WO2007124921A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung von schüttgut mit einem physikalischen plasma bei atmosphärendruck - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur behandlung von schüttgut mit einem physikalischen plasma bei atmosphärendruck Download PDF

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Wolfgang Viöl
Georg Avramidis
Richard Wascher
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Fachhochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen
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Definitions

  • the invention relates to a method for the treatment of bulk material with a physical plasma at atmospheric pressure and a device which can be used for this purpose with the features of the preamble of patent claim 8.
  • Reaction tube in which the gas discharge is caused to rotate about its horizontal axis to treat the seed on all sides.
  • the germination capacity of the seed can be improved.
  • it is complex, complex and suitable only for small amounts of seed.
  • the seed must be introduced into and removed from an evacuated area, where there is a negative pressure, at which the gas discharge is caused.
  • the reduced pressure on the seed has an effect on the moisture content of the seed.
  • the seed must not be heated above 60 ° C. in order to avoid thermal damage, which is not easy to ensure in the known method.
  • the electron treatment of bulk material preferably seed, known.
  • the seed is passed in free fall as a broad transparent band through a process chamber on which at least one band radiator is arranged, which acts on the bulk material with electrons through a beam exit window.
  • Physical plasma as generated by a gas discharge, does not arise in the known electron treatment of bulk material either.
  • a physical plasma is characterized by reactive gas species in the form of atomic oxygen, radicals, ions and the like, as well as UV radiation, ie. H. Photons, out.
  • a method and a device for cleaning metallic bodies in a plasma are known.
  • the metallic bodies are introduced into a vacuum chamber, in which one is generated in an inert gas atmosphere with an inert gas pressure of less than 10 Pa.
  • a completely or largely enclosing plasma is ignited to the body to be cleaned.
  • a relation to the plasma potential negative electrical potential is applied to the body to be cleaned.
  • a method for cleaning and coating of workpieces in which around the workpiece around a low static pressure is generated below atmospheric pressure. At this pressure, a plasma stream generated by a plasma gun is directed toward the workpiece, generating an electrical potential gradient between the plasma gun and the workpiece. To clean the workpiece, the workpiece is negatively poled with respect to the plasma gun.
  • the known method is intended neither for the treatment of bulk material nor at atmospheric pressure. It also requires metallically conductive workpieces, and the presence of chemically reactive species in a physical plasma is not exploited here either.
  • a superimposed AC voltage is applied to generate pulsed electron avalanches moving from the cathode towards and into the seeds.
  • the invention has for its object to provide a method for the treatment of bulk material with a physical plasma at atmospheric pressure and a device suitable for this purpose, which are well suited for larger quantities of bulk material.
  • the treatment is carried out with the physical plasma at atmospheric pressure.
  • the treatment at atmospheric pressure eliminates the need to inject bulk material into and out of a region where reduced pressure prevails. If the new process has a slight negative pressure relative to the static ambient pressure in the area of the physical plasma, this is based exclusively on dynamic effects, such as, for example, on a suction from the area of the physical plasma. Also, any overpressure to the ambient pressure is on such dynamic effects, such as a
  • the plasma treatment differs from purely physical treatments by means of electron beams.
  • the treatment at atmospheric pressure ensures a much shorter treatment time due to the much higher particle density than at reduced pressure.
  • the thermal effects of the treatment of the bulk material with the physical plasma are also kept within narrow limits, because the plasma is generated by dielectrically impeded gas discharges, so that it is a comparatively cold plasma.
  • the use of dielectric gas discharges to generate the plasma is also associated with further advantages.
  • the dielectric obstruction ensures uniform plasma formation even with relatively large areas of the electrodes subjected to alternating high voltage. That is, the concentration of gas discharges on a few discharge channels is avoided. This even applies even if, in the new method, the bulk material is introduced directly into the area between the electrodes in order to treat it there with the plasma.
  • the treatment of the bulk material at atmospheric pressure makes it readily possible to pressurize the bulk material with a gas stream.
  • This gas stream can be used for cooling or temperature control of the bulk material, or also to introduce a reaction gas in the physical plasma. Even if the gas discharges are ignited to generate the plasma in ambient air, a flow through the treatment area makes sense, if not necessary, because it replaces the substances used by the gas discharges and the reactions of the plasma and thus ensures the same conditions for the production of the plasma become. This is a prerequisite for the generation of a homogeneous plasma as possible within a larger volume.
  • Another function of the gas stream may be the conveyance of the bulk material through the area of the physical plasma or the circulation of the bulk material within the physical plasma.
  • the direction of the gas flow can be located directly in the area or even in the adjoining environment of the treatment of the bulk material with the physical plasma.
  • a limitation of the temperature of the bulk material to a predetermined maximum temperature can be effected for example by varying the parameters of the physical plasma, the residence time of the bulk material in the region of the physical plasma and the loading of the bulk material with a gas stream.
  • the bulk material For the new process to have its maximum positive effect on the bulk material, the bulk material must be exposed to the plasma on all sides. To ensure this, the separated particles of the bulk material in the physical plasma must either be completely separated from each other and exposed to a completely homogeneous plasma, or they are circulated in the plasma such that uniform treatment of their entire surfaces is achieved. As a rule, such a circulation is easier to achieve than a homogenous plasma in all respects, which acts on completely separate particles of the bulk material.
  • a conveyor for the bulk material can be provided with a vibrator; the bulk material can be passed through a stepping step between subregions in which the treatment with the physical plasma takes place;
  • the grains of the bulk material can be circulated in a turbulent gas flow or the grains can be mechanically rotated by a counter-conveyor.
  • the universal treatment of the particles of the bulk material with the physical plasma is also promoted by keeping the particles of the bulk material at a distance from the electrodes. They should therefore be located somewhere between the electrodes in the core area of the gas space. This can be achieved even if the bulk material is conveyed through a conveyor through the treatment area, which also serves as an electrode.
  • the conveyor is to be charged with a vibrator so that the particles of the bulk material to hop on the conveyor, where they have a very short contact times with the conveyor a distance from the conveyor.
  • the optimum frequency of movements of the conveyor with the vibrator depends on the particles of the bulk material, i. H. their size, density and shape.
  • the dielectrically impeded gas discharges can be particularly favorable at atmospheric pressure by individual voltage pulses of alternating polarity spaced apart from one another by a multiple of their duration, bipolar voltage pulse pairs or bipolar voltage pulse groups REHBERG HÜPPE + PARTNER - 8 - Submitted version
  • the new method can be used to treat seeds as bulk material with the physical plasma to improve its germination ability by removing or killing undesirable chemical or biological surface contaminants of the seed and / or by affecting the surface on the seed grains is subjected to certain physical or chemical reactions and / or provided with a coating which separates from the plasma.
  • the new method can be used, for example, to pillage seed, d. H. provided with a shell of pesticides, or to wrap it with other functional layers.
  • the coated particles may either consist entirely of one particle of the bulk material and a layer deposited thereon from the physical plasma, or the physical plasma may only be used to apply a partial layer or used to improve the adhesion of the actual coating, which is then applied in a different manner.
  • the novel process has particular advantages if at least a substantial proportion of the coating of the seed takes place from the plasma, because the atmospheric pressure prevailing here permits much higher deposition rates than, for example, a plasma treatment at reduced pressure.
  • a primary activation of the surface of the particles of the bulk material leads, for example, to a simplification of a subsequent coating and / or gluing and, in particular, to an improvement in the desired wetting and adhesion to the particles of the bulk material.
  • Particles to which a binder is then added to bond them to sheets or other shaped articles are treated by the new method to increase the strength of the bond or reduce the amount of binder required.
  • Specific applications include the treatment of wood chips for the production of wood chipboard, the treatment of wood particles and plastic particles for the production of wood-plastic composites (WPC) and also the pretreatment of, for example, glass or carbon fibers for reinforcement of plastics.
  • WPC wood-plastic composites
  • the bond between the reinforcing fibers and the plastic is improved by the treatment of the reinforcing fibers with the physical plasma by the method described herein. This is due to surface activation of the fibers by the plasma.
