DE102007010996A1

DE102007010996A1 - Plasmadüse

Info

Publication number: DE102007010996A1
Application number: DE102007010996A
Authority: DE
Inventors: Martin Willimzik
Original assignee: ARCORON GmbH
Current assignee: ARCORON GmbH
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-09-11
Also published as: ES2368189T3; DK2143307T3; EP2143307B1; WO2008107180A1; WO2008107180A8; ATE514319T1; EP2143307A1

Abstract

Beschrieben wird eine Plasmadüse mit zwei Düsenkanälen, welche im Austrittsbereich der Plasmadüse zusammentreffen. In der Plasmadüse wird ein einziger Lichtbogen erzeugt, welcher zwischen jeweils am Fuß der Düsenkanäle angeordneten Elektroden aufrechterhalten wird.
Weiterhin wird eine Anordnung von Plasmadüsen beschrieben, in welcher die Elektroden der Plasmadüsen in Reihe geschaltet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung von Plasmadüsen gemäß Oberbegriffs des Anspruchs 9.
Plasmadüsen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind seit langem bekannt. So zeigen z. B. die DE685455 , die DE19532412C2 , die EP761415B1 und die EP1335641 B1 entsprechende Düsen.
Aus der EP761415B1 ist weiterhin eine Anordnung von mehreren entsprechenden Düsen nebeneinander bekannt. Mit einer ensprechenden Anordnung soll es ermöglicht werden, einen größeren Wirkbereich des aus der Düsenanordnung austretenden Plasmastroms zu erreichen.
Die bekannten Plasmadüsen weisen den Nachteil auf, dass ihre Leistung bezüglich des erreichbaren Plasmastroms begrenzt ist. Dies liegt daran, dass die Energieübertragung von dem Lichtbogen im inneren des Düsenkanals auf den Prozessgasstrom auf den Kernbereich des Düsenkanals begrenzt ist. Eine Vergrößerung des Düsenkanals erlaubt zwar eine Erhöhung der Durchflussmenge des Prozessgases, jedoch strömt der Großteil des Prozessgases dann entlang der Wandung des Düsenkanals und kommt nur direkt am Auslass der Düse mit dem Lichtbogen in Kontakt, wo der Energieübertrag gering ist.
Die zu lösende Aufgabe besteht darin, den erreichbaren Plasmastrom zu erhöhen, ohne den Wirkungsgrad der Plasmadüse zu verringern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist in der EP761415B1 vorgeschlagen, eine Anordnung von Plasmadüsen vorzusehen, die elektrisch parallel geschaltet sind. Obwohl bei einer entsprechenden Anordnung der Plasmastrom natürlich um die Anzahl der Düsen erhöht wird, weist diese Anordnung den gravierenden Nachteil auf, dass für jede einzelne Düse ein separater Hochspannungstransformator vorgesehen werden muss, woduch der apparative Aufwand erheblich steigt. Die Notwendigkeit für separate Transformatoren liegt darin begründet, dass bei einer Parallelschaltung der Düsen die Zündung der Lichtbögen unabhängig voneinander erfolgt. Sobald jedoch in der ersten Düse ein Lichtbogen gezündet wird, bricht die Ausgangsspannung des Transformators ein, da der elektrische Widerstand der Düse schlagartig sinkt, und eine Zündung paralleler Lichbögen ist nicht mehr möglich.
Somit besteht eine weitere Aufgabe darin, eine Anordnung von Plasmadüsen zu schaffen, welche nicht auf die Versorgung durch mehrere Transformatoren angewiesen ist.
