EP3430864A1 - Plasma nozzle - Google Patents

Plasma nozzle

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EP3430864A1
EP3430864A1 EP17712057.3A EP17712057A EP3430864A1 EP 3430864 A1 EP3430864 A1 EP 3430864A1 EP 17712057 A EP17712057 A EP 17712057A EP 3430864 A1 EP3430864 A1 EP 3430864A1
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EP
European Patent Office
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plasma
electrode
counter electrode
nozzle
discharge chamber
Prior art date
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Application number
EP17712057.3A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP3430864B1 (en
Inventor
Wolfgang Viöl
Martin BELLMANN
Christian Ochs
Marcus HARMS
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP3430864B1 publication Critical patent/EP3430864B1/en
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    • H05H1/24—Generating plasma
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    • H05H1/3478—Geometrical details

Definitions

  • the invention relates to a plasma jet for generating a plasma jet with at least one electrode, a jacket surrounding the electrode concentrically, wherein between the electrode and the jacket a discharge chamber is formed, and wherein the discharge chamber has an inlet opening for a process gas and a nozzle opening for the exit of the plasma jet and the sheath contains or consists of a dielectric and a first counterelectrode annularly surrounding the discharge chamber in a first longitudinal section. Furthermore, the invention relates to a method for using the plasma nozzle for treating a surface of a workpiece or a workpiece with the plasma jet thus generated.
  • a treatment of a workpiece is a surface activation and / or - functionalization and a fine cleaning of the treated surface by the plasma jet.
  • the plasma can be operated with an inert gas or a reactive gas, so that physical and / or chemical processes take place on the surface of the workpiece to be treated. This will e.g. improves the adhesion between materials, for example in the case of
  • Sheath itself forms the counter electrode, so that between the electrode and the counter electrode after exposure to a high voltage thermal
  • remote plasma the resulting plasmas are called "remote plasma.”
  • reactive species are not generated directly on the workpiece surface, but at some distance, these species may be on their way to the surface eg with the ambient air or the
  • Bridging medium for generating discharge filaments In this case, depending on the process gas used only sliding discharges at discharge intervals by 1 mm can be realized. These methods are therefore suitable only for flat surfaces with low dimensional tolerances, since the plasma can not penetrate into undercuts or depressions and the distance of the high voltage electrodes must be precisely controlled. In the case of dielectrically impeded or barrier discharges, the in
  • Discharge gap recorded workpiece also be thin to create the discharge with manageable electrical voltages and maintain.
  • the object of the present invention is thus to provide a cleaning method and a cleaning device for activating or fine cleaning a surface, which allows an improved, in particular more efficient treatment of the surface and can be used universally on even or uneven surfaces of workpieces.
  • a plasma nozzle for generating a plasma jet contains at least one electrode.
  • the electrode may be elongated or rod-shaped in some embodiments of the invention.
  • the electrode may be hollow or contain a cavity.
  • the at least one electrode is surrounded by a jacket, so that between the electrode and the
  • Sheath forms a discharge chamber.
  • the sheath and the electrode may be concentric with each other.
  • the sheath contains or consists of a dielectric.
  • the discharge chamber further has at least one
  • Inlet opening for a process gas and a nozzle opening for the exit of the plasma jet are provided.
  • the device according to the invention has at least one first counterelectrode, which surrounds the discharge chamber in a ring-shaped manner in a first longitudinal section.
  • the first counter electrode is through the sheath of the
  • Electrode electrically isolated.
  • a second counterelectrode is additionally provided, which surrounds the discharge chamber in a ring-shaped manner in a second longitudinal section.
  • the counterelectrodes can also be arranged concentrically with respect to the electrode and the sheath.
  • a method according to the invention for the use or operation of a plasma nozzle according to the invention has the following method steps:
  • Discharge chamber a plasma by igniting dielectrically impeded discharges in the process gas in the
  • Forming discharge chamber and generating a plasma jet from the expelled from the flow of the nozzle opening plasma.
  • a plasma jet is generated by means of a dielectrically impeded discharge (Dielectric Barrier Discharge or DBD) (DBD jet).
  • the discharge filaments of the DBD are generated by applying an electrical high voltage between the electrode and the counter electrode (s).
  • DBD discharge filaments are in
  • the discharge process in the individual discharge filaments is so short in time due to the dielectric barrier that no thermal equilibrium can form.
  • Such plasmas, or a plasma jet generated therefrom, can therefore be used as direct-acting plasmas for surface treatment. Due to the possibility of plasma generation in
  • the plasma nozzle according to the invention thus combines the Advantages of known plasma jets such as high fissuring with the efficiency of sliding discharges or barrier discharges on the surface of the workpiece.
  • the plasma nozzle of the present invention can be used.
  • Environmentally damaging and time-consuming wet-chemical surface treatment processes can be replaced by this.
  • the use of the plasma nozzle according to the invention similar to a G investigatingtladungsario enables planar applications. Due to the sufficiently high allowable discharge distances between the workpiece surface and the mouth of the nozzle opening can
  • the second counter electrode is arranged at the nozzle opening such that the
  • Nozzle opening runs centrally through the counter electrode.
  • Discharge filaments of the DBD are thus produced not only in the discharge chamber, but also directly in the area of
  • Nozzle opening can thus affect the surface to be treated of the workpiece.
  • the reactive species generated in the plasma jet can interact directly with the surface without first coming into contact with the ambient air or other reactants.
  • the second counterelectrode may have a dish-shaped widened ring surface. This has the advantage that discharge filaments can be produced directly on a surface to be treated.
  • the plate surface normal should be approximately parallel to the plasma jet direction.
  • Insulating workpieces with material thicknesses of more than 10 mm are treated with a DBD, since the workpiece no longer has to be completely absorbed in the discharge gap.
  • the surface of the second counterelectrode may be covered by the sheath.
  • the sheath thus forms a continuous dielectric which shields the electrode surface from the discharge chamber and from the workpiece. This allows for easy design and manufacture and reliable operation of the plasma nozzle.
  • the dielectric may be a glass, a ceramic, or a glass
  • the polymer may be or contain polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the electrode is coated in the discharge space with a dielectric. This additional coating provides an even more homogeneous discharge characteristic of the plasma generated by the DBD.
  • the coating may contain or consist of a polymer or a ceramic.
  • the coating may contain polytetrafluoroethylene or an oxide or an oxynitride.
  • the inlet opening may be formed by at least one gas passage in the electrode.
  • the gas passages may comprise a plurality of bores, which are arranged radially symmetrically in the electrode, a uniform flow of the process gas through the
  • Discharge chamber reached. This also leads to one
  • a plasma nozzle housing may be present, wherein the counter electrodes by means of a potting compound between the sheath and the
  • Plasma nozzle housing are fixed. Such is one
  • the first counter electrode may be at a ground potential and the second counter electrode may be at a floating potential. This will be a
  • Plasma jet expelled from the nozzle which may have a range of more than 10 mm or more than 20 mm or more than 30 mm.
  • the second counter electrode upon operation of the device, may be mounted on a
  • Ground potential lie and the first counter electrode on a floating potential.
  • the plasma filaments slide over the underside of the plasma nozzle or over the partial surface of the casing extending parallel to the plate surface of the second electrode.
  • sliding discharges may be generated on the workpiece at a distance of about 1 mm to about 3 mm.
  • the first counter electrode and the second counter electrode may be at a ground potential.
  • a discharge is generated between the first counterelectrode and the electrode in the interior of the discharge space, the plasma of which is expelled from the plasma nozzle.
  • the second counterelectrode forms a counterpotential to the plasma emerging from the nozzle. In this way, sliding discharges at a distance of about 3 mm to about 20 mm to the workpiece surface are possible.
  • the process gas may be selected from argon and / or helium and / or
  • FIG. 1 shows a section through an embodiment of a plasma nozzle according to the invention during its use in the surface treatment of a workpiece.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a plasma nozzle 1 according to the invention during its use in the surface treatment of a workpiece 3 with a plasma jet 5.
  • the plasma nozzle 1 has a pin-shaped electrode 7 for applying a particular
  • This pin electrode 7 will therefore also be referred to below as a high voltage electrode
  • the pin electrode 7 is surrounded concentrically by a sheath 9 made of a dielectric material.
  • the casing 9 has a cylindrical basic shape.
  • the discharge chamber 11 has an inlet opening 12 for a process gas, for example argon, helium and / or air, and a nozzle opening 14 for the exit of the plasma jet 5.
  • the plasma jet 5 is generated in the discharge chamber 11 and driven out of the nozzle opening 14 by a flow of the process gas plasma generated.
  • the flowing process gas is shown symbolically in the figure by a block arrow in the region of the inlet opening 12.
  • a second counterelectrode 16 which surrounds the discharge chamber 11 in an annular manner in a region, is provided made of metal.
  • the second counter electrode 16 is penetrated by the dielectric jacket 9 from the electrode 7, to
  • Counter electrode 16 may be grounded to produce dielectrically impeded discharges, i. H. be electrically grounded, which is why it is also referred to below as Massering. The electrical contact is not shown in the figure.
  • the second counter electrode 16 is in the range of
  • Nozzle opening 14 is arranged so that the nozzle opening 14 extends centrally through the second counter electrode 16.
  • the second counter electrode 16 has a plate-shaped widened annular surface 18.
  • Under plate-shaped widened is understood a ring with a shape whose radial ring width is greater than its axial ring height.
  • the plasma surface facing away from the ring surface 18 of the plate-shaped widened counter electrode 16 is covered by the casing 9 and thus also of the
  • the plasma nozzle 1 has in its lower portion, i. in the region of the nozzle opening 14, a plate-shaped widening (plate underside) on.
  • the casing 9 is therefore also referred to below as a plate rod, and the entire plasma nozzle 1 is also referred to below as "disk jet.”
  • appropriately shaped plate underside extend approximately parallel to the exit direction of the generated plasma jet 5.
  • the nozzle opening 14 extends radially in the middle through the plate-shaped counter electrode 16.
  • the plasma nozzle 1 also has a first counter-electrode 20 made of metal, which can also be electrically grounded to operate the plasma nozzle 1.
  • This first counter electrode 20 also surrounds the discharge chamber 11 in a ring shape and is surrounded by the jacket 9 of the
  • the first counterelectrode 20 is at the level of the rod-shaped electrode 7
  • the electrical ground potential of the mass can also be replaced by any other potential and / or both mass rings can also occur
  • the plasma nozzle 1 can therefore be referred to as a "double-mass disk jet.”
