NL8601824A - Werkwijze en inrichting voor het met een geleidend plasmakanaal ontsteken van een boog. - Google Patents

Description

·- * *) ·% Ν.0. 33850 - 1 - dUr/VK-d.

Werkwijze en inrichting voor het met een geleidend plasmakanaal ontsteken wan een boog.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het met hoge spanning creëren van een geleidend plasmakanaal voor het ontsteken van een boog in een omgeving met verlaagde druk.

5 Een dergelijke werkwijze is bekend uit W0-8503954.

In deze octrooipublikatie wordt een nieuwe werkwijze aangegeven voor het ontsteken van een boog die in tegenstelling tot de werkwijze bekend uit US-A-3783231 en U5-A-3836451 gebruik maakt van niet-mechanische middelen 10 om een boog te ontsteken. Dit heeft het voordeel dat de inrichting kleiner uitgevoerd kan worden en door het ontbreken van bewegende delen betrouwbaarder wordt. Deze in W0-8503954 beschreven ontsteking wordt plasma-elektro-nische ontsteking van de boog genoemd. Om deze ontsteking 15 mogelijk te maken moeten de anode en kathode zich dicht bij elkaar bevinden, terwijl de optimale druk hoger moet zijn dan die gebruikelijk bij het neerslaan van metalen in vacuum. Deze werkwijze heeft echter een aantal nadelen. Doordat de kathode en anode zich dicht-bij elkaar bevinden 20 bestaat door opdampen van materiaal het gevaar dat de kathode en anode kortgesloten worden. Bovendien moet het vat waarin de kathode en anode samen met het substraat zich bevinden onder een hogere druk gebracht worden tijdens het ontsteken van de boog, waarna de druk weer verlaagd moet 25 worden om het opdampen op het substraat onder optimale omstandigheden te laten verlopen.

Het is het doel van de onderhavige uitvinding om deze nadelen te vermijden.

Ó601824 - 2 -

Daartoe worden bij de hierboven genoemde werkwijze op slechts een beperkt aantal plaatsen tussen de delen waar de boog ontstoken moet worden, de omstandigheden voor het ontsteken van de boog geoptimaliseerd. Dat wil zeggen 5 indien het de druk betreft wordt ter plaatse de druk verhoogd en/of worden de ontsteking bevorderende gassen toegevoerd.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een inrichting voor het verwezenlijken van de hierboven beschreven 10 werkwijze, welke inrichting een buis omvat voor het aan voeren van de gassen naar de plaats waar de ontsteking moet beginnen.

Door deze buis als hulpelektrode te schakelen of nabij deze buis een aparte hulpelektrode aan te brengen, kan de 15 afstand tussen de anode en kathode vergroot worden, zodat de hierboven beschreven problemen met betrekking tot het kortsluitgevaar geëlimineerd kunnen worden.

Het kortsluitgevaar kan aanvullend verminderd worden door het aanbrengen van een isolerende ring tussen kathode 20 en anode, die bijvoorbeeld uit een keramisch materiaal vervaardigd kan zijn zoals boriumnitride.

Het is eveneens mogelijk om in het automatisch opnieuw ontsteken te voorzien door het detecteren van het uitvallen van de boogstroom door middel van bijvoorbeeld 25 stroom- of spanningsde-tectie. Deze geeft bij het volledig wegvallen van de boog een ontsteekpuls via ontsteek-schakeling 6.

De uitvinding zal thans aan de hand van een in de tekening afgebeeld voorbeeld nader verduidelijkt worden.

30 Daarbij tonen:

Fig. 1 een schematisch aanzicht van een inrichting volgens de uitvinding met een als hulpelektrode geschakeld buisje en een elektrische schakeling voor het ontsteken van de boog, het voeden en stabiliseren van de boog, het 35 automatisch ontsteken van de boog nadat deze is uitgevallen en een beveiliging van de elektrische schakeling tegen te hoge overspanning zonder de dynamische stabilisatie van de boog te beïnvloeden.

8601824 *r * - 3 -

Fig. 2 de inrichting volgens fig. 1 maar met een afzonderlijke hulpeletrode;

Fig. 3 detail a uit fig. 2.

