DE69816792T2

DE69816792T2 - Photokatalytisch aktivierter selbstreinigender ofen

Info

Publication number: DE69816792T2
Application number: DE69816792T
Authority: DE
Inventors: B. Charles GREENBERG
Original assignee: PPG Industries Ohio Inc
Current assignee: PPG Industries Ohio Inc
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2018-03-13
Also published as: CA2283583C; EP0968143B1; AU6698598A; ES2205457T3; EP0968143A1; CA2283583A1; DE69816792D1; AU732526B2; ATE246155T1; DK0968143T3; PT968143E; WO1998041482A1; BR9807985A; JP2001524165A

Description

Hintergrund der Erfindung
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft photokatalytisch aktivierte, selbstreinigende Öfen und Verfahren zur Herstellung und Verwendung solcher Geräte.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Verschiedene größere Haushaltsgeräte wie beispielsweise herkömmliche Gas- oder Elektroöfen, Mikrowellen-Öfen, Toaster-Öfen, Tiefkühlgeräte, Gefriergeräte, Geschirrspüler, Waschmaschinen, Textiltrockner, um nur wenige zu nennen, erfordern ein häufiges Reinigen zur Entfernung organischer Verunreinigungen, die sich auf verschiedenen inneren und äußeren Flächen solcher Geräte angesammelt haben. Allgemein geschieht dies manuell durch Aufbringen verschiedener Reiniger und Detergenzien, oft begleitet von Schritten des Schrubbens und Reibens.
Um ein derartiges manuelles Reinigen zu vermeiden, sind derzeit einige selbstreinigende Geräte, insbesondere Öfen, erhältlich. Selbstreinigende Öfen reinigen nur die Innenflächen des Gar- und Backraums des Ofens durch Erhitzens des Gar- und Backraums des Ofens auf sehr hohe Temperaturen über ausgedehnte Zeiträume und verbrennen so organische Lebensmittel-Rückstände auf den Oberflächen des Gar- und Backraums des Ofens.
Einige Nachteile sind mit derartigen selbstreinigenden Geräten verbunden. Ein Nachteil sind die erheblichen Energiekosten, die erforderlich sind, um das Gerät auf Temperaturen des Selbstreinigungsschrittes anzuheben und bei diesen Temperaturen zu halten. Beispielsweise arbeiten nicht-selbstreinigende Öfen bei einer maximalen Temperatur von etwa 260°C (500°F), während ein selbstreinigender Ofen während des Schritts der Selbstreinigung bei Temperaturen oberhalb von 649°C (1200°F) arbeitet.
Andere Nachteile schließen die erhöhten Kosten, die damit verbunden sind, solche Geräte so auszustatten, daß sie den hohen Reinigungstemperaturen standhalten, und die nachteilige Wirkung solcher hohen Temperaturen auf das Gerät selbst im Verlauf der Zeit ein. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Schritt des Selbstreinigens bei hoher Temperatur üblicherweise auf Innen-Kochflächen bzw. -Backflächen beschränkt ist.
Es sind Verfahrensweisen zum Entfernen organischer kontaminierender Stoffe von Flächen verfügbar, die die hohen Temperaturen nicht erfordern. Insbesondere kann Titandioxid eine photokatalytisch aktivierte selbstreinigende Oberfläche (photocatalytically-activated self-cleaning; nachfolgend kurz „PASC") auf einem Substrat liefern. Veröffentlichungen, die auf die Bildung eines PASC-Überzugs mit Titandioxid auf einem Glas-Substrat gerichtet sind, schließen das US-Patent Nr. 5,595,813 und die Druckschrift „Photooxidative Self-cleaning Transparent Titanium Dioxide Films on Glass; Paz et al., J. Mater, Res., Band 10, Heft 11 (November 1995), Seiten 2842–2848" ein. Weiter wird über eine Bibliographie von Patenten und Publikationen, die sich allgemein auf die photokatalytische Oxidation organischer Verbindungen beziehen, berichtet in der Druckschrift „Bibliography of Work on The Photocatalytic Removal of Hazardous Compounds from Water and Air; D. Blake, National Renewable Energy Laboratory (Mai 1994)" und in dem Bericht über den neuesten Stand aus Oktober 1995 sowie in dem Bericht über den neuesten Stand aus Oktober 1996.
Das US-Patent Nr. 5,308,458 (Urwin et al.) offenbart ein Verfahren zum Zersetzen eines photokatalytisch abbaubaren organischen Materials, das das Bestrahlen eines organischen Materials in Fluid-Form, das auf der Oberfläche einer Scheibe bzw. Disk vorhanden ist, mit ultraviolettem Licht einschließt, wobei die Scheibe bzw. Disk mit einem Anatas-Titanoxid-Film beschicht ist. Die Scheibe bzw. Disk läuft um und bewegt das organische Material radial nach außen über die Oberfläche der Scheibe bzw. Disk.
Die US-Patente Nrn. 5,256,616; 5,194,161 und 4,997,576 (Heller et al.) offenbaren Materialien und Verfahrensweisen für die photokatalytische Oxidation organischer Verbindungen auf Wasser. Heller offenbart schwimmende Kügelchen, die mit Titandioxid beschichtet sind, zum Oxidieren organischer Verbindungen, die auf Wasser schwimmen, wie beispielsweise ausgelaufenes Öl.
Trotz der Tatsache, daß in diesem technischen Bereich PASC-Beschichtungen bekannt sind, gibt es keine Offenbarung der Verwendung solcher Materialien zur Herstellung eines PASC-Ofens, die den Nachteil einer manuellen Reinigung solcher Geräte oder die Nachteile derzeit erhältlicher selbstreinigender Geräte eliminieren würde.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf einen selbstreinigenden Ofen und auf ein Verfahren zur Herstellung und Verwendung eines derartigen Geräts, wobei das Gerät photokatalytisch aktiviert wird, um sich selbst von angesammelten organischen kontaminierenden Stoffen auf einer oder mehreren Flächen des Geräts reinigen zu können. Das selbstreinigende Gerät schließt eine PASC-Beschichtung (eine photokatalytisch aktivierte, selbstreinigende Beschichtung) auf den Oberflächen ein, die selbstreinigend sein sollen. In einer Ausführungsform schließt das Gerät eine Quelle für aktinische Strahlung zum photokatalytischen Aktivieren der PASC-Beschichtung (der sich photokatalytisch aktivierten selbstreinigenden Beschichtung) unter Selbstreinigen der Oberfläche des Geräts ein. Die Quelle für aktinische Strahlung kann von dem Gerät getrennt oder in die Struktur des Geräts eingebaut sein.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine perspektivische Ansicht eines PASC-Industrieproduktes (eines Industrieproduktes mit photokatalytisch aktivierter, selbstreinigender Fläche), genauer gesagt, eines PASC-Ofens.
2 ist ein Querschnitt entlang der Linie 2-2 von 1 und liefert eine Aufsicht auf PASC-Überzüge, die auf einer Tür des Geräts von 1 abgeschieden sind.
3 ist eine Ansicht ähnlich der von 2, und sie veranschaulicht eine Natriumionen-Diffusions-Barriereschicht unter der PASC-Beschichtung.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
In der Diskussion der Figuren ist anzumerken, daß ähnliche Elemente ähnliche Bezugszeichen tragen. Es wird nun auf 1 Bezug genommen. In 1 ist ein PASC-Ofen 10 gezeigt. Der Ofen 10 wurde gewählt, um die vorliegende Erfindung zu veranschaulichen, und die folgende Diskussion wird auf einen Ofen 10 gerichtet. Weiter wird trotz der Tatsache, daß die folgende Diskussion vornehmlich auf das Bilden einer PASC-Beschichtung innerhalb des Gar- bzw. Back-Raums 14 des Ofens 10 gerichtet ist, verstanden, daß die PASC-Beschichtung auch auf irgendeiner oder allen Außenflächen des Ofens 10 vorgesehen werden kann, um die Außenflächen des Ofens 10 photokatalytisch selbstreinigend zu machen.
Der Ofen 10 schließt den Gar- bzw. Back-Raum 14 ein, der ein verschließbares Gehäuse ist, das fünf integral miteinander verbundene Wände und eine Tür aufweist. Noch spezieller ist der Gar- bzw. Back-Raum 14 definiert durch die Innenflächen von einander gegenüberliegenden Seitenwänden 16 und 18 (gezeigt in gestrichelten Linien), einen Boden 20, eine obere Wandung 22, die dem Boden 20 gegenüberliegt; eine hintere Wand 24 und eine schwenkbare Tür 26, die der hinteren Wand 24 gegenüberliegt, wenn die Tür 26 in der geschlossenen Stellung ist. Diese Wände, der Boden und die Tür des Gar- bzw. Back-Raums 14 sind allgemein aus Metall hergestellt, das mit einer Schicht aus Lack oder Emaille beschichtet ist. Eine Schicht aus einem thermisch isolierenden Material 27 kann auf einer oder mehreren der Außenflächen der Wände, des Bodens und der Tür des Gar- bzw. Back-Raums 14 aufgebracht sein, um den Gar- bzw. Back-Raum 14 thermisch zu isolieren. Die Schicht aus einem thermisch isolierenden Material 27 kann ihrerseits in ein (nicht gezeigtes) Gehäuse eingeschlossen sein, das – sofern es vorhanden ist – typischerweise aus lackiertem oder mit Emaille beaufschlagtem Metall gebildet ist, wodurch ein freistehender Ofen 10 gebildet wird.
Der Ofen 10 schließt eine Frontplatte 28 ein, die die Außenumgebung der Öffnung, die in den Gar- bzw. Back-Raum 14 führt, umgibt und die sich bildet, wenn die Tür 26 in einer offenen Position ist, wie dies in 1 gezeigt ist. Die Frontplatte 28 schafft eine Abdicht-Oberfläche für eine Dichtung 30; diese Dichtung 30 ist auf der Innenfläche der Tür 26 befestigt und erstreckt sich um den Außenumfang der Innenfläche der Tür 26 und bildet so eine Dichtung zwischen der Innenfläche der Tür 26 und der Frontplatte 28, wenn die Tür 26 in geschlossener Position ist.
Die Tür 26 schließt allgemein eine Metallaußenplatte 29 ein, die das gestrichelt gezeichnete Isolationsmaterial 27 umgibt. Die Platte 29 kann eine lackierte oder mit Emaille beaufschlagte Metallplatte sein. Die Tür 26 ist über Gelenke befestigt und schließt weiter allgemein einen transparenten Abschnitt bzw. ein Fenster 24 ein, das in einem Rahmen 36 gehalten ist, um ein Hineinschauen in den Gar- bzw. Back-Raum 14 zu ermöglichen, wenn die Tür 26 in einer geschlossenen Position ist.
Wie erkannt werden kann, schließt der Ofen 10 einige weitere Komponenten ein, einschließlich Anlagen zum Heizen, Anlagen zur Temperaturkontrolle und dergleichen; diese sind zum Erkennen der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt nötig und sind daher in den Figuren nicht gezeigt.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung weist der Ofen 10 eine PASC-Beschichtung auf, die auf einer oder mehreren der Innenflächen und/oder Außenflächen des Ofens 10 abgeschieden ist. Beispielsweise können eine oder mehrere der Innenflächen des Gar- bzw. Koch-Raums 14, bzw. die Seitenwände 16 und 18, der Boden 20, die obere Wandung 22, die hintere Wandung 24, die Tür 26 und der transparente Abschnitt bzw. das Fenster 34, eine PASC-Beschichtung (eine photokatalytisch aktivierte selbstreinigende Beschichtung) einschließen. Auch die Frontplatte 28 kann eine darauf aufgebrachte PASC-Beschichtung aufweisen. Die linke Seite von 2, die mehr im Detail weiter unten erläutert wird, veranschaulicht PASC-Beschichtungen über den verschiedenen Innenflächen der Tür 26, während die rechte Seite von 2 PASC-Beschichtungen sowohl auf den verschiedenen Innenflächen als auch auf den verschiedenen Außenflächen der Tür 26 veranschaulicht. Es kann jedoch erkannt werden, daß dann, wenn die PASC-Beschichtung auf anderen Innenflächen oder Außenflächen des Ofens 10 eingeschlossen ist, die von denjenigen der Tür 26 verschieden sind, die PASC-Beschichtungen in einer ähnlichen Weise wie bei der eingeschlossen wären, die hier im Zusammenhang mit der Tür 26 diskutiert wird.
Noch spezieller ist ein Querschnitt durch die Tür 26 entlang der Linie 2-2 in 1 in 2 gezeigt. Dieser veranschaulicht die Tür 26, die einen transparenten Abschnitt bzw. ein Fenster 34 aufweist, das allgemein darin zentral innerhalb eines Rahmens 36 gehalten wird. Die Tür 26 schließt eine Außenplatte 29 ein, die allgemein der Innenfläche der Tür 26 gegenüberliegt und ein isolierendes Material 27 aufweist, das dazwischen angeordnet ist, wie dies gestrichelt in 2 gezeigt ist. Die Innenoberfläche 38 kann mit einer Emailleschicht 40 überzogen sein. PASC-Beschichtungen sind auf den Innenflächen der Tür 26 auf der linken Seite von 2 wie nachfolgend erläutert gezeigt. Ein PASC-Überzug 24 ist über der Emailleschicht 40 abgeschieden gezeigt, ein PASC-Überzug 43 ist über dem Rahmen 36 abgeschieden gezeigt, und ein PASC-Überzug 44 ist über der Innenfläche des Fensters 34 abgeschieden gezeigt.
In einer alternativen Ausführungsform, wie sie auf der rechten Seite von 2 gezeigt ist, können zusätzlich zu den PASC-Beschichtungen 42, 43 und 44 auf den Innenflächen der Tür 26 die Außenflächen der Tür 26 PASC-Beschichtungen wie folgt einschließen: die Außenplatte 29 des Ofens 10 kann auch mit einem PASC-Überzug 46 überzogen sein. In ähnlicher Weise kann die Außenoberfläche des Transparent-Teils bzw. des Fensters 34 mit einem PASC-Überzug 48 überzogen sein, und die Außenfläche des Rahmens 36 kann auch mit einer PASC-Beschichtung 50 überzogen sein. Die auf der rechten Seite von 2 gezeigte Ausführungsform sieht PASC-Beschichtungen sowohl auf der Innenfläche als auch auf der Außenfläche des Ofens 10 vor, jedoch können – wie erkannt wird – in alternativen Ausführungsformen die PASC- Überzüge nur auf der Innenfläche oder nur auf der Außenfläche des Ofens 10 eingeschlossen sein, z. B. wo auch immer eine Selbstreinigung erwünscht wird oder erforderlich ist.
Viele Substrate, insbesondere Glassubstrate, schließen Natriumionen ein, die von solchen Oberflächen in über solchen Substraten abgeschiedene Beschichtungen wandern können, insbesondere dann, wenn solche Substrate bei erhöhten Temperaturen gehalten werden (z. B. bei wenigstens oberhalb etwa 400°C (752°F)). Wenn Natriumionen in die PASC-Beschichtungen wandern, wird die photokatalytische selbstreinigende Aktivität solcher Beschichtungen reduziert, wenn nicht sogar eliminiert. Dieser Prozeß wird allgemein als „Natriumvergiftung" oder „Natriumionen-Vergiftung" der PASC-Beschichtungen bezeichnet. Eine Vergiftung durch Natriumionen kann verhindert werden entweder dadurch, daß man die PASC-Beschichtung dick genug macht, um ein Wandern durch die Beschichtung zu verhindern, oder dadurch, daß man eine Natriumionen-Diffusions-Barriereschicht (sodium ion diffusion barrier layer; SIDB layer) zwischen dem Substrat und der darauf abgeschiedenen PASC-Beschichtung anordnet. Die Druckschrift WO 98/41480 (Charles B. Greenberg et al) mit dem Titel „Photokatalytisch aktivierter selbstreinigender Gegenstand und Verfahren zu dessen Herstellung" (nachfolgend die „Anmeldung von Greenberg et al." genannt) enthält eine detaillierte Diskussion der Verringerung oder Eliminierung der Natriumionen-Vergiftung von PASC-Beschichtungen durch diese Verfahren.
In 3 sind PASC-Beschichtungen über den verschiedenen Innen- und Außen-Oberflächen der Tür 52 gezeigt. Die Tür 52 unterscheidet sich von der Tür 26 nur darin, daß die Tür 52 SIDB-Schichten zwischen jeder der PASC-Schichten und den Oberflächen der Tür 52 einschließt, über die PASC-Beschichtungen abgeschieden wurden, wie im folgenden dargelegt wird.
Es wird nun auf die Ausführungsform Bezug genommen, die auf der linken Seite von 3 gezeigt ist. Dort ist eine Tür 52 gezeigt, die SIDB-Schichten und PASC- Überzüge über ihren Innenflächen aufweist, die eine SIDB-Schicht 54 zwischen einer Emaille-Schicht 40 und einem PASC-Überzug 42 angeordnet einschließen, eine SIDB-Schicht 55 zwischen dem Rahmen 36 und der PASC-Beschichtung 43 angeordnet einschließen und eine SIDB-Schicht 56 zwischen der Innenoberfläche des transparenten Teils bzw. Fenster 34 und der PASC-Beschichtung 44 angeordnet einschließen.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie auf der rechten Seite von 3 gezeigt ist, kann die Tür 52 zusätzlich zu den beschriebenen PASC-Beschichtungen und SIDB-Schichten über den Innenflächen der Tür 52 eine SIDB-Schicht 58, die zwischen der PASC-Beschichtung 46 und der Außenplatte 29 angeordnet ist, und eine SIDB-Schicht 60, die zwischen dem Rahmen 36 und der PASC-Beschichtung 50 angeordnet ist, und/oder eine SIDB-Schicht 62, die zwischen der Außenoberfläche und dem Transparent-Teil bzw. Fenster 34 und der PASC-Beschichtung 48 angeordnet ist, einschließen.
Zwar sind die 2 und 3 und die damit verbundenen Diskussionen auf die Türen 26 und 52 gerichtet; wie jedoch von Fachleuten mit Sachverstand in diesem technischen Bereich erkannt wird, kann dieselbe Anordnung von Natriumionen-Diffusions-Barriereschichten und PASC-Beschichtungen, wie sie über den Türen 26 und 52 gezeigt ist, auch angewendet werden, wenn solche Schichten und Überzüge über den Seitenwänden 16 und 18, dem Boden 20, der oberen Wand 22, der hinteren Wand 24 des Gar- bzw. Back-Raums 14 oder irgendeiner der Außenoberflächen des Ofens 10 aufgebracht sind.
PASC-Überzüge, die mit der vorliegenden Erfindung verträglich sind, schließen photokatalytisch aktivierte, selbstreinigende Oxide im allgemein ein und können noch spezieller gewählt sein aus, sind jedoch nicht beschränkt auf Titanoxide, Eisenoxide, Silberoxide, Kupferoxide, Wolframoxide, Aluminiumoxide, Siliciumoxide, Zinkstannate, Molybdänoxide, Zinkoxide, Strontiumtitanat und Mischungen daraus. Wie von Fachleuten mit Sachverstand in diesem technischen Bereich erkannt wird, kann das Metalloxid Oxide oder Suboxide des Metalls einschließen.
Eine bevorzugte PASC-Beschichtung ist Titandioxid. Titandioxid existiert in einer amorphen Form und drei kristallinen Formen, nämlich in den Formen Anatas, Rutil und Brookit. Titanoxide, insbesondere Titanoxid der Anatas-Phase, ist bevorzugt, da es die stärkste PASC-Aktivität zeigt, d. h. es zeigt eine geeignete Bandlücke (d. h. etwa 360 nm), wie sie für ein photokatalytisch aktiviertes Selbstreinigen erforderlich ist, und weist eine ausgezeichnete chemische und physikalische Beständigkeit auf. Weiter weist es Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich des Spektrums auf, was es nützlich zur Verwendung auf einem Transparent-Teil bzw. Fenster macht. Die Rutil-Form zeigt auch PASC-Aktivität. Kombinationen der Anatas- und/oder Rutil-Phase mit dem Brookit und/oder amorphen Phasen sind annehmbar für die vorliegende Erfindung, vorausgesetzt, die Kombination zeigt PASC-Aktivität. Eine Diskussion des Induzierens und Messens der photokatalytisch aktivierten Selbstreinigungs-Aktivität und eine Diskussion darüber, was einen ausreichenden Wert von PASC darstellt, um eine Oberfläche mit „selbstreinigend" zu bezeichnen, werden nachfolgend diskutiert.
SIDB-Schichten, die mit der vorliegenden Erfindung kompatibel sind, schließen amorphe oder kristalline Metalloxide einschließlich Metalloxiden wie beispielsweise Cobaltoxiden, Chromoxiden und Eisenoxiden, Zinnoxiden, Siliciumoxiden, Titanoxiden, Zirconiumoxiden, Fluor-dotierten Zinnoxiden, Aluminiumoxiden, Magnesiumoxiden, Zinkoxiden und Mischungen daraus ein. Mischungen schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf Magnesium-/Aluminiumoxide und Zink-/Zinnoxide. Wie von Fachleuten in diesem technischen Bereich erkannt wird, kann das Metalloxid Oxide oder Suboxide des Metalls einschließen.
Über die Betrachtungen hinsichtlich der Vergiftung mit Natrium-Ionen hinaus muß der PASC-Überzug ausreichend dick sein, um einen akzeptablen Wert der PASC-Aktivität zu liefern. Es gibt keinen absoluten Wert, der den PASC-Überzug „akzeptabel" oder „nicht-akzeptabel" macht, da die Frage, ob ein PASC-Überzug einen akzeptablen Wert der PASC-Aktivität aufweist, bestimmt wird durch den Zweck und die Bedingungen, unter denen der mit einem PASC-Überzug versehene Gegenstand verwendet wird, und die Leistungsstandards, die in Verbindung mit diesem Zweck gewählt werden. Allgemein liefern dickere PASC-Überzüge eine höhere PASC-Aktivität. Jedoch können andere Betrachtungen dafür sprechen, einen dünneren Überzug vorzusehen, wie beispielsweise eine erhöhte Transparenz des Gegenstands aus ästhetischen oder optischen Gründen; die Erwartung, daß sich die Oberfläche kontaminierende Stoffe auf der Oberfläche des Gegenstandes ansammeln, die beispielsweise um so leichter entfernt werden, je dünner der PASC-Überzug ist; die Dauer und Intensität des ultravioletten Lichts, von dem erwartet wird, daß es den PASC-Überzug bestrahlt, wo beispielsweise erwartet wird, daß der Gegenstand starker W-Licht-Strahlung ausgesetzt ist, kann der PASC-Überzug dünner sein und immer noch eine ausreichende PASC-Aktivität liefern. Noch andere Faktoren, wie beispielsweise die Natur des Substrats, kann Überlegungen zur Dicke des PASC-Überzugs beeinflussen, z. B. ob das Substrat den PASC-Überzug einer Natriumionen-Vergiftung aussetzt oder nicht. Für eine große Vielzahl von Anwendungen ist es bevorzugt, daß der PASC-Überzug eine Dicke von wenigstens etwa 200 Angström (nachfolgend angegeben als Å) aufweist, vorzugsweise eine Dicke von wenigstens etwa 400 Å und noch mehr bevorzugt eine Dicke von wenigstens etwa 500 Å. Es wurde gefunden, daß dann, wenn das Substrat ein Stück aus Float-Glas ist, ein PASC-Überzug aus einem Anatas-Titandioxid-PASC-Überzug, der direkt über dem Float-Glas-Stück ohne SIDB-Schicht ausgebildet wird, mit einer Dicke von wenigstens etwa 500 Å, eine PASC-Reaktionsgeschwindigkeit im Bereich von etwa 2 bis 5 × 10³ reziproken Zentimetern, × reziproken Minuten (nachfolgend bezeichnet als „cm^–1 min^–1") liefert. Eine PASC-Reaktionsgeschwindigkeit in dem vorstehend aufgezeigten Bereich ist annehmbar für einen großen Bereich von Anwendungen.
Zwar schwankt die Dicke der SIDB-Schicht, die erforderlich ist, um ein Natriumionen-Vergiften des PASC-Überzugs zu verhindern, mit verschiedenen Faktoren, einschließlich der Chemie der SIDB-Schicht, der Zeitdauer und Temperatur, bei der ein Substrat gehalten wird, der Natur des Substrats und der Geschwindigkeit der Natriumionen-Wanderung von dem Substrat, der Dicke der PASC-Beschichtung und dem Grad an photokatalytischer Aktivität, die für eine gegebene Anwendung erforderlich ist; jedoch sollte typisch für die meisten Anwendungen die Dicke der SIDB-Schicht im Bereich von etwa 100 Å liegen, vorzugsweise bei wenigstens etwa 250 Å und noch mehr bevorzugt bei wenigstens etwa 500 Å, um ein Vergiften der PASC-Überzugsschicht mit Natriumionen zu verhindern.
PASC-Beschichtungen und/oder SIDB-Schichten, die mit der vorliegenden Erfindung verträglich sind, können auf den verschiedenen Oberflächen des Ofens 10 durch das Sol-Gel-Verfahren, durch das Aufsprüh-Pyrolyse-Verfahren, durch das Verfahren der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase (nachfolgend bezeichnet als „CVD") oder durch das Magnetronsputter-Vakuumabscheide-Verfahren (nachfolgend bezeichnet als „MSVD") gebildet werden. Die PASC-Beschichtungen und/oder SIDB-Schichten können über den Oberflächen der Komponenten des Ofens 10 gebildet werden, nachdem die Komponenten hergestellt wurden und bevor oder nachdem die Komponenten zu dem Ofen 10 zusammengebaut wurden. Alternativ dazu können die PASC-Beschichtungen und/oder SIDB-Schichten auf den flachen Blechen gebildet werden, die dann zu den Komponenten des Ofens 10 ausgebildet werden, vorausgesetzt, daß der Prozeß des Ausbildens der flachen Bleche zu den Komponenten des Ofens 10 oder der Prozeß des Zusammenbauens der Komponente unter Bildung des Ofens 10 nicht merklich die PASC-Beschichtungen und/oder SIDB-Schichten beschädigt, die auf den verschiedenen Oberfläche der Komponenten ausgebildet wurden.
Allgemein wird bei einem Sol-Gel-Prozeß eine kolloidale Suspension (das Sol) gebildet und wird auf einer Oberfläche etwa bei Raumtemperatur aufgebracht, und diese Schicht wird dann durch Aufbringen von Wärme in ein Gel umgewandelt. Noch spezieller wird in den Fällen, in denen der PASC-Überzug ein Titandioxid-PASC-Überzug ist und durch den Sol-Gel-Prozeß gebildet wird, eine Titanmetal enthaltende Vorstufe auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Die Titanmetall enthaltende Vorstufe kann in Form einer nicht-kristallisierten Sol-Lösung auf Basis eines Alkohol-Lösungsmittels vorliegen. Die Sol-Lösung kann Titan als Titanalkoxid in dem Alkohol-Lösungsmittel einschließen, das über diese Oberflächen des Ofens 10 aufgebracht wird, von denen gewünscht wird, daß sie selbstreinigend sind. Dies kann geschehen durch Sprühen, Spinnen oder Eintauch-Beschichten. Die Sol-Lösung wird dann erhitzt, allgemein mit einer Geschwindigkeit von etwa 50°C pro Minute, auf eine Temperatur im Bereich von etwa 100 bis 400°C (212°F bis 752°F), vorzugsweise auf wenigstens etwa eine Temperatur von 500°C (932°F), und sie wird dann allgemein bei der Temperatur für etwa 1 h gehalten, um die Sol-Lösung zu einem kristallinen Titandioxid-PASC-Überzug (das Gel) zu calcinieren.
In den Fällen, in denen der PASC-Überzug durch das Sprüh-Pyrolyse-Verfahren gebildet wird, kann er als Suspension von relativ Wasser-unlöslichen metallorganischen Überzugs-Reaktanden in einem wäßrigen Medium gebildet werden. Eine wäßrige Suspension, die durch Sprüh-Pyrolyse aufgebracht wird, schließt eine Metallacetylacetonat-Verbindung ein, die in einem wäßrigen Medium mit einem chemischen Befeuchtungsmittel suspendiert ist. Wäßrige Suspensionen für eine pyrolytische Abscheidung von metallhaltigen Filmen sind beschrieben in dem US-Patent Nr. 4,719,127, insbesondere Spalte 2, Zeile 16, bis Spalte 4, Zeile 48. Das Metallacetylacetonat kann durch einen Prozeß gemahlen werden, der in diesem technischen Bereich als „Strahl-Mahlen" und/oder „Naß-Mahlen" bekannt ist, und zwar auf eine Teilchengröße von weniger als etwa 10 Micron. Das Metallacetylacetonat (z. B. Titanylacetylacetonat (TiO (C₅H₇O₂)₂) bei einem Titandioxid-PASC-Überzug) wird dann unter Rühren einem wäßrigen Medium zugesetzt, das das Befeuchtungsmittel enthält, worauf eine wäßrige Suspension gebildet wird. Die relative Konzentration an Metallacetylacetonat in der wäßrigen Suspension liegt allgemein im Bereich von etwa 5 bis 40 Gew.-% der wäßrigen Suspension. Das wäßrige Medium der wäßrigen Suspension ist vorzugsweise destilliertes oder entionisiertes Wasser. Geeignete Befeuchtungsmittel schließen irgendein relativ wenig schäumendes oberflächenaktives Mittel bzw. Tensid ein. Das Befeuchtungsmittel kann eine anionische, nicht-ionische oder kationische Zusammensetzung sein, jedoch ist eine nicht-ionische bevorzugt. Das Befeuchtungsmittel wird typischerweise zugesetzt in einer Menge von etwa 0,24 Gew.-%, doch kann die Menge im Bereich von etwa 0,01 Gew.-% bis 1 Gew.-% oder mehr liegen.
Die wäßrige Suspension wird durch eine Pyrolysespray-Anlage zur Oberfläche des Substrats befördert, während das Substrat bei einer Temperatur zum pyrolytischen Zersetzen des Metallacetylacetonats unter Bildung einer kristallinen Metalloxid-PASC-Beschichtung gehalten wird, z. B. bei wenigstens etwa 400°C (752°F), noch mehr bevorzugt bei wenigstens etwa 500°C (932°F). Wie erkannt wird, sind die Zusammensetzung und Konzentration der unter Pyrolysebedingungen aufgesprühten wäßrigen Suspension, die Durchlaufgeschwindigkeit des Substrats, das unter der Sprühpyrolyse-Anlage durchläuft, oder umgekehrt die Geschwindigkeit des Streichens der Sprühpyrolyse-Anordnung über eine stationäre Oberfläche, die Zahl der Pyrolyse-Sprühpistolen, die zu beschichtende Fläche, der Sprühdruck oder das Volumen, das Sprüh-Muster und die Temperatur der Oberfläche des Substrats zum Zeitpunkt der Abscheidung der unter Pyrolysebedingungen aufgesprühten wäßrigen Suspension alle Parameter, die die End-Dicke und Morphologie der Metalloxid-PASC-Überzüge beeinflussen, die auf den verschiedenen Flächen des Ofens 10 durch dieses Verfahren gebildet werden. PASC-Überzüge, die durch Sprühpyrolyse gebildet werden, sind beschrieben in der Druckschrift WO 98/41480.
Ein PASC-Überzug aus Titandioxid kann durch das CVD-Verfahren als Titan-Metall enthaltende Vorstufe aufgebracht werden, die von einem Trägergas getragen wird, das über eine Oberfläche des Ofens 10 gerichtet wird, während die Oberfläche bei einer Temperatur gehalten wird, die die pyrolytische Zersetzung der Titanmetall-haltigen Vorstufe und die Bildung des kristallinen Titandioxid-PASC-Überzugs auf der Oberfläche erleichtert. Die Oberflächentemperatur zur Erleichterung der Zersetzung liegt bevorzugt bei wenigstens etwa 400°C (752°F} und noch mehr bevorzugt bei wenigstens etwa 500°C (932°F). Metallhaltige Vorstufen, die mit dem CVD-Verfahren kompatibel sind, schließen ein: Titantetraisopropoxid (Ti(OC₃H₇)₄) (nachfolgend bezeichnet als „TTIP", Titantetraethoxid (Ti(OC₂H₅)₄) (nachfolgend bezeichnet als „TTEt"), Titantetrachlorid (TiCl₄) oder Mischungen daraus. Ein bevorzugtes Trägergas ist das Trägergas Stickstoff (N₂). Die Konzentration der metallhaltigen Vorstufe in dem Trägergas, die Geschwindigkeit der Strömung des Trägergases, die Durchlaufgeschwindigkeit des Substrates, das unter der CVD-Beschichtungsanlage durchläuft, oder umgekehrt die Geschwindigkeit des Streichens der CVD-Beschichtungsvorrichtung über ein stationäres Substrat, die zu beschichtende Oberfläche, die Natur der gewählten metallhaltigen Vorstufe und die geforderte oder erwünschte PASC-Aktivität sind alles Faktoren, die die End-Dicke und -Morphologie der auf den verschiedenen Oberflächen des Ofens 10 durch dieses Verfahren gebildeten Metalloxid-PASC-Überzüge beeinflussen. PASC-Überzüge, die durch das CVD-Verfahren gebildet werden, werden beschrieben in der Druckschrift WO 98/41480.
Wenn der PASC-Überzug ein Titandioxid-PASC-Überzug ist, der durch das MSVD-Verfahren gebildet wird, kann ein Target, das aus Titanmetall besteht, in einer Argon/O₂-Atmosphäre gesputtert werden, die etwa 5 bis 50% Sauerstoff einschließt, vorzugsweise etwa 20% Sauerstoff einschließt. Dies geschieht bei einem Druck von etwa 5 bis 10 Millitorr (mTorr) unter Bildung einer Titandioxid-Beschichtung der gewünschten Dicke, allgemein wenigstens etwa 500 Å. Zwar ist es möglich, die Oberfläche des Substrats zu erhitzen und so während des Sputter-Prozesses einen kristallinen Titandioxid-PASC-Überzug auszubilden; allgemein ist es jedoch bevorzugt, das Substrat zu erhitzen, nachdem das Substrat aus der MSVD-Beschichtungsvorrichtung entfernt wurde. Das abgekühlte Substrat wird auf eine Temperatur im Bereich von etwa 450°C bis 600°C (842°F bis 1112°F) für eine Zeitdauer erhitzt, die ausreichend ist, um die Bildung der kristallinen Anatas-Form von Titandioxid zu fördern und so den PASC-Überzug bereitzustellen. Allgemein ist eine Zeit bei einer Temperatur von wenigstens etwa einer Stunde bevorzugt. Alternativ kann der Titanoxid-PASC-Überzug in kristalliner Form auf der Oberfläche eines Substrats in der MSVD-Beschichtungsvorrichtung direkt und ohne nachträgliche Heizbehandlung durch Wachsen aufgebracht werden, wenn man ein Plasma hoher Energie verwendet.
SIDB-Schichten, die mit der vorliegenden Erfindung verträglich sind, können in ähnlicher Weise auf den verschiedenen Oberflächen des Ofens 10 durch das Sol-Gel-Verfahren, durch das Sprüh-Pyrolyse-Verfahren, durch das CVD-Verfahren oder durch das MSVD-Verfahren gebildet werden.
In den Fällen, in denen die SIDB-Schicht Zinnoxid einschließt und durch das Sprüh-Pyrolyse-Verfahren gebildet wird, kann eine wäßrige Suspension aus Dibutylzinndifluorid [(C₄H₉)₂SnF₂] und Wasser auf ein Substrat über Sprüh-Pyrolyse aufgebracht werden. Die wäßrige Suspension enthält typischerweise zwischen 100 und 400 g Dibutylzinndifluorid pro Liter Wasser; wie jedoch erkannt, kann dieses Verhältnis modifiziert werden, um eine dickere oder dünnere SIDB-Schicht bereitzustellen, wenn dies erforderlich ist oder gewünscht wird. Befeuchtungsmittel können als Mittel zur Verbesserung der Suspension verwendet werden. Während der Herstellung der wäßrigen Suspension können die Dibutylzinndifluorid-Teilchen auf eine mittlere Teilchengröße von 1 bis 10 Micron gemahlen werden. Die wäßrige Suspension wird vorzugsweise kräftig bewegt, um so eine einheitliche Verteilung der Teilchen in der Suspension sicherzustellen. Die wäßrige Suspension wird durch Sprüh-Pyrolyse auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht, das bei einer Temperatur im Bereich von etwa 600°C bis 700°C ist (1112F bis 1292°F). Daraufhin pyrolysiert die wäßrige Suspension unter Bildung einer Zinnoxid-SIDB-Schicht. SIDB-Schichten, die durch das Sprühpyrolyseverfahren gebildet werden, sind beschrieben in der Druckschrift WO 98/41480.
In den Fällen, in denen die SIBD-Schicht Zinnoxid einschließt und durch das CVD-Verfahren gebildet wird, kann sie aus einer metallhaltigen Vorstufe aus einem Dampf aus Monobutylzinntrichlorid (nachfolgend bezeichnet als „MBTTCL") in einem Luft umfassenden Trägergas abgeschieden werden, das mit Wasserdampf gemischt wird, der auch in Luft als Träger transportiert wird. Wie erkannt wird, ist die Konzentration an MBTTCL und Wasserdampf in dem Luft umfassenden Trägergas abhängig von mehreren Faktoren einschließlich der Dicke der gewünschten SIDB-Schicht, der mit der CVD-Anlage möglichen Aufbringungsgeschwindigkeit, der Größe der zu beschichtenden Oberfläche, der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, der Tendenz des Substrats, eine Wanderung von Natriumionen zuzulassen, neben anderen Faktoren. Eine detaillierte Diskussion von SIDB-Schichten, die durch das CVD-Verfahren gebildet werden, kann gefunden werden in der Druckschrift WO 98/41480.
In den Fällen, in denen die SIDB-Schicht durch das MSVD-Verfahren gebildet wird, kann eine SIDB-Schicht aus Zinnoxid oder Siliciumoxid durch Sputtern eines Zinnhaltigen oder Silicium-haltigen Kathoden-Targets jeweils in einer Atmosphäre aus etwa 5 bis 80% Sauerstoff bei einem Druck von etwa 5 bis 10 Millitorr (mTorr) gebildet werden. Wenn es erwünscht ist, die Zinnoxid- oder Siliciumoxid-SIDB-Schicht entweder gleichzeitig mit dem Sputtern oder im Anschluß daran zu kristallisieren, kann die Oberfläche des Substrats, auf die die SIDB-Schicht aufgesputtert wurde, erhitzt werden. Eine Temperatur von wenigstens etwa 400°C (752°F) und vorzugsweise von wenigstens etwa 500°C (932°F) für wenigstens etwa eine Stunde ist bevorzugt. Die Druckschrift EP 0 787 696 mit dem Titel „Alkalimetall-Diffusions-Barriereschicht" offenbart die Bildung von Alkalimetall-Diffusions-Barrieren durch Magnetron-Sputtern. Darin wird gelehrt, daß die Barriereschicht allgemein wirksam ist bei einer Dicke von etwa 20 Å bis etwa 180 Å, wobei die Wirksamkeit ansteigt, wenn die Dichte der Barriereschicht ansteigt. Die Ausbildung einer SIDB-Schicht durch das MSVD-Verfahren ist auch beschrieben in der Druckschrift WO 98/41480.
In den Fällen, in denen die oben beschriebenen PASC-Schichten auf Oberflächen des Ofens 10 zugegen sind, unabhängig davon, ob sie eine SIDB-Schicht einschließen oder nicht, werden diese Flächen selbstreinigend gemacht bei Bestrahlung mit Strahlung der passenden Wellenlänge und der passenden Intensität für einen ausreichenden Zeitraum. In den Fällen, in denen eine PASC-Aktivität durch ultraviolette Strahlung induziert wird, kann die Quelle der ultravioletten Strahlung eine natürliche Quelle (z. B. Sonnenstrahlung) oder eine künstliche Quelle sein. Eine künstliche Quelle ist bevorzugt, da ihre Intensität und die Bestrahlungsintervalle leichter kontrolliert werden.
In den Fällen, in denen die PASC-Beschichtung eine Titandioxid-PASC-Beschichtung ist, ist die Strahlung, die auf photokatalytischem Wege die Selbstreinigungsaktivität aktiviert, ultraviolette Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 300 bis 400 Nanometern (nachfolgend abgekürzt als „nm").
Künstliche Ultraviolett-Bestrahlungsquellen schließen eine Schwarz-Licht-Quelle ein. Eine alternative Lichtquelle ist erhältlich von der Firma Q-Panel-Company aus Cleveland (Ohio) unter der Modell-Bezeichnung „UVA-340". Die Intensität der ultravioletten Strahlung, die auf den PASC-Überzug auftrifft, wird so gewählt, daß dadurch eine gewünschte Selbstreinigungsaktivität erhalten wird. Intensitäten innerhalb des Bereichs von 5 bis 100 Watt pro Quadratmeter (nachfolgend abgekürzt als „W/m²"), vorzugsweise Intensität von wenigstens etwa 10 W/m² und noch mehr bevorzugt von wenigstens etwa 20 W/m², gemessen an der PASC-Überzugsfläche, sind erwünscht. Die Intensität kann beispielsweise gemessen werden mit einem Ultraviolett-Meßgerät wie mit demjenigen, das unter der Marke BLACK-RAY^® von der Firma Ultraviolet Products, Inc. aus San Gabriel, CA, unter der Modellbezeichnung J-221 vertrieben wird.
Wie in 1 gezeigt ist, kann eine Ultraviolett-Strahlungsquelle 70 im Inneren des Ofens 10 innerhalb des Gar- bzw. Back-Raums 14 als integrale Komponente des Ofens 10 eingeschlossen sein. In dieser Ausführungsform kann die interne integrale Ultraviolett-Strahlungsquelle 70 in irgendeiner visuellen Weise aktiviert/deaktiviert werden, die einschließt, jedoch nicht beschränkt ist auf einen Schalter für das Einschalten bzw. Ausschalten von Hand, einen Fernsteuer-Schalt-Mechanismus, der die integrale Ultraviolett-Strahlungsquelle 70 aktiviert, wenn die Türen 26 oder 52 geöffnet oder geschlossen werden, oder einen mechanischen oder elektrischen Zeitschalter. Der Ofen 10 kann entweder eine einzige interne integrale Ultraviolett-Strahlungsquelle 70 einschließen, oder er kann eine Mehrzahl von internen integralen Ultraviolett-Strahlungsquellen 70, 72, 74, 76 einschließen, um eine einheitliche Ultraviolett-Bestrahlung aller Oberflächen des Gar- bzw. Back-Raums 14 des Ofens 10 sicherzustellen. Noch spezieller kann in den Fällen, in denen der Gar- bzw. Back-Raum 14 eines Ofens 10 einige Oberflächen aufweist, was den Einfallswinkel der ultravioletten Strahlung auf die PASC-Beschichtungen) beeinträchtigt, mehr als eine intregrale ultraviolette Strahlungsquelle bevorzugt sein, die im Bereich des Gar- bzw. Back-Raums 14 räumlich angeordnet ist, um sicherzustellen, daß alle Oberflächen eine ausreichende Menge an ultravioletter Strahlung aufnehmen.
In den Fällen, in denen Außenflächen des Ofens 10 PASC-Beschichtungen darauf aufgebracht aufweisen, kann entweder natürliche ultraviolette Strahlung (d. h. Sonnenstrahlung) und/oder eine oder mehrere äußere künstliche Ultraviolett-Strahlungsquelle(n) 78 verwendet werden, um die PASC-Beschichtungen photokatalytisch zu aktivieren. Die extreme künstliche Ultraviolett-Strahlungsquelle kann eine integrale Komponente des Ofens 10 sein, oder sie kann eine nicht-integrale Quelle sein, die frei im Bereich der Innen- und Außen-Flächen des Ofens 10 bewegt werden kann. Solche äußeren Ultraviolett-Strahlungsquellen, gleichgültig ob integral oder nicht-integral, können manuell oder automatisch, mit Fernsteuerungsschaltern, elektrischen oder mechanischen Zeitschaltuhren und dergleichen aktiviert werden.
Die Dauer und Intensität, für die die Ultraviolett-Strahlungsquelle aktiviert werden muß, hängt von einer Zahl von Faktoren ab, einschließlich des Typs der Oberfläche, auf die der PASC-Überzug aufgebracht ist, der Dicke der PASC-Beschichtung, der Dicke, Bildungsgeschwindigkeit und des Aufbaus der organischen verunreinigenden Stoffe, die sich auf dem PASC-Überzug angesammelt haben, dem Einfallswinkel der ultravioletten Strahlung auf den PASC-Überzug, der Intensität der ultravioletten Strahlungsquelle an der Oberfläche des PASC-Überzugs, der Natur der Funktion des Geräts selbst, der gewünschten oder erforderlichen PASC-Reaktionsgeschwindigkeit, dem Grad, gemäß dem die ultraviolette Strahlung durch Substrat und/oder irgendeinen der darauf vorhandenen Überzüge oder Schichten reflektiert oder absorbiert werden kann, um nur wenige zu nennen. Daher ist es nicht möglich, allgemein eine festgesetzte Zeitdauer oder Intensität vorzuschreiben, für die die ultraviolette Strahlungsquelle aktiviert werden muß, um einen Vorgang der Selbstreinigung zu erhalten. Jedoch wird für viele Anwendungen die ultraviolette Strahlungsquelle vorzugsweise aktiviert für wenigstens etwa 1 bis 15 Stunden jeden Tag bei einer Intensität von wenigstens etwa 20 W/m² an der Oberfläche der PASC-Beschichtung, um sicherzustellen, daß die gesamte angesammelte Menge an organischen kontaminierenden Substanzen auf dem PASC-Überzug mineralisiert ist.
Es ist nützlich, die Wirksamkeit der photokatalytischen Selbstreinigung oder die Aktivität des PASC-Überzugs bzw. der PASC-Überzüge, die auf den verschiedenen Oberflächen des Ofens 10 gebildet sind, messen und vergleichen zu können. Um die PASC-Aktivität bewerten zu können, kann eine bekannte, leicht erhältliche organische kontaminierende Substanz auf den PASC-Überzug aufgebracht werden, gefolgt von einer photokatalytischen Aktivierung der PASC-Beschichtung. Daraufhin wird das Vermögen der PASC-Beschichtung zum Entfernen des organischen kontaminierenden Stoffes beobachtet und gemessen. Stearinsäure, CH₃(CH₂)₁₆COOH, ist ein Modell einer organischen „kontaminierenden Substanz" zum Test der PASC-Aktivität von PASC-Beschichtungen, da Stearinsäure eine Carbonsäure mit einer langen Kohlenwasserstoffkette ist und daher ein gutes „Modell-Molekül" für solche Substanzen ist, wie sie in üblichen kontaminierenden Stoffen, wie beispielsweise Haushaltsölen und -schmutz zugegen sind. Die Stearinsäure kann auf den PASC-Überzug in Form eines dünnen Test-Films durch irgendeine passende Verfahrensweise aufgebracht werden, einschließlich Eintauchen, Aufsprühen oder Spin-Coating über dem PASC-Überzug. Allgemein liefern Stearinsäure-Testfilme, deren Dicke im Bereich von 10 Nanometer bis etwa 20 Nanometer liegt, einen passenden Testfilm. Der Stearinsäure-Testfilm kann aufgebracht werden in Form einer Stearinsäure/Methanol-Lösung. Es wurde gefunden, daß eine Lösung mit einem Verhältnis Stearinsäure/Methanol von 6 × 10^–3 m/l zufriedenstellend ist.
Die PASC-Aktivität auf einem auf einer Oberfläche eines Ofens 10 gebildeten PASC-Beschichtung kann qualitativ abgeschätzt werden durch Überziehen der PASC-Beschichtung mit einem Stearinsäure-Testfilm in Übereinstimmung mit den vorstehenden Angaben, Bestrahlen des mit Stearinsäure beschichteten PASC-Überzugs mit ultravioletter Strahlung aus einer Quelle für ultraviolette Strahlung bei einer gewünschten Intensität für einen gewünschten Zeitraum und Untersuchen des mit Stearinsäure beschichteten PASC-Überzugs mit dem bloßen Auge entweder auf das vollständige Verschwinden des Stearinsäure-Testfilms (dieser Film erscheint allgemein als hellbrauner Überzug, wenn er auf dem PASC-Überzug aufgebracht wird) oder auf ein Zurückgehen der Dunkelheit des Stearinsäure-Testfilms im Vergleich mit einem Abschnitt des Stearinsäure-Testfilms, der auf den PASC-Überzug aufgebracht wurde, jedoch nicht ultravioletter Strahlung ausgesetzt wurde.
Die PASC-Aktivität eines PASC-Überzugs, der auf einer Oberfläche eines Ofens 10 gebildet wurde, kann auch quantitativ gemessen werden durch Messen der integrierten Intensität der Kohlenstoff-Wasserstoff-Streck-Vibrations-Absorptionsbanden (nachfolgend „C-H"-Banden) der auf dem PASC-Überzug vorhandenen Stearinsäure. Die integrierte Intensität ist gleich groß wie die Menge an Stearinsäure-Testfilm, die auf der Oberfläche des PASC-Überzugs geblieben ist, und ein Entfernen des Stearinsäure-Testfilms durch photokatalytisch aktiviertes Selbstreinigen resultiert – wie zu erwarten ist – in einem Rückgang der Intensität der C-H-Streck-Vibrations-Bande. Die C-H-Bindungen, die in der Stearinsäure vorhanden sind, absorbieren Infrarot-Strahlung (die – im Unterschied zu ultravioletter Strahlung – den PASC-Überzug nicht photokatalytisch aktiviert). Diese Absorption erfolgt allgemein bei Wellenzahlen zwischen 2800 und 3000 cm^–1 und kann gemessen werden mit einer Vorrichtung wie beispielsweise einem Fourier-Transform-Infrarot-Spektrometer (nachfolgend bezeichnet als „FTIR"). Das FTIR-Spektrophotometer kann mit einem Detektor wie beispielsweise einem deuterierten Triglycinsulfat-Detektor (nachfolgend abgekürzt als „DTGS") oder einem Quecksilbercadmiumtellurid-Detektor (nachfolgend abgekürzt als „MCT") ausgestattet sein. Der MCT-Detektor ist bevorzugt, da er ein viel höheres Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis liefert als der DTGS-Detektor. Dies kann in den Fällen wichtig sein, in denen das Substrat und/oder andere Überzüge, die über den PASC-Überzug hinaus vorhanden sind, in der Weise wirken, daß sie infrarote Strahlung absorbieren, die von dem Spektrophotometer zur Erzeugung des Absorptionsspektrums verwendet wird. In den Fällen, in denen Infrarot-Strahlung von dem Substrat und/oder anderen vorhandenen Überzügen absorbiert wird, wird die Intensität des Strahls der Infrarotstrahlung, der durch die Stearinsäure zum Detektor durchtritt, dramatisch verringert. Kommt dies mit der niedrigen Konzentration an Stearinsäure zusammen, die auf der Oberfläche des PASC-Überzugs vorhanden ist, der ein sehr schwaches Infrarot-Strahlungs-Absorptionssignal erzeugt, ist das resultierende Infrarot-Strahlungssignal nicht besonders intensiv. Daher liefert ein Instrument, das mit dem MCT-Detektor ausgestattet ist, ein Spektrum, bei dem das Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis etwa eine Größenordnung höher ist als bei Instrumenten, die mit DTGS-Detektoren ausgestattet sind. Bei Messung der PASC-Aktivität transparenter Filme und Substrate kann die Infrarotstrahlung durch den Verbund aus Stearinsäure-Testfilm, PASC-Beschichtung und Substrat und/oder irgendwelche anderen vorhandenen transparenten Filme und Überzüge in den Detektor hindurchtreten. In den Fällen, in denen die Filme oder Substrate den Durchtritt der Infrarotstrahlung nicht erlauben, kann der Strahl der infraroten Strahlung auf die Oberfläche in einem bestimmten Winkel gerichtet werden, kann durch den Stearinsäure-Testfilm hindurchtreten und kann von der zu testenden Probe abreflektiert werden, statt durch die Probe in einen Detektor hindurchzutreten. Dieses letztgenannte Verfahren ist bekannt als Reflexions-IR-Spektroskopie.
Die PASC-Reaktionsgeschwindigkeit kann für einen PASC-Überzug bestimmt werden durch Messen der Geschwindigkeit, mit der der PASC-Überzug in der Lage ist, einen Stearinsäure-Testfilm zu entfernen, der auf dem PASC-Überzug vorhanden ist, wenn der PASC-Überzug ultravioletter Strahlung ausgesetzt wird. Noch spezieller liefert die Geschwindigkeit der Abnahme der integrierten Intensität der C-H-Streck-Vibrationsbande (direkt proportional der Bedeckung der Oberfläche) über eine akkumulierte Zeit der Belichtung mit ultravioletter Strahlung die PASC-Reaktionsgeschwindigkeit. Beispielsweise wird eine anfängliche PASC-Aktivität mit dem FTIR-Spektrophotometer für einen Stearinsäure-Testfilm gemessen, der auf dem PASC-Überzug zugegen ist. Der Stearinsäure-Testfilm kann bei dieser anfänglichen PASC-Aktivitätsmessung ultravioletter Strahlung ausgesetzt worden sein oder auch nicht. Der mit Stearinsäure beschichtete PASC-Überzug wird dann ultravioletter Strahlung für ein gemessenes Zeitintervall ausgesetzt, in dessen Ende eine zweite PASC-Aktivitätsmessung mit dem FTIR-Spektrophotometer durchgeführt wird. Die integrierte Intensität der C-H-Streck-Vibrationen bei der zweiten Messung wird erwartungsgemäß niedriger sein als bei der ersten Messung, und zwar aufgrund der Tatsache, daß eine Teilmenge des Stearinsäure-Testfilms bei der Belichtung mit ultravioletter Strahlung entfernt wurde. Aus diesen beiden Messungen kann eine Kurve aus integrierter Intensität der C-H-Streck-Vibrationen gegen die Zeit aufgetragen werden, deren Steigung die PASC-Reaktionsgeschwindigkeit liefert. Zwar reichen zwei Punkte aus, um eine Kurve zu liefern; jedoch ist es bevorzugt, daß einige FTIR-Messungen während des Verlaufs der PASC-Aktivitätsmessung aufgenommen werden, um eine genauere Kurve zu liefern. Zwar kann die Dauer der Belichtung mit ultravioletter Strahlung zwischen den Messungen konstant gehalten oder variiert werden, da es die kumulierte Zeit der Belichtung mit ultravioletter Strahlung ist, die verwendet wird, um die Auftragung der Kurve zu erstellen, doch sollte die Intensität und Orientierung, d. h. die Beschichtungsseite oder Substratseite der Belichtung mit ultravioletter Strahlung auf der Probe, für alle PASC-Messungen konstant gehalten werden, die aufgenommen werden, wenn die PASC-Reaktionsgeschwindigkeit bestimmt wird.
Die PASC-Reaktionsgeschwindigkeit kann angegeben werden in der Einheit reziproke Zentimeter mal reziproke Minuten („cm^–1 min^–1"), wobei eine um so größere PASC-Aktivität angezeigt wird, je höher der Wert ist. Es gibt keine absolute Geschwindigkeit, die einen PASC-Überzug „akzeptabel" oder „nicht-akzeptabel" macht, da die Frage, ob der PASC-Überzug einen annehmbaren Wert der PASC-Aktivität aufweist, hauptsächlich bestimmt wird über den Zweck, für den das Gerät verwendet wird, und die Leistungsstandards, die im Zusammenhang mit dem Zweck ausgewählt werden. Allgemein ist erwünscht, daß die PASC-Reaktionsgeschwindigkeit so hoch wie möglich ist. Vorzugsweise beträgt die PASC-Reaktionsgeschwindigkeit wenigstens etwa 2 × 10^–3 cm^–1 min^–1 für einen Stearinsäure-Testfilm, der auf einem PASC-Überzug ausgebildet wurde, wenn dieser einer ultravioletten Strahlung von etwa 20 W/m² Intensität der Beschichtungsoberfläche ausgesetzt wird, wenn er von der Seite der Beschichtung des Substrats gestrahlt wird, gemessen mit einem FTIR-Spektrophotometer mit einem MCT-Detektor, was für die meisten Anwendungen zutreffend ist. Noch mehr bevorzugt liegt die PASC-Reaktionsgeschwindigkeit bei wenigstens etwa 5 × 10^–3 cm^–1 min^–1, gemessen unter diesen selben Parametern.
Es ist auch nützlich, die Dicke der PASC-Beschichtungen zu messen, um die PASC-Aktivität von PASC-Beschichtungen bedeutungsvoll zu bestimmen und zu vergleichen, da die Dicke der PASC-Beschichtung die photokatalytische Aktivität beeinflussen kann (z. B. neigen dickere PASC-Beschichtungen dazu, höhere PASC-Reaktionsgeschwindigkeiten zu liefern). Die Dicken des PASC-Überzugs (und/oder der SIDB-Schicht, sofern eine solche vorhanden ist) können gemessen werden entweder durch spektroskopische Ellipsometrie mit variablem Winkel (Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry; nachfolgend bezeichnet als „VASE") oder aus Profilometer-Messungen einer Zerstörungskante in dem gemessenen Film, wie dies in diesem technischen Bereich bekannt ist, oder kann abgeschätzt werden von Interferenz-Farbenmessungen, wie dies ebenfalls in diesem technischen Bereich der Fall ist.
Fachleute in diesem technischen Bereich erkennen, daß der PASC-Überzug gemäß der vorliegenden Erfindung und – sofern vorhanden – eine SIDB-Schicht in der Lage sein müssen, dem Betriebsparameter des Geräts standzuhalten, in dem der PASC-Überzug und/oder die SIDB-Schicht bereitgestellt wird/werden. Daher müssen sie normalen Wisch- und Abriebkräften standhalten können und müssen auch den Temperaturen standhalten können, bei denen das Gerät arbeitet, wie beispielsweise ein Ofen, Eisschrank oder Tiefkühlgefriergerät. Sie müssen auch einem Kontakt mit Wasser und Detergenzien standhalten können, beispielsweise in den Fällen, in denen das Gerät eine Waschmaschine oder ein Geschirrspüler ist.
Es wird von Fachleuten mit Sachverstand in diesem technischen Bereich erkannt, daß in den Fällen, in den das Gerät ein Ofen ist, die vorliegende Erfindung einen besonderen Vorteil gegenüber derzeit erhältlichen, selbstreinigenden Öfen bietet, die unüblich hohe Temperaturen erforderten (d. h. etwa 1200°F (648,9°C)), um den Ofen zu reinigen, wie dies oben beschrieben ist. Ein selbstreinigender Ofen gemäß der vorliegenden Erfindung, der den PASC-Überzug auf denjenigen Oberflächen des Ofens einschließt, von denen erwünscht ist, daß sie selbstreinigend sind, erfordert keine derartigen hohen Temperaturen zum Reinigen solcher Oberflächen. Daher braucht ein Selbstreinigungsofen gemäß der vorliegenden Erfindung nicht so konzipiert und gebaut zu werden, daß er den übermäßig hohen Temperaturen standhalten kann, die mit derzeit erhältlichen Hochtemperatur-Selbstreinigungsöfen verbunden sind, was zu signifikant reduzierten Herstellungskosten und signifikant längeren Betriebszeiten führt. Weiter ist keine Notwendigkeit, die „verbrannten" organischen Abfallstoffe zu entfernen, wie es bei den derzeit erhältlichen Hochtemperatur-Selbstreinigungsöfen nötig ist, da die organischen Abfälle der vorliegenden Erfindung vornehmlich in Kohlendioxid und Wasserdampf mineralisiert werden.
Wie erkannt wird, ist die vorangehend beschriebene Offenbarung nicht als die Erfindung beschränkend anzusehen und wurde angegeben, um ein Erkennen der Erfindung zu ermöglichen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die folgenden Patentansprüche definiert.

Claims

Selbstreinigender Ofen, umfassend: einen Ofen mit einer Mehrzahl von Oberflächen, die innere Oberflächen eines verschließbaren Gehäuses beinhalten, das durch fünf miteinander verbundene Wände und eine Tür gebildet wird, wobei diese Wände und diese Tür aus Metall hergestellt sind, das mit einer Schicht aus Farbe oder Email beschichtet ist, und die Tür optional eine durchsichtige Scheibe beinhaltet und davon ausgegangen wird, dass sich auf diesen Oberflächen organische Verunreinigungen ansammeln, eine photokatalytisch aktivierte selbstreinigende Beschichtung auf wenigstens diesen inneren Oberflächen und eine Diffusionssperrschicht, die diese Oberfläche und diese selbstreinigende Beschichtung verbindet, wobei diese Diffusionssperrschicht wenigstens ungefähr 100 Å dick ist.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 1, wobei diese photokatalytisch aktivierte selbstreinigende Beschichtung ein Metalloxid ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titanoxiden, Eisenoxiden, Silberoxiden, Kupferoxiden, Wolframoxiden, Aluminiumoxiden, Siliciumoxiden, Zinkoxiden, Zinkstannaten, Molybdänoxiden, Strontiumtitanat und Mischungen davon.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 2, wobei dieses Metalloxid ein Titanoxid ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Anatastitandioxid, Rutiltitandioxid, Brookittitandioxid und Mischungen davon.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 3, wobei diese selbstreinigende Beschichtung eine Dicke innerhalb eines Bereichs von ungefähr 200 bis 5000 Å aufweist.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 4, wobei diese selbstreinigende Beschichtung wenigstens ungefähr 500 Å dick ist.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 1, wobei diese selbstreinigende Beschichtung eine photokatalytisch aktivierte Selbstreinigungsaktivitätsreaktionsgeschwindigkeit von wenigstens ungefähr 2 × 10^–3 cm^–1 min^–1 aufweist.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 1, wobei diese Diffusionssperrschicht als Natriumionendiffusionssperrschicht fungiert, wobei diese Natriumionendiffusionssperrschicht ein Metalloxid ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus amorphen Metalloxiden, kristallinen Metalloxiden und Mischungen davon.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 7, wobei diese Natriumionendiffusionssperrschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cobaltoxiden, Chromoxiden, Eisenoxiden, Zinnoxiden, Siliciumoxiden, Titanoxiden, Zirconiumoxiden, fluordotierten Zinnoxiden, Aluminiumoxiden, Magnesiumoxiden, Zinkoxiden, Magnesium/Aluminium-Oxiden, Zink/Zinn-Oxiden und Mischungen davon.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 1, wobei diese selbstreinigende Beschichtung photokatalytisch aktiviert ist, um bei Bestrahlung mit UV-Strahlung selbstreinigend zu sein.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 9, der zusätzlich ein Mittel zur Bestrahlung dieser selbstreinigenden Beschichtung mit UV-Strahlung enthält.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 10, wobei dieses UV-Strahlungsmittel in diesem Ofen integriert ist.
Verfahren zur Herstellung eines selbstreinigenden Ofens, umfassend die Schritte: Zusammensetzen einer Vielzahl von Komponententeilen dieses Ofens, um diesen Ofen auszubilden, der ein verschließbares Gehäuse beinhaltet, das aus fünf miteinander verbundenen Wänden und einer Tür gebildet ist, wobei diese Wände und diese Tür aus Metall hergestellt sind, das mit einer Schicht aus Farbe oder Email beschichtet ist, und die Tür optional eine durchsichtige Scheibe enthält, Identifizierung der Oberflächen dieser Komponententeile, bei denen erwartet wird, dass sich organische Verunreinigungen ansammeln, umfassend die des verschließbaren Gehäuses, Auswählen wenigstens eines Teils dieser identifizierten Oberflächen, um photokatalytisch selbstreinigend zu sein, Ausbilden einer Diffusionssperrschicht auf diesen ausgewählten Oberflächen, die wenigstens 100 Å dick ist, und Ausbilden einer photokatalytisch aktivierten selbstreinigenden Beschichtung über dieser Diffusionssperrschicht.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei diese Identifizierungs-, Auswahl- und Ausbildungsschritte vor diesem Zusammensetzungsschritt durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei diese Identifizierungs-, Auswahl- und Ausbildungsschritte nach diesem Zusammensetzungsschritt durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei diese selbstreinigende Beschichtung durch ein Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus chemischer Dampfphasenabscheidung, Sprühpyrolyse und Magnetronsputterabscheidung im Vakuum, gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei diese selbstreinigende Beschichtung ein Metalloxid ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titanoxiden, Eisenoxiden, Silberoxiden, Kupferoxiden, Wolframoxiden, Aluminiumoxiden, Siliciumoxiden, Zinkoxiden, Zinkstannaten, Molybdänoxiden, Strontiumtitanat und Mischungen davon.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei dieses Metalloxid ein Titanoxid ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Anatastitandioxid, Rutiltitandioxid, Brookittitandioxid und Mischungen davon.
Selbstreinigender Ofen nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche des Ofens eine durchsichtige Scheibe mit einer photokatalytisch aktivierten selbstreinigenden Beschichtung auf der durchsichtigen Scheibe aufweist, wobei die photokatalytisch aktivierte selbstreinigendende Beschichtung Titanoxid, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Anatastitandioxid, Rutiltitandioxid, Brookittitandioxid und Mischungen davon, enthält, das durch ein Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus chemischer Dampfphasenabscheidung, Sprühpyrolyse und Vakuumsputtern, gebildet wird.