ITBO20130444A1 - Dispositivo e metodo di generazione di specie reattive mediante plasma a pressione atmosferica - Google Patents

Dispositivo e metodo di generazione di specie reattive mediante plasma a pressione atmosferica

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ITBO20130444A1
ITBO20130444A1 IT000444A ITBO20130444A ITBO20130444A1 IT BO20130444 A1 ITBO20130444 A1 IT BO20130444A1 IT 000444 A IT000444 A IT 000444A IT BO20130444 A ITBO20130444 A IT BO20130444A IT BO20130444 A1 ITBO20130444 A1 IT BO20130444A1
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Vittorio Colombo
Alexander Fridman
Emanuele Ghedini
Matteo Gherardi
Romolo Laurita
Anna Liguori
Paolo Sanibondi
Augusto Stancampiano
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Univ Bologna Alma Mater
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Description

DESCRIZIONE
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo
Dispositivo e metodo di generazione di specie reattive mediante plasma a pressione atmosferica.
La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo e un metodo per generare specie reattive mediante plasma a pressione atmosferica.
Nell’ambito dei dispositivi generatori di plasma a pressione atmosferica, à ̈ noto l’impiego di torce al plasma a induzione, aventi una camera di generazione del plasma, e una camera di espansione del plasma.
Per esempio, il documento brevettuale US20090186167A1 descrive una torcia al plasma a induzione, che prevede l’inserimento di un gas inerte nella camera del plasma e di un gas reattivo nella camera di espansione. Tale torcia à ̈ progettata per trattare superfici di dimensioni limitate, dell’ordine del millimetro quadrato.
Inoltre, un altro inconveniente di tale torcia à ̈ legato ad una limitata efficacia di tale torcia nel trattamento di superfici (ovvero substrati) di materiale biologico (per esempio la pelle umana).
In ogni caso, tale torcia ha una capacità di generare specie reattive relativamente limitata.
US20110171188 descrive un sistema per trattare superfici sensibili, come per esempio ferite, mediante plasma. Tale sistema prevede di introdurre additivi a valle della generazione del plasma. Tuttavia, anche tale sistema non consente di massimizzare la produzione di specie reattive.
Inoltre, sono noti sistemi generatori di plasma termici (ad elevata temperatura).
Va osservato che tali generatori di plasma termico sono poco adatti al trattamento di superfici termosensibili; infatti, essi sono utilizzati per altri scopi, quali ad esempio taglio, saldatura, o trattamento di rifiuti.
Dunque, i sistemi di generazione di plasma termico non sono utilizzati per produrre specie reattive di ossigeno e azoto (per fini terapeutici).
Peraltro, le specie reattive contenute nel plasma termico hanno una breve vita utile; pertanto, per poterle convogliare su un substrato da trattare occorre che l’uscita della sorgente di plasma sia posizionata molto vicino alla superficie da trattare, determinando il trasferimento al substrato di una elevata quantità di calore e contestuali danni.
Scopo del presente trovato à ̈ rendere disponibile un dispositivo e un metodo per generare di plasma a pressione atmosferica che superino gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.
In particolare, à ̈ scopo del presente trovato mettere a disposizione un dispositivo e un metodo per generare specie reattive, specialmente di ossigeno e di azoto, mediante plasma a pressione atmosferica, in grado di trattare superfici relativamente ampie (per esempio dell’ordine dei centimetri quadrati).
Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ proporre un dispositivo e un metodo per generare di plasma a pressione atmosferica che siano particolarmente efficaci nel trattamento di substrati di materiale termosensibile o biologico.
Detti scopi sono pienamente raggiunti dal dispositivo e dal metodo oggetto del presente trovato, che si caratterizzano per quanto contenuto nelle rivendicazioni sotto riportate.
Il dispositivo secondo il trovato à ̈ un dispositivo generatore di plasma a pressione atmosferica.
Il dispositivo comprende una camera di generazione del plasma.
All’interno della camera di generazione del plasma viene prodotto un campo elettrico (elettromagnetico), mediante un generatore elettrico.
Si osservi che tale generatore elettrico può essere parte integrante del dispositivo (in questo caso il dispositivo comprende il generatore); in alternativa, il dispositivo (la camera del plasma) à ̈ connettibile al generatore, che, in tal caso, à ̈ un elemento esterno al dispositivo.
Preferibilmente, il generatore di plasma à ̈ di tipo induttivo; pertanto, il generatore elettrico à ̈ configurato per funzionare alle alte frequenze e genera un campo elettromagnetico oscillante in alta frequenza.
