CN101109076B - 用于在容器内表面上沉积涂层的装置 - Google Patents

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Abstract

在容器(10)的内表面沉积涂层的装置，在这类装置中，沉积是通过低压等离子体进行的，等离子体是由微波类电磁波激发前体气体在容器(10)中产生。本发明设置了一种注射管(13)，该注射管被浸入到该容器(10)中，浸入长度为在容器(10)的颈缘(18)和底部(17)之间计算的容器(10)总高度的四分之一到二分之一之间，所述注射管(13)的长度构成纵向天线(16)，其能够接收由所述发生器(3)产生的超高频电磁微波并能够传播HT点火信号，一种盘(21、23、25)形式的超高频短路(19)以这样一种方式被设置在注射管(13)上，使得在腔体一侧的所述盘(21、23、25)的表面限定了沿所述注射管(13)传播的超高频电磁微波的零振幅点，短路(19)和注射管(13)的自由端(13a)之间的长度相应于在注射管(13)的自由端(13a)处四分之一波长的一奇数值以获得最大振幅，也就是一种波腹。

Description

用于在容器内表面上沉积涂层的装置
技术领域
本发明涉及一种在由热塑性材料制成的容器内表面沉积涂层的装置，在这类装置中沉积是由低压等离子体来完成的，该等离子体由微波类电磁波激发前体气体在容器中产生，在这类装置中容器被置于由导电材料制作的腔体中，微波被引入该腔体，该装置包括：a)超高频电磁微波发生器；b)超高频电磁微波波导，用来将超高频电磁微波发生器连接到腔体的侧壁上的窗口上，使得在该腔体中形成至少一个中心区；c)用来注射前体气体的设备；d)用来抽吸腔体和容器内部容积的设备；以及e)内部壳体，与腔体同轴并基本上透过超高频电磁微波，该内部壳体例如是由石英制作，并且限定一个圆柱形腔室，在前体气体激发期间容器被置于该圆柱形腔室中。
背景技术
图1说明了一种根据FR2792854设计的装置，用来逐一地处理容器，该装置是处理站1的形式，该处理站适合于在由热塑性塑料制作的容器的内表面上低压等离子体沉积涂层，如优选地但非限定性地，容器是由聚对苯二酸乙二酯制作的一种瓶，所形成的涂层可由烃基或硅基材料构成。
简单地说，该处理站1包括一个由导电材料，特别是一种金属制作的外部腔体2，该外部腔体2是具有轴A的圆柱形并具有可促进微波类电磁场的特殊耦合模式的尺寸。一种设置于腔体2外的发生器3能够在微波范围产生电磁场，其频率可以是2.45GHz或915MHz，该发生器3是超高频(Ultra-High Frequency，UHF)电磁波发生器类。由该发生器3产生的电磁辐射通过径向延伸的隧道形波导4被引入腔体2，波导4通过在腔体2中形成的矩形窗口5而出现在所述腔体的约中间高度处。波导4的形状和尺寸本身也适应于来使腔体2中的微波场有较好的耦合。
置于腔体2中的壳体6与腔体2同轴而且可基本上透过微波，该壳体在腔体2中限定一个与腔体2同轴的圆柱形腔室7。在实践中，该壳体6例如由石英制作。该腔室7在底部由腔体2的横向底壁以及在颈缘由用于形成密封保护的盖9隔离，以这种方式在腔室7中产生真空。待处理的容器10被放置成与腔体2和腔室7基本同轴。
在被讨论的具体实施方式中，盖9是可移开的以将待处理的容器10引入到腔室7中。然而还可以配置一种固定的盖及形成在腔体2的横向底壁中的可移开的底部来从下面引入或移出容器。设置在盖9上的是通过颈部12来支撑容器10的设备11、在腔室7中产生各种级别真空的设备以及用于将反应流体注射到容器10中的设备，该流体包含需要沉积到容器的内壁上的材料的至少一种前体，所述注射设备包括部分延伸到容器中的一注射管13。