  • the novel process can also be advantageously combined with a sorting of the particles of the bulk material according to their size and their weight, in particular with such known sorting processes in which the particles of a bulk material are arranged on a vibrator.
  • the electrodes of the plasma source adjoin the treatment space, wherein at least one of the electrodes is provided with a dielectric shield and wherein the electrodes are acted upon by a high voltage generator with a bipolar alternating high voltage.
  • a conveying path extending through the treatment space is provided which conveys the particles of the bulk material through the treatment space in isolated form.
  • a pressurized gas source and / or a fan may be present to pressurize the bulk material in the region and / or in the environment of the treatment with the physical plasma with a gas stream.
  • a temperature sensor can be provided to detect a temperature in the region of the treatment with the physical plasma which gives at least an indirect indication of the maximum temperature of the bulk material due to the plasma treatment.
  • a temperature control may limit the temperature of the bulk material to a predetermined maximum temperature by varying operating parameters of the new device.
  • a circulating device for the bulk material into the treatment space can have a vibrator acting on a conveyor for the bulk material and / or a drop stage and / or a source for a turbulent gas flow and / or a counterfeit conveyor, which mechanically twists the particles of the bulk material.
  • a vibrator which forces a conveyor, for example a conveyor belt, which forms the conveyor line through the treatment space, in particular periodic movements transversely to the conveying direction, it must be checked to what extent the distance between the electrodes of the plasma source changes as a result. This is especially true when the conveyor forms one of the two electrodes of the plasma source. If the transverse movement of the conveyor goes beyond what is tolerable by the change in the distance between the electrodes of the plasma source, both electrodes can be moved as a rigid unit by the vibrator, so that their distance remains constant. However, if the magnitude of the transverse movement is not critical to the spacing of the electrodes, it is preferred for energetic reasons to move only the conveyor. With a suitable form of transverse movement of the conveyor under the action of the vibrator, this transverse movement can also be used to hin miczufördem the particles of the bulk material through the treatment room. Appropriately designed conveyor lines are basically known in the prior art.
  • an electrode and a counter electrode of the plasma source may be arranged coaxially with each other and confine a vertically open treatment space with the interposition of a dielectric shield. Through this treatment room, the bulk material can fall through from top to bottom. In this case, a flow of gas directed counter to the falling bulk material through the treatment space from bottom to top can define the residence time of the bulk material in the treatment space and also ensure a circulation of the bulk material in the treatment space.
  • an electrode of the plasma source is arranged opposite to a conveyor belt serving as a counterelectrode.
  • two electrodes of the plasma source are arranged opposite to a conveyor belt serving as an intermediate electrode, wherein a high voltage generator generates a high AC voltage between the two electrodes.
  • the conveyor belt may be grounded. However, it eliminates the need to ground the high voltage generator.
  • Fig. 1 outlines a vertical section through a device for the treatment of bulk material with a physical plasma at atmospheric pressure, an embodiment of the new method in which the bulk material falls from top to bottom through a treatment room through.
  • Fig. 2 outlines a further embodiment of the new method by means of a vertical section through a further device for the treatment of bulk material with a physical plasma at atmospheric pressure, in which the bulk material is conveyed with a serving as an intermediate electrode for dielectrically impeded gas discharges conveyor belt.
  • Fig. 3 outlines a modification of the device according to a vertical section
  • FIG. 4 outlines a modification of the device according to FIG. 2 with respect to the generation of the dielectrically impeded gas discharge, in which here the FIG
  • Conveyor belt serves as a counter electrode.
  • the device 1 sketched in FIG. 1 has a charging reservoir 2 from which a bulk material 3 consisting of individual ponds 30 is discharged from above into a treatment space 4.
  • a dosing device which is used here and which separates the particles 30 of the bulk material 3 during delivery into the treatment chamber 4 is not reproduced separately here, but may, for example, have a cellular wheel.
  • the treatment space 4 is delimited by an outer tube 5 serving as a counter electrode 7 connected to the ground 6 for an electrode 8 arranged on the tube axis and provided with a dielectric shield 9.
  • the electrode 8 is acted upon by a high voltage generator 10 with bipolar voltage pulse pairs of an amplitude of several 10,000 volts, which have a pulse duration of less than 10 microseconds at a repetition frequency of the bipolar voltage pulse pairs of less than 100,000 Hz.
  • a high voltage generator 10 with bipolar voltage pulse pairs of an amplitude of several 10,000 volts, which have a pulse duration of less than 10 microseconds at a repetition frequency of the bipolar voltage pulse pairs of less than 100,000 Hz.
  • 4 gas discharges between the electrode 8 and the counter electrode 7 are caused at atmospheric pressure in the treatment chamber, which are dielectrically obstructed by the dielectric shield 9 of the electrode 8.
  • the dielectric barrier limits the current through the gas discharges and provides for a uniform distribution of the gas discharges, without pronounced local discharge channels.
  • generation of a physical plasma by the gas discharges in the treatment space 4 is stabilized. This physical plasma acts on the bulk material 3, whereby the particles 30 of the bulk material are modified on their surface.
  • the resulting oxygen radicals can kill microorganisms on the surface of the particles 30 of the bulk material, which means a biological disinfection of the bulk material.
  • the oxygen radicals can also be used to activate the surface of the particles 30, which favors their subsequent coating or bonding.
  • reaction gases can be introduced to certain chemical reactions REHBERG HÜPPE + PARTNER - 13 - Submitted version
  • FIG. 1 a gas flow 11 leading through the treatment space 4 is indicated.
  • This gas flow 11 provides the gas in which the plasma in the treatment space 4 is ignited by the gas discharges between the electrode 8 and the counter electrode 7.
  • the gas stream 11 also has other functions. It determines the residence time of the bulk material 3 in the treatment room 4 by braking its falling speed. In addition, it causes turbulence, which lead to a circulation of the bulk material in the treatment chamber 4, so that its particles 30 are circulated and mixed and treated from all sides evenly with the plasma in the treatment room 4, until after their treatment in a discharge reservoir 12 at the lower end of the device 1 enter.
  • a driven conveyor belt 13 which separates the particles 30 of the bulk material 3 here and from the charging reservoir 2 in the horizontal direction transferred the treatment room 4 in the unloading reservoir 12.
  • the conveyor belt 13 is connected to the ground 6 and serves as an intermediate electrode 14 between two each provided with a dielectric shield 9 electrodes 8, between which the AC high voltage generator 10 here generates the AC high voltage for generating a plasma in the treatment room 4.
  • the intermediate electrode 14 bounds on one side the two parts of the treatment chamber 4, each extending between one of the electrodes 8 and the conveyor belt 13, and connects them electrically to each other.
  • a shaker 15 is shown in Fig. 2 only schematically indicated, the height of the Conveyor belt 13 changed intermittently, so that the individual particles 30 of the bulk material 3 on the conveyor belt 13 "hop". As a result, they are both isolated and rotated, so that the plasma can affect them on all sides.
  • the particles are kept at a distance from the conveyor belt for their substantial residence time in the treatment room, which also promotes their all-round plasma treatment. If the frequency of the vibrator is matched to the particles of the bulk material, the particles can be held by the vibrator 15 quasi in suspension above the conveyor belt 13.
  • a gas stream is passed over the bulk material 3 in order to feed reaction gases into the treatment space 4 REHBERG HÜPPE + PARTNER - 14 - Submitted version
  • a double arrow vibrator 5 can be designed very different. He can stochastically or periodically shift the entire arrangement of the electrodes 8 and the conveyor belt 13 or only the conveyor belt 13 or only a part thereof in the vertical direction or pivot about a horizontal pivot axis. Preferably, the displacement or pivoting is jerky. It is also possible to form the vibrator in the form of a blower acting on the bulk material 3 from below through the conveyor belt 13, which leads to a rearrangement of the individual particles 30 of the bulk material 3 on the conveyor belt 13 with the gas flow caused by it.
