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WO2010085941A2 - Vorrichtung zum modifizieren der oberflächen von bahn-, platten- und bogenware mit einer einrichtung zur erzeugung eines plasmas - Google Patents

Vorrichtung zum modifizieren der oberflächen von bahn-, platten- und bogenware mit einer einrichtung zur erzeugung eines plasmas Download PDF

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WO2010085941A2
WO2010085941A2 PCT/DE2010/000082 DE2010000082W WO2010085941A2 WO 2010085941 A2 WO2010085941 A2 WO 2010085941A2 DE 2010000082 W DE2010000082 W DE 2010000082W WO 2010085941 A2 WO2010085941 A2 WO 2010085941A2
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outlet openings
chamber
counter electrode
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    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/47—Generating plasma using corona discharges

Definitions

  • DE 195 38 176 A1 describes a device in which air flows around electrodes in a housing, wherein the gas stream is conducted in the direction of the treated surface.
  • EP 0 914 876 B1 reports a process in which a gas mixture is introduced via a distributor between roller electrodes, wherein the rollers are covered by the web material.
  • edges extending transversely to the direction of movement between the side walls and the lower wall are curved and that the average radius of curvature of the edges is greater than 8 mm, preferably greater than 10 mm.
  • the curvature is formed by a quarter arc, since such a curved edge on the one hand easily is to produce and on the other hand so that a fluidically optimal effect can be achieved.
  • the gap between the electrode and the product is uniformly filled over its entire width with a plasma, if several rows of outlet openings are provided, which are arranged one behind the other viewed in the direction of movement of the goods.
  • the openings are designed so that even at low flow rates, a uniform media outlet over the entire electrode width is possible.
  • the electrode is made of aluminum or stainless steel.
  • the electrode may be provided with a non-conductive coating to provide the benefits of barrier discharge, even when the counter electrode is bare.
  • This non-conductive coating can z. B. simply be an oxide layer, as occurs in the anodizing of aluminum, or a ceramic layer.
  • the counterelectrode is not positioned outside, but installed in the hollow body electrode opposite the outlet openings, the counterelectrode is thus in a chamber of the electrode, the plasma is generated in the hollow body of the electrode when the high voltage is applied and due to the overpressure in the electrode through the openings of the electrode discharged.
  • the counter electrode is arranged above the outlet openings, wherein the distance of the counter electrode to the bottom wall in the region of the outlet openings is smaller than 1 mm. It has been shown that optimal effects can thus be achieved.
  • each show in cross section: 1 shows a first embodiment in which the electrode is a single chamber system and the counter electrode is arranged below the electrode, wherein the product to be treated passes through the gap between electrode and counter electrode,
  • FIG. 2 shows a second embodiment in which the electrode has a two-chamber system
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment, wherein the counter electrode is arranged in the chamber of the electrode.
  • an electrode 1 which is designed as a hollow profile bar, which extends perpendicular to the plane of the drawing.
  • the cross-section of the profile is rectangular, the surface of the long sides being parallel to a web 2 to be treated. Instead of a web can also be treated a sheet or sheet goods.
  • the individual plates or sheets pass successively past the electrode and thus also form a path in their sequence.
  • a closed chamber 3 is formed, which extends over the width of the web 2 and is closed at the ends of the profile with caps, not shown here.
  • edges between the short and long sides of the profile and in particular the web-facing edges 4, 5 are curved.
  • a gas inlet 6 At the top of the electrode 1 facing away from the web there is a gas inlet 6.
  • a flat and compact counter electrode 8 is arranged below the electrode 1. As a result of the gap 9 formed between the electrode 1 and the counterelectrode 8, the web 2 runs in the direction of the arrow 10.
  • the electrode 1 has two chambers 3, 3 'and thus forms a two-chamber system.
  • the chambers 3, 3 ' are parallel to each other and transverse to the web 2.
  • Each chamber 3, 3 1 has its own gas inlet
  • the counter-electrode 8 is constructed symmetrically to the electrode 1 and thus also has a chamber 5a with a gas inlet 6a and gas outlets 7a.
  • the counter electrode 8 is disposed opposite to the electrode 1.
  • the gas outlets 7, 7a of counter electrode 8 and electrode 1 are located on opposite sides to the gap 9, through which the web 2 is passed.
  • a flat and compact counterelectrode 8 is arranged in the chamber 3 of the electrode 1.

