DE19959845B4 - plasma generator - Google Patents

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    • H01J37/321—Radio frequency generated discharge the radio frequency energy being inductively coupled to the plasma

Abstract

Plasmagenerator zur plasmagestützten Beschichtung eines rohrförmigen Bauteils mit einer Induktionsspule (1) zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselfeldes wobei koaxial zum Bauteil (5) ein das Bauteil umgebendes Schutzrohr (6) vorgesehen ist, an den beiden offenen Enden des Schutzrohrs (6) Flansche (3, 4) zum Verschließen des Schutzrohrs vorgesehen sind, und die Induktionsspule (1) das Schutzrohr (6) zumindest abschnittsweise umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr in seiner Länge mit dem Bauteil übereinstimmt, und daß in den Flanschen Aufnahmen (7, 8) für das Schutzrohr (6) und das Bauteil (5) vorgesehen sind.Plasma generator for plasma-assisted coating of a tubular component with an induction coil (1) to generate a high-frequency alternating field, a protective tube (6) surrounding the component being provided coaxially to the component (5), flanges (3) at the two open ends of the protective tube (6) 4) are provided for closing the protective tube, and the induction coil (1) surrounds the protective tube (6) at least in sections, characterized in that the length of the protective tube corresponds to the component, and that receptacles (7, 8) in the flanges for the protective tube (6) and the component (5) are provided.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Plasmagenerator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a plasma generator according to the preamble of claim 1.

Bei derartigen Plasmageneratoren erfolgt die Energieeinkopplung in das Plasma induktiv durch ein Hochfrequenzfeld. Durch das hochfrequente Wechselfeld werden in dem elektrisch leitenden Plasma Wirbelströme induziert, deren Joulsche Wärme die Aufheizung bewirken. Der Vorgang erhält sich in der stationären Plasmaströmung selbst aufrecht. In einem derartigen Plasma können Bauteile oder Werkstücke beschichtet, an ihrer Oberfläche gereinigt, aktviert oder bearbeitet werden. Um dabei eine Verunreinigung des Werkstücks zu verhindern, erfolgt die Bearbeitung in einer Vakuumkammer. Durch die Größe der Vakuumkammer sind die zu bearbeitenden Werkstücke in ihren äußeren Abmessungen begrenzt. Insbesondere Werkstücke mit einer großen Ausdehnung wie beispielsweise Rohre, Walzen oder Stangen einer bestimmten Länge können aufgrund ihrer großen Ausdehnung in einer Richtung nicht oder nur mit sehr großen Vakuumkammern bearbeitet werden. Die Erzeugung eines für die Bearbeitung notwendigen Vakuums in der Kammer ist aufgrund des großen Volumens mit einem entsprechend großen Aufwand verbunden. Häufig ist eine Bearbeitung der Werkstücke aufgrund ihrer zu großen Abmessungen überhaupt nicht möglich, da die Abscheidung der Schichtmaterialien auf den Bauteilen nicht homogen ist.In such plasma generators, the energy is coupled into the plasma inductively by a high frequency field. Due to the high-frequency alternating field eddy currents are induced in the electrically conductive plasma whose Joule heat cause the heating. The process is maintained in the stationary plasma flow itself. In such a plasma, components or workpieces can be coated, cleaned on their surface, activated or processed. In order to prevent contamination of the workpiece, the processing takes place in a vacuum chamber. Due to the size of the vacuum chamber, the workpieces to be machined are limited in their external dimensions. In particular workpieces with a large extent such as pipes, rolls or rods of a certain length can not be processed due to their large extent in one direction or only with very large vacuum chambers. The generation of a necessary vacuum for processing in the chamber is due to the large volume associated with a correspondingly large effort. Frequently, machining of the workpieces is not possible at all because of their oversized dimensions, since the deposition of the layer materials on the components is not homogeneous.

