EP3747241A1 - Atmosphärenplasmajet mit geradem kanülenrohr - Google Patents

Atmosphärenplasmajet mit geradem kanülenrohr

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EP3747241A1
EP3747241A1 EP19701688.4A EP19701688A EP3747241A1 EP 3747241 A1 EP3747241 A1 EP 3747241A1 EP 19701688 A EP19701688 A EP 19701688A EP 3747241 A1 EP3747241 A1 EP 3747241A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cannula tube
outer conductor
atmosphärenplasmajet
cannula
tube
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19701688.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Heuermann
Luc Langer
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Ionics SA
Original Assignee
Ionics SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Ionics SA filed Critical Ionics SA
Publication of EP3747241A1 publication Critical patent/EP3747241A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/50—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges
    • C23C16/513—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating using electric discharges using plasma jets
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H05H1/461—Microwave discharges
    • H05H1/4637—Microwave discharges using cables
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • the present invention relates to a novel construction for the construction of an atmospheric plasma jet operated by a high frequency signal in the MHz or GHz range, as well as the use of novel atmospheric plasma in cutting or gluing processes, as well as in the treatment or coating of workpiece surfaces.
  • Plasma systems have been in the industry for several decades
  • these Plasmajets are operated in the DC to the lower MHz range.
  • the plasmas are generated and blown out by arc or spark discharges generated inside. Based on these plasma jets, around 99% of the jets on the market are built.
  • the first microwave jets in the power class up to 200 W were from the
  • HHF Heuermann HF-Technik GmbH
  • the patent application DE102012004034 was filed on March 2, 2012 and published in 2013. It relates to a high-frequency plasma ignition head with a cannula as electrode and a two-way impedance transformer, which is able to generate a high voltage at a fixed frequency and, as soon as a plasma is formed, to feed energy into it optimally.
  • the design cools the electrodes and, similar to the high energy intensity laser, focuses the plasma jet in a small space.
  • the spotlight can be used as a cutting and welding head.
  • Ignition generates a high voltage and provides for the operation of the optimal adjustment for the supply of electrical energy.
  • two different electrical drive modules e.g., high voltage generator and power source
  • the new microwave jets get by with only one generator whose operating frequency only has to be changed over.
  • control electronics and control process are z. B. in DE102011055624 described.
  • This control uses a so-called bi-static matching; that is, a high voltage is generated at one frequency (often in the IMS band at 2.45GHz). After plasma ignition is, to maintain the plasma, switched to another frequency (about 20-70MHz away, also in the IMS band). For this switching you need a special measuring and control electronics as well as very broadband
  • Operating frequency is between the ignition and the operating frequency.
  • Operating frequency is targeted in practice the 2.45 GHz frequency.
  • jets are constructed as a pin: cylindrical, narrow and with an input on one side and an output on the other side. This design is also ideal for many applications, as it saves so much space and mechanical
  • Loads can be optimally intercepted.
  • the above-mentioned HHF Kanülenjet has an S-shaped curved cannula. If only gas is to be passed through the cannula, the S-shape forms no particular disadvantage. However, S-forming already involves many problems in the transportation of powder, so that no reliable operation for all powders is possible. The cannula is not easy to clean. Blockages occur due to the design with the curves and the
  • the aim of the invention is to provide an improved Plasmajet that does not have the above-mentioned disadvantages.
  • the plasma jet according to the invention should allow powdery or particulate, fibrous and wire-like materials to pass unhindered through the cannula.
  • the invention Plasmajet to activate, cleaning, cutting, welding, ignition, for surface treatment, coating, liquid and
  • Metal evaporation, soldering, melting, air and other gas cleaning be suitable.
  • the invention now provides an Atmophrplasmajet available, which can be operated by a high frequency signal in the MHz or GHz range, and a metallic substantially tubular outer conductor which is closed at one end and open at the opposite end to the plasma generation and comprising a cannula tube as a plasma generation electrode, wherein the cannula tube passes through the outer conductor substantially straight, from one end to the other, and the closed end has a cannula tube entrance, and the high frequency signal is supplied laterally via a coaxial conduit system.
  • the plasma jet comprises at least two impedance transformers.
  • the cannula tube is on
  • Impedanztransformator forms, with another impedance transformer through the
  • the cannula tube is further, between the at least one
  • Inductance and the open outer conductor end connected by at least one further inductance with the outer conductor and thus forms a further impedance transformer.
  • the plasma jet according to the invention does not have the abovementioned disadvantages. In addition, it has many advantages that are highly relevant in practice.
  • the plasma jet has, in contrast to the laser beam, only a finite length. Thus omitted, in the applications, the elaborate safeguards typical for
  • the cannula tube construction allows the use of electrodes that are not made of tungsten, up to quite high powers are made.
  • oxygen can also be used in the process.