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Abstract

Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, eine Vorrichtung zum Modifizieren der Oberflächen von Bahnen mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas zu verbessern, insbesondere dafür zu sorgen, dass ein gleichmäßiges Plasma entsteht. Die Erfindung schlägt dazu vor, die Kanten (4, 5) der Elektrode (1) zu runden, so dass die Strömung in diesem Bereich nicht turbulent wird. Außerdem wird der Medienstrom durch die hohl ausgeführte Elektrode (1) geführt, was deren Kühlung bewirkt. Die Gegenelektrode (8) ist vorzugsweise in der hohl ausgeführten Elektrode (1) angeordnet.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zum Modifizieren der Oberflächen von Bahn-, Platten- und Bogenware mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines
Plasmas
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Modifizieren der Oberflächen von Bahn- , Platten- und Bogenware mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mit Hilfe einer Corona- oder Barriereentladung bei Atmosphärendruck, wobei die Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Elektrode und einer Gegenelektrode versehen ist, wobei wenigstens eine der Elektroden aus einem Hohlkörper aus leitfähigem Material besteht, der eine aus leitfähigem Material bestehende untere Wand, eine obere Wand und zwei Seitenwände aufweist, wobei die Wände wenigstens eine Kammer einschließen, die über einen Gaseinlass zum Einleiten eines gasförmigen Mediums in die Kammer verfügt, wobei die der Ware zugewandte untere Wand wenigstens eine Reihe von nebeneinander liegenden Austritts- Öffnungen für das Medium aufweist und wobei die Austrittsöffnungen so angeordnet sind, dass das Gas den Austrittsöffnungen über die nach innen gerichtete Wandfläche der unteren Wand quer zur Reihe der Austrittsöffnungen zufließen kann, und mit einer Transporteinrichtung, um die Ware in einer quer zur Reihe der Austrittsöffnungen liegenden Bewegungsrichtung an der aus einem Hohlkörper bestehenden Elektrode vorbeizuführen.
Eine solche Vorrichtung ist in der WO 2007/017271 beschrieben.
Grundsätzlich ist es bekannt, dass in Corona- oder Barriereentladungen auch bei Atmosphärendruck Plasmen ent- stehen. Die in die Entladungszone eingebrachten Gase bestimmen dabei die Eigenschaften der jeweils entstehenden Plasmen. Im Allgemeinen wird die Entladung einfach an Luft durchgeführt und z. B. zur chemischen Modifizierung von Oberflächen in einem trockenen Prozess verwendet . Bei der Behandlung von Bahn-, Platten- oder Bogenware in einem kontinuierlichen Prozess in Luftatmosphäre ist dabei auch bei hohen Bahngeschwindigkeiten keine spezielle Schleusentechnik nötig.
Wenn allerdings eine von Luft abweichende GasZusammensetzung verwendet werden soll, muss diese durch geeignete Maßnahmen im Entladungsbereich eingestellt werden. Dazu bedarf es in kontinuierlichen Prozessen einer entsprechenden Schleusentechnologie und einer Zuführung für die erwünschten Medien in den Entladungsbereich.
Zur Zuführung von Gasen in den Entladungsbereich sind verschiedene Konzepte möglich. In der DE 195 38 176 Al ist eine Vorrichtung beschrieben, in der Elektroden in einem Gehäuse von Luft umströmt werden, wobei der Gas- strom in Richtung der behandelten Oberfläche geleitet wird.
In der WO 02/06503 A3 wird eine Vorrichtung beschrieben, in der Gase über eine poröse Keramik zwischen die Elektroden einer Barriereentladung geleitet werden.
EP 0 914 876 Bl berichtet von einem Verfahren, bei dem ein Gasgemisch über einen Verteiler zwischen Rollenelektroden eingebracht wird, wobei die Rollen von der Bahnware bedeckt werden.
Nachteil dieser Verfahren ist die indirekte Zufuhr der Gase in den Entladungsraum, die vor allem im kontinuierlichen Betrieb einen sehr hohen Gasverbrauch erfordert, um die erwünschte GasZusammensetzung im Entladungsbereich zu erzielen. Bereits bei der Verwendung etwas dickerer poröser Materialien wie Textilien wird mit den beschriebenen Verfahren keine ausreichende Gasdurchmischung im Material erreicht, so dass ein sehr ungleichmäßiges Plasma entsteht. Das Gleiche gilt für höhere Bahngeschwindigkeiten, bei denen ein Luftkissen über dem Material entsteht, so dass auch mit sehr aufwändigen Schleusensystemen Luftanteile in den Entladungsbereich eingebracht werden .