De in fig. 1 afgefaeelde inrichting omvat een kathode 5 1 en een anode 2 waartussen een boog getrokken moet worden.

Daardoor migreert van de kathode 1 materiaal naar een substraat 3 dat bekleed moet worden. Niet is afgebeeld hoe dit substraat aangebracht is, maar dit kan op alle in de stand der techniek bekende wijzen plaatsvinden. Het hierboven 10 beschreven samenstel is aangebracht in een niet-afgebeeld vat, waarin de druk verlaagd kan worden, zodat het neerslaan van materiaal op het substraat 3 geoptimaliseerd kan worden. Voor het ontsteken van de boog is een buisje 4 aanwezig, dat als hulpelektrode dient. Door dit buisje kan 15 via een afsluiter 5 en een bron 7 gas toegevoerd worden op de plaats waar een hulpontsteking tussen de kathode 1 en de hulpelektrode 4 plaats moet vinden voor het op gang brengen van de boog. Het bij kathode 1 liggende einde van buisje 4 of het gehele buisje kan van een hitte bestendig 20 materiaal vervaardigd zijn, zoals molybdeen of wolfraam.

Door het aanleggen van een spanningspuls tussen kathode 1 en buisje 4 en tegelijkertijd ter plaatse verhogen van de druk door het toevoeren van een gas zoals argon, kan in optimale omstandigheden voor het ontstaan van een boog 25 voorzien warden, dat wil zeggen dat bij een bepaalde afstand tussen de kathode 1 en hulpelektrode 4 een minimale spanningspuls noodzakelijk is. Volgens de wet der ontste-kingsspanning van Paschen en Back bestaat voor elk gas een minimale ontstekingsspanning voor een bepaalde waarde van 30 het produkt van de heersende druk en de elektrodeafstand.

Dit produkt kan voor elk gas uit de bijbehorende Paschen-kromme gevonden worden. Bij een bepaalde waarde voor dit produkt moet voor minimale ontstekingsspanning de druk of drukstoot zodanig gekozen warden, dat deze hetzij gelijk is 35 aan de druk van de werkwijze van het bekleden of deze niet $601824 * 'Ïï - 4 - negatief beïnvloed wordt. Dienovereenkomstig wordt de elektrodeafstand ingesteld met eventuele veiligheidsmarge voor de reproduceerbaarheid van de ontsteking bij een bepaalde ontstekingsspanning. Het inwendige van buisje 4 5 is zodanig gevormd, dat daaruit een doelgerichte gasstroom op de gewenste plaats voor de ontsteking gebracht kan worden. Daartoe kan het inwendige zoals afgebeeld cilindrisch uitgevoerd zijn, maar kan ook als venturimondstuk uitgevoerd zijn.

10 De inrichting omvat tevens een voedingsbron 6 voor het ontsteken van de boOg en een voedingsbron 19 voor het in stand houden van de boog tussen kathode 1 en anode 2.

Tevens is een gebruikelijke voedingsbron 9 aanwezig en door het sluiten van schakelaar 8 wordt zowel afsluiter 15 5 geopend als buisje 4 onder spanning gezet. Daardoor ontstaat bij het uitstroomeinde van buisje 4 ionisatie van de gassen,, waardoor een geleidend kanaal ontstaat tussen anode 2 en kathode 1. Gedurende de tijd dat dit geleidend kanaal aanwezig is moet de stroom kunnen toenemen 20 tot een waarde, waarbij zich een boogontlading tussen kathode 1 en anode 2 kan vormen welke met een lage spanning stabiel in stand kan worden gehouden. Ter optimalisering van het proces (korte drukverhoging, kleine hoeveelheid gas) is de tijdsduur dat het geleidende kanaal 25 aanwezig is klein. Kenmerkend voor de toegepaste elektrische schakeling is dat deze in staat is de stroom in het geleidend kanaal zo snel kan doen toenemen dat een stabiele boogontlading bij lage spanning tussen kathode 1 en anode 2 kan ontstaan ondanks aanwezigheid van smoor-30 spoel 13, die een grote zeifinductiecoëfficient moet hebben om de boog in stand te houden. Door zo te werken hoeft bij het ontsteken van de boog niet het gehele vat onder een hogere druk gebracht te worden of voorzien te worden van bijzonder gassen, maar kan volstaan worden met 35 plaatselijke drukverhoging, zodat direkt na het ontstaan ISO 1824 - 5 - <r' « van een boog optimale omstandigheden heersen voor het neerslaan van een laag op substraat 3. Daardoor zijn grote vacuumpompen overbodig, terwijl tevens bespaard wordt op de hoeveelheid gas. Om kortsluiting tussen kathode 5 1 en anode 2 t.g.v. ongewenst opdampen van verdampings- materiaal op anode 2 te vermijden, dient de afstand tussen kathode 1 en anode 2 aanzienlijk groter te zijn dan bij de inrichting volgens de stand van de techniek. Dit kan tevens bereikt worden door een isolerende ring 10 tussen 10 kathode 1 en anode 2 aan te brengen, welke van keramisch materiaal zoals boriumnitride vervaardigd kan zijn.