  • FIG. 3 outlines another possibility for redistributing the particles 30 of the bulk material 3 during transport through the treatment space 4 in order to ensure all-round treatment of the bulk material 3 with the physical plasma.
  • the conveyor belt 13 has a step 16 between the two sections of the treatment chamber 4. By falling down the step 16, the bulk material 3 is turned before entering the second part of the treatment space 4.
  • the conveyor belt 13 may additionally be provided in whole or in some areas with a vibrator 15 (not shown here).
  • the conveyor belt 13 can also be inclined so steeply that the particles 30 of the bulk material 3 roll down the conveyor belt 13, d. H. get to the unloader reservoir 12 without the conveyor belt 13 is moved.
  • the necessary inclination of the conveyor belt 13 depends strongly on the shape of the particles 30. If this completely out of round, so z. B. are fibrous, a usable conveyor belt 13 rolling down the bulk material 3 may even be excluded.
  • the conveyor belt 13 can even be driven in the opposite direction to the particles of the bulk material 3 rolling down into the unloader reservoir 12 in order to detect the rolling movement of the particles or their residence time in the treatment space 4 in which the physical plasma is present she acts to adjust.
  • a vibrator 15 may be provided for the conveyor belt 13 in order to promote the important for their all-round treatment redistribution of the particles of the bulk material 3.
  • the conveyor belt 13 which is shown circulating around rollers 17 in the figures, can perform only a periodic movement caused by the shaker, even with horizontal or slightly increasing orientation in the treatment space 4. If this periodic movement has a sufficient lateral component, it may also be sufficient for conveying the particles 30 of the bulk material 3 through the treatment space 4 in addition to their singulation and reorientation function.

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Abstract

Eine Behandlung von Schüttgut (z.B. Saatgut) (3), das aus einer Vielzahl einzelner Teilchen (30) besteht, erfolgt mit einem physikalischen Plasma bei Atomsphärendruck, indem das physikalische Plasma mittels dielektrisch behinderter Gasentladungen zwischen zweii Elektroden (7, 8) erzeugt wird und die Teilchen (30) des Schüttguts (3) in vereinzelter Form durch den Bereich der Gasentladungen zwischen den Elektroden (7, 8) hindurch bewegt werden.

Description

Anmelderin: HAWK Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst
31134 Hildesheim; Hohnsen 4 Amtsaktenzeichen: Noch nicht zugewiesen RHP Ref.: 17627pct /co6
Datum: 25.04.2007
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR BEHANDLUNG VON SCHÜTTGUT MIT EINEN! PHYSIKALISCHEN PLASMA BEI ATMOSPHÄRENDRUCK
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Schüttgut mit einem physikalischen Plasma bei Atmosphärendruck und eine hierzu einsetzbare Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 8.
Beim dem zu behandelnden Schüttgut kann es sich z. B. um Saatgut handeln. Die vorliegende Erfindung ist jedoch ausdrücklich nicht auf die Behandlung von Saatgut als Schüttgut beschränkt. Sie umfasst beispielsweise auch die Behandlung von Teilchen oder Partikeln, aus denen anschließend unter Zusatz von Bindemittel und/oder anderer Teilchen Formkörper ausgebildet werden.
STAND DER TECHNIK
Aus der US 6,543,460 B1 ist es bekannt, Saatgut mit einem kalten Plasma in einer Reaktionskammer zu behandeln, um die Oberfläche der Körner des Saatguts zu ätzen. Auf diese Weise sollen Oberflächenmaterialien, wie beispielsweise Fungizide und Insektizide entfernt und/oder die Oberflächen desinfiziert werden. Diese Plasmabehandlung erfolgt unter Verwendung von Ätzgasen, die das Saatgut nicht schädigen sollen, und für ausgewählte Zeiträume, die zwar ausreichend sind, um die Oberflächenmaterialien zu entfernen, aber nicht so lang, dass die Lebensfähigkeit des Saatguts durch die Behandlung beeinträchtigt wird. Diese bekannte Plasmabehandlung erfolgt bei reduziertem Druck, bei dem das Plasma durch direkte Gasentladungen zwischen einer Elektrode, an die eine hochfrequente Wechselhochspannung angelegt wird, und einer geerdeten Gegenelektrode erzeugt wird. Dabei ist es vorgesehen, ein REHBERG HÜPPE + PARTNER - 2 - Eingereichte Fassung
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Reaktionsrohr, in dem die Gasentladung hervorgerufen wird, um seine horizontale Achse zu drehen, um das Saatgut allseitig zu behandeln.
Durch die bekannte Plasmabehandlung von Saatgut ist die Keimfähigkeit des Saatguts verbesserbar. Sie ist jedoch aufwändig, komplex und nur für kleine Mengen an Saatgut geeignet. Das Saatgut muss in einen evakuierten Bereich eingeschleust und aus diesem wieder ausgeschleust werden, in dem der Unterdruck herrscht, bei dem die Gasentladung hervorgerufen wird. Der auf das Saatgut einwirkende reduzierte Druck hat Auswirkungen auf den Feuchtegehalt des Saatguts. Das Saatgut darf nicht über 60 0C erwärmt werden, um thermische Schädigungen zu vermeiden, was bei dem bekannten Verfahren nicht einfach sicherzustellen ist.
Es ist bekannt, dass durch die Behandlung mit einem physikalischen Plasma bei Atmosphärendruck Oberflächen für eine nachfolgende Beschichtung vorbereitet werden können, wodurch sich das Beschichtungsmaterial leichter auf den Oberflächen verteilen lässt und eine bessere Haftung an der Oberfläche aufweist, siehe z. B. die WO 2004/023 927 A1 bezüglich der Beschichtung von Fingernägeln. Die in diesem Zusammenhang bekannten Verfahren und Vorrichtungen sind für die Behandlung von Schüttgut nicht ohne weiteres geeignet.
Das INP - Institut für Niedertemperatur-Plasmaphysik e.V., Greifswald, berühmt sich einer unveröffentlichten Patentanmeldung mit dem Titel: "Anordnung zur Oberflächenbehandlung von Schüttgut in einer Plasmazone bei Atmosphärendruck". Diesem Titel ist über die tatsächliche Anordnung nichts zu entnehmen.
Aus der DE 44 34 767 C1ist die Elektronenbehandlung von Schüttgut, vorzugsweise Saatgut, bekannt. Dabei wird das Saatgut im freien Fall als breites transparentes Band durch eine Prozesskammer hindurchgeführt, an der mindestens ein Bandstrahler angeordnet ist, der durch ein Strahlaustrittsfenster das Schüttgut mit Elektronen beaufschlagt. Dabei soll es zur Verbesserung der Isotropie der Elektroneneinwirkung auf das Schüttgut im Falle ungenügender Richtungsstreuung des Elektronenvorhangs durch das Strahlaustrittsfenster und die Gasstrecke „bzw. das erzeugte Plasma" zweckmäßig sein, Streukörper anzuordnen, die den aus dem Bandstrahlern emitierten Elektronenvorhang teilweise oder vollständig erfassen und in mindestens zwei Teilvorhänge mit zur Fallrichtung des Schüttguts unterschiedlicher Neigung aufspalten. Ansonsten wird ein Plasma der DE 44 34 767 C1 nicht erwähnt, und ein REHBERG HÜPPE + PARTNER - 3 - Eingereichte Fassung
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physikalisches Plasma, wie es durch eine Gasentladung erzeugt wird, entsteht bei der bekannten Elektronenbehandlung von Schüttgut auch nicht. Ein solches physikalisches Plasma zeichnet sich neben sehr niederenergetische Elektronen durch reaktive Gasspezies in Form von atomarem Sauerstoff, Radikalen, Ionen und dergleichen sowie UV-Strahlung, d. h. Photonen, aus.