Gemäß der Erfindung wird die erste Aufgabe durch eine Plasmadüse nach dem Anspruch 1 gelöst. Bei dieser Ausführung der Plasmadüse wird zur Erhöhung des Pasmastroms anstelle der Erweiterung des Düsenkanals ein zweiter Düsenkanal vergesehen, wodurch der Plasmastrom verdoppelt wird. Die aus den beiden Düsenkanälen austretenden Plasmaströme werden dann im Auslass der Düse zu einem einzigen Plasmastrom vereinigt. Der Entladungskanal des Lichtbogens erstreckt sich bei der erfindungsgemäßen Düse im normalen Betrieb durch beide Düsenkanäle, ohne dass der Lichtbogen auf die Wandung der Düsenkanäle überspringt, wordurch zugleich die Lebensdauer der Plasmadüse erhöht wird, da die Ablagerung von Abbrandspuren im Inneren der Düsenkanäle vermieden wird.
Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Plasmadüse sind den entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird die zweite Aufgabe durch eine Anordnung von Plasmadüsen entsprechend Anspruch 9 gelöst. Bei einer entsprechenden Anordnung erfolgt sie Zündnung zwangsläufig in allen Plasmadüsen synchron, da alle Düsen Bestandteil eines einzigen geschlossenen Stromkreises sind. Somit kann die Versorgung der Anordnung aus einem einzigen Transformator erfolgen, da das Einbrechen der Ausgangsspannung nach dem Zünden der Lichtbögen keinen Einfluss auf den Zündvorgang nehmen kann.
Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind den entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1: eine erfindungsgemäße Plasmadüse im Schnitt
2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung von Plasmadüsen
In 1 ist eine erfindungsgemäße Plasmadüse im Detail dargestelt. Die Düse besteht aus einem Gehäuse 1, in welchem ein Isolationsblock 2 sowie zwei Elektrodeneinheiten 3, 3' angeordnet sind. Die Elektrodeneinheiten 3, 3' dienen zum einen der Einleitung elektrischer Energie für die Plasmaerzeugung und zum anderen der Zuführung der für die Plasmaerzeugung erforderlichen Prozessgases.
Dazu ist jeweils ein Anschlussstift 4 vorgesehen, welcher mit einer Stiftelektrode 5 verschraubt ist. Der Anschlussstift 4 und die Stiftelektrode 5 sind jeweils in einer Hülse 6 eingefasst, welche auf der Seite des Anschlussstifts 4 Gaseintrittsbohrungen 7 aufweist. Auf der Seite der Stiftelektrode 5 sind die Hülsen 6 durch Strömungsleitkörper 8 zum Erzeugen einer Wirbelströmung abgeschlossen.
Die Elektrodeneinheiten sind in Aufnahmebohrungen 9 des Isolationsblocks 2 eingesetzt, wobei jeweils am Fuß der Aufnahmebohrungen 9 eine Druckkammer 10 entsteht, in welche das Prozessgas durch Zuleitungskanäle 11 einströmt.
Die Stiftelektroden 5 weisen zusätzlich einen Mittelkanal 12 auf, durch welchen Prozessgas aus der Mitte der gewölbten Endfläche 13 der Stiftelektroden 5 austreten kann.
Austrittsseitig ist an dem Isolationsblock 2 eine Düsenspitze 14 aus leitfähigem Material angeordnet, welche Düsenkanäle 15 aufweist, die mit den Aufnahmebohrungen 9 des Isolationsblocks 2 fluchten. Die Düsenkanäle weisen eine konische Form auf und münden in einer gemeinsamen Austrittsöffnung 16. Dabei laufen die durch die Aufnahmebohrungen 9 und die Düsenkanäle 15 gebildeten Strömungskanäle unter spitzem Winkel aufeinander zu, so dass zwischen den Düsenkanälen 15 nur ein schmaler Steg aus leitfähigem Material verbleibt.