  • a pre-discharge electrode is formed by the first counterelectrode 20 opposite the second counterelectrode 16 arranged in the region of the nozzle opening 14. That is, by discharges between the first counterelectrode 20 and the rod-shaped Electrode 7 generated plasma is transported by the flow of the process gas to the arranged in the region of the nozzle opening 14 second counter electrode 16, whereby the ignition of dielectric
  • the high-voltage electrode 7 has gas passages 25 and thus at the same time acts as a process gas supply, ie inlet opening 12. It is made of a conductive material such as stainless steel, aluminum, and / or brass. Of the
  • Plate bar serves as a dielectric and is made of a
  • the dielectric material e.g. Ceramic, glass, and / or polymer manufactured.
  • the discharge chamber forming part of the casing 9 the upper mass ring is mounted.
  • Massering are outside the discharge chamber 11 with an optional high-voltage resistant potting compound 27 of the
  • parasitic discharges occur inside the part of the plasma nozzle 1 forming an electrode head.
  • Potting compound 27 also serves to fix the mass rings between the casing 9 and the housing 29 of the plasma nozzle first
  • a plasma jet 5 with plasma generation from dielectrically impeded discharge (DBD jet) between the high-voltage electrode 7 and the upper can already be applied with the voltage applied and the process gas supply switched on
  • Massering 20 are ignited. Depending on the process gas and
  • Applied electric power can be driven out of the nozzle opening 14 of this DBD jet up to 50 mm.
  • This DBD jet can also be ignited with compressed air as process gas, for example.
  • Nozzle opening 14 expelled filaments of discharges thereto, at the bottom of the plate, i. at the
  • Masserings 16 and is therefore repeated in the figurative sense.
  • the filaments of the discharges in the region of the lower mass ring 16 can come into direct contact with the surface to be treated. Such surface discharges have better efficiency than remote plasmas.
  • the reactive species in the plasma react to a large extent on their way to the workpiece surface in remote plasmas, resulting in large efficiency losses in the activation of the surface. The latter is not the case with surface discharges.
  • the filaments come in surface discharges with the surface in contact, which allows a fine cleaning of the surface.
  • One embodiment of the method according to the invention uses a DBD remote plasma as the ignition source and projects its potential onto the non-conductive surface of the workpiece. Since the non-conductive workpiece thus indirectly to a DBD remote plasma as the ignition source and projects its potential onto the non-conductive surface of the workpiece. Since the non-conductive workpiece thus indirectly to a DBD remote plasma as the ignition source and projects its potential onto the non-conductive surface of the workpiece. Since the non-conductive workpiece thus indirectly to a
  • FIG. 2 shows the pin-shaped electrode 7 of the plasma nozzle from FIG. 1 as a detailed illustration.
  • the illustrated pin electrode 7 is radially symmetrical. At their, the tip 30 of the pin electrode 7 facing away
  • Electrode base 31 has the pin electrode 7 grooves 32, which serve to fix the pin electrode 7 in the sheath 9 of the plasma nozzle. Furthermore, 31 gas passages 25 are arranged radially symmetrically within the pin electrode 7 in the region of the electrode base. These form the inlet opening of the plasma nozzle for the process gas.
  • FIGS. 3 a to c the plasma nozzle according to the invention from FIG. 1 is in different states during its operation
  • the "Disk-Jet” can be operated in three different modes The three modes are shown in Figures 3a to c ..
  • the electrical contact is drawn in each case like a circuit diagram.
  • Plasma filaments 41 as a plasma jet, which ignite directly from the high voltage electrode to the lower mass ring.
  • the plasma filaments 41 slide in this mode over the face of the electrode.
  • Discharge filaments 41 with the workpiece surface is thereby possible.
  • realizable discharge distances to the workpiece to be treated are between 1 mm for air as process gas and 3 mm for argon or helium as process gas.
  • the most effective mode is shown in Figure 3c ("Disc-Jet" operating mode) where both mass rings are electrically grounded, as described, the lower ground ring acts as a "repeater”. The generated between the high voltage electrode and the upper ground ring
  • Discharge filaments 42 of a discharge ignite on the underside of the plate, which represents the dielectric for the lower Massering. In this way, sliding discharges at discharge distances to the workpiece to the nozzle opening of 3 mm with air as process gas up to 20 mm with argon or helium as process gas are possible.
  • the discharge filaments 42 interact both chemically and physically with the surface to be treated and cause surface activation / functionalization as well as ultrafine cleaning of arbitrarily thick, nonconducting workpieces at the level of directly acting dielectrically impeded discharges.
  • Effectiveness can also be used under industrial conditions. Both on flat plate / foil material, as well as on complicated workpiece geometries or undercuts a plasma using the "Disc-Jet" is to be applied optimally.
  • FIG. 4a shows the lift-off strength of water-based paints on PVC in comparison with the surface treatment in operating mode "DBD-Jet” and "Disc-Jet” with process gas argon.
  • Comparisons between the "Disc-Jet” mode and an identical DBD-Jet mode ie, the lower mass ring has been omitted or grounded, ie not electrically connected to ground potential
  • the "Disc-Jet” is up to 100% better results in the adhesion of water-based paints (the so-called adhesive pull strength [MPa]) to polyvinyl chloride (PVC) and polypropylene (PP).
  • MPa adhesive pull strength
  • the process gas is argon.
  • the discharge of the "Disc-Jet" has a sliding discharge character and may be in free operation, i.e. without a workpiece under the source
  • Discharge distances between the nozzle opening and workpiece surface can be realized up to 20 mm.
  • a high fissile property, i. Penetration depth in surface gaps realized on the basis of direct discharges, which enables an efficient treatment of profiled or structured surfaces or also workpieces with larger geometrical or positional tolerances.
  • FIG. 4b compares the results of the lift-off resistance of water-based paints on PVC with a surface treatment with a plasma nozzle according to the invention in the Disc-Jet mode with two different process gases, namely argon and air.
  • argon and air Two different process gases
  • FIGS. 5a to c show photographic images of the plasma jet of a plasma nozzle according to the invention in the "disc-jet" operating mode.
  • 5a shows the planar formation of the sliding discharge of the "Disc-Jet" on a workpiece surface
  • Discharge distance is constant in the experiments carried out in accordance with the figures 4 for the surface treatment 3 mm. It is clearly visible a flat discharge over the workpiece surface.
  • FIG. 5b shows the discharge characteristic of the "disk jet" in free operation (unloading without workpiece) .
  • the filaments emerge from the mouth of the nozzle opening and after a certain distance ignite again up to the disk surface of the "disk jet".
  • the filaments slide over the surface of the workpiece and form a surface discharge, which coincides with
  • 5c shows the use of the "Disc-Jet" on a plastic profile with a 10 mm deep longitudinal groove with an undercut
  • Plasma bundles emerge from the nozzle opening. This bundle forms a large one on the bottom of the longitudinal groove

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Abstract

The invention relates to a plasma nozzle (1) for generating a plasma jet (5) comprising at least one electrode (7), a sheathing (9) concentrically surrounding the electrode (7), wherein a discharge chamber (11) is formed between the electrode (7) and the sheathing (9), and wherein the discharge chamber (11) has an inlet opening (12) for a process gas and a nozzle opening (14) for emergence of the plasma jet (5) and the sheathing (9) contains or consists of a dielectric, a first counterelectrode (20) surrounding the discharge chamber (11) in a ring-shaped fashion in a first longitudinal section, wherein the first counterelectrode (20) is electrically insulated from the electrode (7) by the sheathing (9), and a second counterelectrode (16) is furthermore present, which surrounds the discharge chamber (11) in a ring-shaped fashion in a second longitudinal section, wherein the second counterelectrode (16) has a ring surface (18) widened in a plate-shaped fashion. The invention furthermore relates to a method for operating such a plasma nozzle.

Description

Plasmadüse  plasma nozzle
Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse zum Erzeugen eines Plasmastrahls mit zumindest einer Elektrode, einer die Elektrode konzentrisch umgebenden Ummantelung, wobei zwischen der Elektrode und der Ummantelung eine Entladungskammer ausgebildet ist, und wobei die Entladungskammer eine Einlassöffnung für ein Prozessgas und eine Düsenöffnung zum Austreten des Plasmastrahls aufweist und die Ummantelung ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht und einer die Entladungskammer in einem ersten Längsabschnitt ringförmig umgebende erste Gegenelektrode. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung der Plasmadüse zur Behandlung einer Oberfläche eines Werkstückes bzw. eines Werkstückes mit dem so erzeugten Plasmastrahl . The invention relates to a plasma jet for generating a plasma jet with at least one electrode, a jacket surrounding the electrode concentrically, wherein between the electrode and the jacket a discharge chamber is formed, and wherein the discharge chamber has an inlet opening for a process gas and a nozzle opening for the exit of the plasma jet and the sheath contains or consists of a dielectric and a first counterelectrode annularly surrounding the discharge chamber in a first longitudinal section. Furthermore, the invention relates to a method for using the plasma nozzle for treating a surface of a workpiece or a workpiece with the plasma jet thus generated.
Bei einer derartigen Behandlung eines Werkstückes erfolgt eine Oberflächenaktivierung und/oder - funktionalisierung und eine Feinstreinigung der behandelten Oberfläche durch den Plasmastrahl . Das Plasma kann mit einem Inertgas oder einem Reaktivgas betrieben werden, so dass physikalische und/oder chemische Prozesse an der Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes ablaufen. Dadurch wird z.B. die Haftung zwischen Materialen verbessert, beispielsweise im Falle von In such a treatment of a workpiece is a surface activation and / or - functionalization and a fine cleaning of the treated surface by the plasma jet. The plasma can be operated with an inert gas or a reactive gas, so that physical and / or chemical processes take place on the surface of the workpiece to be treated. This will e.g. improves the adhesion between materials, for example in the case of
Lackierungen oder Klebverbindungen von KunststoffOberflächen . Paintings or adhesive bonds of plastic surfaces.
Die Applikation von Plasmen auf nichtleitenden Werkstücken von hoher Materialstärke oder komplizierten Geometrien kann z.B. mit bekannten Plasmadüsen (Jet-Systemen) gemäß US 6,677,550 B2 oder US 5,961,772 vorgenommen werden. Die The application of plasmas on non-conductive workpieces of high material thickness or complicated geometries, for example, with known plasma nozzles (jet systems) according to US 6,677,550 B2 or US 5,961,772. The
Ummantelung bildet dabei selbst die Gegenelektrode aus, so dass sich zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode nach Beaufschlagung mit einer Hochspannung thermische Sheath itself forms the counter electrode, so that between the electrode and the counter electrode after exposure to a high voltage thermal
Bogenentladungen ausbilden. Das so entstehende Plasma wird durch den Gasstrom aus der Düse ausgetrieben. Training arc discharges. The resulting plasma is expelled from the nozzle by the gas flow.
