ITTO20060522A1 - Apparecchiatura per il trattamento al plasma di articoli uni- o bi-dimensionali - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Apparecchiatura per il trattamento al plasma di articoli uni- o bi-dimensionali"

di : GIORGIO APOSTOLO, nazionalità italiana, via dei Ronchi, 2 - 10018 Pavone Canavese (TO) Inventore designato: Giorgio Apostolo

Depositata il: 17 luglio 2006

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DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda in generale il trattamento al plasma di prodotti uni- o bidimensionali, e più specificamente un'apparecchiatura per il trattamento al plasma in continuo ed a pressione atmosferica di un articolo in forma di filo, nastro, foglio o lastra.

Il plasma è un gas costituito da particelle neutre, elettroni e ioni tra cui si verificano continue interazioni. La generazione di un plasma avviene per ionizzazione di particelle neutre, ad esempìo mediante urto con elettroni veloci o con ioni o atomi neutri dì energìa sufficiente, ed avviene in generale attraverso processi di ionizzazione che hanno luogo in gas cosiddetti di supporto, in presenza di scariche elettriche tra una disposizione di elettrodi di catodo e anodo contrapposti.

Tra le applicazioni industriali del plasma in vuoto si annoverano la fabbricazione di circuiti integrati, la lavorazione di utensili e metalli industriali, la formazione di depositi anticorrosìone e barriere termiche su prodotti di largo consumo.

Il trattamento di prodotti con plasma in aria, ossia in atmosfera libera ed a pressione atmosferica, è oggi impiegato ad esempio nella saldatura e taglio di materiali e nella distruzione di rifiuti tossici-nocivi .

Un'applicazione importante della tecnologia al plasma, sia in vuoto che a pressione atmosferica, si dà nella lavorazione dei tessuti, ad esempio per il conferimento di proprietà di idrofilia a tessuti sintetici e naturali prima di un processo di tintura e stampaggio, o per il conferimento di proprietà di anti-restringimento e anti-infeltrimento di tessuti in lana, nonché per l'attivazione superficiale dei tessuti al fine di farvi aderire successivamente agenti chimici con proprietà antìmacchia, di idrorepellenza, anti-fire ecc.

Tali applicazioni risultano particolarmente vantaggiose in sostituzione dei processi basati su trattamenti chimici, poiché si tratta di processi ecologici, "a secco" ed economici.

La tecnologia al plasma è utilizzata anche per la deposizione di film sottili su tessuti, iniettando nella zona di scarica precursori chimici in fase vapore che vengono dissociati dal plasma creando molecole elementari atte a depositarsi e legare con la superficie del tessuto.

Una apparecchiatura per il trattamento al plasma di tessuti in continuo presenta convenzionalmente un sistema di convogliamento del nastro di tessuto da stazioni di lavorazione o stoccaggio esterne verso una regione di trattamento al plasma, includente uno o più elettrodi di catodo ed uno o più elettrodi di anodo contrapposti, tra i quali è stabilita un'alta tensione dell'ordine dei kìlovolt per la formazione della scarica elettrica generatrice del plasma, e da questa nuovamente verso l'esterno a stazioni di lavorazione o stoccaggio successive .

Nella regione compresa tra gli elettrodi di catodo e gli elettrodi di anodo viene alimentato un gas di supporto del plasma, la cui miscela è prescelta in funzione del trattamento a cui è destinata 1'apparecchiatura.

L'articolo sottoposto al trattamento viene fatto passare tra gli elettrodi ed esposto alla re gione di plasma per conferire il trattamento desiderato. La configurazione meccanica di avanzamento dell'articolo in lavorazione prevede tradizionalmente l'utilizzo dello stesso elettrodo di anodo, sia esso di forma cilindrica o piatto, quale supporto per la movimentazione dell'artìcolo.

La qualità dell'articolo così lavorato dipende fortemente dalle caratteristiche di uniformità del trattamento a cui è sottoposto nell'apparecchiatura, e queste sono conseguenza della corretta esposizione dell'articolo alla regione di plasma, ossia al flusso di gas/plasma.

Pertanto, riveste un interesse particolare la disposizione reciproca degli elementi diffusori del gas e degli elettrodi di generazione del plasma.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un'apparecchiatura per il trattamento al plasma di articoli uni- o bi-dimensionali, in forma di filo, nastro, foglio o lastra, ed in particolare tessuti, che presenti una migliorata diffusione del plasma sull'articolo in lavorazione rispetto alla tecnica nota.

