DE102007010996A1

DE102007010996A1 - plasma nozzle

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.Described is a plasma nozzle with two nozzle channels, which meet in the exit region of the plasma nozzle. In the plasma nozzle, a single arc is generated, which is maintained between each arranged at the foot of the nozzle channels electrodes.
Furthermore, an arrangement of plasma nozzles is described, in which the electrodes of the plasma nozzles are connected in series.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmadüse gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung von Plasmadüsen gemäß Oberbegriffs des Anspruchs 9.The The invention relates to a plasma nozzle according to the preamble of claim 1. The invention further relates to an arrangement of plasma jets according to the preamble of Claim 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.Plasma nozzles according to the preamble of claim 1 have long been known. To show z. B. the DE685455 , the DE19532412C2 , the EP761415B1 and the EP1335641 B1 corresponding nozzles.

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.From the EP761415B1 Furthermore, an arrangement of a plurality of corresponding nozzles is known side by side. With a ensprechenden arrangement, it should be possible to achieve a larger effective range of emerging from the nozzle assembly plasma stream.

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.The known plasma nozzles have the disadvantage that their Performance limited in terms of achievable plasma flow is. This is because the energy transfer from the arc inside the nozzle channel to the process gas stream is limited to the core region of the nozzle channel. A Enlargement of the nozzle channel allowed although an increase in the flow rate of the process gas, however, most of the process gas then flows along the wall of the nozzle channel and only comes directly at the outlet of the nozzle in contact with the arc where the Energy transfer is low.

Die zu lösende Aufgabe besteht darin, den erreichbaren Plasmastrom zu erhöhen, ohne den Wirkungsgrad der Plasmadüse zu verringern.The to be solved task is the achievable plasma stream increase without the efficiency of the plasma nozzle to reduce.

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.To solve this problem is in the EP761415B1 proposed to provide an array of plasma nozzles, which are electrically connected in parallel. Although with a corresponding arrangement of the plasma stream is of course increased by the number of nozzles, this arrangement has the serious disadvantage that for each individual nozzle, a separate high-voltage transformer must be provided, thus the equipment complexity increases considerably. The need for separate transformers is due to the fact that in a parallel connection of the nozzles, the ignition of the arcs is independent of each other. However, as soon as an arc is ignited in the first nozzle, the output voltage of the transformer breaks down as the electrical resistance of the nozzle suddenly drops, and ignition of parallel light arcs is no longer possible.

Somit besteht eine weitere Aufgabe darin, eine Anordnung von Plasmadüsen zu schaffen, welche nicht auf die Versorgung durch mehrere Transformatoren angewiesen ist.Consequently another object is to provide an array of plasma nozzles which is not due to the supply of multiple transformers instructed.

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.According to the Invention becomes the first object by a plasma nozzle solved according to claim 1. In this version the plasma nozzle is used to increase the flow of pasmas instead of the extension of the nozzle channel, a second nozzle channel which doubles the plasma current. The from the Both nozzle channels exiting plasma streams then become a single plasma stream in the outlet of the nozzle united. The discharge channel of the arc extends at the nozzle according to the invention in the normal Operation through both nozzle channels without the Arc on the wall of the nozzle channels skips, at the same time increases the service life of the plasma nozzle is because the deposition of burn marks in the interior of the nozzle channels is avoided.

Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Plasmadüse sind den entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen.developments the plasma nozzle according to the invention are to refer to the corresponding subclaims.

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.According to one In another aspect of the invention, the second object is achieved by a Arrangement of plasma nozzles according to claim 9 solved. at a corresponding arrangement, ignition takes place inevitably Synchronous in all plasma jets, as all jets are part of it of a single closed circuit. Thus, the supply can the arrangement of a single transformer, since the Breaking of the output voltage after the ignition of the arcs can not influence the ignition process.

Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind den entsprechenden Unteransprüchen zu entnehmen.developments the inventive arrangement are the corresponding Subclaims refer.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:in the The following is the invention with reference to some drawings closer explained. Showing:

1: eine erfindungsgemäße Plasmadüse im Schnitt 1 : A plasma nozzle according to the invention in section

2: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung von Plasmadüsen 2 : a schematic representation of an inventive arrangement of plasma nozzles

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.In 1 a Plasmadüse invention is dargestelt in detail. The nozzle consists of a housing 1 in which an isolation block 2 and two electrode units 3 . 3 ' are arranged. The electrode units 3 . 3 ' serve on the one hand, the introduction of electrical energy for plasma generation and on the other hand, the supply of the process gas required for plasma generation.

