EP2269425A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines atmosphärendruck-plasmas - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung eines atmosphärendruck-plasmas

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EP2269425A1
EP2269425A1 EP09731651A EP09731651A EP2269425A1 EP 2269425 A1 EP2269425 A1 EP 2269425A1 EP 09731651 A EP09731651 A EP 09731651A EP 09731651 A EP09731651 A EP 09731651A EP 2269425 A1 EP2269425 A1 EP 2269425A1
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plasma
piezoelectric element
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cathode
housing
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Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
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Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H1/2475—Generating plasma using acoustic pressure discharges
    • H05H1/2481—Generating plasma using acoustic pressure discharges the plasma being activated using piezoelectric actuators

Definitions

  • the invention relates to a device for producing an atmospheric-pressure plasma.
  • a device for producing an atmospheric-pressure plasma is already known from EP 0761415 A1.
  • a collimated jet of a reactive medium is generated by a plasma discharge and a working gas.
  • the electrical discharge takes place in the form of an arc discharge.
  • an arc extends directly between the two electrodes of the device One arranged in a nozzle tube centric pin electrode on the one hand and acting as counter electrode mouth of the Dusenrohrs on the other
  • the object of the invention is to provide a device for generating an atmospheric pressure plasma, which does not have these disadvantages and in particular can also be operated with low voltage
  • the general idea of the invention is to use a piezoelectric element with primary and secondary regions for generating the plasma.
  • the plasma element is driven by low voltage and high frequency.
  • the plasma is ignited by the rim extension on the surface of the piezoelectric element
  • the plasma is transported through the counterelectrode and a gas flow. Due to the gas flow, the plasma leaves the device
  • a piezoelectric element for producing a plasma is already known from the publication Teranishi, Suzuki, A novel generation method of dielectric discharge and ozone production using a piezoelectric transformer, Japanese Journal of Applied Physics, 2004, S 6733-6739
  • piezoelectric transformer Another arrangement, also referred to as a piezoelectric transformer, with such a piezoelectric element having a primary and a secondary region, there designated as an excitation zone and high-voltage zone, is known from DE 10 2005 032 890 A1
  • the piezoelectric element serves to generate a plasma discharge on the surface of the secondary region.
  • a counterelectrode is provided in the invention, so that an arc discharge is produced according to the invention and not, as in the prior art, a planar plasma on the surface of the surface Secondary region of the piezoelectric element
  • the cathode in contrast to the aforementioned EP 0761415 A1, is not designed as a passive element, but actively transforms an applied low voltage into a high voltage
  • the device according to the invention has a number of advantages over the known solutions. First of all, it requires only a low operating voltage in the range of preferably 5 230 V. Furthermore, it is characterized by a low plasma temperature, so sputtering and burning off of the cathode are virtually impossible the device according to the invention inexpensive to produce, since no high-voltage source is required and also has only a small structural size
  • FIG. 2 shows a first device according to the invention
  • Figure 4 shows a third device according to the invention with cascading
  • FIGS. 1 a) and 1 b a rod-shaped piezoelectric element 1 with a contact electrode 2 and a further contact electrode 4 on the rear side of the pumping region and an adjoining secondary region 3 is shown
  • FIGS. 1c) and 1 d) show a tubular piezoelectric element 5 with an inner electrode 6 and an outer electrode 7 in the pump region and a secondary region 8
  • FIG. 2 shows a first device 10 according to the invention.
  • the piezoelectric element acting as a cathode has a contact electrode 1 1 on its side, as described above, and a further contact electrode 12 on the back, on the opposite side, which can not be seen in this illustration Also shown is the secondary region 13 of the piezoelectric element, in which a Flumble ⁇ entladung forms in a known per se. For this, the piezoelectric element via the contact electrodes 11, 12 connected to a low voltage source 22.
  • This low voltage source 22 supplies a high frequency low voltage in the range of preferably 5 200 V by the applied low voltage in P ⁇ mar Berlin of the piezoelectric element is generated in the secondary region 13, a high voltage, as a result, the described surface discharge forms on the surface of the secondary side 13 Furthermore, the resulting plasma discharge 14 is shown between the secondary region 13, as Ele
  • the device has an Aust ⁇ ttsduse 16 with a Aust ⁇ ttso réelle 17, through which the plasma outlet 18 takes place on the opposite side of the plasma outlet 18 is a supply 24 for the working gas, while the gas flow 25 is indicated by the arrow Also shown is the supply line 23 from the low-voltage source 22 to the piezoelectric element
  • the plasma gas which is formed in the plasma discharge 14 in the form of an arc discharge, blown out of Aust ⁇ ttsduse 16 in the form of a jet-shaped plasma exit 18.
