CN103649366A

CN103649366A - 空心件的等离子体处理

Info

Publication number: CN103649366A
Application number: CN201280032958.8A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·内特斯黑姆; 达利斯·科塞克
Original assignee: Reinhausen Plasma GmbH
Current assignee: Relyon Plasma GmbH
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-06-04
Publication date: 2014-03-19
Also published as: KR20140053144A; US20140102639A1; WO2013004440A1; EP2726643A1; JP2014526116A

Abstract

本发明涉及一种用于空心件的等离子体处理的装置和方法。本发明尤其适用于小心地等离子体处理热敏空心件如塑料瓶的内表面。等离子体处理例如可以是化学活化、消毒、清理或涂覆。一个或多个空心件被送入处理室以便处理。该处理室与至少一个等离子体源流体连通。处理室的抽排装置与等离子体源相关地在处理室内产生负压，从而等离子体可从等离子体源膨胀到处理室和空心件中。

Description

空心件的等离子体处理

技术领域

本发明涉及一种用于空心件的等离子体处理的装置和方法。本发明尤其适用于小心翼翼地等离子体处理热敏空心件如塑料瓶的内表面。等离子体处理例如可以是化学活化、消毒、清理或涂覆。将一个或多个空心件送入处理室以便处理。处理室与至少一个等离子体源流体连通。处理室的抽排装置与等离子体源相关地在处理室内产生负压，从而等离子体可从等离子体源膨胀到处理室和空心件中。

背景技术

本发明尤其适用于清理和进一步处理瓶子。当瓶子应装盛药物或指定用于食用的饮料时，填充前的清理要满足严格的卫生标准。由塑料如PET制成的瓶子的优点尤其是轻而耐破损。玻璃如二氧化硅的优点是尤其形成惰性致密的表面。通过多层系可以融合各种不同材料的优点。其前提是层之间有良好的附着作用，即使在就像在多流道瓶子的反复清理循环中所出现的热负荷、机械负荷或化学负荷的情况下。例如PET瓶子可从内侧具有玻璃层和/或UH吸收层。另一个例子是有选择地改变塑料瓶内表面上的聚合物结构。德国专利申请DE102008037159A1描述了一种用于处理空心件的装置，其包括负压处理室和等离子体发生器。在空心件内产生等离子体。产生等离子体所需要的能量来源于在空心件外的U形电极和管状电极（其突入空心件且也充当将工艺气体送入空心件的供应机构）之间的电场。

在国际专利申请WO2005/099320A2中公开了用于产生低压等离子体的方法和装置，其中，等离子体通过不可调节的等离子体喷嘴被负压吸入一个低压室中。该发明也涉及将低压等离子体用于表面处理、表面涂覆或气体处理的各种不同应用。

在欧洲专利文献EP0887437B1中公开了一种通过等离子体沉积将附着性覆膜沉积到基材表面上的方法。该方法包括通过直流电弧等离子体发生器形成含氧等离子体气体，在等离子体发生器外将反应性气体喷射入该等离子体中，通过连接该等离子体发生器和真空室的扩散型喷嘴喷射器将等离子体气体对准真空室。由此一来，由氧和反应性气体构成的能反应的物质接触基材表面达到足够长的一段时间，以形成附着性覆膜。级联式电弧等离子体烧嘴被称为等离子体发生器。上述层系尤其包括由六甲基二硅氧烷（HMDSO）构成的氧化硅沉积物。

在美国专利US5,853,815A中公开了一种用于平面基材的等离子体辅助涂覆的装置。静态的等离子体从位于压力室内的等离子体枪中膨胀喷出。可以给等离子体枪内的等离子体供应粉末，所述粉末通过等离子体被改变并且与等离子体混匀，以实现在待涂覆工件上的均匀分布或涂覆。

在国际专利申请WO95/22413A1中公开了用于提供尤其由塑料制成的容器的惰性或不可渗透的内表面的方法和装置以及其聚合物涂覆。待处理的容器设置在真空室内。用于工艺气体的每个供应管路可送入每个容器。工艺气体可以在容器内通过在位于容器外的电极之间施加电压或者通过微波辐射被点燃来产生等离子体。电压可以是直流电压或高频交流电压。在等离子体点燃前，可以给工艺气体供应一种或多种涂覆材料或工艺气体。一个工序控制器如此控制涂覆方法的工作顺序，即，控制真空阀以便在真空室内产生真空，控制工艺气体输入该容器，最后控制与电极相连的等离子体发生器。没有说明只在容器外产生等离子体，也没有说明以何种手段或措施将等离子体尤其可控地供给该容器。

