WO2011141184A1 - Plasmagenerator sowie verfahren zur erzeugung und anwendung eines ionisierten gases - Google Patents

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WO2011141184A1
WO2011141184A1 PCT/EP2011/002390 EP2011002390W WO2011141184A1 WO 2011141184 A1 WO2011141184 A1 WO 2011141184A1 EP 2011002390 W EP2011002390 W EP 2011002390W WO 2011141184 A1 WO2011141184 A1 WO 2011141184A1
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plasma
gas
nozzle
chamber
plasma chamber
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PCT/EP2011/002390
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English (en)
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Bentsian Elkin
Jakob Barz
Michael Müller
Christian Oehr
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • 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
    • H05H1/42—Plasma torches using an arc with provisions for introducing materials into the plasma, e.g. powder, liquid
    • H—ELECTRICITY
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    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/30—Plasma torches using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H1/26—Plasma torches
    • H05H1/32—Plasma torches using an arc
    • H05H1/34—Details, e.g. electrodes, nozzles
    • H05H1/3484—Convergent-divergent nozzles

Definitions

  • the present invention relates to a plasma generator which has at least one plasma chamber with a feed for a plasma gas, a pump connected to the plasma chamber and an ionization device for generating a low-pressure plasma in the plasma chamber.
  • the invention also relates to a method for producing and using an ionized gas.
  • Plasmas are used in many technical processes, for example, in the arc or plasma welding of metals or in the so-called “plasma ashing" of a
  • a plasma is an ionized gas that consists partly or completely of free charge carriers such as ions or electrons. Plasmas can exist in a very wide range of pressure and temperature. Most technically relevant plasmas are
  • Imbalance plasmas in which the electrons and the heavy particles (atoms, molecules, ions) have different energy distributions. While the electrons are generally high-energy, with an equivalent temperature of several thousand Kelvin, the heavy particles have many
  • Plasmas only have a relatively low energy in them many cases corresponds to the mean kinetic energy at room temperature.
  • the energy of the heavy particles is crucial for the classification of a plasma as high temperature or low temperature plasma.
  • a typical high-temperature plasma is generated in an arc discharge.
  • the heavy particles can quite efficiently their thermal energy z. B. transferred to metal parts and bring them to melt during welding.
  • Glow discharge generated such as in a neon tube.
  • a parameter that determines to a large extent whether a high-temperature plasma or a low-temperature plasma is formed is the gas pressure.
  • d. H. typically below 10 hPa
  • the frequency of the collisions between the electrons and the heavy particles and thus the energy exchange between the two subsystems is still relatively low. Therefore, it is possible to produce low-temperature plasmas without problems in this pressure range.
  • the gas pressure is also crucial for the technical application of the plasma. Is it different?
  • Plasmas on the surface of a workpiece include etching, activation and etching
  • a corona discharge is a local low-voltage discharge that arises in a highly inhomogeneous electric field.
  • at least one electrode must have a small radius of curvature relative to the electrode gap.
  • this electrode has the form of a wire which is parallel to the other electrode or a tip which is directed perpendicular to the counter electrode. Due to the highly inhomogeneous field it is achieved that on a part of the discharge path the electric field is too weak to trigger an ionization avalanche. This will prevent the discharge in one Heavy current discharge passes, which would destroy the electrodes and / or the material to be treated.
  • Polarity reversal of the applied AC voltage can be the previously charged points on
  • Atmospheric pressure a plasma ignited and maintained, which in many relationships one
  • Low pressure glow discharge is similar.
  • a dielectric barrier as in the barrier discharge described above an excitation frequency above 1 kHz and a suitable gas are required. This type of discharge can only be done with a few
  • US 4439463 describes a plasma assisted system for depositing a semiconductor layer which, in one embodiment, generates a low pressure plasma in a plasma chamber in communication with a vacuum pump and a jet pump.
  • the plasma chamber is first brought to the required low pressure with the vacuum pump, in which the plasma is then ignited. Subsequently, the
  • Jet pump put into operation to suck the ionized plasma gas and transported with the propellant to the place of use.
  • the plasma can be generated at low pressure, the application can be carried out under atmospheric pressure.
  • the object of the present invention is to provide a plasma generator and a method for producing an ionized gas, which is the generation of a low-pressure plasma with a compact
  • the object is achieved with the plasma generator and the method according to claims 1 and 11.
  • Advantageous embodiments of the plasma generator and the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiments.
  • the proposed plasma generator comprises
  • Pumping device with the low pressure in the plasma chamber can be generated and an ionization device for generating the low-pressure plasma in the plasma chamber.
  • the pumping device is as a jet pump
  • the plasma generator is designed so that the low pressure required for the ignition and maintenance of the low-pressure plasma in the plasma chamber is adjusted via the jet pump. This low pressure is thus achieved solely by operation of the jet pump.
  • low pressure is meant a pressure below atmospheric pressure
  • a plasma is generated in a plasma chamber at low pressure, wherein the low pressure for the ignition and maintenance of the plasma is generated solely by a jet pump connected to the plasma chamber, through which a part of aspirated plasma ionized, mixed with the propellant of the jet pump and possibly brought to the place of application.
  • the plasma can be optimally generated under a subatmospheric pressure, while the material to be treated, to which the plasma is applied, may be below atmospheric pressure.
  • the proposed plasma generator and the proposed method different pressure zones are created.
  • the plasma is generated in a low-pressure zone and the ionized plasma gas is transported by means of the pumping device in the atmospheric pressure zone.
  • the pumping device is designed as a jet pump, preferably with a Venturi nozzle, is already generated by the low pressure for the ignition of the plasma. In this way can be dispensed with additional pumps, so that the arrangement, d. H. the plasma generator can be realized inexpensively and in a very compact form.
  • Plasma generator or the proposed method various advantages. At subatmospheric pressure, a low-temperature volume discharge can be achieved
  • the high electrical field strengths required at atmospheric pressure are often achieved by using electrodes with a small radius of curvature. This can lead to significant problems in heat dissipation. At the subatmospheric pressure usable here, however, such field strengths are not required.
  • the electrodes may have a larger area, so that the discharge burns in a larger volume and the heat dissipation with it
  • Consumption of the plasma gas can be used many times less than that of the propellant for the then a cheaper gas.
  • At least two initially separate gas flows are combined, of which only one contains an ionized plasma gas, ie represents a mixture of ionized plasma gas and propellant.
  • ie represents a mixture of ionized plasma gas and propellant.
  • the ionization device can be formed by at least two electrodes, is applied to the DC voltage or AC voltage to, for example, to achieve a capacitive coupling of electrical energy through a dielectric barrier.
  • the frequency of the alternating voltage is preferably in the kHz range, more preferably in the range between 50 and 400 kHz, or in the MHz range, more preferably in the range between 2 and 30 MHz, in particular at about 13.5 MHz.
  • one or more nozzles of the jet pump are used as electrodes.
  • the energy inductively for example.
  • Microwave generators can also be used, for example, for plasma generation.
  • the frequency of the AC voltage is in the microwave range, for example.
  • the coupling of the electrical energy into the discharge is preferably carried out by waveguide technology.
  • the plasma chamber is a beam axis of the
  • Jet pump arranged.
  • the jet pump has a supply channel for the driving medium and a
  • Exit channel for the driving medium and the plasma gas on, at least with their facing each other
  • the plasma chamber is arranged at least approximately axially symmetrical about this beam axis.
  • the path which the plasma-activated gas has to travel until it is mixed with the carrier gas and then impinges on the substrate to be treated is considerably shorter than in the system of the above-mentioned US Pat. No. 4,439,463.
  • the plasma gas does not first pass through lines and valves, but sucked directly into the nozzle. After the plasma gas has left the plasma discharge zone, the plasma activity decreases rapidly. Therefore, the significantly shorter pathways from the plasma zone to the substrate lead to a significantly more active plasma action on the
  • Substrate The more compact design also allows merging multiple nozzles into an array that can be used to treat larger areas with plasma.
  • the jet pump in this case forms a nozzle or nozzle-like constriction
  • the nozzle-like constriction can be formed, for example, by combining a first nozzle tapering in the flow direction of the drive medium and a second nozzle expanding in the direction of flow of the drive medium, wherein between the two nozzles at least one gap or at least one opening to the surrounding plasma chamber is formed.
  • the ionized plasma gas is sucked by the suction effect of the driving medium in this opening or this gap and entrained with the propellant and can be transported via the expanding nozzle to the site of application.
  • the constriction is formed by a nozzle which tapers in the direction of flow of the propellant and which flows into the nozzle
  • Plasma chamber opens. On the opposite side of the plasma chamber is then followed by the outlet channel for the driving medium and the ionized plasma gas.
  • This outlet channel can also be designed in the form of a nozzle or have a corresponding nozzle, which widens in the direction of flow. A particular application of the latter embodiment is achieved when water is used as a propellant. The interaction of the plasma with the water transported through the plasma chamber achieves sterilization of the water.
  • the nozzle (s) or the nozzle-like constriction can in this case an arbitrary flow cross-section
  • the plasma generator can be used, for example, to generate an ionized air or gas jet.
  • a liquid propellant preferably in conjunction with an ejector or an outlet nozzle with atomizing effect
  • de plasma generator for the deposition of coatings be used.
  • a paint can be used as blowing agent. It is also possible to admix the propellant gas and / or the plasma gas gaseous precursors, which by the plasma action, in particular due to polymerization and / or
  • the gas flow of the propellant gas and / or the plasma gas can also directly disperse particles of liquid and / or a
  • Liquid phase of the aerosol can be brought about by the interaction with the plasma-activated gas.
  • Embodiment is a one- or two-dimensional array formed by parallel connection of plasma generators, by which a strip-shaped or planar application of the ionized gas can be achieved at a place of application.
