ITBO20070306A1 - Elettrodo e relativo apparato per la generazione di plasma a pressione atmosferica. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo:

ELETTRODO E RELATIVO APPARATO PER LA GENERAZIONE DI PLASMA A PRESSIONE ATMOSFERICA .

La presente invenzione ha per oggetto un elettrodo e relativo apparato per la generazione di plasma a pressione atmosferica.

Come noto, il termine “plasma*descrive un gas parzialmente ionizzato composto di ioni, elettroni e specie neutre.

Questo stato della materia può essere realizzato per azione di elevate temperature, forti campi elettrici costanti o campi elettromagnetici in radio frequenza (RF).

I plasmi a temperatura elevata o “caldi”, sono rappresentati dai corpi luminosi celesti, dalle esplosioni nucleari e dagli archi elettrici.

I plasmi a “scarica a bagliore” o “glow discharge” sono prodotti da elettroni liberi che, eccitati dalla corrente continua imposta (DC) o dai campi elettrici di R.F., collidono con le molecole neutre. Questi urti tra elettroni e le molecole neutre trasferiscono energia alle molecole e formano una varietà di specie attive che può includere fotoni, specie metastabili, atomi, radicali liberi, frammenti molecolari, monomeri, elettroni e ioni. Queste specie sono chimicamente e/o fisicamente attive e modificano la superficie dei materiali, creando le basi per la realizzazione di nuove proprietà di superficie.

I plasmi a potenza molto bassa, conosciuti come corona, sono stati ampiamente usati nel trattamento di superficie dei materiali termicamente sensibili come la carta, la lana e polimeri sintetici quali polietilene, polipropilene, nylon e poliestere. A causa del loro basso contenuto di energia, i plasmi ad effetto corona possono alterare le proprietà di una superficie del materiale senza danneggiare la superficie.

I plasmi a “scarica a bagliore” rappresentano un altro tipo di plasma a potenza relativamente bassa, utile per modificare la superficie del materiale in modo non distruttivo. Questi plasmi possono produrre quantità significative di radiazioni visibile ed ultravioletta. I plasmi a “scarica a bagliore” presentano l’ulteriore vantaggio quindi di produrre radiazione visibile ed UV, presenti simultaneamente alla specie attiva. Tuttavia, i plasmi a “scarica a bagliore” fino ad oggi sono stati generati con successo in ambienti in cui si realizzi un vuoto parziale, inferiore a 10 torr, rendendo necessario l'uso di sistemi di vuoto costosi.

Per contro, è nota la generazione di plasmi a bassa potenza a pressione atmosferica tramite scariche a filamento tra piastre parallele in aria, alla pressione di una atmosfera.

Questa tecnica è nota in particolare per generare l'ozono utilizzato per il trattamento dei rifornimenti idrici e si distingue dalla tecnica dei plasmi a scarica a bagliore in termini di uniformità tanto da tendere a perforare od a trattare irregolarmente la superficie trattata.

Sono inoltre note soluzioni realizzative di elettrodi metallici incorporati in tubi in ceramica porosa in cui fluisce il gas, ed elettrodi metallici rivestiti in materiale siliconico non poroso in cui il gas, per realizzare il plasma, viene immesso dall’esterno dell’elettrodo stesso. Entrambe le soluzioni hanno tuttavia delle limitazioni: nel primo caso, di resistenza (rottura dell’elettrodo ceramico), nel secondo, di difficoltà nel realizzare un plasma omogeneo di eccessivo consumo di gas di processo.

In questo contesto, il compito tecnico precipuo della presente invenzione è proporre un elettrodo ed il relativo apparato per la generazione di un plasma a pressione atmosferica esente dagli inconvenienti dell’arte nota.

In particolare, è scopo della presente invenzione proporre un elettrodo dimensionalmente stabile e resistente in grado di produrre e sostenere un plasma omogeneamente denso a pressione atmosferica, con consumo ridotto di gas.

Ulteriore scopo della presente invenzione è mettere a disposizione un apparato per la produzione di plasma a pressione atmosferica, basato sull’accoppiamento dell'elettrodo con un contro elettrodo conduttivo, di cui uno deve essere rivestito con un materiale dielettrico organico o inorganico.