Aus der EP 5 963 B1 ist ein Verfahren zur Abscheidung von undotiertem oder dotiertem Siliziumdioxid in glasiger Form auf der inneren Oberfläche eines Siliziumrohrs bekannt, bei der zur Abscheidung von Siliziumtetrachlorid auf der inneren Oberfläche des Rohrs innerhalb des Rohrs ein induktiv angeregtes Hochfrequenzplasma gezündet und aufrechterhalten wird. Dabei wird die Plasmaentladung entlang des Rohrs bewegt, um eine gleichmäßige Beschichtung mit Siliziumdioxid zu erzielen. Das Siliziumrohr ist hierzu in einem äußeren Rohr angeordnet. Das äußere Rohr weist eine größere axiale Länge auf als das Siliziumrohr.From the EP 5 963 B1 For example, there is known a method of depositing undoped or doped silica in glassy form on the inner surface of a silicon tube by igniting and maintaining an inductively excited radio frequency plasma to deposit silicon tetrachloride on the inner surface of the tube within the tube. The plasma discharge is moved along the tube to achieve a uniform coating with silicon dioxide. The silicon tube is arranged for this purpose in an outer tube. The outer tube has a greater axial length than the silicon tube.

In der US 4 632 842 A ist ein Verfahren zur Herstellung von implantierbaren Prothesen, beispielsweise röhrenförmigen Gefäßprothesen, offenbart. Das Verfahren beinhaltet die Abscheidung einer Fluor-enthaltenden Beschichtung insbesondere auch an der Innenseite eines länglichen röhrenförmigen Substrats durch induzierte Glimmentladung entlang eines länglichen Reaktionsgefäßes. Dabei ist das Reaktionsgefäß wesentlich länger als das Substrat.In the US Pat. No. 4,632,842 discloses a method of making implantable prostheses, such as tubular vascular prostheses. The method includes depositing a fluorine-containing coating, particularly also on the inside of an elongated tubular substrate, by induced glow discharge along an elongated reaction vessel. The reaction vessel is much longer than the substrate.

Aus der DE 24 45 564 A1 und der DE 25 23 257 A1 ist ein CVD-Verfahren zur Beschichtung von rohrförmigen Hohlkörpern bekannt, bei dem der Hohlkörper zonenweise auf eine Abscheidetemperatur erhitzt wird, so dass nur in den jeweils erhitzten Zonen eine Beschichtung an der Innenseite des Hohlkörpers erfolgt. Zur Beschichtung der rohrförmigen Hohlkörper mit Tantal wird durch die rohrförmigen Hohlkörper Wasserstoff geleitet, dem Tantalchlorid beigemischt ist.From the DE 24 45 564 A1 and the DE 25 23 257 A1 is a CVD method for coating tubular hollow bodies is known in which the hollow body is heated zone by zone to a deposition temperature, so that only in the respective heated zones, a coating takes place on the inside of the hollow body. To coat the tubular hollow body with tantalum, hydrogen is passed through the tubular hollow body, to which tantalum chloride has been added.

Die JP 05-222 230 AA betrifft ein Verfahren zur plasmagestützten Beschichtung der Innenseite eines Rohres. Dabei befindet sich das an seinen Stirnseiten offene Rohr in einem zylindrischen Reaktor und wird durch ein Anschlussstück gehalten.The JP 05-222 230 AA relates to a method for plasma assisted coating of the inside of a tube. In this case, the tube is open at its ends in a cylindrical reactor and is held by a connector.

Aus der DE 31 16 026 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung biokompatibler Schichten auf der Innenseite und/oder Außenseite von Gefäßprothesen bekannt.From the DE 31 16 026 A1 For example, a method for producing biocompatible layers on the inside and / or outside of vascular prostheses is known.

Die Schichten werden mittels einer Glimmentladung aus einem Gasgemisch abgeschieden. Schläuche werden hierzu an einer im Schlauchinneren oder im Außenraum zwischen Schlauch und Gefäßwand eines Reaktionsrohrs aufrechterhaltenen Glimmentladung vorbeigeführt. Die Schläuche sind dabei in ihren Enden nicht verschlossen.The layers are deposited by means of a glow discharge from a gas mixture. For this purpose, hoses are guided past a corona discharge maintained inside the tube or in the outer space between the tube and the vessel wall of a reaction tube. The hoses are not closed in their ends.

