EP2130414B1 - Device and method for generating a plasma beam - Google Patents

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EP2130414B1
EP2130414B1 EP07847465.7A EP07847465A EP2130414B1 EP 2130414 B1 EP2130414 B1 EP 2130414B1 EP 07847465 A EP07847465 A EP 07847465A EP 2130414 B1 EP2130414 B1 EP 2130414B1
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EP
European Patent Office
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housing
electrodes
working gas
gas
plasma
Prior art date
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EP07847465.7A
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German (de)
French (fr)
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EP2130414A1 (en
Inventor
Peter FÖRNSEL
Christian Buske
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Plasmatreat GmbH
Original Assignee
Plasmatreat GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP2130414B1 publication Critical patent/EP2130414B1/en
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/48Generating plasma using an arc
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/48Generating plasma using an arc
    • H05H1/486Arrangements to provide capillary discharges

Definitions

  • the invention relates to a device for generating a plasma jet or multiple plasma jets. Moreover, the invention relates to a method for generating a plasma jet or multiple plasma jets.
  • the DE 195 32 412 C2 a plasma jet generator with a nozzle.
  • a pin electrode is arranged at the nozzle opening.
  • an arc discharge between the pin electrode and ring electrode is ignited.
  • the plasma nozzle is flowed through by a working gas.
  • the working gas is fluidized in the plasma nozzle by means of a twisting device.
  • the swirling of the working gas in the nozzle causes the arc discharge along the vortex core coaxially in the nozzle from the pin electrode in the direction of the nozzle opening, where it then branches radially to the annular electrode.
  • the working gas is excited to a plasma jet separated from the arc discharge, which discharges from the nozzle opening with the remaining working gas.
  • Plasma nozzles of this type are used, for example, in the plasma pre-treatment of workpieces. If workpieces are to be coated, painted or glued, pretreatment is often required to To remove impurities from the surface and, especially for plastic workpieces to change the molecular structure so that the treated surface with liquids such as adhesives, paints and the like can be wetted. Furthermore, with a plasma pretreatment, the weldability of electrically conductive workpieces tending to form a surface layer hindering the welding process can be improved. It is particularly preferred if the plasma pretreatment can be carried out at low temperatures. Such a pretreatment at low temperature is advantageously feasible with a plasma jet generated by a plasma nozzle.
  • plasma nozzles of the type described above can be used in the plasma coating of workpieces.
  • plasma coating it is necessary to supply a coating material or a precursor material to the plasma.
  • additive materials with advantageous effects can also be used in the plasma pretreatment of workpieces. These materials are supplied with the plasma jet of the surface to be processed and unfold there, the desired effect caused by the plasma energy, for example, they are deposited on the surface in the form of a layer.
  • the coaxial arrangement of a pin electrode in the nozzle and a ring electrode at the nozzle opening is disadvantageous, because usually the plasma-forming working gas flowing through the nozzle is swirled to provide a defined channel in the vortex core in which the discharge from the pin electrode to the ring electrode is performed , Due to the swirling is a big part of kinetic energy of the working gas bound in the rotary motion.
  • the flow rate of the working gas into the nozzle needs to be disproportionately increased because a certain part of the kinetic energy is converted into the rotational movement of the working gas.
  • the manufacture of a plasma nozzle of the type described above is facilitated if the ring electrode is integrally formed on the nozzle opening from the nozzle housing.
  • the nozzle body is made of a conductive material and functions as an electrode as a whole.
  • a disadvantage of this embodiment is that the interior of the nozzle to receive the pin electrode and thus must have a certain cross-sectional size.
  • a high-frequency high voltage is applied to the electrodes, which must be so high that a discharge from the pin electrode to the ring electrode can penetrate through the working gas and thereby ionize the working gas along the discharge path.
  • a length of the discharge path is selected that a working gas flowing at a certain speed is ionized by the discharge for a sufficiently long time in order to achieve a desired plasma intensity.
  • the electrodes are thus far apart. However, the farther the electrodes are spaced apart, the greater must be the voltage differential, ie the voltage amplitude, between the electrodes to allow discharge by the working gas. This places high demands on the Supply unit, with which the voltage is generated, as well as to all electrical connections of the plasma nozzle.
  • a plasma jet is understood to mean a beam of a reactive medium which, in addition to neutral, excited atoms or molecules, also has ionized atoms or molecules.
  • the excited or ionized particles cause a strong interaction on the surface to be treated, which leads to a surface pretreatment.
  • the plasma jet is preferably transmitted to the surface without transfer of discharge sparks, that is, floating.
  • plasma jet applications are also conceivable in which both the plasma jet and discharge sparks are interacting with the surface.
  • high-frequency high voltage is meant, for example, an alternating voltage with polarization changes or a pulsed direct voltage with voltage values of only one polarity in which the voltage values change between two extreme values.
  • a pulsed DC voltage is an alternating voltage superimposed with a constant DC component.
  • the frequency is preferably in a range of 10 kHz to 100 kHz. Deviations from this range of values are possible.
  • the amplitude of the voltage, measured peak-to-peak, is approximately 1 kV to 50 kV. But even with these values, there may be deviations up or down.
  • the invention is therefore based on the technical problem of providing a device for generating a plasma jet or multiple plasma jets, which at least partially eliminates the aforementioned disadvantages. Furthermore, the invention is based on the technical problem of specifying a method for producing a plasma jet or multiple plasma jets, with which the device according to the invention for generating a plasma jet or multiple plasma jets can be used efficiently.
  • a device for generating a plasma jet with a housing and with at least two electrodes, wherein the housing has a gas inlet and a gas outlet, characterized in that the at least two electrodes are integrated in the side wall of the housing.
  • the housing is flowed through by a working gas from the gas inlet to the gas outlet.
  • the working gas can flow through the housing from the gas inlet to the gas outlet in a translatory motion essentially without eddy, so that the kinetic energy with which the working gas is introduced into the housing as it flows through the gas inlet is the translational movement of the working gas through the housing and out of the housing through the gas outlet is maintained.
  • the housing of the device according to the invention for generating a plasma jet requires a smaller flow cross-section than comparable plasma nozzles with coaxially arranged inside the nozzle pin electrode.
  • the device according to the invention can thus be made more efficient material.
  • a device with small external dimensions allows use in environments where only a limited working space is available.
  • a further advantage of the integral electrode arrangement in the side wall of the housing of the device according to the invention for producing a plasma jet and the resulting small flow cross section of the housing is that the distance of the electrodes from each other can be kept small. As a result, the amplitude of the electrical voltage which has to be applied to the electrodes in order to generate a discharge channel and thus an arc discharge between the electrodes can be chosen smaller. The requirements for the power supply and the associated electrical connections are thus reduced.
  • arc discharge is understood in the context of the present application phenomenologically as an arc.
  • the voltage applied to the electrodes for plasma generation is not a continuous DC voltage.
  • the plasma as mentioned in the introduction, with a high-frequency Voltage, in particular with a high-frequency AC voltage generated.
  • the frequency of the applied voltage is selected to be so high that an observer can not visually detect any difference to discharges generated by continuous discharges on the basis of the luminous phenomena of the discharge, in the present application a simplification is referred to as an arc discharge.
  • the at least two electrodes are spaced apart transversely to the flow direction of the working gas in the side wall of the housing integrated. This arrangement ensures that the distance between the at least two electrodes is kept as low as possible. Thus, the amplitude of the voltage for generating the discharge is kept as low as possible.
  • the surfaces of the at least two electrodes facing the interior of the housing are arranged in alignment with the surface of the side wall of the housing facing the interior of the housing.
  • the aligned arrangement of the electrodes avoids sources of gas turbulence. If the electrodes protrude into the interior of the housing or if the surface of the electrodes facing the interior of the housing is set back from the surrounding side wall, turbulence vortices may form in the transition region from side wall to electrode, at least partially converting the translational energy of the working gas into rotational energy and ultimately convert into heat and thus reduce the flow rate of the working gas perpendicular to the flow cross-section from the gas outlet out.
  • working gas for plasma generation comprises suitable one-component gases, for example nitrogen, as well as multicomponent gas mixtures, for example air, forming gas, CO 2 , acetylene / N 2 mixture or any other gas mixtures suitable for plasma generation.
  • suitable one-component gases for example nitrogen
  • multicomponent gas mixtures for example air, forming gas, CO 2 , acetylene / N 2 mixture or any other gas mixtures suitable for plasma generation.
  • the housing having a gas inlet and a gas outlet as well as at least two electrodes of the device according to the invention for generating a plasma jet is preferably designed substantially in the form of a hollow cylinder.
  • the at least two electrodes can be integrated transversely to the flow direction of the working gas diametrically spaced from each other in the side wall of the housing.
  • the gas inlet and the gas outlet can be arranged at a distance from one another at the mutually opposite end faces of the hollow cylinder.
  • the housing in the shape of a hollow cuboid.
  • the design of the housing as a hollow cuboid is advantageous packaging technology, when several devices according to the invention for generating a plurality of plasma jets are arranged close to each other.
  • sidewall of the housing comprises all parts of the housing between the gas inlet and the gas outlet, which extend essentially along the flow direction of the working gas, and is used only in the singular, even if the shape of the housing suggests the presence of several sidewalls, for example four sidewalls in a case in the shape of a hollow cuboid.
  • the side wall of the housing is curved or bent in a cross-sectional plane lying in the flow direction of the working gas in the region of the gas outlet.
  • the side wall of the housing is formed so that the flow cross section of the housing tapers in the direction of the gas outlet. This embodiment is particularly advantageous if the flow rate of the working gas is to be increased by the gas outlet from the housing relative to the flow rate of the working gas in the housing.
  • the side wall of the housing is at least partially formed of an insulating material.
  • This insulating material may be a ceramic material or a glass, preferably a quartz glass. However, any other insulating materials may be used.
  • the region of the side wall of the housing surrounding the at least two electrodes is formed from an insulating material, for example a ceramic material or a glass, in particular a quartz glass.
  • the housing made of an insulating material ensures that by a voltage difference between the at least two electrodes caused discharge in a channel between the electrodes runs.
  • the flow cross sections of the gas inlet and / or the gas outlet are smaller than the flow cross section of the housing.
  • the flow cross-section of the gas inlet or gas outlet is understood, for example, to mean the circular area of a circular gas inlet or gas outlet.
  • a flow cross-section of the housing for example, the surface of the inner circle of a hollow cylindrical housing is understood.
  • the flow cross-section of the housing means the area of a rectangle, in particular of a square.
  • a narrowing of the flow cross-section of the gas inlet in comparison to the flow cross-section of the housing is advantageous, since thus the working gas can be supplied to the interior of the housing with a defined directed flow.
  • the occurrence of vortices that would bind part of the kinetic energy of the working gas in a rotary motion largely avoided.
  • a narrowing of the flow cross section of the gas outlet in comparison to the flow cross section of the housing is advantageous, since thus the working gas and the plasma formed therein can be focused and directed for targeted application jet-shaped example, on the surface of a workpiece to be machined.
  • the gas outlet may be slit-shaped. It is particularly preferred if the longitudinal axis of the slot is parallel to the connecting line between the extends at least two electrodes. Due to this configuration of the gas outlet, the plasma jet can be widened in the longitudinal direction of the slot. This makes it possible to produce a large-area, yet uniform plasma jet, which is particularly suitable, for example, for the plasma treatment of workpiece surfaces.
  • the gas outlet may also have the shape of a Laval nozzle. This means that the flow cross-section of the gas outlet tapers in the flow direction of the working gas, starting from a region facing the interior of the housing, before the flow cross-section of the gas outlet then widens again from the narrowest region to an area facing the environment. This configuration of the gas outlet, the flow rate of the working gas and the plasma can be increased out of the housing.
  • the dimension of the surfaces of the at least two electrodes facing the interior of the housing is smaller than the inner dimension of the flow cross section of the housing.
  • the diameter of a circular electrode is smaller than the inner diameter of a hollow cylindrical housing in the flow cross-section.
  • the electrodes have a small extent in the direction of the circumference of the housing.
  • the circumference of the housing at the level of the electrodes is, for example, a circle in a hollow cylinder, while in the case of a hollow cuboid, for example, it is a rectangle, in particular a square.
  • the small extent of the electrodes serves to maximize the path of the discharge as possible and set. at Larger dimensions, the arc discharge would tend to start only from a portion of the electrode surface, since discharges always take the shortest path.
  • the at least two electrodes are rod-shaped, with the longitudinal axes of the electrodes in the side wall extending parallel to the flow direction of the working gas.
  • the gas inlet and the housing and / or the gas outlet and the housing are integrally formed.
  • a gas inlet and / or gas outlet can be formed on a hollow cylinder closed on all sides in that a bore with the desired diameter is made at the two end faces. This type of integral formation of gas inlet and / or outlet facilitates in particular the manufacture of the device for generating a plasma jet.
  • the gas inlet and / or the gas outlet with the housing in several pieces.
  • the gas outlet in contrast to the plasma nozzles described in the prior art not more than It must be possible to form the gas outlet in each case from a component with which the flow cross section of the gas outlet can be changed in the manner of an iris diaphragm.
  • the gas outlet may be formed on the housing so that the flow direction of the working gas through the gas outlet out of the housing is arranged obliquely against the flow direction of the working gas in the housing.
  • Such an arrangement is in the prior art, for example in the EP 1 067 829 B1 , already known for plasma jets.
  • the gas outlet is rotatably formed on the rotationally fixed housing, can be applied by rotation of the gas outlet during plasma generation with a single device for generating a plasma jet, a large area, for example, a workpiece to be machined with a plasma jet.
  • the rotation can be active, for example, by providing a rotating device on the rotatable gas outlet, or passively, for example, by the force exerted by the effluent from the gas outlet working gas recoil.
  • the device for generating a plasma jet is provided with at least one supply device with which at least one material can be supplied to the working gas and / or the plasma jet.
  • the supply can be active, for example by injection, or passively, for example by using a capillary effect and evaporation done.
  • the at least one material may be in the supply in the solid, liquid and / or gaseous state. Suitable materials may be those suitable for coating or plasma polymerization. It can also be, for example, a precursor material, ie a multicomponent material, in which the several components only join together in the plasma jet to form the actually desired material, for example a product of a chemical reaction.
  • water vapor is added to the plasma nozzle, wherein the water of the steam is converted to oxygen and hydrogen in the plasma jet.
  • the at least one supply device can be arranged on the device for generating a plasma jet so that the supply of the at least one material takes place in the region of the gas inlet.
  • the supply can also take place in the region in which the arc discharge manifests. It is also possible to make the supply in the area of the gas outlet or outside of the housing. It is crucial that the at least one material comes into contact with the plasma jet.
  • the supply device may consist of a burn-off material.
  • a material By acting at the Plasma generation occurring electrical discharge and the heat generated thereby, a material can be sputtered from a combustion material and thus supplied to the plasma jet.
  • the burn-off material would have to be arranged in the region in which the arc discharge manifests.
  • the burn-up material can be integrated into the material of the electrodes.
  • the vaporized material may also be supplied through a secondary source in the flow direction.
  • the device has at least one voltage supply which is connected to the at least two electrodes.
  • Power supplies with which a high-frequency voltage, in particular a high-frequency AC voltage, can be generated are particularly preferred.
