WO2021037576A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer gasentladung - Google Patents

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WO2021037576A1
WO2021037576A1 PCT/EP2020/072762 EP2020072762W WO2021037576A1 WO 2021037576 A1 WO2021037576 A1 WO 2021037576A1 EP 2020072762 W EP2020072762 W EP 2020072762W WO 2021037576 A1 WO2021037576 A1 WO 2021037576A1
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voltage
voltage assembly
low
transformer
assembly
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PCT/EP2020/072762
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Stefan Nettesheim
Klaus Forster
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Relyon Plasma Gmbh
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    • H05H2240/00—Testing
    • H05H2240/20—Non-thermal plasma

Definitions

  • the present invention relates to a device for generating a gas discharge, for example a non-thermal atmospheric pressure plasma.
  • the high-voltage supply is exposed to considerable mechanical loads caused by the plasma ignitions themselves and the chemical processes that occur during the plasma ignition.
  • the high voltage supply should be robust against these loads.
  • the high voltage supply should have a low impedance in order to avoid high reactive power.
  • the cables used in such a system must therefore be well insulated and must not be subjected to excessive mechanical loads.
  • connection capacity of a discharge path is significantly increased by the cable capacity.
  • the object of the present invention is now to provide an improved device for generating a gas discharge.
  • the device should preferably have a compact design and be robust against environmental influences and stresses caused by the gas discharge.
  • the object is achieved by a device according to claim 1. Preferred embodiments are the subject of the subclaims.
  • a device for generating a gas discharge for example a non-thermal atmospheric pressure plasma, is proposed, which has a low-voltage assembly and a
  • the low-voltage assembly has an output contact, the low-voltage assembly being configured to provide a low voltage at the output contact.
  • the high-voltage assembly has an input contact and a transformer.
  • the low-voltage assembly and the high-voltage assembly are connected to one another by a plug connection, the plug connection forming an electrical contact between the output contact of the low-voltage assembly and the input contact of the high-voltage assembly, the low voltage provided at the output contact being applied to the transformer via the input contact, and the Transformer is designed to convert the low voltage into a high voltage.
  • the low-voltage assembly and the high-voltage assembly can accordingly be structurally separated in two sub-units of the device.
  • the components to which a high voltage can be applied can be separated from the other components of the device.
  • the high-voltage assembly can be designed to ensure particularly good protection against environmental influences such as dust or moisture.
  • the High-voltage assembly can also provide shielding for the components arranged in it, in particular the transformer. Since there is no high voltage in the low-voltage assembly, the requirements for shielding and / or protection against environmental influences are in the
  • Low voltage assembly may be lower. Due to the structural separation of the low-voltage assembly and the high-voltage assembly, a device can be constructed in which the entire device does not have to meet the high requirements regarding environmental influences or in which the entire device does not have to be shielded, but in which it is sufficient to have the high-voltage assembly particularly well in front To protect environmental influences or to shield the high-voltage assembly. This enables a compact construction of the device.
  • High-voltage assembly are connected to one another by the plug connection, the low-voltage assembly and the high-voltage assembly can be separated from one another by releasing the plug-in connection. Accordingly, one of the modules can be exchanged and the other module can be used.
  • the transformer can be exposed to loads during the gas discharge, which limit the service life of the transformer.
  • the high-voltage subassembly can be separated and exchanged by loosening the plug connection, so that the subassembly which has the structure with the shortest service life, namely the discharge structure in one unit with the transformer, can easily be exchanged.
  • a low-voltage assembly An assembly in which only a low voltage is present can be referred to as a low-voltage assembly.
  • Any voltage up to 1000 V can be referred to as low voltage.
  • a subassembly can be referred to as a high-voltage subassembly which has the components which are designed to convert the low voltage into a high voltage.
  • Any voltage greater than 1000 V, for example, can be referred to as high voltage.
  • the device can be a handheld device, for example.
  • the hand-held device can be provided for use in medical technology, for example.
  • the device can be a module for 3D printing, a module for digital printing or a module for textile treatment systems.
  • the low-voltage assembly can have a housing and the high-voltage assembly can have a cartridge in which the transformer is arranged and which has the input contact.
  • the housing and the cartridge can be locked to one another by means of the plug-in connection or can be clamped to one another.
  • a container that is suitable for insertion into the housing can be referred to as a cartridge.
  • the cartridge can be encapsulated, i.e. closed.
  • the cartridge can have an opening.
  • the cartridge can have a simple and robust structure.
  • a volume enclosed by the cartridge can be smaller than a volume enclosed by the housing. Due to its small design, the cartridge can ensure that there are short cable lengths in the high-voltage assembly that do not significantly affect the impedance of the high-voltage assembly increase. Thus, a device with a small reactive power can be constructed.
  • Both a plug connection designed as a latching connection and a plug connection designed as a clamping connection can protect against accidental disconnection of the connection.
  • the latching connection can define a force threshold, with a force that is greater than the force threshold must be applied to separate the plug connection.
  • the high-voltage assembly can have a discharge structure which is designed to influence an electric field that is generated by the high voltage generated at the transformer.
  • the discharge structure can have conductive structures, for example a metallization, which changes the field routing of the field generated by the transformer.
  • the metallization can be arranged on an outside of the cartridge.
  • the discharge structure can be arranged on the cartridge in such a way that it is close to the transformer. This allows the discharge structure to be coupled to the transformer with minimal impedance.
  • the discharge structure may have a protruding element which is arranged on the outside of the cartridge and which is made of a conductive material.
  • the protruding element can be needle-shaped or blade-shaped. Accordingly, it can taper to a point and cause a point-like field elevation at one point.
  • a punctiform gas discharge for example punctiform plasma ignition
  • the protruding element should be rounded at its tip.
  • a gas discharge for example a plasma ignition
  • the protruding element can have a wire at an end pointing away from the transformer, which wire runs perpendicular to a longitudinal direction of the cartridge.
  • Such a protruding element can trigger gas discharges, for example plasma ignitions, on an almost linear structure. Accordingly, different discharge structures are possible, which lead to gas discharges with different shapes.
  • the suitable discharge structure can be selected depending on the intended use of the device.
  • the protruding element has bristles, at least some of the bristles being made of a conductive material and / or at least some of the bristles being made of an insulating material.
  • the bristles made of the conductive material can cause a punctiform gas discharge, for example punctiform plasma ignition.
  • the discharge structure can thus trigger a large number of point gas discharges at the same time.
  • the bristles made of the insulating material can mechanically process a surface and / or serve as spacers which prevent the bristles made of the conductive material from coming into direct contact with the surface.
  • the discharge structure can be coated with an insulating material that forms a dielectric barrier. Accordingly, gas discharges, for example plasma ignitions, can be brought about by dielectric barrier discharges.
  • the transformer can be encapsulated in the cartridge.
  • the cartridge can be closed.
  • the encapsulation provides good protection against dirt
  • the encapsulation can shield the transformer from interfering electrical fields.
  • the encapsulation in the cartridge can avoid undesired plasma ignitions, for example on the longitudinal edges of a piezoelectric transformer, or flashovers to the high-voltage winding of a conventional transformer.
  • the cartridge can be designed in such a way that the discharge structure and the input contacts can exchange energy with the environment or the low-voltage structure, and otherwise the high-voltage assembly is isolated from the environment.
  • the cartridge can have an opening, for example a plasma outlet opening.
  • an opening for example a plasma outlet opening.
  • the gas discharge is generated directly on one end face of the transformer and can emerge from the opening.
  • the high-voltage assembly can be from the
  • Low-voltage assembly can be separated. As already discussed above, this enables a defective high-voltage assembly to be replaced. Furthermore, a high-voltage assembly can be replaced by another high-voltage assembly which has a different discharge structure. As a result, gas discharges can be caused in different forms with a single low-voltage assembly.
  • the low-voltage module can have a driver module for controlling the transformer.
  • the transformer can be a piezoelectric transformer.
  • a piezoelectric transformer has a compact design and can thereby enable a small and compact cartridge to be designed.
  • the piezoelectric transformer can be a Rosen-type transformer.