A tale scopo forma oggetto dell'invenzione un 'apparecchiatura avente le caratteristiche richiamate nella rivendicazione 1.

Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione verranno più dettagliatamente esposti nella descrizione particolareggiata seguente, data a titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la figura 1 è una vista prospettica esemplificativa di un'apparecchiatura secondo il trovato; la figura 2 è una vista schematica in sezione di un elettrodo di catodo dell'apparecchiatura di figura 1;

la figura 3 è una vista schematica in prospettiva, esplosa, di un elettrodo di anodo dell'apparecchiatura di figura 1;

le figure 4 e 5 sono viste in sezione di due varianti di realizzazione di un elemento diffusore di gas dell'apparecchiatura di figura 1;

le figure 6a e 6b sono rappresentazioni complete schematiche, in configurazione esplosa ed assemblata, di un elemento diffusore secondo la variante di figura 4;

le figure 7a e 7b sono rappresentazioni complete schematiche, in configurazione esplosa ed assemblata, di un elemento diffusore secondo la va riante di figura 5; e

le figure 8a e 8b sono rappresentazioni schematiche della disposizione degli elementi diffusori di gas, rispettivamente in una prima ed una seconda forma di realizzazione dell'apparecchiatura oggetto del trovato,

Un'apparecchiatura per il trattamento al plasma è indicata nel suo complesso con 10 in figura 1. Essa comprende un telaio 12 per il sostegno di una disposizione di elettrodi 14, sormontata da una calotta protettiva 16, ad esempio di materiale plastico trasparente e rigido per consentire l'ispezione dell'apparecchiatura.

La disposizione di elettrodi 14 comprende una pluralità di elettrodi di catodo 20 (di cui solo il primo, in posizione avanzata, è visibile in figura 1) affacciati ad almeno un elettrodo di anodo inferiore 22, i quali definiscono tra loro una regione di scarica elettrica D atta alla formazione di un plasma di gas.

Con riferimento alla figura 2, nella forma di realizzazione attualmente preferita gli elettrodi di catodo 20 sono realizzati in forma di barre disposte parallele l'una all'altra, ciascuna delle quali comprende elementi tubolari di materiale elettricamente conduttore, racchiusi da rivestimenti elettricamente isolanti.

Specificamente, ciascun elettrodo di catodo 20 include un tubo ceramico 24 di sezione sostanzialmente quadrata, ad esempio realizzato di allumina pura al 99,7%, sostenuto ad entrambe le estremità da supporti 30 in materiale elettricamente isolante predisposti per garantire l'allineamento ed il mantenimento del parallelismo degli elettrodi. I supporti 30 sono realizzati ad esempio in teflon, buon isolante elettrico che sopporta anche le alte temperature che si raggiungono nell'apparecchiatura. A loro volta, i supporti 30 in teflon sono sostenuti da supporti isolanti terminali 32, ad esempio di forma essenzialmente cilindrica ed anch'essì in materiale ceramico, accoppiabili alla calotta superiore protettiva dell'apparecchiatura. Per apparecchiature dì grandi dimensioni, ciascuna barra di elettrodo è vantaggiosamente sostenuta da supporti isolanti intermedi ausiliari, di tipo pensile ossia ancorati alla sommità alla calotta protettiva 16 o ad elementi del telaio, intervallati con regolarità nella dimensione della sua lunghezza.

Naturalmente, i supporti possono consentire l'alloggiamento di un numero diverso di elettrodi di catodo, in funzione del tipo di macchina progettato e della particolare applicazione desiderata.

All'interno del tubo ceramico 24 è inserito un tubo di materiale elettricamente conduttore 25, quale rame, preferibilmente di forma cilindrica, gli interstìzi 26 che si formano tra il tubo di rame 25 e la parete interna del tubo ceramico 24 essendo riempiti con polvere di rame. Naturalmente, onde evitare la fuoriuscita della polvere di rame, le estremità del tubo ceramico costituente il mantello esterno della barra sono opportunamente sigillate .

La costituzione dell'elettrodo in forma tubolare consente la circolazione all'interno del tubo di rame di un liquido refrigerante (ad esempio, olio dielettrico) e di aria forzata preventivamente raffreddata C per consentire il raffreddamento degli elettrodi e prevenire surriscaldamenti dell'intera apparecchiatura.

