[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines chemisch aktiven Strahls
(nachfolgend als Aktivgasstrahl bezeichnet) mittels eines elektrisch generierten Plasmas
in einem verwendeten Prozessgas. Die Erfindung eignet sich insbesondere für die Behandlung
von Oberflächen, z.B. zur Vorbehandlung und Reinigung von Oberflächen vor dem Verkleben,
Beschichten oder Lackieren, zum Beschichten, Hydrophilisieren, Entfernen von elektrischen
Ladungen oder Sterilisieren sowie zur Beschleunigung von chemischen Reaktionen.
[0002] Bekannt sind Vorrichtungen zur Oberflächenvorbehandlung von Werkstücken mittels eines
in einer elektrischen Entladungszone aktivierten Gases, dargestellt in den Druckschriften
DE 195 46 930 C1, DE 195 32 412 A1 und EP 03 05 241. Im Patent DE 195 46 930 C1 wird
eine Wirbelströmung des zu aktivierenden Gases durch eine elektrische Entladungszone
geführt, die sich zwischen einer kegelförmigen Zentralelektrode und einer am Ende
einer Düse außen befindlichen Ringelektrode ausbildet.
Ein weiteres gleichartiges Verfahren ist in der DE 195 32 412 A1 beschrieben, bei
dem das zu aktivierende Gas in einer Wirbelströmung zuerst in den Bereich einer Entladungszone,
die entlang der Achse eines zylindrischen Düsenrohres mit innen isolierter zylindrischer
Außenelektrode und koaxialer Zentralelektrode entsteht, eingeleitet sowie aktiviert
wird und am Ausgang der Entladungszone, an dem das Düsenrohr in Form einer kreisringförmigen
Abschlussfläche der zylindrischen Außenelektrode verengt ist, der Gasstrahl an der
Abschlussfläche der Außenelektrode im Wesentlichen entladen wird.
Nachteilig an den vorgenannten Lösungen ist, dass der aus der Düse austretende Gasstrahl
ein erhebliches elektrisches Potential besitzt, dessen Wert zwischen dem Potential
der geerdeten Ringelektrode und dem der Zentralelektrode liegt. Bei entsprechend großem
Gasdurchsatz durch die Austrittsöffnung des Gasstromes wölben sich zusätzlich Entladungsbüschel
aus der Düse in Richtung des Aktivgasstrahles aus. Der genannte Nachteil begrenzt
die Anwendungsmöglichkeiten der beiden vorgenannten Lösungen a) wegen der Stromschlaggefahr
für das Bedienpersonal und b) wegen einer möglichen induzierten Defektbildung durch
elektromagnetische Felder bei einer Oberflächenbehandlung von empfindlichen Materialen,
wie z.B. Halbleitersubstraten, ggf. auch mit dotierten Schichten oder Strukturen.
[0003] Gemäß EP 03 05 241 wird das zu aktivierende Gas direkt durch eine elektrische Entladungszone
geführt. Die Entladungszone bildet sich hierbei in einem Rohr mittels eines elektrischen
Feldes aus, wobei entweder Elektroden in Strömungsrichtung des Gases nacheinander
seitlich innerhalb des Rohres angeordnet sind oder eine in einem Wellenleiter installierte
Entladungskammer aus Isoliermaterial ohne Elektroden vorgesehen ist. Diese Lösung
hat den bereits oben angeführten Nachteil, dass bei hoher Geschwindigkeit des aktivierten
Gasstromes eine hohe Wahrscheinlichkeit des Austretens von elektromagnetischen Feldern
sowie der elektrischen Entladungszone selbst aus der Entladungskammer in die Richtung
des Aktivgasstrahls besteht, da eine abschirmende Ringelektrode am Ende der Entladungskammer
völlig fehlt. Die in der EP 0 305 241 A1 beschriebene Anordnung verhindert die Gefährdung
des Bedienpersonals durch eine separate, geschlossene Bearbeitungskammer, in der die
Oberflächenbehandlung des Materials stattfindet. Die so erschwerten Bedingungen der
Materialbearbeitung sind nachteilig und würden bei Weglassen der Schutzkammer zu einer
unkontrollierten Änderung der Verfahrensbedingungen und zur Gefährdung des Bedienpersonals
führen.
Charakteristisch für alle vorgenannten technischen Lösungen ist, dass die Geschwindigkeit,
die Temperatur und die Geometrie des Aktivgasstrahls durch die elektrischen, thermischen
und gasdynamischen Bedingungen festgelegt werden, die für das Entstehen bzw. Zünden
der elektrischen Entladungszone zur Gasaktivierung notwendig sind. Allerdings erweisen
sich die genannten Bedingungen zur Gasaktivierung in einer elektrischen Entladungszone
nicht immer als optimale Bedingungen für die Oberflächenbehandlung durch den Aktivgasstrahl.
So ist es z.B. sehr problematisch, eine elektrische Entladung bei Atmosphärendruck
und den dabei entstehenden Temperaturen von mehr als 5000 K zur Oberflächenbehandlung
zu nutzen, da die Mehrzahl der zu bearbeitenden Materialien solchen Temperaturen nicht
standhält. Ein weiteres Problem stellen hohe Prozessgasgeschwindigkeiten - z.B. Überschallgeschwindigkeit
- für die elektrische Entladungszone dar, da diese unter stark dynamischen Bedingungen
nur unter großen Schwierigkeiten aufrechterhalten werden kann. Die erwähnten Anwendungen
des Aktivgasstrahles verlangen aber höhere Gasdurchsätze, um die Zeit, innerhalb der
der Aktivgasstrahl ausgehend von der Entladungszone die zu bearbeitende Oberfläche
erreicht, zu verkürzen, weil damit durch Reduzierung der Rekombinationsvorgänge der
Aktivitätsverlust des Gasstrahles wirksam verringert wird.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zum Erzeugen eines
chemisch aktiven Strahls (Aktivgasstrahl) mittels eines durch elektrische Entladung
generierten Plasmas in einem verwendeten Prozessgas zu finden, bei der bei erhöhter
Prozessgasgeschwindigkeit der Aktivgasstrahl auf der zu bearbeitenden Oberfläche eine
hohe chemische Aktivität entfaltet und bereits am Ausgang der Vorrichtung elektrisch
neutral ist, so dass er keine Gefährdung für Bedienpersonal, Umgebung und bearbeitete
Oberfläche darstellt.
[0005] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zum Erzeugen eines chemisch
aktiven Strahls (Aktivgasstrahls) mittels eines durch elektrische Entladung generierten
Plasmas in einem verwendeten Prozessgas mit einer im Wesentlichen zylindrischen Entladungskammer,
die von einem Prozessgas durchströmt wird und in der zur Aktivierung des Prozessgases
eine Plasmaerzeugung infolge einer elektrischen Gasentladung vorgesehen ist, einem
Gaseinlass zum kontinuierlichen Zuführen des Prozessgases in die Entladungskammer
sowie einer Austrittsöffnung zum Ausrichten des Aktivgasstrahles auf eine zu bearbeitende
Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entladungskammer ein konisch verjüngtes
Ende zur Erhöhung der Geschwindigkeit des Aktivgasstrahls aufweist, dem verjüngten
Ende der Entladungskammer ein Begrenzungskanal zur Verhinderung der Ausbreitung der
Entladungszone in den freien Raum für die zu bearbeitende Oberfläche nachgeordnet
ist, wobei der Begrenzungskanal im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und geerdet
ist und dessen Länge um den Faktor 5-10 größer als sein Querschnitt ist.
[0006] Vorteilhaft ist zur Aktivierung des Prozessgases eine Bogenentladung vorgesehen,
wobei die Entladungskammer eine Zentralelektrode und eine Hohlelektrode, die die Innenwand
der Entladungskammer mindestens im Bereich des konisch verjüngten Endes flächig und
symmetrisch bedeckt, aufweist. Der Begrenzungskanal schließt sich vorzugsweise an
die Hohlelektrode direkt an.
Die Zentralelektrode ist zweckmäßig stabförmig und im Gaseinlassbereich entlang der
Symmetrieachse der Entladungskammer angeordnet.