  • the high-voltage assembly can have a gas supply via which a process gas can be supplied.
  • the process gas can be, for example, air or a noble gas, e.g. argon.
  • the process gas can be passed through the gas supply in the immediate vicinity of the location of the gas discharge, for example the plasma ignition.
  • the process gas can be ionized during the gas discharge.
  • the device can be, for example, a plasma generator, an ionizer, an ozone generator and / or a gas discharge structure.
  • Another aspect relates to an arrangement comprising the device described above and another
  • the low-voltage assembly of the device is designed to be interchangeably connected to one of the high-voltage assemblies of the device and the further high-voltage assembly.
  • the two high-voltage assemblies can differ from one another in terms of their discharge structure. Accordingly, the two high-voltage assemblies can be designed to cause gas discharges in different shapes, for example point-like or flat. Alternatively or in addition
  • the two high-voltage assemblies can be designed to trigger gas discharges, for example plasma ignitions, in different ways, for example by corona discharge or dielectric barrier discharge.
  • the device can thus be used variably, since a single low-voltage assembly can be used, due to the possibility of combination with different high-voltage assemblies, to effect gas discharges, for example plasma ignitions, in different forms and in different ways.
  • the high-voltage assemblies can be present in a set that has several different cartridges. Such a set can be offered together with the low-voltage assembly as a multifunctional kit.
  • Figure 1 shows schematically a device for generating a gas discharge.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the device shown schematically in FIG.
  • Figure 1 shows schematically a device for generating a gas discharge.
  • the device has a low-voltage assembly 1 and a high-voltage assembly 2. Only a low voltage is present in the low-voltage assembly 1.
  • the low-voltage assembly 1 has a housing 3. All elements of the low-voltage assembly can be arranged in the housing 3.
  • the low-voltage assembly 1 has a connection 4 for a mains supply 5.
  • the low-voltage assembly 1 is connected to the mains supply 5 via the connection 4.
  • the connection 4 for the mains supply 5 is formed in the housing 3.
  • the connection 4 for the mains supply 5 is formed in the housing 3.
  • Low-voltage assembly 1 also have a battery or an accumulator, which are used as a voltage source.
  • the accumulator or the battery can be arranged in the housing 3.
  • a driver module 6 is arranged in the housing 3.
  • the driver module 6 can be, for example, an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or a printed circuit board on which a control circuit is formed.
  • the driver module 6 is designed to control a transformer 7 in the high-voltage assembly.
  • the control can have a resonance control, a phase control, an amplitude control, a power control, a pulse width modulation or a pulsed operation. It is also possible to monitor the operating state on the high-voltage side using the high-frequency signal components generated during discharge ignition.
  • the low-voltage assembly 1 also has two output contacts 8a, 8b.
  • a low voltage can be provided at the output contacts 8a, 8b.
  • the output contacts 8a, 8b are via the driver module 6 connected to the mains supply 5.
  • the driver module 6 can forward the voltage provided by the mains supply 5 to the output contacts 8a, 8b.
  • the housing 3 of the low-voltage assembly 11 has a plug connection 9 which is indicated schematically in FIG.
  • the plug connection 9 enables the low-voltage assembly 1 to be mechanically connected to the high-voltage assembly 2.
  • an electrical contact is made between the output contacts 8a, 8b of the low-voltage module 1 and input contacts 10a, 10b of the high-voltage module 2.
  • the voltage provided at the output contacts 8a, 8b of the low-voltage assembly 1 can be transmitted to the high-voltage assembly 2 when the plug connection 9 is closed.
  • the plug connection 9 can in particular be designed so that the low-voltage assembly 1 and the
  • High-voltage assembly 2 may be jammed together when the plug connection 9 is closed.
  • the plug connection 9 is designed in such a way that the high-voltage assembly 2 rests directly on the housing 3 of the low-voltage assembly 1 when the plug connection 9 is closed.
  • the housing 3 of the low-voltage assembly 1 forms a female connection partner of the connector 9 and the high-voltage assembly 2 forms a male connection partner of the connector 9.
  • the The low-voltage assembly 1 can form the male connection partner of the plug connection 9 and the high-voltage assembly 2 can form the female connection partner of the plug connection 9.
  • the plug connection 9 is designed in such a way that a force threshold has to be overcome in order to open the plug connection. In this way, accidental disconnection of the plug connection 9 can be avoided.
  • the plug connection 9 can be designed in such a way that a defined movement of the connection partners must be carried out.
  • the plug connection 9 can be designed, for example, as a bayonet connection.
  • the high-voltage assembly 2 can only come from the low-voltage assembly
  • High-voltage assembly 2 in which the high-voltage assembly
  • High-voltage assembly 2 is moved linearly to the low-voltage assembly 1, are executed.
  • the high-voltage assembly 2 has the input contacts 10a, 10b already mentioned.
  • the high-voltage assembly 2 also has the transformer 7.
  • the input contacts 10a, 10b are connected to the transformer 7.
  • the transformer 7 is designed to convert a low voltage applied to it into a high voltage.
  • the high voltage generated by the transformer 7 is used for gas discharge, for example for plasma generation.
  • the transformer 7 can be a piezoelectric transformer, for example.
  • the high-voltage assembly can have a cartridge 11.
  • the transformer 7 is arranged in the cartridge 11.
  • the cartridge 11 has the input contacts 10a, 10b.
  • the input contacts 10a, 10b are arranged on an outside of the cartridge 11.
  • the cartridge 11 is designed to be plugged into the low-voltage assembly 1.
  • the cartridge 11 also has a discharge structure 12. If a high voltage is generated at the piezoelectric transformer 7, the discharge structure 12 influences the resulting electric field and in this way the shape of a generated gas discharge or plasma discharge is determined in advance.
  • Various discharge structures 12 will be discussed later on the basis of FIGS. 3 to 13. Depending on the discharge structure 12 used, the
  • High-voltage assembly 2 can be configured to ignite plasma by means of a dielectric barrier discharge or by means of a corona discharge.
  • the discharge structure 12 is arranged at the end of the cartridge 11 which faces away from the input contacts 10a, 10b.
  • the plug connection 9 can be designed in such a way that the high-voltage module 2 can only be plugged into the low-voltage module 1 in one orientation. Alternatively, it can be inserted in both orientations. Accordingly, for example, the output contact 8a can be connected to each of the two input contacts 10a, 10b.
  • the plug connection 9 enables a defined state to be established in which the low-voltage assembly 1 and the high-voltage assembly 2 are firmly connected and only through Applying a force can be separated from each other, which is greater than the defined force threshold, so that an unintentional separation of the two assemblies 1, 2 can be avoided.
  • the plug connection 9 can also establish an electrically secure connection between the two assemblies 1, 2.
  • the transformer 7 is encapsulated in the high-voltage assembly 2 in the cartridge 11. As a result, the transformer 7 is protected against dust, moisture and corrosion. Furthermore, the cartridge 11 provides a shield for the high-voltage components, in particular the transformer 7. This allows undesired parasitic discharges to be avoided.
  • the high-voltage assembly 2 can be separated from the low-voltage assembly 1 by releasing the plug connection 9. Depending on the design of the plug connection 9, a force threshold or a defined movement, for example a combined twisting and pulling movement, is required for this purpose.
  • the high-voltage assembly 2 can then be replaced by another high-voltage assembly that is connected to the low-voltage assembly 1.
  • the other high-voltage assembly can differ from the first high-voltage assembly 2, for example, by the discharge structure 12. Accordingly, a single low-voltage assembly 1 can be used in order to generate different types of gas discharges by connecting different high-voltage assemblies 2 with different discharge structures 12 to the low-voltage assembly 1.
  • the piezoelectric transformer 7 is a mechanically oscillating component and should therefore be decoupled from the environment, for example by elastic mounting. This can preferably be solved by means of elastic potting.
  • the transformer is preferably cast in one piece with the discharge structure.
  • the transformer 7 can be replaced in a simple manner by means of an exchangeable high-voltage assembly 2. Replacing the high-voltage assembly 2 thus makes it possible to continue using the low-voltage assembly 1.