  • This can also be a
  • coherent plasma chamber with an arrayed arrangement of the jet pumps and possibly. be used by electrodes, as in one of the following embodiments in a possible
  • FIG. 2 shows a second example of an embodiment of the proposed plasma generator
  • FIG. 3 shows a third example of an embodiment of the proposed plasma generator
  • 4 shows a fourth example of an embodiment of the proposed plasma generator
  • 5 shows a fifth example of an embodiment of the proposed plasma generator
  • Fig. 6 is a sixth example of an embodiment of the proposed plasma generator
  • Fig. 7 is a seventh example of an embodiment of the proposed plasma generator
  • Fig. 8 is an eighth example of an embodiment of the proposed plasma generator
  • Fig. 9 is a ninth example of an embodiment of the proposed plasma generator
  • Fig. 10 is a tenth example of an embodiment of the proposed plasma generator
  • Fig. 11 is an eleventh example of an embodiment of the proposed plasma generator
  • Fig. 12 is a twelfth example of an embodiment of the proposed plasma generator; 13 shows an example of an array arrangement of the proposed plasma generator, here to
  • FIG. 1 shows a first example of a possible embodiment of the proposed plasma generator.
  • the plasma chamber is in this case formed by a section of a tubular element, in the present
  • a plastic tube 12 is fed into the plasma gas 2 via a throttle valve or a gas flow regulator.
  • the pressure of the plasma gas 2 is measured via a pressure gauge 18.
  • the plasma discharge path is through the tube 17 concentrically mounted in the electrode and the grounded surrounding the tube
  • the inner electrode 17 is formed in this example by a wire, the outer electrode 4 by a metal net wound around the tube 12.
  • the plastic tube 12 is connected at one end to the vacuum suction port 15 of a Venturi umpe 13 to a low-pressure plasma in the
  • Jet pump in this case a Venturi pump
  • these pumps contain no moving parts, do not require electrical power, are simple in design and therefore inexpensive and robust. They can typically produce a vacuum of up to about 100 hPa (absolute), with the pressure of the press air, from which the pump is driven, for example, in this case in the order of 5 * 10 5 Pa.
  • a hose 7 is connected to the provided nozzle 14 of the Venturi pump 13, via which a gas 1, for example. Compressed air, under a pressure of about 5 * 10 5 Pa is fed. Due to the flow of this propellant gas, the required low pressure for generating a low-pressure plasma is generated in the plasma chamber.
  • Venturi pump creates a vacuum with a residual pressure of about 100 to 500 hPa (absolute), depending on the flow of the plasma gas 2.
  • hPa absolute
  • an AC voltage 19 is applied at the frequency of about 300 kHz and the voltage of a few 100 V to about 2 kV and thus ignited a plasma discharge 16 in the plasma chamber.
  • the plasma is sucked in by the venturi pump 13, mixed with the carrier gas or propellant gas 1, and from the exhaust pipe 20 of the venturi nozzle 13 to the surface 9 to be treated with the plasma
  • the plasma discharge When using nitrogen as plasma gas 2, the plasma discharge could be ignited absolutely problem-free in the pressure range from 100 to approx. 500 hPa. The plasma discharge burned stably and filled the entire electrode gap. Only at higher pressure up to about 750 hPa there were increasing problems with the ignition, the discharge could be maintained only at higher electrical power, was uneven and concentrated mainly at the top of the electrode 17. Upon further pressure increase was in this device maintained no glow discharge.
  • the activating effect of the generated plasma could be observed due to the change in the wetting properties of the surface 9.
  • a film of cycloolefin polymer (COP - brand name Zeonor ®) was used, having their surface in untreated form a contact angle with water of about 98 ° / 95.5 ° (advance / retreat).
  • Nitrogen was used both as carrier gas 1 and as plasma gas 2.
  • the pressure in the discharge chamber was about 500 hPa (absolute), the measured electrical power about 30 W.
  • the film was treated for about 5 s. As a result of the treatment, the contact angle dropped drastically to 54 ° / 6 °
  • Figure 2 shows another example of a
  • the plasma chamber is axisymmetric - with the exception of
  • the Venturi pump is composed of a tube or tube 7, via which carrier gas 1 is fed under pressure, a Constriction, referred to as Ejektor 8 ormaschinedüse, and an outlet nozzle 6 together.
  • Ejektor 8 or Treibdüse
  • Exit nozzle 6 are arranged one behind the other, spaced by a gap, arranged on the same axis.
  • the gap establishes a connection to the plasma chamber surrounding the two nozzles, as can be seen from the figure.
  • the gas jet emerging from the ejector 8 has a low static pressure due to the Bernoulli effect and therefore sucks gas from the plasma chamber via the gap between the two nozzles into the outlet nozzle 6. This creates a low-pressure zone in the surrounding plasma chamber.
  • Plasma chamber has a Einsaugstutzen 10, via which the plasma gas 2 can be supplied controlled.
  • the operation corresponds to that of the plasma generator of Figure 1, the structure except for the
  • Einsaugstutzen 10 is completely axially symmetrical.
  • an electrode 4 is concentrically mounted on the outer side of the electrically insulating wall 5 of the plasma chamber.
  • the existing of metal ejector nozzle 8 is electrically connected to ground potential and used as a counter electrode. In operation, both the carrier gas 1 and the plasma gas 2 via the
  • Plasma gas 2 is controlled so that on the one hand in the plasma zone 3 within the plasma chamber, a sufficient negative pressure is produced and on the other hand, a sufficient amount of the plasma gas 2 is sucked.
  • the optimum pressure in this range can be about 300 to 500 hPa. This pressure is dependent on the design of the device and the flows of the carrier gas 1 and the plasma gas 2. If a sufficiently high alternating voltage is applied to the electrode 4, an electrical discharge and a plasma are produced in the low-pressure region between the two electrodes 4, 8.
  • the wall 5 of the plasma chamber plays the role of a dielectric barrier and prevents the transition of
  • a discharge at subatmospheric pressure is usually ignited more easily the lower the gas pressure.
  • the pressure in the plasma zone 3 can be further reduced practically only by reducing the flow of the plasma gas 2. However, this can be a reduced
  • Ratio between the plasma gas and the carrier gas in the exiting the device gas 11, which may be the activating effect on the surface 9 is reduced.
  • This problem can be circumvented by first optimizing the pressure in the plasma zone 3 for the ignition of the plasma and then, after ignition of the plasma, increasing the flow of the plasma gas 2 to the optimum level for the process.
  • the frequency of the alternating voltage for the generation of the gas discharge may, in principle, be in a very wide range from a few 10 Hz to a few GHz.
  • a frequency range of a few tens to a few 100 kHz has a number of advantages, for example an optimum effect of the dielectric barrier
  • the ionized and excited gas from the plasma zone 3 is sucked into the outlet nozzle 6, mixed with the carrier gas 1 and transported in the direction of the surface 9 of the material to be treated. There the species excited in a plasma on the surface to be treated can bring about desirable chemical reactions.
  • Both carrier and plasma gases are nitrogen.
  • a portion of the carrier gas provided under pressure is branched off via a bypass throttle valve and introduced into the intake manifold 10 of the plasma chamber.
  • Nitrogen is inexpensive and, as a plasma gas, is able to maintain a stable glow discharge relatively well. It also active species that can be transported to the surface to be treated 9 and cause chemical reactions there.
  • the carrier gas 1 consists of air or pure oxygen.
  • the plasma gas 2 consists of nitrogen or a noble gas, for. He or Ar.
  • the excited species from the plasma gas transfer their energy to the
  • Oxygen molecules of the carrier gas 1 and lead to their stimulation or dissociation.
  • the carrier gas 1 contains organosilicon compounds, for example hexamethyldisiloxane (H DSO) in the vapor form, and oxygen.
  • organosilicon compounds for example hexamethyldisiloxane (H DSO) in the vapor form, and oxygen.
  • the plasma gas 2 consists of nitrogen or a noble gas, for. He or Ar.
  • the carrier gas 1 contains organic compounds, for example acetylene.
  • the plasma gas 2 consists of nitrogen or a noble gas, for. He or Ar. By the excited species from the plasma are in the
  • This plasma polymer coating can be used, for example, as a primer layer to improve adhesion.
  • FIG. 2 can also be modified by varying the arrangement of the electrodes.
  • further embodiments can be obtained by the outlet nozzle 6 alone or
  • nozzles 6 and 8 are used as (grounded) electrode (s).
  • the two nozzles are used as counterelectrodes.
  • the outer electrode 4 is not needed.
  • the outlet nozzle 6 should be electrically grounded and the nozzle 8 should be correspondingly at potential. It may be advantageous, depending on the gas type and pressure in the plasma zone 3, at least one of the nozzles plasma gas dielectrically coated to prevent the transition to an arc discharge.
  • both electrodes can be mounted outside of the electrically insulating wall 5, as shown in the example of FIG.
  • the internal parts of the device can all be made of electrically insulating materials in this case.
  • the electrode 4 is at potential and grounded
  • Electrode 39 is designed as a ring. It is of course also possible to use an electrode system of a plurality of rings, in which the rings are electrically connected to each other and act as counterelectrodes. It is also not absolutely necessary to ground one of the electrodes. The electrodes can also float to a
  • FIG 4 shows a further embodiment of the proposed plasma generator, which is constructed in the arrangement of the plasma chamber and Venturi nozzle, as the two preceding figures.
  • the plasma is not generated by an electrode system, but by microwave radiation from a waveguide or resonator 25.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment, in which the plasma generator is constructed in the same way as in FIG. 2 except for the arrangement of the electrodes.
  • This embodiment also differs from that of FIG. 2 by the type of plasma excitation.
  • the electrical energy is not capacitive, but inductively coupled.
  • a coil 21 is attached to the low-pressure or plasma zone 3.
  • the excitation is carried out by an alternating current in the frequency range from a few 10 kHz to a few 10 MHz. Depending on the frequency range, it may be necessary to manufacture the nozzles 6 and 8 of electrically non-conductive materials, for example of ceramic.
  • the proposed plasma generator can, for example.
  • the proposed device can also be used for the plasma treatment of a liquid, for example water.
  • a liquid for example water.
  • FIG. 6 An example of a corresponding configuration of the plasma apparatus is shown in FIG. 6.
  • water 41 is used as the propellant.