Die DE 33 31 899 C2 offenbart die Herstellung von Glasschichten auf der Außenseite eines stabförmigen Grundkörpers, wobei eine oder mehrere Schichten mittels Plasmazersetzung von gasförmigen Ausgangsstoffen abgeschieden werden. Hierzu wird der stabförmige Grundkörper mittig in einem Entladungsrohr angeordnet. Der stabförmige Grundkörper ist langer als das Entladungsrohr.The DE 33 31 899 C2 discloses the production of glass layers on the outside of a rod-shaped base body, wherein one or more layers are deposited by plasma decomposition of gaseous starting materials. For this purpose, the rod-shaped base body is arranged centrally in a discharge tube. The rod-shaped body is longer than the discharge tube.

Aus der DE 1 141 850 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermisch-chemischen Oberflächenbehandlung von Rohren bekannt, wobei die Rohre durch eine Glimmentladung erhitzt werden. Auf dem Außenmantel der Rohre wird eine abnehmbare Kühleinrichtung angebracht, die aus einem Kühlzylinder besteht. In den Zwischenraum zwischen Rohr und Kühlzylinder wird ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel eingeleitet.From the DE 1 141 850 A For example, a method and apparatus for thermo-chemical surface treatment of pipes are known wherein the pipes are heated by a glow discharge. On the outer jacket of the tubes a removable cooling device is mounted, which consists of a cooling cylinder. In the space between the tube and the cooling cylinder, a liquid or gaseous coolant is introduced.

Aus der JP 05-098 446 AA ist ein Ofen für CVD-Verfahren bekannt, der ein Kernrohr, ein Anschlussstück, einen Puffer und eine Kappe aufweist. Dabei sind Kernrohr, Anschlussstück, Puffer und Kappe über ein Kühlrohr miteinander verbunden.From the JP 05-098 446 AA For example, a furnace for CVD processes is known which comprises a core tube, a fitting, a buffer and a cap. Core tube, fitting, buffer and cap are connected to each other via a cooling tube.

Die Erfindung und ihre VorteileThe invention and its advantages

Demgegenüber hat der Plasmagenerator mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, dass das rohrförmige Bauteil anstelle einer Vakuumkammer nur von einem Schutzrohr umgeben wird. Dieses ist koaxial zum Bauteil angeordnet und stimmt mit dessen Länge überein. An den offenen Enden ist das Schutzrohr durch Flansche verschlossen. In den Flanschen sind Aufnahmen sowohl für das Schutzrohr als auch für das Bauteil vorgesehen. Durch diese Aufnahmen ist gewährleistet, dass das Bauteil und das Schutzrohr koaxial zueinander angeordnet sind. Die Induktionsspule umgibt das Schutzrohr an dessen Außenseite. Da die Induktionsspule das relativ lange Schutzrohr in der Regel nicht auf dessen gesamter Länge umgibt, wird die Induktionsspule durch eine Verschiebevorrichtung in axialer Richtung bewegt. Auf diese Weise kann eine Bearbeitung des Werkstücks auf dessen gesamter Länge stattfinden.In contrast, the plasma generator with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the tubular member instead a vacuum chamber is surrounded only by a protective tube. This is arranged coaxially to the component and agrees with its length. At the open ends of the protective tube is closed by flanges. In the flanges shots are provided for both the protective tube and the component. These recordings ensure that the component and the protective tube are arranged coaxially with one another. The induction coil surrounds the protective tube on the outside thereof. Since the induction coil usually does not surround the relatively long protective tube over its entire length, the induction coil is moved by a displacement device in the axial direction. In this way, a machining of the workpiece take place over its entire length.

