Plasmadüse

Abstract

 Plasmadüse zur Erzeugung eines Strahls (36) eines atmosphärischen Plasmas, mit einem von einem Arbeitsgas durchströmten Düsenrohr (12), einer koaxial in dem Düsenrohr angeordneten Elektrode (24), einem Hochfrequenzgenerator (30) zum Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode (24) und dem Düsenrohr (12) und einer Dralleinrichtung (18) zur verdrallten Einleitung des Abeitsgases in einen Ringraum zwischen der Elektrode (24) und dem Düsenrohr (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum auf der Länge der Elektrode (24) nach außen durch die leitende Oberfläche des Düsenrohres (12) begrenzt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse zur Erzeugung eines Strahls eines atmosphärischen Plasmas, mit einem von einem Arbeitsgas durchströmten Düsenrohr, einer koaxial in dem Düsenrohr angeordneten Elektrode, einem Hochfrequenzgenerator zum Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode und dem Düsenrohr und einer Dralleinrichtung zur verdrallten Einleitung des Abeitsgases in einen Ringraum zwischen der Elektrode und dem Düsenrohr.

[0002] Eine Plasmadüse dieser Art ist aus US-A-5 837 958 bekannt und dient insbesondere zur Oberflächenvorbehandlung, beispielsweise zum Hydrophilisieren von Werkstücken, kann jedoch auch für andere Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise zur Plasmapolymerisation oder Plasmabeschichtung. Der Hochfrequenzgenerator erzeugt eine Spannung von beispielsweise 500 kV oder mehr mit einer Frequenz von 1kHz oder mehr zwischen der Elektrode und dem Düsenrohr. Hierdurch kommt es zu einer Bogenentladung, deren Entladungsbogen jedoch durch die verdrallte Strömung des Arbeitsgases mitgerissen wird. Das Arbeitsgas bildet einen Wirbel, der um die Achse des Düsenrohres rotiert. Letztlich wird so der Lichtbogen im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres kanalisiert, so daß er sich erst an der Mündung des Düsenrohres verzweigt und auf das Düsenrohr überschlägt. Aufgrund der raschen Rotation des Arbeitsgases im Wirbelkern kommt es auf der gesamten Länge des Lichtbogens zu einer innigen Berührung des Arbeitsgases mit dem Lichtbogen. Dadurch wird ein verhältnismäßig kühles, aber hoch reaktives Sekundärplasma erzeugt, das dann als Strahl aus der Mündung des Düsenrohres austritt.

[0003] Das Düsenrohr ist innen mit einem Keramikrohr ausgekleidet, das ein Dielektrikum bildet und den Zweck hat, die Zündung und Ausbildung des Lichtbogens zu steuern. Speziell kommt es beim Einschalten der Spannung zunächst zu einer Koronaentladung in dem Ringraum zwischen der Elektrode und dem Dielektrikum, und erst durch diese Koronaentladung wird die eigentliche Bogenentladung so gezündet, daß sich der Lichtbogen in der gewünschten Weise ausbildet.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfacher und kompakter aufgebaute Plasmadüse zu schaffen, bei der sich die Geometrie des Plasmastrahls besser steuern läßt.

[0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Ringraum auf der Länge der Elektrode nach außen durch die leitende Oberfläche des Düsenrohres begrenzt wird.

[0006] Überraschend hat sich gezeigt, daß die Funktionsweise der Plasmadüse nicht beeinträchtigt sondern im Gegenteil noch verbessert wird, wenn man auf das Dielektrikum ganz verzichtet. Die Zündung erfolgt dann schlagartig durch Überspringen des Lichtbogens zwischen der Elektrode und der Wand des Düsenrohres. Allein die verdrallte Strömung des Arbeitsgases reicht aus, den Lichtbogen so aus dem Ringraum herauszublasen, daß er wie bei der herkömmlichen Düse im Wirbelkern kanalisiert wird. Durch den Verzicht auf das Keramikrohr wird der Aufbau der Plasmadüse vereinfacht, und die Herstellungskosten werden gesenkt. Insbesondere läßt sich der Durchmesser und auch die axiale Länge der Plasmadüse reduzieren, ohne daß dies einen negativen Einfluß auf die Geometrie des Plasmastrahls hat.

[0007] Um die Form und Länge des Plasmastrahls zu steuern, ist es erwünscht, daß sich das Düsenrohr zur Mündung hin konisch verjüngt. Da jedoch ein Keramikrohr mit einer solchen Verjüngung nur schwer herzustellen ist, mußte es dann bei der herkömmlichen Plasmadüse eine Übergangsstelle zwischen dem Keramikrohr und der leitenden Oberfläche des Düsenrohres geben. Durch diese Übergangsstelle wurde die Strömung des Arbeitsgases im Düsenrohr gestört. Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden diese Probleme vermieden, und die Innenfläche des Düsenrohres läßt sich mit hoher konstruktiver Freiheit je nach Anwendungsfall so gestalten, daß der Plasmastrahl die gewünschte Form und Länge erhält.

[0008] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0009] Bevorzugt wird die Dralleinrichtung durch eine Wand aus Metall mit spriralförmig angeordneten Bohrungen gebildet, die gegenüber der Elektrode elektrisch isoliert ist und sich auf dem Potential wie das Düsenrohr befindet. Aufgrund der Strömungs- und Druckverhältnisse in dem Ringraum wird der Lichtbogen in die Strömung des Arbeitsgases eingesaugt und mitgerissen, so daß es zuverlässig zu einer Verlagerung des Fußpunktes des Lichtbogens zur Spitze der Elektrode kommt.