  • the water is injected via the ejector 8 of the jet pump into the plasma chamber and leaves it via an opening in the opposite wall of the plasma chamber, as can be seen from FIG.
  • This design is based on the principle of a water jet pump, wherein the pumping action of the required low pressure is generated in the plasma chamber.
  • FIG. 7 shows an embodiment which differs from that of FIG. 6 in that instead of a nozzle or an ejector, a nozzle or ejector array is used.
  • This array can be realized, for example, in a square or hexagonal arrangement.
  • the supply of the liquid, for example water 41, as well as the removal of the correspondingly plasma-treated liquid, for example sterilized water 42, can take place via correspondingly on both sides of the plasma Chamber arranged channels take place.
  • Electrode can be the case of the contiguous
  • Plasma chamber can be used.
  • the voltage lying electrode 4 can be performed, for example.
  • the contact area of the liquid with the plasma can be multiplied accordingly during the plasma treatment of a liquid.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of the proposed plasma generator.
  • Embodiment corresponds substantially to that of Figure 2.
  • a nozzle 22 was arranged in the tube 7 for the supply of the carrier gas, can be introduced via the disperse particles 23 in the flow of the carrier gas 1. It may be, for example, to liquid droplets.
  • the nozzle 22 is configured as an atomizer.
  • the particulates may also be solid, i. H. a powder which is carried into the tube 7 by an additional carrier gas flow 24.
  • This material may be, for example, a paint or a liquid primer for the subsequent coating. It may also be a fusible powder that is melted on the preheated surface 9. Both the disperse particles 23 and the surface 9 to be coated are activated by the plasma and thereby improves the coating quality. In another application become brittle ultrafine
  • Particles introduced into the flow of the carrier gas and additionally plasma-activated before application to the surface to be coated An alternative application could also be the plasma treatment of the surface of the disperse particles. In this case, the
  • Surface 9 is replaced by a device for separating the dispersive material from the gas flow 11.
  • Figure 9 shows another example of a
  • a liquid 40 is used as the driving medium.
  • this is not water but a primer or lacquer or other liquid 40 which forms a film, gel or foam coating on the surface 9 to be coated after solidification.
  • the ejector nozzle 8 is designed as an atomizer. The liquid droplets are activated by contact with the plasma. Similar to the
  • both the atomized liquid 26 and the surface to be coated 9 are activated by the plasma, thereby improving the coating quality.
  • FIG. 10 serves the same applications as the embodiment of FIG. 8. It differs from the embodiment of FIG. 8 only in that the additional nozzle 22 is placed in the region behind the venturi nozzle. This may be advantageous in particular for dispersions 23 of liquid materials, such as, for example, paints In this case, their deposition in the device, for example. On the ejector nozzle 8, can be avoided.
  • FIG. 11 Another example of such applications is shown in FIG. 11.
  • the additional nozzle 22 is placed here in the plasma gas supply. This variant could be advantageous in particular for the plasma treatment of solid particles for a layer deposition or for other purposes.
  • the carrier gas 1 nitrogen with an admixture of an organosilicon compound such as HMDSO, as the first plasma gas 2a argon and as the second plasma gas 2b oxygen can be used.
  • an organosilicon compound such as HMDSO
  • the properties of the layers deposited on the surface 9 can be controlled and layers with different organic / inorganic content can be produced.
  • it is also possible to produce multilayer structures by changing the deposition parameters during the coating process in order, for example, to deposit an organic silicone-like material as an adhesion-promoting intermediate layer and a largely inorganic quartz-like material as a stable outer layer.
  • FIG. 13 shows, by way of example only, an ejector 33 from the array
  • FIG. 14 a plurality, of which one (ejector 33s) is shown in section.
  • Each ejector 33 has a square cross section with recesses at the corners. These recesses form cavities 35 in the array.
  • the ejectors 33 are aligned with respect to the plate 32 in which the outlet nozzles 37 are formed.
  • Spacers 34 which are part of the ejector 33, serve to align the nozzles or ejectors.
  • the ejectors 33 are made of metal and are held together in the array, for example, by soldering, gluing or by a housing. Electrically, they are in contact with each other and are therefore at the same potential.
  • rod-shaped electrodes 38 are arranged, which are all electrically connected to each other.
  • Electrodes 38 are preferably coated with a dielectric, for example enamelled.
  • the cavities 35 are connected to the space between the ejector nozzle 33 and the
  • Exit nozzle 37 connected.
  • the carrier gas 1 is fed into the cavities 35, the plasma gas.
  • the details of the seals of the assemblies against each other and to the outside are not shown in Figures 13 and 14.
  • the operation of this device from plasma generators arranged in parallel is analogous to that of the embodiment of FIG.
  • the plasma gas is sucked in, so that a negative pressure is created.
  • an alternating voltage is applied and thus ignited an electrical discharge in the cavities 35.
  • the resulting plasma is aspirated, mixes with the carrier gas 36 and comes from the outlet nozzle 37 on the surface to be treated with the plasma.
  • the alternating voltage is applied and thus ignited an electrical discharge in the cavities 35.
  • the resulting plasma is aspirated, mixes with the carrier gas 36 and comes from the outlet nozzle 37 on the surface to be treated with the plasma.
  • in the alternating voltage is applied and thus ignited an electrical discharge in the cavities 35.
  • the resulting plasma is aspirated, mixes with the carrier gas 36 and comes from the outlet nozzle 37 on
  • Cavities 35a, 35b and different plasma gases are fed, which are then mixed together at the Venturi nozzles and with the carrier gas 36.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasmagenerator sowie ein Verfahren zur Plasmaerzeugung mit dem Plasmagenerator. Der Plasmagenerator umfasst zumindest eine Plasmakammer mit einer Zuführung (10) für ein Plasmagas (2), eine mit der Plasmakammer verbundene Pumpe sowie eine Ionisationseinrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas in der Plasmakammer. Die Pumpe ist als Strahlpumpe (13) ausgebildet, die mit einem Treibmedium (1) betrieben wird und durch die ionisiertes Plasmagas aus der Plasmakammer absaugbar und mit dem Treibmedium (1) vermischbar ist. Der Plasmagenerator ist so ausgebildet, dass der für eine Zündung und Aufrechterhaltung des Niederdruckplasmas erforderliche Unterdruck in der Plasmakammer durch die Strahlpumpe (13) eingestellt wird. Mit diesem Plasmagenerator und dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich in einer kompakten Anordnung ein Niederdruckplasma erzeugen und das ionisierte Gas bei Atmosphärendruck anwenden.

Description

Plasmagenerator sowie Verfahren zur Erzeugung
Anwendung eines ionisierten Gases
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plasma- generator, der zumindest eine Plasmakammer mit einer Zuführung für ein Plasmagas, eine mit der Plasmakammer verbundene Pumpe und eine Ionisationseinrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas in der Plasmakammer aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Erzeugung und Anwendung eines ionisierten Gases.
Plasmen werden in vielen technischen Prozessen eingesetzt, bspw. beim Lichtbogen- oder Plasmaschweißen von Metallen oder beim sog. „plasma ashing" eines
Photoresist in der Halbleitertechnologie. In der Regel werden technische Plasmen durch eine elektrische
Entladung erzeugt.
Ein Plasma ist ein ionisiertes Gas, das teilweise oder vollständig aus freien Ladungsträgern wie Ionen oder Elektronen besteht . Plasmen können in einem sehr breiten Bereich von Druck und Temperatur existieren. Die meisten technisch relevanten Plasmen sind
Ungleichgewichtsplasmen, in denen die Elektronen und die schweren Teilchen (Atome, Moleküle, Ionen) unterschiedliche Energieverteilungen aufweisen. Während die Elektronen generell hochenergetisch sind, mit einer äquivalenten Temperatur von meist mehreren Tausend Kelvin, besitzen die schweren Teilchen bei vielen
Plasmen nur eine relativ niedrige Energie, die in vielen Fällen der mittleren kinetischen Energie bei Raumtemperatur entspricht. Die Energie der schweren Teilchen ist ausschlaggebend für die Einklassifizierung eines Plasmas als Hochtemperatur- oder Nieder- temperaturplasma . Ein typisches Hochtemperaturplasma wird in einer Lichtbogenentladung generiert . Die schweren Teilchen können dabei recht effizient ihre thermische Energie z. B. auf Metallteile übergeben und diese beim Schweißen zum Schmelzen bringen. Ein
typisches Niedertemperaturplasma wird durch eine
Glimmentladung erzeugt, wie bspw. in einer Neonröhre.
Ein Parameter, der in wesentlichem Maße mitbestimmt, ob ein Hochtemperatur- oder ein Nieder- temperaturplasma entsteht, ist der Gasdruck. Bei niedrigem Druck, d. h. typischerweise unter 10 hPa, ist die Frequenz der Zusammenstöße zwischen den Elektronen und den schweren Teilchen und somit der Energieaustausch zwischen den beiden Subsystemen noch relativ gering. Daher lassen sich in diesem Druckbereich unproblematisch Niedertemperaturplasmen erzeugen. Bei höherem Druck hingegen wird die Energie der im
elektrischen Feld beschleunigten Elektronen effizient auf die Atome bzw. Moleküle übertragen und heizt dieses Subsystem auf. Es entsteht ein Hochtemperaturplasma.
Der Gasdruck ist auch für die technische Anwendung des Plasmas ausschlaggebend. Unterscheidet sich der
Prozessdruck wesentlich vom Atmosphärendruck, werden geschlossene Gefäße und Apparaturen benötigt. Dies ist für viele Anwendungen wie bspw. bei Leuchtmitteln unproblematisch, für andere Anwendungen aber unerwünscht oder nicht akzeptabel . Ein weiter Bereich technischer Anwendungen von Plasmen basiert auf der chemischen Wirkung eines
Plasmas auf die Oberfläche eines Werkstücks . Zu diesen Anwendungen gehören Ätz-, Aktivierungs- und
Beschichtungsprozesse . Die thermische Einwirkung des Plasmas auf die Oberfläche soll dabei in Grenzen gehalten werden. Daher sind Hochtemperaturplasmen für diese Anwendungen meist ausgeschlossen. Weiterhin ist in vielen Fällen die Anwendung von Niederdruckplasmen aus technischen und/oder wirtschaftlichen Gründen unerwünscht. Für alle diese Fälle besteht Bedarf an einem Atmosphärendruck-Niedertemperaturplasma .
