等离子体喷嘴的制作方法

在此类的工件处理中，通过等离子体射流实现了要处理的表面的表面活性化和/或表面功能化以及精细清洁。等离子体能够借助惰性气体或反应性气体带动，从而在待处理工件的表面上进行物理的和/或化学的处理。由此例如在塑料表面使用涂料或粘合剂的情况下改善了材料之间的粘合。

已知能够例如使用根据us6,677,550b2或us5,961,772的等离子体喷嘴(喷嘴系统)对具有较高材料强度或者复杂几何形状的非导电工件施加等离子体。其中，护套本身形成反电极，从而使得在电极与反电极之间，当施加了高电压之后会形成热电弧放电。由此出现的等离子体借助气流从喷嘴排出。

此类喷嘴系统的缺点在于，在工作时出现高电极消耗，作为等离子体射流从喷嘴开口排出的热电弧放电所导致的高温，以及缺乏清洁能力或者清洁效率低下。这些缺点特别在高处理速度(即当等离子体射流以较高速度扫过工件时)条件下显现出来。对于这些喷嘴系统而言，在等离子体中存在的、为进行表面处理而提供的反应性物质(即例如受激发的分子、原子和/或离子)并不直接在待处理的表面上生成，原因在于，热电弧放电所造成的高温将会导致表面的损坏。为了避免电弧放电的等离子体细丝对表面的此类物理效果，要使电弧放电在与表面有一定距离处生成。此种喷嘴系统因此称为远程系统，而其生成的等离子体则称为“远程等离子”。由于反应性物质并不直接在工件表面上而是在与工件表面有一定距离处生成，则这些物质在通向所述表面的路径上例如与环境空气或远程系统的电极壁发生反应。因此，这些物质中仅有一小部分能够与所述表面进行反应。由此降低了等离子体处理的效率。

使用已知的等离子体喷嘴能够实现表面的活性化，但是不能实现表面的精细清洁。

较高的处理气体消耗、必须对处理气体进行冷却以及较低效的放电面积，这使得上述方法仅仅成为了经济效益有限的方法。

可供选择地，由现有技术已知了在待清洁工件的表面上生成滑动放电(gleitentladung)或者在待清洁工件的表面上形成介质阻挡放电(dielektrischbehinderteentladung)的装置。对于滑动放电而言，将平行于待处理表面设置的高压电极置于不同的电势，并且使用待处理的工件作为中间媒介以生成放电细丝(entladungsfilamente)。其中，依赖于所使用的处理气体，滑动放电仅能够实现约1mm的放电距离。因此，该方法仅适用于具有小的形状公差的平坦表面，原因在于，等离子体不能渗透到咬边(hinterschneidung)或凹槽中，并且必须要精确控制高压电极的距离。在介质阻挡或者屏障放电的情况下，容纳在放电缝隙中的工件必须也很薄，以便生成并维持具有可控电压的放电。

因此，本发明的任务在于，提出一种清洁方法和清洁装置从而能够对表面进行活性化或精细清洁，其允许对表面进行被改善的、特别是高效的处理，并且能够通用于平坦的或非平坦的工件表面。

根据本发明，该任务通过如权利要求1所述的装置以及如权利要求10所述的方法来解决。本发明有利的改进形式记录在从属权利要求中。

根据本发明，提出了一种用于生成等离子体射流的等离子体喷嘴。该等离子体喷嘴包括至少一个电极。在本发明的一些实施方式中，该电极是长形的或条形的。该电极能够是中空的或者包括中空空间。

所述至少一个电极被护套包围，从而在电极与护套之间形成放电室。在本发明的一些实施方式中，护套和电极能够彼此同心地布置。根据本发明提出的是，护套包含电介质或者由电介质组成。

放电室还具有至少一个处理气体的进入开口和用于喷出等离子体射流的喷嘴开口。

此外，根据本发明的装置具有至少一个第一反电极，其在第一纵截面中环形包围放电室。其中，第一反电极通过护套与所述电极电绝缘。另外，还存在有第二反电极，其在第二纵截面中环形包围放电室。这些反电极能够与所述电极和护套同心地设置。

一种根据本发明的方法，其用于使用或者驱动根据本发明的等离子体喷嘴，具有以下方法步骤：

引导有流动的处理气体穿过进入开口进入放电室；以及，在所述电极和/或第一反电极和/或第二反电极之间产生电势差，从而通过在放电室中的处理气体内的介质阻挡放电的点燃使得在放电室中形成等离子体；以及，由借助流动从喷嘴开口排出的等离子体生成等离子体射流。