Door tenminste het uiteinde van buisje 4 van wolfraam of molybdeen te vervaardigen, wordt verstoppen daarvan t.g.v. smelten voorkomen.

15 Voedingsbron 6 moet zodanig uitgevoerd zijn, dat deze een hoge spanning kan leveren (tussen enkele honderden volts en enkele kilovolts) bij gering vermogen. Bovendien is in de schakeling een smoorspoel 13 aanwezig die zowel in het afvlakken van de stroom voorziet voor het verleg-20 gen van de leemtegrens, waardoor de gemiddelde stroom waarbij de boog loopt verlaagd kan worden, alsmede voorziet in het in stand houden van de boog, indien deze de neiging heeft uit te vallen (dynamische stabilisatie van de boog). Zodra de boogstroom snel afneemt, ontstaat een 25 hoge geïnduceerde spanning welke stabilisatie van de boog mogelijk maakt.

Na het ontstaan van het geleidende kanaal moet de stroom van dë voedende gelijkrichter 19 snel toenemen. Omdat deze gelijkrichter 19 uit kostenoverwegingen slechts een rela-30 tief lage spanning kan afgeven, duurt het lang voordat de stroom in smoorspoel 13 een zodanige waarde bereikt heeft, dat de boog stabiel blijft lopen bij lage spanning. Daarom is in een aantal middelen voorzien om dit probleem op te lossen. Een mogelijke oplossing is het aanbrengen 35 van een hulpspanning 17 bestaande uit een condensator, die door een aparte (niet-afgebeelde) spanningsbron opgeladen wordt. Zodra een geleidend kanaal ontstaat, ontlaadt de voorgeladen condensator zich via smoorspoel 13 over het 8601824 - 6 - «Λ c

V

geleidende kanaal. De stijging van de stroom wordt bepaald door de condensatorspanning, grootte van de smoorspoel en capaciteit van de condensator. Hierdoor zal de stroom veel sneller stijgen dan in het geval dat deze stijging 5 door de voedingsgelijkrichter 19 alleen zou wo.rden veroor zaakt. Deze hulpspanning is met een gering vermogen te realiseren. Daarom hoeft de voedingsgelijkrichter 19 geen aanzienlijk vermogen te hebben, waardoor in bovengenoemde kostensparing voorzien wordt. Het voorzien in een hulp-10 spanning kan eveneens door hulpschakeling 18 verwezenlijkt worden, zijnde een spanningsbron (b.v. volgestuurde gelijk-richter) met in de uitgang in serie geschakeld een stroombegrenzingsweerstand. In principe rust de werking op het omlaagbrengen van de tijdconstante L/R, waarbij L de zelf-15 inductiecoefficient van de smoorspoel 13 is en R de weer- standswaarde van de stroombegrenzingsweerstand. Direkt nadat de hoofdvoedingsgelijkrichter stroom voedt, wordt de hulpgelijkrichter uitgeschakeld. De hulpgelijkrichter heeft slechts een gering continu vermogen, daar deze 20 slechts zeer korte tijd stroom levert. De hulpspannings-bron 18 kan eventueel dezelfde spanningswaarde hebben als de hoofdvoedingsgelijkrichter 19. In dit speciale geval kan de stroombegrenzingsweerstand R zoals hiervoor beschreven in de hoofdstroom opgenomen worden en vervalt 25 hulpschakeling 18. Dit is als weerstand 22 in die figuur afgebeeld. Zodra de boog ontstoken is, wordt de weerstand 22 door middel van schakelaar 23 kortgesloten. In het geval de hulpschakeling 18 wel toegepast wordt, is de weerstand gelijk aan nul, waardoor schakelaar 23 vervalt. Het is van-30 zelfsprekend, dat hulpschakeling 17 en 18 zowel afzonderlijk als in kombinatie gebruikt kunnen worden.

