MX2014009643A - Cañon de plasma de cascada extendida. - Google Patents

Abstract

Cañón de plasma y método para aplicar energía a un sustrato con un cañón de plasma. El cañón de plasma incluye un montaje de cátodo, un ánodo, un neutrodo posterior, y un neutrodo exterior colocado adyacente al neutrodo posterior para definir un orificio acanalado entre el montaje de cátodo y el ánodo. El neutro extendido tiene una longitud mayor de 38 mm. El canal de plasma también puede incluir al menos un neutrodo de gas para suministrar un gas al orificio acanalado y un suministro de energía.

Description

CAÑON DE PLASMA DE CASCADA EXTENDIDA CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con cañones de plasma, y en particular con cañones de plasma de cascada extendida para depositare por rocío de plasma un polvo sobre un sustrato .

En el desarrollo de los cañones de plasma, los diseñadores e ingenieros han buscado lograr un voltaje de cañón tan alto como sea posible para permitir altos niveles de energía, manteniendo a la vez la corriente más baja posible. Los cañones de plasma convencionales están limitados en la capacidad de voltaje por la geometría del cañón y el uso de gas y secundarios de alto potencial para implementar el voltaje y para incrementar otras características del plasma como una alta entalpia.

La capacidad de extender la cascada de un arco de plasma dentro de un cañón de plasma es limitada por el potencial total para completar el circuito de arco del cátodo al ánodo. Sobre la base de la experiencia con cañones de plasma convencionales, la extensión y alteración del orificio de la boquilla para incrementar el voltaje raramente fructificó del todo y donde funcionó únicamente fueron logradas mejoras limitadas en el voltaje del cañón. La falta de una comprensión clara sobre la naturaleza de la interacción entre el gas y arco eléctrico durante el arranque y operación limitaba la capacidad para formular una solución al problema. Se esperaban problemas similares con la extensión de los segmentos de neutrodo de un cañón de plasma del tipo cascada y se efectuó poca experimentación .

La patente Estadounidense de 5,406,046 describe un cañón de plasma de cascada que tiene un neutrodo formado por un neutrodo posterior y una pluralidad de segmentos de neutrodo, por ejemplo, seis segmentos. Además, este cañón de plasma de cascada incluye un montaje de cátodo que tiene tres elementos de cátodo. La descripción de este documento es incorporada expresamente aquí como referencia en su totalidad .

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Las modalidades de la invención están dirigidas a un cañón de plasma en cascada extendida que tiene una pila de neutrodo extendida más grande que la de los cañones de plasma de cascada convencionales. Como resultado de la pila de neutrodo más larga, se genera un arco más largo que tiene un voltaje mayor y menor corriente que los cañones de plasma de cascada convencionales entre un montaje de cátodo y un ánodo .

En modalidades, una combinación de un estado de flujo laminar en el orificio acanalado produce flujos de gas limpios y condiciones de menor corriente que promueven la formación de arcos muy largos dentro del cañón. La operación del cañón de plasma en cascada extendida de acuerdo con modalidades puede ser lograda sin la necesidad de voltajes excesivos y/o sin ningún potencial para que los segmentos de neutrodo se acorten.

Las modalidades de la invención están dirigidas a un cañón de plasma. El cañón de plasma incluye un montaje de cátodo, un ánodo, un neutrodo posterior, y un neutrodo extendido colocado adyacente al neutrodo posterior para definir un orificio acanalado entre el montaje de cátodo y el ánodo. El neutrodo extendido tiene una longitud mayor de 38 mm. El cañón de plasma también puede incluir al menos una entrada de gas para suministrar un gas al orificio acanalado y un suministro de energía.

De acuerdo con modalidades, el neutrodo extendido puede incluir una pluralidad de segmentos de neutrodo cilindricos arreglados axialmente a todo lo largo del neutrodo extendido. El cañón de plasma también puede incluir una pluralidad de aislantes. Al menos un aislante puede ser arreglado adyacente a cada uno de la pluralidad de segmentos de neutrodo. Al menos un aislante puede ser arreglado entre el neutrodo extendido y el ánodo y entre el neutrodo extendido y el neutrodo posterior. Además, la pluralidad de segmentos de neutrodo puede incluir 4-12 segmentos de neutrodo. La pluralidad de segmentos de neutrodo puede tener un espesor axial de 3.5-5.5 mm. De acuerdo con modalidades adicionales, cada uno de la pluralidad de segmentos de neutrodo puede tener un espesor axial de 4-5 mm, y en particular un espesor axial de aproximadamente 4.5 mm. En otras modalidades más, cada uno de la pluralidad de segmentos de neutrodo puede tener un espesor axial de 7-12.5 mm, en particular, un espesor axial de 8-11 mm, y de manera más particular, un espesor axial de aproximadamente 9.3 mm. Además, cada uno de la pluralidad de segmentos de neutrodo puede tener un mismo espesor axial .

