DISPOSITIVO PARA GENERAR UN CHORRO DE GAS ACTIVO.

Dispositivo para generar un chorro (6) químicamente activo mediante un plasma generado por descarga eléctrica en un gas de proceso que se emplea,

con una cámara de descarga esencialmente cilíndrica que es atravesada por un flujo de gas de proceso y en la que para la activación del gas de proceso está prevista una generación de plasma causada por una descarga eléctrica de gas, una entrada de gas para la alimentación continua del gas de proceso a la cámara de descarga así como un orificio de salida para dirigir el chorro (6) químicamente activo sobre una superficie que se ha de tratar, donde

- la cámara de descarga (2) presenta un extremo (21) estrechado en cono para aumentar la velocidad del chorro (6) químicamente activo, y

- está dispuesto a continuación del extremo estrechado (21) de la cámara de descarga (2) un canal de limitación (4) para impedir la extensión de la zona de descarga (22) en el espacio libre para la superficie (7) que se ha de tratar, estando realizado el canal de limitación (4) esencialmente con forma cilíndrica, caracterizado porque el canal de limitación (4) está puesto a tierra y su longitud es mayor que su sección en un factor de 5 a 10

Dispositivo para generar un chorro de gas activo.

La invención se refiere a un dispositivo para generar un chorro químicamente activo (designado en lo sucesivo como chorro de gas activo) mediante un plasma generado eléctricamente en un gas de proceso que se esté utilizando. La invención es especialmente adecuada para el tratamiento de superficies, p.ej. para el tratamiento previo y limpieza de superficies antes de pegarlas, recubrirlas o esmaltarlas, para recubrir, hidrofilizar, eliminar cargas eléctricas o esterilizar así como para acelerar reacciones químicas.

Se conocen dispositivos para el tratamiento previo de superficies de piezas mediante un gas activado en una zona de descarga eléctrica, expuesto en las publicaciones DE 195 46 930 C1, DE 195 32 412 A1 y EP 03 05 241. En la Patente DE 195 46 930 C1 se conduce un flujo turbulento del gas que se trata de activar a través de una zona de descarga eléctrica que se forma entre un electrodo central de forma cónica y un electrodo anular situado en el exterior del extremo de una tobera.

Otro dispositivo se describe en el documento DE 2 991 9142, donde a la salida del canal de la tobera de plasma está colocada una boquilla de forma tubular de un material eléctricamente aislante.

Otro procedimiento similar se describe en el documento DE 195 32 412 A1, en el que se introduce el gas que se trata de activar con un flujo turbulento, primeramente en el entorno de una zona de descarga que se forma a lo largo del eje de un tubo de tobera cilíndrico con un electrodo exterior cilíndrico aislado por el interior y un electrodo central coaxial, y se activa y se descarga el chorro de gas esencialmente en la superficie terminal del electrodo exterior a la salida de la zona de descarga en la que el tubo de tobera está estrechado en forma de una superficie terminal de forma anular del electrodo cilíndrico exterior. El inconveniente de las soluciones antes citadas es que el chorro de gas que sale de la tobera lleva un potencial eléctrico considerable cuyo valor está entre el potencial del electrodo anular puesto a tierra y el del electrodo central. Con el correspondiente gran flujo de gas que pasa a través del orificio de salida del chorro de gas se abomban además hacia al exterior en la dirección del chorro de gas activo unos penachos de descarga de la tobera. El inconveniente citado limita las posibilidades de aplicación de las dos soluciones anteriores, a) debido al riesgo de electrocución para el personal operario, y b) debido a una posible formación inducida de defectos causada por campos electromagnéticos durante el tratamiento superficial de materiales delicados como p.ej. sustratos de semiconductores, eventualmente también con capas o estructuras dotadas.