[0010] Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

[0011] Es zeigen:

Fig. 1

einen schematischen Schnitt durch eine Plasmadüse; und

Fig.2

einen Schnitt durch eine Plasmadüse gemäß einer abgewandelten Ausführungsform.

[0012] Die in Figur 1 gezeigte Plasmadüse 10 weist ein Düsenrohr 12 aus Metall auf, das sich konisch zu einer Auslaßöffnung 14 verjüngt. Am der Auslaßöffnung 14 entgegengesetzten Ende weist das Düsenrohr 12 einen Einlaß 16 für ein Arbeitsgas auf, beispielsweise für Druckluft. Eine Zwischenwand 18 des Düsenrohres 12 weist einen Kranz von schräg in Umfangsrichtung angestellten Bohrungen 20 auf und bildet so eine Dralleinrichtung für das Arbeitsgas. Der stromabwärtige, konisch verjüngte Teil des Düsenrohres wird deshalb von dem Arbeitsgas in der Form eines Wirbels 22 durchströmt, dessen Kern auf der Längsachse des Düsenrohres verläuft.

[0013] An der Unterseite der Zwischenwand 18 ist mittig eine Elektrode 24 angeordnet, die koaxial in den verjüngten Abschnitt des Düsenrohres hineinragt. Die Elektrode 24 wird durch einen rotationssymmetrischen, an der Spitze abgerundeten Stift gebildet, beispielsweise aus Kupfer, der durch einen Isolator 26 elektrisch gegenüber der Zwischenwand 18 und den übrigen Teilen des Düsenrohres isoliert ist. Über einen isolierten Schaft 28 wird an die Elektrode 24 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, die von einem Hochfrequenztransformator 30 erzeugt wird. Die Spannung ist variabel regelbar und beträgt beispielsweise 500 V oder mehr, vorzugweise 2 - 5 kV. Die Frequenz liegt beispielsweise in der Größenordnung von 1 bis 20 kHz und ist vorzugsweise ebenfalls regelbar. Der Schaft 28 ist mit dem Hochfrequenztransformator 30 über ein flexibles Hochspannungskabel 32 verbunden. Der Einlaß 16 ist über einen nicht gezeigten Schlauch mit einer Druckluftquelle mit variablem Durchsatz verbunden, die vorzugsweise mit dem Hochfrequenzgenerator 30 zu einer Versorgungseinheit kombiniert ist. Die Plasmadüse 10 läßt sich so mühelos mit der Hand oder mit Hilfe eines Roboterarms bewegen. Das Düsenrohr 12 und die Zwischenwand 18 sind geerdet.

[0014] Durch die angelegte Spannung wird eine Hochfrequenzentladung in der Form eines Lichtbogens 34 zwischen der Elektrode 24 und dem Düsenrohr 12 erzeugt. Aufgrund der drallförmigen Strömung des Arbeitsgases wird dieser Lichtbogen jedoch im Wirbelkern auf der Achse des Düsenrohres 12 kanalisiert, so daß er sich erst im Bereich der Auslaßöffnung 14 zur Wand des Düsenrohres 12 verzweigt. Das Arbeitsgas, das im Bereich des Wirbelkerns und damit in unmittelbarer Nähe des Lichtbogens 34 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit rotiert, kommt mit dem Lichtbogen in innige Berührung und wird dadurch zum Teil in den Plasmazustand überführt, so daß ein Strahl 36 eines verhältnismäßig kühlen atmosphärischen Plasmas, etwa in der Gestalt einer Kerzenflamme, aus der Auslaßöffnung 14 der Plasmadüse 10 austritt.

[0015] Figur 2 zeigt eine Plasmadüse 10' gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu Figur 1 ist hier die Elektrode 24 getrennt von der Zwischenwand 18 ausgebildet und schwebend an dünnen, radialen Stegen 38 gehalten, die die Wand des Düsenrohres 12 an elektrisch isolierenden Durchführungen 40 durchsetzen. Die Spannungszufuhr zu der Elektrode 24 erfolgt über die Stege 38.

[0016] Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß eine größere Freiheit hinsichtlich der Gestaltung der Elektrode 24 besteht. Insbesondere kann diese Elektrode eine Stromlinienform haben, so daß die drallförmige Strömung des Arbeitsgases im Düsenrohr weiter optimiert wird. Da außerdem die Zwischenwand 18 hier nicht als Wärmesenke für die Elektrode wirkt, kann die Elektrode 24 auf einer höheren Temperatur gehalten werden, so daß die Austrittsarbeit für die Elektronen kleiner ist.

Ansprüche

1. Plasmadüse zur Erzeugung eines Strahls (36) eines atmosphärischen Plasmas, mit einem von einem Arbeitsgas durchströmten Düsenrohr (12), einer koaxial in dem Düsenrohr angeordneten Elektrode (24), einem Hochfrequenzgenerator (30) zum Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode (24) und dem Düsenrohr (12) und einer Dralleinrichtung (18) zur verdrallten Einleitung des Abeitsgases in einen Ringraum zwischen der Elektrode (24) und dem Düsenrohr (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum auf der Länge der Elektrode (24) nach außen durch die leitende Oberfläche des Düsenrohres (12) begrenzt wird.

2. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dralleinrichtung (18) elektrisch mit dem Düsenrohr (12) verbunden und gegenüber der Elektrode (24) isoliert ist.

3. Plasmadüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Düsenrohr (12) zu seiner Auslaßöffnung (14) verjüngt.

4. Plasmadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (24) räumlich getrennt von der Dralleinrichtung (18) ausgebildet und mit radialen Stegen (38) schwebend im Düsenrohr (12) gehalten ist.

5. Plasmadüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (24) ein stromlinienförmiger Körper ist.

Zeichnung