Nel caso non sia previsto un sistema di raffreddamento degli elettrodi, questi possono essere realizzati impiegando una barra di materiale elettricamente conduttore invece di un elemento tubolare .

I singoli elementi conduttori degli elettrodi di catodo sono collegati in parallelo al secondario di un trasformatore, indicato nel complesso con 40 in figura 1, il cui primario è alimentato da un generatore a frequenza regolabile, preferibilmente compresa tra 1 e 20 kHz e fino a 40 kHz, e tensione dell'ordine di qualche centinaio di volt, preferìbilmente compresa tra 200 e 300 volt, in modo tale da stabilire sul secondario una tensione dell'ordine di alcuni kilovolt, preferibilmente regolabile tra 3 e 15 kilovolt, con frequenza uguale a quella sul primario. La tensione al secondario alimenta la scarica elettrica tra elettrodi di catodo ed elettrodi di anodo per la generazione del plasma. La potenza applicata può variare tra 100 W e qualche decina di kW, con una densità di potenza preferibile compresa tra 0,5 e 5 Watt/cm<2>.

Con riferimento alla figura 3, l'elettrodo dì anodo 22 include, in una forma di realizzazione preferita, una unica lastra metallica di allumìnio 27, convenientemente di lunghezza inferiore alla lunghezza delle barre degli elettrodi catodo. La superficie superiore della lastra presenta preferibilmente bordi arrotondati al fine di evitare l'accumulo di cariche sugli spigoli, che altererebbe la qualità della scarica del plasma. In forme di realizzazione alternative (non raffigurate) possono essere previsti più elettrodi di anodo affiancati.

Nella porzione inferiore della lastra formante l'elettrodo (o un componente dell'elettrodo) di anodo è predisposto un circuito di raffreddamento 28 all'interno del quale è possibile far circolare lungo un percorso tortuoso un liquido refrigerante C per mantenere costante la temperatura dell'elettrodo di anodo ed evitare surriscaldamenti dell'intera apparecchiatura.

L'elettrodo dì anodo è preferibilmente montato su una struttura mobile a cassetto, che può essere estratta dal telaio 12 così da allontanare l'elettrodo di anodo dagli elettrodi di catodo e consentire l'accesso alla macchina per ispezioni e pulizia .

Nella configurazione operativa la disposizione di elettrodi prevede una distanza tra gli elettrodi di catodo e l'elettrodo di anodo regolabiule, e preferibilmente non superiore a 2-3 min,

Il gas di supporto per la formazione del plasma è alimentato attraverso elementi diffusori 50 di forma essenzialmente parallelepipeda, disposti preferibilmente in numero uguale al numero degli elettrodi di catodo ed accostati ad essi per la lo-

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ro lunghezza.

Due varianti di realizzazione di un elemento diffusore sono mostrate in sezione rispettivamente nelle figure 4 e 5, ed in una rappresentazione schematica completa, rispettivamente in configurazione esplosa ed assemblata, nelle figure 6a e 6b (prima variante) e nelle figure 7a e 7b (seconda variante) .

In entrambe le varianti ciascun elemento diffusore 50 comprende un corpo preferibilmente di alluminio, il quale presenta una camera principale di sovrapressione 52 estesa per tutta la lunghezza del diffusore, atta a ricevere un gas immesso nel diffusore attraverso una pluralità di condotti a monte 54 ricavati nel corpo dell'elemento diffusore ad intervalli regolari per la lunghezza dell'elemento e collegati a tubazioni di alimentazione esterne.

Tale camera dì sovrapressione 52 è chiusa a valle, dal lato rivolto verso la regione di generazione del plasma compresa tra gli elettrodi di anodo e catodo, da un elemento di filtro 56, preferibilmente un filtro in materiale poroso (ad esempio, carta o un materiale polimerico) dalla porosità inferiore a 5 micron o di materiale in forma di tela (ad esempio, tela di acciaio) con maglia inferiore a 5 micron.

A valle del filtro 56 è realizzata nel corpo dell'elemento diffusore una camera di diffusione 58 sfociante all'esterno attraverso una fenditura longitudinale 60 di diffusione del gas, la cui estensione è trasversale rispetto al verso di scorrimento di un articolo convogliato nell'apparecchiatura e sottoposto al trattamento al plasma (indicato dalla freccia in figura 1).