Im Betrieb wird Prozessgas über die Zuleitungskanäle 11 in die Druckkammern 10 eingeleitet und gelangt von dort durch die Gaseintrittsbohrungen 7 in die Hülsen 6. Aus den Hülsen 6 strömt ein Teil des Pozessgases durch die Mittelkanäle 12 der Stiftelektroden 5. Der Großteil des Prozessgases tritt durch die Strömungsleitkörper 8 in die Düsenkanäle 15 ein und wird dabei in eine Wirbelströmung versetzt. Die Prozessgasströme werden durch die konische Form der Düsenkanäle 15 beschleunigt und vereinigen sich in der Austrittsöffnung 16. Je nach Anforderung an die Strömung des Plasmas kann die Drehrichtung der Strömungen in den Düsenkanälen 15 gleichsinnig oder gegensinnig gewählt werden.
Zur Erzeugung eines Plasmas aus der Prozessgasströmung wird über die Anschlussstifte 4 eine Wechselspannung zwischen den Elektrodeneinheiten 3, 3' angelegt. Bei Erreichen der erforderlichen Zündspannung wird jeweils zwischen nah beieinander liegenden Kanten der Stiftelektroden 5 und der Düsenspitze 14 ein Lichtbogen gezündet, welcher die Elektrodeneinheiten 3, 3' verbindet.
Durch die Wirbelströmung in den Düsenkanälen 15 werden die Lichtbögen entlang der Innenwände der Düsenkanäle 15 in Richtung der Austrittsöffnung 16 abgelenkt, wobei sie sich schließlich in der Austrittsöffnung 16 vereinigen und sich von der Düsenspitze 14 ablösen.
Durch den Lichtbogen wird das Prozessgas aufgeheizt und ionisiert und tritt als Plasma aus der Austrittsöffnung 16 aus. Durh die Trennung des Lichtbogens von der Düsenspitze 13 wird die Ablagerung von Abbrangspuren im Bereich der Austrittsöffnung 16 verhindert, wodurch die Standzeit der erfindungsgemäßen Plasmadüse deutlich erhöht wird. Die Standzeit wird weiterhin dadurch erhöht, dass das aus den Mittelkanälen 12 austretende Prozessgas die Ablagerung von Abbrandspuren auf der Stiftelektroden 5 reduziert.
In 2 ist eine erfindungsgemäße Anordnung von Plasmadüsen schematisch dargestellt. Die Anordnung besteht aus vier Paaren von Plasmadüsen 20, welche jeweils aus einem Isolationsblock 21, einer Düsenspitze 22 aus leitfähigem Material, zwei Düsenkanälen 23 und zwei Elektroden 24 bestehen. Die Zuleitungen für das Prozessgas sind in dieser Darstellung der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Zwischen den Paaren von Plasmadüsen 20 der Anordnung ist jeweils eine Isolierung 25 aus einem Material mit hoher Duchschlagfestigkeit angeordnet.
Die Verschaltung der Elektroden 24 ist so ausgeführt, dass alle Plasmadüsen 20 in Reihe geschaltet sind. Dazu ist die erste Elektrode 24 der ersten Plasmadüse mit einer Spannungsquelle 26 in Form eines Transformators verbunden, die zweite Elektrode 24 der ersten Plasmadüse 20 ist mit der ersten Elektrode 24 der zweiten Plasmadüse 20 verbunden usw. Die zweite Eletrode 24 der letzten Plasmadüse 20 ist wiederum mit der Spannungsquelle 26 verbunden, woduch der Stromkreis geschlossen wird.
Wird die Spannungsquelle 26 aktiviert, so wird in allen Plasmadüsen 20 gleichzeitig ein Lichtbogen gezündet, erst danach bricht die Spannung der Spannungsquelle 26 durch den rasch ansteigenden Strom ein. Durch die Reihenschaltung der Plasmadüsen 20 befinden sich die benachbarten Düsenspitzen 22 auf unterschiedlichen Potenzialen, daher ist die Isolierung 25 erforderlich.
Für jedes Paar von Plasmadüsen 20 ist ein schaltbarer Überbrückungskontakt 27 vorgesehen. Dadurch ist es möglich, einzelne Paare von Plasmadüsen 20 der Anordnung zu deaktivieren, um z. B. die Bearbeitungsbreite einer Plasmabearbeitungsanlage oder das Austrittsmuster der Plasmaströme zu steuern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 685455 [0002]
- DE 19532412 C2 [0002]
- EP 761415 B1 [0002, 0003, 0006]
- EP 1335641 B1 [0002]

