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  • 法律状态
  • 优先权
    • 专利摘要:
    Eswird ein Plasmagenerator zur Reduktion und Reinigung von oxidhaltigenMetallverbindungen mit einer Kathode (1) und einer koaxial zur Kathode (1)angeordneten rohrförmigenAnode (2) zur Ausbildung eines Lichtbogens vorgeschlagen. Das indem Lichtbogen ionisierte Gas wird über eine schlitzförmige Düse (11)an der Anode oder zwischen der Anode und der Kathode zugeführt. DieKathode (1) weist eine Spitze (3) mit konischer Form auf. An derAnode (2) ist in Richtung des Plasmastrahls unmittelbar nach derSpitze (3) der Kathode (1) eine Precursorzuführung (14) zum Zuführen derzu reduzierenden oder zu reinigenden Metallverbindung vorgesehen.
    公开号:DE102004006636A1
    申请号:DE200410006636
    申请日:2004-02-10
    公开日:2005-08-25
    发明作者:Stefan Dr. Laure
    申请人:Dr Laure Plasmatechnologie GmnH；
    IPC主号:H05H1-24
    专利说明:
    [0001] DieErfindung geht aus von einem Plasmagenerator nach dem Oberbegriffdes Anspruchs 1.
    [0002] Ausdem Stand der Technik sind Plasmageneratoren zur Erzeugung einesheißenPlasmastrahls bekannt. Bei einem Lichtbogen-Plasmagenerator wirdeinströmendesGas, beispielsweise Argon oder Stickstoff, durch einen Lichtbogenionisiert und auf hohe Temperaturen aufgeheizt. Der Lichtbogen bildetsich zwischen einer Anode und einer Kathode aus. Der durch das strömende ionisierteGas entstehende gerichtete Plasmastrahl wird auf ein zu bearbeitendesSubstrat oder Werkstückgerichtet. Hierzu ist die Anode häufig als Austrittsdüse für den Plasmastrahlausgebildet.
    [0003] Alsnachteilig erweist sich bei den bekannten Plasmageneratoren, dassdie im Bereich des Substrats oder im Bereich der Zuführung desSubstrats erzeugten Energiedichten nicht ausreichen, um Metalloxidezu reduzieren oder zu reinigen. Die Schmelztemperaturen zahlreicherMetalloxide sind höher,als die Energiedichten des Plasmastrahls beim Auftreffen auf dasSubstrat.
    [0004] Esist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Plasmageneratorzur Verfügungzu stellen, der es ermöglicht,im kontinuierlichen Betrieb Metalloxide in ihre Bestandteile zuzerlegen und den freigesetzten Sauerstoff zu binden, so dass reineMetalle entstehen.
    [0005] Gegenüber demStand der Technik hat der erfindungsgemäße Plasmagenerator mit denMerkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, dass aufgrund der konischenForm der Kathode oder zumindest der Spitze der Kathode ein gerichteterPlasmastrahl ausgebildet wird, der unmittelbar nach der Spitze derkonischen Kathode eine sehr hohe Energiedichte erreicht. In diesenBereich hoher Energiedichte wird über eine Precursorzuführung diezu reduzierende oder zu reinigende Metallverbindung zugeführt. UnterPrecursor ist das Substrat zu verstehen, das in den Plasmastrahleingebracht wird. Die Precursorzuführung hat dabei die Form einesRohres, welches in die rohrförmigeAnode mündet.Die Metallverbindung kann überdie Precursorzuführungin fester, flüssiger oderGasform zugeführtwerden. Zur Bearbeitung eines festen Metalloxids in Pulverform wirddie Precursorzuführungmit einem Pulverfördererverbunden. Zum Einbringen einer flüssigen Metallverbindung ist ander Precursorzufürhungeine Dosierpumpe vorgesehen. Bei gasförmigen Metallverbindungen istdie Precursorzuführungmit einem Dosierventil ausgestattet. Pulverförderer, Dosierpumpe und Dosierventil ermöglichendas Einbringen einer kontrollierten Menge des zu bearbeitenden Metalloxids über einen durchden Benutzer vorgegebenen Zeitraum. Damit können durch den erfindungsgemäßen Plasmageneratorim kontinuierlichen Betrieb Metalloxide in ihre Bestandteile zerlegtwerden.
