EP1441578A2 - Vorrichtung zum Erzeugen eines breiten Aktivgasstrahls auf Basis eiens Gasentladungsplasmas - Google Patents

Vorrichtung zum Erzeugen eines breiten Aktivgasstrahls auf Basis eiens Gasentladungsplasmas Download PDF

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EP1441578A2
EP1441578A2 EP04001326A EP04001326A EP1441578A2 EP 1441578 A2 EP1441578 A2 EP 1441578A2 EP 04001326 A EP04001326 A EP 04001326A EP 04001326 A EP04001326 A EP 04001326A EP 1441578 A2 EP1441578 A2 EP 1441578A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
diameter
discharge
gas
discharge chambers
insulator tube
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04001326A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1441578A3 (de
Inventor
Rudolph Konavko
Arkady Konavko
Serguei Goloviatinskii
Hermann Dr. Schmid
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PVA TePla AG
Original Assignee
PVA TePla AG
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Filing date
Publication date
Application filed by PVA TePla AG filed Critical PVA TePla AG
Publication of EP1441578A2 publication Critical patent/EP1441578A2/de
Publication of EP1441578A3 publication Critical patent/EP1441578A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/44—Plasma torches using an arc using more than one torch

Definitions

  • the Discharge chambers each have a central electrode that is supported by an insulator tube is encased and at the electrically insulated from the discharge chamber High voltage connector is attached, a gas inlet and an outlet nozzle have, in particular for the treatment of material surfaces that a Activation and / or cleaning of surfaces of different types of materials causes and, for example, the adhesion of adhesives or paints on such treated material surface increased.
  • Active gas generators are known in a variety of configurations. From DE 195 32 412 A1 a device is known in which a working gas through a electrical discharge is passed through and at the output of the device Active gas jet (chemically active gas stream) emerges. This active gas jet is for Treatment of surfaces with linear movement of the material only on a narrow strip of the surface applicable. The width of the activated Strip along the surface is usually on the order of to to 10 mm, only in exceptional cases above. The one to be treated Material surface must therefore move past several times under the device become. The same does not apply to the design forms described Pre-published patent application DE 101 45 131.8, to which also here generic reference should be made to.
  • a wider section of a treated surface can be patented US 5,837,958 generate by a series arrangement of active gas generators is used.
  • the body of the proposed active gas generator has a diameter of 30-40 mm compared to a width of the treatment zone of only 10-15 mm for a single active gas generator.
  • the invention has for its object a new way of generating to find a broad jet of active gas that is simultaneous and possible even treatment of large surface areas allowed without Lifetime and performance of the active gas generator compared to one conventional single device are reduced.
  • the object in a device for generating a wide active gas jet based on a gas discharge plasma with a large number of discharge chambers each of the discharge chambers Central electrode, which is encased by an insulator tube and on the electrically insulated from a housing of the discharge chamber High-voltage connection is attached, at least one tangentially entering Inlet nozzle for swirling a process gas outside the insulator tube and have a coaxial outlet nozzle, solved in that the Discharge chambers lined up side by side in a compact linear block introduced from electrically conductive material and with such small Chamber diameters are designed so that the active gas jets in a defined Distance of a few millimeters (preferably 15 mm) in front of the outlet nozzles the discharge chambers have a diameter that is larger than that Chamber diameter of the individual discharge chambers, so that the Active gas jets when hitting the material surface in the direction of the linear block have intersecting beam diameters that the Central electrodes each have such a small electrode diameter, that inside the encasing
  • An additional gas distributor for supplying the is advantageous in the isolator block Additional gas channels of all discharge chambers with additional gas (which is preferably the process gas used is also available), with the additional gas distributor crosses the additional gas channels of all discharge chambers.
  • the central electrode has a radial recess which begins shortly before the end of the insulator tube and extends to the end of the insulator tube.
  • the recess is expediently arranged to a larger first part inside the conical end of the insulator and to a smaller second part outside the insulator tube. This considerably reduces the metallization of the insulator tube caused by electrode sputtering, which would otherwise lead to reduced gas discharge effectiveness.
  • the diameter of the recess is smaller by one to three tenths of the diameter of the rest of the central electrode.
  • the central electrode After the cutout in the direction of the outlet nozzle of the discharge chamber, the central electrode preferably has a third diameter which is larger than the remaining diameter of the central electrode.
  • the insulator tube has a conical end preferably in the form of a truncated cone with a central hole and a cone angle in the range of 20 ° -40 °. It proves to be useful that the conical end of the insulator tube in the end region of the truncated cone from Central hole is rounded up to the outer surface of the truncated cone. The rounded edge of the truncated cone should preferably have a radius between 0.15 and 0.4 mm.
  • a homogeneous active gas jet across the entire width of the linear block to reach the discharge chambers is the outlet nozzles of the discharge chambers advantageously a gap-shaped aligned along the linear block Upstream collecting nozzle, the input on the diameter of the Output nozzles adjusted and on the end faces of the linear block each completed by a removable cover panel, the one represents pressure-equalizing completion of the gap of the collecting nozzle.
