EP2232142A2

EP2232142A2 - Vorrichtung und verfahren zum aufrechterhalten und betrieb einer flamme

Info

Publication number: EP2232142A2
Application number: EP09703009A
Authority: EP
Inventors: Bernd Grünler; Jens PLÖTNER; Hans-Jürgen Tiller; Christian Tiller
Original assignee: Innovent eV Technologieentwicklung
Current assignee: Innovent eV Technologieentwicklung
Priority date: 2008-01-18
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2010-09-29
Also published as: US8529246B2; WO2009089830A2; US20110053101A1; WO2009089830A3; DE112009000622A5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme. Die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme bereitzustellen, die keine ständige Flammenüberwachung erforderlich machen, einen positiven Einfluss auf das Abscheideverhalten von schichtbildenden Komponenten der Brenngasflamme haben und die thermische Belastung des Brenners sowie die Betriebskosten dessen gegenüber dem Stand der Technik verringern, wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung aus einem Brenner (1) und einem Brennaufsatz (2) mit einer Austrittsgeometrie (7) besteht, wobei dass auf der Brennerabgewandten Seite des Brennaufsatzes (2) auf der einen Seite der Austrittsgeometrie (7) eine Anode (3) und auf der anderen Seite der Austrittsgeometrie (7) ein Dialektrikum (5) angeordnet ist, wobei sich in dem Dialektrikum (5) eine Kathode (6) befindet.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme gemäß der Gattung der Patentansprüche.

Aus dem Stand der Technik sind seit Jahrzehnten verschiedenste Gasbrenner bekannt. Bei diesen Brennern wird im Betriebszustand über einen kontinuierlichen brennenden Gasstrom eine Flammer erzeugt, vermittels derer durch den Zusatz von Komponenten Schichten auf den unterschiedlichsten Substraten abscheidbar sind oder Oberflächen modifiziert werden.

Der Nachteil dieser Brenner ist, dass in ihrem Betriebszustand kontinuierlich eine Beschichtungs- oder Erhaltungsflamme nach einmaliger Entzündung generiert werden muss, was zu einem hohen Brenngasgemischverbrauch und damit zu hohen Betriebskosten führt. Das Abscheideverhalten der schichtbildenden Komponenten wird gemäß dem Stand der Technik durch die thermische Belastung des Brenners negativ beeinflusst.

Darüber hinaus muss wegen dem bestehenden Explosionsrisiko eine ständige Flammenüberwachung erfolgen, was bei Produktionsstätten mit einer hohen Anzahl an Brennern oder ausgedehnten Brennerflammen einen hohen sicherheitstechnischen Aufwand erfordert, um Explosionen zu verhindern.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, in dem eine Vorrichtung und ein

Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme bereitgestellt werden, die keine ständige Flammenüberwachung erforderlich machen, einen positiven Einfluss auf das Abscheideverhalten von schichtbildenden Komponenten der Brennergasflamme haben und die thermische Belastung des Brenners sowie die Betriebskosten dessen gegenüber dem Stand der Technik verringern. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem ersten Patentanspruch sowie einem Verfahren gemäß dem 2., 3. oder 4. Patentanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.

Das Wesen der Erfindung besteht in der gesteuerten Zündung eines Brenngasgemisches durch die Kombination einer Zündquelle, mit einer Flamme.

Eine Zündquelle ist die Energie, die die Oxidation bzw. Verbrennung des Brenngasgemisches auslöst. Dies kann insbesondere eine Coronabzw, die Barierreentladung sein.

Dabei wird das flammenbildende Gasgemisch durch die Zündquelle durchgeleitet oder vorbeigeleitet, so dass eine gleichzeitige Zündung des über die gesamte Brennerbreite möglich ist.

Erfindungsgemäß ist es mit dieser Kombination möglich, auch brennbare Gasgemische, die ohne Hilfe der Zündquelle, nicht brennen, zu entzünden und die Flamme aufrecht zu halten.

Damit wird es erfindungsgemäß möglich, derartige Flammen ungepulst oder gepulst, kontinuierlich oder diskontinuierlich zu betreiben, wobei die Pulsfrequenz, das Pulsverhältnis (An : Aus) und/oder die Zündenergie der Zündquelle über breite Bereiche variierbar sind, was zu einer hohen Variabilität der Flammengeometrie und der Flammenparameter führt.

Damit können das Abscheideverhalten der schichtbildenden Komponenten oder die unterschiedlichsten Oberflächenmodifikationen (z.B. Hydrophierung der Oberflächenenergie) gezielt beeinflusst werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der folgenden Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert ohne auf diese beschränkt zu werden. Es zeigen dabei:

Fig. 1 : eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Betriebszustand in einer Übersichtsdarstellung und Fig. 2: die Ausführungsform gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Brenner (1), einem Brennaufsatz (2), einer Anode (3), einer im Betriebszustand bestehenden Flamme (4), einem Dialektrikum (5), einer Kathode (6) und einer Austrittsgeometrie (7).

