EP2143307B1 - Plasmaduse - Google Patents

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EP2143307B1
EP2143307B1 EP08716278A EP08716278A EP2143307B1 EP 2143307 B1 EP2143307 B1 EP 2143307B1 EP 08716278 A EP08716278 A EP 08716278A EP 08716278 A EP08716278 A EP 08716278A EP 2143307 B1 EP2143307 B1 EP 2143307B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
plasma
channels
process gas
electrode unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP08716278A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2143307A1 (de
Inventor
Martin Willimzik
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Abc-Coron Electronic Entwicklungs-Und Konstruktion
Original Assignee
ABC-coron Electronic Entwicklungs-und Konstruktionsgesellschaft mbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABC-coron Electronic Entwicklungs-und Konstruktionsgesellschaft mbH filed Critical ABC-coron Electronic Entwicklungs-und Konstruktionsgesellschaft mbH
Publication of EP2143307A1 publication Critical patent/EP2143307A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2143307B1 publication Critical patent/EP2143307B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

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

Definitions

  • the invention relates to a plasma nozzle according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to a method for the treatment of surfaces on workpieces according to the preamble of claim 12.
  • plasma activated surface have a higher wettability with polar liquids (see also EP 0497996 B1 ). This is particularly desirable in the case of polymeric surfaces when the adhesion or application of a liquid such as a printing ink is to be improved. It is also known that textile surfaces show particularly advantageous properties in terms of durability and entanglement through appropriate treatment of the surface. For temperature-sensitive surfaces such as polymeric or textile surfaces, however, the high temperature in the plasma leads to a destruction of the surface. This circumstance will after the The prior art is achieved in that not the surface is swept directly with the plasma, but an additional process gas is passed through the arc. This results in a partially ionized reactive gas with a lower temperature than in the arc plasma from the process gas.
  • an arc that extends between a pin electrode and a ring electrode, as in the document EP 0761415 B1 is not stable, but splits at the nozzle opening and can be pressed by the pressure of the effluent working gas from the nozzle outlet on the surface to be treated. This is particularly disadvantageous because the high temperature of the arc plasma can cause damage to the surface to be treated.
  • the object is achieved by a plasma nozzle having the features of claim 1 and a method according to the features of claim 10. Further developments of the plasma nozzle according to the invention can be found in the corresponding subclaims.
  • the plasma nozzle according to the invention serves to specifically change surfaces with regard to the surface energy.
  • at least one further separate nozzle channel is provided to increase the plasma flow instead of a simple enlargement or enlargement of the one nozzle channel, which open into a common nozzle outlet opening of the nozzle tip.
  • the plasma current is multiplied as a function of the nozzle channels assigned to the electrodes.
  • two nozzle channels are provided, whereby the plasma flow is doubled. The from the nozzle channels emerging plasma streams are then combined in the outlet of the nozzle into a single plasma stream.
  • the discharge channel of the arc extends in the nozzle according to the invention in normal operation through the nozzle channels, without the arc jumps to the wall of the nozzle channels, whereby at the same time the service life of the plasma nozzle is increased, since the deposition of Abbrandspuren is avoided in the interior of the nozzle channels. Measurements have now shown that the arc runs between the tips of the pin electrodes and along the nozzle channels.
  • the process gas stream is passed through the preferably two nozzle channels and combined by the special nozzle geometry at the junction of the nozzle channels.
  • This arrangement is particularly advantageous since, in contrast to a simply widened nozzle diameter, a larger volume of process gas interacts with the plasma in the arc and the reactive process gas, but not the arc, exits at the nozzle end.
  • the initial plasma is generated in an arc.
  • the ignition of the arc can be carried out advantageously by a high-frequency AC voltage.
  • typical ignition voltages are, for example, between 3 kV and 25 kV.
  • the voltage required to maintain the arc drops, depending on the nozzle geometry, to a value of about 500 V to 5 KV.
  • Typical frequencies for the AC voltage are between 15 kHz and 50 kHz. Higher frequencies are only conditionally suitable here, as it can then lead to a disruption of the technical environment in terms of radio technology and thus an increased shielding effort is necessary.
  • a nozzle attachment has a through hole and at least one wall of the passage opening is made of an electrically non-conductive material. This also prevents skipping of the arc on the nozzle outlet in any case. It is thus ensured that the arc at no time comes into contact with the surface to be treated.
  • the nozzles are part of a single closed circuit connected in series.
