CN102714912A - 等离子体发生装置和等离子体发生装置的用途 - Google Patents

Abstract

一种等离子体发生装置，包括第一功率电极和位于该第一电极前面的第二电极结构。绝缘层置于第一电极和第二电极结构之间。第二电极结构具有多个第二电极部分，限定其间的缺口部分。缺口部分的宽度是w。第二电极部分各自具有前表面并且缺口部分各自具有前表面，每一个第二电极部分前表面与相邻缺口部分前表面之间的高度差为h，并且其中h为至多1mm以及比例w/h为至少1。因此，第二电极部分的前表面和缺口部分的前表面一起提供平滑表面。由该装置产生的等离子体（在空气或其他包含氧气的气体中）形成臭氧，其可以用于处理例如，食品。平滑的表面允许基本上所有的等离子体产生在包装内，该包装的壁按压在第二电极结构上。

Description

等离子体发生装置和等离子体发生装置的用途

技术领域

本发明涉及等离子体发生装置和等离子体发生装置的用途。本发明尤其，但不是排他地，应用于货物的灭菌和/或表面净化。

背景技术

众所周知，为提供有用的效果，可以故意进行放电。例如，大气压下在空气中使用电晕放电以产生臭氧（O₃）是已知的。例如，US-A-3,967,131披露了电晕放电臭氧发电机组，其中电晕放电在通过空气间隙隔离的同心电极和圆柱状绝缘（玻璃）屏蔽之间产生，并且连接到大约12,000伏特的交流电压上。电极由不锈钢网形成。

电晕放电是等离子体的形式，即部分地电离气体，包括自由电子和离子的比例，包括激发的中性物质。

臭氧的产生尤其是对灭菌和水处理应用的关注点，因为臭氧能提供无害的微生物（如细菌），可是本身是不稳定的且在相对一小段时间内降解为氧气。使用臭氧灭菌相对于竞争性技术（如加热、化学消毒、紫外辐射和核辐射）具有许多潜在优势。

US-A-6,007,770披露了在封闭容器中（如在密封的塑料袋中）容纳灭菌物体的装置和方法。装置具有两个经由两个平行的绝缘体而相向的平行高电压电极，在两个平行的绝缘体之间有缺口。将封闭容器放入该平行的绝缘体之间的缺口。装置的操作引起封闭容器中的氧气转变为臭氧。该电极是在7-25kV的电压下操作的。

US-A-6,007,770披露了在封闭容器中有内部电导体的实施方式。这允许使用更低的施加电压。然而，本文档也解释，在封闭容器的狭窄处，在该封闭容器中可以不需要内部电导体。

据知，US-A-6,007,770中设备的操作将在封闭容器的外部产生臭氧，导致操作者巨大的危险。而且，在封闭容器中没有设置内部电导体处，该封闭容器必须具有非常小的侧面长度（例如多达约10mm），以便限制施加的电压。即使如此，必须使用高电压，引起极高的电场横穿该封闭容器，其将具有破坏敏感物体（items）（包括含有电子学部件的物体）的结果。而且，当该容器含有导电物体（例如大多数食品）时，那些有导电物体的排布将影响产生的臭氧的数量，并且可以引起破坏该容器的热点。

US2003/0108460披露了一种为产生表面电晕放电的方法和装置。通过绝缘性间隔物分开基础电极和网孔电极。将网孔电极接地。将60Hz的2.5-3.6kV的交流电压施加于该基础电极，以便为臭氧的产生制造表面电晕放电。电晕放电形成在网孔电极的开孔（opening）中。US2003/0108460披露了在塑料袋（如组织、器官、食物制品等）中对物体灭菌。在这种情况下，用臭氧产生装置形成塑料袋的盖子，通过多孔绝缘平板与塑料袋的剩余部分分开。由臭氧产生装置产生的臭氧通过多孔绝缘平板分散到塑料袋中的物体。因此，在臭氧产生装置和塑料袋的物体之间没有密封是美国2003/0108460的要求，否则臭氧不能到达塑料袋中的物体。

Schwabedissen等2007[A.Schwabedissen、P Lacinski、X.Chen and J.Engemann“PlasmaLabel-a new method to disinfect goods inside a closedpackage using dielectric barrier discharges”Contrib.Plasma Phys.47No7,551-558(2007)]披露了基于臭氧的灭菌过程。WO 2006/039883提供了类似的公开。

Schwabedissen等披露了通过依赖于在包装的内表面上的标签支撑的表面绝缘的屏蔽放电，在密封包装内大气压等离子体（atmospheric pressureplasma）的产生。该标签包括金属电极，在此指定为内部电极。安装外部电极装置使其与该包装的外表面接触，且将高电压交流信号施加于该外部电极装置上。该外部电极装置与内部电极电容耦合，从而推动密封包装内表面绝缘的屏蔽放电并产生臭氧。

Schwabedissen等使用的内部电极具有复杂的形状。这是为了使标签上的内部电极的边缘长度最大化，因为电场强度在这些边缘处高。内部电极的金属面向包装的内部。

发明内容

本发明人已了解以上识别的现有技术公开有各自的劣势，例如涉及到操作安全性、实施容易度和/或使用的容易度。而且，本发明人认为到现有技术的一个、某些或全部劣势可以使用本发明来解决。