Claims

Plasmadüse mit einer ersten Elektrodeneinheit (3), welche in einem ersten Düsenkanal (15) angeordnet ist, wobei der erste Düsenkanal (15) eine elektrisch leitfähige Wandung aufweist und gegen die erste Elektrodeneinheit (3) isoliert ist, einer zweiten Elektrodeneinheit (3'), Mitteln zum Anlegen einer Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrodeneinheit (3, 3') sowie Mitteln (11) zum Zuführen eines Prozessgasstroms entlang dem ersten Düsenkanal (15), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodeneinheit (3') in einem zweiten Düsenkanal (15) angeordnet ist, welcher eine leitfähige Wandung aufweist, die gegen die zweite Elektrodeneinheit (3') isoliert ist, dass Mittel (11) zum Zuleiten eines Prozessgasstroms entlang dem zweiten Düsenkanal (15) vorgesehen sind, wobei die Düsenkanäle (15) so angeordnet sind, dass sich die Prozessgasströme am Auslass (16) der Düsenkanäle (15) vereinigen, und dass die Wandungen des ersten und des zweiten Düsenkanals (15) elektrisch unmittelbar miteinander verbunden sind.
Plasmadüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Düsenkanäle (15) in eine einzige leitfähige Düsenspitze (14) eingearbeitet sind.
Plasmadüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (8) zum Erzeugen einer Wirbelströmung in den Düsenkanälen (15) vorgesehen sind.
Plasmadüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (8) zum Erzeugen einer Wirbelströmung so ausgeführt sind, dass sich in den Düsenkanälen (15) gleichsinnige Wirbelströmungen ergeben.
Plasmadüse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (8) zum Erzeugen einer Wirbelströmung so ausgeführt sind, dass sich in den Düsenkanälen (15) gegensinnige Wirbelströmungen ergeben.
Plasmadüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Düsenkanäle (15) entgegen der Strömungsrichtung der Prozessgasströme in einen Isolationsblock (2) fortsetzen, in welchem die Elektrodeneinheiten (3, 3') gelagert sind.
Plasmadüse nach einem der Ansprücke 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (8) zum Erzeugen einer Wirbelströmung Bestandteil der Elektrodeneinheiten (3, 3') sind.
Plasmadüse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationsblock (2) Kanäle (11) zum Zuleiten der Prozessgasströme aufweist.
Anordnung von mehreren Plasmadüsen (20), wobei jede Plasmadüse (20) eine Elektrode (24) und einen Düsenkanal (23) mit einer leitfähigen Wandung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (24) der Plasmadüsen (20) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen der Düsenkanäle (23) von jeweils zwei benachbarten Plasmadüsen (20) elektrisch unmittelbar miteinander verbunden sind.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenkanäle (23) von jeweils zwei benachbarten Plasmadüsen (20) in eine gemeinsame leitfähige Düsenspitze (22) eingearbeitet sind.
Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei benachbarte Plasmadüsen (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufgebaut sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung durch einen einzigen Transformator (26) versorgt wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus einer geradzahligen Anzahl von Plasmadüsen (20) besteht, welche größer als zwei ist, und dass die einzelnen Düsenspitzen (22) der Anordnung gegeneinander isoliert sind.
Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Isolierung ein Isolator (25) mit hoher Durchschlagfestigkeit verwendet wird.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolator (25) Teflon verwendet wird.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolator (25) eine Keramik verwendet wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass für jeweils zwei über die Wendungen ihrer Düsenkanäle (23) verbundene Plasmadüsen (20) ein schaltbarer Überbrückungskontakt (27) vorgesehen ist.