该装置还包括轴A的单独的上部和下部环形板14、15，这些环形板在腔体2中围绕壳体6布置。该两个环形板14、15相对于彼此轴向地偏移以便在轴向上被布置在窗口5的两侧，波导4通过该窗口出现在腔体2中。然而，他们各自的轴向位置可以根据待处理的容器10形状的不同而变化。由导电材料制成的环形板14、15用来为形成于腔体2中的电磁场形成短路，致使该电磁场被轴向限制来获得在有效处理区域的最大强度。
但是，在如上所述的装置中的等离子体涂覆方法，尽管正确地进行操作，也有可能遭受会导致涂层的沉积不均匀的某些危险。
这是因为通常难以精确控制等离子体的点火和其稳定性，不稳定的等离子体会引起在容器的内表面上形成不均匀涂层的危险。
目前，为了检测等离子体是否稳定，利用光度传感器(luminositysensor)测量容器中的光强度。如果检测到光强度不稳定，就因此而认为该等离子体不稳定而且由此任意地认为涂层不能正确沉积，那么容器就作为废品从生产线上撤下。
因此，如果通过用于每小时在内部涂覆几千个容器的装置进行涂层的沉积，就有必要尽可能地减少被不正确涂覆的容器所占的百分比，其代表了废品而且数量可能达到每天几百个。目前由于潜在地没有被正确地涂覆而废弃的容器的百分比约为0.5％。降低这个百分比以便减少由这类装置产生的废料并因此减少原材料的相应损失将是特别有益的。
另外，当电磁微波传输进入腔体中时，被注射管反射并趋向于沿注射管后部向处理装置的中心上升，引起该装置故障以及使可用在处理腔体中的电磁能量损失的危险，因此就具有等离子体不稳定的危险。
发明内容
因此，本发明涉及一种涂覆容器的内壁的装置，使得在容器中的前体气体优化分布来形成均匀的涂层以及防止电磁微波沿注射管上升。
本发明涉及一种用于在容器内壁上沉积涂层的装置，使得在微波传输期间可以激发并促进等离子体的形成，本发明还涉及防止用在腔体处理中的电磁能量的损失，从而形成更加稳定的等离子体以及形成用来在内部涂覆容器的生产线，该生产线的容器废品率基本上低于0.5％而且有益地趋向于零。
为了实现该目的，本发明提供一种用来在由热塑性塑料制作的容器的内表面沉积涂层的装置，在该类装置中，沉积是通过低压等离子体来进行，等离子体是通过由超高频(UHF)微波类电磁波激发前体气体而在容器中产生的，在该类装置中，容器被置于由导电材料制作的腔体中，微波被引入该腔体中，所述装置包括：一种超高频(UHF)电磁微波发生器；一种用来将该发生器连接到腔体侧壁中的窗口的超高频电磁微波波导，使得在腔体中产生至少一个中心场；用来注射前体气体的设备，包括部分地延伸进入容器中的注射管；用来抽吸腔体和容器内部容积的装置；以及内部壳体，其与腔体同轴并基本上透过超高频电磁微波，壳体例如由石英制作，并限定一圆柱形腔室，在前体气体激发期间容器被置于该圆柱形腔室中，其特征在于，注射管浸入容器中，浸入长度在容器的上部和底部之间计算的容器总高度的四分之一到二分之一之间，注射管的长度构成能够接收到由所述发生器产生的超高频(UHF)电磁微波的纵向天线，其中，在注射管上以这样一种方式设置盘形微波短路，使得面向腔体的一侧上的所述盘的表面限定了沿注射管传播的超高频电磁微波的零振幅点，在短路和注射管的自由端之间的长度相应于四分之一波长的一奇数值以便获得在注射管自由端的一个最大振幅(也就是超高频电磁微波的波腹)。
以这种方式，由于注射管的该自由端相应于沿注射管传播的电磁微波的波腹，以及由于该自由端长度设置在容器总高度的二分之一和四分之一之间，因此稳定的等离子体的点火就变得容易了，这是因为注射管的该自由端相应于对给定波长具有最大电磁微波强度而且在容器中具有均匀分布的前体气体的这样一个点。
为了使超高频电磁微波具有零振幅和至少部分阻止沿注射管的传播，该短路是圆形径向盘，注射管穿过该圆形径向盘中心。因此沿注射管的表面电流在指向腔体的一侧的那个圆形盘表面上是零。
为了提高阻挡效应，以此阻挡沿注射管的超高频电磁微波的传播，一种与注射管同轴并指向腔体的环形裙部支撑在圆形径向盘上。
有利地，根据本发明的短路的第一具体实施方式，环形裙部支撑在圆形盘的外部边缘上。