  • the arrangement of the transformer 7 in the cartridge 11 enables a compact design of the high-voltage assembly 1.
  • a simple structure is constructed.
  • the cartridge 11 is robust against damage and interference such as dust, moisture, etc.
  • the high-voltage assembly 2 and the low-voltage assembly 1 each form functional and mechanically firmly integrated subunits of the device.
  • the compact design of the high-voltage assembly 2 in a cartridge 11 makes it possible to limit cable lengths to a minimum. Due to the very short cables used, impedance can be minimized.
  • the compact design of the high-voltage assembly 2 also makes it possible to arrange the discharge structure 12 in the immediate vicinity of the piezoelectric transformer 7 and, under certain circumstances, to completely dispense with the connection cables on the high-voltage side.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of the device shown schematically in FIG.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 2 is a hand-held device.
  • the high-voltage assembly 2 is designed as a cartridge 11.
  • the piezoelectric transformer 7 is arranged in the cartridge 11.
  • the cartridge 11 has the discharge structure 12 shown in FIG.
  • the cartridge 11 is plugged into the low-voltage assembly 1.
  • the input contact 10a, 10b of the cartridge 11 is electrically connected to the output contact 8a, 8b of the low-voltage assembly 1.
  • the low-voltage assembly 1 used in the exemplary embodiment shown in FIG. 2 is a hand-held device.
  • the hand-held device has a handle 13 by which the user can hold the hand-held device when using the device.
  • the handle 13 is arranged at the end of the device that faces away from the high-voltage assembly 2.
  • a battery or a rechargeable battery can be arranged in the handle 13 as a voltage supply.
  • a connection for connection to a network can be provided in the handle 13.
  • the low-voltage assembly 1 also has a screen and control elements, which are not shown in FIG.
  • the control elements can be buttons, for example.
  • the screen can be a touch-sensitive screen via which a user can enter control commands.
  • each of the high-voltage assemblies 2 shown in FIGS. 3 to 13 leads to different gas discharges, for example to different ones Plasma discharges.
  • Each of the high-voltage assemblies 2 shown in FIGS. 3 to 14 has a piezoelectric transformer 7 as transformer 7.
  • Each of the high-voltage assemblies 2 shown in FIGS. 3 to 13 has identical input contacts 10a, 10b, which are connected to the output contacts of the low-voltage assembly 1 through the plug connection 9. Accordingly, each of the high-voltage assemblies 2 shown in FIGS. 3 to 13 is compatible with the same low-voltage assembly 1.
  • FIG. 3 shows a high-voltage assembly 2 according to a first exemplary embodiment in a schematic view.
  • the input contacts 10a, 10b and the piezoelectric transformer 7 are connected to one another by short electrical lines.
  • the piezoelectric transformer 7 is encapsulated in the cartridge 11.
  • the cartridge 11 is accordingly hermetically sealed.
  • a discharge structure 12 is attached to the shell of the cartridge 11.
  • the discharge structure 12 consists of a metallization 14 which is applied to an outside of the shell.
  • the piezoelectric transformer 7 generates a strong electric field when it generates a high voltage.
  • the metallization 14 of the discharge structure 12 changes the field profile of this electric field. The type of plasma cloud generated by the device can thereby be influenced.
  • the discharge structure 12 runs semicircularly around an output region and an output-side end face of the piezoelectric transformer 7.
  • the one shown in FIG Discharge structure 12 causes a gas discharge by generating plasma by means of a corona discharge. Corona discharges can occur in gaseous or liquid media as a result of field ionization if the electrical field strength is high enough.
  • FIG. 4 shows a second high-voltage assembly 2, which differs from the high-voltage assembly 2 shown in FIG. 1 by a different discharge structure 12.
  • the discharge structure 12 shown in FIG. 4 has a metallization 14 which is attached to the output-side end of the
  • High voltage assembly 2 is flattened. Another plasma cloud is generated by this discharge structure 12.
  • the discharge structure 12 shown in FIG. 4 also produces plasma by means of a corona discharge.
  • FIGS 5, 6, 7 and 8 show, respectively
  • a discharge structure 12 has a metallization 14 of the casing of the cartridge 11.
  • the discharge structures 12 also have an element 15 protruding from the cartridge 11.
  • the protruding member 15 comprises a conductive material such as a metal.
  • the protruding element 15 is needle-shaped.
  • the protruding element 15 is blade-shaped.
  • the protruding element 15 has a wire 16 which runs perpendicular to a longitudinal axis of the cartridge 11.
  • the protruding element 15 is brush-shaped and has bristles 17.
  • the protruding element 15 influences the field distribution of the electric field.
  • the protruding element 15 tapers to a point, as in FIGS. 5 and 6, there is a strong field elevation at the tip of the protruding element 15 and gas is discharged punctiformly at this point. If the protruding member 15 is elongated as shown in FIG. 7, gas is discharged along the entire length of the protruding member 15.
  • the discharge structures 12 shown in FIGS. 4 to 7 each cause a gas discharge by plasma generation by means of a corona discharge.
  • some of the bristles 17 can be conductive and some of the bristles 17 can be non-conductive. Conductive bristles 17 can also bring about an increase in the field at their tips, so that there are multiple point gas discharges, for example plasma ignitions, at the tips.
  • the conductive bristles can be designed to ignite plasma by means of a corona discharge or by means of a dielectric barrier discharge.
  • Non-conductive bristles 17 can be used to mechanically process a surface, for example to clean it.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment for a high-voltage assembly 2.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 9 is based on the exemplary embodiment shown in FIG. 5, with a feed 18 for a process gas in the high-voltage assembly 2 also being provided.
  • the process gas is conducted in the area of the gas discharge, for example the plasma ignition.
  • the process gas is ionized by the gas discharge.
  • the process gas can be, for example, air or a Act noble gas, e.g. argon.
  • the process gas feed 18 shown in FIG. 9 can be provided in each of the high-voltage assemblies 2 shown in FIGS. 3 to 13.
  • FIGS 10, 11 and 12 show, respectively
  • High-voltage assemblies 2 which are designed to generate gas discharges by plasma ignition by means of a dielectric barrier discharge.
  • the dielectric barrier discharge can be an alternating voltage gas discharge in which at least one of the electrodes is isolated from the gas space by galvanic separation by means of a dielectric.
  • the metallization 14 of the discharge structure 12 is additionally coated by a dielectric layer 19.
  • Plasma is ignited by a dielectric barrier discharge.
  • a counter electrode 20 is additionally provided, which is coated with a dielectric layer 19.
  • FIG. 13 shows a further exemplary embodiment of a high-voltage assembly 2.
  • the piezoelectric transformer 7 is not completely encapsulated in the cartridge 11. Rather, the cartridge 1 has an opening.
  • the piezoelectric transformer 7 is partially surrounded by an insulator 21 which, however, does not cover the output-side end face 22 of the transformer 7.
  • the transformer 7 shown in FIG. 13 is designed to generate plasma by means of a corona discharge. The plasma is ignited at the output end 22 of the transformer 7.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung, aufweisend eine Niederspannungsbaugruppe (1), die einen Ausgangskontakt (8a, 8b) aufweist, wobei die Niederspannungsbaugruppe (1) dazu ausgestaltet ist, eine Niederspannung an dem Ausgangskontakt (8a, 8b) bereitzustellen, eine Hochspannungsbaugruppe (2), die einen Eingangskontakt (10a, 10b) und einen Transformator (7) aufweist, wobei die Niederspannungsbaugruppe (1) und die Hochspannungsbaugruppe (2) durch eine Steckverbindung (9) miteinander verbunden sind, wobei die Steckverbindung (9) einen elektrischen Kontakt zwischen dem Ausgangskontakt (8a, 8b) der Niederspannungsbaugruppe (1) und dem Eingangskontakt (10a, 10b) der Hochspannungsbaugruppe (2) bildet, wobei über den Eingangskontakt (10a, 10b) die an dem Ausgangskontakt (8a, 8b) bereitgestellte Niederspannung an den Transformator (7) angelegt wird, wobei der Transformator (7) dazu ausgestaltet ist, die Niederspannung in eine Hochspannung zu wandeln.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung, beispielsweise eines nichtthermischen Atmosphärendruck-Plasmas.