Die Zentralelektrode kann vorteilhaft, um die Leistung des Aktivgasstrahls durch vergrößerte
Elektrodenflächen zu erhöhen, die Form eine Zylinderkappe aufweisen, die eine Zylindermantelfläche
geringer Höhe und eine Deckfläche beinhaltet und deren Öffnung koaxial zur Achse der
Entladungskammer ausgerichtet und oberhalb des Gaseinlasses der Entladungskammer angeordnet
ist.
[0007] Für die Verbesserung der Stabilität der Parameter des Aktivgasstrahles ist es von
Vorteil, zur Aktivierung des Prozessgases die Entladungskammer in einem mit Hochfrequenz
(Radiofrequenz) erzeugten Induktionsfeld anzuordnen.
Das kann zweckmäßig dadurch geschehen, dass die Entladungskammer (1) mit zwei entlang
der Wand der Entladungskammer in Strömungsrichtung des Prozessgases angeordneten Elektroden,
die mit Radiofrequenz betrieben werden, versehen ist.
Vorteilhaft kann die Hochfrequenzanregung zur Aktivierung des Prozessgases auch durch
die Erzeugung eines Induktionsfeldes erreicht werden, indem die Entladungskammer in
einer mit Radiofrequenz betriebenen Spule angeordnet ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Aktivierung des Prozessgases ohne Kontaminierung des
Aktivgases durch Elektrodenmaterial ist dadurch gegeben, dass die Entladungskammer
in einem an einer Mikrowellenquelle angeschlossenen Wellenleiter angeordnet ist.
Zur Formung, Wahl der Strömungsart (laminare oder turbulente Strömung) und Einstellung
des Aktivgasstrahls mit gewünschten Parametern, insbesondere Geschwindigkeit, Temperatur,
geometrische Form und Strömungsart, ist dem Begrenzungskanal zweckmäßig eine strahlformende
Einrichtung nachgeordnet.
Dabei kann es von Vorteil sein, dass an den Ausgang des Begrenzungskanals verzweigte
Düsen zum Bearbeiten einzelner Teilflächen oder Vertiefungen der zu bearbeitenden
Oberfläche angeschlossen sind.
Die strahlformende Einrichtung ist zweckmäßig durch Leitbleche an die Form der zu
bearbeitenden Oberfläche angepasst, wobei der Abstand zwischen der Oberfläche und
der strahlformenden Einrichtung in einem definiert kleinen Bereich gehalten wird,
so dass die effektiv behandelte Oberfläche eine größere Fläche umfasst.
Für spezielle Anwendungen eines Aktivgasstrahles sind strahlformende Einrichtungen
vorgesehen, die zwei oder mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Erzeugung des
Aktivgasstrahles in einen Bearbeitungskanal einbinden, wobei in dem Bearbeitungskanal
bei kontinuierlichem Materialdurchlauf mehrere zu behandelnde Oberflächen eines Werkstücks
gleichzeitig oder Oberflächen von Strangprofilen mit beliebigem Querschnitt allseitig
bearbeitbar sind.
[0008] Bei Anwendung eines Aktivgasstrahles mit speziellen Zusatzstoffen (insbesondere für
die Beschichtung von Oberflächen) ist vorzugsweise in der Entladungskammer axial ein
Zufuhrrohr zur Einbringung von Zusatzstoffen angeordnet, das kurz vor dem Ausgang
der Entladungskammer endet, wobei ein Einfluss der Zusatzstoffe auf die Entladungscharakteristik
und eine Kontaminierung der Entladungskammer (1) durch die Zusatzstoffe oder deren
Reaktionsprodukte vermieden wird.
Es erweist sich zur Erzielung einer definierten Gasströmung als vorteilhaft, wenn
der Begrenzungskanal mehrere Einzelkanäle umfasst, um den gasdynamischen Widerstand
und die Verweildauer des Aktivgases im Begrenzungskanal zu reduzieren, wobei die Einzelkanäle
um einen zentralen Kanal herum gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Dabei gestaltet
sich die Zufuhr von Zusatzstoffen besonders günstig, wenn der Begrenzungskanal mit
mehreren Einzelkanälen einen zentralen Einlasskanal für die Zusatzstoffe aufweist,
wobei der Einlasskanal axial im Zentrum eines Ringes von mit Aktivgas durchströmten
Einzelkanälen angeordnet ist, da eine vorzeitige Reaktion oder ein Zerfall der Zusatzstoffe
sowie eine Kontamination der Entladungskammer durch die Zusatzstoffe vermieden werden
kann.
Für alle vorgenannten Zufuhrvarianten sind die Zusatzstoffe im Bereich des Begrenzungskanals
vorteilhaft als Gase, Flüssigkeiten in Form von Aerosolen oder Feststoffe in Form
feiner Partikel einführbar.
In einer besonders zweckmäßigen Gestaltungsvariante der Erfindung sind die Hohlelektrode,
der Begrenzungskanal und die strahlformende Einrichtung als einheitlicher Rotationskörper
mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit gefertigt, die Zentralelektrode koaxial
von einem Isolatorrohr umgeben in die von der Hohlelektrode gebildete Entladungskammer
eingeführt und der Gaseinlass in die Entladungskammer zunächst einer zylindrischen
Verteilungskammer zugeführt, wobei für das Prozessgas tangentiale Strömungskanäle
von der Verteilungskammer zur Entladungskammer vorgesehen sind, so dass infolge einer
resultierenden spiralförmigen Gasströmung aus der Verteilungskammer in die Entladungskammer
Bogenentladungen zwischen Zentralelektrode und Hohlelektrode an einem aus dem Isolatorrohr
herausragenden Ende der Zentralelektrode fixiert werden. Hierdurch wird eine Erosion
des Isolatorrohres weitgehend verhindert. Vorteilhaft können tangentiale Strömungskanäle
zusätzlich in eine zylindrische Ringkammer zwischen stabförmiger Zentralelektrode
und innerer Oberfläche des Isolatorrohres geführt sein, so dass die Zentralelektrode
direkt von einem Anteil des Prozessgases gekühlt wird und Austrittspunkte von Bogenentladungen
im Wesentlichen auf nichtzylindrische Flächen der Zentralelektrode beschränkt sind.
Dadurch wird das Isolatorrohr noch wirksamer vor der Erosionswirkung des Entladungsbogens
geschützt.
Das Isolatorrohr wird zweckmäßig durch die Zentralelektrode um eine Länge von bis
zum Zweifachen des Durchmessers der Zentralelektrode überragt. Verwendet man die zusätzlich
Prozessgaszufuhr innerhalb des Isolatorrohres, kann das Ende der Zentralelektrode
verkürzt werden und schließt im Extremfall mit dem Ende des Isolatorrohrs ab.
Der Begrenzungskanal ist vorzugsweise in Gasströmungsrichtung leicht kegelförmig verengt
und weist ein mittleres Verhältnis von Kanaldurchmesser zu Kanallänge von 1:8 auf.
Dem Begrenzungskanal schließt sich vorteilhaft eine strahlformende Einrichtung mit
glockenförmig verbreitertem Ausgang an, so dass die Arbeitsbreite des Aktivgasstrahles
vergrößert wird.
[0009] Der Grundgedanke der Erfindung basiert darauf, dass bei den bekannten Vorrichtungen
des Standes der Technik mit plasmainduziertem Aktivgasstrahl entweder die Aktivität
des Gasstrahles zu gering oder der Aktivgasstrahl bei seinem Austritt in den Bearbeitungsraum
noch ein gefährlich hohes elektrisches Potential besitzt, das zu einer Gefährdung
des Bedienpersonals führt. Diese einander gegensätzlich beeinflussenden Probleme werden
gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, dass das Prozessgas der Reihe nach durch drei
Zonen geführt wird. Zuerst wird das Prozessgas (im Entladungsraum) aktiviert und beschleunigt,
dann in einem engen geerdeten Begrenzungskanal die geschwindigkeitsbedingte Ausbreitung
der Entladungszone aus dem Entladungsraum heraus in den Aktivgasstrahl abgefangen
(begrenzt) und zuletzt ein elektrisch neutraler, chemisch wirksamer Aktivgasstrahl
durch strahlformende Einrichtungen entsprechend der gewünschten Anwendung (Reinigung,
Beschichtung, Aktivierung usw.) geformt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann
dabei mit allen bekannten Methoden der plasmainduzierten Aktivierung von Prozessgasen
kombiniert werden, bei denen eine Korona-, Glimmoder Bogenentladungszone (unter Verwendung
eines Gleich-, Wechsel- oder Impulsstromes) oder eine im elektromagnetischen Wechselfeld
erzeugte Hochfrequenzentladungszone (mit Anregungsfrequenzen bis in den Mikrowellenbereich),
entsteht.