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.There is a pin for each 4 provided, which with a pin electrode 5 is screwed. The pin 4 and the pin electrode 5 are each in a sleeve 6 edged, which on the side of the pin 4 Gas inlet holes 7 having. On the side of the pin electrode 5 are the pods 6 through flow guide 8th completed to produce a vortex flow.

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.The electrode units are in receiving bores 9 of the isolation block 2 used, in each case at the foot of the mounting holes 9 a pressure chamber 10 arises, in which the process gas through supply channels 11 flows.

Die Stiftelektroden 5 weisen zusätzlich einen Mittelkanal 12 auf, durch welchen Prozessgas aus der Mitte der gewölbten Endfläche 13 der Stiftelektroden 5 austreten kann.The pin electrodes 5 additionally have a central channel 12 on, through which process gas from the center of the curved end surface 13 the pin electrodes 5 can escape.

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.The outlet side is on the insulation block 2 a nozzle tip 14 arranged of conductive material, which nozzle channels 15 has, with the mounting holes 9 of the isolation block 2 aligned. The nozzle channels have a conical shape and open into a common outlet opening 16 , They run through the mounting holes 9 and the nozzle channels 15 formed flow channels at an acute angle to each other, so that between the nozzle channels 15 only a narrow web of conductive material remains.

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.In operation, process gas is supplied via the supply channels 11 into the pressure chambers 10 initiated and passes from there through the gas inlet holes 7 in the sleeves 6 , From the pods 6 Part of the process gas flows through the center channels 12 the pin electrodes 5 , The majority of the process gas passes through the flow guide 8th in the nozzle channels 15 and is thereby placed in a turbulent flow. The process gas flows are due to the conical shape of the nozzle channels 15 accelerates and unite in the outlet 16 , Depending on the requirement of the flow of the plasma, the direction of rotation of the flows in the nozzle channels 15 be chosen in the same direction or in opposite directions.

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.To generate a plasma from the process gas flow is via the connection pins 4 an alternating voltage between the electrode units 3 . 3 ' created. Upon reaching the required ignition voltage is in each case between closely spaced edges of the pin electrodes 5 and the nozzle tip 14 ignited an arc, which the electrode units 3 . 3 ' combines.

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.Due to the vortex flow in the nozzle channels 15 The arcs are along the inner walls of the nozzle channels 15 in the direction of the outlet opening 16 distracted, eventually being in the exit port 16 Unite and get away from the nozzle tip 14 peel off.

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.The arc heats and ionises the process gas, which emerges as plasma from the outlet 16 out. Durh the separation of the arc from the nozzle tip 13 becomes the deposit of footprints in the area of the exit opening 16 prevents, whereby the service life of the plasma nozzle according to the invention is significantly increased. The service life is further increased by the fact that the medium channels 12 emerging process gas the deposition of erosion traces on the pin electrodes 5 reduced.

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.In 2 an arrangement of plasma nozzles according to the invention is shown schematically. The arrangement consists of four pairs of plasma jets 20 , each consisting of an isolation block 21 , a nozzle tip 22 made of conductive material, two nozzle channels 23 and two electrodes 24 consist. The supply lines for the process gas are omitted in this illustration for the sake of clarity. Between the pairs of plasma jets 20 the arrangement is each an insulation 25 arranged from a material with high Duchschlagfestigkeit.

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.The connection of the electrodes 24 is designed so that all plasma jets 20 are connected in series. This is the first electrode 24 the first plasma nozzle with a voltage source 26 connected in the form of a transformer, the second electrode 24 the first plasma nozzle 20 is with the first electrode 24 the second plasma nozzle 20 connected etc. The second eletrode 24 the last plasma nozzle 20 is again with the voltage source 26 connected, thus the circuit is closed.

