PL207561B1 - Reaktor plazmowy - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest reaktor plazmowy z dołączanym do pompy próżniowej próżnioszczelnym zbiornikiem zawierającym przestrzeń roboczą do pomieszczenia przedmiotów obrabianych, źródłem napięciowym do przykładania napięcia do przedmiotu obrabianego, i co najmniej jednym umieszczonym w zbiorniku układem chłodzącym do odprowadzania ciepła promieniowania z przedmiotu obrabianego składającego się z przynajmniej dwóch elementów chłodzących.

Przy procesach plazmowych, przy których przedmiot obrabiany poddawany jest obróbce plazmowej, nawęglaniu plazmowemu lub powlekaniu plazmowemu, przez wyładowanie występujące na powierzchni przedmiotu obrabianego do zbiornika doprowadza się energię. W przypadku stacjonarnym odprowadzanie energii odbywa się przez ścianę, pokrywę i dno zbiornika w wyniku promieniowania. Jeżeli to odprowadzanie energii nie jest wystarczające, to można do zbiornika wbudować urządzenie chłodzące. Tego rodzaju urządzenie chłodzące składa się zwykle z palców chłodzących w postaci cylindrów chł odzonych wod ą . Tego rodzaju palce chł odzą ce stanowią punktowe miejsca odbioru promieniowania cieplnego, przy czym w przestrzeni roboczej mogą występować nierównomierne rozkłady temperatury. Z reguły takie rozmieszczenie palców chłodzących, aby ustalił się pożądany bilans cieplny, jest możliwe tylko przy pewnym określonym rozmieszczeniu wsadu. Inna wada palców chłodzących polega na tym, że na zimnych powierzchniach pojawia się woda kondensacyjna. Poza tym występuje problem, że końce wsadu są zwykle zbyt zimne, ponieważ przez pokrywę i dno odprowadzane jest dodatkowo ciepło.

W dokumencie U3 5.846.375 opisano ukł ad sterują cy temperaturą , do selektywnego sterowania temperaturą w różnych strefach platformy z obrabianymi przedmiotami, przy czym ta platforma umieszczona jest w zbiorniku próżniowym do obróbki płytek półprzewodnikowych. Platforma z przedmiotami obrabianymi zawiera wiele współosiowo biegnących pierścieniowych kanałów, które dołączone są do oddzielnych źródeł chłodzenia. Dzięki temu różne obszary obróbcze mogą być chłodzone z różn ą intensywnością.

W dokumencie US 2002/0023589 Al opisano reaktor plazmowy z rurą wyładowczą, który zawiera rozmieszczone współosiowo obszary chłodzenia, z których każdy dołączony jest do jednego przewodu doprowadzającego i jednego przewodu powrotnego dla płynu chłodzącego. W ten sposób różne obszary rury wyładowczej mogą być chłodzone z różną intensywnością.

Natomiast w dokumencie US 4471003 A ujawniono urządzenie charakteryzujące się tym, że zawiera dołączony do pompy próżniowej próżnioszczelny zbiornik z elementem chłodzącym.

Dokument US 5063751 A opisuje urządzenie do chłodzenia wody pitnej składające się między innymi z dwóch wężów przeplatających się wzajemnie. Przy czym w jednym z węży znajduje się woda chłodzona a w drugim czynnik chłodzący, którym w tym przypadku jest freon.

Celem wynalazku jest opracowanie reaktora plazmowego z ulepszonym układem chłodzenia, w którym osiąga się równomierne chłodzenie przedmiotu obrabianego, bez niebezpieczeństwa miejscowego przegrzania lub niedogrzania.

Zgodnie z wynalazkiem reaktor plazmowy z dołączanym do pompy próżniowej próżnioszczelnym zbiornikiem zawierającym przestrzeń roboczą do pomieszczenia przedmiotów obrabianych, źródłem napięciowym do przykładania napięcia do przedmiotu obrabianego i z umieszczonym w zbiorniku, przynajmniej jednym układem chłodzącym do odprowadzania ciepła promieniowania, składającym się z przynajmniej dwóch elementów chłodzących, charakteryzuje się tym, że wspomnianymi przynajmniej dwoma elementami chłodzącymi są węże chłodzące, których zwoje są wzajemnie przeplatane i dla zmiany obszaru powierzchni czynnej włączany jest i wyłączany stopniowo w zwojach dopływ medium chłodzącego.