  • expedient is the slit-shaped collecting nozzle is tapered in the outflow direction, whereby it has a gap width on the input side which is equal to the diameter of the Output nozzles of the discharge chambers, and one on the output side Outlet opening with 1/6 to 1/4 of the gap width on the input side.
  • the device according to the invention for treating a wide strip of a surface 2 (hereinafter referred to as active gas generator) has, as shown schematically in FIG. 1, a plurality of simultaneously and independently operated active gas channels which are formed from individual discharge chambers 12.
  • Each of the essentially cylindrical discharge chambers 12 has a central electrode 3, an insulator tube 4 enveloping the central electrode 3, an axially symmetrical outlet nozzle 13 and a gas inlet 14 which introduces a required process gas swirled tangentially between the insulator tube 4 and the wall of the discharge chamber 12.
  • the individual active gas channels constructed in this way are lined up side by side in a linear block 1, which is mechanically made from a piece of electrically conductive material. 1 shows a longitudinal section through the linear block 1.
  • block 1 has a common process gas distributor 15 (only visible in FIG. 2), which introduces the process gas via the gas inlets 14 designed as swirl nozzles into the discharge chambers 12 of each individual active gas channel.
  • the linear block 1 is - as can be seen from the mutually orthogonal sectional views of FIGS. 1 and 2 - connected via a plug connection to an insulator block 5, which at the same time represents the rear end of the discharge chambers 12.
  • the insulator block 5, which consists of electrically insulating material, contains the high-voltage connections 31 for the individual central electrodes 3 and a ground connection 11 for all the discharge chambers 12 contained in the block 1 (as counter potential).
  • the insulating block 5 accommodates the insulator tube 4 and the electrode 3 in the rear end of the discharge chambers 12. Between the electrode 3 and the insulator tube 4 12 additional gas channels 52 are formed in the insulating block 5 for each discharge chamber, which are crossed by an additional gas distributor 53 in the direction of the linear arrangement of the discharge chambers 12.
  • the additional gas distributor 53 for the introduction of additional gas (preferably additional process gas) into the additional gas channels 52 is realized via a uniform additional gas supply 54, which is also in the isolator block 5 - but on a different level (shown in FIG.
  • Achievement of a consistently good performance of the linearly expanded Active gas jet 21 is also a defined shape of the central electrodes 3 and the insulator tube 4 essential. 4 shows two measures applied individually or together, one by sputtering the electrodes Central electrode 3 caused a reduction in the quality of the active gas jets 21 or prevents a shortened service life of the overall device or at least greatly reduce.
  • the insulator tube 4 has a conical end 41, which has the shape of a with a truncated cone with a central hole with an angle ⁇ in the area between 20 ° and 40 ° (preferably 25 °).
  • the conical end 41 is covered on the truncated cone shape with one rounded outwards from the central hole Provide edge 42, the radius R in the range between 0.15 and 0.4 mm (preferably 0.2 mm).
  • each Discharge chamber 12 is aligned, discharges in the radial direction Discharge chambers 12 because of the small chamber diameter D Discharge chambers 12 but can not be avoided by the conical end 41 and the "receding" edge 42 described above Metallization of the insulator tube 4 (which is practically a broadening of the Central electrode 3 represents) largely suppressed.
  • the central electrode 3 is provided in the region of the edge 42 of the insulator tube 4 with a radial recess 32 which, compared to the electrode diameter d 1 of the central electrode 3, has a recess diameter d 2 that is reduced by a few tenths of a millimeter.
  • the recess 32 has two sections with the lengths L 1 and L 2 , of which the larger section of the length L is inside and the shorter section of the length L 2 is outside the insulator tube 4.
  • the central electrode 3 is placed towards the edge 42 of the insulator tube 4 such that the recess 32 (with the diameter d 2 ) with the length L 1 of not less than 2 mm is covered by the insulator tube 4 and over the length L 2 of not less than Protrudes 1 mm from the insulator tube 4.
  • the metallization of the surface of the edge 42 of the insulator tube 4 is effectively prevented in cooperation with the flow of the process gas outside and the additional gas flow inside the insulator tube 4.
  • the end part diameter d 3 of the free end 33 of the central electrode 3 can also be enlarged compared to the other electrode diameter d 1 .
  • the end part diameter d 3 will preferably be of the order of magnitude of the inner diameter d 4 of the insulator tube 4 (or be slightly larger) and the length of the end part 33 of the central electrode 3 will be between 1d 1 and 5d 1 .
  • the multible linear active gas generator according to the invention can - accordingly the embodiment variant according to Figures 5 and 6 - additionally with a Collection nozzle 16 to improve the quality of the surface treatment be equipped.
  • the active gas jets 21 (only shown in FIG. 1) from the individual discharge chambers 12 are along the linear block 1 received and closed by a continuous gap-shaped collecting nozzle 16 an essentially one-dimensional, uniform strip-shaped active gas zone.
  • the collecting nozzle 16 is again tapered towards the exit, as can be seen in the sectional view of FIG. 6 (with an enlarged detail section below).