因此，等离子体射流借助介质阻挡放电(dielectricbarrierdischarge或dbd)生成(dbd射流)。其中，dbd的放电细丝通过在所述电极与一个或多个反电极之间施加高电压来生成。对于dbd而言，在处理气体中生成放电细丝，相对于热电弧放电在放电细丝中仅有较低的温度。因此，如此产生的等离子体是非热等离子体，其中，所产生的反应物质不与局部包围其的处理气体发生热平衡。在单个放电细丝中的放电过程由于介质阻挡在时间上是很短暂的，因而无法形成热平衡。此类等离子体，或者由其生成的等离子体射流，因此能够用作直接作用于表面处理的等离子体。由于在表面附近生成等离子体而又不会损坏表面这一可能性，使得能够实现高效的处理。

不同于用于等离子体活性化的已知系统(其通常使用工件作为电介质屏障)，使用根据本发明的装置能够加工较厚的工件，原因在于，非导电的工件具有用于第二反电极的反电势。因此，根据本发明的等离子体喷嘴将已知等离子体喷嘴的优势(比如高的缝隙穿透性)与在工件表面上高效的滑动放电或阻挡放电进行了组合。

因此，使用根据本发明的等离子体喷嘴也能够以工业化规模进行工件的处理，原因在于，相较于已知的滑动放电在等离子体喷嘴与工件之间的距离公差能够较大，并且相较于已知的阻挡放电工件厚度能够较大。在大规模生产比如挤压半成品时出现的高的距离公差或者形状公差，需要在内联工作的预处理系统中在尽可能大的公差范围内实现高效的活性化/功能化并同时在表面上进行精细清洁。根据本发明的等离子体喷嘴可用作此类预处理系统。由此能够替代破坏环境且高成本的湿化学表面处理方法。根据本发明的等离子体喷嘴类似于滑动放电源的使用允许平面的应用。由于在工件表面和喷嘴开口之间足够高的可能放电距离，带有形状偏差的工件能够以高速度处理而不会损坏。此外，对于几何形状复杂的工件，例如带有咬边、槽等等的工件，具有好的缝隙穿透性。

在本发明的一些实施方式中，将第二反电极设置在喷嘴开口处，从而使得喷嘴开口在中心穿过反电极。dbd的放电细丝不仅在放电室中出现，而是也直接出现在喷嘴开口的区域中，并因此能够影响待处理的工件表面。以这种方式，在表面上能够受到化学的以及物理的影响。此外，在等离子体射流中如此生成的反应物质能够直接与所述表面相互作用，而不会事先与环境空气或其他反应物发生接触。

在本发明的一些实施方式中，第二反电极具有板状加宽的环形表面。这样所具有的优点在于，能够直接在待处理的表面上生成放电细丝。其中，板平面法线大致平行于等离子体射流方向。应用本发明的该实施方式，还能够使用dbd处理材料厚度大于10mm的电绝缘的工件，原因在于，该工件不再必须完全容纳在放电缝隙中。

在本发明的一些实施方式中，第二反电极的表面能够由护套覆盖。护套由此形成了屏蔽朝向放电室和朝向工件的电极表面的、连续的电介质。这允许简单地设计和制造以及可靠地操作等离子体喷嘴。

在本发明的一些实施方式中，对于通用的等离子体喷嘴，设计由电介质制成的护套，其中反电极通过护套与电极电绝缘，以便在电极与反电极之间的处理气体中产生介质阻挡放电。在本发明的一些实施方式中，电介质能够包含玻璃、陶瓷或聚合物。在本发明的一些实施方式中，聚合物可以是聚四氟乙烯(ptfe)或者包含聚四氟乙烯。

在本发明的一些实施方式中，在放电空间中的电极涂覆有电介质。该额外的涂层提供由dbd生成的等离子体的、更加均匀的放电特性。该涂层能够包含聚合物或陶瓷，或者由聚合物或陶瓷组成。该涂层能够包含聚四氟乙烯或氧化物或氮氧化物。

在本发明的一些实施方式中，进入开口由电极中的至少一个气体通道形成。有利地，气体通道可包括多个孔，这些孔在电极中径向对称地布置，从而实现处理气体均匀地流动通过放电室。这也导致特别均匀和稳定的等离子体射流。

在本发明的一些实施方式中，可设置等离子体喷嘴壳体，其中反电极借助于灌注物固定在护套与等离子体喷嘴壳体之间。通过这种方式，能够实现等离子体喷嘴的有成本效益的制造，并且避免在等离子体喷嘴内部的寄生放电。

在本发明的一些实施方式中，在所述装置工作时，第一反电极被置于地电势，而第二反电极则处于浮动电势。由此，等离子体射流从喷嘴排出，其可具有超过10mm或超过20mm或超过30mm的范围。