Nachteile dieser Jet-Systeme sind ein beim Betrieb Disadvantages of these jet systems are one during operation
entstehender starker Elektrodenabbrand, hohe Temperaturen bedingt durch die als Plasmastrahl aus der Düsenöffnung ausgetriebenen thermischen Bogenentladungen und eine Strong electrode burn-off, high temperatures due to the thermal arc discharges driven out of the nozzle opening as a plasma jet and a high temperature
fehlende Reinigungswirkung bzw. eine niedrige Effizienz. Diese Nachteile treten insbesondere bei hohen Prozessgeschwindigkeiten auf, d.h. wenn das Werkstück vom Plasmastrahl mit hoher Geschwindigkeit überfahren wird. Bei diesen Jet-Systemen werden nämlich die im Plasma vorhandenen, zur Oberflächenbehandlung vorgesehenen reaktiven Spezies, d.h. z.B. angeregte Moleküle, Atome und/oder Ionen, nicht direkt auf der zu behandelnden Oberfläche erzeugt, da die hohen Temperaturen in thermischen Bogenentladungen die Oberfläche beschädigen würden. Um derartige physikalische Effekte der Plasmafilamente der Bogenentladungen auf der Oberfläche zu vermeiden, werden die Bogenentladungen in einiger Entfernung zur Oberfläche erzeugt. Diese Jet-Systeme werden deshalb als Remote-Systeme , die dabei erzeugten Plasmen als „Remote- Plasma" bezeichnet. Da die reaktiven Spezies nicht direkt auf der Werkstückoberfläche generiert werden, sondern in einiger Entfernung dazu, können diese Spezies jedoch auf dem Weg zur Oberfläche z.B. mit der Umgebungsluft oder den lack of cleaning effect or low efficiency. These disadvantages occur especially at high process speeds, i. when the workpiece is run over by the plasma jet at high speed. Namely, in these jet systems, the reactive species present in the plasma for surface treatment, i. e.g. Excited molecules, atoms and / or ions, not directly generated on the surface to be treated, because the high temperatures in thermal arc discharges would damage the surface. To avoid such physical effects of the plasma filaments of the arc discharges on the surface, the arc discharges are generated at some distance from the surface. These jet systems are therefore referred to as remote systems, the resulting plasmas are called "remote plasma." However, because the reactive species are not generated directly on the workpiece surface, but at some distance, these species may be on their way to the surface eg with the ambient air or the
Elektrodenwänden des Remote-Systems abreagieren. Es kann also nur ein geringer Anteil dieser Spezies mit der Abreact electrode walls of the remote system. So it can only a small proportion of this species with the
Oberfläche reagieren. Dadurch sinkt die Effizienz der Surface react. This reduces the efficiency of the
Plasmabehandlung . Plasma treatment.
Die Anwendung von bekannten Plasma-Jets ermöglicht eine Aktivierung, jedoch keine Feinstreinigung der Oberfläche. Hoher Prozessgasverbrauch, eine notwendige Kühlung des The use of known plasma jets allows activation, but no superficial cleaning of the surface. High process gas consumption, a necessary cooling of the
Prozessgases und eine geringe effektive Entladungsfläche machen dieses Verfahren zu einem nur begrenzt wirtschaftlichen Verfahren. Process gas and a small effective discharge area make this process to a limited economic process.
Alternativ sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen zur Erzeugung von Gleitentladungen auf der Oberfläche des zu reinigenden Werkstückes oder die Ausbildung von dielektrisch behinderten Entladungen auf der Oberfläche des zu reinigenden Werkstückes bekannt. Bei Gleitentladungen liegen Alternatively, known from the prior art devices for generating Gleitentladungen on the surface of the workpiece to be cleaned or the formation of dielectrically impeded discharges on the surface of the workpiece to be cleaned. With sliding discharges lie
parallel zur zu behandelnden Oberfläche angeordnete arranged parallel to the surface to be treated
Hochspannungselektroden auf unterschiedlichem elektrischen Potential und nutzen das zu behandelnde Werkstück als High voltage electrodes at different electrical potential and use the workpiece to be treated as
Überbrückungsmedium für das Erzeugen von Entladungs- filamenten. Dabei sind in Abhängigkeit vom eingesetzten Prozessgas lediglich Gleitentladungen bei Entladungs- abständen um 1 mm realisierbar. Diese Verfahren eignen sich damit nur für plane Oberflächen mit geringen Formtoleranzen, da das Plasma nicht in Hinterschneidungen oder Vertiefungen eindringen kann und der Abstand der Hochspannungselektroden präzise geregelt werden muss. Im Falle von dielektrisch behinderten bzw. Barrierenentladungen muss das im Bridging medium for generating discharge filaments. In this case, depending on the process gas used only sliding discharges at discharge intervals by 1 mm can be realized. These methods are therefore suitable only for flat surfaces with low dimensional tolerances, since the plasma can not penetrate into undercuts or depressions and the distance of the high voltage electrodes must be precisely controlled. In the case of dielectrically impeded or barrier discharges, the in
Entladungsspalt aufgenommene Werkstück auch noch dünn sein, um die Entladung mit handhabbaren elektrischen Spannungen zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Discharge gap recorded workpiece also be thin to create the discharge with manageable electrical voltages and maintain.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Reinigungsverfahren und eine Reinigungsvorrichtung zur Aktivierung bzw. Feinstreinigung einer Oberfläche bereitzustellen, welches eine verbesserte, insbesondere effizientere Behandlung der Oberfläche erlaubt und universell auf ebenen oder auch unebenen Oberflächen von Werkstücken eingesetzt werden kann. The object of the present invention is thus to provide a cleaning method and a cleaning device for activating or fine cleaning a surface, which allows an improved, in particular more efficient treatment of the surface and can be used universally on even or uneven surfaces of workpieces.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung finden sich in den Unteransprüchen. The object is achieved by a device according to claim 1 and a method according to claim 10. Advantageous developments of the invention can be found in the subclaims.
Erfindungsgemäß wird eine Plasmadüse zum Erzeugen eines Plasmastrahls vorgeschlagen. Diese enthält zumindest eine Elektrode. Die Elektrode kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung länglich oder stabförmig sein. Die Elektrode kann hohl sein bzw. einen Hohlraum enthalten. According to the invention, a plasma nozzle for generating a plasma jet is proposed. This contains at least one electrode. The electrode may be elongated or rod-shaped in some embodiments of the invention. The electrode may be hollow or contain a cavity.
Die zumindest eine Elektrode ist mit einer Ummantelung umgeben, so dass sich zwischen der Elektrode und der The at least one electrode is surrounded by a jacket, so that between the electrode and the
Ummantelung eine Entladungskammer ausbildet. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können die Ummantelung und die Elektrode konzentrisch zueinander angeordnet sein. Sheath forms a discharge chamber. In some embodiments of the invention, the sheath and the electrode may be concentric with each other.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Ummantelung ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht. According to the invention, it is proposed that the sheath contains or consists of a dielectric.
Die Entladungskammer weist weiter zumindest eine The discharge chamber further has at least one
Einlassöffnung für ein Prozessgas und eine Düsenöffnung zum Austreten des Plasmastrahls auf. Inlet opening for a process gas and a nozzle opening for the exit of the plasma jet.
Weiterhin weist die Erfindungsgemäße Vorrichtung zumindest eine erste Gegenelektrode auf, welche die Entladungskammer in einem ersten Längsabschnitt ringförmig umgibt. Dabei ist die erste Gegenelektrode durch die Ummantelung von der Furthermore, the device according to the invention has at least one first counterelectrode, which surrounds the discharge chamber in a ring-shaped manner in a first longitudinal section. Here, the first counter electrode is through the sheath of the
Elektrode elektrisch isoliert. Zusätzlich ist weiterhin eine zweite Gegenelektrode vorhanden, welche die Entladungskammer in einem zweiten Längsabschnitt ringförmig umgibt. Auch die Gegenelektroden können konzentrisch zur Elektrode und der Ummantelung angeordnet sein. Electrode electrically isolated. In addition, a second counterelectrode is additionally provided, which surrounds the discharge chamber in a ring-shaped manner in a second longitudinal section. The counterelectrodes can also be arranged concentrically with respect to the electrode and the sheath.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Verwendung bzw. zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Plasmadüse weist folgende Verfahrensschritte auf: A method according to the invention for the use or operation of a plasma nozzle according to the invention has the following method steps:
Zuführen eines eine Strömung aufweisenden Prozessgases durch die Einlassöffnung in die Entladungskammer und Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen einer Supplying a flow having process gas through the inlet opening into the discharge chamber and generating an electrical potential difference between a
Elektrode und/oder einer ersten Gegenelektrode und/oder einer zweiten Gegenelektrode, so dass sich in der Electrode and / or a first counter electrode and / or a second counter electrode, so that in the
Entladungskammer ein Plasma durch Zünden von dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas in der Discharge chamber a plasma by igniting dielectrically impeded discharges in the process gas in the
Entladungskammer ausbildet, und Erzeugen eines Plasmastrahls aus von der Strömung aus der Düsenöffnung ausgetriebenem Plasma . Forming discharge chamber, and generating a plasma jet from the expelled from the flow of the nozzle opening plasma.
Es wird somit ein Plasmastrahl mittels einer dielektrisch behinderten Entladung (Dielectric Barrier Discharge oder DBD) erzeugt (DBD-Jet) . Die Entladungsfilamente der DBD werden dabei durch Anlegen einer elektrischen Hochspannung zwischen der Elektrode und der oder den Gegenelektroden erzeugt. Bei einer DBD werden Entladungsfilamente im Thus, a plasma jet is generated by means of a dielectrically impeded discharge (Dielectric Barrier Discharge or DBD) (DBD jet). The discharge filaments of the DBD are generated by applying an electrical high voltage between the electrode and the counter electrode (s). In a DBD discharge filaments are in
Prozessgas erzeugt, in denen relativ zu thermischen Process gas generated in which relative to thermal
Bogenentladungen nur niedrige Temperaturen herrschen. Bei den so erzeugten Plasmen handelt es sich also um nicht thermische Plasmen, in denen die erzeugten reaktiven Spezies nicht im thermischen Gleichgewicht mit ihrem lokal Arc discharges only low temperatures prevail. The plasmas thus produced are thus non-thermal plasmas in which the reactive species produced are not in thermal equilibrium with their local
umgebenden Prozessgas sind. Der Entladungsprozess in den einzelnen Entladungsfilamenten ist aufgrund der dielektrischen Behinderung derart zeitlich kurz, dass sich kein thermisches Gleichgewicht ausbilden kann. Derartige Plasmen, bzw. ein daraus erzeugter Plasmastrahl, können deshalb als direkt wirkende Plasmen zur Oberflächenbehandlung eingesetzt werden. Durch die Möglichkeit der Plasmaerzeugung in surrounding process gas. The discharge process in the individual discharge filaments is so short in time due to the dielectric barrier that no thermal equilibrium can form. Such plasmas, or a plasma jet generated therefrom, can therefore be used as direct-acting plasmas for surface treatment. Due to the possibility of plasma generation in
Oberflächennähe ohne die Oberfläche zu beschädigen ist eine effiziente Behandlung möglich. Close to the surface without damaging the surface, efficient treatment is possible.
