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Vorrichtung zum Erzeugen eines breiten
Aktivgasstrahls auf Basis eines Gasentladungsplasmas mit einer Vielzahl
von Entladungskammern, wobei die Entladungskammern jeweils eine
Zentralelektrode, die von einem Isolatorröhrchen ummantelt ist und an
der elektrisch isoliert von der Entladungskammer ein Hochspannungsanschluss
angebracht ist, einen Gaseinlass und eine Ausgangsdüse aufweisen,
insbesondere zur Behandlung von Materialoberflächen, die eine Aktivierung
und/oder Reinigung von Oberflächen
verschiedenster Materialarten bewirkt und beispielsweise die Adhäsion von
Klebstoffen oder Lacken auf so behandelten Materialoberfläche erhöht.
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Aktivgasgeneratoren sind in vielfältigen Ausgestaltungen
bekannt. Aus der
DE
195 32 412 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei denen ein
Arbeitsgas durch eine elektrische Entladung hindurchgeleitet wird
und am Ausgang der Vorrichtung ein Aktivgasstrahl (chemisch aktiver
Gasstrom) austritt. Dieser Aktivgasstrahl ist zur Behandlung von
Oberflächen bei
linearer Fortbewegung des Materials lediglich auf einen schmalen
Streifen der Oberfläche
anwendbar. Die Breite des aktivierten Streifens entlang der Oberfläche liegt üblicherweise
in der Größenordnung
von bis zu 10 mm, nur in Ausnahmefällen darüber. Die zu behandelnde Materialoberfläche muss
also mehrfach unter der Vorrichtung vorbeibewegt werden. Gleiches trifft
für die
beschriebenen Gestaltungsformen der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
DE 101 45 131.8 , auf die
hier ebenfalls gattungsgemäß Bezug
genommen werden soll, zu.
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Ein breiterer Abschnitt einer behandelten Oberfläche lässt sich
gemäß Patent
US 5,837,958 erzeugen, indem
eine Reihenanordnung von Aktivgasgeneratoren verwendet wird. Der
Körper
des vorgeschlagenen Aktivgasgenerators hat jedoch einen Durchmesser
von 30-40 mm gegenüber
einer Breite der Behandlungszone von lediglich 10-15 mm für einen
einzelnen Aktivgasgenerator. Beim Einsatz einer Einzelreihe von
Aktivgasgeneratoren, die orthogonal zur Ausrichtung der Reihe relativ
zur Materialoberfläche
bewegt wird, könnte
daher nur eine parallele Schar von behandelten Streifen auf der
zu bearbeitenden Oberfläche
erzeugt werden. Deshalb werden im Patent
US 5,837,958 für eine durchgängig gleichmäßige Oberflächenbehandlung
mindestens zwei versetzte Parallelreihen an Aktivgasgeneratoren
eingesetzt. Bei Verwendung von nur einer Reihe von Aktivgasgeneratoren
müsste
ein spitzer Winkel (ca. 45°)
zwischen den Richtungen von Aktivgasgeneratorreihe und relativer
Oberflächenbewegung
eingehalten werden. Daraus ergibt sich – neben einem erhöhten Kostenaufwand
und einem relativ großen
Volumen der Apparatur – der
Hauptnachteil, dass Wiederablagerungen von abgetragenem Material
auf der Oberfläche
im Bereich des zuvor bearbeiteten, benachbarten Streifens möglich sind.
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Konstruiert man einen Aktivgasgenerator
so, dass eine annähernde
Gleichheit von Durchmesser der Gasentladungskammer und Breite des
behandelten Oberflächenstreifens
erreicht wird, stellen sich Probleme der Langzeitstabilität der Gasentladung ein,
da sich Elektroden und Isolator bei geringen Abständen schneller
verschleißen.
So erreicht die in der
DE 101
45 131.8 beschriebene Vorrichtung eine auf maximal 200
bis 300 Stunden begrenzte Betriebsdauer (Plasmazeit) auf Grund eines
Isolatorverschleißes.