  • the width B g of the inlet gap in the region of the reception of the active gas jets 21 into the collecting nozzle 16 is equal to the diameter d of the outlet nozzles 13 of the discharge chambers 12.
  • the width B a of the tapered gap-shaped nozzle opening at the outlet of the collecting nozzle 16 is between 1/6 and 1 / 4 the width B g of the inlet gap or the diameter d of the outlet nozzle 13 of the discharge chambers 12.
  • the collecting nozzle 16 is - as can also be seen from FIG. 5 - designed in such a way that it covers the entire width of the linear block 1 and is closed at both ends with removable end shutters 17, which are the outer boundary of the linear, in full width over the material surface 2 guided active gas jet act.

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Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen eines breiten Aktivgasstrahls auf Basis eines Gasentladungsplasmas mit einer Vielzahl von Gasentladungskammern, insbesondere zur Aktivierung und/oder Reinigung von Oberflächen verschiedenster Materialarten. Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung eines breiten Aktivgasstrahles zu finden, die eine gleichzeitige und möglichst gleichmäßige Behandlung großer Oberflächenbereiche gestattet, ohne dass Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Aktivgasgenerators gegenüber einer herkömmlichen Einzelvorrichtung vermindert sind, wird erfindungsgemäß gelöst, indem Entladungskammern (12) nebeneinander aufgereiht in einem kompakten linearen Block (1) aus elektrisch leitendem Material eingebracht werden und mit derart kleinem Kammerdurchmesser (D) ausgeführt sind, dass die Aktivgasstrahlen (21) in Richtung des linearen Blockes (1) beim Auftreffen auf der Materialoberfläche (2) einander überschneidende Strahldurchmesser (E) aufweisen, die Zentralelektroden (3) jeweils einen so geringen Elektrodendurchmesser aufweisen, dass innerhalb des ummantelnden Isolatorröhrchens (4) ein schmaler Zusatzgaskanal (52) zur Verfügung steht, der die Gasentladung wesentlich stärker in Richtung der Ausgangsdüse (13) der Entladungskammer (12) konzentriert, und ein Isolatorblock (5) zur Zuleitung der Hochspannungsanschlüsse (31), eines Erdungsanschlusses (11) für den linearen Block (1) sowie zur Prozessgaszuführung (51) vorhanden ist.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen eines breiten Aktivgasstrahls auf Basis eines Gasentladungsplasmas mit einer Vielzahl von Entladungskammern, wobei die Entladungskammern jeweils eine Zentralelektrode, die von einem Isolatorröhrchen ummantelt ist und an der elektrisch isoliert von der Entladungskammer ein Hochspannungsanschluss angebracht ist, einen Gaseinlass und eine Ausgangsdüse aufweisen, insbesondere zur Behandlung von Materialoberflächen, die eine Aktivierung und/oder Reinigung von Oberflächen verschiedenster Materialarten bewirkt und beispielsweise die Adhäsion von Klebstoffen oder Lacken auf so behandelten Materialoberfläche erhöht.
Aktivgasgeneratoren sind in vielfältigen Ausgestaltungen bekannt. Aus der DE 195 32 412 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei denen ein Arbeitsgas durch eine elektrische Entladung hindurchgeleitet wird und am Ausgang der Vorrichtung ein Aktivgasstrahl (chemisch aktiver Gasstrom) austritt. Dieser Aktivgasstrahl ist zur Behandlung von Oberflächen bei linearer Fortbewegung des Materials lediglich auf einen schmalen Streifen der Oberfläche anwendbar. Die Breite des aktivierten Streifens entlang der Oberfläche liegt üblicherweise in der Größenordnung von bis zu 10 mm, nur in Ausnahmefällen darüber. Die zu behandelnde Materialoberfläche muss also mehrfach unter der Vorrichtung vorbeibewegt werden. Gleiches trifft für die beschriebenen Gestaltungsformen der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 101 45 131.8, auf die hier ebenfalls gattungsgemäß Bezug genommen werden soll, zu.
Ein breiterer Abschnitt einer behandelten Oberfläche lässt sich gemäß Patent US 5,837,958 erzeugen, indem eine Reihenanordnung von Aktivgasgeneratoren verwendet wird. Der Körper des vorgeschlagenen Aktivgasgenerators hat jedoch einen Durchmesser von 30-40 mm gegenüber einer Breite der Behandlungszone von lediglich 10-15 mm für einen einzelnen Aktivgasgenerator. Beim Einsatz einer Einzelreihe von Aktivgasgeneratoren, die orthogonal zur Ausrichtung der Reihe relativ zur Materialoberfläche bewegt wird, könnte daher nur eine parallele Schar von behandelten Streifen auf der zu bearbeitenden Oberfläche erzeugt werden.
Deshalb werden im Patent US 5,837,958 für eine durchgängig gleichmäßige Oberflächenbehandlung mindestens zwei versetzte Parallelreihen an Aktivgasgeneratoren eingesetzt. Bei Verwendung von nur einer Reihe von Aktivgasgeneratoren müsste ein spitzer Winkel (ca. 45°) zwischen den Richtungen von Aktivgasgeneratorreihe und relativer Oberflächenbewegung eingehalten werden. Daraus ergibt sich - neben einem erhöhten Kostenaufwand und einem relativ großen Volumen der Apparatur - der Hauptnachteil, dass Wiederablagerungen von abgetragenem Material auf der Oberfläche im Bereich des zuvor bearbeiteten, benachbarten Streifens möglich sind.
