ES2935577T3 - Dispositivo y procedimiento para generar un plasma atmosférico - Google Patents

Abstract

Para el tratamiento de superficies de plástico, metal, cerámica, etc. con fines de limpieza o activación, es conocido aplicarles un plasma atmosférico. Es conocido integrar un transformador y una tobera de plasma en un cabezal de plasma común para la generación de plasma. La pérdida de potencia del transformador, que se acumula como calor en el cabezal de plasma, ha demostrado ser una desventaja. Este desarrollo de calor puede ser tan grande que la generación de plasma se ve afectada. La invención crea un dispositivo y un método para generar un plasma atmosférico, con el que se asegura un funcionamiento estable y fiable. A tal efecto se pretende (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo y procedimiento para generar un plasma atmosférico

La invención se refiere a un dispositivo para generar un plasma atmosférico según las características de la reivindicación 1. Además, la invención se refiere a un procedimiento para generar un plasma atmosférico según la reivindicación 5.

Para el tratamiento de superficies de plástico, metal, cerámica, etc., por ejemplo, con fines de limpieza, activación de superficies, polimerización, reducción de gérmenes y similares, es conocida la aplicación de un plasma atmosférico. Al limpiar y / o activar la superficie por medio de un plasma atmosférico, se puede humedecer mejor, por ejemplo, con un líquido o un adhesivo.

Para generar un plasma atmosférico se utiliza un cabezal de plasma con un transformador y una boquilla de plasma. Debido a la alta tensión generado por el transformador, un gas de proceso en la boquilla de plasma se ioniza por medio de una descarga. El gas de proceso sale de la boquilla como acero de plasma dirigido o llama de plasma.

Para evitar problemas como, por ejemplo, roturas de ductos, descargas o pérdidas de potencia, es conocido integrar el transformador y la boquilla de plasma en un cabezal de plasma común. Debido a este diseño compacto del cabezal de plasma, se puede prescindir de ductos largos y componentes electrónicos, lo que reduce el riesgo de ducto o de descargas.

Particularmente desventajoso en este diseño compacto ha demostrado ser la pérdida de potencia del transformador, que se acumula como calor en la carcasa del cabezal de plasma. Esta generación de calor puede ser tan grande que el transformador falla o se daña. Por lo tanto, esta generación de calor influye en la generación de plasma.

Los sistemas de plasma conocidos, como se describe, por ejemplo, en la publicación US 2015/0054405 A1, tienen un enfriamiento en el que el calor se disipa por convección desde la carcasa del cabezal de plasma. Sin embargo, este tipo de enfriamiento solo es suficiente para ciertos diseños o tamaños, así como para las posiciones de instalación del cabezal de plasma. Por ejemplo, el enfriamiento del transformador por convección pura resulta insuficiente con el uso continuo del cabezal de plasma.

Por lo tanto, la invención se basa en el objetivo de proporcionar un dispositivo y un procedimiento para generar un plasma atmosférico, con el que se asegura un funcionamiento estable y confiable.

Un dispositivo para lograr este objetivo tiene las características de la reivindicación 1.

En consecuencia, se prevé que a un cabezal de plasma se le asigne un transformador y al menos una boquilla de plasma, en donde el transformador y la boquilla de plasma forman una unidad espacial, un ducto de suministro para un medio que fluye para el control activo de la temperatura del cabezal de plasma y en una pared de una carcasa del cabezal de plasma se dispone al menos un canal para guiar el medio. En este caso, el canal se extiende al menos en parte sobre la pared del cabezal de plasma, en la que está conectado a al menos una entrada. El medio es el gas de proceso. Por medio del medio que fluye puede controlarse activamente la temperatura del cabezal de plasma. En consecuencia, dependiendo del diseño o del tamaño y del funcionamiento del cabezal de plasma, la temperatura de este puede controlarse activamente. El medio que fluye disipa permanentemente el calor del cabezal de plasma. introduciendo el medio, el cabezal de plasma se puede mantener a una temperatura estable durante todo el tiempo de funcionamiento. Por lo tanto, se puede generar una temperatura en el cabezal de plasma con ayuda del medio que fluye a través de él, en el que se logra un rendimiento máximo de plasma y, al mismo tiempo, el cabezal de plasma funciona de modo particularmente estable y confiable.

La invención prevé que como medio para el control de la temperatura, en particular para el enfriamiento del cabezal de plasma, preferiblemente del transformador, puede usarse un electrodo o de una boquilla de plasma, el mismo gas de proceso.