Anders als bekannte Systeme zur Plasmaaktivierung, welche oftmals das Werkstück als dielektrische Barriere nutzen, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch dickere Werkstücke bearbeitet werden, da das nichtleitende Werkstück zu einem Gegenpotential für die zweite Gegenelektrode wird. Die erfindungsgemäße Plasmadüse kombiniert somit die Vorteile bekannter Plasmajets wie hohe Spaltgängigkeit mit der Effizienz von Gleitentladungen oder Barrierenentladungen auf der Oberfläche des Werkstückes. Unlike known systems for plasma activation, which often use the workpiece as a dielectric barrier, even thicker workpieces can be processed with the device according to the invention, since the non-conductive workpiece becomes a counter potential for the second counter electrode. The plasma nozzle according to the invention thus combines the Advantages of known plasma jets such as high fissuring with the efficiency of sliding discharges or barrier discharges on the surface of the workpiece.
Mit der erfindungsgemäßen Plasmadüse ist daher auch eine Behandlung von Werkstücken im industriellen Maßstab möglich, da größere Abstandstoleranzen zwischen Plasmadüse und Werkstück möglich sind als bei bekannten Gleitentladungen und größere Werkstückdicken als bei bekannten Barrierenentladungen. Hohe Abstands- bzw. Formtoleranzen, die gerade bei Massenware wie Extrusionshalbzeugen auftreten, erfordern im Inline-Betrieb Vorbehandlungssysteme, die in möglichst hohen Toleranzbereichen eine effiziente With the plasma nozzle according to the invention, therefore, a treatment of workpieces on an industrial scale is possible, since larger distance tolerances between the plasma nozzle and the workpiece are possible than in known sliding discharges and larger workpiece thicknesses than in known barrier discharges. High clearance or shape tolerances, which occur especially for mass-produced goods such as extrusion semi-finished products, require pre-treatment systems in inline operation, which ensure efficient operation in the highest possible tolerance ranges
Aktivierung/Funktionalisierung realisieren und im gleichen Zuge eine Feinstreinigung auf der Oberfläche durchführen. Als ein derartiges Vorbehandlungssystem ist die erfindungsgemäße Plasmadüse einsetzbar. Umweltschädliche und aufwändige nasschemische Verfahren zur Oberflächenbehandlung können dadurch ersetzt werden. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Plasmadüse ähnlich einer Gleitentladungsquelle ermöglicht flächige Anwendungen. Aufgrund der ausreichend hohen ermöglichten Entladungsabstände zwischen Werkstückoberfläche und der Mündung der Düsenöffnung können  Activation / functionalization realize and at the same time carry out a fine cleaning on the surface. As such a pretreatment system, the plasma nozzle of the present invention can be used. Environmentally damaging and time-consuming wet-chemical surface treatment processes can be replaced by this. The use of the plasma nozzle according to the invention similar to a Gleitentladungsquelle enables planar applications. Due to the sufficiently high allowable discharge distances between the workpiece surface and the mouth of the nozzle opening can
Werkstücke mit Formabweichungen bei hohen Geschwindigkeiten ohne Beschädigungen behandelt werden. Zudem ist eine gute Spaltgängigkeit für geometrisch komplizierte Werkstücke, z.B. mit Hinterschneidungen, Nuten, etc. gegeben. Workpieces with deviations in form can be handled at high speeds without damage. In addition, good splitting for geometrically complicated workpieces, e.g. given with undercuts, grooves, etc.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist die zweite Gegenelektrode so an der Düsenöffnung angeordnet, dass die In some embodiments of the invention, the second counter electrode is arranged at the nozzle opening such that the
Düsenöffnung zentral durch die Gegenelektrode verläuft. Nozzle opening runs centrally through the counter electrode.
Entladungsfilamente der DBD entstehen so nicht nur in der Entladungskammer, sondern auch direkt im Bereich der Discharge filaments of the DBD are thus produced not only in the discharge chamber, but also directly in the area of
Düsenöffnung und können so die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks tangieren. Derart kann auf der Oberfläche sowohl eine chemische als auch eine physikalische Beeinflussung stattfinden. Zudem können die so erzeugten reaktiven Spezies im Plasmastrahl direkt mit der Oberfläche interagieren, ohne vorher mit der Umgebungsluft oder anderen Reaktionspartnern in Kontakt zu kommen. Nozzle opening and can thus affect the surface to be treated of the workpiece. Thus, on the surface both a chemical and a physical influence occur. In addition, the reactive species generated in the plasma jet can interact directly with the surface without first coming into contact with the ambient air or other reactants.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die zweite Gegenelektrode eine tellerförmig verbreiterte Ringoberfläche aufweisen. Dies weist den Vorteil auf, dass direkt auf einer zu behandelnden Oberfläche Entladungsfilamente erzeugt werden können. Die Tellerflächennormale sollte dabei in etwa parallel zur Plasmastrahlrichtung stehen. Mit dieser In some embodiments of the invention, the second counterelectrode may have a dish-shaped widened ring surface. This has the advantage that discharge filaments can be produced directly on a surface to be treated. The plate surface normal should be approximately parallel to the plasma jet direction. With this
Ausführungsform der Erfindung können auch elektrisch Embodiment of the invention may also be electrical
isolierende Werkstücke mit Materialstärken von mehr als 10 mm mit einer DBD behandelt werden, da das Werkstück nicht mehr vollständig im Entladungsspalt aufgenommen werden muss. Insulating workpieces with material thicknesses of more than 10 mm are treated with a DBD, since the workpiece no longer has to be completely absorbed in the discharge gap.
In einigen Ausführungen der Erfindung kann die Oberfläche der zweiten Gegenelektrode von der Ummantelung überdeckt sein. Die Ummantelung bildet somit ein durchgängiges, die Elektrodenoberfläche zur Entladungskammer und zum Werkstück hin abschirmendes Dielektrikum aus. Dies erlaubt eine einfache Konstruktion und Herstellung und einen zuverlässigen Betrieb der Plasmadüse. In some embodiments of the invention, the surface of the second counterelectrode may be covered by the sheath. The sheath thus forms a continuous dielectric which shields the electrode surface from the discharge chamber and from the workpiece. This allows for easy design and manufacture and reliable operation of the plasma nozzle.
In einigen Ausführungen der Erfindung ist bei einer In some embodiments of the invention is at a
gattungsgemäßen Plasmadüse die Ummantelung aus einem generic plasma nozzle the sheath of a
Dielektrikum ausgebildet, wobei die Gegenelektroden durch die Ummantelung von der Elektrode zur Erzeugung von Dielektrikum formed, wherein the counter-electrodes by the sheath of the electrode for the production of
dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas zwischen der Elektrode und der Gegenelektrode elektrisch isoliert ist. In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Dielektrikum ein Glas, eine Keramik oder ein dielectrically impeded discharges in the process gas between the electrode and the counter electrode is electrically isolated. In some embodiments of the invention, the dielectric may be a glass, a ceramic, or a glass
Polymer enthalten. In einigen Ausführungsformen der Polymer included. In some embodiments, the
Erfindung kann das Polymer Polytetrafluorethylen (PTFE) sein oder enthalten. In einigen Ausführungen der Erfindung ist die Elektrode im Entladungsraum mit einem Dielektrikum beschichtet. Diese zusätzliche Beschichtung bewirkt eine noch homogenere Entladungscharakteristik des von der DBD erzeugten Plasmas. Die Beschichtung kann ein Polymer oder eine Keramik enthalten oder daraus bestehen. Die Beschichtung kann Polytetra- fluorethylen oder ein Oxid oder ein Oxinitrid enthalten. Invention, the polymer may be or contain polytetrafluoroethylene (PTFE). In some embodiments of the invention, the electrode is coated in the discharge space with a dielectric. This additional coating provides an even more homogeneous discharge characteristic of the plasma generated by the DBD. The coating may contain or consist of a polymer or a ceramic. The coating may contain polytetrafluoroethylene or an oxide or an oxynitride.
In einigen Ausführungen der Erfindung kann die Einlassöffnung von mindestens einer Gasdurchführung in der Elektrode ausgebildet sein. Vorteilhaft können die Gasdurchführungen eine Mehrzahl von Bohrungen umfassen, welche radialsymmetrisch in der Elektrode angeordnet sind, wird eine gleichmäßige Strömung des Prozessgases durch die In some embodiments of the invention, the inlet opening may be formed by at least one gas passage in the electrode. Advantageously, the gas passages may comprise a plurality of bores, which are arranged radially symmetrically in the electrode, a uniform flow of the process gas through the
Entladungskammer erreicht. Dies führt auch zu einem Discharge chamber reached. This also leads to one
besonders homogenen und stabilen Plasmastrahl. particularly homogeneous and stable plasma jet.