因此，在第一个优选的方面，本发明提供等离子体发生装置，包括：

第一电极；

位于第一电极前面的第二电极结构；

置于第一电极和第二电极结构之间的绝缘层，

其中第二电极结构具有多个第二电极部分，限定其间的缺口部分，该缺口部分的宽度为w，该第二电极部分各自具有前表面并且缺口部分各自具有前表面，每个第二电极部分的前表面与相邻缺口部分的前表面之间的高度差为h，并且其中h为至多1mm以及比例w/h为至少1。

在第二个优选的方面，本发明提供等离子体发生装置的用途，该等离子体发生装置包括：

第一电极；

处于第一电极前面的第二电极结构；

置于第一电极和第二电极结构之间的绝缘层，

其中第二电极结构具有多个第二电极部分，限定其间的缺口部分，该缺口部分的宽度为w，该第二电极部分各自具有前表面并且缺口部分各自具有前表面，该第二电极部分的前表面和该缺口部分的前表面一起形成包装处理表面，每个第二电极部分的前表面与相邻缺口部分的前表面之间的高度差为h，并且其中h为至多1mm以及比例w/h为至少1，

用途包括，将待处理的包装倚靠包装处理表面放置，并运行装置以产生等离子体，产生的等离子体基本上完全位于待处理的包装内。

在第三个优选的方面中，本发明提供根据第一个方面的等离子体发生装置和至少一种待处理的包装（并且优选一系列包装）的灭菌装置（sterilizing arrangement）。

现在将说明优选的和/或可选的特征。除非语境需要，否则这些特征可以单独地组合或与本发明的任何方面任何结合。

优选地，第二电极部分的前表面和缺口部分的前表面一起提供平滑表面。这是优选的，以便使等离子体横跨该装置前表面基本均匀地产生。这允许利用所有等离子体，而且它允许更容易地维护（例如清洁）该装置的表面。在该装置用于提供或保持无菌或消毒的气氛（如在腔体中，例如用于储存或处理易受细菌、真菌、病毒等降解的物体）的地方，这是特别重要的。

优选地，h的值是充分小的，和/或比率w/h的值是充分大的，在使用时，等离子体基本完全产生（或者，在最优选的情况下仅）在该第二电极部分前表面和缺口部分前表面的最前端的前方。

第二电极结构具有基本平坦的构造是可以的。然而这不是必需的。第二电极可以有任何构造，以使其适合于根据需要的产生等离子体的任务。例如，第二电极可以有凸起或凹入构造，至少在一维或二维中。甚至，“鞍形”（在一维为凸起，在垂直的维度为凹入）是可预料的。因此，术语“前”意指为指定，即局部地，比在第二电极前方的第一电极前方的位置。向前方向可以认为是沿着指向远离第一电极和第二电极二者方向的线，该线垂直于第二电极整体形状的切线。

优选地，h为至多0.9mm，至多0.8mm，至多0.7mm，至多0.6mm，至多0.5mm，至多0.4mm，至多0.3mm，至多0.2mm，或至多0.1mm。尤其是，本发明人已经发现，在0-0.3mm范围内的h提供卓越表现。

优选地，比率w/h至少是1。更优选地，此比率是至少2，至少4，至少5，至少6，至少8，至少10，至少20，至少30，至少40，至少50，或至少100。

优选地，w是第一电极和第二电极之间的间隔距离的0.1到2倍，更优选地0.2到2倍（例如大约0.4、0.6或0.8倍）。这允许来自第一电极的电场以受控的方式，从缺口泄露，以便在可接受的电压下更加可控性地形成等离子体。然而，w优选的范围在一定程度上取决于第二电极的形状。目前认为，对于螺旋（或近似螺旋）构造的第二电极，w的最佳值为约0.4，然而对于六边构造的第二电极，w可以是0.6到0.8以实现最佳性能。第一电极和第二电极结构之间的距离可以优选在0.1-10mm的范围内，更优选地在0.1-5mm或0.1-2mm的范围内，或在1-10，1-5mm或1-2mm范围内。

通过基本忽略无规则的表面糙度实施h的测量和w/h的测量是预期的。优选规律地设置第二电极部分，此规律的设置是非随机的。例如，优选第二电极部分一起形成基本辐射状和/或基本螺旋状的图案。可以是可替换的设置，例如格栅图案或蜂窝（例如六边的）图案。

优选地，缺口部分包括介电材料。以这种方式，缺口部分的前表面是介电材料表面。

对于每一个第二电极部分来说，可以包含叠覆绝缘层的导电元件，以便使第二电极部分的前表面是绝缘表面。使用时在想要覆盖的第二电极的地方这是优选的，例如保护第二电极免于环境退化。适宜的叠覆绝缘层也可以比第二电极本身更容易清洁。因此，术语“第二电极部分”不应当必须被解释为，需要单独的导电性部分-如果存在，第二电极部分也可以包括叠覆绝缘层。

在导电元件叠覆有绝缘层的情况下，优选该绝缘层扩展到第二电极部分相邻的缺口部分里。以这种方式，对于第二电极部分前表面和缺口部分前表面与彼此连续，并且由同样的材料组成是可以的。在一种实施方式中，允许该装置前表面是平滑的（例如平面）而不是无规则粗糙（优选其被最小化）。这样的装置提供能容易被清洁的表面。绝缘层可以是诸如玻璃、云母、塑料或陶瓷的材料。