Die Anforderungen an eine Hochspannungs ersorgung, die in der Lage ist, eine Entladung in einem Gas bei Atmosphärendruck zu zünden, sind hoch.
Die Hochspannungsversorgung ist nicht unerheblichen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die durch die Plasmazündungen selbst sowie durch bei der Plasmazündung entstehende chemische Vorgänge verursacht werden. Die Hochspannungsversorgung sollte robust gegen diese Belastungen sein.
Die Hochspannungsversorgung sollte eine geringe Impedanz aufweisen, um hohe Blindleistungen zu vermeiden. Die in einem solchen System eingesetzten Kabel müssen daher gut isoliert sein und dürfen mechanisch nicht zu stark belastet werden.
Die Anschlusskapazität einer Entladungsstrecke wird erheblich durch die Kabelkapazität erhöht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung anzugeben. Die Vorrichtung sollte vorzugsweise einen kompakten Aufbau aufweisen und robust gegen Umwelteinflüsse und Belastungen durch die Gasentladung sein. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung, beispielsweise eines nichtthermischen Atmosphärendruck- Plasmas, vorgeschlagen, die eine Niederspannungsbaugruppe und eine
Hochspannungsbaugruppe aufweist. Die Niederspannungsbaugruppe weist einen Ausgangskontakt auf, wobei die Niederspannungsbaugruppe dazu ausgestaltet ist, eine Niederspannung an dem Ausgangskontakt bereitzustellen. Die Hochspannungsbaugruppe weist einen Eingangskontakt und einen Transformator auf. Die Niederspannungsbaugruppe und die Hochspannungsbaugruppe sind durch eine Steckverbindung miteinander verbunden sind, wobei die Steckverbindung einen elektrischen Kontakt zwischen dem Ausgangskontakt der Niederspannungsbaugruppe und dem Eingangskontakt der Hochspannungsbaugruppe bildet, wobei über den Eingangskontakt die an dem Ausgangskontakt bereitgestellte Niederspannung an den Transformator angelegt wird, und wobei der Transformator dazu ausgestaltet ist, die Niederspannung in eine Hochspannung zu wandeln.
Die Niederspannungsbaugruppe und die Hochspannungsbaugruppe können dementsprechend baulich in zwei Untereinheiten der Vorrichtung getrennt sein. Dadurch können die Bauelemente, an denen eine Hochspannung anliegen kann, von den übrigen Bauelementen der Vorrichtung separiert werden.
Die Hochspannungsbaugruppe kann dazu ausgestaltet sein, einen besonders guten Schutz gegen Umwelteinflüsse wie Staub oder Feuchtigkeit zu gewährleisten. Die Hochspannungsbaugruppe kann auch eine Abschirmung der in ihr angeordneten Bauelemente, insbesondere des Transformators, bieten. Da in der Niederspannungsbaugruppe keine Hochspannung anliegt, sind die Anforderungen an die Abschirmung und/oder den Schutz gegen Umwelteinflüsse in der
Niederspannungsbaugruppe möglicherweise geringer. Durch die bauliche Trennung der Niederspannungsbaugruppe und der Hochspannungsbaugruppe kann eine Vorrichtung konstruiert werden, bei der nicht die gesamte Vorrichtung die hohen Anforderungen betreffend Umwelteinflüsse erfüllen muss oder bei der nicht die gesamte Vorrichtung abgeschirmt werde muss, sondern bei der es ausreicht, die Hochspannungsbaugruppe besonders gut vor Umwelteinflüssen zu schützen bzw. die Hochspannungsbaugruppe abzuschirmen. Dadurch kann ein kompakter Aufbau der Vorrichtung ermöglicht werden.
Da die Niederspannungsbaugruppe und die
Hochspannungsbaugruppe durch die Steckverbindung miteinander verbunden sind, können die Niederspannungsbaugruppe und die Hochspannungsbaugruppe voneinander durch ein Lösen der Steckverbindung getrennt werden. Dementsprechend kann eine der Baugruppen ausgetauscht werden und die andere Baugruppe weiterverwendet werden. Insbesondere der Transformator kann bei der Gasentladung Belastungen ausgesetzt sein, durch die die Lebensdauer des Transformators begrenzt wird. Bei der Vorrichtung kann die Hochspannungsbaugruppe durch ein Lösen der Steckverbindung getrennt und ausgetauscht werden, so dass die Baugruppe, die die Struktur mit der geringsten Lebensdauer, nämlich die Entladungsstruktur in Einheit mit dem Transformator aufweist, einfach ausgetauscht werden kann.
Als Niederspannungsbaugruppe kann eine Baugruppe bezeichnet werden, in der nur eine Niederspannung vorliegt. Als Niederspannung kann dabei beispielsweise jede Spannung bis 1000 V bezeichnet werden. Als Hochspannungsbaugruppe kann eine Baugruppe bezeichnet werden, die die Bauelemente aufweist, die dazu ausgestaltet sind, die Niederspannung in eine Hochspannung zu wandeln. Als Hochspannung kann beispielsweise ede Spannung größer als 1000 V bezeichnet werden.
Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um ein Handgerät handeln. Das Handgerät kann beispielsweise für einen Einsatz in der Medizintechnik vorgesehen sein. Bei der Vorrichtung kann es sich um ein Modul für den 3D Druck, ein Modul für den Digitaldruck oder ein Modul für Textilbehandlungsanlagen handeln.
Die Niederspannungsbaugruppe kann ein Gehäuse aufweisen und die Hochspannungsbaugruppe kann eine Kartusche aufweisen, in der der Transformator angeordnet ist und die den Eingangskontakt aufweist. Das Gehäuse und die Kartusche können durch die Steckverbindung miteinander verrastet werden oder miteinander verklemmt werden.
Als Kartusche kann ein Behälter bezeichnet werden, der für das Einsetzen in das Gehäuse geeignet ist. Die Kartusche kann verkapselt sein, d.h. verschlossen sein. Alternativ kann die Kartusche eine Öffnung aufweisen.
Die Kartusche kann einen einfachen und robusten Aufbau haben. Ein von der Kartusche eingeschlossenes Volumen kann kleiner sein als ein von dem Gehäuse eingeschlossenes Volumen. Die Kartusche kann durch eine kleine Bauform sichersteilen, dass in der Hochspannungsbaugruppe kurze Kabellängen vorliegen, die eine Impedanz der Hochspannungsbaugruppe nicht wesentlich erhöhen. So kann eine Vorrichtung mit einer geringen Blindleistung konstruiert werden.
Sowohl eine als Rastverbindung ausgestaltete Steckverbindung als auch eine als Klemmverbindung ausgestaltete Steckverbindung kann vor einem versehentlichen Trennen der Verbindung schützen. Die Rastverbindung kann eine Kraftschwelle definieren, wobei zur Trennung der Steckverbindung eine Kraft aufgebracht werden muss, die größer ist als die Kraftschwelle.
Die Hochspannungsbaugruppe kann eine Entladungsstruktur aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, ein elektrisches Feld, das von der am Transformator erzeugten Hochspannung erzeugt wird, zu beeinflussen.
Die Entladungsstruktur kann dazu leitende Strukturen, beispielsweise eine Metallisierung aufweisen, die die Feldführung des vom Transformators erzeugten Felds verändert. Die Metallisierung kann an einer Außenseite der Kartusche angeordnet sein. Die Entladungsstruktur kann an der Kartusche derart angeordnet sein, dass sie nahe an dem Transformator ist. Dadurch kann die Entladungsstruktur mit minimaler Impedanz an den Transformator gekoppelt werden.
