ES2237491T3 - Tobera de plasma. - Google Patents
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Abstract
Tobera de plasma para el tratamiento de superficies, con una carcasa tubular (10), que conduce la electricidad y que forma un canal (12) de tobera recorrido por un gas de trabajo, un electrodo (18) dispuesto coaxialmente en el canal de la tobera y un generador (20) de alta frecuencia para la aplicación de una tensión entre el electrodo (18) y la carcasa, caracterizada porque la salida del canal (12) de tobera está configurada como hendidura (34) que discurre transversalmente al eje longitudinal del canal de la tobera.
Description
Tobera de plasma.
La presente invención se refiere a una tobera de
plasma para el tratamiento de superficies, especialmente para el
tratamiento previo de superficies de plástico, con una carcasa
tubular, que conduce la electricidad y que forma un canal de tobera
recorrido por un gas de trabajo, y con un generador de alta
frecuencia para la aplicación de una tensión entre el electrodo y la
carcasa.
Una tobera de plasma de este tipo se describe en
el documento DE19532412A1 y se usa, por ejemplo, para tratar
previamente superficies de plástico de modo que se posibilita o
facilita la aplicación de pegamentos, tintas de imprenta y
sustancias similares sobre la superficie de plástico. Un tratamiento
previo de este tipo es necesario, porque las superficies de plástico
en estado normal no se pueden humedecer con líquidos y, por tanto,
no absorben la tinta de imprenta o el pegamento. Mediante el
tratamiento previo, la estructura de la superficie del plástico se
modifica de manera que la superficie se puede humedecer mediante
líquidos con una tensión superficial relativamente grande. La
tensión superficial de los líquidos, con los que se puede humedecer
la superficie, representa una medida de la calidad del tratamiento
previo.
Mediante la tobera de plasma conocida se logra un
chorro de plasma relativamente más frío, pero altamente reactivo,
que tiene la forma y las dimensiones de una llama de vela y, por
tanto, que permite también el tratamiento previo de piezas
perfiladas con un relieve relativamente profundo. Debido a la
reactividad elevada del chorro de plasma es suficiente un
tratamiento previo muy breve de modo que la pieza de trabajo puede
pasar por delante del chorro de plasma a una correspondiente
velocidad elevada. Debido a la temperatura relativamente baja del
chorro de plasma, también resulta posible el tratamiento previo de
plásticos sensibles al calor. Dado que no hace falta un
contraelectrodo en el lado trasero de la pieza de trabajo, se pueden
tratar también las superficies de piezas de trabajo, cuerpos huecos
y objetos similares de cualquier grosor en forma de bloque. En el
documento mencionado se propone una batería de varias toberas de
plasma, dispuestas dislocadas, para el tratamiento uniforme de
superficies mayores. En este caso se requiere, sin embargo, un gasto
relativamente alto en concepto de aparatos.
Otras fuentes de plasma se conocen de los
documentos GB969831A, US5628924A y DE2642649A, cuyas geometrías de
chorro tampoco permiten un tratamiento uniforme de superficies
mayores.
El objetivo de la invención es, por esta razón,
la creación de una tobera de plasma que posibilite un tratamiento de
mayor extensión de superficies de piezas de trabajo a pesar de una
construcción compacta.
Este objetivo se alcanza en una tobera de plasma
del tipo mencionado al inicio debido a que la salida del canal de la
tobera está configurada como hendidura estrecha que discurre
transversalmente al canal de la tobera.
Se ha comprobado sorprendentemente que usando una
hendidura de salida de este tipo se puede cambiar con eficacia la
geometría del chorro de plasma. El chorro de plasma ya no presenta
la forma de una llama de vela, sino que sufre un ensanchamiento
extremo dentro de la hendidura de modo que resulta posible un
tratamiento por plasma de gran extensión y, no obstante, uniforme de
la superficie de la pieza de trabajo. Cuando una superficie
extendida de una pieza de trabajo se encuentra delante de la boca de
la tobera de plasma, éste fluye por los bordes divergentes del
abanico hacia fuera y en el interior del abanico se crea una
depresión con el resultado de que el chorro de plasma en forma de
abanico "aspira" la pieza de trabajo en cuanto a su forma, de
modo que la superficie de la pieza de trabajo entra en contacto
íntimo con el plasma reactivo, lográndose así un tratamiento
efectivo de la superficie.