Konstruiert man einen Aktivgasgenerator so, dass eine annähernde Gleichheit von Durchmesser der Gasentladungskammer und Breite des behandelten Oberflächenstreifens erreicht wird, stellen sich Probleme der Langzeitstabilität der Gasentladung ein, da sich Elektroden und Isolator bei geringen Abständen schneller verschleißen. So erreicht die in der DE 101 45 131.8 beschriebene Vorrichtung eine auf maximal 200 bis 300 Stunden begrenzte Betriebsdauer (Plasmazeit) auf Grund eines Isolatorverschleißes. Dies liegt hauptsächlich an einer Ablagerung von zerstäubtem Elektrodenmaterial, das im Plasmazündvorgang erodiert wird, auf der Isolatoroberfläche. Hierdurch wird die Isolatoroberfläche nach gewisser Zeit elektrisch leitend und die elektrische Entladung verlagert sich - zumindest teilweise - von der Zentralelektrode direkt über den Isolatorrand nach außen. Dadurch wird die Raumentladung in der Entladungskammer nach einer bestimmten Betriebsdauer erheblich geschwächt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Erzeugung eines breiten Aktivgasstrahles zu finden, die eine gleichzeitige und möglichst gleichmäßige Behandlung großer Oberflächenbereiche gestattet, ohne dass Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Aktivgasgenerators gegenüber einer herkömmlichen Einzelvorrichtung vermindert sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zum Erzeugen eines breiten Aktivgasstrahls auf Basis eines Gasentladungsplasmas mit einer Vielzahl von Entladungskammern, wobei die Entladungskammern jeweils eine Zentralelektrode, die von einem Isolatorröhrchen ummantelt ist und an der elektrisch isoliert von einem Gehäuse der Entladungskammer ein Hochspannungsanschluss angebracht ist, mindestens eine tangential einlaufende Einlassdüse zur Verwirbelung eines Prozessgases außerhalb des Isolatorröhrchens und eine koaxiale Ausgangsdüse aufweisen, dadurch gelöst, dass die Entladungskammern nebeneinander aufgereiht in einem kompakten linearen Block aus elektrisch leitendem Material eingebracht und mit derart kleinem Kammerdurchmesser ausgeführt sind, dass die Aktivgasstrahlen in definierter Entfernung von einigen Millimetern (vorzugsweise 15 mm) vor den Ausgangsdüsen der Entladungskammern einen Durchmesser haben, der größer ist als der Kammerdurchmesser der einzelnen Entladungskammern, so dass die Aktivgasstrahlen beim Auftreffen auf der Materialoberfläche in Richtung des linearen Blockes einander überschneidende Strahldurchmesser aufweisen, dass die Zentralelektroden jeweils einen solch geringen Elektrodendurchmesser aufweisen, dass innerhalb des ummantelnden Isolatorröhrchens ein schmaler Zusatzgaskanal zusätzlich zu dem außerhalb des Isolatorröhrchens befindlichen Prozessgaswirbelströmung zur Verfügung steht, der die Gasentladung wesentlich stärker in Richtung der Ausgangsdüse der Entladungskammer konzentriert, und dass ein Isolatorblock zur Zuleitung der Hochspannungsanschlüsse für die Zentralelektroden und eines einheitlichen Erdungsanschlusses für den linearen Block sowie zur Zuführung von Prozessgas vorhanden ist, wobei der Isolatorblock an der den Ausgangsdüsen entgegengesetzten Seite des linearen Blockes angebracht ist.
Vorteilhaft ist im Isolatorblock ein Zusatzgasverteiler zur Versorgung der Zusatzgaskanäle aller Entladungskammern mit Zusatzgas (welches vorzugsweise ebenfalls das verwendete Prozessgas ist) vorhanden, wobei der Zusatzgasverteiler die Zusatzgaskanäle aller Entladungskammern kreuzt.
Zur Realisierung der kompakten Bauform der im linearen Block eingearbeiteten schlanken Entladungskammern weist die Zentralelektrode eine radiale Aussparung auf, die im Innern kurz vor dem Ende des Isolatorröhrchens beginnt und bis über das Ende des Isolatorröhrchens reicht. Dabei ist die Aussparung zweckmäßig zu einem größeren ersten Teil innerhalb des kegelförmigen Endes des Isolators und zu einem kleineren zweiten Teil außerhalb des Isolatorröhrchens angeordnet. Dadurch wird eine durch Elektrodenzerstäubung verursachte Metallisierung des Isolatorröhrchens erheblich verringert, die ansonsten zu einer verminderten Gasentladungseffektivität führen würde.
Es weist sich von Vorteil, wenn der Durchmesser der Aussparung um ein bis drei Zehntel des Durchmessers der übrigen Zentralelektrode kleiner ist.