为了使注射管与装置的其他部分电绝缘，该圆形盘和注射管不能与腔体的其他部分接触而且可以被嵌入一种电介质塞子中，注射管轴向穿过该塞子。
有利地，根据本发明的短路的第二个具体实施方式，圆形盘具有一个直径大于注射管直径的中心孔，而且环形裙部支撑在该圆形盘的内部边缘上。
为了防止电磁场沿圆形盘的注射管下游向上传播，环形裙部的内表面的高度约等于由发生器发射的并在电介质塞子中流通的超高频电磁微波波长的四分之一，圆形盘和环形裙部位于该电介质塞子中。另外，环形裙部的自由端因此相应于该超高频电磁微波的波腹，因此相应于最大电压和最小电流，因此降低了焦耳热损失。由于在环形裙部自由端具有最小的焦耳热损失，该自由端的未控制的加热就被防止了。
为了控制沿注射管的电磁场，在被称为衬套的圆柱形部件和注射管之间的环形间隔中设置短路。
为了抽吸容器的内部容积，圆柱形部件的该端以密封形式支撑在容器的颈缘。
为了在电磁场产生过程中和在容器的内壁沉积涂层过程中稳定等离子体，以及减少涂层不均匀地沉积到容器的内壁上，根据本发明的装置包括高电压信号发生器装置，该高电压信号发生器装置被耦合到注射管而且能够向注射管发送高电压正弦信号。
根据为了最大化稳定容器中产生的等离子体的较佳实施方式，高电压正弦信号具有500～3000V之间的电压。
有利地，高电压正弦信号由衰减的正弦信号的多个信号构成。
有利地，所述信号的载波频率在1～50kHz之间。
根据一个有利的实施方式，所述信号的包络频率(envelope frequency)在100～10000Hz之间。
有利地，所述包络频率在500～2000Hz之间。
有利地，在所述周波之一的末端高电压信号的峰值衰减为该周波的第一波峰峰值的0～60％。
有利地，在所述周波之一的末端高电压信号的峰值衰减为该周波的第一波峰峰值的20～40％。
为了更好地阻挡超高频电磁微波沿注射管传播，圆形盘的直径至少大于注射管直径的两倍。
为了降低未被本发明所设置的短路的圆形盘阻挡的电磁微波能量，一第二圆形盘被径向固定到圆形盘的注射管上游。
有利地，在圆形盘和所述第二圆形盘之间的距离相应于由所述发生器产生的超高频电磁微波的多个半波长。
附图说明
通过对以下某些较佳实施方式的详细说明，可以更清楚地理解本发明，该实施方式完全是以非限定的实施例的方式给出。结合附图进行说明，其中：
图1是根据现有技术的用于逐一处理容器的装置的横截面侧视图。
图2是根据本发明的用于逐一处理容器的装置的横截面侧视图。
图3是根据本发明的装置的注射管上设置的短路的横截面图。
图4是根据本发明的注射管上设置的短路的变换实施方式。
图5是根据本发明的装置的变换实施方式的横截面主视图。
图6是根据本发明的装置的另一实施方式的横截面图。
具体实施方式
正如已经描述的，图1是用于热塑性塑料容器10的内表面上沉积涂层的装置的示意图，在该类装置中，沉积是通过低压等离子体进行的，该等离子体是通过由微波类超高频(UHF)电磁波激发前体气体而在容器中产生，在该类装置中，容器10被置于由导电材料制作的腔体2中，微波被引入该腔体，所述装置包括：一种超高频(UHF)电磁微波发生器3；一种超高频电磁微波波导4，用于将所述超高频电磁微波发生器3连接到腔体2的侧壁中的窗口5上；用来注射前体气体的设备；用来抽吸腔体2和容器10的内部容积的设备；以及内部壳体6，其与腔体2同轴并具有产生在腔体2中的至少一个中心场，所述壳体可基本上透过超高频电磁微波，壳体例如是由石英制作，并且限定一个圆柱形腔室7，在激发前体气体期间容器10被置于该腔室中。
图2是用于逐一处理容器10以在容器10的内表面上沉积涂层的装置1的一个具体实施方式的示意性剖视图。
根据该实施方式，用来将前体气体注射到容器10的内部容积的设备是采用注射管13的形式，该注射管构成能够接收到由发生器3产生的超高频电磁微波的一纵向天线16，基本上沿着由容器10、腔体2和壳体6所限定的中心轴A设置。该天线16的第二功能是传播由高电压信号发生器装置28传送的高电压信号，后面将对此进行说明。