  • This plasma jet does not require a counter electrode and can thus also optimally process plastics and other non-conductors. Due to the microwave excitation, the energy flow of the plasma jet penetrates well oxide layers, which include the processing of eg
  • gas consumption in the implementation with the cannula is significantly lower than standard jets, which leads to an inexpensive use with it.
  • the cannula tube is substantially rectilinear, it can be easily cleaned.
  • This Hochfrequenzplasmajetkonstrutechnisch invention can, in conjunction with the increasingly cheaper semiconductor generators, be made cheaper than the best alternatives (eg., Laser welding equipment) and is otherwise in the same cost frame as the established and used in the mass technique.
  • the best alternatives eg., Laser welding equipment
  • the Plasmajet of the invention is particularly suitable for the treatment with powders that can be passed through the cannula tube.
  • thin wires as an alternative to powders, may also be used as delivery or treatment material, e.g. for melting, welding or soldering. Care should then be taken to route the wires through the cannula tube at controllable delivery rates.
  • rigid wires and fibers such as e.g. Glass fibers or carbon fibers, or particles can be passed through the straight cannula tube, which can then be treated by the traversed plasma jet, e.g. ionised, purified, stabilized, carbonized, etc.
  • a dielectric material e.g. Glass or ceramic, preferably shaped as a tube
  • such tube inserts can produce different jet jet diameter and thus energy densities.
  • additional energy can be supplied to the arc discharge by a suitable current source over the process material in order to noticeably increase the total plasma energy.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a plasma jet according to the invention, in section.
  • Figure 2 is a corresponding to the Plasmajet of Figure 1 electrical
  • Plasmajets is designed as a tubular outer conductor 16 which is closed at one end by an end cap 20 and at the opposite end to the plasma generation is open.
  • the high-frequency energy (short RF energy) is supplied via the coaxial connector 12 with the circular metallic inner conductor 11 and the dielectric 18 located between the inner conductor 11 and the outer conductor 12.
  • This RF connector is i.d.R. on a firm
  • 10 is the circular configured as a cannula metallic inner conductor, which is connected to the coaxial feed line (with the characteristic impedance in the range of Zzu) is shown.
  • the cannula 10 is guided by the end cap 20 of the otherwise tubular metallic outer conductor 16, and extends to the open end of
  • the i.d.R. higher resistance inner conductor 15 and complete the i.d.R. Both 15 and 19 are constructed as a cannula and, in combination with the two inductors 13a and 13b, form the impedance transformer of the first two stages.
  • the transformer shown here has a three-stage impedance transformation.
  • the third stage results from a portion of 19 and the final capacity at point 14 against the outer housing 16.
  • the length of the end cap up to the contact point between the cannula 10 and the inner conductor 11 is approximately 90 degrees (electrical length at the average operating frequency).
  • the line length of 10 between the contact point between 10 and 11 and the coil terminal of 13a can be almost arbitrary, since the characteristic impedance is also in the range of the supply line Zzu.
  • the inner conductors 15 and 19 have an electrical length of less than 180 °. That is, as long as no plasma has been ignited in the plasma region 14, the electrical input impedance Z to the line 10 via the subsequent
  • Network of 13a, 15, 13b and 19 transformed into a very high impedance (almost no load) to the point 14.
  • Microwave energy via the connector (12, 18) a line segment to the coil 13 a on. This is followed by a microwave circuit with a three-stage impedance transformation.
  • the first two stages 13a and 15 as well as 13b and half of 19 are also referred to as autotransformers.
  • the third stage half of 19 and final capacity is a gamma transformer.
  • Coupling unit and transformation stages can also be seen from Figure 2 and can be referred to hereinafter as the operating unit of the jet.
  • Ignition These three transformers are designed at the ignition frequency so that the impedance of Zzu is transformed in several stages in the high kOhm or even better in the MOhm range. Since the injected power P is very little attenuated in this circuit, remains at the top almost the same power as at the entrance. However, due to the high end impedance Zend, the voltage Uend at the jet tip becomes due to the relationship:
  • Uend (P Zend) (1) very high (often in the kV range). This high voltage and the associated very high electric field strengths trigger the ionization of the gas. If a noble gas is passed through the cannula (inter alia), then preferably only this is ionized. In this case, a slender plasma jet with very high energy density results. When air or a similar gas (e.g., pure nitrogen) or no gas is passed through the cannula, there is a relatively broad plasma that forms as a ball when there is no gas flow.
  • a similar gas e.g., pure nitrogen
  • the plasma has the Footpoint impedance of Zin on.
  • the transformers now need to be designed to transform Zzu's impedance to that of Zin. In this case, the plasma size is maximum and the losses in the SF jet are minimal.
  • the SF jet is unique in comparison to the previously known cannula jets in that the cannula passes straight through the jet. This construction corresponds to a spare circuit modified from the prior art. It allows u.a. Ceramic or
  • Inert gas atmosphere can be used. If you only want to ignite or operate the jet in pulsed mode, then this supply line can be omitted. In this case, the entire interior or only a part may be filled by means of a dielectric, preferably a pressure-tight dielectric in the head region.
