DE29921694U1

DE29921694U1 - Plasmadüse

Info

Publication number: DE29921694U1
Application number: DE29921694U
Authority: DE
Original assignee: Agrodyn Hochspannungstechnik GmbH
Current assignee: Plasmatreat GmbH
Priority date: 1999-12-09
Filing date: 1999-12-09
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2009-12-10
Also published as: DE50009671D1; JP3838914B2; EP1236380B1; US20020179575A1; DK1236380T3; US6677550B2; JP2003518317A; ATE290303T1; WO2001043512A1; EP1236380A1; ES2237491T3

Description

TERMEER STEINMEISTER & PARTNER GBR PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dr. Nicolaus ter Meer, Dipl.-Chem. Peter Urner, Dipl.-Phys. Gebhard Merkle, Dipl.-Ing. (FH) Mauerkircherstrasse 45 D-81679 MÜNCHEN Helmut Steinmeister, Dipl.-Ing. Manfred Wiebusch

Artur-Ladebeck-Strasse D-33617 BIELEFELD

51

AGR P06 / 99

Wi/sc

7.12.1999

AGRODYN

Hochspannungstechnik GmbH Bisamweg 10

33803 Steinhagen

PLASMADÜSE

AGRODYN &Sgr; &idigr; **! * '. .* * *?JjR*P(i5/99 7.12.1999

PLASMADUSE

Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse zur Behandlung von Oberflächen, insbesondere zur Vorbehandlung von Kunststoff oberflächen, mit einem rohrförmigen, elektrisch leitfähigen Gehäuse, das einen von einem Arbeitsgas durchströmten Düsenkanal bildet, und einem Hochfrequenzgenerator zum Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode und dem Gehäuse,

Eine Plasmadüse dieser Art wird in DE 195 32 412 Al beschrieben und dient beispielsweise dazu, Kunststoffoberflächen so vorzubehandeln, dajß ein Auftragen von Klebstoffen, Druckfarben und dergleichen auf die Kunststoffoberfläche ermöglicht oder erleichtert wird. Eine solche Vorbehandlung ist erforderlich, da Kunststoffoberflächen im Normalzustand nicht mit Flüssigkeiten benetzbar sind und deshalb die Druckfarbe oder den Klebstoff nicht annehmen. Durch die Vorbehandlung wird die Oberflächenstruktur des Kunststoffs so verändert, daß die Oberfläche für Flüssigkeiten mit relativ großer Oberflächenspannung benetzbar wird. Die Oberflächenspannung der Flüssigkeiten, mit denen die Oberfläche gerade noch benetzbar ist, stellt ein Maj3 für die Qualität der Vorbehandlung dar.

Durch die bekannte Plasmadüse wird ein verhältnismäßig kühler, jedoch hochreaktiver Plasmastrahl erreicht, der etwa die Gestalt und die Abmessungen einer Kerzenflamme hat und somit auch die Vorbehandlung von Profilteilen mit verhältnismäßig tiefem Relief gestattet. Aufgrund der hohen Reaktivität des Plasmastrahls genügt eine sehr kurzzeitige Vorbehandlung, so daß das Werkstück mit entsprechend hoher Geschwindigkeit an dem Plasmastrahl vorbeigeführt werden kann. Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Temperatur des Plasmastrahls ist daher auch die Vorbehandlung von wärmeempfindlichen Kunststoffen möglich. Da keine Gegenelektrode auf der Rückseite des Werkstücks erforderlich ist, können auch die Oberflächen von beliebig dicken, blockartigen Werkstükken, Hohlkörpern und dergleichen problemlos vorbehandelt werden. Für eine gleichmäßige Behandlung größerer Oberflächen ist in der genannten Veröffentlichung eine Batterie aus mehreren versetzt angeordneten Plasmadüsen vorgeschlagen worden. In diesem Fall ist jedoch ein relativ hoher apparativer Aufwand erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Plasmadüse zu schaffen, die trotz eines sehr kompakten Aufbaus eine großflächigere Behandlung von Werkstücko-

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berflächen ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Plasmadüse der Eingangs genannten Art dadurch gelöst, daj3 der Auslaß des Düsenkanals als quer zur Längsachse des Düsenkanals verlaufender schmaler Schlitz ausgebildet ist.