Un ancora ulteriore scopo dell’invenzione è la possibilità di realizzare trattamenti plasma in condizioni di pressione atmosferica, senza scariche dannose per il materiale trattato e con ridotto consumo di gas, ad esempio di elio.

A tali scopi si è pervenuti secondo l’invenzione con un elettrodo ed un apparato secondo almeno una delle rivendicazioni allegate.

I vantaggi del trovato riguardano:

- formazione di un plasma uniforme;

- la realizzazione di forme geometriche di elettrodi in grado di evitare le scariche tipiche del trattamento corona, in particolare sui bordi degli elettrodi e nella zona di afflusso del gas e trattamento plasma;

- l’applicazione del plasma tramite un materiale conduttore poroso (applicatori), di tipo noto con spugne in alluminio o altri metalli o leghe, o con sistemi più complessi che permettono dei miglioramenti, nella applicazione del plasma, o nella riduzione del consumo di gas

- la realizzazione di una configurazione degli applicatori del plasma in modo tale che il gas sia insufflato sulla superficie e penetri nel materiale affinché il trattamento plasma sia diffuso su tutta la superficie. Tale effetto è particolarmente importante nel trattamento dei tessuti; - applicatori costituiti da un supporto, preferibilmente metallico, nel quale è alloggiato un materiale poroso attraverso il quale viene fatto fluire il gas o la miscela di gas per eseguire il processo. Il materiale poroso è alimentato da sistemi noti in radiofrequenza o in corrente continua, con modalità in continuo o impulsata;

- diffusore del gas realizzato con un inserto in materiale conduttivo spugnoso/poroso e/o da un guscio esterno costituito da uno o più strati di una rete metallica con trama fitta;

- diffusore del gas realizzato anche con una membrana interna in materiale polimerico o ceramico poroso e con un guscio esterno in rete metallica;

- possibilità di generare plasma senza raffreddamento ad acqua degli elettrodi.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un elettrodo e di un apparato per realizzare un plasma a pressione atmosferica, come illustrato negli uniti disegni in cui:

la figura 1 è una vista in sezione trasversale dell’elettrodo;

la figura 2 è una vista prospettica della sezione longitudinale dell’elettrodo di figura 1 ;

la figura 3 rappresenta un possibile sistema di regolazione della distanza dal materiale mediante viti;

le figure 3a, 3b e 3c sono una rappresentazione schematica di esempi di apparato per la generazione di plasma atmosferico, applicativi dei dispositivo di figura 1 , con il sistema di regolazione della distanza di cui alla figura 3, rispettivamente con controelettrodo cilindrico, o piano e con controelettrodo ottenuto utilizzando elettrodi singoli;

la figura 4 rappresenta un secondo possibile sistema di regolazione della distanza di ciascun elettrodo mediante camme;

- la figura 4a rappresenta la disposizione di due camme del tipo di figura 4 per un elettrodo;

la figura 5 rappresenta un ulteriore possibile sistema di regolazione della distanza di ciascun elettrodo mediante camme con asole, montate su un settore;

- la figura 5a rappresenta la disposizione di camme del tipo di figura 5 per una serie di elettrodi.

Con riferimento alle annesse figure, il dispositivo in figura 1 e 2 comprende un corpo metallico 1 , un rivestimento esterno di materiale dielettrico 10, una apertura 2 per il portante fissaggio degli altri organi, una serie di fori 3 per rimmissione del gas, una camera di espansione 4 del gas, una successiva serie di fori 5 per il passaggio del gas, una ulteriore camera di espansione 6, un setto poroso diffusore 7 conduttivo del gas, una serie di alette di raffreddamento esterne 8a e 8b, e due camere di contenimento 9a e 9b, di un eventuale fluido che fluisce in dette camere per realizzare uno scambio termico.

L’apparato per generare il plasma comprende inoltre una struttura di contro elettrodo 42 ed un modulo di alimentazione in radiofrequenza degli elettrodi, non illustrato in quanto di per se noto.