Inoltre, il dispositivo comprende una camera di raffreddamento del plasma, disposta a valle della camera di generazione del plasma e ad essa connessa. La camera di raffreddamento del plasma à ̈ configurata per raffreddare il plasma e per convogliarlo su una superficie da trattare.
La camera di generazione plasma à ̈ collegata a una sorgente di gas inerte per ricevere in ingresso un flusso di gas inerte.
Inoltre, secondo l’invenzione, la camera di generazione del plasma à ̈ collegata anche a una sorgente di gas reattivo per ricevere in ingresso un flusso di gas reattivo.
Pertanto, il gas inerte e il gas reattivo si miscelano nella camera di generazione del plasma.
Si osservi che, preferibilmente, il generatore elettrico ha una potenza di almeno 0.8 kW (preferibilmente di almeno 1 kW; si osservi, per esempio, che la potenza di 1kW permette a 13 MHz di sostenere il 12% di aria miscelata ad un gas inerte quale Ar).
Inoltre, preferibilmente, la camera di generazione del plasma ha una sezione di diametro di almeno 10 mm, preferibilmente di 10-20 mm.
Pertanto, grazie a detta miscelazione di gas inerte e reattivo nella camera di generazione del plasma, avviene una produzione massiva (relativamente abbondante) di specie reattive (già nella camera di generazione del plasma).
Dunque, il trovato permette di generare in modo massivo specie reattive (di ossigeno e/o di azoto) mediante plasma (grazie alla miscelazione di gas reattivi ed inerti nella camera di generazione del plasma) e di rendere dette specie reattive disponibili in uscita a bassa temperatura (per esempio circa 40°C), grazie alla camera di raffreddamento.
Ciò consente di trattare superfici termosensibili (in particolare biologiche, per esempio pelle umana) di area relativamente estesa, con quantità massicce di specie reattive.
Si osservi che, preferibilmente, il gas inerte e quello reattivo vengono introdotti separatamente nella camera di generazione del plasma.
Tale dispositivo, dunque, costituisce una torcia al plasma adatta al trattamento di superfici delicate (grazie alle temperature in gioco), ma che allo stesso tempo permette un’elevata efficienza nel trattamento, grazie alla presenza di specie reattive.
In questa luce, si osservi che un’uscita del dispositivo (della camera di raffreddamento) à ̈ posizionata in prossimità della zona in cui il plasma stesso viene generato (ossia la camera di generazione del plasma).
Un’applicazione preferita della presente invenzione à ̈ il trattamento, su un substrato biologico, di un’area di pochi centimetri quadrati.
Preferibilmente, la portata di gas reattivo entrante nella camera del plasma à ̈ inferiore alla portata di gas inerte entrante nella camera del plasma. Per esempio (nel caso di frequenza del generatore elettrico di circa 13-14MHz e potenza nell’intervallo 500W – 1kW), la portata di gas reattivo (per esempio aria) à ̈ preferibilmente di circa 1 l/min e la portata di gas inerte (per esempio Argon) à ̈ di 14-20 l/min. Pertanto, preferibilmente, la portata di gas reattivo, rispetto alla portata totale (di gas reattivo e inerte) à ̈ preferibilmente compresa tra 5% e 12%.
Ciò consente, vantaggiosamente, la generazione di un plasma stabile e una riduzione del consumo di energia.
Preferibilmente, il gas inerte inserito nella camera di generazione del plasma ha la funzione di sostenere il plasma, mentre il gas reattivo introdotto nella camera di generazione del plasma ha la funzione, oltre a permettere la formazione di specie reattive, di raffreddare le pareti della torcia, essendo opportunamente convogliato (a tal fine à ̈ previsto di dotare la camera di generazione di plasma di un setto opportunamente sagomato). Si osservi che à ̈ anche previsto di scambiare i ruoli dei due gas, orientando il gas inerte lungo le pareti della camera e il gas reattivo lungo l’asse della torcia.
Preferibilmente, la camera di raffreddamento del plasma à ̈ collegata a una ulteriore sorgente di gas reattivo, per ricevere un flusso di gas reattivo addizionale. Tale gas reattivo addizionale si mescola al plasma a nella della propria formazione, ovvero a valle della camera di generazione del plasma.