在本说明书的其他部分，注射管13的概念也表示天线16，这两个部件是同一的。
有利地，容器10采用具有颈部12、底部17和颈缘18的瓶形式，本发明的原理可应用于具有底部和颈缘的任何形式的容器，也就是说具有一封闭端和一开口端。
为了使注射气体良好地流入容器10的内部容积中以及确保这些气体均匀地分布于该内部容积中，注射管13的自由端13a被浸入到容器10中直到容器10总高度的四分之一和二分之一之间的长度，也就是被浸入的长度在容器10的颈缘18和底部17的距离的四分之一和二分之一之间。因此，由于被注射到容器10的内部容积中的气体具有较好的分布，在电磁激发期间就可以获得更稳定的等离子体。
有利地，在容器10外的较后部的部分中的注射管13上以电接触的方式设置一种超高频短路19，以便使沿注射管13的超高频电磁微波的传播短路。
根据本发明的一个具体实施方式，如图3所示，短路19采用塞子20的形式，优选是由电介质制成，如聚醚醚酮(polyetheretherketone)，注射管13轴向穿过该塞子并且盘21被嵌入在该塞子中，有利地，该盘是圆形的、辐射状的、导电的而且优选是金属的，注射管13穿过该盘中心，圆形盘21的直径小于塞子20的直径。
可选择的是，短路19仅由圆形盘21构成。
在这两种情况下，沿注射管13传播的超高频电磁微波在指向腔体2的圆形盘21的那一侧上具有零振幅。
与注射管13同轴的环形裙部22支撑在圆形盘21上并指向腔体2。
根据本发明的一个实施方式，圆形盘22支撑在圆形盘21的外部边缘上。
根据本发明的短路19的另一个实施方式如图4所示，设置了一种电介质塞子20，注射管13穿过所述塞子的中心，一种辐射状圆形盘23被嵌入塞子20中，圆形盘23具有直径大于注射管直径的中心孔23a，一环形裙部24支撑在圆形盘23的内部边缘，该环形裙部24指向腔体2并与注射管13同轴。圆形盘23具有与塞子20的圆柱形外周界相符合的外部周围边缘。
有利地，环形裙部22、24的内表面高度约等于由发生器3所传输的超高频电磁微波波长的四分之一，该超高频电磁微波沿天线16传播，该波长取决于电介质材料，圆形盘21、23和环形裙部22、24位于该电介质塞子中。
换言之，为了防止超高频电磁微波向圆形盘21、23的下游上升，环形裙部22、24的内表面高度约等于由发生器所传输的并且在电介质塞子中流通的超高频电磁微波波长的四分之一，圆形盘21、23和裙部22、24位于该电介质塞子中。另外，环形裙部22、24的自由端就相应于超高频电磁微波的波腹，由此相应于最大电压和最小电流，因而就降低了焦耳热损失。因此由于在环形裙部22、24的自由端的最小的焦耳热损失，该自由端的未控制的过热就被防止了。
因此，如果圆形盘21、23嵌入电介质塞子20中，环形裙部的高度就等于在这类电介质中流通的超高频电磁微波的波长的四分之一。
可选择的是，如果圆形盘21不被嵌入到电介质塞子20中而是仅仅被径向固定于真空中的天线16上，则环形裙部22的内表面高度就等于在真空中流通的超高频电磁微波波长的四分之一。
更为通常地，环形裙部内表面的高度等于在介质中流通的超高频电磁微波波长的四分之一，在该介质例如真空或电介质中插入有圆形盘和裙部，那么短路就形成四分之一波长陷波。
为了限制超高频电磁微波沿天线16上升，如图5所示，根据本发明的第三个具体实施方式，还可以沿注射管13固定一对圆形盘25、26。
这是由于当仅仅存在一个圆形盘时，超高频电磁微波能量沿注射管13没有被完全阻挡和短路，优选在第一圆形盘25上面增加一个第二圆形盘26以便实际阻挡所有超高频电磁微波能量沿注射管13上升。因此根据以上所述的条件设置了位于容器10的颈缘18上的下游第一圆形盘25和位于下游的圆形盘25上的上游第二圆形盘26。
优选的是，下游圆形盘25和上游的第二圆形盘26之间的距离相应于由超高频电磁微波发生器3所传输的超高频电磁微波的多个半波长。
