EP1335641B1 - Plasmadüse - Google Patents

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EP1335641B1
EP1335641B1 EP02002927A EP02002927A EP1335641B1 EP 1335641 B1 EP1335641 B1 EP 1335641B1 EP 02002927 A EP02002927 A EP 02002927A EP 02002927 A EP02002927 A EP 02002927A EP 1335641 B1 EP1335641 B1 EP 1335641B1
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nozzle
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tube
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Plasma Treat GmbH
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H1/24—Generating plasma
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    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3478—Geometrical details

Definitions

  • the invention relates to a plasma nozzle for generating a jet of an atmospheric Plasma. with a nozzle pipe through which a working gas flows. an electrode arranged coaxially in the nozzle tube, a high-frequency generator for applying a voltage between the electrode and the Nozzle tube and a swirl device for the swirled introduction of the working gas in an annular space between the electrode and the nozzle tube.
  • a plasma nozzle of this type is known from US-A-5 837 958 and from WO 01 43512 A. known and is used in particular for surface pretreatment, for example for hydrophilizing workpieces, but can also be used for other purposes are used, for example for plasma polymerization or plasma coating.
  • the high frequency generator generates a voltage of, for example 500 kV or more with a frequency of 1kHz or more between the Electrode and the nozzle tube. This leads to an arc discharge, their discharge arc, however, due to the swirled flow of the working gas gets carried away. The working gas forms a vortex that is around the axis of the nozzle tube rotates.
  • the arc in the vortex core is on the axis of the nozzle tube so that it is only at the mouth of the nozzle tube branches and overturns on the nozzle tube. Because of the rapid rotation of the working gas in the vortex core occurs along the entire length of the arc for intimate contact of the working gas with the arc. Thereby a relatively cool, but highly reactive secondary plasma is generated. which then emerges as a jet from the mouth of the nozzle tube.
  • the inside of the nozzle tube is lined with a ceramic tube, which is a dielectric forms and has the purpose of igniting and forming the arc to control. Specifically, there is one when the voltage is switched on Corona discharge in the annular space between the electrode and the dielectric, and only through this corona discharge is the actual arc discharge ignited so that the arc forms in the desired manner.
  • the plasma nozzle does not function impaired but on the contrary is improved if you look at the No dielectric at all.
  • the ignition then occurs suddenly by skipping of the arc between the electrode and the wall of the nozzle tube.
  • the swirled flow of the working gas is sufficient, the arc to blow out of the annulus so that it is like the conventional nozzle is channeled in the vortex core.
  • the structure of the plasma nozzle is simplified and the manufacturing costs are reduced.
  • the diameter and the axial length of the Reduce the plasma nozzle without negatively affecting the geometry of the plasma jet.
  • the nozzle tube tapers conically towards the mouth.
  • a ceramic tube with such a rejuvenation it is difficult to manufacture a transition point between the ceramic tube in the conventional plasma nozzle and give the conductive surface of the nozzle tube. Through this transition point the flow of the working gas in the nozzle pipe was disturbed.
  • these problems are avoided, and the inner surface of the nozzle tube can be designed with a high degree of design freedom depending on the application Design so that the plasma jet has the desired shape and length receives.
  • the swirl device is preferably formed by a wall made of metal with a spiral shape arranged holes formed electrically opposite the electrode is insulated and is at the potential as the nozzle tube. Due to the Flow and pressure conditions in the annulus will cause the arc to die Flow of the working gas is sucked in and carried away, so that it is reliable too a shift of the base point of the arc to the tip of the electrode comes.
  • the plasma nozzle 10 shown in FIG. 1 has a nozzle tube 12 made of metal, which tapers conically to an outlet opening 14. At the outlet opening 14 opposite end, the nozzle tube 12 has an inlet 16 for a working gas on, for example for compressed air.
  • An intermediate wall 18 of the nozzle tube 12 has a ring of bores 20 made obliquely in the circumferential direction and thus forms a swirl device for the working gas.