  • the plasma-generating device is enclosed by a housing 20 with an insulating housing wall 21
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the device according to the invention.
  • a plasma generator 10 having a tubular piezoelectric element 30 is provided as a cathode for generating a plasma discharge 34.
  • the piezoelectric element has a secondary region 32, at the tubular inner surface of which the plasma discharge is produced a counter-electrode 33
  • an arc discharge is formed, which is blown out in the form of a plasma jet 35 with the gas flow
  • FIG. 4 shows a cascading (multiple) arrangement 40 of a plurality of plasma generators 41 with a piezoelectric element as the cathode electrode.
  • the individual plasma generators 41 are supplied with a working gas via a central gas supply 44.
  • a plasma jet 43 exits through the nozzles, the elements being particularly advantageous in this way are arranged so that a uniform plasma distribution 45 results on a substrate 42 to be treated
  • FIG. 5a shows a plan view of such a cascading arrangement of plasma generators 50 with piezo elements.
  • the individual plasma generators which are several devices according to the invention, are arranged side by side and one behind the other in order to allow as full as possible plasma treatment.
  • FIG. 5b shows a side view of a further cascading arrangement of plasma generators with piezo elements 51.
  • the plasma is due to an arc discharge between two electrodes, i. H. a spark gap is formed.
  • the secondary region of the piezoceramic each forms the one electrode; namely, the cathode, the counter electrode is at ground potential.
  • the cathode is not, as known from the prior art, formed as a passive element, such as a rod-shaped, metallic electrode in the center of a tube, but represents an active element in which a (applied to the primary area) low voltage in a high voltage (in the secondary area) is transformed.
  • the device according to the invention has for the first time succeeded in combining the advantages of an arc discharge and, as a consequence of a blown-out plasma jet, with the advantages of a piezo element with primary and secondary regions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas mittels einer Bogenentladung. Abweichend vom bisher bekannten Stand der Technik wird die Bogenentladung mittels einem als Kathode wirkenden Piezoelement mit Primär- und Sekundärseite erzeugt.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmospharendruck-Plasmas Eine solche Vorrichtung ist aus der EP 0761415 A1 bereits bekannt Bei dieser bekannten Vorrichtung wird durch eine Plasmaentladung und ein Arbeitsgas ein gebündelter Strahl eines reaktiven Mediums erzeugt Die elektrische Entladung findet in Form einer Bogenentladung statt, die mit Hilfe einer Hochfrequenz- Wechselspannung betrieben wird Dabei erstreckt sich ein Lichtbogen direkt zwischen den beiden Elektroden der Vorrichtung Einer in einem Dusenrohr angeordneten zentrischen Stiftelektrode einerseits und der als Gegenelektrode wirkenden Mundung des Dusenrohrs andererseits
Diese bekannte Vorrichtung weist eine Reihe von Nachteilen auf Zunächst einmal wird eine hohe Zündspannung von mehreren kV benotigt, die Betriebsspannung bewegt sich ebenfalls im kV-Bereιch Die in der Folge entstehende Bogenentladung - ein direkter Lichtbogen also - fuhrt zu einer hohen Wärmeentwicklung und einem Absputtern der Elektroden Weitere Nachteile sind die hohen Kosten und die Baugroße dieser Vorrichtung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmospharendruck-Plasmas anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist und insbesondere auch mit Niederspannung betrieben werden kann
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelost Die Unteranspruche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
Die allgemeine Idee der Erfindung besteht darin, zur Erzeugung des Plasmas ein Piezoelement mit Primär- und Sekundarbereich zu verwenden Dabei erfolgt die Ansteuerung des Pπmarbereichs des Piezoelementes mit Niederspannung und Hochfrequenz In der Folge wird das Plasma durch die Felduberhohung auf der Flache des Sekundarbereichs des Piezoelements gezündet Erfindungsgemaß erfolgt die Plasmafuhrung durch Gegenelektrode und eine Gasstromung Durch die Gasstromung tritt das Plasma aus der Vorrichtung aus