Dies liegt hauptsächlich
an einer Ablagerung von zerstäubtem
Elektrodenmaterial, das im Plasmazündvorgang erodiert wird, auf
der Isolatoroberfläche.
Hierdurch wird die Isolatoroberfläche nach gewisser Zeit elektrisch
leitend und die elektrische Entladung verlagert sich – zumindest
teilweise – von der
Zentralelektrode direkt über
den Isolatorrand nach außen.
Dadurch wird die Raumentladung in der Entladungskammer nach einer
bestimmten Betriebsdauer erheblich geschwächt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
neue Möglichkeit
zur Erzeugung eines breiten Aktivgasstrahles zu finden, die eine
gleichzeitige und möglichst
gleichmäßige Behandlung
großer
Oberflächenbereiche
gestattet, ohne dass Lebensdauer und Leistungsfähigkeit des Aktivgasgenerators
gegenüber
einer herkömmlichen
Einzelvorrichtung vermindert sind.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung
zum Erzeugen eines breiten Aktivgasstrahls auf Basis eines Gasentladungsplasmas
mit einer Vielzahl von Entladungskammern, wobei die Entladungskammern
jeweils eine Zentralelektrode, die von einem Isolatorröhrchen ummantelt
ist und an der elektrisch isoliert von einem Gehäuse der Entladungskammer ein
Hochspannungsanschluss angebracht ist, mindestens eine tangential
einlaufende Einlassdüse
zur Verwirbelung eines Prozessgases außerhalb des Isolatorröhrchens
und eine koaxiale Ausgangsdüse
aufweisen, dadurch gelöst,
dass die Entladungskammern nebeneinander aufgereiht in einem kompakten
linearen Block aus elektrisch leitendem Material eingebracht und
mit derart kleinem Kammerdurchmesser ausgeführt sind, dass die Aktivgasstrahlen
in definierter Entfernung von einigen Millimetern (vorzugsweise
15 mm) vor den Ausgangsdüsen
der Entladungskammern einen Durchmesser haben, der größer ist
als der Kammerdurchmesser der einzelnen Entladungskammern, so dass die
Aktivgasstrahlen beim Auftreffen auf der Materialoberfläche in Richtung
des linearen Blockes einander überschneidende
Strahldurchmesser aufweisen, dass die Zentralelektroden jeweils
einen solch geringen Elektrodendurchmesser aufweisen, dass innerhalb
des ummantelnden Isolatorröhrchens
ein schmaler Zusatzgaskanal zusätzlich
zu dem außerhalb
des Isolatorröhrchens
befindlichen Prozessgaswirbelströmung
zur Verfügung
steht, der die Gasentladung wesentlich stärker in Richtung der Ausgangsdüse der Entladungskammer
konzentriert, und dass ein Isolatorblock zur Zuleitung der Hochspannungsanschlüsse für die Zentralelektroden
und eines einheitlichen Erdungsanschlusses für den linearen Block sowie
zur Zuführung
von Prozessgas vorhanden ist, wobei der Isolatorblock an der den
Ausgangsdüsen
entgegengesetzten Seite des linearen Blockes angebracht ist.
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Vorteilhaft ist im Isolatorblock
ein Zusatzgasverteiler zur Versorgung der Zusatzgaskanäle aller Entladungskammern
mit Zusatzgas (welches vorzugsweise ebenfalls das verwendete Prozessgas
ist) vorhanden, wobei der Zusatzgasverteiler die Zusatzgaskanäle aller
Entladungskammern kreuzt.
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Zur Realisierung der kompakten Bauform der
im linearen Block eingearbeiteten schlanken Entladungskammern weist
die Zentralelektrode eine radiale Aussparung auf, die im Innern
kurz vor dem Ende des Isolatorröhrchens
beginnt und bis über
das Ende des Isolatorröhrchens
reicht. Dabei ist die Aussparung zweckmäßig zu einem größeren ersten
Teil innerhalb des kegelförmigen
Endes des Isolators und zu einem kleineren zweiten Teil außerhalb
des Isolatorröhrchens
angeordnet. Dadurch wird eine durch Elektrodenzerstäubung verursachte
Metallisierung des Isolatorröhrchens
erheblich verringert, die ansonsten zu einer verminderten Gasentladungseffektivität führen würde.
