WO1997018692A1 - Generateur de plasma a quatre buses pour la formation d'un jet active - Google Patents
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Definitions
- Plasma generator with four nozzles for the formation of an - ⁇ and activated
- the invention relates to a plasma generator with four channels for the formation of an activated jet.
- This generator can be used in particular in surface treatment processes (sterilization, cleaning, pickling, modification, coating and film deposition), dispersed materials and monoliths, as well as for obtaining chemicals in the fields of electronics, automotive, food, medicine, chemistry, machine and tool manufacturing, etc.
- a plasma generator is known with four nozzles containing two chamores with anode and cathode electrodes, connected to direct current sources and which generate four plasma streams whose shape and trajectory are created using an external magnetic field. so that the plasma jets, by converging, form a single plasma flow whose temperature in the central zone, into which the chemicals and / or the materials to be treated are introduced, is lowered compared to the peripheral zones.
- Residual plasma is an obstacle to this diffusion, an obstacle all the more signifying that the cross-section of the corrected particles composing the plasma is, on average, of an order of magnitude greater than that of neutral (activated) particles and therefore the presence of these particles very significantly reduces the diffusion coefficient of the activated particles, therefore the diffusion flux, and ultimately the effectiveness of the treatment
- the object of the invention is to provide a plasma generator with four nozzles making it possible to obtain an activated gas jet of controllable composition, of stable shape, with a long resource of continuous work and optimal action on the objects to be treated.
- the invention relates to a plasma generator with four nozzles comprising two chambers with anode electrodes and two chambers with cathode electrodes, connected to direct current sources and generating four jets of plasma whose shape and path are created at using an external magnetic field system, so that the jets 97/18692 PCI / CH96 / 00401
- the electrode chambers of this generator being arranged in an enclosure into which a gas is introduced, this enclosure being composed of a concave flange to la ⁇ uelle are fixed the cnambres with electrodes and a first flat diaphragm, cooled with water and provided with a circular central orifice placed at the junction of the plasma jets from cnambres with electrodes and crossed by the current.
- the generator comprises, downstream of the first diaphragm, a second diaphragm, water-cooled, the orifice of which has a variable diameter, less than that of the plasma flow, this diaphragm being fixed at 1 enclosure through a circular wall, allowing the evacuation of part of the plasma and the gases introduced into the enclosure.
- the solution proposed by the present invention consists in modifying the plasma generator with four nozzles of the prior art, so as to create an activated flow of controlled composition and effective action on the treated surface, while increasing the life time. of the generator. This amounts to eliminating the disadvantages of the known four-nozzle generator described above, that is to say to suppress the convection fluxes and reduce the radiation fluxes acting on the electrode chambers, their fixing and supply elements. , while intensifying the action on the treated surface of the activated components of the flux created by the generator, by reducing the quantity of plasma reaching the surface to be treated.
- FIGS. 1a and 1b illustrate a first example of a generator according to the invention, respectively according to a view from the side of the diaphragm (the diaphragm being shown in dashed lines) and in lateral section, the references relating to these two figures are as follows:
- Nozzle for introducing the chemical components and / or the materials to be treated.
- FIG. 2a and 2b illustrate a second example of generator according to the invention, respectively according to a view from the side of the diaphragms (the diaphragms being shown in dashed lines) and in lateral section; the references relating to these two figures are as follows:
- Nozzle for introducing the chemical components and / or the materials to be treated
- FIG. 3 is a diagram illustrating the function of the diaphragms according to the distribution of the temperature (T) and of the composition (C) of the flux coming from the generator, at different distances from the electrode chambers.
- the generators with four nozzles represented in FIGS. 1 and 2 comprise, like the known prototype described above, four electrode chambers 1, a magnetic system for controlling the shape and the trajectory of the plasma jets 7, a tube for the introduction of the chemical components and / or of the products to be activated into the plasma funnel.
- the new element of the generator construction is the enclosure, ventilated by a gas introduced by the nozzles 9, to which the electrode chambers 1 are fixed.
- the enclosure consists of a water-cooled concave flange 2 and the water-cooled diaphragm system.
- Figures la and lb illustrate the case where the diaphragm system comprises a diaphragm in the form of cooled annular bri. 5, whose internal diameter is such that it allows the passage of the plasma flow inside which are introduced by the nozzle 3 the products to be activated, and the peripheral flow of gas introduced into the enclosure through the nozzles 9
- This gas stabilizes the plasma flow and prevents the formation of vortices and their contact with the electrode chambers, their fastening and supply parts.
- the plasma jets coming from the electrode chambers converge and join in the plane of the diaphragm 8.