  • the inductors 13a and 13b are realized by thin wires between the inner conductor and the ground (outer case 16).
  • the cannula can be cleaned very simply due to the straight design. Blockages can be due to the design without
  • impedance transformers can also be used in the HF range
  • Resonators various filters, lambda / 4-lines, taped lines as well as concentrated components can be used.
  • the Plasmajets invention can be easily used for the surface treatment with powders that can be passed through the cannula tube.
  • thin wires as an alternative to powders, may also be used as delivery or treatment material, e.g. for melting, welding or soldering.
  • rigid wires and fibers such as glass fibers or carbon fibers, or particles can be passed through the straight cannula tube, which then by the traversed plasma jet can be treated, eg ionised, cleaned, stabilized, carbonized etc.
  • a dielectric material e.g. Glass or ceramic, preferably formed as a tube, are introduced into the cannula tube, wherein the dielectric is used for insulation between the process material and the metallic cannula tube, which acts as an electrode.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Atmosphärenplasmajet betrieben durch ein seitlich über ein koaxiales Leitungssytem (12,18) zugeführtes Hochfrequenzsignal im MHz- oder GHz-Bereich umfassend einen metallischen im Wesentlichen rohrförmigen Aussenleiter (16), der an einem Ende (20) einen Kanülenrohreingang aufweist und am entgegengesetzten Ende (14) zur Plasma-Generation offen ist, und ein Kanülenrohr (10,15,19) als Elektrode zur Plasma-Generation, wobei das Kanülenrohr den Aussenleiter im Wesentlichen gerade von einem Ende zum anderen durchläuft. Das erfindungsgemässe Atmosphärenplasmajet kann zum Schneiden oder Verkleben von Werkstücken oder Behandeln oder Beschichten von Werkstückoberflächen verwendet werden. Behandlungs- oder Beschichtungsmaterial kann durch das Kanülenrohr in den Plasmastrahl geführt werden.

Description

ATMOSPHÄRENPLASMAJET MIT GERADEM KANÜLENROHR
[0001] Die gegenwärtige Erfindung betrifft eine neuartige Konstruktion zum Aufbau eines Atmosphärenplasmajets betrieben durch ein Hochfrequenzsignal im MHz- oder GHz- Bereich, sowie die Verwendung von neuartigen Atmosphärenplasmajets in Schneide- oder Klebeverfahren, sowie in der Behandlung oder Beschichtung von Werkstückoberflächen.
[0002] Plasmaanlagen haben sich seit mehreren Jahrzehnten in der Industrie für
Niederdruck- und atmosphärischen Anwendungen etabliert. So wurde bereits 1970 das US- Patent 3,534,388, PLASMA JET CUTTING PROCESS für ein Jet zum Schneiden erteilt. Ein alternativer Plasmajet US 3,567,898, PLASMA ARC CUTTING TORCH wurde 1971 erteilt.
[0003] Generell werden diese Plasmajets im DC- bis dem unteren MHz-Bereich betrieben. Die Plasmen werden über im Inneren erzeugte Bogen- oder Funkenentladungen erzeugt und herausgeblasen. Basierend auf diesen Plasmajets sind rund 99% der im Markt befindlichen Jets aufgebaut.
[0004] Die ersten Mikrowellenjets in der Leistungsklasse bis 200 W wurden von dem
Unternehmen Heuermann HF-Technik GmbH (kurz HHF) ab 2011 in den Markt gebracht. Siehe http://www.hhft. de/index.php?page=plasma&subpage=ps_p4. In 2013 veröffentlichte HHF im Internet auch den ersten Kanülenjet:
[0005] Die Patentanmeldung DE102012004034 wurde am 2. März 2012 eingereicht und 2013 veröffentlicht. Sie betrifft einen Hochfrequenz-Plasma-Zündkopf mit einer Kanüle als Elektrode und einem Zwei-Wege-Impedanztransformator, der in der Lage ist, bei einer festen Frequenz eine Hochspannung zu erzeugen und sobald ein Plasma entsteht, in dieses bestens Energie einzuspeisen. Durch die Konstruktion werden die Elektroden gekühlt und der Plasmastrahl ähnlich wie beim Laser mit hoher Energieintensität auf einen kleinen Raum fokussiert. Der Strahler lässt sich als Schneid- und Schweisskopf einsetzen.