Die Entladungsstruktur kann ein vorstehendes Element aufweisen, das an der Außenseite der Kartusche angeordnet ist und das aus einem leitenden Material besteht. Das vorstehende Element kann nadelförmig oder klingenförmig sein. Es kann dementsprechend spitz zulaufend sein und an einer Spitze eine punktförmige Feldüberhöhung bewirken. Dadurch kann eine punktförmige Gasentladung, beispielsweise eine punktförmige Plasmazündung, ausgelöst werden. Alternativ kann das vorstehende Element an seiner Spitze abgerundet sein. Dadurch kann eine Gasentladung, beispielsweise eine Plasmazündung, auf einer kleinen Fläche des vorstehenden Elements ausgelöst werden. Alternativ kann das vorstehende Element an einem von dem Transformator wegweisenden Ende einen Draht aufweist, der senkrecht zu einer Längsrichtung der Kartusche verläuft. Ein derartiges vorstehendes Element kann Gasentladungen, beispielsweise Plasmazündungen, an einer nahezu linienförmigen Struktur auslösen. Es sind dementsprechend unterschiedliche Entladungsstrukturen möglich, die zu Gasentladungen mit unterschiedlichen Formen führen. Abhängig von dem Einsatzzweck der Vorrichtung kann die geeignete Entladungsstruktur ausgewählt werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das vorstehende Element Borsten auf, wobei zumindest einige der Borsten aus einem leitfähigen Material bestehen und/oder zumindest einige der Borsten aus einem isolierenden Material bestehen. Die Borsten aus dem leitfähigen Material können eine punktförmige Gasentladung, beispielsweise eine punktförmige Plasmazündung, bewirken. Die Entladungsstruktur kann somit eine Vielzahl von punktförmigen Gasentladungen gleichzeitig auslösen. Die Borsten aus dem isolierenden Material können eine Oberfläche mechanisch bearbeiten und/oder als Abstandshalter dienen, die verhindern, dass die Borsten aus dem leitfähigen Material in direkten Kontakt mit der Oberfläche kommen.
Die Entladungsstruktur kann mit einem isolierenden Material beschichtet sein, das eine dielektrische Barriere bildet. Dementsprechend können Gasentladungen, beispielsweise Plasmazündungen, durch dielektrische Barriereentladungen bewirkt werden. Der Transformator kann in der Kartusche verkapselt sein.
Dabei kann die Kartusche verschlossen sein. Durch die Verkapselung kann ein guter Schutz gegen Schmutz,
Feuchtigkeit und Korrosion gewährleistet werden. Die Verkapselung kann eine Abschirmung des Transformators vor störenden elektrischen Feldern bewirken. Die Verkapselung in der Kartusche kann unerwünschte Plasmazündungen, beispielsweise an längsseitigen Kanten eines piezoelektrischen Transformators, oder Überschläge zur Hochspannungswicklung eines konventionellen Transformators vermeiden.
Die Kartusche kann dabei so ausgestaltet sein, dass die EntladungsStruktur und die Eingangskontakte Energie mit der Umgebung bzw. der Niederspannungsstruktur austauschen können, und ansonsten die Hochspannungsbaugruppe von der Umgebung isoliert ist.
Die Kartusche kann eine Öffnung, beispielsweise eine Plasmaaustrittsöffnung, aufweisen. Für einige Anwendungen der Vorrichtung kann es vorteilhaft sein, wenn die Gasentladung unmittelbar an einer Stirnseite des Transformators erzeugt wird und aus der Öffnung heraustreten kann.
Die Hochspannungsbaugruppe kann von der
Niederspannungsbaugruppe trennbar sein. Wie oben bereits diskutiert, kann dadurch ein Austausch einer defekten Hochspannungsbaugruppe ermöglicht werden. Ferner kann eine Hochspannungsbaugruppe durch eine andere Hochspannungsbaugruppe ersetzt werden, die eine andere EntladungsStruktur aufweist. Dadurch können mit einer einzigen Niederspannungsbaugruppe Gasentladungen in unterschiedlicher Form bewirkt werden. Die Niederspannungsbaugruppe kann einen Treiberbaustein zur Ansteuerung des Transformators aufweisen.
Der Transformator kann ein piezoelektrischer Transformator sein. Ein piezoelektrischer Transformator weist eine kompakte Bauform auf und kann dadurch eine Konstruktion einer kleinen und kompakten Kartusche ermöglichen. Der piezoelektrische Transformator kann ein Transformator vom Rosen-Typ sein.
Die Hochspannungsbaugruppe kann eine Gaszuführung aufweisen, über die ein Prozessgas zugeführt werden kann. Bei dem Prozessgas kann es sich beispielsweise um Luft oder um ein Edelgas, z.B. Argon, handeln. Das Prozessgas kann durch die Gaszuführung in unmittelbare Nähe des Orts der Gasentladung, beispielsweise der Plasmazündung geleitet, werden. Das Prozessgas kann bei der Gasentladung ionisiert werden.
Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Plasmagenerator, einen Ionisator, einen Ozongenerator und/oder eine Gasentladungsstruktur handeln.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Anordnung, die die oben beschriebene Vorrichtung und eine weitere
Hochspannungsbaugruppe aufweist. Die Niederspannungsbaugruppe der Vorrichtung ist dabei dazu ausgestaltet, mit einer der Hochspannungsbaugruppe der Vorrichtung und die weitere Hochspannungsbaugruppe austauschbar verbunden zu werden. Die beiden Hochspannungsbaugruppen können sich in ihrer Entladungsstruktur voneinander unterscheiden. Dementsprechend können die beiden Hochspannungsbaugruppen dazu ausgestaltet sein, Gasentladungen in unterschiedlichen Formen zu bewirken, z.B. punktförmig oder flächig. Alternativ oder ergänzend können die beiden Hochspannungsbaugruppen dazu ausgestaltet sein, Gasentladungen, beispielsweise Plasmazündungen, auf unterschiedliche Art auszulösen, z.B. durch Koronaentladung oder dielektrische Barriereentladung. Die Vorrichtung ist somit variabel einsetzbar, da eine einzige Niederspannungsbaugruppe durch die Möglichkeit der Kombination mit verschiedenen Hochspannungsbaugruppen dazu eingesetzt werden kann, Gasentladungen, beispielsweise Plasmazündungen, in verschiedenen Formen und auf verschiedene Arten zu bewirken. Die Hochspannungsbaugruppen können in einem Set vorliegen, das mehrere voneinander verschiedene Kartuschen aufweist. Ein solches Set kann zusammen mit der Niederspannungsbaugruppe als multifunktionales Kit angeboten werden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in Figur 1 schematisch gezeigten Vorrichtung.
In den Figuren 3 bis 13 sind verschiedene Hochspannungsbaugruppen 2 jeweils schematisch in einem Querschnitt gezeigt.
Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung. Die Vorrichtung weist eine Niederspannungsbaugruppe 1 und eine Hochspannungsbaugruppe 2 auf. In der Niederspannungsbaugruppe 1 liegt lediglich eine Niederspannung vor. Die Niederspannungsbaugruppe 1 weist ein Gehäuse 3 auf. In dem Gehäuse 3 können sämtliche Elemente der Niederspannungsbaugruppe angeordnet sein. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Niederspannungsbaugruppe 1 einen Anschluss 4 für eine Netz ersorgung 5 auf. Über den Anschluss 4 ist die Niederspannungsbaugruppe 1 mit der Netzversorgung 5 verbunden. Der Anschluss 4 für die Netzversorgung 5 ist in dem Gehäuse 3 ausgebildet. Alternativ kann die
Niederspannungsbaugruppe 1 auch eine Batterie oder einen Akku aufweisen, die als Spannungsquelle verwendet werden. Dabei können der Akku oder die Batterie in dem Gehäuse 3 angeordnet sein.
In dem Gehäuse 3 ist ein Treiberbaustein 6 angeordnet. Bei dem Treiberbaustein 6 kann es sich beispielsweise um einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) oder um eine Leiterplatte, auf der eine Ansteuerschaltung ausgebildet ist, handeln. Der Treiberbaustein 6 ist dazu ausgestaltet, einen Transformator 7 in der Hochspannungsbaugruppe anzusteuern.
Die Ansteuerung kann dabei eine Resonanzregelung, eine Phasenregelung, eine Amplitudenregelung, eine Leistungsregelung, ein Pulsweitenmodulation oder einen Pulsbetrieb aufweisen. Ebenso ist es möglich, über die bei der EntladungsZündung entstehenden hochfrequenten Signalanteile den Betriebszustand auf der Hochspannungsseite zu überwachen.