Stand der Technik
Für die Erzeugung von Atmosphärendruck-Niedertemperaturplasmen werden derzeit unterschiedliche
Techniken genutzt. So ist es bspw. bekannt, das Plasma durch eine
Koronaentladung zu erzeugen. Eine Koronaentladung ist eine lokale Schwachstrom-Entladung, die in einem stark inhomogenen elektrischen Feld entsteht . Zur Erzeugung der starken Inhomogenität des elektrischen Feldes muss mindestens eine Elektrode einen relativ zum Elektrodenabstand kleinen Krümmungsradius aufweisen. Typischerweise hat diese Elektrode die Form eines Drahts, der parallel zur anderen Elektrode geführt ist, oder einer Spitze, die senkrecht zur Gegenelektrode gerichtet ist. Durch das stark inhomogene Feld wird erreicht, dass auf einem Teil der Entladungsstrecke das elektrische Feld zu schwach ist, um eine Ionisationslawine auszulösen. Dadurch wird vermieden, dass die Entladung in eine Starkstrom-Entladung übergeht, die die Elektroden und/oder das Behandlungsgut zerstören würde. Allerdings kann die hohe Energiekonzentration in sog. Streamern eventuell zu lokalen Schädigungen auf der zu behan- delnden Oberfläche führen. Außerdem lässt sich in der Regel nur ein begrenztes Spektrum plasmachemischer Reaktionen in Verbindung mit einer Koronaentladung nutzen . Eine weitere Möglichkeit besteht in der Erzeugung einer Barriereentladung. Diese Art der Entladung wird durch eine WechselSpannung zwischen zwei Elektroden angeregt, wobei mindestens eine der Elektroden mit einer dielektrischen Schicht bedeckt ist. Bei Atmos- phärendruck werden recht hohe Feldstärken zur Plasmaerzeugung benötigt, die durch eine hohe Spannung und/oder einen schmalen Abstand zwischen den Elektroden erreicht werden. Typischerweise kommt es dabei zu lokalen elektrischen Durchbrüchen in der Gasphase.
Durch den lokal in den Streamern fließenden Strom wird die dielektrische Barriere lokal aufgeladen. Das dadurch entstehende elektrische Feld ist gegen die angelegte Spannung gerichtet, wodurch es zur Streamer- löschung kommt . Dann entstehen Streamer an anderen Stellen, die ebenfalls erlöschen, bevor die Entladung in eine Bogenentladung übergehen kann. Bei der
Polaritätsumkehrung der angelegten WechselSpannung können sich die zuvor aufgeladenen Stellen am
Dielektrikum entladen. Ein Einsatz der Technik der Barriereentladung zur Oberflächenbehandlung ist jedoch mit den gleichen Nachteilen behaftet wie bei der
Koronaentladung . Unter bestimmten Bedingungen kann unter
Atmosphärendruck ein Plasma gezündet und aufrechterhalten werden, das in vielen Beziehungen einer
Niederdruck-Glimmentladung ähnlich ist. Hierzu sind eine dielektrische Barriere wie bei der oben beschriebenen Barriereentladung, eine Anregungsfrequenz oberhalb von 1 kHz und ein geeignetes Gas erforderlich. Diese Entladungsart lässt sich nur mit wenigen
speziellen Gasen und Gasmischungen realisieren, vor allem mit Helium, und ist auch sehr empfindlich
gegenüber geringen Verunreinigungen im Plasmagas .
Die US 4439463 beschreibt ein Plasma-unterstütztes System zur Abscheidung einer Halbleiterschicht, bei der in einer Ausgestaltung ein Niederdruckplasma in einer Plasmakammer erzeugt wird, die mit einer Vakuumpumpe und einer Strahlpumpe in Verbindung steht. Die Plasmakammer wird hierbei zunächst mit der Vakuumpumpe auf den erforderlichen Niederdruck gebracht, bei dem dann das Plasma gezündet wird. Anschließend wird die
Strahlpumpe in Betrieb genommen, um das ionisierte Plasmagas abzusaugen und mit dem Treibmedium an den Anwendungsort zu transportieren. Damit lässt sich das Plasma bei Niederdruck erzeugen, wobei die Anwendung unter Atmosphärendruck erfolgen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Plasmagenerator sowie ein Verfahren zur Erzeugung eines ionisierten Gases anzugeben, die die Erzeugung eines Niederdruckplasmas mit einer kompakten
Anordnung und dessen Anwendung bei Atmosphärendruck ermöglichen. Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Plasmagenerator sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Plasmagenerators sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. Der vorgeschlagene Plasmagenerator umfasst
zumindest eine Plasmakammer mit einer Zuführung für ein Plasmagas, eine mit der Plasmakammer verbundene
Pumpvorrichtung, mit der Niederdruck in der Plasmakammer erzeugbar ist und eine Ionisationseinrichtung zur Erzeugung des Niederdruckplasmas in der Plasmakammer. Die Pumpvorrichtung ist als Strahlpumpe
ausgebildet, die mit einem Treibmedium betrieben wird und durch die ionisiertes Plasmagas aus der Plasmakammer absaugbar und mit dem Treibmedium vermischbar ist. Der Plasmagenerator ist so ausgebildet, dass der für die Zündung und Aufrechterhaltung des Niederdruckplasmas erforderliche Niederdruck in der Plasmakammer über die Strahlpumpe eingestellt wird. Dieser Niederdruck wird somit alleine durch Betrieb der Strahlpumpe erreicht. Unter Niederdruck ist hierbei ein Druck unterhalb von Atmosphärendruck zu verstehen,
vorzugsweise im Bereich < 500 hPa.
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird ein Plasma in einer Plasmakammer bei Niederdruck erzeugt, wobei der Niederdruck für die Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas alleine durch eine mit der Plasmakammer verbundene Strahlpumpe erzeugt wird, durch die ein Teil des ionisierten Plasmas angesaugt, mit dem Treibmedium der Strahlpumpe vermischt und ggf. an den Ort der Anwendung gebracht wird. Mit dem Plasmagenerator und dem vorgeschlagenen
Verfahren kann das Plasma unter einem subatmosphärischen Druck optimal erzeugt werden, während sich das Behandlungsgut, an welches das Plasma appliziert wird, unter Atmosphärendruck befinden kann. Mit dem vorgeschlagenen Plasmagenerator und dem vorgeschlagenen Verfahren werden unterschiedliche Druckzonen geschaffen. Das Plasma wird in einer Niederdruckzone erzeugt und das ionisierte Plasmagas mittels der Pumpvorrichtung in die Atmosphärendruckzone transportiert.
Die Pumpvorrichtung ist dabei als Strahlpumpe, vorzugsweise mit einer Venturidüse, ausgebildet, durch die bereits der Niederdruck für die Zündung des Plasmas erzeugt wird. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Pumpen verzichtet werden, so dass sich die Anordnung, d. h. der Plasmagenerator, kostengünstig und in sehr kompakter Form realisieren lässt.
Im Vergleich zu einem herkömmlichen Atmosphären- druck-Plasmagenerator weist der vorgeschlagene
Plasmagenerator bzw. das vorgeschlagene Verfahren verschiedene Vorteile auf. Bei subatmosphärischem Druck lässt sich eine Niedertemperatur-Volumenentladung
(Glimmentladung) viel einfacher zünden und stabiler aufrechterhalten als bei entsprechend höherem Druck.
Daher besteht eine entsprechend größere Auswahl an möglichen Plasmagasen. Es können nun auch Gase eingesetzt werden, in denen sich bei Atmosphärendruck keine geeignete Plasmaentladung herstellen lässt .
Die bei Atmosphärendruck erforderlichen hohen elektrischen Feldstärken werden oft durch Verwendung von Elektroden mit einem kleinen Krümmungsradius erreicht. Dies kann zu erheblichen Problemen bei der Wärmeabfuhr führen. Bei dem hier nutzbaren subatmosphärischen Druck hingegen sind solche Feldstärken nicht erforderlich. Die Elektroden können eine größere Fläche aufweisen, so dass die Entladung in einem größeren Volumen brennt und sich die Wärmeabfuhr damit
unproblematisch gestaltet . Bei herkömmlichen Atmosphärendruck-PIasma- generatoren werden oft als Plasmagase Edelgase wie Helium verwendet und dabei in recht großen Mengen verbraucht . Bei dem vorgeschlagenen Plasmagenerator sowie dem zugehörigen Verfahren ist die Verwendung von Edelgasen als Plasmagas nicht unbedingt erforderlich, da die Entladung bei einem deutlich geringeren Gasdruck stattfindet. Dies spart erhebliche Kosten. Selbst bei Verwendung von Edelgasen als Plasmagas ist der
Verbrauch des Plasmagases um ein Vielfaches geringer als der des Treibmediums für das dann ein kostengünstigeres Gas genutzt werden kann.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden mindestens zwei zunächst separate Gasflüsse zusammen- geführt, von denen nur einer ein ionisiertes Plasmagas enthält, d.h. eine Mischung aus ionisiertem Plasmagas und Treibmedium darstellt. Diese Ausgestaltung erlaubt es im Gegensatz zu den herkömmlichen Plasmageneratoren, die Zusammensetzungen jeweiliger Gasflüsse separat für die Prozessziele zu optimieren.