El uso del gas de proceso como medio de enfriamiento es particularmente ventajoso, ya que debe suministrarse de todos modos al cabezal de plasma. Según la invención, por lo tanto, el gas de proceso fluye primero a través del área alrededor del transformador antes de ser suministrado a la boquilla de plasma para la generación de plasma. El aumento de la temperatura del gas de proceso debido a la absorción de energía térmica no tiene ningún efecto sobre la eficiencia de la formación de plasma. Para un funcionamiento particularmente eficiente del cabezal de plasma, también puede ser ventajoso según la invención si el gas de proceso se mezcla con otro medio, que haya demostrado ser particularmente bueno como medio de refrigeración. De esta manera, el calor se puede disipar rápidamente del cabezal de plasma y al mismo tiempo se puede generar una llama de plasma sin tener que instalar un ducto adicional para el medio de enfriamiento en el cabezal de plasma.

Un ejemplo de realización particularmente ventajoso de la presente invención puede prever que, en una carcasa, preferiblemente en una pared de la carcasa, se disponga un canal, en particular serpenteante, para conducir el medio, que se extiende al menos por zonas sobre la pared de la carcasa y al que se conecta al menos un ducto de suministro. Conduciendo el canal a través de la pared del cabezal de plasma, el medio permanece en contacto con la pared durante un tiempo particularmente largo, lo que significa que el medio puede absorber una cantidad particularmente grande de energía térmica del transformador. En particular, una configuración serpenteante del canal ha demostrado ser particularmente eficiente para la transferencia de energía térmica al medio. Un extremo del canal representa un ducto de suministro para el medio, por ejemplo, para el gas de proceso. El segundo extremo del canal puede estar libre, de modo que el gas se introduce en la atmósfera, o está conectado al ducto de suministro para la boquilla de plasma, de modo que el medio se utiliza como gas de proceso directamente para la generación de plasma. Este diseño permite mantener el diseño compacto del cabezal de plasma.

El canal serpenteante para el medio se puede realizar en paralelo, vertical, principalmente en paralelo a un eje longitudinal de la carcasa, agujeros en la pared de la carcasa. Los canales pueden estar inicialmente abiertos a los lados frontales de la carcasa cilíndrica hueca. Estas aberturas pueden cerrarse mediante una parte de fondo o de tapa de la carcasa, más precisamente de tal manera que dos aberturas adyacentes estén conectadas alternativamente una con otra o aisladas una de otra, de modo que en la pared se forme el canal serpenteante. La parte de fondo o de tapa de la carcasa está atornillada o pegada a la carcasa, por ejemplo. Otro ejemplo de realización puede prever que el canal se forme como un tornillo en la pared de la carcasa. Una carcasa de este tipo con un canal similar a un tornillo en la pared se puede fabricar, por ejemplo, con un procedimiento generativo, como una impresora 3D.

También se puede prever que el canal se forme como un evaporador para un medio líquido. En este ejemplo de realización, un medio líquido se alimenta primero en el canal para luego conducirse hacia la boquilla de plasma en forma de gas. Dado que los medios líquidos generalmente tienen una mayor capacidad calorífica que los gases se puede aumentar la transferencia de calor entre el transformador o la pared y el medio y, al mismo tiempo, el medio se puede usar al menos parcialmente como gas de proceso. Esto también permite la deposición de capas.

Preferiblemente, la presente invención puede prever además que al menos un disipador de calor, en particular aletas de enfriamiento, estén dispuestos en un exterior de la pared o la carcasa, a lo largo de las cuales puede hacerse conducir el medio. Como alternativa a la formación de canales en la pared, esta también puede tener disipadores de calor en el lado exterior. A su vez, estos disipadores de calor pueden enfriarse activamente aplicando un medio de enfriamiento, preferiblemente mediante un ventilador.

Un procedimiento para lograr el objetivo antes mencionado comprende las medidas de la reivindicación 5. En consecuencia, se prevé que mediante un medio fluido se controla activamente la temperatura de un cabezal de plasma en cuya carcasa está dispuesto un transformador y al menos una boquilla de plasma, en cuyo caso para el control activo de la temperatura del cabezal de plasma, el medio pasa a través de un canal en una pared de una carcasa del cabezal de plasma, y el gas de proceso se utiliza como medio. Por medio de este control activo de la temperatura del cabezal de plasma se permite la disipación activa y eficiente del calor de proceso del transformador. Dependiendo del tamaño y del diseño del cabezal de plasma, se espera una generación de calor diferente del transformador. Regulando el flujo del medio, la disipación de calor del cabezal de plasma puede controlarse activamente de modo que el cabezal de plasma puede funcionar a una temperatura de operación óptima. A la temperatura óptima de operación, el cabezal de plasma se comporta de forma especialmente fiable y estable.

Otro ejemplo de realización de la presente invención puede prever que, para el control activo de la temperatura, preferiblemente el enfriamiento del cabezal de plasma, el medio pasa a través de la carcasa, preferiblemente a través de una pared de la carcasa, del cabezal de plasma, en particular a través de un canal en la pared, del cabezal de plasma y el paso del medio se regula por medio de una válvula, de modo que el flujo se lleva a cabo dependiendo de la temperatura del cabezal de plasma.

