WO2008107180A1 - Plasmadüse - Google Patents
Plasmadüse Download PDFInfo
- Publication number
- WO2008107180A1 WO2008107180A1 PCT/EP2008/001761 EP2008001761W WO2008107180A1 WO 2008107180 A1 WO2008107180 A1 WO 2008107180A1 EP 2008001761 W EP2008001761 W EP 2008001761W WO 2008107180 A1 WO2008107180 A1 WO 2008107180A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- nozzle
- plasma
- channels
- process gas
- electrode unit
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- 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
- H05H1/32—Plasma torches using an arc
- H05H1/44—Plasma torches using an arc using more than one torch
Definitions
- the invention relates to a plasma nozzle according to the preamble of claim 1.
- the invention further relates to a method for the treatment of O berfest on workpieces according to the preamble of claim 12.
- plasma activated surface have a higher wettability with polar liquids (see also EP 0497996 Bl). This is particularly desirable in the case of polymeric surfaces when the adhesion or application of a liquid such as a printing ink is to be improved. It is also known that textile surfaces show particularly advantageous properties with regard to durability and preservation by appropriate treatment of the surface. For temperature-sensitive surfaces such as polymeric or textile surfaces, however, the high temperature in the plasma leads to a destruction of the surface. This circumstance will after the
- an arc extending between a pin electrode and a ring electrode as described in the document EP 0761415 B1 is not stable, but splits at the nozzle opening and can be applied to the nozzle outlet by the pressure of the effluent working gas be pressed surface to be treated. This is disadvantageous in particular because the high temperature of the arc plasma can lead to damage on the surface to be treated.
- the object is achieved by a plasma nozzle having the features of claim 1 and a method according to the features of claim 12. Further developments of the plasma nozzle according to the invention can be found in the corresponding subclaims.
- the plasma nozzle according to the invention serves to specifically change surfaces with regard to the surface energy.
- at least one further separate nozzle channel is provided to increase the plasma flow instead of simply expanding or enlarging the one nozzle channel, which opens into a common nozzle outlet opening of the nozzle tip.
- the plasma current is multiplied as a function of the nozzle channels assigned to the electrodes.
- two nozzle channels are provided, whereby the plasma flow is doubled. From the nozzle canals The exiting plasma streams are then combined in the outlet of the nozzle into a single plasma stream.
- the discharge channel of the arc extends in the nozzle according to the invention in normal operation through the nozzle channels, without the arc jumps to the wall of the nozzle channels, whereby at the same time the service life of the plasma nozzle is increased because the deposition of Abbrandspuren is avoided in the interior of the nozzle channels. Measurements have now shown that the arc runs between the tips of the pin electrodes and along the nozzle channels.
- the process gas stream is passed through the preferably two nozzle channels and combined by the special nozzle geometry at the junction of the nozzle channels.
- This arrangement is particularly advantageous since, in contrast to a simple widened nozzle diameter, a higher process gas volume interacts with the plasma in the arc and the reactive process gas, but not the arc, exits at the nozzle end.
- the nozzle outlet is made of an electrically non-conductive material. This also prevents skipping of the arc on the nozzle outlet in any case. It is thus ensured that the arc at no time comes into contact with the surface to be treated.
- the initial plasma is generated in an arc.
- the ignition of the arc can be carried out advantageously by a high-frequency AC voltage.
- typical ignition voltages are, for example, between 3 kV and 25 kV.
- the voltage necessary to maintain the arc decreases, but depending on the nozzle geometry, to a value of about 500 V to 5 KV.
- Typical frequencies for the AC voltage are between 15 kHz and 50 kHz. Higher frequencies are only conditionally suitable here, as it can then lead to a disruption of the technical environment in terms of radio technology and thus an increased shielding effort is necessary.
- the nozzles are part of a single closed circuit connected in series.
- the ignition takes place synchronously in all plasma jets.
- the supply of the arrangement can be made of a single transformer, since the collapse of the output voltage after the ignition of the arcs can not influence the ignition process.
- FIG. 1 shows a plasma nozzle according to the invention in section
- FIG. 2 shows an alternative embodiment of the plasma nozzle according to FIG. 1 and FIG.
- Figure 3 a schematic representation of an inventive arrangement of plasma nozzles.
- FIG. 1 shows a detail of a plasma nozzle according to the invention.
- the nozzle consists of a housing 1, in which an insulation block 2 and two electrode units 3,3 'are arranged.
- the electrode units 3, 3 ' serve, on the one hand, to introduce electrical energy for the plasma generation and, on the other hand, to supply the process gas required for plasma generation.
- a connecting pin 4 is provided in each case, which is screwed to a pin electrode 5.
- the terminal pin 4 and the pin electrode 5 are each in a sleeve. 6 bordered, which has 4 gas inlet holes 7 on the side of the connecting pin.
- the sleeves 6 are closed by flow guide 8 for generating a turbulent flow.
- the electrode units are inserted into receiving bores 9 of the insulation block 2, wherein in each case at the foot of the mounting holes 9, a pressure chamber 10 is formed, in which the process gas through supply channels
- the pin electrodes 5 additionally have a central channel
- a nozzle tip 14 which has nozzle channels 15 which are aligned with the receiving bores 9 of the insulation block 2, is arranged on the insulation block 2.
- the nozzle channels have a conical shape and open into a common outlet opening 16.
- the flow channels formed by the receiving bores 9 and the nozzle channels 15 converge toward one another at an acute angle, so that only a narrow web of conductive material remains between the nozzle channels 15.