Als Ionisationseinrichtung können bei dem
vorgeschlagenen Plasmagenerator und dem vorgeschlagenen Verfahren unterschiedliche Einrichtungen genutzt werden, wie sie zur Erzeugung von Gasentladungsplasmen bekannt sind. Die Ionisationseinrichtung kann dabei durch zumindest zwei Elektroden gebildet werden, an die Gleichspannung oder Wechselspannung angelegt wird, um bspw. eine kapazitive Einkopplung der elektrischen Energie durch eine dielektrische Barriere zu erreichen. Die Frequenz der WechselSpannung liegt dabei vorzugsweise im kHz-Bereich, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 50 und 400 kHz, oder im MHz-Bereich, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 2 und 30 MHz, insbesondere bei ca. 13,5 MHz. Bevorzugt werden hierbei als Elektroden eine oder mehrere Düsen der Strahlpumpe genutzt. Weiterhin ist es auch möglich, die Energie induktiv, bspw. durch Verwendung einer Spule, in die
Plasmakammer einzukoppeln . Auch Mikrowellengeneratoren können bspw. für die Plasmaerzeugung genutzt werden. In diesem Fall liegt die Frequenz der WechselSpannung im Mikrowellen-Bereich, bspw. bei ca. 2,5 GHz, wobei die Einkopplung der elektrischen Energie in die Entladung vorzugsweise durch Hohlleitertechnik erfolgt.
In einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Plasmagenerators sowie des vorgeschlagenen Verfahrens ist die Plasmakammer um eine Strahlachse der
Strahlpumpe angeordnet. Die Strahlpumpe weist dabei einen Zufuhrkanal für das Treibmedium und einen
Austrittskanal für das Treibmedium und das Plasmagas auf, die zumindest mit ihren einander zugewandten
Abschnitten auf einer gemeinsamen Achse liegen, die hier als Strahlachse bezeichnet wird. Vorzugsweise ist die Plasmakammer dabei zumindest annähernd axial- symmetrisch um diese Strahlachse angeordnet. Insgesamt lässt sich mit einer derartigen Anordnung ein sehr kompakter Aufbau mit kurzen Wegen für das ionisierte Plasmagas erreichen. Durch diese kompakte Bauweise ist der Weg, den das plasmaaktivierte Gas zurücklegen muss, bis es mit dem Trägergas vermischt wird und dann auf das zu behandelnde Substrat trifft, deutlich kürzer als in dem System der oben genannten US 4439463. Das Plasmagas wird nicht erst über Leitungen und Ventile geleitet, sondern unmittelbar in die Düse eingesaugt. Nachdem das Plasmagas die Plasmaentladungszone verlassen hat, sinkt die Plasmaaktivität rapide. Daher führen die deutlich kürzeren Wege von der Plasmazone bis zum Substrat zu einer deutlich aktiveren Plasmaeinwirkung auf das
Substrat. Die kompaktere Bauweise erlaubt außerdem eine Zusammenführung mehrerer Düsen zu einem Array, mit dem größere Flächen mit Plasma behandelt werden können. In einer Ausgestaltung bildet die Strahlpumpe hierbei eine Düse oder düsenartige Verengung zur
Beschleunigung des Treibmediums, wobei die Plasmakammer die Strahlpumpe im Bereich dieser Düse bzw. Verengung umschließt. Die düsenartige Verengung kann bspw. durch Kombination einer ersten sich in Durchflussrichtung des Treibmediums verjüngenden Düse und einer zweiten sich in Durchflussrichtung des Treibmediums erweiternden Düse gebildet sein, wobei zwischen den beiden Düsen mindestens ein Spalt oder mindestens eine Öffnung zur umgebenden Plasmakammer ausgebildet ist. Das ionisierte Plasmagas wird dabei durch die Saugwirkung des Treibmediums in diese Öffnung bzw. diesen Spalt gesaugt und mit dem Treibmedium mitgerissen und kann über die sich erweiternde Düse zum Anwendungsort befördert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung wird die Verengung durch eine sich in Durchflussrichtung des Treibmediums verjüngende Düse gebildet, die in die
Plasmakammer mündet . An der gegenüberliegenden Seite der Plasmakammer schließt sich dann der Austrittskanal für das Treibmedium und das ionisierte Plasmagas an. Dieser Austrittskanal kann ebenfalls in Form einer Düse ausgebildet sein oder eine entsprechende Düse aufweisen, die sich in Durchflussrichtung erweitert. Eine besondere Anwendung der letztgenannten Ausgestaltung wird erreicht, wenn als Treibmedium Wasser eingesetzt wird. Durch die Wechselwirkung des Plasmas mit dem durch die Plasmakammer beförderten Wasser wird eine Entkeimung des Wassers erzielt.
Die Düse (n) oder die düsenartige Verengung kann hierbei einen beliebigen Durchflussquerschnitt
aufweisen, vorzugsweise jedoch einen runden oder spaltförmigen Querschnitt.
Der Plasmagenerator lässt sich beispielsweise zur Erzeugung eines ionisierten Luft- oder Gasstrahls einsetzen. Bei Nutzung eines flüssigen Treibmittels, vorzugsweise in Verbindung mit einer Ejektor- oder einer Austrittsdüse mit zerstäubender Wirkung, kann de Plasmagenerator zur Abscheidung von Beschichtungen eingesetzt werden. Hierzu kann als Treibmittel bspw. ein Lack eingesetzt werden. Es ist auch möglich, dem Treibgas und/oder dem Plasmagas gasförmige Prekursoren beizumischen, welche durch die Plasmaeinwirkung, insbesondere aufgrund von Polymerisation und/oder
Oxidation, feste Stoffe erzeugen. Dem Gasfluss des Treibgases und/oder des Plasmagases können auch direkt disperse Teilchen aus Flüssigkeit und/oder einem
Feststoff beigemischt werden. Bei Verwendung eines Dampfes als Treibmedium kühlt sich dieser beim Austritt aus der Düse ab, so dass Kondensation und Aerosol- bildung auftreten. In Kombination mit dem ionisierten Gas sind dann weitere interessante Effekte möglich. Es können beispielsweise chemische Reaktionen in der
Flüssigphase des Aerosols durch die Wechselwirkung mit dem plasmaaktivierten Gas herbeigeführt werden.
Mehrere der beschriebenen Plasmageneratoren können auch in Reihe hintereinander geschaltet werden, um bspw. unterschiedliche ionisierte Plasmagase zu einer Anwendung zu transportieren. In einer besonderen
Ausgestaltung wird ein ein- oder zweidimensionales Array durch Parallelschaltung von Plasmageneratoren gebildet, durch das eine streifenförmige oder flächige Applikation des ionisierten Gases an einem Anwendungsort erzielt werden kann. Hierzu kann auch eine
zusammenhängende Plasmakammer mit einer arrayförmigen Anordnung der Strahlpumpen sowie ggf . von Elektroden eingesetzt werden, wie dies auch in einem der nach- folgenden Ausführungsbeispiele in einer möglichen
Ausgestaltung näher beschrieben ist. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorgeschlagene Plasmagenerator sowie das vorgeschlagene Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators ;
Fig. 2 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators; Fig. 3 ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators; Fig. 4 ein viertes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators; Fig. 5 ein fünftes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators; Fig. 6 ein sechstes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators; Fig. 7 ein siebtes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators; Fig. 8 ein achtes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators ;
Fig. 9 ein neuntes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators; Fig. 10 ein zehntes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators; Fig. 11 ein elftes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators ;
Fig. 12 ein zwölftes Beispiel für eine Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators; Fig. 13 ein Beispiel für eine arrayförmige Anordnung des vorgeschlagenen Plasmagenerators, hier zur
Veranschaulichung mit nur einem Ejektor; und Fig. 14 das Beispiel der Figur 13 mit mehreren
Ejektoren und Elektroden.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel einer möglichen Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators . Die Plasmakammer wird hierbei durch einen Abschnitt eines rohrförmigen Elementes gebildet, im vorliegenden
Beispiel einen Kunststoffschlauch 12, in das Plasmagas 2 über ein Drosselventil oder einen Gasflussregler eingespeist wird. Der Druck des Plasmagases 2 wird über ein Manometer 18 gemessen. Die Plasmaentladungsstrecke wird durch die im Schlauch konzentrisch angebrachte Elektrode 17 und die den Schlauch umgebende geerdete
Elektrode 4 festgelegt. Die innere Elektrode 17 ist in diesem Beispiel durch einen Draht, die äußere Elektrode 4 durch ein um den Schlauch 12 gewickeltes Metallnetz gebildet. Der Kunststoffschlauch 12 ist mit einem Ende an den Vakuumsaugstutzen 15 einer Venturi- umpe 13 angeschlossen, um ein Niederdruck-Plasma in der
Plasmakammer zu erzeugen.
Im vorliegenden Beispiel wurde eine kommerziell erhältliche Venturi-Pumpe „Vakuumsaugdüse VN" der Firma Festo eingesetzt. Der Vorteil des Einsatzes einer
Strahlpumpe, im vorliegenden Fall einer Venturi-Pumpe, besteht darin, dass diese Pumpen keine beweglichen Teile enthalten, keinen elektrischen Strom erfordern, einfach aufgebaut und daher preiswert und robust sind. Sie können typischerweise ein Vakuum von bis ca. 100 hPa (absolut) herstellen, wobei der Druck der Press- luft, von der die Pumpe bspw. angetrieben wird, in diesem Fall in der Größenordnung von 5*105 Pa liegt.
Für den Betrieb der Venturi-Pumpe 13 wird an den dafür vorgesehenen Stutzen 14 der Venturi-Pumpe 13 ein Schlauch 7 angeschlossen, über den ein Gas 1, bspw. Pressluft, unter einem Druck von ca. 5*105 Pa eingespeist wird. Durch den Fluss dieses Treibgases wird in der Plasmakammer der erforderliche Niederdruck für die Erzeugung eines Niederdruckplasmas generiert. Die
Venturi-Pumpe erzeugt hierbei ein Vakuum mit einem Restdruck von ca. 100 bis 500 hPa (absolut) , je nach Fluss des Plasmagases 2. An die heiße, d.h. auf
Spannung liegende, Elektrode 17 wird eine Wechsel - Spannung 19 mit der Frequenz von ca. 300 kHz und der Spannung von einigen 100 V bis ca. 2 kV angelegt und damit eine Plasmaentladung 16 in der Plasmakammer gezündet. Das Plasma wird durch die Venturi-Pumpe 13 eingesaugt, mit dem Trägergas bzw. Treibgas 1 vermischt und aus dem Auspuffstutzen 20 der Venturi-Düse 13 auf die mit dem Plasma zu behandelnde Oberfläche 9
gerichtet .