在本发明的一些实施方式中，在所述装置工作时，第二反电极被置于地电势，而第一反电极则处于浮动电势。在该工作状态下，等离子体细丝在等离子体喷嘴的底侧上滑动，或者在平行于第二电极的板平面的、护套的板平面上滑动。在这种情况下，能够在工件上生成距离从大约1mm至大约3mm的滑动放电。

在本发明的一些实施方式中，在所述装置工作时，第一反电极和第二反电极均处于地电势。在这种工作状态下，在放电空间内的第一反电极与所述电极之间产生放电，其等离子体从等离子体喷嘴排出。第二反电极形成从喷嘴喷出的等离子体的反电势。以这种方式，有可能在距离工件表面大约3mm至20mm的距离上进行滑动放电。

在本发明的一些实施方式中，处理气体可选自氩气和/或氦气和/或环境空气和/或合成空气和/或以混合比例为90/10或95/5(体积百分比)的氮气和氧气的气体混合物。

作为使用根据本发明的等离子体喷嘴的等离子体射流的可能表面处理，至今为止所有的使用领域(在这些使用领域中会应用到等离子体)都是有可能的，例如表面功能化、表面活性化、层沉积、精细清洁和/或消毒。

本发明的特定实施方式将在下文中参考附图更详细地描述。在附图中：

图1是根据本发明的等离子体喷嘴在其用于工件的表面处理时通过该等离子体喷嘴的实施方式的截面。

图2是图1中的等离子体喷嘴的针形电极的细节视图。

图3a至3c显示了图1中根据本发明的等离子体喷嘴处于不同工作模式下的视图。

图4a和4b分别以条形图显示了在进行工件的表面处理时与根据本发明的方法的工作参数相关的工作结果的质量参数。

图5a至5c显示了根据本发明的等离子体喷嘴的等离子体射流的摄影图片。

在图1中，显示了根据本发明的等离子体喷嘴1在其用于借助等离子体射流5进行工件3的表面处理时，通过该等离子体喷嘴1的截面视图。等离子体喷嘴1具有针形电极7，其用于施加特别的脉冲高压。因此，针电极7在下文中也称为高压电极。针电极7被护套9同心地包围，所述护套9由电介质材料制成。护套9具有圆柱形的基本形状。在电极7与护套9之间形成有放电室11。放电室11具有：进入开口12，其用于处理气体例如氩气、氦气和/或空气；以及，喷嘴开口14，其用于喷出等离子体射流5。等离子体射流5由在放电室11中生成并且借助处理气体流从喷嘴开口14排出的等离子体生成。在该附图中，流动的处理气体在进入开口12的区域中通过块箭头来象征性地表示。

此外，设置在一区域中环形包围放电室11的、由金属制成的第二反电极16。该第二反电极16通过电介质护套9与电极7电绝缘，以便产生在针形电极7与反电极16之间处理气体中的介质阻挡放电。第二反电极16能够产生置于地端(也就是说电接地)的介质阻挡放电，因此反电极16在下文中也称为接地环(massering)。在附图中未标出电接触。

第二反电极16被设置在喷嘴开口14的区域中，使得喷嘴开口14在中心穿过第二反电极16。此外，第二反电极16具有板状加宽的环形表面18。此处，关于板状加宽被理解为具有以下形状的环，即其径向环宽度大于其轴向环高度。板状加宽的反电极16的、背离等离子体射流方向的环形表面18被护套9覆盖，并由此也借助于护套9的电介质与高压电极7隔开。因此，等离子体喷嘴1在其下部区域中，即喷嘴开口14的区域中，具有板状加宽部分(板底侧)。因此，护套9在下文中也称为板条(tellerstab)，并且整个等离子体喷嘴1在下文中也称为“碟式喷嘴(disc-jet)”。板状加宽的环形表面18以及被相应形成的板底侧的表面法线大致平行于所生成的等离子体射流5的出口方向。喷嘴开口14在径向中央处穿过板形反电极16。

此外，等离子体喷嘴1具有由金属制成的第一反电极20，其同样能够电接地以使得等离子体喷嘴1工作。第一反电极20同样环形地包围放电室11，并且通过护套9与条形电极7绝缘。此处，第一反电极20被设置成在条形电极7的高度上，并且在下文中也称为上部接地环，与之相对地，被设置在喷嘴开口14区域中的第二反电极16称为下部接地环。地端的地电势也能够以任何其他的电势来替换，和/或两个接地环也能够置于不同的电势，也就是说，分别与不同的电压源电连接。然而，出于安全和应用技术方面的原因，地电势是优选的。

