WO2009127297A1

WO2009127297A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines atmosphärendruck-plasmas

Info

Publication number: WO2009127297A1
Application number: PCT/EP2009/001692
Authority: WO
Inventors: Michael Bisges
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2009-10-22
Also published as: ES2636846T3; DE102008018827A1; EP2269425A1; DE102008018827B4; EP2269425B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas mittels einer Bogenentladung. Abweichend vom bisher bekannten Stand der Technik wird die Bogenentladung mittels einem als Kathode wirkenden Piezoelement mit Primär- und Sekundärseite erzeugt.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmospharendruck-Plasmas Eine solche Vorrichtung ist aus der EP 0761415 A1 bereits bekannt Bei dieser bekannten Vorrichtung wird durch eine Plasmaentladung und ein Arbeitsgas ein gebündelter Strahl eines reaktiven Mediums erzeugt Die elektrische Entladung findet in Form einer Bogenentladung statt, die mit Hilfe einer Hochfrequenz- Wechselspannung betrieben wird Dabei erstreckt sich ein Lichtbogen direkt zwischen den beiden Elektroden der Vorrichtung Einer in einem Dusenrohr angeordneten zentrischen Stiftelektrode einerseits und der als Gegenelektrode wirkenden Mundung des Dusenrohrs andererseits

Diese bekannte Vorrichtung weist eine Reihe von Nachteilen auf Zunächst einmal wird eine hohe Zündspannung von mehreren kV benotigt, die Betriebsspannung bewegt sich ebenfalls im kV-Bereιch Die in der Folge entstehende Bogenentladung - ein direkter Lichtbogen also - fuhrt zu einer hohen Wärmeentwicklung und einem Absputtern der Elektroden Weitere Nachteile sind die hohen Kosten und die Baugroße dieser Vorrichtung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmospharendruck-Plasmas anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist und insbesondere auch mit Niederspannung betrieben werden kann

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelost Die Unteranspruche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung

Die allgemeine Idee der Erfindung besteht darin, zur Erzeugung des Plasmas ein Piezoelement mit Primär- und Sekundarbereich zu verwenden Dabei erfolgt die Ansteuerung des Pπmarbereichs des Piezoelementes mit Niederspannung und Hochfrequenz In der Folge wird das Plasma durch die Felduberhohung auf der Flache des Sekundarbereichs des Piezoelements gezündet Erfindungsgemaß erfolgt die Plasmafuhrung durch Gegenelektrode und eine Gasstromung Durch die Gasstromung tritt das Plasma aus der Vorrichtung aus

Ein Piezoelement zur Erzeugung eines Plasmas ist bereits aus der Veröffentlichung Teranishi, Suzuki, ltoh A novel generation method of dielectπc barπer discharge and ozone production using a piezoelectπc transformer, Japanese Journal of Applied Physics, 2004, S 6733 - 6739, bekannt

Eine weitere Anordnung, auch als Piezotransformator bezeichnet, mit einem solchen Piezoelement mit einem Primär- und einem Sekundarbereich, dort als Anregungszone und Hochspannungszone bezeichnet, ist aus der DE 10 2005 032 890 A1 bekannt Bei beiden Veröffentlichungen dient das Piezoelement dazu, eine Plasmaentladung an der Oberfläche des Sekundarbereiches zu erzeugen Bei der Erfindung hingegen ist eine Gegenelektrode vorgesehen, damit wird erfindungsgemaß eine Bogenentladung erzeugt und gerade nicht, wie nach dem Stand der Technik, ein flächiges Plasma auf der Oberflache des Sekundarbereichs des Piezoelementes

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist im Gegensatz zur eingangs genannten EP 0761415 A1 die Kathode nicht als passives Element ausgelegt, sondern transformiert aktiv eine angelegte Niederspannung in eine Hochspannung