De acuerdo con el documento EP 03 05 241, el gas que se trata de activar se conduce directamente a través de una zona de descarga eléctrica. La zona de descarga se forma en este caso en un tubo mediante un campo eléctrico, donde están dispuestos o bien electrodos situados en el sentido del flujo del gas de forma consecutiva lateralmente dentro del tubo o está prevista una cámara de descarga de material aislante sin electrodos instalada en una guía de ondas. Esta solución adolece del inconveniente ya citado anteriormente de que para una velocidad elevada del chorro de gas activado existe una gran probabilidad de que escapen de la cámara de descarga, tanto campos electromagnéticos como de la zona de descarga eléctrica propiamente dicha en la dirección del chorro de gas activo, ya que falta totalmente un electrodo anular que apantalle en el extremo de la cámara de descarga. La disposición descrita en el documento EP 0 305 241 A1 evita el riesgo para el personal operario por medio de una cámara de tratamiento cerrada, independiente, en la que tiene lugar el tratamiento superficial del material. Las condiciones de tratamiento de material dificultadas de este modo son un inconveniente y darían lugar a que se prescindiera de la cámara de protección con una modificación incontrolada de las condiciones del procedimiento y para riesgo del personal operario.

Lo característico de todas las soluciones técnicas antes citadas es que la velocidad, la temperatura y la geometría del chorro de gas activo se establecen por las condiciones eléctricas, térmicas y dinámicas del gas que se requieren para la formación o cebado de la zona de descarga eléctrica para la activación del gas. Es cierto que las condiciones citadas para la activación del gas en una zona de descarga eléctrica no son siempre condiciones óptimas para el tratamiento superficial por medio del chorro de gas activo.

Así p.ej. resulta muy problemático poder aprovechar para el tratamiento de una superficie una descarga eléctrica a la presión atmosférica y las temperaturas superiores a 5000 K que se forman, ya que la mayoría de los materiales que se han de tratar no soportan tales temperaturas. Otro problema lo representan para la zona de descarga eléctrica las elevadas velocidades del gas de proceso, p.ej. velocidad ultrasónica, ya que éstas solamente se pueden mantener con grandes dificultades en condiciones muy dinámicas. Las aplicaciones citadas del chorro de gas activo requieren en cambio unos caudales de gas mayores para poder acortar el tiempo dentro del que el chorro de gas activo alcanza la superficie que se desea tratar, partiendo de la zona de descarga, ya que con ello se reduce eficazmente la pérdida de actividad del chorro de gas debido a la reducción de los procesos de recombinación.

La invención tiene como objetivo encontrar una nueva posibilidad para generar un chorro químicamente activo (chorro de gas activo) mediante un plasma generado por descarga eléctrica en un gas de proceso que se utilice, en el que a una velocidad superior del gas de proceso el chorro de gas activo despliega una intensa actividad química sobre la superficie que se ha de tratar, y ya es eléctricamente neutro a la salida del dispositivo por lo que no representa ningún riesgo para el personal operario, para el entorno y para la superficie tratada.

De acuerdo con la invención se resuelve el objetivo en un dispositivo para generar un chorro químicamente activo (chorro de gas activo), mediante un plasma generado por descarga eléctrica en un gas de proceso que se esté utilizando, con una cámara de descarga esencialmente cilíndrica que es atravesada por un gas de proceso y en la que para activar el gas de proceso está prevista una generación de plasma debido a una descarga eléctrica de gas, una entrada de gas para la alimentación continua del gas de proceso a la cámara de descarga así como un orificio de salida para dirigir el chorro de gas activo sobre una superficie que se ha de tratar, presentando la cámara de descarga un extremo estrechado de forma cónica para aumentar la velocidad del chorro de gas activo, le sigue al extremo estrechado de la cámara de descarga un canal de limitación para impedir la propagación de la zona de descarga en el espacio abierto para la superficie que se ha de tratar, estando el canal de limitación realizado esencialmente de forma cilíndrica y puesto a tierra, siendo su longitud mayor que su sección en un factor 5-10.

Para la activación del gas de proceso está prevista ventajosamente una descarga de arco, presentando la cámara de descarga un electrodo central y un electrodo hueco que cubre de forma laminar y simétrica la pared interior de la cámara de descarga, por lo menos en la zona del extremo que se estrecha en cono. El canal de limitación va preferentemente directamente a continuación del electrodo hueco.

El electrodo central tiene convenientemente forma de barra y está dispuesto en la zona de entrada de gas, a lo largo del eje de simetría de la cámara de descarga.