De acuerdo con otras modalidades de la presente invención, el suministro de energía puede ser operado a más de 200 V. El suministro de energía puede proporcionar una salida de energía de 75 kW-125 kW, en particular 90 k -110 kW, y de manera más particular aproximadamente 100 kW.

De acuerdo con otras modalidades más, el suministro de energía puede generar un arco entre el montaje de cátodo y el ánodo que tenga una corriente menor de 500 A. Además, la corriente de arco puede estar dentro de un intervalo de 300 A-375 A.

Además, el montaje de cátodo puede incluir una pluralidad de elementos de cátodo arreglados en un aislante de cátodo. En modalidades, la pluralidad de elementos de cátodo puede incluir tres cátodos. Además, la pluralidad de elementos de cátodo pueden ser arreglados paralelos entre sí a un eje longitudinal del orificio acanalado.

De acuerdo con modalidades adicionales, el cañón de plasma también puede incluir un inyector de polvo acoplado al ánodo .

De acuerdo con otras modalidades más, al menos un gas puede incluir únicamente uno de argón, helio, o nitrógeno .

De acuerdo con modalidades, al menos un gas comprende una combinación de al menos dos de argón, helio, nitrógeno, e hidrógeno.

Las modalidades de la invención están dirigidas a un método para aplicar un polvo a un sustrato. El método incluye suministrar al menos un gas desde un montaje de cátodo hasta un ánodo vía un orificio acanalado, teniendo el orificio acanalado una longitud mayor de 38 mm, y generar un arco entre el montaje de cátodo y el ánodo.

De acuerdo con otras modalidades, el arco puede ser generado con un suministro de energía que opere a más de 200 V. Además, el suministro de energía puede ser operado a 250 V-400 V, y particularmente a 275 V-315 V.

De acuerdo con otras modalidades más de la presente invención, el orificio acanalado puede ser formado a través de un neutrodo de cascada extendida que pueda incluir una pluralidad de segmentos de neutrodo alineados axialmente .

Otras modalidades ejemplares y ventajas de la presente invención pueden ser determinadas revisando la presente descripción y las Figuras acompañantes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La presente invención es descrita mejor en la descripción detallada siguiente, con referencia a la pluralidad anotada de Figuras a manera de ejemplos no limitantes de modalidades ejemplares de la presente invención : La Figura 1 ilustra un cañón de plasma que tiene una cascada extendida de acuerdo con modalidades de la invención .

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Los particulares mostrados aquí son a manera de ejemplo y para propósitos de una discusión ilustrativa de las modalidades de la presente invención únicamente y se presentan con el propósito de proporcionar la que se cree es la descripción más útil y fácilmente comprensible de los principios y aspectos conceptuales de la presente invención. A este respecto, no se pretende mostrar detalles estructurales de la presente invención con mayor detalle del necesario para la comprensión fundamental de la presente invención, la descripción tomada con las Figuras hacen evidente a aquellos expertos en la técnica como pueden ser realizadas varias formas de la presente invención en la práctica.

El aparato de rocío de plasma mostrado en la Figura 1 incluye montaje de cátodo 1 y un ánodo 2 separado por un canal de plasma 3, el cual es definido por un interior de forma anular de un montaje de neutrodo 4, también referido como un orificio acanalado.

A manera de ejemplo no limitante, el montaje de cátodo 1 puede incluir una pluralidad de cátodo 5, por ejemplo, 3 cátodos. Los cátodos 5 pueden ser formados con, por ejemplo, un recubrimiento de tungsteno a base de cobre, y la pluralidad de cátodos 5 puede ser arreglada en un alojamiento 6 formado por un material eléctricamente aislante, por ejemplo, nitruro de boro u otro material aislante adecuado. A manera de ejemplo no limitante adicional, el ánodo 2 puede ser de un diseño anular y el montaje de neutrodo 4 puede ser formado por un neutrodo posterior 7 y una pila de neutrodo 8 formada por una pluralidad de segmentos de neutrodo 8' que tengan aislantes eléctricos 9 y sellos anulares 10 arreglados entre los neutrodos vecinos . De esta manera los segmentos de neutrodo 8' son aislados eléctricamente entre sí y la pila de neutrodo 8 es hermética al gas. El ánodo 2 puede ser formado por, por ejemplo, cobre y también puede ser incluida, por ejemplo, una superficie de tungsteno en la superficie anular interior. El neutrodo posterior 7 y los segmentos 8 ' pueden ser formados de cobre y también pueden incluir un revestimiento de tungsteno, los aislantes 9 pueden ser formados por nitruro de boro, nitruro de aluminio u otro material adecuado.