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.Becomes the voltage source 26 activated, so will in all plasma jets 20 simultaneously ignites an arc, only then breaks the voltage of the voltage source 26 due to the rapidly increasing current. By the series connection of the plasma nozzles 20 are the adjacent nozzle tips 22 on different potentials, therefore, the insulation 25 required.

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.For every pair of plasma jets 20 is a switchable bridging contact 27 intended. This makes it possible to use individual pairs of plasma jets 20 disable the arrangement to z. B. to control the processing width of a plasma processing plant or the exit pattern of the plasma streams.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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

Claims

Plasma nozzle with a first electrode unit ( 3 ), which in a first nozzle channel ( 15 ), wherein the first nozzle channel ( 15 ) has an electrically conductive wall and against the first electrode unit ( 3 ), a second electrode unit ( 3 ' ), Means for applying a voltage between the first and the second electrode unit ( 3 . 3 ' ) as well as funds ( 11 ) for supplying a process gas stream along the first nozzle channel ( 15 ), characterized in that the second electrode unit ( 3 ' ) in a second nozzle channel ( 15 ) is arranged, which has a conductive wall, which against the second electrode unit ( 3 ' ), that means ( 11 ) for supplying a process gas stream along the second nozzle channel ( 15 ) are provided, wherein the nozzle channels ( 15 ) are arranged so that the process gas flows at the outlet ( 16 ) of the nozzle channels ( 15 ) and that the walls of the first and the second nozzle channel ( 15 ) are electrically connected directly to each other.

Plasma nozzle according to claim 1, characterized in that the nozzle channels ( 15 ) into a single conductive nozzle tip ( 14 ) are incorporated.

Plasma nozzle according to claim 1 or 2, characterized in that means ( 8th ) for generating a swirling flow in the nozzle channels ( 15 ) are provided.

Plasma nozzle according to claim 3, characterized in that the means ( 8th ) are designed to generate a turbulent flow so that in the nozzle channels ( 15 ) result in the same direction eddy currents.

Plasma nozzle according to claim 3, characterized in that the means ( 8th ) are designed to generate a turbulent flow so that in the nozzle channels ( 15 ) give opposing vortex flows.

Plasma nozzle according to one of claims 1 to 5, characterized in that the nozzle channels ( 15 ) against the flow direction of the process gas streams in an isolation block ( 2 ), in which the electrode units ( 3 . 3 ' ) are stored.

Plasma nozzle according to one of the Ansprücke 3 to 6 , characterized in that the means ( 8th ) for generating a vortex flow component of the electrode units ( 3 . 3 ' ) are.

Plasma nozzle according to claim 6 or 7, characterized in that the insulation block ( 2 ) Channels ( 11 ) for supplying the process gas streams.

Arrangement of several plasma nozzles ( 20 ), each plasma nozzle ( 20 ) an electrode ( 24 ) and a nozzle channel ( 23 ) having a conductive wall, characterized in that the electrodes ( 24 ) of the plasma nozzles ( 20 ) are electrically connected in series.

Arrangement according to claim 9, characterized in that the walls of the nozzle channels ( 23 ) of two adjacent plasma nozzles ( 20 ) are electrically connected directly to each other.

Arrangement according to claim 10, characterized in that the nozzle channels ( 23 ) of two adjacent plasma nozzles ( 20 ) into a common conductive nozzle tip ( 22 ) are incorporated.

Arrangement according to claim 11, characterized in that in each case two adjacent plasma nozzles ( 20 ) are constructed according to one of claims 1 to 8.

Arrangement according to one of claims 9 to 12, characterized in that the arrangement by a single transformer ( 26 ) is supplied.

Arrangement according to one of claims 10 to 13, characterized in that the arrangement consists of an even number of plasma nozzles ( 20 ), which is greater than two, and that the individual nozzle tips ( 22 ) of the arrangement are isolated from each other.

Arrangement according to claim 14, characterized in that for isolation an insulator ( 25 ) is used with high dielectric strength.

Arrangement according to claim 15, characterized in that as insulator ( 25 ) Teflon is used.

Arrangement according to claim 15, characterized in that as insulator ( 25 ) a ceramic is used.

Arrangement according to one of claims 14 to 17, characterized in that for each two about the turns of their nozzle channels ( 23 ) connected plasma nozzles ( 20 ) a switchable bridging contact ( 27 ) is provided.