  • the ignition takes place synchronously in all plasma jets.
  • the supply of the arrangement can be made of a single transformer, since the collapse of the output voltage after the ignition of the arcs can not influence the ignition process.
  • FIG. 1 a plasma nozzle according to the invention is shown in detail.
  • the nozzle consists of a housing 1, in which an insulation block 2 and two electrode units 3,3 'are arranged.
  • the electrode units 3, 3 ' serve, on the one hand, to introduce electrical energy for the plasma generation and, on the other hand, to supply the process gas required for plasma generation.
  • a connecting pin 4 is provided in each case, which is screwed to a pin electrode 5.
  • the terminal pin 4 and the pin electrode 5 are each in a sleeve. 6 bordered, which has 4 gas inlet holes 7 on the side of the connecting pin.
  • the sleeves 6 are closed by flow guide 8 for generating a turbulent flow.
  • the electrode units are inserted into receiving bores 9 of the insulation block 2, wherein in each case at the foot of the mounting holes 9, a pressure chamber 10 is formed, in which the process gas flows through supply channels 11.
  • the pin electrodes 5 additionally have a central channel 12, through which process gas can escape from the center of the curved end face 13 of the pin electrodes 5.
  • a nozzle tip 14 which has nozzle channels 15 which are aligned with the receiving bores 9 of the insulation block 2, is arranged on the insulation block 2.
  • the nozzle channels have a conical shape and open into a common outlet opening 16.
  • the flow channels formed by the receiving bores 9 and the nozzle channels 15 converge at an acute angle to each other, so that only a narrow web of conductive material remains between the nozzle channels 15.
  • process gas is introduced via the supply channels 11 in the pressure chambers 10 and passes from there through the gas inlet holes 7 in the sleeves 6. From the sleeves 6, a portion of the process gas flows through the center channels 12 of the pin electrodes 5. The majority of the process gas passes through the Flow guide 8 in the nozzle channels 15 and is thereby placed in a turbulent flow.
  • the process gas streams are accelerated by the conical shape of the nozzle channels 15 and unite in the outlet opening 16 of a nozzle attachment 17.
  • the direction of rotation of the flows in the nozzle channels 15 can be selected in the same direction or in opposite directions.
  • an alternating voltage is applied between the electrode units 3, 3 'via the connection pins 4.
  • an arc is ignited between closely adjacent edges of the pin electrodes 5, which connects the electrode units 3, 3 '.
  • the process gas is heated and ionized and exits as a reactive medium from the outlet opening 16.
  • the service life of the plasma nozzle according to the invention is significantly increased.
  • the service life is further increased by the fact that the emerging from the central channels 12 process gas reduces the deposition of Abbrandspuren on the pin electrodes 5.
  • FIG. 2 is an alternative embodiment of the plasma nozzle according to FIG. 1 shown.
  • the nozzle tip 14 is provided with a nozzle attachment 17.
  • the nozzle tip 14 ends with an outlet opening 16, which just connects the two nozzle channels 15 with each other, so that a common outlet opening 16 is given.
  • a nozzle attachment 17, which is detachably provided on the nozzle tip 14, is provided.
  • This nozzle attachment 17 may have different lengths of the through holes. A corresponding adjustment of the length can be selected as a function of the desired function with regard to the mixing and / or calming of the combined plasma streams through the individual nozzle channels 15.
  • the length of the nozzle attachment may be a function of the flow rate of the plasma gas to ensure that the arc does not exit from the nozzle attachment 17 in order to avoid damage to the surface to be treated or possible injuries.
  • the nozzle attachment 17 comprises at least one wall in a passage opening, which is formed of dielectric material.
  • the nozzle attachment 17 may have a circumferential bead, which is designed, for example, as guide skids or skids, in order optionally to guide a surface of the workpiece to be treated therealong or to guide it in a sliding manner along the surface to be treated.
  • the passage opening of the nozzle attachment 17 tapers conically in order to generate an acceleration of the plasma jet generated.
  • a widening the through-hole may be provided to achieve in other applications, a reduction of the flow velocity and a larger impact surface of the plasma.
  • a high-frequency alternating voltage is applied to the pin electrodes 3 and 3 'for the operation of the plasma nozzle via the connection pins 4, an arc is formed when the ignition voltage is reached.
  • the arc runs symmetrically from the tip of a pin electrode 3 through the corresponding nozzle channels 15 across the partition away through the other nozzle channel 15 to the second pin electrode 3 '.