Preferibilmente, la portata di detto gas reattivo addizionale entrante nella camera di raffreddamento à ̈ (ampiamente) superiore alla portata di gas inerte entrante nella camera del plasma. Preferibilmente, la portata di detto gas reattivo addizionale entrante nella camera di raffreddamento à ̈ almeno il doppio alla portata di gas inerte entrante nella camera del plasma.
Ciò consente ad un effluvio di plasma in uscita dalla torcia di essere tollerato da un substrato termosensibile, quale un substrato biologico. Preferibilmente, la camera di raffreddamento del plasma à ̈ collegata anche a una sorgente di materiale reattivo, per ricevere un flusso di materiale reattivo (solido, liquido o gassoso) che si mescola con detto gas reattivo addizionale.
Dunque, il trovato mette a disposizione un metodo per generare specie reattive (in particolare dell’ossigeno e/o dell’azoto) mediante plasma a pressione atmosferica.
Tale metodo comprendente una fase di introduzione di un flusso di gas inerte in una camera di generazione del plasma, in cui à ̈ stabilito un campo elettrico (ovvero elettromagnetico), e una fase di raffreddamento del plasma in una camera di raffreddamento del plasma, disposta a valle della camera di generazione del plasma, per convogliarlo su una superficie da trattare
Secondo l’invenzione, à ̈ prevista una fase di introduzione (anche) nella camera di generazione del plasma di un flusso di gas reattivo, per una miscelazione di detto gas reattivo con detto gas inerte nella camera di generazione del plasma e una generazione di specie attive nel plasma. Dunque, il trovato mette a disposizione un uso di detto dispositivo o di detto metodo per trattare un substrato biologico (per esempio pelle umana).
Questa ed altre caratteristiche risulteranno maggiormente evidenziate dalla descrizione seguente di una preferita forma realizzativa, illustrata a puro titolo esemplificativo e non limitativo nell’unita tavola di disegno in cui l’unica figura illustra un dispositivo generatore di plasma secondo il presente trovato.
Nella figura, si à ̈ indicato con 1 un dispositivo generatore di plasma secondo il trovato.
Tale dispositivo 1 costituisce una torcia al plasma per il trattamento di un substrato 2 (ovvero di una superficie 2); tale substrato à ̈ preferibilmente di materiale biologico.
Il dispositivo 1 Ã ̈ un generatore di plasma a pressione atmosferica; preferibilmente, Ã ̈ del tipo a induzione.
Il dispositivo 1 comprende una camera 3 di generazione del plasma. La camera 3 di generazione del plasma à ̈ collegata (o collegabile) a un generatore 4 elettrico (solo parzialmente illustrato, di tipo di per se stesso noto), preposto a stabilire un campo elettrico nella camera 3 del plasma. Preferibilmente, il generatore di plasma à ̈ a induzione. In questa luce, preferibilmente, il generatore 4 elettrico comprende un generatore di tensione (non illustrato) ad alta frequenza (in particolare ad una frequenza compresa tra 3 ai 30 MHz); inoltre, il generatore 4 elettrico comprende un avvolgimento 41 collegato a detto generatore di tensione. L’avvolgimento 41 à ̈ accoppiato alla camera 3 di generazione del plasma per indurre un campo elettromagnetico (in alta frequenza) all’interno della camera 3 stessa.
La camera 3 di generazione del plasma definisce un ingresso 5 per ricevere un flusso di gas 6 inerte.
Detto gas inerte comprende un gas nobile o monoatomico, per esempio uno o più dei seguenti gas miscelati tra loro: argon, elio, azoto, neon o krypton.
Inoltre, dispositivo 1 comprende una camera 7 di raffreddamento del plasma, disposta a valle della camera 3 di generazione del plasma e ivi collegata.
La camera 7 di raffreddamento del plasma à ̈ configurata per raffreddare il plasma e convogliarlo su una superficie da trattare.
Preferibilmente, la camera 3 di generazione del plasma definisce un ulteriore ingresso 8 per ricevere un flusso 9 di gas reattivo; la camera 3 di generazione del plasma permette al proprio interno una miscelazione di detto gas 6 inerte e di detto gas 9.
Tale gas 9 reattivo à ̈ preferibilmente aria od ossigeno.
Preferibilmente, la portata di gas 9 reattivo entrante nella camera 3 di generazione del plasma à ̈ inferiore alla portata di gas 6 inerte entrante nella camera del plasma. Preferibilmente, il rapporto tra la portata di gas 9 reattivo entrante nella camera 3 di generazione del plasma e la portata di gas 6 inerte entrante nella camera del plasma à ̈ di circa 1/14 - 1/20.