[0006] Generell ist es bei der Generation von Plasmen notwendig, dass man für die
Zündung eine Hochspannung generiert und für den Betrieb die optimale Anpassung für die Einspeisung der elektrischen Energie bereit stellt. Hierfür werden oft zwei unterschiedliche elektrische Ansteuerungsmodule (z.B. Hochspannungsgenerator und Stromquelle) zur Verfügung gestellt. Die neuen Mikrowellenjets kommen mit nur einem Generator aus, dessen Betriebsfrequenz lediglich umgestellt werden muss. Eine Ausführungsform einer
zugehörigen Ansteuerelektronik sowie Ansteuerprozess sind z. B. in DE102011055624 beschrieben. [0007] Diese Ansteuerung verwendet ein sogenanntes Bi-Static-Matching; d.h., es wird bei einer Frequenz (oft im IMS-Band bei 2,45GHz) eine Hochspannung erzeugt. Nach erfolgter Plasmazündung wird, zur Aufrechterhaltung des Plasmas, auf eine andere Frequenz umgeschaltet (ca. 20-70MHz entfernt, ebenfalls im IMS-Band). Für diese Umschaltung benötigt man eine spezielle Mess- und Regelelektronik sowie recht breitbandige
Transistorverstärker oder recht teuere Alternativen wie Klystrons oder Wanderfeldröhren. In diesem besonderen Fach der Technik, ist es dem Fachmann bekannt, dass man mit einer mittleren Festfrequenz und einer Suchfrequenz arbeitet. Die sogenannte mittlere
Arbeitsfrequenz liegt zwischen der Zünd- und der Betriebsfrequenz. Als mittlere
Arbeitsfrequenz wird in der Praxis die 2,45 GHz Frequenz anvisiert.
[0008] Zum Zünden wird eine sehr hohe Spannung erzeugt, die oft im zweistelligen kV- Bereich liegt. Diese wird mit dem im Inneren befindlichen Impedanztransformator vollzogen.
[0009] Diese Jets sind so aufgebaut wie ein Stift: zylindrisch, schmal und mit einem Eingang auf der einen und einem Ausgang auf der anderen Seite. Diese Konstruktion ist auch für viele Anwendungen optimal, da sich so viel Bauraum sparen lässt und mechanische
Belastungen bestens abgefangen werden können.
[0010] Der obengenannte HHF-Kanülenjet weist eine S-förmig gebogene Kanüle auf. Soll nur Gas durch die Kanüle geleitet werden, so bildet die S-Form keinen besonderen Nachteil. Jedoch birgt die S-Formung bereits beim Transport von Pulver viele Probleme in sich, so dass kein zuverlässiger Betrieb für alle Pulver möglich ist. Die Kanüle lässt sich nicht einfach reinigen. Verstopfungen treten aufgrund der Bauform mit den Rundungen und den
Übergängen relativ häufig auf. Auch zum Transport von Drähten durch die Kanüle ist diese Konstruktion nicht ideal, da die Drähte nur unter Berührung der Kanülenmetallelektrode zum Plasma transportiert werden können. Dadurch wird der Draht durch das Elektrodenmaterial verunreinigt. Weiterhin gibt es einen Verschleiß. Durch die unterschiedlichen Reibwerte lässt sich kein hoch kontinuierlicher Prozess einstellen. Harte Drähte und Fasern (Glasfaser, Kohlefaser u.v.m.) lassen sich gar nicht durch den Kanülenjet führen. Eine Isolation zwischen der Hochfrequenzelektrode und dem Inneren durchzuführenden Material ist bei der S-Form praktisch nicht möglich. Viele Materialien müssen insbesondere aufgrund der Verunreinigung mit der Kanülenmetallelektrode geschützt werden. Elektrisch kann man auf den Draht, der durch die Kanüle geht, keine weitere Stromquelle anlegen.
[0011] Ziel der Erfindung ist es, einen verbesserten Plasmajet bereit zu stellen, der die obengenannten Nachteile nicht aufweist. [0012] Insbesondere, soll der erfindungsgemässe Plasmajet es erlauben, pulver- oder partikel-, faser- und drahtförmige Materialien ungehindert durch die Kanüle durch zu leiten.
[0013] Der erfindungsgemässe Plasmajet soll zum Aktivieren, Reinigen, Schneiden, Schweissen, Zünden, zur Oberfächenbehandlung, -beschichtung, Flüssigkeits- und
Metallverdampfung, Löten, Aufschmelzen, Luft- und sonstigen Gasreinungen geeignet sein.
[0014] Die Erfindung stellt nun einen Atmophärenplasmajet zur Verfügung, der durch ein Hochfrequenzsignal im MHz- oder GHz-Bereich betrieben werden kann, und der einen metallischen im Wesentlichen rohrförmigen Aussenleiter, der an einem Ende verschlossenen und am entgegengesetzten Ende zur Plasma-Generation offen ist, und ein Kanülenrohr als Elektrode zur Plasma-Generation umfasst, wobei das Kanülenrohr den Aussenleiter im Wesentlichen gerade, von einem Ende zum anderen durchläuft und das verschlossene Ende einen Kanülenrohreingang aufweist, und das Hochfrequenzsignal seitlich über ein koaxiales Leitungssystem zugeführt wird.
[0015] Vorzugsweise umfasst der Plasmajet mindestens zwei Impedanztransformatoren.