    [0006] Daszu ionisierende Gas wird übereine schlitzförmigeDüse amFuß derAnode zugeführt. DerSchlitz ist kreisrund und verläuftkoaxial zu Anode und Kathode. Die Form des Schlitzes beeinflusst dieStrömungsgeschwindigkeitdes Gases im Plasmastrahl.
    [0007] DieReduktion von sauerstoffhaltigen Metallverbindungen ist für die Erzeugungvon Ausgangsstoffen wie Roheisen oder Rohsilizium entseheidend. Diesedurch die Reduktion von Metallverbindungen gewonnenen Metalle werdender weiteren Verarbeitung zugeführt.Besondere Bedeutung kommt dabei der Behandlung von Sand zur Gewinnungvon Silizium zu.
    [0008] Indem Bereich vor der Spitze der Kathode werden Temperaturen von mehrerenzehntausend Grad erreicht. Um die hohen Plasmatemperaturen über einemöglichstlange Strecke aufrecht zu halten, erstreckt sich nach einer vorteilhaftenAusgestaltung der Erfindung die Anode in Richtung des Plasmastrahlsweiter als die Kathode. Auf diese Weise wird der Lichtbogen verlängert unddamit auch die Aufenthaltsdauer der in der heißen Plasmazone verweilendenTeilchen des zu bearbeitenden Metalloxids. Die Reduktion des Metalloxidskann daher stattfinden, auch wenn die für die Reaktion benötigte Zeitetwas längerist.
    [0009] Nacheiner vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Positionder Spitze der Kathode in oder entgegen der Richtung des Plasmastrahlsveränderbar.Dadurch kann der Abstand zwischen der Precursozuführung undder Spitze der Kathode verändertwerden. Dies führtdazu, dass die Temperatur in der Anode unmittelbar an der Precurzuführung variiertwerden kann. Eine Anpassung an die zu bearbeitende Metallverbindungist dadurch möglich.
    [0010] Umdie Position der Spitze der Kathode zu verändern, können entweder verschiedeneKathoden mit unterschiedlicher Längein den Plasmagenerator eingesetzt werden oder die Kathode kann ineiner Kathodenhalterung des Plasmagenerators verschiebbar gelagertwerden. Zur Änderungder Länge derKathode könnenzusätzlicheAbschnitte in die Kathode eingesetzt werden.
    [0011] Nacheiner weiteren vorteilhafen Ausgestaltung der Erfindung ist derAbschnitt der Anode, welcher sich in Richtung des Plasmastrahlsan den die Kathode umgebenden Abschnitt anschließt, konusförmig ausgebildet. Der Querschnittder Anode vergrößert sichdamit in Richtung des Plasmastrahls nach der Zufuhr der Metallverbindung durchdie Precursorzuführung.Diese Form der Anode führtzu einer weiteren Beschleunigung des Gases im Plasmastrahl. Lichtbogenansätze in diesemBereich der Anode werden dadurch verhindert. Ein Magnetfeld in axialerRichtung des Plasmastrahls, welches durch eine Spule erzeugt wird,sorgt zusätzlichdafür,dass derartige Lichtbogenansätzein diesem Bereich der Anode vermieden werden.
    [0012] Nacheiner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eineSekundäranodevorgesehen, welche sich in Richtung des Plasmastrahls an die Anodeanschließt.Diese sorgt füreine zusätzlicheEnergiezufuhr. Dadurch wird die Temperatur des Plasmastrahls über einezusätzlicheStrecke auf einem fürdie Reduktion von Metalloxiden notwendigen Niveau gehalten. DieVerweildauer der Teilchen der zu bearbeitenden Metallverbindungin der besonders heißenZone des Plasmastrahls wird weiter verlängert. Die Sekundäranode kannzylindrisch oder planar ausgebildet sein.
    [0013] Nacheiner weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist inRichtung des Plasmastrahls nach der Anode oder nach der Sekundäranode ein ungekühltes rohrförmiges Bauteilvorgesehen. Dieses verhindert das Eindringen kalten Gases aus der Umgebungin den Bereich des Plasmastrahls.
    [0014] WeitereVorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dernachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen zu entnehmen.