  • High-frequency voltages in particular high-frequency alternating voltages, are preferably used in the production of a non-thermal plasma. Since the amount of the voltage amplitude at a high-frequency voltage at regular intervals below a certain value necessary for the discharge generation, the discharge is extinguished, until then the amount of the voltage amplitude exceeds the certain value necessary for the discharge generation again and thus again forms a discharge. This periodic firing and extinguishing of the discharge causes only a small portion of the energy bound in the discharge to be converted into heat. Thus, the temperature rise of the working gas and also of the plasma is limited.
  • the high-frequency voltage can thus also be considered as having a constant DC voltage superimposed AC voltage can be formed up to a pulsed DC voltage. An essential aspect of the high-frequency voltage is nevertheless the high frequency, but not the polarity of the voltage values.
  • four electrodes are integrated in the side wall of the housing of the device for generating a plasma jet.
  • the four electrodes are spaced transversely to the flow direction of the working gas in the side wall of the housing integrated.
  • the four electrodes form two pairs of electrodes, so that a first connecting line between the first pair of electrodes intersects with a second connecting line between the second pair of electrodes, preferably at a right angle.
  • the device for generating a plasma jet comprises two independent, in particular equal-clocked, power supplies, each one power supply is connected to one pair of electrodes.
  • the two power supplies are connected to a clock.
  • a device for generating a plurality of plasma jets with a plurality of devices arranged in series for generating a plasma jet characterized in that the plurality of devices arranged in series for generating a plasma jet are electrically connected in series with at least one voltage supply.
  • Characteristic of the device according to the invention for generating a plasma jet is that at least two Electrodes are integrated in the side wall of the housing. From this, several devices for generating a plasma jet can be arranged in series and thus form an apparatus for generating a plurality of plasma jets.
  • this series arrangement of the plasma jet generation devices makes it possible to electrically connect the multiple devices in series with at least one power supply.
  • the spacing of the electrodes within a housing in the device according to the invention for generating a plasma jet can be smaller than in the case of plasma nozzles with a coaxial electrode known from the prior art. Therefore, it is possible to operate with the voltage generated by the power supply a plurality of series-connected devices for generating a plasma jet. In this way one can produce a series of similar plasma jets advantageously with a single power supply.
  • the gas outlets of all of the devices arranged in series for generating a plasma jet lie in one plane.
  • the series connection is particularly simple, since the facing electrodes of the adjoining devices are immediately adjacent and thus can be electrically connected by a short path. It is further preferred that the electrodes of all the devices arranged in series lie on a straight line.
  • At least one plasma jet generating device or multiple plasma jet generating device as described above may be further arranged eccentrically on a rotary head.
  • Such an arrangement is in the prior art, for example in the EP 0 986 939 B1 , already known. With this arrangement can be realized with appropriate adjustment of the rotation and translation of the rotary head, a time-saving, yet efficient plasma treatment of larger surfaces.
  • a method for generating a plasma jet in which a housing is traversed by a working gas from a gas inlet to a gas outlet, in particular substantially eddy-free, in which by applying a high-frequency voltage, in particular a high-frequency AC voltage, an arc discharge is generated in the working gas between the at least two electrodes on at least two electrodes integrated in the side wall of the housing, and in which the working gas is at least partially excited by the arc discharge to form a plasma jet.
  • a high-frequency voltage in particular a high-frequency AC voltage
  • the housing is particularly preferably flowed through by the working gas from the gas inlet to the gas outlet in a substantially eddy-free manner.
  • the kinetic energy with which the working gas is supplied into the housing as it flows through the gas inlet the translational movement of the working gas through the housing and out of the housing through the gas outlet and is not bound in a rotational movement of the working gas.
  • This embodiment of the method in particular simplifies the setting of a specific flow rate of the plasma jet, which in this case is directly above the flow rate of the gas flowing into the housing through the gas inlet working gas can be controlled.
  • the arc discharge is deformed by the flow of the working gas in the direction of the region of the gas outlet.
  • the arc discharge may be at least partially slidably deformed by the flow of the working gas on the inner side wall of the housing towards the region of the gas outlet.
  • the arc In a substantially vortex-free flow of the working gas, that is, in an approximately laminar flow of the working gas in the housing, the arc is deformed by the flow of the working gas toward the region of the gas outlet substantially into a parabolic-like arc.
  • the arc discharge at least partially slides along the inner side wall of the housing.
  • the tip of the arc of the arc discharge may even protrude from the plasma jet generating device through the gas outlet.
  • it is preferable that the tip of the arc of the arc discharge does not protrude through the gas outlet from the plasma jet generating device so as not to form discharge channels between the arc and the workpiece to be processed, which may adversely affect the workpiece.
  • an arc-free, that is potential-free, plasma jet is to be generated.
  • the deformation of the arc is caused by the fact that the molecules ionized by the discharge undergo Working gas to be moved by the flow of the working gas in the flow direction to the gas outlet. Since the electrical resistance in the ionized region of the working gas is lower than in the non-ionized region of the working gas, the high-frequency successive discharges preferably form in the region which has already been at least partially ionized during a preceding discharge.
  • the arc discharge is at least partially slidably deformed by the flow of the working gas on the inner side wall of the housing in the direction of the region of the gas outlet, because the applied between the electrodes electric field through the different dielectric properties of the working gas and the housing material is distorted.
  • the housing is formed as a whole of an insulating material. Rather, it is sufficient if the electrodes are surrounded by an insulating material.
  • the other areas can then also be made of conductive materials, such as metals.
  • the metallic part of the housing is not connected to ground or grounded, so that no charge carriers can be discharged via the metallic part of the housing.
  • At least one material in particular a coating material or precursor material, is supplied to the working gas and / or the plasma jet by means of at least one feed device.
  • two independent high-frequency voltages are applied to two pairs of electrodes integrated in the side wall of the housing.
  • these two independent high-frequency voltages are equal-clocked and in particular provided with a phase difference.
  • the phase difference is preferably substantially 90 °.
  • a high plasma intensity can be achieved while maintaining the non-thermal property of the plasma.
  • the preferred phase difference of substantially 90 ° between the two high-frequency voltages is chosen so that that, when the arc between the first pair of electrodes goes out, because the voltage amplitude of the first voltage supply falls below a certain amount, the arc is generated between the second pair of electrodes, because the voltage amplitude of the second voltage supply exceeds a certain amount. This ensures that the two power supplies independently of one another alternately generate an arc discharge and thus a plasma in the working gas.
  • This embodiment of the method can also be extended with more than two pairs of electrodes.
  • the technical problem is also solved by a method for generating a plurality of plasma jets, in which the plurality of housings of the devices for generating a plasma jet of a working gas from the respective gas inlet to the respective gas outlet, in particular substantially vortex-free flows through, in which by means of application a high-frequency voltage, in particular a high-frequency AC voltage, to the electrodes arranged in series, an arc discharge in the working gas between the at least two electrodes of each housing is generated, and wherein the working gas is at least partially excited by the arc discharges to a plasma.
  • a high-frequency voltage in particular a high-frequency AC voltage
  • the plurality of arc discharges are deformed by the flow of the working gas, in particular at least partially slidingly on the inner side walls of the plurality of housings, toward the region of the respective gas outlets.
  • At least one material in particular a coating material or precursor material, is supplied to the working gas and / or the plasma jets by means of at least one feed device.
  • a plasma jet produced by the above-described apparatuses and methods can be used in the stripping of surfaces of a workpiece.
  • a layer of organic material for example a lacquer layer
  • the organic material preferably at low temperatures, pyrolyzed and / or sublimated. But it is also possible to remove inorganic layers with such a plasma jet.
  • a plasma jet produced by the above-described apparatuses and methods can also be used to pretreat the surfaces of workpieces.
  • the adhesive properties and / or the wettability of the surface of a workpiece can be improved, in particular the surface can be activated.
  • the pretreatment with such a plasma jet may also be used to improve the weldability of a workpiece, particularly an oxide / hydroxide layered metal piece or piece of metal alloy.
  • a plasma jet generated by the devices and methods described above is the cleaning, disinfection or even sterilization of surfaces.
  • the application of such a plasma jet is a reactive medium with the Surface brought into contact.
  • the plasma as a reactive medium has a high reactivity due to high electron excitation, but may nevertheless have a non-thermal property.
  • the high reactivity can be used, for example, for cleaning or for disinfecting the surface.
  • the germs present on the surface to be processed are at least partially, preferably predominantly, killed due to the electron reactivity.
  • the thermal stress of the surface is kept low. This opens up applications for the plasma jet, for example in the medical or food technology sector.
  • Fig. 1 shows the side cross-section of a first embodiment of the inventive device for generating a plasma jet.
  • the device comprises a substantially hollow cylindrical housing 2, which is formed of a ceramic material.
  • a gas inlet 6 and a gas outlet 8 are arranged.
  • the gas inlet 6 is formed in this example in multiple pieces with the housing 2, and has, for example, an annular disc made of ceramic, which is arranged flush with the inner side wall of the housing 2, and the inner annular opening is dimensioned so that it the flow cross-section of the gas inlet. 6 narrows in comparison to the flow cross-section of the housing 2.
  • the gas outlet 8 is formed in this example in one piece with the housing 2 through a central circular bore in the end facing away from the gas inlet 6 of the housing 2.
  • the bore may for example have a diameter of 2.5 mm to 4 mm.
  • two electrodes 4 are integrated diametrically spaced apart in the side wall of the housing 2.
  • the electrodes preferably consist of a copper alloy.
  • the interior 22 of the housing 2 facing surfaces of the two electrodes 4 are arranged in alignment with the surrounding inner side wall of the housing 2, so that on the inner side wall of the housing 2 forms a substantially planar surface.
  • the two electrodes 4 are electrically connected to a power supply 12, with which a high-frequency voltage, in particular a high-frequency alternating voltage, can be generated.
  • the flow cross-section of the housing 2 tapers from the region in which the two electrodes 4 are arranged to the region of the gas outlet 8 in that the side wall of the housing 2 is bent in this section.
  • a working gas for example air
  • the housing 2 flows largely parallel to the axis of the hollow cylinder and then exits the housing 2 in a focused manner through the gas outlet 8.
  • a high-frequency electrical voltage is applied between the two electrodes 4 by means of the voltage supply 12, the frequency in particular comprising approximately values of the order of 1 kHz to 100 kHz, while the voltage values measured by the peak-to-peak are of the order of magnitude of approximately 0.5 kV to 30 kV.
  • the voltage ensures that an arc 16 is formed in the working gas 10 between the electrodes 4, along which the working gas 10 is at least partially ionized and thus excited to a plasma 14.
  • the ionized part of the working gas 10, which has the lowest electrical resistance in the working gas 10 is deformed in the direction of the gas outlet 8, so that a correspondingly shaped arc 16 is formed.
  • the flow of the working gas 10 through the housing 2 is not ideally homogeneously distributed, it is possible that in addition to a Main arc also form several smaller arcs, along which run at least smaller partial discharges. These smaller arcs will be in the Fig. 1 represented by two smaller arcs adjacent to the main arc.
  • the plasma 14 formed along the arc 16 is then guided out of the gas outlet 8 by the flow of the working gas 10 in the form of a jet, that is to say as a directed and focused plasma jet.
  • a separation of the current-carrying arc and the potential-free plasma jet takes place.
  • direct exposure of the surface can be avoided by the arc.
  • Fig. 2a shows a flow cross section of the substantially hollow cylindrical housing 2 in the region in which the two electrodes 4 are integrated in the side wall of the housing 2.
  • the electrodes 4 are arranged diametrically spaced apart in the side wall of the housing 2. It is particularly preferred that the extent of the electrodes 4 along the circumference of the housing 2, here along a circumference, is small against the circumference itself. In this way, the base area of the arc 16 at the electrodes 4 can be kept small.
  • Fig. 2b shows a flow cross section of a housing 2 in the region of the electrodes 4, wherein the housing 2 is formed in this example substantially hollow cuboid.
  • Fig. 2c shows a flow cross-section of a hollow cylindrical housing 2 in the region of the electrodes 4, in which a total of four electrodes in the side wall of the housing 2 are integrated.
  • Two diametrically opposed spaced electrodes 4a, b each form a pair of electrodes.
  • the pairs of electrodes are arranged such that a first connecting line 18a extends between the first pair of electrodes perpendicular to a second connecting line 18b between the second pair of electrodes.
  • two independent, in particular equal-clocked, voltage supplies 12a-b are provided on the device, which are electrically connected to one pair of electrodes each.
  • Fig. 2d shows one of the Fig. 2c comparable arrangement with a substantially hollow cuboid housing 2.
  • the electrodes 4 are arranged centrally on the opposite side walls of the housing 2.
  • this central arrangement is to be understood as an example.
  • Fig. 3 shows an embodiment of the apparatus for generating a plasma jet similar to that Fig. 1 , The difference is that the device is provided with a supply device 20, with which a material can be supplied to the working gas 10 and / or the plasma jet 14.
  • the feeding device 20 comprises an angled pipe, one of whose angled pipe end protrudes coaxially in the flow direction of the working gas 10 into the housing 2.
  • a material in the gaseous state can be supplied to the working gas 10 and / or the plasma jet 14.
  • the angled tube preferably has a sputtering device (not shown) on its angled pipe end arranged in the housing 2, for example a close-meshed grating so that the material can be atomized in the liquid state when it is fed into the working gas 10 or the plasma jet 14.
  • the material in the housing 2 is supplied in the area immediately before the gas outlet 8.
  • the feeding device 20 in the region of the gas inlet 6.
  • the feeding device 20 entirely outside the housing 2 in the region in which the plasma jet 14 emerges.
  • Fig. 4 shows a device for generating a plasma jet with a delivery device 20 similar to the Fig. 3 , The difference is in the design of the delivery device 20.
  • the delivery device 20 comprises a capillary system, for example a wick, which is connected to its one end is connected to a reservoir 24.
  • the reservoir 24 contains a material in the liquid state, which is to be supplied to the working gas 10 and / or the plasma jet 14.
  • the end of the capillary system facing away from the reservoir 24 is integrated in an opening in the side wall of the housing 2 and protrudes at least partially into the interior 22 of the housing 2.
  • this supply device 20 it is possible to supply a material in the liquid state from the reservoir 24 via the capillary with the help of capillary forces the end of the reservoir 24 remote from the capillary system, where it can then evaporate into the interior 22 of the housing 2 inside.
  • the supply device 20 is arranged so that the material in the liquid state in the region of the gas outlet 8 to the working gas 10 and / or the plasma jet 14 is supplied. Again, that the delivery device 20 can be arranged in other areas within or outside of the housing 2.
  • Fig. 5 shows four in Fig. 1 described, arranged in series devices for generating a plasma jet.
  • the four housings 2a-d are arranged so that the respective gas outlets 8a-d lie in a plane and the respective electrodes 4a-d lie on a straight line.
  • the electrodes 4a-4b, 4b-4c and 4c-4d integrated in different housings 2a-d form three electrode pairs and are immediately adjacent.
  • the surroundings of the device facing two electrodes 4a and 4d are electrically connected to a power supply 12.
  • the mutually facing electrode pairs are electrically connected to each other, so that a series circuit of the four Devices is effected.
  • arc discharges 16a-d are generated in each case 2a-d. Due to the voltage drop between the electrodes 4 integrated in a housing 2, the voltage amplitude in this example must be selected to be substantially four times as large as in the case of a single example in FIG Fig. 1 described housing 2 to meet the discharge condition in each housing 2a-d.
  • the gas inlets 6a-d having ends of the housing 2a-d are connected to a gas channel 26 having the gas inlets 6a-d corresponding openings. Via this gas channel 26, a working gas 10a-d is supplied to the devices arranged in series.
  • feeders 20 may be used to supply different materials to the working gas 10a-d or the plasma jet 14a-d.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen.The invention relates to a device for generating a plasma jet or multiple plasma jets. Moreover, the invention relates to a method for generating a plasma jet or multiple plasma jets.

Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 195 32 412 C2 einen Plasmastrahlgenerator mit einer Düse. An der Düsenöffnung befindet sich eine ringförmige Elektrode. Koaxial von der Düsenöffnung in die Düse zurückgesetzt ist eine Stiftelektrode angeordnet. Mittels eines Hochfrequenz-Spannungsgenerators wird eine Bogenentladung zwischen Stiftelektrode und Ringelektrode gezündet. Im Betrieb wird die Plasmadüse von einem Arbeitsgas durchströmt. Das Arbeitsgas wird in der Plasmadüse mittels einer Drallvorrichtung verwirbelt. Die Verwirbelung des Arbeitsgases in der Düse sorgt dafür, dass die Bogenentladung entlang des Wirbelkerns koaxial in der Düse von der Stiftelektrode in Richtung der Düsenöffnung geführt wird, wo sie sich dann auf die ringförmige Elektrode radial verzweigt. Durch die Bogenentladung wird das Arbeitsgas zu einem von der Bogenentladung getrennten Plasmastrahl angeregt, der mit dem verbleibenden Arbeitsgas aus der Düsenöffnung austritt.Devices for generating a plasma jet are already known from the prior art. For example, the DE 195 32 412 C2 a plasma jet generator with a nozzle. At the nozzle opening is an annular electrode. Coaxially reset from the nozzle opening into the nozzle, a pin electrode is arranged. By means of a high-frequency voltage generator, an arc discharge between the pin electrode and ring electrode is ignited. In operation, the plasma nozzle is flowed through by a working gas. The working gas is fluidized in the plasma nozzle by means of a twisting device. The swirling of the working gas in the nozzle causes the arc discharge along the vortex core coaxially in the nozzle from the pin electrode in the direction of the nozzle opening, where it then branches radially to the annular electrode. As a result of the arc discharge, the working gas is excited to a plasma jet separated from the arc discharge, which discharges from the nozzle opening with the remaining working gas.

Ein weiteres Beispiel findet sich in DE 10145131 A1 . US 5753886 offenbart zwei Elektroden quer zur Strömmungsrichtung eines Arbeitsgases für eine Kapazitive Entladung.Another example can be found in DE 10145131 A1 , US 5753886 discloses two electrodes transverse to the flow direction of a working gas for a capacitive discharge.

Plasmadüsen dieses Typs finden beispielsweise Verwendung bei der Plasmavorbehandlung von Werkstücken. Wenn Werkstücke beschichtet, lackiert oder geklebt werden sollen, ist häufig eine Vorbehandlung erforderlich, um Verunreinigungen von der Oberfläche zu entfernen und, insbesondere bei Werkstücken aus Kunststoff, die Molekülstruktur so zu verändern, dass die behandelte Oberfläche mit Flüssigkeiten wie Kleber, Lacken und dergleichen benetzt werden kann. Weiterhin kann mit einer Plasmavorbehandlung die Schweißbarkeit von elektrisch leitfähigen, zur Bildung einer den Schweißprozess behindernden Oberflächenschicht neigenden Werkstücken verbessert werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Plasmavorbehandlung bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden kann. Eine solche Vorbehandlung bei niedriger Temperatur ist mit einem durch eine Plasmadüse erzeugten Plasmastrahl vorteilhaft durchführbar.Plasma nozzles of this type are used, for example, in the plasma pre-treatment of workpieces. If workpieces are to be coated, painted or glued, pretreatment is often required to To remove impurities from the surface and, especially for plastic workpieces to change the molecular structure so that the treated surface with liquids such as adhesives, paints and the like can be wetted. Furthermore, with a plasma pretreatment, the weldability of electrically conductive workpieces tending to form a surface layer hindering the welding process can be improved. It is particularly preferred if the plasma pretreatment can be carried out at low temperatures. Such a pretreatment at low temperature is advantageously feasible with a plasma jet generated by a plasma nozzle.

Darüber hinaus können Plasmadüsen des vorstehende beschriebenen Typs bei der Plasmabeschichtung von Werkstücken verwendet werden. Bei der Plasmabeschichtung ist es erforderlich, dem Plasma ein Beschichtungsmaterial bzw. ein Precursormaterial zuzuführen. Additive Materialien mit vorteilhaften Effekten können jedoch auch bei der Plasmavorbehandlung von Werkstücken zur Anwendung kommen. Diese Materialien werden mit dem Plasmastrahl der zu bearbeitenden Oberfläche zugeführt und entfalten dort die durch die Plasmaenergie ausgelöste, gewünschte Wirkung, beispielsweise werden sie auf der Oberfläche in der Form einer Schicht abgeschieden.In addition, plasma nozzles of the type described above can be used in the plasma coating of workpieces. In plasma coating, it is necessary to supply a coating material or a precursor material to the plasma. However, additive materials with advantageous effects can also be used in the plasma pretreatment of workpieces. These materials are supplied with the plasma jet of the surface to be processed and unfold there, the desired effect caused by the plasma energy, for example, they are deposited on the surface in the form of a layer.

Die koaxiale Anordnung einer Stiftelektrode in der Düse und einer Ringelektrode an der Düsenöffnung ist nachteilig, weil in der Regel das die Düse durchströmende, plasmabildende Arbeitsgas verwirbelt wird, um einen definierten Kanal im Wirbelkern bereitzustellen, in dem die Entladung von der Stiftelektrode zur Ringelektrode geführt wird. Durch die Verwirbelung ist ein großer Teil der kinetischen Energie des Arbeitsgases in der Drehbewegung gebunden. Um die Flussrate des aus der Düsenöffnung austretenden Plasmastrahls zu erhöhen, muss die Flussrate des Arbeitsgases in die Düse hinein unverhältnismäßig erhöht werden, weil ein bestimmter Teil der kinetischen Energie in die Drehbewegung des Arbeitsgases umgewandelt wird.The coaxial arrangement of a pin electrode in the nozzle and a ring electrode at the nozzle opening is disadvantageous, because usually the plasma-forming working gas flowing through the nozzle is swirled to provide a defined channel in the vortex core in which the discharge from the pin electrode to the ring electrode is performed , Due to the swirling is a big part of kinetic energy of the working gas bound in the rotary motion. In order to increase the flow rate of the plasma jet emerging from the nozzle opening, the flow rate of the working gas into the nozzle needs to be disproportionately increased because a certain part of the kinetic energy is converted into the rotational movement of the working gas.

Die Fertigung einer Plasmadüse des vorstehend beschriebenen Typs wird erleichtert, wenn die Ringelektrode an der Düsenöffnung einstückig aus dem Düsengehäuse herausgebildet wird. In diesem Fall besteht das Düsengehäuse aus einem leitfähigen Material und fungiert als Ganzes als Elektrode. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist jedoch, dass der Innenraum der Düse die Stiftelektrode aufnehmen und somit eine bestimmte Querschnittsgröße aufweisen muss.The manufacture of a plasma nozzle of the type described above is facilitated if the ring electrode is integrally formed on the nozzle opening from the nozzle housing. In this case, the nozzle body is made of a conductive material and functions as an electrode as a whole. A disadvantage of this embodiment, however, is that the interior of the nozzle to receive the pin electrode and thus must have a certain cross-sectional size.

Zur Erzeugung des Plasmas wird an die Elektroden eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die so hoch sein muss, dass eine Entladung von der Stiftelektrode zur Ringelektrode durch das Arbeitsgas durchschlagen kann und dabei das Arbeitsgas entlang der Entladungsstrecke ionisiert. Dabei wird in der Regel eine solche Länge der Entladungsstrecke gewählt, dass ein mit einer bestimmten Geschwindigkeit strömendes Arbeitsgas hinreichend lange durch die Entladung ionisiert wird, um eine gewünschte Plasmaintensität zu erreichen. Zur Erzeugung eines sehr plasmaintensiven Strahls sind die Elektroden also weit voneinander beabstandet sein. Doch je weiter die Elektroden voneinander beabstandet sind, desto größer muss der Spannungsunterschied, d.h. die Spannungsamplitude, zwischen den Elektroden sein, um eine Entladung durch das Arbeitsgas zu ermöglichen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Versorgungseinheit, mit der die Spannung erzeugt wird, sowie an alle elektrischen Verbindungen der Plasmadüse.To generate the plasma, a high-frequency high voltage is applied to the electrodes, which must be so high that a discharge from the pin electrode to the ring electrode can penetrate through the working gas and thereby ionize the working gas along the discharge path. As a rule, such a length of the discharge path is selected that a working gas flowing at a certain speed is ionized by the discharge for a sufficiently long time in order to achieve a desired plasma intensity. To produce a very plasma-intensive beam, the electrodes are thus far apart. However, the farther the electrodes are spaced apart, the greater must be the voltage differential, ie the voltage amplitude, between the electrodes to allow discharge by the working gas. This places high demands on the Supply unit, with which the voltage is generated, as well as to all electrical connections of the plasma nozzle.

Unter einem Plasmastrahl wird ein Strahl eines reaktiven Mediums verstanden, der neben neutralen, angeregten Atomen bzw. Molekülen auch ionisierte Atome oder Moleküle aufweist. Die angeregten bzw. ionisierten Teilchen rufen eine starke Wechselwirkung auf der zu behandelnden Oberfläche hervor, wodurch es zu einer Oberflächenvorbehandlung kommt. Dabei wird der Plasmastrahl bevorzugt ohne Übertragung von Entladungsfunken, also potentialfrei auf die Oberfläche übertragen. Jedoch sind auch Anwendungen der Plasmadüse denkbar, bei denen sowohl der Plasmastrahl als auch Entladungsfunken mit der Oberfläche zur Wechselwirkung gebracht werden.A plasma jet is understood to mean a beam of a reactive medium which, in addition to neutral, excited atoms or molecules, also has ionized atoms or molecules. The excited or ionized particles cause a strong interaction on the surface to be treated, which leads to a surface pretreatment. In this case, the plasma jet is preferably transmitted to the surface without transfer of discharge sparks, that is, floating. However, plasma jet applications are also conceivable in which both the plasma jet and discharge sparks are interacting with the surface.

Unter einer hochfrequenten Hochspannung wird beispielsweise eine Wechselspannung mit Polarisationswechseln oder eine gepulste Gleichspannung mit Spannungswerten nur einer Polarität, bei der die Spannungswerte zwischen zwei Extremwerten wechselt, verstanden. Letztlich ist eine gepulste Gleichspannung eine mit einem konstanten Gleichspannungsanteil überlagerte Wechselspannung. Die Frequenz liegt bevorzugt in einem Bereich von 10 kHz bis 100 kHz. Abweichungen von diesem Wertebereich sind jedoch möglich. Die Amplitude der Spannung, gemessen Spitze-zu-Spitze, beträgt dabei ungefähr 1 kV bis 50 kV. Aber auch bei diesen Werten kann es Abweichungen nach oben oder unten geben.By high-frequency high voltage is meant, for example, an alternating voltage with polarization changes or a pulsed direct voltage with voltage values of only one polarity in which the voltage values change between two extreme values. Ultimately, a pulsed DC voltage is an alternating voltage superimposed with a constant DC component. The frequency is preferably in a range of 10 kHz to 100 kHz. Deviations from this range of values are possible. The amplitude of the voltage, measured peak-to-peak, is approximately 1 kV to 50 kV. But even with these values, there may be deviations up or down.

Der Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen anzugeben, die die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise beseitigt. Weiterhin liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen anzugeben, mit dem die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder mehrerer Plasmastrahlen effizient eingesetzt werden kann.The invention is therefore based on the technical problem of providing a device for generating a plasma jet or multiple plasma jets, which at least partially eliminates the aforementioned disadvantages. Furthermore, the invention is based on the technical problem of specifying a method for producing a plasma jet or multiple plasma jets, with which the device according to the invention for generating a plasma jet or multiple plasma jets can be used efficiently.

Das technische Problem wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls gelöst, mit einem Gehäuse und mit mindestens zwei Elektroden, wobei das Gehäuse einen Gaseinlass und einen Gasauslass aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Elektroden in der Seitenwand des Gehäuses integriert sind.The technical problem is solved according to the invention by a device for generating a plasma jet, with a housing and with at least two electrodes, wherein the housing has a gas inlet and a gas outlet, characterized in that the at least two electrodes are integrated in the side wall of the housing.

Im Betrieb der Vorrichtung wird das Gehäuse von einem Arbeitsgas von dem Gaseinlass bis zu dem Gasauslass durchströmt.During operation of the device, the housing is flowed through by a working gas from the gas inlet to the gas outlet.

Durch die integrale Anordnung von mindestens zwei Elektroden in der Seitenwand des Gehäuses ist eine Verwirbelung des Arbeitsgases beim Durchströmen des Gehäuses nicht mehr notwendig. Die Voraussetzung, einen definierten Entladungskanal zwischen den Elektroden bereitzustellen, entfällt. Durch diese Ausgestaltung der Vorrichtung kann das Arbeitsgas das Gehäuse von dem Gaseinlass bis zu dem Gasauslass in einer Translationsbewegung im Wesentlichen wirbelfrei durchströmen, so dass die kinetische Energie, mit der das Arbeitsgas beim Einströmen durch den Gaseinlass in das Gehäuse versehen ist, der Translationsbewegung des Arbeitsgases durch das Gehäuse und aus dem Gehäuse durch den Gasauslass heraus erhalten bleibt.Due to the integral arrangement of at least two electrodes in the side wall of the housing, a turbulence of the working gas when flowing through the housing is no longer necessary. The requirement to provide a defined discharge channel between the electrodes is eliminated. As a result of this configuration of the device, the working gas can flow through the housing from the gas inlet to the gas outlet in a translatory motion essentially without eddy, so that the kinetic energy with which the working gas is introduced into the housing as it flows through the gas inlet is the translational movement of the working gas through the housing and out of the housing through the gas outlet is maintained.

Weiterhin muss innerhalb des Gehäuses keine Stiftelektrode mehr koaxial zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases angeordnet werden. Im Gegensatz dazu sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die mindestens zwei Elektroden platzsparend in der Seitenwand des Gehäuses integriert. Dies hat den Vorteil, dass das Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls einen kleineren Strömungsquerschnitt als vergleichbare Plasmadüsen mit koaxial im Düseninnern angeordneter Stiftelektrode benötigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann somit materialeffizienter gefertigt werden. Außerdem erlaubt eine Vorrichtung mit geringen äußeren Abmessungen den Einsatz in Umgebungen, in denen lediglich ein begrenzter Arbeitsraum zur Verfügung steht.Furthermore, within the housing no pin electrode must be arranged coaxially with the flow direction of the working gas. In contrast, the at least two electrodes are integrated to save space in the side wall of the housing in the inventive device. This has the advantage that the housing of the device according to the invention for generating a plasma jet requires a smaller flow cross-section than comparable plasma nozzles with coaxially arranged inside the nozzle pin electrode. The device according to the invention can thus be made more efficient material. In addition, a device with small external dimensions allows use in environments where only a limited working space is available.