在可替换的实施方式中，每一个第二电极部分可以包括导电元件，其暴露在第二电极部分的前表面。以这种方式，第二电极通常地对用户是可见的（和对用户可触的）。然而，通常第二电极结构是连接到地面的（接地的）。以这种方式，第二电极不给用户带来任何电风险。而且，优选第二电极部分的导电元件至少部分嵌入到装置的表面中。例如，缺口部分的前表面可以位于相邻的第二电极部分的后表面的前方。以这种方式，h可以是减少的。在这样的实施方式中h基本为零是可以的，导电元件前表面与缺口前表面平齐。

将交流电压信号施加于第一电极，第一电极通常与信号产生源连接或可连接的。第一电极通常位于装置的内部，并且不暴露以接触用户。例如，第一电极可以容纳在绝缘外壳内。外壳的外部可以与地面连接（或可连接的）。

施加于第一电极的信号振值（振幅，magnitude），优选为至少0.5kVrms，更优选为至少1kV rms。施加于第一电极信号的振值优选为至多30kV rms，更优选为至多15kV rms，或至多8kV rms。施加于第一电极的信号频率优选在kHz的范围内，但是认为，如果在50-60Hz下操作，该装置将运行地令人满意（虽然比在kHz范围内略差）。更优选地，施加于第一电极的信号频率至少是1kHz。还更优选地，施加于第一电极的信号频率，至少是5kHz或至少10kHz。优选地，施加于第一电极信号频率至多是200kHz，更优选地至多100kHz，还优选地至多50kHz。施加于第一电极的信号振值和频率范围的优选限制在任何组合中是可结合的。

尽管连续模式运行是可以的，优选该装置以脉冲方式运行。优选脉冲模式的主要原因是为了控制包装的热负载，尤其是当包装由塑料材质制成的情况。通常，使用的工作循环（duty cycle）可以在5-100%的范围内。优选地，使用30-50%范围内的工作循环。典型循环时间在0.05s到2s的范围内。优选地，使用在0.2-0.4秒范围内的循环时间。例如，对于循环时间为0.2s的50%的工作循环，等离子体将重复地循环开启0.1s和关闭0.1s。

对于第二电极，不连接到地面而代替为对其施加信号是可以的。在这种情况下，优选该信号与施加于第一电极的信号具有预定的相位关系。例如，施加于第二电极的信号与施加于第一电极的信号可以是精确地异相（out of phase）。优选地，施加于第二电极的信号振值小于（和优选显著小于）施加于第一电极的信号振值。这允许来自设备的泄漏的电干扰进一步减少（即在远离装置地方泄漏的电场的减少）。

优选地，置于第一电极和第二电极结构之间的绝缘层完全填充在第一电极和第二电极结构之间的间隔。这是有利的，因为否则如果第一电极和第二电极结构之间有填充气体的空间，在这样的空间内可以产生等离子体，其将降低该装置的效率和寿命。

在一个特别优选的构造中，该装置适于处理包装。在这种情况下，第二电极部分前表面和缺口部分前表面优选地一起形成包装处理表面。在使用中，待处理的包装倚靠包装处理表面放置。然后该装置是可操作的以产生等离子体。优选地，产生的等离子体然后基本完全位于待处理的包装内部。其显著优势是，等离子体的产物（例如臭氧）可以仅在包装内形成，使得用户不暴露在巨大数量的等离子体产物中。

优选地，在使用中包装处理表面和包装互相适应（配合），以便限制包装处理表面和包装之间间隙的尺寸。这样的间隙的限制（乃至消除）减少了在其中（包装外部）形成的等离子体的体积。

优选地，使用中至少包装的一部分覆盖在整个第二电极结构上。以这种方式，以便使适应包装处理表面的该包装部分的面积尺寸大于第二电极结构。这协助确保等离子体仅产生在包装内并且不在包装外部。

装置可以进一步地具有可操作按压所述包装和使所述包装处理表面相向并且相互倚靠的促动装置（urging means）。例如，促动装置可以以压力差提供。这可以通过与包装处理表面的流体联通的抽吸装置提供。优选地，包装处理表面包括用于从包装和包装处理表面之间的间隙的抽取空气的通道。所述通道可选地通过第二电极部分之间的缺口部分提供。该通道可以以基本辐射状和/或基本螺旋状的图案设置在包装处理表面。

装置可以进一步包括至少一个密封件，设置成充分密封使用中的包装，可选地环绕包装处理表面的周长延伸。

优选地，装置包括开关装置，仅在促动装置已经导致包装和包装处理表面被相向按压并相互倚靠时，可操作向第一电极供电。例如，促动装置是通过抽吸提供的情况下，可以设置抽吸导管中压力降低的预定值以指示包装和包装处理表面相向和相互倚靠的充分按压。以这种方式，开关装置能充当保险装置，以避免该装置在包装没有被按压到包装处理表面时产生等离子体。

在一个可替换的实施方式中，包装处理表面可以是柔性的以便其能够适应待处理的包装。另外，包装处理表面可以是弹性的。例如，在包装处理表面适应包装之前，它可以有凸起形状。这在包装由刚性材料（例如玻璃或硬质塑料）制成的情况下有特别的效用。

优选地，包装包括选自植物材料、食品、动物材料、医学物体、眼科物体和药物或化妆品中的至少一种待处理的物体。在此特别有兴趣的是易腐败的食品，如焙烤食品（如新鲜面包）、鲜果、新鲜蔬菜、鲜肉、鲜鱼等。然而，对于包装来说，仅包括气体（如空气）是可以的。在这种情况下，处理上述包装中的空气可能是感兴趣的，以便在别处使用该经过处理的空气，以使正在使用的包装包含和传送该经过处理的空气。