La superficie anular del interior del ánodo 2 y la superficie anular interior del montaje de neutrodo 4 son arregladas coaxialmente de modo que la corriente de los cátodos 5 se extienda a través del canal de plasma 3 hacia el ánodo 2. Además, en la pluralidad de cátodos son arreglados paralelos entre sí y paralelos a la alineación coaxial del ánodo 2 y el montaje de neutrodo 4. Además, el neutrodo posterior 7 y la pila de neutrodo 8 se alinean además de modo que los canales de enfriamiento 11 se formen alrededor de la periferia de montaje del neutrodo 4. Además, el montaje de neutrodo 4 es arreglado en un alojamiento de neutrodo aislado 15, el cual puede ser formado por boro, aluminio u otro material adecuado. Los canales de enfriamiento 11 reciben agua de enfriamiento a través de la entrada 12 para suministrar el agua de enfriamiento a través del montaje de neutrodo 4 y hacia el ánodo 2. El agua de enfriamiento es entonces suministrada a través de canales de retorno 11' hacia una salida respectiva. A manera de ejemplo no limitante, el aparato puede incluir una salida de agua de enfriamiento para cada cátodo 5. En la modalidad ilustrada, únicamente las salidas 13 y 14 son mostradas, pero debe comprenderse que sería proporcionada, respectivamente, una salida adicional por cada cátodo. Un soporte de inyección 16, puede ser arreglado alrededor del ánodo 2 y mantenido en su lugar por medio de una tuerca de boquilla (no mostrada) . El sujetador de inyección 16 incluye una pluralidad de salidas de polvo 16 para suministrar polvo a un plasma emitido desde un ánodo 2.

La mayoría de los cañones de cascada conocidos usan no más de seis o siete segmentos de neutrodo en cascada hacia el arco tras la ignición hacia el ánodo. Al incrementar la longitud total de la pila de neutrodo más allá de los cañones de cascada conocidos, los inventores han diseñado modalidades para asegurar que pueda ser logrado un potencial de voltaje en circuito abierto incrementado y que el potencial para los arcos para montar las paredes de los segmentos neutros sea esencialmente eliminado.

En los cañones de plasma de cascada convencionales, los segmentos de neutrodo individuales generalmente tienen un espesor de aproximadamente 4.5 mm (0.177 pulgadas) en la dirección axial y una longitud total de la pila convencional de aproximadamente 15-35 mm. En modalidades de la invención, los segmentos de neutrodo individuales pueden tener un espesor (en la dirección axial) de 3.5-5.5 mm, y en particular 4-5 mm. En un ejemplo no limitante, el espesor de un segmento de neutrodo puede ser de 4.5 mm. De este modo, aunque las modalidades de la invención utilizan segmentos de neutrodo que tienen un espesor similar a los segmentos de neutrodo de los cañones de plasma convencionales, en contraste con los cañones convencionales, las modalidades de la invención utilizan una pila de neutrodo 8 que tiene una longitud mayor que la de la pila convencional anotada anteriormente, y en particular mayor de 38 mm. En modalidades, la longitud de la pila de neutrodo 8 puede ser de 40-70 mm, y en particular, 50-65 mm. En un ejemplo no limitante, la longitud de la pila de neutrodo puede ser de 56 mm. Además, debe comprenderse que pueden ser logradas pilas de neutrodo aún más largas sin apartarse del espíritu y alcance de las modalidades de la invención a través del uso de un suministro de energía mejorado.

En modalidades particulares, la pila de neutrodo 8 puede incluir al menos 6 segmentos de neutrodo, y en particular 8 o más segmentos de neutrodo 8' para lograr la longitud de pila deseada. Además, en un ejemplo no limitante, la pila de neutrodo 8 puede comprender al menos 10 segmentos de neutrodo 8' .