In einigen Ausführungen der Erfindung kann ein Plasmadüsengehäuse vorhanden sein, wobei die Gegenelektroden mittels einer Vergussmasse zwischen der Ummantelung und dem In some embodiments of the invention, a plasma nozzle housing may be present, wherein the counter electrodes by means of a potting compound between the sheath and the
Plasmadüsengehäuse fixiert sind. Derart ist eine Plasma nozzle housing are fixed. Such is one
kostengünstige Herstellung der Plasmadüse möglich und es werden parasitäre Entladungen im Inneren der Plasmadüse vermieden . cost-effective production of the plasma nozzle possible and it parasitic discharges are avoided in the interior of the plasma nozzle.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann bei Betrieb der Vorrichtung die erste Gegenelektrode auf einem Massepotential liegen und sich die zweite Gegenelektrode auf einem Floating-Potential befinden. Hierdurch wird ein In some embodiments of the invention, during operation of the device, the first counter electrode may be at a ground potential and the second counter electrode may be at a floating potential. This will be a
Plasmajet aus der Düse ausgetrieben, welcher eine Reichweite von mehr als 10 mm oder mehr als 20 mm oder mehr als 30 mm haben kann . Plasma jet expelled from the nozzle, which may have a range of more than 10 mm or more than 20 mm or more than 30 mm.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann bei Betrieb der Vorrichtung die zweite Gegenelektrode auf einem In some embodiments of the invention, upon operation of the device, the second counter electrode may be mounted on a
Massepotential liegen und sich die erste Gegenelektrode auf einem Floating-Potential befinden. In diesem Betriebszustand gleiten die Plasmafilamente über die Unterseite der Plasmadüse bzw. über die parallel zur Tellerfläche der zweiten Elektrode verlaufende Teilfläche der Umhüllung. In diesem Fall können in einem Abstand von etwa 1 mm bis etwa 3 mm Gleitentladungen auf dem Werkstück erzeugt werden. Ground potential lie and the first counter electrode on a floating potential. In this operating state, the plasma filaments slide over the underside of the plasma nozzle or over the partial surface of the casing extending parallel to the plate surface of the second electrode. In this case, sliding discharges may be generated on the workpiece at a distance of about 1 mm to about 3 mm.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung können sich bei Betrieb der Vorrichtung die erste Gegenelektrode und die zweite Gegenelektrode auf einem Massepotential befinden. In diesem Betriebszustand wird zwischen der ersten Gegenelektrode und der Elektrode im Inneren des Entladungsraumes eine Entladung erzeugt, deren Plasma aus der Plasmadüse ausgetrieben wird. Die zweite Gegenelektrode bildet ein Gegenpotential zu dem aus der Düse austretenden Plasma. Auf diese Weise sind Gleitentladungen in einem Abstand von etwa 3 mm bis etwa 20 mm zur Werkstückoberfläche möglich. In some embodiments of the invention, during operation of the device, the first counter electrode and the second counter electrode may be at a ground potential. In this operating state, a discharge is generated between the first counterelectrode and the electrode in the interior of the discharge space, the plasma of which is expelled from the plasma nozzle. The second counterelectrode forms a counterpotential to the plasma emerging from the nozzle. In this way, sliding discharges at a distance of about 3 mm to about 20 mm to the workpiece surface are possible.
In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann das Prozessgas ausgewählt sein aus Argon und/oder Helium und/oder In some embodiments of the invention, the process gas may be selected from argon and / or helium and / or
Umgebungsluft und/oder synthetischer Luft und/oder Gasgemischen aus Stickstoff und Sauerstoff im Mischungsverhältnis 90/10 oder 95/5 Volumenprozent. Ambient air and / or synthetic air and / or gas mixtures of nitrogen and oxygen in the mixing ratio 90/10 or 95/5 volume percent.
Als mögliche Oberflächenbehandlungen mit dem Plasmastrahl einer erfindungsgemäßen Plasmadüse sind alle bisherigen Einsatzgebiete, in denen Plasma eine Anwendung findet, möglich, z.B. Oberflächenfunktionalisierung, Qberflächen- aktivierung, Schichtabscheidung, Feinstreinigung und/oder Desinfektion . As possible surface treatments with the plasma jet of a plasma nozzle according to the invention, all previous fields of use in which plasma is used are possible, e.g. Surface functionalization, surface activation, layer deposition, ultrafine cleaning and / or disinfection.
Besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Particular embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Plasmadüse während deren Verwendung bei der Oberflächenbehandlung eines Werkstückes. Drawings explained in more detail. Show it: 1 shows a section through an embodiment of a plasma nozzle according to the invention during its use in the surface treatment of a workpiece.
Fig. 2 die stiftförmige Elektrode der Plasmadüse aus Figur 1 als Detaildarstellung. Fig. 2, the pin-shaped electrode of the plasma nozzle of Figure 1 as a detail.
Fig. 3a bis c erfindungsgemäße Plasmadüse aus Figur 1 in Fig. 3a to c according to the invention plasma nozzle of Figure 1 in
verschiedenen Betriebsmodi .  different operating modes.
Fig. 4a und b Qualitätsparameter von Arbeitsergebnissen bei der Oberflächenbehandlung von Werkstücken in Fig. 4a and b quality parameters of work results in the surface treatment of workpieces in
Abhänggigkeit von Betriebsparametern des  Dependence of operating parameters of the
erfindungsgemäßen Verfahrens in jeweils einer Balkendiagrammdarstellung .  inventive method in each case a bar chart representation.
Fig. 5a bis c photographische Aufnahmen des Plasmastrahls einer erfindungsgemäßen Plasmadüse. 5a to c photographic photographs of the plasma jet of a plasma nozzle according to the invention.
In Figur 1 ist eine geschnittene Darstellung einer erfindungsgemäßen Plasmadüse 1 während deren Verwendung bei der Oberflächenbehandlung eines Werkstückes 3 mit einem Plasmastrahl 5 gezeigt. Die Plasmadüse 1 weist eine stiftförmige Elektrode 7 zum Beaufschlagen mit einer insbesondere FIG. 1 shows a sectional view of a plasma nozzle 1 according to the invention during its use in the surface treatment of a workpiece 3 with a plasma jet 5. The plasma nozzle 1 has a pin-shaped electrode 7 for applying a particular
gepulsten Hochspannung auf. Diese Stiftelektrode 7 wird daher im Folgenden auch als Hochspannungselektrode pulsed high voltage on. This pin electrode 7 will therefore also be referred to below as a high voltage electrode
bezeichnet. Die Stiftelektrode 7 ist von einer Ummantelung 9 aus einem dielektrischen Material konzentrisch umgeben. Die Ummantelung 9 weist eine zylindrische Grundform auf. designated. The pin electrode 7 is surrounded concentrically by a sheath 9 made of a dielectric material. The casing 9 has a cylindrical basic shape.
Zwischen der Elektrode 7 und der Ummantelung 9 ist eine Entladungskammer 11 ausgebildet. Die Entladungskammer 11 weist eine Einlassöffnung 12 für ein Prozessgas, z.B. Argon, Helium und/oder Luft, und eine Düsenöffnung 14 zum Austreten des Plasmastrahls 5 auf. Der Plasmastrahl 5 wird aus in der Entladungskammer 11 erzeugtem und durch eine Strömung des Prozessgases aus der Düsenöffnung 14 ausgetriebenem Plasma erzeugt. Das strömende Prozessgas ist in der Figur durch einen Blockpfeil im Bereich der Einlassöffnung 12 symbolisch dargestellt . Between the electrode 7 and the casing 9, a discharge chamber 11 is formed. The discharge chamber 11 has an inlet opening 12 for a process gas, for example argon, helium and / or air, and a nozzle opening 14 for the exit of the plasma jet 5. The plasma jet 5 is generated in the discharge chamber 11 and driven out of the nozzle opening 14 by a flow of the process gas plasma generated. The flowing process gas is shown symbolically in the figure by a block arrow in the region of the inlet opening 12.
Weiter ist eine die Entladungskammer 11 in einem Bereich ringförmig umgebende zweite Gegenelektrode 16 aus Metall vorgesehen. Die zweite Gegenelektrode 16 ist durch die dielektrische Ummantelung 9 von der Elektrode 7, zur Furthermore, a second counterelectrode 16, which surrounds the discharge chamber 11 in an annular manner in a region, is provided made of metal. The second counter electrode 16 is penetrated by the dielectric jacket 9 from the electrode 7, to
Erzeugung von dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas zwischen der stiftförmigen Elektrode 7 und der Gegenelektrode 16 elektrisch isoliert. Die zweite Generation of dielectrically impeded discharges in the process gas between the pin-shaped electrode 7 and the counter electrode 16 electrically isolated. The second
Gegenelektrode 16 kann zur Erzeugung der dielektrisch behinderten Entladungen auf Masse gelegt, d. h. elektrisch geerdet, sein, weshalb sie im Folgenden auch als Massering bezeichnet wird. Die elektrische Kontaktierung ist in der Figur nicht eingezeichnet . Counter electrode 16 may be grounded to produce dielectrically impeded discharges, i. H. be electrically grounded, which is why it is also referred to below as Massering. The electrical contact is not shown in the figure.
Die zweite Gegenelektrode 16 ist derart im Bereich der The second counter electrode 16 is in the range of
Düsenöffnung 14 angeordnet, dass die Düsenöffnung 14 zentral durch die zweite Gegenelektrode 16 verläuft. Weiter weist die zweite Gegenelektrode 16 eine tellerförmig verbreiterte Ringoberfläche 18 auf. Unter tellerförmig verbreitert wird dabei ein Ring mit einer Form verstanden, dessen radiale Ringbreite größer ist als seine axiale Ringhöhe. Die der Plasmastrahlrichtung abgewandte Ringoberfläche 18 der tellerförmig verbreiterten Gegenelektrode 16 ist von der Ummantelung 9 überdeckt und damit ebenfalls von der Nozzle opening 14 is arranged so that the nozzle opening 14 extends centrally through the second counter electrode 16. Next, the second counter electrode 16 has a plate-shaped widened annular surface 18. Under plate-shaped widened is understood a ring with a shape whose radial ring width is greater than its axial ring height. The plasma surface facing away from the ring surface 18 of the plate-shaped widened counter electrode 16 is covered by the casing 9 and thus also of the
Hochspannungselektrode 7 mittels des Dielektrikums der High voltage electrode 7 by means of the dielectric of
Ummantelung 9 abgeschirmt. Derart weist die Plasmadüse 1 in ihrem unteren Bereich, d.h. im Bereich der Düsenöffnung 14, eine tellerförmige Verbreiterung (Tellerunterseite) auf. Die Ummantelung 9 wird daher im Folgenden auch als Tellerstab bezeichnet und die gesamte Plasmadüse 1 wird im Folgenden auch als „Disk-Jet" bezeichnet. Die Flächennormalen der tellerförmig verbreiterten Ringoberfläche 18 und der Sheath 9 shielded. Thus, the plasma nozzle 1 has in its lower portion, i. in the region of the nozzle opening 14, a plate-shaped widening (plate underside) on. The casing 9 is therefore also referred to below as a plate rod, and the entire plasma nozzle 1 is also referred to below as "disk jet." The surface normals of the plate-shaped widened ring surface 18 and the
entsprechend ausgeformten Tellerunterseite verlaufen in etwa parallel zur Austrittsrichtung des erzeugten Plasmastrahls 5. Die Düsenöffnung 14 verläuft radial mittig durch die tellerförmige Gegenelektrode 16. appropriately shaped plate underside extend approximately parallel to the exit direction of the generated plasma jet 5. The nozzle opening 14 extends radially in the middle through the plate-shaped counter electrode 16.