Ein weiterer Vorteil der integralen Elektrodenanordnung in der Seitenwand des Gehäuses der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls und des daraus hervorgehenden geringen Strömungsquerschnitts des Gehäuses ist, dass der Abstand der Elektroden voneinander gering gehalten werden kann. Dadurch kann die Amplitude der elektrischen Spannung, die an die Elektroden angelegt werden muss, um einen Entladungskanal und damit eine Bogenentladung zwischen den Elektroden zu erzeugen, kleiner gewählt werden. Die Anforderungen an die Spannungsversorgung sowie an die damit verbundenen elektrischen Verbindungen werden somit verringert.A further advantage of the integral electrode arrangement in the side wall of the housing of the device according to the invention for producing a plasma jet and the resulting small flow cross section of the housing is that the distance of the electrodes from each other can be kept small. As a result, the amplitude of the electrical voltage which has to be applied to the electrodes in order to generate a discharge channel and thus an arc discharge between the electrodes can be chosen smaller. The requirements for the power supply and the associated electrical connections are thus reduced.

Der Begriff Bogenentladung wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung phänomenologisch als Lichtbogen verstanden. Dies bedeutet, dass die zur Plasmaerzeugung an die Elektroden angelegte Spannung keine kontinuierliche Gleichspannung ist. Vielmehr wird das Plasma, wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt, mit einer hochfrequenten Spannung, insbesondere mit einer hochfrequenten Wechselspannung, erzeugt. Da jedoch dabei die Frequenz der angelegten Spannung so hoch gewählt wird, dass ein Betrachter an Hand der Leuchterscheinungen der Entladung visuell keinen Unterschied zu mit kontinuierlichen Gleichspannungen erzeugten Entladungen feststellen kann, wird in der vorliegenden Anmeldung vereinfachend von einer Bogenentladung gesprochen.The term arc discharge is understood in the context of the present application phenomenologically as an arc. This means that the voltage applied to the electrodes for plasma generation is not a continuous DC voltage. Rather, the plasma, as mentioned in the introduction, with a high-frequency Voltage, in particular with a high-frequency AC voltage generated. However, since the frequency of the applied voltage is selected to be so high that an observer can not visually detect any difference to discharges generated by continuous discharges on the basis of the luminous phenomena of the discharge, in the present application a simplification is referred to as an arc discharge.

Vorzugsweise sind die mindestens zwei Elektroden quer zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses integriert. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, dass der Abstand zwischen den mindestens zwei Elektroden so gering wie möglich gehalten wird. Somit wird auch die Amplitude der Spannung zur Erzeugung der Entladung so gering wie möglich gehalten.Preferably, the at least two electrodes are spaced apart transversely to the flow direction of the working gas in the side wall of the housing integrated. This arrangement ensures that the distance between the at least two electrodes is kept as low as possible. Thus, the amplitude of the voltage for generating the discharge is kept as low as possible.

In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Oberflächen der mindestens zwei Elektroden fluchtend mit der dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Oberfläche der Seitenwand des Gehäuses angeordnet. Durch die fluchtende Anordnung der Elektroden werden Quellen von Gasturbulenz vermieden. Ragen die Elektroden in den Innenraum des Gehäuses hinein oder ist die dem Innenraum des Gehäuses zugewandte Oberfläche der Elektroden von der umgebenden Seitenwand zurückgesetzt angeordnet, so können sich im Übergangsbereich von Seitenwand zu Elektrode Turbulenzwirbel ausbilden, die die Translationsenergie des Arbeitsgases zumindest teilweise in Rotationsenergie und letztlich in Wärme umwandeln und somit die Flussrate des Arbeitsgases senkrecht zum Strömungsquerschnitt aus dem Gasauslass heraus vermindern.In a preferred embodiment, the surfaces of the at least two electrodes facing the interior of the housing are arranged in alignment with the surface of the side wall of the housing facing the interior of the housing. The aligned arrangement of the electrodes avoids sources of gas turbulence. If the electrodes protrude into the interior of the housing or if the surface of the electrodes facing the interior of the housing is set back from the surrounding side wall, turbulence vortices may form in the transition region from side wall to electrode, at least partially converting the translational energy of the working gas into rotational energy and ultimately convert into heat and thus reduce the flow rate of the working gas perpendicular to the flow cross-section from the gas outlet out.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung umfasst der Begriff Arbeitsgas zur Plasmaerzeugung geeignete einkomponentige Gase, beispielsweise Stickstoff, als auch mehrkomponentige Gasmischungen, beispielsweise Luft, Formiergas, CO2, Acethylen/N2 Gemisch oder andere beliebige zur Plasmaerzeugung geeignete Gasmischungen.In the context of the present application, the term working gas for plasma generation comprises suitable one-component gases, for example nitrogen, as well as multicomponent gas mixtures, for example air, forming gas, CO 2 , acetylene / N 2 mixture or any other gas mixtures suitable for plasma generation.

Das einen Gaseinlass und einen Gasauslass sowie mindestens zwei Elektroden aufweisende Gehäuse der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ist vorzugsweise im Wesentlichen in der Form eines Hohlzylinders ausgebildet. In dieser Ausgestaltung können die mindestens zwei Elektroden quer zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases diametral voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses integriert sein. Weiterhin können der Gaseinlass und der Gasauslass voneinander beabstandet an den einander gegenüber liegenden Stirnflächen des Hohlzylinders angeordnet sein.The housing having a gas inlet and a gas outlet as well as at least two electrodes of the device according to the invention for generating a plasma jet is preferably designed substantially in the form of a hollow cylinder. In this embodiment, the at least two electrodes can be integrated transversely to the flow direction of the working gas diametrically spaced from each other in the side wall of the housing. Furthermore, the gas inlet and the gas outlet can be arranged at a distance from one another at the mutually opposite end faces of the hollow cylinder.

Es ist auch möglich, das Gehäuse in der Form eines Hohlquaders auszubilden. Die Ausgestaltung des Gehäuses als Hohlquader ist verpackungstechnisch vorteilhaft, wenn mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen dicht aneinander liegend angeordnet werden.It is also possible to form the housing in the shape of a hollow cuboid. The design of the housing as a hollow cuboid is advantageous packaging technology, when several devices according to the invention for generating a plurality of plasma jets are arranged close to each other.

Die vorstehend genannten Ausgestaltungen des Gehäuses sind allerdings beispielhaft und sollen nicht als Beschränkung verstanden werden.However, the above-mentioned embodiments of the housing are exemplary and should not be construed as limiting.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Seitenwand des Gehäuses alle Teile des Gehäuses zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass, die sich im Wesentlichen entlang der Strömungsrichtung des Arbeitsgases erstrecken, und wird nur in der Einzahl verwendet, selbst wenn die Form des Gehäuses das Vorhandensein mehrerer Seitenwände, beispielsweise vier Seitenwände bei einem Gehäuse in der Form eines Hohlquaders, nahe legt.In the context of the present invention, the term sidewall of the housing comprises all parts of the housing between the gas inlet and the gas outlet, which extend essentially along the flow direction of the working gas, and is used only in the singular, even if the shape of the housing suggests the presence of several sidewalls, for example four sidewalls in a case in the shape of a hollow cuboid.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Seitenwand des Gehäuses in einer in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases liegenden Querschnittsebene im Bereich des Gasauslasses gekrümmt oder gebogen ausgebildet. Insbesondere ist die Seitenwand des Gehäuses so ausgebildet, dass sich der Strömungsquerschnitt des Gehäuses in Richtung des Gasauslasses verjüngt. Diese Ausgestaltung ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Flussrate des Arbeitsgases durch den Gasauslass aus dem Gehäuse heraus gegenüber der Flussrate des Arbeitsgases in dem Gehäuse erhöht werden soll.In a further preferred embodiment of the device, the side wall of the housing is curved or bent in a cross-sectional plane lying in the flow direction of the working gas in the region of the gas outlet. In particular, the side wall of the housing is formed so that the flow cross section of the housing tapers in the direction of the gas outlet. This embodiment is particularly advantageous if the flow rate of the working gas is to be increased by the gas outlet from the housing relative to the flow rate of the working gas in the housing.

Vorzugsweise ist die Seitenwand des Gehäuses zumindest teilweise aus einem isolierenden Material ausgebildet. Dieses isolierende Material kann ein keramischer Werkstoff oder ein Glas, vorzugsweise ein Quarzglas, sein. Es können jedoch auch beliebige andere isolierende Werkstoffe verwendet werden.Preferably, the side wall of the housing is at least partially formed of an insulating material. This insulating material may be a ceramic material or a glass, preferably a quartz glass. However, any other insulating materials may be used.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der die mindestens zwei Elektroden umgebende Bereich der Seitenwand des Gehäuses aus einem isolierenden Material, beispielsweise einem keramischen Werkstoff oder einem Glas, insbesondere einem Quarzglas, ausgebildet ist.It is particularly preferred if the region of the side wall of the housing surrounding the at least two electrodes is formed from an insulating material, for example a ceramic material or a glass, in particular a quartz glass.

Durch die zumindest teilweise Ausbildung des Gehäuses aus einem isolierenden Material wird gewährleistet, dass die durch einen Spannungsunterschied zwischen den mindestens zwei Elektroden bewirkte Entladung in einem Kanal zwischen den Elektroden verläuft.Due to the at least partial formation of the housing made of an insulating material ensures that by a voltage difference between the at least two electrodes caused discharge in a channel between the electrodes runs.

In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Vorrichtung sind die Strömungsquerschnitte des Gaseinlasses und/oder des Gasauslasses kleiner als der Strömungsquerschnitt des Gehäuses. Unter Strömungsquerschnitt des Gaseinlasses bzw. Gasauslasses wird beispielsweise die Kreisfläche eines kreisförmigen Gaseinlasses bzw. Gasauslasses verstanden. Als Strömungsquerschnitt des Gehäuses wird beispielsweise die Fläche des inneren Kreises eines hohlzylinderförmigen Gehäuses verstanden. Im Falle einer hohlquaderförmigen Ausgestaltung des Gehäuses ist unter dem Strömungsquerschnitt des Gehäuses die Fläche eines Rechtecks, insbesondere eines Quadrats, zu verstehen.In further preferred embodiments of the device, the flow cross sections of the gas inlet and / or the gas outlet are smaller than the flow cross section of the housing. The flow cross-section of the gas inlet or gas outlet is understood, for example, to mean the circular area of a circular gas inlet or gas outlet. As a flow cross-section of the housing, for example, the surface of the inner circle of a hollow cylindrical housing is understood. In the case of a hollow-cuboid configuration of the housing, the flow cross-section of the housing means the area of a rectangle, in particular of a square.

Eine Verengung des Strömungsquerschnitts des Gaseinlasses im Vergleich zum Strömungsquerschnitt des Gehäuses ist vorteilhaft, da somit das Arbeitsgas mit einer definierten gerichteten Strömung dem Inneren des Gehäuses zugeführt werden kann. Dadurch lässt sich das Auftreten von Wirbeln, die einen Teil der kinetischen Energie des Arbeitsgases in einer Drehbewegung binden würden, weitgehend vermeiden.A narrowing of the flow cross-section of the gas inlet in comparison to the flow cross-section of the housing is advantageous, since thus the working gas can be supplied to the interior of the housing with a defined directed flow. As a result, the occurrence of vortices that would bind part of the kinetic energy of the working gas in a rotary motion, largely avoided.

Eine Verengung des Strömungsquerschnitts des Gasauslasses im Vergleich zum Strömungsquerschnitt des Gehäuses ist vorteilhaft, da somit das Arbeitsgas und das darin ausgebildete Plasma fokussiert und zur gezielten Anwendung strahlförmig beispielsweise auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Werkstücks gerichtet werden können.A narrowing of the flow cross section of the gas outlet in comparison to the flow cross section of the housing is advantageous, since thus the working gas and the plasma formed therein can be focused and directed for targeted application jet-shaped example, on the surface of a workpiece to be machined.

Der Gasauslass kann schlitzförmig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt ist es, wenn sich die Längsachse des Schlitzes parallel zu der Verbindungslinie zwischen den mindestens zwei Elektroden erstreckt. Durch diese Ausgestaltung des Gasauslasses kann der Plasmastrahl in Längsrichtung des Schlitzes aufgeweitet werden. Damit lässt sich ein größflächiger und dennoch gleichmäßiger Plasmastrahl erzeugen, der beispielsweise zur Plasmabehandlung von Werkstückoberflächen besonders geeignet ist.The gas outlet may be slit-shaped. It is particularly preferred if the longitudinal axis of the slot is parallel to the connecting line between the extends at least two electrodes. Due to this configuration of the gas outlet, the plasma jet can be widened in the longitudinal direction of the slot. This makes it possible to produce a large-area, yet uniform plasma jet, which is particularly suitable, for example, for the plasma treatment of workpiece surfaces.

In einer in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases liegenden Querschnittsebene kann der Gasauslass auch die Form einer Lavaldüse aufweisen. Das heißt, dass der Strömungsquerschnitt des Gasauslasses sich in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases ausgehend von einem dem Gehäuseinnern zugewandten Bereich verjüngt, bevor sich der Strömungsquerschnitt des Gasauslasses dann von dem schmalsten Bereich zu einem der Umgebung zugewandten Bereich wieder aufweitet. Durch diese Ausgestaltung des Gasauslasses kann die Flussrate des Arbeitsgases und des Plasmas aus dem Gehäuse heraus erhöht werden.In a cross-sectional plane lying in the flow direction of the working gas, the gas outlet may also have the shape of a Laval nozzle. This means that the flow cross-section of the gas outlet tapers in the flow direction of the working gas, starting from a region facing the interior of the housing, before the flow cross-section of the gas outlet then widens again from the narrowest region to an area facing the environment. This configuration of the gas outlet, the flow rate of the working gas and the plasma can be increased out of the housing.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Abmessung der dem Innenraum des Gehäuses zugewandten Oberflächen der mindestens zwei Elektroden kleiner ist als die innere Abmessung des Strömungsquerschnitts des Gehäuses. Beispielsweise ist der Durchmesser einer kreisförmigen Elektrode kleiner als der Innendurchmesser eines hohlzylinderförmigen Gehäuses im Strömungsquerschnitt. Dies bedeutet, dass die Elektroden in Richtung des Umfangs des Gehäuses eine geringe Ausdehnung haben. Der Umfang des Gehäuses auf der Höhe der Elektroden ist beispielsweise bei einem Hohlzylinder ein Kreis, während er beispielsweise bei einem Hohlquader ein Rechteck, insbesondere ein Quadrat, ist. Die geringe Ausdehnung der Elektroden dient dazu, den Weg der Entladung möglichst vorzügeben und festzulegen. Bei größeren Abmessungen würde die Bogenentladung dazu tendieren, jeweils nur von einem Teilbereich der Elektrodenfläche zu starten, da Entladungen immer den kürzesten Weg nehmen.Furthermore, it is preferred that the dimension of the surfaces of the at least two electrodes facing the interior of the housing is smaller than the inner dimension of the flow cross section of the housing. For example, the diameter of a circular electrode is smaller than the inner diameter of a hollow cylindrical housing in the flow cross-section. This means that the electrodes have a small extent in the direction of the circumference of the housing. The circumference of the housing at the level of the electrodes is, for example, a circle in a hollow cylinder, while in the case of a hollow cuboid, for example, it is a rectangle, in particular a square. The small extent of the electrodes serves to maximize the path of the discharge as possible and set. at Larger dimensions, the arc discharge would tend to start only from a portion of the electrode surface, since discharges always take the shortest path.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung sind die mindestens zwei Elektroden stabförmig ausgebildet, wobei sich die Längsachsen der Elektroden in der Seitenwand parallel zu der Strömungsrichtung des Arbeitsgases erstrecken. Durch eine Längserstreckung der stabförmigen Elektroden in Strömungsrichtung des Arbeitsgases wird die dem Innenraum des Gehäuses zugewandte Oberfläche der Elektroden vergrößert, so dass das Arbeitsgas über eine größere Fläche der Elektroden hinwegströmen kann. Dadurch wird ein vorteilhafter kühlender Effekt des Arbeitsgases an den Elektroden, der auf Grund der bei einer Gasentladung an den Elektroden auftretenden Erwärmung erwünscht sein kann, verstärkt. Denn die Entladung und somit die Erwärmung findet strömungsabwärts statt.In a further preferred embodiment of the device, the at least two electrodes are rod-shaped, with the longitudinal axes of the electrodes in the side wall extending parallel to the flow direction of the working gas. By a longitudinal extension of the rod-shaped electrodes in the flow direction of the working gas, the surface of the electrodes facing the interior of the housing is enlarged, so that the working gas can flow over a larger area of the electrodes. This enhances an advantageous cooling effect of the working gas on the electrodes, which may be desirable due to the heating occurring at the electrodes during a gas discharge. Because the discharge and thus the heating takes place downstream.