  • the downstream one Conical tapered part of the nozzle tube is therefore from the working gas in the Form flows through a vortex 22, the core of which on the longitudinal axis of the nozzle tube runs.
  • An electrode 24 is arranged centrally on the underside of the intermediate wall 18, which projects coaxially into the tapered section of the nozzle tube.
  • the electrode 24 is rounded off by a rotationally symmetrical one Pin formed, for example of copper, which is electrically isolated by an insulator 26 insulated from the intermediate wall 18 and the other parts of the nozzle tube is.
  • a high frequency is applied to the electrode 24 via an insulated shaft 28 AC voltage applied by a high frequency transformer 30 is generated.
  • the voltage can be regulated variably and is, for example 500 V or more, preferably 2 - 5 kV.
  • the frequency is, for example, in the Order of magnitude from 1 to 20 kHz and is preferably also adjustable.
  • the Shaft 28 is connected to the high-frequency transformer 30 via a flexible high-voltage cable 32 connected.
  • the inlet 16 is via a not shown Hose connected to a variable flow compressed air source, preferably combined with the high-frequency generator 30 to form a supply unit is.
  • the plasma nozzle 10 can be effortlessly by hand or with the help of a robot arm.
  • the nozzle tube 12 and the intermediate wall 18 are grounded.
  • FIG. 2 shows a plasma nozzle 10 'according to a modified embodiment.
  • the electrode 24 is separated from the intermediate wall 18 designed and suspended on thin, radial webs 38, the wall of the nozzle tube 12 on electrically insulating bushings Enforce 40.
  • the voltage supply to the electrode 24 takes place via the webs 38.
  • This embodiment has the advantage of greater freedom in terms of the design of the electrode 24.
  • this electrode have a streamlined shape so that the swirling flow of the working gas is further optimized in the nozzle tube. Since also the partition 18 here does not act as a heat sink for the electrode, the electrode 24 can be on a higher temperature, so that the work function for the electrons is smaller.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse zur Erzeugung eines Strahls eines atmosphärischen Plasmas. mit einem von einem Arbeitsgas durchströmten Düsenrohr. einer koaxial in dem Düsenrohr angeordneten Elektrode, einem Hochfrequenzgenerator zum Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode und dem Düsenrohr und einer Dralleinrichtung zur verdrallten Einleitung des Abeitsgases in einen Ringraum zwischen der Elektrode und dem Düsenrohr.
Eine Plasmadüse dieser Art ist aus US-A-5 837 958 sowie aus WO 01 43512 A bekannt und dient insbesondere zur Oberflächenvorbehandlung, beispielsweise zum Hydrophilisieren von Werkstücken, kann jedoch auch für andere Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise zur Plasmapolymerisation oder Plasmabeschichtung. Der Hochfrequenzgenerator erzeugt eine Spannung von beispielsweise 500 kV oder mehr mit einer Frequenz von 1kHz oder mehr zwischen der Elektrode und dem Düsenrohr. Hierdurch kommt es zu einer Bogenentladung, deren Entladungsbogen jedoch durch die verdrallte Strömung des Arbeitsgases mitgerissen wird. Das Arbeitsgas bildet einen Wirbel, der um die Achse des Düsenrohres rotiert. Letztlich wird so der Lichtbogen im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres kanalisiert, so daß er sich erst an der Mündung des Düsenrohres verzweigt und auf das Düsenrohr überschlägt. Aufgrund der raschen Rotation des Arbeitsgases im Wirbelkern kommt es auf der gesamten Länge des Lichtbogens zu einer innigen Berührung des Arbeitsgases mit dem Lichtbogen. Dadurch wird ein verhältnismäßig kühles, aber hoch reaktives Sekundärplasma erzeugt. das dann als Strahl aus der Mündung des Düsenrohres austritt.
Das Düsenrohr ist innen mit einem Keramikrohr ausgekleidet, das ein Dielektrikum bildet und den Zweck hat, die Zündung und Ausbildung des Lichtbogens zu steuern. Speziell kommt es beim Einschalten der Spannung zunächst zu einer Koronaentladung in dem Ringraum zwischen der Elektrode und dem Dielektrikurn, und erst durch diese Koronaentladung wird die eigentliche Bogenentladung so gezündet, daß sich der Lichtbogen in der gewünschten Weise ausbildet.