Die Wirksamkeit des Begrenzungskanals hängt dabei wesentlich davon ab, dass er einen
kleineren Durchmesser im Verhältnis zur Entladungskammer aufweist. Deshalb ist die
Entladungskammer in Strömungsrichtung des Prozessgases konisch verjüngt, so dass bei
großem Verhältnis von Querschnitt der Entladungskammer zu Querschnitt des Begrenzungskanals
die Geschwindigkeit des Aktivgasstrahls wesentlich ansteigt, wodurch die Zeit, die
die chemisch aktiven Teilchen des Aktivgasstrahls benötigen, um die Strecke von der
Entladungskammer bis zum Anwendungsort zurückzulegen, stark reduziert wird. Infolge
der Zeitverkürzung kommt es zu weniger Rekombinationen aktiver Teilchen (verringerter
Aktivitätsverlust des Aktivgasstrahls) und dies führt zu einer Erhöhung der Effektivität
des Aktivgasstrahles auf der zu bearbeitenden Oberfläche. Bei sehr hohem Gasdurchsatz
durch die Entladungszone wölben sich Entladungsbüschel aus der Entladungszone in den
ausströmenden Aktivgasstrahl aus. Die elektrische Leitfähigkeit und der damit verbundene
elektrische Widerstand des Plasmabogens bei gleichzeitig hohem Strom führt zu einem
erheblichen Potential gegenüber der geerdeten Elektrode auch in naher Distanz des
Plasmabogens der geerdeten Elektrode. Um das Austreten der Entladungsbüschel mit gefährlichem
elektrischen Potential in den freien Raum zu verhindern, wird der Aktivgasstrahl am
Ausgang der Entladungszone durch einen engen geerdeten Kanal geführt. Der Begrenzungskanal
ist so dimensioniert, dass ein in ihn eintretender Entladungsbogen ein Potential besitzt,
dessen Größe am Eintritt in den Begrenzungskanal für einen Durchbruch zur Kanalwand
noch zu gering ist. Mit zunehmender Weglänge im Begrenzungskanal steigt die Spannung
im Entladungsbogen so weit an, bis ein Durchbruch zur Kanalwand erfolgt. Damit muss
der Begrenzungskanal entsprechend den übrigen Bedingungen der Plasmaerzeugung eine
Mindestlänge besitzen, die sicherstellt, dass vorgenannte Auswölbungen der Entladungszone
in den freien Raum nicht auftreten können. Das geschieht bei einem Verhältnis des
Querschnittes zur Kanallänge von 1:5 bis 1:10.
[0010] Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die Erzeugung eines elektrisch neutralen,
chemisch aktiven Strahls, wobei mit erhöhter Prozessgasgeschwindigkeit der Aktivgasstrahl
auf der zu bearbeitenden Oberfläche eine hohe chemische Aktivität entfaltet und bereits
am Ausgang der Vorrichtung elektrisch neutral ist, so dass er keine Gefährdung für
Bedienpersonal, Umgebung und bearbeitete Oberfläche darstellt.
[0011] Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1:
- eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit elektrischer Entladung,
die durch ein beliebiges elektromagnetisches Feld ausgelöst wird;
- Fig. 2:
- eine Ausgestaltung der Erfindung mit elektrischer Bogenentladung zwischen stabförmiger
Zentralelektrode und Hohlelektrode an der Wand der Entladungskammer sowie mit einem
aus mehreren Einzelkanälen bestehenden Begrenzungskanal;
- Fig. 3:
- eine Gestaltung der Erfindung mit Bogenentladung über eine Zentralelektrode in Form
einer Zylinderkappe;
- Fig. 4:
- eine Gestaltungsform mit einem mittels Innenelektroden erzeugten Hochfrequenzfeld;
- Fig. 5:
- eine Ausführungsform mit Erzeugung der Gasentladung durch Mikrowellen;
- Fig. 6:
- eine Gestaltungsform mit einem induktiv erzeugten Hochfrequenzfeld;
- Fig. 7:
- schematische Darstellung der Erfindung zum Aufteilen des Aktivgasstrahls zur gleichzeitigen
Bearbeitung einzelner Teilflächen auf Oberflächen mit kompliziertem Relief;
- Fig. 8:
- schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die strahlformende
Einrichtung einer ebenen Oberfläche angepasst ist;
- Fig. 9:
- schematische Darstellung wie in Fig. 8, wobei die strahlformende Einrichtung einer
sphärischen Oberfläche angepasst ist;
- Fig. 10:
- eine spezielle Ausgestaltung, bei der mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen mit deren
strahlformenden Einrichtungen in einen Bearbeitungskanal mit kontinuierlichem Materialfluss
eingebunden sind;
eine Gestaltungsform zum Zuführen von Zusatzstoffen in den Aktivgasstrahl vor dem
Begrenzungskanal;
- Fig. 11:
- eine Gestaltungsform zum Zuführen von Zusatzstoffen vor Beginn des Begrenzungskanals;
- Fig. 12:
- eine Variante zum Zuführen von Zusatzstoffen am Ende des Begrenzungskanals;
- Fig. 13:
- eine konstruktive Ausführung der Vorrichtung mit spezieller Gestaltung der Strömungskanäle
für das zugeführte Prozessgas bei Aktivierung mittels Bogenentladung.
[0012] Die Vorrichtung zur Erzeugung eines Aktivgasstrahles gemäß Fig. 1 besteht in ihrem
Grundaufbau aus einer von einem Prozessgas 1 durchströmten Entladungskammer 2, in
der eine Aktivierung des Prozessgases 1 in Form einer durch ein starkes Feld 3 erzeugten
elektrischen Entladung stattfindet, einem im Wesentlichen zylindrischen Begrenzungskanal
4 und einer Strahlformungseinrichtung 5 für den zur Materialbearbeitung im freien
Raum vorgesehenen Aktivgasstrahl 6.
Die Entladungskammer 2 weist in Durchströmungsrichtung des Prozessgases 1 ein konisch
verjüngtes Ende 21 (d.h. eine düsenähnlich verengte Form) auf, das der Erhöhung der
Strömungsgeschwindigkeit des Prozessgases 1 während seiner Aktivierung in der Entladungskammer
2 dient. Mit dieser Erhöhung der Gasgeschwindigkeit wird die Zeitdauer zum Erreichen
einer zu bearbeitenden Oberfläche 7 (nur in Fig. 7 bis 9 dargestellt) verkürzt und
damit die Rekombination von aktiven Gasteilchen vor Erreichen des Bearbeitungsortes
vermindert. Gleichzeitig mit der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit erhöht sich
jedoch die Gefahr, dass sich eine in der Entladungskammer 2 durch die Wirkung des
Feldes 3 ausbildende Entladungszone 22 über das konisch verjüngte Endes 21 der Entladungskammer
2 hinaus nach außerhalb fortsetzt. Um zu verhindern, dass infolge der hohen Gasgeschwindigkeit
sogenannte Entladungsbüschel mit gefährlich hohem elektrischen Potential als Auswölbung
24 der Entladungszone 22 aus der Entladungskammer 1 in den freien Raum austreten,
wird der durch das verjüngte Ende 21 beschleunigte Aktivgasstrahl 6 am Ausgang der
Entladungskammer 1 durch einen engen, geerdeten Begrenzungskanal 4 geführt. Hierdurch
wird wirkungsvoll eine Begrenzung der Ausbreitung der Entladungszone 22 in Richtung
der freien Austrittsöffnung des Aktivgasstrahls 6 verhindert.