[0016] Nach einer erfindungsgemässen Ausführungsform, ist das Kanülenrohr am
verschlossenen Ende des Aussenleiters elektrisch leitend damit verbunden, und dahinter mit einer Hochfrequenzsignalquelle verbunden, wobei hiermit ein lamda/4-Transformator (Koaxialleiter mit einer Länge von ungefähr 90 Grad) gebildet wird ; und weiterhin, zwischen Hochfrequenzsignalquellenverbindung und offenem Aussenleiterende durch mindestens eine Induktivität mit dem Aussenleiter verbunden und somit mindestens einen
Impedanztransformator bildet, wobei ein weiterer Impedanztransformator durch die
Endkapazität zwischen Kanülenrohrende und Aussenleiter an der Öffnung des offenen Aussenleiterendes gebildet wird, da ein Spalt zwischen Kanülenrohrende und Öffnung des offenen Aussenleiterendes gebildet wird.
[0017] Vorzugsweise ist das Kanülenrohr weiterhin, zwischen der mindestens einen
Induktivität und dem offenen Aussenleiterende durch mindestens eine weitere Induktivität mit dem Aussenleiter verbunden und bildet somit einen weiteren Impedanztransformator.
[0018] Der erfindungsgemässe Plasmajet weist die obengenannten Nachteile nicht auf. Zudem weist er viele Vorteile auf, die in der Praxis höchst relevant sind.
[0019] Der Plasmastrahl hat, im Gegensatz zum Laserstrahl, nur eine endliche Länge. Somit entfallen, bei den Anwendungen, die aufwendigen Schutzvorkehrungen typisch für
Laseranlagen. Zudem entsteht kein Elektrodenabtrag. Durch die Kanülenrohrkonstruktion lassen sich bis zu recht großen Leistungen Elektroden verwenden, die nicht aus Wolfram gefertigt sind. Somit kann u. a. auch Sauerstoff im Prozess eingesetzt werden. Dieser Plasmastrahl benötigt keine Gegenelektrode und kann somit auch Kunststoffe und sonstige Nichtleiter bestens bearbeiten. Durch die Mikrowellenanregung durchdringt der Energiefluss des Plasmastrahls auch bestens Oxidschichten, was u. a. die Bearbeitung von z.B.
Aluminium vereinfacht.
[0020] Weiter ist der Gasverbrauch bei der Umsetzung mit der Kanüle deutlich geringer als bei Standardjets, was eine preiswerte Verwendung mit sich führt.
[0021] Dadurch dass das Kanülenrohr im Wesentlichen geradlinig ist, lässt es sich einfach reinigen.
[0022] Diese erfindungsgemäße Hochfrequenzplasmajetkonstruktion kann, in Verbindung mit den zunehmend preiswerter werdenden Halbleitergeneratoren, preiswerter ausgestaltet werden als die besten Alternativen (z. B. Laserschweißgeräte) und liegt ansonsten im gleichen Kostenrahmen wie die etablierte und in der Masse eingesetzte Technik.
[0023] Der Plasmajet der Erfindung eignet sich insbesondere für die Behandlung mit Pulvern, die durch das Kanülenrohr geführt werden können. Zudem können auch dünne Drähte, alternativ zu Pulvern, als Zuführ- oder Behandlungsmaterial, z.B. zum Aufschmelzen, Schweissen oder Löten, eingesetzt werden. Es sollte dann dafür gesorgt werden, dass die Drähte mit kontrollierbaren Zuführgeschwindigkeiten durch das Kanülenrohr geleitet werden.
[0024] Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere auch starre Drähte sowie Fasern, wie z.B. Glasfasern oder Carbonfasern, oder Partikel durch das gerade Kanülenrohr geleitet werden können, die dann durch den durchquerten Plasmastrahl behandelt werden können, z.B. ionisiert, gereinigt, stabilisiert, carbonisiert usw.
[0025] Ein anderer Vorteil des erfindungsgemässen Plasmajets liegt darin, dass ein dielektrisches Material, z.B. Glas oder Keramik, vorzugsweise als Rohr geformt, in das Kanülenrohr eingebracht werden kann zur Isolation zwischen Prozessmaterial und dem metallischen Kanülenrohr, das als Elektrode dient.
[0026] Zudem können solche Rohreinsätze unterschiedliche Jetstrahldurchmesser und somit Energiedichten erzeugen.
[0027] Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann durch eine geeignete Stromquelle über dem Prozessmaterial zusätzlich Energie der Bogenentladung zugeführt werden, um dabei die Gesamtplasmaenergie merklich zu erhöhen. [0028] Diese und weitere bevorzugte Varianten werden hiernach, mit Bezug auf beiliegende Zeichnungen weiter beschrieben.
[0029] Figur 1 ist eine schematische Abbildung eines erfindungsgemässen Plasmajets, im Schnitt.
[0030] Figur 2 ist eine zum Plasmajet der Figur 1 korrespondierende elektrische
Ersatzschaltung.
[0031] Das Grundprinzip der Erfindung wird in dem Schnittbild in Fig. 1 am
Applikationsbeispiel eines TEM-Koaxialleiters dargestellt.