通常，包装在装置处理期间基本是气密性的。包装可以包括至少一个密封件，以保持基本气密完整性直到该包装被用户打开。可以不可逆转地通过打开破坏密封件。或者，该密封件在用户打开之后可以是再次密封的。然而，在允许等离子体的产物安全地从包装泄露的情况下，这是不必要的。

在可替换的实施方式中，将包装用作外壳以便处理一种或多种物体是可以的。这样的物体可以通过可密封的开口置于该外壳中。使用该装置处理该外壳之前、之中或之后，可以在该外壳的内部操作物体，例如为了打开该物体，或在该物体上实施某些其他工艺。在该外壳包括一种或多种柔性处理区域（通常两种）时该操作是有帮助的。例如，柔性操作区域可以以手套的形式通过外壳的部分提供，允许用户将手插入该手套中，因此允许该用户将手“插入”到该外壳的内部空间，同时该手套的厚度将外壳的内部空间分隔开，以实施物体的操作。在此过程期间，整个外壳，包括该柔性操作区域，优选剩余部分基本密封。实施时，此实施方式的优选方式是一次性的（diaposable）手套箱。这个实施方式在被操作的物体包括一种或多种生物危险性材料的情况下是特别优选的，例如在现场操作，或在仅能够一次性的或可伸缩的外壳合适时（例如在其应用将不频繁的情况）和常规手套箱的价格和/或和空间不合适时。

包装可以包括在大气压或在大气压附近包装气氛。包装气氛优选包括氧气（例如至少1%氧气和优选地至少5%或至少10%氧气）。例如，包装的材料可以空气。也可以是其他的气氛。例如，对容器的处理可以是为了从包装中的气氛中除去反应性气体或污染物。在一种实施方式中，有毒的挥发性有机化合物可以是通过生产物体时使用的材料（例如胶水）释放的。等离子体能够氧化这些有毒的挥发性有机化合物，使他们相对安全。在另外的实施方式中，在纯氮气中等离子体产生的活性物质可以对破坏特定不需要的化合物是有用的。

某些气体混合物改进的空气食品包装（MAP），本发明的优选实施方式对该工艺具有特别的效用。因此，例如，空气可以包括提高水平的诸如氧或二氧化碳（在改进的空气食物包装中是常用的）的气体。

优选等离子体是产生臭氧的等离子体。这对灭菌的用途是特别令人感兴趣的，但是本发明不必是局限于灭菌的应用。通常，由于氧自由基和氧气分子的离子形成，等离子体产生臭氧，同时这三种物质之间的反应导致臭氧的形成。

臭氧是极好的灭菌/消毒剂，并且认为对处理经包装的消费品（如包装食物和包装医疗产品）是特别有效的。臭氧攻击并且能提供充分无害的细菌、真菌、病毒、孢子等。在大气压力和环境温度下，臭氧具有有效短的半衰期。使用等离子体在包装中形成臭氧之后，臭氧的数量随着时间减少使得当消费者想起打开包装时（处理一段时间后），包装中含有很少或无残余臭氧。

包装可以是刚性的，但是最优选为柔性的，至少在意图促动其倚靠在该装置的发生表面的区域。例如，包装可以包括柔性聚合层。已知的包装塑料是特别适宜的，如聚丙烯（PP）、双轴定向的聚丙烯（BOPP）、聚乙烯（PE）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）、这些材料的组合等。在刚性包装（例如，硬质塑料如PET或在玻璃包装的情况下）的情况下，对于该装置适应该刚性包装的外部形状是可以的。

优选包装本身是基本上没有导电层（如金属层）。这不排除这种可能性，即包装包括离散的金属组分，如包括金属的紧固件（例如订书钉、金属丝紧固件等）。然而，特别优选不包括为在包装中促进等离子体生成的导电层（如图案化的导电层）的包装。其中的一个原因是包括这样的层在内需要改进包装和/或包装工艺。相比之下，使用本发明的优选实施方式的应用，在不需要向包装中添加进一步的组分的情况下，允许预先密封好的包装的灭菌。这意味着，例如，包装在一个地点生产和密封，并转移到该装置以进行之后的灭菌。包装中包括导电层的进一步缺点是可能干扰包装产品的质量。例如，金属标签与包装食品接触，可能引起食物的味道改变、褪色等。

在一些实施方式中，优选提供具有第一电极和第二电极总“覆盖区”面积相对较大的等离子体发生装置。这允许在相应大的区域内产生等离子体。所需的电极区域可以通过使用适当大的单独的第一和第二电极提供。然而，发明人已经意识到使用模块化设置，他们的系统在尺寸上是可放大的。

因此，在本发明进一步的方面中，提供包括多个模块的等离子体发生系统，每个模块至少提供模块化的第二电极，根据第一方面该相应的模块化第二电极能够装配到等离子体发生装置中，其中第二电极是通过组装模块化第二电极提供。

在等离子体发生系统中，对于第一电极，作为独立单元（例如非模块化的）与模块化的第二电极协作提供是可以的。然而，优选该系统包括与相应的模块化的第二电极设置模块化的第一电极，以允许等离子体发生装置的组装。