- process gas is introduced via the supply channels 11 in the pressure chambers 10 and passes from there through the gas inlet holes 7 in the sleeves 6. From the sleeves 6, a portion of the process gas flows through the center channels 12 of the pin electrodes 5.
- the majority of the process gas passes through the Flow guide 8 in the nozzle channels 15 and is thereby placed in a turbulent flow.
- the process gas streams are accelerated by the conical shape of the nozzle channels 15 and combine in the outlet opening 16 of a nozzle attachment 17.
- the direction of rotation of the flows in the nozzle channels 15 can be selected in the same direction or in opposite directions.
- an alternating voltage is applied between the electrode units 3, 3 'via the connection pins 4.
- an arc is ignited between closely adjacent edges of the pin electrodes 5, which connects the electrode units 3, 3 '.
- the process gas is heated and ionized and exits as a reactive medium from the outlet opening 16. Due to the separation of the arc from the senspitze 13, the deposition of Abbrandspuren in the region of the outlet opening 16 is prevented, whereby the service life of the plasma nozzle according to the invention is significantly increased. The service life is further increased by the fact that the emerging from the central channels 12 process gas reduces the deposition of Abbrandspuren on the pin electrodes 5.
- FIG. 2 shows an alternative embodiment of the plasma nozzle according to FIG.
- the nozzle tip 14 is provided with a nozzle attachment 17.
- the nozzle tip 14 ends with an outlet opening 16, which just connects the two nozzle channels 15 with each other, so that a common outlet opening 16 is given.
- a nozzle attachment 17, which is detachably provided on the nozzle tip 14, is provided.
- This nozzle attachment 17 may have different lengths of the through holes. A corresponding adjustment of the length can be selected as a function of the desired function with regard to the mixing and / or calming of the combined plasma streams through the individual nozzle channels 15.
- the length of the nozzle attachment can be dependent on the flow rate of the plasma gas to ensure that the arc does not exit from the nozzle attachment 17 in order to avoid damage to the surface to be treated or possible injuries.
- the nozzle attachment 17 comprises at least one wall in a passage opening, which is formed of dielectric material.
- the nozzle attachment 17 may have a circumferential bead, which is designed, for example, as guide or sliding skids, in order optionally to guide a surface of the workpiece to be treated therealong or slidingly along the surface to be treated around the plasma nozzle to lead.
- the passage opening of the nozzle attachment 17 tapers conically in order to generate an acceleration of the plasma jet generated.
- an expansion tion of the through hole may be provided to achieve in other applications, a reduction in the flow velocity and a larger impact surface of the plasma.
- a high-frequency alternating voltage is applied to the pin electrodes 3 and 3 'for the operation of the plasma nozzle via the connection pins 4, an arc is formed when the ignition voltage is reached.
- the arc runs symmetrically from the tip of a pin electrode 3 through the corresponding nozzle channels 15 across the partition away through the other nozzle channel 15 to the second pin electrode 3 '.
- the arc has its apex between the two pin electrodes 3,3 '.
- the voltage required to maintain the arc drops to a value of, for example, 500 V to 5 kV.
- the process gas flows through the nozzle channels 15 and interacts with the arc.
- the process gas is at least partially ionized by the electrons and ions in the arc.
- This ionized, reactive process gas - also called plasma stream - is combined in the outlet opening 16 and advantageously shaped by the geometry of the nozzle tip 14 and the nozzle attachment 17 according to the further application.
- the plasma stream sweeps over this surface. This surface energy is increased at the swept areas such that polar liquids better wet these surfaces.
- FIG. 3 an inventive arrangement of plasma nozzles is shown schematically.
- the arrangement consists of four pairs of plasma nozzles 20, each consisting of an insulation block 21, a nozzle tip 22, two nozzle channels 23 and two electrodes 24.
- the supply lines for the process gas are in this illustration of the clear omitted for the sake of brevity.
- an insulation 25 made of a material with high dielectric strength is arranged in each case.
- the interconnection of the electrodes 24 is designed so that all plasma nozzles 20 are connected in series.
- the first electrode 24 of the first plasma nozzle is connected to a voltage source 26 in the form of a transformer
- the second electrode 24 of the first plasma nozzle 20 is connected to the first electrode 24 of the second plasma nozzle 20, etc.
- the second electrode 24 of the last plasma nozzle 20 is in turn connected to the voltage source 26, whereby the circuit is closed. If the voltage source 26 is activated, an arc is simultaneously ignited in all the plasma nozzles 20, only then does the voltage of the voltage source 26 break down due to the rapidly rising current. By the series connection of the plasma nozzles 20, the adjacent nozzle tips 22 are at different potentials, therefore, the insulation 25 is required. For each pair of plasma nozzles 20, a switchable bridging contact 27 is provided. As a result, it is possible to deactivate individual pairs of plasma nozzles 20 of the arrangement in order, for example, to control the processing width of a plasma processing system or the exit pattern of the plasma streams.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
- Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
- Arc Welding In General (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse sowie ein Verfahren zum Behandeln von Oberflächen von Werkstücken mit Plasmadüsen, mit einem Gehäuse (1), welche eine erste Elektrodeneinheit (3) aufweist, welcher ein erster Düsenkanal (15) zugeordnet ist, wobei der erste Düsenkanal (15) zumindest eine elektrisch leitfähige Wandung aufweist und gegen die erste Elektrodeneinheit (3) isoliert ist, und welches zumindest eine weitere Elektrodeneinheit (31) aufnimmt, mit Mitteln zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrodeneinheit (3, 3') sowie mit Mitteln (11) zum Zuführen eines Prozessgasstroms zu jeder Elektrodeneinheit (3, 3'), wobei der zumindest einen weiteren Elektrodeneinheit (3') jeweils ein separater Düsenkanal (15) zugeordnet ist, welcher eine leitfähige Wandung aufweist, die gegen die jeweils zugeordnete Elektrodeneinheit (3') isoliert ist, die separaten Düsenkanäle (15) so angeordnet sind, dass sich die Prozessgasströme in einer gemeinsamen Düsenaustrittsöffnung (16) einer Düsenspitze (14) vereinigen, und die Wandungen des ersten und des zweiten Düsenkanals (15) elektrisch unmittelbar miteinander verbunden sind.