[0032] Das Gehäuse des erfindungsgemässen Plasmajets ist als rohrförmiger Aussenleiter 16 ausgeführt, der an einem Ende durch eine Endkappe 20 verschlossen ist und am entgegengesetzten Ende zur Plasma-Generation offen ist. Die Hochfrequenzenergie (kurz HF-Energie) wird über den koaxialen Steckverbinder 12 mit dem kreisrunden metallischen Innenleiter 11 und dem zwischen dem Innenleiter 11 und dem Außenleiter 12 befindlichen Dielektrikum 18 zugeführt. Dieser HF-Steckverbinder ist i.d.R. auf einen festen
Wellenwiderstand (Zzu) ausgelegt.
[0033] Mit 10 ist der kreisrunde als Kanüle ausgestaltete metallische Innenleiter, der mit der koaxialen Zuleitung (mit dem Wellenwiderstand im Bereich von Zzu) verbunden ist, dargestellt.
[0034] Weiterhin wird die Kanüle 10 durch die Endkappe 20 des ansonsten rohrförmigen metallischen Außenleiters 16 geführt, und erstreckt sich bis zum offenen Ende des
Aussenleiters, wobei ein Spalt zwischen Kanülenrohrende und Öffnung des offenen
Aussenleiterendes gebildet wird.
[0035] Anschließend folgt im mittleren Bereich der i.d.R. hochohmigere Innenleiter 15 und abschließen der i.d.R. dünnste und somit hochohmigste Innenleiter 19. Sowohl 15 wie auch 19 sind als Kanüle aufgebaut und bilden in Kombination mit den zwei Induktivitäten 13a und 13b den Impedanztransformator der ersten zwei Stufen.
[0036] Der hier dargestellte Transformator weist eine dreistufige Impedanztransformation auf. Die dritte Stufe ergibt sich aus einem Teilbereich von 19 und der Endkapazität am Punkt 14 gegen das äußere Gehäuse 16.
[0037] Die Länge von der Endkappe bis hin zum Kontaktpunkt zwischen Kanüle 10 und Innenleiter 11 beträgt rund 90 Grad (elektrische Länge bei der mittleren Arbeitsfrequenz). Dadurch wird der Kurzschluss im Bereich der Endkappe, der u.a. für eine mechanische Stabilität sorgt in ein Leerlauf am Kontaktpunkt zwischen 10 und 11 transformiert und hat somit keinen merklichen Einfluss auf die elektrische Funktionalität.
[0038] Die Leitungslänge von 10 zwischen dem Kontaktpunkt zwischen 10 und 11 und dem Spulenanschluss von 13a kann nahezu beliebig sein, da der Wellenwiderstand ebenfalls im Bereich der Zuleitung Zzu liegt. Die Innenleiter 15 und 19 weisen eine elektrische Länge von weniger als 180° auf. D.h., solange im Plasmabereich 14 noch kein Plasma gezündet wurde, wird die elektrische Eingangsimpedanz Zzu der Leitung 10 über das anschließende
Netzwerk aus 13a, 15, 13b und 19 in eine sehr hochohmige Impedanz (nahezu Leerlauf) an den Punkt 14 transformiert.
[0039] Der in Fig. 1 dargestellte Aufbau weist somit hinter der Einkopplung der
Mikrowellenenergie über den Steckverbinder (12, 18) ein Leitungssegment bis zur Spule 13a auf. Danach folgt eine Mikrowellenschaltung mit einer dreistufigen Impedanztransformation. Die beiden ersten Stufen (13a und 15 wie auch 13b und Hälfte von 19) werden auch als Spartransformatoren bezeichnet. Bei der dritten Stufe (Hälfte von 19 und Endkapazität) handelt es sich um einen Gamma-Transformator.
[0040] Das gesamte innere Netzwerk (aus schaltungstechnischer Sicht) aus
Einkoppeleinheit und Transformationsstufen ist ebenfalls aus Figur 2 ersichtlich und kann im Weiteren als Betriebseinheit des Jets bezeichnet werden.
[0041] Zündung: Diese drei Transformatoren werden bei der Zündfrequenz so ausgelegt, dass die Impedanz von Zzu in mehreren Stufen in den hohen kOhm- oder noch besser in den MOhm-Bereich transformiert wird. Da die eingespeiste Leistung P in dieser Schaltung sehr wenig gedämpft wird, liegt an der Spitze weiterhin nahezu die gleiche Leistung wie am Eingang an. Jedoch wird durch die hohe Endimpedanz Zend die Spannung Uend an der Jetspitze aufgrund des Zusammenhanges:
Uend = ( P Zend) (1 ) sehr hoch (oft im kV-Bereich). Durch diese hohe Spannung und die zugehörigen sehr hohen elektrischen Feldstärken wird die Ionisation des Gases ausgelöst. Wird durch die Kanüle (u.a.) ein Edelgas geleitet, so wird bevorzugt nur dieses ionisiert. In diesem Fall ergibt sich ein schlanker Plasmastrahl mit sehr hoher Energiedichte. Wird Luft oder ein ähnliches Gas (z.B. reiner Stickstoff) oder gar kein Gas durch die Kanüle geleitet, so ergibt sich ein relativ breites Plasma, das sich bei nicht vorhandenem Gasfluss als Kugel bildet.