Durch die Induktionsspule wird ein azimutales elektrisches Feld erzeugt. Hierzu ist die Induktionsspule mit einem Hochfrequenzgenerator verbunden.The induction coil generates an azimuthal electric field. For this purpose, the induction coil is connected to a high-frequency generator.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in den Flanschen Leitungen zur Druckregelung in dem Schutzrohr vorgesehen. Eine an einen Flansch oder an beide Flansche angeschlossene Vakuumpumpe sorgt für den zwischen dem Bauteil und dem Schutzrohr notwendigen Druck. Der Innenraum des Bauteils muss bei einer entsprechenden Abdichtung an den Flanschen nicht evakuiert werden. Hierzu sind an den Aufnahmen der Flansche entsprechende Dichtungen vorgesehen.According to an advantageous embodiment of the invention, lines are provided for pressure control in the protective tube in the flanges. A vacuum pump connected to a flange or both flanges ensures the pressure required between the component and the thermowell. The interior of the component need not be evacuated with a corresponding seal on the flanges. For this purpose, corresponding seals are provided on the receptacles of the flanges.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in den Flanschen Leitungen für das Arbeitsgas und/oder den Beschichtungswerkstoff vorgesehen. Diese Leitungen münden in den Zwischenraum zwischen dem Bauteil und dem Schutzrohr. Als Arbeitsgase können sämtliche Gase und Gasmischungen verwendet werden. Soll eine Beschichtung des Bauteils erfolgen, so kann der notwendige Beschichtungswerkstoff über die Leitungen in den Zwischenraum zwischen dem Bauteil und dem Schutzrohr eingeführt werden.According to a further advantageous embodiment of the invention, lines for the working gas and / or the coating material are provided in the flanges. These lines open into the space between the component and the protective tube. As working gases, all gases and gas mixtures can be used. If a coating of the component take place, then the necessary coating material can be introduced via the lines into the intermediate space between the component and the protective tube.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind in den Flanschen Vorrichtungen zur Kühlung des Bauteils vorgesehen. Eine entsprechende Kühlung kann je nach Art der Bearbeitung und nach Material des Bauteils notwendig sein. Außerdem kann zur Kühlung der Innenwand des Bauteils ein schwer zu ionisierendes Gas bei entsprechend hohem Druck eingesetzt werden. Je nach Wahl des Drucks und des Gases wird die Plasmazündung im Inneren der beiden Rohre verhindert. Das strömende Gas bewirkt somit die Kühlung der Innenwand des Werkstücks.According to a further advantageous embodiment of the invention, devices for cooling the component are provided in the flanges. A corresponding cooling may be necessary depending on the type of processing and the material of the component. In addition, a hard to ionizing gas can be used at a correspondingly high pressure for cooling the inner wall of the component. Depending on the choice of pressure and gas, the plasma ignition inside the two tubes is prevented. The flowing gas thus causes the cooling of the inner wall of the workpiece.

Durch die Wahl eines geeigneten Arbeitsgases erfolgt die Erzeugung einer Plasma-CVD-Beschichtung (Chemical Vapor Deposition). Durch eine chemische Reaktion der im Plasma befindlichen angeregten Elemente an der Oberfläche des Bauteils kommt es zur Abscheidung von Hartstoffschichten oder von Schichten mit speziellen Eigenschaften wie beispielsweise Korrosionsbeständigkeit.By choosing a suitable working gas, the production of a plasma CVD coating (Chemical Vapor Deposition) takes place. A chemical reaction of the excited elements present in the plasma on the surface of the component leads to the deposition of hard material layers or of layers having special properties, such as, for example, corrosion resistance.