Preferiblemente, la presente invención puede prever además que, para el control activo de la temperatura, se controla previamente la temperatura del medio guiado por la pared y/o se hace pasar a una presión predeterminada a través de la pared. Para ello puede preverse que en el cabezal de plasma esté dispuesto un sensor de temperatura que mide la temperatura y la transmite a una unidad de control, que de manera correspondiente enfría previamente o calienta el medio. Además de la temperatura del medio, la presión también puede variar. Por ejemplo, con una gran cantidad de energía térmica para disipar, se puede aumentar la presión del medio para controlar la temperatura del cabezal de plasma. Al aumentar la presión del medio, se aumenta el caudal de modo que se aumenta la energía térmica para absorber por unidad de tiempo. Del mismo modo, puede reducirse la presión del medio con la cual esta se hace pasar a través del canal si solo tiene que disiparse una pequeña cantidad de energía térmica del cabezal de plasma. Este control previo de temperatura y variación de la presión permite un funcionamiento particularmente eficiente y, por lo tanto, confiable del cabezal de plasma y también garantiza una operación estable del mismo.

Además, otro ejemplo de realización ventajoso de la presente invención puede prever que el medio para controlar la temperatura del cabezal de plasma se aplique a un lado externo de la pared. Mediante esta aplicación del medio al lado externo de la carcasa o de la pared, se crea una forma particularmente simple de enfriar el cabezal de plasma.

Un ejemplo de realización preferido de la presente invención se explica con más detalle a continuación por medio de los dibujos. En estos dibujos

La Figura 1 muestra una sección transversal a través de un cabezal de plasma representado esquemáticamente, La Figura 2 muestra una sección transversal a través de una representación esquemática de una pared del cabezal de plasma, y

La Figura 3 muestra una sección transversal a través de otro ejemplo de realización de un cabezal de plasma.

Un ejemplo de realización de un cabezal de plasma según la invención 10 se muestra en la Fig. 1 muy esquematizado en sección transversal. Esencialmente, el cabezal de plasma 10 consiste en una carcasa 11, dentro de la cual se disponen un transformador 12 y una boquilla de plasma 13. El transformador 12 está encerrado por un aislador 14 y está conectado a una fuente de tensión 15. El transformador 12 y la fuente de tensión 15 generan la alta tensión requerido para encender el plasma. Una pared 23 de la carcasa 11 del cabezal de plasma 10 está conectada a una tierra 29.

La boquilla de plasma 13 comprende un electrodo 16, que está acoplado al transformador 12. Este electrodo en forma de aguja 16 apunta con su punta en la dirección de un electrodo de anillo 17 que sirve como salida para el plasma. A través de una entrada de gas de proceso 18, el gas de proceso pasa al volumen de boquilla 19. El gas de proceso se representa esquemáticamente aquí como flecha 20. En realidad, el volumen de boquilla 19 se envasa de manera casi homogénea con un flujo permanente de gas de proceso 18.

Por medio de una descarga eléctrica entre el electrodo 16 y el electrodo de anillo 17 se produce una ionización del gas de proceso representada aquí simbólicamente como un rayo 21. El gas ionizado sale de la boquilla de plasma 13 a través del electrodo de anillo 17 como chorro de plasma 22 o como una llama de plasma.

En la pared 23 del cabezal de plasma 10 se forma al menos un canal 24. En el ejemplo de realización que se muestra aquí, este canal 24 se extiende serpenteando a través de toda la pared 23. En la Fig. 2, una pared enrollada 23 del cabezal de plasma 10 se representa esquemáticamente, de modo que el curso serpenteante del canal 24 se hace notorio en la pared 23. El canal 24 tiene una entrada 25 y una salida 26. Según la invención, se hace ingresar un medio a la entrada 25 por medio de una válvula no representada o de un volumen de almacenamiento, de modo que el medio fluye con una presión predeterminada a través del canal 24 en dirección de la salida 26 (ver flecha 27).

El medio que fluye, que es el gas de proceso, disipa el calor desarrollado por el transformador 12. Este gas de proceso se hace pasar después de que haya fluido a través del canal 24 y haya absorbido la energía térmica del transformador 12, a través de un elemento de conexión 28, representado de modo discontinuo, a través de la entrada de gas de proceso 18 hacia el volumen de boquilla 19. El elemento de conexión 18 puede ser, por ejemplo, una manguera o un trozo corto de tubería. Este elemento de conexión 18 también puede integrarse en la carcasa 11 o en el cabezal de plasma 10. El canal 24 está integrado en la carcasa 11 o en la pared 23.