Die Niederspannungsbaugruppe 1 weist ferner zwei Ausgangskontakte 8a, 8b auf. An den Ausgangskontakten 8a, 8b kann eine Niederspannung bereitgestellt werden. Insbesondere sind die Ausgangskontakte 8a, 8b über den Treiberbaustein 6 mit der Netzversorgung 5 verbunden. Der Treiberbaustein 6 kann dabei die von der Netzversorgung 5 bereitgestellte Spannung an die Ausgangskontakte 8a, 8b weiterleiten.
Das Gehäuse 3 der Niederspannungsbaugruppe 11 weist eine in Figur 1 schematisch angedeutete Steckverbindung 9 auf. Die Steckverbindung 9 ermöglicht es, die Niederspannungsbaugruppe 1 mechanisch mit der Hochspannungsbaugruppe 2 zu verbinden. Bei dem Schließen der Steckverbindung 9 wird ein elektrischer Kontakt zwischen den Ausgangskontakten 8a, 8b der Niederspannungsbaugruppe 1 und Eingangskontakten 10a, 10b der Hochspannungsbaugruppe 2 geschlossen. Die an den Ausgangskontakten 8a, 8b der Niederspannungsbaugruppe 1 bereitgestellte Spannung kann bei geschlossener Steckverbindung 9 auf die Hochspannungsbaugruppe 2 übertragen werden.
Die Steckverbindung 9 kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass die Niederspannungsbaugruppe 1 und die
Hochspannungsbaugruppe 2 miteinander verrasten. Alternativ können die Niederspannungsbaugruppe 1 und die
Hochspannungsbaugruppe 2 bei geschlossener Steckverbindung 9 miteinander verklemmt sein. Die Steckverbindung 9 ist derart ausgestaltet, dass die Hochspannungsbaugruppe 2 unmittelbar an dem Gehäuse 3 der Niederspannungsbaugruppe 1 anliegt, wenn die Steckverbindung 9 geschlossen ist.
Bei dem in Figur 1 schematisch gezeigten Ausführungsbeispiel bildet das Gehäuse 3 der Niederspannungsbaugruppe 1 einen weiblichen Verbindungspartner der Steckverbindung 9 und die Hochspannungsbaugruppe 2 bildet einen männlichen Verbindungspartner der Steckverbindung 9. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann die Niederspannungsbaugruppe 1 den männlichen Verbindungspartner der Steckverbindung 9 bilden und die Hochspannungsbaugruppe 2 kann den weiblichen Verbindungspartner der Steckverbindung 9bilden.
Die Steckverbindung 9 ist derart ausgestaltet, dass eine Kraftschwelle überwunden werden muss, um die Steckverbindung zu öffnen. Dadurch kann ein versehentliches Trennen der Steckverbindung 9 vermieden werden. Alternativ oder ergänzend kann die Steckverbindung 9 so ausgestaltet sein, dass eine definierte Bewegung der Verbindungspartner ausgeführt werden muss. Die Steckverbindung 9 kann beispielsweise als Bajonettverbindung ausgestaltet sein. Dabei kann die Hochspannungsbaugruppe 2 nur von der Niederspannungsbaugruppe
1 getrennt werden, wenn eine Drehbewegung der
Hochspannungsbaugruppe 2, bei der die Hochspannungsbaugruppe
2 relativ zur Niederspannungsbaugruppe 1 rotiert wird, gefolgt von einer Ziehbewegung, bei der die
Hochspannungsbaugruppe 2 linear zur Niederspannungsbaugruppe 1 bewegt wird, ausgeführt werden.
Die Hochspannungsbaugruppe 2 weist die bereits genannten Eingangskontakte 10a, 10b auf. Ferner weist die Hochspannungsbaugruppe 2 den Transformator 7 auf. Die Eingangskontakte 10a, 10b sind mit dem Transformator 7 verbunden. Der Transformator 7 ist dazu ausgestaltet, eine an ihn angelegte Niederspannung in eine Hochspannung zu wandeln. Die von dem Transformator 7 erzeugte Hochspannung wird zur Gasentladung, beispielsweise zur Plasmaerzeugung, genutzt.
Bei dem Transformator 7 kann es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen Transformator handeln. Die Hochspannungsbaugruppe kann eine Kartusche 11 aufweisen. In der Kartusche 11 ist der Transformator 7 angeordnet. Die Kartusche 11 weist die Eingangskontakte 10a, 10b auf. Dabei sind die Eingangskontakte 10a, 10b an einer Außenseite der Kartusche 11 angeordnet. Die Kartusche 11 ist dazu ausgebildet, in die Niederspannungsbaugruppe 1 eingesteckt zu werden.
Die Kartusche 11 weist ferner eine Entladungsstruktur 12 auf. Wird eine Hochspannung an dem piezoelektrischen Transformator 7 erzeugt, beeinflusst die Entladungsstruktur 12 das entstehende elektrische Feld und auf diese Weise wird die Form einer erzeugten Gasentladung bzw. Plasmaentladung im Vorhinein festgelegt. Verschiedene Entladungsstrukturen 12 werden später anhand der Figuren 3 bis 13 diskutiert. Je nach verwendeter Entladungsstruktur 12 kann die
Hochspannungsbaugruppe 2 dazu ausgestaltet sein, Plasma durch eine dielektrische Barriereentladung oder durch eine Koronaentladung zu zünden. Die Entladungsstruktur 12 ist an dem Ende der Kartusche 11 angeordnet, das von den Eingangskontakten 10a, 10b weg weist.
Die Steckverbindung 9 kann derart ausgebildet sein, dass ein Einstecken der Hochspannungsbaugruppe 2 in die Niederspannungsbaugruppe 1 nur in eine Orientierung möglich ist. Alternativ kann ein Einstecken in beide Orientierungen möglich sein. Dementsprechend kann beispielsweise der Ausgangskontakt 8a mit jedem der beiden Eingangskontakten 10a, 10b verbunden werden.
Die Steckverbindung 9 ermöglicht einen definierten Zustand festzulegen, in dem die Niederspannungsbaugruppe 1 und die Hochspannungsbaugruppe 2 fest verbunden sind und nur durch Aufbringen einer Kraft voneinander getrennt werden können, die größer ist als die definierte Kraftschwelle, sodass eine unbeabsichtigte Trennung der beiden Baugruppen 1, 2 vermieden werden kann. Die Steckverbindung 9 kann ferner eine elektrisch sichere Verbindung zwischen den beiden Baugruppen 1, 2 hersteilen.
Der Transformator 7 ist in der Hochspannungsbaugruppe 2 in der Kartusche 11 gekapselt. Dadurch ist der Transformator 7 gegen Staub, Feuchte und Korrosion geschützt. Ferner bietet die Kartusche 11 eine Abschirmung der hochspannungsführenden Bauteile, insbesondere des Transformators 7. Dadurch können unerwünschte parasitäre Entladungen vermieden werden.
Die Hochspannungsbaugruppe 2 kann von der Niederspannungsbaugruppe 1 durch ein Lösen der Steckverbindung 9 getrennt werden. Je nach Ausbildung der Steckverbindung 9 ist dazu eine Kraftschwelle zu überwinden oder eine definierte Bewegung, beispielsweise eine verbundene Dreh- und Ziehbewegung, erforderlich. Die Hochspannungsbaugruppe 2 kann dann durch eine andere Hochspannungsbaugruppe ersetzt werden, die mit der Niederspannungsbaugruppe 1 verbunden wird. Die andere Hochspannungsbaugruppe kann sich von der ersten Hochspannungsbaugruppe 2 beispielsweise durch die Entladungsstruktur 12 unterscheiden. Dementsprechend kann eine einzige Niederspannungsbaugruppe 1 verwendet werden, um unterschiedliche Arten von Gasentladungen zu erzeugen, indem jeweils andere Hochspannungsbaugruppen 2 mit unterschiedlichen Entladungsstrukturen 12 mit der Niederspannungsbaugruppe 1 verbunden werden. Der piezoelektrische Transformator 7 ist ein mechanisch schwingendes Bauteil und sollte daher von der Umgebung z.B. durch elastische Lagerung entkoppelt sein. Dies kann vorzugsweise durch elastischen Verguss gelöst werden. Vorzugsweise ist der Transformator in Einheit mit der Entladungsstruktur vergossen.. Durch eine austauschbare Hochspannungsbaugruppe 2 kann der Transformator 7 in einfacher Weise ersetzt werden. Das Austauschen der Hochspannungsbaugruppe 2 ermöglicht es somit, die Niederspannungsbaugruppe 1 weiter zu verwenden.