因此，等离子体喷嘴1可称为“具有双地端的碟式喷嘴”。第一反电极20所对的、设置在喷嘴开口14区域中的第二反电极16被构造成前放电电极(vorentladungselektrode)。换而言之，通过在第一反电极20与条形电极7之间的放电所产生的等离子体借助处理气体流被输送至在喷嘴开口14中设置的第二反电极16，由此能够激发在上述第二反电极区域中的介质阻挡放电，即激发介质阻挡后放电(nachentladung)。

高压电极7具有气体通道25，由此同时起到处理气体引导装置，即进入开口12的作用。该高压电极由导电金属，例如不锈钢、铝和/或黄铜制成。板条用作电介质，并且由电介质材料例如陶瓷、玻璃和/或聚合物制成。在板条护套的上部区域，即形成放电室的、护套9的圆柱形部分安装有上部接地环。在放电室11以外，接地环通过可选的耐高压灌注物(vergussmasse)27与高压电极7隔开，由此在等离子体喷嘴1的、形成电极头的部分以内不会发生寄生放电。灌注物27还用于在等离子体喷嘴1的护套9与壳体29之间固定接地环。

基于此种布置，在施加电压并且接通处理气体供应装置之后，在高压电极7与上部接地环20之间，使用等离子体生成装置由介质阻挡放电点燃等离子体射流5(dbd射流)。依赖于处理气体和所施加的电力，该dbd射流能够从喷嘴开口14喷出最多50mm。该dbd射流例如还能够借助于作为处理气体的压力气体所点燃。

对于所述“碟式喷嘴”的放电布置，同心的下部接地环16强迫从喷嘴开口14喷出的细丝在板的底侧处(即在朝向工件的、板状加宽的护套9底侧处)放电点燃。因此，在自由模式下，即在源头(即喷嘴开口14)以下没有工件时，能够放电点燃，其按照中继器(repeater)的原理来运作。对于上述原理，在上部接地环20与高压电极7之间的放电，或者该放电的等离子体，产生了在下部接地环16区域中的另一放电，并为了传递的目的重复以上动作。在下部接地环16区域中的放电细丝能够直接与待处理的表面接触。此类表面放电比远程等离子体具有更好的效率。对于远程等离子体而言，在等离子体中的反应性物质在其通向工件表面的路径上有很大一部分发生了反应，这导致在表面活性化方面有很大的效率损失。而表面放电则不是这种情况。此外，在表面放电时，细丝与表面接触，这使得对表面进行精细清洁成为可能。

一种根据本发明的方法的实施方式使用dbd远程等离子体作为点火源，并将其电势投射到工件的非导电表面上。由于该非导电工件间接地成为下部接地环16的反电势(也称为浮动电势(floatingpotential))，其在板底侧与非导电工件之间形成发生作用的放电细丝。根据在板底侧与工件之间的距离形成的情况是，由连续流动的处理气体的动态压力支持在板底侧的表面(板表面)上很大程度上均匀的等离子体放电。

在图2中示出的是，图1的等离子体喷嘴的针形电极7的细节视图。所示针电极7被设计为径向对称的。在其远离针电极7的尖端30的电极基部31位置处，针电极7具有槽32，其用于将针电极7固定在等离子体喷嘴的护套9中。此外，在电极基部31的区域中，在针电极7内径向对称地设置气体通道25。这些气体通道构成了等离子体喷嘴的处理气体的进入开口。

在图3a至3c中显示了图1中根据本发明的在不同工作模式下工作时的等离子体喷嘴。由于具有一个高压电极和两个反电极(即上下接地环)的电极配置，“碟式喷嘴”能够以三种不同的模式工作。在图3a至3c中显示了这三种模式。电接触分别以电路图形式来描绘。

关于连接在高电压源上的高压电极，仅将上部接地环处连接至地端则得到纯dbd射流放电，其等离子体射流40在图3a(工作模式“dbd射流”)示出。对于处理气体氩气、氦气或空气而言，等离子体射流40具有最大50mm的长度。

另一方面，如图3b中所示，仅将下部接地环与地端接触，即接地，从而得到放电细丝或者等离子体细丝41作为等离子体射流，其在下部接地环上被高压电极直接点燃。在该模式下，等离子体气丝41在电极的板表面上滑动。由此能够实现放电气丝41与工件表面明显的相互作用。根据处理气体，到达待处理工件的可实现的放电距离，在使用空气作为处理气体时位于1mm范围内，以及在使用氩气或氦气作为处理气体时位于3mm范围内。