Door de overspanningen die in de schakeling optreden, is het gebruik van een beveiliging tegen overspanning noodzakelijk. Daarvoor kan b.v. varistor 14 gebruikt 35 worden. Bij het onderbreken van de boog ontstaat een aanzienlijke inductiespanning over smoorspoel 13, waardoor 860 1 824 - 7 - de inrichting beschadigd zou kunnen worden en door gebruik van deze varistor 14 worden deze overspanningen begrensd, terwijl spanningen beneden de aanspreekwaarde van de varistor gebruikt worden voor het stabiliseren 5 van de boog (dynamische stabilisatie). Deze beveiliging is eveneens te verwezenlijken met gebruik van de voorgeladen condensator 15. Daarbij wordt condensator 15 gebruikt bij gemiddelde tot grote magnetische energie opgeslagen in smoorspoel 13, terwijl varistor 14 toe-10 passing vindt bij vrij geringe opslag van magnetische energie. Door het gebruik van de condensator worden overspanningen van de smoorspoel 13 beneden de voorspan-ning van de condensator gebruikt.voor het stabiliseren van de boog (dynamische stabilisatie). Tot slot kunnen 15 middelen 16, 21 als beveiliging tegen overspanning gebruikt worden. Daarbij wordt een halfgeleiderelement door een stuursignaal in een geleiding gebracht en is parallel aan smoorspoel 13. Het stuursignaal wordt gegeven op het moment, dat een geïnduceerde spanning boven 20 een bepaald niveau op de spoel ontstaat. Hierdoor wordt enerzijds bereikt, dat de gehele schakeling beschermd wordt tegen overmatige geïnduceerde spanningen terwijl anderzijds geïnduceerde spanningen beneden het ingestelde niveau gebruikt kunnen worden voor de dynamische stabili-25 satie van de boog. Genoemde halfgeleider kan een thyristor-of transistorschakeling zijn of elk ander element bekend in de stand der techniek dat in staat is voldoende hoge spanning in doorlaatinrichting te sperren. Als stuursignaal kunnen elementen met een break-over karakteristiek 30 (gestuurde doorslag) toegepast worden. De later beschreven middelen zijn in het bijzonder toepasbaar waar grote hoeveelheden energie in de smoorspoel 13 zijn opgeslagen.

De hierboven beschreven schakelingen 14, 15 en 16 kunnen in alle denkbare kombinaties toegepast worden om optimale 35 beveiliging te verwezenlijken.

8601824 *- '-V· - 8 -

In de figuur is bovendien detectieschakeling 20 aangegeven, welke het uitvallen van de boog detecteert.

Dit kan door stroom- of spanningsdetectie plaatsvinden.

Na het uitvallen van de boog wordt automatisch een ont-5 steekpuls gegeven via ontstekingsschakeling 6. Daarbij kan schakelaar 21 gebruikt worden om smoorspoel 13 geheel of gedeeltelijk kort te sluiten bij het ontsteken van de boog. Hierdoor wordt tijdens het ontsteken van de boog de zelfinductiecoef ficie'nt van de smoorspoel ver-10 kleind, waardoor de stijging van de boogstroom toeneemt.

Zodra de boog op gang gebracht is, wordt de kortsluit-schakelaar geopend, hetgeen tot gevolg heeft dat de smoorspoel 13 een grotere zelfinductiecoefficient heeft en een betere afvlakking van de stroom en een grotere 13 dynamische stabilisatie van de boog oplevert.