Die Anordnung des Transformators 7 in der Kartusche 11 ermöglicht eine kompakte Bauform der Hochspannungsbaugruppe 1. Es wird ein einfacher Aufbau konstruiert. Die Kartusche 11 ist robust gegen Beschädigungen und Störeinflüsse wie Staub, Feuchtigkeit usw. Die Hochspannungsbaugruppe 2 und die Niederspannungsbaugruppe 1 bilden jeweils funktionale und mechanisch fest integrierte Untereinheiten der Vorrichtung.
Der kompakte Aufbau der Hochspannungsbaugruppe 2 in einer Kartusche 11 ermöglicht es, Kabellängen auf ein Minimum zu begrenzen. Durch die sehr kurzen verwendeten Kabel kann eine Impedanz minimiert werden. Der kompakte Aufbau der Hochspannungsbaugruppe 2 ermöglicht es ferner, die Entladungsstruktur 12 in unmittelbarer Nähe des piezoelektrischen Transformators 7 anzuordnen und unter Umständen so auf die Verbindungskabel auf der Hochspannungsseite vollständig zu verzichten.
Figur 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der in Figur 1 schematisch gezeigten Vorrichtung. Bei dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Handgerät. Die Hochspannungsbaugruppe 2 ist als Kartusche 11 ausgestaltet. In der Kartusche 11 ist der piezoelektrische Transformator 7 angeordnet. Die Kartusche 11 weist die in Figur 3 gezeigte Entladungsstruktur 12 auf. Die Kartusche 11 ist in die Niederspannungsbaugruppe 1 eingesteckt. Dabei wird der Eingangskontakt 10a, 10b der Kartusche 11 mit dem Ausgangskontakt 8a, 8b der Niederspannungsbaugruppe 1 elektrisch verbunden.
Die in dem in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verwendete Niederspannungsbaugruppe 1 ist ein Handgerät. Das Handgerät weist einen Griff 13 auf, an dem der Nutzer das Handgerät bei Benutzung der Vorrichtung halten kann. Der Griff 13 ist an dem Ende der Vorrichtung angeordnet, das von der Hochspannungsbaugruppe 2 weg weist. In dem Griff 13 kann eine Batterie oder ein Akku als Spannungsversorgung angeordnet sein. Alternativ kann in dem Griff 13 ein Anschluss zur Verbindung mit einem Netz vorgesehen sein. Die Niederspannungsbaugruppe 1 weist ferner einen Bildschirm und Kontrollelemente auf, die in Figur 3 nicht gezeigt sind. Bei den Kontrollelementen kann es sich beispielsweise um Knöpfe handeln. Alternativ oder ergänzend kann es sich bei dem Bildschirm um einen berührungsempfindlichen Bildschirm handeln, über den ein Nutzer Steuerbefehle eingeben kann.
In den Figuren 3 bis 13 sind verschiedene Hochspannungsbaugruppen 2 jeweils schematisch in einem Querschnitt gezeigt. Die Hochspannungsbaugruppen 2 unterscheiden sich dabei in der jeweiligen Entladungsstruktur 12. Dementsprechend führt jede der in den Figuren 3 bis 13 gezeigten Hochspannungsbaugruppen 2 zu unterschiedlichen Gasentladungen, beispielsweise zu unterschiedlichen Plasmaentladungen. Jede der in den Figuren 3 bis 14 gezeigten Hochspannungsbaugruppen 2 weist einen piezoelektrischen Transformator 7 als Transformator 7 auf. Jede der in den Figuren 3 bis 13 gezeigten Hochspannungsbaugruppen 2 weist identische Eingangskontakte 10a, 10b auf, die durch die Steckverbindung 9 mit den Ausgangskontakten der Niederspannungsbaugruppe 1 verbunden sind. Dementsprechend ist jede der in den Figuren 3 bis 13 gezeigten Hochspannungsbaugruppen 2 mit der gleichen Niederspannungsbaugruppe 1 kompatibel.
Figur 3 zeigt eine Hochspannungsbaugruppe 2 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in schematischer Ansicht. Die Eingangskontakte 10a, 10b und der piezoelektrische Transformator 7 sind durch kurze elektrische Leitungen miteinander verbunden.
Der piezoelektrische Transformator 7 ist in der Kartusche 11 verkapselt. Die Kartusche 11 ist dementsprechend luftdicht verschlossen. An der Hülle der Kartusche 11 ist eine Entladungsstruktur 12 angebracht. Die Entladungsstruktur 12 besteht aus einer Metallisierung 14, die auf einer Außenseite der Hülle aufgebracht ist. Der piezoelektrische Transformator 7 erzeugt ein starkes elektrisches Feld, wenn er eine Hochspannung erzeugt. Die Metallisierung 14 der Entladungsstruktur 12 verändert den Feldverlauf dieses elektrischen Feldes. Dadurch kann die Art einer von der Vorrichtung erzeugten Plasmawolke beeinflusst werden.
In dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft die Entladungsstruktur 12 halbkreisförmig um einen Ausgangsbereich und eine ausgangsseitige Stirnseite des piezoelektrischen Transformators 7. Die in Figur 3 gezeigte Entladungsstruktur 12 bewirkt eine Gasentladung durch Plasmaerzeugung mittels Koronaentladung. Koronaentladungen können in gasförmigen oder in flüssigen Medien als Folge von Feldionisation entstehen, wenn eine elektrische Feldstärke hoch genug ist.
Figur 4 zeigt eine zweite Hochspannungsbaugruppe 2, die sich von der in Figur 1 gezeigten Hochspannungsbaugruppe 2 durch eine andere Entladungsstruktur 12 unterscheidet. Die in Figur 4 gezeigte Entladungsstruktur 12 weist eine Metallisierung 14 auf, die an dem ausgangsseitigen Ende der
Hochspannungsbaugruppe 2 abgeflacht ist. Es wird durch diese Entladungsstruktur 12 eine andere Plasmawolke generiert. Die in Figur 4 gezeigte Entladungsstruktur 12 bewirkt ebenfalls eine Plasmaerzeugung mittels Koronaentladung.
Die Figuren 5, 6, 7 und 8 zeigen jeweils
Hochspannungsbaugruppen 2, bei denen eine Entladungsstruktur 12 eine Metallisierung 14 der Hülle der Kartusche 11 aufweist. Die Entladungsstrukturen 12 weisen ferner ein von der Kartusche 11 vorstehendes Element 15 auf. Das vorstehende Element 15 weist ein leitendes Material, beispielsweise ein Metall, auf. Bei der in Figur 5 gezeigten Struktur ist das vorstehende Element 15 nadelförmig. Bei der in Figur 6 gezeigten Entladungsstruktur 12 ist das vorstehende Element 15 klingenförmig. Bei der in Figur 7 gezeigten Entladungsstruktur 12 weist das vorstehende Element 15 einen Draht 16 auf, der senkrecht zu einer Längsachse der Kartusche 11 verläuft. Bei der in Figur 8 gezeigten Struktur ist das vorstehende Element 15 bürstenförmig und weist Borsten 17 auf. Das vorstehende Element 15 beeinflusst die Feldverteilung des elektrischen Feldes. Ist das vorstehende Element 15 spitz zulaufend, wie in Figur 5 und 6, kommt es an der Spitze des vorstehenden Elementes 15 zu einer starken Feldüberhöhung und Gas wird punktförmig an dieser Stelle entladen. Ist das hervorstehende Element 15, wie in Figur 7 gezeigt, länglich, wird Gas entlang der gesamten Länge des vorstehenden Elementes 15 entladen. Die in Figur 4 bis 7 gezeigten Entladungsstrukturen 12 bewirken jeweils eine Gasentladung durch Plasmaerzeugung mittels Koronaentladung.