Preferibilmente, la camera 3 di generazione del plasma comprende un setto 10 (o una pluralità di setti), in prossimità degli ingressi 5 e 8. Tale setto 10, preferibilmente, à ̈ configurato per orientare il flusso di gas 9 reattivo lungo pareti interne della camera stessa, per raffreddarle. Inoltre, preferibilmente, il setto 10 à ̈ configurato per orientare il flusso 6 di gas inerte lungo un asse longitudinale della torcia, ovvero del dispositivo 1 generatore di plasma.
Preferibilmente, la camera 7 di raffreddamento del plasma ha una pluralità di aperture 11 (ovvero pertugi di passaggio) per ricevere un flusso di gas 12 reattivo addizionale (rispetto al gas 9 reattivo introdotto nella camera 3 di generazione del plasma). Pertanto, tale gas 12 reattivo addizionale à ̈ introdotto nel dispositivo 1 a valle, rispetto all’introduzione del gas 9 reattivo.
Preferibilmente, la portata di detto gas 12 reattivo addizionale entrante nella camera 7 di raffreddamento à ̈ superiore (preferibilmente di almeno il doppio) alla portata di gas 6 inerte entrante nella camera 3 del plasma. Preferibilmente, la camera 7 di raffreddamento del plasma ha un ulteriore passaggio 14 per l’introduzione nella camera 7 di raffreddamento del plasma stessa di materiale 13 reattivo; tale materiale 13 reattivo si miscela con detto gas 12 reattivo addizionale e con detta miscela del gas 9 reattivo e del gas 6 inerte proveniente dalla camera 3 di generazione del plasma.
Preferibilmente, dette aperture 11 (o ugelli) sono inclinati in modo che i propri tratti comunicanti con un volume interno della camera 7 di raffreddamento del plasma siano orientati in verso opposto a quello di percorrenza del dispositivo 1 da parte dei gas 6, 9 e del plasma (in uno spostamento degli stessi verso un’uscita del dispositivo 1).
Per quanto riguarda l’espulsione del plasma dal dispositivo 1, la camera di raffreddamento del plasma comprende, per esempio, un diffusore di gas, o una membrana porosa, o almeno un orifizio anulare, o almeno attraverso un foro (non illustrati, di tipo di per se stesso noto).
Pertanto, almeno due portate di miscele di gas inerti e reattivi sono fornite in ingresso alla torcia 1 al plasma, per generare specie reattive mediante generazione di plasma (ad accoppiamento induttivo).
Infatti, la presenza di un gas reattivo all’interno della zona di generazione del plasma permette la formazione di specie reattive, come ad esempio “radicali dell’ossigeno†e/o “radicali dell’azoto†.
Detto flusso di ulteriore gas reattivo serve per incrementare ulteriormente la composizione di specie reattive e ridurre in modo significativo la temperatura del flusso di gas (a circa 40°C).
Le specie reattive sono quindi convogliate, in uscita dal dispositivo 1, in un’area di pochi centimetri quadrati di un substrato 2 biologico per il trattamento al plasma.
Detto ulteriore gas reattivo può comprendere uno dei seguenti gas o una miscela degli stessi: ossigeno, azoto o aria.
Detto materiale reattivo introdotto nella camera 7 di raffreddamento del plasma comprende per esempio collagene (in fase solida, liquida o gassosa); esso, preferibilmente, viene aggiunto alla miscela di ulteriore gas 12 reattivo, per una deposizione dello stesso materiale 13 sul substrato 2 biologico.
Si osservi che la miscela di gas 6, 9 nella camera 3 di generazione del plasma à ̈ a una temperatura di alcune migliaia di gradi kelvin.

Claims (19)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo (1) generatore di specie reattive mediante plasma a pressione atmosferica, comprendente: - una camera (3) di generazione del plasma, collegata a un generatore (4) elettrico preposto a stabilire un campo elettrico nella camera (3) di generazione del plasma e collegata a una sorgente di gas (6) inerte per ricevere in ingresso un flusso di gas (6) inerte; - una camera (7) di raffreddamento del plasma, disposta a valle della camera (3) di generazione del plasma e configurata per raffreddare il plasma e convogliarlo su un substrato (2) da trattare, caratterizzato dal fatto che la camera (3) di generazione del plasma à ̈ collegata anche a una sorgente di gas (9) reattivo per ricevere in ingresso un flusso di gas (9) reattivo, per una miscelazione di detto gas (6) inerte e di detto gas (9) reattivo nella camera (3) di generazione del plasma, così generando dette specie reattive.