Dependiendo del tamaño o diseño o de la energía térmica desarrollada por el transformador 12, se pueden utilizar diferentes medios como refrigerantes. Además, es concebible que, dependiendo de la energía térmica desarrollada, el gas de proceso se enfríe previamente o se deje ingresar en el canal 24 a una presión mayor. Para este propósito, según la invención se utiliza un dispositivo de control no representado que determina la temperatura en el cabezal de plasma 10 por medio de un sensor de temperatura en el cabezal de plasma 10 y de manera correspondiente controla la entrada del gas de proceso en el canal 24.

Además de la configuración de un canal 24 representada en la Figs. 1 y 2, la Fig. 3 muestra otro ejemplo de realización para un canal 30. En el canal 30 representado en la Fig. 3, como se describió anteriormente en el ejemplo de realización mostrada en la Fig. 1, el medio se suministra al canal 30 a través de una entrada no mostrada y se suministra al volumen de boquilla 19 a través de un elemento de conexión 28 de la manera descrita anteriormente. El canal 30 está dispuesto en el segundo ejemplo de realización en forma de tornillo en la pared 23 del cabezal de plasma 10. Mediante esta disposición del canal 30 en forma de tornillo se puede generar una superficie de contacto particularmente larga entre el medio y la pared 23, de modo que se configura una transferencia de la energía térmica al medio de manera particularmente eficiente.

Además de los ejemplos de realización representados aquí, también es concebible que la pared 23 esté asociada en su exterior 31 con disipadores de calor (no representados) como, por ejemplo, aletas de refrigeración. Por medio de estas aletas de enfriamiento, a través de las cuales también puede hacerse fluir, por ejemplo, un medio para enfriar, la energía térmica del transformador 12 también se disipa efectivamente del cabezal de plasma 10.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para generar un plasma atmosférico con un cabezal de plasma (10), que comprende un transformador (12) para generar una alta tensión y al menos una boquilla de plasma (13) a la que se puede suministrar un gas de proceso para la generación de plasma, en donde el transformador (12) y al menos una boquilla de plasma (13) forman una unidad espacial y en donde el cabezal de plasma (10) comprende al menos un ducto de suministro para un medio que fluye a través del mismo, en donde el medio es el gas de proceso para el control activo de la temperatura del cabezal de plasma (10), caracterizado porque en una pared (23) de una carcasa (11) del cabezal de plasma (10) está dispuesto al menos un canal (24, 30) para guiar el medio que se extiende al menos por zonas sobre la pared (23) del cabezal de plasma (10) y que está conectado con al menos una entrada (25).

2. Dispositivo para generar un plasma atmosférico según la reivindicación 1, caracterizado porque en la pared (23) del cabezal de plasma (10) está dispuesto al menos un canal serpenteante (24, 30) para guiar el medio que extiende se serpenteante al menos por secciones sobre la pared (23) del cabezal de plasma (10) y que está conectado a al menos una entrada (25).

3. Dispositivo para generar un plasma atmosférico según la reivindicación 1 o 2 en donde el canal (24, 30) se forma como agujeros en la pared (23) de la carcasa (11) paralelos, en particular paralelos a un eje longitudinal de la carcasa (11), en donde los orificios abiertos en los lados frontales de la carcasa (11), principalmente cilíndrica hueca, pueden estar conectados por medio de una parte de fondo o de tapa o están aislados uno de otro, de modo que el canal serpenteante (24) se forma en la pared (23).

4. Dispositivo para generar un plasma atmosférico según una de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos un disipador de calor, en particular aletas de enfriamiento, está dispuestos en un lado externo (31) de la carcasa (11) a lo largo del cual puede hacerse conducir el medio.

5. Procedimiento para generar un plasma atmosférico con un transformador (12) para generar una alta tensión y con al menos una boquilla de plasma (13), al que se suministra un gas de proceso para generar el plasma, en donde el transformador (12) y al menos una boquilla de plasma (13) forman un cabezal de plasma (10) y la temperatura del cabezal de plasma (10) se controla activamente mediante un medio que fluye, en donde el gas de proceso se utiliza como medio, caracterizado porque para el control activo de la temperatura del cabezal de plasma (10), el medio pasa a través de un canal (24, 30) en una pared (23) de una carcasa (11) del cabezal de plasma (10).

6. Procedimiento para generar un plasma atmosférico según la reivindicación 5, en donde para el control activo de la temperatura, se regula previamente la temperatura del medio conducido a través de la pared (23) y/o se guía a una presión predeterminada a través del canal (24, 30).

7. Procedimiento para generar un plasma atmosférico según la reivindicación 5 o 6, en donde a un lado externo (31) de la carcasa (11) se aplica el medio para controlar la temperatura del cabezal de plasma (10).