Die erfindungsgemaße Vorrichtung weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Losungen auf Zunächst einmal benotigt sie eine nur niedrige Betriebsspannung im Bereich von vorzugsweise 5 230 V Ferner ist sie durch eine niedrige Plasmatemperatur gekennzeichnet, ein Absputtern und ein Abbrand der Kathode sind damit nahezu ausgeschlossen Schließlich ist die erfindungsgemaße Vorrichtung preisgünstig herstellbar, da keine Hochspannungsquelle mehr erforderlich ist und weist zudem eine nur geringe Baugroße auf

Die erfindungsgemaße Vorrichtung und ihre wichtigen Bestandteile sollen nachfolgend an Hand von Ausfuhrungsbeispielen naher erläutert werden Es zeigen

Figur 1 a) bis 1d) verschiedene Ausfuhrungsformen eines Piezoelementes

Figur 2 eine erste erfindungsgemaße Vorrichtung

Figur 3 eine zweite erfindungsgemaße Vorrichtung

Figur 4 eine dritte erfindungsgemaße Vorrichtung mit kaskadierender

Mehrfachanordnung

Figur 5a) und 5b) Detaildarstellung der in Figur 4 gezeigten Ausfuhrungsform

In Figur 1 a) und 1 b) ist ein stabformiges Piezoelement 1 mit einer Kontaktelektrode 2 und einer weiteren Kontaktelektrode 4 auf der Ruckseite des Pπmarbereichs und einem daran anschließenden Sekundarbereich 3 gezeigt

In Figur 1c) und 1 d) ist ein rohrformiges Piezoelement 5 mit einer Innenelektrode 6 und einer Außenelektrode 7 im Pπmarbereich sowie einem Sekundarbereich 8 gezeigt Figur 2 zeigt eine erste erfindungsgemaße Vorrichtung 10 Das als Kathode wirkende Piezoelement weist an seiner Pπmarseite, wie bereits beschrieben, eine Kontaktelektrode 1 1 und auf der Ruckseite, der abgewandten Seite also, eine weitere Kontaktelektrode 12 auf, die in dieser Darstellung nicht zu sehen ist Ebenfalls dargestellt ist der Sekundarbereich 13 des Piezoelementes, in dem sich auf an sich bekannte Weise eine Flacheπentladung bildet Dazu wird das Piezoelement über die Kontaktelektroden 11 , 12 mit einer Niederspannungsquelle 22 verbunden Diese Niederspannungsquelle 22 liefert eine hochfrequente Niederspannung im Bereich von vorzugsweise 5 200 V Durch die angelegte Niederspannung im Pπmarbereich des Piezoelementes wird in dessen Sekundarbereich 13 eine Hochspannung erzeugt, in der Folge bildet sich die beschriebene Flachenentladung auf der Oberflache der Sekundarseite 13 Weiterhin gezeigt ist die sich ergebende Plasmaentladung 14 Zwischen dem Sekundarbereich 13, der als Elektrode wirkt, und der Gegenelektrode 15, die auf Erdpotential 19 liegt, bildet sich eine Bogenentladung aus Weiterhin besitzt die Vorrichtung eine Austπttsduse 16 mit einer Austπttsoffnung 17, durch die der Plasmaaustritt 18 erfolgt An der entgegengesetzten Seite des Plasmaaustritts 18 befindet sich eine Zufuhrung 24 für das Arbeitsgas, dabei ist die Gasstromung 25 durch den Pfeil angedeutet Ebenfalls dargestellt ist die Zuleitung 23 von der Niederspannungsquelle 22 zum Piezoelement

Durch den Gasstrom 25, der über die Zufuhrung 24 in die Vorrichtung geleitet wird, wird das Plasmagas, das in der Plasmaentladung 14 in Form einer Bogenentladung entsteht, aus der Austπttsduse 16 in Form eines strahlformigen Plasmaaustritts 18 ausgeblasen Die plasmaerzeugende Vorrichtung wird umschlossen von einem Gehäuse 20 mit einer isolierenden Gehausewand 21