Vorzugsweise sind der Gaseinlass und das Gehäuse und/oder der Gasauslass und das Gehäuse einstückig ausgebildet. Beispielsweise kann ein Gaseinlass und/oder Gasauslass an einem nach allen Seiten verschlossenen Hohlzylinder dadurch ausgebildet werden, dass an den beiden Stirnseiten eine Bohrung mit gewünschtem Durchmesser vorgenommen wird. Diese Art der einstückigen Ausbildung von Gaseinlass und/oder Gasauslass vereinfacht insbesondere die Fertigung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls.Preferably, the gas inlet and the housing and / or the gas outlet and the housing are integrally formed. For example, a gas inlet and / or gas outlet can be formed on a hollow cylinder closed on all sides in that a bore with the desired diameter is made at the two end faces. This type of integral formation of gas inlet and / or outlet facilitates in particular the manufacture of the device for generating a plasma jet.

Es ist jedoch auch möglich, den Gaseinlass und/oder den Gasauslass mit dem Gehäuse mehrstückig auszubilden. Da beispielsweise der Gasauslass im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Plasmadüsen nicht mehr als Gegenelektrode fungieren muss, ist es möglich, den Gasauslass jeweils aus einem Bauteil zu bilden, mit dem sich der Strömungsquerschnitt des Gasauslasses in der Art einer Irisblende verändern lässt. Es ist natürlich auch möglich, den Gaseinlass so auszugestalten, dass sich der Strömungsquerschnitt des Gaseinlasses in der Art einer Irisblende verändern lässt. Diese Ausgestaltung würde somit eine Veränderung der Flussrate und des Strömungsquerschnitts des Arbeitsgases bzw. Plasmastrahls während des Betriebs der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ermöglichen.However, it is also possible to form the gas inlet and / or the gas outlet with the housing in several pieces. For example, since the gas outlet, in contrast to the plasma nozzles described in the prior art not more than It must be possible to form the gas outlet in each case from a component with which the flow cross section of the gas outlet can be changed in the manner of an iris diaphragm. Of course, it is also possible to design the gas inlet in such a way that the flow cross-section of the gas inlet can be changed in the manner of an iris diaphragm. This embodiment would thus allow a change in the flow rate and the flow cross-section of the working gas or plasma jet during operation of the device for generating a plasma jet.

In einer weiteren beispielhaften mehrstückigen Ausführung des Gehäuses und des Gasauslasses kann der Gasauslass an dem Gehäuse so ausgebildet sein, dass die Strömungsrichtung des Arbeitsgases durch den Gasauslass aus dem Gehäuse heraus schräg gegen die Strömungsrichtung des Arbeitsgases in dem Gehäuse angeordnet ist. Eine solche Anordnung ist im Stand der Technik, beispielsweise in der EP 1 067 829 B1 , bei Plasmadüsen bereits bekannt.In another exemplary multi-piece embodiment of the housing and the gas outlet, the gas outlet may be formed on the housing so that the flow direction of the working gas through the gas outlet out of the housing is arranged obliquely against the flow direction of the working gas in the housing. Such an arrangement is in the prior art, for example in the EP 1 067 829 B1 , already known for plasma jets.

Ist dann auch der Gasauslass drehbar an dem drehfesten Gehäuse ausgebildet, lässt sich durch Drehung des Gasauslasses während der Plasmaerzeugung mit einer einzigen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ein großflächiger Bereich beispielsweise eines zu bearbeitenden Werkstücks mit einem Plasmastrahl beaufschlagen. Die Drehung kann dabei aktiv, beispielsweise durch Vorsehen einer Drehvorrichtung am drehbaren Gasauslass, oder passiv, beispielsweise durch den von dem aus dem Gasauslass herausströmenden Arbeitsgas ausgeübten Rückstoß, vorgenommen werden.If then the gas outlet is rotatably formed on the rotationally fixed housing, can be applied by rotation of the gas outlet during plasma generation with a single device for generating a plasma jet, a large area, for example, a workpiece to be machined with a plasma jet. The rotation can be active, for example, by providing a rotating device on the rotatable gas outlet, or passively, for example, by the force exerted by the effluent from the gas outlet working gas recoil.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls mit mindestens einer Zuführungsvorrichtung versehen, mit der mindestens ein Material dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl zugeführt werden kann. Die Zuführung kann dabei aktiv, beispielsweise durch Einspritzen, oder passiv, beispielsweise durch Nutzung eines Kapillareffekts und Verdunstung, erfolgen. Das mindestens eine Material kann sich bei der Zuführung im festen, flüssigen und/oder gasförmigen Zustand befinden. Als Materialien können solche in Betracht kommen, die zur Beschichtung oder zur Plasmapolymerisation geeignet sind. Es kann sich beispielsweise auch um ein Precursormaterial handeln, also ein mehrkomponentiges Material, bei dem die mehreren Komponenten sich erst im Plasmastrahl miteinander zu dem eigentlich gewünschten Material, beispielsweise einem Produkt einer chemischen Reaktion, verbinden. Als weitere Anwendung kann angegeben werden, dass der Plasmadüse Wasserdampf zugesetzt wird, wobei das Wasser des Dampfes der im Plasmastrahl zu Sauerstoff und Wasserstoff umgewandelt wird.In a further alternative embodiment, the device for generating a plasma jet is provided with at least one supply device with which at least one material can be supplied to the working gas and / or the plasma jet. The supply can be active, for example by injection, or passively, for example by using a capillary effect and evaporation done. The at least one material may be in the supply in the solid, liquid and / or gaseous state. Suitable materials may be those suitable for coating or plasma polymerization. It can also be, for example, a precursor material, ie a multicomponent material, in which the several components only join together in the plasma jet to form the actually desired material, for example a product of a chemical reaction. As another application, it can be stated that water vapor is added to the plasma nozzle, wherein the water of the steam is converted to oxygen and hydrogen in the plasma jet.

Die mindestens eine Zuführungsvorrichtung kann an der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls so angeordnet sein, dass die Zuführung des mindestens einen Materials im Bereich des Gaseinlasses erfolgt. Die Zuführung kann aber auch in dem Bereich, in dem sich die Bogenentladung manifestiert, erfolgen. Möglich ist auch, die Zuführung im Bereich des Gasauslasses oder auch außerhalb des Gehäuses vorzunehmen. Entscheidend ist, dass das mindestens eine Material mit dem Plasmastrahl in Berührung kommt.The at least one supply device can be arranged on the device for generating a plasma jet so that the supply of the at least one material takes place in the region of the gas inlet. However, the supply can also take place in the region in which the arc discharge manifests. It is also possible to make the supply in the area of the gas outlet or outside of the housing. It is crucial that the at least one material comes into contact with the plasma jet.

Weiterhin kann die Zuführungsvorrichtung aus einem Abbrandmaterial bestehen. Durch Einwirkung der bei der Plasmaerzeugung auftretenden elektrischen Entladung und der dadurch hervorgerufenen Wärme kann ein Material von einem Abbrandmaterial abgestäubt und somit dem Plasmastrahl zugeführt werden. In diesem Fall müsste das Abbrandmaterial im Bereich, in dem sich die Bogenentladung manifestiert, angeordnet sein. Insbesondere kann das Abbrandmaterial in das Material der Elektroden integriert sein. Das verdampfte Material kann auch durch eine sekundäre Quelle in Strömungsrichtung zugeführt werden.Furthermore, the supply device may consist of a burn-off material. By acting at the Plasma generation occurring electrical discharge and the heat generated thereby, a material can be sputtered from a combustion material and thus supplied to the plasma jet. In this case, the burn-off material would have to be arranged in the region in which the arc discharge manifests. In particular, the burn-up material can be integrated into the material of the electrodes. The vaporized material may also be supplied through a secondary source in the flow direction.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls weist die Vorrichtung mindestens eine Spannungsversorgung auf, die mit den mindestens zwei Elektroden verbunden ist. Besonders bevorzugt sind Spannungsversorgungen, mit denen sich eine hochfrequente Spannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung, erzeugen lässt.In a further preferred embodiment of the device for generating a plasma jet, the device has at least one voltage supply which is connected to the at least two electrodes. Power supplies with which a high-frequency voltage, in particular a high-frequency AC voltage, can be generated are particularly preferred.

Hochfrequente Spannungen, insbesondere hochfrequente Wechselspannungen, werden vorzugsweise bei der Erzeugung eines nicht-thermischen Plasmas eingesetzt. Da der Betrag der Spannungsamplitude bei einer hochfrequenten Spannung in regelmäßigen Zeitabständen einen bestimmten zur Entladungserzeugung notwendigen Wert unterschreitet, verlischt die Entladung, bis dann nachfolgend der Betrag der Spannungsamplitude den bestimmten zur Entladungserzeugung notwendigen Wert wieder überschreitet und sich somit wieder eine Entladung ausbildet. Durch dieses regelmäßige Zünden und Verlöschen der Entladung wird bewirkt, dass nur ein geringer Teil der in der Entladung gebundenen Energie in Wärme umgewandelt werden kann. Somit wird der Temperaturanstieg des Arbeitsgases und ebenso des Plasmas begrenzt. Die hochfrequente Spannung kann somit auch als eine mit einer konstanten Gleichspannung überlagerte Wechselspannung bis hin zu einer gepulsten Gleichspannung ausgebildet sein. Ein wesentlicher Aspekt der hochfrequenten Spannung ist dennoch die hohe Frequenz, nicht dagegen die Polarität der Spannungswerte.High-frequency voltages, in particular high-frequency alternating voltages, are preferably used in the production of a non-thermal plasma. Since the amount of the voltage amplitude at a high-frequency voltage at regular intervals below a certain value necessary for the discharge generation, the discharge is extinguished, until then the amount of the voltage amplitude exceeds the certain value necessary for the discharge generation again and thus again forms a discharge. This periodic firing and extinguishing of the discharge causes only a small portion of the energy bound in the discharge to be converted into heat. Thus, the temperature rise of the working gas and also of the plasma is limited. The high-frequency voltage can thus also be considered as having a constant DC voltage superimposed AC voltage can be formed up to a pulsed DC voltage. An essential aspect of the high-frequency voltage is nevertheless the high frequency, but not the polarity of the voltage values.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in der Seitenwand des Gehäuses der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls vier Elektroden integriert. Vorzugsweise sind die vier Elektroden quer zur Strömungsrichtung des Arbeitsgases voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses integriert.In a further preferred embodiment, four electrodes are integrated in the side wall of the housing of the device for generating a plasma jet. Preferably, the four electrodes are spaced transversely to the flow direction of the working gas in the side wall of the housing integrated.

Insbesondere bilden die vier Elektroden zwei Elektrodenpaare, so dass eine erste Verbindungslinie zwischen dem ersten Elektrodenpaar sich mit einer zweiten Verbindungslinie zwischen dem zweiten Elektrodenpaar, vorzugsweise unter einem rechten Winkel, schneidet. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls zwei unabhängige, insbesondere gleichgetaktete, Spannungsversorgungen aufweist, wobei je eine Spannungsversorgung mit je einem Elektrodenpaar verbunden ist. Vorzugsweise sind die beiden Spannungsversorgungen mit einem Taktgeber verbunden.In particular, the four electrodes form two pairs of electrodes, so that a first connecting line between the first pair of electrodes intersects with a second connecting line between the second pair of electrodes, preferably at a right angle. It is particularly preferred that the device for generating a plasma jet comprises two independent, in particular equal-clocked, power supplies, each one power supply is connected to one pair of electrodes. Preferably, the two power supplies are connected to a clock.

Das technische Problem wird darüber hinaus mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von mehreren Plasmastrahlen mit mehreren in Reihe angeordneten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls gelöst, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren in Reihe angeordneten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls in Reihe mit mindestens einer Spannungsversorgung elektrisch verbunden sind.The technical problem is further solved by a device for generating a plurality of plasma jets with a plurality of devices arranged in series for generating a plasma jet, characterized in that the plurality of devices arranged in series for generating a plasma jet are electrically connected in series with at least one voltage supply.

Charakteristisch für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ist, dass mindestens zwei Elektroden in der Seitenwand des Gehäuses integriert sind. Davon ausgehend können mehrere Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls in Reihe angeordnet werden und somit eine Vorrichtung zur Erzeugung von mehreren Plasmastrahlen bilden.Characteristic of the device according to the invention for generating a plasma jet is that at least two Electrodes are integrated in the side wall of the housing. From this, several devices for generating a plasma jet can be arranged in series and thus form an apparatus for generating a plurality of plasma jets.