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Es weist sich von Vorteil, wenn der
Durchmesser der Aussparung um ein bis drei Zehntel des Durchmessers
der übrigen
Zentralelektrode kleiner ist.
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Die Zentralelektrode weist nach der
Aussparung in Richtung der Ausgangsdüse der Entladungskammer vorzugsweise
einen dritten Durchmesser auf, der größer ist als der übrige Durchmesser
der Zentralelektrode.
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Eine weitere Verbesserung des Gasentladungsverhaltens
der schlank gehaltenen Entladungskammern wird erreicht, dass das
Isolatorröhrchen
ein konisches Ende vorzugsweise in Form eines Kegelstumpfes mit
Zentralloch und einem Kegelwinkel im Bereich von 20°-40° aufweist.
Dabei erweist es sich als zweckmäßig, dass
das konische Ende des Isolatorröhrchens
im Endbereich des Kegelstumpfes vom Zentralloch bis zur Mantelfläche des
Kegelstumpfes abgerundet ist. Der abgerundete Rand des Kegelstumpfes
sollte vorzugsweise einen Radius zwischen 0,15 und 0,4 mm aufweisen.
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Um einen homogenen Aktivgasstrahl über die
gesamte Breite des linearen Blockes der Entladungskammern zu erreichen,
wird den Ausgangsdüsen
der Entladungskammern vorteilhaft eine entlang des linearen Blockes
ausgerichtete spaltförmige Sammeldüse vorgelagert,
die eingangsseitig an die Durchmesser der Ausgangsdüsen angepasst
und an den Stirnseiten des linearen Blockes jeweils durch eine abnehmbare
Abschlussblende abgeschlossen, die einen druckausgleichenden Abschluss
des Spaltes der Sammeldüse
darstellt. Zweckmäßig ist
die spaltförmige
Sammeldüse
in Ausströmungsrichtung verjüngt ist,
wobei sie eingangsseitig eine Spaltbreite hat, die gleich dem Durchmesser
der Ausgangsdüsen
der Entladungskammern ist, und ausgangsseitig eine Austrittsöffnung mit
1/6 bis 1/4 der eingangsseitigen Spaltbreite aufweist.
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Mit der Erfindung ist es möglich, eine
Vorrichtung zum Erzeugen eines breiten Aktivgasstrahls zu realisieren,
die eine gleichmäßige Behandlung
großer
Oberflächenbereiche
gestattet, ohne dass Abstriche an der Leistungsfähigkeit und/oder der Lebensdauer
des Aktivgasgenerators gegenüber
einer herkömmlichen
Einzelvorrichtung hingenommen werden müssen.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden.
Die Zeichnungen zeigen:
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1:
einen Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen Aktivgasgenerator
mit einem linearen Block mit fünf
Entladungskammern,
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2:
einen zu 1 orthogonalen
Längsschnitt
durch den Aktivgasgenerator,
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3:
einen Schnitt in einer zu 2 parallelen
Ebene,
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4:
eine Darstellung des Axialschnittes durch die Zentralelektrode mit
bevorzugten Gestaltungen von Zentralelektrode und Isolatorröhrchen,
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5:
einen Längsschnitt
durch die Sammeldüse
und die Ausgangdüsen,
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6:
einen Querschnitt durch die spaltförmige Sammeldüse und die
Ausgangdüsen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Behandlung
eines breiten Streifens einer Oberfläche 2 (nachfolgend
Aktivgasgenerator genannt) hat – wie
in 1 schematisch dargestellt – mehrere
gleichzeitig und selbständig
betriebene Aktivgaskanäle,
die aus einzelnen Entladungskammern 12 gebildet werden. Jede
der im Wesentlichen zylindrischen Entladungskammern 12 weist
eine Zentralelektrode 3, ein die Zentralelektrode 3 umhüllendes
Isolatorröhrchen 4, eine
axialsymmetrische Ausgangsdüse 13 und
einen Gaseinlass 14, der tangential zwischen Isolatorröhrchen 4 und
Wand der Entladungskammer 12 ein erforderliches Prozessgas
verwirbelt einleitet, auf. Die so aufgebauten einzelnen Aktivgaskanäle sind
nebeneinander aufgereiht in einem linearen Block 1 untergebracht,
der mechanisch aus einem Stück
elektrisch leitenden Materials gefertigt ist. 1 zeigt dazu einen Längsschnitt durch den linearen
Block 1.