优选地，镶嵌（tessellate）模块化的第二和/或模块化的第一电极以形成所需的电极排列。镶嵌优选横跨等离子体发生表面提供相对均匀的等离子体分布。

本发明的进一步可选的特征将在下面讨论。

附图说明

本发明的优选实施方式通过参考附图描述如下，其中：

图1显示根据本发明的一种实施方式的使用中的装置的剖面示意图。

图2显示图1的部分放大图。

图3显示根据本发明的另一个更优选的实施方式的使用中的装置的剖面示意图。

图4显示图3的装置的包装处理表面的平面示意图。

图5显示本发明的一种实施方式的局部剖面示意图。

图6显示本发明另一种实施方式的局部剖面示意图。

图7显示本发明进一步实施方式的局部剖面示意图。

图8展示本发明另一个实施方式的示意图。

图9-11显示各种使用中的产生等离子体的装置的局部剖面示意图，以及图示电场以及相关的等离子体渗透到塑料袋中，每种装置的性能随着第二电极元件的间隔而变化。

具体实施方式

图1显示根据本发明的优选实施方式灭菌装置（安排）的剖面示意图。灭菌装置包括等离子体发生装置10和待处理的包装12，包括内含在包装12中的至少一种物体（未显示，但通常是食品如鲜果/蔬菜或医疗产品如伤口绷带）。

此实施方式中的包装包括由塑料材料（如PE）制成的柔性袋子。密封件14以已知的方式在包装的之前的开口处形成。

等离子体发生装置10包括由金属制成并在使用中与地面电连接的外壳16。外壳16包括嵌入了第一功率电极20的绝缘体18。第一电极20电连接至信号产生源，高压电源22。高压电源22完全包含在接地的金属壳24内。

装置具有包装处理表面，其与第二电极26的覆盖区（footprint）基本相连。第二电极26是金属的并且暴露在处理表面上。在其他实施方式中，第二电极可以覆盖（或嵌入）有绝缘材料薄层。第二电极26位于第一电极20上面且与之相互对齐。第一和第二电极可以具有基本上同样的覆盖区（overall footprint）。第一和第二电极通过介电材料18的薄层分开。

密封装置以气流挡板28的形式设置在发生表面周围。密封装置为包装相应部分的会合（meeting）和密封提供倾斜的连续表面。这允许包装在消毒过程开始时支撑在该装置上，并且在促使包装朝向包装处理表面时，允许包装和密封装置之间的密封维护，

在气流挡板28和外壳16之间提供连接到真空泵上的气流通道30、32（未显示）。通过操作该泵，在包装通过密封装置支撑时，在包装和发生表面之间的空间内的气体可以被抽出。该压力差强制包装朝向发生表面，并且最终把包装按压紧靠第二电极。在密封完成（或至少改进的）时，真空管线中下降的压力可以用于打开开关以使第一电极通电。

谨慎设计第二电极的结构，以便避免包装和第二电极之间捕获的空气气泡的产生。例如，适宜的电极结构可以具有螺旋分枝臂（spiral branchedarms）排列，在中部节点处相连并在枝端与地面连接。在臂之间形成通道，其允许空气从发生表面和包装之间被抽出，而不形成空气捕获区域。因此，一旦运行真空泵，包装被均匀地按压在包装处理表面上。在这个实施方式中，h和w描述通道的形状，其与第二电极部分之间的缺口相适应。技术人员能轻易地测量这些尺寸，并且考虑到第二电极部分和他们之间的缺口布局的规律性，能将他们与无规则的表面粗糙分开来。例如，可以采取表面形貌测量，以便测量这些尺寸。

正如在图2中更清楚的显示，操作第一电极20允许产生的电场通过第二电极26的结构化形状（见缺口27）“泄漏”出去，并进入第二电极上方的空间。等离子体13在有气体（例如空气）存在的高电场附近形成。在包装袋被紧紧地按压在发生表面时，包装材料层在第二电极的上表面的发生表面形成额外的绝缘层。然而，实际上这不显著地影响电场的几何形状。等离子体然后形成在包装材料层上方，并且因此，在包装内。

总体上，第二电极的臂之间的缺口，是两个电极之间的绝缘体缺口的大约0.2-2倍，并且最优选的，约0.4倍。

正如在图2（图1部分的放大图）中更清楚的显示，等离子体完全在包装内产生（struck）。将包装按压到包装处理表面，以便使被按压到包装处理表面（或更一般地说，被按压到该装置上）的包装的面积尺寸，大于第二电极的面积尺寸并且因此大于等离子体的面积尺寸。这避免等离子体部分在内部产生，并且部分在包装的外部（其能另外引起装置操纵者的问题）。臭氧因此由包含在包装内的氧气产生。

需要指出的是，本实施方式提供几个重要的技术优势。首先，在一些现有技术系统中（例如Schwabedissen等，2007），至少提供一个功率电极暴露在装置表面。这是非常冒险的。相比之下，在本发明的优选实施方式中，没有施加了高电压的暴露部件。这允许本实施方式在高水分条件，高湿度条件，乃至在水中操作。优选实施方案的第二电极的设计意味着，泄漏的电场随着远离该装置的距离极快速地减少。这又意味着，由该装置的操作提供的任何电干扰将是非常低的。关于Schwabedissen系统中电极的大尺寸导致大的辐射场，造成严重的控制问题，并且使现场医学应用困难或不现实。

进一步需要指出的是，特别有利的是在包装中没有提供金属标记物。一个关键优势是，不必需特殊的或改进的包装。因此，在不需要改进现有包装生产线和包装材料的情况下，能够使用本发明的优选实施方式。这也有益于效率和成本。能够在使用前对生产的和包装的储备物（例如旧的，预包装好的医学储备物）灭菌或再次灭菌。而且，没有金属标签避免了金属与食品接触的问题（反应、味道等）。在现有技术装置中，当等离子体存在时促进包装中的有害反应，金属与包装物接触的相关问题实际上可能更加严重。