Ein Piezoelement zur Erzeugung eines Plasmas ist bereits aus der Veröffentlichung Teranishi, Suzuki, ltoh A novel generation method of dielectπc barπer discharge and ozone production using a piezoelectπc transformer, Japanese Journal of Applied Physics, 2004, S 6733 - 6739, bekannt
Eine weitere Anordnung, auch als Piezotransformator bezeichnet, mit einem solchen Piezoelement mit einem Primär- und einem Sekundarbereich, dort als Anregungszone und Hochspannungszone bezeichnet, ist aus der DE 10 2005 032 890 A1 bekannt Bei beiden Veröffentlichungen dient das Piezoelement dazu, eine Plasmaentladung an der Oberfläche des Sekundarbereiches zu erzeugen Bei der Erfindung hingegen ist eine Gegenelektrode vorgesehen, damit wird erfindungsgemaß eine Bogenentladung erzeugt und gerade nicht, wie nach dem Stand der Technik, ein flächiges Plasma auf der Oberflache des Sekundarbereichs des Piezoelementes
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist im Gegensatz zur eingangs genannten EP 0761415 A1 die Kathode nicht als passives Element ausgelegt, sondern transformiert aktiv eine angelegte Niederspannung in eine Hochspannung
Die erfindungsgemaße Vorrichtung weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Losungen auf Zunächst einmal benotigt sie eine nur niedrige Betriebsspannung im Bereich von vorzugsweise 5 230 V Ferner ist sie durch eine niedrige Plasmatemperatur gekennzeichnet, ein Absputtern und ein Abbrand der Kathode sind damit nahezu ausgeschlossen Schließlich ist die erfindungsgemaße Vorrichtung preisgünstig herstellbar, da keine Hochspannungsquelle mehr erforderlich ist und weist zudem eine nur geringe Baugroße auf
Die erfindungsgemaße Vorrichtung und ihre wichtigen Bestandteile sollen nachfolgend an Hand von Ausfuhrungsbeispielen naher erläutert werden Es zeigen
Figur 1 a) bis 1d) verschiedene Ausfuhrungsformen eines Piezoelementes
Figur 2 eine erste erfindungsgemaße Vorrichtung
Figur 3 eine zweite erfindungsgemaße Vorrichtung
Figur 4 eine dritte erfindungsgemaße Vorrichtung mit kaskadierender
Mehrfachanordnung
Figur 5a) und 5b) Detaildarstellung der in Figur 4 gezeigten Ausfuhrungsform
In Figur 1 a) und 1 b) ist ein stabformiges Piezoelement 1 mit einer Kontaktelektrode 2 und einer weiteren Kontaktelektrode 4 auf der Ruckseite des Pπmarbereichs und einem daran anschließenden Sekundarbereich 3 gezeigt
In Figur 1c) und 1 d) ist ein rohrformiges Piezoelement 5 mit einer Innenelektrode 6 und einer Außenelektrode 7 im Pπmarbereich sowie einem Sekundarbereich 8 gezeigt Figur 2 zeigt eine erste erfindungsgemaße Vorrichtung 10 Das als Kathode wirkende Piezoelement weist an seiner Pπmarseite, wie bereits beschrieben, eine Kontaktelektrode 1 1 und auf der Ruckseite, der abgewandten Seite also, eine weitere Kontaktelektrode 12 auf, die in dieser Darstellung nicht zu sehen ist Ebenfalls dargestellt ist der Sekundarbereich 13 des Piezoelementes, in dem sich auf an sich bekannte Weise eine Flacheπentladung bildet Dazu wird das Piezoelement über die Kontaktelektroden 11 , 12 mit einer Niederspannungsquelle 22 verbunden Diese Niederspannungsquelle 22 liefert eine hochfrequente Niederspannung im Bereich von vorzugsweise 5 200 V Durch die angelegte Niederspannung im Pπmarbereich des Piezoelementes wird in dessen Sekundarbereich 13 eine Hochspannung erzeugt, in der Folge bildet sich die beschriebene Flachenentladung auf der Oberflache der Sekundarseite 13 Weiterhin gezeigt ist die sich ergebende Plasmaentladung 14 Zwischen dem Sekundarbereich 13, der als Elektrode wirkt, und der Gegenelektrode 15, die auf Erdpotential 19 liegt, bildet sich eine Bogenentladung aus Weiterhin besitzt die Vorrichtung eine Austπttsduse 16 mit einer Austπttsoffnung 17, durch die der Plasmaaustritt 18 erfolgt An der entgegengesetzten Seite des Plasmaaustritts 18 befindet sich eine Zufuhrung 24 für das Arbeitsgas, dabei ist die Gasstromung 25 durch den Pfeil angedeutet Ebenfalls dargestellt ist die Zuleitung 23 von der Niederspannungsquelle 22 zum Piezoelement
