WO2009089830A2 - Vorrichtung und verfahren zum aufrechterhalten und betrieb einer flamme - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum aufrechterhalten und betrieb einer flamme Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device and a method for maintaining and operating a flame according to the preamble of the claims.
  • the object of the present invention is to avoid the disadvantages of the prior art, in which a device and a
  • the essence of the invention is the controlled ignition of a fuel gas mixture by the combination of an ignition source, with a flame.
  • An ignition source is the energy that triggers the oxidation or combustion of the fuel gas mixture. This can be in particular a Corona opinion, the Barierreentladung.
  • the flame-forming gas mixture is passed through or passed by the ignition source, so that a simultaneous ignition of the over the entire burner width is possible.
  • the pulse frequency, the pulse ratio (On: Off) and / or the ignition of the ignition source can be varied over wide ranges, resulting in a high variability of the flame geometry and the flame parameter leads.
  • the deposition behavior of the layer-forming components or the various surface modifications can be influenced in a targeted manner.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device according to the invention in the operating state in an overview and Fig. 2: the embodiment of FIG. 1 in a cross section.
  • the device according to the invention shown in Fig. 1 consists of a burner (1), a burner attachment (2), an anode (3), an operating state existing flame (4), a dialectic (5), a cathode (6) and a Exit geometry (7).
  • a burner attachment (2) is mounted, on which in turn the electrically disabled barrier is mounted.
  • the electrically impeded barrier consists of an anode (3) and a cathode (6) insulated with a dialectic (5).
  • a non-combustible gas mixture can be introduced, which can be ignited via the dialectically impeded barrier, wherein the flame geometry is controllable by the barrier voltage and / or the pulse width of the barrier discharge.
  • a non-combustible gas mixture can be produced inter alia by reducing the proportion of fuel gas in relation to the oxygen content (for example, from 5% to 2.75% in the case of propane gas). This reduces the required fuel gas concentration and thus the fuel gas consumption by more than 40% compared to conventional burners.
  • Reactive and / or layer-forming substances or components such as, for example, organometallic compounds or suitable halides or hybrids, can be admixed to the fuel gas mixture either in powdery form, in gaseous form or in liquid form as a mixture (for example a solution or as a single component).
  • This admixture with the fuel gas can be done either before the ignition of the same and thus before the ignition source, such as.
  • the corona or barrier discharge or only after passing through the fuel gas mixture by the ignition source (corona or barrier discharge).
  • a fuel gas for the flame can serve both organic gases and hydrogen.
  • Oxygen is added to this fuel gas in an inert gas stream, it being possible for both nitrogen and noble gases to serve as the inert gas.
  • the burner used is a commercial 300 mm long burner. On the burner, a 270 mm long and 30 mm high ceramic attachment with a 2.5 mm wide gap geometry is screwed on. At the upper edge of the gap, a cathode of Kanthai insulated with a 1 mm aluminum oxide alumina is attached over the entire width of the burner. The anode of Kanthai is adjusted parallel to the cathode with a distance of 2.5 mm. Between anode and cathode 100 kV barrier voltage are applied. The voltage source consists of a HV generator with a clockable input to which a function generator is connected. At the burner inlet, the propane fuel gas with the 0.6% precursor TMS (tetramethylsilane) is admixed via a Ventoridüse. The following volume flows are used:
  • the pulsed clocking of the barrier voltage with 50 Hz in the ratio (On: Off 1: 2) achieves an optimal homogeneous deposition (30 nm) on glass samples, which passes at a distance of 20 mm at a speed of 170 mm / s under the flame become.
  • a mixture of fuel gas, oxygen-containing inert gas and a film-forming gaseous, liquid or solid powdery additive by means of an ignition source (e.g.
  • the ignition source for example, barium discharge is pulsed in the range between 0 Hz to 100 Hz, with a pulse ratio (on / off) of 2: 1 to 1: 3,
  • the gas mixture or parts thereof pass through the ignition source (for example barrier discharge), the gas mixture or parts thereof at the ignition source (e.g.