Description
Mammel und Maser
Patentanwälte
European Patent and Trademark Attorneys
Ulrike Mammel, Dipl.-Chem., Dr. rer.
Jochen Maser, Dipl.-Ing.
Tilsiter Straße 3 D-71065 Sindelfingei Tel. +49(0)7031/81S Fax +49(0)7031/81? info@mammelmaser www.mammelmaser.
Ust-IdNr. DE813356:
Unser Zeichen: 55 323 Datum: 5. März 2008
Anmelder: Arcoron GmbH, Sandhagenweg 2, 21436 Marschacht
Plasmadüse
Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Behandlung von O- berflächen an Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Bekannt ist, dass Plasma aktivierte Oberfläche eine höhere Benetzbarkeit mit polaren Flüssigkeiten aufweisen (siehe auch EP 0497996 Bl). Dies ist insbesondere bei polymeren Oberflächen wünschenswert, wenn die Adhäsion oder der Auftrag einer Flüssigkeit wie beispielweise einer Druckfarbe verbessert werden soll. Es ist auch bekannt, dass textile O- berflächen durch eine entsprechende Behandlung der Oberfläche besonders vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der Haltbarkeit und Verfii- zung zeigen. Bei temperaturempfindlichen Oberflächen wie polymeren oder textilen Oberflächen führt allerdings die hohe Temperatur im Plasma zu einer Zerstörung der Oberfläche. Dieser Umstand wird nach dem
5S323PO.DOC ErstelWatum 05.03.2008 09:52
3173/-/sha/ha
Stand der Technik dadurch gelöst, dass nicht die Oberfläche direkt mit dem Plasma überstrichen wird, sondern ein zusätzliches Prozessgas durch den Lichtbogen geleitet wird. Dadurch entsteht aus dem Prozessgas ein teilionisiertes reaktives Gas mit geringerer Temperatur als in dem Lichtbogenplasma.
Eine entsprechende Anordnung ist in der Druckschrift EP 0497996 Bl dargestellt. Düsen, in denen ein Prozessgas mit einem Plasma in Kontakt kommt und dabei selbst zumindest teilionisiert wird, werden häufig auch als Plasmadüsen bezeichnet. Derartige Plasmadüsen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind seit langem bekannt. So zeigen z.B. die DE 685455, die DE 19532412 C2, die EP 0761415 Bl und die EP 1335641 Bl entsprechende Düsen.
Aus der EP 0761415 Bl ist weiterhin eine Anordnung von mehreren entsprechenden Düsen nebeneinander bekannt. Mit einer entsprechenden Anordnung soll es ermöglicht werden, einen größeren Wirkbereich des aus der Düsenanordnung austretenden reaktiven Prozessgases zu erreichen. Die bekannten Plasmadüsen weisen dabei den Nachteil auf, dass ihre Leistung bezüglich des erreichbaren Plasmastroms, also dem aus der Düse austretenden reaktiven Prozessgasstroms, begrenzt ist. Dies liegt daran, dass die Energieübertragung von dem Lichtbogen im inneren des Düsenkanals auf den Prozessgasstrom auf den Kernbereich des Düsenkanals begrenzt ist. Eine Vergrößerung des Düsenkanals erlaubt zwar eine Erhöhung der Durchflussmenge des Prozessgases, jedoch strömt der Großteil des Prozessgases dann entlang der Wandung des Düsenkanals und kommt nur direkt am Auslass der Düse mit dem Lichtbogen in Kontakt, wo der Energieübertrag gering ist.
In der EP 761415 Bl ist vorgeschlagen eine Anordnung von Plasmadüsen vorzusehen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Obwohl bei einer entsprechenden Anordnung der Plasmastrom natürlich um die Anzahl der Düsen erhöht wird, weist diese Anordnung den gravierenden Nachteil auf, dass für jede einzelne Düse ein separater Hochspannungstransformator vorgesehen werden muss, wodurch der apparative Aufwand erheblich steigt. Die Notwendigkeit für separate Transformatoren liegt dar-
in begründet, dass bei einer Parallelschaltung der Düsen die Zündung der Lichtbögen unabhängig voneinander erfolgt. Sobald jedoch in der ersten Düse ein Lichtbogen gezündet wird, bricht die Ausgangsspannung des Transformators ein, da der elektrische Widerstand der Düse schlagartig sinkt, und eine Zündung paralleler Lichtbögen ist nicht mehr möglich.