In der oben schon erwähnten WO 2007/017271 wird daher vorgeschlagen, das Gas durch die Elektrode in den Entladungsbereich zu führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zugrunde, mit einer möglichst einfachen und effektiven Zuführung die erwünschte Medienkonzentration im Entladungsbereich einzustellen, wobei eine zusätzliche Kühlung der Elektrode überflüssig wird.
Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, dass die quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden Kanten zwischen den Seitenwänden und der unteren Wand gekrümmt ausgeführt sind und dass der mittlere Krümmungsradius der Kanten größer als 8 mm, vorzugsweise größer als 10 mm ist.
Dies bedingt auch bei einer hohen Bahngeschwindigkeit eine turbulenzfreie Strömung, so dass die Medienkonzentration in dem Spalt zwischen Elektrode und Ware sehr gleichmäßig bleibt und der Eintrag von Fremdmedium minimiert wird.
Vorzugsweise wird die Krümmung von einem Viertelbogen gebildet, da eine derart gekrümmte Kante einerseits leicht herzustellen ist und andererseits damit eine strömungstechnisch optimale Wirkung erzielt werden kann.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn in der Kammer ein Überdruck aufgebaut ist, so dass das gasförmige Medium unter Druck aus den Austrittsöffnungen ausströmt.
Vorzugsweise ist dazu die Elektrode flach ausgeführt, wobei die Vorder- und Rückseite der Elektrode als Kreisabschnitte ausgeführt sind.
Die Elektrode lässt sich leicht herstellen, wenn sie aus einem Profil mit einem geschlossenen Querschnitt gebildet ist, wobei die Stirnseiten durch Kappen verschlossen sind.
Der Spalt zwischen Elektrode und Ware wird über seine gesamte Breite gleichmäßig mit einem Plasma erfüllt, wenn mehrere Reihen von Austrittsöffnungen vorgesehen sind, die in Bewegungsrichtung der Ware gesehen hintereinander angeordnet sind. Die Öffnungen sind so gestaltet, dass auch bei kleinen Durchflussmengen ein gleichmäßiger Medienaustritt über die vollständige Elektrodenbreite möglich ist .
Um hohe Austrittsgeschwindigkeiten zu ermöglichen, ist die Elektrode auch für höhere Innendrücke (bis 6 bar) ausgelegt. Die Geometrie der Elektrode ist vorzugsweise stabförmig mit gerundeten bzw. ovalen Kanten, oder flächig mit gerundeten ovalen Kanten. Die Gegenelektrode kann von beliebigem Typ und Geometrie sein und ist jeweils gegenüber den Austrittsöffnungen zu positionieren.
Vorzugsweise besteht die Elektrode aus Aluminium oder Edelstahl . Die Elektrode kann mit einem nicht leitenden Überzug versehen werden, um die Vorzüge einer Barriereentladung zu gewährleisten, auch wenn die Gegenelektrode blank ausgeführt ist. Dieser nicht leitende Überzug kann z. B. einfach eine Oxid-Schicht sein, wie sie beim Eloxieren von Aluminium auftritt, oder eine Keramikschicht.
Wird die Elektrode in einer dielektrischen Barriereentladung (z. B. mit einer Keramik beschichteten Walze als Gegenelektrode) mit Luftzufuhr betrieben, kann ein sehr viel homogeneres Entladungsbild erzeugt werden, was optisch durch das Verschwinden von Entladungsfilamenten beobachtet werden kann, wenn die Luftzufuhr eingeschaltet wird. Bei der Behandlung poröser Materialien wie Textilien führt die Strömung der Medien aus der Elektrode zu einer gleichmäßigen Behandlung des Materials, auch in tiefer liegenden Bereichen des Gewebes.
Um verschiedene Medien in die Entladungszone einbringen zu können, ist vorgesehen, dass der Hohlkörper in mehrere quer zur Ware verlaufende Kammern unterteilt ist, die ein KammerSystem bilden, wobei jede Kammer einen Anschluss zum Einleiten eines gasförmigen Mediums und mit wenigstens einer Reihe von nebeneinander liegenden Austrittsöffnungen für das Medium versehen ist, wobei alle Austrittsöffnungen an einer Seite des Hohlkörpers angeordnet sind.