Dabei wurde erkannt, dass diese Reihenanordnung der Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls es auf einfache Weise ermöglicht, die mehreren Vorrichtungen in Reihe mit mindestens einer Spannungsversorgung elektrisch zu verbinden. Wie vorstehend bereits erläutert kann der Abstand der Elektroden innerhalb eines Gehäuses bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls geringer als bei aus dem bisherigen Stand der Technik bekannten Plasmadüsen mit koaxialer Elektrode ausfallen. Daher ist es möglich, mit der durch die Spannungsversorgung erzeugte Spannung mehrere in Reihe geschaltete Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls zu betreiben. Auf diese Weise kann man eine Reihe von gleichartigen Plasmastrahlen mit vorteilhafterweise einer einzigen Spannungsversorgung erzeugen.It has been recognized that this series arrangement of the plasma jet generation devices makes it possible to electrically connect the multiple devices in series with at least one power supply. As already explained above, the spacing of the electrodes within a housing in the device according to the invention for generating a plasma jet can be smaller than in the case of plasma nozzles with a coaxial electrode known from the prior art. Therefore, it is possible to operate with the voltage generated by the power supply a plurality of series-connected devices for generating a plasma jet. In this way one can produce a series of similar plasma jets advantageously with a single power supply.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen liegen die Gasauslässe aller der in Reihe angeordneten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls in einer Ebene. In dieser Ausgestaltung ist die Reihenschaltung besonders einfach, da die einander zugewandten Elektroden der aneinander anliegenden Vorrichtungen unmittelbar benachbart sind und damit auf kurzem Weg elektrisch verbunden werden können. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Elektroden aller der in Reihe angeordneten Vorrichtungen auf einer Geraden liegen. Mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls oder eine Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen, wie sie vorstehend beschrieben wurden, können weiterhin exzentrisch an einem Rotationskopf angeordnet werden. Eine solche Anordnung ist im Stand der Technik, beispielsweise in der EP 0 986 939 B1 , bereits bekannt. Mit dieser Anordnung lässt sich bei entsprechender Einstellung der Rotation und Translation des Rotationskopfs eine zeitsparende und trotzdem effiziente Plasmabehandlung größerer Oberflächen verwirklichen.In a preferred embodiment of the device for generating a plurality of plasma jets, the gas outlets of all of the devices arranged in series for generating a plasma jet lie in one plane. In this embodiment, the series connection is particularly simple, since the facing electrodes of the adjoining devices are immediately adjacent and thus can be electrically connected by a short path. It is further preferred that the electrodes of all the devices arranged in series lie on a straight line. At least one plasma jet generating device or multiple plasma jet generating device as described above may be further arranged eccentrically on a rotary head. Such an arrangement is in the prior art, for example in the EP 0 986 939 B1 , already known. With this arrangement can be realized with appropriate adjustment of the rotation and translation of the rotary head, a time-saving, yet efficient plasma treatment of larger surfaces.

Weiterhin wird das technische Problem durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Plasmastrahls gelöst, bei dem ein Gehäuse von einem Arbeitsgas von einem Gaseinlass bis zu einem Gasauslass, insbesondere im Wesentlichen wirbelfrei, durchströmt wird, bei dem mittels Anlegen einer hochfrequenten Spannung, insbesondere einer hochfrequenten Wechselspannung, an mindestens zwei in der Seitenwand des Gehäuses integrierte Elektroden eine Bogenentladung in dem Arbeitsgas zwischen den mindestens zwei Elektroden erzeugt wird, und bei dem das Arbeitsgas durch die Bogenentladung zumindest teilweise zu einem Plasmastrahl angeregt wird.Furthermore, the technical problem is solved by a method for generating a plasma jet, in which a housing is traversed by a working gas from a gas inlet to a gas outlet, in particular substantially eddy-free, in which by applying a high-frequency voltage, in particular a high-frequency AC voltage, an arc discharge is generated in the working gas between the at least two electrodes on at least two electrodes integrated in the side wall of the housing, and in which the working gas is at least partially excited by the arc discharge to form a plasma jet.

Besonders bevorzugt wird bei dem Verfahren das Gehäuse von dem Arbeitsgas von dem Gaseinlass bis zu dem Gasauslass im Wesentlichen wirbelfrei durchströmt. Dadurch bleibt die kinetische Energie, mit der das Arbeitsgas beim Einströmen durch den Gaseinlass in das Gehäuse versehen ist, der Translationsbewegung des Arbeitsgases durch das Gehäuse und aus dem Gehäuse durch den Gasauslass heraus erhalten und wird nicht in einer Drehbewegung des Arbeitsgases gebunden. Dieses Ausgestaltung des Verfahrens vereinfacht insbesondere das Einstellen einer bestimmten Flussrate des Plasmastrahls, die hierbei unmittelbar über die Flussrate des durch den Gaseinlass in das Gehäuse einströmenden Arbeitsgases geregelt werden kann.In the method, the housing is particularly preferably flowed through by the working gas from the gas inlet to the gas outlet in a substantially eddy-free manner. As a result, the kinetic energy with which the working gas is supplied into the housing as it flows through the gas inlet, the translational movement of the working gas through the housing and out of the housing through the gas outlet and is not bound in a rotational movement of the working gas. This embodiment of the method in particular simplifies the setting of a specific flow rate of the plasma jet, which in this case is directly above the flow rate of the gas flowing into the housing through the gas inlet working gas can be controlled.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens zur Erzeugung eines Plasmastrahls wird die Bogenentladung durch den Fluss des Arbeitsgases in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses hin verformt. Insbesondere kann die Bogenentladung durch den Fluss des Arbeitsgases zumindest teilweise gleitend an der inneren Seitenwand des Gehäuses in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses verformt werden.In a further preferred embodiment of the method for producing a plasma jet, the arc discharge is deformed by the flow of the working gas in the direction of the region of the gas outlet. In particular, the arc discharge may be at least partially slidably deformed by the flow of the working gas on the inner side wall of the housing towards the region of the gas outlet.

Bei einer weitgehend wirbelfreien Strömung des Arbeitsgases, das heißt, bei einer annähernd laminaren Strömung des Arbeitsgases in dem Gehäuse, wird der Lichtbogen durch den Fluss des Arbeitsgases in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses im Wesentlichen zu einem parabelähnlichen Bogen verformt. Im Extremfall gleitet dabei die Bogenentladung zumindest teilweise an der inneren Seitenwand des Gehäuses entlang. Weiterhin kann die Spitze des Bogens der Bogenentladung sogar durch den Gasauslass aus der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls herausragen. Bevorzugt ist jedoch, wenn die Spitze des Bogens der Bogenentladung durch den Gasauslass aus der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls nicht herausragt, damit sich keine Entladungskanäle zwischen dem Lichtbogen und dem zu bearbeitenden Werkstück ausbilden, die das Werkstück nachteilig beeinflussen könnten. Es soll also bei bestimmten Anwendungen des Verfahrens ein lichtbogenfreier, also potentialfreier, Plasmastrahl erzeugt werden.In a substantially vortex-free flow of the working gas, that is, in an approximately laminar flow of the working gas in the housing, the arc is deformed by the flow of the working gas toward the region of the gas outlet substantially into a parabolic-like arc. In the extreme case, the arc discharge at least partially slides along the inner side wall of the housing. Furthermore, the tip of the arc of the arc discharge may even protrude from the plasma jet generating device through the gas outlet. However, it is preferable that the tip of the arc of the arc discharge does not protrude through the gas outlet from the plasma jet generating device so as not to form discharge channels between the arc and the workpiece to be processed, which may adversely affect the workpiece. Thus, in certain applications of the method, an arc-free, that is potential-free, plasma jet is to be generated.

Die Verformung des Lichtbogens wird dadurch bewirkt, dass die durch die Entladung ionisierten Moleküle des Arbeitsgases durch den Fluss des Arbeitsgases in Strömungsrichtung auf den Gasauslass hin bewegt werden. Da in dem ionisierten Bereich des Arbeitsgases der elektrische Widerstand geringer ist als in dem nicht-ionisierten Bereich des Arbeitsgases bilden sich die hochfrequent aufeinander folgenden Entladungen bevorzugt in dem Bereich aus, der schon bei einer vorhergehenden Entladung zumindest teilweise ionisiert worden war.The deformation of the arc is caused by the fact that the molecules ionized by the discharge undergo Working gas to be moved by the flow of the working gas in the flow direction to the gas outlet. Since the electrical resistance in the ionized region of the working gas is lower than in the non-ionized region of the working gas, the high-frequency successive discharges preferably form in the region which has already been at least partially ionized during a preceding discharge.

In dem Gehäuse bildet sich dabei keine ideale laminare Strömung des Arbeitsgases aus, da durch die zumindest teilweise Ionisierung des Arbeitsgases Wärme in dem Arbeitsgas freigesetzt wird, die zumindest zu kleinskaligen Verwirbelungen und außerdem zumindest zu kleinskaligen Druckdifferenzen in dem Arbeitsgas führt. Demzufolge nimmt auch der verformte Lichtbogen keine ideale Parabelform an, sondern unterliegt unregelmäßigen Formänderungen, die durch die kleinskaligen Wirbel und Druckdifferenzen sowie durch die von der Geometrie des Gehäuses vorgegebenen Strömungsverhältnisse verursacht werden. Ein weiterer Effekt kann zu der Verformung des Lichtbogens führen. Der den Lichtbogen enthaltende Bereich des Arbeitsgases wird erwärmt und dehnt sich dadurch aus. Somit entstehen für die Erzeugung eines Lichtbogens vorteilhafte niedrigere Drücke. Dadurch hat der Lichtbogen die Tendenz in Bereiche niedrigen Druckes, also Bereiche höherer Temperatur, auszuweichen. Dies geschieht dann in Richtung der Seitenwand.In the housing, no ideal laminar flow of the working gas is formed, since heat is released in the working gas through the at least partial ionization of the working gas, which leads to at least small-scale turbulence and also at least small-scale pressure differences in the working gas. Consequently, the deformed arc does not assume an ideal parabolic shape, but is subject to irregular shape changes, which are caused by the small-scale vortex and pressure differences and by the given by the geometry of the housing flow conditions. Another effect can lead to the deformation of the arc. The arc containing portion of the working gas is heated and thereby expands. This results in the production of an arc advantageous lower pressures. As a result, the arc has the tendency to evade areas of low pressure, ie areas of higher temperature. This happens then in the direction of the side wall.

Es ist weiterhin möglich, dass die Bogenentladung durch den Fluss des Arbeitsgases zumindest teilweise gleitend an der inneren Seitenwand des Gehäuses in Richtung auf den Bereich des Gasauslasses verformt wird, weil das zwischen den Elektroden angelegte elektrische Feld durch die unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften des Arbeitsgases und des Gehäusematerials verzerrt wird. Es ist dabei nicht erforderlich, dass das Gehäuse als Ganzes aus einem isolierenden Material ausgebildet ist. Vielmehr ist es ausreichend, wenn die Elektroden von einem isolierenden Material umgeben sind. Die anderen Bereiche können dann auch aus leitfähigen Materialien, beispielsweise Metallen, ausgebildet sein. In diesem Fall ist zu beachten, dass der beispielsweise metallisch ausgebildete Teil des Gehäuses nicht mit der Masse verbunden oder geerdet ist, so dass über den metallisch ausgebildeten Teil des Gehäuses keine Ladungsträger abführbar sind.It is also possible that the arc discharge is at least partially slidably deformed by the flow of the working gas on the inner side wall of the housing in the direction of the region of the gas outlet, because the applied between the electrodes electric field through the different dielectric properties of the working gas and the housing material is distorted. It is not necessary that the housing is formed as a whole of an insulating material. Rather, it is sufficient if the electrodes are surrounded by an insulating material. The other areas can then also be made of conductive materials, such as metals. In this case, it should be noted that, for example, the metallic part of the housing is not connected to ground or grounded, so that no charge carriers can be discharged via the metallic part of the housing.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird dem Arbeitsgas und/oder dem Plasmastrahl mittels mindestens einer Zuführungsvorrichtung mindestens ein Material, insbesondere ein Beschichtungsmaterial oder Precursormaterial, zugeführt.In a further preferred embodiment of the method, at least one material, in particular a coating material or precursor material, is supplied to the working gas and / or the plasma jet by means of at least one feed device.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden an zwei in der Seitenwand des Gehäuses integrierte Elektrodenpaare zwei unabhängige hochfrequente Spannungen angelegt. Vorzugsweise sind diese beiden unabhängigen hochfrequenten Spannungen gleichgetaktet und dabei insbesondere mit einem Phasenunterschied versehen. Der Phasenunterschied beträgt vorzugsweise im Wesentlichen 90°.In a further preferred embodiment of the method, two independent high-frequency voltages are applied to two pairs of electrodes integrated in the side wall of the housing. Preferably, these two independent high-frequency voltages are equal-clocked and in particular provided with a phase difference. The phase difference is preferably substantially 90 °.

Durch das Vorsehen zweier Elektrodenpaare, die so angeordnet sind, dass ihre Verbindungslinien rechtwinklig zueinander verlaufen, lässt sich eine hohe Plasmaintensität bei gleichzeitiger Beibehaltung der nicht-thermischen Eigenschaft des Plasmas erreichen. Der bevorzugte Phasenunterschied von im Wesentlichen 90° zwischen den beiden hochfrequenten Spannungen ist dabei so gewählt, dass, wenn der Lichtbogen zwischen dem ersten Elektrodenpaar verlischt, weil die Spannungsamplitude der ersten Spannungsversorgung einen bestimmten Betrag unterschreitet, der Lichtbogen zwischen dem zweiten Elektrodenpaar erzeugt wird, weil die Spannungsamplitude der zweiten Spannungsversorgung einen bestimmten Betrag überschreitet. Somit ist gewährleistet, dass die beiden Spannungsversorgungen unabhängig voneinander jeweils im Wechsel eine Bogenentladung und damit ein Plasma in dem Arbeitsgas erzeugen. Diese Ausgestaltung des Verfahrens kann auch mit mehr als zwei Paaren von Elektroden erweitert werden.By providing two pairs of electrodes arranged so that their connecting lines are perpendicular to each other, a high plasma intensity can be achieved while maintaining the non-thermal property of the plasma. The preferred phase difference of substantially 90 ° between the two high-frequency voltages is chosen so that that, when the arc between the first pair of electrodes goes out, because the voltage amplitude of the first voltage supply falls below a certain amount, the arc is generated between the second pair of electrodes, because the voltage amplitude of the second voltage supply exceeds a certain amount. This ensures that the two power supplies independently of one another alternately generate an arc discharge and thus a plasma in the working gas. This embodiment of the method can also be extended with more than two pairs of electrodes.

Das technische Problem wird außerdem durch ein Verfahren zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen gelöst, bei dem die mehreren Gehäuse der Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls von einem Arbeitsgas von dem jeweiligen Gaseinlass bis zu dem jeweiligen Gasauslass, insbesondere im Wesentlichen wirbelfrei, durchströmt werden, bei dem mittels Anlegen einer hochfrequenten Spannung, insbesondere einer hochfrequenten Wechselspannung, an die in Reihe angeordneten Elektroden jeweils eine Bogenentladung in dem Arbeitsgas zwischen den mindestens zwei Elektroden jedes Gehäuses erzeugt wird, und bei dem das Arbeitsgas durch die Bogenentladungen zumindest teilweise zu einem Plasma angeregt wird.The technical problem is also solved by a method for generating a plurality of plasma jets, in which the plurality of housings of the devices for generating a plasma jet of a working gas from the respective gas inlet to the respective gas outlet, in particular substantially vortex-free flows through, in which by means of application a high-frequency voltage, in particular a high-frequency AC voltage, to the electrodes arranged in series, an arc discharge in the working gas between the at least two electrodes of each housing is generated, and wherein the working gas is at least partially excited by the arc discharges to a plasma.

In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens werden die mehreren Bogenentladungen durch den Fluss des Arbeitsgases, insbesondere zumindest teilweise gleitend an den inneren Seitenwänden der mehreren Gehäuse, in Richtung auf den Bereich der jeweiligen Gasauslässe verformt.In an alternative embodiment of the method, the plurality of arc discharges are deformed by the flow of the working gas, in particular at least partially slidingly on the inner side walls of the plurality of housings, toward the region of the respective gas outlets.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird dem Arbeitsgas und/oder den Plasmastrahlen mittels mindestens einer Zuführungsvorrichtung mindestens ein Material, insbesondere ein Beschichtungsmaterial oder Precursormaterial, zugeführt.In a preferred embodiment of the method, at least one material, in particular a coating material or precursor material, is supplied to the working gas and / or the plasma jets by means of at least one feed device.