Korzystnie, elementy chłodzące są rozmieszczone w sekwencji naprzemiennie, przy czym zwłaszcza elementy chłodzące rozciągają się przynajmniej na trzech czwartych wysokości przestrzeni roboczej i umożliwiają poziomy przepływ gazu.

Korzystnie, przynajmniej dwa elementy chłodzące rozmieszczone są pierścieniowo wokół pierścieniowej przestrzeni roboczej.

Korzystnie, w reaktorze plazmowym wokół przynajmniej dwóch elementów chłodzących rozmieszczona jest przestrzeń robocza.

Korzystnie, przynajmniej jeden element chłodzący dołączony jest jako elektroda do źródła napięciowego.

PL 207 561 B1

Korzystnie, elementy chłodzące rozciągają się tylko w środkowym obszarze wysokości przestrzeni roboczej.

Dzięki temu, że elementy chłodzące włączane są i wyłączane indywidualnie w trybie binarnym, możliwe jest proste dozowanie mocy chłodzenia. Wynalazek opiera się na idei, że energia cieplna przekazywana drogą promieniowania cieplnego z przedmiotu obrabianego do elementów chłodzących zależy od czwartej potęgi temperatury elementów. W wyniku tego, oddziaływanie na moc chłodzenia przez włączanie i wyłączanie jest znacznie skuteczniejsze, niż regulacja ciągła. Elementy chłodzące są połączone tak, że osiąga się stopniowaną zmianę mocy chłodzenia.

Jeżeli elementy chłodzące są rozmieszczone w zmiennym porządku, tworzą strukturę przeplataną lub przełączaną, w której sąsiednie elementy chłodzące mają wprawdzie różne wartości temperatury, jednak moc chłodzenia na większej powierzchni jest rozłożona równomiernie. Jest to efekt porównywalny z wpływem pikseli czarnych i białych na powstawanie obrazu szarego. Przy obserwacji z większej odległości poszczególne piksele zlewają się w tony szarości. Wynalazek pozwala na wyeliminowanie regulacji średniej temperatury czynnika chłodzącego i przewiduje włączanie i wyłączanie naprzemiennie elementów chłodzących.

Układ chłodzenia może być zlokalizowany na zewnątrz wokół przestrzeni roboczej lub też może być umieszczony we wnętrzu tej przestrzeni roboczej. Celowe jest rozmieszczanie go tylko w środkowym obszarze wysokości komory roboczej z pozostawieniem swobodnych końców, ponieważ w przeciwnym przypadku na końcach występuje silniejsze odpromieniowywanie ciepła przez obudowę.

Korzystne jest, jeżeli elementy chłodzące ukształtowane są jako węże chłodzące, które skręcone są śrubowo, przy czym zwoje wielu elementów chłodzących się wzajemnie przeplatają. Zwoje powinny mieć odstępy po obu stronach, aby nie utrudniały przepływu gazów. Strumień gazów występuje w fazie schł adzania po zakoń czeniu obróbki plazmowej.

Wynalazek w przykładzie wykonania został uwidoczniony na rysunku, na którym przedstawiono w uproszczeniu rektor plazmowy w przekroju wzdłuż nym.

Reaktor plazmowy jest tu ukształtowany jako piec dzwonowy. Zawiera zbiornik 10 z dnem 11 i zdejmowanym dzwonem 12, Zbiornik 10 jest próżnioszczelny. Mieści on przestrzeń roboczą 13, w której umieszczony zostaje wsad złożony z przedmiotów obrabianych 14. W niniejszym przykładzie wykonania przestrzeń robocza 13 ma kształt pierścienia. Przedmioty obrabiane 14 spoczywają na izolatorach 20 na dnie 11. W dzwonie 12 znajduje się dmuchawa odśrodkowa 17 z silnikiem 17a.