  • the arc has its apex between the two pin electrodes 3,3 '.
  • the voltage required to maintain the arc drops to a value of, for example, 500 V to 5 kV.
  • the process gas flows through the nozzle channels 15 and interacts with the arc.
  • the process gas is at least partially ionized by the electrons and ions in the arc.
  • This ionized, reactive process gas - also called plasma stream - is combined in the outlet opening 16 and advantageously shaped by the geometry of the nozzle tip 14 and the nozzle attachment 17 according to the further application.
  • the plasma stream sweeps over this surface. This surface energy is increased at the swept areas such that polar liquids better wet these surfaces.
  • FIG. 3 an arrangement of plasma nozzles according to the invention is shown schematically.
  • the arrangement consists of four pairs of plasma nozzles 20, each consisting of an insulation block 21, a nozzle tip 22, two nozzle channels 23 and two electrodes 24.
  • the supply lines for the process gas are in this illustration of clarity omitted.
  • an insulation 25 made of a material with high dielectric strength is arranged in each case.
  • the interconnection of the electrodes 24 is designed so that all plasma nozzles 20 are connected in series.
  • the first electrode 24 of the first plasma nozzle is connected to a voltage source 26 in the form of a transformer
  • the second electrode 24 of the first plasma nozzle 20 is connected to the first electrode 24 of the second plasma nozzle 20, etc.
  • the second electrode 24 of the last plasma nozzle 20 is in turn connected to the voltage source 26, whereby the circuit is closed. If the voltage source 26 is activated, an arc is simultaneously ignited in all the plasma nozzles 20, only then does the voltage of the voltage source 26 break down due to the rapidly increasing current. By the series connection of the plasma nozzles 20, the adjacent nozzle tips 22 are at different potentials, therefore, the insulation 25 is required. For each pair of plasma jets 20, a switchable bridging contact 27 is provided. As a result, it is possible to deactivate individual pairs of plasma nozzles 20 of the arrangement in order, for example, to control the processing width of a plasma processing system or the exit pattern of the plasma streams.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Behandlung von Oberflächen an Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
  • Bekannt ist, dass Plasma aktivierte Oberfläche eine höhere Benetzbarkeit mit polaren Flüssigkeiten aufweisen (siehe auch EP 0497996 B1 ). Dies ist insbesondere bei polymeren Oberflächen wünschenswert, wenn die Adhäsion oder der Auftrag einer Flüssigkeit wie beispielweise einer Druckfarbe verbessert werden soll. Es ist auch bekannt, dass textile Oberflächen durch eine entsprechende Behandlung der Oberfläche besonders vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der Haltbarkeit und Verfilzung zeigen. Bei temperaturempfindlichen Oberflächen wie polymeren oder textilen Oberflächen führt allerdings die hohe Temperatur im Plasma zu einer Zerstörung der Oberfläche. Dieser Umstand wird nach dem Stand der Technik dadurch gelöst, dass nicht die Oberfläche direkt mit dem Plasma überstrichen wird, sondern ein zusätzliches Prozessgas durch den Lichtbogen geleitet wird. Dadurch entsteht aus dem Prozessgas ein teilionisiertes reaktives Gas mit geringerer Temperatur als in dem Lichtbogenplasma.
  • Eine entsprechende Anordnung ist in der Druckschrift EP 0497996 B1 dargestellt. Düsen, in denen ein Prozessgas mit einem Plasma in Kontakt kommt und dabei selbst zumindest teilionisiert wird, werden häufig auch als Plasmadüsen bezeichnet. Derartige Plasmadüsen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind seit langem bekannt. So zeigen z.B. die US 5008511A die DE 685455 , die DE 19532412 C2 , die EP 0761415 B1 und die EP 1335641 B1 entsprechende Düsen.
  • Aus der EP 0761415 B1 ist weiterhin eine Anordnung von mehreren entsprechenden Düsen nebeneinander bekannt. Mit einer entsprechenden Anordnung soll es ermöglicht werden, einen größeren Wirkbereich des aus der Düsenanordnung austretenden reaktiven Prozessgases zu erreichen. Die bekannten Plasmadüsen weisen dabei den Nachteil auf, dass ihre Leistung bezüglich des erreichbaren Plasmastroms, also dem aus der Düse austretenden reaktiven Prozessgasstroms, begrenzt ist. Dies liegt daran, dass die Energieübertragung von dem Lichtbogen im inneren des Düsenkanals auf den Prozessgasstrom auf den Kernbereich des Düsenkanals begrenzt ist. Eine Vergrößerung des Düsenkanals erlaubt zwar eine Erhöhung der Durchflussmenge des Prozessgases, jedoch strömt der Großteil des Prozessgases dann entlang der Wandung des Düsenkanals und kommt nur direkt am Auslass der Düse mit dem Lichtbogen in Kontakt, wo der Energieübertrag gering ist.