Aus EP-A-0 639 041 ist eine ähnlich aufgebaute Plasmadüse bekannt, die zum Plasmaspritzen, d. h. zur Pulverbeschichtung dient. Diese Düse wird jedoch mit Gleichstrom betrieben und weist deshalb kein Dielektrikum im Düsenrohr auf. Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfacher und kompakter aufgebaute Plasmadüse zu schaffen, bei der sich die Geometrie des Plasmastrahls besser steuern läßt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Ringraum auf der Länge der Elektrode nach außen nur durch die leitende Oberfläche des Düsenrohres begrenzt wird.
Überraschend hat sich gezeigt, daß die Funktionsweise der Plasmadüse nicht beeinträchtigt sondern im Gegenteil noch verbessert wird, wenn man auf das Dielektrikum ganz verzichtet. Die Zündung erfolgt dann schlagartig durch Überspringen des Lichtbogens zwischen der Elektrode und der Wand des Düsenrohres. Allein die verdrallte Strömung des Arbeitsgases reicht aus, den Lichtbogen so aus dem Ringraum herauszublasen, daß er wie bei der herkömmlichen Düse im Wirbelkern kanalisiert wird. Durch den Verzicht auf das Keramikrohr wird der Aufbau der Plasmadüse vereinfacht, und die Herstellungskosten werden gesenkt. Insbesondere läßt sich der Durchmesser und auch die axiale Länge der Plasmadüse reduzieren, ohne daß dies einen negativen Einfluß auf die Geometrie des Plasmastrahls hat.
Um die Form und Länge des Plasmastrahls zu steuern, ist es erwünscht, daß sich das Düsenrohr zur Mündung hin konisch verjüngt. Da jedoch ein Keramikrohr mit einer solchen Verjüngung nur schwer herzustellen ist, mußte es dann bei der herkömmlichen Plasmadüse eine Übergangsstelle zwischen dem Keramikrohr und der leitenden Oberfläche des Düsenrohres geben. Durch diese Übergangsstelle wurde die Strömung des Arbeitsgases im Düsenrohr gestört. Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden diese Probleme vermieden, und die Innenfläche des Düsenrohres läßt sich mit hoher konstruktiver Freiheit je nach Anwendungsfall so gestalten, daß der Plasmastrahl die gewünschte Form und Länge erhält.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bevorzugt wird die Dralleinrichtung durch eine Wand aus Metall mit spriralförmig angeordneten Bohrungen gebildet, die gegenüber der Elektrode elektrisch isoliert ist und sich auf dem Potential wie das Düsenrohr befindet. Aufgrund der Strömungs- und Druckverhältnisse in dem Ringraum wird der Lichtbogen in die Strömung des Arbeitsgases eingesaugt und mitgerissen, so daß es zuverlässig zu einer Verlagerung des Fußpunktes des Lichtbogens zur Spitze der Elektrode kommt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1
einen schematischen Schnitt durch die Plasmadüse der Erfindung; und
Fig.2
einen Schnitt durch eine Plasmadüse gemäß einer abgewandelten Ausführungsform.
Die in Figur 1 gezeigte Plasmadüse 10 weist ein Düsenrohr 12 aus Metall auf, das sich konisch zu einer Auslaßöffnung 14 verjüngt. Am der Auslaßöffnung 14 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 12 einen Einlaß 16 für ein Arbeitsgas auf, beispielsweise für Druckluft. Eine Zwischenwand 18 des Düsenrohres 12 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 20 auf und bildet so eine Dralleinrichtung für das Arbeitsgas. Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohres wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 22 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohres verläuft.