如图2所示，显示了与相邻缺口部分前表面平齐的第二电极结构的导电元件的前表面。因此，h在这个具体实施方式中为零。然而，h非零是可以的，例如对于如上所述的浅排气通道的情况。例如，如果第二电极结构沉积在覆盖有绝缘材料层的第一电极上，提出这样的情形（h是非零）。

图3显示图1的实施方式的改进。将与图1中同样的附图标号赋予图1所示的类似部件，并且不在此再次描述。在图3中，倒置该装置，以便将待灭菌的材料（在包装中）更轻易地远离经受等离子体处理的包装区域。该装置的结构意味着，强电场仅仅穿过短距离进入包装中。图3中的虚线显示强电场穿透的程度。参考图1，等离子体基本完全在包装12内形成。

用于图1的密封装置与用于图3的不同。在图3中，一个O型环位于围绕第二电极结构的通道处。图4中更清楚地显示密封设置。设置O型环40，以便从包装处理表面（也称为发生表面）轻微射出。将真空导管42定位以围绕第二电极结构44，其位于第一电极（假设以图4中46显示）上。接地的屏蔽件48与第二电极结构电连接，以使第二电极结构也接地，确保安全操作。

图5显示本发明的一种实施方式的部分剖面示意图。在此实施方式中，该装置用于处理包装12。第二电极的导电元件暴露在包装处理表面上。然而，在促使包装朝包装处理表面接近时，包装的壁自身覆盖在第二电极的导电元件上，优选地在包装处理表面和包装之间没有剩余明显空隙。其作用是，当第一电极通电时，等离子体11仅仅形成在包装12内。以这种方式能够生产臭氧，以便它仅仅在密封袋的包装内生产。这对食品、医疗绷带和医疗器械的灭菌有特殊效用。例如，它也可以用于从密封袋中去除气体污染物。

图6显示本发明的另一种实施方式的部分剖面示意图。在图6中，装置能够在没有包装的情况下使用，例如用于表面消毒。第二电极结构的导电元件，位于绝缘材料（例如塑料（如聚四氟乙烯）、陶瓷、玻璃等）的薄层60的后面。这允许装置的等离子体的发生表面是平滑的、均质的和均匀的，例如允许轻易清洁，和允许第二电极完全隐藏于视野中。这样的装置可以安装在生物安全柜、冰箱（例如家用冰箱）、微波炉、洗碟机、垃圾（废物）箱等的壁上，允许灭菌和除味。例如，这样的装置也可以安装在化妆品盒的盖子中。

图7显示图6的改进，其中不存在绝缘层60。意味着此装置具有与图6的装置类似的应用。

图8展示本发明的另一种实施方式的示意图。在这个实施方式中，如图8左侧的图所示，该装置有适应性的包装处理表面。第一电极70位于弹性可弯曲的绝缘层72的一侧（例如由绝缘的硅酮聚合物制成），并且第二电极结构74位于弹性可弯曲的绝缘层72的前侧。例如，第一和第二电极可以由导电性硅酮聚合物制成。在使用之前，弹性可弯曲的绝缘层72的构造（且因此电极）是凸起的。然而，当按压在包装（例如玻璃或塑料瓶76）上时，该包装处理表面适应该包装的表面形状。此目标是确保所有的第二电极结构被按压到包装外壁，以便由于第一电极随后的通电产生的等离子体完全形成于包装内，因此仅仅在包装内形成臭氧。该装置不需要真空泵，因此与图1的装置相比可以更小且制造地更廉价。正如将被理解的那样，它对处理刚性包装是特别有意义的。应当在这里指出，图8是示意性的。尤其是，图8右侧的图显示，在上面的和更低的枝端，第二电极与瓶壁不是密切接触的。然而，对于本发明的实际实施，优选所有的第二电极被按压到与瓶壁密切接触。这将避免瓶外部产生等离子体。

在本文的意义是认为本系统相对于已知系统的优势。例如，使用UA-A-6,007,770的系统，臭氧产生在包装的内部和外部，导致操作者的重大危险，并且避免操作者危险要求装置必须在密封的外壳内操作。然而，使用本发明的优选实施方式，在安全运行条件（例如基于真空管的压力）的自动探测下，臭氧仅仅在存在的包装内部产生。

而且，在US-A-6,007,770中，它仅仅可以是处理非常薄的包装（例如总宽仅仅多达约10mm），除非将复杂电极结构放入袋子中（见，例如，该文献的图3）。甚至然后，需要极高的电压。用本发明优选的实施方式，当包装一侧的小区域可接近时，能够处理任意包装。

在US-A-6,007,770中，袋子的整个包含物暴露在极高的电场中，不包括许多脆弱物品特别是那些包括电子设备的灭菌。容器中的导电物品的精确排布，将通常也对产生的臭氧量造成重大影响，并且也可能引起破坏袋子的热点。在本发明的优选实施方式中，电场区域限制在小的体积内，接近第二电极，因此包装的包含物不影响产生的臭氧量，而且包装的包含物不暴露在任何强大的电场中。

关于US 2003/0108460，据知，那个文献的装置产生的大部分等离子体将在网孔电极的金属丝之间的空隙内生产。这是因为，US 2003/0108460中最强烈的电场区域（等离子体形成的地方）在此区域产生。这将使无法通过等离子体完全形成在该包装内部这样的方式处理包装，除非整个等离子体发生装置位于包装内部。