Aus der DE 198 26 160 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reinigung metallischer Körper in einem Plasma bekannt. Dazu werden die metallischen Körper in eine Vakuumkammer eingebracht, in der eine in Inertgasatmosphäre mit einem in Inertgasdruck von weniger als 10 Pa erzeugt wird. In der Vakuumkammer wird dann ein die zu reinigenden Körper ganz oder weitgehend umschließendes Plasma gezündet. Dazu wird ein gegenüber dem Plasmapotential negatives elektrisches Potential an die zu reinigenden Körper angelegt. Die durch das Potential zum zu reinigenden Körper hin beschleunigten Erdgasionen entfernen die Verunreinigungen durch Abtragen der Oberfläche des Körpers. Durch die Notwendigkeit des Evakuierens der Vakuumkammer ist diese Reinigung nur schlagweise und damit langsam durchführbar. Sie funktioniert auch nur bei metallisch leitenden zu reinigenden Körpern. Die Anwesenheit chemisch reaktiver Spezies in einem physikalischen Plasma wird hierbei nicht ausgenutzt. Sie wäre bei einem Druck von weniger als 10 Pa auch von zu geringer Konzentration. Vielmehr die Beschleunigung von Ionen aus dem Plasma zum sog. Absputtern der Oberfläche der zu reinigenden Körper genutzt.
Aus der DE 30 51 265 ist ein Verfahren zum Reinigen und Beschichten von Werkstücken bekannt, bei dem um das Werkstück herum ein niedriger statischer Druck unterhalb Atmosphärendruck erzeugt wird. Bei diesem Druck wird ein mit einer Plasmakanone erzeugter Plasmastrom auf das Werkstück gerichtet, wobei zwischen der Plasmakanone und dem Werkstück ein elektrischer Potentialgradient erzeugt wird. Zum Reinigen des Werkstücks wird das Werkstück in Bezug auf die Plasmakanone negativ gepolt. Das bekannte Verfahren ist weder zur Behandlung von Schüttgut noch bei Atmosphärendruck vorgesehen. Es setzt überdies metallisch leitende Werkstücke voraus, und die Anwesenheit chemisch reaktiver Spezies in einem physikalischen Plasma wird auch hier nicht ausgenutzt..
Aus der DE 697 26 444 T2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verbessern der Wachstumsmerkmale von Saatgut durch Elektronenlawinen bekannt. Dabei wird das Saatgut zwischen einem Paar von Elektroden angeordnet, zwischen denen eine Gleichspannung mit REHBERG HÜPPE + PARTNER - 4 - Eingereichte Fassung
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einer überlagerten Wechselspannung angelegt wird, um gepulste Elektronenlawinen zu erzeugen, die sich von der Kathode in Richtung auf und in die Samen hinein bewegen.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Behandlung von Schüttgut mit einem physikalischen Plasma bei Atmosphärendruck und eine hierfür geeignete Vorrichtung aufzuzeigen, die auch für größere Mengen an Schüttgut gut geeignet sind.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 7, bevorzugte Ausführungsformen der neuen Vorrichtung in den abhängigen Patentansprüchen 9 bis 15 beschrieben.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei dem neuen Verfahren erfolgt die Behandlung mit dem physikalischen Plasma bei Atmosphärendruck. Durch die Behandlung bei Atmosphärendruck entfällt die Notwendigkeit, dass Schüttgut in einen Bereich einzuschleusen und aus diesem wieder auszuschleusen, in dem ein reduzierter Druck herrscht. Wenn bei dem neuen Verfahren ein leichter Unterdruck gegenüber dem statischen Umgebungsdruck im Bereich des physikalischen Plasmas vorliegt, so beruht dieser ausschließlich auf dynamischen Effekten, wie beispielsweise auf einer Absaugung aus dem Bereich des physikalischen Plasmas. Auch ein etwaiger Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck ist auf derartige dynamische Effekte, wie beispielsweise eine
Einblasung von Reaktionsgas in den Bereich des physikalischen Plasmas beschränkt.
In dem erfindungsgemäß durch dielektrisch behinderte Entladung bei Atmosphärendruck erzeugten Plasma werden neben sehr niederenergetischen Elektronen mit einer Energie der Größenordnung 1 eV reaktive Spezies in Form von atomarem Sauerstoff, Radikalen, Ionen usw. sowie UV-Strahlung, d. h. Photonen, erzeugt, die wesentlich für die Plasmabehandlung des Schüttguts in physikalischer, chemischer und ggf. auch biologischer Hinsicht sind. Aufgrund REHBERG HÜPPE + PARTNER - 5 - Eingereichte Fassung
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einer synergetischen Wirkungsweise der verschiedenen Substanzen, einschließlich der Photonen, in dem Plasma unterscheidet sich die Plasmabehandlung von rein physikalischen Behandlungen mittels Elektronenstrahlen. Dabei sorgt die Behandlung bei Atmosphärendruck aufgrund der sehr viel höheren Teilchendichte als bei reduziertem Druck für eine stark verkürzte Behandlungsdauer.
Bei dem neuen Verfahren entfällt auch ein unerwünschter Einfluss auf den Feuchtegehalt des Schüttguts durch einen einwirkenden Unterdruck. Weiterhin ist beachtlich, dass die Einhaltung einer Maximaltemperatur des Schüttguts, damit dieses keine thermischen Schäden erleidet, bei Atmosphärendruck viel einfacher ist, weil bei Atmosphärendruck im Gegensatz zu einer Umgebung auf Unterdruck viel bessere Möglichkeiten der Abführung überschüssiger Wärmeenergie durch Konvektion gegeben sind. Auch die Förderung des Schüttguts und seine Umwälzung, um eine allseitige Behandlung zu erreichen, erweist sich in einer Umgebung auf Atmosphärendruck viel einfacher als in einer immer räumlich begrenzten Vakuumkammer.
Die thermischen Auswirkungen der Behandlung des Schüttguts mit dem physikalischen Plasma halten sich auch deshalb in engen Grenzen, weil das Plasma durch dielektrisch behinderte Gasentladungen erzeugt wird, so dass es sich um ein vergleichsweise kaltes Plasma handelt. Die Verwendung von dielektrischen Gasentladungen zur Erzeugung des Plasmas ist auch noch mit weiteren Vorteilen verbunden. Die dielektrische Behinderung sorgt selbst bei relativ großen Flächen der mit einer Wechselhochspannung beaufschlagten Elektroden für eine uniforme Ausbildung des Plasmas. D. h., die Konzentration der Gasentladungen auf wenige Entladungskanäle wird vermieden. Dies gilt sogar selbst dann, wenn bei dem neuen Verfahren das Schüttgut direkt in den Bereich zwischen die Elektroden eingebracht wird, um es dort mit dem Plasma zu behandeln. Die hierdurch hervorgerufenen Veränderungen der elektrischen Verhältnisse zwischen den beiden Elektroden sind aufgrund der dielektrischen Behinderung der Gasentladungen und der Tatsache, dass sie durch eine bipolare Wechselhochspannung, d. h. Spannungen wechselnder Polarität, hervorgerufen werden, grundsätzlich wenig kritisch. Zudem verhindert die Bewegung der Teilchen des Schüttguts durch den Bereich der Gasentladungen hindurch, dass die Teilchen lokal durch immer an derselben Stelle ansetzende Gasentladungen stärker beansprucht werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die einzelnen Teilchen des Schüttguts bei ihrem Transport durch den Bereich der Gasentladungen fortlaufend räumlich umorientiert werden, d. h. zu dem kürzesten Abstand zwischen den Elektroden eine sich immer ändernde räumliche Ausrichtung aufweisen. Auch die Tatsache, dass die Teilchen des REHBERG HÜPPE + PARTNER - 6 - Eingereichte Fassung
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Schüttguts in vereinzelter Form durch den Bereich der Gasentladung hindurch geführt werden, d. h. ohne Kontakt und möglichst mit Abstand zu benachbarten Teilchen, führt dazu, dass die elektrischen Verhältnisse zwischen den Elektroden durch das Schüttgut nicht übermäßig verändert werden. Zudem wird auf diese Weise sichergestellt, dass das durch die Gas- entladung erzeugte Plasma allseitig auf die Teilchen des Schüttguts einwirken kann. Zusammengefasst sind es wesentliche Vorteile des neuen Verfahrens, dass das Plasma durch die dielektrisch behinderten Gasentladungen gleichmäßig in einem vergleichsweise großen Volumen erzeugt werden kann, und diese Erzeugung des Plasmas nicht wesentlich dadurch gestört wird, dass das Schüttgut unmittelbar durch dieses Plasmavolumen hindurch bewegt wird. Dieser Vorteil macht sich unmittelbar bei den Investitionskosten für die Umsetzung des neuen Verfahrens, insbesondere die Herstellungs- und Betriebskosten der neuen Vorrichtung bemerkbar.