Auf einem bekannten Brenner (1) ist ein Brenneraufsatz (2) montiert, auf welchem wiederum die elektrisch behinderte Barriere montiert ist. Die elektrisch behinderte Barriere besteht aus einer Anode (3) und einer mit einem Dialektrikum (5) isolierten Kathode (6). Durch das Anlegen einer

Spannung zwischen Anode (3) und Kathode (6) kommt es zu einer dialektrisch behinderten Entladung zwischen Anode (3) und Kathode (6) durch das Dialektrikum (5). Diese zündet das Brenngas, welches durch den Brenner (1) und den Brenneraufsatz (2) mit einer entsprechenden

Austrittsgeometrie (7) durch die Barriere strömt.

In die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein nicht selbstständig brennbares Gasgemisch einleitbar, das über die dialektrisch behinderte Barriere zündbar ist, wobei die Flammengeometrie durch die Barrierenspannung und/oder die Impulsbreite der Barriereentladung steuerbar ist.

Ein nicht selbständig brennbares Gasgemisch ist unter anderem dadurch erzeugbar, dass der Brenngasanteil im Verhältnis zum Sauerstoffanteil verringert wird (bspw. bei Propangas von 5% auf 2,75%). Dadurch reduziert sich die erforderliche Brenngaskonzentration und damit der Brenngasverbrauch um über 40% gegenüber herkömmlichen Brennern.

Dem Brenngasgemisch können reaktive und/oder schichtbildende Stoffe oder Komponenten, wie bspw. metallorganische Verbindungen oder geeignete Halogenide oder Hybride entweder pulverfδrmig, gasförmig oder in Flüssiger Form als Gemisch (bspw. Lösung oder als einzelne Komponente zugemischt werden. Diese Zumischung zum Brenngas kann entweder vor der Zündung desselben und damit vor der Zündquelle, wie bspw. der Corona- oder Barriereentladung, erfolgen oder erst nach dem Passieren des Brenngasgemisches durch die Zündquelle (Corona- oder Barriereentladung) realisiert werden.

Die Realisierung der Kombination Corona/Barriere plus Flamme kann in unterschiedlichen geometrischen Formen erfolgen. Dafür eignen sich sowohl lineare, gekrümmte oder ringförmige Corona- bzw. Barrieregeometrien. Dabei kann auch die Austrittsquerschnittgeometrie strömungstechnisch bedingt unterschiedlichste Formen besitzen.

Als Brenngas für die Flamme können sowohl organische Gase als auch Wasserstoff dienen. Diesem Brenngas wird in einem Inertgasstrom Sauerstoff zugefügt, wobei als Inertgas sowohl Stickstoff als auch Edelgase dienen können.

Ausführungsbeispiel

Als Brenner wird ein handelsüblicher 300 mm langer Brenner eingesetzt. Auf dem Brenner wird ein 270 mm langer und 30 mm hoher Keramikaufsatz mit einer 2,5 mm breiten Spaltgeometrie aufgeschraubt. Am oberen Spaltrand wird über die gesamte Brennerbreite eine mit einem 1 mm Dialektrikum aus Aluminiumoxid isolierte Kathode aus Kanthai befestigt. Die Anode aus Kanthai wird parallel gegenüber der Kathode mit einem Abstand von 2,5 mm justiert. Zwischen Anode und Kathode werden 100 KV Barrierespannung angelegt. Die Spannungsquelle besteht aus einem HV Generator mit einem taktbaren Eingang, an welchem ein Funktionsgenerator angeschlossen wird. Am Brennereingang wird über eine Ventoridüse das Propan-Brenngas mit dem 0,6 %-gen Precursor TMS (Tetramethylsilan) zugemischt. Dabei werden folgende Volumenströme genutzt:

Lufϊtvolumenstrom 200 l/min Propanvolumenstrom (mit 0,6 % TMS) 5,6 l/min Ein diskontinuierlicher Betrieb des Verfahrens wurde durch das Zu- und Abschalten der Barrierenspannung realisiert. Dazu kann etwas zeitversetzt auch der Propangasstrom zu- bzw. abgeschaltet werden.

Durch die gepulste Taktung des Barrierespannung mit 50 Hz im Verhältnis (An : Aus 1 : 2) erreicht man eine optimale homogene Abscheidung (30 nm) auf Glasproben, welche im Abstand von 20 mm mit einer Geschwindigkeit von 170 mm/s unter der Flamme vorbeibewegt werden.

Im Rahmen der Erfindung liegt dabei, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung / bei dem erfindungsgemäßen Verfahren:

• ein Gemisch von Brenngas, sauerstoffhaltigem Inertgas und einem schichtbildenden gasförmigen, Flüssigen oder festen pulverförmigen Zusatz mit Hilfe einer Zündquelle (z.B.