Die Zentralelektrode weist nach der Aussparung in Richtung der Ausgangsdüse der Entladungskammer vorzugsweise einen dritten Durchmesser auf, der größer ist als der übrige Durchmesser der Zentralelektrode.
Eine weitere Verbesserung des Gasentladungsverhaltens der schlank gehaltenen Entladungskammern wird erreicht, dass das Isolatorröhrchen ein konisches Ende vorzugsweise in Form eines Kegelstumpfes mit Zentralloch und einem Kegelwinkel im Bereich von 20°-40° aufweist. Dabei erweist es sich als zweckmäßig, dass das konische Ende des Isolatorröhrchens im Endbereich des Kegelstumpfes vom Zentralloch bis zur Mantelfläche des Kegelstumpfes abgerundet ist. Der abgerundete Rand des Kegelstumpfes sollte vorzugsweise einen Radius zwischen 0,15 und 0,4 mm aufweisen.
Um einen homogenen Aktivgasstrahl über die gesamte Breite des linearen Blockes der Entladungskammern zu erreichen, wird den Ausgangsdüsen der Entladungskammern vorteilhaft eine entlang des linearen Blockes ausgerichtete spaltförmige Sammeldüse vorgelagert, die eingangsseitig an die Durchmesser der Ausgangsdüsen angepasst und an den Stirnseiten des linearen Blockes jeweils durch eine abnehmbare Abschlussblende abgeschlossen, die einen druckausgleichenden Abschluss des Spaltes der Sammeldüse darstellt. Zweckmäßig ist die spaltförmige Sammeldüse in Ausströmungsrichtung verjüngt ist, wobei sie eingangsseitig eine Spaltbreite hat, die gleich dem Durchmesser der Ausgangsdüsen der Entladungskammern ist, und ausgangsseitig eine Austrittsöffnung mit 1/6 bis 1/4 der eingangsseitigen Spaltbreite aufweist.
Mit der Erfindung ist es möglich, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines breiten Aktivgasstrahls zu realisieren, die eine gleichmäßige Behandlung großer Oberflächenbereiche gestattet, ohne dass Abstriche an der Leistungsfähigkeit und/oder der Lebensdauer des Aktivgasgenerators gegenüber einer herkömmlichen Einzelvorrichtung hingenommen werden müssen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1:
einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktivgasgenerator mit einem linearen Block mit fünf Entladungskammern,
Fig. 2:
einen zu Fig. 1 orthogonalen Längsschnitt durch den Aktivgasgenerator,
Fig. 3:
einen Schnitt in einer zu Fig. 2 parallelen Ebene,
Fig. 4:
eine Darstellung des Axialschnittes durch die Zentralelektrode mit bevorzugten Gestaltungen von Zentralelektrode und Isolatorröhrchen,
Fig. 5:
einen Längsschnitt durch die Sammeldüse und die Ausgangdüsen,
Fig. 6:
einen Querschnitt durch die spaltförmige Sammeldüse und die Ausgangdüsen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung eines breiten Streifens einer Oberfläche 2 (nachfolgend Aktivgasgenerator genannt) hat - wie in Fig. 1 schematisch dargestellt - mehrere gleichzeitig und selbständig betriebene Aktivgaskanäle, die aus einzelnen Entladungskammern 12 gebildet werden. Jede der im Wesentlichen zylindrischen Entladungskammern 12 weist eine Zentralelektrode 3, ein die Zentralelektrode 3 umhüllendes Isolatorröhrchen 4, eine axialsymmetrische Ausgangsdüse 13 und einen Gaseinlass 14, der tangential zwischen Isolatorröhrchen 4 und Wand der Entladungskammer 12 ein erforderliches Prozessgas verwirbelt einleitet, auf. Die so aufgebauten einzelnen Aktivgaskanäle sind nebeneinander aufgereiht in einem linearen Block 1 untergebracht, der mechanisch aus einem Stück elektrisch leitenden Materials gefertigt ist. Fig. 1 zeigt dazu einen Längsschnitt durch den linearen Block 1.
Der Block 1 hat für die gewählte Anzahl der Entladungskammern 12 (in diesem Beispiel fünf) einen gemeinsamen Prozessgasverteiler 15 (nur in Fig. 2 erkennbar), der das Prozessgas über die als Wirbeldüse gestalteten Gaseinlässe 14 in die Entladungskammern 12 jedes einzelnen Aktivgaskanals einleitet.
Der lineare Block 1 ist - wie aus den zueinander orthogonalen Schnittdarstellungen von Fig. 1 und 2 zu entnehmen - über eine Steckverbindung mit einem Isolatorblock 5 verbunden, der zugleich den hinteren Abschluss der Entladungskammern 12 darstellt.
Der Isolatorblock 5, der aus elektrisch isolierendem Material besteht, enthält die Hochspannungsanschlüsse 31 für die einzelnen Zentralelektroden 3 sowie einen Erdungsanschluss 11 für alle im Block 1 enthaltenen Entladungskammern 12 (als Gegenpotential). Weiterhin weist er eine einheitliche Prozessgaszuführung 51 (Fig. 2) auf, die über den Prozessgasverteiler 15 im linearen Block 1 die Versorgung der einzelnen Entladungskammern 12 über deren Gaseinlässe 14 realisiert.