En otras modalidades, los segmentos de neutrodo 8' pueden ser formados con un espesor mayor que en los cañones de plasma de cascada convencionales . A manera de ejemplo no limitante, los segmentos de neutrodo 8' pueden ser formados con un espesor de aproximadamente dos veces el espesor de un segmento de neutrodo convencional, aproximadamente 7 mm -12.5 mm, y en particular aproximadamente de 8-11 mm. En un ejemplo no limitante, el espesor de un segmento de neutrodo puede ser de 9.3 mm (0.366 pulgadas). Aunque los segmentos de neutrodo más gruesos 8' de esta modalidad pueden ser arreglados para formar una pila de neutrodo que tenga una longitud correspondiente a la del cañón de plasma convencional descrito anteriormente, de acuerdo con las modalidades, la pila de neutrodo 8 puede ser formada con, por ejemplo, 4-6 segmentos de neutrodo 8' para lograr la longitud de pila extendida deseada de al menos 38 mm, en particular, una longitud de pila de 40-70 mm, de manera más particular, una longitud de la pila de 50-65 mm, y a manera de ejemplo no limitante, una longitud de pila de al menos 56 mm. Esas modalidades pueden ser ventajosas dado que se ha encontrado que, cuando la pila de neutrodo es formada con segmentos de neutrodo más gruesos (en comparación con las pilas de neutrodo convencionales) , el acortamiento a través de los sellos anulares que separan los segmentos se reduce significativamente .

Como es sabido, un gas de plasma es suministrado desde el área de montaje de cátodo 1 a través del montaje de neutrodo 4. Para quemar el gas de plasma, se conecta un suministro de energía entre los cátodos 5 y el ánodo 2 con un potencial suficiente para ionizar el gas para proporcionar una trayectoria de cada uno de la pluralidad de cátodos 5, a través de los neutrodos 4, hasta el ánodo 2. Puesto que la pila de neutrodo 8 de acuerdo con modalidades está diseñada para ser más larga que los cañones de plasma de cascada convencionales, se requiere un arco más largo de los cátodos 5 hacia el ánodo 2. Sin embargo, a pesar de requerir un arco más largo, se busca una misma energía para las modalidades de aparatos de rocío de plasma de la invención como los cañones de plasma de cascada convencionales. Para compensar el arco más largo, los niveles de voltaje y corrientes son ajustados para lograr la misma energía. En modalidades, la energía puede ser de 75 kW-125 kW, en particular de 90 kW-110 kW, y de manera más particular de aproximadamente 100 kW. Para facilitar la generación de los arcos más largos, en modalidades, el gas de plasma puede ser, por ejemplo, uno de argón, helio, o nitrógeno, o puede ser una combinación de cualquiera de dos de argón, helio, nitrógeno, e hidrógeno.

De acuerdo con las modalidades, el cañón de plasma con una pila de neutrodo en cascada extendida 8 logra condiciones de flujo laminar en el orificio acanalado. Con un suministro de voltaje capaz de alcanzar una operación a más de 200 V, en particular, la operación a 250 V-400 V, de manera más particular la operación a 275 V-315 V, y en un ejemplo no limitante una operación a aproximadamente 300 V, las modalidades de la pila de neutrodo de cascada extendida pueden ser formadas de modo que tengan más segmentos de neutrodo que en el cañón convencional, por ejemplo, 2-6 segmentos de neutrodo adicionales más que en la pila de neutrodo de cascada convencional. Como resultado, las modalidades de la invención proporcionan iluminación del cañón y operación normal con un incremento conmensurado en el voltaje del cañón en comparación con las pilas de neutrodo de cascada de longitud estándar (con seis segmentos de neutrodo) a los mismos parámetros de energía de operación. Con una pila de neutrodo de cascada extendida de 8-12 segmentos de neutrodo, y en particular de 10 segmentos de neutrodo, el cañón puede ser quemado y operado a 40-100 V adicionales, y en particular aproximadamente 60 V sobre las pilas de neutrodo de cascada de longitud estándar cuando se use argón como el gas primario y sin gas secundario. En la pila de neutrodo de cascada extendida de acuerdo con las modalidades, el límite de voltaje del suministro de energía puede ser alcanzado rápidamente cuando los flujos de gas primario se incrementen o el gas secundario, como el helio, sea usado para reforzar el voltaje.

Como consecuencia del incremento del voltaje, el amperaje requerido para lograr el nivel de energía deseado se reduce sustancialmente . Esto conduce, de manera ventajosa, directamente a un incremento de la vida del hardware . Debido que los cañones de plasma de cascada convencionales generalmente usan un suministro de energía operado a 200 V, puede ser generada una corriente de 500 amperios del cátodo al ánodo. Para generar los arcos más largos, las modalidades de la invención utilizan un sistema de energía operado a más de 200 V, en particular 250 V-400 V, de manera más particular 275 V-315 V, y de acuerdo con un ejemplo no limitante aproximadamente 300 V, lo cual da como resultado una reducción en una corriente generada de menos de 500 A. En particular, la corriente generada, puede ser de 200 A-425 A, y en particular de 300 A-375 A (por ejemplo, a manera de ejemplo no limitante la corriente generada puede ser de aproximadamente 333 A) . Además, los inventores han encontrado que, con respecto al depósito de polvos por rocío de plasmas sobre un sustrato, la corriente y el voltaje son intercambiables, es decir, al polvo no le importa si la energía es generada por voltaje o corriente.