All’interno del dispositivo di figura 1, costituto dal corpo metallico 1, viene insufflato il gas per la generazione del plasma che, attraversando il corpo metallico 1 mediante una serie di fori 3, raggiunge una camera di espansione 4. Quindi, il gas fluisce attraverso il corpo metallico mediante una serie di fori 5, si espande, nuovamente, in una camera di espansione e distribuzione 6 e fluisce verso l’esterno attraversando la struttura porosa conduttiva 7 che diffonde il gas.

Vantaggiosamente, con questa soluzione, il setto conduttivo diffusivo 7 rimane compresa all’interno dell’elettrodo 1 e il gas che è iniettato nell'elettrodo a pressione ha la possibilità di diffondersi ed espandersi nel setto di diffusione 7 fino alla pressione atmosferica, formando un plasma di tipo glow-discharge uniforme nella regione di trattamento 43 compresa tra fronte attivo degli elettrodi 1 ed il contro-elettrodo o i contro-elettrodi 42.

li materiale da trattare è così esposto al plasma generato fra elettrodo e controelettrodo, uno dei quali coperto da uno strato dielettrico.

II calore prodotto dal dispositivo, per effetto del processo plasma, viene dissipato, all’esterno, mediante le alette 8a ed 8b, e, all'interno, mediante scambio con il fluido refrigerante nelle fatto circolare lungo le cavità 9a e 9b. Il sistema di raffreddamento deve permettere il mantenimento della temperatura dell’elettrodo al di sotto di 100°C, (preferibilmente sotto i 50°C) per non danneggiare i tessuti o i materiali da trattare.

La geometria della superficie esterna dell’elettrodo 1 è conformata con gli spigoli raccordati per non creare scariche ai bordi, che possono danneggiare il materiale da trattare. I raccordi agli spigoli variano tra 2 e 6 mm di raggio. Il trattamento della superficie mediante prodotti dielettrici 10 permette di realizzare il plasma solo sulla superficie del setto poroso e non sulla superficie esterna dell'elettrodo 1.

La densità (o il grado di vuoto) del setto conduttivo 7 di diffusione del gas, nel caso sia costituito da una spugna metallica, varia tra 1 g/cm3 e 100 g/cm3. Tale densità viene selezionata in funzione del materiale da trattare, dalle specifiche del prodotto da realizzare (peso/m2, struttura del materiale, funzione da realizzare con il trattamento), e dalle specifiche del processo (velocità di trattamento, gas da impiegare ecc.). Gli elettrodi 1 possono essere montati nella disposizione della figura 3a o capovolti, con gii elettrodi posti inferiormente rispetto al cilindro. Tale configurazione ha il vantaggio di ridurre il consumo di gas (più leggeri dell'aria); oppure possono essere montati in una configurazione mista per trattare contemporaneamente le due facce del materiale in lavorazione.

Gli elettrodi 1 sono regolati ad una determinata e specifica distanza dalla superficie del materiale da trattare. Tale regolazione può essere realizzata manualmente di volta in volta quando cambia lo spessore del materiale, oppure con un sistema automatico.

Un possibile sistema misto manuale/pneumatico è rappresentato in figura 3 in cui un cilindro pneumatico 20 esercita la spinta sull’elettrodo in direzione del contro-elettrodo 42, mentre la vite 21 regola la distanza tra i due. La figura 3a rappresenta una possibile realizzazione con nove elettrodi.

Un secondo sistema meccanico/elettrico è rappresentato in figure 4 e 4a, in cui la distanza di ciascun elettrodo è regolata mediante camme 30 azionate da un albero 31 , che può essere attuato manualmente o in maniera automatica.

Un terzo sistema è rappresentato in figure 5 e 5a, in cui camme singole 40 sono fissate mediante asole, che consentono la regolazione della distanza del singolo elettrodo, a un settore orientabile 41, la cui rotazione permette di avvicinare/allontanare tutta la serie degli elettrodi dalla regione di trattamento 43, a seconda dello spessore del materiale in lavorazione.