Die Plasmadüse 1 weist weiterhin eine erste Gegenelektrode 20 aus Metall auf, die ebenfalls zum Betrieb der Plasmadüse 1 elektrisch auf Masse gelegt werden kann. Diese erste Gegenelektrode 20 umgibt die Entladungskammer 11 ebenfalls ringförmig und ist durch die Ummantelung 9 von der The plasma nozzle 1 also has a first counter-electrode 20 made of metal, which can also be electrically grounded to operate the plasma nozzle 1. This first counter electrode 20 also surrounds the discharge chamber 11 in a ring shape and is surrounded by the jacket 9 of the
stabförmigen Elektrode 7 isoliert. Die erste Gegenelektrode 20 ist dabei auf Höhe der stabförmigen Elektrode 7 rod-shaped electrode 7 isolated. The first counterelectrode 20 is at the level of the rod-shaped electrode 7
angeordnet und wird im Folgenden auch als oberer Massering bezeichnet, wogegen die im Bereich der Düsenöffnung 14 angeordneten zweite Gegenelektrode 16 als unterer Massering bezeichnet wird. Das elektrische Erdpotential der Masse kann auch durch ein beliebig anderes Potential ersetzt werden und/oder es können auch beide Masseringe auf arranged and is also referred to below as the upper mass ring, whereas the arranged in the region of the nozzle opening 14 second counter electrode 16 is referred to as the lower mass ring. The electrical ground potential of the mass can also be replaced by any other potential and / or both mass rings can also occur
unterschiedliche Potentiale gelegt werden, d.h. mit jeweils unterschiedlichen Spannungsquellen elektrisch verbunden werden. Aus sicherheits- und anwendungstechnischen Gründen ist das Erdpotential jedoch zu bevorzugen. different potentials are set, i. be electrically connected to different voltage sources. For safety and application reasons, however, the earth potential is to be preferred.
Die Plasmadüse 1 kann daher als „Disk-Jet mit doppelter Masse" bezeichnet werden. Von der ersten Gegenelektrode 20 gegenüber der im Bereich der Düsenöffnung 14 angeordneten zweiten Gegenelektrode 16 wird eine Vorentladungselektrode ausgebildet. D.h. das durch Entladungen zwischen der ersten Gegenelektrode 20 und der stabförmigen Elektrode 7 erzeugte Plasma wird von der Strömung des Prozessgases zur im Bereich der Düsenöffnung 14 angeordneten zweiten Gegenelektrode 16 transportiert, wodurch das Zünden von dielektrisch The plasma nozzle 1 can therefore be referred to as a "double-mass disk jet." A pre-discharge electrode is formed by the first counterelectrode 20 opposite the second counterelectrode 16 arranged in the region of the nozzle opening 14. That is, by discharges between the first counterelectrode 20 and the rod-shaped Electrode 7 generated plasma is transported by the flow of the process gas to the arranged in the region of the nozzle opening 14 second counter electrode 16, whereby the ignition of dielectric
behinderten Entladungen im Bereich der letztgenannten zweiten Gegenelektrode möglich wird, d.h. eine dielektrisch behinderte Nachentladung angeregt wird. Die Hochspannungselektrode 7 weist Gasdurchführungen 25 auf und fungiert dadurch zugleich als Prozessgaszuführung, d.h. Einlassöffnung 12. Sie ist aus einem leitenden Material z.B. Edelstahl, Aluminium, und/oder Messing gefertigt. Der disabled discharges in the region of the latter second counter electrode is possible, that is, a dielectrically impeded after-discharge is excited. The high-voltage electrode 7 has gas passages 25 and thus at the same time acts as a process gas supply, ie inlet opening 12. It is made of a conductive material such as stainless steel, aluminum, and / or brass. Of the
Tellerstab dient als Dielektrikum und ist aus einem Plate bar serves as a dielectric and is made of a
dielektrischen Material z.B. Keramik, Glas, und/oder Polymer gefertigt. Im oberen Bereich der Tellerstabhülse, d.h. dem zylindrischen, die Entladungskammer ausbildenden Teil der Ummantelung 9, ist der obere Massering angebracht. Die dielectric material e.g. Ceramic, glass, and / or polymer manufactured. In the upper area of the Tellerstabhülse, i. the cylindrical, the discharge chamber forming part of the casing 9, the upper mass ring is mounted. The
Masseringe sind außerhalb der Entladungskammer 11 mit einer optionalen hochspannungsfesten Vergussmasse 27 von der Massering are outside the discharge chamber 11 with an optional high-voltage resistant potting compound 27 of the
Hochspannungselektrode 7 abgeschirmt, damit keine High voltage electrode 7 shielded, so no
parasitären Entladungen im Inneren des einen Elektrodenkopf ausbildenden Teils der Plasmadüse 1 auftreten. Die parasitic discharges occur inside the part of the plasma nozzle 1 forming an electrode head. The
Vergussmasse 27 dient auch zur Fixierung der Masseringe zwischen der Ummantelung 9 und dem Gehäuse 29 der Plasmadüse 1. Potting compound 27 also serves to fix the mass rings between the casing 9 and the housing 29 of the plasma nozzle first
Auf Basis dieser Anordnung kann bei angelegter Spannung und eingeschalteter Prozessgaszufuhr bereits ein Plasmastrahl 5 mit Plasmaerzeugung aus dielektrisch behinderter Entladung (DBD-Jet) zwischen Hochspannungselektrode 7 und oberem Based on this arrangement, a plasma jet 5 with plasma generation from dielectrically impeded discharge (DBD jet) between the high-voltage electrode 7 and the upper can already be applied with the voltage applied and the process gas supply switched on
Massering 20 gezündet werden. Je nach Prozessgas und Massering 20 are ignited. Depending on the process gas and
angelegter elektrischer Leistung lässt sich dieser DBD-Jet bis zu 50 mm aus der Düsenöffnung 14 austreiben. Dieser DBD- Jet kann beispielsweise auch mit Druckluft als Prozessgas gezündet werden. Applied electric power can be driven out of the nozzle opening 14 of this DBD jet up to 50 mm. This DBD jet can also be ignited with compressed air as process gas, for example.
Bei der beschriebenen Entladungsanordnung des „Disc-Jet" zwingt der konzentrische untere Massering 16 aus der In the described discharge arrangement of the "Disc-Jet" forces the concentric lower mass ring 16 of the
Düsenöffnung 14 ausgetriebene Filamente von Entladungen dazu, an der Unterseite des Tellers, d.h. an der dem Nozzle opening 14 expelled filaments of discharges thereto, at the bottom of the plate, i. at the
Werkstück zugewandten tellerartig verbreiterten Unterseite der Ummantelung 9 zu zünden. So kann, im freien Betrieb, d.h. ohne dass sich ein Werkstück unter der Quelle, d.h. der Düsenöffnung 14, befindet, eine Entladung zünden, die nach dem Prinzip eines Repeaters agiert. Bei letzterem Prinzip erzeugt die Entladung zwischen dem oberem Massering 20 und der Hochspannungselektrode 7, bzw. das Plasma dieser Entladung, eine weitere Entladung im Bereich des unteren To ignite workpiece facing plate-like widened underside of the casing 9. Thus, in free operation, ie, without a workpiece under the source, ie, the nozzle opening 14, ignite a discharge, the after the principle of a repeater. In the latter principle, the discharge between the upper ground ring 20 and the high-voltage electrode 7, or the plasma of this discharge, generates a further discharge in the region of the lower one
Masserings 16 und wird deshalb im übertragenen Sinne wiederholt. Die Filamente der Entladungen im Bereich des unteren Masserings 16 können direkt mit der zu behandelnden Oberfläche in Kontakt kommen. Derartige Oberflächenentladungen weisen eine bessere Effizienz als Remote-Plasmen auf. Die reaktiven Spezies im Plasma reagieren auf ihrem Weg zur Werkstückoberfläche bei Remote-Plasmen zu einem großen Teil ab, was große Effizienzeinbußen in der Aktivierung der Oberfläche hervorbringt. Letzteres ist bei Oberflächenentladungen nicht der Fall. Zudem kommen die Filamente bei Oberflächenentladungen mit der Oberfläche in Kontakt, was eine Feinstreinigung der Oberfläche ermöglicht. Masserings 16 and is therefore repeated in the figurative sense. The filaments of the discharges in the region of the lower mass ring 16 can come into direct contact with the surface to be treated. Such surface discharges have better efficiency than remote plasmas. The reactive species in the plasma react to a large extent on their way to the workpiece surface in remote plasmas, resulting in large efficiency losses in the activation of the surface. The latter is not the case with surface discharges. In addition, the filaments come in surface discharges with the surface in contact, which allows a fine cleaning of the surface.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nutzt ein DBD-Remote Plasma als Zündquelle und projiziert ihr Potential auf die nichtleitende Oberfläche des Werkstücks. Da das nichtleitende Werkstück somit indirekt zu einem One embodiment of the method according to the invention uses a DBD remote plasma as the ignition source and projects its potential onto the non-conductive surface of the workpiece. Since the non-conductive workpiece thus indirectly to a
Gegenpotential, auch Floating Potential genannt, für den unteren Massering 16 wird, kommt es zwischen der Counter potential, also called floating potential, for the lower mass ring 16, it comes between the
Tellerunterseite und dem nichtleitenden Werkstück zur Plate base and the non-conductive workpiece to
Ausbildung von tangierenden Filamenten einer Entladung. Je nach Abstand zwischen Tellerunterseite und Werkstück bildet sich somit, unterstützt vom Staudruck des kontinuierlich strömenden Prozessgases, eine über die Oberfläche der Formation of tangent filaments of a discharge. Depending on the distance between the underside of the plate and the workpiece, an over-surface surface is formed, supported by the back pressure of the continuously flowing process gas
Tellerunterseite (Tellerfläche) weitgehend homogene Plate underside (plate surface) largely homogeneous
Plasmaentladung aus. Plasma discharge off.
In Figur 2 ist die stiftförmige Elektrode 7 der Plasmadüse aus Figur 1 als Detaildarstellung gezeigt. Die dargestellte Stiftelektrode 7 ist radialsymmetrisch ausgebildet. An ihrer, der Spitze 30 der Stiftelektrode 7 abgewandten FIG. 2 shows the pin-shaped electrode 7 of the plasma nozzle from FIG. 1 as a detailed illustration. The illustrated pin electrode 7 is radially symmetrical. At their, the tip 30 of the pin electrode 7 facing away
Elektrodenbasis 31 weist die Stiftelektrode 7 Nuten 32 auf, die zur Fixierung der Stiftelektrode 7 in der Ummantelung 9 der Plasmadüse dienen. Weiter sind im Bereich der Elektrodenbasis 31 Gasdurchführungen 25 radialsymmetrisch innerhalb der Stiftelektrode 7 angeordnet. Diese bilden die Einlassöffnung der Plasmadüse für das Prozessgas aus. Electrode base 31 has the pin electrode 7 grooves 32, which serve to fix the pin electrode 7 in the sheath 9 of the plasma nozzle. Furthermore, 31 gas passages 25 are arranged radially symmetrically within the pin electrode 7 in the region of the electrode base. These form the inlet opening of the plasma nozzle for the process gas.