Bei der Nutzung von Stickstoff als Plasmagas 2 konnte die Plasmaentladung im Druckbereich von 100 bis ca. 500 hPa absolut problemlos gezündet werden. Die Plasmaentladung brannte stabil und füllte den gesamten Elektrodenzwischenraum. Erst bei höherem Druck bis ca. 750 hPa gab es zunehmend Probleme mit der Zündung, die Entladung konnte nur bei höheren elektrischen Leistungen aufrechterhalten werden, wurde ungleichmäßig und konzentrierte sich vor allem an der Spitze der Elektrode 17. Bei weiterer Druckerhöhung ließ sich in dieser Vorrichtung keine Glimmentladung aufrechterhalten.
Die aktivierende Wirkung des erzeugten Plasmas konnte aufgrund der Änderung der Benetzungseigen- schaften der Oberfläche 9 beobachtet werden. Für die Untersuchungen wurde eine Folie aus Cycloolefin-Polymer (COP - Markenname Zeonor®) verwendet, deren Oberfläche in unbehandelter Form einen Randwinkel mit Wasser von ca. 98°/95,5° (Vorrück/Rückzug) aufweist. Sowohl als Trägergas 1 als auch als Plasmagas 2 wurde Stickstoff verwendet. Der Druck im Entladungsraum betrug ca. 500 hPa (absolut) , die gemessene elektrische Leistung ca. 30 W. Die Folie wurde ca. 5 s behandelt. Infolge der Behandlung sank der Randwinkel drastisch auf 54°/6°
(Vorrück/Rückzug) . Weiterhin konnte mit Hilfe von ESCA nachgewiesen werden, dass sich aufgrund der Plasmabehandlung der Anteil an Sauerstoff an der Material - Oberfläche von < 0,5% auf ca. 8,5% durch Oxidation erhöht.
Figur 2 zeigt ein weiteres Beispiel für eine
Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators. Bei dieser wie auch bei nachfolgenden Beispielen ist die Plasmakammer axialsymmetrisch - mit Ausnahme der
Zuführung für das Plasmagas - um die Strahlpumpe ausgebildet . Hierdurch wird eine sehr kompakte
Anordnung mit kurzen Wegen für das ionisierte Gas realisiert .
Im Beispiel der Figur 2 setzt sich die Venturi- Pumpe aus einem Schlauch oder Rohr 7, über welches Trägergas 1 unter Druck eingespeist wird, einer Verengung, als Ejektor 8 bzw. Treibdüse bezeichnet, und einer Austrittsdüse 6 zusammen. Ejektor 8 und
Austrittsdüse 6 sind dabei hintereinander, durch einen Spalt beabstandet, auf der gleichen Achse angeordnet. Der Spalt stellt eine Verbindung zu der die beiden Düsen umbebenden Plasmakammer her, wie dies aus der Figur ersichtlich ist. Der aus dem Ejektor 8 austretende Gasstrahl hat aufgrund des Bernoulli-Effekts einen niedrigen statischen Druck und saugt daher aus der Plasmakammer Gas über den Spalt zwischen den beiden Düsen in die Austrittsdüse 6. Dadurch entsteht in der umgebenden Plasmakammer eine Niederdruckzone . Die
Plasmakammer weist einen Einsaugstutzen 10 auf, über den das Plasmagas 2 kontrolliert zugeführt werden kann. Die Funktionsweise entspricht der des Plasmagenerators der Figur 1, wobei der Aufbau jedoch bis auf den
Einsaugstutzen 10 vollkommen axialsymmetrisch ist.
Auf der äußeren Seite der elektrisch isolierenden Wand 5 der Plasmakammer ist konzentrisch eine Elektrode 4 angebracht. Die aus Metall bestehende Ejektor-Düse 8 wird elektrisch mit Massepotential verbunden und als Gegenelektrode genutzt. Im Betrieb werden sowohl das Trägergas 1 als auch das Plasmagas 2 über die
jeweiligen Anschlüsse eingespeist. Der Fluss des
Plasmagases 2 wird so geregelt, dass einerseits in der Plasmazone 3 innerhalb der Plasmakammer ein hinreichender Unterdruck entsteht und andererseits eine hinreichende Menge des Plasmagases 2 eingesaugt wird. Der optimale Druck in diesem Bereich kann ca. 300 bis 500 hPa betragen. Dieser Druck ist von der Ausgestaltung der Vorrichtung und den Flüssen des Trägergases 1 und des Plasmagases 2 abhängig. Wird an die Elektrode 4 eine hinreichend hohe WechselSpannung angelegt, so entsteht im Niederdruckbereich zwischen den beiden Elektroden 4, 8 eine elektrische Entladung und ein Plasma. Die Wand 5 der Plasmakammer spielt dabei die Rolle einer dielektrischen Barriere und verhindert den Übergang der
Entladung in eine Bogenentladung, die sonst zu einer lokalen Überhitzung und Zerstörung führen könnte.
Eine Entladung bei subatmosphärischem Druck wird in der Regel desto leichter gezündet, je niedriger der Gasdruck ist. Auf der anderen Seite lässt sich der Druck in der Plasmazone 3 praktisch nur dadurch weiter senken, dass der Fluss des Plasmagases 2 verringert wird. Dies kann allerdings zu einem verringerten
Verhältnis zwischen dem Plasmagas und dem Trägergas in dem aus der Vorrichtung austretenden Gas 11 führen, wodurch eventuell die aktivierende Wirkung auf die Oberfläche 9 verringert wird. Diese Problematik kann dadurch umgangen werden, dass zunächst der Druck in der Plasmazone 3 für das Zünden des Plasmas optimiert und anschließend nach Zündung des Plasmas der Fluss des Plasmagases 2 auf das für den Prozess optimale Niveau erhöht wird.
Die Frequenz der WechselSpannung für die Erzeugung der Gasentladung kann im Prinzip in einem sehr breiten Bereich von einigen 10 Hz bis zu einigen GHz liegen. Ein Frequenzbereich von einigen 10 bis zu einigen 100 kHz hat dabei eine Reihe von Vorteilen, bspw. eine optimale Wirkung der dielektrischen Barriere
(elektrisch isolierende Wand 5) und eine relativ preiswerte Elektronik für die Stromerzeugung und - Steuerung .
Das ionisierte und angeregte Gas aus der Plasma- zone 3 wird in die Austrittsdüse 6 eingesaugt, mit dem Trägergas 1 vermischt und in Richtung der Oberfläche 9 des Behandlungsgutes transportiert . Dort können die im Plasma angeregten Spezies auf der zu behandelnden Oberfläche die erwünschten chemischen Reaktionen herbei- führen.
Durch geeignete Wahl der Kombination aus Trägergas 1 und Plasmagas 2 ist es möglich, unterschiedliche Wirkungen durch das Plasma zu erzielen. Nachfolgend sind nur einige der möglichen Kombinationen
beschrieben:
- Sowohl Träger- als auch Plasmagas bestehen aus Stickstoff. Hierzu wird ein Teil des unter Druck bereitgestellten Trägergases über ein Bypass-Drossel- ventil abgezweigt und in den Einsaugstutzen 10 der Plasmakammer eingeleitet. Stickstoff ist preiswert und als Plasmagas in der Lage, relativ gut eine stabile Glimmentladung aufrechtzuerhalten. Es bilden sich dabei auch aktive Spezies, die bis an die zu behandelnde Oberfläche 9 transportiert werden können und dort chemische Reaktionen herbeiführen.
- Das Trägergas 1 besteht aus Luft oder reinem Sauerstoff. Das Plasmagas 2 besteht aus Stickstoff oder einem Edelgas, z. B. He oder Ar. Die angeregten Spezies aus dem Plasmagas übertragen ihre Energie an die
Sauerstoffmoleküle des Trägergases 1 und führen zu deren Anregung oder Dissoziation. Die aktiven Sauerstoffspezies, die dadurch entstehen, führen zu
oxidativen chemischen Reaktionen an der zu behandelnden Oberfläche 9.
- Das Trägergas 1 beinhaltet siliziumorganische Verbindungen, bspw. Hexamethyldisiloxan (H DSO) in der Dampfform, und Sauerstoff. Um eine höhere Konzentration des Dampfes zu erreichen, kann die Vorrichtung aufge- heizt werden. Das Plasmagas 2 besteht aus Stickstoff oder einem Edelgas, z. B. He oder Ar. Durch die angeregten Spezies aus dem Plasma werden im austretenden Gas 11 Reaktionen von HMDSO und Sauerstoff herbeigeführt. Das Siloxan wird dadurch aktiviert und oxidiert . Diese Spezies reagieren dann mit der Oberfläche 9, die ebenfalls durch die angeregten Spezies aus dem Plasma aktiviert wird, und bilden an der Oberfläche eine
Beschichtung . - Das Trägergas 1 beinhaltet organische Verbindungen, bspw. Acetylen. Das Plasmagas 2 besteht aus Stickstoff oder einem Edelgas, z. B. He oder Ar. Durch die angeregten Spezies aus dem Plasma werden im
austretenden Gas 11 Reaktionen herbeigeführt, die zur Abscheidung eines Plasmapolymers an der zu behandelnden Oberfläche 9 führen. Diese Plasmapolymerbeschichtung kann bspw. als Primerschicht zur Haftungsverbesserung benutzt werden. Selbstverständlich betreffen die vorgenannten
Beispiele nicht nur die Ausgestaltung des Plasmagenerators gemäß Figur 2, sondern lassen sich mit allen Ausgestaltungen des in dieser Patentanmeldung vorgeschlagenen Plasmagenerators realisieren.