最有效的模式在图3c中示出(工作模式“碟式喷嘴”)。其中，两个接地环都与地端电接触。如上所述，下部接地环用作“中继器”。在高压电极与上部接地环之间生成的远程等离子体从喷嘴开口作为等离子体射流吹出，并且以其浮动电势为下部接地环提供反电势。放电的放电细丝42在板底侧处点燃，其代表用于下部接地环的电介质。通过这种方式，在工件到达喷嘴开口的放电距离在以下范围内时可能滑动放电，即从使用空气作为处理气体时的3mm直至使用氩气或氦气作为处理气体时的20mm。放电细丝42与待处理的表面进行化学的以及物理的相互作用，并且导致表面活性化或者表面功能化并且以直接作用的介质阻挡放电的水平对任意厚度的、非导电的工件进行精细清洁。

基于其构造形式，“碟式喷嘴”可容易地集成到现有的工艺中，并且由于其有效性，也可以在工业条件下使用。无论是由于平面的板材料/箔材料，还是由于复杂的工件几何形状或咬边，在使用“碟式喷嘴”的条件下都能够最佳地应用等离子体。

在图4a和4b中分别以条形图比较显示了在进行工件的表面处理时与根据本发明的方法的工作参数相关的工作结果的质量参数。图4a以比较的方式显示了在工作模式“dbd射流”和“碟式喷嘴”下使用处理气体氩气进行表面处理时，基于pvc的水性涂料的剥离抗性(abhebefestigkeit)。

在“碟式喷嘴”模式与构造相同的dbd射流模式(即下部接地环被省略或者未接地，即没有与地电势进行电连接)之间的比较结果显示出的是，在基于聚氯乙烯(pvc)和聚丙烯(pp)的水性涂料的粘合强度方面(所谓的粘合剂拉伸强度[mpa])“碟式喷嘴”例如实现了最高100％的较好结果。在图4a中显示了在不同处理速度条件下两种工作模式的表面处理结果。处理气体为氩气。对于低处理速度，在涂料层的粘合强度方面未显示出明显的差别。而在从4米/分钟直至32米/分钟的速度下，显示出dbd射流模式的处理结果有显著下降，相对而言碟式喷嘴模式则显示出在涂料层的粘合强度方面明显更好的结果。因此，碟式喷嘴模式的优点特别体现在高处理速度的情况下，这对于工业生产而言具有特别重大的意义。“碟式喷嘴”的放电具有滑动放电的特征，并且能够在自由工作(即在源头以下不存在工件)的条件下实现在喷嘴开口与工件表面之间最大20mm的放电距离。因此，基于直接放电能够实现高的缝隙穿透性(即表面缝隙的透射深度)，这使得对异形的或结构化的表面或者对具有较大形状公差或位置公差的工件进行有效处理成为可能。

在图4b中，显示了借助根据本发明的等离子体喷嘴以碟式喷嘴模式使用两种不同的处理气体(即氩气和空气)进行表面处理时，基于pvc的水性涂料的剥离抗性的结果。处理的是基于pvc的型材，其在处理之后使用水性涂料进行涂覆。相较于未经过处理的表面，氩气以及空气的使用使得在全部处理速度下都有最大达到涂料300％剥离抗性的明显优化。

在图5a至5c中显示了根据本发明的等离子体喷嘴在“碟式喷嘴”工作模式下的等离子体射流的摄影图片。

图5a显示了“碟式喷嘴”在工件表面上形成的平面的滑动放电。对于根据图4进行的试验，平面处理的放电距离恒定为3mm。可以清楚地看出在工件表面上平面的放电。

图5b显示了“碟式喷嘴”在自由工作(无工件情况下放电)条件下的放电特性。细丝从喷嘴开口喷出，并且在点燃一定距离之后重新升高回到“碟式喷嘴”的板平面上。根据工件与源底侧(即喷嘴开口)的接近程度，细丝在工件的表面上滑动并且形成平面的放电，该放电随着距离的减小匹配板平面的大小。

图5c显示了在塑料型材上使用“碟式喷嘴”，所述塑料新材具有带咬边的10mm深的纵向槽。此处，也可以看到等离子体射流作为等离子体束从喷嘴口射出。该等离子体束在纵向槽的底部形成了大的足点(fuβpunkt)，由该足点点燃从细丝至“碟式喷嘴”的板平面。

当然，本发明并不局限于所示的实施方式。因此，以上描述不应被视为限制性的而是说明性的。所附权利要求应理解为，包括本发明的至少一个实施方式中所描述的特征。而这并不排除存在其他的特征。如果权利要求和以上描述中限定了“第一”和“第二”实施方式，则此类描述用于区别两个类似的实施方式，而不对其进行优先级的排序。