Der erfindungsgemäße Plasmagenerator hat den Vorteil, dass lediglich das Schutzrohr auf die Länge und die Flansche auf den Durchmesser des zu bearbeitenden Bauteils abgestimmt werden müssen. Damit ist der Generator hinsichtlich seiner Einsatzmöglichkeiten sehr flexibel. Darüber hinaus muss zur Bearbeitung des Werkstücks lediglich der Zwischenraum zwischen dem Bauteil und dem Schutzrohr evakuiert werden. Da dieser Raum ein geringes Volumen aufweist, ist die Evakuierung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen mit einem entsprechend geringen Aufwand verbunden. Der Plasmagenerator erlaubt eine Bearbeitung beispielsweise von Rohren, Walzen oder Stangen aus metallischem oder nicht metallischem Material. Hierzu zählt beispielsweise auch Keramik. Trotz ihrer Leitfähigkeit bildet sich bei metallischen Bauteilen ein Plasma aus.The plasma generator according to the invention has the advantage that only the protective tube must be tuned to the length and the flanges to the diameter of the component to be machined. Thus, the generator is very flexible in terms of its applications. In addition, only the space between the component and the protective tube must be evacuated for machining the workpiece. Since this space has a low volume, the evacuation is associated with a correspondingly low cost compared to known devices. The plasma generator allows processing, for example, of pipes, rolls or rods of metallic or non-metallic material. This includes, for example, ceramics. Despite their conductivity, a plasma forms on metallic components.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.Further advantages and advantageous embodiments of the invention are the following description, the drawings and claims removed.

Zeichnungdrawing

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Plasmagenerators dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:In the drawing, an embodiment of a plasma generator according to the invention is shown and described in more detail below. It shows:

1 Plasmagenerator in Seitenansicht. 1 Plasma generator in side view.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

In 1 ist ein Plasmagenerator mit einer Induktionsspule 1 dargestellt. Der hochfrequente Wechselstrom wird durch einen Hochfrequenzgenerator 2 erzeugt. Durch zwei Flansche 3 und 4 werden ein Bauteil 5 und ein Schutzrohr 6 koaxial zueinander gehalten. In den Flanschen sind Aufnahmen 7 für das Bauteil und Aufnahmen 8 für das Schutzrohr vorgesehen. Die Dichtungen 9 und 10 sorgen dafür, dass das Schutzrohr gegen die Atmosphäre und das Bauteil gegen das Rohrinnere des Schutzrohrs isoliert ist. Die Induktionsspule 1 ist koaxial zu dem Bauteil 5 und dem Schutzrohr 6 angeordnet. Sie wird in Richtung der mit a und b gekennzeichneten Pfeile an der Oberfläche des Schutzrohrs entlang bewegt. In den Flanschen 3 und 4 sind einerseits Leitungen 11 zur Druckregelung und andererseits Leitungen 12 für Arbeitsgase und Beschichtungswerkstoffe vorgesehen. Die Leitungen 11 sind an in der Zeichnung nicht dargestellte Vakuumpumpen angeschlossen. Sämtliche Leitungen münden in den Zwischraum zwischen dem Bauteil und dem Schutzrohr. Da nur eine Bearbeitung des Bauteils an seiner Außenseite stattfinden soll und das Bauteil gegenüber dem Schutzrohr entsprechend isoliert ist, braucht lediglich der Zwischenraum zwischen dem Bauteil und dem Schutzrohr evakuiert werden. Auch die Arbeitsgase und der Beschichtungswerkstoff werden lediglich in diesen Zwischenraum eingeführt. Bei einer Bearbeitung des Bauteils an dessen Innenseite kann bei entsprechender Isolierung auf das Schutzrohr verzichtet werden. In diesem Fall müssen die Leitungen 11 und 12 in den Innenraum des Werkstücks münden.In 1 is a plasma generator with an induction coil 1 shown. The high frequency alternating current is powered by a high frequency generator 2 generated. By two flanges 3 and 4 become a component 5 and a protective tube 6 held coaxially with each other. In the flanges are shots 7 for the component and recordings 8th intended for the protective tube. The seals 9 and 10 ensure that the protective tube is insulated against the atmosphere and the component against the tube interior of the protective tube. The induction coil 1 is coaxial with the component 5 and the protective tube 6 arranged. It is moved in the direction of the arrows marked a and b along the surface of the protective tube. In the flanges 3 and 4 are on the one hand leads 11 for pressure control and on the other lines 12 intended for working gases and coating materials. The wires 11 are connected to not shown in the drawing vacuum pumps. All lines open into the intermediate space between the component and the protective tube. Since only one processing of the component is to take place on its outer side and the component is insulated relative to the protective tube, only the gap between the component and the protective tube needs to be evacuated. Also, the working gases and the coating material are introduced only in this space. When processing the component on the inside of the protective tube can be dispensed with appropriate insulation. In this case, the wires must 11 and 12 open into the interior of the workpiece.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and the drawings illustrated features may be essential to the invention both individually and in any combination.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
IndutkionsspuleIndutkionsspule
22
HochfrequenzgeneratorHigh-frequency generator
33
Flanschflange
44
Flanschflange
55
Bauteilcomponent
66
Schutzrohrthermowell
77
Aufnahme für das BauteilPickup for the component
88th
Aufnahme für das SchutzrohrHolder for the thermowell
99
Dichtungpoetry
1010
Dichtungpoetry
1111
Leitung zur DruckregelungLine for pressure control
1212
Leitung für Arbeitsgase und BeschichtungswerkstoffeHead of working gases and coating materials