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Der Block 1 hat für die gewählte Anzahl
der Entladungskammern 12 (in diesem Beispiel fünf) einen
gemeinsamen Prozessgasverteiler 15 (nur in 2 erkennbar), der das Prozessgas über die
als Wirbeldüse
gestalteten Gaseinlässe 14 in
die Entladungskammern 12 jedes einzelnen Aktivgaskanals einleitet.
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Der lineare Block 1 ist – wie aus
den zueinander orthogonalen Schnittdarstellungen von 1 und 2 zu entnehmen – über eine Steckverbindung mit einem
Isolatorblock 5 verbunden, der zugleich den hinteren Abschluss
der Entladungskammern 12 dar stellt.
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Der Isolatorblock 5, der
aus elektrisch isolierendem Material besteht, enthält die Hochspannungsanschlüsse 31 für die einzelnen
Zentralelektroden 3 sowie einen Erdungsanschluss 11 für alle im Block 1 enthaltenen
Entladungskammern 12 (als Gegenpotential). Weiterhin weist
er eine einheitliche Prozessgaszuführung 51 (2) auf, die über den Prozessgasverteiler
15 im linearen Block 1 die Versorgung der einzelnen Entladungskammern 12 über deren
Gaseinlässe 14 realisiert.
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Der Isolierblock 5 nimmt
im hinteren Abschluss der Entladungskammern 12 das Isolatorröhrchen 4 sowie
die Elektrode 3 auf. Zwischen Elektrode 3 und
Isolatorröhrchen 4 sind
im Isolierblock 5 für jede
Entladungskammer 12 Zusatzgaskanäle 52 ausgeformt,
die in Richtung der linearen Aneinanderreihung der Entladungskammern 12 von
einem Zusatzgasverteiler 53 gekreuzt werden. Der Zusatzgasverteiler 53 für die Einbringung
von Zusatzgas (vorzugsweise von zusätzlichem Prozessgas) in die
Zusatzgaskanäle 52 wird über eine
einheitliche Zusatzgaszuführung 54 realisiert,
die ebenfalls im Isolatorblock 5 – jedoch in einer anderen Ebene
(dargestellt in 3),
die parallel zur Ebene der Schnittzeichnung von 2 verläuft, untergebracht ist. Somit wird
an den Zentralelektroden 3 (über die engen Zusatzgaskanäle 52 in
jeder Entladungskammer 12 ein schnelle ringförmig begrenzte
Zusatzgasströmung erzeugt,
die die Entstehung einer elektrischen Entladung im Bereich des Endes 41 des
Isolatorröhrchens 4 behindert
und eine beginnende Gasentladung zusätzlich in Richtung der Ausgangsdüse 13 verschiebt.
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Die Gestaltung der gesamten Prozessgaseinleitung
in jede der Entladungskammern 12 über Prozessgaszuführung 51,
Prozessgasverteiler 15 und Gaseinlass 14 einerseits
sowie Zusatzgaszuführung 54,
Zusatzgasverteiler 53 und Zusatzgaskanal 52 andererseits
ist am Deutlichsten in 3 zu
erkennen. Lediglich die Prozessgaszuführung 51 ist hier
nicht zu erkennen, da sie in einer anderen Ebene liegt, die in 2 dargestellt ist.
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Des Weiteren ist in 3 eine Ausgestaltung gezeigt, die Konstanz
der Strömungseigenschaften der
Ausgangsdüsen 13 sichern
soll. Dazu ist jede Ausgangsdüse 13 mindestens
im Endbereich mit einem separaten, austauschbaren Metallröhrchen 18 ausgekleidet.