Überraschend hat sich gezeigt, daJ3 durch die Verwendung eines solchen Auslaßschlitzes die Geometrie des Plasmastrahls wirksam verändert werden kann. Der Plasmastrahl hat nicht mehr die Form einer Kerzenflamme, sondern erfährt innerhalb des Schlitzes eine extreme Aufweitung, so daß eine großflächige und dennoch gleichmäßige Plasmabehandlung der Werkstückoberfläche ermöglicht wird. Wenn sich eine ausgedehnte Werkstückoberfläche vor der Mündung der Plasmadüse befindet, so strömt das Plasma an den divergierenden Rändern des Fächers nach außen ab, und im Inneren des Fächers bildet sich ein Unterdruck, mit dem Ergebnis, daß sich der fächerförmige Plasmastrahl förmlich an das Werkstück "ansaugt", so daß die Werkstückoberfläche in innigen Kontakt mit dem reaktiven Plasma kommt und somit eine sehr wirksame Oberflächenbehandlung erreicht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Wie bei der herkömmlichen Plasmadüse kann das Arbeitsgas im Düsenkanal verdrallt werden. Auch der verdrallte Plasmastrahl läßt sich mit Hilfe des Aus-Iaj3schlitzes fächerförmig aufweiten. Allenfalls führt die Verdrallung zu einer geringfügigen S-förmigen Verzerrung des Fächers, wenn man frontal auf die Mündung der Plasmadüse blickt.

Die Intensitätsverteilung des Plasmas auf der Länge des Schlitzes läßt sich beispielsweise dadurch steuern, daß die Breite des Schlitzes über die Länge variiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch unmittelbar stromaufwärts des Schlitzes ein parallel zu diesem Schlitz verlaufender Querkanal mit größerem Querschnitt angeordnet, in dem sich das Plasma verteilen kann, bevor es in den eigentlichen Auslaßschlitz eintritt. Diese Anordnung läßt sich besonders einfach herstellen, wenn die Mündung des Düsenkanals einschließlich des Schlitzes und des Querkanals durch ein separates Mundstück aus isolierendem Material (Keramik) oder vorzugsweise aus Metall gebildet wird, das in die Mün-

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dung des Gehäuses eingepreßt oder eingeschraubt wird.

Bevorzugt ist der Querkanal an beiden Enden offen, und diese offenen Enden sind nur mit gewissem Abstand von den Wänden des Gehäuses umgeben, so daß ein Teil des Plasmas an den Enden aus dem Querkanal austreten kann und dann durch die Gehäusewände schräg in Richtung auf das Werkstück abgelenkt wird. Der Plasmafächer wird dann an beiden Rändern durch besonders intensive Randstrahlen begrenzt, die den Fächer förmlich auseinanderziehen. Hierdurch läßt sich die Form des Fächers und die Intensitätsverteilung des Plasma-Strahls innerhalb des Fächers beispielsweise so einstellen, daß der stromabwärtige Rand des Plasmafächers eine konkave Form annimmt, so daß der Fächer einem Schwalbenschwanz ähnelt. Dies ist besonders günstig beim Vorbehandeln von konvex gewölbten, beispielsweise zylindrischen Werkstücken, erweist sich jedoch auch beim Vorbehandeln von flachen Werkstücken als vorteilhaft, weil so in den Randbereichen des Fächers der größere Weg, den das Plasma bis zum Werkstück zurücklegen muß, durch eine entsprechend größere Intensität des Plasmastrahls ausgeglichen wird. Durch Variieren der Tiefe, in der die offenen Enden des Querkanals im Gehäuse der Plasmadüse zurückliegen, läßt sich die Kontur des Fächers variieren, so daß bei Bedarf beispielsweise auch eine konvexe Krümmung des stromabwärtigen Randes des Fächers erreichbar ist.