Der Isolierblock 5 nimmt im hinteren Abschluss der Entladungskammern 12 das Isolatorröhrchen 4 sowie die Elektrode 3 auf. Zwischen Elektrode 3 und Isolatorröhrchen 4 sind im Isolierblock 5 für jede Entladungskammer 12 Zusatzgaskanäle 52 ausgeformt, die in Richtung der linearen Aneinanderreihung der Entladungskammern 12 von einem Zusatzgasverteiler 53 gekreuzt werden. Der Zusatzgasverteiler 53 für die Einbringung von Zusatzgas (vorzugsweise von zusätzlichem Prozessgas) in die Zusatzgaskanäle 52 wird über eine einheitliche Zusatzgaszuführung 54 realisiert, die ebenfalls im Isolatorblock 5 - jedoch in einer anderen Ebene (dargestellt in Fig. 3), die parallel zur Ebene der Schnittzeichnung von Fig. 2 verläuft, untergebracht ist. Somit wird an den Zentralelektroden 3 (über die engen Zusatzgaskanäle 52 in jeder Entladungskammer 12 ein schnelle ringförmig begrenzte Zusatzgasströmung erzeugt, die die Entstehung einer elektrischen Entladung im Bereich des Endes 41 des Isolatorröhrchens 4 behindert und eine beginnende Gasentladung zusätzlich in Richtung der Ausgangsdüse 13 verschiebt.
Die Gestaltung der gesamten Prozessgaseinleitung in jede der Entladungskammern 12 über Prozessgaszuführung 51, Prozessgasverteiler 15 und Gaseinlass 14 einerseits sowie Zusatzgaszuführung 54, Zusatzgasverteiler 53 und Zusatzgaskanal 52 andererseits ist am Deutlichsten in Fig. 3 zu erkennen. Lediglich die Prozessgaszuführung 51 ist hier nicht zu erkennen, da sie in einer anderen Ebene liegt, die in Fig. 2 dargestellt ist.
Des Weiteren ist in Fig. 3 eine Ausgestaltung gezeigt, die Konstanz der Strömungseigenschaften der Ausgangsdüsen 13 sichern soll. Dazu ist jede Ausgangsdüse 13 mindestens im Endbereich mit einem separaten, austauschbaren Metallröhrchen 18 ausgekleidet. Dadurch lässt sich der gesamte lineare Block 1 bei verschlissenen Ausgangsdüsen 13 weiter benutzen, indem einfach die eingesetzten Metallröhrchen 18 ausgewechselt werden.
Erreichung einer gleichbleibend guten Leistungsfähigkeit des linear ausgedehnten Aktivgasstrahles 21 ist weiterhin eine definierte Formgebung der Zentralelektroden 3 und der Isolatorröhrchen 4 wesentlich. Dazu zeigt Fig. 4 zwei Maßnahmen, die einzeln oder gemeinsam angewendet, eine durch die Elektrodenzerstäubung der Zentralelektrode 3 verursachte Verringerung der Qualität der Aktivgasstrahlen 21 bzw. eine verkürzte Lebensdauer der Gesamtvorrichtung verhindert oder zumindest stark reduzieren.
Zum einen hat das Isolatorröhrchen 4 ein konisches Ende 41, das die Form eines mit einem Zentralloch versehenen Kegelstumpfes mit einem Winkel α im Bereich zwischen 20° und 40° (bevorzugt 25°) aufweist. Das konische Ende 41 ist bezogen auf die Kegelstumpfform mit einem vom Zentralloch nach außen abgerundeten Rand 42 versehen, dessen Radius R im Bereich zwischen 0,15 und 0,4 mm (bevorzugt bei 0,2 mm) liegt.
Obwohl die Gasentladung vornehmlich in Richtung der Ausgangsdüse 13 jeder Entladungskammer 12 ausgerichtet ist, Entladungen in radialer Richtung der Entladungskammern 12 wegen des geringen Kammerdurchmessers D der Entladungskammern 12 aber nicht vermieden werden können, wird durch das konische Ende 41 und den oben beschriebenen "zurückfliehenden" Rand 42 eine Metallisierung des Isolatorröhrchens 4 (die praktisch eine Verbreiterung der Zentralelektrode 3 darstellt) weitgehend unterdrückt.
Als zweite Maßnahme wird die Zentralelektrode 3 im Bereich des Randes 42 des Isolatorröhrchens 4 mit einer radialen Aussparung 32 versehen, die gegenüber dem Elektrodendurchmesser d1 der Zentralelektrode 3 einen um wenige Zehntelmillimeter verringerten Aussparurigsdurchmesser d2 hat.