[0042] Betrieb: Nachdem die Zündung erfolgte muss auf eine andere Frequenz
umgeschaltet werden, die für die Betriebsbedingung ausgelegt ist. Das Plasma weist die Fusspunktimpedanz von Zin auf. Die Transformatoren müssen nun so ausgelegt werden, dass die Impedanz von Zzu auf die von Zin transformiert wird. In diesem Betriebsfall wird die Plasmagröße maximal und werden die Verluste im SF-Jet minimal.
[0043] Der SF-Jet ist gegenüber den zuvor bekannten Kanülenjets dadurch einzigartig, da die Kanüle gerade durch den Jet geht. Diese Konstruktion entspricht einer, dem Stand der Technik gegenüber, abgeänderten Ersatzschaltung. Sie erlaubt u.a. Keramik- oder
Glasröhrchen in die Kanüle einzuführen um eine Reaktion oder Reibung zwischen dem im Inneren durch geführten Material (fest, pulverförmig, flüssig oder gasförmig) und den äußeren (i.d.R.) metallischen Kanülenrohr zu verhindern.
[0044] Zur Realisierung eines Strahlers gibt es eine zweite Gaszuleitung 17, die
hauptsächlich zur Kühlung des Jets dient, aber auch zur Erzeugung einer
Schutzgasatmosphäre eingesetzt werden kann. Möchte man nur Zünden oder den Jet im Pulsbetrieb betreiben, dann kann diese Zuleitung entfallen. In diesem Fall kann auch der gesamte Innenraum oder nur ein Teil mittels eines Dielektrikums gefüllt sein, vorzugsweise eines druckdichten Dielektrikums im Kopfbereich.
[0045] Die Induktivitäten 13a und 13b sind durch dünne Drähte zwischen dem Innenleiter und der Masse (Äußeres Gehäuse 16) realisiert.
[0046] Beim erfindungsgemässen Plasmajet lässt sich die Kanüle aufgrund der geraden Bauform sehr einfach reinigen. Verstopfungen können aufgrund der Bauform ohne
Rundungen und Übergänge leicht verhindert warden. Zugeschmolzene Kanülen können einfach wieder aufgebohrt werden.
[0047] Alternativ zu den hier dargestellten Impedanztransformatoren als Gamma- und Spartransformatoren können im HF-Bereich auch Impedanztransformatoren mittels
Resonatoren, diversen Filtern, Lambda/4-Leitungen, getaperte Leitungen wie auch konzentrierte Bauelemente eingesetzt werden.
[0048] Wie aus obiger Beschreibung ersichtlich, lassen sich die erfindungsgemässen Plasmajets leicht für die Oberflächenbehandlung mit Pulvern, die durch das Kanülenrohr geführt werden können, einsetzen. Zudem können auch dünne Drähte, alternativ zu Pulvern, als Zuführ- oder Behandlungsmaterial, z.B. zum Aufschmelzen, Schweissen oder Löten, eingesetzt werden.
[0049] Insbesondere können auch starre Drähte sowie Fasern, wie z.B. Glasfasern oder Carbonfasern, oder Partikel durch das gerade Kanülenrohr geleitet werden, die dann durch den durchquerten Plasmastrahl behandelt werden können, z.B. ionisiert, gereinigt, stabilisiert, carbonisiert usw.
[0050] Als Variante, kann ein dielektrisches Material, z.B. Glas oder Keramik, vorzugsweise als Rohr geformt, in das Kanülenrohr eingebracht werden, wobei das Dielektrikum zur Isolation zwischen Prozessmaterial und dem metallischen Kanülenrohr dient, das als Elektrode fungiert.

Claims

Patentansprüche
1. Atmosphärenplasmajet durch ein Hochfrequenzsignal im MHz- oder GHz-Bereich betreibbar umfassend
einen metallischen im Wesentlichen rohrförmigen Aussenleiter (16), der an einem Ende (20) verschlossenen und am entgegengesetzten Ende (14) zur Plasma- Generation offen ist,
ein Kanülenrohr (10,15,18) als Elektrode zur Plasma-Generation, wobei das Kanülenrohr (10,15,18) den Aussenleiter (16) im Wesentlichen gerade von einem Ende (20) zum anderen (14) durchläuft und das verschlossene Ende (20) einen Kanülenrohreingang aufweist,
ein koaxiales Leitungssystem (12,18) konfiguriert ein Hochfrequenzsignal im Mhz- oder Ghz-Bereich seitlich zu zuführen
wobei das Kanülenrohr (10,15,19) am verschlossenen Ende (20) des Aussenleiters (16) elektrisch leitend damit verbunden ist
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kanülenrohr (10,15,19) dahinter mit einer Hochfrequenzsignalquelle direkt metallisch und elektrisch verbunden ist (12,18), wobei hiermit ein lambda/4- Transformator (Koaxialleiter mit einer Länge von ungefähr 90 Grad) gebildet wird, das Kanülenrohr (10,15,19) weiterhin, zwischen Hochfrequenzsignalquellen- verbindung (12,18) und offenem Aussenleiterende (14) durch mindestens eine Induktivität (13a, 13b) mit dem Aussenleiter (16) verbunden ist und somit mindestens einen Impedanztransformator bildet
wobei ein weiterer Impedanztransformator durch die Endkapazität zwischen Kanülenrohrende (19) und Aussenleiter (16) an der Öffnung des offenen
Aussenleiterendes (14) gebildet wird.