Der Begrenzungskanal 4 ist so dimensioniert, dass der in ihn eintretende Teil der
Entladungszone 22 ein solches Potential erreicht, dessen Größe am Eintritt in den
Begrenzungskanal 4 für einen Durchbruch zur Kanalwand noch zu gering ist, jedoch mit
zunehmender Weglänge im Begrenzungskanal 4 so weit ansteigt, bis ein Durchbruch zur
geerdeten Wand des Begrenzungskanals 4 erfolgt.
Des Weiteren muss der Begrenzungskanal 4 entsprechend den übrigen Bedingungen der
zur Aktivierung des Prozessgases 1 erforderlichen Plasmaerzeugung eine Mindestlänge
besitzen, die sicherstellt, dass vorgenannte Auswölbungen 24 der Entladungszone 22
in den freien Raum nicht geschehen können. Dies wird in der Regel mit einem Verhältnis
des Kanalquerschnittes zur Kanallänge von 1:5 bis 1:10 erreicht.
Die Wirksamkeit des Aktivgasstrahles 6 hängt aber auch wesentlich davon ab, dass der
Begrenzungskanal 4 einen deutlich kleineren Durchmesser im Verhältnis zum Hauptteil
der Entladungskammer 2 (vor deren konisch verjüngtem Ende 21) aufweist, so dass bei
großem Verhältnis (1:5 bis 1:8) des Querschnitts der Entladungskammer 2 gegenüber
dem Querschnitt des Begrenzungskanals 4 die Geschwindigkeit des Aktivgasstrahls 6
wesentlich ansteigt, wodurch die Zeit, die die chemisch aktiven Teilchen des Aktivgasstrahls
6 benötigen, um die Strecke von der Entladungskammer 2 bis zum Anwendungsort zurückzulegen,
stark reduziert wird. Infolge der Zeitverkürzung kommt es zu weniger Rekombinationen
aktiver Teilchen (verringerter Aktivitätsverlust des Aktivgasstrahls 6) und dies führt
zu einer Erhöhung der Effektivität des Aktivgasstrahles 6 auf der zu bearbeitenden
Oberfläche 7 (in Fig. 1 nicht dargestellt). Andererseits wird dadurch jedoch aufgrund
des geringen Durchmessers des Begrenzungskanals 4 der aerodynamische Widerstand am
verjüngten Ende 21 der Entladungskammer 2 steigen und die Effektivität innerhalb der
Entladungszone 22 beeinträchtigen. Dies erklärt sich dadurch, dass die Temperatur
des Plasmas mit steigendem Druck zunimmt. Der Begrenzungskanal 4 ist deshalb im Wesentlichen
zylinderförmig ausgebildet und weist einen auf den Durchmesser der Entladungskammer
2 angepassten Querschnitt von 1:5 bis 1:8 auf.
[0013] In die Entladungskammer 2 wird Prozessgas 1 eingeleitet. Dabei wird das zugeführte
Prozessgas 1 durch die Wechselwirkung mit dem Feld 3 in der elektrischen Entladungszone
22 aktiviert, im konisch verjüngten Teil 21 der Entladungskammer 2 beschleunigt und
größtenteils entladen und in den Begrenzungskanal 4 eingeleitet, der die Ausbreitung
der Entladungszone 22 nach außen in den freien Bearbeitungsraum verhindert. Nach dem
Begrenzungskanal 4 strömt der Aktivgasstrahl 6 durch eine strahlformende Einrichtung
5, in der er entsprechend dem Anwendungszweck in bezug auf Geschwindigkeit, Temperatur,
geometrische Form und Strömungsart (laminar oder turbulente Strömung) geformt wird.
Die Entladungszone 22 kann dabei beliebig (je nach Art der verwendeten Felderzeugung)
durch Gleich-, Wechsel- oder Impulsstrom, elektromagnetische Induktion, Mikrowellen
oder andere Anregungsarten, die eine elektrische Gasentladung beim verwendeten Prozessgas
1 auslösen, entstehen.
Fig. 2 stellt die Erfindung in einer Variante dar, bei der eine Aktivierung des Prozessgases
1 durch eine Bogenentladung 34 zwischen zwei Elektroden in der Entladungskammer 2
erfolgt. Eine der Elektroden ist eine stabförmige Zentralelektrode 31, die andere
befindet sich an der Innenwand der Entladungskammer 2 und bildet eine sogenannte Hohlelektrode
32. Die Hohlelektrode 32 ist mindestens an dem konisch verjüngten Ende 21 der Entladungskammer
2 angebracht. Sie kann aber auch selbst die Wand der Entladungskammer 2 bilden (wie
z.B. in Fig. 13 dargestellt).
In die Entladungskammer 2, in der zwischen der Zentralelektrode 31 und der Hohlelektrode
32 entlang der inneren Wand der Entladungskammer 2 mittels eines Generators 33 eine
elektrische Bogenentladung 34 stattfindet, wird tangential das Prozessgas 1 eingeleitet.
Durch die Wechselwirkung mit der elektrischen Bogenentladung 34 wird das Prozessgas
1 aktiviert, im kegelförmig verjüngten Teil 21 der Entladungskammer 1 beschleunigt
und auf dem Weg zum Begrenzungskanal 4 größtenteils entladen. Im nachfolgenden Begrenzungskanal
4, der eine bei großen Gasgeschwindigkeiten mögliche Auswölbung 23 der Entladungszone
22 aufnimmt, wird eine Weiterleitung des elektrischen Potentials der Entladungszone
22 nach außen in den freien Raum der zu bearbeitenden Oberfläche 7 verhindert. Bei
sehr hohem Gasdurchsatz durch die Entladungskammer 2 werden Entladungsbüschel in den
Aktivgasstrahl des Begrenzungskanals 4 ausgeblasen, d.h. es bildet sich eine Auswölbung
23 der Entladungszone 22. Die elektrische Leitfähigkeit und der damit verbundene elektrische
Widerstand des Plasmabogens (elektrischer Entladungsbogen im Prozessgas 1) bei gleichzeitig
hohem Strom führt zu einem erheblichen Potential gegenüber der geerdeten Hohlelektrode
32 auch in naher Distanz des Plasmabogens. Es tritt deshalb auch außerhalb der Entladungskammer
2 ein erhebliches elektrisches Potential auf, wenn mit hoher Prozessgasgeschwindigkeit
gearbeitet wird. Dieses Potential kann unter Umständen am kreisringförmigen Ende der
Hohlelektrode 32 noch einige Hundert Volt betragen. Diese Erscheinung stellt eine
Gefährdung für das Bedienpersonal dar, falls an dieser Stelle der Bearbeitungsraum
anschließt. Im Fall des Austretens von Entladungsbüscheln könnten außerdem elektrische
Defekte an sensiblen Oberflächen zu behandelnder Objekte - z.B. Halbleiter oder Halbleiterstrukturen
- hervorgerufen werden. Um das Austreten der Auswölbungen 23 (Entladungsbüschel) mit
gefährlichem elektrischen Potential infolge einer hohen Aktivgasstrahlgeschwindigkeit
aus der Entladungszone 22 in den freien Raum zu verhindern, wird der Aktivgasstrahl
6 am Ausgang der Entladungskammer 2 durch den engen, geerdeten Begrenzungskanal 4
geleitet, in dem mit einem gewissen aerodynamischen Stau eine weitere Entladung des
Aktivgasstrahles 6 erfolgt. Der Begrenzungskanal 4 ist so dimensioniert, dass die
in ihn eintretende Auswölbung 23 der Entladungszone 22 ein Potential besitzt, dessen
Größe am Eintritt in den Begrenzungskanal 4 für einen Durchbruch zur Kanalwand noch
zu gering ist. Mit zunehmender Weglänge im Begrenzungskanal 4 steigt die Spannung
im Entladungsbogen so weit an, bis ein Durchbruch zur Kanalwand erfolgt. Somit muss
der Begrenzungskanal 4 entsprechend den übrigen Bedingungen der Plasmaerzeugung eine
gewisse Mindestlänge besitzen, die sicherstellt, dass vorgenannte Auswölbung 23 der
Entladungszone 22 den Begrenzungskanal 4 nicht durchqueren kann und die mit einem
Verhältnis zwischen Kanalquerschnitt und Kanallänge von 1/5 bis 1/10 anzugeben ist.