发明内容

本发明基于以下任务，研发一种用于有效、小心翼翼且彻底地清理和/或处理一个或多个空心件的内表面的装置。

该任务将通过具有权利要求1的特征的装置来完成。

本发明的任务同样是研发一种方法，能借此来有效、小心翼翼且彻底地清理和/或处理一个或多个空心件的内表面。

该任务将通过具有权利要求8的特征的方法来完成。

根据本发明的用于空心件的等离子体处理的装置包括用于容纳至少一个待处理的空心件的处理室。另外，所述装置包括用于产生等离子体的至少一个等离子体源。能量源给等离子体源供应所需要的能量，以便在等离子体源中将工艺气体等离子化。能量源例如可以是电压源、辐射源（如微波源）或者热源。至少一个抽排装置调节等离子体源和处理室之间的压差。根据本发明，所述至少一个等离子体源设置在处理室外并且与处理室流体连通。通过控制单元能够如此控制能量源，即，能够产生脉动的等离子体。每个分别具有一个用于等离子体进流的出口的等离子体供应机构穿过每个空心件的开口。

根据本发明装置的另一个实施方式，每个等离子体供应机构上分别装有一个第一定量单元，其用于使得等离子体进流定量进入各空心件中。腔室开口（等离子体源通过所述开口与腔室流体连通）和等离子体供应机构的出口都能以喷嘴或喷雾器形式构成，以使等离子体和或许其所含的物质混匀、均匀分布和/或调整定向等离子体流。

该等离子体供应机构最好如此构成和设置，当它被插入空心件时，沿空心件的开口形成环绕的间隙开口面

间隙开口面因而建立空心件与处理室的流体连通。它同时是针对流出空心件的气体和/或等离子体的流阻。通过该开口面的适当造型和借助第一定量装置协调调整所述抽排装置的有效泵排功率和等离子体进流，可以相对于处理室在空心件内调节出正压。尤其可以通过环绕均匀地构成该开口面来使等离子体均匀地从空心件流出，从而等离子体均匀作用于空心件的内表面。

为了如此调节出流动状态，例如适当定位所述等离子体供应机构的出口。建议等离子体供应机构与空心件的开口同心设置并且以适当深度将等离子体供应机构的出口插入空心件。

可以给本发明装置扩展用于处理材料进流的供应管路以实现涂覆或化学处理，供应管路通入等离子体供应机构。供应管路通入等离子体供应机构的通口可以呈喷嘴或喷雾器形式，以使处理材料在等离子体内均匀分布。

在用于处理材料进流的供应管路之前可以接设第二定量单元。

另外，可以如此控制第一和第二定量单元，即，处理材料的进流可以在时间和数量方面与等离子体的进流相协调。为此所需的控制单元例如可以是计算机或微处理器，其通过接口在时间和数量方面相互协调地控制这些定量单元。许多工艺过程要求处理材料以合适的集聚状态、颗粒大小或化学状态存在。可协调的控制具有以下优点，即，处理材料在接触空心件的内表面之前能完全与等离子体发生化学反应或者被雾化。

另外，本发明公开了一种用于空心件的等离子体处理的方法。前述装置尤其适用于所述方法。所述方法的特点在于以下步骤：

首先，在处理室内送入并设置至少一个空心件。接着，抽排装置相对于至少一个等离子体源在处理室内调节出负压。能够在哪个参数范围内调节出负压取决于有效泵排功率和流阻。处理室的开口、第一和第二定量单元、等离子体供应机构及其出口、空心件和在空心件开口和等离子体供应机构之间的间隙开口面属于流阻。接着，在等离子体源中产生脉冲化的等离子体。等离子体可以有利地在大气压下或更高压力下被点燃和生成。

等离子体分别通过等离子体供应机构引入每个空心件。通过在处理室和进而空心件内的相对于等离子体源的负压，压力较高的等离子体（在等离子体源中）成为压力较低的等离子体（在处理室和空心件中），也被称为低压等离子体。

等离子体的进流可以附加地通过一个定量单元来控制，确切说如此控制，即，脉冲化的等离子体均匀分布在每个空心件内。由此一来，尤其可以控制或者说调整作用于空心件的等离子体热功率。

根据本发明，等离子体源可以由电压源来供应能量。等离子体的脉冲化可以被如此附加调整，即，电压源输出电压脉冲。尤其是电压脉冲可以是直流电压脉冲，其具有脉冲持续时间、脉冲间隔和/或电压大小的固定值或可变值。通过调制电压脉冲，可以调节由作用于空心件的等离子体引起的热功率、热负荷和/或静电负荷。

本发明方法的一个扩展方案规定，利用等离子体来进行涂覆或与一个或多个组成部分或工艺气体的反应产物和/或处理材料进行化学反应、进行空心件内表面的聚合化或进行前置或后置的清理。本发明尤其针对空心件如塑料瓶，其指定用于容纳食品、饮料或药物。后置的清理步骤因而必须根据相关的卫生标准清除掉瓶子内表面上的涂覆或聚合的残余物以及其它污物。

处理材料可以通过通入等离子体供应机构的供应管路被输入。用于配量处理材料的第一定量单元和第二定量单元能够被如此控制，即，处理材料的进流在时间和数量方面与等离子体的进流相协调。

为了减小热负荷，还可在供给空心件的等离子体的脉冲之间至少间歇地（zeitweise）输入工艺气体。由此可以散走因等离子体处理而出现的热量。用于这样的空心件散热的工艺气体进流可通过第一和/或第二定量单元来控制。这种冷却气体的进流的减少虽然降低了冷却功率，但容许在较低的平均压力下进行过程控制。

根据本发明，处理材料可以由载运气体构成，其载有呈水蒸汽、雾或悬浮液形式的活性物质。等离子体可被如此调节，即，有目的地分布并蒸发或升华该活性物质。同样，活性物质、工艺气体或空心件的组成部分可能相互发生化学反应。可以通过等离子体的状态（例如等离子体功率、等离子体脉冲化、离子化程度、气体温度、离子温度和电子温度）来调节哪种化学反应能够如何进行。等离子体的状态可以通过协调控制该第一定量单元和/或控制单元和该抽排装置的有效泵排功率来调整。活性物质的一个例子是六甲基二硅氧烷（HMDSO，用于氧化硅沉积）或者过氧化氢（H₂O₂）。载运气体例如可以由含有氧的、含有氢的或化学惰性的气体混合物构成。

附图说明

以下将结合附图来详述本发明的实施例，图中：

图1是本发明的装置和待处理的空心件的第一剖视图；

图2是本发明的装置和待处理的空心件的第二剖视图。

具体实施方式

在这些图中，使用相同的附图标记标识本发明的相同的或作用相同的零部件。

图1示出了根据本发明的装置1的一个实施方式。在处理室20内设有至少一个待处理的空心件50。等离子体源10设置在处理室20外。它通过出口12与处理室20流体连通。出口12也可以呈喷嘴状构成。通过供应机构11可给等离子体源10供应工艺气体g1。能量源30可以通过相对于电压源30、等离子体源10和处理室20的共同的地电位32在有源电极31上施加电压而从工艺气体g1点燃等离子体P。共同的地电位32避免静电充电作用或者寄生电流和等离子体点燃。能量源30可以借助控制单元33输出电压脉冲V(t)，从而脉冲化的等离子体P出现在等离子体源10中。

处理室20与抽排装置60流体连通，因而在压力室20内的压力p20和等离子体源10中的压力p10之间产生压差Δp（负压）。来自等离子体源10的等离子体P可以通过具有最好呈喷嘴形式的出口14的等离子体供应机构13流入空心件50并且膨胀。通过该膨胀，所供应的等离子体P2具有相对于在等离子体源10内的等离子体P有所改变的状态，尤其较低压力。等离子体P的进流可以通过等离子体供应机构13的定量单元D1被准时定量配给或完全中断。等离子体P2、工艺气体g1、处理材料M或其反应产物能通过空心件50的开口52流出至处理室20中。通过等离子体P2均匀膨胀到空心件50中和从空心件均匀流出，等离子体P2均匀作用于空心件的内表面51。

用于处理材料M的供应机构40设置在第一定量单元D1之后通入等离子体供应机构13，该处理材料M用于涂覆、清理、消毒、活化或者聚合化该空心件50的内表面51。处理材料可以由载运气体g2和活性物质A或活性物质混合物构成。供应机构40的通口41可以被设计成处理材料M的喷嘴或喷雾器。第二定量单元D2在时间和数量方面控制处理材料M的进流。本发明尤其规定，第一和第二定量单元D1、D2和/或电压源30的控制单元33在时间上是相互协调的。因而，可以改变等离子体P2（尤其是脉冲化）并且使处理材料M的进流在时间和数量方面与等离子体P2的进流相协调。

图2示出了在图1中已描述的装置的沿点划虚线Z的剖视图。等离子体供应机构13穿过空心件50的开口52，从而用于等离子体P2的出口14位于空心件50内。其插入深度是为使等离子体P2均匀分布在空心件50的内表面51上而调节出的参数。例如待处理的空心件50具有圆形开口52；与该圆形匹配地，该等离子体供应机构13在所示的实施方式中具有圆形横截面。等离子体供应机构13具有小于空心件50的开口52的内径（d52）的外径（d13）。等离子体供应机构13相对于空心件50的开口52同心设置。通过如此构成的环绕的间隙开口53，保证了从空心件50流出的均匀排流（E）。由此造成等离子体P和/或处理材料M均匀作用于空心件50的整个内表面51。本发明的这个实施方式的另一个优点是仅选择性地处理空心件50的内表面51。

附图标记列表

1 装置

10 等离子体源

11 工艺气体的供应装置

12 等离子体源的出口

13 等离子体供应机构

14 出口

20 处理室

30 电压源

31 电极

32 地电位

33 控制单元

40 处理材料的供应管路

41 通口

50 空心件

51 空心件的内表面

52 空心件的开口

53 环绕的间隙开口面

60 抽排装置

g1 工艺气体

g2 载运气体

M 处理材料

A 活性物质

V(t) 电压

D1 第一定量装置

D2 第二定量装置

p10 等离子体源内的压力

p20 低压室内的低压

Δp 压差

P 等离子体

P2 供给空心件的等离子体

Z-Z 用于图2的剖切轴线

d13 外径

d52 内径

E 排流

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于空心件（50）的等离子体处理的装置，所述装置包括：

·用于容纳至少一个待处理的空心件（50）的处理室（20）；

·至少一个等离子体源（10），其包括能量源（30）以用于产生等离子体（P）；

·至少一个抽排装置（60），其用于调节该等离子体源（10）和该处理室（20）之间的压差（Δp）；

其特征在于，

·所述至少一个等离子体源（10）设置在该处理室（20）之外；

·通过控制单元（33）能够如此控制所述能量源（30），即，能够产生脉动的等离子体（P）；

·每个等离子体供应机构（13）分别借助于一个用于等离子体（P2）进流（15）的出口（14）经由各个空心件（50）的开口（52）进入每个空心件（50）；和

·每个等离子体供应机构（13）上分别装有一个第一定量单元（D1），其用于使得等离子体（P2）进流（15）定量进入各空心件（50）中。

2.根据权利要求1所述的装置（1），其中，在所述等离子体供应机构（13）和所述空心件（50）的开口（52）之间形成环绕的间隙开口面（53），通过所述间隙开口面从所述空心件（50）起形成与所述处理室（20）的流体连通。

3.根据权利要求1所述的装置（1），其中，所述等离子体供应机构（13）的出口（14）定位在所述空心件（50）内，和/或其中所述定量单元（D1）能够与所述抽排装置（60）相互协调，即，被提供给所述空心件（50）的等离子体（P2）均匀分布于所述空心件（50）的内表面（51）。

4.根据权利要求2至3所述的装置（1），其中，用于供应处理材料（M）的供应管路（40）通入所述等离子体供应机构（13）。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，在用于供应处理材料（M）的所述供应管路（40）之前接设有第二定量单元（D2）。

6.根据权利要求5所述的装置（1），其中，通过第一定量单元（D1）和第二定量单元（D2）能够如此控制，即，处理材料（M）的进流在时间和数量方面能够与等离子体（P2）的进流相协调。

7.一种用于空心件（50）的等离子体处理的方法，其特征在于，所述方法具有以下步骤：

·在处理室（20）内设置至少一个空心件（50）并且借助抽排装置（60）调节所述处理室（20）内的压力（p20），从而在至少一个等离子体源（10）和该处理室（20）之间形成压差（Δp）；

·在所述至少一个等离子体源（10）中产生脉冲化的等离子体（P）；

·分别将每个等离子体供应机构（13）引入每个空心件（50），从而等离子体（P）从所述等离子体源（10）通过第一定量单元（D1）被导引入设于所述压力室（20）内的每个空心件（50）中；

·受控地打开所述第一定量单元（D1），从而脉冲化的等离子体（P2）在每个空心件（50）内均匀分布。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，每个等离子体源（10）与一个能量源（30）相连，所述能量源为了产生脉冲化等离子体（P）而输出电压脉冲（V(t)）。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述电压脉冲（V(t)）是直流电压脉冲，所述直流电压脉冲具有脉冲持续时间、脉冲间隔和/或电压大小的固定值或可变值。

10.根据权利要求8和9所述的方法，其中，通过调制所述电压脉冲（V(t)），调节由等离子体（P）和/或被送入所述空心件（50）的等离子体（P2）带来的热负荷和/或静电负荷。

11.根据权利要求7所述的方法，其中，利用来自所述等离子体源（10）的等离子体（P），进行涂覆或与一个或多个组成部分或用于产生等离子体的工艺气体（g1）的反应产物和/或处理材料（M）进行化学反应、进行所述空心件（50）的内表面（51）的聚合化或者前置清理或后置清理。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述处理材料（M）是通过通入所述等离子体供应机构（13）的供应管路（40）来输入的。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，通过用于定量提供处理材料（M）的第一定量单元（D1）和第二定量单元（D2）能够如此控制，即，处理材料（M）的进流在时间和数量方面与等离子体（P）的进流相协调。

14.根据权利要求7至13之一所述的方法，其中，在被提供给至少一个空心件（50）的等离子体（P2）的脉冲之间还至少间歇地输入工艺气体（g1），用于散走因等离子体处理而出现的热量。

15.根据权利要求11至14之一所述的方法，其中，该处理材料（M）由载运气体（G2）构成，该载运气体载有呈蒸汽或雾或悬浮液形式的活性物质（A）。

Claims

·用于容纳至少一个待处理的空心件（50）的处理室（20）；

其特征在于，

·通过控制单元（33）能够如此控制所述能量源（30），即，能够产生脉动的等离子体（P）；和

·每个等离子体供应机构（13）分别借助于一个用于等离子体（P2）进流（15）的出口（14）经由各个空心件（50）的开口（52）进入每个空心件（50）。

2.根据权利要求1所述的装置（1），其中，每个等离子体供应机构（13）上分别装有一个第一定量单元（D1），其用于使得等离子体（P2）进流（15）定量进入各空心件（50）中。

3.根据权利要求1所述的装置（1），其中，在所述等离子体供应机构（13）和所述空心件（50）的开口（52）之间形成环绕的间隙开口面（53），通过所述间隙开口面从所述空心件（50）起形成与所述处理室（20）的流体连通。

4.根据权利要求1所述的装置（1），其中，所述等离子体供应机构（13）的出口（14）如此定位在所述空心件（50）内，和/或其中所述定量单元（D1）如此与所述抽排装置（60）相互协调，即，被提供给所述空心件（50）的等离子体（P2）均匀作用于所述空心件（50）的内表面（51）。

5.根据权利要求2至4所述的装置（1），其中，用于供应处理材料（M）的供应管路（40）通入所述等离子体供应机构（13）。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，在用于供应处理材料（M）的所述供应管路（40）之前接设有第二定量单元（D2）。

7.根据权利要求6所述的装置（1），其中，通过第一定量单元（D1）和第二定量单元（D2）能够如此控制，即，处理材料（M）的进流在时间和数量方面能够与等离子体（P2）的进流相协调。

8.一种用于空心件（50）的等离子体处理的方法，其特征在于，所述方法具有以下步骤：

9.根据权利要求8所述的方法，其中，每个等离子体源（10）与一个能量源（30）相连，所述能量源为了产生脉冲化等离子体（P）而输出电压脉冲（V(t)）。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电压脉冲（V(t)）是直流电压脉冲，所述直流电压脉冲具有脉冲持续时间、脉冲间隔和/或电压大小的固定值或可变值。

11.根据权利要求9和10所述的方法，其中，通过调制所述电压脉冲（V(t)），调节由等离子体（P）和/或被送入所述空心件（50）的等离子体（P2）带来的热负荷和/或静电负荷。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，利用来自所述等离子体源（10）的等离子体（P），进行涂覆或与一个或多个组成部分或用于产生等离子体的工艺气体（g1）的反应产物和/或处理材料（M）进行化学反应、进行所述空心件（50）的内表面（51）的聚合化或者前置清理或后置清理。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述处理材料（M）是通过通入所述等离子体供应机构（13）的供应管路（40）来输入的。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过用于定量提供处理材料（M）的第一定量单元（D1）和第二定量单元（D2）能够如此控制，即，处理材料（M）的进流在时间和数量方面与等离子体（P）的进流相协调。

15.根据权利要求8至14之一所述的方法，其中，在被提供给至少一个空心件（50）的等离子体（P2）的脉冲之间还至少间歇地输入工艺气体（g1），用于散走因等离子体处理而出现的热量。

16.根据权利要求12至15之一所述的方法，其中，该处理材料（M）由载运气体（G2）构成，该载运气体载有呈蒸汽或雾或悬浮液形式的活性物质（A）。