Neben Medien wie reinen Gasen kann die Elektrode natürlich auch mit Gasgemischen oder mit Trägergasen betrieben werden. Den Trägergasen können flüchtige Komponenten oder schwebfähige flüssige oder feste Teilchen beigemischt werden, die mit aus der Elektrode ausgetragen werden, so dass die Elektrode auch für besonders effektive Plasmabe- schichtungen verwendet werden kann. Durch die Unterteilung des Hohlkörpers mit einem Kammersystem können Gase bzw. Trägergase mit flüchtigen oder schwebfähigen Komponenten auch an unterschiedlichen Stellen der Gaselektrode austreten. So können z. B. reine Inertgaskomponenten über eine Kammer in den Entladungsbereich der Elektrode gelenkt werden, während ein Trägergas flüchtige Komponenten über eine zweite Kammer am Ende des Entladungsbereichs austrägt, wodurch z. B. Fragmentierungsreaktionen der flüchtigen Komponenten im Plasma vermieden oder verringert werden.
Wird die Gegenelektrode nicht außerhalb positioniert, sondern in die Hohlkörperelektrode gegenüber den Austrittsöffnungen eingebaut, die Gegenelektrode ist somit in einer Kammer der Elektrode, wird bei Anlegung der Hochspannung das Plasma im Hohlkörper der Elektrode erzeugt und aufgrund des Überdrucks in der Elektrode durch die Öffnungen der Elektrode ausgetragen.
Vorzugsweise ist die Gegenelektrode dabei oberhalb der Austrittsöffnungen angeordnet, wobei der Abstand der Gegenelektrode zur unteren Wand im Bereich der Austritts- öffnungen kleiner als 1 mm ist. Es hat sich gezeigt, dass sich damit optimale Wirkungen erzielen lassen.
Eine andere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass die Gegenelektrode symmetrisch zu Elektrode aufgebaut ist und ihr gegenüberliegend angeordnet ist, so dass sich die Austrittsöffnungen von Gegenelektrode und Elektrode auf sich gegenüberliegenden Seiten von Gegenelektrode und Elektrode befinden und die Ware zwischen Elektrode und Gegenelektrode hindurchgeführt ist.
Im Folgenden soll anhand von 4 Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert werden. Dazu zeigen jeweils im Querschnitt: Fig. 1 eine erste Ausführungsform, bei der die Elektrode ein Einkammersystem ist und die Gegenelektrode unterhalb der Elektrode angeordnet ist, wobei durch den Spalt zwischen Elektrode und Gegenelektrode die zu behandelnde Ware verläuft,
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform, bei der die Elektrode ein Zweikammersystem hat,
Fig. 3 eine dritte Ausführungsform, bei der die Elektrode und die Gegenelektrode symmetrisch zueinander aufgebaut und gegenüberliegend angeordnet sind, und
Fig. 4 eine vierte Ausführungsform, bei der die Gegenelektrode in der Kammer der Elektrode angeordnet ist.
Die Figur 1 zeigt eine Elektrode 1, die als hohle Profilstange ausgeführt ist, die sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Der Querschnitt des Profils ist rechteckig, wobei die Fläche der langen Seiten parallel zu einer zu behandelnden Bahn 2 verläuft. Anstelle einer Bahn kann auch eine Platten- oder Bogenware behandelt werden. Die einzelnen Platten oder Bögen laufen dabei nacheinander an der Elektrode vorbei und bilden in ihrer Abfolge somit ebenfalls eine Bahn. In der Elektrode 1 ist damit eine geschlossene Kammer 3 ausgebildet, die sich über die Breite der Bahn 2 erstreckt und an den Enden des Profils mit hier nicht dargestellten Kappen verschlossen ist.
Die Kanten zwischen den kurzen und langen Seiten des Profils und insbesondere die der Bahn zugewandten Kanten 4, 5 sind gekrümmt ausgeführt. An der von der Bahn abgewandten Oberseite der Elektrode 1 befindet sich ein Gaseinlass 6.
An der der Bahn zugewandten Unterseite befinden sich in der Wand der Elektrode 1 drei Reihen von Gasauslässen 7 in Form von düsenförmigen Austrittsöffnungen. Die Reihen verlaufen parallel zueinander und quer zur Bahn 2.
Wegen des Druckabfalls in den Gasauslässen 7 wird an der Kammer 3 ein Überdruck von bis zu 6 bar angelegt, der bewirkt, dass das durch den Gaseinlass 6 einströmende Medium sich gleichmäßig in der Kammer 3 verteilt .
Eine flächige und kompakt ausgeführte Gegenelektrode 8 ist unterhalb der Elektrode 1 angeordnet. Durch den sich dadurch bildenden Spalt 9 zwischen der Elektrode 1 und Gegenelektrode 8 verläuft die Bahn 2 in Richtung des Pfeiles 10.