Die Ausgestaltung der Figur 2 kann auch durch Variation der Anordnung der Elektroden modifiziert werden. So können weitere Ausgestaltungen erhalten werden, indem die Austrittsdüse 6 allein oder
elektrisch miteinander verbundene Düsen 6 und 8 als (geerdete) Elektrode (n) benutzt werden. In einer weiteren Ausgestaltung werden die beiden Düsen als Gegenelektroden eingesetzt. In diesem Fall wird die äußere Elektrode 4 nicht benötigt. Aus Sicherheitsgründen sollte dabei vorzugsweise die Austrittsdüse 6 elektrisch geerdet sein und die Düse 8 entsprechend auf Potential liegen. Es kann dabei vorteilhaft sein, je nach Gasart und Druck in der Plasmazone 3 , zumindest eine der Düsen plasmaseitig dielektrisch zu beschichten, um dem Übergang zu einer Bogenentladung vorzubeugen .
Alternativ können auch beide Elektroden außerhalb der elektrisch isolierenden Wand 5 angebracht werden, wie dies in dem Beispiel der Figur 3 gezeigt ist. Die internen Teile der Vorrichtung können in diesem Fall alle aus elektrisch isolierenden Materialien gefertigt werden. In der Ausgestaltung der Figur 3 sind die auf Potential liegende Elektrode 4 und die geerdete
Elektrode 39 als jeweils ein Ring ausgeführt. Es ist selbstverständlich auch möglich, ein Elektrodensystem aus einer Mehrzahl von Ringen einzusetzen, in dem elektrisch die Ringe alternierend miteinander verbunden sind und als Gegenelektroden agieren. Es ist auch nicht unbedingt erforderlich, eine der Elektroden zu erden. Die Elektroden können auch an einen schwebenden
Trafoausgang angeschlossen werden.
Figur 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators, die in der Anordnung von Plasmakammer und Venturi-Düse so aufgebaut ist, wie die beiden vorangegangen Figuren. In diesem Beispiel wird jedoch das Plasma nicht durch ein Elektrodensystem, sondern durch Mikrowellenstrahlung aus einem Wellenleiter bzw. Resonator 25 erzeugt.
Figur 5 zeigt schließlich ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem der Plasmagenerator bis auf die Anordnung der Elektroden so aufgebaut ist wie bei Figur 2. Auch diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der der Figur 2 durch die Art der Plasmaanregung. Die elektrische Energie wird hierbei nicht kapazitiv, sondern induktiv eingekoppelt. Hierzu ist eine Spule 21 um die Niederdruck- bzw. Plasmazone 3 angebracht. Die Anregung erfolgt durch einen Wechselstrom im Frequenzbereich von einigen 10 kHz bis zu einigen 10 MHz. Je nach Frequenzbereich kann es nötig sein, die Düsen 6 und 8 aus elektrisch nicht leitenden Materialien, bspw. aus Keramik, zu fertigen.
Der vorgeschlagene Plasmagenerator kann bspw.
eingesetzt werden, um einen Luft- bzw. Gasstrahl mit einer erhöhten Ionenkonzentration zu erzeugen. Mögliche Anwendungen sind bspw. die Reinigung und Staubent- fernung. Bei Einsatz eines PressluftStrahls in der
Produktion oder Montage können mit der vorgeschlagenen Vorrichtung elektrostatische Aufladungen vermieden werden. Im Vergleich zu konventionellen Systemen für die Luftionisierung kann die Ionisation bzw. das Plasma bei deutlich niedrigeren elektrischen Spannungen - und somit preiswerter, zuverlässiger und sicherer - erzeugt werden .
Neben der Erzeugung eines ionisierten Gasstrahls kann die vorgeschlagene Vorrichtung auch zur Plasmabehandlung einer Flüssigkeit, bspw. Wasser, eingesetzt werden. Ein Beispiel für eine entsprechende Ausge- staltung der Plasmavorrichtung zeigt Figur 6. In diesem Beispiel wird Wasser 41 als Treibmedium eingesetzt. Das Wasser wird über den Ejektor 8 der Strahlpumpe in die Plasmakammer eingedüst und verlässt diese über eine Öffnung in der gegenüberliegenden Wand der Plasma- kammer, wie dies aus der Figur 6 ersichtlich ist. Diese Ausführung basiert auf dem Prinzip einer Wasserstrahlpumpe, wobei durch die Pumpwirkung der erforderliche Niederdruck in der Plasmakammer erzeugt wird. Die
Anordnung der Elektroden für die Plasmaerzeugung entspricht in diesem Beispiel der der Figur 2. Der
Wasserstrahl 28 befindet sich dabei auf einer relativ langen Strecke in Kontakt mit dem Plasma. Dadurch kann bspw. eine Entkeimung des Wassers erreicht werden. Figur 7 zeigt eine Ausgestaltung, die sich von der der Figur 6 dadurch unterscheidet, dass anstelle einer Düse bzw. eines Ejektors ein Düsen- bzw. Ejektorarray eingesetzt wird. Dieses Array kann bspw. in einer quadratischen oder hexagonalen Anordnung realisiert sein. Die Zufuhr der Flüssigkeit, bspw. Wasser 41, sowie der Abtransport der entsprechend Plasmabehandelten Flüssigkeit, bspw. entkeimtes Wasser 42, kann dabei über entsprechend beidseitig der Plasma- kammer angeordnete Kanäle erfolgen. Als geerdete
Elektrode kann das Gehäuse der zusammenhängenden
Plasmakammer genutzt werden. Die auf Spannung liegende Elektrode 4 kann bspw. als Gitter in der Plasmakammer ausgeführt werden. Durch den Einsatz eines Düsenarrays lässt sich bei der Plasmabehandlung einer Flüssigkeit die Kontaktfläche der Flüssigkeit mit dem Plasma entsprechend vervielfachen. Figur 8 zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit des vorgeschlagenen Plasmagenerators. Diese
Ausgestaltung entspricht im Wesentlichen der der Figur 2. Zusätzlich wurde eine Düse 22 in dem Rohr 7 für die Zufuhr des Trägergases angeordnet, über die disperse Teilchen 23 in den Strom des Trägergases 1 eingeführt werden können. Es kann sich dabei bspw. um Flüssigkeitströpfchen handeln. In diesem Fall wird die Düse 22 als Zerstäuber ausgestaltet. Alternativ können die dispersen Teilchen auch aus Feststoff bestehen, d. h. ein Pulver sein, das durch einen zusätzlichen Träger- gasfluss 24 in das Rohr 7 hineingetragen wird.
Eine mögliche Anwendung dieser Ausgestaltung besteht in einer Aktivierung der zu behandelnden
Oberfläche 9 mit dem ionisierten Gasstrahl und der unmittelbar danach oder gleichzeitig erfolgenden
Beschichtung durch das disperse Material 23. Dieses Material kann bspw. ein Lack oder ein flüssiger Primer für die nachfolgende Beschichtung sein. Es kann auch ein schmelzbares Pulver sein, das auf der vorgeheizten Oberfläche 9 zum Schmelzen gebracht wird. Dabei werden sowohl die dispersen Teilchen 23 als auch die zu beschichtende Oberfläche 9 durch das Plasma aktiviert und dadurch die Beschichtungsqualität verbessert. In einer weiteren Anwendung werden spröde ultrafeine
Partikel in den Strom des Trägergases eingebracht und vor dem Aufbringen auf die zu beschichtende Oberfläche zusätzlich Plasma-aktiviert . Eine alternative Anwendung könnte auch die Plasmabehandlung der Oberfläche der dispersen Teilchen sein. In diesem Fall wird die
Oberfläche 9 durch eine Vorrichtung zum Abtrennen des dispersiven Materials aus dem Gasfluss 11 ersetzt.
Figur 9 zeigt ein weiteres Beispiel für eine
Ausgestaltung des vorgeschlagenen Plasmagenerators . In diesem Beispiel wird, wie im Beispiel der Figur 6, eine Flüssigkeit 40 als Treibmedium eingesetzt. In diesem Beispiel ist dies allerdings nicht Wasser, sondern ein Primer oder ein Lack oder eine andere Flüssigkeit 40, die auf der zu beschichtenden Oberfläche 9 nach der Verfestigung eine Film-, Gel- oder Schaumbeschichtung bildet. Die Ejektor-Düse 8 ist dabei als Zerstäuber ausgelegt. Die Flüssigkeitströpfchen werden durch den Kontakt mit dem Plasma aktiviert. Ähnlich wie im
Ausführungsbeispiel der Figur 8 werden sowohl die zerstäubte Flüssigkeit 26 als auch die zu beschichtende Oberfläche 9 durch das Plasma aktiviert und dadurch die Beschichtungsqualität verbessert.
Die Ausgestaltung der Figur 10 dient den gleichen Anwendungen wie die Ausgestaltung der Figur 8. Sie unterscheidet sich lediglich dadurch von der Ausge- staltung der Figur 8, dass die zusätzliche Düse 22 in dem Bereich hinter der Venturi-Düse platziert ist. Dies kann insbesondere für Dispersionen 23 von flüssigen Materialien, wie bspw. von Lacken, vorteilhaft sein, da in diesem Fall deren Abscheidung in der Vorrichtung, bspw. auf der Ejektor-Düse 8, vermieden werden kann.
Ein weiteres Beispiel für derartige Anwendungen zeigt Figur 11. Die zusätzliche Düse 22 ist hier in der Plasmagaszufuhr platziert. Diese Variante könnte insbesondere für die Plasmabehandlung von Feststoff- teilchen für eine Schichtabscheidung oder für andere Zwecke vorteilhaft sein.
Mehrere Strahlpumpen bzw. Venturi-Düsen mit umgebender Plasmakammer können bei dem vorgeschlagenen Plasmagenerator auch hintereinander geschaltet werden, wie dies in der Figur 12 beispielhaft für zwei Venturi- Düsen gezeigt ist. Dabei können Plasmen in unterschiedlichen Plasmagasen 2a, 2b unabhängig voneinander gesteuert und dem Trägergas 1 beigemischt werden.