    [0015] Inder Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eineserfindungsgemäßen Plasmageneratorsdargestellt. Es zeigen:
    [0016] 1 Plasmageneratorim Längsschnitt,
    [0017] 2 Plasmageneratorgemäß 1 inperspektivischer Ansicht,
    [0018] 3 Anodeund Anodenhalterung des Plasmagenerators gemäß 1 im Längsschnitt,
    [0019] 4 Anodenhalterunggemäß 3 inperspektivischer Ansicht.
    [0020] In 1 istein Plasmagenerator mit einer Kathode 1 und einer Anode 2 dargestellt.Die Kathode besteht aus einer konisch ausgebildeten Spitze 3, einemzylindrischen Abschnitt 4 und einem Anschlussteil 5,welches mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Stromquelleverbunden ist. Die Anode 2 ist rohrförmig ausgebildet und umschließt einenTeil des zylindrischen Abschnitts der Kathode und die konusförmige Spitze 3 derKathode. Die Anodenhalterung 6 umgibt die Anode 2 undbesteht aus zwei scheibenförmigenAnschlussteilen 7 und 8 und einem rohrförmigen Teil 9.Die beiden Anschlussteile 7 und 8 enthalten elektrischeAnschlüsse,welche die Anode mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Spannungsquelleverbinden. Darüberhinaus ist in den Anschlussteilen und dem rohrförmigen Teil eine Kühlvorrichtungvorgesehen. An das Anschlussteil 7 schließt sichauf der linken Seite eine als Scheibe ausgebildete Vorrichtung zurGaszuführung 10 an. Daszu ionisierende Gas wird überdie schlitzförmige Düse 11,welche zwischen der Anode und der Kathode vorgesehen ist, zugeführt. Andie Vorrichtung zur Gaszuführung 10 schließt sichauf der linken Seite ein Isolator 12 an. Daneben ist dieKathodenhalterung 13 vorgesehen. Diese befestigt die Kathodederart, dass sie koaxial zur Anode 2 verläuft. Inder Mitte der Anode ist eine Precursorzufürhung 14 vorgesehen. Über diePrecursorzufürhungkann die zu reduzierende oder zu reinigende Metallverbindung inden Bereich unmittelbar vor der konusförmigen Spitze 3 eingeführt werden.In diesem Bereich ist das Plasma besonders heiß. Die Precursorzuführung bestehtaus einer senkrecht zur Achse der Anode verlaufenden zylindrischenAusnehmung 15 und einem Abschnitt 16 mit größerem Durchmesser.An den Abschnitt 16 kann ein Rohr mit einem Pulverförderer,einer Dosierpumpe oder einem Dosierventil angeschlossen werden.Dies ist in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt. Die Precursorzuführung 14 istTeil der Anode 2 und einstückig mit dieser ausgeführt.
    [0021] 2 zeigtden Plasmagenerator gemäß 1 ineiner perspektivischen Ansicht. In dieser Darstellung sind lediglichdie Anodenhalterung 6 mit den beiden scheibenförmigen Anschlussteilen 7 und 8 unddem rohrförmigenTeil 9, die Vorrichtung zur Gaszuführung 10, der Isolator 12,die Kathodenhalterung 13 und das Anschlussteil 5 derKathode zu erkennen. Darüberhinaus ist der Abschnitt 16 der Precursorzuführung 14 erkennbar.
    [0022] Die 3 und 4 zeigendie Anodenhalterung 6 mit den beiden scheibenförmigen Anschlussteilen 7 und 8 unddem rohrförmigenTeil 9 des Plasmagenerators gemäß 1. In demLängsschnittder 3 sind außerdemdie Anode 2 und die Precursorzuführung 14 zu erkennen.
    [0023] SämtlicheMerkmale der Erfindung können sowohleinzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlichsein.