Configuraciones ventajosas de la invención
resultan de las reivindicaciones subordinadas.
Como en la tobera de plasma convencional, el gas
de trabajo se puede torcer en el canal de la tobera. El chorro de
plasma torcido también se puede ensanchar en forma de abanico
mediante la hendidura de salida. En todo caso, la torcedura provoca
una distorsión imperceptible en forma de S del abanico, si se mira
frontalmente la boca de la tobera de plasma.
La distribución de la intensidad del plasma en la
longitud de la hendidura se puede controlar, por ejemplo, al
variarse la anchura de la hendidura a lo largo de la longitud. En
una forma de realización preferida está dispuesto, sin embargo
directamente corriente arriba de la hendidura, un canal de diámetro
mayor que discurre paralelamente a esta hendidura y en el que se
puede distribuir el plasma antes de que penetre en la verdadera
hendidura de salida. Esta disposición se puede fabricar de manera
especialmente fácil, si la boca del canal de la tobera, incluida la
hendidura y el canal transversal, está formada por una boquilla por
separado de material aislante (cerámica) o, preferentemente, metal,
que se introduce a presión o se atornilla en la boca de la
carcasa.
Preferentemente, el canal transversal está
abierto en ambos extremos y estos extremos libres están rodeados
sólo con cierta separación de las paredes de la carcasa, de modo que
una parte del plasma puede salir del canal por los extremos y
después se desvía por las paredes de la carcasa diagonalmente en
dirección a la pieza de trabajo. El abanico de plasma se limita
después en ambos bordes mediante chorros marginales especialmente
intensos que abren el abanico en cuanto a su forma. De esta manera
se puede ajustar la forma del abanico y la distribución de la
intensidad del chorro de plasma dentro del abanico, por ejemplo, de
modo que el borde, corriente abajo, del abanico de plasma asuma una
forma cóncava de manera que el abanico semeja una cola de milano.
Esto es especialmente conveniente en el tratamiento previo de piezas
de trabajo abombadas de forma convexa, especialmente de piezas de
trabajo cilíndricas, pero demuestra ser también ventajoso en el
tratamiento previo de piezas de trabajo planas, porque así en las
zonas marginales del abanico se compensa el recorrido mayor, que el
plasma tiene que realizar hasta la pieza de trabajo, mediante una
intensidad del chorro de plasma correspondientemente mayor. A través
de la variación de la profundidad, en la se encuentran atrasados los
extremos del canal transversal en la carcasa de la tobera de plasma,
se puede modificar el contorno del abanico de manera que, en caso de
necesidad, se puede lograr, por ejemplo, una curvatura convexa del
borde, corriente abajo, del abanico.
Con el fin de concentrar más fuertemente el
abanico en la dirección vertical respecto al plano del abanico, se
puede alimentar aire auxiliar en la envoltura externa de la carcasa
de la tobera de plasma por ambos lados del plano del abanico. En
este caso puede ser conveniente si la superficie externa de la
carcasa de la tobera de plasma en la zona de la boca no está
configurada de forma cónica, sino en forma de prisma, de modo que se
forman dos superficies planas que convergen hacia el plano del
abanico.
Ejemplos de realización de la invención se
explican detalladamente a continuación mediante el dibujo.
Muestran:
Fig. 1 un corte axial a través de la tobera de
plasma,
Fig. 2 un corte axial a través de la tobera de
plasma en la dirección vertical respecto al plano de corte de la
figura 1 y
Fig. 3 un corte, análogo al de la figura 2, de
otra forma de realización.