In den Figuren 3a bis c ist die erfindungsgemäße Plasmadüse aus Figur 1 während ihres Betriebes in verschiedenen In FIGS. 3 a to c, the plasma nozzle according to the invention from FIG. 1 is in different states during its operation
Betriebsmodi dargestellt. Aufgrund der Elektrodenkonfiguration mit einer Hochspannungselektrode und zwei Operating modes shown. Due to the electrode configuration with one high voltage electrode and two
Gegenelektroden, nämlich dem oberen und dem unteren Counter electrodes, namely the upper and the lower
Massering, kann der „Disk-Jet" in drei verschiedenen Modi betrieben werden. In den Figuren 3a bis c sind die drei Modi dargestellt. Die elektrische Kontaktierung ist jeweils schaltplanartig eingezeichnet. Massering, the "Disk-Jet" can be operated in three different modes The three modes are shown in Figures 3a to c .. The electrical contact is drawn in each case like a circuit diagram.
Legt man bei einer an eine Hochspannungsquelle angeschlossener Hochspannungselektrode die Masse lediglich an den oberen Massering an, erhält man eine reine DBD-Jet- Entladung deren Plasmastrahl 40 in Figur 3a (Betriebsmodus „DBD-Jet") gezeigt ist. Dieser Plasmastrahl 40 weist eine Länge bis 50 mm bei den Prozessgasen Argon, Helium oder Luft auf . If, in the case of a high-voltage electrode connected to a high-voltage source, the mass is applied only to the upper ground ring, a pure DBD-jet discharge is obtained whose plasma jet 40 is shown in Figure 3a (operating mode "DBD-Jet") up to 50 mm for the process gases argon, helium or air.
Wird hingegen, wie in Figur 3b, nur der untere Massering mit Masse kontaktiert, d.h. geerdet, so erhält man Entladungsbzw. Plasmafilamente 41 als Plasmastrahl, die direkt von der Hochspannungselektrode auf den unteren Massering zünden. Die Plasmafilamente 41 gleiten in diesem Modus über die Tellerfläche der Elektrode. Eine deutliche Interaktion der If, on the other hand, as in FIG. 3b, only the lower ground ring is grounded, i. grounded, so you get discharge or. Plasma filaments 41 as a plasma jet, which ignite directly from the high voltage electrode to the lower mass ring. The plasma filaments 41 slide in this mode over the face of the electrode. A clear interaction of the
Entladungsfilamente 41 mit der Werkstückoberfläche ist dadurch möglich. Realisierbare Entladungsabstände zum zu behandelnden Werkstück liegen je nach Prozessgas zwischen 1 mm bei Luft als Prozessgas und 3 mm bei Argon oder Helium als Prozessgas. Der effektivste Modus ist in Figur 3c dargestellt (Betriebsmodus „Disc-Jet") . Dabei sind beide Masseringe elektrisch mit Masse kontaktiert. Wie beschrieben fungiert der untere Massering dabei als „Repeater". Das zwischen Hochspannungselektrode und oberem Massering generierte Discharge filaments 41 with the workpiece surface is thereby possible. Depending on the process gas, realizable discharge distances to the workpiece to be treated are between 1 mm for air as process gas and 3 mm for argon or helium as process gas. The most effective mode is shown in Figure 3c ("Disc-Jet" operating mode) where both mass rings are electrically grounded, as described, the lower ground ring acts as a "repeater". The generated between the high voltage electrode and the upper ground ring
Remoteplasma wird aus der Düsenöffnung als Plasmastrahl ausgeblasen und bietet mit seinem Floating Potential dem unteren Massering ein Gegenpotential. Entladungsfilamente 42 einer Entladung zünden an die Tellerunterseite, welche das Dielektrikum für den unteren Massering darstellt. Auf diese Weise sind Gleitentladungen bei Entladungsabständen zum Werkstück zur Düsenöffnung von 3 mm bei Luft als Prozessgas bis zu 20 mm bei Argon oder Helium als Prozessgas möglich. Die Entladungsfilamente 42 interagieren sowohl chemisch als auch physikalisch mit der zu behandelnden Oberfläche und bewirken sowohl eine Oberflächenaktivierung/ bzw. -funk- tionalisierung als auch eine Feinstreinigung von beliebig dicken, nichtleitenden Werkstücken auf dem Niveau von direkt agierenden dielektrisch behinderten Entladungen. Remote plasma is blown out of the nozzle opening as a plasma jet and with its floating potential offers a counterpotential to the lower mass ring. Discharge filaments 42 of a discharge ignite on the underside of the plate, which represents the dielectric for the lower Massering. In this way, sliding discharges at discharge distances to the workpiece to the nozzle opening of 3 mm with air as process gas up to 20 mm with argon or helium as process gas are possible. The discharge filaments 42 interact both chemically and physically with the surface to be treated and cause surface activation / functionalization as well as ultrafine cleaning of arbitrarily thick, nonconducting workpieces at the level of directly acting dielectrically impeded discharges.
Der „Disc-Jet" ist basierend auf seiner Bauform einfach in bestehende Prozesse integrierbar und aufgrund seiner Based on its design, the "Disc-Jet" can easily be integrated into existing processes and, thanks to its
Effektivität auch unter Industriebedingungen einsetzbar. Sowohl auf flächigem Platten-/Folienmaterial , als auch auf komplizierten Werkstückgeometrien oder Hinterschneidungen ist ein Plasma unter Verwendung des „Disc-Jet" optimal zu applizieren . Effectiveness can also be used under industrial conditions. Both on flat plate / foil material, as well as on complicated workpiece geometries or undercuts a plasma using the "Disc-Jet" is to be applied optimally.
In den Figuren 4a und b sind Qualitätsparameter von In FIGS. 4a and 4b, quality parameters of
Arbeitsergebnissen bei der Oberflächenbehandlung von Work results in the surface treatment of
Werkstücken in Abhänggigkeit von Betriebsparametern des erfindungsgemäßen Verfahrens in jeweils einer Balkendiagrammdarstellung im Vergleich gezeigt. Figur 4a zeigt die Abhebefestigkeit von wasserbasierenden Lacken auf PVC im Vergleich bei der Oberflächenbehandlung im Betriebsmodus „DBD-Jet" und „Disc-Jet" mit Prozessgas Argon. Vergleiche zwischen dem „Disc-Jet" Modus und einem baugleichen DBD-Jet Modus (d.h. der untere Massering wurde weggelassen bzw. nicht auf Masse gelegt, d.h. nicht elektrisch mit Erdpotential verbunden) haben gezeigt, dass der „Disc- Jet" beispielsweise bis zu 100% bessere Ergebnisse in der Haftfestigkeit von wasserbasierenden Lacken (der sogenannten adhesive pull strength [MPa] ) auf Polyvinylchlorid (PVC) und Polypropylen (PP) erreicht. In Figur 4a sind die Oberflächenbehandlungsergebnisse der beiden Betriebsmodi bei unterschiedlichen Prozessgeschwindigkeiten Workpieces as a function of operating parameters of the method according to the invention in each case a bar chart representation shown in comparison. FIG. 4a shows the lift-off strength of water-based paints on PVC in comparison with the surface treatment in operating mode "DBD-Jet" and "Disc-Jet" with process gas argon. Comparisons between the "Disc-Jet" mode and an identical DBD-Jet mode (ie, the lower mass ring has been omitted or grounded, ie not electrically connected to ground potential) have shown that the "Disc-Jet" is up to 100% better results in the adhesion of water-based paints (the so-called adhesive pull strength [MPa]) to polyvinyl chloride (PVC) and polypropylene (PP). In Figure 4a, the surface treatment results of the two modes of operation are at different process speeds
gegenübergestellt. Das Prozessgas ist Argon. Bei geringen Behandlungsgeschwindigkeiten zeigen sich keine signifikanten Unterschiede in der Haftfestigkeit der Lackschicht. Ab 4 meter/min bis hin zu 32 meter/min zeigt sich eine drastische Abnahme der Behandlungsergebnisse des DBD-Jet Modus, wohingegen der Disc-Jet Modus signifikant bessere Ergebnisse in der Haftfestigkeit des Lackes zeigt. Seine Vorteile zeigen sich somit insbesondere bei hohen Behandlungsgeschwindigkeiten, die besonders für die Industrie eine hohe Relevanz besitzen. Die Entladung des „Disc-Jet" hat Gleit- entladungscharakter und kann im freien Betrieb, d.h. ohne dass sich ein Werkstück unter der Quelle befindet, mit compared. The process gas is argon. At low treatment speeds, there are no significant differences in the adhesion of the lacquer layer. From 4 meters / min up to 32 meters / min there is a drastic decrease in the treatment results of the DBD-Jet mode, whereas the Disc-Jet mode shows significantly better results in the adhesion of the paint. Its advantages are thus particularly evident at high treatment speeds, which are of great relevance especially for industry. The discharge of the "Disc-Jet" has a sliding discharge character and may be in free operation, i.e. without a workpiece under the source
Entladungsabständen zwischen Düsenöffnung und Werkstückoberfläche bis zu 20 mm realisiert werden. Somit ist eine hohe Spaltgängigkeit , d.h. Eindringtiefe in Oberflächenspalten, auf Basis direkter Entladungen realisiert, was eine effiziente Behandlung von profilierten bzw. strukturierten Oberflächen oder auch Werkstücken mit größeren Form- oder Lagetoleranzen ermöglicht. Discharge distances between the nozzle opening and workpiece surface can be realized up to 20 mm. Thus, a high fissile property, i. Penetration depth in surface gaps, realized on the basis of direct discharges, which enables an efficient treatment of profiled or structured surfaces or also workpieces with larger geometrical or positional tolerances.
In Figur 4b sind Ergebnisse der Abhebefestigkeit von wasserbasierenden Lacken auf PVC bei einer Oberflächenbehandlung mit einer erfindungsgemäßen Plasmadüse im Disc-Jet Modus mit zwei verschiedenen Prozessgasen, nämlich Argon und Luft, gegenübergestellt. Behandelt wurden Profile auf PVC Basis, welche nach der Behandlung mit wasserbasierendem Lack lackiert wurden. Die Verwendung von Argon als auch Luft ermöglicht mit sämtlichen Behandlungsgeschwindigkeiten eine deutliche Optimierung bis 300% der Abhebefestigkeiten des Lackes im Vergleich zu unbehandelten Oberflächen. FIG. 4b compares the results of the lift-off resistance of water-based paints on PVC with a surface treatment with a plasma nozzle according to the invention in the Disc-Jet mode with two different process gases, namely argon and air. We treated PVC-based profiles after treatment with water-based varnish were painted. The use of argon and air at all treatment speeds allows a significant optimization up to 300% of the lift-off resistance of the paint compared to untreated surfaces.
