DE102008018827B4

DE102008018827B4 - Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas

Info

Publication number: DE102008018827B4
Application number: DE102008018827A
Authority: DE
Inventors: Michael Bisges
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: DE102008018827A1; WO2009127297A1; EP2269425A1; ES2636846T3; EP2269425B1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas,
wobei in einem elektrisch nichtleitenden Gehäuse eine sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckende Kathode angeordnet ist,
wobei als Kathode ein Piezoelement (Piezotransformator) mit einem Primärbereich und mindestens einem senkrecht dazu polarisierten Sekundärbereich vorgesehen ist,
wobei am Primärbereich voneinander beabstandete Elektroden vorgesehen sind, zwischen denen eine Wechselspannung anlegbar ist,
wobei eine als Anode wirkende Gegenelektrode vorgesehen ist und wobei die als Gegenelektrode wirkende Anode auf Erdpotential liegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Gehäuse (21) eine Austrittsöffnung (17) aufweist,
dass im Bereich der Austrittsöffnung (17) die als Anode wirkende Gegenelektrode (15) angeordnet ist, derart, dass zwischen Sekundärbereich (3, 8) und Gegenelektrode (15) eine Atmosphärendruck – Bogenentladung (14) erzeugbar ist,
und dass das Gehäuse (21) an der der Austrittsöffnung (17) abgewandten Seite eine Gaseintrittsöffnung (24) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas. Eine solche Vorrichtung ist aus der EP 0 761 415 A2 bereits bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird durch eine Plasmaentladung und ein Arbeitsgas ein gebündelter Strahl eines reaktiven Mediums erzeugt. Die elektrische Entladung findet in Form einer Bogenentladung statt, die mit Hilfe einer Hochfrequenz-Wechselspannung betrieben wird. Dabei erstreckt sich ein Lichtbogen direkt zwischen den beiden Elektroden der Vorrichtung: Einer in einem Düsenrohr angeordneten zentrischen Stiftelektrode einerseits und der als Gegenelektrode wirkenden Mündung des Düsenrohrs andererseits.
Diese bekannte Vorrichtung weist eine Reihe von Nachteilen auf. Zunächst einmal wird eine hohe Zündspannung von mehreren kV benötigt; die Betriebsspannung bewegt sich ebenfalls im kV-Bereich. Die in der Folge entstehende Bogenentladung – ein direkter Lichtbogen also – führt zu einer hohen Wärmeentwicklung und einem Absputtern der Elektroden. Weitere Nachteile sind die hohen Kosten und die Baugröße dieser Vorrichtung.
Aus der US 6 294 881 B1 ist eine geschlossene und unter Niederdruck stehende Entladungsröhre bekannt. Im Inneren der Entladungsröhre wird hierfür ein Plasma mittels einem als Kathode ausgebildeten Piezoelement und einer als Anode wirkenden Gegenelektrode erzeugt. Durch die gegenüberliegende Anordnung von Anode und Kathode bildet sich in diesem Zwischenraum der Entladungslampe ein effizientes Leuchten aus.
Die Gegenelektrode der US 6 294 881 B1 hat dabei nur und ausschließlich die Funktion, im Inneren der Entladungsröhre ein homogenes Feld für ein möglichst homogenes Leuchten zu erzeugen. Indem die Aktivierungsenergie des erzeugten Plasmas weit unterhalb des Niveaus eines Plasmas nach Art einer atmosphärischen Bogenentladung liegt, ist diese Vorrichtung für eine nachweisbare Oberflächenbeeinflussung von Bauteilen ungeeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas anzugeben, die diese Nachteile nicht aufweist und insbesondere auch mit Niederspannung betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Die allgemeine Idee der Erfindung besteht darin, zur Erzeugung des Plasmas ein Piezoelement mit Primär- und Sekundärbereich zu verwenden. Dabei erfolgt die Ansteuerung des Primärbereichs des Piezoelementes mit Niederspannung und Hochfrequenz. In der Folge wird das Plasma durch die Feldüberhöhung auf der Fläche des Sekundärbereichs des Piezoelements gezündet. Erfindungsgemäß erfolgt die Plasmaführung durch Gegenelektrode und eine Gasströmung. Durch die Gasströmung tritt das Plasma aus der Vorrichtung aus.