Darüber hinaus ist ein Lichtbogen, der zwischen einer Stiftelektrode und einer Ringelektrode verläuft, wie es in der Druckschrift EP 0761415 Bl beschriebenen ist, nicht stabil, sondern spaltet sich an der Düsenöffnung auf und kann durch den Druck des ausströmenden Arbeitsgases aus dem Düsenauslass heraus auf die zu behandelnde Oberfläche gedrückt werden. Dies ist insbesondere deshalb nachteilhaft, da die hohe Temperatur des Lichtbogenplasmas zu Beschädigungen auf der zu behandelnden O- berfläche führen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Plasmadüse und ein Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mit solchen Plasmadüsen mit hoher Effizienz bereitzustellen, so dass der Anteil des reaktiven Prozessgases, der aus der Plasmadüse austritt, erhöht wird, ohne den Wirkungsgrad der Plasmadüse zu verringern.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Plasmadüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Plasmadüse sind den entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen.
Die erfindungsgemäße Plasmadüse dient dazu, Oberflächen hinsichtlich der Oberflächenenergie gezielt zu verändern. Bei dieser Ausführung der Plasmadüse wird zur Erhöhung des Plasmastroms anstelle einer einfachen Erweiterung beziehungsweise Vergrößerung des einen Düsenkanals zumindest ein weiterer separater Düseπkanal vorgesehen, die in eine gemeinsame Düsenaustrittsöffnung der Düsenspitze münden. Dadurch wird der Plasmastrom in Abhängigkeit der den Elektroden zugeordneten Düsenkanäle vervielfacht. Insbesondere sind zwei Düsenkanäle vorgesehen, wodurch der Plasmastrom verdoppelt wird. Die aus den Düsenkanä-
len austretenden Plasmaströme werden dann im Auslass der Düse zu einem einzigen Plasmastrom vereinigt. Der Entladungskanal des Lichtbogens erstreckt sich bei der erfindungsgemäßen Düse im normalen Betrieb durch die Düsenkanäle, ohne dass der Lichtbogen auf die Wandung der Düsenkanäle überspringt, wodurch zugleich die Lebensdauer der Plasmadüse erhöht wird, da die Ablagerung von Abbrandspuren im Inneren der Düsenkanäle vermieden wird. Messungen haben nun gezeigt, dass der Lichtbogen zwischen den Spitzen der Stiftelektroden und entlang der Düsenkanäle verläuft. Der Prozessgasstrom wird durch die vorzugsweise beiden Düsenkanäle geleitet und durch die spezielle Düsengeometrie an der Zusammenführung der Düsenkanäle vereinigt.
Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, da hier im Gegensatz zu einem einfachen verbreitertem Düsendurchmesser ein höheres Prozessgasvolumen mit dem Plasma im Lichtbogen wechselwirkt und am Düsenende das reaktive Prozessgas, nicht aber der Lichtbogen austritt.
Der Düsenauslass ist aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellt. Dadurch wird auch ein Überspringen des Lichtbogens auf den Düsenauslass in jedem Falle verhindert. Es ist somit gewährleistet, dass der Lichtbogen zu keiner Zeit mit der zu behandelnden Oberfläche in Berührung kommt. Dies bietet zweierlei Vorteile: Zum einen wird eine Zerstörung der Oberfläche durch das heiße Plasma direkt im Lichtbogen vermieden. Nur das reaktive Arbeitsgas strömt aus der Düsenöffnung und wird die zu behandelnde Oberfläche geleitet. Zum anderen wird dadurch ein wichtiger Beitrag zum Arbeitsschutz gewährleistet. Dadurch, dass der Lichtbogen nicht bis zur Düsenmündung reichen kann, ist eine Verletzung - Brandwunden oder elektrischer Schlag - im Betrieb nahezu ausgeschlossen.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Plasmadüse wird das initiale Plasma in einem Lichtbogen erzeugt. Die Zündung des Lichtbogens kann vorteilhafterweise durch eine hochfrequente Wechselspannung erfolgen. Typische Zündspannungen liegen je nach Auslegung der Plasmadüse beispielsweise zwischen 3 kV und 25 kV. Nach dem Zündvorgang sinkt die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens notwendige Spannung, ab-
hängig von der Düsengeometrie, auf einen Wert von etwa 500 V bis 5 KV ab. Typische Frequenzen für die Wechselspannung liegen zwischen 15 kHz und 50 kHz. Höhere Frequenzen sind hier nur bedingt geeignet, da es dann zu einer Störung des technischen Umfeldes im funktechnischen Sinne kommen kann und somit eine erhöhter Abschirmungsaufwand nötig wird.
Bei einer besonders bevorzugten Anordnung mehrerer Plasmadüsen sind die Düsen Bestandteil eines einzigen geschlossenen, in Reihe geschalteten Stromkreises. Dadurch erfolgt die Zündung in allen Plasmadüsen synchron. Somit kann die Versorgung der Anordnung aus einem einzigen Transformator erfolgen, da das Einbrechen der Ausgangsspannung nach dem Zünden der Lichtbögen keinen Einfluss auf den Zündvorgang nehmen kann.
Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind den entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen. Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine erfindungsgemäße Plasmadüse im Schnitt,
Figur 2: eine alternativ Ausführungsform der Plasmadüse gemäß Figur 1 und
Figur 3: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung von Plasmadüsen.