L’invenzione ora descritta è concepita per realizzare un trattamento plasma in condizioni di pressione atmosferica dì superfici di materiali tessili costituiti da fibre naturali, sintetiche o artificiali, o di altri materiali polimerici (film plastici, carta, pelle, ecc), o superfici in genere che vengono fatti passare sul fronte attivo degli elettrodi.

Claims (20)

1. RIVENDICAZIONI 1. Elettrodo per la generazione di plasma, comprendente un corpo conduttore principale (1) e mezzi per diffondere un gas per la formazione del plasma, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di diffusione del gas operano per diffondere il gas da una regione interna del corpo (1) verso una regione esterna a pressione atmosferica.
2. 2. Elettrodo secondo la rivendicazione 1, comprendente un corpo principale metallico ed un setto poroso con proprietà conduttiva elettrica (7), in cui detti mezzi di diffusione diffondono il gas attraverso detto setto poroso,
3. 3. Elettrodo secondo la rivendicazione 2 in cui detto setto poroso è accoppiato a detto corpo metallico per presentare all’esterno una superficie attiva di formazione del plasma.
4. 4. Elettrodo secondo una delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che ai margini di detta superficie attiva, si dispone un materiale dielettrico (10) inorganico o organico.
5. 5. Elettrodo secondo la rivendicazione 4, in cui detto materiale dielettrico (10) è costituito da un rivestimento del corpo (1) ottenuto per anodizzazione dura.
6. 6. Elettrodo secondo una delle rivendicazioni precedenti in cui i mezzi di diffusione comprendono una prima camera di espansione (4) del corpo (1) comunicante attraverso uno o più fori di distribuzione (5) con una seconda camera di successiva espansione (6), comunicante con il setto poroso (7).
7. 7. Elettrodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente mezzi di raffreddamento dell’elettrodo.
8. 8. Elettrodo secondo la rivendicazione 7, in cui i mezzi di raffreddamento comprendono una disposizione di alette metalliche (8a, 8b) del corpo (1) per lo scambio di calore verso l’esterno.
9. 9. Elettrodo secondo una qualsiasi deile rivendicazioni 7-8 in cui i mezzi di raffreddamento comprendono almeno una camera di contenimento (9a e 9b) del corpo (1) per contenere un fluido refrigerante per lo scambio di calore verso l'interno.
10. 10. Elettrodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il rivestimento dielettrico esterno (10) ha uno spessore tra 1 μm e 2 mm, preferibilmente tra 0 μm e 2,5 mm.
11. 11. Elettrodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il liquido di raffreddamento è un materiale organico puro o in fase glicolica.
12. 12. Elettrodo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che il liquido di raffreddamento è in fase glicolica in concentrazione tra 1% e 100%, preferibilmente 40% e 60%.
13. 13. Elettrodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che il fluido di raffreddamento è un gas.
14. 14. Elettrodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi per far circolare detto fluido di raffreddamento nelle camere (9a e 9b).
15. 15. Apparato per trattamenti al plasma, comprendente almeno un elettrodo secondo una o più delle rivendicazioni 1-14 e almeno un contro elettrodo (42) disposto affacciato a detto elettrodo e che definisce con questo una regione di trattamento (43) per la generazione del plasma.
16. 16. Apparato secondo la rivendicazione 15, caratterizzato dal fatto di comprendere mezzi di regolazione per regolare la distanza di almeno un elettrodo e/o un controelettrodo da detta regione di trattamento.
17. 17. Apparato secondo la rivendicazione 16, in cui detti mezzi di regolazione operano per regolare detta distanza singolarmente per ciascun elettrodo e/o globalmente mediante attuatori pneumomeccanici/elettrici o manuali.
18. 18. Apparato secondo una delle rivendicazioni 15-17, caratterizzato dal fatto che almeno un contro-elettrodo è realizzato secondo una delle rivendicazioni 1-13.
19. 19. Apparato secondo una delle rivendicazioni 15-18, caratterizzato dal fatto che detta regione di trattamento presenta una geometria curva.
20. 20. Apparato secondo una delle rivendicazioni 15-18, caratterizzato dal fatto che detta regione di trattamento presenta una geometria piana.