La tobera de plasma, representada en el dibujo,
muestra una carcasa tubular 10 que forma un canal 12 de tobera
estrechado cónicamente en el extremo inferior. Un tubo 14 de
cerámica, aislante de la electricidad, está introducido en el canal
12 de tobera. Un gas de trabajo, por ejemplo, aire, se alimenta en
el dibujo por el extremo superior al canal 12 de tobera y se tuerce
mediante un dispositivo 16 de torcedura, insertado en el tubo 14 de
cerámica, de modo que el gas fluye en forma de remolino a través del
canal 12 de tobera, como se simboliza en el dibujo mediante una
flecha en forma helicoidal. En el canal 12 de tobera se origina un
núcleo de remolino que discurre a lo largo del eje de la
carcasa.
En el dispositivo 16 de torsión está montado un
electrodo 18 en forma de espiga que sobresale coaxialmente hacia el
canal 12 de tobera y al que se conecta una tensión alterna de alta
frecuencia mediante un generador 20 de alta tensión. La tensión,
producida mediante el generador 20 de alta frecuencia, es del orden
de algunos kilovoltios y tiene, por ejemplo, una frecuencia del
orden de 20 kHz.
La carcasa 10, fabricada de metal, está puesta a
tierra y se usa como contraelectrodo de manera que se puede producir
una descarga eléctrica entre el electrodo 18 y la carcasa 10. Cuando
se conecta la tensión, se produce primero una descarga de efecto
corona en el dispositivo 16 de torsión y el electrodo 18 debido a la
alta frecuencia de la tensión alterna y a la dielectricidad del tubo
14 de cerámica. Esta descarga de efecto corona enciende una descarga
en arco del electrodo 18 a la carcasa 10. El arco eléctrico 22 de
esta descarga es arrastrado por el gas de trabajo que fluye torcido
y canalizado en el núcleo de la corriente de gas en forma de
torbellino, de modo que el arco eléctrico discurre entonces casi en
línea recta desde la punta del electrodo 18 a lo largo del eje de la
carcasa y sólo se ramifica en la zona de la boca de la carcasa 10
radialmente hacia la pared de la carcasa.
En la boca de la carcasa 10 está introducida una
boquilla cilíndrica 24 de cobre, cuyo extremo axial interno está
apoyado en un hombro 26 de la carcasa. El extremo estrechado
cónicamente del canal 12 de tobera continúa de forma estable en la
boquilla 24, con un ángulo de conicidad igual o ligeramente
modificado. El arco eléctrico 22 se ramifica dentro de la boquilla
24 hacia las paredes cónicas de la boquilla.
La boquilla 24 presenta en el extremo libre,
situado abajo en la figura 1, una sección 28 de diámetro reducido
que crea, junto con la pared circunferencial de la carcasa 10, un
canal anular 30 abierto en dirección a la boca. La punta estrechada
cónicamente del canal 12 de tobera desemboca en un canal transversal
32 formado por un taladro transversal en la sección 28 y abierto en
ambos extremos hacia el canal anular 30. A este canal transversal
32, que presenta una sección transversal circular según la figura 2,
le sigue axialmente una hendidura estrecha 34 que discurre
diametralmente a través de la boquilla y que está abierta hacia la
superficie frontal de la boquilla.
El gas de trabajo, que fluye de forma torcida a
través del canal 12 de tobera, entra en contacto íntimo con el arco
eléctrico 22 en el núcleo del remolino de modo que se genera un
plasma altamente reactivo con una temperatura relativamente baja.