An der Unterseite der Zwischenwand 18 ist mittig eine Elektrode 24 angeordnet, die koaxial in den verjüngten Abschnitt des Düsenrohres hineinragt. Die Elektrode 24 wird durch einen rotationssymmetrischen, an der Spitze abgerundeten Stift gebildet, beispielsweise aus Kupfer, der durch einen Isolator 26 elektrisch gegenüber der Zwischenwand 18 und den übrigen Teilen des Düsenrohres isoliert ist. Über einen isolierten Schaft 28 wird an die Elektrode 24 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, die von einem Hochfrequenztransformator 30 erzeugt wird. Die Spannung ist variabel regelbar und beträgt beispielsweise 500 V oder mehr, vorzugweise 2 - 5 kV. Die Frequenz liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 20 kHz und ist vorzugsweise ebenfalls regelbar. Der Schaft 28 ist mit dem Hochfrequenztransformator 30 über ein flexibles Hochspannungskabel 32 verbunden. Der Einlaß 16 ist über einen nicht gezeigten Schlauch mit einer Druckluftquelle mit variablem Durchsatz verbunden, die vorzugsweise mit dem Hochfrequenzgenerator 30 zu einer Versorgungseinheit kombiniert ist. Die Plasmadüse 10 läßt sich so mühelos mit der Hand oder mit Hilfe eines Roboterarms bewegen. Das Düsenrohr 12 und die Zwischenwand 18 sind geerdet.
Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in der Form eines Lichtbogens 34 zwischen der Elektrode 24 und dem Düsenrohr 12 erzeugt. Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen jedoch im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres 12 kanalisiert, so daß er sich erst im Bereich der Auslaßöffnung 14 zur Wand des Düsenrohres 12 verzweigt. Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 34 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so daß ein Strahl 36 eines verhältnismäßig kühlen atmosphärischen Plasmas, etwa in der Gestalt einer Kerzenflamme, aus der Auslaßöffnung 14 der Plasmadüse 10 austritt.
Figur 2 zeigt eine Plasmadüse 10' gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu Figur 1 ist hier die Elektrode 24 getrennt von der Zwischenwand 18 ausgebildet und schwebend an dünnen, radialen Stegen 38 gehalten, die die Wand des Düsenrohres 12 an elektrisch isolierenden Durchführungen 40 durchsetzen. Die Spannungszufuhr zu der Elektrode 24 erfolgt über die Stege 38.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine größere Freiheit hinsichtlich der Gestaltung der Elektrode 24 besteht. Insbesondere kann diese Elektrode eine Stromlinienform haben, so daß die drallförmige Strömung des Arbeitsgases im Düsenrohr weiter optimiert wird. Da außerdem die Zwischenwand 18 hier nicht als Wärmesenke für die Elektrode wirkt, kann die Elektrode 24 auf einer höheren Temperatur gehalten werden, so daß die Austrittsarbeit für die Elektronen kleiner ist.

Claims (5)

  1. Plasmadüse zur Erzeugung eines Strahls (36) eines atmosphärischen Plasmas, mit einem von einem Arbeitsgas durchströmten Düsenrohr (12), einer koaxial in dem Düsenrohr angeordneten Elektrode (24), einem Hochfrequenzgenerator (30) zum Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode (24) und dem Düsenrohr (12) und einer Dralleinrichtung (18) zur verdrallten Einleitung des Arbeitsgases in einen Ringraum zwischen der Elektrode (24) und dem Düsenrohr (12) derart, daß der Lichtbogen im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres kanalisiert wird und sich erst an der Mündung des Düsenrohres verzweigt und auf das Düsenrohr überschlägt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum auf der Länge der Elektrode (24) nach außen nur durch die leitende Oberfläche des Düsenrohres (12) begrenzt wird.
  2. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dralleinrichtung (18) elektrisch mit dem Düsenrohr (12) verbunden und gegenüber der Elektrode (24) isoliert ist.
  3. Plasmadüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Düsenrohr (12) zu seiner Auslaßöffnung (14) verjüngt.
  4. Plasmadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (24) räumlich getrennt von der Dralleinrichtung (18) ausgebildet und mit radialen Stegen (38) schwebend im Düsenrohr (12) gehalten ist.
  5. Plasmadüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (24) ein stromlinienförmiger Körper ist.
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