在还进一步的实施方式（未图示）中，装置可以形成允许其插入到包装或容器中的构造。例如，该装置可以构造成使得第二电极结构位于插入结构上，该插入结构被成形并加工成允许其插入包装或容器中。第一电极设置成与第二电极结构对齐。在此特别的有意义的是相比于其总尺寸，具有相对狭窄开口的包装或容器的处理，如瓶。插入结构的插入到这样的开口中且产生等离子体的装置的操作，允许包装或容器的内部处理，包括包装或容器的内含物。装置可以调整成密封包装或容器的开口，如上面描述的为使包装密封到该装置上的类似原因。平滑的和均匀的包装处理表面的构造允许装置易于清洁。

优选实施方式的待处理的合适包装结构也可以包括托盘部件。在工业生产线部署中通常遇到这样的部件，特别是在食品工业中。

尽管连续操作模式是可以的，优选以脉冲模式操作该装置。优选脉冲模式的主要原因是为了控制包装的热负载，尤其是当包装由塑料材质制成的情况。在优选实施方式中，使用范围在30-50%的工作循环，循环时间在0.2-0.4秒范围内。例如，对于循环时间为0.2s的50%的工作循环，等离子体将重复地循环开启0.1s和关闭0.1s。

关于原型单元（实质上根据图1），现在将展示一些性能数据。在此应注意，原型不一定是优选的。

臭氧浓度：在密封袋的空气中，可以产生高达700ppm的臭氧。发明人认为，使用他们的原型装置可以实现明显更高的臭氧浓度，但是他们受到其诊断性能的限制。如果袋中的气体是纯氧气，认为可以得到高非常多的浓度。

臭氧产生速率：每秒每平方米的产生区域可以产生高达72mg的臭氧。通过35微米的聚丙烯薄膜，并在空气中产生等离子体，对于100%工作循环的原型系统获得了这些数据。因此，例如，为在具有10cm×10cm的电极的1L的容器中获得100ppm的臭氧浓度，花费大约0.25s。臭氧产生速率可以通过更高的氧气浓度（例如使用纯氧气）大幅度地提高。在实践中，通常使用脉冲系统（通常约50%的工作循环，0.2-1s的循环时间）。

功率消耗：对于上面的臭氧产生速率，原型的功率消耗是每平方米33kW。因此，对于10cm×10cm的电极，功率消耗是330W。

图9-11图示了第二电极内的间隔对电场穿透到塑料袋中并且因此在该塑料袋的空间中形成等离子体的影响。

在图9-11的每张图中（但是仅在图9中编号），第二电极100嵌入在绝缘层102中。塑料袋104与绝缘层102的表面密切接触而放置。对第一电极施加驱动电压（未显示），驱动电压的数值为图9中的10kV rms，图10中的3kV rms和图11中的0.7kV。第二电极接地。因此，一些电场通过第二电极泄露。图9-11显示电场强度线108和得到的等离子体106。基于以上的优选实施方式的描述将理解，期望在没有等离子体或电场穿透到袋的太远处的情况下，在塑料袋内形成均匀的等离子体。

在图9中，第二电极部分之间的间隔是0.2mm。证明这太小。需要非常大的驱动电压（这是昂贵的和安全性小的）。然而，产生了相对均匀的等离子体。电场在远离设备的地方迅速降低。

在图10中，第二电极部分之间的间隔是0.4mm。这显示是该装置的最佳间隔。在与图9中相比的低得多的驱动电压下，产生了更厚层的均匀的等离子体。电场被强烈地局限在接近于第二电极结构处，并不穿透到袋子内部的远处。

在图11中，第二电极部分之间的间隔是1.8mm。证明对于该装置过大。仅仅形成不连续的等离子体，覆盖第二电极结构的小区域。电场从该设备表面延伸相当远的距离，造成损坏袋子的包含物和产生电干扰的危险。然而，将被指出的是，仅需要小的驱动电压。

在一些实施方式中，有必要提供具有第一电极和第二电极相对大的总体“覆盖区”面积的等离子体发生装置。这允许在相应大的区域内产生等离子体。所需的电极区域可以通过使用适当大的、单个第一和第二电极提供。然而，更优选的是通过使用模块化设置按比例增加，以向装置提供所需尺寸。因此，适宜的等离子体发生系统包括多个模块、每个模块设置有模块化的第一电极和模块化的第二电极。可以组装这些模块，以允许模块化的电极镶嵌以为其现场应用提供具有适当覆盖区的所需电极结构。镶嵌优选提供横跨等离子体发生表面相对均匀分布的等离子体。

而且，可以将第二电极的截面形状调整到接近该装置性能最佳化。例如，第二电极的截面形状可以是椭圆的。

可以以接近该装置性能的最佳化的方式构造第一电极。尤其是，第一电极不需要是完全平面的结构。第一电极可以包括突起（优选平滑的突起）。这些突起可以以设置成与具有相应形状特征的第二电极（例如在第二电极中具有缺口）对齐。突起可以设置成一个或多个波纹的形式。突起优选增强装置表面的产生等离子体的电场的形成。优选第一电极是连续的电极，其中没有形成缺口。

不认为本发明局限于应用在食品领域。发现该技术进一步应用在以下领域：电子学、玻璃或其他表面清洁、自动化应用和部署临时厕所以及坑厕以控制气味和通过将人排泄物暴露于气载细菌的疾病传播。