La dimensione longitudinale della fenditura 60 è almeno pari alla dimensione trasversale della regione di scarica definita tra la disposizione di elettrodi di catodo e anodo 14.

Nella variante rappresentata nelle figure 4, 6a e 6b i condotti di immissione 54, la camera di sovrapressione 52, il filtro 56 e la camera di diffusione 58 sono allineati verticalmente nell'orientamento di montaggio del diffusore.

Nella variante rappresentata nelle figure 5, 7a e 7b il percorso per il gas dai condotti di immissione 54 alla fenditura 60 attraverso la camera di sovrapressione 52, il filtro 56 e la camera di diffusione 58 è invece ad L.

In entrambi i casi i singoli elementi diffusori 50 sono disposti accostati agli elettrodi di catodo 20 ed isolati dagli stessi attraverso una parete di materiale isolante elettrico (ad esempio pamitherm), e montati con la fenditura 60 di diffusione del gas rivolta verso l'elettrodo di anodo. Specificamente, gli elementi diffusori sono disposti nei confronti dei corrispondenti (uno o più) elettrodi di catodo in modo tale che la fenditura di diffusione del gas sì trovi il più vicino possibile all'elettrodo, al fine di convogliare il gas nel modo più uniforme possibile nella regione dì generazione del plasma.

Anche gli elementi diffusori sono supportati da isolatori ceramici dì estremità ed eventualmente da isolatori intermedi ausiliari, intervallati con regolarità nella dimensione della loro lunghezza, accoppiati alla calotta protettiva 16 dell'apparecchiatura .

Operativamente, un articolo A da trattare viene convogliato all'apparecchiatura attraverso rulli convogliatori per sé noti e fatto scorrere all'interno dell'apparecchiatura tra la disposizione dì elettrodi 14, con un predeterminata velocità di avanzamento, ad esempio dell'ordine di 50 m/min per nastri di tessuti e dell·'ordine di qualche centinaio di metri al minuto per articoli in filo.

L'articolo è trascinato tramite un sistema convogliatore a rulli esterno all'apparecchiatura di lavorazione al plasma che ne garantisce l'avanzamento a velocità costante e l'allineamento in ingresso ed uscita dall'apparecchiatura stessa.

Il gas di supporto del plasma è immesso negli elementi diffusori 50 attraverso i condotti superiori 54. All'interno della camera 52, per effetto della presenza dell'elemento di filtro 56 a valle, si crea una leggera sovrapressione che consente al gas di attraversare il filtro 56 in modo uniforme lungo tutta la sua lunghezza, passando alla camera di diffusione 58 e da questa fuoriuscire dalla fenditura 60 verso la regione di scarica D.

Poiché i diffusori 50 sono montati a monte degli elettrodi di catodo 20 rispetto al senso di scorrimento dell'articolo da trattare, il moto di avanzamento dell'articolo stesso favorisce la diffusione del gas nella regione di generazione del plasma D, consentendo pertanto una ottimale distribuzione dello stesso, già uniformemente distribuito lungo la direzione trasversale rispetto al senso di avanzamento dell'articolo, anche nella direzione longitudinale .

I gas tipicamente utilizzati per le applicazioni di lavorazione di tessuti sono elio, ossigeno, azoto, anidride carbonica. L'elio consente di rendere la scarica più uniforme, mentre gli altri gas consentono di conferire proprietà particolari. L'ossigeno, in particolare, consente l'ossidazione delle superfici per aumentare l'affinità con l'acqua. Per ottenere idrofilia dei tessuti di cotone e proprietà di anti-restringimento della lana sono utilizzate, ad esempio, miscele di elio ed ossigeno in rapporto 1:3 - 1:5.

Il flusso della miscela di gas complessivo è variabile in funzione delle dimensioni della apparecchiatura {numero di elettrodi di catodo e dei corrispondenti diffusori) e della velocità di avanzamento dell'articolo da trattare e compreso preferibilmente tra 3 e 10 l/min, distribuito in modo uniforme sulla pluralità di elettrodi previsti.

Si noti che la realizzazione proposta per la presente invenzione nella discussione che precede ha carattere puramente esemplificativo e non limitativo della presente invenzione. Un tecnico esperto del settore potrà facilmente attuare la presente invenzione in realizzazioni diverse che non si discostano però dai principi qui esposti, e sono dunque ricompresse nel presente brevetto.