Die Aussparung 32 weist zwei Teilbereiche mit den Längen L1 und L2 auf, von denen sich der größere Teilbereich der Länge L, innerhalb und der kürzere Teil der Länge L2 außerhalb des Isolatorröhrchens 4 befindet. Die Zentralelektrode 3 wird zum Rand 42 des Isolatorröhrchens 4 so platziert, dass die Aussparung 32 (mit dem Durchmesser d2) mit der Länge L1 von nicht weniger als 2 mm vom Isolatorröhrchen 4 abgedeckt ist und auf der Länge L2 von nicht weniger als 1 mm aus dem Isolatorröhrchen 4 herausragt.
Durch die so angeordnete Aussparung 32 der Zentralelektrode 3, die bei einem Elektrodendurchmesser d1 = 2 mm eine Durchmesserreduzierung um 0,2 bis 0,6 mm (bevorzugt 0,4 mm) aufweist, ist die Austrittswahrscheinlichkeit eines Entladungsbogens aus dem Bereich der Aussparung 32 und somit eine radiale Gasentladung über den Rand 42 des Isolatorröhrchens 4 deutlich reduziert. Dadurch wird im Zusammenwirken mit der Strömung des Prozessgases außerhalb sowie die Zusatzgasströmung innerhalb des Isolatorröhrchens 4 die Metallisierung der Oberfläche des Randes 42 des Isolatorröhrchens 4 wirksam verhindert.
Zur Erhöhung der Lebensdauer der Zentralelektrode 3 kann außerdem noch der Endteildurchmesser d3 des freien Endes 33 der Zentralelektrode 3 gegenüber dem sonstigen Elektrodendurchmesser d1 vergrößert sein. Vorzugsweise wird der Endteildurchmesser d3 in der Größenordnung des Innendurchmessers d4 des Isolatorröhrchens 4 liegen (oder geringfügig größer sein) und die Länge des Endteiles 33 der Zentralelektrode 3 zwischen 1d1 und 5d1 betragen.
Mit dieser Konstruktion der Zentralelektrode 3 mit Aussparung 32 und verdicktem Ende 33 konnte im Dauertest eine Lebensdauer der Zentralelektrode 3 von mehreren tausend Stunden erreicht werden und das Isolatorröhrchen 4 brauchte selbst nach mehreren Elektrodenwechseln nicht ersetzt zu werden und hat damit praktisch eine unbegrenzte Lebensdauer.
Der erfindungsgemäße multible lineare Aktivgasgenerator kann - entsprechend der Ausführungsvariante gemäß den Figuren 5 und 6 - zusätzlich mit einer Sammeldüse 16 zur Verbesserung der Qualität der Oberflächenbehandlung ausgestattet werden. Die Aktivgasstrahlen 21 (nur in Fig. 1 dargestellt) aus den einzelnen Entladungskammern 12 werden dabei entlang des linearen Blockes 1 von einer durchgängigen spaltförmigen Sammeldüse 16 aufgenommen und zu einer im Wesentlichen eindimensional ausgedehnten, einheitlichen streifenförmigen Aktivgaszone geformt.
Die Sammeldüse 16 ist zum Ausgang hin nochmals verjüngt, wie in der Schnittdarstellung von Fig. 6 (mit vergrößertem Detailausschnitt unten) zu erkennen. Dabei ist die Breite Bg des Eingangspaltes im Bereich der Aufnahme der Aktivgasstrahlen 21 in die Sammeldüse 16 gleich dem Durchmesser d der Ausgangsdüsen 13 der Entladungskammern 12. Die Breite Ba der verjüngten spaltförmigen Düsenöffnung am Ausgang der Sammeldüse 16 ist zwischen 1/6 bis 1/4 der Breite Bg des Eingangsspaltes bzw. des Durchmessers d der Ausgangsdüse 13 der Entladungskammern 12.
Die Sammeldüse 16 ist - wie aus Fig. 5 ergänzend zu entnehmen - so gestaltet, dass sie die gesamte Breite des linearen Blockes 1 umfasst und an beiden Enden mit abnehmbaren Abschlussblenden 17 geschlossen ist, die als Außenbegrenzung des linearen, in voller Breite über die Materialoberfläche 2 geführten Aktivgasstrahles wirken.