Ein Piezoelement zur Erzeugung eines Plasmas ist bereits aus der Veröffentlichung Teranishi, Suzuki, Itoh: A novel generation method of dielectric barrier discharge and ozone production using a piezoelectric transformer, Japanese Journal of Applied Physics, 2004, S. 6733–6739, bekannt.
Eine weitere Anordnung, auch als Piezotransformator bezeichnet, mit einem solchen Piezoelement mit einem Primär- und einem Sekundärbereich, dort als Anregungszone und Hochspannungszone bezeichnet, ist aus der DE 10 2005 032 890 A1 und der dazugehörigen Nachanmeldung WO 2007/006298 A2 bekannt.
Bei beiden Veröffentlichungen dient das Piezoelement dazu, eine Plasmaentladung an der Oberfläche des Sekundärbereiches zu erzeugen. Bei der Erfindung hingegen ist eine Gegenelektrode vorgesehen; damit wird erfindungsgemäß eine Bogenentladung erzeugt und gerade nicht, wie nach dem Stand der Technik, ein flächiges Plasma auf der Oberfläche des Sekundärbereichs des Piezoelementes.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist im Gegensatz zur eingangs genannten EP 0 761 415 A2 die Kathode nicht als passives Element ausgelegt, sondern transformiert aktiv eine angelegte Niederspannung in eine Hochspannung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Lösungen auf. Zunächst einmal benötigt sie eine nur niedrige Betriebsspannung im Bereich von vorzugsweise 5...230 V. Ferner ist sie durch eine niedrige Plasmatemperatur gekennzeichnet; ein Absputtern und ein Abbrand der Kathode sind damit nahezu ausgeschlossen. Schließlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung preisgünstig herstellbar, da keine Hochspannungsquelle mehr erforderlich ist und weist zudem eine nur geringe Baugröße auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und ihre wichtigen Bestandteile sollen nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
1a) bis 1d) verschiedene Ausführungsformen eines Piezoelemente,
2 eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung,
3 eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung,
4 eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung mit kaskadierender Mehrfachanordnung,
5a) und 5b) Detaildarstellung der in 4 gezeigten Ausführungsform.
In 1a) und 1b) ist ein stabförmiges Piezoelement 1 mit einer Kontaktelektrode 2 und einer weiteren Kontaktelektrode 4 auf der Rückseite des Primärbereichs und einem daran anschließenden Sekundärbereich 3 gezeigt.
In 1c) und 1d) ist ein rohrförmiges Piezoelement 5 mit einer Innenelektrode 6 und einer Außenelektrode 7 im Primärbereich sowie einem Sekundärbereich 8 gezeigt.
2 zeigt eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung 10. Das als Kathode wirkende Piezoelement weist an seiner Primärseite, wie bereits beschrieben, eine Kontaktelektrode 11 und auf der Rückseite, der abgewandten Seite also, eine weitere Kontaktelektrode 12 auf, die in dieser Darstellung nicht zu sehen ist. Ebenfalls dargestellt ist der Sekundärbereich 13 des Piezoelementes, in dem sich auf an sich bekannte Weise eine Flächenentladung bildet. Dazu wird das Piezoelement über die Kontaktelektroden 11, 12 mit einer Niederspannungsquelle 22 verbunden. Diese Niederspannungsquelle 22 liefert eine hochfrequente Niederspannung im Bereich von vorzugsweise 5...200 V. Durch die angelegte Niederspannung im Primärbereich des Piezoelementes wird in dessen Sekundärbereich 13 eine Hochspannung erzeugt; in der Folge bildet sich die beschriebene Flächenentladung auf der Oberfläche der Sekundärseite 13. Weiterhin gezeigt ist die sich ergebende Plasmaentladung 14. Zwischen dem Sekundärbereich 13, der als Elektrode wirkt, und der Gegenelektrode 15, die auf Erdpotential 19 liegt, bildet sich eine Bogenentladung aus. Weiterhin besitzt die Vorrichtung eine Austrittsdüse 16 mit einer Austrittsöffnung 17, durch die der Plasmaaustritt 18 erfolgt. An der entgegengesetzten Seite des Plasmaaustritts 18 befindet sich eine Zuführung 24 für das Arbeitsgas, dabei ist die Gasströmung 25 durch den Pfeil angedeutet. Ebenfalls dargestellt ist die Zuleitung 23 von der Niederspannungsquelle 22 zum Piezoelement.