Wie bereits angedeutet wurde, ermöglicht es die Behandlung des Schüttguts bei Atmosphärendruck ohne weiteres, das Schüttgut mit einem Gasstrom zu beaufschlagen. Dieser Gasstrom kann zur Kühlung bzw. Temperierung des Schüttguts verwendet werden, oder auch dazu, ein Reaktionsgas in das physikalische Plasma einzuführen. Auch wenn die Gasentladungen zur Erzeugung des Plasmas in Umgebungsluft gezündet werden, ist eine Durchströmung des Behandlungsbereichs sinnvoll, wenn nicht gar notwendig, weil hierdurch sich durch die Gasentladungen und die Reaktionen des Plasmas verbrauchende Substanzen ersetzt und so gleich bleibende Bedingungen für die Erzeugung des Plasmas sichergestellt werden. Dies ist Voraussetzung für die Erzeugung eines möglichst homogenen Plasmas innerhalb eines größeren Volumens. Eine weitere Funktion des Gasstroms kann die Förderung des Schüttguts durch den Bereich des physikalischen Plasmas oder auch die Umwälzung des Schüttguts innerhalb des physikalischen Plasmas sein. Je nach der Aufgabe des Gasstroms im Einzelfall sind die Richtung des Gasstroms, seine Stärke und der genaue Ort der Beaufschlagung des Schüttguts mit dem Gasstrom zu wählen. Dieser Ort kann unmittelbar im Bereich oder auch im angrenzenden Umfeld der Behandlung des Schüttguts mit dem physikalischen Plasma liegen.
Um die bei dem neuen Verfahren angesichts der grundsätzlich verbesserten Kühlung durch Konvektion bereits verringerte Gefahr einer thermischen Schädigung des Schüttguts gänzlich auszuschließen, kann eine Temperatur des Schüttguts oder eine andere Temperatur im Bereich der Behandlung mit dem physikalischen Plasma, die Rückschlüsse auf die Temperatur des Schüttguts zulässt, erfasst werden, um in Abhängigkeit hiervon die Parameter des neuen REHBERG HÜPPE + PARTNER - 7 - Eingereichte Fassung
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Verfahrens zu steuern oder zu regeln. Eine Begrenzung der Temperatur des Schüttguts auf eine vorgegebene Maximaltemperatur kann dabei beispielsweise durch Variation der Parameter des physikalischen Plasmas, der Verweildauer des Schüttguts in dem Bereich des physikalischen Plasmas und der Beaufschlagung des Schüttguts mit einem Gasstrom bewirkt werden.
Damit das neue Verfahren seine maximale positive Wirkung auf das Schüttgut entfalten kann, muss das Schüttgut dem Plasma allseitig ausgesetzt werden. Um dies sicherzustellen, müssen die vereinzelten Teilchen des Schüttguts in dem physikalischen Plasma entweder vollständig voneinander getrennt und einem vollständig homogenen Plasma ausgesetzt werden, oder sie werden in dem Plasma derart umgewälzt, dass sich dadurch eine gleichmäßige Behandlung ihrer gesamten Oberflächen einstellt. In der Regel ist eine derartige Umwälzung einfacher zu erreichen als ein in jeder Hinsicht homogenes Plasma, das auf gänzlich voneinander getrennte Teilchen des Schüttguts einwirkt. Zum Umwälzen des Schüttguts kann ein Förderer für das Schüttgut mit einem Rüttler versehen sein; das Schüttgut kann über eine Fallstufe zwischen Teilbereichen, in denen die Behandlung mit dem physikalischen Plasma erfolgt, geführt werden; die Körner des Schüttguts können in einer turbulenten Gasströmung umgewälzt werden oder die Körner können durch einen Gegenförderer mechanisch gedreht werden. Dem Fachmann stehen hier auch noch weitere Detaillösungen zur Verfügung.
Die allseitige Behandlung der Teilchen des Schüttguts mit dem physikalischen Plasma wird auch dadurch gefördert, dass die Teilchen des Schüttguts auf Abstand zu den Elektroden gehalten werden. Sie sollen sich also möglichst irgendwo im Kernbereich des Gasraums zwischen den Elektroden befinden. Dies ist auch dann zu erreichen, wenn das Schüttgut mit einem Förderer durch den Behandlungsbereich hindurch gefördert wird, der zugleich als Elektrode dient. Der Förderer ist dazu mit einem Rüttler derart zu beaufschlagen, dass die Teilchen des Schüttguts auf den Förderer hüpfen, wobei sie bis auf sehr kurze Kontaktzeiten mit dem Förderer einen Abstand zu dem Förderer aufweisen. Die hierfür optimale Frequenz der Bewegungen des Förderers mit dem Rüttler hängt von den Teilchen des Schüttguts, d. h. ihrer Größe, ihrer Dichte und ihrer Form, ab.
Die dielektrisch behinderten Gasentladungen können bei Atmosphärendruck besonders günstig durch untereinander um ein Vielfaches ihrer Dauer beabstandete einzelne Spannungspulse wechselnder Polarität, bipolare Spannungspulspaare oder bipolare Spannungspulsgruppen REHBERG HÜPPE + PARTNER - 8 - Eingereichte Fassung
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hervorgerufen werden. Bei den einzelnen Spannungspulsen kann so verglichen mit ihrer Pulsfolgefrequenz ein sehr steiler Spannungsanstieg realisiert werden, der das Zünden einer quasihomogenen Gasentladung bei Atmosphärendruck ermöglicht. Zugleich wird die in die Gasentladungen eingespeiste elektrische Leistung durch den Abstand der Spannungspulse begrenzt. Auf diese Weise wird auch eine unnötige elektrische Aufheizung des Plasmas und des sich darin befindlichen Schüttguts verhindert. Insbesondere kommt es nicht zu einer Widerstandsaufheizung der Teilchen des Schüttguts.
Das neue Verfahren kann beispielsweise dazu eingesetzt werden, um Saatgut als Schüttgut mit dem physikalischen Plasma zu behandeln, um dessen Keimfähigkeit zu verbessern, indem unerwünschte chemische oder biologische Oberflächenverunreinigungen des Saatguts entfernt bzw. abgetötet werden und/oder indem die Oberfläche an der Körner des Saatguts bestimmten physikalischen oder chemischen Reaktionen unterworfen wird und/oder mit einer sich aus dem Plasma abscheidenden Beschichtung versehen wird. Konkret kann das neue Verfahren beispielsweise dazu eingesetzt werden, Saatgut zu pillieren, d. h. mit einer Hülle aus Pflanzenschutzmitteln zu versehen, oder es auch mit anderen Funktionsschichten zu umhüllen.
Immer wenn das neue Verfahren dazu genutzt wird, Substanzen auf den Teilchen des Schüttguts abzuscheiden, können die beschichteten Teilchen entweder ganz aus einem Teilchen des Schüttguts und einer hierauf aus dem physikalischen Plasma abgeschiedenen Schicht bestehen, oder das physikalische Plasma kann auch nur zum Aufbringen einer Teilschicht oder zur Haftungsverbesserung der eigentlichen Beschichtung eingesetzt werden, die anschließend in anderer Weise aufgebracht wird. Besondere Vorteile weist das neue Verfahren auf, wenn zumindest ein wesentlicher Anteil der Beschichtung des Saatguts aus dem Plasma heraus erfolgt, weil der hierbei herrschende Atmosphärendruck viel höhere Abscheidungsraten ermöglicht als beispielsweise eine Plasmabehandlung bei reduziertem Druck. Eine vornehmliche Aktivierung der Oberfläche der Teilchen des Schüttguts führt beispielsweise zu einer Vereinfachung einer sich anschließenden Beschichtung und/oder Beleimung und insbesondere zu einer Verbesserung der dabei gewünschten Benetzung der und Haftung an den Teilchen des Schüttguts.