Bezugszeichenliste
1
lineare Blockanordnung
11
Erdungsanschluss
12
Entladungskammer
13
Ausgangsdüse
14
Gaseinlass
15
Prozessgasverteiler
16
Sammeldüse
17
Abschlussblende
18
Metallröhrchen
2
Materialoberfläche
21
Aktivgasstrahl
3
Zentralelektrode
31
Hochspannungsanschluss
32
Aussparung
33
Endteil (der Zentralelektrode)
4
Isolatorröhrchen
41
konisches Ende
42
abgerundeter Rand
5
Isolatorblock
51
Prozessgaszuführung
52
Zusatzgaskanal
53
Zusatzgasverteiler
54
Zusatzgaszuführung
α
Kegelwinkel
Ba
Breite der Düsenöffnung
Bg
Breite des Eingangsspaltes
D
Kammerdurchmesser
d
Durchmesser (der Ausgangsdüsen)
d1
Elektrodendurchmesser
d2
Aussparungsdurchmesser
d3
Endteildurchmesser
d4
Innendurchmesser (des Isolatorröhrchens)
E
Strahldurchmesser (des Aktivgasstrahls)
L1, L2
Länge (der Aussparung)
R
Radius

Claims (12)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen eines breiten Aktivgasstrahls auf Basis eines Gasentladungsplasmas mit einer Vielzahl von Entladungskammern, wobei die Entladungskammern jeweils eine Zentralelektrode, die von einem Isolatorröhrchen ummantelt ist und an der elektrisch isoliert von einem Gehäuse der Entladungskammer ein Hochspannungsanschluss angebracht ist, mindestens eine tangential einlaufende Einlassdüse zur Verwirbelung des Prozessgases außerhalb des Isolatorröhrchens und eine koaxiale Ausgangsdüse aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Entladungskammern (12) nebeneinander aufgereiht in einem kompakten linearen Block (1) aus elektrisch leitendem Material eingebracht und mit derart kleinem Kammerdurchmesser (D) ausgeführt sind, dass die Aktivgasstrahlen (21) in definierter Entfernung von weniger als 20 Millimetern vor den Ausgangsdüsen (13) der Entladungskammern (12) einen Durchmesser (E) haben, der größer ist als der Kammerdurchmesser (D) der einzelnen Entladungskammern (12), so dass die Aktivgasstrahlen (21) beim Auftreffen auf der Materialoberfläche (2) in Richtung des linearen Blockes (1) einander überschneidende Strahldurchmesser (E) aufweisen,
    die Zentralelektroden (3) jeweils einen solch geringen Elektrodendurchmesser (d1) aufweisen, dass innerhalb des ummantelnden Isolatorröhrchens (4) ein schmaler Zusatzgaskanal (52) zusätzlich zu dem außerhalb des Isolatorröhrchens (4) befindlichen Prozessgaswirbelströmung zur Verfügung steht, der die Gasentladung wesentlich stärker in Richtung der Ausgangsdüse (13) der Entladungskammer (12) konzentriert, und
    ein Isolatorblock (5) zur einheitlichen Zuleitung der Hochspannungsanschlüsse (31) für die Zentralelektroden (3) und eines Erdungsanschlusses (11 ) für den linearen Block (1) sowie zur Zuführung von Prozessgas vorhanden ist, wobei der Isolatorblock (5) an der den Ausgangsdüsen (13) entgegengesetzten Seite des linearen Blockes (1) angebracht ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zusatzgasverteiler (53) zur Versorgung der Zusatzgaskanäle (52) aller Entladungskammern (12) mit Zusatzgas im Isolatorblock (5) vorhanden ist, wobei der Zusatzgasverteiler (53) die Zusatzgaskanäle (52) aller Entladungskammern (12) kreuzt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralelektrode (3) eine radiale Aussparung (32) aufweist, die im Innern kurz vor dem Ende des Isolatorröhrchens (4) beginnt und bis über das Ende des Isolatorröhrchens (4) reicht.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung (32) im Bereich des Endes (41) des Isolatorröhrchens (4) befindet, wobei die Aussparung (32) zu einem größeren ersten Teil (L1) innerhalb des kegelförmigen Endes (41) des Isolators (4) und zu einem kleineren zweitem Teil (L2) außerhalb des Isolatorröhrchens (4) liegt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d2) der Aussparung (32) um 1/10 bis 3/10 des Durchmessers (d1) der übrigen Zentralelektrode (3) geringer ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentralelektrode (3) nach der Aussparung (32) in Richtung der Ausgangsdüse (13) der Entladungskammer (12) einen dritten Durchmesser (d3) aufweist, der größer ist als der übrige Durchmesser (d1) der Zentralelektrode (3).
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolatorröhrchen (4) ein konisches Ende (41) in Form eines Kegelstumpfes mit Zentralloch und einem Kegelwinkel (α) im Bereich von 20° - 40° aufweist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das konische Ende (41) des Isolatorröhrchens (4) im Endbereich des Kegelstumpfes vom Zentralloch bis zur Mantelfläche des Kegelstumpfes abgerundet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der abgerundete Rand (42) des Kegelstumpfes einen Radius (R) zwischen 0,15 mm und 0,4 mm aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsdüse (13) mit einem separat in den linearen Block (1) eingesetzten, austauschbaren Metallröhrchen (18) ausgekleidet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Ausgangsdüsen (13) der Entladungskammern (12) eine entlang des linearen Blockes (1) ausgerichtete spaltförmige Sammeldüse (16) vorgesetzt ist, die eingangsseitig an die Durchmesser der Ausgangsdüsen (13) angepasst und an den Stirnseiten der linearen Blockanordnung (1) jeweils durch eine abnehmbare Abschlussblende (17) abgeschlossen ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die spaltförmige Sammeldüse (16) in Ausströmungsrichtung verjüngt ist, wobei sie eingangsseitig eine Spaltbreite (Bg) hat, die gleich dem Durchmesser der Ausgangsdüsen (13) der Entladungskammern (12) ist, und ausgangsseitig eine Austrittsöffnung (Ba) mit 1/6 bis 1/4 der eingangsseitigen Spaltbreite (Bg) aufweist.
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