Dadurch lässt
sich der gesamte lineare Block 1 bei verschlissenen Ausgangsdüsen 13 weiter benutzen,
indem einfach die eingesetzten Metallröhrchen 18 ausgewechselt
werden.
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Erreichung einer gleichbleibend guten
Leistungsfähigkeit
des linear ausgedehnten Aktivgasstrahles 21 ist weiterhin
eine definierte Formgebung der Zentralelektroden 3 und
der Isolatorröhrchen 4 wesentlich.
Dazu zeigt 4 zwei Maßnahmen,
die einzeln oder gemeinsam angewendet, eine durch die Elektrodenzerstäubung der
Zentralelektrode 3 verursachte Verringerung der Qualität der Aktivgasstrahlen 21 bzw.
eine verkürzte
Lebensdauer der Gesamtvorrichtung verhindert oder zumindest stark
reduzieren.
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Zum einen hat das Isolatorröhrchen 4 ein
konisches Ende 41, das die Form eines mit einem Zentralloch
versehenen Kegelstumpfes mit einem Winkel α im Bereich zwischen 20° und 40° (bevorzugt
25°) aufweist.
Das konische Ende 41 ist bezogen auf die Kegelstumpfform
mit einem vom Zentralloch nach außen abgerundeten Rand 42 versehen,
dessen Radius R im Bereich zwischen 0,15 und 0,4 mm (bevorzugt bei
0,2 mm) liegt.
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Obwohl die Gasentladung vornehmlich
in Richtung der Ausgangsdüse 13 jeder
Entladungskammer 12 ausgerichtet ist, Entladungen in radialer Richtung
der Entladungskammern 12 wegen des geringen Kammerdurchmessers
D der Entladungskammern 12 aber nicht vermieden werden
können,
wird durch das konische Ende 41 und den oben beschriebenen „zurückfliehenden" Rand 42 eine
Metallisierung des Isolatorröhrchens 4 (die
praktisch eine Verbreiterung der Zentralelektrode 3 darstellt)
weitgehend unterdrückt.
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Als zweite Maßnahme wird die Zentralelektrode 3 im
Bereich des Randes 42 des Isolatorröhrchens 4 mit einer
radialen Aussparung 32 versehen, die gegenüber dem
Elektrodendurchmesser d1 der Zentralelektrode 3 einen
um wenige Zehntelmillimeter verringerten Aussparungsdurchmesser
d2 hat.
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Die Aussparung 32 weist
zwei Teilbereiche mit den Längen
L1 und L2 auf, von
denen sich der größere Teilbereich
der Länge
L, innerhalb und der kürzere
Teil der Länge
L2 außerhalb
des Isolatorröhrchens 4 befindet.
Die Zentralelektrode 3 wird zum Rand 42 des Isolatorröhrchens 4 so
platziert, dass die Aussparung 32 (mit dem Durchmesser
d2) mit der Länge L1 von
nicht weniger als 2 mm vom Isolatorröhrchen 4 abgedeckt
ist und auf der Länge
L2 von nicht weniger als 1 mm aus dem Isolatorröhrchen 4 herausragt.
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Durch die so angeordnete Aussparung 32 der
Zentralelektrode 3, die bei einem Elektrodendurchmesser
d1 = 2 mm eine Durchmesserreduzierung um
0,2 bis 0,6 mm (bevorzugt 0,4 mm) aufweist, ist die Austrittswahrscheinlichkeit
eines Entladungsbogens aus dem Bereich der Aussparung 32 und
somit eine radiale Gasentladung über
den Rand 42 des Isolatorröhrchens 4 deutlich
reduziert. Dadurch wird im Zusammenwirken mit der Strömung des
Prozessgases außerhalb
sowie die Zusatzgasströmung
innerhalb des Isolatorröhrchens 4 die
Metallisierung der Oberfläche
des Randes 42 des Isolatorröhrchens 4 wirksam
verhindert.
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Zur Erhöhung der Lebensdauer der Zentralelektrode 3 kann
außerdem
noch der Endteildurchmesser d3 des freien
Endes 33 der Zentralelektrode 3 gegenüber dem
sonstigen Elektrodendurchmesser d1 vergrößert sein.