Beispielsweise können als Trägergas 1 Stickstoff mit einer Beimischung einer siliziumorganischen Verbindung wie HMDSO, als erstes Plasmagas 2a Argon und als zweites Plasmagas 2b Sauerstoff verwendet werden. Durch die Steuerung der Flüsse der Plasmagase 2a, 2b und der Intensitäten der Plasmen in den Plasmazonen 3a bzw. 3b der getrennten Plasmakammern können die Eigenschaften der auf der Oberfläche 9 abgeschiedenen Schichten gesteuert und Schichten mit unterschiedlichem Anteil organisch/anorganisch erzeugt werden. Auf diese Weise lassen sich auch mehrschichtige Strukturen erzeugen, indem während des Beschichtungsvorgangs die Abscheide- parameter geändert werden, um bspw. als haftvermittelnde Zwischenschicht ein organisches silikonartiges und als beständige Außenschicht ein weitgehend anorganisches quarzartiges Material abzuscheiden. Für eine Flächenbehandlung können mehrere der Plasmageneratoren auch parallel betrieben werden. In der in den Figuren 13 und 14 dargelegten Ausgestaltung sind die jeweiligen Düsen in einem quadratischen Array angeordnet. Figur 13 zeigt dabei lediglich beispielhaft einen Ejektor 33 aus dem Array, Figur 14 mehrere, von denen einer (Ejektor 33s) im Schnitt dargestellt ist. Jeder Ejektor 33 hat einen quadratischen Querschnitt mit Aussparungen an den Ecken. Diese Aussparungen bilden im Array Hohlräume 35. Die Ejektoren 33 sind gegenüber der Platte 32 ausgerichtet, in der die Austrittsdüsen 37 ausgebildet sind. Abstandshalter 34, die Teil des Ejektors 33 sind, dienen der Ausrichtung der Düsen bzw. Ejektoren. Die Ejektoren 33 sind aus Metall gefertigt und werden im Array bspw. durch Löten, Kleben oder durch ein Gehäuse zusammengehalten. Elektrisch befinden sie sich in Kontakt zueinander und liegen somit auf dem gleichen Potential.
In den Hohlräumen 35, die die Plasmakammern bilden, sind stabförmige Elektroden 38 angeordnet, die alle elektrisch miteinander verbunden sind. Die
Elektroden 38 sind vorzugsweise mit einem Dielektrikum beschichtet, bspw. emailliert. Die Hohlräume 35 sind mit dem Raum zwischen der Ejektor-Düse 33 und der
Austrittsdüse 37 verbunden. In die Ejektoren 33 wird das Trägergas 1 eingespeist, in die Hohlräume 35 das Plasmagas. Die Details der Abdichtungen der Baugruppen gegeneinander und nach außen sind in den Figuren 13 und 14 nicht dargestellt. Der Betrieb dieser Vorrichtung aus parallel angeordneten Plasmageneratoren ist dem des Ausführungsbeispiels der Figur 2 analog. Aus den Hohlräumen 35 wird das Plasmagas eingesaugt, so dass ein Unter- druck entsteht. Zwischen den Elektroden 38 und den Ejektoren 33 wird eine WechselSpannung angelegt und somit eine elektrische Entladung in den Hohlräumen 35 gezündet. Das entstehende Plasma wird eingesaugt, vermischt sich mit dem Trägergas 36 und kommt aus den Austrittsdüsen 37 auf die mit dem Plasma zu behandelnde Oberfläche. Optional können in die alternierenden
Hohlräume 35a, 35b auch unterschiedliche Plasmagase eingespeist werden, die dann an den Venturi-Düsen miteinander und mit dem Trägergas 36 vermischt werden.
Bezugszeichenliste
1 Treibgas/ Trägergas
2 Plasmagas
3 Plasmazone
4 Elektrode
5 elektrisch isolierende Wand
6 Austrittsdüse
7 Schlauch/Rohr
8 Ejektor
9 Oberfläche des Behandlungsgutes
10 Einsaugstutzen
11 austretendes Medium (Gas/Flüssigkeit)
12 Kunststoffschlauch
13 Venturi- Pumpe
14 Stutzen
15 Vakuumansaugstutzen
16 Plasmaentladung
17 Elektrode
18 Manometer
19 WechselSpannung
20 Auspuffstutzen
21 Spule
22 Düse
23 disperse Teilchen
24 zusätzlicher Trägergasfluss
25 Resonator
26 zerstäubte Flüssigkeit
28 Wasserstrahl
32 Platte
33 Ejektor
34 Abstandshalter 35 Hohlraum
36 Trägergas
37 Austrittsdüse
38 Elektrode
39 Elektrode
40 Flüssigkeit
41 Wasser
42 entkeimtes Wasser

Claims

Patentansprüche
Plasmagenerator, zumindest umfassend:
- eine Plasmakammer mit einer Zuführung (10) für ein Plasmagas (2) ,
- eine mit der Plasmakammer verbundene Pumpe, mit der Niederdruck in der Plasmakammer erzeugbar ist, und
- eine Ionisationseinrichtung zur Erzeugung eines Niederdruckplasmas in der Plasmakammer,
wobei die Pumpe als Strahlpumpe (13) ausgebildet ist, die mit einem Treibmedium (1) betrieben wird und durch die ionisiertes Plasmagas (2) aus der Plasmakammer absaugbar und mit dem Treibmedium (1) vermischbar ist,
dadurch gekennzeichnet ,
dass der Plasmagenerator so ausgebildet ist, dass der für eine Zündung und Aufrechterhaltung des Niederdruckplasmas erforderliche Niederdruck in der Plasmakammer über die Strahlpumpe (13)
eingestellt wird.
Plasmagenerator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlpumpe (13) eine arrayförmige
Anordnung von Düsen (8) zur Beschleunigung des Treibmediums aufweist, die in die Plasmakammer münden, und auf einer den Düsen (8) gegenüberliegenden Seite der Plasmakammer zu den Düsen (8) korrespondierende Austrittsöffnungen angeordnet sind, die in den Austrittskanal münden. Plasmagenerator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet ,
dass die Strahlpumpe (13) einen Zufuhrkanal (7) für das Treibmedium (1) und einen Austrittskanal für das Treibmedium (1) und das ionisierte
Plasmagas (2) aufweist, die zumindest mit ihren einander zugewandten Abschnitten auf einer
gemeinsamen Achse liegen, wobei die Plasmakammer, vorzugsweise zumindest annähernd axialsymmetrisch, um diese Achse angeordnet ist .
Plasmagenerator nach Anspruch 3 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Strahlpumpe (13) eine Düse oder düsenartige Verengung zur Beschleunigung des Treibmediums (1) aufweist und die Plasmakammer die Strahlpumpe (13) zumindest im Bereich der Düse oder düsenartigen Verengung umschließt.
Plasmagenerator nach Anspruch 4 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die düsenartige Verengung durch Kombination einer ersten sich in Durchflussrichtung des
Treibmediums (1) verjüngenden Düse (8) und einer zweiten sich in Durchflussrichtung des Treibmediums (1) erweiternden Düse (6) gebildet wird, wobei zwischen den beiden Düsen mindestens ein Spalt und/oder mindestens eine Öffnung zur
umgebenden Plasmakammer ausgebildet ist. Plasmagenerator nach Anspruch 3 ,
dadurch gekennzeichnet ,
dass die Strahlpumpe (13) eine Düse (8) zur
Beschleunigung des Treibmediums (1) aufweist, di in die Plasmakammer mündet, und sich der Austrittskanal auf einer der Düse (8) gegenüberliegenden Seite der Plasmakammer an die Plasmakammer anschließt.
Plasmagenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
dass eine zusätzliche Düse (22) in den Zufuhrkanal (7) und/oder den Austrittskanal für das Treibmedium (1) und/oder die Zuführung (10) für das Plasmagas (2) mündet, über die dem Treibmedium (1) und/oder dem Plasmagas (2) weitere Stoffe
beigemischt werden können.
Plasmagenerator nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Düse (8) als Zerstäuberdüse
ausgebildet ist .
Anordnung aus mehreren der Plasmageneratoren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, bei der die Plasmageneratoren so in Reihe hintereinander geschaltet sind, dass aus einem in der Reihe vorangehenden Plasmagenerator austretendes
plasmabehandeltes oder mit ionisiertem Plasmagas vermischtes Treibmedium jeweils als Treibmedium für den in der Reihe nachfolgenden Plasmagenerator eingespeist wird. Anordnung aus mehreren der Plasmageneratoren nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, bei der die Plasmageneratoren arrayförmig nebeneinander angeordnet sind.
Verfahren zur Plasmaerzeugung mit einem
Plasmagenerator nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 ,
bei dem nach oder während der Zuführung des
Plasmagases (2) in die Plasmakammer ein für die Zündung und Aufrechterhaltung eines Niederdruckplasmas erforderlicher Niederdruck durch die
Strahlpumpe (13) in der Plasmakammer erzeugt und anschließend mit der Ionisationseinrichtung das Niederdruckplasma in der Plasmakammer gezündet und aufrechterhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11,
bei dem als Treibmedium (1) für die Strahlpumpe (13) ein Gas, ein Dampf oder eine Mischung davon eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 ,
bei dem das aus dem Plasmagenerator austretende und mit ionisiertem Plasmagas (2) vermischte
Treibmedium (1) auf eine zu behandelnde Oberfläche (9) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 ,
bei dem das aus dem Plasmagenerator austretende und mit ionisiertem Plasmagas (2) vermischte
Treibmedium (1) mit mindestens einem weiteren Gasfluss zusammengeführt und auf eine zu behandelnde Oberfläche (9) geleitet wird. Verfahren nach Anspruch 11,
bei dem als Treibmedium (1) für die Strahlpumpe (13) eine Flüssigkeit, insbesondere ein Lack oder Wasser, eingesetzt wird.
Verwendung eines Plasmagenerators nach einem der Patentansprüche 1 bis 8 als Einrichtung zur
Erzeugung eines Druckluft- oder Druckgasstrahls mit einer erhöhten Ionenkonzentration,
insbesondere zur Vermeidung elektrostatischer Aufladungen in der Produktion oder Montage .
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