In Fig. 5a bis c sind photographische Aufnahmen des Plasmastrahls einer erfindungsgemäßen Plasmadüse im Betriebsmodus „Disc-Jet" gezeigt. FIGS. 5a to c show photographic images of the plasma jet of a plasma nozzle according to the invention in the "disc-jet" operating mode.
Figur 5a zeigt die flächige Ausbildung der Gleitentladung des „Disc-Jet" auf einer Werkstückoberfläche. Der 5a shows the planar formation of the sliding discharge of the "Disc-Jet" on a workpiece surface
Entladungsabstand ist bei den durchgeführten Versuchen gemäß den Figuren 4 für die flächige Behandlung konstant 3 mm. Es ist deutlich eine flächige Entladung über die Werkstückoberfläche zu erkennen. Discharge distance is constant in the experiments carried out in accordance with the figures 4 for the surface treatment 3 mm. It is clearly visible a flat discharge over the workpiece surface.
Figur 5b zeigt die Entladungscharakteristik des „Disk-Jet" im freien Betrieb (Entladung ohne Werkstück) . Die Filamente treten aus der Mündung der Düsenöffnung aus und zünden nach einer gewissen Strecke wieder hoch zur Tellerfläche des „Disk-Jet". Je nachdem wie nah das Werkstück zur Quellenunterseite, d.h. der Düsenöffnung, hindurchgefahren wird, gleiten die Filamente über die Oberfläche des Werkstücks und formen eine flächige Entladung aus, die sich mit 5b shows the discharge characteristic of the "disk jet" in free operation (unloading without workpiece) .The filaments emerge from the mouth of the nozzle opening and after a certain distance ignite again up to the disk surface of the "disk jet". Depending on how close the workpiece to the source bottom, i. the nozzle opening is passed, the filaments slide over the surface of the workpiece and form a surface discharge, which coincides with
Verringerung des Abstands an die Größe der Tellerfläche anpasst . Reducing the distance to the size of the plate surface adapts.
Figur 5c zeigt den Einsatz des „Disc-Jet" auf einem Kunststoffprofil mit einer 10 mm tiefen Längsnut mit Hinter- schneidung. Auch hier sieht man den Plasmastrahl als 5c shows the use of the "Disc-Jet" on a plastic profile with a 10 mm deep longitudinal groove with an undercut
Plasmabündel aus der Düsenmündung heraustreten. Dieses Bündel bildet auf dem Boden der Längs-Nut einen großen Plasma bundles emerge from the nozzle opening. This bundle forms a large one on the bottom of the longitudinal groove
Fußpunkt aus, von dem aus Filamente zur Tellerfläche des „Disc-Jets" zünden. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Ansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Ansprüche und die vorstehende Beschreibung „erste" und „zweite" Ausführungsformen definieren, so dient diese Base point from which filaments ignite to the disc surface of the "disc jet". Of course, the invention is not limited to the illustrated embodiments. The above description is therefore not to be considered as limiting, but as illustrative. The following claims are to be understood as meaning that a named feature is present in at least one embodiment of the invention. This does not exclude the presence of further features. As long as the claims and the above description define "first" and "second" embodiments, this serves
Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Ausführungsformen, ohne eine Rangfolge festzulegen. Designation of the distinction between two similar embodiments without defining a ranking.

Claims

Ansprüche claims
Plasmadüse (1) zum Erzeugen eines Plasmastrahls (5) mit zumindest einer Elektrode (7) , einer die Elektrode (7) konzentrisch umgebenden Plasma nozzle (1) for generating a plasma jet (5) with at least one electrode (7), one concentrically surrounding the electrode (7)
Ummantelung (9), wobei zwischen der Elektrode (7) und der Ummantelung (9) eine Entladungskammer (11) Sheath (9), wherein between the electrode (7) and the sheath (9) has a discharge chamber (11)
ausgebildet ist, und wobei die Entladungskammer (11) eine Einlassöffnung (12) für ein Prozessgas und eine Düsenöffnung (14) zum Austreten des Plasmastrahls (5) aufweist und die Ummantelung (9) ein Dielektrikum enthält oder daraus besteht, einer die Entladungskammer (11) in einem ersten  and wherein the discharge chamber (11) has an inlet opening (12) for a process gas and a nozzle opening (14) for exiting the plasma jet (5) and the sheath (9) contains or consists of a dielectric, the discharge chamber (11 ) in a first
Längsabschnitt ringförmig umgebende erste Gegenelektrode (20) , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gegenelektrode (20) durch die Ummantelung (9) von der Elektrode (7) elektrisch isoliert ist und weiterhin eine zweite Gegenelektrode (16) vorhanden ist, welche die Entladungskammer (11) in einem zweiten  A longitudinal section annularly surrounding the first counterelectrode (20), characterized in that the first counterelectrode (20) is electrically insulated from the electrode (7) by the jacket (9) and furthermore a second counterelectrode (16) is present, which holds the discharge chamber (11 ) in a second
Längsabschnitt ringförmig umgibt, wobei die zweite  Longitudinal portion annularly surrounding, wherein the second
Gegenelektrode (16) eine tellerförmig verbreiterte  Counter electrode (16) widened a plate
Ringoberfläche (18) aufweist.  Ring surface (18).
Plasmadüse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gegenelektrode (16) konzentrisch zur Düsenöffnung (14) angeordnet ist. Plasma nozzle (1) according to claim 1, characterized in that the second counter-electrode (16) is arranged concentrically to the nozzle opening (14).
Plasmadüse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächennormale der tellerförmig verbreiterten Ringoberfläche (18) der zweiten Plasma nozzle (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the surface normal of the plate-shaped widened annular surface (18) of the second
Gegenelektrode (16) in etwa parallel zur Counter electrode (16) approximately parallel to
Austrittsrichtung des erzeugbaren Plasmastrahls verläuft. Exit direction of the producible plasma jet runs.
4. Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringoberfläche (18) von der Ummantelung (9) überdeckt ist. 4. plasma nozzle (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the ring surface (18) of the sheath (9) is covered.
5. Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (7) mit einem 5. plasma nozzle (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the electrode (7) with a
Dielektrikum beschichtet ist, insbesondere einem  Dielectric is coated, in particular a
Dielektrikum, welches Polytetrafluorethylen enthält oder daraus besteht.  Dielectric containing or consisting of polytetrafluoroethylene.
6. Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (12) durch mindestens eine Gasdurchführung (25) in der Elektrode ausgebildet (7) ist. 6. plasma nozzle (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the inlet opening (12) formed by at least one gas passage (25) in the electrode (7).
7. Plasmadüse (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasdurchführungen (25) radialsymmetrisch in der Elektrode (7) angeordnet sind. 7. plasma nozzle (1) according to claim 6, characterized in that the gas passages (25) are arranged radially symmetrically in the electrode (7).
8. Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Gegenelektrode (20) und die zweite Gegenelektrode (16) mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen verbindbar sind. 8. plasma nozzle (1) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the first counter electrode (20) and the second counter electrode (16) are connectable to different electrical potentials.
9. Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Plasmadüsengehäuse (29) vorgesehen ist, wobei die Gegenelektroden (16, 20) mittels einer Vergussmasse (27) zwischen der Ummantelung (9) und dem Plasmadüsengehäuse (29) fixiert sind. 9. plasma nozzle (1) according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a plasma nozzle housing (29) is provided, wherein the counter electrodes (16, 20) by means of a potting compound (27) between the sheath (9) and the plasma nozzle housing ( 29) are fixed.
10. Verfahren zur Verwendung einer Plasmadüse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit den Verfahrensschritten 10. A method of using a plasma nozzle (1) according to any one of claims 1 to 9, comprising the method steps
Zuführen eines eine Strömung aufweisenden Prozessgases durch die Einlassöffnung (12) in eine Entladungskammer (11) und Supplying a flow having process gas through the inlet opening (12) in a discharge chamber (11) and
Erzeugen einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen einer in der Entladungskammer (11) angeordneten Generating an electrical potential difference between one in the discharge chamber (11) arranged
Elektrode (7) und einer zweiten Gegenelektrode (16), so dass sich in der Entladungskammer (11) ein Plasma durch Zünden von dielektrisch behinderten Entladungen in dem Prozessgas in der Entladungskammer (11) ausbildet, und Electrode (7) and a second counter electrode (16), see that in the discharge chamber (11) a plasma is formed by igniting dielectrically impeded discharges in the process gas in the discharge chamber (11), and
Erzeugen eines Plasmastrahls (5) aus von der Strömung aus der Düsenöffnung (14) ausgetriebenem Plasma, wobei die zweite Gegenelektrode (16) eine tellerförmig verbreiterte Ringoberfläche (18) aufweist. Generating a plasma jet (5) from the flow of the nozzle opening (14) expelled plasma, wherein the second counter electrode (16) has a plate-shaped widened annular surface (18).
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrahl (5) auf eine Oberfläche eines 11. The method according to claim 10, characterized in that the plasma jet (5) on a surface of a
Werkstückes (3) einwirkt.  Workpiece (3) acts.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine erste Gegenelektrode vorhanden ist, wobei die erste Gegenelektrode (20) auf einem Massepotential liegt und sich die zweite 12. The method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that further comprises a first counter electrode is present, wherein the first counter electrode (20) is at a ground potential and the second
Gegenelektrode (16) auf einem Floating-Potential befindet  Counter electrode (16) is at a floating potential
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine erste Gegenelektrode vorhanden ist, wobei die zweite Gegenelektrode (16) auf einem Massepotential liegt und sich die erste 13. The method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that further comprises a first counter electrode is provided, wherein the second counter electrode (16) is at a ground potential and the first
Gegenelektrode (20) auf einem Floating-Potential befindet  Counter electrode (20) is at a floating potential
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine erste Gegenelektrode vorhanden ist, wobei sich die erste Gegenelektrode (20) und die zweite Gegenelektrode (16) auf einem 14. The method according to any one of claims 10 or 11, characterized in that further comprises a first counter electrode is provided, wherein the first counter electrode (20) and the second counter electrode (16) on a
Massepotential befinden.  Ground potential.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch 15. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized
gekennzeichnet, dass das Prozessgas ausgewählt ist aus Argon und/oder Helium und/oder Umgebungsluft.  characterized in that the process gas is selected from argon and / or helium and / or ambient air.
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