Mit dem neuen Verfahren können ganz verschiedene Schüttgüter behandelt werden. Von besonderem Interesse sind alle Schüttgüter, deren Teilchen anschließend ganz oder teilweise beschichtet werden sollen, um sie beispielsweise miteinander zu verkleben. So können REHBERG HÜPPE + PARTNER - 9 - Eingereichte Fassung
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Teilchen, denen anschließend ein Bindemittel zugesetzt wird, um sie zu Platten oder anderen Formkörpern miteinander zu verkleben, durch das neue Verfahren behandelt werden, um die Festigkeit der Verklebung zu steigern oder die erforderliche Bindemittelmenge zu reduzieren. Konkrete Einsatzgebiete können dabei die Behandlung von Holzspänen für die Herstellung von Holzspanplatten, die Behandlung von Holzteilchen und Kunststoffteilchen zur Herstellung von Holz-Kunststoff-Verbunden (Wood-Plastic-Composites = WPC) und auch die Vorbehandlung von beispielsweise Glas- oder Kohlefasern für die Verstärkung von Kunststoffen sein. Im letzteren Fall wird der Verbund zwischen den Verstärkungsfasern und dem Kunststoff durch die Behandlung der Verstärkungsfasern mit dem physikalischen Plasma durch das hier beschriebene Verfahren verbessert. Dies ist auf eine Oberflächenaktivierung der Fasern durch das Plasma zurückzuführen.
Das neue Verfahren ist vorteilhaft auch mit einer Sortierung der Teilchen des Schüttguts nach ihrer Größe und ihrem Gewicht kombinierbar, insbesondere mit solchen bekannten Sortierverfahren, bei denen die Teilchen eines Schüttguts auf einem Rüttler angeordnet werden.
Bei der neuen Vorrichtung für die Behandlung von Schüttgut grenzen die Elektroden der Plasmaquelle an den Behandlungsraum an, wobei zumindest eine der Elektroden mit einer dielektrischen Abschirmung versehen ist und wobei die Elektroden von einem Hochspannungsgenerator mit einer bipolaren Wechselhochspannung beaufschlagt werden. Um die Teilchen des Schüttguts in den Einwirkungsbereich des auf diese Weise erzeugten Plasmas zu bringen, ist eine durch den Behandlungsraum verlaufende Förderstrecke vorgesehen, die die Teilchen des Schüttguts in vereinzelter Form durch den Behandlungsraum hindurchfördert.
Eine Druckgasquelle und/oder ein Ventilator kann vorhanden sein, um das Schüttgut im Bereich und/oder im Umfeld der Behandlung mit dem physikalischen Plasma mit einem Gasstrom zu beaufschlagen.
Ein Temperatursensor kann vorgesehen sein, um im Bereich der Behandlung mit dem physikalischen Plasma eine Temperatur zu erfassen, die zumindest einen mittelbaren Hinweis auf die Maximaltemperatur des Schüttguts aufgrund der Plasmabehandlung gibt. So kann eine Temperatursteuerung die Temperatur des Schüttguts auf eine vorgegebene Maximaltemperatur beschränken, indem sie Betriebsparameter der neuen Vorrichtung variiert. REHBERG HÜPPE + PARTNER - 10 - Eingereichte Fassung
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Eine Umwälzeinrichtung für das Schüttgut in den Behandlungsraum kann einen an einem Förderer für das Schüttgut angreifenden Rüttler und/oder eine Fallstufe und/oder eine Quelle für eine turbulente Gasströmung und/oder einen Gegenförderer, der die Teilchen des Schüttguts mechanisch verdreht, aufweisen.
Wenn ein Rüttler zum Einsatz kommt, der einen Förderer, beispielsweise ein Förderband, der die Förderstrecke durch den Behandlungsraum ausbildet, zu insbesondere periodischen Bewegungen quer zur Förderrichtung zwingt, ist zu prüfen, inwieweit sich hierdurch der Abstand der Elektroden der Plasmaquelle ändert. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Förderer eine der beiden Elektroden der Plasmaquelle ausbildet. Wenn die Querbewegung des Förderers über das hinausgeht, was an Abstandsänderung zwischen den Elektroden der Plasmaquelle tolerierbar ist, können beide Elektroden als starre Einheit von dem Rüttler bewegt werden, so dass ihr Abstand konstant bleibt. Wenn die Größe der Querbewegung jedoch für den Abstand der Elektroden unkritisch ist, ist es aus energetischen Gründen bevorzugt, nur den Förderer zu bewegen. Bei geeigneter Form der Querbewegung des Förderers unter Einwirkung des Rüttlers, kann diese Querbewegung auch genutzt werden, um die Teilchen des Schüttguts durch den Behandlungsraum hindurchzufördem. Entsprechend ausgebildete Förderstrecken sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
Wenn die Plasmaquelle der neuen Vorrichtung das Plasma durch dielektrisch behinderte Gasentladungen bei Atmosphärendruck erzeugt, können eine Elektrode und eine Gegen- elektrode der Plasmaquelle koaxial zueinander angeordnet sein und unter Zwischenordnung einer dielektrischen Abschirmung einen vertikal offenen Behandlungsraum begrenzen. Durch diesen Behandlungsraum kann das Schüttgut von oben nach unten hindurch fallen. Dabei kann eine dem fallenden Schüttgut entgegen gerichtete Gasströmung durch den Behandlungsraum von unten nach oben die Verweildauer des Schüttguts in dem Behandlungsraum definieren und auch für eine Umwälzung des Schüttguts in dem Behandlungsraum sorgen.
In einer anderen Ausführungsform der neuen Vorrichtung ist eine Elektrode der Plasmaquelle gegenüber einem als Gegenelektrode dienenden Förderband angeordnet. In einer Variation dieser Ausführungsform sind zwei Elektroden der Plasmaquelle gegenüber einem als Zwischenelektrode dienenden Förderband angeordnet, wobei ein Hochspannungsgenerator eine Wechselhochspannung zwischen den beiden Elektroden erzeugt. Auch in diesem Fall REHBERG HÜPPE + PARTNER - 11 - Eingereichte Fassung
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kann das Förderband aus Sicherheitsgründen geerdet sein. Es entfällt aber die Notwendigkeit, den Hochspannungsgenerator zu erden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand in den Figuren dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele weiter erläutert und beschrieben.
Fig. 1 skizziert anhand eines Vertikalschnitts durch eine Vorrichtung zur Behandlung von Schüttgut mit einem physikalischen Plasma bei Atmosphärendruck eine Ausführungsform des neuen Verfahrens, bei dem das Schüttgut von oben nach unten durch einen Behandlungsraum hindurch fällt.