Claims (5)

Plasmagenerator zur plasmagestützten Beschichtung eines rohrförmigen Bauteils mit einer Induktionsspule (1) zur Erzeugung eines hochfrequenten Wechselfeldes wobei koaxial zum Bauteil (5) ein das Bauteil umgebendes Schutzrohr (6) vorgesehen ist, an den beiden offenen Enden des Schutzrohrs (6) Flansche (3, 4) zum Verschließen des Schutzrohrs vorgesehen sind, und die Induktionsspule (1) das Schutzrohr (6) zumindest abschnittsweise umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr in seiner Länge mit dem Bauteil übereinstimmt, und daß in den Flanschen Aufnahmen (7, 8) für das Schutzrohr (6) und das Bauteil (5) vorgesehen sind.Plasma generator for plasma-assisted coating of a tubular component with an induction coil ( 1 ) for generating a high-frequency alternating field wherein coaxial with the component ( 5 ) a protective tube surrounding the component ( 6 ) is provided at the two open ends of the protective tube ( 6 ) Flanges ( 3 . 4 ) are provided for closing the protective tube, and the induction coil ( 1 ) the protective tube ( 6 ) surrounds at least in sections, characterized in that the protective tube coincides in its length with the component, and in that in the flanges recordings ( 7 . 8th ) for the protective tube ( 6 ) and the component ( 5 ) are provided. Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschiebevorrichtung zum Bewegen der Induktionsspule in axialer Richtung des Bauteils an der Oberfläche des Schutzrohrs entlang vorgesehen ist.Plasma generator according to claim 1, characterized in that a displacement device for moving the induction coil in the axial direction of the component is provided along the surface of the protective tube along. Plasmagenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Flanschen (3, 4) Leitungen (11) zur Druckregelung in dem Schutzrohr (6) vorgesehen sind.Plasma generator according to claim 1 or 2, characterized in that in the flanges ( 3 . 4 ) Cables ( 11 ) for pressure regulation in the protective tube ( 6 ) are provided. Plasmagenerator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Flanschen (3, 4) Leitungen (12) für das Arbeitsgas und/oder den Beschichtungswerkstoff vorgesehen sind.Plasma generator according to claim 1, 2 or 3, characterized in that in the flanges ( 3 . 4 ) Cables ( 12 ) are provided for the working gas and / or the coating material. Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in den Flanschen Vorrichtungen zur Kühlung des Bauteils vorgesehen sind.Plasma generator according to one of the preceding claims, characterized in that devices for cooling the component are provided in the flanges.
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JP 05 222 230_Übersetzung der japanischen Offenlegungsschrift
Übersetzung der japanischen Offenlegungsschrift & JP 05222230 A *

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