  • alkane preferably propane, butane or methane are used individually or in mixture,
  • a hydrocarbon or a mixture of hydrocarbons is used as a fuel gas.
  • the mixture in the composition is preferably below the explosion limit and does not form a self-supporting flame, Air or an oxygen-containing inert gas is added to the fuel gas and the mixture is preferably below the explosion or ignition composition,
  • the mixture of air and propane gas is used in the ratio> 20 to 1, preferably 23 to 1 to 40 to 1,
  • the layer-forming component separate from the carrier gas and fuel gas, is mixed with it after passing the ignition source (for example barrier discharge),
  • the ignition source for example barrier discharge
  • the fuel gas and the carrier gas pass the ignition source (e.g., barrier) and the film forming components pass it before the ignition
  • the layer-forming component is an organosilicon or organometallic compound
  • the layer-forming component is a hydride or halide
  • the layer-forming compound is admixed with an organic liquid, preferably an alcohol,
  • the layer-forming component is a metal salt dissolved in an organic, especially alcoholic, medium
  • the ignition source e.g., barrier discharge
  • the ignition source is formed in the form of a linear gap
  • the ignition source e.g., barrier discharge
  • the ignition source e.g., barrier discharge
  • the gas guide through the ignition source (for example barrier discharge) has a vertical profile, the barrier preferably being arranged at the narrowest part of the vertical profile, the exit geometries used being different therefrom and
  • Individual devices according to the invention can be arranged in cascades next to one another or behind one another over a substrate can be operated so that large areas of this substrate can be applied to the substrate by the deposition of film-forming substances or components from the flame.
  • the maintenance / operation of a flame is made possible by means of a barrier discharge, wherein the flame is pulsed (flame "on” / flame “off”) continuously or discontinuously switchable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme. Die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme bereitzustellen, die keine ständige Flammenüberwachung erforderlich machen, einen positiven Einfluss auf das Abscheideverhalten von schichtbildenden Komponenten der Brenngasflamme haben und die thermische Belastung des Brenners sowie die Betriebskosten dessen gegenüber dem Stand der Technik verringern, wird dadurch gelöst, dass die Vorrichtung aus einem Brenner (1) und einem Brennaufsatz (2) mit einer Austrittsgeometrie (7) besteht, wobei dass auf der Brennerabgewandten Seite des Brennaufsatzes (2) auf der einen Seite der Austrittsgeometrie (7) eine Anode (3) und auf der anderen Seite der Austrittsgeometrie (7) ein Dialektrikum (5) angeordnet ist, wobei sich in dem Dialektrikum (5) eine Kathode (6) befindet.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme gemäß der Gattung der Patentansprüche.
Aus dem Stand der Technik sind seit Jahrzehnten verschiedenste Gasbrenner bekannt. Bei diesen Brennern wird im Betriebszustand über einen kontinuierlichen brennenden Gasstrom eine Flammer erzeugt, vermittels derer durch den Zusatz von Komponenten Schichten auf den unterschiedlichsten Substraten abscheidbar sind oder Oberflächen modifiziert werden.
Der Nachteil dieser Brenner ist, dass in ihrem Betriebszustand kontinuierlich eine Beschichtungs- oder Erhaltungsflamme nach einmaliger Entzündung generiert werden muss, was zu einem hohen Brenngasgemischverbrauch und damit zu hohen Betriebskosten führt. Das Abscheideverhalten der schichtbildenden Komponenten wird gemäß dem Stand der Technik durch die thermische Belastung des Brenners negativ beeinflusst.
Darüber hinaus muss wegen dem bestehenden Explosionsrisiko eine ständige Flammenüberwachung erfolgen, was bei Produktionsstätten mit einer hohen Anzahl an Brennern oder ausgedehnten Brennerflammen einen hohen sicherheitstechnischen Aufwand erfordert, um Explosionen zu verhindern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, in dem eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme bereitgestellt werden, die keine ständige Flammenüberwachung erforderlich machen, einen positiven Einfluss auf das Abscheideverhalten von schichtbildenden Komponenten der Brennergasflamme haben und die thermische Belastung des Brenners sowie die Betriebskosten dessen gegenüber dem Stand der Technik verringern. Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem ersten Patentanspruch sowie einem Verfahren gemäß dem 2., 3. oder 4. Patentanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen angegeben.