Durch den Gasstrom 25, der über die Zufuhrung 24 in die Vorrichtung geleitet wird, wird das Plasmagas, das in der Plasmaentladung 14 in Form einer Bogenentladung entsteht, aus der Austπttsduse 16 in Form eines strahlformigen Plasmaaustritts 18 ausgeblasen Die plasmaerzeugende Vorrichtung wird umschlossen von einem Gehäuse 20 mit einer isolierenden Gehausewand 21
In Figur 3 ist eine weitere Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung gezeigt Dabei ist ein Plasmaerzeuger 10 mit einem rohrformigen Piezoelement 30 als Kathode zur Erzeugung einer Plasmaentladung 34 vorgesehen Wie bereits beschrieben, besitzt das Piezoelement einen Sekundarbereich 32, an dessen rohrformiger Innenflache die Plasmaentladung entsteht Ferner dargestellt ist eine Gegenelektrode 33 Auch bei dieser Ausfuhrungsform bildet sich also eine Bogenentladung aus, die in Form eines Plasmastrahls 35 mit der Gasstromung ausgeblasen wird
Figur 4 zeigt eine kaskadierende (Mehrfach-)Anordnung 40 von mehreren Plasmaerzeugern 41 mit Piezoelement als Kathoden-Elektrode Die einzelnen Plasmaerzeuger 41 werden über eine zentrale Gaszufuhrung 44 mit einem Arbeitsgas angeströmt Durch die Düsen tritt ein Plasmastrahl 43 aus, wobei die Elemente besonders vorteilhaft derart angeordnet sind, dass sich auf einem zu behandelnden Substrat 42 eine gleichmäßige Plasmaverteilung 45 ergibt
Figur 5a) zeigt eine Aufsicht auf eine solche kaskadierende Anordnung von Plasmaerzeugern 50 mit Piezoelementen Die einzelnen Plasmaerzeuger, dies sind mehrere erfindungsgemaße Vorrichtungen, sind dabei nebeneinander und hintereinander angeordnet, um eine möglichst vollflächige Plasmabehandlung zu ermöglichen.
Figur 5b) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren kaskadierenden Anordnung von Plasmaerzeugern mit Piezoelementen 51.
Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass bei der Erfindung das Plasma durch eine Bogenentladung zwischen zwei Elektroden, d. h. eine Funkenstrecke gebildet wird. Dabei bildet der Sekundärbereich der Piezokeramik jeweils die eine Elektrode; nämlich die Kathode, die Gegenelektrode liegt jeweils auf Erdpotential. Bei der Erfindung ist also die Kathode nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, als passives Element ausgebildet, etwa als stabförmige, metallische Elektrode im Zentrum eines Rohres, sondern stellt ein aktives Element dar, in dem eine (am Primärbereich angelegte) Niederspannung in eine Hochspannung (im Sekundärbereich) transformiert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals gelungen, die Vorteile einer Bogenentladung und in der Folge eines ausgeblasenen Plasmastrahls mit den Vorteilen eines Piezoelementes mit Primär- und Sekundärbereich zu verbinden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas, wobei in einem elektrisch nichtleitendem Gehäuse eine sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckende Kathode angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Austrittsöffnung aufweist, wobei das Gehäuse an der der Austrittsöffnung abgewandten Seite eine Gaseintrittsöffnung aufweist, wobei an der Austrittsöffnung eine als Anode wirkende Gegenelektrode vorgesehen ist und wobei an die Kathode eine Wechselspannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Kathode ein Piezoelement (Piezotransformator) (1 , 5) mit einem Primärbereich und mindestens einem senkrecht dazu polarisierten Sekundärbereich (3, 8) vorgesehen ist, dass am Primärbereich voneinander beabstandete Elektroden (2, 4; 6, 7) vorgesehen sind, zwischen denen die Wechselspannung angelegt wird und dass die als Gegenelektrode (15) wirkende Anode auf Erdpotential (19) liegt, derart, dass zwischen Sekundärbereich (3, 8) und Gegenelektrode (15) eine Bogenentladung erzeugbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (1 ) stab/blockförmig ausgebildet ist und Elektroden (2, 4) auf entgegengesetzten Seiten des Primärbereichs aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) rohrförmig ausgebildet ist und dass eine Innenelektrode (6) im Inneren des Rohres und eine Außenelektrode (7) an der äußeren Mantelfläche des Rohres jeweils in dessen Primärbereich angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere identische Vorrichtungen kaskadierend angeordnet sind.
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