Ein Plasmastrahl, der durch die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren erzeugt wurde, kann beispielsweise bei der Entschichtung von Oberflächen eines Werkstücks verwendet werden. Beispielsweise kann mit einem solchen Plasmastrahl eine Schicht aus organischem Material, beispielsweise eine Lackschicht, von einer Oberfläche eines Werkstücks entfernt werden. Dabei wird der organische Stoff, vorzugsweise bei niedrigen Temperaturen, pyrolysiert und/oder sublimiert. Es ist aber auch möglich, anorganische Schichten mit einem solchen Plasmastrahl zu entfernen.For example, a plasma jet produced by the above-described apparatuses and methods can be used in the stripping of surfaces of a workpiece. For example, with such a plasma jet, a layer of organic material, for example a lacquer layer, can be removed from a surface of a workpiece. In this case, the organic material, preferably at low temperatures, pyrolyzed and / or sublimated. But it is also possible to remove inorganic layers with such a plasma jet.

Weiterhin kann ein Plasmastrahl, der durch die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren erzeugt wurde, auch zur Vorbehandlung der Oberflächen von Werkstücken verwendet werden. Beispielsweise können die Klebeeigenschaften und/oder die Benetzbarkeit der Oberfläche eines Werkstücks verbessert werden, insbesondere kann die Oberfläche aktiviert werden. Die Vorbehandlung mit solch einem Plasmastrahl kann auch verwendet werden, um die Verschweißbarkeit eines Werkstücks, insbesondere eines mit einer Oxidschicht/Hydroxidschicht versehenen Metallstücks oder Metalllegierungsstücks, zu verbessern.Furthermore, a plasma jet produced by the above-described apparatuses and methods can also be used to pretreat the surfaces of workpieces. For example, the adhesive properties and / or the wettability of the surface of a workpiece can be improved, in particular the surface can be activated. The pretreatment with such a plasma jet may also be used to improve the weldability of a workpiece, particularly an oxide / hydroxide layered metal piece or piece of metal alloy.

Eine weitere mögliche Anwendung eines mit den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren erzeugten Plasmastrahls ist die Reinigung, Desinfizierung oder auch Sterilisation von Oberflächen. Durch die Anwendung eines solchen Plasmastrahls wird ein reaktives Medium mit der Oberfläche in Berührung gebracht. Das Plasma als reaktives Medium weist eine hohe Reaktivität aufgrund hoher Elektronenanregung auf, kann aber trotzdem auch eine nichtthermische Eigenschaft haben. Die hohe Reaktivität kann beispielsweise zur Reinigung oder auch zur Entkeimung der Oberfläche genutzt werden. Bei der Behandlung mit einem Plasmastrahl werden die auf der zu bearbeitenden Oberfläche vorhandenen Keime auf Grund der Elektronenreaktivität zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend, abgetötet. Bei einer nicht-thermischen Eigenschaft des Plasmas wird dabei gleichzeitig die thermische Beanspruchung der Oberfläche gering gehalten. Somit eröffnen sich Anwendungen für den Plasmastrahl beispielsweise im medizinischen oder lebensmitteltechnischen Bereich.Another possible application of a plasma jet generated by the devices and methods described above is the cleaning, disinfection or even sterilization of surfaces. The application of such a plasma jet is a reactive medium with the Surface brought into contact. The plasma as a reactive medium has a high reactivity due to high electron excitation, but may nevertheless have a non-thermal property. The high reactivity can be used, for example, for cleaning or for disinfecting the surface. In the treatment with a plasma jet, the germs present on the surface to be processed are at least partially, preferably predominantly, killed due to the electron reactivity. At a non-thermal property of the plasma while the thermal stress of the surface is kept low. This opens up applications for the plasma jet, for example in the medical or food technology sector.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1
ein erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls im Seitenquerschnitt,
Fig. 2a-d
vier beispielhafte Ansichten des Strömungsquerschnitts einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls,
Fig. 3
ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls mit einer Zuführungsvorrichtung im Seitenquerschnitt,
Fig. 4
ein drittes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls mit einer Zuführungsvorrichtung im Seitenquerschnitt, und
Fig. 5
ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Erzeugung mehrerer Plasmastrahlen mit vier in Reihe angeordneten Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls im Seitenquerschnitt.
Further features and advantages of the present invention will become apparent in the description of embodiments, reference being made to the accompanying drawings. In the drawings show:
Fig. 1
A first embodiment of the device for generating a plasma jet in the lateral cross-section,
Fig. 2a-d
four exemplary views of the flow cross section of a device for generating a plasma jet,
Fig. 3
A second embodiment of the device for generating a plasma jet with a supply device in the side cross-section,
Fig. 4
a third embodiment of the apparatus for generating a plasma jet with a feeding device in the side cross-section, and
Fig. 5
An embodiment of an apparatus for generating a plurality of plasma jets with four arranged in series devices for generating a plasma jet in the lateral cross section.

Fig. 1 zeigt den Seitenquerschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls. Die Vorrichtung umfasst ein im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Gehäuse 2, das aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet ist. An diesem Gehäuse 2 sind ein Gaseinlass 6 und ein Gasauslass 8 angeordnet. Der Gaseinlass 6 ist in diesem Beispiel mehrstückig mit dem Gehäuse 2 ausgebildet, und weist beispielsweise eine Ringscheibe aus Keramik auf, die bündig an der inneren Seitenwand des Gehäuses 2 angeordnet ist, und deren innere Ringöffnung so bemessen ist, dass sie den Strömungsquerschnitt des Gaseinlasses 6 im Vergleich zum Strömungsquerschnitt des Gehäuses 2 verengt. Der Gasauslass 8 ist in diesem Beispiel einstückig mit dem Gehäuse 2 durch eine mittige kreisrunde Bohrung in der dem Gaseinlass 6 abgewandten Stirnseite des Gehäuses 2 ausgebildet. Die Bohrung kann beispielsweise einen Durchmesser von 2,5 mm bis 4 mm aufweisen. In dem Bereich der Seitenwand des Gehäuses 2 zwischen dem Gaseinlass 6 und dem Gasauslass 8 sind zwei Elektroden 4 diametral voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert. Die Elektroden bestehen dabei bevorzugt aus einer Kupferlegierung. Die dem Innenraum 22 des Gehäuses 2 zugewandten Oberflächen der beiden Elektroden 4 sind dabei fluchtend mit der umgebenden inneren Seitenwand des Gehäuses 2 angeordnet, so dass sich an der inneren Seitenwand des Gehäuses 2 eine im Wesentlichen plane Oberfläche ausbildet. Die beiden Elektroden 4 sind mit einer Spannungsversorgung 12 elektrisch verbunden, mit der eine hochfrequente Spannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung, erzeugt werden kann. Der Strömungsquerschnitt des Gehäuses 2 verjüngt sich von dem Bereich, in dem die beiden Elektroden 4 angeordnet sind, bis zu dem Bereich des Gasauslasses 8 dadurch, dass die Seitenwand des Gehäuses 2 in diesem Abschnitt gebogen ausgebildet ist. Fig. 1 shows the side cross-section of a first embodiment of the inventive device for generating a plasma jet. The device comprises a substantially hollow cylindrical housing 2, which is formed of a ceramic material. On this housing 2, a gas inlet 6 and a gas outlet 8 are arranged. The gas inlet 6 is formed in this example in multiple pieces with the housing 2, and has, for example, an annular disc made of ceramic, which is arranged flush with the inner side wall of the housing 2, and the inner annular opening is dimensioned so that it the flow cross-section of the gas inlet. 6 narrows in comparison to the flow cross-section of the housing 2. The gas outlet 8 is formed in this example in one piece with the housing 2 through a central circular bore in the end facing away from the gas inlet 6 of the housing 2. The bore may for example have a diameter of 2.5 mm to 4 mm. In the region of the side wall of the housing 2 between the gas inlet 6 and the gas outlet 8, two electrodes 4 are integrated diametrically spaced apart in the side wall of the housing 2. The electrodes preferably consist of a copper alloy. The interior 22 of the housing 2 facing surfaces of the two electrodes 4 are arranged in alignment with the surrounding inner side wall of the housing 2, so that on the inner side wall of the housing 2 forms a substantially planar surface. The two electrodes 4 are electrically connected to a power supply 12, with which a high-frequency voltage, in particular a high-frequency alternating voltage, can be generated. The flow cross-section of the housing 2 tapers from the region in which the two electrodes 4 are arranged to the region of the gas outlet 8 in that the side wall of the housing 2 is bent in this section.

Im Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls gemäß der Fig. 1 wird ein Arbeitsgas 10, beispielsweise Luft, durch den Gaseinlass 6 in das Gehäuse 2 eingeleitet, durchströmt das Gehäuse 2 weitgehend parallel zur Achse des Hohlzylinders und tritt dann fokussiert durch den Gasauslass 8 aus dem Gehäuse 2 heraus. Zwischen den beiden Elektroden 4 wird mittels der Spannungsversorgung 12 eine hochfrequente elektrische Spannung angelegt, wobei die Frequenz insbesondere etwa Werte in der Größenordnung von 1 kHz bis 100 kHz umfasst, während die Spannungswerte, gemessen Spitze-zu-Spitze, größenordnungsmäßig etwa 0,5 kV bis 30 kV betragen. Die Spannung sorgt dafür, dass sich ein Lichtbogen 16 in dem Arbeitsgas 10 zwischen den Elektroden 4 ausbildet, entlang dessen das Arbeitsgas 10 zumindest teilweise ionisiert und somit zu einem Plasma 14 angeregt wird. Durch den Fluss des Arbeitsgases 10 durch das Gehäuse 2 wird der ionisierte Teil des Arbeitsgases 10, der in dem Arbeitsgas 10 den geringsten elektrischen Widerstand aufweist, in Richtung auf den Gasauslass 8 verformt, so dass sich ein entsprechend verformter Lichtbogen 16 ausbildet. Da der Fluss des Arbeitsgases 10 durch das Gehäuse 2 nicht ideal homogen verteilt ist, ist es möglich, dass sich neben einem Hauptlichtbogen auch mehrere kleinere Lichtbögen ausbilden, entlang derer zumindest kleinere Teilentladungen verlaufen. Diese kleineren Lichtbögen werden in der Fig. 1 durch zwei dem Hauptlichtbogen benachbarte schmalere Lichtbögen dargestellt. Das entlang des Lichtbogens 16 gebildete Plasma 14 wird dann durch den Fluss des Arbeitsgases 10 strahlförmig, also als gerichteter und gebündelter Plasmastrahl, aus dem Gasauslass 8 herausgeführt. Wie sich aus dieser Darstellung ergibt, findet also eine Trennung vom stromführenden Lichtbogen und vom potentialfreien Plasmastrahl statt. Somit kann bei einer Oberflächenbehandlung eine direkte Beaufschlagung der Oberfläche durch den Lichtbogen vermieden werden.In operation of the device for generating a plasma jet according to the Fig. 1 If a working gas 10, for example air, is introduced into the housing 2 through the gas inlet 6, the housing 2 flows largely parallel to the axis of the hollow cylinder and then exits the housing 2 in a focused manner through the gas outlet 8. A high-frequency electrical voltage is applied between the two electrodes 4 by means of the voltage supply 12, the frequency in particular comprising approximately values of the order of 1 kHz to 100 kHz, while the voltage values measured by the peak-to-peak are of the order of magnitude of approximately 0.5 kV to 30 kV. The voltage ensures that an arc 16 is formed in the working gas 10 between the electrodes 4, along which the working gas 10 is at least partially ionized and thus excited to a plasma 14. As a result of the flow of the working gas 10 through the housing 2, the ionized part of the working gas 10, which has the lowest electrical resistance in the working gas 10, is deformed in the direction of the gas outlet 8, so that a correspondingly shaped arc 16 is formed. Since the flow of the working gas 10 through the housing 2 is not ideally homogeneously distributed, it is possible that in addition to a Main arc also form several smaller arcs, along which run at least smaller partial discharges. These smaller arcs will be in the Fig. 1 represented by two smaller arcs adjacent to the main arc. The plasma 14 formed along the arc 16 is then guided out of the gas outlet 8 by the flow of the working gas 10 in the form of a jet, that is to say as a directed and focused plasma jet. As can be seen from this illustration, therefore, a separation of the current-carrying arc and the potential-free plasma jet takes place. Thus, in a surface treatment direct exposure of the surface can be avoided by the arc.

Fig. 2a zeigt einen Strömungsquerschnitt des im Wesentlichen hohlzylinderförmigen Gehäuses 2 im Bereich, in dem die beiden Elektroden 4 in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert sind. Die Elektroden 4 sind diametral voneinander beabstandet in der Seitenwand des Gehäuses 2 angeordnet. Es ist dabei besonders bevorzugt, dass die Ausdehnung der Elektroden 4 entlang des Umfangs des Gehäuses 2, hier entlang eines Kreisumfangs, klein ist gegen den Umfang selbst. Auf diese Weise lässt sich die Grundfläche des Lichtbogens 16 an den Elektroden 4 gering halten. Fig. 2a shows a flow cross section of the substantially hollow cylindrical housing 2 in the region in which the two electrodes 4 are integrated in the side wall of the housing 2. The electrodes 4 are arranged diametrically spaced apart in the side wall of the housing 2. It is particularly preferred that the extent of the electrodes 4 along the circumference of the housing 2, here along a circumference, is small against the circumference itself. In this way, the base area of the arc 16 at the electrodes 4 can be kept small.

Fig. 2b zeigt einen Strömungsquerschnitt eines Gehäuses 2 im Bereich der Elektroden 4, wobei das Gehäuse 2 in diesem Beispiel im Wesentlichen hohlquaderförmig ausgebildet ist. Fig. 2b shows a flow cross section of a housing 2 in the region of the electrodes 4, wherein the housing 2 is formed in this example substantially hollow cuboid.

Fig. 2c zeigt einen Strömungsquerschnitt eines hohlzylinderförmigen Gehäuses 2 im Bereich der Elektroden 4, bei dem insgesamt vier Elektroden in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert sind. Zwei diametral voneinander beabstandete Elektroden 4a,b bilden jeweils ein Elektrodenpaar. Die Elektrodenpaare sind dabei so angeordnet, dass eine erste Verbindungslinie 18a zwischen dem ersten Elektrodenpaar senkrecht zu einer zweiten Verbindungslinie 18b zwischen dem zweiten Elektrodenpaar verläuft. Weiterhin sind an der Vorrichtung zwei unabhängige, insbesondere gleichgetaktete, Spannungsversorgungen 12a-b vorgesehen, die mit je einem Elektrodenpaar elektrisch verbunden sind. Fig. 2c shows a flow cross-section of a hollow cylindrical housing 2 in the region of the electrodes 4, in which a total of four electrodes in the side wall of the housing 2 are integrated. Two diametrically opposed spaced electrodes 4a, b each form a pair of electrodes. The pairs of electrodes are arranged such that a first connecting line 18a extends between the first pair of electrodes perpendicular to a second connecting line 18b between the second pair of electrodes. Furthermore, two independent, in particular equal-clocked, voltage supplies 12a-b are provided on the device, which are electrically connected to one pair of electrodes each.