  • In der EP 761415 B1 ist vorgeschlagen eine Anordnung von Plasmadüsen vorzusehen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Obwohl bei einer entsprechenden Anordnung der Plasmastrom natürlich um die Anzahl der Düsen erhöht wird, weist diese Anordnung den gravierenden Nachteil auf, dass für jede einzelne Düse ein separater Hochspannungstransformator vorgesehen werden muss, wodurch der apparative Aufwand erheblich steigt. Die Notwendigkeit für separate Transformatoren liegt darin begründet, dass bei einer Parallelschaltung der Düsen die Zündung der Lichtbögen unabhängig voneinander erfolgt. Sobald jedoch in der ersten Düse ein Lichtbogen gezündet wird, bricht die Ausgangsspannung des Transformators ein, da der elektrische Widerstand der Düse schlagartig sinkt, und eine Zündung paralleler Lichtbögen ist nicht mehr möglich.
  • Darüber hinaus ist ein Lichtbogen, der zwischen einer Stiftelektrode und einer Ringelektrode verläuft, wie es in der Druckschrift EP 0761415 B1 beschriebenen ist, nicht stabil, sondern spaltet sich an der Düsenöffnung auf und kann durch den Druck des ausströmenden Arbeitsgases aus dem Düsenauslass heraus auf die zu behandelnde Oberfläche gedrückt werden. Dies ist insbesondere deshalb nachteilhaft, da die hohe Temperatur des Lichtbogenplasmas zu Beschädigungen auf der zu behandelnden Oberfläche führen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Plasmadüse und ein Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mit solchen Plasmadüsen mit hoher Effizienz bereitzustellen, so dass der Anteil des reaktiven Prozessgases, der aus der Plasmadüse austritt, erhöht wird, ohne den Wirkungsgrad der Plasmadüse zu verringern.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Plasmadüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Plasmadüse sind den entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die erfindungsgemäße Plasmadüse dient dazu, Oberflächen hinsichtlich der Oberflächenenergie gezielt zu verändern. Bei dieser Ausführung der Plasmadüse wird zur Erhöhung des Plasmastroms anstelle einer einfachen Erweiterung beziehungsweise Vergrößerung des einen Düsenkanals zumindest ein weiterer separater Düsenkanal vorgesehen, die in eine gemeinsame Düsenaustrittsöffnung der Düsenspitze münden. Dadurch wird der Plasmastrom in Abhängigkeit der den Elektroden zugeordneten Düsenkanäle vervielfacht. Insbesondere sind zwei Düsenkanäle vorgesehen, wodurch der Plasmastrom verdoppelt wird. Die aus den Düsenkanälen austretenden Plasmaströme werden dann im Auslass der Düse zu einem einzigen Plasmastrom vereinigt. Der Entladungskanal des Lichtbogens erstreckt sich bei der erfindungsgemäßen Düse im normalen Betrieb durch die Düsenkanäle, ohne dass der Lichtbogen auf die Wandung der Düsenkanäle überspringt, wodurch zugleich die Lebensdauer der Plasmadüse erhöht wird, da die Ablagerung von Abbrandspuren im Inneren der Düsenkanäle vermieden wird. Messungen haben nun gezeigt, dass der Lichtbogen zwischen den Spitzen der Stiftelektroden und entlang der Düsenkanäle verläuft. Der Prozessgasstrom wird durch die vorzugsweise beiden Düsenkanäle geleitet und durch die spezielle Düsengeometrie an der Zusammenführung der Düsenkanäle vereinigt.
  • Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, da hier im Gegensatz zu efnem einfachen verbreiterten Düsendurchmesser ein höheres Prozessgasvolumen mit dem Plasma im Lichtbogen wechselwirkt und am Düsenende das reaktive Prozessgas, nicht aber der Lichtbogen austritt.
  • Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Plasmadüse wird das initiale Plasma in einem Lichtbogen erzeugt. Die Zündung des Lichtbogens kann vorteilhafterweise durch eine hochfrequente Wechselspannung erfolgen. Typische Zündspannungen liegen je nach Auslegung der Plasmadüse beispielsweise zwischen 3 kV und 25 kV. Nach dem Zündvorgang sinkt die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens notwendige Spannung, abhängig von der Düsengeometrie, auf einen Wert von etwa 500 V bis 5 KV ab. Typische Frequenzen für die Wechselspannung liegen zwischen 15 kHz und 50 kHz. Höhere Frequenzen sind hier nur bedingt geeignet, da es dann zu einer Störung des technischen Umfeldes im funktechnischen Sinne kommen kann und somit eine erhöhter Abschirmungsaufwand nötig wird.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein Düsenaufsatz eine Durchgangsbohrung aufweist und zumindest eine Wandung der Durchgangsöffnung aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt ist. Dadurch wird auch ein Überspringen des Lichtbogens auf den Düsenauslass in jedem Falle verhindert. Es ist somit gewährleistet, dass der Lichtbogen zu keiner Zeit mit der zu behandelnden Oberfläche in Berührung kommt. Dies bietet zweierlei Vorteile: Zum einen wird eine Zerstörung der Oberfläche durch das heiße Plasma direkt im Lichtbogen vermieden. Nur das reaktive Arbeitsgas strömt aus der Düsenöffnung und wird die zu behandelnde Oberfläche geleitet. Zum anderen wird dadurch ein wichtiger Beitrag zum Arbeitsschutz gewährleistet. Dadurch, dass der Lichtbogen nicht bis zur Düsenmündung reichen kann, ist eine Verletzung - Brandwunden oder elektrischer Schlag - im Betrieb nahezu ausgeschlossen.
  • Bei einer besonders bevorzugten Anordnung mehrerer Plasmadüsen sind die Düsen Bestandteil eines einzigen geschlossenen, in Reihe geschalteten Stromkreises. Dadurch erfolgt die Zündung in allen Plasmadüsen synchron. Somit kann die Versorgung der Anordnung aus einem einzigen Transformator erfolgen, da das Einbrechen der Ausgangsspannung nach dem Zünden der Lichtbögen keinen Einfluss auf den Zündvorgang nehmen kann.
  • Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind den entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
    • Figur 1:
    eine erfindungsgemäße Plasmadüse im Schnitt,
    Figur 2:
    eine alternativ Ausführungsform der Plasmadüse gemäß Figur 1 und
    Figur 3:
    eine schematische Darstellung einer erfindungsge- mäßen Anordnung von Plasmadüsen.
  • In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Plasmadüse im Detail dargestellt. Die Düse besteht aus einem Gehäuse 1, in welchem ein Isolationsblock 2 sowie zwei Elektrodeneinheiten 3,3' angeordnet sind. Die Elektrodeneinheiten 3,3' dienen zum einen der Einleitung elektrischer Energie für die Plasmaerzeugung und zum anderen der Zuführung der für die Plasmaerzeugung erforderlichen Prozessgases. Dazu ist jeweils ein Anschlussstift 4 vorgesehen, welcher mit einer Stiftelektrode 5 verschraubt ist. Der Anschlussstift 4 und die Stiftelektrode 5 sind jeweils in einer Hülse 6 eingefasst, welche auf der Seite des Anschlussstifts 4 Gaseintrittsbohrungen 7 aufweist.