Vorzugsweise wird der Endteildurchmesser d3 in
der Größenordnung
des Innendurchmessers da des Isolatorröhrchens 4 liegen (oder
geringfügig
größer sein)
und die Länge
des Endteiles 33 der Zentralelektrode 3 zwischen
1d1 und 5d1 betragen.
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Mit dieser Konstruktion der Zentralelektrode 3 mit
Aussparung 32 und verdicktem Ende 33 konnte im
Dauertest eine Lebensdauer der Zentralelektrode 3 von mehreren
tausend Stunden erreicht werden und das Isolatorröhrchen 4 brauchte
selbst nach mehreren Elektrodenwechseln nicht ersetzt zu werden
und hat damit praktisch eine unbegrenzte Lebensdauer.
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Der erfindungsgemäße multible lineare Aktivgasgenerator
kann – entsprechend
der Ausführungsvariante
gemäß den 5 und 6 – zusätzlich mit
einer Sammeldüse 16 zur
Verbesserung der Qualität
der Oberflächenbehandlung
ausgestattet werden. Die Aktivgasstrahlen 21 (nur in 1 dargestellt) aus den einzelnen
Entladungskammern 12 werden dabei entlang des linearen
Blockes 1 von einer durchgängigen spaltförmigen Sammeldüse 16 aufgenommen
und zu einer im Wesentlichen eindimensional ausgedehnten, einheitlichen
streifenförmigen
Aktivgaszone geformt.
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Die Sammeldüse 16 ist zum Ausgang
hin nochmals verjüngt,
wie in der Schnittdarstellung von 6 (mit
vergrößertem Detailausschnitt
unten) zu erkennen. Dabei ist die Breite Bg des
Eingangspaltes im Bereich der Aufnahme der Aktivgasstrahlen 21 in die
Sammeldüse 16 gleich
dem Durchmesser d der Ausgangsdüsen 13 der
Entladungskammern 12. Die Breite Ba der
verjüngten
spaltförmigen
Düsenöffnung am
Ausgang der Sammeldüse 16 ist
zwischen 1/6 bis 1/4 der Breite Bg des Eingangsspaltes
bzw. des Durchmessers d der Ausgangsdüse 13 der Entladungskammern 12.
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Die Sammeldüse 16 ist – wie aus 5 ergänzend zu entnehmen – so gestaltet,
dass sie die gesamte Breite des linearen Blockes 1 umfasst
und an beiden Enden mit abnehmbaren Abschlussblenden 17 geschlossen
ist, die als Außenbegrenzung des
linearen, in voller Breite über
die Materialoberfläche 2 geführten Aktivgasstrahles
wirken.
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- 1
- lineare
Blockanordnung
- 11
- Erdungsanschluss
- 12
- Entladungskammer
- 13
- Ausgangsdüse
- 14
- Gaseinlass
- 15
- Prozessgasverteiler
- 16
- Sammeldüse
- 17
- Abschlussblende
- 18
- Metallröhrchen
- 2
- Materialoberfläche
- 21
- Aktivgasstrahl
- 3
- Zentralelektrode
- 31
- Hochspannungsanschluss
- 32
- Aussparung
- 33
- Endteil
(der Zentralelektrode)
- 4
- Isolatorröhrchen
- 41
- konisches
Ende
- 42
- abgerundeter
Rand
- 5
- Isolatorblock
- 51
- Prozessgaszuführung
- 52
- Zusatzgaskanal
- 53
- Zusatzgasverteiler
- 54
- Zusatzgaszuführung
- α
- Kegelwinkel
- Ba
- Breite
der Düsenöffnung
- Bg
- Breite
des Eingangsspaltes
- D
- Kammerdurchmesser
- d
- Durchmesser
(der Ausgangsdüsen)
- d1
- Elektrodendurchmesser
- d2
- Aussparungsdurchmesser
- d3
- Endteildurchmesser
- d4
- Innendurchmesser
(des Isolatorröhrchens)
- E
- Strahldurchmesser
(des Aktivgasstrahls)
- L1, L2
- Länge (der
Aussparung)
- R
- Radius