Fig. 2 skizziert anhand eines Vertikalschnitts durch eine weitere Vorrichtung für die Behandlung von Schüttgut mit einem physikalischen Plasma bei Atmosphärendruck eine weitere Ausführungsform des neuen Verfahrens, bei dem das Schüttgut mit einem als Zwischenelektrode für dielektrisch behinderte Gasentladungen dienenden Förderband gefördert wird. REHBERG HÜPPE + PARTNER - 12 - Eingereichte Fassung
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Fig. 3 skizziert anhand eines Vertikalschnitts eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß
Fig. 2 in Bezug auf die Sicherstellung der allseitigen Behandlung des Schüttguts mit dem physikalischen Plasma; und
Fig. 4 skizziert eine Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 2 in Bezug auf die Erzeugung der dielektrisch behinderten Gasentladung, bei der hier das
Förderband als Gegenelektrode dient.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in Fig. 1 skizzierte Vorrichtung 1 weist ein Aufladereservoir 2 auf, aus dem heraus ein aus einzelnen Teichen 30 bestehendes Schüttgut 3 von oben in einen Behandlungsraum 4 abgegeben wird. Eine hierbei zum Einsatz kommende Dosierungseinrichtung, die die Teilchen 30 des Schüttguts 3 bei der Abgabe in den Behandlungsraum 4 vereinzelt, ist hier nicht separat wiedergegeben, kann aber beispielsweise ein Zellenrad aufweisen. Der Behandlungsraum 4 wird durch ein äußeres Rohr 5 begrenzt, das als mit der Erde 6 verbundene Gegenelektrode 7 für eine auf der Rohrachse angeordnete Elektrode 8 dient, die mit einer dielektrischen Abschirmung 9 versehen ist. Die Elektrode 8 wird von einem Hochspannungsgenerator 10 mit bipolaren Spannungspulspaaren einer Amplitude von einigen 10.000 Volt beaufschlagt, die eine Pulsdauer von unter 10 μs bei einer Wiederholungsfrequenz der bipolaren Spannungspulspaare von weniger als 100.000 Hz aufweisen. Hierdurch werden bei Atmosphärendruck in dem Behandlungsraum 4 Gasentladungen zwischen der Elektrode 8 und der Gegenelektrode 7 hervorgerufen, die durch die dielektrische Abschirmung 9 der Elektrode 8 dielektrisch behindert sind. Die dielektrische Behinderung begrenzt den Strom durch die Gasentladungen und sorgt für eine gleichmäßige Verteilung der Gasentladungen, ohne ausgeprägte lokale Entladungskanäle. So wird die Erzeugung eines physikalischen Plasmas durch die Gasentladungen in dem Behandlungsraum 4 stabilisiert. Dieses physikalische Plasma wirkt auf das Schüttgut 3 ein, wodurch die Teilchen 30 des Schüttguts an ihrer Oberfläche modifiziert werden. Dies gilt bereits dann, wenn das Plasma in dem Behandlungsraum 4 aus Luft erzeugt wird. So können die dabei entstehenden Sauerstoffradikale Mikroorganismen auf der Oberfläche der Teilchen 30 des Schüttguts abtöten, was eine biologische Desinfizierung des Schüttguts bedeutet. Die Sauerstoffradikale können auch zu einer Aktivierung der Oberfläche der Teilchen 30 genutzt werden, die ihre spätere Beschichtung oder Verklebung begünstigt. In dem Behandlungsraum 4 können aber auch Reaktionsgase eingeführt werden, um bestimmte chemische Reaktionen REHBERG HÜPPE + PARTNER - 13 - Eingereichte Fassung
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durch das Plasma auszulösen und/oder um bestimmte Substanzen auf der Oberfläche der Teilchen 30 abzuscheiden. Angedeutet ist in Fig. 1 ein aufwärts durch den Behandlungsraum 4 führender Gasstrom 11. Dieser Gasstrom 11 stellt das Gas bereit, in dem das Plasma in dem Behandlungsraum 4 durch die Gasentladungen zwischen der Elektrode 8 und der Gegen- elektrode 7 gezündet wird. Der Gasstrom 11 hat aber auch noch andere Funktionen. Er bestimmt die Verweildauer des Schüttguts 3 in dem Behandlungsraum 4, indem er dessen Fallgeschwindigkeit abbremst. Zudem ruft er Turbulenzen hervor, die zu einer Umwälzung des Schüttguts in dem Behandlungsraum 4 führen, so dass dessen Teilchen 30 umgewälzt und durchmischt und von allen Seiten her gleichmäßig mit dem Plasma in dem Behandlungsraum 4 behandelt werden, bis sie nach ihrer Behandlung in ein Abladereservoir 12 am unteren Ende der Vorrichtung 1 eintreten.
Die in Fig. 2 skizzierte Vorrichtung 1 weist statt einer im wesentlichen Schwerkraft-betriebenen Förderstrecke durch den Behandlungsraum 4 wie in Figur 1 ein angetriebenes Förderband 13 auf, das das die Teilchen 30 des Schüttguts 3 hier vereinzelt und von dem Aufladereservoir 2 in horizontaler Richtung durch den Behandlungsraum 4 in das Abladereservoir 12 überführt. Dabei ist das Förderband 13 mit der Erde 6 verbunden und dient als Zwischenelektrode 14 zwischen zwei jeweils mit einer dielektrischen Abschirmung 9 versehenen Elektroden 8, zwischen denen der Wechselhochspannungsgenerator 10 hier die Wechselhochspannung für das Erzeugen eines Plasmas in dem Behandlungsraum 4 generiert. Die Zwischenelektrode 14 begrenzt einseitig die beiden Teile des Behandlungsraums 4, die sich jeweils zwischen einer der Elektroden 8 und dem Förderband 13 erstrecken, und verbindet sie elektrisch miteinander. Um die Teilchen des Schüttguts 3 allseitig und gleichmäßig mit dem Plasma zu behandeln, das durch dielektrisch behinderte Gasentladungen zwischen den Elektroden 8 und der Zwischenelektrode 14 gezündet wird, ist ein in Fig. 2 nur schematisch angedeuteter Rüttler 15 vorge- sehen, der die Höhenlage des Förderbands 13 stoßweise verändert, so dass die einzelnen Teilchen 30 des Schüttguts 3 auf dem Förderband 13 "hüpfen". Hierdurch werden sie sowohl vereinzelt als auch gedreht, so dass das Plasma allseitig auf sie einwirken kann. Außerdem werden die Teilchen für ihre wesentliche Verweildauer in dem Behandlungsraum auf Abstand zu dem Förderband gehalten, was ebenfalls ihre allseitige Behandlung mit dem Plasma fördert. Wenn die Frequenz des Rüttlers auf die Teilchen des Schüttguts abgestimmt wird, können die Teilchen von dem Rüttler 15 quasi in Schwebe über dem Förderband 13 gehalten werden. Zusätzlich kann bei der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2, was hier aber nicht dargestellt ist, ein Gasstrom über das Schüttgut 3 geführt werden, um Reaktionsgase in den Behandlungsraum 4 REHBERG HÜPPE + PARTNER - 14 - Eingereichte Fassung
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einzuführen und/oder um eine thermische Schädigung des Schüttguts 3 in dem Behandlungsraum 4 sicher auszuschließen, indem das Schüttgut 3 gezielt gekühlt wird. Hierbei können sich in dem Behandlungsraum 4 durch den Gasstrom leichte dynamische Abweichungen des Drucks gegenüber dem Umgebungsdruck einstellen. Es sind aber keine Druckschleusen für das Schüttgut 3 erforderlich, durch die dieses in die Vorrichtung 1 eingebracht oder aus dieser entnommen werden müsste, um deren Funktion aufrecht zu erhalten.
Der in Fig. 2 nur durch einen Doppelpfeil angedeutete Rüttler 5 kann ganz unterschiedlich ausgebildet sein. Er kann die gesamte Anordnung aus den Elektroden 8 und dem Förderband 13 oder nur das Förderband 13 oder nur einen Teil davon stochastisch oder periodisch in vertikaler Richtung verlagern oder um eine horizontale Schwenkachse verschwenken. Vorzugsweise erfolgt das Verlagern bzw. Verschwenken stoßartig. Es ist auch möglich, den Rüttler in Form eines das Schüttgut 3 von unten durch das Förderband 13 beaufschlagenden Gebläses auszubilden, das mit dem von ihm hervorgerufenen Gasstrom zu einer Umlagerung der einzelnen Teilchen 30 des Schüttguts 3 auf dem Förderband 13 führt.