Przedmiot obrabiany 14 jest dołączony do jednego z biegunów źródła napięciowego 18. Drugi biegun źródła napięciowego jest połączony z masą zbiornika 10. Zbiornik 10 może być dołączany do źródła próżni (nie pokazane), dla wytworzenia próżni w zbiorniku. Poza tym zbiornik może być dołączany do jednego lub więcej źródła gazu, dla wprowadzania do zbiornika gazu roboczego lub obojętnego do zbiornika.

W zbiorniku 10 znajdują się dwa układy chłodzenia 15, 16. Układ chłodzenia 15 otacza przestrzeń roboczą 13 a drugi układ chłodzenia 16 jest otoczony przez przestrzeń roboczą.

Układ chłodzenia 15 składa się z pierwszego elementu chłodzącego 15a w postaci wężownicy rurowej mającej kształt śrubowy i z drugiego elementu chłodzącego 15b postaci wężownicy rurowej mającej kształt śrubowy. Zwoje obu śrubokształtnych elementów chłodzących 15a, 15b rozmieszczone są na tej samej wirtualnej powierzchni walcowej, tak że cały układ chłodzenia 15 składa się z jednowarstwowej śruby dwuzwojnej. Zwoje pierwszego i drugiego elementu chłodzącego 15a, 15b są rozmieszczone z zachowaniem obustronnych odstępów miedzy nimi, mianowicie tak, że zwoje obu elementów chłodzących występują na przemian. Zwoje są zatem wzajemnie, przeplecione. Przy trzech elementach chłodzących zwoje występowałyby w ciągu a, b, c, a, b,.... Na rysunku, dla poprawienia przejrzystości zwoje pierwszego elementu chłodzącego 15a oznaczono liniami grubszymi, niż zwoje drugiego elementu chłodzącego 15b.

Pierwszy element chłodzący 15a ma dopływ Z1 i odpływ A1. Drugi element chłodzący 15b ma dopływ Z2 i odpływ A2. Przez obydwa elementy chłodzące, niezależnie, przepływa woda. Jest ona chłodna, jeśli wziąć pod uwagę temperaturę, którą przy obróbce plazmowej osiąga przedmiot obrabiany 14 (około 200°C do 800°C). Dlatego przedmiot obrabiany 14 przekazuje ciepło promieniowania do układu chłodzenia 15. Elementy chłodzące mogą być włączane i wyłączane w sposób stopniowany. W stanie włączenia przez element chłodzący przepływa ciecz chłodząca. W stanie wyłączenia ciecz chłodząca pozostaje nieruchoma i nagrzewa się lub jest usuwana. W przypadku dużego zapotrzebowania na chłodzenie, następuje włączenie obu elementów, a kiedy zapotrzebowanie na chłodzenie jest niewielkie, włączany jest tylko jeden z elementów chłodzących. W każdym przypadku przez włączenie

PL 207 561 B1 elementu chłodzącego zwiększa się powierzchnia chłodzenia zwrócona do przedmiotu obrabianego 14. Istotą wynalazku jest zwiększanie i zmniejszanie tej powierzchni chłodzenia w sposób stopniowany.

Wewnętrzny układ chłodzenia 16 zawiera pierwszy element chłodzący 16a i drugi element chłodzący 16b w postaci wężownicy śrubowej. Obie wężownice są również wzajemnie przeplecione, to znaczy ich zwoje występują na przemian i leżą na wspólnej powierzchni walcowej. Między zwojami występują odstępy, które są większe od zewnętrznej średnicy rury. Również dla wyróżnienia rury pierwszego elementu 16a na rysunku przedstawiono linią grubszą, niż rury drugiego elementu chłodzącego 16b.

Dopływ pierwszego elementu chłodzącego 16a oznaczono jako Z3 a odpływ jako A3. Dopływ drugiego elementu chłodzącego 16b oznaczono jako Z4 a odpływ jako A4.