Das Wesen der Erfindung besteht in der gesteuerten Zündung eines Brenngasgemisches durch die Kombination einer Zündquelle, mit einer Flamme.
Eine Zündquelle ist die Energie, die die Oxidation bzw. Verbrennung des Brenngasgemisches auslöst. Dies kann insbesondere eine Coronabzw, die Barierreentladung sein.
Dabei wird das flammenbildende Gasgemisch durch die Zündquelle durchgeleitet oder vorbeigeleitet, so dass eine gleichzeitige Zündung des über die gesamte Brennerbreite möglich ist.
Erfindungsgemäß ist es mit dieser Kombination möglich, auch brennbare Gasgemische, die ohne Hilfe der Zündquelle, nicht brennen, zu entzünden und die Flamme aufrecht zu halten.
Damit wird es erfindungsgemäß möglich, derartige Flammen ungepulst oder gepulst, kontinuierlich oder diskontinuierlich zu betreiben, wobei die Pulsfrequenz, das Pulsverhältnis (An : Aus) und/oder die Zündenergie der Zündquelle über breite Bereiche variierbar sind, was zu einer hohen Variabilität der Flammengeometrie und der Flammenparameter führt.
Damit können das Abscheideverhalten der schichtbildenden Komponenten oder die unterschiedlichsten Oberflächenmodifikationen (z.B. Hydrophierung der Oberflächenenergie) gezielt beeinflusst werden.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der folgenden Figuren und einem Ausführungsbeispiel näher erläutert ohne auf diese beschränkt zu werden. Es zeigen dabei:
Fig. 1 : eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Betriebszustand in einer Übersichtsdarstellung und Fig. 2: die Ausführungsform gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt.
Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem Brenner (1), einem Brennaufsatz (2), einer Anode (3), einer im Betriebszustand bestehenden Flamme (4), einem Dialektrikum (5), einer Kathode (6) und einer Austrittsgeometrie (7).
Auf einem bekannten Brenner (1) ist ein Brenneraufsatz (2) montiert, auf welchem wiederum die elektrisch behinderte Barriere montiert ist. Die elektrisch behinderte Barriere besteht aus einer Anode (3) und einer mit einem Dialektrikum (5) isolierten Kathode (6). Durch das Anlegen einer
Spannung zwischen Anode (3) und Kathode (6) kommt es zu einer dialektrisch behinderten Entladung zwischen Anode (3) und Kathode (6) durch das Dialektrikum (5). Diese zündet das Brenngas, welches durch den Brenner (1) und den Brenneraufsatz (2) mit einer entsprechenden
Austrittsgeometrie (7) durch die Barriere strömt.
In die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein nicht selbstständig brennbares Gasgemisch einleitbar, das über die dialektrisch behinderte Barriere zündbar ist, wobei die Flammengeometrie durch die Barrierenspannung und/oder die Impulsbreite der Barriereentladung steuerbar ist.
Ein nicht selbständig brennbares Gasgemisch ist unter anderem dadurch erzeugbar, dass der Brenngasanteil im Verhältnis zum Sauerstoffanteil verringert wird (bspw. bei Propangas von 5% auf 2,75%). Dadurch reduziert sich die erforderliche Brenngaskonzentration und damit der Brenngasverbrauch um über 40% gegenüber herkömmlichen Brennern.
Dem Brenngasgemisch können reaktive und/oder schichtbildende Stoffe oder Komponenten, wie bspw. metallorganische Verbindungen oder geeignete Halogenide oder Hybride entweder pulverfδrmig, gasförmig oder in Flüssiger Form als Gemisch (bspw. Lösung oder als einzelne Komponente zugemischt werden. Diese Zumischung zum Brenngas kann entweder vor der Zündung desselben und damit vor der Zündquelle, wie bspw. der Corona- oder Barriereentladung, erfolgen oder erst nach dem Passieren des Brenngasgemisches durch die Zündquelle (Corona- oder Barriereentladung) realisiert werden.