Der Aktivgasstrahl 6 weist eine mit der Temperatur am Ausgang der Entladungskammer
2 vergleichbare Temperatur auf, seine gasdynamischen Eigenschaften (Geschwindigkeit
und Strömungsverhältnisse) werden jedoch vom Gasdurchsatz und von den Dimensionen
und der konstruktiven Gestaltung des Begrenzungskanals 4 wesentlich mitbestimmt.
Nach dem Begrenzungskanal 4 strömt der Aktivgasstrahl 6 durch die strahlformende Einrichtung
5, in der er entsprechend dem Anwendungszweck in bezug auf Geschwindigkeit, Temperatur,
geometrische Form und Strömungsart (laminar oder turbulente Strömung) geformt wird.
Hierfür können verschiedene Ausführungen von strahlformenden Einrichtungen 5 zur Anwendung
gelangen, z.B. Düsen, derartig gestaltet, dass eine adiabatische Expansion des Aktivgaststrahls
auftritt, um die Temperatur zu senken, oder abgeflachte strahlformende Einrichtungen
5, wie sie nachfolgend noch näher beschrieben werden, um einen flachen, breiten Aktivgasstrahl
6 zu formen.
Die elektrische Entladungszone 22 kann für die beschriebene Vorrichtung beliebig (je
nach Art des verwendeten Spannungsgenerators 33) durch Gleich-, Wechsel- oder Impulsstrom
entstehen.
Der in der Entladungskammer 2 erzeugte Aktivgasstrahl 6 verliert beim Durchströmen
des Begrenzungskanals 4 leider auch einen Teil seiner Aktivität infolge von Rekombination
der aktiven Teilchen und wegen Wechselwirkungen des Aktivgasstrahles 6 mit der Kanalwand.
Um die Wirkung vorgenannter Prozesse zu vermindern, ist bei einer Kürzung der Kanallänge
eine gleichzeitige Verkleinerung des Querschnitts des Begrenzungskanals 4 erforderlich.
Dadurch würde jedoch der aerodynamische Widerstand des Begrenzungskanals 4 steigen
und die Effektivität innerhalb der Entladungskammer 2 beeinträchtigt. Dies erklärt
sich dadurch, dass die Temperatur des Plasmas mit steigendem Druck zunimmt. Gleichzeitig
wird eine stärkere thermische Belastung der Zentralelektrode 31 und Hohlelektrode
32 verursacht, die zu höherem Elektrodenverschleiß führt. Dies kann dadurch vermindert
werden, dass der Begrenzungskanal 4 aus zwei oder mehreren geerdeten Einzelkanälen
41 besteht, die in elektrisch leitendem Material parallel zueinander angeordnet sind
und einen größeren effektiven Strömungsquerschnitt ergeben. Fig. 2 zeigt dazu eine
Ausführung, bei der um einen zentralen Einzelkanal 41 herum weitere Einzelkanäle 41
gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
Fig. 3 stellt eine Erzeugung eines Aktivgasstrahles 6 dar, bei der - im Unterschied
zum oben beschriebenen Beispiel - die Zentralelektrode 31 anstatt der Stabform die
Form einer elektrisch leitenden Zylinderkappe aufweist. Diese Zentralelektrode 31
ist mit ihrer Öffnung in Richtung der Entladungskammer 2 koaxial angeordnet. Das Prozessgas
1 wird tangential in einen Spalt zwischen der zylindrischen Zentralelektrode 31 und
der Entladungskammer 2 eingeleitet. Beim Einsatz einer solchen Form der Zentralelektrode
31 vergrößert sich die Stützfläche der Bogenentladung 34 auf der Zentralelektrode
31, d.h. die Fußpunkte der Bogenentladungen 34 bewegen sich bei intensiv verwirbelter
Strömung des Prozessgases 1 auf einer größeren Oberfläche. Dadurch wird bei der Zentralelektrode
31 eine Überhitzung verhindert und die Lebensdauer sowie der maximale Entladungsstrom
erhöht.
In Fig. 4 ist eine Variante dargestellt, bei der das Prozessgas 1 zwischen zwei in
der Entladungskammer 2 in Strömungsrichtung nacheinander angeordneten Elektroden 35
aktiviert wird. Mittels eines Hochfrequenzgenerators 36 wird die Entladungszone 22
durch eine Hochfrequenzentladung in einem Wechselfeld 3 erzeugt, wobei die Entladungskammer
2 aus elektrisch isolierendem Material (z.B. Quarz) besteht.
Da hinlänglich bekannt ist, dass die bei Verwendung von kalten Elektroden 35 entstehende
elektrische Entladung unter bestimmten Drücken, z.B. bei Atmosphärendruck, ohne zusätzliche
Maßnahmen instabil ist, weil hohe Elektronendichten und Energiegradienten vor den
Elektroden 35 eine Raumladungsschicht erzeugen und die Entladung destabilisieren.
In Hochfrequenzentladungen wird diese Stabilisierung durch einfache Maßnahmen (wie
sie beispielsweise von J. Reece Roth in: Industrial Plasma Engineering, Vol. 1: Principles,
Inst. of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1995, S. 382-385, 404-407,
464f. beschrieben sind) erzielt. Aus diesem Grund der einfachen Erhaltung einer stabilen
Entladung ist eine HF-Entladung zur Aktivierung des Prozessgases 1 besonders vorteilhaft.
Sämtliche Elektroden, wie sie in den vorhergehenden Gestaltungsvarianten zur Erzeugung
der elektrischen Entladungszone 22 beschrieben wurden, sind jedoch mehr oder weniger
einem Erosionsprozess ausgesetzt, d.h. sie verschleißen. Das führt zu einer Kontamination
der Entladungskammer 2 und des Prozessgases 1 durch Elektrodenmaterial. Um einen von
Kontaminierung durch Elektrodenmaterial freien Aktivgasstrahl 6 zu erzeugen, wird
gemäß Fig. 5 die Entladungszone 22 ohne Elektroden erzeugt. Dazu wird die in diesem
Beispiel aus elektrisch isolierendem, aber mikrowellentransparentem Material bestehende
Entladungskammer 2 in das Feld 3 eines Mikrowellengenerators 37 eingebracht, wobei
in einem typischen Mikrowellenleiter 38, der an den Mikrowellengenerator 37 angeschlossen
ist, ein Ort relativ gleichmäßiger und hoher Feldstärke genutzt wird. Alle übrigen
Abläufe, die aus der Entladungszone 22 den Aktivgasstrahl 6 hervorbringen, laufen
entsprechend den vorhergehenden Beispielen ab.
Eine ebenfalls elektrodenlose Aktivierung des Prozessgases 1 ist in Fig. 6 dargestellt.
Hier wird ein Hochfrequenzgenerator 36 dazu benutzt, mit einer Spule 39 ein hochfrequent
wechselndes Feld 3 in der Entladungskammer 2 zu induzieren. Dabei ist die Entladungskammer
2 innerhalb der Windungen der Spule 39 angeordnet und bildet innen die gewünschte
Entladungszone 22 aus. Das Material der Entladungskammer 2 ist relativ frei wählbar,
jedoch notwendig nicht ferromagnetisch. Wie bereits in den vorherigen Beispielen beschrieben,
wird das Prozessgas 1 im konisch verjüngten Ende 21 der Entladungskammer 2 beschleunigt
und im geerdeten Begrenzungskanal 4 von seinem gefährlichen Potential befreit, so
dass am Ausgang der strahlformenden Einrichtung 5 ein elektrisch neutraler Aktivgasstrahl
6 zur Verfügung steht.
