EP2269425B1 - Vorrichtung zur erzeugung eines atmosphärendruck-plasmas - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung eines atmosphärendruck-plasmas Download PDF

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EP2269425B1
EP2269425B1 EP09731651.7A EP09731651A EP2269425B1 EP 2269425 B1 EP2269425 B1 EP 2269425B1 EP 09731651 A EP09731651 A EP 09731651A EP 2269425 B1 EP2269425 B1 EP 2269425B1
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EP
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plasma
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housing
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Michael Bisges
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Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Scheubeck GmbH and Co
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Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
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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
    • H05H1/2475—Generating plasma using acoustic pressure discharges
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/2475—Generating plasma using acoustic pressure discharges
    • H05H1/2481—Generating plasma using acoustic pressure discharges the plasma being activated using piezoelectric actuators

Definitions

  • the invention relates to a device for generating an atmospheric pressure plasma.
  • a device for generating an atmospheric pressure plasma is from the EP 0761415 A1 already known.
  • a collimated beam of a reactive medium is generated by a plasma discharge and a working gas.
  • the electrical discharge takes place in the form of an arc discharge, which is operated by means of a high-frequency AC voltage.
  • an arc extends directly between the two electrodes of the device: a arranged in a nozzle tube centric pin electrode on the one hand and the counter electrode acting as the mouth of the nozzle tube on the other.
  • This known device has a number of disadvantages. First of all, a high ignition voltage of several kV is required; the operating voltage also moves in the kV range. The resulting arc discharge - a direct arc so - leads to a high heat generation and a sputtering of the electrodes. Other disadvantages are the high cost and size of this device.
  • the object of the invention is to provide a device for generating an atmospheric pressure plasma, which does not have these disadvantages and in particular can also be operated with low voltage.
  • the respective subclaims relate to particularly advantageous developments of the invention.
  • the general idea of the invention is to use a piezoelectric element with primary and secondary region for the generation of the plasma.
  • the control of the primary region of the piezoelectric element with low voltage and high frequency occurs.
  • the plasma is ignited by the field superelevation on the surface of the secondary region of the piezoelectric element.
  • the plasma guidance is effected by counterelectrode and a gas flow. Due to the gas flow, the plasma exits the device.
  • a piezo element for generating a plasma is already in the publication Teranishi, Suzuki, Itoh: A novel generation method of dielectric barrier discharge and ozone production using a piezoelectric transformer, Japanese Journal of Applied Physics, 2004, pp. 6733-6739 , known.
  • the piezoelectric element serves to generate a plasma discharge at the surface of the secondary region.
  • a counter electrode is provided;
  • an arc discharge is generated according to the invention and not just, as in the prior art, a planar plasma on the surface of the secondary region of the piezoelectric element.
  • the cathode is not designed as a passive element, but actively transforms an applied low voltage into a high voltage.
  • the device according to the invention has a number of advantages over the known solutions. First of all, it requires only a low operating voltage in the range of preferably 5... 230 V. Furthermore, it is characterized by a low plasma temperature; a sputtering and burning of the cathode are thus almost impossible. Finally, the device according to the invention is inexpensive to produce, since no high-voltage source is required and also has a small size.
  • FIGS. 1a) and 1b is a rod-shaped piezoelectric element 1 with a contact electrode 2 and a further contact electrode 4 on the back of the primary region and an adjoining secondary region 3 is shown.
  • FIG. 2 shows a first device according to the invention 10.
  • the acting as a cathode piezoelectric element has on its primary side, as already described, a contact electrode 11 and on the back, the opposite side, therefore, a further contact electrode 12, which is not visible in this illustration.
  • the secondary region 13 of the piezoelectric element in which a surface discharge is formed in a manner known per se.
  • the piezoelement is connected via the contact electrodes 11, 12 to a low-voltage source 22.
  • This low-voltage source 22 supplies a high-frequency low voltage in the range of preferably 5... 200 V.
  • the device Due to the applied low voltage in the primary region of the piezoelectric element, a high voltage is generated in its secondary region 13; in the sequence, the described surface discharge on the surface of the secondary side 13 is formed. Also shown is the resulting plasma discharge 14. Between the secondary region 13, which acts as an electrode, and the counter electrode 15, which is at ground potential 19, an arc discharge is formed , Furthermore, the device has an outlet nozzle 16 with an outlet opening 17, through which the plasma outlet 18 takes place. On the opposite side of the plasma outlet 18 is a supply 24 for the working gas, while the gas flow 25 is indicated by the arrow. Also shown is the supply line 23 from the low-voltage source 22 to the piezoelectric element.
  • the plasma gas which is formed in the plasma discharge 14 in the form of an arc discharge, blown out of the outlet nozzle 16 in the form of a jet-shaped plasma outlet 18.
  • the plasma-generating device is enclosed by a housing 20 with an insulating housing wall 21.
  • FIG. 3 a further embodiment of the device according to the invention is shown.
  • a plasma generator 10 is provided with a tubular piezoelectric element 30 as a cathode for generating a plasma discharge 34.
  • the piezoelectric element has a secondary region 32, on the tubular inner surface of which the plasma discharge is produced.