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Plasmadüse im Detail dargestellt. Die Düse besteht aus einem Gehäuse 1, in welchem ein Isolationsblock 2 sowie zwei Elektrodeneinheiten 3,3' angeordnet sind. Die Elektrodeneinheiten 3,3' dienen zum einen der Einleitung elektrischer Energie für die Plasmaerzeugung und zum anderen der Zuführung der für die Plasmaerzeugung erforderlichen Prozessgases. Dazu ist jeweils ein Anschlussstift 4 vorgesehen, welcher mit einer Stiftelektrode 5 verschraubt ist. Der Anschlussstift 4 und die Stiftelektrode 5 sind jeweils in einer Hülse 6
eingefasst, welche auf der Seite des Anschlussstifts 4 Gaseintrittsbohrungen 7 aufweist.
Auf der Seite der Stiftelektrode 5 sind die Hülsen 6 durch Strömungsleitkörper 8 zum Erzeugen einer Wirbelströmung abgeschlossen. Die Elektrodeneinheiten sind in Aufnahmebohrungen 9 des Isolationsblocks 2 eingesetzt, wobei jeweils am Fuß der Aufnahmebohrungen 9 eine Druckkammer 10 entsteht, in welche das Prozessgas durch Zuleitungskanäle
11 einströmt. Die Stiftelektroden 5 weisen zusätzlich einen Mittelkanal
12 auf, durch welchen Prozessgas aus der Mitte der gewölbten Endfläche
13 der Stiftelektroden 5 austreten kann. Austrittsseitig ist an dem Isolationsblock 2 eine Düsenspitze 14 angeordnet, welche Düsenkanäle 15 aufweist, die mit den Aufnahmebohrungen 9 des Isolationsblocks 2 fluchten. Die Düsenkanäle weisen eine konische Form auf und münden in einer gemeinsamen Austrittsöffnung 16. Dabei laufen die durch die Aufnahmebohrungen 9 und die Düsenkanäle 15 gebildeten Strömungskanäle unter spitzem Winkel aufeinander zu, so dass zwischen den Düsenkanälen 15 nur ein schmaler Steg aus leitfähigem Material verbleibt. Im Betrieb wird Prozessgas über die Zuleitungskanäle 11 in die Druckkammern 10 eingeleitet und gelangt von dort durch die Gaseintrittsbohrungen 7 in die Hülsen 6. Aus den Hülsen 6 strömt ein Teil des Prozessgases durch die Mittelkanäle 12 der Stiftelektroden 5. Der Großteil des Prozessgases tritt durch die Strömungsleitkörper 8 in die Düsenkanäle 15 ein und wird dabei in eine Wirbelströmung versetzt. Die Prozessgasströme werden durch die konische Form der Düsenkanäle 15 beschleunigt und vereinigen sich in der Austrittsöffnung 16 eines Düsenaufsatzes 17. Je nach Anforderung an die Strömung des Plasmas kann die Drehrichtung der Strömungen in den Düsenkanälen 15 gleichsinnig oder gegensinnig gewählt werden. Zur Erzeugung eines Plasmas aus der Prozessgasströmung wird über die Anschlussstifte 4 eine Wechselspannung zwischen den Elektrodeneinheiten 3,3' angelegt. Bei Erreichen der erforderlichen Zündspannung wird jeweils zwischen nah beieinander liegenden Kanten der Stiftelektroden 5 ein Lichtbogen gezündet, welcher die Elektrodeneinheiten 3,3' verbindet. Durch den Lichtbogen wird das Prozessgas aufgeheizt und ionisiert und tritt als reaktives Medium aus der Austrittsöffnung 16 aus. Durch die Trennung des Lichtbogens von der Du-
senspitze 13 wird die Ablagerung von Abbrandspuren im Bereich der Austrittsöffnung 16 verhindert, wodurch die Standzeit der erfindungsgemäßen Plasmadüse deutlich erhöht wird. Die Standzeit wird weiterhin dadurch erhöht, dass das aus den Mittelkanälen 12 austretende Prozessgas die Ablagerung von Abbrandspuren auf der Stiftelektroden 5 reduziert.
In Figur 2 ist eine alternativ Ausführungsform der Plasmadüse gemäß Figur 1 dargestellt. Nachfolgend werden lediglich die Abweichungen gegenüber der Ausführungsform in Figur 1 beschrieben. Die Düsenspitze 14 ist mit einem Düsenaufsatz 17 versehen. Die Düsenspitze 14 endet mit einer Austrittsöffnung 16, welche gerade noch die beiden Düsenkanäle 15 miteinander verbindet, so dass eine gemeinsame Austrittsöffnung 16 gegeben ist. Zur Verlängerung der Düsenaustrittsöffnung 16 ist ein lösbar an der Düsenspitze 14 vorgesehener Düsenaufsatz 17 vorgesehen. Dieser Düsenaufsatz 17 kann unterschiedliche Längen der Durchgangsbohrungen aufweisen. Eine entsprechende Anpassung der Länge kann in Abhängigkeit der gewünschten Funktion bezüglich der Durchmischung und/oder Beruhigung der zusammengeführten Plasmaströme durch die einzelnen Düsenkanäle 15 ausgewählt werden. Des Weiteren kann die Länge des Düsenaufsatzes in Abhängigkeit der Strömungsgeschwindigkeit des Plasmagases stehen, um sicherzustellen, dass der Lichtbogen nicht aus dem Düsenaufsatz 17 austritt, um Beschädigungen der zu behandelnden Oberfläche oder mögliche Verletzungen zu vermeiden.