  • Auf der Seite der Stiftelektrode 5 sind die Hülsen 6 durch Strömungsleitkörper 8 zum Erzeugen einer Wirbelströmung abgeschlossen. Die Elektrodeneinheiten sind in Aufnahmebohrungen 9 des Isolationsblocks 2 eingesetzt, wobei jeweils am Fuß der Aufnahmebohrungen 9 eine Druckkammer 10 entsteht, in welche das Prozessgas durch Zuleitungskanäle 11 einströmt. Die Stiftelektroden 5 weisen zusätzlich einen Mittelkanal 12 auf, durch welchen Prozessgas aus der Mitte der gewölbten Endfläche 13 der Stiftelektroden 5 austreten kann. Austrittsseitig ist an dem Isolationsblock 2 eine Düsenspitze 14 angeordnet, welche Düsenkanäle 15 aufweist, die mit den Aufnahmebohrungen 9 des Isolationsblocks 2 fluchten. Die Düsenkanäle weisen eine konische Form auf und münden in einer gemeinsamen Austrittsöffnung 16. Dabei laufen die durch die Aufnahmebohrungen 9 und die Düsenkanäle 15 gebildeten Strömungskanäle unter spitzem Winkel aufeinander zu, so dass zwischen den Düsenkanälen 15 nur ein schmaler Steg aus leitfähigem Material verbleibt. Im Betrieb wird Prozessgas über die Zuleitungskanäle 11 in die Druckkammern 10 eingeleitet und gelangt von dort durch die Gaseintrittsbohrungen 7 in die Hülsen 6. Aus den Hülsen 6 strömt ein Teil des Prozessgases durch die Mittelkanäle 12 der Stiftelektroden 5. Der Großteil des Prozessgases tritt durch die Strömungsleitkörper 8 in die Düsenkanäle 15 ein und wird dabei in eine Wirbelströmung versetzt. Die Prozessgasströme werden durch die konische Form der Düsenkanäle 15 beschleunigt und vereinigen sich in der Austrittsöffnung 16 eines Düsenaufsatzes 17. Je nach Anforderung an die Strömung des Plasmas kann die Drehrichtung der Strömungen in den Düsenkanälen 15 gleichsinnig oder gegensinnig gewählt werden. Zur Erzeugung eines Plasmas aus der Prozessgasströmung wird über die Anschlussstifte 4 eine Wechselspannung zwischen den Elektrodeneinheiten 3,3' angelegt. Bei Erreichen der erforderlichen Zündspannung wird jeweils zwischen nah beieinander liegenden Kanten der Stiftelektroden 5 ein Lichtbogen gezündet, welcher die Elektrodeneinheiten 3,3' verbindet. Durch den Lichtbogen wird das Prozessgas aufgeheizt und ionisiert und tritt als reaktives Medium aus der Austrittsöffnung 16 aus. Durch die Trennung des Lichtbogens von der Düsenspitze 13 wird die Ablagerung von Abbrandspuren im Bereich der Austrittsöffnung 16 verhindert, wodurch die Standzeit der erfindungsgemäßen Plasmadüse deutlich erhöht wird. Die Standzeit wird weiterhin dadurch erhöht, dass das aus den Mittelkanälen 12 austretende Prozessgas die Ablagerung von Abbrandspuren auf der Stiftelektroden 5 reduziert.
  • In Figur 2 ist eine alternativ Ausführungsform der Plasmadüse gemäß Figur 1 dargestellt. Nachfolgend werden lediglich die Abweichungen gegenüber der Ausführungsform in Figur 1 beschrieben. Die Düsenspitze 14 ist mit einem Düsenaufsatz 17 versehen. Die Düsenspitze 14 endet mit einer Austrittsöffnung 16, welche gerade noch die beiden Düsenkanäle 15 miteinander verbindet, so dass eine gemeinsame Austrittsöffnung 16 gegeben ist. Zur Verlängerung der Düsenaustrittsöffnung 16 ist ein lösbar an der Düsenspitze 14 vorgesehener Düsenaufsatz 17 vorgesehen. Dieser Düsenaufsatz 17 kann unterschiedliche Längen der Durchgangsbohrungen aufweisen. Eine entsprechende Anpassung der Länge kann in Abhängigkeit der gewünschten Funktion bezüglich der Durchmischung und/oder Beruhigung der zusammengeführten Plasmaströme durch die einzelnen Düsenkanäle 15 ausgewählt werden. Des Weiteren kann die Länge des Düsenaufsatzes in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Plasmagases stehen, um sicherzustellen, dass der Lichtbogen nicht aus dem Düsenaufsatz 17 austritt, um Beschädigungen der zu behandelnden Oberfläche oder mögliche Verletzungen zu vermeiden.
  • Der Düsenaufsatz 17 umfasst zumindest eine Wandung in einer Durchgangsöffnung, die aus dielektrischem Material ausgebildet ist. An dem austrittsseitigen Ende der Durchgangsöffnung kann der Düsenaufsatz 17 eine umlaufende Wulst aufweisen, die beispielsweise als Führungs- oder Gleitkufen ausgebildet sind, um gegebenenfalls eine zu behandelnde Oberfläche des Werkstückes daran entlang zu führen beziehungsweise um die Plasmadüse gleitend entlang der zu behandelnden Oberfläche zu führen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Durchgangsöffnung des Düsenaufsatzes 17 konisch sich verjüngt, um eine Beschleunigung des erzeugten Plasmastrahles zu erzeugen. Ebenso kann eine Aufweitung der Durchgangsbohrung vorgesehen sein, um in anderen Anwendungsfällen eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit und eine größere Auftrefffläche des Plasmas zu erzielen.
  • Wird zum Betrieb der Plasmadüse über die Anschlussstifte 4 an die Stiftelektroden 3 und 3' eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, bildet sich beim Erreichen der Zündspannung ein Lichtbogen aus. Der Lichtbogen verläuft dabei symmetrisch von der Spitze der einen Stiftelektrode 3 durch den entsprechenden Düsenkanäle 15 über die Trennwand hinweg durch den anderen Düsenkanal 15 zur zweiten Stiftelektrode 3'. Der Lichtbogen hat seinen Scheitelpunkt zwischen den beiden Stiftelektroden 3,3'.
  • Nachdem der Lichtbogen gezündet hat, sinkt die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens notwendige Spannung auf einen Wert von beispielsweise 500 V bis 5kV ab.
  • Das Prozessgas strömt durch die Düsenkanäle 15 und tritt dabei in Wechselwirkung mit dem Lichtbogen. Dabei wird das Prozessgas durch die Elektronen und Ionen im Lichtbogen zumindest teilweise ionisiert. Dieses ionisierte, reaktive Prozessgas - auch Plasmastrom genannt - wird in der Austrittsöffnung 16 vereinigt und durch die Geometrie der Düsenspitze 14 beziehungsweise des Düsenaufsatzes 17 entsprechend der weiteren Anwendung vorteilhaft geformt.
  • Bewegt man die Oberfläche eines zu behandelnden Werkstückes relativ zur Düsenspitze 14 beziehungsweise zum Düsenaufsatz 17, so überstreicht der Plasmastrom diese Oberfläche. Dabei wird Oberflächenenergie an den überstrichenen Flächen derart vergrößert, dass polare Flüssigkeiten diese Oberflächen besser benetzen.
  • In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Anordnung von Plasmadüsen schematisch dargestellt. Die Anordnung besteht aus vier Paaren von Plasmadüsen 20, welche jeweils aus einem Isolationsblock 21, einer Düsenspitze 22, zwei Düsenkanälen 23 und zwei Elektroden 24 bestehen. Die Zuleitungen für das Prozessgas sind in dieser Darstellung der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Zwischen den Paaren von Plasmadüsen 20 der Anordnung ist jeweils eine Isolierung 25 aus einem Material mit hoher Durchschlagfestigkeit angeordnet. Die Verschaltung der Elektroden 24 ist so ausgeführt, dass alle Plasmadüsen 20 in Reihe geschaltet sind. Dazu ist die erste Elektrode 24 der ersten Plasmadüse mit einer Spannungsquelle 26 in Form eines Transformators verbunden, die zweite E-lektrode 24 der ersten Plasmadüse 20 ist mit der ersten Elektrode 24 der zweiten Plasmadüse 20 verbunden usw. Die zweite Elektrode 24 der letzten Plasmadüse 20 ist wiederum mit der Spannungsquelle 26 verbunden, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Wird die Spannungsquelle 26 aktiviert, so wird in allen Plasmadüsen 20 gleichzeitig ein Lichtbogen gezündet, erst danach bricht die Spannung der Spannungsquelle 26 durch den rasch ansteigenden Strom ein. Durch die Reihenschaltung der Plasmadüsen 20 befinden sich die benachbarten Düsenspitzen 22 auf unterschiedlichen Potenzialen, daher ist die Isolierung 25 erforderlich. Für jedes Paar von Plasmadüsen 20 ist ein schaltbarer Überbrückungskontakt 27 vorgesehen. Dadurch ist es möglich, einzelne Paare von Plasmadüsen 20 der Anordnung zu deaktivieren, um z.B. die Bearbeitungsbreite einer Plasmabearbeitungsanlage oder das Austrittsmuster der Plasmaströme zu steuern.