De este modo, en modalidades, aún cuando la corriente sea reducida significativamente a través del uso del suministro de energía de alto voltaje, no existe disminución en la distribución del polvo y el recubrimiento.

Debe notarse que los ejemplos anteriores han sido proporcionados simplemente para propósitos de explicación y no deben constituirse en limitantes de la presente invención. Aunque la presente invención ha sido descrita con referencia a una modalidad ejemplar, debe comprenderse que las palabras que han sido usadas aquí son palabras de descripción e ilustración, más que palabras de limitación. Pueden hacerse cambios, dentro del punto de vista de las reivindicaciones anexas, como se establece actualmente y según sea enmendado, sin apartarse del alcance y espíritu de la presente invención en sus aspectos. Aunque la presente invención ha sido descrita aquí con referencia a medios particulares, materiales y modalidades, la presente invención se extiende a todas las estructuras equivalente funcionales, métodos y usos, que estén dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (20)

REIVINDICACIONES

1. Un cañón de plasma, caracterizado porque comprende: un montaje de cátodo; un ánodo; un neutrodo posterior; un neutrodo extendido colocado adyacente al neutrodo posterior para definir un orificio acanalado entre el montaje de cátodo y el ánodo, teniendo el neutrodo extendido a una longitud mayor de 38 mm; al menos una entrada de gas para suministrar un gas al orificio acanalado; y un suministro de energía.

2. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el neutrodo extendido comprende una pluralidad de segmentos de neutrodo arreglados axialmente a todo lo largo del neutrodo extendido .

3. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque comprende además una pluralidad de aislantes, donde al menos un aislante es arreglado adyacente a cada uno de la pluralidad de segmentos de neutrodo .

4. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque al menos un aislante es arreglado entre el neutrodo extendido y el ánodo y entre el neutrodo extendido y el neutrodo posterior.

5. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque la pluralidad de segmentos de neutrodo comprende 4-12 segmentos de neutrodo.

6. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de segmentos de neutrodo tiene un espesor axial de 3.5-5.5 mm, en particular, un espesor axial de 4-5 mm, y de manera más particular un espesor axial de aproximadamente 4.5 mm .

7. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque cada una de la pluralidad de secciones de neutrodo tiene un espesor axial de 7-12.5 mm, en particular, un espesor axial de 8-11 mm, de manera más particular un espesor axial de aproximadamente 9.3 mm .

8. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de segmentos de neutrodo tiene el mismo espesor axial .

9. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el suministro de energía es operado a más de 200 V, en particular, es operado a 250 V-400 V, y de manera más particular operado a aproximadamente 300 V; y

10. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el suministro de energía proporciona una potencia de salida de 75 kW-125 kW, en particular, una potencia de salida de 90 kW-110 k , y de manera más particular una potencia de salida de 100 kw.

11. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el suministro de energía genera un arco entre el montaje de cátodo y el ánodo que tiene una corriente menor de 500 A, y en particular, dentro de un intervalo de 300 A-375 A.

12. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el montaje de cátodo comprende una pluralidad de elementos de cátodo arreglados con un aislante de cátodo.

13. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la pluralidad de elementos de cátodo comprende tres cátodos .

14. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la pluralidad de elementos de cátodo se arreglan paralelos entre sí y paralelos a un eje longitudinal del orificio acanalado.

15. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además un inyector de polvo acoplado al ánodo.

16. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque al menos un gas comprende solo uno de argón, helio y nitrógeno.

17. El cañón de plasma de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque al menos un gas comprende una combinación de al menos dos de argón, helio, nitrógeno e hidrógeno.

18. Un método para aplicar un polvo a un sustrato; caracterizado porque comprende: suministrar al menos un gas desde un montaje de cátodo hasta un ánodo vía un orificio acanalado, teniendo el orificio acanalado una longitud mayor de 38 rara; generar un arco entre el monta e de cátodo y el ánodo.

19. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el arco es generado con un suministro de energía que opera a más de 200 V, en particular es operado 250 V-400 V, y de manera más particular es operado a aproximadamente 275 V-315 V.

20. El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el orificio acanalado se forma a través de un neutrodo de cascada extendida que comprende una pluralidad de segmentos de neutrodo alineados axialmente.