2. Atmosphärenplasmajet nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das
Kanülenrohr (10,15,19) weiterhin, zwischen der mindestens einen Induktivität (13a) und dem offenen Aussenleiterende (14) durch mindestens eine weitere Induktivität (13b) mit dem Aussenleiter (16) verbunden ist und somit einen weiteren
Impedanztransformator bildet.
3. Atmosphärenplasmajet nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Kanülenrohr (10,15,19) hinter dem Anschluss der jeweiligen Induktivität als
Innenleiter einer hochohmigen Koaxialleitung ausgeführt ist.
4. Atmosphärenplasmajet nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Länge des Kanülenrohrs bei mittlerer Arbeitsfrequenz im Bereich von ca. 20 bis 70 MHz zwischen zwei Induktivitäten ungefähr 90 Grad beträgt.
5. Atmosphärenplasmajet nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, dass ein dielektrisches Rohr, vorzugsweise ein Keramik- oder Glasrohr, im Kanülenrohr (10,15,19) angebracht ist.
6. Atmosphärenplasmajet nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch
gekennzeichnet, dass der Aussenleiter (16) ein Verbindungsstück (17) für eine Gaszuleitung zur Kühlung des Jets oder Bereitstellung einer Schutzgasatmosphäre aufweist.
7. Atmosphärenplasmajet nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Aussenleiters gar nicht oder teilweise mit Dielektrikum, gefüllt ist.
8. Atmosphärenplasmajet nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Aussenleiters gar nicht, ganz oder teilweise mit
Dielektrikum, vorzugsweise druckdichtem Dielektrikum im Kopfbereich (14) gefüllt ist.
9. Verwendung eines Hochfrequenz-Plasmajets mit im Wesentlichen geradem
Kanülenrohr als Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Schneiden oder Verkleben von Werkstücken oder Behandeln oder Beschichten von
Werkstückoberflächen.
10. Verwendung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass Behandlungs- oder Beschichtungsmaterial durch das Kanülenrohr in den Plasmastrahl geführt wird.
11. Verfahren zum Plasma-Behandeln oder -Beschichten von pulver- oder partikel-, faser-, draht- oder rohrförmigen Objekten mit geringem Querschnitt, dadurch gekennzeichnet, dass man die genannten Objekte durch ein geradliniges als Elektrode ausgeführtes Kanülenrohr eines Plasmajets nach einem der Ansprüche 1 bis 8 führt, wobei die genannten Objekte durch den Plasmastrahl hindurch geleitet und somit behandelt oder beschichtet werden.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020100872B4 (de) * 2020-01-15 2021-08-05 Ferdinand-Braun-Institut gGmbH, Leibniz- Institut für Höchstfrequenztechnik Resonator und Leistungsoszillator zum Aufbau einer integrierten Plasmaquelle sowie deren Verwendung

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3534388A (en) 1968-03-13 1970-10-13 Hitachi Ltd Plasma jet cutting process
US3567898A (en) 1968-07-01 1971-03-02 Crucible Inc Plasma arc cutting torch
GB2068359B (en) * 1980-01-29 1983-06-08 Ass Elect Ind Manufacture of optical fibre preforms
FR2616614B1 (fr) * 1987-06-10 1989-10-20 Air Liquide Torche a plasma micro-onde, dispositif comportant une telle torche et procede pour la fabrication de poudre les mettant en oeuvre
JP4577684B2 (ja) * 2005-01-24 2010-11-10 国立大学法人名古屋大学 プラズマ発生装置及びその給電効率の最適化方法
JP5275092B2 (ja) * 2009-03-12 2013-08-28 長野日本無線株式会社 プラズマ処理装置
DE102011055624A1 (de) 2011-11-23 2013-05-23 Dritte Patentportfolio Beteiligungsgesellschaft Mbh & Co.Kg HF-System
DE102012004034A1 (de) 2012-03-02 2013-09-05 Johannes Gartzen HF-Plasma-Zündkopf, -Strahlerkopf und -Strahler insbesondere zum Zünden und Betreiben eines Plasmas im MHz- und GHz-Bereich

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