Bei dem in Figur 8 gezeigten bürstenförmigen vorstehenden Element 15 können einige der Borsten 17 leitfähig sein und einige der Borsten 17 nicht leitfähig sein. Leitfähige Borsten 17 können an ihrer Spitze ebenfalls eine Feldüberhöhung herbeiführen, sodass es mehrfach zu punktförmigen Gasentladungen, beispielsweise Plasmazündungen, an den Spitzen kommt. Die leitfähigen Borsten können dazu ausgestaltet sein, Plasma durch eine Koronaentladung oder durch eine dielektrische Barriereentladung zu zünden. Nicht leitfähige Borsten 17 können dazu verwendet werden, eine Oberfläche mechanisch zu bearbeiten, beispielsweise zu reinigen.
Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Hochspannungsbaugruppe 2. Das in Figur 9 gezeigte Ausführungsbeispiel basiert auf dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel, wobei ferner eine Zuführung 18 für ein Prozessgas in der Hochspannungsbaugruppe 2 vorgesehen ist.
Das Prozessgas wird dabei in dem Bereich der Gasentladung, beispielsweise der Plasmazündungen, geleitet. Durch die Gasentladung wird das Prozessgas ionisiert. Bei dem Prozessgas kann es sich beispielsweise um Luft oder ein Edelgas, z.B. Argon, handeln. Die in Figur 9 gezeigte Prozessgaszuführung 18 kann bei jeder der in den Figuren 3 bis 13 gezeigten Hochspannungsbaugruppen 2 vorgesehen werden.
Die Figuren 10, 11 und 12 zeigen jeweils
Hochspannungsbaugruppen 2, die dazu ausgestaltet sind, Gasentladungen durch eine Plasmazündung durch eine dielektrische Barriereentladung zu erzeugen. Bei der dielektrischen Barriereentladung kann es sich um eine Wechselspannungs-Gasentladung handeln, bei der mindestens eine der Elektroden vom Gasraum durch eine galvanische Trennung mittels eines Dielektrikums isoliert ist.
In Figur 10 und in Figur 11 ist die Metallisierung 14 der Entladungsstruktur 12 zusätzlich durch eine dielektrische Schicht 19 beschichtet. Plasma wird durch eine dielektrische Barriereentladung gezündet. Bei dem in Figur 12 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich eine Gegenelektrode 20 vorgesehen, die mit einer dielektrischen Schicht 19 beschichtet ist.
Figur 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hochspannungsbaugruppe 2. Bei dem in Figur 13 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der piezoelektrische Transformator 7 in der Kartusche 11 nicht vollkommen verkapselt. Die Kartusche 1 weist vielmehr eine Öffnung auf. Der piezoelektrische Transformator 7 ist teilweise von einem Isolator 21 umgeben, der jedoch die ausgangsseitige Stirnseite 22 des Transformators 7 nicht bedeckt. Der in Figur 13 gezeigte Transformator 7 ist dazu ausgestaltet, Plasma durch eine Koronaentladung zu erzeugen. Das Plasma wird an der ausgangsseitigen Stirnseite 22 des Transformators 7 gezündet. Bezugszeichenliste
1 Niederspannungsbaugruppe
2 Hochspannungsbaugruppe
3 Gehäuse
4 Anschluss für eine Netzversorgung
5 Netzversorgung
6 Treiberbaustein
7 Transformator
8a Ausgangskontakt
8b Ausgangskontakt
9 Steckverbindung
10a Eingangskontakt
10b Eingangskontakt
11 Kartusche
12 Entladungsstruktur
13 Griff
14 Metallisierung
15 vorstehendes Element
16 Draht
17 Borste
18 Zuführung für ein Prozessgas
19 dielektrische Schicht
20 Gegenelektrode
21 Isolator
22 ausgangsseitige Stirnseite

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung einer Gasentladung, aufweisend eine Niederspannungsbaugruppe (1), die einen Ausgangskontakt (8a, 8b) aufweist, wobei die
Niederspannungsbaugruppe (1) dazu ausgestaltet ist, eine Niederspannung an dem Ausgangskontakt (8a, 8b) bereitzustellen, eine Hochspannungsbaugruppe (2), die einen
Eingangskontakt (10a, 10b) und einen Transformator (7) aufweist, wobei die Niederspannungsbaugruppe (1) und die Hochspannungsbaugruppe (2) durch eine Steckverbindung (9) miteinander verbunden sind, wobei die Steckverbindung (9) einen elektrischen Kontakt zwischen dem Ausgangskontakt (8a, 8b) der Niederspannungsbaugruppe (1) und dem Eingangskontakt (10a, 10b) der Hochspannungsbaugruppe (2) bildet, wobei über den Eingangskontakt (10a, 10b) die an dem Ausgangskontakt (8a, 8b) bereitgesteilte Niederspannung an den Transformator (7) angelegt wird, wobei der Transformator (7) dazu ausgestaltet ist, die Niederspannung in eine Hochspannung zu wandeln.
2. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Niederspannungsbaugruppe (1) ein Gehäuse (3) aufweist und die Hochspannungsbaugruppe (2) eine Kartusche (11) aufweist, in der der Transformator (7) angeordnet ist und die den Eingangskontakt (10a, 10b) aufweist, wobei das Gehäuse (3) und die Kartusche (11) durch die Steckverbindung (9) miteinander verrastet werden oder wobei das Gehäuse (3) und die Kartusche (11) durch die Steckverbindung (9) miteinander verklemmt werden.
3. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hochspannungsbaugruppe (2) eine EntladungsStruktur (12) aufweist, die dazu ausgestaltet ist, ein elektrisches Feld, das von der am Transformator (7) erzeugten Hochspannung erzeugt wird, zu beeinflussen.
4. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 2 und 3, wobei die Entladungsstruktur (12) eine Metallisierung (14) einer Außenseite der Kartusche (11) aufweist.
5. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei die Entladungsstruktur (12) ein vorstehendes Element (15) aufweist, das an der Außenseite der Kartusche (11) angeordnet ist und das aus einem leitenden Material besteht.
6. Vorrichtung gemäß dem vorherigen Anspruch, wobei das vorstehende Element (15) nadelförmig, klingenförmig oder an seiner Spitze abgerundet ist oder wobei das vorstehende Element (15) an einem von dem Transformator (7) wegweisenden Ende einen Draht (16) aufweist, der senkrecht zu einer Längsrichtung der Kartusche (11) verläuft, oder wobei das vorstehende Element (15) Borsten (17) aufweist, wobei zumindest einige der Borsten (17) aus einem leitfähigen Material bestehen und/oder zumindest einige der Borsten (17) aus einem isolierenden Material bestehen.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Entladungsstruktur (12) mit einem isolierenden Material (19) beschichtet ist, das eine dielektrische Barriere bildet.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei der Transformator (7) in der Kartusche (11) verkapselt ist.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Kartusche (11) eine Öffnung aufweist.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hochspannungsbaugruppe (2) von der Niederspannungsbaugruppe (1) trennbar ist.
11. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Niederspannungsbaugruppe (1) einen Treiberbaustein (6) zur Ansteuerung des Transformators (7)aufweist.
12. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Transformator (7) ein piezoelektrischer Transformator (7) ist.
13. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hochspannungsbaugruppe (2) eine Gaszuführung (18) aufweist, über die ein Prozessgas zugeführt werden kann.
14. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei der Vorrichtung um einen Plasmagenerator, einen Ionisator, einen Ozongenerator und/oder eine Gasentladungsstruktur handelt.
15. Anordnung aufweisend eine Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche und eine weitere Hochspannungsbaugruppe (2), wobei die Niederspannungsbaugruppe (1) der Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, mit einer der Hochspannungsbaugruppe (2) der Vorrichtung und die weitere Hochspannungsbaugruppe (2) austauschbar verbunden zu werden.
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