Fig. 3 skizziert eine andere Möglichkeit, die Teilchen 30 des Schüttguts 3 beim Transport durch den Behandlungsraum 4 umzuverteilen, um eine allseitige Behandlung des Schüttguts 3 mit dem physikalischen Plasma sicherzustellen. Hier weist das Förderband 13 eine Stufe 16 zwischen den beiden Teilbereichen des Behandlungsraumes 4 auf. Indem es die Stufe 16 hinunterfällt, wird das Schüttgut 3 wird vor dem Eintreten in den zweiten Teil des Behandlungs- raums 4 gewendet. Auch bei der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 2 kann das Förderband 13 zusätzlich insgesamt oder bereichsweise mit einem Rüttler 15 (hier nicht dargestellt) versehen sein.
Bei der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 4 ist in Abweichung von Fig. 2 nicht ein Paar von Elektroden 8 mit dielektrischen Abschirmungen 9 vorgesehen, zwischen denen das Förderband 13 als Zwischenelektrode wirkt. Vielmehr dient das mit der Erde 6 verbundene Förderband 13 hier als Gegenelektrode 7 zu einer einzigen Elektrode 8 mit dielektrischer Abschirmung 9, die von einem Hochspannungsgenerator 10 mit einer gegenüber der Erde 6 erzeugten Spannung beaufschlagt wird. Hierdurch weist der Behandlungsraum 4 nur einen einzigen Bereich auf. Grundsätzlich ist die Funktionsweise der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 4 aber genauso wie diejenige gemäß Fig. 2. Dies gilt insbesondere in Bezug auf die Vereinzelung der Teilchen 30 und deren Umorientierung während ihres Durchtritts durch den Behandlungsraum 4. REHBERG HÜPPE + PARTNER - 15 - Eingereichte Fassung
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Das Förderband 13 kann auch so steil geneigt werden, dass die Teilchen 30 des Schüttguts 3 das Förderband 13 hinabrollen, d. h. zu dem Abladereservoir 12 gelangen, ohne dass das Förderband 13 bewegt wird. Die dafür notwendige Neigung des Förderbands 13 hängt natürlich stark von der Form der Teilchen 30 ab. Wenn diese gänzlich unrund, also z. B. faserförmig sind, kann ein nutzbares das Förderband 13 Herabrollen des Schüttguts 3 sogar ausgeschlossen sein. Wenn die Teilchen hinreichend rund sind, kann das Förderband 13 kann hingegen sogar in Gegenrichtung zu den in das Abladereservoir 12 hinabrollenden Teilchen des Schüttguts 3 angetrieben werden, um die Rollbewegung der Teilchen bzw. ihre Verweildauer in dem Behandlungsraum 4, in dem das physikalische Plasma auf sie einwirkt, einzustellen. Auch hierbei kann wieder ein Rüttler 15 für das Förderband 13 vorgesehen sein, um die für ihre allseitige Behandlung wichtige Umverteilung der Teilchen des Schüttguts 3 zu fördern.
Überdies kann das Förderband 13, das in den Figuren als um Rollen 17 umlaufend dargestellt ist, selbst bei horizontaler oder leicht ansteigender Ausrichtung in dem Behandlungsraum 4 ausschließlich eine von dem Rüttler hervorgerufene periodische Bewegung vollführen. Wenn diese periodische Bewegung eine ausreichende seitliche Komponente hat, kann sie neben ihrer Vereinzelungs- und Umorientierungsfunktion auch für das Fördern der Teilchen 30 des Schüttguts 3 durch den Behandlungsraum 4 ausreichend sein.
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BEZUGSZEICHENLISTE
1 Vorrichtung 16 Stufe
2 Aufladereservoir 17 Rolle
3 Schüttgut
4 Behandlungsraum
5 Rohr
6 Erde
7 Gegenelektrode
8 Elektrode
9 dielektrische Abschirmung
10 Hochspannungsgenerator 30 Korn
11 Gasströmung
12 Abladereservoir
13 Förderband
14 Zwischenelektrode
15 Rüttler

Claims

REHBERG HÜPPE + PARTNER - 17 - Eingereichte Fassung17627pct 25.04.2007PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Behandlung von Schüttgut, das aus einer Vielzahl einzelner Teilchen besteht, mit einem physikalischen Plasma bei Atomsphärendruck, dadurch gekennzeichnet, dass das physikalische Plasma in einem Behandlungsbereich (4) mittels dielektrisch behinderter Gasentladungen zwischen zwei Elektroden (7, 8) erzeugt wird, zwischen denen eine bipolare Wechselhochspannung angelegt wird, und dass die Teilchen (30) des Schüttguts (3) in vereinzelter Form durch den Behandlungsbereich (4) zwischen den Elektroden (7, 8) hindurch bewegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schüttgut (3) in dem Behandlungsbereich (4) und/oder im Umfeld der Behandlung mit dem physikalischen Plasma mit einem Gasstrom (11) beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur in dem Behandlungsbereich (4) erfasst und auf eine vorgegebene Maximaltemperatur begrenzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das die Teilchen (30) des Schüttgut (3) allseitig dem physikalischen Plasma ausgesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (30) des Schüttguts (3) auf Abstand zu den Elektroden (7, 8) gehalten werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen (30) in dem Behandlungsbereich (4) fortlaufend umorientiert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrisch behinderten Gasentladungen durch untereinander um ein Vielfaches Ihrer Dauer beabstandete einzelne Spannungspulse wechselnder Polarität, bipolare Spannungspulspaare oder bipolare Spannungspulsgruppen hervorgerufen werden. REHBERG HÜPPE + PARTNER - 18 - Eingereichte Fassung
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8. Vorrichtung für die Behandlung von Schüttgut, das aus einer Vielzahl einzelner Teilchen besteht, mit einem physikalischen Plasma bei Atomsphärendruck, mit einem Behandlungsraum, durch den die Teilchen des Schüttgut hindurch treten, und mit einer Plasmaquelle, die Elektroden aufweist, zwischen welchen ein Hochspannungsgenerator eine Hochspannung hervorruft, und die das physikalische Plasma in dem Behandlungsraum bereitstellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (7, 8, 14) der Plasmaquelle an den Behandlungsraum (4) angrenzen, wobei zumindest eine der Elektroden (8) mit einer dielektrischen Abschirmung versehen ist und wobei zumindest eine der Elektroden (8) von dem Hochspannungsgenerator mit einer bipolaren Wechselhochspannung beaufschlagbar ist, und dass eine durch den Behandlungsraum (4) verlaufende Förderstrecke die Teilchen (30) des Schüttguts (3) in vereinzelter Form durch den Behandlungsraum (4) hindurch fördert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckgasquelle und/oder ein Ventilator vorhanden sind, um das Schüttgut (3) im Bereich und/oder im Umfeld der Behandlung mit dem physikalischen Plasma mit einem Gasstrom (11) zu beaufschlagen.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatur- sensor eine Temperatur im Bereich der Behandlung mit dem physikalischen Plasma erfasst und dass eine Temperatursteuerung eine Temperatur des Schüttguts (3) auf eine vorgegebene Maximaltemperatur beschränkt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umwälzeinrichtung für das Schüttgut (3) in dem Behandlungsraum (4) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzeinrichtung einen an einem Förderer für das Schüttgut (3) angreifenden Rüttler (15) und/oder eine Fallstufe und/oder eine Quelle für eine turbulente Gasströmung (11) und/oder einen Gegenförderer aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektroden (7, 8) der Plasmaquelle koaxial zueinander angeordnet sind und einen sich vertikal erstreckenden Behandlungsraum (4) begrenzen. REHBERG HÜPPE + PARTNER - 19 - Eingereichte Fassung
17627pct 25.04.2007
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche δ bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode (8) der Plasmaquelle gegenüber einem als Gegenelektrode dienenden Förderband (13) angeordnet ist
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektroden (8) der Plasmaquelle gegenüber einem als Zwischenelektrode (14) dienenden Förderband (13) angeordnet sind, wobei ein Hochspannungsgenerator (10) eine Wechsel- hochspannung zwischen den beiden Elektroden (8) erzeugt.
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