  • an arc discharge which is blown out in the form of a plasma jet 35 with the gas flow.
  • FIG. 4 shows a cascading (multiple) arrangement 40 of a plurality of plasma generators 41 with piezoelectric element as a cathode electrode.
  • the individual plasma generator 41 are supplied with a working gas via a central gas supply 44.
  • a plasma jet 43 exits through the nozzles, the elements being arranged in a particularly advantageous manner such that a uniform plasma distribution 45 results on a substrate 42 to be treated.
  • FIG. 5a shows a plan view of such a cascading arrangement of plasma generators 50 with piezo elements.
  • the individual plasma generators these are several devices according to the invention, are arranged side by side and one behind the other, in order to enable as full as possible a plasma treatment.
  • FIG. 5b shows a side view of another cascading arrangement of plasma generators with piezo elements 51.
  • the plasma is due to an arc discharge between two electrodes, i. H. a spark gap is formed.
  • the secondary region of the piezoceramic each forms the one electrode; namely, the cathode, the counter electrode is at ground potential.
  • the cathode is not, as known from the prior art, formed as a passive element, such as a rod-shaped, metallic electrode in the center of a tube, but represents an active element in which a (applied to the primary area) low voltage in a high voltage (in the secondary area) is transformed.
  • the device according to the invention has for the first time succeeded in combining the advantages of an arc discharge and, as a consequence of a blown-out plasma jet, with the advantages of a piezo element with primary and secondary regions.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas. Eine solche Vorrichtung ist aus der EP 0761415 A1 bereits bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird durch eine Plasmaentladung und ein Arbeitsgas ein gebündelter Strahl eines reaktiven Mediums erzeugt.
  • Die elektrische Entladung findet in Form einer Bogenentladung statt, die mit Hilfe einer Hochfrequenz-Wechselspannung betrieben wird. Dabei erstreckt sich ein Lichtbogen direkt zwischen den beiden Elektroden der Vorrichtung: Einer in einem 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.
  • 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 zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches gelöst. Die jeweiligen Unteransprüche betreffen besonders 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.
  • 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 0761415 A1 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:
    • Figur 1a) bis 1d)
    verschiedene Ausführungsformen eines Piezoelementes.
    Figur 2
    eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung
    Figur 3
    eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung
    Figur 4
    eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung mit kaskadierender Mehrfachanordnung
    Figur 5a) und 5b)
    Detaildarstellung der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform.
  • In Figur 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 Figur 1c) und 1d) ist ein rohrförmiges Piezoelement 5 mit einer Innenelektrode 6 und einer Außenelektrode 7 im Primärbereich sowie einem Sekundärbereich 8 gezeigt.
  • Figur 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 Figur 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.
  • Figur 4 zeigt eine kaskadierende (Mehrfach-)Anordnung 40 von mehreren Plasmaerzeugern 41 mit Piezoelement als Kathoden-Elektrode. Die einzelnen Plasmaerzeuger 41 werden über eine zentrale 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.
  • Figur 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.
  • Figur 5b) zeigt eine Seitenansicht einer weiteren kaskadierenden Anordnung von Plasmaerzeugern mit Piezoelementen 51.
  • Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, dass bei der Erfindung das Plasma durch eine Bogenentladung zwischen zwei Elektroden, d. h. eine Funkenstrecke gebildet wird. Dabei bildet der Sekundärbereich der Piezokeramik jeweils die eine Elektrode; nämlich die Kathode, die Gegenelektrode liegt jeweils auf Erdpotential. Bei der Erfindung ist also die Kathode nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, als passives Element ausgebildet, etwa als stabförmige, metallische Elektrode im Zentrum eines Rohres, sondern stellt ein aktives Element dar, in dem eine (am Primärbereich angelegte) Niederspannung in eine Hochspannung (im Sekundärbereich) transformiert wird.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es erstmals gelungen, die Vorteile einer Bogenentladung und in der Folge eines ausgeblasenen Plasmastrahls mit den Vorteilen eines Piezoelementes mit Primär- und Sekundärbereich zu verbinden.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Atmosphärendruck-Plasmas, wobei
    - in einem elektrisch nichtleitendem Gehäuse eine sich in Längsrichtung des Gehäuses erstreckende Kathode angeordnet ist,
    - das Gehäuse eine Austrittsöffnung aufweist,
    - das Gehäuse an der der Austrittsöffnung abgewandten Seite eine Gaseintrittsöffnung aufweist,
    - an der Austrittsöffnung eine als Anode wirkende Gegenelektrode vorgesehen ist,
    - an die Kathode eine Wechselspannung angelegt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - als Kathode ein Piezoelement (Piezotransformator) (1, 5) mit einem Primärbereich und mindestens einem senkrecht dazu polarisierten Sekundärbereich (3, 8) vorgesehen ist,
    - am Primärbereich voneinander beabstandete Elektroden (2, 4; 6, 7) vorgesehen sind, zwischen denen die Wechselspannung angelegt wird,
    - die als Gegenelektrode (15) wirkende Anode auf Erdpotential (19) liegt, derart, dass zwischen Sekundärbereich (3, 8) und Gegenelektrode (15) eine Bogenentladung erzeugbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei
    - das Piezoelement (1) stab- oder blockförmig ausgebildet ist,
    - Elektroden (2, 4) auf entgegengesetzten Seiten des Primärbreiches angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei
    - das Piezoelement (5) rohrförmig ausgebildet ist,
    - mindestens eine Elektrode (6) als Innenelektrode im Inneren des Piezoelements (5) und mindestens eine Elektrode (7) als Außenelektrode an der äußeren Mantelfläche des Piezoelements (5) jeweils in dessen Primärbereich angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, wobei
    - mehrere identische Vorrichtungen kaskadierend angeordnet sind.
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