[0014] Bei anspruchsvollen Oberflächenbehandlungen ist es häufig erforderlich, einzelne
Teile von Oberflächen 7 oder Vertiefungen an Werkstücken gleichwertig zu bearbeiten.
Dazu wird der ursprünglich einheitliche Aktivgasstrahl 6 für die Bearbeitung von einzelnen
Flächenteilen 71 und Vertiefungen in mehrere Strahlen aufgeteilt. Fig. 7 zeigt dazu
eine stilisierte Entladungskammer 2, bei der die Art der Erzeugung der elektrischen
Entladung beliebig gewählt sein kann. Das erzeugte Aktivgas wird aus der Entladungskammer
2 durch den Begrenzungskanal 4 in eine strahlformende Einrichtung 5 geleitet, die
verzweigte Düsen 51 aufweist. Die verzweigten Düsen 51 sind dabei auf unterschiedliche
Teilflächen 71 gerichtet, die unterschiedliche Höhen in der zu bearbeitenden Oberfläche
7 darstellen und jeweils einen Anteil des Aktivgasstrahles 6 auf die Teilflächen 71
leiten.
[0015] Bei den zur Oberflächenbearbeitung bekannten Plasmastrahl-Generatoren, wie z.B. nach
DE 195 46 930 C1, DE 195 32 412 A1, wird der Gasstrahl nach dem Verlassen des Generators
verbreitert, bevor er die zu bearbeitende Oberfläche erreicht. Geschieht das allerdings
zu großzügig, verliert der Gasstrahl auf dem Weg zur Oberfläche 7 zuviel Aktivität
durch Rekombinationen sowie Wechselwirkungen mit den Gasteilchen der umgebenden Atmosphäre.
Zu der vorliegenden Erfindung werden deshalb einige zusätzliche Maßnahmen vorgeschlagen,
die die Aktivitätsverluste auf dem Weg von der Erzeugung des Aktivgasstrahles 6 bis
zum Erreichen der zu bearbeitenden Oberfläche 7 auch bei einer großen gleichzeitig
bearbeiteten Oberfläche 7 gering halten. Dazu zeigen die Figuren 8 und 9 zwei Möglichkeiten
für regelmäßig geformte Oberflächen 7. In Fig. 8 sind als strahlformende Einrichtung
5, direkt an den Begrenzungskanal 4 anschließend, abgewinkelte, weitgehend ebene Leitbleche
52 vorgesehen, die in geringem Abstand über der ebenen Oberfläche 7 gleichmäßig geführt
werden müssen. Durch diese Maßnahme wird die bereits in der am Ende verjüngten Entladungskammer
2 erzeugte und über den Begrenzungskanal 4 weitergeleitete hohe Gasgeschwindigkeit
auch in der strahlformenden Einrichtung 5 in Form eines Strahls, der parallel zur
Oberfläche 7 geführt wird, durch eine Art Grenzschichtleitung fortgesetzt. Chemisch
aktive Teilchen des Aktivgasstrahles 6, der hierbei zu einer nahezu laminaren Strömung
entartet, kommen somit in kürzester Zeit auf eine größere Fläche der zu bearbeitenden
Oberfläche 7, noch bevor sie rekombinieren können. Dieselbe Funktionsweise zeigt Fig.
9 für eine sphärische Oberfläche 7, wobei hier die Leitbleche 52 entsprechend der
Oberflächenkrümmung eine konzentrische Wölbung aufweisen müssen, um den gleichen Effekt
der laminaren Strömungsschicht zu erreichen.
Eine weitere spezielle Gestaltung von strahlformender Einrichtung ist in Fig. 10 gezeigt.
Dieses Beispiel beschäftigt sich mit der effektiven Bearbeitung eines kontinuierlichen
Materialflusses, bei dem entweder ein Strangprofil 72 oder ein Materialfluss identischer
Werkstücke gleichzeitig an mehreren Oberflächen 7 mit einem Aktivgasstrahl 6 bearbeitet
werden sollen. In Fig. 10 wird ein Strangprofil 72 durch einen geschlossenen Bearbeitungskanal
53 geführt, wobei an wenigstens zwei gegenüberliegenden Seiten dieses Bearbeitungskanals
53 schräg zur Bewegungsrichtung des Strangprofils 72 jeweils eine erfindungsgemäße
Vorrichtung angebracht ist.
Alle bisher beschriebenen Anordnungen beinhalten nur den Einsatz eines Prozessgases
oder Prozessgasgemisches, das direkt in die Entladungskammer 1 in entsprechender Anordnung
eingeleitet wird. Soll ein zusätzlicher Stoff zugesetzt werden, der nicht in der Entladungszone
22 aktiviert werden soll, so kommen zwei mögliche Anordnungen in Frage, die entweder
gemäß Fig. 11 durch Zugabe unmittelbar vor dem Begrenzungskanal 4 oder gemäß Fig.
12 durch Einleitung direkt in den neutralen Aktivgasstrahl 6 nach dem Begrenzungskanal
4 in der Strahlformungseinrichtung 5 realisiert werden können.
Im ersten Fall (Fig. 11) wird hierzu der Zusatzstoff 8 über ein hochtemperaturfestes
Zufuhrrohr 81 zugeführt, das wenige Millimeter vor dem der Entladungszone 22 zugewandten
Ende des Begrenzungskanals 4 endet und aus Keramik, Quarz oder einem vergleichbar
temperaturbeständigen Material besteht. Um möglichst keine Störung durch diesen Zusatzstoff
8 in der Entladungszone 22 zu erhalten, darf der Massenstrom dieses Zusatzstoffes
8 nur einen Bruchteil des Massenstroms des Prozessgases 1 in der Entladungskammer
2 ausmachen. Die Entladungskammer 2 ist in dieser Ausführungsform in ein Gehäuse 9
eingebunden, da hier eine elektrodenlose Aktivierung des Prozessgases 1 angenommen
werden soll. Das Gehäuse 9 symbolisiert im einfachsten Fall einen Wellenleiter 38
mit angeschlossener Mikrowellenquelle 37 gemäß Fig. 5, kann aber auch eine Spule 39
gemäß Fig. 7 sowie eine zugehörige Kühlung aufnehmen.
Im zweiten Fall (Fig. 12) wird das aktivierte Prozessgas 1 durch einen Begrenzungskanal
4 mit mehreren parallelen Einzelkanälen 41, die in einem Ring 42 angeordnet sind,
geführt. Im Zentrum des als dicke Lochplatte ausgebildeten Begrenzungskanals 4 befindet
sich anstelle eines zentralen Einzelkanals 41 ein Zufuhrkanal 82, der von außen zugeleitet
wird. Über diesen Zufuhrkanal 82, der innerhalb der metallischen Lochplatte des Begrenzungskanals
4 von außen in die Mitte des Ringes 42 der Einzelkanäle 41 geführt ist, wird der Zusatzstoff
8 in das Zentrum eines Aktivgasstrahls 6, der näherungsweise einen Gasring darstellt,
eingebracht. Da der Aktivgasstrahl 6 bei den geringen Querschnitten der Einzelkanäle
41 mit sehr hoher Geschwindigkeit ausströmt, kann der Massenstrom des Zusatzstoffes
8 über den Zufuhrkanal 82 über einen großen Bereich variiert und sehr genau eingestellt
werden.