Fig. 2d zeigt eine der Fig. 2c vergleichbare Anordnung mit einem im Wesentlichen hohlquaderförmigen Gehäuse 2. Die Elektroden 4 sind dabei mittig an den einander gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuses 2 angeordnet. Diese mittige Anordnung ist jedoch als beispielhaft zu verstehen. Fig. 2d shows one of the Fig. 2c comparable arrangement with a substantially hollow cuboid housing 2. The electrodes 4 are arranged centrally on the opposite side walls of the housing 2. However, this central arrangement is to be understood as an example.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls ähnlich dem aus Fig. 1. Der Unterschied besteht darin, dass die Vorrichtung mit einer Zuführungsvorrichtung 20 versehen ist, mit der ein Material dem Arbeitsgas 10 und/oder dem Plasmastrahl 14 zugeführt werden kann. In diesem Beispiel umfasst die Zuführungsvorrichtung 20 ein gewinkeltes Rohr, dessen eines abgewinkeltes Rohrende koaxial in der Strömungsrichtung des Arbeitsgases 10 in das Gehäuse 2 hineinragt. Fig. 3 shows an embodiment of the apparatus for generating a plasma jet similar to that Fig. 1 , The difference is that the device is provided with a supply device 20, with which a material can be supplied to the working gas 10 and / or the plasma jet 14. In this example, the feeding device 20 comprises an angled pipe, one of whose angled pipe end protrudes coaxially in the flow direction of the working gas 10 into the housing 2.

Mittels dieses gewinkelten Rohres lässt sich beispielsweise ein Material im gasförmigen Zustand dem Arbeitsgas 10 und/oder dem Plasmastrahl 14 zuführen. In diesem Beispiel ist das gewinkelte Rohr an dem dem Gehäuse 2 abgewandten Rohrende beispielsweise mit einem nicht dargestellten Druckregler und einer das gewünschte Material im gasförmigen Zustand enthaltenden, nicht dargestellten Druckgasflasche verbunden.By means of this angled pipe, for example, a material in the gaseous state can be supplied to the working gas 10 and / or the plasma jet 14. In this example, the angled pipe on the pipe end facing away from the housing 2, for example, with a pressure regulator, not shown, and a desired material in the gaseous state containing, not shown compressed gas cylinder connected.

Es ist auch möglich, mittels des gewinkelten Rohres ein Material im flüssigen Zustand zuzuführen. In diesem Beispiel ist das dem Gehäuse 2 abgewandte Rohrende beispielsweise mit einer nicht dargestellten Pumpe und einem das gewünschte Material im flüssigen Zustand enthaltenden, nicht dargestellten Vorratsbehälter verbunden. Mit der Pumpe kann dann das Material dem Arbeitsgas 10 oder dem Plasmastrahl 14 zugeführt werden. Weiterhin weist in diesem Fall das gewinkelte Rohr an seinem in dem Gehäuse 2 angeordneten abgewinkelten Rohrende vorzugsweise eine nicht dargestellte Zerstäubungsvorrichtung auf, beispielsweise ein engmaschiges Gitter, damit das Material im flüssigen Zustand bei der Zuführung in das Arbeitsgas 10 oder den Plasmastrahl 14 zerstäubt werden kann.It is also possible to supply a material in the liquid state by means of the angled tube. In this example, the pipe end facing away from the housing 2, for example, connected to a pump, not shown, and a reservoir containing the desired material in the liquid state, not shown. With the pump then the material can be supplied to the working gas 10 or the plasma jet 14. Furthermore, in this case, the angled tube preferably has a sputtering device (not shown) on its angled pipe end arranged in the housing 2, for example a close-meshed grating so that the material can be atomized in the liquid state when it is fed into the working gas 10 or the plasma jet 14.

In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel wird das Material in dem Gehäuse 2 in dem Bereich unmittelbar vor dem Gasauslass 8 zugeführt. Es ist jedoch auch möglich, die Zuführungsvorrichtung 20 im Bereich des Gaseinlasses 6 anzuordnen. Weiterhin ist es möglich, die Zuführungsvorrichtung 20 ganz außerhalb des Gehäuses 2 in dem Bereich, in dem der Plasmastrahl 14 austritt, anzuordnen.In the in Fig. 3 As shown, the material in the housing 2 is supplied in the area immediately before the gas outlet 8. However, it is also possible to arrange the feeding device 20 in the region of the gas inlet 6. Furthermore, it is possible to arrange the feeding device 20 entirely outside the housing 2 in the region in which the plasma jet 14 emerges.

Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmastrahls mit einer Zuführungsvorrichtung 20 ähnlich der aus Fig. 3. Der Unterschied besteht in der Ausgestaltung der Zuführungsvorrichtung 20. In diesem Beispiel umfasst die Zuführungsvorrichtung 20 ein Kapillarsystem, beispielsweise einen Docht, das mit seinem einen Ende mit einem Vorratsbehälter 24 verbunden ist. Der Vorratsbehälter 24 enthält ein Material im flüssigen Zustand, das dem Arbeitsgas 10 und/oder dem Plasmastrahl 14 zugeführt werden soll. Das dem Vorratsbehälter 24 abgewandte Ende des Kapillarsystems ist in einer Öffnung in der Seitenwand des Gehäuses 2 integriert und ragt zumindest teilweise in den Innenraum 22 des Gehäuses 2 hinein. Mit dieser Zuführungsvorrichtung 20 ist es möglich, ein Material im flüssigen Zustand vom Vorratsbehälter 24 über das Kapillarsystem mit Hilfe der Kapillarkräfte dem dem Vorratsbehälter 24 abgewandten Ende des Kapillarsystems zuzuführen, wo es dann in den Innenraum 22 des Gehäuses 2 hinein verdunsten kann. Fig. 4 shows a device for generating a plasma jet with a delivery device 20 similar to the Fig. 3 , The difference is in the design of the delivery device 20. In this example, the delivery device 20 comprises a capillary system, for example a wick, which is connected to its one end is connected to a reservoir 24. The reservoir 24 contains a material in the liquid state, which is to be supplied to the working gas 10 and / or the plasma jet 14. The end of the capillary system facing away from the reservoir 24 is integrated in an opening in the side wall of the housing 2 and protrudes at least partially into the interior 22 of the housing 2. With this supply device 20, it is possible to supply a material in the liquid state from the reservoir 24 via the capillary with the help of capillary forces the end of the reservoir 24 remote from the capillary system, where it can then evaporate into the interior 22 of the housing 2 inside.

Auch hier ist die Zuführungsvorrichtung 20 so angeordnet, dass das Material im flüssigen Zustand im Bereich des Gasauslasses 8 dem Arbeitsgas 10 und/oder dem Plasmastrahl 14 zugeführt wird. Auch hier gilt, dass die Zuführungsvorrichtung 20 in anderen Bereichen innerhalb oder auch außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet werden kann.Again, the supply device 20 is arranged so that the material in the liquid state in the region of the gas outlet 8 to the working gas 10 and / or the plasma jet 14 is supplied. Again, that the delivery device 20 can be arranged in other areas within or outside of the housing 2.

Fig. 5 zeigt vier in Fig. 1 beschriebene, in Reihe angeordnete Vorrichtungen zur Erzeugung eines Plasmastrahls. Die vier Gehäuse 2a-d sind dabei so angeordnet, dass die jeweiligen Gasauslässe 8a-d in einer Ebene und die jeweiligen Elektroden 4a-d auf einer Geraden liegen. Die in unterschiedlichen Gehäusen 2a-d integrierten, einander zugewandten Elektroden 4a-4b, 4b-4c und 4c-4d bilden drei Elektrodenpaare und sind unmittelbar benachbart. Die der Umgebung der Vorrichtung zugewandten beiden Elektroden 4a und 4d sind elektrisch mit einer Spannungsversorgung 12 verbunden. Darüber hinaus sind die einander zugewandten Elektrodenpaare elektrisch miteinander verbunden, so dass eine Reihenschaltung der vier Vorrichtungen bewirkt wird. Durch Anlegen einer Spannung an die beiden äußeren Elektroden 4a und 4d werden Bogenentladungen 16a-d in jedem Gehäuse 2a-d erzeugt. Durch den Spannungsabfall zwischen den in einem Gehäuse 2 integrierten Elektroden 4 muss die Spannungsamplitude in diesem Beispiel im Wesentlichen viermal so groß gewählt werden wie bei einem einzelnen beispielsweise in Fig. 1 beschriebenen Gehäuse 2, um die Entladungsbedingung in jedem Gehäuse 2a-d zu erfüllen. Die die Gaseinlässe 6a-d aufweisenden Enden der Gehäuse 2a-d sind mit einem Gaskanal 26 verbunden, der zu den Gaseinlässen 6a-d korrespondierende Öffnungen aufweist. Über diesen Gaskanal 26 wird den in Reihe angeordneten Vorrichtungen ein Arbeitsgas 10a-d zugeführt. Fig. 5 shows four in Fig. 1 described, arranged in series devices for generating a plasma jet. The four housings 2a-d are arranged so that the respective gas outlets 8a-d lie in a plane and the respective electrodes 4a-d lie on a straight line. The electrodes 4a-4b, 4b-4c and 4c-4d integrated in different housings 2a-d form three electrode pairs and are immediately adjacent. The surroundings of the device facing two electrodes 4a and 4d are electrically connected to a power supply 12. In addition, the mutually facing electrode pairs are electrically connected to each other, so that a series circuit of the four Devices is effected. By applying a voltage to the two outer electrodes 4a and 4d, arc discharges 16a-d are generated in each case 2a-d. Due to the voltage drop between the electrodes 4 integrated in a housing 2, the voltage amplitude in this example must be selected to be substantially four times as large as in the case of a single example in FIG Fig. 1 described housing 2 to meet the discharge condition in each housing 2a-d. The gas inlets 6a-d having ends of the housing 2a-d are connected to a gas channel 26 having the gas inlets 6a-d corresponding openings. Via this gas channel 26, a working gas 10a-d is supplied to the devices arranged in series.

Es ist auch bei einer Reihenanordnung der Vorrichtungen möglich, diese mit mindestens einer aus der vorstehenden Beschreibung hervorgehenden Zuführungsvorrichtung 20 zu versehen. Insbesondere können mehrere Zuführungsvorrichtungen 20 zur Zuführung unterschiedlicher Materialien in das Arbeitsgas 10a-d oder den Plasmastrahl 14a-d verwendet werden.It is also possible in a series arrangement of the devices to provide them with at least one of the above description resulting feeding device 20. In particular, multiple feeders 20 may be used to supply different materials to the working gas 10a-d or the plasma jet 14a-d.

Claims (15)

  1. Device for generating a directed and focussed plasma beam,
    - with a housing (2), and
    - with at least two electrodes (4) and
    - with at least one voltage supply (12),
    - wherein the voltage supply (12) is connected to the at least two electrodes (4),
    - wherein the housing (2) has a gas inlet (6) and a gas outlet (8),
    - wherein the at least one voltage supply (12) can be used to generate a high-frequency voltage, in particular a high-frequency alternating voltage, for generating an arc discharge between the electrodes (4), and
    - wherein the flow cross-section of the gas outlet (8) is smaller than the flow cross-section of the housing (2),
    characterized in that
    - the at least two electrodes (4) are spaced apart from each other in a direction transverse to the flow direction of a working gas (10) and integrated into the side wall of the housing (2).
  2. The device according to claim 1,
    characterized in that
    the surfaces of the at least two electrodes (4) facing towards the interior (22) of the housing (2) are aligned flush with the surface of the side wall of the housing (2) facing towards the interior (22) of the housing (2).
  3. The device according to claim 1 or 2,
    characterized in that
    the flow cross-section of the gas inlet (6) is smaller than the flow cross-section of the housing (2).
  4. The device according to any one of claims 1 to 3,
    characterized in that
    the gas outlet (8) is slot-shaped and that the longitudinal axis of the slot extends parallel to the connecting line between the at least two electrodes (4).
  5. The device according to any one of claims 1 to 4,
    characterized in that
    the at least two electrodes (4) are rod-shaped, wherein the longitudinal axes of the electrodes (4) extend in the side wall parallel to the flow direction of the working gas (10).
  6. The device according to any one of claims 1 to 5,
    characterized in that
    at least one supply device (20) is provided, with which at least one material, in particular a coating material or precursor material, can be supplied to the working gas (10) and/or the plasma beam (14).
  7. The device according to any one of claims 1 to 6,
    characterized in that
    four electrodes (4) are integrated into the side wall of the housing (2), that the four electrodes (4) form two electrode pairs, so that a first connecting line (18a), between the first pair of electrodes intersects with a second connecting line (18b) between the second pair of electrodes, preferably at a right angle, and that the device comprises two independent, in particular synchronized, voltage supplies (12), wherein each voltage supply (12) is connected in each case to one pair of electrodes.
  8. The device according to claim 7,
    characterized in that
    the four electrodes (4) are spaced apart from each other in a direction transverse to the flow direction of a working gas (10) and are integrated into the side wall of the housing (2).
  9. Device for generating multiple plasma beams,
    - with a plurality of devices according to any one of claims 1 to 8 arranged in series,
    characterized in that
    - the plurality of devices arranged in series are electrically connected in series to at least one voltage supply (12).
  10. A method for generating a plasma beam using a device according to one of claims 1 to 8,
    - in which a working gas (10) flows through a housing (2) from a gas inlet (6) to a gas outlet (8),
    - in which by applying a high-frequency voltage to at least two electrodes (4) being integrated into the side wall of the housing (2) an arc discharge (16) is generated in the working gas (10) between the at least two electrodes (4),
    - in which the working gas (10) is excited by the arc discharge (16) at least partially to form a plasma beam (14) and
    - in which the arc discharge (16) is deformed by the flow of the working gas (10) in the direction of the area of the gas outlet (8).
  11. The method according to claim 10,
    in which the working gas (10) flows through the housing (2) from a gas inlet (6) to a gas outlet (8) in a substantially non-vortical manner.
  12. The method according to claim 10 or 11,
    in which at least one material, in particular a coating material or precursor material, is supplied to the working gas (10) and/or the plasma beam (14) by means of at least one supply device (20).
  13. The method according to any one of claims 10 to 12,
    in which two independent, in particular synchronized, high-frequency voltages are applied to two electrode pairs being integrated into the side wall of the housing (2).
  14. The method according to claim 13,
    in which a phase difference, in particular substantially of 90°, is provided between the two high-frequency voltages.
  15. Method for generating a plurality of plasma beams by means of a device according to claim 9,
    - in which a working gas (10a-d) flows through the plurality of housings (2a-d) from the respective gas inlet (6a-d) to the respective gas outlet (8a-d),
    - in which by application of a high-frequency voltage to the electrodes (4a-d) arranged in series, an arc discharge (16a-d) is generated in the respective working gas (10a-d) between the at least two electrodes (4a-d) of each housing (2a-d), and
    - in which the working gas (10a-d) is excited by the arc discharges (16a-d) at least partially to form plasma beams (14a-d).
EP07847465.7A 2006-12-20 2007-11-28 Device and method for generating a plasma beam Active EP2130414B1 (en)

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