有利地，在所有的上述具体实施方式中，圆形盘21、23、25、26的直径至少大于注射管13的直径的两倍，而且优选至少大于注射管13的直径的四倍。
圆形盘21、23上增设环形裙部22、24可以提高被防止沿注射管13上升的超高频电磁微波波能的总量。
因此，如图6所示，仅仅一个具有环形裙部22的圆形盘21的存在，如与图3有关的上述内容所述，就可以实际防止所有超高频电磁微波波能沿天线16上升。
有利地，穿过衬套27的注射管13的端部被用来与容器10的颈缘18形成密封连接，圆形盘21或环形裙部22的直径非常接近于但稍微小于衬套27的内孔的直径。
为了控制沿注射管13的超高频电磁微波能量，在属于盖9的圆柱形部件和注射管13之间的环形间隔中设置了短路19，所述圆柱形部件被称作衬套27。
短路19，更特别地是面向腔体的圆形盘21、23、25的表面，限定了沿注射管13传播的超高频电磁微波的一个零振幅点。短路19和端部13a之间的长度相应于四分之一波长的奇数值以便获得在注射管13的自由端23a处的最大振幅，也就是波腹。
另外，利用高电压信号发生器装置28将高电压正弦信号发送到注射管13，该高电压信号发生器装置28本身是已知的并通过高电压电缆29在短路19的上游或上游的第二圆形盘26处被耦合到注射管13上。
优选，高电压信号的频率在1～50kHz之间而且优选接近于7200Hz。在衰减的高电压信号的情况下，那么这就是载波频率。
信号在等离子体生产周期内所有时间或部分时间或有条件地(例如如果在内部壳体6中仅仅探测到某一亮度阈值)被发送，该等离子体生产周期也就是在电磁放电阶段以及在将涂层沉积到容器10的内壁的阶段。
有利地，高电压信号是衰减的并且因此由可参数化的衰减的正弦信号的多个周波阶段所构成，其包络频率，也就是衰减的正弦信号周波的频率在100～10000Hz，优选在500～6000Hz，更优选在500～2000Hz，进一步优选为1000Hz。
该高电压正弦信号具有在500～3000V之间的电压，优选为1000V。
优选地，在所述周波之一的末端，该高电压信号的峰值是衰减到该同一周波第一波峰峰值的0～60％，优选衰减到该周波第一波峰峰值的20～40％，更优选的是到至多30％。
有利地，在载波频率和包络频率之间的频率比必须大于2，更优选的是必须大于7。
另人惊奇的是，已经发现产生和/或保持这样的高电压正弦信号可以提高生产线上等离子体的稳定性并且因而降低了由光度传感器探测到的发光不稳定性值，因此降低了由于潜在地具有不均匀涂层而被报废的容器数量。
为了注射管13与装置的其他部分电绝缘，圆形盘21、23、25和注射管13一定不能接触壳体的其他部分-它们可以被嵌入到电介质塞子中，其中注射管13轴向地穿过该塞子。以这种方式，通过在注射管13上的特别设计，例如通过在注射管13的自由端13a上增加径向末端，注射管13就被电绝缘，来避免除了注射管13的自由端13a或其他设计过程中的预定点以外的注射管某处的任何电弧或漏电流。这是因为需要在给定点获得电子的最大浓度以使等离子体容易点火并因此避免任何漏电，因此需要电绝缘注射管13或者在注射管的自由端增加径向末端。

Claims (19)

1.一种用来在由热塑性塑料制作的容器(10)的内表面沉积涂层的装置，在该装置中沉积是通过低压等离子体来进行的，等离子体是通过由超高频电磁微波激发前体气体而在容器(10)内产生的，在该装置中，容器(10)被置于由导电材料制作的腔体内部，超高频电磁微波被引入到该腔体中，所述装置包括：
一种超高频电磁微波发生器(3)；
一种超高频电磁微波波导(4)，用来将所述超高频电磁微波发生器(3)连接到在腔体(2)的侧壁上设置的窗口(5)上，使得在所述腔体(2)中产生至少一个中心场；
用来注射前体气体的设备，包括部分地延伸进入到所述容器(10)中的注射管(13)；
用来抽吸腔体(2)和容器(10)的内部容积的设备；以及