Der Düsenaufsatz 17 umfasst zumindest eine Wandung in einer Durchgangsöffnung, die aus dielektrischem Material ausgebildet ist. An dem austrittsseitigen Ende der Durchgangsöffnung kann der Düsenaufsatz 17 eine umlaufende Wulst aufweisen, die beispielsweise als Führungs- oder Gleitkufen ausgebildet sind, um gegebenenfalls eine zu behandelnde O- berfläche des Werkstückes daran entlang zu führen beziehungsweise um die Plasmadüse gleitend entlang der zu behandelnden Oberfläche zu führen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Durchgangsöffnung des Düsenaufsatzes 17 konisch sich verjüngt, um eine Beschleunigung des erzeugten Plasmastrahles zu erzeugen. Ebenso kann eine Aufwei-
tung der Durchgangsbohrung vorgesehen sein, um in anderen Anwendungsfällen eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit und eine größere Auftrefffläche des Plasmas zu erzielen.
Wird zum Betrieb der Plasmadüse über die Anschlussstifte 4 an die Stiftelektroden 3 und 3' eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, bildet sich beim Erreichen der Zündspannung ein Lichtbogen aus. Der Lichtbogen verläuft dabei symmetrisch von der Spitze der einen Stiftelektrode 3 durch den entsprechenden Düsenkanäle 15 über die Trennwand hinweg durch den anderen Düsenkanal 15 zur zweiten Stiftelektrode 3'. Der Lichtbogen hat seinen Scheitelpunkt zwischen den beiden Stiftelektroden 3,3'.
Nachdem der Lichtbogen gezündet hat, sinkt die zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens notwendige Spannung auf einen Wert von beispielsweise 500 V bis 5kV ab.
Das Prozessgas strömt durch die Düsenkanäle 15 und tritt dabei in Wechselwirkung mit dem Lichtbogen. Dabei wird das Prozessgas durch die Elektronen und Ionen im Lichtbogen zumindest teilweise ionisiert. Dieses ionisierte, reaktive Prozessgas - auch Plasmastrom genannt - wird in der Austrittsöffnung 16 vereinigt und durch die Geometrie der Düsenspitze 14 beziehungsweise des Düsenaufsatzes 17 entsprechend der weiteren Anwendung vorteilhaft geformt.
Bewegt man die Oberfläche eines zu behandelnden Werkstückes relativ zur Düsenspitze 14 beziehungsweise zum Düsenaufsatz 17, so überstreicht der Plasmastrom diese Oberfläche. Dabei wird Oberflächenenergie an den überstrichenen Flächen derart vergrößert, dass polare Flüssigkeiten diese Oberflächen besser benetzen.
In Figur 3 ist eine erfindungsgemäße Anordnung von Plasmadüsen schematisch dargestellt. Die Anordnung besteht aus vier Paaren von Plasmadüsen 20, welche jeweils aus einem Isolationsblock 21, einer Düsenspitze 22, zwei Düsenkanälen 23 und zwei Elektroden 24 bestehen. Die Zuleitungen für das Prozessgas sind in dieser Darstellung der Übersichtlich-
keit halber weggelassen. Zwischen den Paaren von Plasmadüsen 20 der Anordnung ist jeweils eine Isolierung 25 aus einem Material mit hoher Durchschlagfestigkeit angeordnet. Die Verschaltung der Elektroden 24 ist so ausgeführt, dass alle Plasmadüsen 20 in Reihe geschaltet sind. Dazu ist die erste Elektrode 24 der ersten Plasmadüse mit einer Spannungsquelle 26 in Form eines Transformators verbunden, die zweite E- lektrode 24 der ersten Plasmadüse 20 ist mit der ersten Elektrode 24 der zweiten Plasmadüse 20 verbunden usw. Die zweite Elektrode 24 der letzten Plasmadüse 20 ist wiederum mit der Spannungsquelle 26 verbunden, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Wird die Spannungsquelle 26 aktiviert, so wird in allen Plasmadüsen 20 gleichzeitig ein Lichtbogen gezündet, erst danach bricht die Spannung der Spannungsquelle 26 durch den rasch ansteigenden Strom ein. Durch die Reihenschaltung der Plasmadüsen 20 befinden sich die benachbarten Düsenspitzen 22 auf unterschiedlichen Potenzialen, daher ist die Isolierung 25 erforderlich. Für jedes Paar von Plasmadüsen 20 ist ein schaltbarer Ü- berbrückungskontakt 27 vorgesehen. Dadurch ist es möglich, einzelne Paare von Plasmadüsen 20 der Anordnung zu deaktivieren, um z.B. die Bearbeitungsbreite einer Plasmabearbeitungsanlage oder das Austrittsmuster der Plasmaströme zu steuern.
Claims
1. Plasmadüse mit einem Gehäuse (1), welche eine erste Elektrodeneinheit (3) aufweist, welcher ein erster Düsenkanal (15) zugeordnet ist, wobei der erste Düsenkanal (15) zumindest eine elektrisch leitfähige Wandung aufweist und gegen die erste Elektrodeneinheit (3) isoliert ist, und welches zumindest eine weitere Elektrodeneinheit (3') aufnimmt, mit Mitteln zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrodeneinheit (3, 31) sowie mit Mitteln (11) zum Zuführen eines Prozessgasstroms zu jeder E- lektrodeneinheit (3, 3'), dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest einen weiteren Elektrodeneinheit (3') jeweils ein separater Düsenkanal (15) zugeordnet ist, welcher eine leitfähige Wandung aufweist, die gegen die jeweils zugeordnete Elektrodenejnheit (3') isoliert ist, wobei die separaten Düsenkanäle (15) so angeordnet sind, dass sich die Prozessgasströme in einer gemeinsamen Düsenaustrittsöffnung (16) einer die Düsenkanäle (15) umfassenden Düsenspitze (14) vereinigen, und dass die Wandungen des ersten und des zweiten Düsenkanals (15) elektrisch unmittelbar miteinander verbunden sind.
2. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Düsenkanäle (15) in eine einzige leitfähige Düsenspitze (14) eingearbeitet sind.
3. Plasmadüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (8) zum Erzeugen einer Wirbelströmung in den Düsenkanälen (15) vorgesehen sind.
4. Plasmadüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (8) zum Erzeugen der Wirbelströmung so ausgeführt sind, dass sich in den Düsenkanälen (15) gleichsinnige Wirbelströmungen ergeben.
5. Plasmadüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (8) zum Erzeugen der Wirbelströmung so ausgeführt sind, dass sich in den Düsenkanälen (15) gegensinnige Wirbelströmun- gen ergeben.
6. Plasmadüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düsenkanäle (15) entgegen der Strömungsrichtung der Prozessgasströme in einen Isolationsblock (2) fortsetzen, in welchem die Elektrodeneinheiten (3,3') gelagert sind.
7. Plasmadüse nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (8) zum Erzeugen der Wirbelströmung Bestandteil der Elektrodeneinheiten (3,3') sind.
8. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) Kanäle (11) zum Zuleiten der Prozessgasströme aufweist.
9. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Austrittsöffnung (16) der Düsenspitze (14) ein Düsenaufsatz lösbar befestigbar ist.
10. Plasmadüse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaufsatz (17) eine Durchgangsöffnung aufweist und zumindest eine Wandung der Durchgangsöffnung aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist.
11. Plasmadüse nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenaufsatz (17) eine kanalförmige Durchgangsöffnung aufweist, die als Durchmischungs- und Beruhigungsstrecke für die zugeführten Plasmaströme aus den zumindest zwei Düsenkanälen (15) vorgesehen ist.
12. Verfahren zur Behandlung einer Oberfläche von Werkstücken mit zumindest einer Plasmadüse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Elektroden (3, 3', 24) der Plasmadüse eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ansteuerung von wenigstens zwei Plasmadüsen zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken die Elektroden (3, 3', 24) elektrisch in Reihe geschalten werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das den Elektrodeneinheiten (3, 3', 24) zugeführte Prozessgas mit einer Strömungsgeschwindigkeit eingestellt wird, so dass der sich in der Düsenspitze (14, 22) bildende Lichtbogen nicht aus der Austrittsöffnung (16) der Düsenspitze (14) oder der Durchgangsbohrung des Düsenaufsatzes (17) austritt.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks mit Abstand zur Austrittsöffnung der Düsenspitze (14, 22) oder zur Durchgangsöffnung des Düsenaufsatzes (17) positioniert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zu behandelnde Oberfläche des Werkstückes an der Düsenspitze (14, 22) oder dem Düsenaufsatz (17) der Plasmadüse entlang geführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen der Düsenkanäle (23) von jeweils zwei benachbarten Plasmadüsen (20) elektrisch unmittelbar miteinander verbunden werden.
18. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenkanäle (15, 23) von zumindest zwei benachbarten Plasmadüsen in eine gemeinsame Düsenspitze (14, 22)münden.
19. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mit mehreren Plasmadüsen durch einen einzigen Transformator (26) versorgt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus einer geradzahligen Anzahl von Plasmadüsen besteht, welche größer als zwei ist, und dass die einzelnen Düsenspitzen (14, 22) der Anordnung gegeneinander isoliert werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass zur Isolierung ein Isolator (25) mit hoher Durchschlagfestigkeit eingesetzt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolator (25) Teflon oder Keramik verwendet wird.
23. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für jeweils zwei über die Wandungen ihrer Düsenkanäle (23) verbundene Plasmadüsen (20) ein schaltbarer Überbrückungskontakt (27) vorgesehen wird.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DK08716278.0T DK2143307T3 (da) | 2007-03-05 | 2008-03-05 | Plasmadyse |
EP08716278A EP2143307B1 (de) | 2007-03-05 | 2008-03-05 | Plasmaduse |
DE202008017836U DE202008017836U1 (de) | 2008-03-05 | 2008-03-05 | Plasmadüse |
AT08716278T ATE514319T1 (de) | 2007-03-05 | 2008-03-05 | Plasmaduse |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102007010996.4 | 2007-03-05 | ||
DE102007010996A DE102007010996A1 (de) | 2007-03-05 | 2007-03-05 | Plasmadüse |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2008107180A1 true WO2008107180A1 (de) | 2008-09-12 |
WO2008107180A8 WO2008107180A8 (de) | 2009-11-26 |
Family
ID=39474054
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/EP2008/001761 WO2008107180A1 (de) | 2007-03-05 | 2008-03-05 | Plasmadüse |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2143307B1 (de) |
AT (1) | ATE514319T1 (de) |
DE (1) | DE102007010996A1 (de) |
DK (1) | DK2143307T3 (de) |
ES (1) | ES2368189T3 (de) |
WO (1) | WO2008107180A1 (de) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012103938A1 (de) | 2012-05-04 | 2013-11-07 | Reinhausen Plasma Gmbh | Plasmamodul für eine Plasmaerzeugungsvorrichtung und Plasmaerzeugungsvorrichtung |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5008511A (en) * | 1990-06-26 | 1991-04-16 | The University Of British Columbia | Plasma torch with axial reactant feed |
US6534921B1 (en) * | 2000-11-09 | 2003-03-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method for removing residual metal-containing polymer material and ion implanted photoresist in atmospheric downstream plasma jet system |
US20050118350A1 (en) * | 2002-03-28 | 2005-06-02 | Pavel Koulik | Atmospheric plasma surface treatment method and device for same |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE685455C (de) | 1934-02-11 | 1939-12-18 | Siemens Schuckertwerke Akt Ges | Lichtbogengeblaese |
US3770935A (en) * | 1970-12-25 | 1973-11-06 | Rikagaku Kenkyusho | Plasma jet generator |
JPS5546266A (en) * | 1978-09-28 | 1980-03-31 | Daido Steel Co Ltd | Plasma torch |
EP0436021B1 (de) * | 1988-03-24 | 1996-09-25 | Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho | Plasmabogen-schneidevorrichtung und deren regelung |
US4982067A (en) * | 1988-11-04 | 1991-01-01 | Marantz Daniel Richard | Plasma generating apparatus and method |
DE19532412C2 (de) | 1995-09-01 | 1999-09-30 | Agrodyn Hochspannungstechnik G | Vorrichtung zur Oberflächen-Vorbehandlung von Werkstücken |
EP1335641B1 (de) | 2002-02-09 | 2004-08-25 | Plasma Treat GmbH | Plasmadüse |
-
2007
- 2007-03-05 DE DE102007010996A patent/DE102007010996A1/de not_active Withdrawn
-
2008
- 2008-03-05 DK DK08716278.0T patent/DK2143307T3/da active
- 2008-03-05 AT AT08716278T patent/ATE514319T1/de active
- 2008-03-05 ES ES08716278T patent/ES2368189T3/es active Active
- 2008-03-05 EP EP08716278A patent/EP2143307B1/de active Active
- 2008-03-05 WO PCT/EP2008/001761 patent/WO2008107180A1/de active Application Filing
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5008511A (en) * | 1990-06-26 | 1991-04-16 | The University Of British Columbia | Plasma torch with axial reactant feed |
US5008511C1 (en) * | 1990-06-26 | 2001-03-20 | Univ British Columbia | Plasma torch with axial reactant feed |
US6534921B1 (en) * | 2000-11-09 | 2003-03-18 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method for removing residual metal-containing polymer material and ion implanted photoresist in atmospheric downstream plasma jet system |
US20050118350A1 (en) * | 2002-03-28 | 2005-06-02 | Pavel Koulik | Atmospheric plasma surface treatment method and device for same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2008107180A8 (de) | 2009-11-26 |
DE102007010996A1 (de) | 2008-09-11 |
ATE514319T1 (de) | 2011-07-15 |
ES2368189T3 (es) | 2011-11-15 |
EP2143307A1 (de) | 2010-01-13 |
DK2143307T3 (da) | 2011-10-10 |
EP2143307B1 (de) | 2011-06-22 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0986939B1 (de) | Vorrichtung zur plasmabehandlung von oberflächen | |
EP1236380B1 (de) | Plasmadüse | |
EP1994807B1 (de) | Vorrichtung zur erzeugung eines plasma-jets | |
DE2164270A1 (de) | Plasmastrahlgenerator | |
DE4340224A1 (de) | Einrichtung zum Erzeugen von Plasma mittels Mikrowellenstrahlung | |
WO2009127297A1 (de) | Vorrichtung zur erzeugung eines atmosphärendruck-plasmas | |
DE112012004749T5 (de) | Ringplasmakanal mit variierenden Querschnittsflächen entlang des Kanals | |
EP1292176A2 (de) | Vorrichtung zum Erzeugen eines Aktivgasstrahls | |
DE19832709C2 (de) | Hochspannungsleistungsschalter mit einer Unterbrechereinheit | |
EP1444713A1 (de) | Leistungsschalter | |
EP1226597B1 (de) | Druckgas-leistungsschalter | |
DE102015101315B3 (de) | Plasmabehandlungsgerät und Verfahren zur Plasmabehandlung | |
EP2143307B1 (de) | Plasmaduse | |
DE112015006630T5 (de) | Wassergekühlter plasmabrenner | |
WO2015067388A1 (de) | Piezoelektrischer transformator und gegenelektrode | |
DE202008017836U1 (de) | Plasmadüse | |
EP0178263A1 (de) | Gaslaser mit mindestens einer axial gasdurchströmten Erregungsstrecke | |
DE102008028166B4 (de) | Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasma-Jets | |
EP2209354B1 (de) | Strahlgenerator zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls | |
DE19546930C1 (de) | Koronadüse zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken | |
DE19506057A1 (de) | Löschfunkenstreckenanordnung | |
DE102013106315B4 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines physikalischen Plasmas | |
DE102009004968B4 (de) | Strahlgenerator zur Erzeugung eines gebündelten Plasmastrahls | |
EP3681664A1 (de) | WIG-BRENNER ZUM SCHWEIßEN, LÖTEN ODER BESCHICHTEN | |
EP2532214A1 (de) | Hohltrichterförmiger plasmagenerator |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
WWE | Wipo information: entry into national phase |
Ref document number: 2008716278 Country of ref document: EP |
|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 08716278 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |