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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Behältern, insbesondere zur Innenbeschichtung der Behälter, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Plasmabehandlung von Behältern, insbesondere zu deren Innenbeschichtung.
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Die Plasmabeschichtung von Behältern, insbesondere von Kunststoffbehältern wie Flaschen aus Polyester, PS, PP, PE, PLA oder vor allem PET dient dazu, die Durchlässigkeit der Behälterwände gegenüber Gasen wie Sauerstoff und/oder Kohlendioxid zu reduzieren. Derartige Gasbarrieren können beispielsweise durch glasartige SiOx-Schichten, insbesondere auf der Innenseite der Gefäßwände, ausgebildet werden, wobei der Wert für x insbesondere zwischen 1,5 und 2,5 liegt. Die Beschichtung kann beispielsweise durch Oxidation von Siloxan und/oder Silazan-Precursor-Molekülen, insbesondere Hexamethyldisiloxan, mit Sauerstoff durch Dissoziation im Plasma und Rekombination hergestellt werden.
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Eine weitere Anwendung derartiger PECVD-Verfahren (PECVD: plasma enhanced chemical vapor deposition) in der Getränkeindustrie besteht darin, dass Schadstoffe und/oder Verunreinigungen des Ausgangsmaterials, wie z. B. Acetaldehyd, die Barriereschicht nicht durchdringen und so nicht in den Innenraum des Behälters gelangen können. Dies gilt ebenso für Reinigungsmittel und/oder Sterilisationsmittel. Aber auch organische Füllgüter oder Verunreinigungen können von innen nicht in die Behälterwand eindringen und dadurch eine spätere Wiederaufbereitung des Behälters erschweren.
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Zusätzlich oder alternativ zu einer Plasmabeschichtung ist auch eine Plasmasterilisation der Behälter möglich.
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Zur Plasmabehandlung werden die zu behandelnden Flaschen bekanntermaßen in eine Unterdruckkammer verbracht. Aus der
DE 102 02 311 A1 ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Plasmabeschichtung dielektrischer Werkstücke bekannt, bei der die Werkstücke in einer Unterdruckkammer kontinuierlich durch einen Bereich zwischen zwei konzentrisch angeordneten Platten transportiert werden, wobei sich zwischen den Platten ein elektromagnetisches Wechselfeld im Kilohertzbereich zum Erzeugen eines Plasmas erstreckt.
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Die
DE 101 24 037 A1 beschreibt ferner eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmasterilisation von Behältern, die mit einem Förderer kontinuierlich durch eine evakuierte Behandlungskammer transportiert werden. Der Energieeintrag für das Plasma erfolgt dabei entweder mit Hilfe von Mikrowellengeneratoren, die an der Behandlungskammer vorgesehen sind, oder durch Elektroden im Transportbereich der Behälter, wobei die Elektroden das Plasma mit Hilfe von elektromagnetischen Hochfrequenzfeldern erzeugen.
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Derartige Mikrowellengeneratoren haben jedoch den Nachteil, dass mit ihnen eine einheitliche Plasmabehandlung von Behältern schwierig ist. Somit eignet sich die Mikrowellenstrahlung nur bedingt für die Abscheidung einer einheitlichen Schicht, die Voraussetzung für eine gute Gasbarriere ist. Zudem werden die Rahmenbedingungen und der Prozess wesentlich komplexer. Außerdem sind Mikrowellengeneratoren aufgrund des hohen Energieverbrauchs und der höheren Anschaffungskosten ungünstig. Es ist daher generell wünschenswert, das Plasma in der Behandlungskammer mit elektromagnetischen Wechselfeldern im Kilohertz- bis Megahertzbereich zu erzeugen.
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Die in der
DE 102 02 311 A1 zur Plasmabeschichtung bzw. in der
DE 101 24 037 A1 zur Plasmasterilisation vorgeschlagenen Feldelektroden befinden sich jeweils innerhalb der Behandlungskammer in unmittelbarer Nähe des Transportwegs der zu behandelnden Werkstücke bzw. Behälter. Hierbei tritt allerdings das Problem auf, dass es insbesondere bei hohen Hochfrequenzleistungen zu bogenartigen Entladungen und Überschlägen zwischen den Elektroden und geerdeten Teilen im Inneren der Behandlungskammer kommen kann. Dies kann eine Beschädigung oder gar Zerstörung der Elektroden zur Folge haben.
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Insbesondere bei hohen Produktionsleistungen müssen die Beschichtungszeiten minimiert und die Hochfrequenzleistung entsprechend erhöht werden. Da in diesem Fall ein größerer Potentialunterschied zwischen den Elektroden und geerdeten Teilen der Behandlungskammer unausweichlich ist, steigt die Wahrscheinlichkeit und Heftigkeit der Entladungen bzw. Überschläge an. Abhilfe lässt sich nur bedingt dadurch schaffen, dass die Abstände zwischen den Hochfrequenzelektroden und geerdeten Bauteilen deutlich erhöht werden. Die Abmessungen der Behandlungskammer müssen in diesem Fall in unerwünschtem Maße vergrößert werden. Außerdem müssen die Elektroden trotz dieser Maßnahme durchschlagsicher und ohne Lufteinschlüsse isoliert werden.
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Es besteht somit Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Plasmabehandlung von Behältern, bei denen die vorstehend genannten Nachteile abgemildert oder beseitigt werden können.
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Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Behältern gelöst, bei der die Elektrode außerhalb der Behandlungskammer angeordnet ist. Dadurch kann die Elektrode unabhängig von dem in der Behandlungskammer benötigten Unterdruck unter einem Druck betrieben werden, der eine höhere Durchschlagsfestigkeit als beim Kammerdruck ermöglicht. Dadurch lässt sich die Vorrichtung verkleinern und gleichzeitig die Lebensdauer der Elektrode erhöhen.
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Vorzugsweise ist an der Behandlungskammer ein dielektrischer, insbesondere einen Kunststoff umfassender Wandabschnitt ausgebildet, um elektromagnetische Energie mit der Elektrode in die Behandlungskammer einzukoppeln. Dadurch lassen sich Energieverluste bei der Einkopplung der elektromagnetischen Energie in die Behandlungskammer minimieren. Als Material für den dielektrischen Wandabschnitt eigenen sich beispielsweise Glas, Polyethylen, Polyamid und PET. Die elektromagnetische Energie wird vorzugsweise als elektromagnetisches Wechselfeld im Kilohertz- bis Megahertz-Bereich bereitgestellt, insbesondere im Bereich von 1 kHz bis 100 MHz.
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Bei einer besonders günstigen Ausführungsform ist in einer zur Transportrichtung des Transportmittels senkrechten Ebene zumindest ein seitlicher Bereich des dielektrischen Wandabschnitts zwischen der Elektrode und der Behälterseitenwand angeordnet. Dadurch lässt sich die elektromagnetische Energie besonders effektiv durch die Seitenwand der Behälter in das Innere der Behälter einkoppeln. Vorzugsweise sind mindestens zwei derartige seitliche Bereiche vorgesehen, zwischen denen die Behälter von dem Transportmittel hindurch geführt werden. Der dielektrische Wandabschnitt ist somit vorzugsweise als nach oben offener Kanal ausgeführt, durch den mehrere Behälter gleichzeitig und als kontinuierlicher Produktstrom hindurchgeführt werden können. Die Behälter sind vorzugsweise PET-Flaschen oder andere Kunststoffflaschen.
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Vorzugsweise ist die Elektrode entlang der Transportrichtung des Transportmittels in mindestens zwei elektrisch voneinander getrennte Segmente unterteilt. Dadurch kann die pro Einzelsegment benötigte Leistung reduziert werden, um einen besonders effektiven und ökonomischen Betrieb der Vorrichtung zu gewährleisten. Außerdem lässt sich die Plasmabehandlung besonders variabel gestalten, indem in den einzelnen Segmenten eine Plasmabehandlung mit unterschiedlichen Wechselfeldern durchgeführt wird.
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Vorzugsweise ist an der Behandlungskammer eine geerdete Abschirmung vorgesehen, um die Elektrode elektrostatisch gegenüber der Umgebung abzuschirmen. Dadurch können Personen im Bereich der Vorrichtung vor elektrischen Schlägen geschützt und eine unerwünschte Abstrahlung des Wechselfelds in die Umgebung reduziert oder vermieden werden.
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Vorzugsweise ist an der Behandlungskammer eine erste Absaugvorrichtung vorgesehen, um in der Behandlungskammer einen niedrigeren Druck bereitzustellen als an der Elektrode. Dadurch kann die Durchschlagsfestigkeit im Bereich der Elektrode erhöht werden, ohne die Erzeugung des Plasmas zu behindern.
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Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung sind an dem Transportmittel geerdete Gegenelektroden vorgesehen, die beim Erzeugen des Plasmas in die Behälter ragen. Dadurch lässt sich ein Plasma im Inneren des Behälters besonders effektiv und zielgerichtet erzeugen. Außerdem lässt sich durch die Gegenelektrode ein Prozessgas in den Behälter einleiten, um dessen Innenseite zu beschichten.
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Vorzugsweise ist an dem Transportmittel eine zweite Absaugvorrichtung vorgesehen, um im Inneren der Behälter einen niedrigeren Druck bereitzustellen, als außerhalb der Behälter. Dadurch lässt sich im Inneren der Behälter ein Plasma zünden und vermeiden, dass außerhalb der Behälter ebenfalls ein Plasma gezündet wird.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch gelöst mit einem Verfahren zur Plasmabeschichtung von Behältern, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- – Evakuieren einer Behandlungskammer;
- – Verbringen der Behälter in die Behandlungskammer;
- – Erzeugen eines Plasmas im Inneren der Behandlungskammer, insbesondere in den Behältern, durch Abgabe elektromagnetischer Energie an einer Elektrode, die außerhalb der Behandlungskammer angeordnet ist; und
- – Transportieren der Behälter durch die Behandlungskammer relativ zu der Elektrode, insbesondere an der Elektrode entlang.
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Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Einbringens eines Prozessgases in den Behälter, insbesondere durch eine rohrförmige, geerdete Gegenelektrode. Dadurch lässt sich der Behälter mit Hilfe des Prozessgases besonders effektiv von Innen beschichten.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Behälter auf einen niedrigeren Druck evakuiert als die Behandlungskammer, insbesondere auf einen Druck von höchstens 10 Pa. Dadurch lässt sich in dem Behälter ein Plasma zünden, ohne das Plasma ebenfalls in der Behandlungskammer zu zünden.
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Vorzugsweise beträgt der Druck in der Behandlungskammer mindestens 2000 Pa und höchstens 5000 Pa, wobei er insbesondere in einem Bereich von 3000 bis 4000 Pa liegt. Dadurch lässt sich nicht nur das Zünden eines Plasmas in der Behandlungskammer vermeiden, sondern auch, dass eine zu große Druckdifferenz zwischen der Behandlungskammer und dem Inneren des Behälters dazu führt, dass die Behälterwand nach innen eingedrückt wird.
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Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung beträgt der Druck im Bereich der Elektrode mindestens 5000 Pa und entspricht insbesondere im Wesentlichen dem Atmosphärendruck. Dadurch lässt sich die Durchschlagsfestigkeit an den Elektroden entsprechend dem Paschengesetz erhöhen und der zu geerdeten Bauteilen einzuhaltende Abstand reduzieren. Dies ermöglicht eine besonders zuverlässige Betriebsweise und besonders platzsparende Bauform.
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Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung wird im Inneren der Behälter eine geerdete Gegenelektrode bereitgestellt und der Druck im Behälter ist mindestens 10 mal kleiner, vorzugsweise sogar mindestens 100 mal kleiner und besonders bevorzugt mindestens 500 mal kleiner als der Druck in der Behandlungskammer, so dass das Plasma im Behälter jedoch nicht außerhalb des Behälters zündet. Dadurch lässt sich eine Innenbeschichtung des Behälters in besonders effektiver und zielgerichteter Weise durchführen.
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Vorzugsweise wird die elektromagnetische Energie durch einen dielektrischen Wandabschnitt der Behandlungskammer gasdicht eingekoppelt, wobei die Druckdifferenz zwischen der Außenseite und der Innenseite des Wandabschnitts mindestens 5000 Pa beträgt. Dadurch lässt sich eine besonders kompakte Bauform realisieren, bei der die Durchschlagsfestigkeit an den Elektroden erhöht ist und ein Zusammendrücken der Behälter durch eine übermäßige Druckdifferenz zwischen der Behandlungskammer und dem inneren des Behälters vermieden wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
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1 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Behältern;
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2 eine Detailansicht der Vorrichtung aus 1;
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3 eine schematische Ansicht einer Gegenelektrode;
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4 eine schematische Draufsicht auf den Transportweg der Behälter und die Elektrodenanordnung in der Vorrichtung gemäß 1;
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5 eine schematische Draufsicht auf den Transportweg der Behälter und eine Elektrodenanordnung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung; und
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6 eine schematische Seitenansicht des Transportmittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Wie 1 erkennen lässt, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eine evakuierbare Behandlungskammer 2, in der ein karussellförmiges Transportmittel 3 für zu behandelnde, insbesondere mit einer Gasbarriere-Schicht 5 zu beschichtende Gefäße 4, wie beispielsweise Kunststoffflaschen, vorgesehen ist. Wie anhand der Drehachse 3a und der durch einen Pfeil angedeuteten Transportrichtung 3b angedeutet, ist das Transportmittel 3 vorzugsweise als Rundläufer ausgelegt. Denkbar wäre jedoch auch ein lineares oder einer beliebigen Kurve folgendes Transportmittel 3.
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Außerhalb der Unterdruck-Behandlungskammer 2 ist eine Elektrode 6 vorgesehen, an der die Behälter 4 hängend von dem Transportmittel 3 entlang geführt werden. Zwischen dem am Transportmittel 3 gehaltenen Behälter 4 und der Elektrode 6 ist ein dielektrischer Wandabschnitt 7 an der Behandlungskammer 2 ausgebildet, durch den ein elektromagnetisches Wechselfeld kapazitiv mit der Elektrode 6 in die Behandlungskammer 2 eingekoppelt werden kann. An dem Transportmittel 3 sind ferner geerdete Gegenelektroden 8 vorgesehen, die zumindest während der Plasmabehandlung in den Innenraum der Behälter 4 ragen, so dass sich jeweils ein Plasma mit Hilfe des elektromagnetischen Wechselfelds zwischen der Elektrode 6 und der Gegenelektrode 8, insbesondere in dem Behälter 4 ausbilden kann.
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Die Hochfrequenz-Elektrode 6 besteht aus einem leitenden Material wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer und ist mit einem Wechselstromgenerator 10 elektrisch verbunden und gegenüber dem Gehäuse der Behandlungskammer 2 elektrisch isoliert. Der Generator 10 ist außerhalb der Behandlungskammer 2 angeordnet und sein Gehäuse geerdet. Er erzeugt ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld im kHz- bis MHz-Bereich, insbesondere im Bereich von 1 kHz bis 100 MHz, beispielsweise bei 13,56 MHz. Die Generatorleistung beträgt zum Beispiel 20 kW. Der Generator 10 kann aus mehreren Einzelgeneratoren bestehen, zum Beispiel aus vier Generatoren zu je 5 kW, die, wie in der Folge noch ausführlich beschrieben, mit einzelnen Segmenten der Elektrode 6 verbunden sein können. Im Vergleich zu einer Mikrowelleneinstrahlung lässt sich mit einem elektromagnetischen Feld im kHz- bis MHz-Bereich ein besonders gleichmäßiges Plasma in den Behältern 4 kostengünstig erzeugen.
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In der Vorrichtung 1 können herkömmliche Halte- bzw. Transportsysteme zur Halterung bzw. zum Transport der Behälter 4 verwendet werden (nicht gezeigt). Zugehörige Greifer sind bevorzugt elektrisch gegenüber der Masse isoliert, um ein Plasma zwischen den Greifern und der Elektrode 6 zu verhindern.
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An der Behandlungskammer 2 ist eine erste Absaugvorrichtung 12 vorgesehen, mit der in der Behandlungskammer 2 ein erster Unterdruck bzw. Kammerdruck P1 bereit gestellt werden kann. Ferner ist an der Transportvorrichtung 3 eine zweite Absaugvorrichtung 14 vorgesehen, mit der ein zweiter Unterdruck bzw. Behälterdruck P2 im Inneren der Behälter 4 bereit gestellt werden kann.
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2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Vorrichtung 1 mit der Elektrode 6 und dem dielektrischen Wandabschnitt 7 und einem Behälter 4 in einer Behandlungsposition bezüglich der Elektrode 6. Der Behälter 4 wird vom Innenraum der Behandlungskammer 2 gasdicht über eine Dichtvorrichtung 22 abgeschlossen. Die Dichtvorrichtung 22 ist mit einem Ventil 24 kombiniert, das vor und während der Plasmabehandlung zur Absaugung der Behälter 4 auf den Druck P2 geöffnet wird.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der Behälter 4 drehbar an der Dichtvorrichtung 22 und dem Ventil 24 gehalten, um eine besonders gleichmäßige Plasmabehandlung bei sich drehendem Behälter 4 zu ermöglichen.
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Wie 2 ferner zeigt, wird der Behälter 4 vorzugsweise bodenfrei gehalten. Das Ventil 24 ist ferner so ausgebildet, dass ein Prozessgas durch die vorzugsweise rohrförmig ausgebildete Gegenelektrode 8 eingeleitet werden kann.
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Die Elektrode 6 hat vorzugsweise einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt, ist jedoch nicht auf diese Form beschränkt. Es ist allerdings vorteilhaft, die Elektrode 6 in Form eines nach oben offenen Kanals auszubilden, durch den die Behälter 4 hängend von der Transportvorrichtung 3 geführt werden. Hierbei umfasst die Elektrode 6 vorzugsweise seitliche Abschnitte 6a, die im Wesentlichen an die seitliche Kontur der Behälter 4 angepasst sind und/oder zumindest abschnittsweise parallel zu der Seitenwand 4a der Behälter 4 angeordnet sind.
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In 2 gezeigt ist ferner ein Bodenbereich 6b der Elektrode 6, der im Wesentlichen einem Bodenabschnitt 4b der Behälter 4 gegenüberliegt. Der Querschnitt der Elektrode 6 kann aus einer beliebigen Kombination der Bereiche 6a und 6b bestehen, d. h. es könnten beispielsweise auch nur die seitlichen Bereiche 6a vorgesehen sein, beispielsweise in Form von den Behälter seitlich einfassenden, bezüglich des Transportmittels 3 konzentrischen Platten. Ebenso wäre es denkbar, Teilbereiche des Elektrodenquerschnitts gekrümmt auszuführen, um eine besonders gute Anpassung an eine bestimmte Form des Behälters 4 zu gewährleisten.
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Die Form des dielektrischen Wandbereichs 7 ist im Wesentlichen an die Form der Elektrode 6 und/oder des Behälters 4 angepasst. Insbesondere ist in der zur Transportrichtung 3b senkrecht liegenden Zeichenebene der 2 ein seitlicher Bereich 7a des dielektrischen Wandabschnitts 7 zwischen dem seitlichen Bereich 6a der Elektrode 6 und der Seitenwand 4a des Behälters 4 angeordnet. Dadurch kann ein vergleichsweise großer Teilabschnitt des Behälters 4 in geringem Abstand an der Elektrode 6 entlang geführt werden. Insbesondere vorteilhaft ist eine in der Querschnittsansicht im Wesentlichen parallele Ausrichtung der seitlichen Elektrodenabschnitte 6a, der seitlichen Wandabschnitte 7a und der Gegenelektrode 8 zueinander. Damit kann in dem Behälter 4 ein vergleichsweise homogenes elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt werden, und somit das Plasma im Behälter 4 unter vergleichsweise gleichmäßigen und reproduzierbaren Bedingungen erzeugt werden.
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Wie 2 ferner zeigt, ist an der Behandlungskammer 2 eine geerdete Abschirmung 11 vorgesehen, die die Elektrode 6 gegenüber der Umgebung abschirmt. Die Elektrode 6 steht dabei unter dem Druck P3, vorzugsweise unter dem Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck. Der Druck P3 ist in jedem Fall größer als der Kammerdruck P1. Dies reduziert nicht nur den zwischen geerdeten Bauteilen und der Elektrode 6 einzuhaltenden Mindestabstand zur Gewährleistung einer bestimmten Durchschlagsfestigkeit, wobei die Durchschlagsspannung bei Normaldruck etwa 20–33 kV pro mm Abstand beträgt. Es vereinfacht sich auch die Handhabung der Elektrode 6, deren Verbindung mit dem Generator 10, eine gegebenenfalls notwendige Kühlung der Elektrode 6 und die Wartungsfreundlichkeit der Vorrichtung 1 insgesamt.
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Der dielektrische Wandabschnitt 7 bildet vorzugsweise eine gasdichte Einfassung für die Elektrode 6 auf der Wand der Behandlungskammer 2, wobei das verwendete dielektrische Material vorzugsweise eine hohe mechanische Stabilität und einen geringen dielektrischen Verlustfaktor aufweist, wie beispielsweise PE und PA. Dadurch können Leistungsverluste beim Einkoppeln des elektromagnetischen Wechselfelds minimiert und die Wärmeentwicklung im dielektrischen Wandabschnitt 7 entsprechend begrenzt werden. Zwischen der Behandlungskammer 2 und dem dielektrischen Wandabschnitt 7 kann eine (nicht gezeigte) Dichtung vorgesehen sein. Die Elektrode 6 und der dielektrische Wandabschnitt 7 sind vorzugsweise als auswechselbare Bauteile ausgelegt, um die Vorrichtung 1 bzw. Behandlung bei Bedarf an unterschiedliche Behältergrößen und -formen anpassen zu können.
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Der Druck P1 in der Behandlungskammer 2 wird vorzugsweise so eingestellt, dass ein Plasma in der Behandlungskammer 2, d. h. außerhalb des Behälters 4, nicht zünden kann. Andererseits ist der Druckunterschied zwischen dem Druck P1 in der Behandlungskammer 2 und dem Behandlungsdruck P2 im Innenraum des Behälters 4 so bemessen, dass der Behälter 4 nicht durch den Druckunterschied zusammengedrückt wird. Während der Behandlungsdruck P2 im Innenraum der Behälter 4 vorzugsweise auf einen Wert von höchstens 10 Pa gehalten wird, liegt der Bereich des Kammerdrucks P1 in einem Bereich zwischen 2000 Pa und 5000 Pa. Dies verhindert zum Einen das Zünden des Plasmas im Innenraum der Behandlungskammer 2, außerhalb des Behälters 4, und verhindert andererseits einen zu großen Druckunterschied zwischen dem Innenraum des Behälters 4 und dem Innenraum der Behandlungskammer 2. Ein vorteilhafter Bereich für den Kammerdruck P1 liegt zwischen 3000 und 4000 Pa, insbesondere bei einem Wert von etwa 3500 Pa. Vorzugsweise ist der Behälterdruck P2 mindestens 10 bis 2000 mal kleiner als der Kammerdruck P1. Dadurch kann das Plasma im Innenraum der Behälter 4 gezielt gezündet werden.
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Anstelle der beiden Absaugvorrichtungen bzw. Pumpensysteme 12 und 14 könnte auch nur eine Absaugvorrichtung vorgesehen sein und das benötigte Druckgefälle zwischen der Behandlungskammer 2 und den Behältern 4 durch eine geeignete Anordnung aus Ventilen erzeugt werden. Die Ausführung mit separaten Absaugvorrichtungen 12, 14 ist jedoch wartungsfreundlicher und weniger störungsanfällig.
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3 zeigt detailliert die Ausgestaltung der rohrförmigen Gegenelektrode 8. Der Außendurchmesser der Gegenelektrode 8 beträgt vorzugsweise 5–10 mm. An der Gegenelektrode 8 sind mehrere seitliche Öffnungen 18 vorgesehen, durch die Prozessgase in den Behälter 4 eingeleitet werden können. Der Durchmesser der Öffnungen 18 beträgt vorzugsweise ca. 0,5 bis 1 mm. Im Beispiel sind an der Gegenelektrode 8 insgesamt 28 Öffnungen 18 vorgesehen, von denen jeweils vier auf einer Höhe im Abstand von 90° angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Öffnungen 18 entlang der Elektrodenlängsachse beträgt ca. 8–25 mm. Der axiale Abstand zwischen den Öffnungen 18 nimmt in Richtung des Behälterbodens 4b ab. Zusätzlich kann am unteren Ende der Elektrode 8 mindestens eine weitere Öffnung 18 vorgesehen sein. Durch eine derartige Verteilung der Öffnungen 18 kann der Eintrag der Prozessgase zugunsten einer gleichmäßigen Plasmabehandlung im gesamten Behälter 4 und eines effektiven und effizienten Verfahrens beeinflusst werden.
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Die Länge der Gegenelektrode 8 ist vorzugsweise an die Länge des Behälters 4 angepasst, so dass der Abstand zwischen dem Behälterboden 4b und der Gegenelektrode 8 maximal 50 mm beträgt. Bei größeren Abständen ist es schwierig, ein für eine homogene Plasmabehandlung geeignetes elektromagnetisches Feld zu erzeugen.
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Die Länge der Gegenelektrode 8 ist vorzugsweise durch deren Verschieben relativ zur Dichtvorrichtung 22 variabel einstellbar. Die Vorrichtung 1 kann so auf variable, effektive und kostengünstige Weise für die Behandlung unterschiedliche Behälter 4 angepasst werden.
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Wie 3 ferner zeigt, ist an der Gegenelektrode 8 eine Halterungseinheit 19 zu deren Befestigung an der Dichtvorrichtung 22 vorgesehen. Die Halterungseinheit 19 ermöglicht ein schnelles und effektives Wechseln der Gegenelektrode 8 über eine Schraub- oder Steckverbindung, beispielsweise zur Anpassung an unterschiedlich lange Behälter 4 oder im Rahmen der Instandhaltung.
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Die Gegenelektrode 8 besteht im Wesentlichen aus einem elektrisch leitenden Material, insbesondere Kupfer oder Edelstahl, und ist über den Generator 10 mit der Elektrode 6 elektrisch leitend verbunden.
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Im Inneren der rohrförmigen Gegenelektrode 8 ist mindestens ein Stabmagnet (nicht gezeigt), beispielsweise aus einer Kobalt/Samarium-Legierung, vorgesehen, der nach Abnehmen einer Abdeckhülse 20 von der Gegenelektrode 8 ausgetauscht werden kann. Der Magnet erstreckt sich vom freien Ende der Gegenelektrode 8 bis zu einem Hals- oder Schulterbereich des Behälters 4. Der Magnet reduziert eine Plasmabeschichtung der Gegenelektrode 8 und ermöglicht so eine besonders effektive Prozessführung und trägt zu einer homogenen Plasmabehandlung bei.
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4 verdeutlicht den Transportweg der Behälter 4 durch die Vorrichtung 1 in der Draufsicht. Die Vorrichtung 1 umfasst demnach eine Schleusenvorrichtung 36 zur Einschleusung der Behälter 4 in die Behandlungskammer 2, ein Einlaufsternrad 30 zur Übergabe der Behälter 4 an das rotierende Transportmittel 3, sowie eine Auslaufsternrad 28. Wie insbesondere auch 6 verdeutlicht, werden die Behälter 4 mit Hilfe von Hubkurven 34 und 32 zwischen dem Höhenniveau des Einlaufsternrads 30 bzw. des Auslaufsternrads 28 und dem Höhenniveau der Elektrode 6 bewegt. Von der Elektrode 6 sind in 4 der Übersichtlichkeit halber nur die seitlichen Bereiche 6a angedeutet. Die Behälter 4 werden an dem Transportmittel 3 im sogenannten Neck-Handling gehalten, d. h. die Halterung erfolgt über den Behälterhals. Derartige Halterungssysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1, bei der die Elektrode 6 entlang der Transportrichtung 3b, im Beispiel umfänglich bezüglich der Drehachse 3a, segmentartig unterteilt ist, wobei beispielsweise vier Segmente 6c–6f ausgebildet sein können. Mit einer derartigen Untergliederung der Elektrode 6 kann die zur Erzeugung eines geeigneten elektromagnetischen Felds nötige elektrische Leistung verringert und ein besonders effektives und kostengünstiges Behandlungsverfahren realisiert werden.
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Die Elektrodensegmente 6c–6f sind elektrisch voneinander getrennt und können beispielsweise von unterschiedlichen Generatoren 10 versorgt werden. Da die Behälter 4 die Elektrodensegmente 6c–6f nacheinander durchlaufen, kann die Ausbildung des Plasmas durch die Hintereinanderreihung der umfänglichen Elektrodensegmente 6c–6f gezielt gesteuert werden. Auch in 5 sind lediglich die seitlichen Elektrodenabschnitte 6a angedeutet. Wie im Zusammenhang mit 1 und 2 erwähnt, sind jedoch beliebige Elektrodenquerschnitte auch bei den Elektrodensegmenten 6c–6f denkbar.
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Die 6 verdeutlicht die Funktion der Hubkurven 32, 34 beim Übergang der Behälter 4 von einer Beschickungs- bzw. Entnahmestellung der Transportvorrichtung 3 im Bereich des Einlauf- bzw. Auslaufsternrads 30, 28, im 6 links dargestellt, zu einer Behandlungsstellung entlang der Elektrode 6, in 6 rechts dargestellt. Die Behandlungskammer 2, die Elektrode 6 und der dielektrische Wandabschnitt 7 sind in der 6 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 umfasst die Behandlungskammer 2 vorzugsweise ein (nicht dargestelltes) Mittel zur Kontrolle der Einheitlichkeit der Plasmabehandlung der Behälter untereinander. Dieses Mittel ist insbesondere ein Analysegerät zur Aufzeichnung von spektroskopischen Parametern des Plasmas. Dadurch ist eine Kontrolle bzw. ein Vergleich der einzelnen Behälter möglich.
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Mit den beschriebenen Ausführungsformen und Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann wie folgt gearbeitet werden:
Über die Druckschleuse 36 wird ein kontinuierlicher Strom von zu behandelnden Behältern 4 in die Behandlungskammer 2 eingeführt, wobei in dieser mit Hilfe der Absaugvorrichtung 12 der Unterdruck P1 erzeugt wird. Dabei erfolgt die Übergabe der Behälter 4 an das rotierende Transportmittel 3 mit Hilfe des Einlaufsternrads 30.
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Mit Hilfe der Hubkurve 34 führt das sich weiter drehende Transportmittel 3 je einen Behälter 4 von unten über eine Gegenelektrode 8, bis die Behälter 4 gegen die Dichtvorrichtung 22 gepresst werden und der Innenraum der Behälters 4 jeweils gasdicht vom Innenraum der Behandlungskammer 2 abgetrennt ist. Danach wird das Ventil 24 geöffnet, so dass der Behälter auf den Druck P2 mit Hilfe der Absaugvorrichtung 14 evakuiert wird. Anschließend werden Prozessgase über die Gegenelektrode 8 in die Behälter 4 geleitet. Währenddessen hat das Transportmittel 3 den jeweils zu behandelnden Behälter 4 in den von der Elektrode 6 abgedeckten umfänglichen Teilbereich der Vorrichtung 1 weiter gedreht.
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Anschließend erzeugt der Generator 10 zwischen den Elektroden 6 und 8 ein elektromagnetisches Wechselfeld im Kilohertz- bis Megahertzbereich und induziert so ein Plasma im Inneren der Behälter 4, um diese im Zusammenwirken mit den Prozessgasen von innen mit einer Gasbarriereschicht 5 zu beschichten. Nach der Plasmabehandlung werden die Behälter 4 mit Hilfe der Hubkurve 32 abgesenkt, von der Dichtvorrichtung 22 gelöst und das Ventil 24 geschlossen, so dass sich in den Behältern 4 der in der Behandlungskammer 2 herrschende Druck P1 einstellt. Beim Weiterdrehen werden die Behälter 4 vollständig unter die Gegenelektroden 8 abgesenkt, wobei das Plasma erlischt. Schließlich werden die beschichteten Behälter 4 an das Auslaufsternrad 28 übergeben und ausgeschleust.
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Durch die gasdichte Trennung der Elektrode 6 von der Behandlungskammer 2 ist es möglich, sowohl für die gezielte Erzeugung eines Plasmas in der Behandlungskammer 2, insbesondere in den Behältern 4, optimale Druckverhältnisse zu erzeugen als auch im Bereich der Elektrode 6 eine hohe Durchschlagfestigkeit bei geringer Abmessung der Vorrichtung 1 zu verwirklichen. Dadurch, dass die Elektrode 6 insbesondere unter Atmosphärendruck betrieben werden kann, erleichtert sich die Handhabung und Wartung der Elektrode 6 sowie die Leitungsführung zur elektrischen Versorgung der Elektrode 6 und zur Kühlung der Elektrode 6. Der dielektrische Wandabschnitt 7 der Behandlungskammer 2 kann an die Form der Elektrode 6 angepasst werden, so dass eine effektive Erzeugung des Plasmas bei reduziertem baulichem Aufwand möglich ist.
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Bei einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens mit der Vorrichtung gemäß 5 werden die Behälter 4 nacheinander mit unterschiedlichen Plasmen behandelt, indem an den Elektrodensegmenten 6c–6f unterschiedliche elektromagnetische Felder hinsichtlich ihrer Feldstärke und/oder Frequenz generiert werden.
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Die Prozessgase werden in den Behälter 4 über axial und radial geeignet verteilten Öffnungen 18 in der Gegenelektrode 8 eingeleitet. Durch gleichzeitige Zugabe der Prozessgase durch alle Öffnungen 18 lässt sich eine besonders gleichmäßige und effektive Plasmabehandlung erzielen. Insbesondere lässt sich eine gleichmäßige Schichtdicke der Innenbeschichtung 5 erzielen.
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Die Gegenelektroden 8 werden während der Durchführung der Plasmabehandlung vorzugsweise erhitzt. Dadurch können unerwünschte Abscheidungen an der Gegenelektrode 8 verringert oder ganz vermieden werden. Die Gegenelektrode 8 wird bereits durch das elektromagnetische Feld bzw. das Plasma ausreichend erwärmt, so dass zusätzliche aktive Heizelemente entbehrlich sind. Die Temperatur der Gegenelektrode 8 während der Behandlung beträgt maximal 100°C. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die Öffnungen 18 nicht oder nur geringfügig beschichtet werden und somit erfindungsgemäß ein gleichmäßiger Gaseintrag über eine lange Verwendungsdauer möglich ist. Dies begünstigt ein effektives und kostengünstiges Verfahren, insbesondere hinsichtlich der Instandhaltung der Gegenelektroden 8.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eignet sich besonders für ein Verfahren zur Plasmabeschichtung von PET-Flaschen, vor allem für einen PECVD-Prozess zur Innenbeschichtung mit einer SiOx-Schicht 5. Alternativ kann auch eine DLC-Schicht 5 (DLC: Diamond Like Carbon) abgeschieden werden.
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Die Schichtdicken sind insbesondere im Nanometerbereich, bevorzugt im Bereich von 1 bis 100 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 30 nm. Bei dünneren Schichten 5 ist nicht gewährleistet, dass diese die Behälterwand 4a, 4b vollständig bedecken. Dickere Schichten 5 haben den Nachteil, dass die Schicht 5 spröde und rissig wird, und sich so, insbesondere bei Verformung des beschichteten Behälters 4, die Barriereeigenschaften der Schicht 5 verschlechtern.
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Insbesondere dient das Verfahren zur Ausbildung einer möglichst gleichmäßig dicken Schicht 5. Die minimale bzw. maximale Schichtdicke liegt bevorzugt bei 50% bzw. 150% der erzielten mittleren Schichtdicke. Dadurch wird eine besonders effektive Barriere gegenüber Gasen erzielt. Ist die Schichtdicke ungleichmäßiger, ist die Barrierewirkung nicht ausreichend und/oder nur eine uneffektive Verfahrensführung möglich, da die Gesamtschichtdicken erhöht werden müssen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Gleichmäßigkeit der Plasmabehandlung im Vergleich zwischen einzelnen Behältern 4 kontrolliert. Dabei wird insbesondere das Plasma im Inneren der Behälter 4 spektroskopisch untersucht, indem relevante spektroskopische Parameter durch ein Analyseinstrument aufgezeichnet werden. Ungenügend behandelte Behälter 4 können dann gezielt ausgesondert werden. Insbesondere ist es auch möglich, über einen Regelkreis Verfahrensparameter anzupassen, um die Reproduzierbarkeit des Verfahrens zu optimieren.
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Die beschriebenen Ausführungsformen und Varianten der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise kombiniert werden. Insbesondere sind die in den Figuren gezeigten Elektrodenquerschnitte, Elektrodensegmente und dielektrischen Wandabschnitte 7 beliebig mit unterschiedlichen Transportwegen der Behälter 4 durch die Behandlungskammer 2 und Halte- und Hubeinrichtungen des Transportmittels 3 kombinierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10202311 A1 [0005, 0008]
- DE 10124037 A1 [0006, 0008]