- the accompanying gas flow, passing peripherally through the orifice of the diaphragm 5 stabilizes the plasma flow, decreases the mixture of plasma with the gases surrounding, decreases the radical heat transfer of the plasma flow, which lengthens the jet resulting from plasma
- the diaphragm 5 whose opening 8 is relatively small, greatly reduces radiation to plasma flow 6 directed to electrode chambers
- Figures 2a and 2b illustrate the case where the ⁇ iaphragm system comprises, in addition to the diaphragm 5, the functions of which are set out above, a diaphragm 10 cooled by water, with an adjustable orifice, the diameter of which is smaller than that of the plasma flow and which lets through only the activated gas flow.
- the diaphragm 10 is fixed to the enclosure by means of a circular wall 11.
- the gas coming from the nozzles (9) as well as the activating plasma are evacuated via orifices 12
- This diaphragm makes it possible to eliminate the peripheral plasma gases and the accompanying gases which are an obstacle to the diffusion of the activated particles towards the surface to be treated.
- the diaphragm 10 also makes it possible to obtain a uniform distribution of the temperature and of the composition of the activated flux from the proposed generator.
Abstract
L'invention concerne un générateur de plasma à quatre buses, comportant deux chambres à électrodes anodes et deux chambres à électrodes cathodes, connectées à des sources de courant continu et générant quatre jets de plasma dont la forme et la trajectoire sont déterminées par un système de champs magnétiques extérieurs. Les jets de plasma convergent vers une zone centrale dans laquelle est injecté le matériau à traiter, pour former un flux de plasma unique. Les buses sont disposées symétriquement sur une calotte comprenant un diaphragme plat muni d'une ouverture centrale et refroidi par eau.
Description
Générateur de plasma à quatre buses pour la formation d'un -^et activé
L'invention concerne un générateur de plasma à quatre ouses pour la formation d'un jet activé
Ce générateur peut être utilisé notamment dans les processus de traitement de surfaces (stérilisation, nettoyage, décapage, modification, dépôt de recouvrement et de films) , de matériaux dispersés et monolithes, ainsi que pour l'obtention de produits chimiques dans les domaines de l'électronique, l'automobile, l'alimentaire, la médecine, la chimie, la fabrication de machines et d'outils, etc
On connaît un générateur de plasma à quatre buses contenant deux chamores à électrodes anodes et cathodes, connectées à des sources αe courant continu et qui génèrent quatre nets de plasma dont la forme et la trajectoire se créent à l'aide d'un champ magnétique extérieur de sorte que les jets de plasma, en convergeant, forment un flux unique αe plasma dont la température dans la zone centrale, dans laquelle sont introduits les produits chimiques et/ou les matériaux à traiter, est surbaissée par rapport aux zones périphériques Ce dispositif est décrit dans le document "Bases de la réalisation de la méthode de traitement dynamique par plasma de la surface d'un corps solide" P P Koulik et autres, "Plasmochimie 87", Moscou 1987, partie 2, pp 58 à 96
La construction des chambres à électrodes (anode et cathode) est décrite dans le document "Plasmatron à deux jets Frounze", I.I. Lenbaiev, V.S. Enguelsht, "Ilim" ,1983.
L'avantage de ce générateur selon l'art antérieur est αâ d'une part à la configuration spécifique des flux de plasma qui a la forme d'un entonnoir de plasma, ce qui permet d'introduire et de traiter de manière efficace différents produits. D'autre part, le courant électrique qui traverse le jet de plasma le chauffant et l'activant avec des pertes
minimales, vu l'absence de parois refroidies, implique que le rendement de ce dispositif est haut.
Un tel dispositif peut être utilisé de manière efficace pour la stérilisation de surfaces, leur nettoyage, modification, αécapage et dépôt de recouvrements e t de films Scn exploitation a cependant permis d'observer les désavantages suivants :
1. La génération des jets et du flux de plasma s'accompagne de la formation de tourbillons toroides . Les flux de gaz chauds qui en résultent viennent échauffer les pièces des chambres à électrodes des éléments de fixation et d'alimentation, d'une part, et occasionnent des pertes sensibles de chaleur diminuant ainsi le rendement du générateur. D'autre part, dans certains cas le αegré de turbulence du flux de plasma est augmenté et il apparaît des pertes des produits introduits dans la partie centrale du flux, donnant naissance à des effets secondaires néfastes pour le temps de vie du générateur, puisque ces produits se déposent sur la surface des chamores à électrodes, des pièces de fixation et d'alimentation. La radiation du plasma, qui est spécialement élevée lors de l'introduction dans le flux de plasma de produits chimiques, est aussi une source d' échauffement superflue des diverses pièces du générateur exposées à cette radiation
Le résultat de l'effet simultané des flux de ccnvection et de radiation est, en fin de compte, que le temps de vie du générateur est diminué à cause de 1 ' échauffement superflu de ses pièces et de la formation de couches de dépôts de faible conduction thermique, rendant difficile le refroidissement de ces pièces.