    1 Kathode 2 Anode 3 konusförmige Spitzeder Kathode 4 zylindrischerAbschnitt der Kathode 5 Anschlussteilder Kathode 6 Anodenhalterung 7 Anschlussteilder Anodenhalterung 8 Anschlussteilder Anodenhalterung 9 rohrförmiges Teilder Anodenhalterung 10 Vorrichtungzur Gasführung 11 schlitzförmige Düse 12 Isolator 13 Kathodenhalterung 14 Precursorzuführung 15 zylindrischeAusnehmung 16 Abschnittder Precursorzuführung
    权利要求:
    Claims (19)
    [1] Plasmagenerator zur Reduktion und Reinigung vonoxidhaltigen Metallverbindungen, mit einer Kathode (1)und einer koaxial zur Kathode angeordneten rohrförmigen Anode (2) zurAusbildung eines Lichtbogens, mit einer schlitzförmigen Düse (11)an der Anode (2) oder zwischen Anode (2) und Kathode(1) zum Zuführeneines in dem Lichtbogen ionisierten Gases, dadurch gekennzeichnet, dasdie Kathode (1) zumindest an der Spitze (3) eine konischeForm aufweist, und dass an der Anode (2) in Richtungdes Plasmastrahls unmittelbar nach der Spitze (3) der Kathode(1) an der Plasmazone mit der höchsten Temperatur eine Precursorzuführung (14)zum Zuführender zu reduzierenden oder zu reinigenden Metallverbindung vorgesehenist.
    [2] Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,dass die Position der Spitze (3) der Kathode in oder entgegender Richtung des Plasmastrahls veränderbar ist.
    [3] Plasmagenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Kathode austauschbar ist.
    [4] Plasmagenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die Kathode verschiebbar in einer Kathodenhalterung gelagertist.
    [5] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass der die Kathode (1) umgebende Abschnittder Anode (2) eine zylindrische Form aufweist, und dasssich die Anode (2) in Richtung des Plasmastrahls weitererstreckt als die Kathode.
    [6] Plasmagenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,dass der Abschnitt der Anode (2), welcher sich in Richtungdes Plasmastrahls an den die Kathode (1) umgebenden Abschnittanschließt, konusförmig ausgebildetist.
    [7] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass eine Sekundäranodevorgesehen ist, welche sich in Richtung des Plasmastrahls an dieAnode (2) anschließt.
    [8] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Längeder Anode (2) um ein Vielfaches größer ist als der Durchmesserder Anode.
    [9] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Precursorzuführung (14) die Formeines Rohrs aufweist.
    [10] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass an der Precursorzuführung ein Pulverförderer vorgesehenist.
    [11] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass an der Precursorzuführung eine Dosierpumpe vorgesehenist.
    [12] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass an der Precursorzuführung ein Dosierventil vorgesehenist.
    [13] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass eine Spule zur Erzeugung eines Magnetfeldesin axialer Richtung der Plasmastrahls vorgesehen ist.
    [14] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass in Richtung des Plasmastrahls nach der Anode(2) oder nach der Sekundäranode ein ungekühltes rohrförmiges Bauteilvorgesehen ist.
    [15] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Kathode (1) aus Wolfram besteht.
    [16] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass die Anode (2) aus Kupfer besteht undwassergekühlt ist.
    [17] Plasmagenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, dass eine Anodenhalterung (6) für die Anodevorgesehen ist, und dass die Anodenhalterung einen oder zwei scheibenförmige Anschlußteile (7, 8)mit elektrischen Anschlüssenund einer Kühlvorrichtungaufweist.
    [18] Plasmagenerator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,dass in Richtung des Plasmastrahls vor dem scheibenförmigen Anschlussteil(7) der Anodenhalterung (6) eine als Scheibe ausgebildeteVorrichtung zur Gaszuführung(10) vorgesehen ist.
    [19] Plasmagenerator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,dass vor der Vorrichtung zur Gaszuführung (10) ein alsScheibe ausgebildeter Isolator (12) und vor dem Isolatoreine als Scheibe ausgebildete Kathodenhalterung (13) zurAnordnung der Kathode vorgesehen ist.
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-08-25| OM8| Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law|
    2011-03-17| 8110| Request for examination paragraph 44|
    2012-08-07| R016| Response to examination communication|
    2012-08-09| R016| Response to examination communication|
    2013-04-23| R016| Response to examination communication|
    2013-05-06| R018| Grant decision by examination section/examining division|
    2014-04-10| R020| Patent grant now final|Effective date: 20140118 |
    2019-09-03| R119| Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE200410006636|DE102004006636B4|2004-02-10|2004-02-10|Plasmagenerator und Verfahren zur Reduktion und Reinigung von oxidhaltigen Metallverbindungen|DE200410006636| DE102004006636B4|2004-02-10|2004-02-10|Plasmagenerator und Verfahren zur Reduktion und Reinigung von oxidhaltigen Metallverbindungen|
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