In fig. 2 is een andere uitvoering van de uitvinding afgebeeld, waarbij naast buisje 4 een afzonderlijke hulp-elektrode 11 aangebracht is. Deze hulpelekttrode kan eveneens van wolfraam of molybdeen vervaardigd zijn. Op 20 deze wijze kan een optimale gasstroom langs de hulp- elektrode verzekerd worden, terwijl tevens de punt van de hulpeletrode 11 optimaal gevormd kan worden. In fig. 3 is een detail A van fig. 2 afgebeeld. Daaruit blijkt in het bijzonder de bijzondere uitlaatvorm van buisje 4 met de 25 daaruit ontstaande gassstroom 12.

Hoewel in fig. 2 slechts een hulpelektrode afgebeeld is, kunnen om een buisje verscheidene hulpelektroden aangebracht worden. Bovendien kunnen verscheidene buisjes 4 in een inrichting aanwezig zijn, al dan niet als hulp-30 elektrode geschakeld zijnde. De hulpelektrode 11 en de buisjes 4 worden na het ontstken van de boog spanningsloos en zijn elektrisch zwevend t.o.v. kathode, anode en vat.

8601824 - 9 -

Hoewel aan de hier beschreven uitvoering thans de voorkeur gegeven wordt, moet begrepen worden dat daaraan door de vakman wijzigingen aangebracht kunnen worden, zonder buiten het bereik van de onderhavige uitvinding 5 te geraken.

3601824

Claims (17)

1. Werkwijze voor het met hoge spanning creëren van een geleidend kanaal voor het ontsteken van een boog in een omgeving met verlaagde druk, met het kenmerk, dat tijdens het ontsteken op een beperkt aantal 5 plaatsen tussen de delen waar de boog ontstoken moet worden de omstandigheden voor het ontsteken van de boog geoptimaliseerd worden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de druk verhoogd wordt.

3. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de ontsteking bevorderende gassen toegevoerd worden.

4. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens één van de voorafgaande conclusies, omvattende 15 een kathode (1) en een anode (2), m e t h e t k e n -merk, dat nabij de plaats waar de ontsteking moet plaatsvinden, een buisje (4) aangebracht is.

5. Inrichting volgens conclusie 4, m e t h e t kenmerk ,. dat het buisje (4) als hulpelektrode 20 geschakeld is.

6. Inrichting volgens ocnclusie 4, met het k e n m er k , dat nabij het buisje ten minste een hulpelektrode aangebracht is.

7. Inrichting volgens één van de conclusies 4-6, 25 met het kenmerk, dat tussen de kathode en anode een ring van isolerend materiaal aangebracht is.

8. Inrichting volgens conclusie 7, m e t h e t kenmerk, dat de ring van boriumnitridemateriaal is.

9. Inrichting volgens één van de conclusies 4-8, 30 met het kenmerk, dat in serie met de anode- kathodevoeding een smoorspoel geschakeld is. 8601824 - 11 -

10. Inrichting volgens één van de conclusies 4-9, met het kenmerk, dat naast de voedingsbron (19) voor het instandhouden van de boog een hulpspanning (17,18) aanwezig is.

11. Inrichting volgens ocnclusie 10, met het kenmerk, dat de hulpspanning een voorgeladen condensator (15) omvat.

12. Inrichting volgens conclusie 10 of 11, met het kenmerk, dat de hulpspanning een spannings- 10 bron (18) met een in seriegeschakelde weerstand omvat.

13. Inrichting volgens één van de conclusies 4-11, met het kenmerk, dat een overspanningsbe-veiliging aangebracht is.

14. Inrichting volgens conclusie 13, met het 15 kenmerk, dat deze een overspanningbegrenzende component b.v. een varistor (14) omvat.

15. Inrichting volgens conclusies 13 of 14, met het kenme rk, dat de overspanningsbeveiliging een voorgeladen condensator omvat.

16. Inrichting volgens één van de conclusies 13-15, met het kenme rk, dat de overspanningsbeveiliging parallel aan de smoorspoel schakelbare middelen omvat.

17. Inrichting volgens één van de conclusies 4-16, 25 met het kenmerk, dat detectiemiddelen (20) voor het uitvallen en opnieuw opstarten van de boog aanwezig zijn. 8601824