Die Fig. 13 stellt den Längs- und Querschnitt der Vorrichtung für die Erzeugung eines
elektrisch neutralen Aktivgasstrahls 6 in einem handhabbaren Gehäuse 9 dar. Die Vorrichtung
besteht aus Entladungskammer 2, Begrenzungskanal 4 und Strahlformungseinrichtung 5,
die als ein einheitlicher Grundkörper 91 in der Form eines griffigen Handstückes (Pen)
aus Kupfer oder einem anderen sehr guten elektrischen Leiter gebildet sind, einer
stabförmigen Zentralelektrode 31, die mittels eines aus Quarz bestehenden Isolatorrohres
29, koaxial zu der Wand der Entladungskammer 2, die zugleich die Hohlelektrode 32
darstellt, angeordnet ist. Das Isolatorrohr 29 wird durch einen elastischen Dichtungsring
92 im Grundkörper 91 gasdicht bezüglich der Entladungskammer 21 abgedichtet. Das Ende
der Zentralelektrode 31 steht aus dem Isolatorrohr 29 um eine Länge von bis zum zweifachen
Durchmesser der Zentralelektrode 31 in die Entladungskammer 2 vor. Das Isolatorrohr
29 selbst ragt mindestens um eine Länge von der Größe des eigenen Außendurchmessers
in die Entladungskammer 2 hinein und bildet somit außerhalb seiner Mantelfläche einen
Teil der Entladungskammer 2 in Form eines Hohlzylinders. In diesen Hohlzylinder nahe
der hinteren Stirnwand der Entladungskammer 2 wird das Prozessgas 1 symmetrisch in
die Entladungskammer 2 eingeleitet.
Das konisch verjüngte Ende 21 der Entladungskammer 2 geht fließend in den engen Begrenzungskanal
4 über. Der Durchmesser des Begrenzungskanals 4 steht im Verhältnis 1:8 zu dessen
Länge und ist in Fig. 13 nur stilisiert (nicht maßstabsgerecht) gezeichnet. An den
Begrenzungskanal 4 schließt sich die strahlformende Einrichtung 5 an. Die Entladungskammer
2, der Begrenzungskanal 4 und die strahlformende Einrichtung 5 sind einheitlich aus
Kupfer gefertigt und weisen einen gemeinsamen geerdeten Kontakt 93 auf. Der geerdete
Kontakt 93 ist zugleich mit dem negativen Pol des Spannungsgenerators 33 (in Fig.
13 nicht dargestellt) verbunden. Der positive Pol des Spannungsgenerators 33 ist an
die Zentralelektrode 31 angeschlossen.
Die Zufuhr des Prozessgases 1 erfolgt über den Gaseinlass 24 zunächst in eine zylindrische
Verteilungskammer 25, von der aus über gleichmäßig verteilte tangentiale Strömungskanäle
26 eine spiralförmige Gasströmung im hohlzylinderförmigen Teil der Entladungskammer
2 generiert wird. Diese Maßnahme bewirkt, dass die Fußpunkte der Bogenentladung 34
(in Fig. 13 nicht darstellt) an der Zentralelektrode 31 auf deren Stirnfläche und
unmittelbar angrenzende Teile der Elektrodenoberfläche einschränkt werden, so dass
das Isolatorrohr 29 thermisch weniger belastet und dessen Erosion verringert wird.
Am rückwärtigen Ende des Grundkörpers 91 - genauer gesagt an der hinteren Stirnwand
der Entladungskammer 2 ist ein isolierender Anschlusskörper 94 befestigt (z.B. geschraubt),
der die Befestigung und den Anschluss der Zentralelektrode 31 trägt. Der Anschlusskörper
94 weist einen zusätzlichen Gaseinlass 27 auf, der über eine schmale Ringkammer 28
entlang der Zentralelektrode 31 mit der Entladungskammer 2 verbunden ist. Durch diese
schmale Ringkammer 28 wird zwischen Zentralelektrode 31 und Isolatorrohr 29 ein Teil
des Prozessgases 1 mit der Funktion einer Elektrodenkühlung und direkter Einspeisung
in die Entladungszone 22 zugeführt. Die Ringkammer 28 wird rückwärtig im Anschlusskörper
94 durch einen elastischen Ring 96 gegen die Zentralelektrode 31, die nach hinten
zur Anschlussklemme 95 hindurch geführt ist, abgedichtet. Auch in die Ringkammer 28
können - wie zwischen der Verteilungskammer 25 und dem hohlzylindrischen Teil der
Entladungskammer 2 - tangentiale Strömungskanäle 26 (für Ringkammer 28 nicht dargestellt)
zur Erzeugung einer spiralförmigen Gaszirkulation vorgesehen sein.
Die Vorrichtung nach Fig. 13 funktioniert nun in folgender Art und Weise. Ein Teil
des Prozessgases 1 wird durch den zusätzlichen Gaseinlass 27 zugeführt und strömt
durch die Ringkammer 28 zwischen der Zentralelektrode 31 und dem Isolatorrohr 29 in
die Entladungskammer 2. Gleichzeitig wird der andere (größere) Teil des Prozessgases
1 durch den Gaseinlass 24 über die Verteilungskammer 25, durch die tangentialen Öffnungen
26 der Entladungskammer 2 in deren hohlzylinderförmigen Teil, der durch die Hohlelektrode
32 und das hereinragende Isolatorrohr 29 gebildet wird, zugeführt. Dadurch wird eine
spiralförmige Wirbelströmung in der Entladungskammer 2 erzeugt. Bei der Zufuhr des
Prozessgases 1 durch die Gaseinlässe 24 und 27 und gleichzeitigem Anliegen einer Gleichspannung
zwischen geerdetem Kontakt 93 und Anschlussklemme 95 entsteht eine elektrische Entladung
in der Entladungskammer 2. Das Prozessgas 1 wird aufgrund der Wechselwirkungen in
der Entladungszone 22 (analog zu Fig. 2, jedoch in Fig. 13 nicht dargestellt) aktiviert,
verlässt die Entladungskammer 2 - durch deren konisch verjüngtes Ende 21 beschleunigt
- mit hoher Geschwindigkeit und strömt durch den anschließenden Begrenzungskanal 4
sowie die strahlformende Einrichtung 5 in den (freien) Bearbeitungsraum. Der Aktivgasstrahl
6 verliert im Wesentlichen im Begrenzungskanal 4 sein Potential, dessen Größe am Ende
des Begrenzungskanals 4 gegenüber Masse (geerdet) nahezu Null ist. In der nachfolgenden
strahlformenden Einrichtung 5 wird der Aktivgasstrahl 6 dann auf die für die Anwendung
gewünschte Breite und Form (wie beispielhaft zu den Figuren 7 bis 9 beschrieben) gebracht.
