claim 10, characterized in that
Jet-shaping devices (5) are provided, which incorporate two or more devices according to the invention for generating the active gas jet (6) into a processing channel (53), with multiple surfaces (7) of a workpiece to be treated simultaneously or in the processing channel (53) with continuous material flow Surfaces (7) of extruded profiles (72) with any cross-section can be machined on all sides.
ein in der Entladungskammer (2) axial angeordnetes Zufuhrrohr (81), das kurz vor dem Ausgang der Entladungskammer (2) endet, zur Einbringung von Zusatzstoffen (8) in den Aktivgasstrahl (6) vorgesehen ist, wobei ein Einfluss der Zusatzstoffe (8) auf die Entladungscharakteristik und eine Kontaminierung der Entladungskammer (2) durch die Zusatzstoffe (8) oder deren Reaktionsprodukte vermieden wird.Device according to claim 1, characterized in that
A feed tube (81), which is arranged axially in the discharge chamber (2) and ends shortly before the discharge of the discharge chamber (2), is provided for introducing additives (8) into the active gas jet (6), with an influence of the additives (8). on the discharge characteristics and contamination of the discharge chamber (2) by the additives (8) or their reaction products is avoided.
der Begrenzungskanal (4) mehrere Einzelkanäle (41) umfasst, um den gasdynamischen Widerstand und die Verweildauer des Aktivgases (6) im Begrenzungskanal (4) zu reduzieren, wobei die Einzelkanäle (41) um einen zentralen Kanal herum gleichmäßig in einem Ring (42) verteilt angeordnet sind.Device according to claim 1, characterized in that
the limiting channel (4) comprises a plurality of individual channels (41) in order to reduce the gas dynamic resistance and the residence time of the active gas (6) in the limiting channel (4), the individual channels (41) around a central channel evenly in a ring (42) are distributed.
der Begrenzungskanal (4) mit mehreren Einzelkanälen (41) einen zentralen Zufuhrkanal (82) für Zusatzstoffe (8) aufweist, wobei der Zufuhrkanal (82) axial im Zentrum des Ringes (42) von mit aktiviertem Prozessgas (6) durchströmten Einzelkanälen (41) angeordnet ist.Apparatus according to claim 15, characterized in that
the limiting channel (4) with a plurality of individual channels (41) has a central feed channel (82) for additives (8), the feed channel (82) axially in the center of the ring (42) of individual channels (41) through which activated process gas (6) flows. is arranged.
die Zusatzstoffe (8) im Bereich des Begrenzungskanals (4) als Gase, Flüssigkeiten in Form von Aerosolen oder Feststoffe in Form feiner Partikel einführbar sind.Device according to claim 14 or 16, characterized in that
the additives (8) in the area of the boundary channel (4) can be introduced as gases, liquids in the form of aerosols or solids in the form of fine particles.
die Hohlelektrode (32), der Begrenzungskanal (4) und die strahlformende Einrichtung (5) als einheitlicher Rotationskörper mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit gefertigt sind, die Zentralelektrode (31) als koaxial von einem Isolatorrohr (29) umgebene stabförmige Zentralelektrode (31) in die Entladungskammer (2), die von der Hohlelektrode (32) gebildet wird, eingeführt ist, und die Gaszufuhr für das Prozessgas (1) tangentiale Strömungskanäle (24) in einer die Zentralelektrode (31) konzentrisch umgebenden zylindrischen Verteilungskammer (15; 16) aufweist, wobei infolge einer resultierenden spiralförmigen Gasströmung aus der Verteilungskammer (15; 16) in die Entladungskammer (2) Bogenentladungen (34) zwischen Zentralelektrode (31) und Hohlelektrode (32) einen auf das Ende der Zentralelektrode (31) konzentrierten Austrittsbereich aufweisen.Apparatus according to claim 4, characterized in that
the hollow electrode (32), the limiting channel (4) and the beam-shaping device (5) are manufactured as a uniform rotating body with very good electrical conductivity, the central electrode (31) as a rod-shaped central electrode (31) coaxially surrounded by an insulator tube (29) Discharge chamber (2), which is formed by the hollow electrode (32), is inserted, and the gas supply for the process gas (1) has tangential flow channels (24) in a cylindrical distribution chamber (15; 16) concentrically surrounding the central electrode (31), wherein, as a result of a spiral gas flow from the distribution chamber (15; 16) into the discharge chamber (2), arc discharges (34) between the central electrode (31) and the hollow electrode (32) have an outlet area concentrated on the end of the central electrode (31).
tangentiale Strömungskanäle (24) in einen zylindrischen ringförmigen Teil der Entladungskammer (2) zwischen innerer Oberfläche der Hohlelektrode (32) und äußerer Oberfläche des Isolatorrohres (29) geführt sind, so dass das Prozessgas (1) das Isolatorrohr (29) von.außen spiralförmig umströmt.Device according to claim 18, characterized in that
Tangential flow channels (24) in a cylindrical annular part of the discharge chamber (2) between the inner surface of the hollow electrode (32) and the outer surface of the insulator tube (29) are guided so that the process gas (1) the insulator tube (29) from the outside spiral flows around.
tangentiale Strömungskanäle (24) zusätzlich in eine zylindrische Ringkammer (28) zwischen stabförmiger Zentralelektrode (31) und innerer Oberfläche des Isolatorrohres (29) geführt sind, so dass die Zentralelektrode (31) direkt von einem Anteil des Prozessgases (1) gekühlt wird und Austrittspunkte von Bogenentladungen (34) im Wesentlichen auf nichtzylindrische Flächen der Zentralelektrode (31) beschränkt sind.Device according to claim 18, characterized in that
tangential flow channels (24) are additionally guided into a cylindrical annular chamber (28) between the rod-shaped central electrode (31) and the inner surface of the insulator tube (29), so that the central electrode (31) is cooled directly by a portion of the process gas (1) and exit points arc discharges (34) are essentially limited to non-cylindrical surfaces of the central electrode (31).
das Ende der stabförmigen Zentralelektrode (31) das Isolatorrohr (29) um eine Länge von bis zum zweifachen Durchmesser der Zentralelektrode (31) überragt.Apparatus according to claim 19, characterized in that
the end of the rod-shaped central electrode (31) projects beyond the insulator tube (29) by a length of up to twice the diameter of the central electrode (31).
das Ende der Zentralelektrode (31) mit dem Ende des Isolatorrohrs (29) abschließt.Device according to claim 19 or 20, characterized in that
the end of the central electrode (31) ends with the end of the insulator tube (29).
der Begrenzungskanal (4) in Gasströmungsrichtung leicht kegelförmig verengt ist und ein mittleres Verhältnis von Kanaldurchmesser zu Kanallänge von 1:8 aufweist.Device according to claim 18, characterized in that
the limiting channel (4) is narrowed slightly conically in the direction of gas flow and has an average ratio of channel diameter to channel length of 1: 8.
dem Begrenzungskanal (4) eine strahlformende Einrichtung (5) mit glockenförmig erweitertem Ausgang nachgeordnet ist, so dass die Arbeitsbreite des Aktivgasstrahles (6) vergrößert ist.Device according to claim 18, characterized in that
A beam-shaping device (5) with a bell-shaped extended outlet is arranged downstream of the limiting channel (4), so that the working width of the active gas jet (6) is increased.
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