En plus, de temps à autres, les couches de dépôt se détruisent et, emportées par les tourbillons de gaz, viennent souiller les surfaces traitées et le flux de
plasma lui-même, rendant ce dernier de composition pratiquement incontrôlable
2 Le flux de plasma ayant accompli son action d ' échauffement et d'activation des produits qui y sont introduits, son rôle est terminé et sa présence à la périphérie du flux de produit activé n'est plus nécessaire. Quand le produit activé est un gaz (cas de beaucoup d'applications, notamment nettoyage, décapage, dépôt de films, modification de surface) la présence du plasma original à la périphérie du flux activé devient un obstacle à l'efficacité du traitement de surface. En effet, le plasma, toujours chaud, chauffe la surface traitée ce qui, en général, est à éviter En outre, le plasma, à la surface n'est plus qu'une composante passive qui n'entre pas en action avec la surface, les seules particules agissantes étant celles que le plasma a activées et qui atteignent la surface par diffusion. Le plasma résiduel est un obstacle à cette diffusion, obstacle d'autant plus signifiant que la section efficace des particules corrigées composant le plasma est, en moyenne, d'un ordre de grandeur supérieur à celle des particules neutres (activées) et donc la présence de ces particules réduit très sensiblement le coefficient de diffusion des particules activées, donc le flux de diffusion, et en fin de compte l'efficacité du traitement
Le but de 1 ' invention est de proposer un générateur de plasma à quatre buses permettant d'obtenir un jet de gaz activé de composition contrôlable, de forme stable, à longue ressource de travail continu et d'action optimale sur les objets à traiter.
A cet effet, l'invention concerne un générateur de plasma à quatre buses comportant deux chambres à électrodes anodes et deux chambres à électrodes cathodes, connectées à des sources de courant continu et générant quatre jets de plasma dont la forme et la trajectoire sont créés à l'aide d'un système de champs magnétiques extérieurs, de telle manière que les jets
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de plasma forment un flux de plasma unique présentant une zone centrale de température surbaissée dans laquelle est introduite la composante chimique et/ ou le matériaux à traiter, les chambres à électrodes de ce générateur étant disposées dans une enceinte dans laquelle on introduit un gaz, cette enceinte étant composée d'une bride concave à laσuelle sont fixées les cnambres à électrodes et d'un premier diaphragme plat, refroidi à l'eau et pourvu d'un orifice central circulaire disposé à l'endroit de la jonction des jets de plasma issus des cnambres à électrodes et traversés par le courant .
Selon un mode d'exécution, le générateur comporte, en aval du premier diaphragme, un second diaphragme, refroidi à l'eau, dont l'orifice à un diamètre variable, inférieur à celui du flux de plasma, ce diaphragme étant fixé à l'enceinte par l'intermédiaire d'une paroi circulaire, permettant l'évacuation d'une partie du plasma et des gaz introduits dans 1 ' enceinte .
La solution proposée par la présente invention consiste à modifier le générateur de plasma à quatre buses de l'art antérieur, de manière à créer un flux activé de composition contrôlée et d'action efficace sur la surface traitée, tout en augmentant le temps de vie du générateur. Cela revient à liquider les désavantages du générateur à quatre buses connu décrit plus haut, c'est-à-dire à supprimer les flux de convection et réduire les flux de radiation agissant sur les chambres à électrodes, leurs éléments de fixation et d'alimentation, tout en intensifiant l'action sur la surface traitée des composantes activées du flux créé par ..e générateur, en réduisant la quantité de plasma atteignant la surface à traiter.
On décrit ci-après le générateur selon l'invention, en se référant au dessin sur lequel:
- les figures la et lb illustrent un premier exemple de générateur selon l'invention, respectivement selon une vue du côté du diaphragme (le diaphragme étant montré en traitillés) et en section latérale, les repères relatifs à ces deux figures sont les suivants:
1. Chambres à électrodes
2. Bπαe concave de l'enceinte, refroidie à l'eau
3. Buse d' introduction des composantes chimiques et/ou des matériaux à traiter.
4. Jets de plasma
5. Diaphragme plat refroidi à l'eau
6. Flux résultant de plasma
7. Système magnétique
8. Orifice circulaire du diaphragme
9. Tuyères d'introduction du gaz.
- les figures 2a et 2b illustrent un second exemple de générateur selon l'invention, respectivement selon une vue du côté des diaphragmes (les diaphragmes étant montrés en traitillés) et en section latérale; les repères relatifs à ces deux figures sont les suivants:
1. Chambres à électrodes
2. Bride concave de l'enceinte, refroidie à l'eau
3. Buse d'introduction des composantes chimiques et/ou des matériaux à traiter
4. Jets de plasma
5- Diaphragme plat refroidi à l'eau
6 Flux résultant de plasma
7. Système magnétique
8. Orifice circulaire du diaphragme
9. Tuyères d'introduction du gaz
10. Deuxième diaphragme, ajustable, refroiαi à l'eau
11. Paroi circulaire
12. Orifice d'évacuation du plasma et du gaz introduit dans 1 ' enceinte
13. Jet résultant de gaz activé
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- la figure 3 est un schéma illustrant la fonction des diapnragmes d'après la distribution de la température (T) et de la composition (C) du flux issu du générateur, à différentes distances des chambres à électrodes.
Les générateurs à quatre buses représentés sur les figures 1 et 2 comportent, comme le prototype connu décrit plus haut, quatre chambres à électrodes 1, un système magnétique pour le contrôle de la forme et de la trajectoire des jets de plasma 7, un tube pour l'introduction des composantes chimiques et/ou des produits à activer dans l'entonnoir de plasma. Le nouvel élément de la construction du générateur est l'enceinte, ventilée par un gaz introduit par les tuyères 9, à laquelle sont fixées les chambres à électrodes 1.
L'enceinte est constituée d'une bride concave 2 refroidie à l'eau et du système de diaphragmes refroidis à l'eau.
Les figures la et lb illustrent le cas où le système de diaphragme comprend un diaphragme sous forme de bri.de annulaire refroidie 5, dont le diamètre intérieur est tel qu'il permet le passage du flux de plasma à l'intérieur duquel sont introduits par la buse 3 les produits à activer, et le flux périphérique de gaz introduit dans l'enceinte par les tuyères 9
Ce gaz stabilise le flux de plasma et empêche la formation de tourbillons et leur contact avec les chambres à électrodes, leurs pièces de fixation et d'alimentation. Les jets de plasma issus des chambres à électrodes convergent et se joignent dans le plan du diaphragme 8. Le flux accompagnant de gaz, passant périphéπquement à travers l'orifice du diaphragme 5 stabilise le flux de plasma, diminue le mélange de plasma avec les gaz environnants, diminue le transfert de chaleur radical du flux de plasma, ce qui allonge le jet résultant de plasma Le diaphragme 5 dont l'orifice 8 est
relativement petit, réduit fortement la radiation au flux de plasma 6 dirigée vers les cnambres à électrodes
Les figures 2a et 2b illustrent le cas où le système de αiaphragmes comprend, outre le diaphragme 5 dont les fonctions sont exposées plus haut, un diaphragme 10 refroidi à l'eau, α' orifice ajustable, dont le diamètre est plus petit que celui du flux de plasma et qui laisse passer seulement le flux de gaz activé .
Le diaphragme 10 est fixé à l'enceinte par l'intermédiaire d'une paroi circulaire 11. Le gaz issu des tuyères (9) ainsi que le plasma activant sont évacués par l'intermédiaire d'orifices 12 Ce diaphragme permet d'éliminer les gaz de plasma périphériques et les gaz d'accompagnement qui sont un obstacle à la diffusion des particules activées vers la surface à traiter. Comme le montre le schéma de la figure 3, le diaphragme 10 permet aussi d'obtenir une distribution uniforme de la température et de la composition du flux activé issu du générateur proposé.
Claims
1. Générateur de plasma à quatre buses comportant αeux cnambres à électrodes anodes et deux chambres à électrodes cathodes, connectées à des sources de courant continu et générant quatre jets de plasma dont la forme et la trajectoire sont créés à l'aide d'un système de champs magnétiques extérieurs, de telle manière que les jets de plasma forment un flux de plasma unique présentant une zone centrale de température surbaissée dans laquelle est introduite la composante chimique et/ou le matériaux à traiter, caractérisé en ce que les chambres à électrodes sont disposées dans une enceinte dans laquelle on introduit un gaz, cette enceinte étant composée d'une bride concave à laσuelle sont fixées les chambres à électrodes et d'un premier diaphragme pLat, refroidi à l'eau et pourvu d'un orifice central circulaire disposé à l'endroit de la jonction des jets de plasma issus des chambres à électrodes et traversés par le courant.
2 Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, en aval du premier diaphragme, un second diaphragme, refroidi à l'eau, dont l'orifice à un diamètre variable, inférieur à celui du flux de plasma, ce diaphragme étant fixé à l'enceinte par l'intermédiaire d'une paroi circulaire, permettant l'évacuation d'une partie du plasma et des gaz introduits dans l'enceinte
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