Element chłodzący 15a jest połączony z elektrodą masową źródła napięciowego 18, tak że ten element chłodzący jest wykorzystywany jako elektroda do wytwarzania plazmy. Podobnie, również każdy z pozostałych elementów chłodzących może być połączony z elektrodą masową.

Na końcach, górnym i dolnym, przestrzeni roboczej 13 nie ma elementów chłodzących, ponieważ do tych końców przylega duża, odbierająca promieniowanie powierzchnia ściany zbiornika.

Reaktor plazmowy najpierw jest uruchamiany w trybie z wytwarzaniem plazmy, w którym zbiornik 10 jest opróżniany i odbywa się obróbka przedmiotu przy jednoczesnym wytwarzaniu plazmy. Przy tym chłodzenie odbywa się w ten sposób, że włącza się potrzebną liczbę elementów chłodzących 15a, 15b, 16a, 16b, przy czym przez włączone elementy chłodzące przepuszczana jest ciecz chłodząca. Dzięki temu wielkość przejmującej ciepło powierzchni chłodzącej zmienia się odpowiednio do liczby włączonych elementów.

Po zakończeniu trybu pracy z obróbką plazmową następuje tryb schładzania, w którym do zbiornika 10 wprowadzany jest gaz obojętny, na przykład azot. Przy tym włączona jest dmuchawa odśrodkowa tak, że gaz może krążyć w zbiorniku. Przy tym gaz przepływa między zwojami elementów chłodzących i wzdłuż powierzchni przedmiotu obrabianego. Przepływ gazu wskazuje strzałka 19. Gaz obojętny przepływa najpierw z dmuchawy 17 na zewnątrz i wzdłuż ściany zbiornika. Następnie przepływa przez układ chłodzenia 15, przedmiot obrabiany 14 i układ chłodzenia 16 i dalej jest w środku zbiornika zasysany ponownie przez dmuchawę 17.

Dołączanie bądź odłączanie poszczególnych elementów chłodzących może odbywać się za pomocą czujników cieplnych, mierzących temperaturę w określonych miejscach przestrzeni wewnętrznej reaktora.

Claims (6)

1. Reaktor plazmowy z dołączanym do pompy próżniowej próżnioszczelnym zbiornikiem zawierającym przestrzeń roboczą do pomieszczenia przedmiotów obrabianych, źródłem napięciowym, do przykładania napięcia do przedmiotu obrabianego i z co najmniej jednym umieszczonym w zbiorniku, układem chłodzącym do odprowadzania ciepła promieniowania z przedmiotu obrabianego, składającym się z przynajmniej dwóch elementów chłodzących, znamienny tym, że wspomnianymi przynajmniej dwoma elementami chłodzącymi (15a, 15b; 16a, 16b) są węże chłodzące, których zwoje są wzajemnie przeplatane i dla zmiany obszaru powierzchni czynnej włączany jest i wyłączany stopniowo w zwojach dopływ medium chłodzącego.

2. Reaktor plazmowy według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy chłodzące (15a, 15b; 16a, 16b) są rozmieszczone w sekwencji naprzemiennie.

3. Reaktor plazmowy według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że elementy chłodzące (15a, 15b; 16a, 16b) rozciągają się przynajmniej na trzech czwartych wysokości przestrzeni roboczej (13) i umożliwiają poziomy przepływ gazu.

4. Reaktor plazmowy według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej dwa elementy chłodzące (15a, 15b) rozmieszczone są pierścieniowo wokół pierścieniowej przestrzeni roboczej (13).

5. Reaktor plazmowy według zastrz. 1, znamienny tym, że wokół przynajmniej dwóch elementów chłodzących (16a, 16b) rozmieszczona jest przestrzeń robocza (13).

6. Reaktor plazmowy według zastrz. 1, znamienny tym, że przynajmniej jeden element chłodzący (15a) dołączony jest jako elektroda do źródła napięciowego (18).

_. Reaktor plazmowy według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy chłodzące rozciągają się tylko w środkowym obszarze wysokości przestrzeni roboczej (13).