Damit steht ein chemisch sehr wirkungsvoller und elektrisch neutraler Aktivgasstrahl
6 für beliebige Anwendungsfälle zur Verfügung.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
[0016]
- 1
- Prozessgas
- 2
- Entladungskammer
- 21
- konisch verjüngtes Ende
- 22
- Entladungszone
- 23
- Auswölbung der Entladungszone
- 24
- tangentiale Strömungskanäle
- 25
- Verteilungskammer
- 26, 27
- Gaseinlass
- 28
- Ringkammer
- 29
- Isoiatorrohr
- 3
- Feld
- 31
- Zentralelektrode
- 32
- Hohlelektrode
- 33
- Spannungsgenerator
- 34
- Bogenentladung
- 35
- HF-Elektrode
- 36
- HF-Quelle
- 37
- Mikrowellenquelle
- 38
- Mikrowellenleiter
- 39
- Spule
- 4
- Begrenzungskanal
- 41
- Einzelkanäle
- 42
- Ring (von Einzelkanälen)
- 5
- strahlformende Einrichtung
- 51
- verzweigte Düsen
- 52
- Leitbleche
- 53
- Bearbeitungskanal
- 6
- Aktivgasstrahl
- 61
- Teilstrahlen
- 7
- Oberfläche
- 71
- Teilflächen
- 72
- Strangprofil
- 8
- Zusatzstoffe
- 81
- Zufuhrrohr
- 82
- Zufuhrkanal
- 9
- Gehäuse
- 91
- Grundkörper
- 92
- elastischer Dichtungsring
- 93
- Erdungsklemme
- 94
- isolierender Anschlusskörper
- 95
- Anschlussklemme (der Zentralelektrode)
- 96
- elastischer Ring
1. Vorrichtung zum Erzeugen eines chemisch aktiven Strahls (Aktivgasstrahls) mittels
eines durch elektrische Entladung generierten Plasmas in einem verwendeten Prozessgas
mit einer im Wesentlichen zylindrischen Entladungskammer, die von einem Prozessgas
durchströmt wird und in der zur Aktivierung des Prozessgases eine Plasmaerzeugung
infolge einer elektrischen Gasentladung vorgesehen ist, einem Gaseinlass zum kontinuierlichen
Zuführen des Prozessgases in die Entladungskammer sowie einer Austrittsöffnung zum
Ausrichten des Aktivgasstrahles auf eine zu bearbeitende Oberfläche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Entladungskammer (2) ein konisch verjüngtes Ende (21) zur Erhöhung der Geschwindigkeit
des Aktivgasstrahls (6) aufweist und
- dem verjüngten Ende (21) der Entladungskammer (2) ein Begrenzungskanal (4) zur Verhinderung
der Ausbreitung der Entladungszone (22) in den freien Raum für die zu bearbeitende
Oberfläche (7) nachgeordnet ist, wobei der Begrenzungskanal (4) im Wesentlichen zylinderförmig
ausgebildet und geerdet ist und dessen Länge um den Faktor 5 bis 10 größer als sein
Querschnitt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Aktivierung des Prozessgases (1) eine Bogenentladung (34) vorgesehen ist, wobei
die Entladungskammer (2) eine Zentralelektrode (31) und eine Hohlelektrode (32), die
die Innenwand der Entladungskammer (2) mindestens im Bereich des konisch verjüngten
Endes (21) flächig und symmetrisch bedeckt, aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der Begrenzungskanal (4) direkt an die Hohlelektrode (32) angefügt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Zentralelektrode (31) stabförmig ausgebildet und entlang der Symmetrieachse der
Entladungskammer (2) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
die Zentralelektrode (31) die Form einer Zylinderkappe aufweist, die eine Zylindermantelfläche
geringer Höhe sowie eine Deckfläche beinhaltet und deren Öffnung koaxial zur Symmetrieachse
der Entladungskammer (2) ausgerichtet und oberhalb des Gaseinlasses (26) der Entladungskammer
(2) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Aktivierung des Prozessgases (1) die Entladungskammer (2) in einem mit Hochfrequenz
(Radiofrequenz) erzeugten Induktionsfeld angebracht ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Aktivierung des Prozessgases (1) die Entladungskammer (2) mit zwei entlang der
Wand der Entladungskammer (2) in Strömungsrichtung des Prozessgases (1) angeordneten
HF-Elektroden (35), die mit Radiofrequenz betrieben werden, versehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Aktivierung des Prozessgases (1) die Entladungskammer (2) in einer mit Hochfrequenz
betriebenen Spule (39) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
zur Aktivierung des Prozessgases (1) die Entladungskammer (2) in einem an einer Mikrowellenquelle
(37) angeschlossenen Wellenleiter (38) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
dem Begrenzungskanal (4) eine strahlformende Einrichtung (5) zur Einstellung des Aktivgasstrahls
(6) mit gewünschten Parametern, insbesondere Geschwindigkeit, Temperatur, geometrische
Form und Strömungsart, nachgeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
an den Ausgang des Begrenzungskanals (4) verzweigte Düsen (51) zum Bearbeiten einzelner
Teilflächen (71) oder Vertiefungen der zu bearbeitenden Oberfläche (7) angeschlossen
sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
die strahlformende Einrichtung (5) durch Leitbleche (52) an die Form der zu bearbeitenden
Oberfläche (7) angepasst ist, wobei der Abstand zwischen der Oberfläche (7) und den
Leitblechen (52) in einem definiert kleinen Bereich gehalten wird, so dass die effektiv
behandelte Oberfläche (7) eine größere Fläche umfasst.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass
strahlformende Einrichtungen (5) vorgesehen sind, die zwei oder mehrere erfindungsgemäße
Vorrichtungen zur Erzeugung des Aktivgasstrahles (6) in einen Bearbeitungskanal (53)
einbinden, wobei in dem Bearbeitungskanal (53) bei kontinuierlichem Materialdurchlauf
mehrere zu behandelnde Oberflächen (7) eines Werkstücks gleichzeitig oder Oberflächen
(7) von Strangprofilen (72) mit beliebigem Querschnitt allseitig bearbeitbar sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein in der Entladungskammer (2) axial angeordnetes Zufuhrrohr (81), das kurz vor dem
Ausgang der Entladungskammer (2) endet, zur Einbringung von Zusatzstoffen (8) in den
Aktivgasstrahl (6) vorgesehen ist, wobei ein Einfluss der Zusatzstoffe (8) auf die
Entladungscharakteristik und eine Kontaminierung der Entladungskammer (2) durch die
Zusatzstoffe (8) oder deren Reaktionsprodukte vermieden wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Begrenzungskanal (4) mehrere Einzelkanäle (41) umfasst, um den gasdynamischen
Widerstand und die Verweildauer des Aktivgases (6) im Begrenzungskanal (4) zu reduzieren,
wobei die Einzelkanäle (41) um einen zentralen Kanal herum gleichmäßig in einem Ring
(42) verteilt angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass
der Begrenzungskanal (4) mit mehreren Einzelkanälen (41) einen zentralen Zufuhrkanal
(82) für Zusatzstoffe (8) aufweist, wobei der Zufuhrkanal (82) axial im Zentrum des
Ringes (42) von mit aktiviertem Prozessgas (6) durchströmten Einzelkanälen (41) angeordnet
ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 16, dadurch gekennzeichnet dass
die Zusatzstoffe (8) im Bereich des Begrenzungskanals (4) als Gase, Flüssigkeiten
in Form von Aerosolen oder Feststoffe in Form feiner Partikel einführbar sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Hohlelektrode (32), der Begrenzungskanal (4) und die strahlformende Einrichtung
(5) als einheitlicher Rotationskörper mit sehr guter elektrischer Leitfähigkeit gefertigt
sind, die Zentralelektrode (31) als koaxial von einem Isolatorrohr (29) umgebene stabförmige
Zentralelektrode (31) in die Entladungskammer (2), die von der Hohlelektrode (32)
gebildet wird, eingeführt ist, und die Gaszufuhr für das Prozessgas (1) tangentiale
Strömungskanäle (24) in einer die Zentralelektrode (31) konzentrisch umgebenden zylindrischen
Verteilungskammer (15; 16) aufweist, wobei infolge einer resultierenden spiralförmigen
Gasströmung aus der Verteilungskammer (15; 16) in die Entladungskammer (2) Bogenentladungen
(34) zwischen Zentralelektrode (31) und Hohlelektrode (32) einen auf das Ende der
Zentralelektrode (31) konzentrierten Austrittsbereich aufweisen.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass
tangentiale Strömungskanäle (24) in einen zylindrischen ringförmigen Teil der Entladungskammer
(2) zwischen innerer Oberfläche der Hohlelektrode (32) und äußerer Oberfläche des
Isolatorrohres (29) geführt sind, so dass das Prozessgas (1) das Isolatorrohr (29)
von.außen spiralförmig umströmt.
20. Vorrichtung nach den Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass
tangentiale Strömungskanäle (24) zusätzlich in eine zylindrische Ringkammer (28) zwischen
stabförmiger Zentralelektrode (31) und innerer Oberfläche des Isolatorrohres (29)
geführt sind, so dass die Zentralelektrode (31) direkt von einem Anteil des Prozessgases
(1) gekühlt wird und Austrittspunkte von Bogenentladungen (34) im Wesentlichen auf
nichtzylindrische Flächen der Zentralelektrode (31) beschränkt sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass
das Ende der stabförmigen Zentralelektrode (31) das Isolatorrohr (29) um eine Länge
von bis zum zweifachen Durchmesser der Zentralelektrode (31) überragt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass
das Ende der Zentralelektrode (31) mit dem Ende des Isolatorrohrs (29) abschließt.
23. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass
der Begrenzungskanal (4) in Gasströmungsrichtung leicht kegelförmig verengt ist und
ein mittleres Verhältnis von Kanaldurchmesser zu Kanallänge von 1:8 aufweist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass
dem Begrenzungskanal (4) eine strahlformende Einrichtung (5) mit glockenförmig erweitertem
Ausgang nachgeordnet ist, so dass die Arbeitsbreite des Aktivgasstrahles (6) vergrößert
ist.