Gemäß der Fig. 2 besitzt die Elektrode 1 zwei Kammern 3, 3' und bildet somit ein Zweikammersystem. Die Kammern 3, 3 ' verlaufen parallel zueinander und quer zur Bahn 2. Jede Kammer 3, 31 verfügt über einen eigenen Gaseinlass
6 , 6 ' sowie über wenigstens eine Reihe von Gasauslässen
7, 7' .
Gemäß der Fig. 3 ist die Gegenelektrode 8 symmetrisch zur Elektrode 1 aufgebaut und besitzt damit ebenfalls eine Kammer 5a mit einem Gaseinlass 6a und Gasauslässen 7a. Die Gegenelektrode 8 ist gegenüberliegend der Elektrode 1 angeordnet. Die Gasauslässe 7, 7a von Gegenelektrode 8 und Elektrode 1 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten zum Spalt 9, durch den die Bahn 2 hindurchgeführt ist . Gemäß der Fig. 4 ist eine flächige und kompakte Gegenelektrode 8 in der Kammer 3 der Elektrode 1 angeordnet .
Bezugszeichenliste
Elektrode
Bahn
Kammer
Kante
Kante , 6a Gaseinlass , 7a Gasauslass
Gegenelektrode
Spalt
Pfeil

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Modifizieren der Oberflächen von Bahn- , Platten- und Bogenware mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines Plasmas mit Hilfe einer Corona- oder Barriereentladung bei Atmosphärendruck, wobei die Plasmaerzeugungsvorrichtung mit einer Elektrode
(1) und einer Gegenelektrode (8) versehen ist, wobei wenigstens eine der Elektroden aus einem Hohlkörper aus leitfähigem Material besteht, der eine aus leitfähigem Material bestehende untere Wand, eine obere Wand und zwei Seitenwände aufweist, wobei die Wände wenigstens eine Kammer (3) einschließen, die über einen Gaseinlass (6) zum Einleiten eines gasförmigen Mediums in die Kammer (3) verfügt, wobei die der Ware (2) zugewandte untere Wand wenigstens eine Reihe von nebeneinander liegenden Austrittsόff- nungen (7) für das Medium aufweist und wobei die Austrittsöffnungen (7) so angeordnet sind, dass das Gas den Austrittsöffnungen (7) über die nach innen gerichtete Wandfläche der unteren Wand quer zur Reihe der Austrittsöffnungen zufließen kann, und mit einer Transporteinrichtung, um die Ware in einer quer zur Reihe der Austrittsöffnungen liegenden Bewegungsrichtung an der aus einem Hohlkörper bestehenden Elektrode (1) vorbeizuführen, dadurch gekennzeichnet, dass die quer zur Bewegungsrichtung verlaufenden Kanten (4, 5) zwischen den Seitenwänden und der unteren Wand gekrümmt ausgeführt sind und dass der mittlere Krümmungsradius der Kanten größer als 8 mm, vorzugsweise größer als 10 mm ist.
2. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmung von einem Viertelbogen gebildet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kammer ein Überdruck aufgebaut ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (1) flach ausgeführt ist, wobei die Vorder- und Rückseite der Elektrode als Kreisabschnitt ausgeführt sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (1) aus einem Profil mit einem geschlossenen Querschnitt gebildet ist, wobei die Seiten durch Kappen verschlossen sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Reihen von Austrittsöffnungen (7) vorgesehen sind, die in Bewegungsrichtung der Ware gesehen hintereinander angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (1) mit einem nicht leitenden Überzug versehen ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper in mehrere quer zur Bewegungsrichtung der Ware verlaufende Kammern (3, 31) unterteilt ist, die ein Kammersystem bilden, wobei jede Kammer (3, 31) mit einem Gas- einlass (6, 61) zum Einleiten eines gasförmigen Mediums und mit wenigstens einer Reihe von nebeneinander liegenden Austrittsöffnungen (7, 71) für das Medium versehen ist, wobei alle Austrittsöffnungen (7, 71) an einer Seite des Hohlkörpers angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (8) in der Kammer (3) der Elektrode (1) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (8) oberhalb der Austrittsöffnungen angeordnet ist und der Abstand der Gegenelektrode (8) zur unteren Wand im Bereich der Austrittsöffnungen kleiner als 1 mm ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenelektrode (8) symmetrisch zur Elektrode (1) aufgebaut ist und ihr gegenüberliegend angeordnet ist, so dass sich die Austrittsöffnungen (7, 7a) von Gegenelektrode (8) und Elektrode (1) auf sich gegenüberliegenden Seiten von Gegenelektrode (8) und Elektrode (1) befinden und die Ware (2) zwischen Elektrode (1) und Gegenelektrode (8) hindurchgeführt ist .
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