Claims (15)

  1. Plasmadüse mit einem Gehäuse (1), welche eine erste Elektrodeneinheit (3) aufweist, welcher ein erster Düsenkanal (15) zugeordnet ist, wobei der erste Düsenkanal (15) zumindest eine elektrisch leitfähige Wandung aufweist und gegen die erste Elektradeneinheit (3) isoliert ist, und welches zumindest eine weitere Elektrodeneinheit (3') aufnimmt, mit Mitteln (11) zum Zuführen eines Prozessgasstroms zu jeder Elektrodeneinheit (3, 3'), wobei den weiteren Elektrodeneinheit (3, 3') jeweils ein separater Düsenkanal (15) zugeordnet ist, welcher eine leitfähige Wandung aufweist, die gegen die jeweils zugeordnete Elektrodeneinheit (3') isoliert ist, wobei die separaten Düsenkanäle (15) so angeordnet sind, dass sich die Prozessgasströme in einer gemeinsamen Düsenaustrittsöffnung (16) einer die Düsenkanäle (15) umfassenden Düsenspitze (14) vereinigen, und wobei die Wandungen des ersten und des zweiten Düsenkanals (15) elektrisch unmittelbar miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass Mitteln zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrodeneinheit (3, 3') vorgesehen sind, so dass ein Entladungs-kanal des Lichtbogens sich zwischen den Elektrodeneinheiten (3, 3') entlang den Düsenkanälen (15) erstreckt.
  2. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Düsenkanäle (15) in eine einzige leitfähige Düsenspitze (14) eingearbeitet sind.
  3. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenkanäle (15, 23) von zumindest zwei benachbarten Plasmadüsen in eine gemeinsame Düsenspitze (14, 22) münden.
  4. Plasmadüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (8) zum Erzeugen einer Wirbelströmung in den Düsenkanälen (15) vorgesehen sind, die vorzugsweise so ausgeführt sind, dass sich In den Düsenkanälen (15) gleichsinnige oder gegesinnige Wirbelströmungen ergeben.
  5. Plasmadüse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düsenkanäle (15) entgegen der Strömungsrichtung der Prozessgasströme in einen Isolationsblock (2) fortsetzen, in welchem die Elektrodeneinheiten (3,3') gelagert sind und vorzugsweise die Mittel (8) zum Erzeugen der Wirbelströmung Bestandteil der Elektrodeneinheiten (3,3') sind.
  6. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) Kanäle (11) zum Zuleiten der Prozessgasströme aufweist.
  7. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Austrittsöffnung (16) der Düsenspitze (14) ein Düsenaufsatz (17) lösbar befestigbar ist.
  8. Plasmadüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaufsatz (17) eine Durchgangsöffnung aufweist und zumindest eine Wandung der Durchgangsöffnung aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist.
  9. Plasmadüse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaufsatz (17) eine kanalförmige Durchgangsöffnung aufweist, die als Durchmischungs- und Beruhigungsstrecke für die zugeführten Plasmaströme aus den zumindest zwei Düsenkanälen (15) vorgesehen ist.
  10. Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche von Werkstücken mit zumindest einer Plasmadüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Elektrodeneinheiten (3, 3', 24) der Plasmadüse eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird, so dass zwischen den Elektrodeneinheiten (3, 3') und entlang der Düsenkanäle (15) ein Lichtbogen erzeugt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ansteuerung von wenigstens zwei Plasmadüsen zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken die Elektroden (3, 3', 24) elektrisch in Reihe geschalten werden und vorzugsweise die Wandungen der Düsenkanäle (23) von jeweils zwei benachbarten Plasmadüsen (20) elektrisch unmittelbar miteinander verbunden werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das den Elektradeneinheiten (3, 3', 24) zugeführte Prozessgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit eingestellt wird, so dass der sich in der Düsenspitze (14, 22) bildende Lichtbogen nicht aus der Austrittsöffnung (16) der Düsenspitze (14) oder der Durchgangsbohrung des Düsenaufsatzes (17) austritt und vorzugsweise die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks mit Abstand zur Austrittsöffnung der Düsenspitze (14, 22) oder zur Durchgangsöffnung des Düsenaufsatzes (17) positioniert und insbesondere die zu behandelnde Oberfläche des Werkstückes an der Düsenspitze (14, 22) oder dem Düsenaufsatz (17) der Plasmadüse entlang geführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mit mehreren Plasmadüsen durch einen einzigen Transformator (26) versorgt wird.
  14. Verfahren nach Ansprüche 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus einer geradzahligen Anzahl von Plasmadüsen besteht, welche größer als zwei ist, und dass die einzelnen Düsenspitzen (14, 22) der Anordnung gegeneinander isoliert werden und insbesondere zur Isolierung ein Isolator (25) mit hoher Durchschlagfestigkeit eingesetzt wird und vorzugsweise als Isolator (25) Teflon oder Keramik verwendet wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für jeweils zwei über die Wandungen ihrer Düsenkanäle (23) verbundene Plasmadüsen (20) ein schaltbarer Überbrückungskontakt (27) vorgesehen wird.
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