In Figur 3 ist eine weitere Ausfuhrungsform der erfindungsgemaßen Vorrichtung gezeigt Dabei ist ein Plasmaerzeuger 10 mit einem rohrformigen Piezoelement 30 als Kathode zur Erzeugung einer Plasmaentladung 34 vorgesehen Wie bereits beschrieben, besitzt das Piezoelement einen Sekundarbereich 32, an dessen rohrformiger Innenflache die Plasmaentladung entsteht Ferner dargestellt ist eine Gegenelektrode 33 Auch bei dieser Ausfuhrungsform bildet sich also eine Bogenentladung aus, die in Form eines Plasmastrahls 35 mit der Gasstromung ausgeblasen wird

Figur 4 zeigt eine kaskadierende (Mehrfach-)Anordnung 40 von mehreren Plasmaerzeugern 41 mit Piezoelement als Kathoden-Elektrode Die einzelnen Plasmaerzeuger 41 werden über eine zentrale Gaszufuhrung 44 mit einem Arbeitsgas angeströmt Durch die Düsen tritt ein Plasmastrahl 43 aus, wobei die Elemente besonders vorteilhaft derart angeordnet sind, dass sich auf einem zu behandelnden Substrat 42 eine gleichmäßige Plasmaverteilung 45 ergibt

Figur 5a) zeigt eine Aufsicht auf eine solche kaskadierende Anordnung von Plasmaerzeugern 50 mit Piezoelementen Die einzelnen Plasmaerzeuger, dies sind mehrere erfindungsgemaße Vorrichtungen, sind dabei nebeneinander und hintereinander angeordnet, um eine möglichst vollflächige Plasmabehandlung zu ermöglichen.

Figur 5b) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren kaskadierenden Anordnung von Plasmaerzeugern mit Piezoelementen 51.

Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass bei der Erfindung das Plasma durch eine Bogenentladung zwischen zwei Elektroden, d. h. eine Funkenstrecke gebildet wird. Dabei bildet der Sekundärbereich der Piezokeramik jeweils die eine Elektrode; nämlich die Kathode, die Gegenelektrode liegt jeweils auf Erdpotential. Bei der Erfindung ist also die Kathode nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, als passives Element ausgebildet, etwa als stabförmige, metallische Elektrode im Zentrum eines Rohres, sondern stellt ein aktives Element dar, in dem eine (am Primärbereich angelegte) Niederspannung in eine Hochspannung (im Sekundärbereich) transformiert wird.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals gelungen, die Vorteile einer Bogenentladung und in der Folge eines ausgeblasenen Plasmastrahls mit den Vorteilen eines Piezoelementes mit Primär- und Sekundärbereich zu verbinden.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas, wobei in einem elektrisch nichtleitendem Gehäuse eine sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckende Kathode angeordnet ist, wobei das Gehäuse eine Austrittsöffnung aufweist, wobei das Gehäuse an der der Austrittsöffnung abgewandten Seite eine Gaseintrittsöffnung aufweist, wobei an der Austrittsöffnung eine als Anode wirkende Gegenelektrode vorgesehen ist und wobei an die Kathode eine Wechselspannung angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Kathode ein Piezoelement (Piezotransformator) (1 , 5) mit einem Primärbereich und mindestens einem senkrecht dazu polarisierten Sekundärbereich (3, 8) vorgesehen ist, dass am Primärbereich voneinander beabstandete Elektroden (2, 4; 6, 7) vorgesehen sind, zwischen denen die Wechselspannung angelegt wird und dass die als Gegenelektrode (15) wirkende Anode auf Erdpotential (19) liegt, derart, dass zwischen Sekundärbereich (3, 8) und Gegenelektrode (15) eine Bogenentladung erzeugbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (1 ) stab/blockförmig ausgebildet ist und Elektroden (2, 4) auf entgegengesetzten Seiten des Primärbereichs aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) rohrförmig ausgebildet ist und dass eine Innenelektrode (6) im Inneren des Rohres und eine Außenelektrode (7) an der äußeren Mantelfläche des Rohres jeweils in dessen Primärbereich angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere identische Vorrichtungen kaskadierend angeordnet sind.