内部壳体(6)，该壳体与腔体(2)同轴并基本上透过所述超高频电磁微波，而且限定了一个腔室(7)，在激发前体气体期间所述容器(10)被置于该腔室中，其中，
注射管(13)延伸进入容器(10)中，进入长度为容器(10)的颈缘(18)和底部(17)之间计算的容器(10)的总高度的四分之一和二分之一之间，注射管(13)的所述长度构成适合于接收到由所述超高频电磁微波发生器(3)产生的所述超高频电磁微波的纵向天线(16)，其中，以圆形盘(21、23、25)形式的超高频短路(19)以这样一种方式被设置在注射管(13)上，使得面向腔体的所述圆形盘(21、23、25)的表面限定了沿所述注射管(13)传播的超高频电磁微波的零振幅点，在所述短路(19)和所述注射管(13)的自由端(13a)之间的长度相应于四分之一波长的一奇数值以便在注射管(13)的自由端(13a)处获得最大振幅，也就是波腹。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述短路(19)是圆形径向盘(21、23、25、26)，注射管(13)延伸穿过该圆形径向盘中心。
3.如权利要求2所述的装置，其中，与注射管(13)同轴并指向腔体(2)的环形裙部(22、24)支撑在所述圆形径向盘(21、23)上。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述环形裙部(22、24)支撑在所述圆形径向盘(21、23)的外部边缘上。
5.如权利要求2所述的装置，其中，所述圆形盘(21、23)被嵌入在电介质塞子(20)中，注射管(13)轴向延伸穿过该电介质塞子。
6.如权利要求3所述的装置，其中，所述圆形盘(23)有一个直径大于注射管(13)的直径的中心孔(23a)，并且所述环形裙部(22、24)支撑在所述盘(23)的内部边缘上。
7.如权利要求3所述的装置，其中，所述圆形盘(21、23)被嵌入在电介质塞子(20)中，注射管(13)轴向延伸穿过该电介质塞子，并且所述环形裙部(22、24)的内表面高度等于由发生器(3)发射的并在电介质塞子中流通的超高频电磁微波波长的四分之一，所述圆形盘(21、23)和所述裙部位于该电介质塞子中。
8.如权利要求1所述的装置，其中，所述短路(19)被设置在圆柱形部件(27)和注射管(13)之间的一个环形间隔中。
9.如权利要求8所述的装置，其中，所述圆柱形部件(27)的端部以密封方式支撑在容器(10)的颈缘(18)上。
10.如权利要求1所述的装置，包括高电压信号发生器装置(28)，其被耦合到注射管(13)并适合于向注射管(13)发送电压在500～3000V之间的高电压正弦信号。
11.如权利要求10所述的装置，其中，所述高电压正弦信号由衰减的正弦信号的多个周波构成。
12.如权利要求10所述的装置，其中，所述信号的载波频率在1～50kHz之间。
13.如权利要求11所述的装置，其中，所述信号的包络频率在100～10000Hz之间。
14.如权利要求13所述的装置，其中，所述包络频率在500～2000Hz之间。
15.如权利要求11所述的装置，其中，在所述周波的末端的高电压信号的峰值衰减到该周波的第一波峰的峰值的0～60％。
16.如权利要求15所述的装置，其中，在所述周波之一的末端的高电压信号的峰值衰减到该周波的第一波峰的峰值的20～40％。
17.如权利要求1所述的装置，其中，所述圆形盘(21、23、25、26)的直径至少大于注射管(13)直径的两倍。
18.如权利要求1所述的装置，其中，第二圆形盘(26)被径向固定到所述圆形盘(25)的上游注射管(13)上。
19.如权利要求18所述的装置，其中，在所述圆形盘(25)和所述第二圆形盘之间的距离相应于由所述发生器(3)产生的超高频电磁微波的多个半波长。
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