Um den Fächer in der zur Fächerebene senkrechten Richtung stärker zu bündeln, kann am Außenmantel des Gehäuses der .Plasmadüse auf beiden Seiten der Ebene des Fächers Hilfsluft zugeführt werden. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, wenn die Außenfläche des Gehäuses der Plasmadüse im Mündungsbereich nicht konisch, sondern prismenförmig ausgebildet ist, so daß zwei flache Oberflächen gebildet werden, die zur Ebene des Fächers konvergieren.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch die Plasmadüse;
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Fig. 2 einen axialen Schnitt durch die Plasmadüse in der zur Schnittebene in Fig. 1 senkrechten Richtung; und

Fig. 3 einen Schnitt analog zu Fig. 2 für eine andere Ausführungsform.

Die in der Zeichnung dargestellte Plasmadüse weist ein rohrförmiges Gehäuse 10 auf, das einen langgestreckten, am unteren Ende konisch verjüngten Düsenkanal 12 bildet. In den Düsenkanal 12 ist ein elektrisch isolierendes Keramikrohr 14 eingesetzt. Ein Arbeitsgas, beispielsweise Luft, wird vom in der Zeichnung oberen Ende her in den Düsenkanal 12 zugeführt und mit Hilfe einer in das Keramikrohr 14 eingesetzten Dralleinrichtung 16 so verdrallt, daj3 es wirbeiförmig durch den Düsenkanal 12 strömt, wie in der Zeichnung durch einen schraubenförmigen Pfeil symbolisiert wird. In dem Düsenkanal 12 entsteht so ein Wirbelkern, der längs der Achse des Gehäuses verläuft.

An der Dralleinrichtung 16 ist eine stiftförmige Elektrode 18 montiert, die koaxial in den Düsenkanal 12 ragt und an die mit Hilfe eines Hochspannungsgenerators 20 eine hochfrequente Wechselspannung angelegt wird. Die mit Hilfe des Hochfrequenzgenerators 20 erzeugte Spannung liegt in der Größenordnung von einigen Kilovolt und hat beispielsweise eine Frequenz in der Größenordnung von 20 kHz.

Das aus Metall bestehende Gehäuse 10 ist geerdet und dient als Gegenelektrode, so daß eine elektrische Entladung zwischen der Elektrode 18 und dem Gehäuse 10 hervorgerufen werden kann. Beim Einschalten der Spannung kommt es aufgrund der hohen Frequenz der Wechselspannung und aufgrund der Dielektrizität des Keramikrohrs 14 zunächst zu einer Koronaentladung an der Dralleinrichtung 16 und der Elektrode 18. Durch diese Koronaentladung wird eine Bogenentladung von der Elektrode 18 zum Gehäuse 10 gezündet. Der Lichtbogen 22 dieser Entladung wird durch das verdrallt einströmende Arbeitsgas mitgenommen und im Kern der wirbeiförmigen Gasströmung kanalisiert, so daß der Lichtbogen dann nahezu geradlinig von der Spitze der Elektrode 18 längs der Gehäuseachse verläuft und sich erst im Bereich der Mündung des Gehäuses 10 radial auf die Gehäusewand verzweigt.

In die Mündung des Gehäuses 10 ist ein zylindrisches Mundstück 24 aus Kupfer eingesetzt, dessen axial inneres Ende an einer Schulter 26 des Gehäuses an-

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liegt. Das konisch verjüngte Ende des Düsenkanals 12 setzt sich in dem Mundstück 24 stetig, mit gleichem oder leicht geändertem Kegelwinkel fort. Der Lichtbogen 22 verzweigt sich innerhalb des Mundstücks 24 auf die konischen Wände des Mundstücks.

Das Mundstück 24 weist am freien, in Figur 1 unteren Ende einen Abschnitt 28 mit reduziertem Durchmesser auf, der mit der Umfangswand des Gehäuses 10 einen in Mündungsrichtung offenen Ringkanal 30 bildet. Die konisch verjüngte Spitze des Düsenkanals 12 mündet in einen Querkanal 32, der durch eine Querbohrung in dem Abschnitt 28 gebildet wird und an beiden Enden zu dem Ringkanal 30 hin offen ist. An diesen Querkanal 32, der gemäß Figur 2 einen kreisförmigen Querschnitt hat, schließt sich axial ein schmalerer, diametral durch das Mundstück verlaufender Schlitz 34 an, der zur Stirnfläche des Mundstücks offen ist.