Die Realisierung der Kombination Corona/Barriere plus Flamme kann in unterschiedlichen geometrischen Formen erfolgen. Dafür eignen sich sowohl lineare, gekrümmte oder ringförmige Corona- bzw. Barrieregeometrien. Dabei kann auch die Austrittsquerschnittgeometrie strömungstechnisch bedingt unterschiedlichste Formen besitzen.
Als Brenngas für die Flamme können sowohl organische Gase als auch Wasserstoff dienen. Diesem Brenngas wird in einem Inertgasstrom Sauerstoff zugefügt, wobei als Inertgas sowohl Stickstoff als auch Edelgase dienen können.
Ausführungsbeispiel
Als Brenner wird ein handelsüblicher 300 mm langer Brenner eingesetzt. Auf dem Brenner wird ein 270 mm langer und 30 mm hoher Keramikaufsatz mit einer 2,5 mm breiten Spaltgeometrie aufgeschraubt. Am oberen Spaltrand wird über die gesamte Brennerbreite eine mit einem 1 mm Dialektrikum aus Aluminiumoxid isolierte Kathode aus Kanthai befestigt. Die Anode aus Kanthai wird parallel gegenüber der Kathode mit einem Abstand von 2,5 mm justiert. Zwischen Anode und Kathode werden 100 KV Barrierespannung angelegt. Die Spannungsquelle besteht aus einem HV Generator mit einem taktbaren Eingang, an welchem ein Funktionsgenerator angeschlossen wird. Am Brennereingang wird über eine Ventoridüse das Propan-Brenngas mit dem 0,6 %-gen Precursor TMS (Tetramethylsilan) zugemischt. Dabei werden folgende Volumenströme genutzt:
Lufϊtvolumenstrom 200 l/min Propanvolumenstrom (mit 0,6 % TMS) 5,6 l/min Ein diskontinuierlicher Betrieb des Verfahrens wurde durch das Zu- und Abschalten der Barrierenspannung realisiert. Dazu kann etwas zeitversetzt auch der Propangasstrom zu- bzw. abgeschaltet werden.
Durch die gepulste Taktung des Barrierespannung mit 50 Hz im Verhältnis (An : Aus 1 : 2) erreicht man eine optimale homogene Abscheidung (30 nm) auf Glasproben, welche im Abstand von 20 mm mit einer Geschwindigkeit von 170 mm/s unter der Flamme vorbeibewegt werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt dabei, dass bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung / bei dem erfindungsgemäßen Verfahren:
• ein Gemisch von Brenngas, sauerstoffhaltigem Inertgas und einem schichtbildenden gasförmigen, Flüssigen oder festen pulverförmigen Zusatz mit Hilfe einer Zündquelle (z.B.
Barriereentladung) gezündet und die sich bildende Flamme aufrecht erhalten wird,
• die Zündquelle (z.B. Barierreentladung impulsmäßig im Bereich zwischen 0 Hz bis 100 Hz, mit einem Pulsverhältnis (An/ Aus) von 2: 1 bis 1 :3 betrieben wird,
• ein kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Betrieb des erfindungsgemäßen Brenners möglichist,
• das Gasgemisch oder Teile davon die Zündquelle (z.B. Barriereentladung) durchströmen, • das Gasgemisch oder Teile davon an der Zündquelle (z.B.