Ciò vale in particolare per quanto riguarda la possibilità di realizzare, in alternativa alla configurazione planare riportata in figura 8a, un anodo cilindrico rotante, atto a fungere da supporto per il trascinamento dell'articolo, come rappresentato in figura 8b.

Anche in questo caso elementi diffusori di gas 50 sono disposti accostati alle barre degli elettrodi di catodo 20 ed orientati in modo tale che il gas di supporto al plasma fuoriesca in modo uniforme dalla fenditura 60 in direzione perpendicolare al senso di scorrimento dell'artìcolo (indicato dalla freccia). In questa configurazione è possibile prevedere un sistema di raffreddamento dell'anodo per circolazione dì un liquido refrigerante all'interno della struttura cilìndrica.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione, definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchiatura per il trattamento al plasma di articoli uni- o bi-dimensionali, comprendente: - una disposizione di elettrodi (14) includente almeno un elettrodo di catodo (20) ed un elettrodo di anodo (22) affacciati che definiscono tra loro una regione di scarica elettrica (D) atta alla formazione di un plasma di gas; - mezzi diffusori (50) di un gas o miscela gassosa di supporto del plasma nella suddetta regione di scarica (D); e - mezzi convogliatori di un articolo (A) da trattare, atti a trasportare con continuità detto articolo (A) nella regione di formazione del plasma (D) ad una velocità predeterminata, caratterizzata dal fatto che detti mezzi diffusori di gas (50) sono disposti in prossimità di detti elettrodi di catodo (20), a monte di essi secondo un verso di avanzamento dell'articolo (A) da trattare, e presentano un ugello (60) di diffusione del gas affacciato alla superficie dell'elettrodo di anodo (22) contrapposto, avente un'estensione trasversale rispetto al verso di avanzamento del-1 'articolo (A) almeno pari o superiore alla dimensione trasversale della regione di scarica (D), il moto di avanzamento dell'articolo da trattare favorendo la diffusione uniforme del gas nella regione di formazione del plasma.
2. 2. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi diffusori comprendono una pluralità di dispositivi diffusori (50), in numero uguale al numero di elettrodi di catodo (20).
3. 3. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 2, in cui detti dispositivi diffusori (50) sono accoppiati ad un rispettivo elettrodo di catodo (20) per interposizione di uno strato ìsolante.
4. 4. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 3, in cui detti dispositivi diffusori (50) includono un corpo sostanzialmente a barra che presenta al proprio interno una camera di sovrapressione (52) atta ad essere alimentata da un flusso continuo di gas (miscela di gas) precursore del plasma attraverso una pluralità di canali di alimentazione (54) e separata da una camera di diffusione (58) del gas a valle mediante mezzi di filtro (56), detta camera di diffusione (58) a valle presentando una fenditura longitudinale (60) di erogazione del gas.
5. 5. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 4, in cui detti mezzi di filtro (56) comprendono un filtro di materiale poroso con porosità inferiore a i9 5 micron.
6. 6. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 4, in cui detti mezzi di filtro (56) comprendono un filtro di materiale in forma di tela con maglia inferiore a 5 micron.
7. 7. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti elettrodi di catodo (20) comprendono barre di elettrodo disposte trasversalmente al verso di avanzamento dell'articolo (A) da trattare, le quali includono un<1>anima (25) di materiale elettricamente conduttore, ed un rivestimento esterno (24) di materiale dielettrico .
8. 8. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 7, in cui detta anima (25) degli elettrodi di catodo (20) è elettricamente connessa all'avvolgimento secondario di un trasformatore (40) dì tensione, il cui avvolgimento primario è atto ad essere accoppiato ad un generatore di tensione a frequenza controllabile.
9. 9. Apparecchiatura secondo la rivendicazione 7 o 8, in cui detta anima (25) degli elettrodi di catodo (20) è un'anima tubolare accoppiata ad un sistema di raffreddamento atto a far circolare all'interno di detta anima (25) un fluido di raffredda mento (C).
10. 10. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elettrodo di anodo (22) comprende almeno una lastra piana metallica (27) a bordi arrotondati, la cui faccia opposta alla regione di scarica (D) presenta una scanalatura (28) di percorso per un fluido di raffreddamento (C).
11. 11. Apparecchiatura secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto elettrodo di anodo (22) comprende un organo cilindrico elettricamente conduttore comandato in rotazione per il trascinamento dell'articolo (A) da trattare.