Barriereentladung) gezündet und die sich bildende Flamme aufrecht erhalten wird,

• die Zündquelle (z.B. Barierreentladung impulsmäßig im Bereich zwischen 0 Hz bis 100 Hz, mit einem Pulsverhältnis (An/ Aus) von 2: 1 bis 1 :3 betrieben wird,

• ein kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Betrieb des erfindungsgemäßen Brenners möglichist,

• das Gasgemisch oder Teile davon die Zündquelle (z.B. Barriereentladung) durchströmen, • das Gasgemisch oder Teile davon an der Zündquelle (z.B.

Barriereentladung) vorbeigetuhrt werden,

• als Brenngas ein Alkan, bevorzugt Propan, Butan oder Methan einzeln oder im Gemisch verwendet werden,

• als Brenngas ein Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch von Kohlenwasserstoffen verwendet wird,

• das Gemisch in der Zusammensetzung bevorzugt unterhalb der Explosionsgrenze liegt und keine selbsttragende Flamme ausbildet, • dem Brenngas Luft oder ein sauerstoffhaltiges Inertgas zugesetzt wird und das Gemisch bevorzugt unterhalb der Explosions- beziehungsweise Entflammungszusammensetzung liegt,

• das Gemisch von Luft und Propangas im Verhältnis > 20 zu 1, bevorzugt 23 zu 1 bis 40 zu 1 verwendet wird,

• die schichtbildende Komponente, getrennt von dem Trägergas und Brenngas diesen nach Passieren der Zündquelle (z.B. Barriereentladung) zugemischt wird,

• das Brenngas und das Trägergas die Zündquelle (z.B. Barriere) passieren und die schichtbildenden Komponenten diesen vor dem

Passieren der Barriereentladung zugesetzt wird,

• die schichtbildende Komponente eine siliziumorganische oder metallorganische Verbindung darstellt,

• die schichtbildende Komponente ein Hydrid oder Halogenid darstellt,

• die schichtbildenden Verbindung einer organischen Flüssigkeit, bevorzugt einen Alkohol, zugemischt wird,

• die schichtbildende Komponente ein Metallsalz darstellt, dass in einem organischen, insbesondere alkoholischem Medium gelöst ist,

• die Zündquelle (z.B. Barriereentladung) in Form eines linearen Spaltes ausgebildet wird,

• die Zündquelle (z.B. Barriereentladung) einen ringförmigen Spalt darstellt • die Zündquelle (z.B. Barriereentladung) segmentiert ist,

• die Gasfuhrung durch die Zündquelle (z.B. Barriereentladung) ein vertikales Profil besitzt, wobei bevorzugt die Barriere am schmälsten Teil des vertikalen Profils angeordnet wird, wobei die dabei verwendete Austrittsgeometrien verschieden sein können und

• einzelne erfindungsgemäße Vorrichtungen können in Kaskaden nebeneinander oder hintereinander über einem Substrat angeordnet betrieben werden, so dass große Flächen dieses Substrates durch die Abscheidung von schichtbildenden Stoffen oder Komponenten aus der Flamme auf dem Substrat aufgetragen werden können.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung / das erfmdungsgemäße Verfahren wird die Aufrechterhaltung / der Betrieb einer Flamme vermittels einer Barriereentladung ermöglicht, wobei die Flamme pulsierend (Flamme „an"/ Flamme „aus") kontinuierlich oder diskontinuierlich schaltbar ist.

Durch die konkrete Taktung und Gestaltung der Barriere sind verschiedenste Oberflächenmorphologien vermittels Flammen- beschichtung erzeugbar.

Bezugszeichenliste:

1 Brenner

2 Brenneraufsatz

3 Anode

4 Flamme im Betriebszustand

5 Dialektrikum

6 Kathode

7 Austrittsgeometrie

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme bestehend aus einem Brenner (1) und einem Brennaufsatz (2) mit einer Austrittsgeometrie (7), dadurch gekennzeichnet, dass auf der

Brennerabgewandten Seite des Brennaufsatzes (2) auf der einen Seite der Austrittsgeometrie (7) eine Anode (3) und auf der anderen Seite der Austrittsgeometrie (7) ein Dialektrikum (5) angeordnet ist, wobei sich in dem Dialektrikum (5) eine Kathode (6) befindet.

2. Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Brenngasgemische unter der Selbstzündgrenze die Austrittsgeometrie (7) durchströmen.

3. Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme (4) kontinuierlich oder diskontinuierlicher durch Corona- oder Barriereentladung erzeugt wird.

4. Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Änderung der Frequenz, des

Impulsverhältnisses und/oder der Barrierespannung der Corona- oder Baπϊereentladungsquelle die Flammentemperatur und - geometrie gesteuert ist, so dass das Abscheideverhalten und die Änderung der Oberflächenmorphologie oder der Oberflächeneigenschaften beeinflusst wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenngas vor oder nach der der Corona- oder Barriereentladungsquelle schichtabscheidende Zusatzstoffe pulverfÖrmig, gasförmig oder in flüssiger Form als Gemisch oder als einzelne Komponente zugemischt werden.

6. Anordnung mehrerer Vorrichtungen gemäß Anspruch 1, wobei diese modular für variable Brennerbreite oder kaskadiert in mehreren Reihen angeordnet sind.