本发明的优选实施方式已通过实施例描述。这些实施方式的改进、进一步的实施方式和其改进在技术人员阅读到此发明时将会变得明了，并且这样的（实施方式）包括在本发明的范围内。

Claims (30)

1.一种等离子体发生装置，包括：

第一电极；

位于所述第一电极前面的第二电极结构；

置于所述第一电极和所述第二电极结构之间的绝缘层，

其中所述第二电极结构具有多个第二电极部分，限定其间的缺口部分，所述缺口部分的宽度为w，所述第二电极部分各自具有前表面并且所述缺口部分各自具有前表面，每个第二电极部分的所述前表面与所述相邻缺口部分的前表面之间的高度差为h，并且其中h为至多1mm以及w/h的比例为至少1。

2.根据权利要求1所述的装置，其中h是至多0.3mm。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中所述缺口部分包括介电材料。

4.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中w是所述第一电极和所述第二电极之间的间隔距离的0.2到2倍。

5.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中所述第二电极部分一起形成基本辐射状和/或基本螺旋状的图案。

6.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中每一个第二电极部分包括具有叠覆绝缘层的导电元件，以便使所述第二电极部分的前表面是绝缘表面。

7.根据权利要求6所述的装置，其中叠覆在所述导电元件上的绝缘层延伸到邻近所述第二电极部分的缺口部分里，以便使所述第二电极部分的前表面和所述缺口部分的前表面彼此相连。

8.根据权利要求1到5中的任何一项所述的装置，其中各个第二电极部分包括在所述第二电极部分的前表面暴露的导电元件。

9.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中所述第二电极结构接地。

10.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中所述第一电极连接至或可连接至信号产生源，以将交流电压信号施加于所述第一电极。

11.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置，其中所述第一电极容纳在绝缘外壳内。

12.根据前述权利要求中的任何一项所述的装置适于处理包装，所述第二电极部分的前表面和所述缺口部分的前表面一起形成包装处理表面，其中当待处理的包装倚靠在所述包装处理表面时，所述装置是可操作的以产生等离子体，所述等离子体基本上完全位于所述待处理的包装内部。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述包装处理表面和所述包装在使用中互相适应，以便限制所述包装处理表面和所述包装之间的间隙的尺寸。

14.根据权利要求13所述的装置，其中使用中至少所述包装的一部分覆盖在整个所述第二电极结构上，使得适应所述包装处理表面的所述包装的部分的面积尺寸大于所述第二电极结构。

15.根据权利要求13或权利要求14所述的装置，进一步具有可操作按压所述包装和所述包装处理表面相向并且相互倚靠的促动装置。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述促动装置是通过与所述包装处理表面流体联通的抽吸装置提供的。

17.根据权利要求16所述的装置，其中所述包装处理表面包括用于从所述包装和所述包装处理表面之间的间隙抽取空气的通道，所述通道可选地通过所述第二电极部分之间的缺口部分提供。

18.根据权利要求17所述的装置，其中所述通道以基本辐射状和/或基本螺旋状的图案设置在所述包装处理表面。

19.根据权利要求16到18中的任何一项所述的装置，进一步包括至少一个密封件，设置成使用时充分密封所述包装，可选地环绕所述包装处理表面的周长延伸。

20.根据权利要求13到15中的任何一项所述的装置，其中所述包装处理表面是柔性的以便其能够适应所述待处理的包装。

21.根据权利要求20所述的装置，其中所述包装处理表面是弹性的。

22.根据权利要求20或权利要求21所述的装置，其中至少在适应所述包装之前，所述包装处理表面是凸起的。

23.根据权利要求12到22中的任何一项所述的等离子体发生装置和至少一种待处理的包装的灭菌装置。

24.等离子体发生装置的用途，所述等离子体发生装置包括：

第一电极；

位于所述第一电极前面的第二电极结构；

置于所述第一电极和所述第二电极结构之间的绝缘层，

其中所述第二电极结构具有多个第二电极部分，限定其间的缺口部分，所述缺口部分的宽度为w，所述第二电极部分各自具有前表面并且所述缺口部分各自具有前表面，所述第二电极部分的前表面和所述缺口部分的前表面一起形成包装处理表面，各个第二电极部分的所述前表面与相邻缺口部分的前表面之间的高度差为h，并且其中h为至多1mm以及比例w/h为至少1，

所述用途包括：将待处理的包装倚靠所述包装处理表面放置，并运行所述装置以产生等离子体，产生的所述等离子体基本上完全位于所述待处理的包装内。

25.根据权利要求24所述的用途，其中所述包装处理表面和所述包装互相适应，以便限制所述包装处理表面和所述包装之间的间隙尺寸。

26.根据权利要求24或权利要求25所述的用途，其中至少所述包装的一部分覆盖在整个所述第二电极结构上，使得适应所述包装处理表面的所述包装的部分的面积尺寸大于所述第二电极结构。

27.根据权利要求24到26中的任何一项所述的用途，其中将所述包装和所述包装处理表面相向按压并且相互倚靠。

28.根据权利要求27所述的用途，其中使用与所述包装处理表面流体联通的抽吸装置使所述包装和所述包装处理表面相向按压并且相互倚靠。

29.根据权利要求24到28中的任何一项所述的用途，其中所述包装包括选自植物材料、食品、动物材料、医学物体、眼科物体和药物或化妆品中的至少一种待处理的物体。

30.根据权利要求24到29中的一项所述的用途，其中所述包装在所述装置处理过程中是基本气密性的。

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