Das drallförmlg durch den Düsenkanal 12 strömende Arbeitsgas kommt im Wirbelkern in innige Berührung mit dem Lichtbogen 22, so daj3 ein hochreaktives Plasma mit relativ niedriger Temperatur erzeugt wird. Dieses Plasma verteilt sich im Querkanal 32 und tritt dann zum Teil durch den Schlitz 34 und zum Teil auch durch die offenen Enden des Querkanals 32 und den Ringkanal 30 aus der Plasmadüse aus. Auf diese Weise wird ein Plasmastrahl 36 in der Form eines flachen Fächers erzeugt, der in den Randbereichen 38 eine größere Dichte und eine größere Strömungsgeschwindigkeit als in der Nähe der Düsenachse aufweist. Somit ist die Reichweite des Plasmastrahls 36 an den Rändern größer als in der Mitte, so daß der stromabwärtige Rand 40 des Plasmastrahls eine konkave Krümmung aufweist und somit der Fächer insgesamt die Form eines Schwalbenschwanzes annimmt. Diese Form des Plasmastrahls stellt sicher, daj3 sich der Plasmastrahl gut an das nicht gezeigte Werkstück anschmiegt.

Figur 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der der Ringkanal und der Querkanal nicht vorhanden sind und bei der das Mundstück am freien Ende auf beiden Seiten des Schlitzes 34 durch Schrägflächen begrenzt wird, die mit entsprechenden Schrägflächen des Gehäuses 10 bündig sind. Das Gehäuse 10 ist hier von einem Luftverteiler 42 umgeben, durch den Hilfsluft 44 parallel zu den Schrägflächen des Gehäuses und des Mundstücks 24 von beiden Seiten auf den aus dem Schlitz 34 austretenden Plasmastrahl 36 geblasen wird, um den fächerförmigen Plasmastrahl zu bündeln und eine vorzeitige Aufweitung dieses

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Plasmastrahls in der zur Ebene des Fächers senkrechten Richtung zu verhindern. Zugleich wird durch die Hilfsluft auch eine innige Berührung des Plasmastrahls mit der Oberfläche des Werkstücks unterstützt.

Claims

1. Plasmadüse zur Behandlung von Oberflächen, insbesondere zur Vorbehandlung von Kunststoffoberflächen, mit einem rohrförmigen, elektrisch leitfähigen Gehäuse (10), das einen von einem Arbeitsgas durchströmten Düsenkanal (12) bildet, einer koaxial im Düsenkanal angeordneten Elektrode (18) und einem Hochfrequenzgenerator (20) zum Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode (18) und dem Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß des Düsenkanals (12) als quer zur Längsachse des Düsenkanals verlaufender schmaler 1 Schlitz (32) ausgebildet ist.

2. Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) eine Dralleinrichtung (16) enthält, die das Arbeitsgas im Düsenkanal (12) verdrallt.

3. Plasmadüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkanal (12) in einen parallel zu dem Schlitz (34) verlaufenden Querkanal (32) mündet, der seinerseits mit dem Schlitz (34) in Verbindung steht.

4. Plasmadüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenkanal (12) am auslaßseitigen Ende konisch verjüngt ist und nur im Mittelbereich des Querkanals (32) mit diesem Querkanal in Verbindung steht.

5. Plasmadüse nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Querkanal (32) an beiden Enden offen ist.

6. Plasmadüse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände des Gehäuses (10) am auslaßseitigen Ende der Plasmadüse in Abstand zu den offenen Enden des Querkanals (32) liegen und das aus diesen Enden austretende Plasma zur Seite des Schlitzes (34) hin ablenken.

7. Plasmadüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Querkanals (32) in einen durch das Gehäuse (10) begrenzten Ringkanal (30) münden, der zur selben Seite wie der Schlitz (34) offen ist.

8. Plasmadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (34) und das auslaßseitige Ende des Düsenkanals (12) in einem Mundstück (24) ausgebildet sind, das in das Ende des Gehäuses (10) eingesetzt ist.

9. Plasmadüse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mundstück (24) aus Metall besteht.

10. Plasmadüse nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen außen am Gehäuse (10) angebrachten Luftverteiler (42), der Hilfsluft (44) in der zur Ebene des Schlitzes (34) rechtwinkligen Richtung konvergierend auf den aus dem Schlitz (34) austretenden Plasmastrahl (36) lenkt.