Durch den Gasstrom 25, der über die Zuführung 24 in die Vorrichtung geleitet wird, wird das Plasmagas, das in der Plasmaentladung 14 in Form einer Bogenentladung entsteht, aus der Austrittsdüse 16 in Form eines strahlförmigen Plasmaaustritts 18 ausgeblasen. Die plasmaerzeugende Vorrichtung wird umschlossen von einem Gehäuse 20 mit einer isolierenden Gehäusewand 21.
In 3 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Dabei ist ein Plasmaerzeuger 10 mit einem rohrförmigen Piezoelement 30 als Kathode zur Erzeugung einer Plasmaentladung 34 vorgesehen. Wie bereits beschrieben, besitzt das Piezoelement einen Sekundärbereich 32, an dessen rohrförmiger Innenfläche die Plasmaentladung entsteht. Ferner dargestellt ist eine Gegenelektrode 33. Auch bei dieser Ausführungsform bildet sich also eine Bogenentladung aus, die in Form eines Plasmastrahls 35 mit der Gasströmung ausgeblasen wird.
4 zeigt eine kaskadierende (Mehrfach-)Anordnung 40 von mehreren Plasmaerzeugern 41 mit Piezoelement als Kathoden-Elektrode. Die einzelnen Plasmaerzeuger 41 werden über eine zentrale Gaszuführung 44 mit einem Arbeitsgas angeströmt. Durch die Düsen tritt ein Plasmastrahl 43 aus, wobei die Elemente besonders vorteilhaft derart angeordnet sind, dass sich auf einem zu behandelnden Substrat 42 eine gleichmäßige Plasmaverteilung 45 ergibt.
5a) zeigt eine Aufsicht auf eine solche kaskadierende Anordnung von Plasmaerzeugern 50 mit Piezoelementen. Die einzelnen Plasmaerzeuger, dies sind mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen, sind dabei nebeneinander und hintereinander angeordnet, um eine möglichst vollflächige Plasmabehandlung zu ermöglichen.
5b) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren kaskadierenden Anordnung von Plasmaerzeugern mit Piezoelementen 51.
Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass bei der Erfindung das Plasma durch eine Bogenentladung zwischen zwei Elektroden, d. h. eine Funkenstrecke gebildet wird. Dabei bildet der Sekundärbereich der Piezokeramik jeweils die eine Elektrode; nämlich die Kathode, die Gegenelektrode liegt jeweils auf Erdpotential. Bei der Erfindung ist also die Kathode nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, als passives Element ausgebildet, etwa als stabförmige, metallische Elektrode im Zentrum eines Rohres, sondern stellt ein aktives Element dar, in dem eine (am Primärbereich angelegte) Niederspannung in eine Hochspannung (im Sekundärbereich) transformiert wird.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals gelungen, die Vorteile einer Bogenentladung und in der Folge eines ausgeblasenen Plasmastrahls mit den Vorteilen eines Piezoelementes mit Primär- und Sekundärbereich zu verbinden.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung eines Plasmas, wobei in einem elektrisch nichtleitenden Gehäuse eine sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckende Kathode angeordnet ist, wobei als Kathode ein Piezoelement (Piezotransformator) mit einem Primärbereich und mindestens einem senkrecht dazu polarisierten Sekundärbereich vorgesehen ist, wobei am Primärbereich voneinander beabstandete Elektroden vorgesehen sind, zwischen denen eine Wechselspannung anlegbar ist, wobei eine als Anode wirkende Gegenelektrode vorgesehen ist und wobei die als Gegenelektrode wirkende Anode auf Erdpotential liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (21) eine Austrittsöffnung (17) aufweist, dass im Bereich der Austrittsöffnung (17) die als Anode wirkende Gegenelektrode (15) angeordnet ist, derart, dass zwischen Sekundärbereich (3, 8) und Gegenelektrode (15) eine Atmosphärendruck – Bogenentladung (14) erzeugbar ist, und dass das Gehäuse (21) an der der Austrittsöffnung (17) abgewandten Seite eine Gaseintrittsöffnung (24) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (1) stab/blockförmig ausgebildet ist und Elektroden (2, 4) auf entgegengesetzten Seiten des Primärbereichs aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Piezoelement (5) rohrförmig ausgebildet ist und dass eine Innenelektrode (6) im Inneren des Rohres und eine Außenelektrode (7) an der äußeren Mantelfläche des Rohres jeweils in dessen Primärbereich angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere identische Vorrichtungen kaskadierend angeordnet sind.