Para incrementar la potencia del chorro de gas activo por medio de unas superficies de electrodos mayores, el electrodo central puede presentar ventajosamente la forma de una caperuza cilíndrica que comprende una superficie envolvente cilíndrica de altura reducida y una superficie de cubierta, y cuyo orificio está orientado en dirección coaxial respecto al eje de la cámara de descarga y situado por encima de la entrada de gas a la cámara de descarga.

Para mejorar la estabilidad de los parámetros del chorro de gas activo es ventajoso disponer para la activación del gas de proceso la cámara de descarga en un campo de inducción generado con alta frecuencia (radiofrecuencia).

Esto se puede realizar convenientemente por el hecho de que la cámara de descarga (1) esté dotada de dos electrodos situados a lo largo de la pared de la cámara de descarga en la dirección...

1. Dispositivo para generar un chorro (6) químicamente activo mediante un plasma generado por descarga eléctrica en un gas de proceso que se emplea, con una cámara de descarga esencialmente cilíndrica que es atravesada por un flujo de gas de proceso y en la que para la activación del gas de proceso está prevista una generación de plasma causada por una descarga eléctrica de gas, una entrada de gas para la alimentación continua del gas de proceso a la cámara de descarga así como un orificio de salida para dirigir el chorro (6) químicamente activo sobre una superficie que se ha de tratar, donde

2. Dispositivo según la reivindicación 1, donde

para la activación del gas de proceso (1) está prevista una descarga de arco (34), presentando la cámara de descarga (2) un electrodo central (31) y un electrodo hueco (32) que recubre la pared interior de la cámara de descarga (2) por lo menos en la zona del extremo estrechado de forma cónica (21), en toda la superficie y de forma simétrica.

3. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que

el canal de limitación (4) va directamente contiguo al electrodo hueco (32).

4. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que

el electrodo central (31) está realizado en forma de barra y dispuesto a lo largo del eje de simetría de la cámara de descarga (2).

5. Dispositivo según la reivindicación 2, en el que

el electrodo central (31) presenta la forma de una caperuza cilíndrica que comprende una superficie envolvente cilíndrica de escasa altura y una superficie de cubierta, y cuyo orificio está orientado en dirección coaxial respecto al eje de simetría de la cámara de descarga (2) y está situado por encima de la entrada de gas (26) de la cámara de descarga (2).

6. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que

para la activación del gas de proceso (1) la cámara de descarga (2) está situada en un campo de inducción generado por alta frecuencia (radiofrecuencia).

7. Dispositivo según la reivindicación 6, en el que cual

para la activación del gas de proceso (1) la cámara de descarga (2) está dotada de dos electrodos HF (35) dispuestos a lo largo de la pared de la cámara de descarga (2) en la dirección de flujo del gas de proceso (1), que funcionan con radiofrecuencia.

8. Dispositivo según la reivindicación 6, en el que

para la activación del gas de proceso (1) la cámara de descarga (2) está dispuesta en una bobina (39) que funciona con alta frecuencia.

9. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que cual

para la activación del gas de proceso (1) la cámara de descarga (2) está dispuesta en una guía de ondas (38) conectada a una fuente de microondas (37).

10. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que cual

a continuación del canal de limitación (4) está situado un dispositivo (5) para la conformación del chorro para ajustar el chorro químicamente activo (6) con los parámetros deseados, en particular de velocidad, temperatura, forma geométrica y clase de flujo.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado además porque

a continuación de la salida del canal de limitación (4) van conectadas unas toberas ramificadas (51) para el tratamiento de las diversas superficies parciales (71) o rebajes de la superficie (7) que se ha de tratar.

12. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado además porque

el dispositivo de formación de chorro (5) está adaptado por medio de chapas directrices (52) a la forma de la superficie (7) que se ha de tratar, manteniéndose la distancia entre la superficie (7) y las chapas directrices (52) dentro de un campo reducido definido de modo que la superficie (7) efectivamente tratada comprende un área mayor.

13. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado además porque

están previstos dispositivos (5) para la conformación del chorro que incluyen dos o más dispositivos conformes a la invención para la generación del chorro (6) químicamente activo en un canal de tratamiento (53), pudiendo tratarse en el canal de tratamiento (53) durante el paso continuo de material, varias superficies (7) a tratar de una pieza simultáneamente o superficies (7) de perfiles extruidos (72) de una sección cualquiera, por todos los lados.

14. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que

Un tubo de alimentación (81) dispuesto axialmente en la cámara de descarga (2) que termina poco antes de la salida de la cámara de descarga (2) para la incorporación de sustancias de adición (8) en el chorro (6) químicamente activo, evitándose la influencia de las sustancias de adición (8) sobre la característica de descarga y la contaminación de la cámara de descarga (2) causada por las sustancias de adición (8) o sus productos de reacción.

15. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado además porque

el canal de limitación (4) comprende varios canales individuales (41) con el fin de reducir la resistencia dinámica del gas y el tiempo de permanencia del chorro químicamente activo (6) en el canal de limitación (4), estando dispuestos los canales individuales (41) distribuidos uniformemente en forma de anillo (42) alrededor de un canal central.

16. Dispositivo según la reivindicación 50, caracterizado además porque

el canal de limitación (4) con varios canales individuales (41) presenta un canal de alimentación (82) para sustancias de adición (8), estando situado el canal de alimentación (82) axialmente en el centro del anillo (42) de los canales individuales (41) atravesados por el gas de proceso activado (6).

17. Dispositivo según la reivindicación 14 ó 16, en el que

se pueden introducir las sustancias de adición (8) en la zona del canal de limitación (4) como gases, fluidos en forma de aerosoles o sustancias sólidas en forma de partículas finas.

18. Dispositivo según la reivindicación 14, en el cual

el electrodo hueco (32) el canal de limitación (4) y el dispositivo de conformación del chorro (5) están fabricados como cuerpos de rotación unitarios con muy buenas características conductoras eléctricas, estando formado el electrodo central (31) como electrodo central (31) de barra rodeado coaxialmente por un tubo aislante (29) introducido en la cámara de descarga (2) que está formada por el electrodo hueco (32), y presentando la alimentación de gas para el gas de proceso (1) unos canales de flujo tangenciales (24) en una cámara de distribución cilíndrica (15; 16) que rodea concéntricamente al electrodo central (31), donde debido al flujo de gas resultante de forma espiral desde la cámara de distribución (15; 16) a la cámara de descarga (2) las descargas de arco (34) entre el electrodo central (31) y el electrodo hueco (32), una zona de salida concentrada en el extremo del electrodo central (31).

19. Dispositivo según la reivindicación 18, en el cual

unos canales de flujo tangenciales (24) van conducidos en una parte cilíndrica de forma anular de la cámara de descarga (2) entre la superficie interior del electrodo hueco (32) y la superficie exterior del tubo aislante (29), de modo que el gas de proceso (1) rodea al tubo aislante (29) desde el exterior con un flujo de forma espiral.

20. Dispositivo según la reivindicación 18, en el cual

unos canales de flujo tangenciales (24) van conducidos adicionalmente a una cámara anular cilíndrica (28) entre el electrodo central (31) en forma de barra y la superficie interior del tubo aislante (29), de tal modo que el elemento central (31) es enfriado directamente por una parte del gas de proceso (1) y los puntos de salida de las descargas de arco (34) están limitadas esencialmente a superficies no cilíndricas del electrodo central (31).

21. Dispositivo según la reivindicación 19, en el que

el extremo del electrodo central en forma de barra (31) sobresale del tubo aislante (29) en una longitud de hasta el doble del diámetro del electrodo central (31).

22. Dispositivo según la reivindicación 19 ó 20, en el que

el extremo del electrodo central (31) remata con el extremo del tubo aislante (29).

23. Dispositivo según la reivindicación 18, caracterizado además porque

el canal de limitación (4) se estrecha ligeramente en forma cónica en el sentido de flujo del gas, y presenta una proporción media entre el diámetro del canal y la longitud del canal de 1:8.

24. Dispositivo según la reivindicación 18, en el que

a continuación del canal de limitación (4) está dispuesto un dispositivo (5) para la conformación del chorro con una salida ensanchada de forma acampanada, de modo que se aumenta la anchura de trabajo del chorro químicamente activo (6).