Barriereentladung) vorbeigetuhrt werden,
• als Brenngas ein Alkan, bevorzugt Propan, Butan oder Methan einzeln oder im Gemisch verwendet werden,
• als Brenngas ein Kohlenwasserstoff oder ein Gemisch von Kohlenwasserstoffen verwendet wird,
• das Gemisch in der Zusammensetzung bevorzugt unterhalb der Explosionsgrenze liegt und keine selbsttragende Flamme ausbildet, • dem Brenngas Luft oder ein sauerstoffhaltiges Inertgas zugesetzt wird und das Gemisch bevorzugt unterhalb der Explosions- beziehungsweise Entflammungszusammensetzung liegt,
• das Gemisch von Luft und Propangas im Verhältnis > 20 zu 1, bevorzugt 23 zu 1 bis 40 zu 1 verwendet wird,
• die schichtbildende Komponente, getrennt von dem Trägergas und Brenngas diesen nach Passieren der Zündquelle (z.B. Barriereentladung) zugemischt wird,
• das Brenngas und das Trägergas die Zündquelle (z.B. Barriere) passieren und die schichtbildenden Komponenten diesen vor dem
Passieren der Barriereentladung zugesetzt wird,
• die schichtbildende Komponente eine siliziumorganische oder metallorganische Verbindung darstellt,
• die schichtbildende Komponente ein Hydrid oder Halogenid darstellt,
• die schichtbildenden Verbindung einer organischen Flüssigkeit, bevorzugt einen Alkohol, zugemischt wird,
• die schichtbildende Komponente ein Metallsalz darstellt, dass in einem organischen, insbesondere alkoholischem Medium gelöst ist,
• die Zündquelle (z.B. Barriereentladung) in Form eines linearen Spaltes ausgebildet wird,
• die Zündquelle (z.B. Barriereentladung) einen ringförmigen Spalt darstellt • die Zündquelle (z.B. Barriereentladung) segmentiert ist,
• die Gasfuhrung durch die Zündquelle (z.B. Barriereentladung) ein vertikales Profil besitzt, wobei bevorzugt die Barriere am schmälsten Teil des vertikalen Profils angeordnet wird, wobei die dabei verwendete Austrittsgeometrien verschieden sein können und
• einzelne erfindungsgemäße Vorrichtungen können in Kaskaden nebeneinander oder hintereinander über einem Substrat angeordnet betrieben werden, so dass große Flächen dieses Substrates durch die Abscheidung von schichtbildenden Stoffen oder Komponenten aus der Flamme auf dem Substrat aufgetragen werden können.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung / das erfmdungsgemäße Verfahren wird die Aufrechterhaltung / der Betrieb einer Flamme vermittels einer Barriereentladung ermöglicht, wobei die Flamme pulsierend (Flamme „an"/ Flamme „aus") kontinuierlich oder diskontinuierlich schaltbar ist.
Durch die konkrete Taktung und Gestaltung der Barriere sind verschiedenste Oberflächenmorphologien vermittels Flammen- beschichtung erzeugbar.
Bezugszeichenliste:
1 Brenner
2 Brenneraufsatz
3 Anode
4 Flamme im Betriebszustand
5 Dialektrikum
6 Kathode
7 Austrittsgeometrie

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme bestehend aus einem Brenner (1) und einem Brennaufsatz (2) mit einer Austrittsgeometrie (7), dadurch gekennzeichnet, dass auf der
Brennerabgewandten Seite des Brennaufsatzes (2) auf der einen Seite der Austrittsgeometrie (7) eine Anode (3) und auf der anderen Seite der Austrittsgeometrie (7) ein Dialektrikum (5) angeordnet ist, wobei sich in dem Dialektrikum (5) eine Kathode (6) befindet.
2. Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Brenngasgemische unter der Selbstzündgrenze die Austrittsgeometrie (7) durchströmen.
3. Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flamme (4) kontinuierlich oder diskontinuierlicher durch Corona- oder Barriereentladung erzeugt wird.
4. Verfahren zum Aufrechterhalten und Betrieb einer Flamme unter Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Änderung der Frequenz, des
Impulsverhältnisses und/oder der Barrierespannung der Corona- oder Baπϊereentladungsquelle die Flammentemperatur und - geometrie gesteuert ist, so dass das Abscheideverhalten und die Änderung der Oberflächenmorphologie oder der Oberflächeneigenschaften beeinflusst wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brenngas vor oder nach der der Corona- oder Barriereentladungsquelle schichtabscheidende Zusatzstoffe pulverfÖrmig, gasförmig oder in flüssiger Form als Gemisch oder als einzelne Komponente zugemischt werden.
6. Anordnung mehrerer Vorrichtungen gemäß Anspruch 1, wobei diese modular für variable Brennerbreite oder kaskadiert in mehreren Reihen angeordnet sind.
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