  2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la portata di gas (9) reattivo entrante nella camera (3) di generazione del plasma à ̈ inferiore alla portata di gas (6) inerte entrante nella camera (3) di generazione del plasma.
  3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui la portata di gas (9) reattivo entrante nella camera (3) di generazione del plasma à ̈ circa 5-12% della portata di gas (6) inerte entrante nella camera (3) di generazione del plasma.
  4. 4. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la camera (3) di generazione del plasma comprende un setto (10) configurato per orientare il flusso di gas (9) reattivo lungo pareti interne della camera (3) stessa, per raffreddarle e il flusso di gas (6) inerte lungo un asse longitudinale del dispositivo, o viceversa.
  5. 5. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il generatore (4) elettrico à ̈ ad alta frequenza e il dispositivo (1) generatore di plasma à ̈ un dispositivo generatore di plasma ad induzione.
  6. 6. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la camera (7) di raffreddamento del plasma à ̈ collegata a una ulteriore sorgente di gas reattivo, per ricevere un flusso di gas (12) reattivo addizionale.
  7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, in cui la portata di detto gas (12) reattivo addizionale entrante nella camera (7) di raffreddamento à ̈ almeno il doppio della portata di gas (6) inerte entrante nella camera (3) del plasma.
  8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 6 o la 7, in cui la camera (7) di raffreddamento del plasma à ̈ collegata anche a una sorgente di materiale (13) reattivo, per ricevere un flusso di materiale (13) reattivo, per una miscelazione dello stesso con detto gas (12) reattivo addizionale.
  9. 9. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la camera (7) di raffreddamento del plasma comprende un diffusore di gas, o una membrana porosa, o almeno un orifizio anulare, o almeno attraverso un foro.
  10. 10. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il generatore (4) elettrico ha una potenza di almeno 0.8 kW e la camera (3) di generazione del plasma ha una sezione con diametro di almeno 10 mm.
  11. 11. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il gas (9) reattivo comprende ossigeno o aria e dette specie reattive sono specie reattive dell’ossigeno e/o dell’azoto.
  12. 12. Metodo per generare specie reattive mediante plasma a pressione atmosferica, comprendente le seguenti fasi: - introduzione di un flusso di gas (6) inerte in una camera (3) di generazione del plasma, in cui à ̈ stabilito un campo elettrico; - raffreddamento del plasma in una camera (7) di raffreddamento del plasma, disposta a valle della camera (3) di generazione del plasma, per convogliarlo su un substrato (2) da trattare, caratterizzato dal fatto che comprende una fase di introduzione nella camera (3) di generazione del plasma di un flusso di gas (9) reattivo, per una miscelazione di detto gas (9) reattivo con detto gas (6) inerte nella camera (3) di generazione del plasma e una generazione di specie attive nel plasma.
  13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui la portata di gas (9) reattivo entrante nella camera (3) del plasma à ̈ circa il 5-12% della portata di gas (6) inerte entrante nella camera del plasma.
  14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 12 o la 13, in cui il gas (9) reattivo viene orientato lungo pareti della camera (3) del plasma per raffreddarle e il flusso di gas (6) inerte à ̈ orientato lungo un asse longitudinale del dispositivo (1), o viceversa.
  15. 15. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 12 a 13, comprendente una introduzione di un flusso di gas (12) reattivo addizionale nella camera (7) di raffreddamento, a valle dell’introduzione di detto gas (9) reattivo e di detto gas (6) inerte.
  16. 16. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 12 a 15, in cui la portata di detto gas (12) reattivo addizionale entrante nella camera (7) di raffreddamento à ̈ almeno il doppio della portata di gas (6) inerte entrante nella camera (3) del plasma.
  17. 17. Metodo secondo la rivendicazione 15 o la 16, comprendente una introduzione, nella camera (7) di raffreddamento, di un flusso di materiale (13) reattivo, per una miscelazione dello stesso con detto gas (12) reattivo addizionale.
  18. 18. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il gas (9) reattivo comprende ossigeno o aria e dette specie reattive sono specie reattive dell’ossigeno e/o dell’azoto.
  19. 19. Uso di un dispositivo (1) secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 11 o di un metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni da 12 a 18 per trattare un substrato (2) biologico.
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