Este plasma se distribuye en el canal transversal 32 y sale de la
tobera de plasma en parte a través de la hendidura 34 y en parte
también a través de los extremos libres del canal transversal 32 y a
través del canal anular 30. Así se genera un chorro 36 de plasma en
forma de abanico plano que presenta en las zonas marginales 38 una
densidad mayor y una velocidad de corriente más elevada que cerca
del eje de la tobera. Así, el alcance del chorro 36 de plasma es
mayor en los bordes que en el centro de manera que el borde 40,
corriente abajo, del chorro de plasma presenta una curvatura
cóncava, adoptando el abanico una forma de cola de milano. Esta
forma del chorro de plasma garantiza que el chorro de plasma se
estreche bien contra la pieza de trabajo, no mostrada.
La figura 3 muestra una forma de realización
modificada, en la que el canal anular y el canal transversal no
existen y en la que la boquilla está limitada en el extremo libre a
ambos lados de la hendidura 34 por superficies inclinadas que están
situadas a ras con superficies inclinadas correspondientes de la
carcasa 10. La carcasa 10 está rodeada aquí por un distribuidor 42
de aire, a través del que se sopla aire auxiliar 44, paralelamente a
las superficies inclinadas de la carcasa y de la boquilla 24, desde
ambos lados sobre el chorro 36 de plasma, que sale de la hendidura
34, para concentrar el chorro de plasma en forma de abanico e
impedir un ensanchamiento antes de tiempo de este chorro de plasma
en dirección vertical respecto al plano del abanico. Al mismo
tiempo, mediante el aire auxiliar se apoya un contacto íntimo del
chorro de plasma con la superficie de la pieza de trabajo.
Claims (10)
1. Tobera de plasma para el tratamiento de
superficies, con una carcasa tubular (10), que conduce la
electricidad y que forma un canal (12) de tobera recorrido por un
gas de trabajo, un electrodo (18) dispuesto coaxialmente en el canal
de la tobera y un generador (20) de alta frecuencia para la
aplicación de una tensión entre el electrodo (18) y la carcasa,
caracterizada porque la salida del canal (12) de tobera está
configurada como hendidura (34) que discurre transversalmente al eje
longitudinal del canal de la tobera.
2. Tobera de plasma según la reivindicación 1,
caracterizada porque la carcasa (10) contiene un dispositivo
(16) de torsión que tuerce el gas de trabajo en el canal (12) de
tobera.
3. Tobera de plasma según la reivindicación 1 ó
2, caracterizada porque el canal (12) de tobera desemboca en
un canal transversal (32) que discurre paralelamente a la hendidura
(34) y que está conectado, por su parte, con la hendidura (34).
4. Tobera de plasma según la reivindicación 3,
caracterizada porque el canal (12) de tobera se estrecha
cónicamente en el extremo del lado de la salida y sólo en la zona
central del canal transversal (32) está conectado con este canal
transversal.
5. Tobera de plasma según la reivindicación 3 ó
4, caracterizada porque el canal transversal (32) está
abierto por ambos extremos.
6. Tobera de plasma según la reivindicación 5,
caracterizada porque las paredes internas de la carcasa (10)
en el extremo, situado en el lado de la salida, de la tobera de
plasma están separadas de los extremos abiertos del canal
transversal (32) y desvían el plasma, que sale de estos extremos,
hacia el lado de la hendidura (34).
7. Tobera de plasma según la reivindicación 6,
caracterizada porque los extremos del canal transversal (32)
desembocan en un canal anular (30) que está limitado por la carcasa
(10) y abierto hacia el mismo lado que la hendidura (34).
8. Tobera de plasma según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la
hendidura (34) y el extremo, situado en el lado de la salida, del
canal (12) de tobera están conformados en una boquilla (24) que está
introducida en el extremo de la carcasa (10).
9. Tobera de plasma según la reivindicación 8,
caracterizada porque la boquilla (24) está hecha de
metal.
10. Tobera de plasma según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada por un
distribuidor (42) de aire que está montado externamente en la
carcasa (10) y que dirige aire auxiliar (44) en la dirección en
ángulo recto al plano de la hendidura (34), convergente con el
chorro (36) de plasma que sale de la hendidura (34).
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